專利名稱：一種具有多堆棧的硅基薄膜太陽能電池的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種具有多堆棧的硅基薄膜太陽能電池，尤其涉及相互迭 接的多個光電轉換層，該多個光電轉換層利用不同的能隙與薄膜材料以提高其 光波長的吸收范圍，并增加太陽能電池的光電轉換效率。
背景技術：
目前由于國際能源短缺，而世界各國一直持續(xù)研發(fā)各種可行的替代能源， 而其中又以太陽能發(fā)電的太陽電池最受到矚目，太陽電池具有使用方便、取之 不盡、用之不竭、無廢棄物、無污染、無轉動部份、無噪音、可阻隔輻射熱、 使用壽命長、尺寸可隨意變化、并與建筑物作結合及普及化等優(yōu)點，故利用太 陽電池作為能源的取得。
在20世紀70年代，由美國貝爾實驗室首先研制出的硅太陽能電池逐步發(fā)展 起來。隨著太陽電池的發(fā)展，如今太陽能電池有多種類型，典型的有單晶硅太 陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池、化合物太陽能電池、染料 敏化太陽能電池等。
硅(Silicon )為目前通用的太陽能電池的原料代表，而在市場上又區(qū) 分為1.單結晶硅；2.多結晶硅；3.非結晶硅。目前最成熟的工業(yè)生產制 造技術和最大的市場占有率乃以單晶硅和非晶硅為主的光電板。原因是一、 單晶效率最高；二、非晶價格最便宜，且無需封裝，生產也最快；三、多晶的 切割及下游再加工較不易，而前述兩種都較易于再切割及加工。為了降低成本， 現(xiàn)今主要以積極發(fā)展非晶硅薄膜太陽電池為主，但其效率上于實際應用中仍然 過低。。近來，有所謂的中間能帶(Intermediate band)結構被提出，也就是 在導帶(Conduction band)與價帶(Valence band)之間引進額外的能帶。 理論上，如果摻雜(doping)濃度高到某種程度，即摻雜原子之間的距離接近到 某種程度，摻雜原子就不能再被視為是相互獨立的。摻雜原子的能階互相耦合 (Overlapping)，就會在導帶與價帶之間引進中間能帶。而中間能帶的引入，
可以讓原本能量小于能隙的不被吸收的光子，有機會被吸收，因而增加光電流。 另一方面，為了保持輸出電壓， 一般須要采用P-i-N結構，讓中間能帶位于純 質(intrinsic, i layer)區(qū)域。其中又以于i層中成長所謂的微晶硅 (Microcrystalline Si， Si: H)結構最受到矚目。微晶硅薄膜，其薄膜 的載子遷移率(Carrier mobility)比一般非晶硅質薄膜高出1 2個數(shù)量級， 而暗電導值則介于10—5 10—7 (S.cnf1)之間，明顯高出非晶硅薄膜3 4個數(shù)量 級。然而，過去并無在多個P-i-N結構中制作多能隙的硅基薄膜太陽能電池。
因此，有必要提出一種具有多堆棧的硅基薄膜太陽能電池，以堆棧不同形 式的P-i-N結構來提高其光波長的吸收范圍，并增加太陽能電池的光電轉換效 率。

實用新型內容
本實用新型所要解決的技術問題在于提供一種具有多堆棧的硅基薄膜太 陽能電池，其特別是關于多個相互迭接的光電轉換層，該多個光電轉換層利用 不同的能隙與薄膜材料以提高其光波長的吸收范圍，并增加太陽能電池的光電 轉換效率。
為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提出一種具有多堆棧的硅基薄膜太陽能電 池，其包含一基板； 一透明導電膜； 一第-一光電轉換層； 一第二光電轉換層； 一第三光電轉換層以及一電極。其中，該透明導電膜用于取出電能與提升光電 轉換的效率。該第一光電轉換層形成于該透明導電膜上方，用以產生電子空穴 對，并提供光電流。該第二光電轉換層形成于該第一光電轉換層上方，也用以 產生電子空穴對，并提供光電流。該第三光電轉換層形成于該第二光電轉換層 上方，也用以產生電子空穴對，并提供光電流。最后，該電極形成于該N型半 導休層上方，用以取出電能與提升光電轉換的效率。
需注意的是，該第一光電轉換層的能隙大于該第二光電轉換層的能隙， 而該第二光電轉換層的能隙大于該第三光電轉換層的能隙，且該第一光電轉換 層的厚度不大于該第二光電轉換層的厚度，而該第二光電轉換層的厚度不大于 該第三光電轉換層。其中，該第二光電轉換層內具有鑲埋結晶的結構。
根據本實用新型的一種具有多堆棧的硅基薄膜太陽能電池，其中該第一光 電轉換層、該第二光電轉換層與該第三光電轉換層都是由一P型半導體層、一
本質型(i型)半導體層與一N型半導體層組合而成。
根據本實用新型的一種具有多堆棧的硅基薄膜太陽能電池，其中該第一光 電轉換層選自于碳化硅與非晶硅所組成族群中的任何一種材料。
根據本實用新型的一種具有多堆棧的硅基薄膜太陽能電池，其中該第二光 電轉換層選自于納米晶硅、微晶硅與多晶硅所組成族群中的任何一種材料。
根據本實用新型的一種具有多堆棧的硅基薄膜太陽能電池，其中該第三光 電轉換層選自于多晶硅、非晶硅鍺、微晶硅鍺或多晶硅鍺所組成族群中的任何 一種材料。
根據本實用新型的一種具有多堆棧的硅基薄膜太陽能電池，其中該第二光 電轉換層內的結晶材料占該第二光電轉換層的整體比例在10%至80%之間。
根據本實用新型的一種具有多堆棧的硅基薄膜太陽能電池，其中該第二光 電轉換層內的結晶材料的結晶尺寸在10納米至500納米之間。
本實用新型的具有多堆棧的硅基薄膜太陽能電池，其特別是關于多個相互 迭接的光電轉換層，該多個光電轉換層利用不同的薄膜材料以提高其光波長的 吸收范圍，并增加太陽能電池的光電轉換效率。
以下結合附圖和具體實施例對本實用新型進行詳細描述，但不作為對本實 用新型的限定。


圖1顯示為本實用新型的具有多能階的硅基薄膜太陽能電池的側視剖面
圖2a、圖2b及圖2c分別為本實用新型的該第三光電轉換層、該第二光 電轉換層、該第一光電轉換層的側視剖面圖。 其中，附圖標記
100: —種具有多堆棧的硅基薄膜太陽能電池
110:基板 120:透明導電膜 130:第一光電轉換層
140:第二光電轉換層150:第三光電轉換層
160:電極
131:第一光電轉換層內的P型半導體層
132:第一光電轉換層內的本質型(i型)半導體層 133:第一光電轉換層內的N型半導體層
141:第二光電轉換層內的P型半導體層
142:第二光電轉換層內的本質型(i型)半導體層
143:第二光電轉換層內的N型半導體層
151:第三光電轉換層內的P型半導體層
152:第三光電轉換層內的本質型(i型)半導體層
153:第三光電轉換層內的N型半導體層
具體實施方式
雖然本實用新型可表現(xiàn)為不同形式的實施例，但附圖所示者及于下文中說 明者為本實用新型的較佳實施例，并請本領域技術人員考慮為本實用新型的一 范例，且并非意圖用以將本實用新型限制于圖示及/或所描述的特定實施例中。
請參照圖1，其所示為一種具有多堆棧的硅基薄膜太陽能電池100的側視
剖面圖，該結構為本實用新型的第一實施例。該一種具有多堆棧的硅基薄膜太
陽能電池100包含一基板110; —透明導電膜120; —第一光電轉換層130;
一第二光電轉換層140; —第三光電轉換層150以及一電極160。其中，該第 一光電轉換層130、該第二光電轉換層140與該第三光電轉換層150都是由一 P型半導體層、 一本質型(i型)半導體層與一N型半導體層組合而成，該組 合結構的剖面圖如圖2a、圖2b及圖2c所示。
本實用新型的該基板110選自于硅、玻璃、可撓性基板110或不銹鋼板之 一。該第三光電轉換層選自于多晶硅、非晶硅鍺、微晶硅鍺或多晶硅鍺所組成 族群中的任何一種材料。而為了降低制作上的成本，本實用新型的基板110 可采用玻璃及不銹鋼來作為基板110。
該透明導電膜120形成于該基板110上，該透明導電膜120的目的為提高 電流的收集于電極160上，以提升光電轉換的效率。其中，該透明導電膜120 的工藝方式可選用常見的蒸鍍法(Evaporation)、濺鍍法(Sputter)、電鍍 法、印刷法工藝作為主要的工藝方式。該透明導電膜120的材料可選用銦錫氧 化物(Indium tin oxide， ITO) 、 二氧化錫(Stann咖dioxide, Sn02)、氧 化鋅(Zinc oxide, Zn0)或含雜質的氧化鋅等所組成族群之一。
本實用新型于第一實施例的該第一光電轉換層130內的P型半導體層 131、該第二光電轉換層140內的P型半導體層141與該第三光電轉換層150 內的P型半導體層151的工藝方式可選用于等離子增強型化學式氣相沉積工藝 (Plasma-enhanced chemical vapor d印osition， PECVD)、熱絲化學氣相沉積 法(Hot-wire chemical v邵or d印osition， HW-CVD)或特高頻等離子增強型化 學式氣相沉禾只 (Very high frequency-plasma enhance chemical vapor d印osition， VHF-PECVD)等工藝作為主要的工藝方式。
其中，P型半導體層系指在本質材料中加入的雜質(Impurities)可產生 多余的空穴，以空穴構成多數(shù)載子的半導體，即稱之為P型半導體層。例如 對硅和鍺半導體的本質半導體摻入3價原子的雜質時，會形成多余的空穴，電
流將以空穴作為主要的運作。
在P-i-N結構中，本質型(i型)半導體層對于薄膜型太陽能電池的電特 性影響最大，當電子與空穴在材料內部傳導，若該本質型(i型)半導體層的 厚度過厚，兩者重合機率極高，為避免此現(xiàn)象發(fā)生，本質型(i型)半導體層 不宜過厚。反之，本質型(i型)半導體層太薄，又易造成吸光不足。其中， 本質型(i型)半導體層一般以非晶硅質薄膜(a-Si:H)為主。但非晶硅質薄 膜先天上最大的缺失在于光照使用后，非晶硅質薄膜于短時間內，其性能將大 幅衰退，即所謂的SW (Staebler-Wronski)效應，其衰減幅度約15 % 35 %。該SW效應是由于材料中部份未飽和的硅原子(Dangling bond, DB)，因 光照射所發(fā)生結構變化之故。微晶硅質薄膜的載子遷移率比一般非晶硅質薄膜 高出1 2個數(shù)量級，而暗電導值則介于10—5 10—7 (S.cnf1)之間，明顯高出 傳統(tǒng)非晶硅質薄膜3 4個數(shù)量級，故于本質型(i型)半導體層使用微晶硅 質的結晶薄膜可加以提高太陽能電池的轉換效率。
該第一實施例的第一光電轉換層130內的N型半導體層133，第二光電轉 換層140內的N型半導體層143、第三光電轉換層150內的N型半導體層153 的工藝方式可選用于等離子增強型化學式氣相沉積工藝、熱絲化學氣相沉積法 或特高頻等離子增強型化學式氣相沉積工藝作為主要工藝方式。
本實用新型的N型半導體層是指在本質材料中加入的雜質可產生多余的 電子，以電子構成多數(shù)載子的半導體，即稱之為N型半導體層。就硅或鍺半導 體而言，若對本質半導體摻入5價原子的雜質時，會形成多余的電子，并以電
子流作為主要的運作。
該電極160形成于該N型半導體層上，且其可選用常見的蒸鍍法、濺鍍法、 電鍍法、印刷法工藝作為主要工藝方式。該電極160的制作材料可選用銦錫氧 化物(Indium tin oxide, IT0) 、 二氧化錫(Stann咖dioxide, Sn02)、氧 化鋅(Zinc oxide， Zn0)、含雜質的氧化鋅、鎳、金、銀、鈦、銅、鈀、及 鋁等材料，該電極160的功效與該透明導電膜120相同。
需注意的是，該第一光電轉換層130的能隙大于該第二光電轉換層140 的能隙，而該第二光電轉換層140的能隙大于該第三光電轉換層150的能隙且 該第二光電轉換層140內具有鑲埋結晶的結構；以及該第一光電轉換層130 的厚度不大于該第二光電轉換層140的厚度，而該第二光電轉換層140的厚度 不大于該第三光電轉換層150。
第一光電轉換層130內的本質型半導體層132的厚度大于該第一光電轉換 層130內的N型半導體層133的整體厚度與該第一光電轉換層130內的P型半 導體層131的整體厚度，且第二光電轉換層140內的本質型半導體層142的厚 度大于該第二光電轉換層140內的N型半導體層143的整體厚度與該第二光電 轉換層140內的P型半導體層141的整體厚度，又第三光電轉換層150內的本 質型半導體層152的厚度大于該第三光電轉換層150內的N型半導體層153 的整體厚度與該第三光電轉換層150內的P型半導體層151的整體厚度，故該 第一光電轉換層130、該第二光電轉換層140與該第三光電轉換層150內的各 本質型半導體層的厚度大于各N型半導體層與各P型半導體層的整體厚度。
綜上所述，本實用新型的具有多堆棧的硅基薄膜太陽能電池，其特別是關 于多個相互迭接的光電轉換層，該多個光電轉換層利用不同的薄膜材料以提高 其光波長的吸收范圍，并增加太陽能電池的光電轉換效率。
當然，本實用新型還可有其它多種實施例，在不背離本實用新型精神及其 實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本實用新型作出各種相應的改 變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本實用新型所附的權利要求的保 護范圍。
權利要求1.一種具有多堆棧的硅基薄膜太陽能電池，其特征在于，主要包含一基板，該基板的一面為照光面；一用于取出電能與提升光電轉換的效率的透明導電膜，形成于該基板上；一用以產生電子空穴對并提供光電流的第一光電轉換層，形成于該透明導電膜上方；一用以產生電子空穴對并提供光電流的第二光電轉換層，形成于該第一光電轉換層上方；一用以產生電子空穴對并提供光電流的第三光電轉換層，形成于該第二光電轉換層上方；以及一用以取出電能與提升光電轉換的效率的電極，形成于該第三光電轉換層上方；其中，該第一光電轉換層的能隙大于該第二光電轉換層的能隙，該第二光電轉換層的能隙大于該第三光電轉換層的能隙且該第二光電轉換層內具有鑲埋結晶的結構；以及該第一光電轉換層的厚度不大于該第二光電轉換層的厚度，該第二光電轉換層的厚度不大于該第三光電轉換層。
2. 根據權利要求l所述的一種具有多堆棧的硅基薄膜太陽能電池，其 特征在于，該基板為玻璃基板、石英基板、透明塑料基板或透明可撓性基板。
3. 根據權利要求l所述的一種具有多堆棧的硅基薄膜太陽能電池，其 特征在于，該第一光電轉換層、該第二光電轉換層與該第三光電轉換層都是由 一P型半導體層、 一本質型(i型)半導體層與一N型半導體層組合而成。
4. 根據權利要求l所述的一種具有多堆棧的硅基薄膜太陽能電池，其 特征在于，該第一光電轉換層為碳化硅層或非晶硅層。
5. 根據權利要求1所述的一種具有多堆棧的硅基薄膜太陽能電池，其 特征在于，該第二光電轉換層為納米晶硅層、微晶硅層或多晶硅層。
6. 根據權利要求l所述的一種具有多堆棧的硅基薄膜太陽能電池，其 特征在于，該第三光電轉換層為多晶硅層、非晶硅鍺層、微晶硅鍺層或多晶硅 鍺層。
7. 根據權利要求3所述的一種具有多堆棧的硅基薄膜太陽能電池，其 特征在于，該第一光電轉換層、該第二光電轉換層與該第三光電轉換層內的各本質型半導體層的厚度大于各N型半導體層與各P型半導體層的整體厚度。
專利摘要本實用新型揭示一種具有多堆棧的硅基薄膜太陽能電池，其主要包含一基板；一透明導電膜；一第一光電轉換層；一第二光電轉換層；一第三光電轉換層以及一電極。其中，該第一光電轉換層的能隙大于該第二光電轉換層的能隙，而該第二光電轉換層的能隙大于該第三光電轉換層的能隙且該第二光電轉換層內具有鑲埋結晶的結構。上述能隙的排列方式可用以提高光波長的吸收范圍，并增加太陽能電池的光電轉換效率。
文檔編號H01L31/065GK201185191SQ20082000422
公開日2009年1月21日 申請日期2008年2月1日 優(yōu)先權日2008年2月1日
發(fā)明者張育綺, 楊茹媛, 田偉辰, 簡永杰 申請人:東捷科技股份有限公司