專利名稱：太陽電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是有關于一種太陽電池(photovoltaic cell)，且特別是有關于一種具有 較高光電轉換效率的太陽電池。
背景技術：
太陽能是一種干凈無污染而且取之不盡用之不竭的能源，在解決目前石化能源所 面臨的污染與短缺的問題時，一直是最受矚目的焦點。由于太陽電池可直接將太陽能轉換 為電能，因此已成為目前相當重要的研究課題。硅基太陽電池為業(yè)界常見的一種太陽電池。硅基太陽電池的原理是將二個不同型 (P型與n型)的半導體層相接合，以形成p-n接面。當太陽光照射到具有此p-n結構的半 導體時，光子所提供的能量可把半導體價帶中的電子激發(fā)至導帶而產生電子-電洞對。電 子與電洞均會受到電場的影響，使得電洞沿著電場的方向移動，而電子則往相反的方向移 動。如果以導線將此太陽電池與負載(load)連接起來，則可形成一個回路(loop)，并可使 電流流過負載，此即為太陽電池發(fā)電的原理。^^Mftffl^^tiEM (hetero junction with intrinsic thinlayer，HIT) 曰 ffe 池中，二個不同型(p型與n型)的半導體層分別為摻雜單晶硅層與摻雜非晶硅層。此外， 在摻雜單晶硅層與摻雜非晶硅層之間具有本征非晶硅層。另外，一對電極與摻雜單晶硅層 與摻雜非晶硅層電性連接。然而，一般的HIT太陽電池結構僅能吸收太陽光頻譜中能量實 質上大于硅能隙(1. 12eV)的光子，因此難以具有較高的光電轉換效率。

發(fā)明內容本發(fā)明提供一種太陽電池，其具有較高的光電轉換效率。本發(fā)明提出一種太陽電池，其包括第一型摻雜單晶硅基板、本征非晶硅層、第二型 摻雜非晶硅層、第一型摻雜結晶含鍺層以及一對電極。第一型摻雜單晶硅基板具有正面以 及背面。本征非晶硅層配置于正面上。第二型摻雜非晶硅層配置于本征非晶硅層上。第一 型摻雜結晶含鍺層配置于背面。電極與第二型摻雜非晶硅層以及第一型摻雜結晶含鍺層電 性連接。依照本發(fā)明實施例所述的太陽電池，上述的第一型摻雜單晶硅基板的晶向 (crystal orientation)例如為(100)、(110)或(111)。依照本發(fā)明實施例所述的太陽電池，上述的第一型摻雜單晶硅基板例如為p型摻 雜單晶硅基板，而第二型摻雜非晶硅層例如為n型摻雜非晶硅層。依照本發(fā)明實施例所述的太陽電池，上述的第二型摻雜非晶硅層的能隙例如實質 上小于本征非晶硅層的能隙，本征非晶硅層的能隙例如實質上大于第一型摻雜單晶硅基板 的能隙，而第一型摻雜單晶硅基板的能隙例如實質上大于第一型摻雜結晶含鍺層的能隙。依照本發(fā)明實施例所述的太陽電池，上述的第二型摻雜非晶硅層的能隙例如實質 上介于1. 5eV至2. OeV之間，本征非晶硅層的能隙例如實質上介于1. 5eV至2. OeV之間，而第一型摻雜單晶硅基板的能隙例如實質上介于l.OeV至1. leV之間，且第一型摻雜結晶含 鍺層能隙例如實質上介于0. 6eV至1. leV之間。依照本發(fā)明實施例所述的太陽電池，上述的第一型摻雜單晶硅基板的厚度例如實 質上介于50微米至500微米之間。依照本發(fā)明實施例所述的太陽電池，上述的第一型摻雜單晶硅基板的摻雜濃度例 如實質上介于1015cm_3至1017cm_3之間。依照本發(fā)明實施例所述的太陽電池，上述的第二型摻雜非晶硅層的厚度例如實質 上介于1奈米至20奈米之間。依照本發(fā)明實施例所述的太陽電池，上述的第二型摻雜非晶硅層的摻雜濃度例如 實質上介于1018cnT3至1021cnT3之間。依照本發(fā)明實施例所述的太陽電池，上述的第一型摻雜結晶含鍺層例如為第一型 摻雜結晶硅鍺層或第一型摻雜結晶鍺錫層。依照本發(fā)明實施例所述的太陽電池，上述的第一型摻雜結晶含鍺層中的鍺含量例 如實質上高于10%，而第一型摻雜結晶含鍺層中的硅含量例如實質上低于90%。依照本發(fā)明實施例所述的太陽電池，上述的第一型摻雜結晶含鍺層的厚度例如實 質上介于10奈米至10微米之間。依照本發(fā)明實施例所述的太陽電池，上述的第一型摻雜結晶含鍺層的摻雜濃度例 如實質上介于1015cm_3至1021cm_3之間。依照本發(fā)明實施例所述的太陽電池，上述的電極可以包括第一電極以及第二電 極。第一電極配置于第二型摻雜非晶硅層上，而第二電極配置于第一型摻雜結晶含鍺層上， 其中第二電極與第一型摻雜單晶硅基板分別位于第一型摻雜結晶含鍺層的兩側。依照本發(fā)明實施例所述的太陽電池，上述的第一電極例如為一透明電極，而第二 電極例如為一反射電極?；谏鲜?，本發(fā)明于第一型摻雜單晶硅基板與反射電極之間配置第一型摻雜結晶 含鍺層，由于第一型摻雜結晶含鍺層在本發(fā)明的太陽電池中具有最小的能隙(band gap), 因此第一型摻雜結晶含鍺層可以吸收第二型摻雜非晶硅層、本征非晶硅層與第一型摻雜單 晶硅基板所無法吸收的太陽光頻譜而產生更多的電子-電洞對，因而使得太陽電池可以具 有較高的光電轉換效率。為讓本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合所附圖式 作詳細說明如下。

圖1為依照本發(fā)明實施例所繪示的太陽電池的剖面示意圖。圖2為第一型摻雜結晶硅鍺層中的鍺含量與第一型摻雜結晶硅鍺層的導帶能量 與價帶能量的關系圖。圖3為第一型摻雜結晶硅鍺層中的鍺含量與第一型摻雜結晶硅鍺層的能隙的關 系圖。圖4為第一型摻雜結晶硅鍺層的厚度與太陽電池的光電轉換效率、開路電壓、短 路電流與填充因子的關系圖。
主要組件符號說明10:太陽電池100 第一型摻雜單晶硅基板100a:正面100b 背面102 本征非晶硅層104 第二型摻雜非晶硅層106 第一型摻雜結晶含鍺層108、110:電極
具體實施方式圖1為依照本發(fā)明實施例所繪示的太陽電池的剖面示意圖。請參照圖1，太陽電 池(或稱為光伏打電池)10包括第一型摻雜單晶硅基板100、本征非晶硅層102、第二型摻 雜非晶硅層104、第一型摻雜結晶含鍺層106以及電極108、110。第一型摻雜單晶硅基板100例如為p型摻雜單晶硅基板，且其晶向例如為(100)、 (110)或(111)。第一型摻雜單晶硅基板100具有正面100a以及背面100b。在本實施例 中，正面100a以及背面100b例如為粗糙表面，以降低太陽光或光線進入太陽電池10時的 反射率。第一型摻雜單晶硅基板100的厚度例如實質上介于50微米至500微米之間，且其 摻雜濃度例如實質上介于1015cm_3至1017cm_3之間。在本實施例中，本征非晶硅層102配置于正面100a上。舉例而言，前述的本征非 晶硅層102的厚度例如實質上介于1奈米(nm)至20奈米之間。第二型摻雜非晶硅層104配置于本征非晶硅層102上。第二型摻雜非晶硅層104 例如為n型摻雜非晶硅層。第二型摻雜非晶硅層104的厚度例如實質上介于1奈米至20 奈米之間，且其摻雜濃度例如實質上介于1018cm_3至1021cm_3之間。第一型摻雜結晶含鍺層106配置于背面100b。第一型摻雜結晶含鍺層106例如 為第一型摻雜結晶硅鍺層、第一型摻雜結晶鍺錫層或其它合適的材料。本發(fā)明實施例的第 一型摻雜結晶含鍺層106以第一型摻雜結晶硅鍺層為范例，但不限于此。第一型摻雜結晶 含鍺層106的厚度例如實質上介于10奈米至10微米之間，且其摻雜濃度例如實質上介于 1015cm_3至1021cm_3之間。第一型摻雜結晶含鍺層106可平衡本征非晶硅層102以及第二型 摻雜非晶硅層104所產生的應力，且可提供后表面電場(backsurface field，BSF)。此外， 由于第一型摻雜結晶含鍺層106屬于結晶結構，其具有較少的缺陷(defect)，因此可以減 少電子與電洞的再結合(recombination)的發(fā)生。電極108與第二型摻雜非晶硅層104電性連接，而電極110與第一型摻雜結晶含 鍺層106電性連接，其中電極110與第一型摻雜單晶硅基板100分別位于第一型摻雜結晶 含鍺層106的兩側。電極108例如為透明電極，其可以是銦錫氧化物(indium tin oxide, I TO)、銦鋅氧化物(indiumzinc oxide, IZ0)、氧化鋅(ZnO)、其它合適的材料或上述的組合。 此外，在另一實施例中，電極108的表面上還可以涂布一層抗反射層，以進一步降低太陽光 進入太陽電池10時的反射率。此外，電極110例如為反射電極，其材質可以是金屬(例如 鋁(A1)、銀(Ag)、鉬(Pt)等等)或合金。舉例而言，電極110的厚度、面積以及形狀可以視實際需求而調整。此外，第二型摻雜非晶硅層104的能隙例如實質上小于本征非晶硅層102的能隙， 本征非晶硅層102的能隙例如實質上大于第一型摻雜單晶硅基板100的能隙，而第一型摻 雜單晶硅基板100的能隙例如實質上大于第一型摻雜結晶含鍺層106的能隙。第二型摻雜 非晶硅層104的能隙例如實質上介于1. 5eV至2. OeV之間，本征非晶硅層102的能隙例如實 質上介于1. 5eV至2. OeV之間，而第一型摻雜單晶硅基板100的能隙例如實質上介于1. OeV 至1. leV之間，且第一型摻雜結晶含鍺層106的能隙例如實質上介于0. 6eV至1. leV之間。 也就是說，在太陽電池10中，第一型摻雜結晶含鍺層106具有最小的能隙。因此，第一型摻 雜結晶含鍺層106可以吸收第二型摻雜非晶硅層104、本征非晶硅層102與第一型摻雜單晶 硅基板100所無法吸收的太陽光頻譜而產生更多的電子-電洞對，因而可以提升短路電流， 并可使太陽電池具有較高的光電轉換效率。在第一型摻雜結晶含鍺層106中，以第一型摻雜結晶硅鍺層為實施例而言，鍺含 量例如實質上高于10%，而硅含量例如實質上低于90%。換句話說，若第一型摻雜結晶 含鍺層以第一型摻雜結晶硅鍺層為使用的材料，且其鍺含量比例為x，則硅含量比例就為 (1-x)，其中0<x< 1。若第一型摻雜結晶含鍺層以第一型摻雜結晶鍺錫層為使用的材料， 且其鍺含量比例為X，則錫含量比例就為(1-x)，其中0 < x < 1。以第一型摻雜結晶硅鍺 層為實施例而言，圖2為第一型摻雜結晶硅鍺層中的鍺含量對導帶(conduction band)能 量(Ec)與價帶(valence band)能量(Ev)的關系圖。由圖2可知，在第一型摻雜結晶硅鍺 層中，隨著鍺含量的增加，導帶能量與價帶能量也隨的增加，而導帶能量與價帶能量之間的 能隙則隨的降低。當太陽電池10照光而產生電子_電洞對之后，電子和電洞可分別擴散 (diffusion)或漂移(drift)至電極108、110而被導出，因此第一型摻雜結晶硅鍺層的導帶 能量必須比第一型摻雜單晶硅基板100的導帶能量高，否則錯誤的電場方向會使電子無法 順利被導出。因此，在一實施例中，較佳地，第一型摻雜結晶硅鍺層的第一型摻雜濃度例如 具有梯度變化，使得第一型摻雜結晶硅鍺層的導帶能量逐漸增加，以使電子能夠順利被導 出。本發(fā)明實施例中，第一型摻雜濃度變化從電極110往第一型摻雜單晶硅基板100遞減， 使電子能夠順利被導出。于其它實施例，第一型摻雜結晶含鍺層106的第一型摻雜濃度不 具有梯度變化。以第一型摻雜結晶硅鍺層為實施例而言，圖3為第一型摻雜結晶硅鍺層的鍺含量 與第一型摻雜結晶硅鍺層的能隙的關系圖。由圖3可以清楚看出，隨著鍺含量的增加，第一 型摻雜結晶硅鍺層的能隙隨的降低。也就是說，當?shù)谝恍蛽诫s結晶硅鍺層中的鍺含量越高， 則第一型摻雜結晶硅鍺層的能隙越低，而第一型摻雜結晶硅鍺層所能吸收的太陽光頻譜則 越寬。圖4為第一型摻雜結晶含鍺層的厚度與太陽電池的光電轉換效率、開路電壓、短 路電流與填充因子(fill factor)的關系圖。其中，第一型摻雜結晶含鍺層以第一型摻雜 結晶硅鍺層為范例。于其它實施例中，亦可使用第一型摻雜結晶鍺錫層或其它合適的材料。 由圖4可以看出，隨著第一型摻雜結晶硅鍺層的厚度增加，太陽電池的光電轉換效率、開路 電壓、短路電流與填充因子也隨的提高。以下將以太陽電池10為例，說明本發(fā)明的太陽電池的制造方法。方法1
首先，提供第一型摻雜單晶硅基板100。然后，于第一型摻雜單晶硅基板100的正 面100a依續(xù)形成本征非晶硅層102、第二型摻雜非晶硅層104與電極108。接著，于第一型 摻雜單晶硅基板100的背面100b依續(xù)形成第一型摻雜結晶含鍺層106與電極110。方法2首先，提供第一型摻雜單晶硅基板100。然后，于第一型摻雜單晶硅基板100的正 面100a依續(xù)形成本征非晶硅層102與第二型摻雜非晶硅層104。接著，于第一型摻雜單晶 硅基板100的背面100b形成第一型摻雜結晶含鍺層106。之后，分別于第二型摻雜非晶硅 層104與第一型摻雜結晶含鍺層106上形成電極108與電極110。方法3首先，提供第一型摻雜單晶硅基板100。然后，于第一型摻雜單晶硅基板100的背 面100b依續(xù)形成第一型摻雜結晶含鍺層106與電極110。接著，于第一型摻雜單晶硅基板 100的正面100a依續(xù)形成本征非晶硅層102、第二型摻雜非晶硅層104與電極108。方法4首先，提供第一型摻雜單晶硅基板100。然后，于第一型摻雜單晶硅基板100的背 面100b形成第一型摻雜結晶含鍺層106。接著，于第一型摻雜單晶硅基板100的正面100a 依續(xù)形成本征非晶硅層102與第二型摻雜非晶硅層104。之后，分別于第二型摻雜非晶硅層 104與第一型摻雜結晶含鍺層106上形成電極108與電極110。在上述方法中，由于僅需于第一型摻雜單晶硅基板100的正面100a形成高品質的 非晶硅層，因此可降低制程困難度，且制造成本也因而下降。再者，必需說明的是，本發(fā)明上 述實施例的結構與制造方法中的第一型摻雜與第二型摻雜的極性相反。也就是說，若第一 型摻雜為P型摻雜，則第二型摻雜為n型摻雜。反的，第一型摻雜為n型摻雜，則第二型摻 雜為P型摻雜。再者，本發(fā)明上述實施例的結構與制造方法中的第一型摻雜結晶含鍺層的 材料包含第一型摻雜結晶硅鍺層、第一型摻雜結晶鍺錫層或其它合適的材料。雖然本發(fā)明已以實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術領域 中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發(fā)明 的保護范圍當視后附的申請專利范圍所界定者為準。
權利要求
一種太陽電池，包括一第一型摻雜單晶硅基板，具有一正面以及一背面；一本征非晶硅層，配置于該正面上；一第二型摻雜非晶硅層，配置于本征非晶硅層上；一第一型摻雜結晶含鍺層，配置于該背面；以及一對電極，與該第二型摻雜非晶硅層以及該第一型摻雜結晶含鍺層電性連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的太陽電池，其特征在于，該第一型摻雜單晶硅基板的晶向為 (100)、 (110)或(111)。
3.根據(jù)權利要求1所述的太陽電池，其特征在于，該第一型摻雜單晶硅基板為P型摻雜 單晶硅基板，而該第二型摻雜非晶硅層為n型摻雜非晶硅層。
4.根據(jù)權利要求1所述的太陽電池，其特征在于，該第二型摻雜非晶硅層的能隙實質 上小于該本征非晶硅層的能隙，該本征非晶硅層的能隙實質上大于該第一型摻雜單晶硅基 板的能隙，而該第一型摻雜單晶硅基板的能隙實質上大于該第一型摻雜結晶含鍺層的能隙。
5.根據(jù)權利要求4所述的太陽電池，其特征在于，該第二型摻雜非晶硅層的能隙實質 上介于1. 5eV至2. OeV之間，該本征非晶硅層的能隙實質上介于1. 5eV至2. OeV之間，而該 第一型摻雜單晶硅基板的能隙實質上介于1. OeV至1. leV之間，且該第一型摻雜結晶含鍺 層的能隙實質上介于0. 6eV至1. leV之間。
6.根據(jù)權利要求1所述的太陽電池，其特征在于，該第一型摻雜單晶硅基板的厚度實 質上介于50微米至500微米之間。
7.根據(jù)權利要求1所述的太陽電池，其特征在于，該第一型摻雜單晶硅基板的摻雜濃 度實質上介于1015cm_3至1017cm_3之間。
8.根據(jù)權利要求1所述的太陽電池，其特征在于，該第二型摻雜非晶硅層的厚度實質 上介于1奈米至20奈米之間。
9.根據(jù)權利要求1所述的太陽電池，其特征在于，該第二型摻雜非晶硅層的摻雜濃度 實質上介于1018cnT3至1021cnT3之間。
10.根據(jù)權利要求1所述的太陽電池，其特征在于，該第一型摻雜結晶含鍺層為一第一 型摻雜結晶硅鍺層或一第一型摻雜結晶鍺錫層。
11.根據(jù)權利要求10所述的太陽電池，其特征在于，該第一型摻雜結晶硅鍺層中的鍺 含量實質上高于10 %，而該第一型摻雜結晶硅鍺層中的硅含量實質上低于90 %。
12.根據(jù)權利要求1所述的太陽電池，其特征在于，該第一型摻雜結晶含鍺層的厚度實 質上介于10奈米至10微米之間。
13.根據(jù)權利要求1所述的太陽電池，其特征在于，該第一型摻雜結晶含鍺層的摻雜濃 度實質上介于1015cm_3至1021cm_3之間。
14.根據(jù)權利要求1所述的太陽電池，其特征在于，該對電極包括一第一電極，配置于該與該第二型摻雜非晶硅層上；以及一第二電極，配置于該第一型摻雜結晶含鍺層上，其中該第二電極與該第一型摻雜單 晶硅基板分別位于該第一型摻雜結晶含鍺層的兩側。
15.根據(jù)權利要求14所述的太陽電池，其特征在于，該第一電極為一透明電極，而該第 二電極為一反射電極。
全文摘要
一種太陽電池，其包括第一型摻雜單晶硅基板、本征非晶硅層、第二型摻雜非晶硅層、第一型摻雜結晶含鍺層以及一對電極。第一型摻雜單晶硅基板具有正面以及背面。本征非晶硅層配置于正面上。第二型摻雜非晶硅層配置于本征非晶硅層上。第一型摻雜結晶含鍺層配置于背面。電極與第二型摻雜非晶硅層以及第一型摻雜結晶含鍺層電性連接。
文檔編號H01L31/042GK101866969SQ20101019701
公開日2010年10月20日 申請日期2010年5月27日 優(yōu)先權日2010年5月27日
發(fā)明者何偉碩, 劉致為, 古峻源, 林漢涂, 梁碩瑋, 陳建任, 陳彥瑜 申請人:友達光電股份有限公司