專利名稱：太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能電池裝置，尤其關(guān)于改善電性表現(xiàn)的太陽能電池裝置。
背景技術(shù)：
由于油價高漲及環(huán)保問題，太陽能電池被市場高度重視，其中又以聚光型太陽能電池最具發(fā)展?jié)摿Γ酃庑吞柲茈姵匕ㄖ饕扇?III-V)族構(gòu)成的太陽能電池。在不聚光的條件下，此種太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率極高，極具 取代傳統(tǒng)電力的條件。目前一般的太陽能電池采用將抗反射層(Anti-Reflection Coating,ARC)直接蒸鍍在窗戶層(Window layer)上的方式，形成如圖I所示的結(jié)構(gòu)。該太陽能電池，包括基板110 ;包括至少一 p-n結(jié)面(pn junction)的III-V族太陽能電池結(jié)構(gòu)120位于基板110之上；窗戶層130位于太陽能電池結(jié)構(gòu)120之上；抗反射層150 (包括第一抗反射材料層151及第二抗反射材料層152)位于第一窗戶層130之上；接觸層160設(shè)于抗反射層150之中而位于窗戶層130之上；以及電極170位于接觸層160之上。

發(fā)明內(nèi)容
一種太陽能電池裝置，包括基板；包括至少一 p-n結(jié)面的III-V族太陽能電池結(jié)構(gòu)，位于基板之上；第一半導(dǎo)體窗戶層，位于III-V族太陽能電池結(jié)構(gòu)之上；第二半導(dǎo)體窗戶層，位于第一半導(dǎo)體窗戶層之上；抗反射層，位于第二半導(dǎo)體窗戶層之上；接觸層，設(shè)于抗反射層之中而位于第二半導(dǎo)體窗戶層上；電極，位于接觸層之上；其中第二半導(dǎo)體窗戶層成分不含有鋁。


圖I :將抗反射層直接蒸鍍在窗戶層上的太陽能電池。圖2 :圖I的太陽能電池的電性測試數(shù)據(jù)。圖3A :本發(fā)明的太陽能電池。圖3B :顯示圖3A的太陽能電池的包括至少一 p-n結(jié)面的III-V族太陽能電池結(jié)構(gòu)。圖4 :第二窗戶層的材料使用GaInP的本發(fā)明的太陽能電池的電性測試數(shù)據(jù)。圖5 :第二窗戶層的材料使用GaP的本發(fā)明的太陽能電池的電性測試數(shù)據(jù)。附圖標(biāo)記說明110:基板120 :包括至少一 p-n結(jié)面的III-V族太陽能電池結(jié)構(gòu)130:窗戶層150:抗反射層151 :第一抗反射材料層152:第二抗反射材料層
160 :接觸層170:電極210 :基板220 :包括至少一 p-n結(jié)面的III-V族太陽能電池結(jié)構(gòu)230 :第一窗戶層240 :第二窗戶層250 :抗反射層251 :氧化鈦(TiO2)層
252 :氧化鋁(Al2O3)層260 :接觸層270 電極
具體實施例方式一般而言三-五族材料組成的太陽能電池有優(yōu)良的發(fā)電效果，而在評估一個三-五族(III-V族)材料組成的太陽能電池的元件電性，例如最大輸出功率密度(Pmd)或轉(zhuǎn)換效率(η)時，開路電壓(Voc)、短路電流密度(Jsc)、填充因子(Fill Factor, FF)特別重要。針對前述圖I結(jié)構(gòu)的太陽能電池，測試其相關(guān)電性，其數(shù)據(jù)如圖2。由數(shù)據(jù)顯示，此種結(jié)構(gòu)容易造成元件在高聚光(multi sun)下開路電壓(Voc)大幅衰減,數(shù)據(jù)顯示高聚光下開路電壓(Voc)由蒸鍍抗反射層150前的2. 929V，降至蒸鍍抗反射層150后的2. 875V，下降了 0.054V，高聚光下開路電壓(Voc)明顯變差。若能改善此高聚光下開路電壓(Voc)下降的問題，元件電性將大有改善。請參考圖3A，為本發(fā)明的實施例的的太陽能電池。首先，提供基板210 ;之后，依續(xù)形成包括至少一 P-n結(jié)面的III-V族太陽能電池結(jié)構(gòu)220，以位于基板210之上；第一窗戶層230位于太陽能電池結(jié)構(gòu)220之上；第二窗戶層240位于第一窗戶層230之上；抗反射層250位于第二窗戶層240之上；接觸層260設(shè)于抗反射層250之中而位于第二窗戶層240之上；以及電極270位于接觸層260之上。其中基板210可以是Ge基板或GaAs基板，而包括至少一 p-n結(jié)面的III-V族太陽能電池結(jié)構(gòu)220可以是單結(jié)面太陽能電池或多結(jié)面太陽能電池。本實施例中的太陽能電池結(jié)構(gòu)220以雙結(jié)面太陽能電池為例，其結(jié)構(gòu)如圖3B所示，具有靠近基板210的下電池222及遠(yuǎn)離基板210的上電池224，下電池222與上電池224間以穿隧結(jié)面(tunnel junction)結(jié)構(gòu)223相接合。其中下電池222由兩層具有相異電性的GaAs層222a，222b構(gòu)成，而上電池由兩層具有相異電性的GaInP層224a，224b構(gòu)成。穿隧結(jié)面結(jié)構(gòu)223由兩層具有相異電性的AlGaAs層223a，223b構(gòu)成。電性上，穿隧結(jié)面結(jié)構(gòu)223與下電池222 (或上電池224)形成反向串接的二極管。以本實施例而言，下電池222的GaAs層222a，222b分別是p型及n型，上電池的GaInP層224a，224b分別是p型及n型，而穿隧結(jié)面結(jié)構(gòu)223的AlGaAs層223a，223b分別是n型及p型。第一窗戶層230的材料可以是AlGaAs或AllnP，厚度可以是100A至700A。第二窗戶層240的材料為不含鋁(Al)的半導(dǎo)體材料，例如可以是GaP或GalnP，厚度為低于100A。第一窗戶層230及第二窗戶層240均可利用金屬有機化學(xué)氣相沉積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)法形成?？狗瓷鋵?50可以包括靠近第二窗戶層240的第一抗反射材料層251,本實施例為氧化鈦(TiO2)層，厚度為200A至800 A,及遠(yuǎn)離第二窗戶層240的第二抗反射材料層252，本實施例為氧化鋁(AI2O3)層，厚度為300A至1000A。第一抗反射材料層251的氧化鈦(TiO2)層及第二抗反射材料層252的氧化鋁(Al2O3)層均可利用電子束(E-gun)進行蒸鍍形成。接觸層260的材料需為低能帶間隙(band gap)的半導(dǎo)體材料，以利接觸層260與電極270形成歐姆接觸(ohmic contact)，且接觸層260材料的晶格常數(shù)與第二窗戶層240的晶格常數(shù)需匹配，以確保接觸層260在MOCVD生長的品質(zhì)。此接觸層260材料可由GaAs，InGaAs等半導(dǎo)體材料所構(gòu)成；電極270的材料可以是金屬，例如選自于金、銀、鋁、銅、鎳、鍺、鈦、鉬、鈀及鉻等所構(gòu)成的材料群組。針對此結(jié)構(gòu)太陽能電池，測試其相關(guān)電性，其數(shù)據(jù)如圖4及圖5，其中圖4為第二窗戶層240的材料使用GaInP的情形，而圖5為第二窗戶層240的材料使用GaP的情形。由圖4數(shù)據(jù)顯示,高聚光(multi sun)下開路電壓(Voc)由蒸鍍抗反射層250前的2. 968V，降至蒸鍍抗反射層250后的2. 959V，只下降了 O. 009V，相對于圖I結(jié)構(gòu)下降了 O. 054V,此結(jié)構(gòu)太陽能電池在高聚光(multi sun) 下開路電壓(Voc)獲得明顯改善。而由圖5數(shù)據(jù)顯示，高聚光下開路電壓(Voc)由蒸鍍抗反射層250前的2. 947V，降至蒸鍍抗反射層250后的2. 939V，只下降了 O. 008V，相對于圖I結(jié)構(gòu)下降了 O. 054V，此結(jié)構(gòu)太陽能電池在高聚光(multi sun)下開路電壓(Voc)獲得明顯改善。由此顯示圖3A所示的結(jié)構(gòu)，即在第一窗戶層230上再多長一層第二窗戶層240，可使元件在高聚光下的開路電壓(Voc)不會再大幅衰減。而短路電流密度(Jsc)也維持一定水準(zhǔn)，故而元件的電性較好。此由計算最大輸出功率密度，即最大輸出功率密度(Pmd)=開路電壓(Voc)x短路電流密度(Jsc)X填充因子(Fill Factor, FF),可知在高聚光(multi sun)下，圖I結(jié)構(gòu)在蒸鍍抗反射層前最大輸出功率密度(Pmd) = 2. 929x1762. 083x0. 892 = 4606. 373 (mW/cm2)。同樣計算可得蒸鍍抗反射層后最大輸出功率密度(Pmd) = 5540.643(mW/cm2)，故而蒸鍍抗反射層后與蒸鍍抗反射層前的最大輸出功率密度(Pmd)比值為5540. 643 (mW/cm2)/4606. 373 (mW/cm2)=I. 203，即最大輸出功率密度(Pmd)增加20. 3%。但相對地，經(jīng)由對圖4及圖5相同計算，可得知圖3A所示的結(jié)構(gòu)，蒸鍍抗反射層后最大輸出功率密度(Pmd)增加值分別為33.8%及33.6%，較圖I結(jié)構(gòu)的20. 3%大大增加。其原因在于第二窗戶層240的材料為不含鋁(Al)的半導(dǎo)體材料，以本發(fā)明的實施如GaP或GaInP而言，均為非含鋁(Al)的材料，利用在第一窗戶層230上增加此不含鋁(Al)的第二窗戶層240，可防止在蒸鍍抗反射層250 (TiO2層及Al2O3層)過程中，第一窗戶層230的AlGaAs或AlInP中的Al元素和抗反射層250中的TiO2層起反應(yīng)，否則第一窗戶層230的AlGaAs或AlInP中的Al元素和TiO2層起反應(yīng)，會使第一窗戶層的Al元素氧化，導(dǎo)致Voc偏低。如此可以有效減緩在蒸鍍抗反射層250時對第一窗戶層230 (AlGaAs或AlInP)造成的損害，達(dá)到保護元件的作用，進而提升元件的效率。基于此原理，第二窗戶層240的能帶間隙(energy band gap)并不需要比第一窗戶層230的能帶間隙(energy band gap)高,亦即第二窗戶層240的材料選擇不受限于能帶間隙的考慮，可以選擇能帶間隙大于第一窗戶層230的能帶間隙的第二窗戶層240材料，也可以選擇能帶間隙不大于(即小于或等于)第一窗戶層230的能帶間隙的第二窗戶層240材料。而且第二窗戶層240的厚度盡量不要太厚，優(yōu)選地是低于200A,最佳是低于100A,以免吸收入射光線而降低太陽能電池的效能。此外，雖然較薄的第二窗戶層240和底下第一窗戶層230仍可能有晶格常數(shù)不匹配(lattice mismatch)的情形，但薄的第二窗戶層240較易產(chǎn)生彈性變形，使薄的第二窗戶層240的晶格常數(shù)和底下的第一窗戶層230較為一致。若第二窗戶層240厚度太厚，第二窗戶層240的應(yīng)力變大，第二窗戶層240會回復(fù)到原來的晶格常數(shù)，晶格缺陷(defect)就會產(chǎn)生。故較薄的第二窗戶層240對于與第一窗戶層230間的晶格常數(shù)的不匹配有較好的容忍度。上述實施例僅為例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員均可在不違背本發(fā)明的技術(shù)原理及精神的情況下，對上述實施例進行修改及變化。因此本發(fā)明的權(quán)利保護范圍如權(quán)利要 求所界定為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種太陽能電池裝置，包括 基板； 包括至少一 p-n結(jié)面的III-V族太陽能電池結(jié)構(gòu)，位于該基板之上； 第一半導(dǎo)體窗戶層，位于該πι-v族太陽能電池結(jié)構(gòu)之上； 第二半導(dǎo)體窗戶層，位于該第一半導(dǎo)體窗戶層之上； 抗反射層，位于該第二半導(dǎo)體窗戶層之上； 接觸層，設(shè)于該抗反射層之中且位于第二半導(dǎo)體窗戶層上；以及 電極，位于該接觸層之上； 其中該第二半導(dǎo)體窗戶層成分不含有鋁。
2.如權(quán)利要求I所述的太陽能電池裝置，其中該第一半導(dǎo)體窗戶層的材料為AlGaAs或AlInP0
3.如權(quán)利要求I所述的太陽能電池裝置，其中該第二半導(dǎo)體窗戶層的材料為GaP或 GaInP0
4.如權(quán)利要求I所述的太陽能電池裝置，其中該第一半導(dǎo)體窗戶層的厚度為是IOOA至700A,及/或其中該第二半導(dǎo)體窗戶層的厚度為低于100A。
5.如權(quán)利要求I所述的太陽能電池裝置，其中該太陽能電池結(jié)構(gòu)為單結(jié)面太陽能電池或多結(jié)面太陽能電池。
6.如權(quán)利要求I所述的太陽能電池裝置，其中該太陽能電池結(jié)構(gòu)為雙結(jié)面太陽能電池，具有靠近該基板且由兩層具有相異電性的GaAs構(gòu)成的下電池，及遠(yuǎn)離該基板且由兩層具有相異電性的GaInP構(gòu)成的上電池。
7.如權(quán)利要求I所述的太陽能電池裝置，其中該基板為Ge基板或GaAs基板。
8.如權(quán)利要求I所述的太陽能電池裝置，其中該抗反射層包括靠近該第二半導(dǎo)體窗戶層的氧化鈦層及遠(yuǎn)離該第二半導(dǎo)體窗戶層的氧化鋁層。
9.如權(quán)利要求8所述的太陽能電池裝置，其中該氧化鈦層的厚度為200A至800A,該氧化鋁層的厚度為300A至1000A。
10.如權(quán)利要求I所述的太陽能電池裝置，其中該第二半導(dǎo)體窗戶層的能隙不大于該第一半導(dǎo)體窗戶層的能隙。
全文摘要
本發(fā)明公開一種太陽能電池裝置，該太陽能電池裝置包括基板；包括至少一p-n結(jié)面的III-V族太陽能電池結(jié)構(gòu)，位于基板之上；第一半導(dǎo)體窗戶層，位于III-V族太陽能電池結(jié)構(gòu)之上；第二半導(dǎo)體窗戶層，位于第一半導(dǎo)體窗戶層之上；抗反射層，位于第二半導(dǎo)體窗戶層之上；接觸層，設(shè)于抗反射層之中而位于第二半導(dǎo)體窗戶層上；電極，位于接觸層之上；其中第二半導(dǎo)體窗戶層成分不含有鋁。
文檔編號H01L31/0693GK102956718SQ201110250020
公開日2013年3月6日 申請日期2011年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月29日
發(fā)明者張敏南, 劉宗憲, 李世昌 申請人:晶元光電股份有限公司