本發(fā)明涉及一種光電元件，且特別涉及一種太陽能電池。

背景技術(shù)：

太陽能電池的理論效率雖高，但實際的光電轉(zhuǎn)換效率并非如此。影響光電轉(zhuǎn)換效率的因素有很多，像是太陽能電池本身的串聯(lián)及并聯(lián)電阻、或是太陽能電池電極對陽光的遮蔽效應(yīng)、或是反射光沒有被有效捕捉的損失等等。而太陽能電池內(nèi)部的電子及空穴的復(fù)合(recombination)則是另一個影響光電轉(zhuǎn)換效率的重要因素。半導(dǎo)體材料表面以及介面之間的晶格中斷會產(chǎn)生較多的晶格缺陷密度，例如懸空鍵(danglingbonds)等，而這些缺陷會成為復(fù)合中心，導(dǎo)致電子與空穴經(jīng)過這些缺陷時產(chǎn)生復(fù)合。若半導(dǎo)體材料的表面缺陷密度過大，則復(fù)合效應(yīng)明顯，漏電流也因此增加，使得光電流減少，進(jìn)而造成太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率降低。

假設(shè)半導(dǎo)體材料內(nèi)部無缺陷，能隙(bandgap)內(nèi)是不會有任何能態(tài)存在。但如果半導(dǎo)體材料內(nèi)存在缺陷，能隙內(nèi)就會出現(xiàn)一些能態(tài)，而這些能態(tài)稱之為缺陷態(tài)(defectstate/trap)。當(dāng)能隙內(nèi)有這些能態(tài)(缺陷態(tài))時，電子與空穴便有可能在半導(dǎo)體材料內(nèi)的缺陷處復(fù)合，如此便造成光電轉(zhuǎn)換效率的下降。由于半導(dǎo)體材料表面上的缺陷多于半導(dǎo)體材料內(nèi)部的缺陷，因此發(fā)生在半導(dǎo)體材料表面上的電子空穴復(fù)合較為頻繁。

為了降低電子空穴復(fù)合的頻率，表面鈍化常被使用于太陽能電池中。表面鈍化可大致上區(qū)分為化學(xué)鈍化(chemicalpassivation)以及場效應(yīng)鈍化(field-effectpassivation)兩種，化學(xué)鈍化是在太陽能電池表面鍍上一層鈍化膜(通常為介電質(zhì)、帶氫原子薄膜或半導(dǎo)體層)來降低晶格表面的缺陷?；瘜W(xué)鈍化可利用熱氧化工藝在太陽能電池表面上形成鈍化層(其材質(zhì)例如為siox、si/sio2以及al2o3等介電材料)。熱氧化屬較高工藝溫度(1000℃)的表面鈍化技術(shù)之一，雖然可獲得良好品質(zhì)的鈍化層，但其高 溫條件會造成半導(dǎo)體材料中載子的壽命退化以及n+/p介面摻雜的再分配。化學(xué)鈍化亦可利用等離子體增強化學(xué)氣相沉積(pecvd)沉積氮化硅(sinx)薄膜，而在氮化硅薄膜的制備過程中，工藝溫度可以維持在400℃左右，且工藝中所通過的氫氣可修復(fù)太陽能電池內(nèi)一些不穩(wěn)定的缺陷。

場效應(yīng)鈍化則是利用鈍化層本身所帶的固定電荷(fixedcharge)來抑制電子空穴的復(fù)合，而鈍化層的表面鈍化性能取決于其所帶的固定電荷量以及半導(dǎo)體的摻雜濃度。對于n型半導(dǎo)體，具有正電荷的鈍化層會引起介電層-半導(dǎo)體介面的多數(shù)載子(電子)累積，導(dǎo)致能帶向下彎曲，使太陽能電池表面的少數(shù)載子(空穴)被遮蔽，進(jìn)而達(dá)到鈍化效果。

在現(xiàn)有技術(shù)中，不論是化學(xué)鈍化還是場效應(yīng)鈍化，都需采用昂貴、耗能、污染性高的真空鍍膜方式將鈍化層直接沉積于太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體層的表面上。此外，鈍化層是沉積在太陽能電池的半成品上，而電極層的制作則是在鈍化層的制作之后。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明公開了一種太陽能電池，其包括二電極層、一光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體層以及一第一電氣特性調(diào)制疊層。光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體層位于二電極層之間，且第一電氣特性調(diào)制疊層配置于其中一電極層之上。第一電氣特性調(diào)制疊層包括相互堆疊的至少一正電荷膜與至少一負(fù)電荷膜，且與第一電氣特性調(diào)制疊層接觸的電極層位于第一電氣特性調(diào)制疊層與光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體層之間。

本發(fā)明公開了另一種太陽能電池，其包括二電極層、一光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體層以及一第一電氣特性調(diào)制疊層。光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體層位于二電極層之間，且第一電氣特性調(diào)制疊層配置于其中一電極層之上。第一電氣特性調(diào)制疊層包括一表面改性層，且與第一電氣特性調(diào)制疊層接觸的電極層位于第一電氣特性調(diào)制疊層與光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體層之間。

基于上述，本發(fā)明在電極層上設(shè)置電氣特性調(diào)制疊層，而因電氣特性調(diào)制疊層的設(shè)置所產(chǎn)生的感應(yīng)電荷可使得光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體層中的耗盡區(qū)變寬并且提高少數(shù)載子的勢壘(potentialbarrier)。如上所述，本發(fā)明的電 氣特性調(diào)制疊層不但有助于降低少數(shù)載子的再結(jié)合機率，而且有助于增加多數(shù)載子的導(dǎo)出機率。

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，并配合所附附圖作詳細(xì)說明如下。

附圖說明

圖1是依照本發(fā)明第一實施例的太陽能電池的剖面示意圖；

圖2是依照本發(fā)明第二實施例的太陽能電池的剖面示意圖；

圖3是依照本發(fā)明第三實施例的太陽能電池的剖面示意圖；

圖4a與圖4b是依照本發(fā)明第四實施例的太陽能電池的剖面圖；

圖5為第一實施例的太陽能電池的暗電流(darkcurrent)示意圖；

圖6為第一實施例太陽能電池的電流-電壓關(guān)系曲線圖(i-vcurve)；

圖7為第二實施例中的太陽能電池的電流-電壓關(guān)系曲線圖(i-vcurve)。

【附圖標(biāo)記說明】

100、200、100a、100b、100c：太陽能電池

110、210：第一電極層

120、220：第二電極層

130、230：光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體層

132：基極區(qū)

134：發(fā)射極區(qū)

136：耗盡區(qū)

140、240：第一電氣特性調(diào)制疊層

142：正電荷膜

144：負(fù)電荷膜

150、250：第二電氣特性調(diào)制疊層

152：正電荷膜

154：負(fù)電荷膜

160：第一鈍化層

170：第二鈍化層

e：電極結(jié)構(gòu)

具體實施方式

實施例

圖1是依照本發(fā)明第一實施例中的太陽能電池的剖面示意圖。請參照圖1，本實施例的太陽能電池100包括第一電極層110、第二電極層120、光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體層130、第一電氣特性調(diào)制疊層140以及第二電氣特性調(diào)制疊層150。光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體層130位于第一電極層110與第二電極層120之間，而第一電氣特性調(diào)制疊層140配置于第一電極層110上，且第二電氣特性調(diào)制疊層150配置于第二電極層120上。第一電氣特性調(diào)制疊層140包括相互堆疊的至少一正電荷膜142與至少一負(fù)電荷膜144，且與第一電氣特性調(diào)制疊層140接觸的第一電極層110位于第一電氣特性調(diào)制疊層140與光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體層130之間。此外，第二電氣特性調(diào)制疊層150包括相互堆疊的至少一正電荷膜152與至少一負(fù)電荷膜154，且與第二電氣特性調(diào)制疊層150接觸的第二電極層120位于第二電氣特性調(diào)制疊層150與光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體層130之間。在本實施例中，第一電氣特性調(diào)制疊層140未與第二電氣特性調(diào)制疊層150接觸。

從圖1可知，在本實施例中，第一電極層110與配置于第一電極層110上的第一電氣特性調(diào)制疊層140可構(gòu)成一電極結(jié)構(gòu)e，而第二電極層120與配置于第二電極層120上的第二電氣特性調(diào)制疊層150可構(gòu)成另一電極結(jié)構(gòu)e，且光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體層130夾于二電極結(jié)構(gòu)e之間。舉例來說，第一電極層110的材質(zhì)例如為銦錫氧化物(ito)或氧化鋅(zno)等透明導(dǎo)電氧化物，且第二電極層120的材質(zhì)例如為銦錫氧化物(ito)或氧化鋅(zno)等透明導(dǎo)電氧化物。

在本實施例中，光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體層130包括基極區(qū)132、發(fā)射極區(qū)134以及位于基極區(qū)132與發(fā)射極區(qū)134之間的耗盡區(qū)(空間電荷區(qū))136，其中基極區(qū)132位于耗盡區(qū)136與第一電極層110之間，且發(fā)射極區(qū)134位于耗盡區(qū)136與第二電極層120之間。在一實施例中，光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體層130包括基極區(qū)132、發(fā)射極區(qū)134。第一電氣特性調(diào)制疊層配置于該 第一電極層上，而該基極區(qū)位于該發(fā)射極區(qū)與該第一電極層之間，且該發(fā)射極區(qū)位于該基極區(qū)與該第二電極層之間。

在本實施例中，第一電氣特性調(diào)制疊層140中的正電荷膜142以及負(fù)電荷膜144可為一層或多層，而圖1中所繪示的第一電氣特性調(diào)制疊層140包括交替堆疊的2層正電荷膜142以及2層負(fù)電荷膜144，且其中一層負(fù)電荷膜144(即最靠近第一電極層110的負(fù)電荷膜)與第一電極層110接觸。然而值得注意的是，本實施例不限定第一電氣特性調(diào)制疊層140中正電荷膜142以及負(fù)電荷膜144的數(shù)量，本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)可依據(jù)實際設(shè)計需求而更改第一電氣特性調(diào)制疊層140中正電荷膜142以及負(fù)電荷膜144的數(shù)量。在本實施例中，正電荷膜142的材質(zhì)包括聚二甲基二烯丙基氯化銨(polydimethyldiallylammoniumchloride，pdda)、聚(丙烯胺鹽酸鹽)(poly(allylaminehydrochloride)，pah，聚(烯丙基胺鹽酸鹽))、多聚賴氨酸或聚乙烯亞胺(polyethylenimine，pei)，而負(fù)電荷膜144的材質(zhì)包括聚苯乙烯磺酸鈉(poly(sodium-p-styrenesulfonate，pss))、聚丙烯酸(poly(acrylicacid))或聚全氟磺酸(nafion)。

類似地，第二電氣特性調(diào)制疊層150中的正電荷膜152以及負(fù)電荷膜154可為一層或多層，而圖1中所繪示的第二電氣特性調(diào)制疊層150包括交替堆疊的2層正電荷膜152以及2層負(fù)電荷膜154，且其中一層正電荷膜152(即最靠近第二電極層120的正電荷膜)與第二電極層120接觸。然而值得注意的是，本實施例不限定第二電氣特性調(diào)制疊層150中正電荷膜152以及負(fù)電荷膜154的數(shù)量，本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)可依據(jù)實際設(shè)計需求而更改第二電氣特性調(diào)制疊層150中正電荷膜152以及負(fù)電荷膜154的數(shù)量。在本實施例中，正電荷膜152的材質(zhì)包括聚二甲基二烯丙基氯化銨(pdda)、聚(丙烯胺鹽酸鹽)(pah)、多聚賴氨酸或聚乙烯亞胺(pei)，而負(fù)電荷膜154的材質(zhì)包括聚苯乙烯磺酸鈉(pss)、聚丙烯酸(paa)或聚全氟磺酸(nafion)。在本實施例中，第一電氣特性調(diào)制疊層140未與第二電氣特性調(diào)制疊層150接觸。

第二實施例的一種太陽能電池，其包括二電極層、一光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體層以及一第一電氣特性調(diào)制疊層。光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體層位于二電極層之間，且第一電氣特性調(diào)制疊層配置于其中一電極層之上。第一電氣特性調(diào)制疊 層包括一表面改性層，且與第一電氣特性調(diào)制疊層接觸的電極層位于第一電氣特性調(diào)制疊層與光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體層之間。

圖2是依照本發(fā)明第二實施例中的太陽能電池的剖面示意圖。請參照圖2，本實施例的太陽能電池200包括第一電極層210、第二電極層220、光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體層230、第一電氣特性調(diào)制疊層240以及第二電氣特性調(diào)制疊層250。光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體層230位于第一電極層210與第二電極層220之間，而第一電氣特性調(diào)制疊層240配置于第一電極層210上，且第二電氣特性調(diào)制疊層250配置于第二電極層220上。第一電氣特性調(diào)制疊層240包括一表面改性層，且與第一電氣特性調(diào)制疊層240接觸的第一電極層210位于第一電氣特性調(diào)制疊層240與光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體層230之間。在本實施例中，表面改性層的材質(zhì)包括3-氨基丙基-三甲氧基硅烷(3-aminopropyltrimethoxysilane，aptms)、對苯二酚(hydroquinone)、烷硫醇(alkanethiol)。

在一實施例中，表面改性層可以是單層也可以是多層。

在一實施例中，電氣特性調(diào)制疊層240可以只配置于其中一電極層(即第一電極層210或第二電極層220)之上或同時配置在二電極層(即第一電極層210與第二電極層220)之上。

圖3是依照本發(fā)明第三實施例的太陽能電池的剖面示意圖。請參照圖3，本實施例的太陽能電池100a與第一及第二實施例的太陽能電池100及200類似，主要差異之處在于：本實施例的太陽能電池100a進(jìn)一步包括了第一鈍化層160以及第二鈍化層170，其中第一鈍化層160配置于第一電極110與光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體層130之間，而第二鈍化層170則配置于第二電極120與光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體層130之間。

在本實施例中，第一鈍化層160的材質(zhì)例如為二氧化硅(sio2)或氮化硅(sinx，x＞0)，而第二鈍化層170的材質(zhì)例如為氧化鋁(al2o3)。

圖4a與圖4b是依照本發(fā)明第四實施例中的一種太陽能電池的剖面示意圖。請參照圖4a與圖4b，本實施例的太陽能電池100b、100c與第一實施例的太陽能電池100類似，主要差異之處在于：本實施例的太陽能電池100b僅包括第一電氣特性調(diào)制疊層140，而本實施例的太陽能電池 100c僅包括第二電氣特性調(diào)制疊層150。因此，電氣特性調(diào)制疊層可以只配置于其中一電極層之上或同時配置在二電極層之上。

制造方式及測試

在第一實施例中，第一電氣特性調(diào)制疊層140中的正電荷膜142與負(fù)電荷膜144以及第二電氣特性調(diào)制疊層150中的正電荷膜152與負(fù)電荷膜154例如是透過逐層自組裝工藝(layer-by-layerself-assemblyprocess)來形成。上述的正電荷膜142、152的材料來源例如為聚二甲基二烯丙基氯化銨(polydimethyldiallylammoniumchloride，pdda)、聚(丙烯胺鹽酸鹽)、聚賴氨酸或聚乙烯亞胺等，上述的負(fù)電荷膜144、154的材料來源可為聚苯乙烯磺酸鈉(poly(sodium-p-styrenesulfonate)，pss)、聚丙烯酸或聚全氟磺酸等。

以砷化銅銦鎵(cigs)薄膜太陽能電池為例，裸露的n型氧化鋅(zno)電極層的表面主要帶負(fù)電荷，將此n型氧化鋅電極層與極性相反的帶正電聚高分子電解質(zhì)pdda溶液接觸時，會形成一層帶正電荷的pdda薄膜。隨后，將已形成有帶正電荷的pdda薄膜的氧化鋅電極層與帶負(fù)電荷的pss溶液接觸，以在帶正電荷的pdda薄膜上形成一層帶負(fù)電荷的pss薄膜。之后，可重復(fù)上述的自組裝多層薄膜步驟，以在第一電極層110與第二電極層120上完成第一電氣特性調(diào)制疊層140與第二電氣特性調(diào)制疊層150的制作。

正電荷膜142、152以及與負(fù)電荷膜144、154與電極層110、120表面的靜電吸附現(xiàn)象可由zeta界面電位(zetapotential)分析觀察。當(dāng)帶電荷自組裝膜吸附在第一電極層110與第二電極層120的表面上之后，會形成雙電層(electricdoublelayer)，以操控該第一電極層110與第二電極層120表面的電荷分布。當(dāng)氧化鋅(zno)電極納米顆粒與帶正電荷聚高分子電解質(zhì)接觸后，其zeta表面電位平均為+45mv。zeta界面電位為正值表示電中性的氧化鋅(zno)電極層的表面感應(yīng)到正電荷，使氧化鋅(zno)的表面電位為正電位。

當(dāng)氧化鋅(zno)納米顆粒與帶負(fù)電荷的pss薄膜接觸時，氧化鋅(zno)電極層感應(yīng)到負(fù)表面電位。

圖5為第一實施例的太陽能電池的暗電流(darkcurrent)示意圖。請參照圖5，在逆向偏壓-0.5v的情況下，當(dāng)砷化銅銦鎵(cigs)薄膜太陽能電池吸附帶正電荷的pdda薄膜以及帶負(fù)電荷的pss薄膜后，所測得的暗電流約減少17.5％。暗電流主要是由于少數(shù)載子的再結(jié)合損失。具有帶電荷堆疊薄膜的太陽能電池的暗電流較低表示在電池內(nèi)的再結(jié)合損失獲得改善，進(jìn)而使太陽電池的開路電壓(voc)提高，更確定帶電荷聚高分子薄膜具有表面鈍化的效果。

砷化銅銦鎵(cigs)薄膜太陽能電池吸附了帶正電荷的pdda薄膜以及帶負(fù)電荷的pss薄膜之后，砷化銅銦鎵(cigs)薄膜太陽能電池內(nèi)部的少數(shù)載子的勢壘(potentialbarrier)便會提高，可有效降低少數(shù)載子(空穴)的再結(jié)合機率并且增加多數(shù)載子(電子)被導(dǎo)出的機率，進(jìn)而使砷化銅銦鎵(cigs)薄膜太陽能電池的開路電壓(voc)提高。

以砷化銅銦鎵(cigs)薄膜太陽能電池的能帶來解釋，載子會從氧化鋅(zno)電極層流到n型半導(dǎo)體層的導(dǎo)帶(conductionband)中的空穴態(tài)(emptystates)，導(dǎo)致頻帶隨化學(xué)勢以及氧化鋅(zno)電極層的費米能階達(dá)到平衡而彎曲。此平衡導(dǎo)致耗盡電子的區(qū)域形成，而且載子的勢壘也會產(chǎn)生于氧化鋅(zno)電極層的界面，當(dāng)帶正電荷的自組裝薄膜被沉積在氧化鋅(zno)電極層的表面上時，電子會被吸往氧化鋅(zno)電極層與n型半導(dǎo)體層之間的介面。因此，吸附在氧化鋅(zno)電極層表面的帶電荷自組裝薄膜所產(chǎn)生的感應(yīng)電荷，將使得光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體層130之間的耗盡區(qū)(depletionregion)的寬度變寬，進(jìn)而提高少數(shù)載子的勢壘。

與其他薄膜工藝相較，采用逐層自組裝工藝(layer-by-layerself-assemblyprocess，lblprocess)來制作第一電氣特性調(diào)制疊層140與第二電氣特性調(diào)制疊層150具有明顯優(yōu)勢，說明如下。逐層自組裝工藝主要是利用靜電吸附(electrostaticinteraction)原理使得帶正電荷薄膜與帶負(fù)電荷薄膜能夠自主性地吸附在電極層上以形成一疊層。具體而言，逐層自組裝工藝與真空鍍膜技術(shù)相較，成本、耗能以及污染性皆較低。

分析太陽能電池電性最常使用的測量方式為電流-電壓曲線量測，此測量可清楚顯示太陽能電池的開路電壓(voc)、短路電流(isc)、最大功率(pmax)、轉(zhuǎn)換效率、填充因子(ff％)等數(shù)值。因此，本實施例采用電 流-電壓曲線量測以分析具有第一電氣特性調(diào)制疊層140與第二電氣特性調(diào)制疊層150的太陽能電池100的電性。測量過程中，所使用的光源為1.0sun，而實驗溫度在1sun照光下進(jìn)行嚴(yán)格控制。

圖6為砷化銅銦鎵(cigs)薄膜太陽能電池的電流-電壓關(guān)系曲線圖(i-vcurve)。請參照圖6，在zno負(fù)電極層表面依序吸附帶正電荷的pdda薄膜以及帶負(fù)電荷的pss薄膜之后(即圖6中的cigs+pdda/pss)，砷化銅銦鎵(cigs)薄膜太陽能電池的開路電壓(voc)上從520mv(即圖6中的cigsbare)提升至542mv，約提升22mv；砷化銅銦鎵(cigs)薄膜太陽能電池的短路電流(isc)從32.3ma/cm²提升至34.5ma/cm²，約提升2.2ma/cm²。

圖7為本發(fā)明第二實施例的結(jié)構(gòu)，以異質(zhì)介面太陽能電池(heterojunctionwithintrinsicthinlayer，hit)的電流-電壓關(guān)系曲線圖(i-vcurve)為例。請參照圖7，在電極層表面上吸附3-氨基丙基-三甲氧基硅烷(3-aminopropyltrimethoxysilane，aptms)表面改性層之后，異質(zhì)介面(hit)太陽能電池的開路電壓(voc)上從678mv(即圖4中的hitbare)提升至694mv(即圖4中的hit+aptms)，約提升16mv；異質(zhì)接面(hit)太陽能電池的短路電流(isc)從35.4ma/cm2提升至37.2ma/cm²，約提升1.8ma/cm²。

綜上所述，本發(fā)明的上述實施例在至少一電極層上設(shè)置電氣特性調(diào)制疊層，而因電氣特性調(diào)制疊層的設(shè)置所產(chǎn)生的感應(yīng)電荷可使得光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體層中的耗盡區(qū)變寬并且提高少數(shù)載子的位障。如上所述，本發(fā)明中的電氣特性調(diào)制疊層不但有助于降低少數(shù)載子的再結(jié)合機率，而且有助于增加多數(shù)載子的導(dǎo)出機率。

此外，由于電氣特性調(diào)制疊層是形成在至少一電極層上，因此電氣特性調(diào)制疊層可以在太陽能電池完成制作后才進(jìn)行制作，或者是在太陽能電池被模組化之前才進(jìn)行制作。換言之，電氣特性調(diào)制疊層可以被整合在太陽能電池的工藝中而由cell廠來制作，亦可在被模組化之前由模組廠來制作。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。