專利名稱：一種具有超晶格p型半導體層的硅薄膜太陽能電池的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種硅薄膜太陽能電池，特別涉及一種具有超晶格的硅薄膜太 陽能電池。其中，該超晶格P型半導體層內由非晶硅與非晶碳相互堆棧而成， 用以增加光能帶，以擴展對太陽光譜波長范圍的吸收與降低P型半導體層的電 阻。
背景技術：
目前由于國際能源短缺，而世界各國 一直持續研發各種可行的替代能源， 其中又以太陽能發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 展起來。隨著太陽電池的發展，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
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， 現今主要以積極發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。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， ilayer)區域。然而，過去并無在P層結構中制作具有超晶格 的硅薄膜太陽能電池。
因此，有必要提出一種具有超晶格的硅薄膜太陽能電池，利用超晶格結構 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。
發明內容
本發明的主要目的在于提供一種具有超晶格P型半導體層的硅薄膜太陽 能電池，其中該超晶格P型半導體層有助于提高開路電壓(Voc)以及光吸收效 率，因而提高太陽能電池的光電轉換效率。
為實現上述目的，本發明提出一種具有超晶格的硅薄膜太陽能電池，其包 含 一基板； 一第一透明導電膜； 一超晶格P型半導體層； 一本質型(i型) 非晶硅半導體層；-一 N型非晶硅半導體層；一第二透明導電膜以及一電極。
其中，該第一透明導電膜形成于該基板上，其用于取出電能與提升光電轉 換的效率。該超晶格P型豐導體層形成于該透明導電膜上方，其由非晶硅與非 晶碳相互堆棧而成，用以提高太陽能電池的電特性與產生空穴。該本質型(i 型)非晶硅半導體層形成于該超晶格P型半導體層上方，用以提高太陽能電池 的電特性。該N型非晶硅半導體層形成于該本質型(i型)半導體層上方，用 于產生電子。該第二透明導電膜形成于該N型半導體層上方，用以取出電能與 提升光電轉換的效率。最后，該電極形成于該第二透明導電膜上方，用以取出 電能與提升光電轉換的效率。
根據本發明的硅薄膜太陽能電池，其中該超晶格P型半導體層內的非晶硅 與非晶碳相互堆棧的次數在3至10次之間。
根據本發明的硅薄膜太陽能電池，其中該超晶格半導體層的整體厚度在 IO納米至150納米之間。
根據本發明的一種具有超晶格的硅薄膜太陽能電池，其中該本質型(i型) 非晶硅半導體層的整體厚度在300納米至900納米之間。
根據本發明的一種具有超晶格的硅薄膜太陽能電池，其中該本質型(i型)非晶硅半導體層的厚度占該超晶格P型半導體層、該本質型(i型)非晶硅半-導體層、該N型非晶硅半導體層的整體厚度50%以上。
上述優點將有助于提高開路電壓(Voc)，且對短路電流(Isc)與填充因子 (filling factor, FF)并不造成影響，因而提高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發明進行詳細描述，但不作為對本發明的 限定。
圖1為本發明的一種具有超晶格的硅薄膜太陽能電池的側視剖面圖； 圖2為本發明的該超晶格P型半導體層的側視剖面圖；以及 圖3為本發明的硅薄膜太陽能電池的能帶圖。 其中，附圖標記
100: —種具有超晶格的硅薄膜太陽能電池 110:基板
120:第一透明導電膜 130:超晶格P型半導體層 131:非晶硅薄膜 132:非晶碳薄膜
140:本質型(i型)非晶硅半導體層 150: N型非晶硅半導體層 160:第二透明導電膜 170:電極
Ea: P層能量帶
Eb: I層能量帶 Lb:壘寬 Lz:阱寬
具體實施例方式
雖然本發明可表現為不同形式的實施例，但附圖所示及于下文中說明為本 發明的較佳實施例，并請了解本文所揭示是為本發明的一范例，且并非意圖用以將本發明限制于附圖及/或所描述的特定實施例中。
請參照圖1，其所示為一種具有超晶格的硅薄膜太陽能電池100的側視剖 面圖。該具有超晶格的硅薄膜太陽能電池100包含一基板110; —第一透明導 電膜120; —超晶格P型半導體層130; —本質型(i型)非晶硅半導體層140;
一N型非晶硅半導體層150; —第二透明導電膜160以及一電極170。
該基板110選自于硅、玻璃、石英、塑料、透明可撓性基板、可撓性基板
或不銹鋼板所組成群族之一。為了得到較佳的透光特性與較低的制造成本，可
采用玻璃及不銹鋼板作為基板110。
該第一透明導電膜120位于該基板110之上。該第一透明導電膜120與該 第二透明導電膜160的目的為提高電流的收集，用以增加光電轉換的效率。其 可選用常見的蒸鍍法(Evaporation)、濺鍍法(Sputter)、電鍍法、印刷法 等工藝作為主要的工藝方式。而銦錫氧化物(Indium tin oxide， IT0) 、 二 氧化錫(Stannum dioxide, Sn02)、氧化鋅(Zinc oxide, Zn0)或含雜質的 氧化鋅等可作為制作的材料，且該第一透明導電膜120與該第二透明導電膜 160的厚度約在100納米至500納米之間。
該電極170形成于該第二透明導電膜160上，其中該電極170可選用常見 的蒸鍍法(Evaporation)、濺鍍法(Sputter)、電鍍法、印刷法等工藝作為 其主要的工藝方式。該電極170的材料可選用銦錫氧化層(Indium tin oxide, IT0) 、 二氧化錫(Stannuni dioxide, Sn02)、氧化鋅(Zinc oxide, Zn0)、 鎳、金、銀、鈦、銅、鈀、及鋁等，其功效與該第一透明導電膜120以及該第 二透明導電膜160相同，且該電極170的厚度約在50納米至300納米之間。
需特別注意的是，該第二透明導電膜160并非是必要，亦即是，當結構中 無該第二透明導電膜160時，則該電極170形成于該N型非晶硅半導體層150 上。
該超晶格P型半導體層130形成于該第一透明導電膜120上方，且該超晶 格P型半導體層130由非晶硅與非晶碳相互堆棧而成，其可提高開路電壓及增 加光電轉換效率，以提高太陽能電池的電特性并產生空穴。該超晶格P型半導 體層130薄膜可選用電漿增強型化學式氣相沈積工藝(Plasma-enhanced chemical vapor d印osition， PECVD)、熱絲化學氣相沉積法(Hot-wire chemical vapor d印osition， HW-CVD)或特高頻電漿增強型化學式氣相沈積(Very high frequency—plasma enhance chemical vapor deposition, VHF-PECVD)等工藝作為主要工藝方式。通入的氣體口了選用硼垸氣體與硅烷
(Silane, SiH4)并混和氫氣(Hydrogen, H)、氬氣(Argon, Ar)等作為該 超晶格P型半導體層130內的非晶硅薄膜131的制作氣體，如圖2所示的結構。 而該超晶格P型半導體層130內的非晶碳薄膜132 (如圖2所示)的制作氣體為 甲烷(CH4)并混和氫氣(Hydrogen, H)、氬氣(Argon, Ar)等，且該超晶 格P型半導體層130的摻雜濃度在1 X 1020原子/立方公分左右。
現請參照圖2，其所示為該超晶格P型半導體層130的側視剖面圖，其中 該非晶硅薄膜131與非晶碳薄膜132的堆棧次數為3至10次。在一實施例中， 超晶格P型半導體層130的整體厚度約介于10納米至150納米之間。現請參 照圖3，其所示為本發明的硅薄膜太陽能電池的能帶圖。其中該超晶格P型半 導體層130吸收能隙可透過其量子阱寬度(壘寬Lb、阱寬Lz)改變，用以擴 展對太陽光譜長波長范圍的吸收，從而提高光電流。
該本質型(i型)非晶硅半導體層140形成于該超晶格P型半導體層130 上.方，該本質型(i型)非晶硅半導體層140是由混和硅烷氣體及氫氣而形成 的，其用以提高電特性，并增加太陽能電池的轉換效率。其中，該本質型(i 型)非晶硅半導體層140對于薄膜型太陽能電池的電特性影響最大，其是由于 電子與空穴在材料內部傳導時，若該本質型(i型)非晶硅半導體層140的厚 度過厚，兩者重合機率極高。為避免此現象發生，該本質型(i型)非晶硅半 導體層140不宜過厚。反之，該本質型(i型)非晶硅半導體層140的厚度過 薄時，又易造成吸光性不足。該本質型(i型)非晶硅半導體層140可選用于 電漿增強型化學式氣相沈積工藝、熱絲化學氣相沉積法或特高頻電漿增強型化 學式氣相沈積工藝作為主要工藝方式。在一實施例中，本發明的該本質型(i 型)非晶硅半導體層140由電漿增強型化學式氣相沈積來形成，其機臺腔體的 壓力約為0.01托(torr)至1 (torr)，工藝溫度為室溫至300°C，通入的氣體 可選用硅化合物(Silicide)氣體如硅烷(silane， SH4)并混和氫氣(Hydrogen, H)、氬氣(Argon， Ar)等作為該本質型(i型)非晶硅半導體層140的制作 氣體。其中，該本質型(i型)非晶硅半導體層140厚度約為300納米至900 納米之間。
該N型非晶硅半導體層150形成于該本質型(i型)非晶硅半導體層140上方，該N型非晶硅半導體層150可選用于電漿增強型化學式氣相沈積工藝、 熱絲化學氣相沉積法或特高頻電漿增強型化學式氣相沈積工藝作為主要工藝
方式。在一實施例中，該N型非晶硅半導體層150由電漿增強型化學式氣相沈 積來形成，其機臺腔體的壓力約為0.01托(torr)至l(torr)，工藝溫度約為 室溫至30(TC，通入的氣體可選用磷烷氣體與硅烷(silane， SiH4)并混和氫 氣(Hydrogen, H)、氬氣(Argon， Ar)等作為該N型非晶硅半導體層150 的制作氣體，且該N型非晶硅半導體層150的摻雜濃度在1 X 1020原子/立方 公分左右。
在一實施例中，超晶格P型半導體層130、本質型(i型)非晶硅半導體 層140、及N型非晶硅半導體層150堆桟的整體厚度較佳約介于在0. 5微米至 3微米之間。在另一實施例中，本質型(i型)非晶硅半導體層140的厚度較 佳占超晶格P型半導體層130、本質型(i型)非晶硅,導體層140、及N型 非晶硅半導體層150堆棧的整體厚度50%以上。
綜上所述，本發明的一種具有超晶格的硅薄膜太陽能電池，該超晶格P 型半導體層130用以增加光能帶擴展以及對太陽光譜波長范圍的吸收，其將有 助于提高開路電壓(Voc)，使短路電流(Isc)與填充因子不變，因而提高太陽能 電池的光電轉換效率。
當然，本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情 況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明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發明所附的權利要求的保護范圍。
權利要求
1.一種硅薄膜太陽能電池，其特征在于，包含一基板；一第一透明導電膜，形成于該基板上，其用于取出電能與提升光電轉換的效率；一超晶格P型半導體層，形成于該透明導電膜上方，其由非晶硅與非晶碳相互堆棧而成，用以提高太陽能電池的電特性與產生空穴；一本質型i型非晶硅半導體層，形成于該超晶格P型半導體層上方，用以提高太陽能電池的電特性；一N型非晶硅半導體層，形成于該本質型i型半導體層上方，用于產生電子；以及一電極，形成于該N型非晶硅半導體層上方，用以取出電能與提升光電轉換的效率。
2. 根據權利要求1所述的硅薄膜太陽能電池，其特征在于，該基板選自于 玻璃、石英、塑料、透明可撓性基板所組成族群中的任何一種材料。
3. 根據權利要求1所述的硅薄膜太陽能電池，其特征在于，該超晶格P 型半導體層內的非晶硅與非晶碳相互堆棧的次數在3至10次之間。
4. 根據權利要求1所述的硅薄膜太陽能電池，其特征在于，該超晶格P 型半導體層的整體厚度在10納米至150納米之間。
5. 根據權利要求1所述的硅薄膜太陽能電池，其特征在于，該本質型i 型非晶硅半導體層的整體厚度在300納米至900納米之間。
6. 根據權利要求1所述的硅薄膜太陽能電池，其特征在于，該超晶格P 型半導體層、該本質型i型非晶硅半導體層、及該N型非晶硅半導體層堆棧的 整體厚度在0. 5微米至3微米之間。
7. 根據權利要求1所述的硅薄膜太陽能電池，其特征在于，該本質型i 型非晶硅半導體層的厚度占該超晶格p型半導體層、該本質型i型非晶硅半導 體層、及該N型非晶硅半導體層堆棧的整體厚度50X以上。
8. 根據權利要求1所述的硅薄膜太陽能電池，其特征在于，還至少包括 一第二透明導電膜，形成于該N型非晶硅半導體層與該電極之間，該第二透明導電膜用于取出電能與提升光電轉換的效率。
9.根據權利要求8所述的硅薄膜太陽能電池，其特征在于，該第一透明 導電膜與該第二透明導電膜選自于銦錫氧化層、二氧化錫或氧化鋅所組成族群 中的任何一種材料。
全文摘要
本發明揭示一種硅薄膜太陽能電池，其主要包含一基板；一第一透明導電膜；一超晶格P型半導體層；一本質型(i型)非晶硅半導體層；一N型非晶硅半導體層；一第二透明導電膜以及一電極。其中，該超晶格P型半導體層用以調變能帶以擴展對太陽光譜波長范圍的吸收，將有助于提高開路電壓(Voc)，因而提高太陽能電池的光電轉換效率。
文檔編號H01L31/075GK101552302SQ20081008951
公開日2009年10月7日 申請日期2008年4月2日 優先權日2008年4月2日
發明者楊燕智, 簡永杰 申請人:東捷科技股份有限公司