異質接面太陽能電池的制作方法

本發明有關于一種異質接面太陽能電池，特別有關于一種具有網狀形式的電極層的硅基異質接面太陽能電池。

背景技術：

按，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，而其中又以太陽能發電的太陽電池最受到矚目。目前，以硅晶做成的太陽能電池的轉換效率，因其僅能吸收1.1 電子伏特以上的太陽光能的限制、反射光造成的損失、材料對太陽光的吸收能力不足、載子在尚未被導出之前就被材料中的缺陷捕捉而失效，或是載子受到材料表面的懸浮鍵結捕捉產生復合等諸多因素，皆使其效率下降。因此，現在市售硅晶太陽能電池的轉換效率僅約15 ％，即表示硅晶太陽能電池的高效率化其實還有相當大的空間。其中，太陽能電池高效率化的基本原理就是結合不同能隙的發電層材質，把它們做成疊層結構。

參照美國公告專利第5,213,628號，標題為：光伏元件 (Photovoltaic device)，其主要揭示一種結合不同能隙的太陽能電池，借由加入非晶硅本質半導體，增加太陽能電池的載子壽命，減少電子電洞復合機率，提高光電流轉換效率。

參照美國公告專利第7,164,150號，標題為：光伏元件及其制作方法(Photovoltaic device and manufacturing method thereof)，其主要揭示一種太陽能電池的結構與制程方式。該電池配置一透明導電膜于背電極及光電轉換層之間，以使入射光反射回光電轉換層中進行再作用，借以改善電流特性并增加電池整體的光電轉換效率。

參照美國公告專利第9,060,434號，標題為：具有一金屬微影基板的電子顯示器(Electronic displays and metal micropatterned substrates having a graphic)，其主要揭示一種透明導電層的結構與制程方式。該透明導電層為一金屬網格，借由改變其金屬線寬、厚度以及排列形式，以使該透明導電層的透光性與導電性具有可調整的性質。

參照美國公告專利第6,878,921號，標題為：光伏元件與其制作方法(Photovoltaic device and manufacturing method thereof )。如圖1所示，其主要揭示一種硅基異質接面太陽能電池，使用銦錫氧化物(In₂O₃:SnO₂，ITO)透明導電膜作為電流分散層，以提升其電流特性及提升光電轉換效率的特性。

對于太陽電池所應用的透明導電膜而言，銦錫氧化物(ITO)一直是主流材料，然而銦礦稀少并且昂貴，且在氫電漿中抵抗力弱，因此未來勢必要研發取代材料。另一方面，目前ITO的制程以濺鍍法為主，其所制備出的薄膜過于平坦，必需再經過蝕刻制程才具有粗糙的表面紋理結構，方能為太陽能電池所用。

然而，上述異質接面太陽能電池，必須具有透明導電膜作為電流分散層，并包含一電極將電流取出。因此在制作上，需要更多的制程步驟，增加制造成本。

技術實現要素：

為了解決上述技術問題，本發明提出一種異質接面太陽能電池，以金屬網狀形式的電極層作為電流分散層與電流取出結構，借此提高光入射量，有效提升其電流特性及提升光電轉換效率，并減少了制程步驟，降低制造成本。

本發明提供的異質接面太陽能電池，包含：

一PN接面結構，具有兩個相對表面，其中該PN接面結構由一P型半導體層與一N型半導體層所組成，且該P型半導體層的能隙不同于該N型半導體層的能隙；

一第一電極，設置位于該PN接面結構的一表面；以及

一第二電極，設置位于該PN接面結構且相對于該第一電極的另一表面；

其中該第一電極的電極圖案具有網狀形式，該第一電極與第二電極的片電阻率介于0.1Ω/□至50Ω/□之間。

作為優選技術方案，該第二電極的電極圖案具有網狀形式。

作為優選技術方案，該第一電極與該第二電極的材料為銀。

作為優選技術方案，該第一電極與該第二電極的材料為銅。

作為優選技術方案，該第一電極的電極圖案的網狀線寬介于1微米至3微米之間。

作為優選技術方案，第一電極與第二電極的可見光可穿透的開放面積具有98%以上。

作為優選技術方案，第一電極與第二電極的片電阻率介于1Ω/□至8Ω/□之間。

作為優選技術方案，該PN接面結構由硅材料組成。

優選地，上述的異質接面太陽能電池，更包含：一第一取出電極以及一第二取出電極，該第一取出電極設置于該第一電極之上，且該第二取出電極設置于該第二電極之上。

優選地，上述的異質接面太陽能電池，更包含：該第一取出電極與該第二取出電極的電極線寬介于100微米至2000微米之間。

綜上所述，本發明的異質接面太陽能電池具有下列優點：

1.由于減少遮蔽面積，可有效增加入射光，以提升光電效能。

2.由于降低片電阻，有效提升其電流特性及提升光電轉換效率。

3.由于不需額外的電極，因此減少了制程步驟，降低制造成本。

附圖說明

圖1顯示為硅基異質接面太陽能電池的現有技術剖面圖；

圖2顯示為本發明異質接面太陽能電池的第一實施例剖面圖；

圖3顯示為本發明作為電極的網狀形式的上視示意圖；

圖4顯示為本發明異質接面太陽能電池的第二實施例示意圖。

附圖標記說明：

100 硅基異質接面太陽能電池；

110 基板；

111 第一糙化表面；

112 第二糙化表面；

120 第一本質非晶硅層；

130 P型半導體層；

140 第二本質非晶硅層；

150 N型半導體層；

160 第一取出電極；

170 第二取出電極；

180 第一電極；

190 第二電極。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明，以使本領域的技術人員可以更好的理解本發明并能予以實施，但所舉實施例不作為對本發明的限定。

現請參照圖2，其顯示為根據本發明的第一實施例中，所揭示的一種異質接面太陽能電池100，其主要包含：一基板 110；；一半導體層 130；一第一電極180；一第二電極 190。

該基板 110選自P型半導性基板、N型半導性基板、P型硅基板以及N型硅基板之一。較佳地，該基板 110選自N型半導性硅基單晶基板，但并不限，該基板 110選自N型半導性III-V單晶基板。

此外，本發明的基板 110更具有一第一糙化表面111以及一第二糙化表面112。在一較佳實施例中，第一糙化表面111以及第二糙化表面112的表面粗糙度介于10納米至80納米。

該半導體層 130的導電性是相對于該基板 110的導電性。舉例來說，若該基板 110選自N型半導性基板，則該半導體層 130的導電性則為P型半導體層。

在一實施例中，該半導體層 130的導電性則為P型半導體層，配置于具有N型半導性的該基板 110上。該半導體層 130其氧含量介于5×10¹⁸至1×10¹⁷原子/立方公分之間。其中，在原本質材料中加入雜質（Impurities）用以產生多余的電洞，以電洞構成多數載子的半導體，則稱之為P型半導體層。例：就硅或鍺半導體而言，在其本質半導體中，摻入3價原子的雜質時，即形成多余的電洞，且該電洞為電流的運作方式。

其中，該半導體層 130的制程可選用電漿增強型化學式氣相沉積制程(Plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD)、熱絲化學氣相沉積法(Hot-wire chemical vapor deposition, HW-CVD)或特高頻電漿增強型化學式氣相沉積（Very high frequency-plasma enhance chemical vapor deposition, VHF-PECVD）制程作為主要制程方式，并通入硅化合物（Silicide）氣體如硅烷（silane, SH₄）并混和氫氣（Hydrogen, H）、氬氣（Argon, Ar）等氣體作為制程氣體。

該半導體層 130的摻雜方式于本發明中采用可選用氣體摻雜、熱擴散法（Thermal diffusion）、固相結晶化（Solid phase crystalline, SPC）或準分子激光退火（Excimer laser anneal, ELA）等制程作為主要的制程方式。此外，該半導體層 130選自非晶硅、非晶硅鍺、非晶碳化硅以及納米晶硅之一。

在一實施例中，該半導體層 130的導電性則為P型非晶硅半導體層，配置于具有N型半導性單晶硅的該基板 110上，以形成一PN接面結構。該第一電極180，設置位于該PN接面結構的一表面；以及該第二電極190，設置位于該PN接面結構且相對于該第一電極的另一表面。

該第一電極180的電極圖案具有網狀形式。該第二電極190的電極圖案亦可以具有網狀結構形式，但并不限定。

金屬網格(Metal Mesh)是一種形狀看起來像極細金屬線組成的網狀金屬，其材料可以是各種納米級金屬材料，其可通過網格的間隙與格線的面積比來調控其光穿透度，并將格線線度降至微米，甚至次微米的尺度，以改善視覺的效果。并且，金屬網格在固定透光度下，其可借由調控金屬線的厚度來改變片電阻率，其范圍約可為0.01~3000Ω/□，其中片電阻率最低可達0.01Ω/□的特點，使其成為目前導電度最佳的透明導電膜。

在一實施例中，本發明以具有網狀形式的金屬做為異質接面太陽能電池的電極層，其具有高透光性與導電性，并且具有網狀形式的金屬本身即具凹凸不平的粗糙紋理結構，不需要再經過蝕刻程序即可為太陽能電池所使用，借此達成太陽能電池的量產。

需注意的是，過去具有網狀形式的金屬做為透明導電膜時，制作于玻璃或軟性基板之上，因此，其制程要求并不同于制作于半導體性的薄膜或基板上。以下說明其技術特征。

在本發明的實施例中，該第一電極180具有網狀形式，且該第一電極180的材料為可選用純金屬、金屬化合物、金屬氧化物。金屬可包含金、銀、銅、鎳、鋁及其合金。金屬氧化物可以是氧化銦、氧化鋅、氧化錫及其組合。

其中，第一電極180為金屬氧化物，制程方式可選自于蒸鍍法、濺鍍法、電鍍法、電弧電漿沉積法、濕式化學法、化學氣相沉積法以及印刷法中的任何一種制程。

現請參照圖3，其顯示為根據本發明的第一實施例中，所揭示的第一電極180的網狀形式結構的上視示意圖，其中較佳，第一電極180為具有網狀形式的金屬，較佳為銀或銅。需注意的是，當第一電極180為銀時，其制程選自于印刷法；當第一電極180為銅時，其制程選自于電鍍法。

該第一電極180的電極圖案的網狀線寬介于1微米至8微米之間，且兩條近似平行的網狀線與網狀線的距離介于20微米至200微米之間。借此，未被該第一電極180遮蔽的光可穿透的開放面積至少具有95%以上，且該第一電極180本身的平均光可穿透率至少具有95%以上。較佳地，該第一電極180的電極圖案的網狀線寬介于1微米至3微米之間，且兩條近似平行的網狀線與網狀線的距離介于20微米至40微米之間。借此，未被該第一電極180遮蔽的光可穿透的開放面積至少具有97%以上，且該第一電極180本身的平均光可穿透率至少具有95%以上。

該第一電極180的表面粗糙度介于3納米至10納米之間。該第一電極180的厚度為500納米以下。該第一電極180的片電阻率介于0.1Ω/□至50Ω/□之間。較佳地，該第一電極180的片電阻率介于1Ω/□至8Ω/□之間。

在本發明的實施例中，該第二電極190可以具有網狀形式，亦可以不具有網狀形式，亦即是該第二電極190整面涂布整個該PN接面結構的一表面。

該第二電極190的材料為可選用純金屬、金屬化合物、金屬氧化物。金屬可包含金、銀、銅、鎳、鋁及其合金。金屬氧化物可以是氧化銦、氧化鋅、氧化錫及其組合。

其中，第二電極190為金屬氧化物，制程方式可選自于蒸鍍法、濺鍍法、電鍍法、電弧電漿沉積法、濕式化學法、化學氣相沉積法以及印刷法中的任何一種制程。

其中較佳，第二電極190為具有網狀形式之金屬，較佳為銀或銅。需注意的是，當第一電極180為銀時，其制程選自于印刷法；當第一電極180為銅時，其制程選自于電鍍法。

該第二電極190的電極圖案的網狀線寬介于1微米至8微米之間，且兩條近似平行的網狀線與網狀線的距離介于20微米至200微米之間。借此，未被該第二電極190遮蔽的光可穿透的開放面積至少具有95%以上，且該第二電極190本身的平均光可穿透率至少具有95%以上。較佳地，該第二電極190的電極圖案的網狀線寬介于1微米至3微米之間，且兩條近似平行的網狀線與網狀線的距離介于20微米至40微米之間。借此，未被該第二電極190遮蔽的光可穿透的開放面積至少具有97%以上，且該第二電極190本身的平均光可穿透率至少具有95%以上。

該第二電極190的表面粗糙度介于3納米至10納米之間。該第二電極190的厚度為500納米以下。該第二電極190的片電阻率介于0.1Ω/□至50Ω/□之間。較佳地，該第二電極190的片電阻率介于1Ω/□至8Ω/□之間。

由于該第一電極180與該第二電極190在該異質接面太陽能電池100的表面分布的區域平均。在此設計下，可以不需要有額外的取出電極，封裝的串并聯的引線可以直接接觸到該第一電極180與該第二電極190，可以將該異質接面太陽能電池100所產生的光電流取出。因此，本發明的技術特征具有降低制程步驟與成本的功效。

另外，該第一電極180與該第二電極190設置于該異質接面太陽能電池100的表面時，需注意到該第一電極180與該第二電極190對于該異質接面太陽能電池100的表面的接觸電阻必須盡可能降低，以避免整流接面特性，亦即是該基板 110與該半導體層 130的電阻系數需控制在10歐姆·公分以下。

在該第一實施例中，該異質接面太陽能電池100更包含：一第一取出電極 160以及一第二取出電極 170。該第一取出電極 160與該第二取出電極 170為了更方便封裝時，強化封裝的串并聯的引線與該第一取出電極 160與該第二取出電極 170的接觸強度。

第一取出電極 160設置于該第一電極180之上，且與該第二取出電極 170設置于該第二電極190之上。該第一取出電極 160與該第二取出電極 170的電極線寬介于100微米至2000微米之間。圖中，雖然僅顯示兩條第一取出電極 160，與兩條該第二取出電極170，但實施時，并不限于兩條，較佳地，該第一取出電極 160與該第二取出電極 170具有至少兩條以上的電極線，電極線的數量介于2條至20條以間。該第一取出電極 160與該第二取出電極 170的電極線寬越小時，電極線的數量越多；反之，當該第一取出電極 160與該第二取出電極 170的電極線寬越大時，電極線的數量越少。借此，未被該第一取出電極 160與該第二取出電極 170遮蔽的光可穿透的開放面積至少具有95%以上。

該第一取出電極 160與該第二取出電極 170的材料為可選用純金屬與金屬化合物。金屬可包含金、銀、銅、鎳、鋁及其合金，制程方式可選自于蒸鍍法、濺鍍法、電鍍法、電弧電漿沉積法、濕式化學法以及印刷法中的任何一種制程。該第一取出電極 160與該第二取出電極 170的電阻介于0.1Ω至5Ω之間。

現請參照圖4，其顯示為根據本發明的第二實施例中，所揭示的一種異質接面太陽能電池100，其包含：一基板 110；一第一本質非晶硅層120；一第一半導體層 130；一第一電極180；一第二本質非晶硅層140；一第二半導體層150；以及一第二電極190。

該第二實施例大致相似于第一實施例，其主要差異在于，該異質接面太陽能電池100更包含：一第一本質非晶硅層120；一第二本質非晶硅層140以及一第二半導體層150。亦即是，在該基板 110與該第一半導體層 130之間，更包含一第一本質非晶硅層120。該基板 110與該第二電極190之間，更依序包含一第二本質非晶硅層140；一第二半導體層150。亦即是，該基板 110與該第二半導體層150之間，包含該第二本質非晶硅層140。

該第二實施例的該基板 110、該第一電極180與該第二電極190相同于該第一實施例的該基板 110、該第一電極180與該第二電極190，且該第二實施例的該第一半導體層 130相同于該第一實施例的該半導體層 130。亦即特征相同于上揭第一實施例所述，因此在此不再贅述。

第一本質非晶硅層120配置于該基板 110的第一糙化表面111上，特別是設置于該基板 110與該第一半導體層 130之間，其氫含量介于3%至10%之間。

第二本質非晶硅層140配置于該基板 110的第二糙化表面112上，是相對于在該基板 110上相對該第一本質非晶硅層120的另一面。特別是設置于該基板 110與該第二半導體層 150之間，其氫含量介于3%至10%之間。

其中，第一本質非晶硅層120與第二本質非晶硅層140的制作材料可選用非晶硅、非晶硅鍺、納米晶硅、微晶硅、微晶硅鍺、多晶硅與多晶硅鍺之一。此外，第一本質非晶硅層120與第二本質非晶硅層140可用以形成量子局限效應，借以改良電特性，以增加可吸收的入射光能譜范圍。

第一本質非晶硅層120與第二本質非晶硅層140可選用電漿增強型化學式氣相沉積制程(Plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD)、熱絲化學氣相沉積法(Hot-wire chemical vapor deposition, HW-CVD)或特高頻電漿增強型化學式氣相沉積（Very high frequency-plasma enhance chemical vapor deposition, VHF-PECVD）制程作為主要制程方式，并通入硅化合物（Silicide）氣體如硅烷（silane, SH₄）并混和氫氣（Hydrogen, H）、氬氣（Argon, Ar）等氣體作為制程氣體。于本發明的較佳實施例中，第一本質非晶硅層120與第二本質非晶硅層140的厚度介于5納米至20納米之間，且氫含量皆介于3%至7%之間。需注意，氫含量的不同將影響光電轉換特性。此外，第一本質非晶硅層120與第二本質非晶硅層140亦可用以填補P型半導體層 130與基板 110接面處或N型半導體層 150與基板 110接面處發生的缺陷，以增加轉換效率。

在該第二實施例中，該第一半導體層 130的導電性則為P型非晶硅半導體層，配置于具有N型半導性單晶硅的該基板 110上，以形成一PN接面結構。

因此，該第二半導體層 150為N型半導體層，配置于該第二本質非晶硅層140上，且其氧含量介于5×10¹⁸至1×10¹⁷原子/立方公分之間。其中，該第二半導體層 150指在本質材料中加入的雜質可產生多余的電子，以電子構成多數載子的半導體。例如，就硅和鍺半導體而言，若在其本質半導體中摻入5價原子的雜質時，即形成多余的電子。其中，電子流以電子為主來運作。

該第二半導體層 150的摻雜方式可選用于氣體摻雜熱、準分子激光退火、固相結晶化、擴散法或離子布植法作為主要制程方式。在一實施例中，該第二半導體層 150選自非晶硅、非晶硅鍺、非晶碳化硅以及納米晶硅之一。

與該第一實施例相似，在該第二實施例中，該異質接面太陽能電池100更包含：一第一取出電極 160以及一第二取出電極 170。該第一取出電極 160與該第二取出電極 170為了更方便封裝時，強化封裝的串并聯的引線與該第一取出電極 160與該第二取出電極 170的接觸強度。在此不再贅述。

本發明的基板 110所具有的粗糙化表面用以增加入射光的散射率，借由增加入射光的散射率，可增加光補限 (light-traping) 的效率，改良電特性。第一本質非晶硅層120、P型半導體層 130、一第二本質非晶硅層140、一N型半導體層150亦具有粗糙化表面，其功能與基板 110所具有的粗糙化表面功能相同。

需注意，當基板為N型硅基板時，則照光面為P型半導體層，且N型半導體層與第二本質非晶硅層則可形成背向表面電場(Back Surface Field，BSF)的效果。反之，當基板為P型硅基板時，則照光面為N型半導體層 ，且P型半導體層與第一本質非晶硅層則可形成背向表面電場的效果。

本發明的一較佳實施例中至少有一制程氣體經過純化步驟，以減少該制程氣體中氧氣含量。制程氣體中氧氣含量過多將會在沉積的薄膜結構中產生過多氧空缺，造成太陽能電池中的載子移動率降低，進而使發電效率降低。借由進行純化氣體的步驟，該較佳實施例中成長的薄膜的氧氣濃度低于5×10¹⁸原子/立方公分。需注意的是，本發明所揭示的異質接面太陽能電池 100，不僅適用于單一單元電池，更可實施于模塊化的太陽能電池制程。

綜上所述，根據本發明之異質接面太陽能電池 100，本發明以金屬網狀形式的電極層作為電流分散層與電流取出結構，使所制備的太陽能電池具有下列優點：

1.由于減少遮蔽面積，可有效增加入射光，以提升光電效能。

2.由于降低片電阻，有效提升其電流特性，提升光電轉換效率。

3.由于不需額外的電極，因此減少了制程步驟，降低制造成本。

以上所述實施例僅是為充分說明本發明而所舉的較佳的實施例，本發明的保護范圍不限于此。本技術領域的技術人員在本發明基礎上所作的等同替代或變換，均在本發明的保護范圍之內。本發明的保護范圍以權利要求書為準。