本发明是有关于一种光电转换装置，且特别是有关于一种太阳能电池。
背景技术：
现今人类使用的能源主要来自于石油，但由于地球的石油资源有限，因此近年来对于替代能源的需求与日俱增，而在各式替代能源中，太阳能已成为目前最具发展潜力的绿色能源。
然而，受限于高制作成本、工艺复杂与光电转换效率不佳等问题，太阳能电池的发展仍待进一步的突破。因此，如何制作出具有良好的光电转换效率的太阳能电池，实为目前研发人员亟欲解决的问题之一。
技术实现要素：
本发明提供一种太阳能电池，其具有良好的光电转换效率。
本发明的太阳能电池，其具有至少一电池单元。电池单元包括半导体基底、至少两相邻的掺杂区、至少一绝缘层、至少二个第一电极、至少一第一掺杂层和至少一第二电极。半导体基底具有第一表面和相对于第一表面的第二表面，其中半导体基底具有第一极性。至少两相邻的掺杂区从第一表面延伸到部份半导体基底中，其中掺杂区具有第二极性且不同于第一极性。至少一绝缘层覆盖于两相邻的掺杂区与部份第一表面上，且绝缘层具有至少二个开口，开口分别暴露出两相邻的掺杂区的一部份，其中开口的面积总和为a，半导体基底的总面积为b，且2％≦((a/b)×100％)≦9％。至少二个第一电极设置于绝缘层上且分别经由开口接触两相邻的掺杂区的一部份。至少一第一掺杂层设置于绝缘层上且位于两相邻的第一电极之间，其中第一掺杂层具有第一极性。至少一第二电极设置于第一掺杂层上。
基于上述，在本发明实施例的太阳能电池中，绝缘层覆盖于两相邻的掺杂区与部份第一表面上，且第一掺杂层设置于绝缘层上。如此一来，绝缘层可对掺杂区和第一掺杂层中的少数载子提供场效应钝化(fieldeffectpassivation)功能，使得少数载子不易发生复合。此外，至少二个第一电极设置于绝缘层上且分别经由开口接触两相邻的掺杂区的一部份，如此可降低第一电极和掺杂区的接触阻抗，以提升太阳能电池的填充因子(fillfactor,ff)。另外，第二电极设置于两相邻第一电极之间的第一掺杂层上，使得太阳能电池的前侧(即第二表面)不会有遮挡入射光线的金属，进而提升太阳能电池的光电流(jsc)值。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1为依据本发明一实施例的太阳能电池的剖面示意图。
图2为本发明一实施例的太阳能电池的开口率与光电流及开路电压的比较图。
图3为本发明一实施例的太阳能电池的开口率与填充因子及转换效率的比较图。
图4至图6分别为比较例1至比较例3的太阳能电池的剖面示意图。
其中，附图标记：
sc、10、20、30：太阳能电池
scu：电池单元
100：半导体基底
102：第一表面
104：第二表面
106：掺杂区
108：绝缘层
110：开口
112、206、306、406：第一电极
114：第一掺杂层
116、212、308、408：第二电极
118：第一子区
120：第二子区
122：第二掺杂层
124、214、314、414：抗反射层
200、300、400：n型半导体基底
202：p型轻掺杂区
204：p型重掺杂区
208、410：穿隧氧化层
210：n型重掺杂非晶硅层
302：n型重掺杂区
304：p型重掺杂区
310：氧化层
312、412：前表面电场元件
402：p型重掺杂多晶硅层
404：n型重掺杂多晶硅层
l：光
t：厚度
具体实施方式
以下将参照本实施例的图式以更全面地阐述本发明。然而，本发明亦可以各种不同的形式体现，而不应限于本文中所述的实施例。图式中的层与区域的厚度会为了清楚起见而放大。相同或相似的参考号码表示相同或相似的元件，以下段落将不再一一赘述。另外，实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
在附图中，为了清楚起见，放大了层、膜、面板、区域等的厚度。在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的元件。应当理解，当诸如层、膜、区域或基板的元件被称为在另一元件“上”或“连接到”另一元件时，其可以直接在另一元件上或与另一元件连接，或者中间元件可以也存在。相反，当元件被称为“直接在另一元件上”或“直接连接到”另一元件时，不存在中间元件。如本文所使用的，“连接”可以指物理及/或电性连接。然而，电性连接或耦合可为二元件间存在其它元件。
本文使用的“约”、“近似”或“实质上”包括所述值和在本领域普通技术人员确定的特定值的可接受的偏差范围内的平均值，考虑到所讨论的测量和与测量相关的误差的特定数量(即，测量系统的限制)。例如，“约”可以表示在所述值的一个或多个标准偏差内，或±30％、±20％、±10％、±5％内。再者，本文使用的“约”、”近似”或“实质上”可依光学性质、蚀刻性质或其它性质，来选择较可接受的偏差范围或标准偏差，而可不用一个标准偏差适用全部性质。
除非另有定义，本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。将进一步理解的是，诸如在通常使用的字典中定义的那些术语应当被解释为具有与它们在相关技术和本发明的上下文中的含义一致的含义，并且将不被解释为理想化的或过度正式的意义，除非本文中明确地这样定义。
本文参考作为理想化实施例的示意图的截面图来描述示例性实施例。因此，可以预期到作为例如制造技术及/或公差的结果的图示的形状变化。因此，本文所述的实施例不应被解释为限于如本文所示的区域的特定形状，而是包括例如由制造导致的形状偏差。例如，示出或描述为平坦的区域通常可以具有粗糙及/或非线性特征。此外，所示的锐角可以是圆的。因此，图中所示的区域本质上是示意性的，并且它们的形状不是旨在示出区域的精确形状，并且不是旨在限制权利要求的范围。
图1为依据本发明一实施例的太阳能电池的剖面示意图。请参照图1，太阳能电池sc具有至少一个电池单元scu。为了清楚表示电池单元scu的具体结构，图1中只绘示出一个电池单元scu作为示范性实施例进行说明，但本发明不以此为限。在其他实施例中，太阳能电池sc也可具有多个电池单元scu。电池单元scu包括半导体基底100、至少两相邻的掺杂区106、至少一绝缘层108、至少两个第一电极112、至少一第一掺杂层114和至少一第二电极116。
半导体基底100具有第一表面102和相对于第一表面102的第二表面104。在一些实施例中，第一表面102为太阳能电池sc的背侧(rearside)，而第二表面104则为太阳能电池sc的前侧(frontside)。如图1所示，光线l照射至太阳能电池的第二表面104，故第二表面104亦称为受光面(light-receivingside)。半导体基底100具有第一极性，其可以是n型半导体基底或是p型半导体基底。在一些实施例中，第一极性可为n型。于部份实施例中，第一极性也可为p型。其中，n型或p型的掺杂物可参阅后续描述。若，太阳能电池sc为n型太阳能电池，其具有良好的少数载子寿命和无光衰减的优点，故具有更大的效率提升空间和稳定性。在一些实施例中，半导体基底100的材料可包括砷化镓、锗、含硅材料、或其它合适的材料、或前述至少二种的组合。
至少两相邻的掺杂区106从第一表面102延伸到部份半导体基底100中。每一掺杂区106具有至少一个第一子区118与至少一个第二子区120。在一些实施例中，两相邻的掺杂区106皆具有第二极性(例如：第一子区118和第二子区120皆具有第二极性)，且第二极性不同于第一极性。在本实施例中，若第一极性可为n型，则第二极性可为p型，但本发明不以此为限。于部份实施例中，若第一极性可为p型，则第二极性可为n型。在一些实施例中，掺杂区106的形成方法可以是对半导体基底100进行图案化离子布植工艺、或其它合适的方法。
至少一层绝缘层108覆盖于掺杂区106与部份第一表面102上。绝缘层108的材料可以是氧化硅(siox)、氮化硅(sinx)、氮氧化硅(sion)、氧化钇(yox)、或其它合适的材料、或前述的组合。在一些实施例中，绝缘层108具有至少二个开口110，其分别暴露掺杂区106的一部份。举例来说，开口110暴露出相对应的第二子区120的至少一部分。在一些实施例中，形成绝缘层108的方法可以是化学气相沉积法(chemicalvapordeposition,cvd)、物理气相沉积法(physicalvapordeposition,pvd)、或其它合适的方法。
至少二个第一电极112设置于绝缘层108上且分别经由开口110接触两相邻的掺杂区106的一部份，如此可降低第一电极112和掺杂区106的接触阻抗，以提升太阳能电池的填充因子(ff)。第一电极112可为单层或多层结构，且其材料可以是导体材料，例如铝、银、铂、金、铜、或其它合适的材料、上述材料的合金、或上述材料的组合。在本实施例中，第一电极112经由开口110接触相对应的第二子区120。应注意的是，若开口110的面积过大则会导致绝缘层108的场效应钝化效果降低，而难以降低少数载子复合的发生。因此，在一些实施例中，当开口110的面积总和为a，且半导体基底100的总面积为b的情况下，开口率((a/b)×100％)实质上大于等于2％且实质上小于等于9％(例如：2％≦((a/b)×100％)≦9％)。如此一来，除了可降低第一电极112和掺杂区106的接触阻抗之外，绝缘层108还能够提供足够的场效应钝化效果，使得太阳能电池sc具有良好的光电转换效率。在另一些实施例中，在开口率实质上大于等于5％且实质上小于等于9％(5％≦((a/b)×100％)≦9％)的情况下，太阳能电池sc具有更佳的光电转换效率。应注意得是，在太阳能电池sc具有多个电池单元scu的情况下，a表示多个电池单元scu中的开口总合，而b则表示具有多个电池单元scu的半导体基底sc的总面积。
至少一第一掺杂层114设置于绝缘层108上且位于两相邻的第一电极112之间，其中第一掺杂层114具有第一极性。如此一来，绝缘层108可对掺杂区106和第一掺杂层114中的少数载子提供场效应钝化功能，使其不易发生复合，进而提升开路电压(voc)。在一些实施例中，绝缘层108可作为穿隧氧化层(tunneloxidelayer)，在其厚度t大于0奈米且实质上小于等于10奈米(0nm<t≦10nm)的情况下，电子穿过绝缘层108的机率增加，使得太阳能电池sc的光电转换效率能够进一步提升。除此之外，由于掺杂区106(其具有第二极性，例如p型)、半导体基底100(其具有第一极性，例如n型)与绝缘层108，提供了类似异质接面(heterojunction)的结构，大幅降低了饱和电流，故能有效地提高光电转换效率。在一些实施例中，第一掺杂层114的形成方法可以是先藉由化学气相沉积或其它合适的方式，在绝缘层108表面上形成半导体材料层，较佳地，可为多晶硅层，然后再对上述的多晶硅层进行离子布植工艺，而本实施例的第一掺杂层114具有n型掺杂为范例，因此可包含n型掺杂物，例如砷、磷、锑、其它合适的掺杂物、或前述的化合物、或前述的组合，但本发明不以此为限。于其它实施例中，若第一掺杂层114具有p型掺杂物，例如：铝、硼、镓、其它合适的掺杂物、或前述的化合物、或前述的组合。在另一些实施例中，第一掺杂层114也可以是以低压化学气相沉积(lowpressurechemicalvapordeposition,lpcvd)或其它合适的方式，直接于绝缘层108的表面上形成具有第一极性的第一掺杂层114。在其他实施例中，第一掺杂层114还可以是在绝缘层108的表面上形成非晶硅层之后，再经由雷射退火、加热退火、或其它合适的方式使非晶硅层再结晶形成多晶硅层，然后再对其进行离子布植工艺。
在一些实施例中，第一掺杂层114与半导体基底100具有实质上相同的极性，且第一掺杂层114阻值小于半导体基底100的阻值。如此一来，第一掺杂层114可作为背表面电场(backsidefield,bsf)元件，以改善开路电压，进而提升太阳能电池sc的光电转换效率。另外，掺杂区106与第一掺杂层114和半导体基底100具有相异的极性(例如掺杂区106可为p型；第一掺杂层114和半导体基底100皆可为n型)，其可作为太阳能电池sc的射极(emitter)。在一些实施例中，第一掺杂层114的掺杂浓度大于半导体基底100的掺杂浓度。在一些实施例中，第一掺杂层114包括多晶硅，如此可进一步提升场效应钝化的效果，以改善开路电压，使得太阳能电池sc的光电转换效率能够提升。除此之外，由于n型掺多晶硅的少数载子生命周期(minoritycarrierlifetime,mclt)大于p型掺多晶硅，且隐开路电压(ivoc)亦较高，因此n型掺多晶硅的钝化效果较p型掺多晶硅佳，但不限于此。
在一些实施例中，掺杂区106的第一子区118可邻近于第一掺杂层114，而其第二子区120远离于第一掺杂层114，较佳地，第二子区120的阻值可小于第一子区118的阻值、半导体基底100的阻值与第一掺杂层114的阻值，并且第一掺杂层114的阻值小于半导体基底100的阻值。如此一来，少数载子倾向从第二子区120经由第一子区118传递至第一掺杂层114，故可藉由缩短少数载子的行经路径来提升其传导效率。在一些实施例中，第一掺杂层114不重迭于两相邻的掺杂区106，例如第一子区118介于第二子区120和第一掺杂层114之间，如此可避免过多的p-n接面所导致的光电转换效率不佳的问题。
至少一个第二电极116设置于第一掺杂层114上。如此一来，第一电极112和第二电极116都设置在太阳能电池sc的背侧(例如：第一表面102)，使得太阳能电池sc的前侧(例如：第二表面104)不会有遮挡入射光线l的金属，进而提升太阳能电池的光电流(jsc)值。第二电极116可为单层或多层结构，且其材料可以是导体材料，例如铝、银、铂、金、铜、或其它合适的材料、上述材料的合金、或上述材料的组合。
在一些实施例中，可选择性地于第二表面104上设置具有第一极性(例如：与半导体基底100具有实质上相同的极性)的至少一第二掺杂层122，且其阻值小于半导体基底100的阻值(例如第二掺杂层122的掺杂浓度大于半导体基底100的掺杂浓度)。如此一来，第二掺杂层122可作为前表面场(frontsurfacefield,fsf)元件，使得第二掺杂层122可导引少数载子从fsf元件传入半导体基底100中，藉此提升太阳能电池sc的光电转换效率。在一些实施例中，第二掺杂层122的形成方法可以是对半导体基底100的第二表面104进行离子布植工艺。在另一些实施例中，第二掺杂层122也可藉由cvd或其它合适的方式形成于半导体基底100的第二表面104上。再者，为了提升太阳能电池sc的入光量，在一些实施例中，可选择性地于第二掺杂层122的远离半导体基底100的表面(例如：顶表面)上形成多个凹凸的微结构(如图1所示)。在一些实施例中，可借由粗糙化(textured)处理来形成凹凸的微结构，但本发明不以此为限。在一些实施例中，凹凸的微结构可为绒面结构。
此外，在一些实施例中，还可选择性地于凹凸的微结构上设置至少一反射层124，如此可借由提升入光量来增加光电流(jsc)值。抗反射层124可为单层或多层结构，其材料包含氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、氧化锌、氧化钛、铟锡氧化物、氧化铟、氧化铋(bismuthoxide)、氧化锡(tinoxide)、氧化锆(zirconiumoxide)，氧化铪(hafniumoxide)、氧化锑(antimonyoxide)、氧化钆(gadoliniumoxide)、或其它合适的材料、或前述材料的组合。
图2为本发明一实施例的太阳能电池的开口率与光电流及开路电压的比较图。
请参照图2，可知随着开口率越高，第一电极112与掺杂区106的接触阻抗越低，故光电流值(单位：ma/cm2)也越来越高。然而，当开口率大于约6％之后，光电流值随着开口率增加的幅度则逐渐趋缓。另外，可知随着开口率越高，绝缘层108的场效应钝化效果越低，故开路电压(单位：v)也越来越小。
图3为本发明一实施例的太阳能电池的开口率与填充因子及转换效率的比较图。
请参照图3，在开口率约为0％的情况下，填充因子(例如：ff值，无单位)约为78.5％；光电转换效率(无单位)约为23.7％，而在开口率约大于0％的情况下，ff值增加至约81.5％，且光电转换效率增加至约23.9％。然而，随着开口率逐渐增加，ff值也逐渐降低，而光电转换效率随着开口率增加的幅度逐渐趋缓。当开口率约大于9％的情况下，ff值降低至约78％，且光电转换效率降低至约23.4％，两者皆小于开口率约为0％的情况。由此可知，开口率在实质上大于等于2％且实质上小于等于9％(例如：2％≦((a/b)×100％)≦9％)的情况下，太阳能电池sc可具有良好的光电转换效率。更进一步地，如图3所示，开口率在实质上大于等于5％且实质上小于等于9％的情况下，太阳能电池sc具有更佳的光电转换效率。
下文将参照实施例1和比较例1至比较例3，更具体地描述本发明的特征。虽然描述了以下实施例，但是在不逾越本发明范畴的情况下，可适当地改变所用材料、其量及比率、处理细节以及处理流程等等。因此，不应由下文所述的实施例对本发明作出限制性地解释。图4至图6分别为比较例1至比较例3的剖面示意图。
实施例1
实施例1为上述实施例的太阳能电池(如图1所示)，其开口率约为5％。也就是说，绝缘层108(例如：穿隧氧化层，其厚度约为1nm)的面积占半导体基底100的总面积的约95％。
比较例1
请参照图4，比较例1的太阳能电池10包括n型半导体基底200、p型轻掺杂区202、p型重掺杂区204、第一电极206、穿隧氧化层208、n型重掺杂非晶硅层210、第二电极212以及抗反射层214。第一电极206设置于太阳能电池10的受光面，其与p型重掺杂区204接触；而第二电极212设置于太阳能电池10的背侧，其与n型重掺杂非晶硅层210接触。也就是说，第一电极206和第二电极212分别设置于n型半导体基底200的相对两侧。另外，穿隧氧化层208设置于n型半导体基底200和n型重掺杂非晶硅层210之间，且穿隧氧化层208(厚度约为1nm)不具有开口。也就是说，比较例1的开口率为0％，即穿隧氧化层208的面积占半导体基底200的总面积的100％。抗反射层214设置于p型轻掺杂区202的凹凸的微结构上。
比较例2
请参照图5，比较例2的太阳能电池20包括n型半导体基底300、n型重掺杂区302、p型重掺杂区304、第一电极306、第二电极308、氧化层310、前表面电场元件312以及抗反射层314。第一电极306和第二电极308分离设置于太阳能电池20的背侧，且两者分别与n型半导体基底300中的n型重掺杂区302和p型重掺杂区304接触。氧化层310(厚度约为72nm)设置于第一电极306和第二电极308之间。也就是说，比较例2不具有穿隧氧化层。前表面电场元件312设置于太阳能电池20的受光面，且抗反射层314设置于前表面电场元件312的凹凸的微结构上。
比较例3
请参照图6，比较例3的太阳能电池30包括n型半导体基底400、p型重掺杂多晶硅层402、n型重掺杂多晶硅层404、第一电极406、第二电极408、穿隧氧化层410、前表面电场元件412以及抗反射层414。第一电极406和第二电极408分离设置于太阳能电池30的背侧，且两者分别与n型重掺杂多晶硅层404和p型重掺杂多晶硅层402接触。穿隧氧化层410(厚度约为1nm)设置于n型半导体基底400和p型重掺杂多晶硅层402与n型重掺杂多晶硅层404之间，且穿隧氧化层410不具有开口。也就是说，比较例3的开口率为0％，即穿隧氧化层410的面积占n型半导体基底400的总面积的100％。前表面电场元件412设置于太阳能电池30的受光面，且抗反射层414设置于前表面电场元件412的凹凸的微结构上。
对上述实施例1和比较例1至比较例3进行光电流(jsc，单位：ma/cm2)、开路电压(voc，单位：v)及填充因子(ff，无单位)的测试，而光电转换效率(eff，无单位)可经由下述式1获得。实验结果显示于表1中。
[式1]
eff＝voc*jsc*ff
[表1]
由表1可知，虽然实施例1的光电流约略小于比较例1～3，但是其开路电压大于比较例1、2的开路电压且约略小于比较例3的开路电压。除此之外，实施例1的填充因子大于比较例1～3的填充因子。如此一来，经式1计算后所获得光电转换效率，实施例1的太阳能电池仍然具有最高的光电转换效率。
综上所述，在上述实施例的太阳能电池中，绝缘层覆盖于两相邻的掺杂区与部份第一表面上，且第一掺杂层设置于绝缘层上。如此一来，绝缘层可对掺杂区和第一掺杂层中的少数载子提供场效应钝化功能，使其不易发生复合。此外，至少二个第一电极设置于绝缘层上且分别经由开口接触两相邻的掺杂区的一部份，如此可降低第一电极和掺杂区的接触阻抗，以提升太阳能电池的填充因子。另外，第二电极设置于两相邻第一电极之间的第一掺杂层上，使得太阳能电池的前侧(例如：第二表面)不会有遮挡入射光线的金属，进而提升太阳能电池的光电流值。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。