专利名称：一种具有多堆栈的硅基薄膜太阳能电池的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种具有多堆栈的硅基薄膜太阳能电池，尤其涉及相互迭 接的多个光电转换层，该多个光电转换层利用不同的能隙与薄膜材料以提高其 光波长的吸收范围，并增加太阳能电池的光电转换效率。
背景技术：
目前由于国际能源短缺，而世界各国一直持续研发各种可行的替代能源， 而其中又以太阳能发电的太阳电池最受到瞩目，太阳电池具有使用方便、取之 不尽、用之不竭、无废弃物、无污染、无转动部份、无噪音、可阻隔辐射热、 使用寿命长、尺寸可随意变化、并与建筑物作结合及普及化等优点，故利用太 阳电池作为能源的取得。
在20世纪70年代，由美国贝尔实验室首先研制出的硅太阳能电池逐步发展 起来。随着太阳电池的发展，如今太阳能电池有多种类型，典型的有单晶硅太 阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、化合物太阳能电池、染料 敏化太阳能电池等。
硅(Silicon )为目前通用的太阳能电池的原料代表，而在市场上又区 分为1.单结晶硅；2.多结晶硅；3.非结晶硅。目前最成熟的工业生产制 造技术和最大的市场占有率乃以单晶硅和非晶硅为主的光电板。原因是一、 单晶效率最高；二、非晶价格最便宜，且无需封装，生产也最快；三、多晶的 切割及下游再加工较不易，而前述两种都较易于再切割及加工。为了降低成本， 现今主要以积极发展非晶硅薄膜太阳电池为主，但其效率上于实际应用中仍然 过低。。近来，有所谓的中间能带(Intermediate band)结构被提出，也就是 在导带(Conduction band)与价带(Valence band)之间引进额外的能带。 理论上，如果掺杂(doping)浓度高到某种程度，即掺杂原子之间的距离接近到 某种程度，掺杂原子就不能再被视为是相互独立的。掺杂原子的能阶互相耦合 (Overlapping)，就会在导带与价带之间引进中间能带。而中间能带的引入，
可以让原本能量小于能隙的不被吸收的光子，有机会被吸收，因而增加光电流。 另一方面，为了保持输出电压， 一般须要采用P-i-N结构，让中间能带位于纯 质(intrinsic, i layer)区域。其中又以于i层中成长所谓的微晶硅 (Microcrystalline Si， Si: H)结构最受到瞩目。微晶硅薄膜，其薄膜 的载子迁移率(Carrier mobility)比一般非晶硅质薄膜高出1 2个数量级， 而暗电导值则介于10—5 10—7 (S.cnf1)之间，明显高出非晶硅薄膜3 4个数量 级。然而，过去并无在多个P-i-N结构中制作多能隙的硅基薄膜太阳能电池。
因此，有必要提出一种具有多堆栈的硅基薄膜太阳能电池，以堆栈不同形 式的P-i-N结构来提高其光波长的吸收范围，并增加太阳能电池的光电转换效 率。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种具有多堆栈的硅基薄膜太 阳能电池，其特别是关于多个相互迭接的光电转换层，该多个光电转换层利用 不同的能隙与薄膜材料以提高其光波长的吸收范围，并增加太阳能电池的光电 转换效率。
为实现上述目的，本实用新型提出一种具有多堆栈的硅基薄膜太阳能电 池，其包含一基板； 一透明导电膜； 一第-一光电转换层； 一第二光电转换层； 一第三光电转换层以及一电极。其中，该透明导电膜用于取出电能与提升光电 转换的效率。该第一光电转换层形成于该透明导电膜上方，用以产生电子空穴 对，并提供光电流。该第二光电转换层形成于该第一光电转换层上方，也用以 产生电子空穴对，并提供光电流。该第三光电转换层形成于该第二光电转换层 上方，也用以产生电子空穴对，并提供光电流。最后，该电极形成于该N型半 导休层上方，用以取出电能与提升光电转换的效率。
需注意的是，该第一光电转换层的能隙大于该第二光电转换层的能隙， 而该第二光电转换层的能隙大于该第三光电转换层的能隙，且该第一光电转换 层的厚度不大于该第二光电转换层的厚度，而该第二光电转换层的厚度不大于 该第三光电转换层。其中，该第二光电转换层内具有镶埋结晶的结构。
根据本实用新型的一种具有多堆栈的硅基薄膜太阳能电池，其中该第一光 电转换层、该第二光电转换层与该第三光电转换层都是由一P型半导体层、一
本质型(i型)半导体层与一N型半导体层组合而成。
根据本实用新型的一种具有多堆栈的硅基薄膜太阳能电池，其中该第一光 电转换层选自于碳化硅与非晶硅所组成族群中的任何一种材料。
根据本实用新型的一种具有多堆栈的硅基薄膜太阳能电池，其中该第二光 电转换层选自于纳米晶硅、微晶硅与多晶硅所组成族群中的任何一种材料。
根据本实用新型的一种具有多堆栈的硅基薄膜太阳能电池，其中该第三光 电转换层选自于多晶硅、非晶硅锗、微晶硅锗或多晶硅锗所组成族群中的任何 一种材料。
根据本实用新型的一种具有多堆栈的硅基薄膜太阳能电池，其中该第二光 电转换层内的结晶材料占该第二光电转换层的整体比例在10%至80%之间。
根据本实用新型的一种具有多堆栈的硅基薄膜太阳能电池，其中该第二光 电转换层内的结晶材料的结晶尺寸在10纳米至500纳米之间。
本实用新型的具有多堆栈的硅基薄膜太阳能电池，其特别是关于多个相互 迭接的光电转换层，该多个光电转换层利用不同的薄膜材料以提高其光波长的 吸收范围，并增加太阳能电池的光电转换效率。
以下结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述，但不作为对本实 用新型的限定。
图1显示为本实用新型的具有多能阶的硅基薄膜太阳能电池的侧视剖面
图2a、图2b及图2c分别为本实用新型的该第三光电转换层、该第二光 电转换层、该第一光电转换层的侧视剖面图。 其中，附图标记
100: —种具有多堆栈的硅基薄膜太阳能电池
110:基板 120:透明导电膜 130:第一光电转换层
140:第二光电转换层150:第三光电转换层
160:电极
131:第一光电转换层内的P型半导体层
132:第一光电转换层内的本质型(i型)半导体层 133:第一光电转换层内的N型半导体层
141:第二光电转换层内的P型半导体层
142:第二光电转换层内的本质型(i型)半导体层
143:第二光电转换层内的N型半导体层
151:第三光电转换层内的P型半导体层
152:第三光电转换层内的本质型(i型)半导体层
153:第三光电转换层内的N型半导体层
具体实施方式
虽然本实用新型可表现为不同形式的实施例，但附图所示者及于下文中说 明者为本实用新型的较佳实施例，并请本领域技术人员考虑为本实用新型的一 范例，且并非意图用以将本实用新型限制于图示及/或所描述的特定实施例中。
请参照图1，其所示为一种具有多堆栈的硅基薄膜太阳能电池100的侧视
剖面图，该结构为本实用新型的第一实施例。该一种具有多堆栈的硅基薄膜太
阳能电池100包含一基板110; —透明导电膜120; —第一光电转换层130;
一第二光电转换层140; —第三光电转换层150以及一电极160。其中，该第 一光电转换层130、该第二光电转换层140与该第三光电转换层150都是由一 P型半导体层、 一本质型(i型)半导体层与一N型半导体层组合而成，该组 合结构的剖面图如图2a、图2b及图2c所示。
本实用新型的该基板110选自于硅、玻璃、可挠性基板110或不锈钢板之 一。该第三光电转换层选自于多晶硅、非晶硅锗、微晶硅锗或多晶硅锗所组成 族群中的任何一种材料。而为了降低制作上的成本，本实用新型的基板110 可采用玻璃及不锈钢来作为基板110。
该透明导电膜120形成于该基板110上，该透明导电膜120的目的为提高 电流的收集于电极160上，以提升光电转换的效率。其中，该透明导电膜120 的工艺方式可选用常见的蒸镀法(Evaporation)、溅镀法(Sputter)、电镀 法、印刷法工艺作为主要的工艺方式。该透明导电膜120的材料可选用铟锡氧 化物(Indium tin oxide， ITO) 、 二氧化锡(Stann咖dioxide, Sn02)、氧 化锌(Zinc oxide, Zn0)或含杂质的氧化锌等所组成族群之一。
本实用新型于第一实施例的该第一光电转换层130内的P型半导体层 131、该第二光电转换层140内的P型半导体层141与该第三光电转换层150 内的P型半导体层151的工艺方式可选用于等离子增强型化学式气相沉积工艺 (Plasma-enhanced chemical vapor d印osition， PECVD)、热丝化学气相沉积 法(Hot-wire chemical v邵or d印osition， HW-CVD)或特高频等离子增强型化 学式气相沉禾只 (Very high frequency-plasma enhance chemical vapor d印osition， VHF-PECVD)等工艺作为主要的工艺方式。
其中，P型半导体层系指在本质材料中加入的杂质(Impurities)可产生 多余的空穴，以空穴构成多数载子的半导体，即称之为P型半导体层。例如 对硅和锗半导体的本质半导体掺入3价原子的杂质时，会形成多余的空穴，电
流将以空穴作为主要的运作。
在P-i-N结构中，本质型(i型)半导体层对于薄膜型太阳能电池的电特 性影响最大，当电子与空穴在材料内部传导，若该本质型(i型)半导体层的 厚度过厚，两者重合机率极高，为避免此现象发生，本质型(i型)半导体层 不宜过厚。反之，本质型(i型)半导体层太薄，又易造成吸光不足。其中， 本质型(i型)半导体层一般以非晶硅质薄膜(a-Si:H)为主。但非晶硅质薄 膜先天上最大的缺失在于光照使用后，非晶硅质薄膜于短时间内，其性能将大 幅衰退，即所谓的SW (Staebler-Wronski)效应，其衰减幅度约15 % 35 %。该SW效应是由于材料中部份未饱和的硅原子(Dangling bond, DB)，因 光照射所发生结构变化之故。微晶硅质薄膜的载子迁移率比一般非晶硅质薄膜 高出1 2个数量级，而暗电导值则介于10—5 10—7 (S.cnf1)之间，明显高出 传统非晶硅质薄膜3 4个数量级，故于本质型(i型)半导体层使用微晶硅 质的结晶薄膜可加以提高太阳能电池的转换效率。
该第一实施例的第一光电转换层130内的N型半导体层133，第二光电转 换层140内的N型半导体层143、第三光电转换层150内的N型半导体层153 的工艺方式可选用于等离子增强型化学式气相沉积工艺、热丝化学气相沉积法 或特高频等离子增强型化学式气相沉积工艺作为主要工艺方式。
本实用新型的N型半导体层是指在本质材料中加入的杂质可产生多余的 电子，以电子构成多数载子的半导体，即称之为N型半导体层。就硅或锗半导 体而言，若对本质半导体掺入5价原子的杂质时，会形成多余的电子，并以电
子流作为主要的运作。
该电极160形成于该N型半导体层上，且其可选用常见的蒸镀法、溅镀法、 电镀法、印刷法工艺作为主要工艺方式。该电极160的制作材料可选用铟锡氧 化物(Indium tin oxide, IT0) 、 二氧化锡(Stann咖dioxide, Sn02)、氧 化锌(Zinc oxide， Zn0)、含杂质的氧化锌、镍、金、银、钛、铜、钯、及 铝等材料，该电极160的功效与该透明导电膜120相同。
需注意的是，该第一光电转换层130的能隙大于该第二光电转换层140 的能隙，而该第二光电转换层140的能隙大于该第三光电转换层150的能隙且 该第二光电转换层140内具有镶埋结晶的结构；以及该第一光电转换层130 的厚度不大于该第二光电转换层140的厚度，而该第二光电转换层140的厚度 不大于该第三光电转换层150。
第一光电转换层130內的本质型半导体层132的厚度大于该第一光电转换 层130内的N型半导体层133的整体厚度与该第一光电转换层130内的P型半 导体层131的整体厚度，且第二光电转换层140內的本质型半导体层142的厚 度大于该第二光电转换层140内的N型半导体层143的整体厚度与该第二光电 转换层140内的P型半导体层141的整体厚度，又第三光电转换层150內的本 质型半导体层152的厚度大于该第三光电转换层150内的N型半导体层153 的整体厚度与该第三光电转换层150内的P型半导体层151的整体厚度，故該 第一光电转换层130、該第二光电转换层140与該第三光电转换层150内的各 本质型半导体层的厚度大于各N型半导体层与各P型半导体层的整体厚度。
综上所述，本实用新型的具有多堆栈的硅基薄膜太阳能电池，其特别是关 于多个相互迭接的光电转换层，该多个光电转换层利用不同的薄膜材料以提高 其光波长的吸收范围，并增加太阳能电池的光电转换效率。
当然，本实用新型还可有其它多种实施例，在不背离本实用新型精神及其 实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改 变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保 护范围。
权利要求1.一种具有多堆栈的硅基薄膜太阳能电池，其特征在于，主要包含一基板，该基板的一面为照光面；一用于取出电能与提升光电转换的效率的透明导电膜，形成于该基板上；一用以产生电子空穴对并提供光电流的第一光电转换层，形成于该透明导电膜上方；一用以产生电子空穴对并提供光电流的第二光电转换层，形成于该第一光电转换层上方；一用以产生电子空穴对并提供光电流的第三光电转换层，形成于该第二光电转换层上方；以及一用以取出电能与提升光电转换的效率的电极，形成于该第三光电转换层上方；其中，该第一光电转换层的能隙大于该第二光电转换层的能隙，该第二光电转换层的能隙大于该第三光电转换层的能隙且该第二光电转换层内具有镶埋结晶的结构；以及该第一光电转换层的厚度不大于该第二光电转换层的厚度，该第二光电转换层的厚度不大于该第三光电转换层。
2. 根据权利要求l所述的一种具有多堆栈的硅基薄膜太阳能电池，其 特征在于，该基板为玻璃基板、石英基板、透明塑料基板或透明可挠性基板。
3. 根据权利要求l所述的一种具有多堆栈的硅基薄膜太阳能电池，其 特征在于，该第一光电转换层、该第二光电转换层与该第三光电转换层都是由 一P型半导体层、 一本质型(i型)半导体层与一N型半导体层组合而成。
4. 根据权利要求l所述的一种具有多堆栈的硅基薄膜太阳能电池，其 特征在于，该第一光电转换层为碳化硅层或非晶硅层。
5. 根据权利要求1所述的一种具有多堆栈的硅基薄膜太阳能电池，其 特征在于，该第二光电转换层为纳米晶硅层、微晶硅层或多晶硅层。
6. 根据权利要求l所述的一种具有多堆栈的硅基薄膜太阳能电池，其 特征在于，该第三光电转换层为多晶硅层、非晶硅锗层、微晶硅锗层或多晶硅 锗层。
7. 根据权利要求3所述的一种具有多堆栈的硅基薄膜太阳能电池，其 特征在于，该第一光电转换层、该第二光电转换层与该第三光电转换层内的各本质型半导体层的厚度大于各N型半导体层与各P型半导体层的整体厚度。
专利摘要本实用新型揭示一种具有多堆栈的硅基薄膜太阳能电池，其主要包含一基板；一透明导电膜；一第一光电转换层；一第二光电转换层；一第三光电转换层以及一电极。其中，该第一光电转换层的能隙大于该第二光电转换层的能隙，而该第二光电转换层的能隙大于该第三光电转换层的能隙且该第二光电转换层内具有镶埋结晶的结构。上述能隙的排列方式可用以提高光波长的吸收范围，并增加太阳能电池的光电转换效率。
文档编号H01L31/065GK201185191SQ20082000422
公开日2009年1月21日 申请日期2008年2月1日 优先权日2008年2月1日
发明者张育绮, 杨茹媛, 田伟辰, 简永杰 申请人:东捷科技股份有限公司