太阳能电池及太阳能电池组件的制作方法
【专利摘要】一种太阳能电池及其太阳能电池组件，所述太阳能电池包括第一电极、第二电极与位于第一电极和第二电极之间的光电转换层。所述太阳能电池还包括可电离的带电荷膜，位于第一电极的外表面和第二电极的外表面中的至少一面上。
【专利说明】太阳能电池及太阳能电池组件
【技术领域】
[0001]本发明是有关于一种太阳能电池技术，且特别是有关于一种太阳能电池及太阳能电池组件。
【背景技术】
[0002]太阳能电池的理论效率虽高，但实际的发电效率并不是如此。影响效率的因素有很多，像是太阳能电池本身的串联及并联电阻、或是太阳能电池电极对阳光的遮蔽效应、或是反射光没有被有效捕捉的损失等等。
[0003]而太阳能电池内部的电子及空穴的再结合(recombination)则是另一個影响效率的重要因素。具有比太阳能电池的带隙还要高能量的入射光子的吸收会产生电子空穴对，然后存在于太阳能电池P-n接面的电场作用会将这些载流子分离。所述光生少数载流子(即电子空穴对中的电子或空穴)会到达P-n接面，并扫过所述接面，变成多数载流子。如果太阳能电池是短路的，则光生载流子会流过外部电路而完成一个回路。太阳能电池的发电效率会受到电池内的电子与空穴的再结合率影响，导致电荷载流子的耗散(depletion)。
[0004]一般的硅晶太阳能电池是由硅基极区、硅射极区、p-n结区、正面电接触(正面电极)与背面电接触(背电极)。近年来，各种高效率硅晶太阳能电池，如异质结与本征薄膜层(heterojunction with intrinsic thin layer, HIT)、纯化射极与背电池(passivatedemitter and rear cell, PERC)、纯化射极背面局部扩散电池(passivated emitter rearlocally diffused cell, PERL)等太阳能电池都被开发来改善再结合损失。
[0005]介电质钝化是一种普遍使用在太阳能电池表面来尽量减少载流子再结合的方法。钝化材料包括任何合适的材料，这种材料不是带有正电荷就是带有负电荷。使用与半导体射极或基极层持相反极性(polarity)的电荷，能产生抑制少数载流子移动过太阳电子的电场，藉以降低载流子再结合。有两种周知的表面钝化方法是化学钝化方式(chemicalpassivation)与场效应纯化方式(field-effect passivation)。
[0006]其中，化学表面钝化方式包含利用热氧化工艺将介电材料沉积在电池的η型或P型半导体的表面上形成一钝化层，而热氧化工艺属较高工艺温度(IOO(TC)的表面钝化技术之一。热氧化工艺可通过介电层与半导体层之间的化学键合获得良好的介面钝化品质，并因此降低半导体层与介电层的介面的缺陷密度。藉此降低半导体表面的电子与空穴的再结合概率。但是其高温条件造成载流子寿命退化以及η+/ρ介面掺杂的再分配。等离子体化学气相沉积(PECVD)方法是一种可用来取代热氧化的方法，这种工艺中将等离子体激发在?400°C的较低工艺温度，并利用通过的氢气修复太阳能电池的一些不稳定的缺陷。
[0007]场效应钝化方式采用介电材料以抑制少数载流子的再结合。介电层的表面钝化性能在很大程度上取决于在介电层中的固定电荷和半导体的掺杂浓度。对于η型半导体，氮化硅具有正电荷会弓丨起介电层/半导体介面的多数载流子(电子)积累，导致能带向下弯曲。从硅晶太阳能电池表面的少数载流子(空穴)则被屏蔽。[0008]其他型态的场效应钝化方式是于P型半导体背面形成重掺杂p+区作为屏障(barrier)，阻止多数载流子(电子)运动到背面接触。在太阳能电池背面有重掺杂区的背场(back surface field, BSF)是这种钝化的其中一种。形成在高低掺杂区介面的电场会引起屏障，阻止少数载流子到第一电极。但要制作P+区则需要一些额外的受体型杂质掺杂，这意味着需要额外的技术步骤和更高的成本。
[0009]从结构来看，通过化学钝化方式与场效应钝化方式形成的介电钝化层是直接与太阳能电池的半导体光电转换层接触。
[0010]相较于上述介电质钝化方式，所谓的“介电质”在太阳能电池可靠度方面有不同意义。聚合物密封剂(polymer encapsulant)是一种周知材料,用来提供导电层(如电极层)的电性绝缘性钝化层。这种聚合物密封剂同时附着在太阳能电池的正极和负极，以提供太阳能电池耐用并对环境的危害持久保护的效果。
[0011]目前有数种可用的聚合物密封剂，包括乙烯-醋酸乙烯共聚物(ethylenevinyl acetate, EVA)、聚乙烯醇缩丁醒(polyvinyl butyral, PVB)、聚 二甲基娃氧烧(polydimethyl siloxane, PDMS)、热塑性聚烯烃(TPO)、热塑性聚氨酯弹性体(thermoplastic polyurethane, TPU)、三兀乙丙橡胶(ethylene propylene dienemonomer, EPDM)和离聚物(ionomer)。根据肯普(Kempe)的研究,发表在第37届IEEE光伏专家会议(2011年)的“光伏应用中聚合物的选择涉及的科学问题概述(Overview ofscientific issues involved in selection of polymers for PV applications)，，,EVA、TPU与聚烯烃的体积电阻率是E14欧姆/平方的程度，而硅胶、离聚物和EPDM的电阻是比EVA约大100倍。聚合物密封剂的电阻率与电绝缘性有关。
[0012]值得一提的是，离聚物是一种带电荷的共聚物，同时含有电中性重复单元和一部分可电离的离子性基团，所述可电离的离子性基团能共价键合到聚合物主链(backbone)上。在这类的聚合物中，离子缔合物的主要贡献是材料的热塑性性能。在熔融温度以下，由于离子性基团的吸引，这种聚合物会对齐以形成物理交联。然而，在升高的温度下，这种离子相互作用会消失，聚合物链将自由移动。这种热可逆热塑性行为使离聚物在高温下容易加工，且室温下为高模量(modulus)，从而使离聚物适于太阳能电池密封剂的应用。
【发明内容】
[0013]本发明提供一种太阳能电池，具有可电离的带电荷膜作为钝化层。
[0014]本发明提供一种太阳能电池组件，其中的太阳能电池具有可电离的带电荷膜，以减少载流子再结合的问题，进而提升电池效率。
[0015]本发明提供一种高效率硅晶太阳能电池，能通过降低载流子再结合提升电池效率。
[0016]本发明提出一种太阳能电池，包括第一电极、第二电极与位于第一电极的内表面和第二电极的内表面之间的光电转换层。所述太阳能电池还包括可电离的带电荷膜(ionizable charged film),位于第一电极的外表面和第二电极的外表面中的至少一面上。
[0017]在本发明的一实施例中，上述光电转换层包括半导体基极区、半导体射极区与p-n结区，其中P-n结区位于半导体基极区和半导体射极区之间。[0018]在本发明的一实施例中，上述第二电极包括透明导电氧化物或金属栅状电极(metal grid electrodes)。
[0019]在本发明的一实施例中，上述第一电极包括透明导电氧化物、金属层或包括透明
导电层与金属层的叠层。
[0020]在本发明的一实施例中，上述可电离的带电荷膜的极性不同于与第一电极接触的该半导体基极区和该半导体射极区的多数载流子的极性。
[0021]在本发明的一实施例中，上述可电离的带电荷膜包括无机带电荷的薄膜或有机带电荷的薄膜。
[0022]在本发明的一实施例中，上述无机带电荷的薄膜的材料包括:锂磷氧氮(lithiumphosphorus oxynitride,LIP0N)、过氯酸锂(LiClO4)、三氟甲基磺酸锂(LiCF3SO3)或四氟硼酸锂(LiBF4)。 [0023]在本发明的一实施例中，上述有机带电荷的薄膜包括带负电荷高分子聚合物薄膜或带正电荷高分子聚合物薄膜。
[0024]在本发明的一实施例中，上述带负电荷高分子聚合物薄膜的材料包括--聚(苯乙烯横酸)(poly (styrene sulfonate acid), PSSA)、聚丙烯酸(poly (acrylic acid), PAA)、聚马来酸(polymaleic acid, PMA)或聚全氟横酸(poly (perfluorosulfonic acid), PFSA)。
[0025]在本发明的一实施例中，上述带正电荷高分子聚合物薄膜的材料包括:聚二烯丙基二甲基氯化铵(polydiallyldimethylammonium chloride, F1DDA)、聚(丙烯胺盐酸盐)(poly (allylamine hydrochloride), PAH)、多聚赖氨酸(poly-L-lysine, PLL)或聚乙烯亚胺(polyethyleneimine, PEI)。
[0026]在本发明的一实施例中，上述可电离的带电荷膜为单层膜或多层膜结构。
[0027]在本发明的一实施例中，上述可电离的带电荷膜的离子导电率(ionicconductivity)在 ICT3 到 ICT6 之间。
[0028]在本发明的一实施例中，上述太阳能电池包括硅晶太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池、非晶与微晶硅薄膜太阳能电池、铜铟镓硒太阳能电池、或碲化镉太阳能电池。
[0029]在本发明的一实施例中，上述可电离的带电荷膜位于第一电极的外表面上，也位于第二电极的外表面上。
[0030]本发明另提出一种太阳能电池组件，至少包括数个太阳能电池和封装层。每个太阳能电池包括第一电极、第二电极与位于第一电极的内表面和第二电极的内表面之间的光电转换层。所述太阳能电池还包括可电离的带电荷膜，位于第一电极的外表面和第二电极的外表面中的至少一面上。封装层可粘附在可电离的带电荷膜上。
[0031]在本发明的另一实施例中，上述光电转换层包括半导体基极区、半导体射极区与P-n结区，其中p-n结区位于半导体基极区和半导体射极区之间。
[0032]在本发明的另一实施例中，上述可电离的带电荷膜的极性不同于与第一电极接触的半导体基极区和半导体射极区的多数载流子的极性。
[0033]在本发明的另一实施例中，上述可电离的带电荷膜包括无机带电荷的薄膜或有机带电荷的薄膜。
[0034]在本发明的另一实施例中，上述可电离的带电荷膜为单层膜或多层膜结构。
[0035]在本发明的另一实施例中，上述可电离的带电荷膜的离子导电率在10-3到10-6之间。
[0036]在本发明的另一实施例中，上述可电离的带电荷膜位于第一电极的外表面上，也位于第二电极的外表面上。封装层则粘附在位于第一电极与第二电极的外表面上的可电离的带电荷膜上。
[0037]在本发明的另一实施例中，上述太阳能电池包括硅晶太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池、非晶与微晶硅薄膜太阳能电池、铜铟镓硒太阳能电池、或碲化镉太阳能电池。
[0038]本发明又提出一种太阳能电池，包括第一电极、数个金属栅状电极与位于第一电极的内表面和数个金属栅状电极的内表面之间的光电转换层。所述太阳能电池还包括可电离的带电荷膜，位于第一电极的外表面上。
[0039]在本发明的又一实施例中，上述太阳能电池还包括在所述金属栅状电极以外的光电转换层上的减反射层(ant1-reflection layer)。
[0040]在本发明的又一实施例中，上述第一电极为背电极(back electrode)。
[0041]在本发明的又一实施例中，上述光电转换层包括半导体基极区、半导体射极区与P-n结区，其中p-n结区位于半导体基极区和半导体射极区之间。
[0042]在本发明的又一实施例中，上述可电离的带电荷膜的极性不同于与第一电极接触的半导体基极区和半导体射极区的多数载流子的极性。
[0043]在本发明的又一实施例中，上述可电离的带电荷膜包括无机带电荷的薄膜或有机带电荷的薄膜。
[0044]在本发明的又一实施例中，上述可电离的带电荷膜为单层膜或多层膜结构。
[0045]在本发明的又一实施例中，上述可电离的带电荷膜的离子导电率在10-3到10-6之间。
[0046]基于上述，本发明的钝化结构中，直接在太阳能电池的电极上沉积带电荷的材料。在所述可电离的带电荷膜中累积的电荷能引起能带弯曲，从而在太阳能电池单元上有效地产生场效应表面钝化。另外，和已知的真空半导体工艺相比，本发明的技术在生产方面相对便宜和容易，而不会造成严重的环境问题。
[0047]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，并配合附图作详细说明如下。
【专利附图】
【附图说明】
[0048]图1是依照本发明的第一实施例的一种太阳能电池的示意图。
[0049]图2是依照本发明的第二实施例的一种太阳能电池的示意图。
[0050]图3是图2的太阳能电池与第一电极的介面的能带示意图。
[0051]图4是依照本发明的第三实施例的一种太阳能电池的示意图。
[0052]图5是依照本发明的第四实施例的一种太阳能电池组件的示意图。
[0053]图6是依照本发明的第五实施例的一种太阳能电池组件的示意图。
[0054]图7是依照本发明的第六实施例的一种太阳能电池的示意图。
[0055]图8是依照本发明的第七实施例的一种太阳能电池的示意图。
[0056]图9是实验2的具有可电离的带电荷膜的硅晶太阳能电池的扫瞄式电子显微(SEM)相片。[0057]图10显示实验2中具有和不具可电离的带电荷膜的硅晶太阳能电池的交流阻抗(AC impedance)曲线图。
[0058]图11显示实验2中具有和不具可电离的带电荷膜的硅晶太阳能电池的反偏压(reverse bias)暗电流(dark current)曲线图。
[0059]图12显示实验3中具有和不具可电离的带电荷膜的硅晶太阳能电池的交流阻抗曲线图。
[0060]图13显示实验3中具有和不具可电离的带电荷膜的硅晶太阳能电池的反偏压暗电流曲线图。
[0061]图14显示实验4中具有和不具可电离的带电荷膜的CIGS薄膜太阳能电池的伯德图(Bodeplot)ο
[0062]图15显示实验5中具有和不具可电离的带电荷膜的CIGS薄膜太阳能电池的电容-电压(C-V)曲线图。
[0063]附图标记说明
[0064]100、200:太阳能电池
[0065]102、202、406、708、902:第一电极
[0066]102a、202a、406a、708a、706a:外表面
[0067]102b、202b:内表面
[0068]104、204、404、602、704、900:可电离的带电荷膜
[0069]106、210、408、706:第二电极
[0070]108、410、710:光电转换层
[0071]112、206:半导体基极区
[0072]114、208:半导体射极区
[0073]116:p_n 结区
[0074]118、214、500:封装层
[0075]212:减反射层
[0076]300a:空间电荷宽度
[0077]300b:空穴位障
[0078]400:透明基板
[0079]402、702:薄膜太阳能电池
[0080]412:透明导电氧化物层
[0081]414:金属电极
[0082]600:电绝缘层
[0083]800:金属接触线
[0084]pl、p2、p3:间隔
【具体实施方式】
[0085]图1是依照本发明的第一实施例的一种太阳能电池的示意图。
[0086]在图1中显示有太阳能电池100，其至少包括有外表面102a和内表面102b的第一电极102、有外表面和内表面的第二电极106、位于第一电极102的内表面102b和第二电极106的内表面之间的光电转换层108。所述太阳能电池100还包括可电离的带电荷膜(ionizable charged film) 104位于第一电极102的外表面102a和第二电极106的外表面中的至少一面上。光电转换层108可包括半导体基极区112、半导体射极区114与p-n结区116，其中p-n结区116位于半导体基极区112和半导体射极区114之间。
[0087]本实施例的太阳能电池100包括硅晶太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池、非晶与微晶硅薄膜太阳能电池、铜铟镓硒太阳能电池、或碲化镉太阳能电池。
[0088]请参照图1，第一电极102和第二电极106可以是太阳能电池100的正极与负极，或者是负极与正极。可电离的带电荷膜104在所述第一电极102上进行充电控制。另一可电离的带电荷膜(未显示)也可以被设置在第二电极106上，用来操控第二电极106上的电荷分布。
[0089]可电离的带电荷膜104由相同数量的阳离子(带正电离子)与阴离子(带负电离子)构成。例如可电离的带电荷膜104包括有机或无机带电荷的薄膜。
[0090]可电离的带电荷膜104在接触电极时会形成双电层。可电离的带电荷膜会在靠近带正电电极处产生阴离子或在靠近带负电电极处产生阳离子。
[0091]可电离的带电荷膜104可以只与太阳能电池的负极或正极电性接触，或者分别都与太阳能电池的负极和正极接触。但是，由于可电离的带电荷膜104的离子导电率，沉积在两侧电极上的可电离的带电荷膜彼此不可接触。意外的连接负极和正极将导致元件短路。可电离的带电荷膜104的电的极性与半导体(即半导体基极区112或半导体射极区114)的多数载流子的极性相反。
[0092]上述无机带电荷的薄膜的材料包括:锂磷氧氮(lithium phosphorusoxynitride, LIP0N)、过氯酸锂(LiClO4)、三氟甲基磺酸锂(LiCF3SO3)或四氟硼酸锂(LiBF4)。上述有机带电荷的薄膜的材料包括聚电解质。
[0093]当有机带电荷的薄膜溶解在极性溶剂中的情况下，这种带电荷的聚合物可以分解成具有固定电荷及相反极性的移动离子的聚合物主链，在聚合物主链上留下正或负电荷，并释放其反离子于所述溶液中。可电离的离子性基团的比例决定带电荷的聚合物的离子导电率。
[0094]上述带负电荷高分子聚合物薄膜的例子包括聚(苯乙烯磺酸)(poly (styrenesulfonate acid), PSSA)、聚丙烯酸(poly (acrylic acid), PAA)、聚马来酸(polymaleicacid, PMA)或聚全氟磺酸(poly (perfluorosulfonic acid), PFSA)。上述带正电荷高分子聚合物薄膜的例子包括聚二烯丙基二甲基氯化铵(polydiallyldimethylammoniumchloride,F1DDA)、聚(丙烯胺盐酸盐)(poly (allylamine hydrochloride) ,PAH)、多聚赖氨酸(poly-L-lysine, PLL)或聚乙烯亚胺(polyethyleneimine, PEI)。
[0095]在实际应用中，太阳能电池100通常是电连接并被封装为一个组件(module)。以下聚合物是可用于太阳能电池组件叠层工艺的封装层118，包括乙烯-醋酸乙烯共聚物(ethylene vinyl acetate, EVA)、聚乙烯醇缩丁醒(polyvinyl butyral, PVB)、聚二甲基娃氧烧(polydimethyl siloxane, PDMS)、热塑性聚烯烃(TPO)、热塑性聚氨酯弹性体(thermoplastic polyurethane, TPU)、三兀乙丙橡胶(ethylene propylene dienemonomer,EPDM)、或离聚物(ionomer)。封装层118可粘附在可电离的带电荷膜104上与第二电极106上，或可同时接触不同极性的电极。在第一实施例中，因为可电离的带电荷膜104预先配置在太阳能电池100的第一电极102上，所以封装层118是接着叠合到可电离的带电荷膜104上。另外，如果在第二电极106的外表面选择性地设置可电离的带电荷膜104，封装层118可附着在设置在第二电极106的外表面的可电离的带电荷膜104上。
[0096]图2是依照本发明的第二实施例的一种太阳能电池的示意图。
[0097]在图2中显示太阳能电池200包括第一电极202和可电离的带电荷膜204。可电离的带电荷膜204位于第一电极202的外表面202a。在第二实施例中是用硅晶太阳能电池作为太阳能电池200的例子，所以第一电极202是背电极(即金属电极)，光会自太阳能电池200的正面进入，但并不限于此。在这里的第一电极202是指位于相对于入射光的方向的相反侧的电极。由于可电离的带电荷膜204被设置在第一电极202的外表面202a，可电离的带电荷膜204可以在后端(back-end)组件的生产阶段制作。可电离的带电荷膜204的极性基本上取决于和第一电极202的内表面202b接触的半导体基极区206的导电类型(P型或η型)。可电离的带电膜204的极性是反对的多数载流子的半导体基区连接的第一电极202的内表面202b的。在这种情况下，当半导体基极区的极性是P型半导体层，因此可电离的带电荷膜204是带负电荷。例如，在图2的硅晶太阳能电池中，光电转换层内的半导体基极区206是与第一电极202的内表面202b接触的p型半导体层，光电转换层内的半导体射极区208 (例如，η型半导体射极层)则设置在所述P型半导体层(206)上。可电离的带电荷膜204会对来自太阳能电池200的背面侧的少数电荷载流子(电子)引起电场相斥，并降低在硅晶太阳能电池的后表面的再结合损失。所述可电离的带电荷膜204可以是单层膜或多层膜结构。
[0098]请参照图2，由于硅晶太阳能电池是作为说明第二实施例的太阳能电池200的一个例子，所以第二电极(例如数个金属栅状电极)210可以被布置在太阳能电池200的前面，用以有效地传输太阳能电池的输出功率到一个外部负载。此外，减反射层212可被设置在所述半导体射极区208旁的第二电极210上，用以捕捉入射太阳能电池200的前面的太阳光。
[0099]在第二实施例中，由于可电离的带电荷膜204是带负电荷，这层膜204可以影响与第一电极202接触的半导体基极区206的能带隙。
[0100]图3是用来解释硅晶太阳能电池上的可电离的带电荷膜204的合理钝化系统。对于硅晶太阳能电池中作为第一电极202的金属(如铝膏)，电子会从金属流到P型半导体层(例如图2的半导体基极区206)的价带(valence band)中的空乏态(empty states),导致向上的频带随化学势与该金属的费米能级达到平衡而弯曲。此平衡条件导致耗尽空穴的区域形成，而且空穴的位障(potential barrier)也会增加达到与金属的界面,如图3所示。当负极性的可电离的带电荷膜沉积在金属电极的外表面上，可电离的带电荷膜的电荷会诱发金属电极和所述P型半导体层之间的介面上的负电荷。空穴会被吸往所述介面，导致空间电荷宽度300a的降低和空穴位障300b的降低。因此，如果金属电极是第一电极，移动到太阳能电池的背面的少数载流子(电子)的量将减少，就是减少载流子再结合并增加提取空穴的可能性，从而提高整个元件的特性。
[0101]在第二实施例中，可电离的带电荷膜204由相同数量的阳离子(带正电离子)与阴离子(带负电离子)构成。可电离的带电荷膜204的成分中包括有机离子或无机离子。锂磷氧氮(LIPON)、过氯酸锂(LiClO4)、三氟甲基磺酸锂(LiCF3SO3)或四氟硼酸锂(LiBF4)是一些无机离子的例子。有机可电离的带电荷膜包括聚电解质，这种聚合物可溶解于溶液中，在聚合物主链留下电荷并释放反离子，所述聚合物不是含有带正电荷的阳离子聚合物就是含有带负电荷的阴离子聚合物。阴离子聚合物的例子包括聚(苯乙烯磺酸)(SSA)、聚丙烯酸(PAA)、聚马来酸(PMA)或聚全氟磺酸(PFSA)。阳离子聚合物的例子包括聚二烯丙基二甲基氯化铵O3DDA)、聚(丙烯胺盐酸盐)(PAH)、多聚赖氨酸(PLL)或聚乙烯亚胺(PEI)。
[0102]另外，太阳能电池200可电连接并被封装为一个组件。例如，以下聚合物可用于太阳能电池组件叠层工艺的封装层214，如乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、热塑性聚烯烃(TPO)、热塑性聚氨酯弹性体(TPU)、三元乙丙橡胶(EPDM)、或离聚物。封装层214粘附在太阳能电池200中的可电离的带电荷膜204、金属栅状电极210与减反射层212上，并同时接触不同极性的电极。在第二实施例中，因为可电离的带电荷膜204预先配置在太阳能电池200的第一电极202上，所以封装层214是接着叠合到可电离的带电荷膜204上。
[0103]图4是依照本发明的第三实施例的一种太阳能电池的示意图。
[0104]第三实施例的薄膜太阳能电池可以是非晶硅(a-Si)薄膜太阳能电池、或非晶与微晶硅(a-Si/mc-Si)串联式薄膜太阳能电池。如图4所示，薄膜太阳能电池402和可电离的带电荷膜404形成在透明基板400上。薄膜太阳能电池402具有第一电极406，可电离的带电荷膜404形成在第一电极406的外表面406a上。第三实施例的薄膜太阳能电池402是以基板背光(substrate)的薄膜太阳能电池为例。薄膜太阳能电池402包括顺序地堆叠在基板400上的第二电极(例如，透明导电氧化物层)408、光电转换层410和第一电极(即负极层)406。第二电极408是指到面对入射光的电极。第一电极406包括透明导电氧化物层412和金属电极414。金属电极414是可选的,对于一个通过型(see-through)非晶薄膜太阳能电池来说，是省略金属电极的，因此可电离的带电荷膜404也可以直接接触所述透明导电氧化物层412。可电离的带电荷膜404可参照第一或第二实施例来选择，故不再赘述。
[0105]图5是依照本发明的第四实施例的一种太阳能电池组件的示意图。
[0106]第四实施例的薄膜太阳能电池可以是非晶硅(a-Si)薄膜太阳能电池、非晶与微晶硅(a-Si/mc-Si)串联式薄膜太阳能电池、或非晶与非晶硅(a-Si/a-Si)串联式薄膜太阳能电池。图5是第四实施例的单片集成(monolithic integrated)薄膜太阳能电池组件的剖面示意图，其为具有可电离的带电荷膜作为介电钝化层的一种基板向光(superstrate)的薄膜太阳能电池，其中使用与第三实施例相同的附图标记表示相同或相似的元件。
[0107]单片集成薄膜太阳能电池组件的形成是由透明基板400上的数个以pi间隔分隔的第二电极408 (即正极层)、数个以p3间隔分隔的第一电极406 (即负极层)和以p2间隔分隔在第二电极408和第一电极406之间的数个光电转换层410所构成。第二电极408例如透明导电氧化物层，第一电极406例如包含透明导电氧化物层412和金属电极414。一个薄膜太阳能电池的第二电极408会接触另一个薄膜太阳能电池的第一电极406，所以能使数个薄膜太阳能电池之间串联起来。在第四实施例中，数个可电离的带电荷膜404与第一电极406接触。可电离的带电荷膜404可以参考第一至第三实施例来选择，故不再赘述。
[0108]图6是依照本发明的第五实施例的一种太阳能电池组件的示意图，其中使用与第四实施例相同的附图标记表示相同或相似的元件。
[0109]第五实施例的薄膜太阳能电池组件和第四实施例的薄膜太阳能电池组件类似，只有P3的间隔是用电绝缘层600覆盖这点不同。在第五实施例中，可电离的带电荷膜602是一连续层并依次同时接触数个负极层406。
[0110]图7是依照本发明的第六实施例的一种薄膜太阳能电池的示意图。
[0111]如图7所示，薄膜太阳能电池702和可电离的带电荷膜704是形成在透明基板700上。薄膜太阳能电池702具有第二电极706和第一电极708。可电离的带电荷膜704不仅对位于第一电极708的外表面708a上,也设置在第二电极706的外表面706a上。第六实施例的薄膜太阳能电池702是以基板背光的薄膜太阳能电池为例，譬如铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池、或碲化镉(CdTe)太阳能电池。薄膜太阳能电池702包括在基板700上依次层叠的第一电极(即正极层)708、光电转换层710和透明第二电极(即负极层)706。光电转换层710包括CIGS/CdS或CdTe/CdS的异质结。可电离的带电荷膜704可以参考第一或第二实施例来选择，故不再赘述。
[0112]图8是依照本发明的第七实施例的一种太阳能电池的示意图，其中使用与第六实施例相同的附图标记表示相同或相似的元件。
[0113]第七实施例的薄膜太阳能电池组件和第六实施例的薄膜太阳能电池类似，只有在透明第二电极706 (即负极层)上面有数条金属接触线800。可电离的带电荷膜704则是位在第二电极706的外表面上并同时覆盖第二电极706和金属接触线800。
[0114]下列实验用来验证本发明的功效。在下列实验中是用硅晶(Si)太阳能电池、非晶硅(a-Si)薄膜太阳能电池和CIGS薄膜太阳能电池作为例子。
[0115]实验Ia
[0116]多种聚合物封装剂的体积电阻率(volume resistivity)的测量是用ASTMD257-07进行。聚合物封装剂包括:乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、和离聚物。经测量EVA、PVB和沙林(Surlyn)离聚物的体积电阻率分别为:1.86E140hm.cm、
3.13E+120hm.cm和2.54E+170hm.cm。这个结果显示杜邦的沙林(Surlyn)离聚物具有最高体积电阻率。
[0117]实验Ib:可电离的带电荷膜的离子导电率测量
[0118]带正电荷的聚电解质:聚(丙烯胺盐酸盐)(PAH)与带负电荷的聚电解质:聚(苯乙烯磺酸酯)(poly (styrene sulfonate), PSS)被用来作为可电离的带电荷膜。这些带电荷薄膜中的离子成分的浓度为20mol%-85mol%之间。聚电解质薄膜的离子导电率是用电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy,EIS)方法测量,其中可电离的带电荷膜被夹在两片钼箔之间，以12.9mS/cm的氯化钠标准溶液(“热电”(Thermo Electron))校准。测得的PSS和PAH的离子电导率为10_3S/cm到10_6S/cm之间。
[0119]实验2到6验证可电离的带电荷膜在多种不同太阳能电池中作为介电钝化层的有效性。
[0120]实验2:在硅晶太阳能电池中的介电钝化[0121 ] 制作可电离的带电荷膜
[0122]首先，将阴离子型聚电解质溶于水形成带电荷高分子聚合物水溶液。在本实验中是使用聚(苯乙烯磺酸)(PSSA)为材料。将重量4g的PSSA溶在IOcc的纯水，PSSA溶液可电离成PSS-带负电荷聚合物以及H+带正电荷反离子(counterion)。
[0123]制作具有可电离的带电荷膜作为钝化层的硅晶太阳能电池[0124]之后，将PSSA溶液直接涂布在6吋的如图2所示的硅晶太阳能电池的网印铝的第一电极上。然后干燥PSSA溶液得到位在第一电极上的带负电荷的薄膜。在这个实验中，网印铝电极是作为第一电极。图9是根据本实验中具有作为钝化层的可电离的带电荷膜的太阳能电池的扫描型电子显微镜(SEM)照片。这个SEM照片显示可电离的带电荷膜900的厚度为9微米，铝膏第一电极902位于可电离的带电荷膜900下方。在涂布过程中有一部分的可电离的带电荷膜会渗入第一电极。
[0125]测量
[0126]为了了解带电荷薄膜对硅晶太阳能电池的钝化机制，事先测量未涂布带电荷高分子聚合物水溶液的太阳能电池的交流阻抗谱(AC impedance spectroscopy)、反偏压(reverse bias)暗电流(dark current)和电流电压(I_V)测试。同时测量此一太阳能电池的IV值。交流阻抗谱和反偏压暗电流测量是在黑暗的条件下进行的，通过连接硅晶太阳能电池的正极和负极端到带状导线(ribbons)(即焊接头到汇流排)。太阳能电池的正极连接到相对于负极的阳极端。
[0127]然后，在涂布可电离的带电荷膜之后测量交流阻抗、暗电流和1-V测试，以分析可电离的带电荷膜在太阳能电池的性能上的效果。所有这些实验是控制在室温进行。
[0128]1-V测试的结果显示硅晶太阳能电池的开路电压(Vre)、短路电流(Isc)和填充因子(FF)在涂布带电荷薄膜后均有提高。Isc增加1.23%，由8.580A提高到8.685A ；Voc增加
0.96%,由0.625V提高至Ij 0.631V ；FF增加3.05%,由77.42%提高到79.78%。最大输出功率(Pmax)也增加 3.13%,由 4.15W 提高到 4.28W。
[0129]交流阻抗的结果显示在图10。在图10中，有带电荷薄膜作为钝化层的太阳能电池的串联电阻(Rs)降低，而相同太阳能电池的并联电阻(Rsh)增加。此结果显示出带电荷薄膜能够减少硅晶太阳能电池漏电流。
[0130]相同的结果通过测量硅晶太阳能电池的暗电流获得。图11表明在较大的反偏压-1OV下当硅晶太阳能电池涂布带电荷薄膜后，测得的暗电流减少23.85%。暗电流主要是由于少数载流子的再结合损失。具有带电荷薄膜的硅晶太阳能电池的较低暗电流表示在电池内的再结合损失获得改善。
[0131]实验3:在非晶硅薄膜太阳能电池的钝化
[0132]制作一个具有可电离的带电荷膜作为介电钝化膜的通过型非晶硅太阳能电池。
[0133]在去离子水中的20wt%阳离子聚电解质:聚(丙烯胺盐酸盐)(PAH)，直接旋涂在如图5所示的a-Si薄膜太阳能电池组件的背电极ZnO透明导电氧化物(TC0)层上。在a_Si薄膜太阳能电池上的带电荷薄膜的效果，是对涂上带正电荷的聚电解质之前与之后进行的交流阻抗谱与反偏压暗电流测试来进行研究。太阳能电池的正极连接相对于负极的阳极端。所有的测量都是在黑暗条件下控制在室温进行的。
[0134]交流阻抗分析显示在图12,尼奎斯特图(Nyquist plot)显示有可电离的带电荷膜作为钝化层的太阳能电池的串联电阻(Rs)降低，同时并联电阻(Rsh)增加。此结果显示在涂布工艺后能得到较低的Rs和较高的Rsh。根据公式Cp=I/(2X π XfXZ”max)和公式lifetime (寿命)=RshX Cp,可以计算出非晶娃薄膜太阳能电池的使用寿命。在这里Cp是指在太阳能电池的电容，f是测量自Z”max的频率。结果显示和没有涂布层的相比，有可电离的带电荷膜的太阳能电池的寿命增加2.48倍。[0135]图13显示在反偏压-1OV下进行案电流测量的结果。结果显示在非晶硅太阳能电池涂布可电离的带电荷膜后，暗电流减少65%。
[0136]实验4:在CIGS薄膜太阳能电池的钝化
[0137]制作一个具有可电离的带电荷膜作为介电钝化膜的CIGS薄膜太阳能电池。
[0138]在去离子水中的20wt%阳离子聚电解质:聚(丙烯胺盐酸盐)(PAH)，直接旋涂在CIGS薄膜太阳能电池的第二电极ZnO透明导电氧化物上。
[0139]图14的伯德图(Bode plot)显示在涂布工艺前后的CIGS薄膜太阳能电池的相角(phase angle)变化。具有可电离的带电荷膜的太阳能电池的相角的顶端往较低的频率移动，结果显示这种太阳能电池的寿命增加了 2.3倍。
[0140]实验5:离聚物对CIGS太阳能电池的电容-电压(C-V)曲线的效果
[0141]图15显示在CIGS太阳能电池上涂布一层离聚物之前和之后的C-V曲线图(在IOOHz频率进行测量)。观察到的CV曲线没有显着的变化，这表示这种类型的带电荷聚合物(Surlyn离聚物)是一种绝缘体。和可电离的带电荷膜相比，离聚物层不会弓I起电极的表面上任何电场的电荷。因此，上述离聚物对太阳能电池没有介电钝化效果。
[0142]综上所述，本发明提出的钝化结构是将带电荷的材料以涂布的方式直接沉积在太阳能电池的电极上。由于可电离的带电荷膜内的累积电荷会造成能带弯曲，因此能在太阳能电池有效形成场效应表面钝化。而且，本发明的技术相较于已知的真空半导体工艺便宜、易于制造，而不会造成严重的环境问题。
[0143]虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何具有本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围以权利要求书为准。
【权利要求】
1.一种太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池至少包括: 第一电极，包括外表面和内表面； 第二电极，包括外表面和内表面； 光电转换层，位于该第一电极的该内表面和该第二电极的该内表面之间；以及 可电离的带电荷膜，位于该第一电极的该外表面和该第二电极的该外表面中的至少一面上。
2.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，该光电转换层包括半导体基极区、半导体射极区与p-n结区，其中该p-n结区位于该半导体基极区和该半导体射极区之间。
3.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，该第二电极包括透明导电氧化物或金属栅状电极。
4.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，该第一电极包括透明导电氧化物、金属层或包括透明导电层与金属层的叠层。
5.如权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于，该可电离的带电荷膜的极性不同于与该第一电极接触的该半导体基极区和该半导体射极区的多数载流子的极性。
6.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，该可电离的带电荷膜包括无机带电荷的薄膜或有机带电荷的薄膜。
7.如权利要求6所述的太阳能电池，其特征在于，该无机带电荷的薄膜的材料包括:锂磷氧氮、过氯酸锂、三氟甲基磺酸锂或四氟硼酸锂。
8.如权利要求6所述的太阳能电池，其特征在于，该有机带电荷的薄膜包括带负电荷高分子聚合物薄膜或带正电荷高分子聚合物薄膜。
9.如权利要求8所述的太阳能电池，其特征在于，该带负电荷高分子聚合物薄膜的材料包括--聚(苯乙烯磺酸)、聚丙烯酸、聚马来酸或聚全氟磺酸。
10.如权利要求8所述的太阳能电池，其特征在于，该带正电荷高分子聚合物薄膜的材料包括:聚二烯丙基二甲基氯化铵、聚(丙烯胺盐酸盐)、多聚赖氨酸或聚乙烯亚胺。
11.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，该可电离的带电荷膜为单层膜或多层膜结构。
12.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，该可电离的带电荷膜的离子导电率在I(T3到I(T6之间。
13.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，该太阳能电池包括硅晶太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池、非晶与微晶硅薄膜太阳能电池、铜铟镓硒太阳能电池、或碲化镉太阳能电池。
14.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，该可电离的带电荷膜位于该第一电极与该第二电极的该些外表面上。
15.一种太阳能电池组件，其特征在于，所述太阳能电池组件至少包括: 数个太阳能电池，每个所述太阳能电池包括: 第一电极，包括外表面和内表面； 第二电极，包括外表面和内表面； 光电转换层，位于该第一电极的该内表面和该第二电极的该内表面之间；以及 可电离的带电荷膜，位于该第一电极的该外表面和该第二电极的该外表面中的至少一面上；以及 封装层，粘附在该可电离的带电荷膜上。
16.如权利要求15所述的太阳能电池组件，其特征在于，该光电转换层包括半导体基极区、半导体射极区与P-n结区，其中该p-n结区位于该半导体基极区和该半导体射极区之间。
17.如权利要求16所述的太阳能电池组件，其特征在于，该可电离的带电荷膜的极性不同于与该第一电极接触的该半导体基极区和该半导体射极区的多数载流子的极性。
18.如权利要求15所述的太阳能电池组件，其特征在于，该可电离的带电荷膜包括无机带电荷的薄膜或有机带电荷的薄膜。
19.如权利要求15所述的太阳能电池组件，其特征在于，该可电离的带电荷膜为单层膜或多层膜结构。
20.如权利要求15所述的太阳能电池组件，其特征在于，该可电离的带电荷膜的离子导电率在10_3到10_6之间。
21.如权利要求15所述的太阳能电池组件，其特征在于，该可电离的带电荷膜位于该第一电极与该第二电极的该些外表面上。
22.如权利要求21所述的太阳能电池组件，其特征在于，该封装层粘附在位于该第一电极与该第二电极的该些外表面上的该可电离的带电荷膜上。
23.如权利要求15所述的太阳能电池组件，其特征在于，该太阳能电池包括硅晶太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电 池、非晶与微晶硅薄膜太阳能电池、铜铟镓硒太阳能电池、或碲化镉太阳能电池。
24.—种太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池至少包括: 第一电极，包括外表面和内表面； 数个金属栅状电极，每个所述金属栅状电极包括外表面和内表面； 光电转换层，位于该第一电极的该内表面和每个所述金属栅状电极的该内表面之间；以及 可电离的带电荷膜，位于该第一电极的该外表面上。
25.如权利要求24所述的太阳能电池，其特征在于，该太阳能电池还包括在所述金属栅状电极以外的该光电转换层上的减反射层。
26.如权利要求24所述的太阳能电池，其特征在于，该第一电极为背电极。
27.如权利要求24所述的太阳能电池，其特征在于，该光电转换层包括半导体基极区、半导体射极区与P-n结区，其中该p-n结区位于该半导体基极区和该半导体射极区之间。
28.如权利要求27所述的太阳能电池，其特征在于，该可电离的带电荷膜的极性不同于与该第一电极接触的该半导体基极区和该半导体射极区的多数载流子的极性。
29.如权利要求24所述的太阳能电池，其特征在于，该可电离的带电荷膜包括无机带电荷的薄膜或有机带电荷的薄膜。
30.如权利要求24所述的太阳能电池，其特征在于，该可电离的带电荷膜为单层膜或多层膜结构。
31.如权利要求24所述的太阳能电池，其特征在于，该可电离的带电荷膜的离子导电率在Kr3到10_6之间。
【文档编号】H01L31/068GK103633157SQ201310373025
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年8月23日 优先权日:2012年8月24日
【发明者】黄莉媚, 庄育伟 申请人:财团法人工业技术研究院