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    • 专利摘要:
    本發明提供一種太陽能電池的製作方法，是將呈黏稠液體型態的導電基質佈設於一基材上，再將具有第一型摻雜的複數單晶粉末佈設在導電基質上，且多數單晶粉末未完全埋入導電基質中，接著進行熱處理，得到具有一由導電基質固化後形成的導電膜，及多數由單晶粉末裸露出導電膜的部份表面所構成之成核點的晶種層，再於晶種層上磊晶形成一第一半導體層，並在長晶的同時對應成核點形成複數半導體微晶，再接著於第一半導體層上磊晶形成一第二半導體層，最後於第二半導體層上形成電極層，而製得本發明之太陽能電池。
    公开号:TW201308649A
    申请号:TW100127268
    申请日:2011-08-01
    公开日:2013-02-16
    发明作者:Zhong-Yuan Gong；Chen-Cheng Lin；fang-xing Wang；zheng-qi Liu
    申请人:Nat Univ Chung Hsing；
    IPC主号:Y02E10-00
    专利说明:
    太陽能電池的製作方法
    本發明是有關於一種太陽能電池的製作方法，特別是指一種矽太陽能電池的製作方法。
    參閱圖1，一般非晶矽太陽能電池，包含：一基材11、一連接於該基材11上的作動膜12，及一電極單元13。該作動膜12具有一連接於該基材11的p型非晶矽層121、一形成於該p型非晶矽層121上的本質型(intrinsic)非晶矽層122，及一形成於該本質型非晶矽層122上的n型非晶矽層123，該電極單元13具有一形成在該基材11及該作動膜12之間的第一電極層131、一形成於該n型非晶矽層123上的透明導電層132，及一形成於該透明導電層132上的第二電極層133；當光線進入該作動膜12時，該作動膜12可以光伏特效應將吸收的光能轉變成電能，並藉由該第一、二電極131、133的配合將電能向外輸出。
    上述由非晶矽構成的太陽能電池的效率(10%~19%)雖然沒有比一般矽晶太陽能電池來得高(~27%)，然而由於由多晶矽(poly-Si)或非晶矽(amorphous silicon)等材料構成的太陽電池的厚度(~2 μm)遠小於一般矽晶太陽能電池之厚度(150 μm~250 μm)；因此，在矽晶成本高漲的今日，以非晶矽或多晶矽為材料的太陽能電池則是解決矽原料短缺的主要辦法。
    然而，前述由傳統的非晶矽構成的太陽能電池雖然可解決矽能源短缺的問題，但是其非晶矽材料卻也容易因為於長期接受太陽光的照射而有光電轉換效率衰減的問題，因此，如何解決非晶矽材料因長期接受太陽光的照射所致的效率衰減問題，並提升其效率，一直是在開發太陽能電池的相關研究上持續努力的重要課題。
    因此，本發明之目的，即在提供一種太陽能電池的製作方法。
    於是，本發明太陽能電池的製作方法，包含以下六個步驟：首先，將呈黏稠液體型態的導電基質佈設於一基材上。
    接著，將含有第一型摻雜的複數單晶粉末佈設在該導電基質上，且該多數單晶粉末未完全埋入該導電基質中，製得一中間物。
    然後，將上一步驟製得的中間物進行熱處理，得到一形成在該基材上的晶種層，該晶種層具有一由該導電基質固化後形成的導電膜，及多數由該等單晶粉末裸露出該導電膜的部份表面所構成的成核點。
    再接著於該晶種層上磊晶形成一第一半導體層，並在磊晶的同時對應該些成核點形成複數半導體微晶。
    之後，於該第一半導體層上磊晶形成一具有電性與該第一型摻雜相反的第二型摻雜的第二半導體層。
    最後形成一與該第二半導體層電連接的電極層，完成該太陽能電池的製作。
    本發明之功效在於：藉由該等單晶粉末所提供的成核點，而於後續磊晶形成該第一半導體層時，可在對應該等成核點處形成複數半導體微晶，而可藉由該等半導體微晶減緩非晶矽因長期接受太陽光的照射所致的效率衰減問題，而可有效提升太陽能電池的光電效率。
    有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之二個較佳實施例與二個具體例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
    在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
    參閱圖2，本發明太陽能電池的製作方法的一第一較佳實施例，是提供一種以嶄新的製程製作類似如圖1所示的太陽能電池，由於製成的太陽能電池結構相似，在此不再重複贅述該製成的太陽能電池結構。
    參閱圖2，首先進行步驟21，將呈黏稠狀的導電基質塗佈在一基材上。
    更詳細地說，該步驟21是先將一含有X的化合物與一有機溶劑混合形成具有黏稠狀的導電基質後，再將該導電基質以網板印刷或旋轉塗佈等方式塗佈於該基材表面形成厚度不大於200nm的薄層，其中，該X是選自鋁、鋅，或此等之組合，該有機溶劑是選自醇類，或酮類，較佳地，該化合物是選自氯化鋁(AlCl3‧6H2O)、醋酸鋅(zinc acetate dehydrate，Zn(CH3COO)2‧2H2O)，或此等之組合，該有機溶劑是2-甲氧基乙醇(2-methoxyethanol，C3H8O2)，在本較佳實施例中，是將氯化鋁(AlCl3‧6H2O)、醋酸鋅((Zn(CH3COO)2‧2H2O)與2-甲氧基乙醇混合得到該導電基質後，以旋轉塗佈方式塗佈在該基材上。
    另外，由前述組份所成的導電基質在經過後續的熱處理過程後會轉變成透明且可導電的導電膜，此部分將於後再詳述。
    要再說明的是，該導電基質的組份並非僅侷限於前述做法，該X亦可以是選自銦、錫，或此等之一組合，且該含有X之化合物可以是選自醋酸銦(In(C2H3O2)3)、醋酸錫(Sn(CH3CO2)2)，或此等之一組合；該有機溶劑則可以是異丙醇(2-propanol)；換句話說，本發明所採用的導電基質也可以是混合醋酸銦In(C2H3O2)3、醋酸錫Sn(CH3CO2)2與異丙醇所構成的混合物。
    此處需特別強調的是，當導電基質的濃度不足或過高時，都將影響到導電基質佈設在該基材上的狀態，或是影響到後續步驟的實施，因此，較佳地，該導電基質的濃度是介於0.5M~0.75M。
    接著進行步驟22，將含有第一型摻雜的複數單晶粉末鋪設在該導電基質上，製得一中間物，該等鋪設的單晶粉末是埋插於該導電基質，且未完全埋入該導電基質中。
    更詳細的說，該步驟22是將適量之單晶粉末與溶劑均勻攪拌形成混合液後，再利用超音波震盪器持續震盪保持單晶粉末均勻分佈於混合液中，再利用噴霧法將含有單晶粉末的混合液均勻佈灑在該導電基質上；由於該導電基質本身即具有黏度，因此可支撐佈灑在該導電基質上的單晶粉末，以部分裸露出該導電基質外而埋插於該導電基質中；較佳地，在此步驟22中所使用的單晶粉末的粒徑是介於20 nm~40 nm。
    另外，要說明的是，當單晶粉末於該混合溶液內的含量不足時，形成的成核點不足，則會影響半導體微晶的生成量；反之，當單晶粉末於該混合溶液內的含量過大時，經煅燒後會容易產生單晶粉末脫落的問題，因此，以重量百分比(wt%)計，該等單晶粉末於該混合液內的含量是介於10 wt%~50 wt%，如此當直接在該導電基質上佈灑該單晶粉末來作為後續成長半導體微晶的成核點時，不僅成核點濃度得以容易控制，且可以藉由該等單晶粉末形成的粗化表面，使得外部太陽光的入光量得以因折射與散射的作用而增加。
    再進行步驟23，將該步驟22製得的中間物進行熱處理，得到一形成在該基材上的晶種層，其中，該晶種層具有一由該導電基質固化後形成的導電膜，及多數由該等單晶粉末裸露出該導電膜的部份表面所構成的成核點。
    在此步驟中，該熱處理是以雷射回火，或是在300~600℃的溫度條件下進行30~180分鐘的燒結；而於本較佳實施例中，是在爐管中在Ar/H2(6%)或N2氣體之氛圍下，將該中間物經550℃高溫燒結，使得該導電基質固化，而得到該具有由該導電基質固化後形成的導電膜，及多數由該等單晶粉末構成之成核點的晶種層。
    然後進行步驟24，於該晶種層上磊晶形成一第一半導體層，並在長晶的同時對應該些成核點形成複數半導體微晶。
    該步驟24是以電漿增強化學氣相沉積(以下簡稱PECVD)方式在該晶種層上形成該第一半導體層，該半導體層的膜層結構可藉由在PECVD的沉積過程中，控制通入不同的氣體源而形成不同的膜層結構，且該第一半導體層具有在長晶的同時對應該些成核點所形成的半導體微晶；例如，當通入的氣體源是SiH4/H2時，該第一半導體層為具有一由非晶矽所構成的本質型半導體膜，及複數由微晶矽構成，並在該本質型半導體膜形成的同時對應形成在該等成核點的半導體微晶；而當控制通入的氣體源分別是SiH4/[(0.5%B2H6)/H2]/H2及SiH4/H2時，則該第一半導體層可具有由第一型摻雜之非晶矽所構成的半導體膜、一由非晶矽所構成的本質型半導體膜，及在該第一半導體層形成的同時對應形成在該等成核點的半導體微晶。
    更詳細的說，於本較佳實施例中，該第一半導體層是具有一由第一型摻雜的非晶矽構成的半導體膜、一由非晶矽構成的本質型半導體膜，及多數由半導體微晶矽所構成的半導體微晶；其是以PECVD方式，在工作壓力0.3 Torr~1.0 Torr、工作溫度200℃~250℃、射頻功率0.03 W/cm2~1W/cm2的條件下，先通入氣體流量(sccm)比是SiH4：[(0.5%B2H6)/H2]：H2=20：40：200，在該晶種層上形成該半導體膜，及複數在該半導體膜形成的同時對應形成在該等成核點的半導體微晶，接著在相同的工作壓力、溫度與射頻功率的條件下，再通入氣體流量(sccm)比分別是SiH4：H2=20：200的氣體源，再於該半導體膜上形成該本質型半導體膜，以得到該第一半導體層。
    值得一提的是，該本質型半導體膜並非僅侷限於使用非晶矽，亦可以是使用多晶矽、非晶碳化矽(SiC)或多晶碳化矽；因此，本發明於實施過程中，亦可以形成如p-Si/SiC/n-Si等多接面膜層結構的太陽能電池，得以擴大太陽光光譜的吸收範圍，而使太陽光的吸收效率得以相對增加。
    再進行步驟25，於該第一半導體層上磊晶形成一具有電性與該第一型摻雜相反的第二型摻雜之第二半導體層。
    該步驟25是以PECVD方式在該第一半導體層上形成由第二型摻雜之非晶矽構成的第二半導體層，於本較佳實施中，該第一型摻雜是p型摻雜；該第二型摻雜是n型摻雜。
    更詳細的說，該步驟25是在壓力：0.3 Torr~1.0 Torr、溫度：200℃~250℃、射頻功率：0.03 W/cm2~1W/cm2，及氣體流量(sccm)比SiH4：[(0.5%PH3)/H2]：H2=20：40：200，的條件下進行。
    最後進行步驟26，以濺鍍(sputtering)方式在該第二半導體層上形成一電極層，即可製得本發明該太陽能電池。
    參閱圖3，本發明太陽能電池的製作方法的一第二較佳實施例，其大致與該第一較佳實施例類似，不同處在於該第二較佳實施例更包含一實施在該步驟21之前的步驟20，及一實施在該步驟25及26之間的步驟26a。
    該步驟20是在一基板上先形成一透明導電膜，更詳細地說，該步驟20是以濺鍍方式在一基板上形成一第一透明導電膜，以製得後續該步驟21使用的基材；而後，再依序進行該步驟21~25，將導電基質佈設在該透明導電膜上、佈設單晶粉末.....等過程，由於該步驟21~25與該第一較佳實施例的實施過程相同，因此，於此不再多加贅述；接著，在實施該步驟25，以PECVD方式形成該第二半導體層之後即進行步驟26a，該步驟26a是於該第二半導體層上形成一透明導電層，最後，再進行步驟26以濺鍍方式於該透明導電層上形成一電極層，即完成本發明該第二較佳實施例的實施。
    另外，值得一提的是，當該基板是一透明玻璃基板時，本發明該較佳實施例二所製得的太陽能電池可雙面吸光。
    以下透過具體例1、2更進一步地的說明本發明太陽能電池的製作方法。 <具體例1>
    本發明太陽能電池的製作方法的一具體例1詳細說明於下。
    首先將0.07242克的氯化鋁(AlCl3‧6H2O)、6.5844克的醋酸鋅(Zn(CH3COO)2‧2H2O)與38.2毫升的2-甲氧基乙醇混合，並加熱至60℃持溫2小時以配製出一莫耳濃度約0.75的粘稠狀導電基質後，以旋轉塗佈方式將導電基質鋪設於一玻璃基材表面，且鋪設在該基材表面的導電基質厚度是200nm。
    接著將p-Si單晶由球磨機細化後得到粒徑分佈約為20nm~30nm的p-Si單晶粉末，再將3.5克的p-Si單晶粉末與10毫升的甲醇均勻攪拌形成一混合液後，再利用超音波震盪器持續震盪保持單晶粉末均勻分佈，再利用噴霧法將含有單晶粉末的混合液均勻佈灑在該導電基質上，形成中間物。再接著將中間物放入爐管中，通入氬氣/氫氣(6%)氣體，並在550℃之溫度條件下鍛燒120分鐘，得到具有成核點的晶種層。
    然後利用PECVD真空系統在工作壓力0.3 Torr、工作溫度220℃、射頻功率0.08 W/cm2的條件下，先通入氣體流量(sccm)比是SiH4：[(0.5%B2H6)/H2]：H2=20：40：200的氣體源，在晶種層上形成一p-型非晶矽半導體膜、一本質型非晶矽半導體膜，及複數於形成該p-型非晶矽半導體膜的同時對應形成於該些成核點的半導體微晶矽；接著將PECVD的氣體源及氣體流量(sccm)比改變為：SiH4：[(0.5%PH3)/H2]：H2=20：40：200，於該本質型非晶矽半導體膜上形成由n-型非晶矽構成的第二半導體層。
    最後利用濺鍍法於第二半導體層上形成由鋁構成，厚度約400 nm的電極層，製得一太陽能電池。 <具體例2>
    本發明太陽能電池的製作方法一具體例2詳細說明於下。
    首先利用濺鍍法在一玻璃基板上形成厚度約100 nm的ITO的透明導電膜，形成該具體例2使用之基材。
    接著將0.03621克的氯化鋁(AlCl3‧6H2O)、6.5844克的醋酸鋅(Zn(CH3COO)2‧2H2O)與38.2毫升的2-甲氧基乙醇混合，並加熱至60℃持溫2小時以配製出一莫耳濃度約0.75M的粘稠狀導電基質後，以旋轉塗佈方式將導電基質鋪設於該透明導電膜表面，且鋪設在該透明導電膜表面的導電基質厚度是200nm。
    接著將p-Si單晶由球磨機細化後得到粒徑分佈約為20nm~200nm的p-Si單晶粉末，再將0.05-0.3克的p-Si單晶粉末與10毫升的甲醇均勻攪拌形成一混合液後，再利用超音波震盪器持續震盪保持單晶粉末均勻分佈在混合液中，再利用噴霧法將含有單晶粉末的混合液均勻佈灑在該導電基質上，形成中間物。再將中間物放入爐管中，通入氬氣/氫氣(6%)氣體，並在550℃之溫度條件下鍛燒120分鐘，得到具有導電膜及成核點的晶種層。
    然後利用PECVD真空系統在工作壓力0.3 Torr、工作溫度220℃、射頻功率0.08W/cm2的條件下，先通入氣體流量(sccm)比是SiH4：[(0.5%B2H6)/H2]：H2=20：40：200的氣體源，在晶種層上形成p-型非晶矽半導體膜、本質型非晶矽半導體膜，及複數對應形成於該等成核點的半導體微晶矽；接著將PECVD的氣體源及氣體流量(sccm)比改變為：SiH4：[(0.5%PH3)/H2]：H2=20：40：200，於該本質型非晶矽半導體膜上形成由n-型非晶矽構成的第二半導體層。
    最後再利用濺鍍法在第二半導體層上形成由氧化銦錫(ITO)構成，厚度約100 nm的透明導電層，及一形成在透明導電層表面，由鋁構成，厚度約400 nm的電極層，製得一太陽能電池。
    綜上所述，本發明利用直接將單晶粉末佈灑於導電基質上，令該等單晶粉末於形成第一半導體層過程中提供成長氫化微晶矽的成核點，因此，與傳統由非晶矽構成的太陽能電池相比較之下，本發明之製法所形成之氫化微晶矽具有較完整且穩定的結晶結構，且載子遷移率(mobility)可因邊界的缺陷密度下降而提昇，因此，可改善一般非晶矽在長時間太陽光照射下所產生的效率衰減問題。
    另外，本發明形成的微晶矽由於具有較低的能隙(energy gap)，可吸收波長較長的光源，因此，吸收效率得以因太陽光光譜之吸收範圍的擴大而相對增加，而可提昇載子的產生(generation)率，而進一步提升製得之太陽能電池的光電效率，故確實能達成本發明之目的。
    惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例與具體例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
    20．．．步驟
    21．．．步驟
    22．．．步驟
    23．．．步驟
    24．．．步驟
    25．．．步驟
    26a．．．步驟
    26．．．步驟
    圖1是一示意圖，說明習知非晶矽太陽能電池；
    圖2是一流程圖，說明本發明太陽能電池的製作方法之第一較佳實施例；及
    圖3是一流程圖，說明本發明太陽能電池的製作方法之第二較佳實施例。
    21．．．步驟
    22．．．步驟
    23．．．步驟
    24．．．步驟
    25．．．步驟
    26．．．步驟
    权利要求:
    Claims (16)
    [1] 一種太陽能電池的製作方法，包含以下步驟：(a)將呈黏稠液體型態的導電基質佈設於一基材上；(b)將具有第一型摻雜的複數單晶粉末佈設在該導電基質上，製得一中間物，且該多數單晶粉末未完全埋入該導電基質中；(c)將該步驟(b)製得的中間物進行熱處理，得到一形成在該基材上的晶種層，該晶種層具有一由該導電基質固化後形成的導電膜，及多數由該等單晶粉末裸露出該導電膜的部份表面所構成的成核點；(d)於該晶種層上磊晶形成一第一半導體層，並在磊晶的同時對應該些成核點形成複數半導體微晶；(e)於該第一半導體層上磊晶形成一具有電性與該第一型摻雜相反的第二型摻雜的第二半導體層；及(f)形成一與該第二半導體層電連接的電極層。
    [2] 依據申請專利範圍第1項所述太陽能電池的製作方法，其中，該步驟(a)的導電基質具有一含有X之化合物與一有機溶劑，且X是選自鋁、鋅，或此等之一組合。
    [3] 依據申請專利範圍第2項所述太陽能電池的製作方法，其中，該有機溶劑是選自醇類或酮類。
    [4] 依據申請專利範圍第3項所述太陽能電池的製作方法，其中該含有X之化合物是氯化鋁、醋酸鋅、或此等之一組合；該有機溶劑是2-甲氧基乙醇。
    [5] 依據申請專利範圍第4項所述太陽能電池的製作方法，其中，該導電基質的濃度是介於0.1M~0.75M之間。
    [6] 依據申請專利範圍第1項所述太陽能電池的製作方法，其中，該步驟(a)之導電基質的厚度不大於200nm。
    [7] 依據申請專利範圍第1項所述太陽能電池的製作方法，其中，該等單晶粉末是Si、SiC、或此等之一組合。
    [8] 依據申請專利範圍第7項所述太陽能電池的製作方法，其中，該等單晶粉末的粒徑是介於20 nm~200 nm之間。
    [9] 依據申請專利範圍第1項所述太陽能電池的製作方法，其中，該步驟(c)的熱處理是在溫度介於300℃~600℃的條件下進行燒結。
    [10] 依據申請專利範圍第9項所述太陽能電池的製作方法，其中，該步驟(c)的燒結時間是介於30分鐘~180分鐘。
    [11] 依據申請專利範圍第1項所述太陽能電池的製作方法，其中，該步驟(d)的第一半導體層是由非晶矽所構成，且該等半導體微晶是由微晶矽所構成。
    [12] 依據申請專利範圍第1項所述太陽能電池的製作方法，該步驟(d)的第一半導體層是先在該晶種層上形成一第一型掺雜的半導體膜，接著再於該半導體膜上形成一本質型半導體膜。
    [13] 依據申請專利範圍第12項所述太陽能電池的製作方法，其中，該步驟(d)的半導體膜是具第一型掺雜的非晶矽、該本質型半導體膜是選自非晶矽，且該等半導體微晶是由微晶矽所構成；該步驟(e)的第二半導體層是具第二型掺雜的非晶矽。
    [14] 依據申請專利範圍第1項所述太陽能電池的製作方法，其中，該第一型摻雜是p型摻雜；該第二型摻雜是n型摻雜。
    [15] 依據申請專利範圍第1項所述太陽能電池的製作方法，於該步驟(e)與步驟(f)之間更包含一步驟(e’)，該步驟(e’)是於該第二半導體層上形成一透明導電層。
    [16] 依據申請專利範圍第1項所述太陽能電池的製作方法，更包含一實施在該步驟(a)之前的步驟(a’)，該步驟(a’)是在一基板上形成一透明導電膜，以製得該基材。
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    TWI458117B|2014-10-21|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    TWI433338B|2009-02-18|2014-04-01|Nat Univ Chung Hsing|Preparation Method of Silica Film Solar Cell with Heterogeneous Surface|
    法律状态:
    2014-10-21| GD4A| Issue of patent certificate for granted invention patent|
    2020-07-21| MM4A| Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    TW100127268A|TWI458117B|2011-08-01|2011-08-01|Methods of making solar cells|TW100127268A| TWI458117B|2011-08-01|2011-08-01|Methods of making solar cells|
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