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    • 专利摘要:
    一種偏壓式太陽能電池，係包含一基板、一正面電極層、一氧化層、一透明閘電極層、一背面電極層、一太陽光偏壓源。基板具有一正面、一背面及鄰接正面之一摻雜區。透明閘電極層位於氧化層之正面，當太陽光偏壓源之輸出電壓加在透明閘電極層時，基板與摻雜區間之空乏區會往基板深處延伸，建立更大的內建電場，光吸收產生之電子(電洞)受電場作用下會快速朝向正面(背面)電極層方向移動，正電極層和背電極層會因透明閘電極層加上偏壓因而收集更多的電子與電洞經並由輸出線路流出。本發明係提供一種偏壓式太陽能電池。
    公开号:TW201320365A
    申请号:TW100141026
    申请日:2011-11-10
    公开日:2013-05-16
    发明作者:Wen-Jeng Ho；Yi-Yu Lee
    申请人:Wen-Jeng Ho；Yi-Yu Lee；
    IPC主号:Y02E10-00
    专利说明:
    偏壓式太陽能電池
    本發明係關於一種自偏壓式金氧半(MOS)結構太陽能電池及其製作方法，且特別是關於一種於金氧半(MOS)電晶體結構、自偏壓(Self-Biasing)透明閘電極(Transparent Electrode)所形成的矽太陽能電池及其製作方法。
    目前全世界各國都意識到生態汙染的嚴重性，各國先進國家都開始積極開發再生能源，希望盡早將汙染比例較高的能源發電系統以再生能源取而代之。目前有太陽能、風力能、地熱能、水力能、潮汐能、海洋熱能轉換與生質能等等。其中，太陽能算是較容易被一般人所熟悉與理解的能源，也是目前全球各國再生能源的主要發展項目。太陽能技術提供明顯的環境優勢，相對於傳統能源來源，可持續發展的人類活動。
    MIS太陽電池的基本原理在於應用了量子力學裏的穿隧效應(Tunneling Effect)。經由入射光在半導體內產生的電子電洞對，受內建電場(Built-in Field)加速，藉穿隧效應而通過絕緣層並為外部電極所收集成為光電流。因絕緣層的厚度對於光電流的大小有很大的影響。當絕緣層的厚度大於30埃()時，載子進行穿隧的機率變得非常小而使光電流大幅下降。雖然絕緣層的厚度愈小光電流將愈大，但是太陽電池的開路電壓(Open Circuit Voltage)隨之下降，而使輸出功率下降進而降低了轉換效率。
    MIS太陽電池大約是在1990年初期開始商業化的，由於此種的太陽電池無須使用高溫製程(諸如接面擴散、熱氧化層生長等)，因此頗受業界重視。此種太陽電池主要採用了磷聚苯(Phosphorus Polystyrene)、隧穿氧化層，正面電極鈍化及PECVD氮化矽(SiNx)正面鈍化等結構。而德國ISFH機構於1997年開發出MIS-IL(Metal-Insulator-Semiconductor Inversion-Layer)單晶矽太陽電池。第一代的MIS-IL單晶矽太陽電池，其製程大致如下：先將0.1 Ω-cm之p-Si(100)基板進行化學清洗與蝕刻處理，其次背面蒸鍍鋁金屬電極，接著在正面熱氧化製作一很薄的穿隧氧化層(Tunnel Oxide)在其上面，然後利用金屬光罩(Metal Mask)蒸鍍鋁金屬電極，再將試片放到銫(Cs)的溶液中，使二氧化矽(SiO2)表面增加正電荷密度，最後利用電漿加強化學氣相沉積(PECVD)在250℃沉積一層氮化矽(SiNx)。利用上述第一代的製程完成面積為2 x 2 cm2 FZ-Si之MIS-IL單晶矽太陽電池轉換效率為15.7%。第二代的MIS-IL單晶矽太陽電池製程，利用0.5 Ω-cm之p-Si(100)基板不一樣外，另將第一代的MIS-IL單晶矽太陽電池製程進一步修正以氧化層窗孔(Oxide Window)來定義元件的主動區面積、並將銫(Cs)植入正電極之下、將背面鋁金屬電極改為點接觸及其餘部份以氧化物(Oxide)鈍化處理(Passivation)。德國ISFH機構所完成的第二代MIS-IL單晶矽太陽電池獲得優異轉換效率為18.5%，因此第二代的MIS-IL比第一代的MIS-IL單晶矽太陽電池轉換效率額外提高約3%。
    德國ISFH機構所提之兩世代MIS-IL單晶矽太陽電池，其光電流都是經由閘極(Gate)及基板(Substrate)上之電極輸出。這些結構為了增加開路電壓(VOC)特別在閘極(Gate)與半導體(Semiconductor)間成長一高品質之SiO2薄膜(~10-20 )，光電流以穿遂(Tunneling)方式由閘極(Gate)流出。因SiO2薄膜含正電荷也是一件不容易的製程，因為SiO2薄膜含正電荷在製程技術上較不易掌控。
    因此，如何能提供一種不會限制氧化層厚度及氧化層不需含正電荷，又能對入射之太陽能光譜反應更寬及貢獻更多光電流的太陽電池，實為本案所欲解決之問題。
    鑒於上述習知技術之缺點，本發明之一目的係在於提供一種偏壓式太陽電池。
    為達上述目的，本發明提供一種偏壓式太陽電池，其包含一基板、一正面電極層、一氧化層、一透明閘電極層、一背面電極層。基板具有一正面、一背面及鄰接正面之一摻雜區。正面電極層具有一正面、一背面及鄰接正面摻雜區。氧化層位於正面電極層之電極與電極之間，且正面電極層具有露出於氧化層。透明閘電極層位於氧化層之正面，且透明閘電極層為太陽能電池之偏壓端。
    本發明亦提供一種偏壓式太陽電池之製造方式，包含以下步驟：提供一基板，其具有一正面、一背面及一摻雜區，摻雜區鄰接正面；於基板之背面形成一背面電極層；於一溫度下燒烤背面電極層使其形成歐姆接觸；於基板之正面形成一正面電極層；於基板正面及正面電極層之電極與電極間形成一氧化層；於氧化層之正面形成一透明閘電極層，以使透明閘電極層為偏壓端；當太陽光偏壓源增加透明偏壓在透明閘電極層時，基板與摻雜區間之空乏區會往基板深處延伸，建立更大的內建電場，光吸收產生之電子(電洞)受電場作用下會快速朝向正面電極層(背面電極層)方向移動，正面電極層和背面電極層會因透明閘電極層加偏壓因而收集更多的電子電洞經由輸出線路流出。
    因此，本發明之偏壓式太陽電池具有更寬的入射之太陽能光譜反應及因自偏壓效應，可放集更多的光電流，以及不受限氧化層之厚度等優點，同時，偏壓式太陽電池具製程容易與成本低之優點。
    圖1顯示依據本發明較佳實施例之偏壓式太陽能電池50之剖面示意圖。如圖1所示，本實施例之偏壓式太陽能電池50包含一基板10、一正面電極30、一背面電極20、一氧化層32、一透明閘電極層34以及太陽光偏壓源36、偏壓線路41以及輸出線路45。
    於本實施例中，基板10係為一P型矽基板，但亦可以是其它半導體基板。基板10具有一正面12、一背面14以及鄰接正面12之一n型摻雜區16。
    基板10之背面14，使用高真空電子槍蒸鍍系統(E-Beam)在真空度3x10-6 Torr時，進行背面鋁電極層20的蒸鍍。背面電極層20厚度大於200奈米。蒸鍍完成後，使用快速熱退火(RTA)系統，進行退火以降低背面電極層20與基板10的接觸電阻。
    正面電極層30位於基板10之摻雜區16上，使用高真空電子槍蒸鍍系統(E-Beam)在真空度3x10-6 Torr時，進行正面鈦/鋁電極層30的蒸鍍。正面電極層30總厚度大於200奈米。
    氧化層32位於正面電極層30電極與30電極間及基板10之n型摻雜區16上，使用高真空電子槍蒸鍍系統(E-Beam)在真空度3x10-6 Torr時，蒸鍍一層氧化層。氧化層厚度為10-20奈米。
    透明閘電極層34位於氧化層32之正面，使用多靶射頻濺鍍系統(Sputter)濺鍍上一層ITO透明導電薄膜，通入氬氣流量40 sccm，濺鍍時間是15分鐘，使其形成透明閘電極層34。
    太陽光偏壓源36係同一製程制作之小面積太陽能電池串聯而成，其輸出電壓由串聯個數決定。
    當太陽光偏壓源36之輸出電壓經由偏壓線路41加於透明閘電極層34時，基板與摻雜區間之空乏區會往基板深處延伸，建立更大的電場於透明閘電極底下之空乏區處，光吸收後產生之電子(電洞)受到太陽電池之內建電場作用而分別朝正面電極層(背面電極層)移動並收集後由偏壓線路45流出。
    圖2顯示依據本發明較佳實施例之偏壓太陽電池之照光(AM1.5G)時的電流-電壓特性曲線圖。
    當太陽光偏壓源36經由偏壓線路41將輸出電壓(1~2V)施加於透明閘電極層34時，電壓還無法有效的影響整個太陽能電池。
    此時太陽光偏壓源36經由偏壓線路41繼續增加偏壓(3~5V)於透明閘電極層34時，可以明顯得發現光電流隨加在透明閘電極層34上的偏壓增加而增加，因為此時帶正電磷離子在n型摻雜區16會增加，同時在基板10靠近n型摻雜區16之帶負電硼離子也增加，產生更大的電場，對光吸收產生之電子及電洞的傳輸及收集更有效幫助，這些電子與電洞更容易往正面電極層30及背面電極層20流出電流。
    圖3至圖7顯示依據本發明較佳實施例之偏壓太陽電池之製造方法之各步驟的結構剖面示意圖。如圖3至圖7所示，本發明之太陽電池之製造方法包含以下步驟。
    首先，如圖3所示，提供一p型基板10。p型基板10具有一正面12、一背面14以及一n型摻雜區16，n型摻雜區16鄰接正面12。
    背面電極層20形成，如圖4所示，於基板10之背面14形成一背面電極層20，再進行熱退火處理，以降低背面電極層20與基板10間的接觸電阻。背面電極層20係藉由高真空電子槍蒸鍍系統(E-Beam)而形成。
    正面電極層30形成，如圖5所示，於基板10之正面12形成一正面電極層30。正面電極層30係藉由高真空電子槍蒸鍍系統(E-Beam)而形成。
    氧化層沉積，如圖6所示，於基本10之正面12及正面電極層30之間形成一氧化層32，氧化層32覆蓋於摻雜區16之上。氧化層32係藉由高真空電子槍蒸鍍系統(E-Beam)而形成。
    透明閘電極層34形成，如圖7所示，於氧化層32之正面形成一透明閘電極層34。透明閘電極層34係藉由多靶射頻濺鍍系統(Sputter)濺鍍而形成。
    藉由本發明之偏壓太陽電池，可以免除習知技術中所遇到的絕緣層厚度的問題，以及光電流所造成轉換效率降低的問題。
    在較佳實施例之詳說明中所提出之具體實施例僅用以方便說明本發明之技術內容，而非將本發明狹義地限制於上述實施例，在不超出本發明之精神及以下申請專利範圍之情況，所做之種種變化，皆屬於本發明之範圍。
    10．．．基板
    12．．．正面
    14．．．背面
    16．．．摻雜區
    20．．．背面電極層
    30．．．正面電極層
    32．．．氧化層
    34．．．透明閘電極層
    36．．．太陽光偏壓源
    41．．．偏壓線路
    45．．．輸出線路
    50．．．偏壓式太陽能電池
    圖1顯示依據本發明較佳實施例之偏壓式太陽能電池之剖面示意圖。
    圖2顯示依據本發明較佳實施例之偏壓式太陽能電池之照光(AM1.5G)時的電流-電壓特性曲線
    圖3至7顯示依據本發明較佳實施例之偏壓式太陽能電池之製作方法之各步驟的結構剖面示意圖。
    10．．．基板
    12．．．正面
    14．．．背面
    16．．．摻雜區
    20．．．正面電極
    24．．．氧化層
    26．．．透明閘電極層
    30．．．背面電極
    36．．．太陽光偏壓源
    41．．．偏壓線路端
    45．．．輸出線路端
    50．．．偏壓式太陽能電池
    权利要求:
    Claims (10)
    [1] 一種偏壓式太陽能電池，包含：一基板；一背面電極層；一正面電極層；一氧化層；一透明閘電極層；一太陽光偏壓源；基板，其具有一正面、一背面及一摻雜區，摻雜區鄰接正面；於基板之背面形成一背面電極層，於一最佳溫度下進行熱處理使其形成歐姆接觸；於基板之正面形成一正面電極層；於基板正面及正面電極層之電極與電極間形成一氧化層；於氧化層之正面形成一透明閘電極層，以使透明閘電極層為偏壓端；當太陽光偏壓源之輸出電壓加在透明閘電極層時，基板與摻雜區間之空乏區會往基板深處延伸，建立更大的內建電場，光吸收產生之電子(電洞)受電場作用下會快速朝向正面電極層(背面電極層)方向移動，正面電極層和背面電極層會因透明閘電極層加上偏壓因而收集更多的電子與電洞經由輸出線路流出。
    [2] 如申請專利範圍第1項所述之偏壓太陽能電池，其中該基板係為一矽基板，但亦可為其它基板。
    [3] 如申請專利範圍第1項所述之偏壓太陽能電池，其中該背面電極層之材料為鋁，但亦可為其它金屬材料。
    [4] 如申請專利範圍第1項所述之偏壓太陽能電池，其中該正面電極層之材料為鈦/鋁，但亦可為其它金屬材料。
    [5] 如申請專利範圍第1項所述之偏壓太陽能電池，其中該氧化層之材料為二氧化矽(SiO2)，但亦可為其它介電材料。
    [6] 如申請專利範圍第1項所述之偏壓太陽能電池，其中該透明閘電極層之材料為氧化銦錫(ITO)，但亦可為其它透明導電薄膜材料。
    [7] 如申請專利範圍第1項所述之偏壓太陽能電池，其中該背面電極層與基板背面具有一歐姆接觸關系。
    [8] 如申請專利範圍第1項所述之偏壓太陽能電池，其中該電極層之厚度可大於200奈米
    [9] 如申請專利範圍第1項所述之偏壓太陽能電池，其中該氧化層之厚度為10-20奈米。
    [10] 如申請專利範圍第1項所述之偏壓太陽能電池，其中該太陽光偏壓源為太陽能電池，亦可用其它能源代替，如風力能、氫燃料電池等。
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