專利名稱：光伏電池以及用以制造光伏電池的方法
技術領域：
本發明涉及一種薄膜硅光伏電池，特別是涉及一種單或三接面組件的薄膜硅太陽 能電池。
背景技術：
近年來，非晶硅太陽能電池在工業上已被不同的制造業者來大量地制造，然而，當 轉換太陽能量為電力時，其絕對效率具有限制。現今太陽能電池一般是沈積成非晶態薄膜 (厚度約300nm)于一基材上，而目前的太陽能電池的效率一般是低于6%。太陽能電池所產生的電流可通過增加電池厚度的方式來增加，其可允許更多的 光線被吸收。由于所謂的照光后效率逐漸降低(Maebler-Wronski effect, SffE)的問 題，長時間來看，因在非晶硅吸收層中具有光所造成的缺陷，此方法并無法獲得較高的效 率。此SffE效應可利用引入納米晶粒于非晶態部分來減少，其例如描述于美國專利申請號 11/744，918(由S. Guha所發表)，但缺陷的形成并未完全避免。因此，目前的因應策略是通過光散射于納米級粗糙化的接面，以及后續捕捉光 (light trapping)于吸收層中，藉以增加光于較薄的吸收層(厚度一般在200 300nm之 間)中的行進路徑。但此制程亦具有一些本身的限制于基本的p-i-n組件結構，其已敘述 且建模于科學文獻中。實驗數據顯示，減少非晶吸收層的厚度于200nm以下會導致穩定性增加，以 對抗光吸收所造成的性能衰退(1 ight soaking degradation)，其揭露于所進行的 第 21 屆的歐洲太陽能光電會議(European Photovoltaic Solar EnergyConference) 的p. 1719 (Dresden 2006)中。然而，上述組件無法吸收到足夠的光線，其可建模于由 J. Springer,A. Poruba及 Μ. Vanecek 等人所發表的國際期刊 J. Appl. Phys. 96 Q004) 53 所 述的光學模型中。因此，目前專注于串接式(tandem)或三接面(triple junction)電池組件的發 展，其具有薄非晶層，來作為P-i-n或n-i-p電池的吸收層。效率可通過此方式來增加，但 此非晶層需收集到良好的光生載子(photogenerated carriers)，而形成一限制因素。另一 缺點是相對較厚的底層，例如微結晶硅，其又增加對于微結晶吸收層的高電子質量的要求， 藉以收集到所有的光生載子。故，有必要提供一種光伏電池，其具有提升的穩定效率與高電子質量。

發明內容
本發明所提供的光伏電池包含基材載板及第一透明導電層，第一透明導電層形成 于基材載板上，并包括多個分離透明導電突出區域或多個凹部。硅層包括電荷分離接面或 例如為P-i-n或n-i-p電池的接面，并覆蓋于第一透明導電層及分離透明導電突出區域或 凹部。第二透明導電層是形成于硅層上。光線是以垂直方向來照射于基材的主要表面，由于第一透明導電層的突出區域或凹部，硅層和電荷分離接面具有折迭結構，其相似于突出區域或凹部的外形輪廓。因此，此光伏電池是光學上地較厚于平坦層，然而，光生載子在電池電極之間的傳 輸是電性上地同樣薄于結構厚度未增加的電池。增加的光生電荷載子可被收集于p-i-n型 結構中，即使是在較不利的例子中，如具有光吸收所造成的性能衰退的非晶硅或具有高缺 陷濃度的納米及微米結晶硅。此基材載板可為基板，此名詞”基板”是參照于太陽能電池結構，其中玻璃基板不 僅用以作為支撐結構，且亦作為光線照射的窗口，并可作為封裝部分。在使用期間，此玻璃 基板是位于實際太陽能電池的上方，太陽能電池是由二透明導電層和具有電荷分離接面的 硅層所形成。在此，名詞”分離(discrete) ”是用以表示兩相鄰的突出區域或凹部之間是以預設 距離來間隔設置。在一實施例中，此電荷分離接面具有外形輪廓，其相似于第一透明導電層的外形 輪廓。因此，接面的外形輪廓可通過控制第一透明導電層的形成表面的方式，來進行控制。在此，名詞”連續平順(conformal) ”是用以描述覆蓋層的外形輪廓是大致符合或 對應于所覆蓋的底層的外形輪廓。在一實施例中，電荷分離接面包含交替配置的實質垂直區域與實質水平區域。此 突出區域或凹部可例如為實質圓柱形，以提供電荷分離接面的外形輪廓。在另一實施例中，硅層及/或第二透明導電層是連續平順地位于第一透明導電層 上，此些層的連續平順性可利用適當的沈積方法和條件來實現，以進行此些層的沈積。在一實施例中，分離的透明導電突出區域或凹部的尺寸是介于納米(nm)尺寸與 微米尺寸之間，因而有利于更有效率地收集光生載子，并進一步改善光伏電池的效率。在此，納米尺寸是定義為結構具有至少一尺寸小于200nm，例如，圓柱突出區域具 有直徑為150nm及高度為500nm，因而在此定義其為納米尺寸，其是因為直徑為150nm，而小 200nm,即使其高度大于200nm。例如，圓柱突出區域具有直徑為500nm，因而定義為微米尺 寸，并接近于納米尺寸。在一實施例中，此些多個分離的透明導電突出區域或多個凹部是實質垂直于基材 載板的主要表面，特別是實質平行于光入射的方向，因而增加光伏電池的效率。在一實施例中，此些多個分離的透明導電突出區域或多個凹部是配置成實質有序 排列，此配置排列可增加折迭電荷分離接面的密度，此實質有序排列可例如為緊密六角形 排列。每一分離的透明導電突出區域或凹部大致是呈延長形狀，而可呈一或多個柱狀、 有或無頂點的圓錐、有或無頂點的金字塔形或半球狀。在一實施例中，基材載板可包含多個納米尺寸的突出區域，在本實施例中，第一透 明導電層是連續平順地位于基材載板上，硅層是連續平順地位于第一透明導電層上。根據 基材所使用的材料，相較于第一透明層的材料，可更簡易且更有效率地來結構化基材載板 的材料。例如，許多玻璃可簡單且可靠地利用蝕刻來結構化成納米尺寸。在一實施例中，第二透明導電層是填充于是位于硅層的突出區域之間的空隙。此硅層的電荷分離接面是pn接面與pin接面的其中之一。在一實施例中，硅層包含ρ型半導體層、本質層及η型半導體層，且是由非晶硅、納米結晶硅、微米結晶硅或再結晶多晶硅所形成。此光伏電池可為多接面組件或單接面組件，在一實施例中，硅層包含第一沈積 p-i-n堆積和第二沈積p-i-n堆積，第一沈積p-i-n堆積的吸收能隙是大于第二沈積p-i_n 堆積的吸收能隙。透過不同的能隙，可得到較高的轉換效率，以轉換照射光成電子。此第一沈積p-i-n堆積包含非晶硅，此第二沈積p-i-n堆積包含納米結晶硅或微 米結晶娃。在又一實施例中，光伏電池包括三p-i-n接面，硅層包含第一沈積p-i-n堆積、第 二沈積P-i-n堆積及第三沈積p-i-n堆積，第一沈積p-i-n堆積具有第一吸收能隙，第二沈 積p-i-n堆積具有第二吸收能隙，第三沈積p-i-n堆積具有第三吸收能隙，第二吸收能隙是 大于第三吸收能隙，第一吸收能隙是大于第二吸收能隙。對于例如玻璃的透明基材，ρ型半導體層是位于第一透明導電層上，本質層是位于 P型半導體層上，η型半導體層是位于本質層上。若光伏電池包括透明基材，其可更包含反射層，其位于第二透明導電層上，此反射 層可包含白色染色的介電反射媒介。在又一實施例中，基材載板是非透光于照射光，此基材載板可包含金屬或塑料。在 一些實施例中，相較于上述透明基材載板，硅吸收層的正極充電層和負極充電層的順序是 被反轉。因此，η型半導體層是位于基材上，本質層是位于η型半導體層上，P型半導體層是 位于本質層上。此光伏電池亦可包含導電層，其含有金屬，而位于基材載板與第一透明導電 層之間。又，本發明是在于提供一種光伏電池的制造方法，在此方法中，可包含如下步驟 提供基材載板；沈積第一透明導電層于基材載板上；形成多個分離透明導電突出區域于第 一透明導電層上或形成多個分離凹部于第一透明導電層中；沈積硅層，其包括電荷分離接 面，并覆蓋于第一透明導電層及分離透明導電突出區域或凹部；以及沈積第二透明導電層 于硅層上。此第一透明導電層具有高低起伏的表面輪廓，此高低起伏的表面輪廓可轉變成硅 層和電荷分離接面，以提供高低起伏或折迭的接面于光伏電池中。在一實施例中，可直接以透明導電材料來沈積結構化層。然而，在又一實施例中， 緊密層是以透明導電材料來進行沈積，并被選擇性地移除，以產生多個分離透明導電突出 區域或多個分離凹部。突出區域和凹部的形成與尺寸可利用移除方法來更緊密地定義。在一實施例中，多個分離金屬島是沈積于緊密層上，而金屬島以外的區域是利用 選擇性蝕刻來移除，以產生由透明導電材料所制成的透明導電突出區域。在又一實施例中，圖案化光阻層是形成于緊密層上，而分離凹部是蝕刻于緊密透 明導電層中。若第一透明導電是利用蝕刻方法來移除部分區域，則凹部的深度或突出區域的高 度是利用蝕刻時間來控制。在又一實施例中，凹部的深度或突出區域的高度是由第一透明導電的材料與結構 的選擇來控制。第一緊密層是以第一透明導電材料來沈積，且具有第一組成，第二緊密層是 以第二透明導電材料來沈積，且具有第二組成，第二緊密層是被選擇性地蝕刻移除，直到蝕 刻至第一緊密層與第二緊密層之間的界面。
此第一透明導電層可利用反應性離子蝕刻(reactive ion etching)、濕式化學蝕 刻或光刻技術(photolithography)來進行結構化，以產生由透明導電材料所制成的多個 分離透明導電突出區域或多個分離凹部。在又一實施例中，第一透明導電層是利用電子束光刻術(electron beamlithography)來進行結構化，以產生多個分離透明導電突出區域或多個分離凹部。此分離透明導電突出區域或凹部是呈結構化，因而每一突出區域或凹部是呈一或 多個柱狀、圓錐、金字塔形或半球狀。在一實施例中，硅層是連續平順地沈積于第一透明導電層，以及分離透明導電突 出區域或凹部上，硅層與電荷分離接面的外形輪廓主要是由第一透明導電層的最外表面的 外形輪廓所決定，藉以增加接面的長度。此第二透明導電層亦可連續平順地沈積于硅層上，或者非連續平順地填充于兩相 鄰突出區域之間或凹部中。在一實施例中，硅層是由三個次層所形成，并形成p-i-n或n-i-p電荷分離接面。 摻雜型態可為正極充電、P型、負極充電、η型、本質摻雜或i型，其可在摻雜時調整，藉以提 供此三個次層的次序。在一實施例中，基材載板是被結構化，以產生分離突出區域或凹部，接著，第一透 明層是沈積于結構化的基材載板上，以形成第一導電透明層，其具有不同的厚度及多個分 離突出區域或多個分離凹部。第一導電透明層可連續平順地沈積于基材載板上，以形成由 第一導電透明材料所制成的多個分離突出區域或凹部。接著，硅層是連續平順地沈積于第 一導電透明層上。在一些實施例中，基材載板為玻璃，另一反射層是沈積于第二導電透明層上。更詳述的是，本發明專注于增加短路電流(short-circuit-current)，其可通過增 加在薄層中的硅的(延長)光路徑(光學上地較厚)，并保持電荷傳輸路徑夠短(電性上地 同樣薄)的方式，來由組件中產生，因而可充分滿足光伏電池的吸收層于電子質量的要求。 此電子質量是已知地可減少例如所謂SWE效應或微結晶硅的增加沈積率的影響。當保持電極之間的距離小于200nm時，由于太陽能電池的特別幾何形狀，本發明 可增加的非晶吸收層的光學厚度至大于500nm。以下的原理是說明此光學厚度，其是垂直 于基材的方向上的厚度，并明顯地大于電性厚度，亦即為電極之間的載子收集路徑。根據本 發明的實施例，在結構中的光散射和陷光(light trapping)可增加微弱吸收光線的光學路 徑。因此，兩個明顯沖突的目標可加以結合，并可同時提供更有效率且更穩定的非晶硅太陽 能電池。本發明更可有利地應用于串接式或三接面電池中。在此，非晶硅太陽能電池所 使用尺寸是被增加，其代表更長的柱狀部以及更大的間隔空隙，或者更深的且更寬的凹 部。再者，由于在電池的大部分上結構層為平行，因此，通過更薄的低能隙電池，更高的電 流可由組件中產生，且在電池之間的串接式接面或三接面中可具有電流均一性(current matching) 0以更短的沈積時間來形成低能隙電池是一項重要的優點，之前，為了電流均一 性與高電池效率，低能隙電池必須較厚，因而形成考慮成本且有效率的串接式電池的一限 制因素。為讓本發明的上述內容能更明顯易懂，下文特舉優選實施例，并配合所附圖式，作詳細說明如下


圖1顯示依據第一實施例的光伏電池的剖面示意圖；圖2顯示具有多個透明導電柱狀部的基材的示意圖；圖3顯示圖2的基材的上視圖；圖4顯示沈積光伏電池的薄膜硅于圖2的基材上的示意圖；圖5顯示沈積第二透明導電層于圖4的基材上的示意圖；圖6顯示圖2至圖5的硅層的p-i-n結構；圖7顯示結構化光阻層位于第一透明導電層，或者，其顯示利用光刻所形成的結 構化金屬光罩或自然形成的金屬納米島；圖8顯示制造多個分離柱狀部于第一透明導電層；圖9顯示氧化鋅前驅層的電子顯微鏡微結構圖；圖10顯示圖9的氧化鋅前驅層在結構化后的電子顯微鏡微結構圖，其是利用反應 離子蝕刻來形成多個ZnO柱；圖11顯示包括有二硅層的光伏電池的示意圖；圖12顯示依據本發明的第二實施例的以透明導電材料并利用結構化光阻來沈積 復數柱狀部的方法；圖13顯示沈積透明導電材料于圖12的結構化光阻的開口 ；圖14顯示移除結構化光阻，以提供由透明導電材料所制成的分離柱狀部；圖15顯示利用圖14的配置來制造光伏電池的詳細示意圖；圖16顯示依據本發明的又一實施例的包括有多個凹部的第一透明導電層；圖17顯示圖16的凹部的上視圖；圖18顯示使用光罩來制造圖16的凹部；圖19顯示利用蝕刻來制造圖18的凹部；圖20顯示光伏電池的第一透明導電層，其包括分離凹部和二硅吸收層；圖21顯示依據本發明的又一實施例的包含結構化玻璃基材的光伏電池；以及圖22顯示包括有非透明基材的光伏電池。
具體實施例方式請參照圖1，其顯示依據第一實施例的光伏電池10的剖面示意圖。此光伏電池10 包括玻璃基板11形式的基材、第一透明導電層12、硅層14、第二透明導電層15及反射層 16。硅層14是沈積于第一透明導電層12上，第二透明導電層15是形成于硅層14上，反射 層16是形成于第二透明導電層15上。此玻璃基板11可視為設于光伏電池的前方，藉以使光子(在本實施例中為太陽光 能量)照射于此玻璃基板11，而反射層16可視為設于光伏電池的后方。此第一透明導電層 12可視為前透明導電層，而第二透明導電層15可視為后透明導電層。此第一透明導電層12包括形成于基板11上的連續次層17以及有序排列的柱狀 部，柱狀部是以透明導明材料所形成，并垂直延伸于玻璃基板11的主要表面18。
如圖2的上視圖所視，柱狀部13可配置成約緊密六角形的排列，且每一柱狀部13是呈圓柱形。此透明導電的柱狀部13的直徑約為150nm，其高度約為500nm。在本實施例中，此 透明導電材料可為氧化鋅并摻雜鋁或硼，然不限于此，其它透明導電氧化物亦可使用，例如 氧化銦錫(indium tin oxide, I TO)。此硅層14是沈積并連續平順地覆蓋于第一透明導電層12的次層17與柱狀部13 的表面，此硅層14具有電荷分離接面，在本實施例中，例如為p-i-n接面，其詳述于圖6。此 硅層亦可描述為吸收層或主動光伏層。在第一實施例中，此第二透明導電層15可填于由第一透明氧化層和硅層14所形 成的圓柱結構之間的空隙，并連續地延伸于基材11上，因而其上表面可大致平行于基材11 的主要表面18。光線可以是以垂直方向來照射于基材11的主要表面18，由于第一透明導電層12 的納米尺寸的柱狀部13以及硅層14的外形輪廓，此p-i-n接面與硅吸收層可具有折迭結 構，因而導致此光伏電池可光學上地較厚于一平坦層的配置。然而，于電池的電極之間的光 生電荷傳遞是同樣電性上地薄于整體未增加的電池的厚度。光生電荷載子所增加的比例可 收集于P-i-n型結構，即使是位于較不利的例子中，如具有光吸收所造成的性能衰退的非 晶硅或具有高缺陷濃度的納米及微米結晶硅。請參照圖2至圖6，其顯示依據一實施例的圖1的光伏電池的制造示意圖。圖2顯示在制造第一透明導電層12后的基材11的概略剖面圖。第一透明導電層 12包括連續的透明導電氧化(transparent conductive oxide, TC0)次層17及TCO納米 柱狀部13，次層17是形成于主要表面18上。圖3顯示具有TCO次層17及TCO納米柱狀部13的基材的上視圖。柱狀部13具 有通常的圓柱形狀并可配置成約緊密六角形的排列。圖4顯示基材11、第一透明導電層12、TCO納米柱狀部排列13及硅層14的概略 剖面圖。硅層14是沈積于TCO次層17及TCO納米柱狀部排列13，此硅層14具有非晶硅的 P-i-n結構，其敘述于圖6。一相似結構，其具有納米柱狀部13的增加高度與納米柱狀部13之間的微幅增加 空隙，亦可使用于圖11中的串接式或三接面電池組件。圖5顯示圖4的結構在沈積第二透明導電層15后的示意圖。第二透明導電層15 例如為透明導電氧化物，特別是ZnO摻雜有鋁，第二透明導電層15是覆蓋于硅層14上，并 可作為收集電極。圖6顯示硅層14的p-i-n結構，其可提供光伏電池10的主動光伏層或吸收層。 此硅層14可包括三個次層，第一次層19是沈積于第一透明導電層12的次層17和柱狀部 13上，此第一次層19為正極摻雜型(positively doped)，而可為p-i-n接面中的ρ層。第 二次層20為本質硅且沈積于第一次層19上，以作為i層。此第三次層21為負極摻雜型 (negatively-doped)硅，以作為電荷分離層中的η層。此硅層的結構與制造方法可揭露于 美國專利US 6，309，906中，并可參考來應用于本發明中。此些多個柱狀部的制造方式可為選擇性地移除一前驅層的最上部分的方式，或者 沈積具有柱狀部的結構層于連續次層上的方式。
圖7與圖8顯示依據本發明的一實施例的以摻雜有鋁的ZnO來制造多個分離柱狀 部13的示意圖，其選擇性地移除前驅層。前驅薄膜22是以摻雜有鋁的ZnO來形成，并沈積于基材11。光罩層可沈積于此前 驅層上，并形成有結構，以提供多個分離島23來對應于所預期的分離排列的柱狀部13。此 光罩層23包含一材料，其可大部分地或完全地抵抗一蝕刻液，用以移除此前驅薄膜22的材 料。接著，對此具有前驅層22的基材11進行蝕刻處理，其概略地顯示如圖7和圖8中 的箭號，藉以移除此前驅薄膜22的材料，其是位于光罩層23未覆蓋的區域。如圖8所示， 蝕刻的進行是直到形成鋅氧化前驅物的多個分離柱狀部13與連續的次層17，特別地是，直 到柱狀部13具有所預期的高度。在又一實施例中，已摻雜的ZnO層是由非常薄的金屬層所覆蓋，接著，進行加熱， 以形成具有尺寸(直徑)約IOOnm(50-500)的金屬粒，接著，在金屬粒之間的TCO可被蝕刻 至所預期的深度500-1500nm。圖9與圖10顯示使用金屬粒的氧化鋅在掃描電鏡(SEM)下的微結構圖。圖9顯示 多個Ti/Au島23配置于ZnO層，而成六角形緊密的規則排列，此些島23可作為蝕刻光阻， 并因而對應于所預設的ZnO柱狀部13來配置。接著，由未被Ti/Au島所覆蓋的區域中移除ZnO材料，藉以形成多個分離的ZnO 柱狀部13，如圖10所示。其中，可使用Roth&Rau AK400制程設備與以下蝕刻參數功 率-2000W、RF 能量-100W、偏壓 _200V、H2 流量-100sccm、CH4 流量 _5sccm、Ar 流量 _7sccm、 壓力-0. 2mbar、蝕刻時間-IOmin以及實施溫度_230°C。根據第一透明導電層所使用的材料，亦可使用其它方法來選擇性移除鋅層，以產 生多個柱狀部，例如光刻技術(photolithographic techniques)或電子束技術(electron beam techniques)。圖11顯示相似于圖1的一相似結構，然而，在本實施例中，相較于圖1的實施例， 此配置具有增加高度的納米柱狀部13，以及納米柱狀部13之間所輕微增加的空隙。此設計 可使用于如圖11所示的串接式電池，或三接面電池。圖11顯示光伏電池在沈積第一硅層14和第二硅吸收層M后的一制程階段。此 第二硅層M連續平順地覆蓋于第一硅層14，之后，第二 TCO電極15是沈積于第二硅層M 上，且反射層16是沈積于第二透明導電層15上。若二個或更多的硅層是被提供，此些層的吸收能隙可不相同，以進一步增加光伏 電池的效率。在一實施例中，此硅層包含第一沈積p-i-n堆積結構，例如，此第一 p-i-n堆積結 構可為非晶硅電池。而第二沈積結構可包括納米結晶或微結晶硅P-i-n堆積結構。在又一實施例中，此硅層包含具有第一吸收能隙的第一 p-i-n堆積結構、具有第 二吸收能隙的第二 P-i-n堆積結構及具有第三吸收能隙的第三p-i-n堆積結構，其中第二 吸收能隙是大于第三吸收能隙，而第一吸收能隙是大于第二吸收能隙。圖12至圖14顯示又一方法，用以制造第一透明導電層12，其包括連續次層17與 多個分離的納米柱狀部13。在本實施例中，此第一透明導電層12的連續次層17是沈積于 基材11上，之后，光阻層25是對應于柱狀部13的預設厚度來進行沈積，而具有一厚度。接著，圖案化光阻層25，以形成多個孔洞沈，其橫向配置是對應于預設的透明導電柱狀部13， 此連續次層17是暴露于此些孔洞沈的底部。接著，以透明導電材料填充于此些孔洞沈中(如圖13所示)，接著，移除光阻層 25 (如圖14所示)，以形成具有連續次層17與多個分離的納米柱狀部13的第一透明導電 層12，且柱狀部13垂直延伸于基材11的主要表面18。此透明導電氧化(TCO)層12是覆蓋于玻璃基板11 (基材)上，TCO納米圓柱13 (納 米柱狀部或稱納米棒狀結構)例如是以未摻雜或摻雜有硼的ZnO來制成，并形成如圖2的 形狀。在一例子中，直徑50-400nm且長度為400-1500nm的ZnO納米柱實質上是均質地生成 于TCO所覆蓋的區域，其所形成的圖案可視于圖2，此表示其是以等距離來配置，柱與柱之 間的距離是依據電池的型態(單、雙或三接面p-i-n或n-i-p)及材料(非晶硅、納米結晶 硅、再結晶多晶硅)。基本上，400-600nm是用于單非晶電池，對應地，多接面電池的距離愈 大。此種排列的SiO納米柱可例如描述于由Y. J. Kim所發表的國際期刊J. Sol-Gel Science Techn. 38(2006)79-84 中。圖15顯示光伏電池的詳細示意圖，其沈積氧化鋅柱狀部13于氧化鋅次層17上。 主動硅層14包括連續的三次層p-i-n結構19、20、21，其更詳述于相關圖6中，并覆蓋有第 二透明導電層15和反射層16，其更詳述于相關圖1中。圖16顯示一光伏電池10'，其包含具有另一結構的第一透明導電層12'。在本 實施例中，此第一透明導電層12'包括多個分離的凹部或凹槽27于其背表面。在本實施例 中，凹部或凹槽27為圓筒形并具有六角形的緊密排列，如圖17的上示圖所示。此凹部27 可通過選擇性地移除透明導電層12'材料的方式來形成，移除透明導電層12'的位置是 對應于預設凹部27的位置。此些凹部27可利用光罩四輔助蝕刻的方式來制造，此方法可描述于圖18與圖19 中，光罩四是使用于蝕刻過程中，以定義凹部27的配置。或者，聚焦光束可用以選擇性地 移除部分透明導電層12'，而無法使用額外光罩來形成多個分離的凹部27或凹槽。對照于第一實施例，光罩四延伸于第一透明導電層12'的表面，并具有多個圓形 開口 30，而暴露出在下面的氧化鋅，因而可選擇性地移除氧化鋅于此些所暴露的區域。選擇 性移除過程可進行一預設時間，以形成凹部27的預期沉度，如圖19所示。在圖16所顯示的實施例中，第一透明導電層12'包括二次層31、32，此二次層的 摻雜層級可不相同，因而此二次層31、32之間的界面33可作為一蝕刻終止，其可通過調整 上層32的摻雜來實現，因此，相較于下層31的材料，上層32可更迅速地被蝕刻。在一實施例中，此二次層31、32的材料是不相同，因此，相較于下層31的材料，上 層32可更迅速地被選擇性蝕刻液所蝕刻。在一實施例中，此下層31為SnO2，而此上層32 為摻雜有鋁或硼的&ι0，且稀釋HCl的蝕刻液可用以形成多個分離的凹部于此上ZnO層32。接著，沈積此硅層14于具有多個分離的凹部27的第一透明導電層12'上，凹部 27的側壁和底部是覆蓋有硅層。如上述實施例，此硅層14包括三個次層19、20、21，第一次 層19為正極摻雜型，第二次層20為本質硅，此第三次層21為負極摻雜型，藉以提供p-i-n 主動光伏結構。由于此硅層14是連續平順地沈積于第一透明導電層上，因而可視為具有折 迭結構，其接面同時包含有垂直和水平的區域。圖16通過新的”瑞士奶酪(Swiss cheese) ”形式設計，來顯示如圖1的相似結構TCO層12和13是形成于基材(基材)11上，在TCO層13中，孔洞是被蝕穿至層12，此些孔 洞27是緊密地分布于整個區域，如圖17所示。而非晶硅層是連續平順地被沈積。然后，TCO 層15覆蓋于其上。或者，TCO層12和13可為厚TCO層，接著，其通過蝕刻制程來蝕刻至特 定深度。圖17顯示基材11 (基板)的上視圖，并覆蓋具有TCO層13的TCO層12，而孔洞 27是蝕穿于TCO層13中。雙層或多層硅結構可沈積于具有多個分離凹部27結構的第一透明導電層12' 上，如圖20所示，而非分離柱狀部13。又，第二透明導電層15是沈積于硅層14上，接著，背 反射層16形成于第二透明導電層15上。圖20顯示具有基材12'(基板)的光伏電池，多TCO層是形成于基材12'上。此 層13可較厚于圖1的層13，且孔洞的直徑可大于圖16，并蝕穿至基材12'，此些孔洞2是 緊密地分布于整個區域。此設計可使用于沈積串接式或三接面電池。此時，在沈積第一吸 收層14后，接著，依序沈積第二吸收層M、TCO層15及背反射層16。圖21顯示依據本發明的第四實施例的光伏電池10〃的示意圖。在本實施例中， 此玻璃基材11'是用以提供多個突出部36于主要表面37上，突出部36可具有柱狀、球狀 或金字塔狀，且突出部36可具有圓筒形、方形或矩形截面。于玻璃基材11'上的突出部36 亦可配置成規則排列。本實施例的玻璃基材1Γ包括第一透明導電層12〃，如上述實施例，其可為透 明導電氧化物，例如摻雜有鋁或硼的氧化鋅，第一透明導電層12"是連續地位于玻璃基材 11'的結構表面上。此光伏電池10〃亦包括電荷分離接面，例如p-n接面或n-p接面，此硅層14是連 續地位于第一透明導電層12"上，第二透明導電層15是位于硅層14上，藉以填充于突出部 36之間的區域并作為最外的平坦層，反射層16是位于第二透明導電層15上。雙層或多層硅結構亦可形成于具有結構化玻璃基材的光伏電池10"中。在上述實施例中，光伏電池10、10'、10〃包括玻璃基材11、11'，其是參考于基 板和背反射層16。然而，在又一實施例中，此光伏電池可包括非透明基材37，例如金屬基材 或高分子基材，如圖22所示。在一些實施例中，此反射層16是被省略，而由基材37來進行此功能。在這些實施 例中，第二透明導電層15可作為光伏電池100的前方，用以照射于光子，而基材37是配置 于其后方。在這些實施例中，相較于具有玻璃基材11的光伏電池10、10'、10〃，正極充電19 和負極充電21的順序是被反轉。η層21是沈積于第一透明導電層17，本質層20是位于η 層21上，ρ層19是位于本質層20上。此ρ層19是面對于光伏電池100的前方表面。在上述實施例中，可理解的是，基材具有小尺寸，其大于1mm2。可理解的是，此相似TCO納米結構亦可使用金屬或塑料薄膜。TCO納米結構并限于生成ZnO納米棒狀結構(納米柱狀部、納米圓柱)，此制造方 法并不限于選擇性地蝕刻TCO層，一相似的電荷收集納米結構電極可直接蝕刻于玻璃基板 中，或凸設于塑料或金屬基材。在一例子中，利用連續平順或納米粗糙TCO的納米結構化基 板或基材可形成相似功能的電荷收集電極。
再者，結構化的玻璃可利用光刻技術(photolithography)來制造，結構的高度和 間距可變化于在太陽能電池的大范圍沈積中，并發生于此些結構的上方。此外，棒狀的納米結構亦可為圓錐、金字塔形或半球狀的幾何結構，此些結構的頂 點可進行平坦化，藉以較易制造，且有利于確保連續平順的沈積層。在又一實施例中，不同于上述ZnO納米柱或相似的納米結構，可使用多孔膜形式 的TCO層，其表示基本上圓孔(直徑約500nm的孔洞)是蝕穿于(輕摻雜)TCO層13 (具有 厚度介于300-1000nm)，直到另一 TCO層12，其具有良好的導電性，以收集光生載子。此”瑞 士奶酪”狀基材或基板是用以連續平順地沈積吸收層的p-i-n結構，例如非晶硅。接著，此p-i-n結構，例如非晶硅，是沈積于基板上，并具有基本的吸收層厚度，其 約150-200nm。然不限于此厚度范圍，由于在任何沈積過程中，納米柱或孔上的覆蓋并無法 完美且本質連續平順地形成，因而厚度會產生變化。孔洞不需為規則形狀，孔洞可為圓筒 形、筒形、圓錐形或其它形狀。在串接式電池中，先沈積此p-i-n非晶硅結構，接著沈積另一 p-i-n結構，其是由 低能隙材料所制成，例如微結晶、納米結晶硅或硅鍺合金。如圖11所示的孔洞是蝕穿于TCO 層13中，并具有大直徑(至少約為1至2微米)，在非晶硅單接面電池的例子中，TCO層13 的厚度(約0. 5至2微米)可較大于非晶硅太陽電池的例子。圖4的單接面結構(吸收層為非晶、納米結晶、微米結晶硅或再結晶硅)是覆蓋有 第二電荷收集電極15，其是由TCO或TCO/金屬的組合所制成，并沈積于此折迭吸收層14， 如圖5所示，在此例中，僅使用TC0，并增設反射層16于此太陽能電池中。此背反射層16可包含白色染色的介電反射媒介，其例如描述于美國專利第 11/044，118號。此背反射層亦可由金屬所制成，例如鋁或銀。本發明并不限于單接面電池，其可應用于串接式或三接面電池，關于串接式非晶/ 微結晶電池的概略圖式和說明是顯示于圖11和圖20中，并覆蓋有第二電荷收集電極，其是 由TCO或TCO/金屬的組合所制成，并沈積于此折迭吸收層，且填充于其之間的納米間隙。在 簡單TCO層的例子中，此背反射層可包含白色染色的介電反射媒介。薄膜硅，例如非晶硅、納米微米結晶硅，可利用等離子增強化學氣相淀積(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)來進行沈積，單或多接面太陽能電池可具 有納米結構化的基材或基板，并包括由透明導電氧化物(TCO)所制成的電極，其形成納米 柱狀部，此薄膜硅是沈積于此些納米柱狀部上。因此，對于光以垂直方向進入基材或基板而 言，此電池是光學上地較厚。對于光生載子在電極之間的傳輸而言，此電池是電性上地同 樣薄。因此，實際上所有的光生電荷載子可被收集于P-i-n型結構，即使是在較不利的例子 中，如具有光吸收所造成的性能衰退的非晶硅或具有高缺陷濃度的納米及微米結晶硅。且 第二電荷收集電極是由TCO或TCO/金屬的組合所制成，并沈積于此折迭吸收層，且填充于 其之間的納米間隙。更可理解的是，本發明可提供此瑞士奶酪形式(Swiss cheeSe)TC0結構。
權利要求
1.一種光伏電池，其特征在于包括基材載板；第一透明導電層，位于所述基材載板上，并包括多個分離的透明導電突出區域或多個 分離凹部；硅層，包括電荷分離接面，并覆蓋于所述第一透明導電層以及所述多個分離的透明導 電突出區域或所述多個分離凹部；以及第二透明導電層，位于所述硅層上。
2.根據權利要求1的光伏電池，其特征在于所述電荷分離接面具有外形輪廓，其相似 于所述第一透明導電層的外形輪廓。
3.根據權利要求1或2的光伏電池，其特征在于所述電荷分離接面包含交替配置的 大致垂直區域與大致水平區域。
4.根據上述的其中一項的光伏電池，其特征在于所述硅層是連續平順地位于所述第 一透明導電層上。
5.根據上述的其中一項的光伏電池，其特征在于所述第二透明導電層是連續平順地 位于所述硅層上。
6.根據上述的其中一項的光伏電池，其特征在于所述多個分離的透明導電突出區域 或所述多個分離凹部的尺寸是介于納米尺寸與微米尺寸之間。
7.根據上述的其中一項的光伏電池，其特征在于所述多個分離的透明導電突出區域 或所述多個分離凹部是大致垂直延伸于所述基材載板的主要表面。
8.根據上述的其中一項的光伏電池，其特征在于所述多個分離的透明導電突出區域 或所述多個分離凹部是配置成約略有序排列。
9.根據權利要求8的光伏電池，其特征在于所述約略有序排列具有緊密六角形排列 或緊密的隨機排列。
10.根據上述的其中一項的光伏電池，其特征在于每一所述分離透明導電納米尺寸 突出區域或所述微米尺寸的多個分離凹部具有更多柱狀、圓錐、金字塔形或半球狀的其中 一個形式。
11.根據上述的其中一項的光伏電池，其特征在于所述基材載板包含多個納米尺寸 突出區域，所述第一透明導電層是連續平順地位于所述基材載板上，所述硅層是連續平順 地位于所述第一透明導電層上。
12.根據上述的其中一項的光伏電池，其特征在于所述第二透明導電層所填充的區 域是位于所述硅層的所述突出區域之間。
13.根據上述的其中一項的光伏電池，其特征在于所述電荷分離接面是pn接面與Pin 接面的其中之一。
14.根據上述的其中一項的光伏電池，其特征在于所述硅層包含P型半導體層、本質 層及η型半導體層，且是由非晶硅、納米結晶硅、微米結晶硅或再結晶多晶硅所形成。
15.根據上述的其中一項的光伏電池，其特征在于所述硅層包含第一沈積p-i-n堆 積，其吸收能隙是大于第二沈積P-i-n堆積的吸收能隙。
16.根據權利要求15的光伏電池，其特征在于所述第一沈積p-i-n堆積包含非晶硅， 所述第二沈積P-i-n堆積包含納米結晶硅或微米結晶硅。
17.根據權利要求1至14的其中一項的光伏電池，其特征在于所述硅層包含第一沈 積p-i-n堆積、第二沈積p-i-n堆積及第三沈積p-i-n堆積，所述第一沈積P_i_n堆積具有 第一吸收能隙，所述第二沈積P-i-n堆積具有第二吸收能隙，所述第三沈積p-i-n堆積具有 第三吸收能隙，其中所述第二吸收能隙是大于所述第三吸收能隙，所述第一吸收能隙是大 于所述第二吸收能隙。
18.根據上述的其中一項的光伏電池，其特征在于所述P型半導體層是位于所述第一 透明導電層上，所述本質層是位于所述P型半導體層上，所述η型半導體層是位于所述本質 層上。
19.根據上述的其中一項的光伏電池，其特征在于還包括反射層，其位于所述第二透 明導電層上。
20.根據權利要求19的光伏電池，其特征在于所述反射層包含白色染色的介電反射 媒介。
21.根據上述的其中一項的光伏電池，其特征在于所述基材載板是玻璃。
22.根據權利要求1至16的其中一項的光伏電池，其特征在于所述η型半導體層是 位于所述基材載板上，所述本質層是位于所述η型半導體層上，所述ρ型半導體層是位于所 述本質層上。
23.根據權利要求22的光伏電池，其特征在于所述基材載板包含金屬或塑料。
24.根據權利要求22或23的光伏電池，其特征在于還包含導電層，其包含金屬，并位 于所述基材載板上。
25.一種用以制造光伏電池的方法，其特征在于包括提供基材載板；沈積第一透明導電層于所述基材載板上；形成多個分離透明導電突出區域于所述第一透明導電層上或形成多個分離凹部于所 述第一透明導電層中；沈積硅層，其包括電荷分離接面，并覆蓋于所述第一透明導電層及所述多個分離透明 導電突出區域或所述多個凹部；以及沈積第二透明導電層于所述硅層上。
26.根據權利要求25的方法，其特征在于緊密層是以透明導電材料來進行沈積，并被 選擇性地移除，以產生所述多個分離透明導電突出區域或所述多個分離凹部。
27.根據權利要求25或26的方法，其特征在于多個分離金屬島是沈積于所述緊密層 上，而所述金屬島以外的區域是利用選擇性蝕刻來移除，以產生多個由透明導電材料所制 成的突出區域。
28.根據權利要求25或沈的方法，其特征在于圖案化光阻層是形成于所述緊密層以 及蝕刻于所述緊密透明導電層中的分離凹部上。
29.根據權利要求27或觀的方法，其特征在于所述凹部的深度或所述突出區域的高 度是利用蝕刻時間來控制。
30.根據權利要求25至四的其中一項的方法，其特征在于第一緊密層是以第一透明 導電材料來沈積，且具有第一組成，第二緊密層是以第二透明導電材料來沈積，且具有第二 組成，所述第二緊密層是被選擇性地蝕刻移除，直到蝕刻至所述第一緊密層與所述第二緊密層之間的界面。
31.根據權利要求M至30的其中一項的方法，其特征在于所述第一透明導電層是利 用反應性離子蝕刻來進行結構化，以產生所述多個分離透明導電突出區域或所述多個分離 凹部。
32.根據權利要求25或26的方法，其特征在于所述第一透明導電層是利用電子束光 刻技術來進行結構化，以產生具有透明導電材料的所述多個分離突出區域或所述多個分離 凹部。
33.根據權利要求25至32的其中一項的方法，其特征在于所述多個分離突出區域或 所述多個凹部是呈一或更多柱狀、圓錐、金字塔形或半球狀的形式。
34.根據權利要求25至33的其中一項的方法，其特征在于所述硅層是連續平順地沈 積于所述第一透明導電層，以及所述多個分離突出區域或所述多個凹部上。
35.根據權利要求25至34的其中一項的方法，其特征在于所述第二透明導電層是連 續平順地沈積于所述硅層上。
36.根據權利要求25至35的其中一項的方法，其特征在于所述第二透明導電層是填 充于相鄰突出區域之間的區域，或填充于所述凹部中。
37.根據權利要求25至36的其中一項的方法，其特征在于所述硅層是由三個次層所 形成，并形成所述硅層以及p-i-n或n-i-p電荷分離接面。
38.根據權利要求25的方法，其特征在于所述基材載板是被結構化，以產生多個分離 突出區域或多個分離凹部。
39.根據權利要求38的方法，其特征在于所述第一透明導電層是連續平順地沈積于 所述基材載板上，所述硅層是連續平順地沈積于所述第一透明導電層。
40.根據權利要求25至39的其中一項的方法，其特征在于所述基材載板是玻璃，而 另一反射層是沈積于所述第二透明導電層上。
全文摘要
一種光伏電池(10)是被提供，其包括基材載板(11)、第一透明導電層(12)位于基材載板(11)上且包括多個分離的透明導電突出區域(13)或多個分離凹部。硅層(14)包括電荷分離接面，并覆蓋住第一透明導電層(12)以及此多個分離的透明導電突出區域(13)或多個分離凹部，第二透明導電層(15)是位于硅層(14)上。
文檔編號H01L31/0236GK102047436SQ200980112462
公開日2011年5月4日 申請日期2009年3月20日 優先權日2008年3月21日
發明者俄瑞·奇克羅, 米蘭·瓦涅切克, 約翰·密爾 申請人:歐瑞康貿易特魯貝屈股份有限公司, 費茲卡尼厄斯達Av Cr公司