具摻雜碳化硅層的結晶硅太陽能電池及其制造方法
【專利摘要】本發明公開一種具摻雜碳化硅層的結晶硅太陽能電池及其制造方法，所述太陽能電池包括具有粗糙化的第一表面的半導體基板；一設置于所述第一表面的摻雜碳化硅層，所述摻雜碳化硅層包含一摻雜元素；一抗反射層；多個設置于所述抗反射層上且穿透所述抗反射層的正面電極；以及設置于所述半導體基板第二表面的背面電極層。摻雜碳化硅層由于具有與半導體基板的摻雜型反向的摻雜以及碳化硅成分，具有低電阻及寬能隙特性，因此所述摻雜碳化硅層可作為太陽能電池的射極，且摻雜碳化硅層對太陽光的吸收較少，可增加進入半導體基板的光量，進而提升太陽能電池的光電轉換率。
【專利說明】具摻雜碳化硅層的結晶硅太陽能電池及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種太陽能電池，特別是關于一種具摻雜碳化硅層的結晶硅太陽能電池及其制造方法。
【背景技術】
[0002]由于石化能源短缺，人們對環保重要性的認知提高，因此人們近年來不斷地積極研發替代能源與再生能源的相關技術，希望可以減少目前人類對于石化能源的依賴程度以及使用石化能源時對環境帶來的影響。在眾多的替代能源與再生能源的技術中，以太陽能電池(solar cell)最受矚目。主要是因為太陽能電池可直接將太陽能轉換成電能，且發電過程中不會產生二氧化碳或氮化物等有害物質，不會對環境造成污染。
[0003]一般而言，現有結晶硅太陽能電池通常是于半導體基板的表面利用擴散(diffus1n)或離子布植(1n implantat1n)方式來摻雜反向雜質(counter-doping)以形成射極并于其上方制作電極。當光線由外側照射至硅晶太陽能電池時，P-N接面的載子空乏區因受光子激發而產生自由電子-電洞對，并通過P-N接面所形成的內電場使電子與電洞分離，電子與電洞會分別往兩端的電極移動，此時若外加負載電路或電子裝置，便可形成電流使電路或裝置進行驅動。
[0004]由于太陽光的頻譜有各種不同的波長，而不同波長的太陽光會被不同能隙的半導體材料所吸收，當太陽能電池照光時，若入射的光子能量大于半導體材料的能隙，光子將會被半導體材料吸收而產生電子-電洞對。若入射的光子能量小于半導體材料的能隙時，光子將直接穿透半導體材料而不被吸收，故能隙愈小的材料會吸收較大范圍的太陽光。但能隙過小的材料會有過度光子能量損失的問題，所以研究者皆須在材料選擇和元件光電特性選擇上取得平衡。
[0005]目前已知有利用寬能隙材料來制作太陽能電池的技術，如圖6所示，美國公開專利US20120175636揭示了一種具有表面寬能隙層與感光二極管的太陽能電池。所述太陽能電池是先形成一 P型半導體層121’，接著形成N型半導體層123’以完成一具有P-N接面的感光二極管120’，接著再于所述N型半導體層123’在相對于P型半導體層121’的面上形成一寬能隙材料層130，然后于所述寬能隙材料層130上設置一抗反射層(ant1-reflectivelayer, ARL) 160，以及數個穿透所述抗反射層160與所述寬能隙材料層130的電極510，使得所述寬能隙材料層130被設置于所述抗反射層160與作為射極的N型半導體層123’之間，背面電極520形成于P型半導體層121’相對于N型半導體層123’的面上，負載530兩端分別與電級510與背面電極520連接便可形成電路，所述寬能隙材料層可為碳化硅、氮化硅、氮化硅碳、P+型碳化硅(P+_SiC)、P+型氮化硅(P+_SiN)、P+型氮化硅碳(P+-SiCN)，通過前述寬能隙材料層130增加藍光的穿透率而提升光電轉換率。
【發明內容】
[0006]本發明的主要目的為提供一種具摻雜碳化硅層的結晶硅太陽能電池及其制造方法，使其可提升太陽能電池的效率。
[0007]為實現上述目的，本發明提供一種具摻雜碳化硅層的結晶硅太陽能電池，包含:半導體基板、抗反射層、多個正面電極與一背面電極層；其中所述半導體基板具有粗糙化的一第一表面，所述第一表面設有一摻雜碳化娃層，所述摻雜碳化娃層包含一摻雜兀素；抗反射層設置于摻雜碳化硅層上；多個正面電極設置于所述抗反射層上且穿透所述抗反射層并與所述摻雜碳化硅層接觸；而背面電極層設置于半導體基板一第二表面。
[0008]其中，所述半導體基板為P型半導體基板或N型半導體基板。
[0009]其中，當所述半導體基板為P型半導體基板時，所述摻雜碳化硅層的所述摻雜元素為N型，其中N型的所述摻雜元素為磷、砷、銻、鉍或其組合。
[0010]其中，當所述半導體基板為N型半導體基板時，所述摻雜碳化硅層的所述摻雜元素為P型，其中P型的所述摻雜元素為硼、鋁、鎵、銦、鉈或其組合。
[0011]其中，所述半導體基板為一單晶娃基板或一多晶娃基板。
[0012]本發明還提供一種具摻雜碳化硅層的結晶硅太陽能電池制造方法，包含:提供一半導體基板；以離子植入法將碳元素植入半導體基板的一第一表面再以高溫退火而形成一碳化娃層；摻雜一摻雜兀素至碳化娃層，使碳化娃層成為一摻雜碳化娃層；形成至少一抗反射層于所述摻雜碳化硅層上；形成多個正面電極于所述抗反射層上；及形成一背面電極于所述半導體基板的一第二表面。
[0013]其中，所述半導體基板為P型半導體基板或N型半導體基板。
[0014]其中，當所述半導體基板為P型半導體基板時，所述摻雜碳化硅層的所述摻雜元素為N型，其中N型的所述摻雜元素為磷、砷、銻、鉍或其組合。
[0015]其中，當所述半導體基板為N型半導體基板時，所述摻雜碳化硅層的所述摻雜元素為P型，其中P型的所述摻雜元素為硼、鋁、鎵、銦、鉈或其組合。
[0016]其中，所述半導體基板為一單晶娃基板或一多晶娃基板。
[0017]由于碳化硅具有極佳的電子特性，包括輻射硬度、高擊穿電場、相對寬的能隙、高飽和電子漂移速度、高溫運作及在光譜的藍色、紫色及紫外線區域吸收并發射高能量光子等特點，本發明以具有摻雜的碳化硅層作為太陽能射極。相較于現有太陽能電池，當本發明的具摻雜碳化硅層的結晶硅太陽能電池被太陽光照射時，摻雜碳化硅層能允許更多的光子穿透并進入半導體基板，使P-N接合面產生更多的電子電洞對，且摻雜碳化硅層具有寬能隙，因此有較低的本質載子濃度Iii,導致暗電流較小，而會有較高的開路電壓，使太陽能電池的效率得以提升。
[0018]以下結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述，但不作為對本發明的限定。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1A為本發明的具摻雜碳化硅層的結晶硅太陽能電池剖面的第一示意圖。
[0020]圖1B為本發明的具摻雜碳化硅層的結晶硅太陽能電池剖面的第二示意圖。
[0021]圖1C為本發明的具摻雜碳化硅層的結晶硅太陽能電池剖面的第二示意圖。
[0022]圖2為本發明的具摻雜碳化硅層的結晶硅太陽能電池剖面示意圖。
[0023]圖3為本發明的具摻雜碳化硅層的雙面結晶硅太陽能電池剖面示意圖。
[0024]圖4為本發明的選擇性射極的結晶硅太陽能電池剖面示意圖。
[0025]圖5為本發明的具摻雜碳化硅層的結晶硅太陽能電池的制造方法流程圖；
[0026]圖6為現有的一種具有表面寬能隙層與感光二極管的太陽能電池的示意圖。
【具體實施方式】
[0027]請參考圖1A至圖1C，其為本發明的具摻雜碳化硅層的結晶硅太陽能電池的摻雜碳化硅層的制作步驟示意圖。首先，提供一具粗糙化表面的半導體基板10，以離子植入法將碳元素(圖中以C表示碳元素)植入半導體基板10的第一表面再以高溫退火的方式形成碳化硅層22，如圖1A、圖1B所示。通過控制提供碳元素的能量大小，來控制碳元素植入半導體基板的深度。例如，可控制碳元素的植入深度為小于2微米(μ m)，亦即，使碳化硅層深度為2微米。接著，再以與所述半導體基板10的摻雜型相反的一摻雜元素進行反向摻雜而使碳化硅層22形成摻雜碳化硅層24。接著，再以現有的太陽能電池的制造步驟形成抗反射層、正面電極與背面電極，即可構成圖2的太陽能電池。
[0028]請參考圖2，其為本發明為提供一種具摻雜碳化硅層的結晶硅太陽能電池的一實施例，包含:半導體基板10、抗反射層30、多個正面電極40、P+摻雜層50、與背面電極層60。半導體基板10具有粗糙化的一第一表面且所述半導體基板10具有一摻雜型，接著對所述半導體基板10的第一表面以離子植入法植入碳元素并以高溫退火為一碳化硅層22，再以與所述半導體基板10的摻雜型相反的一摻雜元素進行反向摻雜而使碳化硅層22成為一摻雜碳化娃層24。抗反射層30設置于摻雜碳化娃層24上。正面電極40設置于抗反射層30上并穿透抗反射層30以與摻雜碳化硅層24接觸，由于本實施例中的摻雜碳化硅層24為射極，因此正面電極40會與摻雜碳化硅層24接觸但并不會穿透摻雜碳化硅層24，而背面電極層60設置于半導體基板10的第二表面。
[0029]其中，半導體基板10可為光電轉換基板,更可為單晶娃基板、多晶娃基板等。于本實施例中，半導體基板10為N型半導體基板；在另一實施例中，或P型半導體基板。本實施例的半導體基板10具有第一表面(正面)為光入射表面，而第二表面(背面)為背光表面。
[0030]摻雜碳化娃層24通過于半導體基板10的表面布植一反向雜質所形成,摻雜方式可通過離子布植方式進行。當半導體基板10為P型半導體基板時，則反向摻雜為N型摻雜元素，例如但不限于磷、砷、銻、鉍、或其任二者(含)以上的組合。當半導體基板10為N型半導體基板時，則反向摻雜為P型摻雜元素，例如但不限于硼、鋁、鎵、銦、鉈、或其任二者(含)以上的組合。在一實施例中，摻雜元素的濃度介于IXlO19至5X102°原子/cm3之間。在其它實施例中，摻雜元素的濃度可以小于I X 119原子/cm3，或介于5 X 120至I X 121原子/cm3之間。
[0031]其中，摻雜碳化硅層24的底面構成P-N接面(Junct1n)，此P-N接面兩端會形成載子空乏區(deplet1n reg1n)。
[0032]由于利用摻雜碳化硅層形成的N接面，具有較透明的特性，可使太陽光照射摻雜碳化硅層會把大部份的太陽光穿透到半導體基板。此外，因其具有較寬的能隙，所以太陽能被光照射時，在P-N接合面所產生電子電洞對較多而產生較高的電壓與電流。此時，載子空乏區提供內建電場，將產生的自由電子送往N極，電洞送往P極。因此產生了電流，此時只要外加電路將兩端連接即可利用太陽能電池所產生的電力。
[0033]本發明的摻雜碳化硅層亦可應用于雙面太陽能電池，如圖3所示，一種具摻雜碳化娃層的雙面結晶娃太陽能電池的一實施例，包含:半導體基板10、摻雜碳化娃層24、抗反射層30、多個正面電極40、摻雜碳化娃層25、抗反射層32與背面電極62。其中半導體基板10為P型，摻雜碳化硅層24的摻雜元素為N型摻雜，摻雜碳化硅層25的摻雜元素為P型摻雜。
[0034]本發明的摻雜碳化硅層亦可應用于選擇性射極的結晶硅太陽能電池，如圖4所示，所述選擇性射極的結晶硅太陽能電池的剖面分層示意圖，其由上至下依序為:正面電極40、抗反射層31、摻雜碳化硅層24、重摻雜層26、半導體基板10 (P型半導體基板)、P+摻雜層50、背面電極層60、背面電極62。由圖4可得知，在正面電極40的下方，制作高摻雜濃度(例如，大于IXlO21原子/cm3)的N++區，亦即，重摻雜層26，以達到降低接面電阻(contactresistance, Re)的目的。而其它受光照射區,貝U制作摻雜碳化娃層24。而N型摻雜的工藝，一般采用擴散(Diffus1n)工藝，其運用濃度較高的POCl3 (蒸氣或液態)，并通過控制溫度與擴散時間來達到預期的摻雜濃度。一般而言，低摻雜運用較低濃度的POCl3來進行摻雜，而高摻雜則運用較高濃度的POCl3來進行摻雜。
[0035]接著，請參考圖5，其為本發明具摻雜碳化硅層的結晶硅太陽能電池的制造方法的流程圖，包含以下的步驟:
[0036]SllO:提供一半導體基板。
[0037]S120:以離子植入方式將碳元素植入所述半導體基板并以高溫退火而形成一碳化硅層。通過控制提供碳元素的能量大小，來控制碳元素植入半導體基板的深度。例如，可控制碳元素的植入深度為小于2微米，亦即，使碳化硅層深度為2微米。
[0038]S130:擴散一摻雜元素至所述碳化硅層，使所述碳化硅層成為一摻雜碳化硅層。在一實施例中，摻雜元素的濃度介于I X 119至5 X 120原子/cm3之間。在其它實施例中，摻雜元素的濃度可以小于I X 119原子/cm3,或介于5 X 120至I X 121原子/cm3之間。
[0039]S140:形成至少一抗反射層于所述摻雜碳化硅層上。
[0040]S150:形成多個正面電極于所述抗反射層上。
[0041]S160:形成一背面電極于所述半導體基板的一第二表面。
[0042]其中半導體基板為P型半導體基板或N型半導體基板。當半導體基板為P型半導體基板時，摻雜碳化硅層的摻雜元素為N型。N型的摻雜元素為磷、砷、銻、鉍、或其組合。
[0043]其中當半導體基板為N型半導體基板時，摻雜碳化硅層的摻雜元素為P型。P型的摻雜元素為硼、招、鎵、銦、銘、或其組合。
[0044]其中半導體基板為一單晶娃基板或一多晶娃基板。其中每個正面電極下方的摻雜碳化娃層更摻雜有一重摻雜層。重摻雜層的摻雜兀素的濃度高于摻雜碳化娃層，以降低接面電阻。
[0045]由于碳化硅具有相對寬的能隙，當太陽能電池被太陽光照射時，摻雜碳化硅層能允許更多的光子穿透并進入半導體基板，使P-N接合面產生更多的電子電洞對，且摻雜碳化硅層具有寬能隙的特性，因此有較低的本質載子濃度Iii,導致暗電流較小，而有較高的開路電壓，使太陽能電池的效率得以提升。因此通過本發明的具有與半導體基板的摻雜型反向摻雜的摻雜碳化硅層作為射極即可同時實現提高光入射率與提升光電轉換率的功效，相較于現有技術而言，本發明的摻雜碳化硅層具有比現有碳化硅層更多的功能，故僅需一層如本發明的摻雜碳化硅層即可達成前述的發明目的。
[0046]當然，本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本發明權利要求的保護范圍。
【權利要求】
1.一種具摻雜碳化硅層的結晶硅太陽能電池，其特征在于，包含: 一半導體基板，所述半導體基板具有粗糙化的一第一表面，所述第一表面設有一摻雜碳化娃層，所述摻雜碳化娃層包含一摻雜兀素； 一抗反射層，設置于所述摻雜碳化娃層上； 多個正面電極，設置于所述抗反射層上且穿透所述抗反射層并與所述摻雜碳化硅層接觸；及 一背面電極層，設置于所述半導體基板一第二表面。
2.如權利要求1所述的具摻雜碳化硅層的結晶硅太陽能電池，其特征在于，所述半導體基板為P型半導體基板或N型半導體基板。
3.如權利要求2所述的具摻雜碳化硅層的結晶硅太陽能電池，其特征在于，當所述半導體基板為P型半導體基板時，所述摻雜碳化硅層的所述摻雜元素為N型，其中N型的所述摻雜元素為磷、砷、鋪、秘或其組合。
4.如權利要求2所述的具摻雜碳化硅層的結晶硅太陽能電池，其特征在于，當所述半導體基板為N型半導體基板時，所述摻雜碳化硅層的所述摻雜元素為P型，其中P型的所述摻雜元素為硼、招、鎵、銦、銘或其組合。
5.如權利要求1所述的具摻雜碳化硅層的結晶硅太陽能電池，其特征在于，所述半導體基板為一單晶硅基板或一多晶硅基板。
6.一種具摻雜碳化硅層的結晶硅太陽能電池的制造方法，其特征在于，包含: 提供一半導體基板； 以離子植入法將碳元素植入所述半導體基板的一第一表面再以高溫退火而形成一碳化娃層； 摻雜一摻雜兀素至所述碳化娃層，使所述碳化娃層形成一摻雜碳化娃層； 形成至少一抗反射層于所述摻雜碳化硅層上； 形成多個正面電極于所述抗反射層上；及 形成一背面電極于所述半導體基板的一第二表面。
7.如權利要求6所述的具摻雜碳化硅層的結晶硅太陽能電池的制造方法，其特征在于，所述半導體基板為P型半導體基板或N型半導體基板。
8.如權利要求7所述的具摻雜碳化硅層的結晶硅太陽能電池的制造方法，其特征在于，當所述半導體基板為P型半導體基板時，所述摻雜碳化硅層的所述摻雜元素為N型，其中N型的所述摻雜元素為磷、砷、銻、鉍或其組合。
9.如權利要求7所述的具摻雜碳化硅層的結晶硅太陽能電池的制造方法，其特征在于，當所述半導體基板為N型半導體基板時，所述摻雜碳化硅層的所述摻雜元素為P型，其中P型的所述摻雜元素為硼、鋁、鎵、銦、鉈或其組合。
10.如權利要求6所述的具摻雜碳化硅層的結晶硅太陽能電池的制造方法，其特征在于，所述半導體基板為一單晶硅基板或一多晶硅基板。
【文檔編號】H01L31/0224GK104282777SQ201410045037
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年2月7日 優先權日:2013年7月9日
【發明者】戴煜暐, 陳偉銘, 洪傳獻 申請人:新日光能源科技股份有限公司