专利名称：太阳能电池及其制造方法
技术领域：
本发明涉及太阳能电池，尤其涉及具有改良光吸收效率的太阳能电池 及该太阳能电池的制造方法。
背景技术：
为响应石化燃料之枯竭及预防环境污染，例如太阳能的洁净能源已备 受瞩目；尤其，用以将太阳能转换成电能的太阳能电池已被迅速开发出来。 太阳能电池可分成太阳热电池(solarthermal cell)及光伏太阳能电池，太阳热 电池利用太阳热能产生用以转动涡轮的蒸气，而光伏太阳能电池则利用半 导体将太阳光子转换成电能。
在这些太阳能电池之中，广泛地开发出利用正(P)型半导体之电子及 负(N)型半导体之空穴(hole)而吸收光并将光转换成电能之光伏太阳能电 池。此后，即称光伏太阳能电池为太阳能电池。
利用半导体的太阳 能电池具有与PN结二级管实质上相同的结构。当 光照射在P型半导体与N型半导体之间的部分上时，在半导体中之电子及 空穴即因光能而被诱导出来。 一般而言，当被照射到能量小于半导体之带 隙能量的光时，电子及空穴具有微弱互动作用；另一方面，当被照射到能 量小于半导体之带隙能量的光时，在共价键中之电子受到激发而形成作为 载体之电子-空穴对。由光所产生之载体因重组而具有稳态，由光所产生之 电子及空穴因内部电场而被分别传送至N型半导体及P型半导体内。因此， 电子及空穴分别集中于对向电极上而作为电力使用。
另一方面，半导体的薄膜是通过气相成长法、喷雾热裂解法(spray pyrolysis method)、区域熔融再结晶法、固相结晶法其中之一而形成，区域 熔融再结晶法(zone melting re-crystallization method )及固相结晶法具有相 当高的效率；然而，由于其需要高处理温度，故无法使用玻璃基板或金属 材料。这些方法需要具有高热稳定性的基板，如此使得制造成本增加。为满足制造成本上的要求，非晶硅薄膜或多晶化合物薄膜系通过气相成长法 或喷雾热裂解法加以沉积。然而，由于这些方法效率并不佳，例如小于约 10%，故必须研究具有高效率且可用于玻璃基板上的太阳能电池的制造方 法。
图1为现有技术太阳能电池的横截面图。参照图l，太阳能电池10包 含基板12及堆叠于基板12上的透明导电氧化物电极14、P型半导体层16、 本征半导体层18、 N型半导体层20、及金属电极22。
现有技术太阳能电池具有平坦形状。因此，当作为活性层的本征半导 体吸收经过基板及透明导电氧化物电极的光而产生电子-空穴对时，应形成 厚的本征半导体，或者必须为具有迭层接合结构(例如串行结构)的双电 池(dual cell),以增加吸收光量。
发明内容
如上所述，为增加作为活性层的本征半导体层所吸收的光量，有数种 状况，例如太阳能电池具有较厚的本征半导体层；然而，其却引发制造成 本及制造时间增加的问题。另一方面，提供了具有作为迭层接合结构的双 电池的本征半导体层的太阳能电池；然而，其引发制造成本及制造时间增 加的问题，且劣化可能性亦增加。
因此，本发明的实施方案涉及基本上消除由于现有技术之限制及缺点 所致的一个或多个问题的太阳能电池及其制造方法。
本发明的实施方案的目的在于提供具有本征半导体层作为活性层的太 阳能电池及该太阳能电池的制造方法、所述活性层吸收增加量的光。
为达成这些及其它优点，并根据本发明实施方案的目的，如具体化及 广泛说明的， 一种太阳能电池，包含在基板上的第一电极；在该第一电 极上的多个支柱；在该第一电极上的半导体层，其中该半导体层的表面积 大于该第一电极的表面积；及在该半导体层上方的第二电极。
在另一方面， 一种制造太阳能电池的方法，包含在基板上形成第一 电极；在该第一电极上形成多个支柱；在该第一电极上形成半导体层，其 中该半导体层的表面积大于该第一电极的表面积；及在该半导体层上方形 成第二电极。在另一方面， 一种太阳能电池，包含在基板表面上的多个支柱；在 该具有多个支柱的基板的表面上的第一电极；在该第一电极上的半导体层， 其中该半导体层的表面积大于该基板的表面积；及在该半导体层上方的第 二电极。
在另一方面， 一种太阳能电池的制造方法，包含在基板表面上形成 多个支柱；在该具有该多个支柱的基板表面上形成第一电极；在该第一电 极上形成半导体层，其中该半导体层的表面积大于该基板的表面积；及在 该半导体层上方形成第二电极。
有益效果
在根据本发明的太阳能电池及其制造方法中，存在形成步阶差(step difference)的多个支柱。由于例如本征半导体层的半导体层形成于该多个 支柱上，故半导体层因该步阶差而具有步阶差。因此，半导体层之表面积 大于具有均匀表面的层(例如在半导体层下方的基板)的表面积。因此， 半导体可吸收增加量的光，且太阳能电池可提供增加量的电动势。
所包含之
了本发明之实施方案，且连同说明书用于解释本发 明实施方案的原理，这些附图提供对于本发明实施方案更进一步的了解， 且被纳入于说明书中而构成此说明书的一部分。在附图中 图1为现有技术太阳能电池的横截面图； 图2为根据本发明第一实施方案的太阳能电池的横截面图； 图3为根据本发明第一实施方案的太阳能电池的平面图； 图4及5为显示根据本发明第一实施方案的太阳能电池的制造过程的 横截面图6为根据本发明第二实施方案的太阳能电池的平面图； 图7为根据本发明第三实施方案的太阳能电池的横截面图； 图8至11为显示根据本发明第三实施方案的太阳能电池的制造过程的 横截面图12至14分别为在根据本发明第三、第四、及第五实施方案的太阳能电池中的支柱的平面图15为显示根据本发明的喷砂过程的示意图16及17为显示根据本发明利用糊浆(paste)的太阳能电池制造过 程的横截面图。
具体实施例方式
图2为根据本发明第一实施方案的太阳能电池的横截面图，图3为根 据本发明第一实施方案的太阳能电池的平面图，而图4及5为显示根据本 发明第一实施方案的太阳能电池的制造过程横截面图。
参照图2，太阳能电池100包含基板112、第一电极114、多个支柱130、 第一半导体层116、本征半导体层118、第二半导体层l20、反射层140、 及第二电极122。基板112可由透明玻璃形成且具有绝缘性质。第一电极 114可由透明导电氧化物材料(例如氧化铟锡(ITO)或氧化铟锌(IZO)) 形成且设置于基板112上。多个支柱130具有圆柱形且设置于第一电极114 上；第一半导体层116具有正(P)型且形成于第一电极114及多个支柱130 上。也就是说，P型杂质掺杂入第一半导体层116内。本征半导体层118用 作活性层且设置于第一半导体层116上。也就是说，无杂质掺杂入本征半 导体层118内。由于支柱130自第一电极114突出，故不仅第一半导体层 116、而且本征半导体层118皆具有步阶差。本征半导体层118具有凹部及 凸部。凸部对应支柱130的每一个，而凹部设置于相邻凸部之间。也就是 说，基板112及第一电极114具有均匀表面，而本征半导体层118具有不均 匀表面。因此，本征半导体层118的表面积大于基板112及第一电极114 的表面积。由于本征半导体层118具有增加的表面积，故由本征半导体层 118所吸收的光量增加。因此，太阳能电池可提供增加量的电动势。第二半 导体层120具有负(N)型且设置于本征半导体层118上。也就是说，N型 杂质掺杂入第二半导体层120内。反射层140设置于第二半导体层120上， 且由金属材料形成的第二电极122设置于反射层140上。
第一电极114形成于基板112的第一表面上，光线入射于基板112的 与第一表面相对的第二表面上，并经传送至第一电极114。通过基板112的 光穿越第一电极114及第一半导体层116，而入射于本征半导体层118上。形成第一电极114，以获得与第一半导体层116之欧姆(ohmic)接触。将 通过光线而产生于本征半导体层118中的载体，利用第一半导体层116诱 导入第一电极114中。如上所述，第一半导体层116具有P型。作为活性 层的本征半导体层118吸收光以产生载体。即，本征半导体层118由本征 半导体材料形成，将产生于本征半导体层118中的载体通过第二半导体层 120而诱导入第二电极120内。如上所述，第二电极120具有N型；反射 层140反射通过基板112入射的光，使得光再次入射于本征半导体层118 上。将电线(未示出)连接至第二电极122以获得电动势。
参照图3，多个圆柱形的支柱130设置于透明导电氧化物材料的第一 电极114(图2中)上。依照堆叠于支柱130上方的不同层的各自厚度，决 定相邻支柱130之间的距离。形成支柱130以将本征半导体层118(图2中) 的曝光表面积最大化。支柱130中的每一个皆具有与图2不同的横截面形 状及不同的配置。例如，参照显示根据本发明第二实施方案的太阳能电池 的平面图的图6，支柱230在平面上可具有十字形。在十字形支柱230中， 一轴的一端与另一轴的末端之间的连接线具有弯曲形状232。往回参照图3， 支柱130具有主轴132及副轴134之卵圆形，将支柱130设置成彼此分隔 预定间距。第二行138中的支柱130位于对应第一行136中的相邻支柱130 之间的空间。也就是说，第一行136中的支柱130与第二行138中的支柱 130交替设置。
参照图4及5说明根据本发明第一实施方案的太阳能电池的制造方法。 参照图4，通过沉积透明导电材料，而将第一电极114形成于基板112上。 例如，透明导电材料利用氧化锡(Sn02)或氧化锌(ZnO)、通过化学气相 沉积法加以沉积。其次，将具有透明性质的硅氧化物(Si02)层(未示出) 形成于第一电极114上。接着，以光刻法将硅氧化物层图案化，以形成多 个支柱130，支柱130可由硅氮化物(SiNx)或光致抗蚀剂形成，硅氮化物 (SiNx)及光致抗蚀剂两者皆具有透明性质。为最大化本征半导体层(未 示出)的曝光表面积，支柱130由具有高透光度的透明材料形成。再者， 将支柱130设置成具有紧密形态。
参照图5，利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法，通过沉积 其中掺杂着P型杂质的P型半导体材料，而将第一半导体层116形成于包含支柱130的第一电极114上。第一半导体层116因支柱130而具有步阶。
其次，通过沉积其中未掺杂杂质的本征半导体材料，而将本征半导体 层118形成于第一半导体层116上。由于第一半导体层116具有步阶，本征 半导体层118亦具有步阶。因此，本征半导体层118的表面积增加。接着， 通过沉积其中掺杂着N型杂质的N型半导体材料，而将第二半导体层120 形成于本征半导体层118上。接着，通过沉积例如氧化锌(ZnO)的反射材 料，将反射层140形成于第二半导体层120上。第二电极形成于反射层140 上，但并未示出。第二电极系例如铝(Al)的不透明金属材料形成。
通过变形方法(texturingprocess)处理基板112、第一电极114、及反 射层140，以具备光的捕捉(trapping)性质。通过变形方法，入射于基板 112上的大部分光被吸收于本征半导体层118上。也就是说，变形方法防止 光流泄于太阳能电池外部。更详细而言，通过基板112的光在第一电极114 与反射层140之间被捕获，捕获光被吸收于本征半导体层118上。
本征半导体层118吸收经由基板112直接入射至本征半导体层118、并 反射于施行变形方法的反射层140上的光。由于本征半导体层118因支柱 130而具有增加的表面积，故提升了产生电子-空穴对的效率。相较于现有 技术太阳能电池中的本征半导体层118，本发明之太阳能电池中之本征半导 体层118，在相同横截面积及相同厚度之状况下却具有增加的表面积，因此， 太阳能电池具有改良效率。
图7为根据本发明第三实施方案的太阳能电池的横截面图，而图8至 11为显示根据本发明第三实施方案的太阳能电池的制造过程的横截面图。
参照图7，太阳能电池300包含具有多个支柱360的基板312、第一电 极314、第一半导体层316、本征半导体层318、第二半导体层320、反射 层340、及第二电极322。多个支柱360通过蚀刻基板312的部分以突出于 基板312的第一表面而形成，由于支柱360自基板312突出，故不仅第一 电极314及第一半导体层316，而且本征半导体层318亦具有步阶差。本征 半导体层318具有凹部及凸部，凸部对应支柱360的每一个，而凹部设置 于相邻凸部之间。也就是说，基板312具有均匀表面，而本征半导体层318 具有不均匀表面。因此，本征半导体层318的表面积大于基板312的表面 积。基板312可由透明玻璃形成且具有绝缘性质；第一电极314可由透明 导电氧化物材料(例如氧化铟锡(ITO)或氧化铟锌(IZO))形成且设置于 基板312上。第一半导体层316具有正(P)型且形成于第一电极314上。 本征半导体层318作为活性层设置于第一半导体层316上。第二半导体层 320具有负(N)型且设置于本征半导体层318上。反射层340设置于第二 半导体层320上，且由金属材料形成的第二电极322设置于反射层340上。 由于多个支柱360通过蚀刻基板312的部分而形成，故制造过程相较于第 一实施方案已有简化。由于本征半导体层118因支柱360而具有步阶，故 本征半导体层118具有增加的表面积。
参照图8至11说明根据第二实施方案的太阳能电池的制造方法。参照 图8，将光敏材料层313形成于基板312的第一表面上；接着，参照图9， 将多个光敏材料图案315形成于基板312的第一表面上，各个光敏材料图 案315皆具有岛形。
参照图IO，通过喷砂制程形成多个支柱360，利用多个光敏材料图案 315 (图9中)作为图案化屏蔽而将基板312图案化；支柱360对应光敏材 料图案315 (图9中)。参照图12至14，其以平面图显示支柱之各种不同 形状。支柱360的平面图有图12中的圆形360a、图13中的卵圆形360b、 及图14中之十字形360c。然而，可将支柱360设置成其它形状。例如，如 图3所示，第二实线中的支柱的位置对应第一实线中的两相邻支柱之间的 空间。
参照显示喷砂过程的图15，将具有喷嘴362a的喷砂器362设置于包 含光敏材料图案315的基板上方。透过喷嘴362a而将氧化铝(A1203)的研 磨粒子364喷涂至基板312上。利用研磨粒子364而对基板曝露于光敏材 料图案315的部分进行蚀刻，以便能在光敏材料图案315中的每一个下形 成各支柱160。也就是说，利用光敏材料图案315作为蚀刻屏蔽而对基板 312进行蚀刻。可以干膜光致抗蚀剂(DFR)代替光敏材料图案315而层迭 于基板312上，利用屏蔽将DFR曝光并显影，以形成多个DFR图案，DFR 图案的作用在于作为基板312的蚀刻屏蔽。
接着参照图ll，通过沉积透明导电材料，而将第一电极314形成于具 有支柱360的基板312上。举例而言，透明导电材料通过利用氧化锡(Sn02)或氧化锌(ZnO)的化学气相沉积(CVD)法加以沉积。利用等离子体增 强化学气相沉积(PECVD)法，通过沉积其中掺杂着P型杂质的P型半导 体材料，而将第一半导体层316形成于第一电极314上。第一半导体层316 因支柱130而具有步阶。其次，通过沉积未掺杂杂质的本征半导体层318， 将本征半导体层318形成于第一半导体层316上。由于第一半导体层316 具有步阶，本征半导体层318亦具有步阶。因此，本征半导体层318的表 面积增加。接着，通过沉积掺杂着N型杂质的N型半导体材料，将第二半 导体层320形成于本征半导体层318上。接着，通过沉积例如氧化锌(ZnO) 的反射材料，将反射层340形成于第二半导体层320上。虽未示出，但第 二电极322 (图7中)形成于反射层340上。第二电极322 (图7中)由例 如铝(Al)的不透明金属材料形成。
图16及17为显示根据本发明的利用糊浆(paste)的太阳能电池制造 过程的横截面图。参照图16，通过丝网印刷法，将凝胶态的糊浆图案470 形成于基板412上。糊浆图案470具有多个开口。其次，参照图17，糊浆 图案470的材料与玻璃基板412产生反应而形成反应部472。也就是说，糊 浆图案470下方的部分470通过与糊浆图案470的材料发生反应加以改质， 以便使基板412的反应部472位于糊浆图案470下方。反应部472具有与 基板312的其它部分不同之性质。移除反应部472及糊浆图案470以形成 多个支柱，但未示出。由于移除了糊浆图案470下方的反应部472，多个支 柱中的每一个皆对应每一开口。此外，第一电极、第一半导体层、本征半 导体层、第二半导体层、反射层、及第二电极皆堆叠于具有支柱的基板412 上。
本领域技术人员应可明了在不脱离本发明的精神及范围的情况下， 可在具有边框范围的设备内进行各种修改及变化。因此，本发明意欲包含 落入随附权利要求范围内的各种修改及变化及其等价物。
工业实用性
在本发明中，由于太阳能电池的半导体层具有增加的表面积，故太阳 能电池具有改良之性能。该太阳能电池可在不引起例如环境污染等问题的 情况下被使用作为能源。
权利要求
1.一种太阳能电池，其包含在基板上的第一电极；在第一电极上的多个支柱；在第一电极上的半导体层，其中该半导体层的表面积大于该第一电极的表面积；及在半导体层上方的第二电极。
2. 权利要求l的太阳能电池，其中所述半导体层包含掺杂正型杂质的 半导体材料的第一半导体层、本征半导体材料的第二半导体层、及掺杂负 型杂质的半导体材料的第三半导体层，且其中第一半导体层面对所述多个 支柱，而第二半导体层位于第一及第三半导体层之间。
3. 权利要求2的太阳能电池，其中所述基板由玻璃形成，第一电极由 氧化锡及氧化锌之一形成，且第二电极由不透明金属材料形成。
4. 权利要求2的太阳能电池，其还包含设置于第三半导体层与第二电 极之间的反射层。
5. 权利要求4的太阳能电池，其中所述反射层由氧化锌形成。
6. 权利要求l的太阳能电池，其中所述多个支柱中的每一个都具有圆 形、卵圆形、及十字形之一。
7. 权利要求l的太阳能电池，其中所述多个支柱中的每一个都具有包 含第一轴及第二轴的十字形，且还包括连接十字形第一轴的一端与十字形 的第二轴的末端的连接线，该连接线具有弯曲形状。
8. 权利要求1的太阳能电池，其中将所述多个支柱设置成第一行及第 二行，且第一行中的支柱与第二行中的支柱交替设置。
9. 权利要求l的太阳能电池，其中所述多个支柱由硅氧化物、硅氮化 物及透明光敏材料之一形成。
10. —种制造太阳能电池的方法，其包含 在基板上形成第一电极； 在第一电极上形成多个支柱；在第一电极上形成半导体层，其中该半导体层的表面积大于该第一电 极的表面积；及在该半导体层上方形成第二电极。
11. 权利要求10的方法，其中形成该半导体层的步骤包含 形成掺杂正型杂质的半导体材料的第一半导体层，其面对所述多个支柱；在第一半导体层上形成本征半导体材料的第二半导体层；及 在第二半导体层上形成掺杂负型杂质的半导体材料的第三半导体层。
12. 权利要求11的方法，其还包含在第三半导体层与第二电极之间形 成反射层。
13. —种太阳能电池，其包含 在基板表面上的多个支柱；在所述具有多个支柱的基板的表面上的第一电极； 在第一电极上的半导体层，其中该半导体层的表面积大于基板的表面 积；及位于该半导体层上方的第二电极。
14. 权利要求13的太阳能电池，其中所述半导体层包含掺杂正型杂质 的半导体材料的第一半导体层、本征半导体材料的第二半导体层、及掺杂 负型杂质的半导体材料的第三半导体层，并且第一半导体层面对第一电极， 而第二半导体层位于第一与第三半导体层之间。
15. 权利要求14的太阳能电池，其中所述基板由玻璃形成，第一电极 由氧化锡及氧化锌之一形成，且第二电极由不透明金属材料形成。
16. 权利要求14的太阳能电池，其还包含设置于第三半导体层与第二 电极之间的反射层。
17. 权利要求16的太阳能电池，其中所述反射层由氧化锌形成。
18. 权利要求13的太阳能电池，其中所述多个支柱中的每一个都具有 圆形、卵圆形、及十字形之一。
19. 权利要求13的太阳能电池，其中所述多个支柱中的每一个都具有 包含第一轴及第二轴的十字形，且还包含连接该十字形的第一轴的一端与 该十字形的第二轴的末端的连接线，该连接线具有弯曲形状。
20. 权利要求13的太阳能电池，其中所述多个支柱由与基板相同的材 料形成。
21. 权利要求13的太阳能电池，其中将该多个支柱设置成第一行及第 二行，且其中该第一行中的支柱与该第二行中的支柱交替设置。
22. —种制造太阳能电池的方法，其包含 在基板的表面上形成多个支柱； 在所述具有多个支柱的基板的表面上形成第一电极； 在第一电极上形成半导体层，其中该半导体层的表面积大于基板的表面积；及在该半导体层上方形成第二电极。
23. 权利要求22的方法，其中形成多个支柱的步骤包含蚀刻基板的表 面的部分，以便使所述多个支柱的每一个皆对应基板的表面的相邻蚀刻部分之间的部分。
24. 权利要求23的方法，其中蚀刻基板的表面的部分的步骤包含 在基板的表面上形成多个蚀刻屏蔽图案，该多个蚀刻屏蔽图案中的每一个皆对应所述多个支柱中的每一个；及利用所述多个蚀刻屏蔽图案作为蚀刻屏蔽，蚀刻基板的表面的部分。
25. 权利要求24的方法，其中所述多个蚀刻屏蔽图案由光敏材料及干 膜抗蚀剂之一形成。
26. 权利要求24的方法，其中蚀刻基板的表面的部分的步骤通过喷砂 法施行。
27. 权利要求23的方法，其中蚀刻基板的表面的部分的步骤包含 形成具有多个开口的糊浆图案，其中该糊浆图案的材料与该基板的材料发生反应，以在该糊浆图案下方的该基板中形成反应部，且其中该多个 支柱中的每一个皆对应该多个开口中的每一个；及 移除反应部及糊浆图案。
28.权利要求22的方法，其中形成半导体层的步骤包含形成掺杂正型 杂质的半导体材料的第一半导体层，其面对多个支柱；在第一半导体层上 形成本征半导体材料的第二半导体层；及在该第二半导体层上形成掺杂负 型杂质的半导体材料的第三半导体层。
29.权利要求28的方法，其还包含在第三半导体层与第二电极之间形 成反射层。
全文摘要
一种太阳能电池，其包含在基板上的第一电极；在第一电极上的多个支柱；在第一电极上的半导体层，其中该半导体层的表面积大于该第一电极的表面积；及在半导体层上方的第二电极。
文档编号H01L31/04GK101681941SQ200880017906
公开日2010年3月24日 申请日期2008年5月29日 优先权日2007年5月30日
发明者震 洪, 申傛禹, 金宰湖 申请人:周星工程股份有限公司