TW202310440A - 太陽能電池 - Google Patents
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Abstract
本案提出一種太陽能電池。所述太陽能電池包含矽基板、鈍化層、第一保護層、第二保護層及第三保護層。鈍化層係氧化鋁材質並設置於矽基板之下表面。第一保護層係氮氧化矽材質並設置於鈍化層相對於矽基板另一側之表面。第二保護層係氮化矽材質並設置於第一保護層相對於鈍化層另一側之表面。第三保護層係氮氧化矽或氧化矽材質並設置於第二保護層相對於第一保護層另一側之表面。
Description
本案係關於一種太陽能電池，特別是關於太陽能電池之表面沉積層結構。
參照圖1，為多個太陽能電池模組之串聯架構的模塊示意圖，其繪示出多個太陽能電池模組相互串並聯進行發電。為利於電能蒐集，現行主流配置方式係將多個太陽能電池模組901與匯流箱902電性連接而構成一個太陽能發電系統900。其中匯流箱902的主要功能是對各個太陽能電池模組901的發電電流進行匯集控制，並對各個太陽能電池模組901的發電狀態進行資料蒐集與監控，此外還可以使整個太陽能發電系統900具有防雷擊的功能。於此配置方式下，多個太陽能電池模組901之一端相對於接地為正電位，另一端相對於接地為負電位。
現行配置方式所面臨的問題在於負電位端的太陽能電池模組901容易發生電位誘發衰減效應(Potential Induced Degradation, PID)。PID效應除導致太陽能電池模組901的損害之外，還會導致發電功率降低。
有鑑於此，發明人提出一種太陽能電池，主要包含一矽基板、一氧化鋁層、一第一氮氧化矽層、一氮化矽層及一第二氮氧化矽層。該矽基板包含一第一摻雜物質，該矽基板具有一下表面；該氧化鋁層設置於該矽基板之下表面；該第一氮氧化矽層設置於該氧化鋁層相對於該矽基板另一側之表面；該氮化矽層設置於該第一氮氧化矽層相對於該氧化鋁層另一側之表面；該第二氮氧化矽層設置於該氮化矽層相對於該第一氮氧化矽層另一側之表面。
發明人還提出另一種太陽能電池，主要包含一矽基板、一氧化鋁層、一氮氧化矽層、一氮化矽層及一氧化矽層。該矽基板包含一第一摻雜物質，該矽基板具有一下表面；該氧化鋁層設置於該矽基板之下表面；該氮氧化矽層設置於該氧化鋁層相對於該矽基板另一側之表面；該氮化矽層設置於該氮氧化矽層相對於該氧化鋁層另一側之表面；該氧化矽層設置於該氮化矽層相對於該氮氧化矽層另一側之表面。
圖2與圖3分別為單面太陽能電池之上表面分層之示意圖以及雙面太陽能電池模組之示意圖。所繪示之太陽能電池模組1主要包含太陽能電池10以及用以覆蓋太陽能電池10之上表面與下表面之上玻璃20與下玻璃21。此外，太陽能電池10之上表面還可以進一步貼覆封裝膠模，其作用是為了保護位於太陽能電池10表面的金屬線路以及避免太陽能電池10與上玻璃20之間形成間隙而影響散熱。同樣地，太陽能電池10之下表面也可以貼覆封裝膠模，其作用也是為了保護位於太陽能電池10下表面的電極與線路（若有的話）以及避免太陽能電池10與下玻璃21之間形成間隙而影響散熱。所述封裝膠模之材料可以選用乙烯-醋酸乙烯酯共聚物 (Ethylene-Vinyl Acetate, EVA)或聚烯烴彈性體(Polyolefin Elastomers, POE)等封裝材料。
請先參照圖2，太陽能電池10之矽基板101的上表面形成有鈍化層102’。依據一些實施例，鈍化層102’為單層的氮化矽。矽基板101包含有第一摻雜物質。矽基板101與鈍化層102’之交界可設置有包含第二摻雜物質之異質摻雜層(圖2未標示)。第二摻雜物質不同於第一摻雜物質，舉例而言，第一摻雜物質為硼元素，使矽基板101形成p型半導體；第二摻雜物質為磷元素，使矽基板101形成n型半導體。當太陽能電池10受光照射時，能量大於能隙的光子能使太陽能電池10之p-n介面的空乏區的電子躍遷至導電帶，進而被電極所收集而傳導至外界。設置於太陽能電池10之上表面的上玻璃20內包含有金屬離子I，例如鈉離子。當矽基板101處於負電位，帶正電之金屬離子I被負電位驅使而遷移至矽基板101中，進而中和掉p-n介面電位趨勢，使發電效能降低。此現象稱為分流型PID (PID-shunting, PID-s)。鈍化層102’之氮化矽中含有高密度的固定正電荷，對金屬離子I產生一定的排斥作用，得以減弱一部分金屬離子I的聚集。
依據所使用之太陽能電池10的種類，部分太陽能電池模組僅包含上玻璃20而沒有下玻璃21，此種單面玻璃模組架構之太陽能電池10一般採用單面發電太陽能電池，亦即僅允許上表面受光，下表面則以金屬層（例如鋁）完全覆蓋而形成全背電極的型式。因此，PID現象主要發生在太陽能電池10之上表面，此種單面玻璃模組架構的太陽能電池模組並非本發明所欲改良的對象。
對於包含有上玻璃20與下玻璃21之雙面玻璃模組架構的太陽能電池模組1而言，所使用的太陽能電池10屬於雙面發電太陽能電池，因此其下表面並非全背電極的型式，以允許背面亦可接收太陽光照射而增加太陽能電池10總體之光電轉換效率。此種雙面玻璃模組架構的太陽能電池模組1的隔絕性能佳，能夠避免因水汽、空氣進入模組而導致之功率衰減，因而具有良好的耐候性，適於建立抗鹽害、抗颱風之發電系統。另外，雙面玻璃的對稱結構，提供機械強度高之優勢，降低施工過程中造成穩裂或刮傷問題。並且，具有極佳的防火性能。然而如同前述，如此配置導致PID現象亦會發生於太陽能電池10之下表面，甚至造成更為嚴重的影響，此種雙面玻璃模組架構的太陽能電池模組1即本發明所欲改良的對象。
請參照圖3，依據一些實施例，雙面玻璃模組之太陽能電池10之矽基板101的下表面1012依序形成有鈍化層102及保護層結構。依據一些實施例，鈍化層102即為氧化鋁層，保護層結構係為單一氮化矽層，氧化鋁層直接設置於矽基板101之下表面1012，氮化矽層直接設置於氧化鋁層之表面。一般而言，太陽能電池10下表面為場鈍化，氧化鋁層與矽基板101之接觸面具有較高的固定負電荷密度。當下玻璃21所包含之金屬離子I穿過封裝材料而聚集在電池表面時，會形成載子複合中心而使氧化鋁層內的電荷發生再分布，導致鈍化效果惡化，電池發電效率降低。此現象稱為極化型PID (PID-polarization, PID-p)。PID-p現象所導致的電池發電功率衰減更甚於PID-s現象。實驗結果顯示，在下表面1012的PID-p效應所導致之發電功率衰減，係上表面1011的PID-s效應所導致之發電功率衰減之四倍以上。實驗結果也顯示，相較於沒有保護層結構的太陽能電池，形成單一氮化矽層於氧化鋁層上可提供一定程度之抗PID能力。
復參照圖3，依據另一些實施例，太陽能電池10之下表面設置了包含有多道沉積層之保護層結構以更大幅度的抑制PID-p效應，其中構成保護層結構之多道沉積層的材質與沉積順序均經過特別選擇。在這些實施例中，太陽能電池10主要包含矽基板101、鈍化層102、第一保護層103、第二保護層104、第三保護層105、電極107。其中，鈍化層102、第一保護層103、第二保護層104、第三保護層105係依序沉積於矽基板101之下表面1012。電極107穿過第三保護層105、第二保護層104、第一保護層103及鈍化層102而接觸矽基板101之下表面1012。電極107的材質可以是但不限於鋁、銀或銀鋁複合材料。舉例而言，電極107由相互垂直之細柵線(Finger)以及主柵(Busbar)所組成，其中，細柵線由鋁膠所形成，主柵由銀鋁膠所形成。電極107會在矽基板101下表面1012產生背表面電場(Back Surface Field, BSF)1013，BSF區1013可以降低介面的表面載子複合速率而提升載子的收集率。
依據一些實施例，太陽能電池10為矽基太陽能電池，矽基板101可以是但不限於單晶或多晶之結晶矽，抑或是非晶矽薄膜。依據一些實施例，鈍化層102之材質為氧化鋁。氧化鋁提供矽基板101表面鈍化，從而避免矽基板101之表面雜質或缺陷所導致電荷載子的復合，以增加發電效能。考量太陽能電池10之表面並非經過拋光之平坦結構，而係具有相當之凹凸結構之粗糙表面。因此，當鈍化層102過薄，容易導致厚度分布不均，從而無法彰顯鈍化層102之鈍化效果。然而，當鈍化層102過厚，則容易將自背面入射而來的太陽光反射出去，而無法有效利用雙面吸光來提高電池轉換效率。依據一些實施例，鈍化層102之厚度小於等於40奈米，此等厚度之鈍化層102即足以提供矽基板101表面鈍化之效果。
依據一些實施例，第一保護層103及第三保護層105之材質為氮氧化矽，第二保護層104之材質為氮化矽。氮化矽的通式為SiNx:H，其為一種富含氫原子的薄膜，在電極107的高溫燒結過程中，第二保護層104中的氫原子會擴散至電池內部，鈍化電池內的金屬雜質與未飽和鍵結的矽，使得電池轉換效率可以進一步提升。依據一些實施例，第二保護層104之厚度大於等於50奈米且小於等於200奈米，第一保護層103與第三保護層105之厚度大於等於0.1奈米且小於等於100奈米，以因應用以有效產生電能之入射光之波長，並且提供抑制PID-p效應的效果。具體而言，前述各保護層的厚度設計係考量以下二點：第一，避免在形成背面電極107之燒結製程中，過薄之保護層被燒穿而通透至鈍化層102之氧化鋁，進而破壞氧化鋁的場鈍化效果。第二，過厚之保護層除了拉長製程時間提高生產成本，且會將導致光線容易被反射，使光線不易進到太陽能電池10的內部結構而無法生成光電效應。
沉積於第一保護層103上之第二保護層104的主要作用在於提供高密度的固定正電荷以減少金屬離子I穿透而滲入鈍化層102中。沉積於第二保護層104上之第三保護層105的主要作用則是形成異質接面產生金屬離子I穿透時的能階屏障，從而進一步抑制PID-p效應。另一方面，氮氧化矽之折射率約為1.4~1.6，氮化矽之折射率約為1.6~3.0。考量氮化矽與氮氧化矽的折射率差異小，從而降低兩者接面的反射率，使更高比例的入射光能夠穿透各保護層而進入矽基板101。
依據一些實施例，第三保護層105之材質係為氧化矽，厚度在0.1奈米至100奈米之範圍間，其同樣可以與第二保護層104形成異質接面而阻擋金屬離子I的穿透。此外，氧化矽的折射率約為1.5~1.6，小於第二保護層104之氮化矽的折射率，因此，漸變之折射率可以達到減少介面反射，提高光線入射比例的效果。
依據一些實施例，第三保護層105外亦可設置多組交錯層疊結構（例如氮化矽及氮氧化矽交錯層疊，或氮化矽及氧化矽交錯層疊），以提供更多個異質接面而提升太陽能電池10的金屬離子I阻擋能力，並避免折射率差異過大所導致的反射問題。
復參照圖3，依據一些實施例，太陽能電池10之上表面進一步形成有抗反射層109及異質摻雜層108，異質摻雜層108設置於矽基板101之上表面1011且異質摻雜層108包含第二摻雜物質。抗反射層109設置於該異質摻雜層108相對於該矽基板101另一側之表面。依據一些實施例，抗反射層109之材質可以為氧化鋁、氮化矽、氧化矽、氮氧化矽或前述材料之組合。依據一些實施例，抗反射層109之厚度係在50奈米至200奈米之範圍間。在此厚度範圍間，抗反射層109除了可提供鈍化能力，且不至於過厚導致易於反射光線，或過度增加製程時間及生產成本。依據一些實施例，太陽能電池10之上表面包含電極110，電極110貫通抗反射層109而接觸矽基板101。從而，矽基板101上表面1011之電極110與下表面1012之電極107共同形成電場，使載子受電場引導而移動。所述電極110之材質可以是但不限於鋁、銀或銀鋁複合材料。
具體而言，上述實施例之太陽能電池10可利用現有的太陽能電池生產設備來生產。所述鈍化層102、各保護層及抗反射層109可以採用等離子體增強化學氣相沉積（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD）之方式沉積而產生。在形成上述各沉積層後，即可利用雷射於鈍化層102及各保護層或抗反射層109燒蝕出孔洞，再將鋁、銀或銀鋁複合材料等金屬透過網印或沉積之方式填如所述孔洞中以及形成於太陽能電池10之上表面與下表面的預定位置，嗣後透過燒結製程即可形成電極107與電極110。
雖然本發明的技術內容已經以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技術者，在不脫離本發明之精神所作些許之更動與潤飾，皆應涵蓋於本發明的範疇內，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1:太陽能電池模組
10:太陽能電池
101:矽基板
1011:上表面
1012:下表面
1013:BSF區
102、102’:鈍化層
103:第一保護層
104:第二保護層
105:第三保護層
107:電極
108:異質摻雜層
109:抗反射層
110:電極
20:上玻璃
21:下玻璃
900:太陽能發電系統
901:太陽能電池模組
902:匯流箱
I:金屬離子
[圖1]係太陽能板之串聯架構之示意圖。
[圖2]係單面太陽能電池之上表面分層之示意圖。
[圖3]係雙面太陽能電池模組之示意圖。
1:太陽能電池模組
10:太陽能電池
101:矽基板
1011:上表面
1012:下表面
1013:BSF區
102:鈍化層
103:第一保護層
104:第二保護層
105:第三保護層
107:電極
108:異質摻雜層
109:抗反射層
110:電極
20:上玻璃
21:下玻璃
Claims (10)
- 一種太陽能電池，包含： 一矽基板，包含一第一摻雜物質，該矽基板具有一下表面； 一氧化鋁層，設置於該矽基板之下表面； 一第一氮氧化矽層，設置於該氧化鋁層相對於該矽基板另一側之表面； 一氮化矽層，設置於該第一氮氧化矽層相對於該氧化鋁層另一側之表面；以及 一第二氮氧化矽層，設置於該氮化矽層相對於該第一氮氧化矽層另一側之表面。
- 如請求項1所述之太陽能電池，更包含一電極，該電極貫通該第二氮氧化矽層、該氮化矽層、該第一氮氧化矽層及該氧化鋁層而接觸該矽基板。
- 如請求項2所述之太陽能電池，更包含一異質摻雜層及一抗反射層，該矽基板更包含一上表面，該異質摻雜層設置於該矽基板之上表面且該異質摻雜層包含一第二摻雜物質，該抗反射層設置於該異質摻雜層相對於該矽基板另一側之表面。
- 如請求項3所述之太陽能電池，其中，該抗反射層之材質係選自由氧化鋁、氮化矽、氧化矽、氮氧化矽及其組合所構成之群組。
- 如請求項1所述之太陽能電池，其中，該第一氮氧化矽層之厚度係在0.1奈米至100奈米之範圍間，該氮化矽層之厚度係在50奈米至200奈米之範圍間，該第二氮氧化矽層之厚度係在0.1奈米至100奈米之範圍間。
- 一種太陽能電池，包含： 一矽基板，包含一第一摻雜物質，該矽基板具有一下表面； 一氧化鋁層，設置於該矽基板之下表面； 一氮氧化矽層，設置於該氧化鋁層相對於該矽基板另一側之表面； 一氮化矽層，設置於該第一氮氧化矽層相對於該氧化鋁層另一側之表面；以及 一氧化矽層，設置於該氮化矽層相對於該氮氧化矽層另一側之表面。
- 如請求項6所述之太陽能電池，更包含一電極，該電極貫通該氧化矽層、氮化矽層、氮氧化矽層及氧化鋁層而接觸該矽基板之下表面。
- 如請求項7所述之太陽能電池，更包含一異質摻雜層及一抗反射層，該矽基板更包含一上表面，該異質摻雜層設置於該矽基板之上表面且該異質摻雜層包含一第二摻雜物質，該抗反射層設置於該異質摻雜層相對於該矽基板另一側之表面。
- 如請求項6所述之太陽能電池，其中，該氮氧化矽層之厚度係在0.1奈米至100奈米之範圍間，該氮化矽層之厚度係在50奈米至200奈米之範圍間，該氧化矽層之厚度係在0.1奈米至100奈米之範圍間。
- 如請求項1或6所述之太陽能電池，其中，該氧化鋁層之厚度小於40奈米。
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