TWI462307B - 具備多重能隙的矽奈米晶體光電池及其在一低溫多晶矽薄膜電晶體面板內之應用 - Google Patents

Description

具備多重能隙的矽奈米晶體光電池及其在一低溫多晶矽薄膜電晶體面板內之應用

本發明一般係關於一光電池，尤其係關於具有擁有多重能隙的光電轉換層之光電池，及其在低溫多晶矽薄膜電晶體(LTPS-TFT,“low temperature polycrystalline silicon thin film transistor”)或非晶矽薄膜電晶體(a-Si TFT,“amorphous silicon thin film transistor”)面板內的應用。

一太陽能電池或光電池屬於一種利用該光電效應將太陽能/光能轉換成電能的半導體裝置。一般來說，一太陽能電池配置成由矽製成的大面積P-N接合(P-N junction)，其具有一層N型(負型)矽和一層與該層N型矽直接接觸的P型(正型)矽。當一光子撞擊該太陽能電池時，該光子可直接通過該矽(若該光子具有低光能)或從表面反射，或被該矽吸收(若該光子的光能高於該矽能隙值)。根據該太陽能電池的頻帶結構，後者產生一電子電洞配對以及一些熱量。由於該P-N接合的介面電場，所產生的電洞朝該P型矽層的陽極移動，同時所產生的電子朝該矽太陽能電池內該N型矽層上的陰極移動，藉此產生電能。

太陽能電池所用的材料包含矽、III-V族半導體(例如GaAs)、II-VI族半導體(例如CdS/CdTe)、有機/聚合物材料以及其他。在這之中，最常發展的就是包含單晶矽晶圓式太陽能電池、多晶矽(poly-Si)薄膜式太陽能電池以及非晶矽(a-Si)薄膜式太陽能電池的矽太陽能電池。III-V族半導體式太陽能電池形成於鍺(Ge)基板上並且具有高效率，但是非常昂貴，所以只運用在衛星與積體光學當中，因為此成本當中有絕大部份用在該Ge基板。此外，III-V族和II-VI族半導體式太陽能電池無法輕易與矽基CMOS以及薄膜電晶體液晶顯示器(TFT-LCD)玻璃面板和低溫多晶矽(LTPS)處理整合。更進一步，製造III-V和II-VI族半導體式太陽能電池時會有嚴重金屬污染的問題。雖然非晶矽薄膜太陽能電池的成本不高，不過效率和穩定性也不高。因此，矽晶圓式太陽能電池成為太陽能電池市場的主力。

太陽能電池屬於能量轉換裝置，因此轉換效率受限於Camot Limit，這大約是85%。目前為止，市面上的太陽能電池其達到的最高轉換效率大約是33%。因此，該等太陽能電池效率還有改善的空間。

理論上，能量低於該吸收材料能隙的光子並無法被材料所吸收而產生一電子電洞配對，如此其能量無法轉換只能穿過該吸收材料。對於能量高於該能隙的光子而言，只有高於該能隙的一些能量可以轉換成有用的電子電洞配對輸出。當能量更大的光子被吸收時，高於該能隙的過多能量會轉換成該載子組合的動能。這些過多的動能隨著該等載子動能減緩至均衡速度而透過光子互動轉成熱量。該太陽頻譜接近大約6000K的黑體頻譜，大多數到達地球的太陽輻射由能量大於該矽能隙(矽能帶間隙)的光子所構成。這些較高能量的光子將由該太陽能電池吸收，但是這些光子與該矽能隙之間的能量差將透過晶格震動(聲子)轉換成熱量，而非轉換成可用的電能。針對單一接合(單一能隙)太陽能電池而言，理論上最高轉換效率大約28%。不過，因為材料無法吸收所有能量高於該能隙的光子之本質限制，並且因為該等材料的自由載子吸收限制了該光子吸收100%轉換成電子電洞配對，所以市面上單晶矽與多晶矽(poly-Si)太陽能電池的平均轉換效率只有大約15%。

對於多重接合(或多重能隙)太陽能電池而言，以能隙的遞減順序堆疊(串接)個別單接合太陽能電池，最頂端電池擷取該等高能量光子並通過較低能隙電池要吸收的剩餘光子。使用多重能隙(或多接合)可減少該頻帶間能量關係，如此相較於單一接合(單一能隙)太陽能電池，減少產生光子的可能性，藉此減少熱量產生並改善該光電轉換效率。不過，該等串接的太陽能電池具有接合損失與晶格誤配的問題。

因此，該技術內至今所要解決的問題就是解決上述缺陷與不完備。

近來，因為具備高光電效率以及奈米結構光吸收的波長可調整性，所以眾人的注意力都集中在量子點太陽能電池，即第三代太陽能電池上。對於一運用矽的太陽能電池而言，一種間接能隙半導體，已經利用奈米結構發展出量子侷限效應(quantum confinement effect)。為了獲得小於5nm的結晶或非晶矽(a-Si)奈米結構，像是量子井、量子線和量子點產生的量子侷限效應，必須使用能階大於矽能階之材料當成矩陣(材料基底)或障壁。吾人知道，隨著奈米結構尺寸變小，光的波長變短。在這些奈米結構之中，量子點結構具有高量子效率的優點。

對於一矽量子點太陽能電池而言，該等矽量子點通常內嵌在一介電矩陣內，像是氧化矽(SiOx)、氮化矽(SiNy)、碳化矽(SiCz)等。該等矽量子點可提供一寬廣的多重能隙(大約4.1eV至1.2eV)結構。

本發明一方面係關於一光電池或太陽能電池。在一個具體實施例內，該光電池包含一第一導電層；一形成於第一導電層上的N型摻雜半導體層；一形成於該N型摻雜半導體層上的第一矽層；一形成於第一矽層上的奈米結晶矽(nc-Si)層；一形成於該奈米結晶矽層上的第二矽層；一形成於第二矽層上的P型摻雜半導體層；以及一形成於該P型摻雜半導體層上的第二導電層。

在一個具體實施例內，第一矽層與第二矽層兩者其中之一者由非晶矽(a-Si)形成，並且第一矽層與第二矽層兩者其中的另一者由多晶矽(poly-Si)所形成。該N型摻雜半導體層由N型摻雜矽所形成，並且在此該P型摻雜半導體層由P型摻雜矽所形成。

該奈米結晶矽層具有複數個矽奈米晶體，矽奈米晶體大小在大約1-20nm的範圍內。

第一導電層和第二導電層兩者當中，至少一者是由一透明導電材料形成。該透明導電材料可為銦錫氧化物(ITO)、銦鋅氧化物(IZO)、鋁鋅氧化物(AZO)、鉿氧化物(HfO)或這些化合物的組合。

在另一方面，本發明係關於製造一光電池的方法。在一具體實施例內，該方法包含下列步驟：提供一基板；在該基板上形成一第一導電層；在第一導電層上形成一N型摻雜半導體層；在該N型摻雜半導體層上形成一第一矽層；在第一矽層上形成一奈米結晶矽層；在該奈米結晶矽層上形成一第二矽層；在第二矽層上形成一P型摻雜半導體層；以及在該P型摻雜半導體層上形成一第二導電層。

在一個具體實施例內，形成該奈米結晶矽層的步驟包含在第一矽層上形成富矽(Si-rich)介電層，並且雷射退火該富矽介電層來在其內形成複數個矽奈米晶體。

在一個具體實施例內，該N型摻雜半導體層由N型摻雜矽所形成，並且在此該P型摻雜半導體層由P型摻雜矽所形成。該奈米結晶矽層具有複數個矽奈米晶體，矽奈米晶體大小在大約1-20nm的範圍內。第一矽層與第二矽層其中之一者由非晶矽形成，另一者由多晶矽所形成。

第一導電層和第二導電層兩者當中，至少一者由一透明導電材料形成。該透明導電材料可為銦錫氧化物(ITO)、銦鋅氧化物(IZO)、鋁鋅氧化物(AZO)、鉿氧化物(HfO)或這些化合物的組合。

本發明另一方面係關於一光電池。在一個具體實施例內，該光電池具有一第一導電層、一第二導電層以及一光電轉換層，其中該光電轉換層形成在第一導電層與第二導電層之間。該光電轉換層具有一多重能隙。第一導電層和第二導電層兩者當中，至少一者由一透明導電材料形成。在一個具體實施例內，該光電池進一步具有一N型摻雜半導體層和一P型摻雜半導體層。N型摻雜半導體層形成在第一導電層與該光電轉換層之間，P型摻雜半導體層形成在第二導電層與該光電轉換層之間。

在一個具體實施例內，該光電轉換層包含一非晶矽(a-Si)層、一多晶矽(poly-Si)層以及在該非晶矽層與該多晶矽層之間形成的一富矽介電層。該富矽介電層的組合之材料可為富矽氧化物、富矽氮化物、富矽氮氧化物、富矽碳化物或這些化合物的組合。該富矽介電層包含一奈米結晶矽層，奈米結晶矽層具有複數個矽奈米晶體，其中矽奈米晶體大小在大約1-20nm的範圍之內。

在另一具體實施例內，該光電轉換層包含在第一導電層上形成並具有一折射率n1的一第一富矽介電層，以及在第一富矽介電層上形成並具有一折射率n2的一第二富矽介電層，其中n2<n1。在一個具體實施例內，該光電轉換層可進一步包含在第二富矽介電層與第二導電層之間形成並具有一折射率n3的一第三富矽介電層，其中n3<n2<n1。各第一富矽介電層、第二富矽介電層和第三富矽介電層的組成材料可為富矽氧化物、富矽氮化物、富矽氮氧化物、富矽碳化物或這些化合物的組合。在其他具體實施例內，該光電轉換層也包含一非晶矽層和一多晶矽層，第一富矽介電層與第二富矽介電層形成於該非晶矽層與該多晶矽層之間。

本發明另一方面係關於製造一光電池的方法。在一個具體實施例內，該方法包含：提供一基板；在該基板上形成一第一導電層；在第一導電層上形成一光電轉換層，其中該光電轉換層具有一多重能隙；以及在該光電轉換層上形成一第二導電層之該等步驟。

此外，該方法也包含在第一導電層與該光電轉換層之間形成一N型摻雜半導體層，以及在第二導電層與該光電轉換層形成一P型摻雜半導體層之該等步驟。

在一個具體實施例內，形成該光電轉換層的步驟包含在第一導電層上形成一第一矽層、在第一矽層上形成一富矽介面層以及在該富矽介電層上形成一第二矽層。第一矽層與第二矽層兩者其中之一者包含一非晶矽層，另一者包含一多晶矽層。形成該富矽介電層的步驟進一步包含雷射退火該富矽介電層以在其內形成複數個矽奈米晶體。

在另一具體實施例內，形成該光電轉換層的步驟包含在第一導電層上形成並具有一折射率n1的一第一富矽介電層，以及在第一富矽介電層上形成並具有一折射率n2的一第二富矽介電層。在一個具體實施例內，形成該光電轉換層的步驟進一步包含在第二富矽介電層與第二導電層之間形成並具有一折射率n3的一第三富矽介電層，其中n3<n2<n1。

本發明另一方面係關於在操作上可由一液晶顯示驅動器所驅動並且可由背光照明的液晶顯示面板(LCD panel,“liquid crystal display panel”)。在一個具體實施例內，該液晶顯示面板具有一顯示區域來顯示相關資訊，以及一光電池，該光電池置於圍繞該顯示區域的區域內並曝露在一光線下，來將該光線的光學能量轉換成一電能，該電能供應至該液晶顯示驅動器當成一驅動電力。該光電池包含一第一導電層、一第二導電層以及在第一導電層與第二導電層之間形成的一光電轉換層，其中該光電轉換層具有一多重能隙。在一個具體實施例內，該顯示區域具有複數個低溫多晶矽薄膜電晶體(LTPS-TFT,“low temperature polycrystalline silicon thin film transistor”)或非晶矽薄膜電晶體(a-Si TFT,“amorphous silicon thin film transistor”)。

在一個具體實施例內，該光電轉換層包含一非晶矽層、一多晶矽層以及在該非晶矽層與該多晶矽層之間形成的一富矽介電層。該富矽介電層由包含富矽氧化物、富矽氮化物、富矽氮氧化物、富矽碳化物或這些的組合之材料所形成。在一個具體實施例內，該富矽介電層包含一奈米結晶矽層，奈米結晶矽層具有複數個矽奈米晶體，矽奈米晶體大小在大約1-20nm的範圍之內。

在其他具體實施例內，該光電轉換層包含在第一導電層上形成並具有一折射率n1的一第一富矽介電層，以及在第一富矽介電層上形成並具有一折射率n2的一第二富矽介電層，其中n2<n1。該光電轉換層可進一步具有在第二富矽介電層與第二導電層之間形成並具有一折射率n3的一第三富矽介電層，其中n3<n2<n1。

本發明一方面係關於製造可由一液晶顯示驅動器所驅動並且可由背光照明的液晶顯示面板之方法。在一個具體實施例內，該方法包含：提供一基板；在該基板上形成一顯示區域；以及在該基板上圍繞該顯示區域的一區域內形成一光電池並曝露在一光線下。如此當接收到光線的光學能量時，該光電池將該光學能量轉換成一電能，該電能供應至該液晶顯示驅動器當成一驅動電力。形成該光電池的步驟包含：形成一第一導電層；形成一第二導電層；以及在第一導電層與第二導電層之間形成一光電轉換層，其中該光電轉換層具有一多重能隙。

在一個具體實施例內，形成該光電轉換層的步驟包含在第一導電層上形成一第一矽層、在第一矽層上形成一富矽介電層以及在該雷射退火的富矽介電層上形成一第二矽層。第一矽層與第二矽層兩者其中之一者包含一非晶矽層，另一者包含一多晶矽層。在一個具體實施例內，形成該富矽介電層的步驟進一步包含雷射退火該富矽介電層以在其內形成複數個矽奈米晶體。

在其他具體實施例內，形成該光電轉換層的步驟包含在第一導電層上形成並具有一折射率n1的一第一富矽介電層，以及在第一富矽介電層上形成並具有一折射率n2的一第二富矽介電層。此外，形成該光電轉換層的步驟進一步具有在第二富矽介電層與第二導電層之間形成並具有一折射率n3的一第三富矽介電層，其中n3<n2<n1。

本發明另一方面係關於具有複數個以矩陣形式排列的像素之顯示面板。每一像素包含用於顯示相關資訊的一主動區域、具有一或多個切換元件的一切換區域以及在該主動區域與該切換區域之間形成的光電池，其中該光電池具有一擁有一多重能隙的光電轉換層。

在一個具體實施例內，該光電轉換層包含一非晶矽層、一多晶矽層以及在該非晶矽層與該多晶矽層之間形成的一富矽介電層。該富矽介電層包含一奈米結晶矽層，其具有複數個矽奈米晶體大小在大約1-20nm的範圍之內。

本發明另一方面係關於製造顯示面板的方法。在一個具體實施例內，該方法包含：提供一基板；並且在該基板上以矩陣形式形成複數個像素。其中，每一像素包含一光電池，該光電池具有一擁有一多重能隙的光電轉換層。

在一個具體實施例內，形成該複數個像素的方法包含該等步驟：(a)形成複數個電耦合至該基板上閘線的閘極，該複數個閘極在空間上彼此相隔，並且每一對相鄰閘極之間定義一主動區域、切換區域以及一光電池。；(b)在該複數個閘極以及該基板的該剩餘區域上形成一閘絕緣層；(c)在該閘絕緣層上形成一非晶矽層，並覆蓋每一切換區域內每一閘極；(d)在該非晶矽層上形成一摻雜的非晶矽層；(e)在該摻雜的非晶矽層上以及該閘絕緣層的剩餘區域上形成一第一導電層；(f)在第一導電層上放置覆蓋每一光電池區域的一富矽介電層；(g)在每一切換區域內形成一源極和一汲極，藉此在該基板上形成場效電晶體的一陣列；(h)在第一導電層上形成一覆蓋該場效電晶體陣列與該富矽介電層的被動層；(i)通道接觸並且在該切換區域和該光電池區域內該被動層上；以及(j)在該切換區域與該光電池區域之間一區域上形成具有一第一部分的一第二導電層，如此第一部分在每一切換區域內通過該通道接觸該場效電晶體的汲極，以及接觸該光電池區域內該富矽介電層上一第二部分。

形成該複數個像素的步驟進一步包含雷射退火該富矽介電層來在其內形成複數個矽奈米晶體。

在一個具體實施例內，該閘絕緣層由氧化矽、氮化矽或氮氧化矽形成。該摻雜的非晶矽層包含n+摻雜的非晶矽或p+摻雜的非晶矽。形成該被動層的一介電材料可包含氧化矽或氮化矽。在第一導電層和第二導電層當中，至少一者為透明。在一個具體實施例內，第二導電層可由銦錫氧化物(ITO)、銦鋅氧化物(IZO)、鋁鋅氧化物(AZO)、鉿氧化物(HfO)或這些化合物的組合來形成。

從下列較佳具體實施例結合附圖的說明當中，將可瞭解本發明的這些與其他範圍，不過在不悖離所公佈創新概念的精神與範疇之下可進行變化與修改。

在下列僅供說明的範例中會更詳細說明本發明，如此精通此技術的人士將可瞭解許多修改與變化。在此將詳細說明本發明的許多具體實施例。請參閱圖式，圖式中相同的號碼表示相同的組件。針對此處所說明以及稍後整個申請專利範圍中所使用，除非清楚指示，否則「一」和「該」的意思包含複數。另外，針對此處所說明以及稍後整個申請專利範圍中所使用，除非清楚指示，否則「之中」的意思包含「之中」和「之上」。此外，底下會對本說明書內使用的某些詞彙有更特殊的定義。

如此處所使用，「大約」或「約略」一般表示在已知值或範圍的百分之20內，較佳在百分之10內，更佳在百分之5內。其中給予的數量為約略值，表示若未明確表示則可推論為「大約」或「約略」等詞。

如此處所使用，本說明書內使用的「太陽能電池」與「光電池」為同義字，表示利用該光電效應將太陽能/光能轉換成電力的裝置。

此處使用許多簡稱和縮寫，「nc-Si」就是奈米晶體矽、「a-Si」為非晶矽、「poly-Si」為多晶矽、「Si-rich」為富矽、「LTPS」為低溫多晶矽、「TFT」為薄膜電晶體、「PECVD」為電漿增強化學汽相沈積、「ELA」為準分子雷射退火、「CLC」為連續波雷射晶體化。

在此將詳細參考本發明的具體實施例，並結合第1圖至第14圖來做說明。根據本發明的目的，如此處所具體實施以及廣泛說明，在一個範圍內，本發明係關於具有多重能隙(多頻帶能隙，multi-band gap)的矽奈米晶體之光電池及其在一低溫多晶矽薄膜電晶體(LTPS-TFT)面板內的應用。

請參閱第1圖，在此圖解顯示根據本發明一個具體實施例的光電池100。在此示例性具體實施例內，光電池100具有一個第一導電層110、一個形成於第一導電層110上的富矽介電層140以及一個形成於富矽介電層140上的第二導電層170。富矽介電層140可用PECVD來沈積。在該富矽介電沈積處理中，四氫化矽(SiH4)與一氧化二氮(N2O)(或氨NH3或氮N2)氣體的比例經過調整，以獲得所要的折射率範圍。其中，折射率的範圍表示薄膜內矽的富含程度。利用適當的雷射退火，將富矽介電層140內多餘的矽原子分離、聚集並且轉成矽奈米晶體，以形成奈米結晶富矽介電層(奈米結晶矽層)。如此可製造出具有不同的折射率(1.6-3.7)、不同的厚度(50-500nm)和不同大小(1-20nm)的矽奈米晶體145的富矽介電層。由於不同半導體材料熔點及其能量吸收效率等級的變化，利用雷射結晶多晶矽或非晶矽薄膜也可形成複數個雷射感應矽奈米晶體。因此，該雷射結晶處理建構出一種多重能隙光吸收結構，其讓光電池100可吸收波長範圍大約300-1000nm的光線。

富矽介電層140由包含富矽氧化物(SiOx)、富矽氮化物(SiNy)、富矽氮氧化物(SiOxNy)、富矽碳化物(SiCz)或這些的材料之組合所形成，其中0<x<2、0<y<1.34並且0<z<1。富矽介電層140可形成為單層或多層結構。不論是單層或多層結構，富矽介電層140包含富矽氧化物薄膜、富矽氮化物薄膜以及富矽氮氧化物薄膜三者當中至少一者。

第一導電層110和第二導電層170可用金屬、金屬氧化物或這些材料的任意組合來形成。該材料可為折射材料，包含鋁、銅、銀、金、鈦、鉬、鋰、鉭、釹、鎢、合金、其他或這些材料的疊層或合金等任意組合。該金屬氧化物可為透明導電材料，包含銦錫氧化物(ITO)、銦鋅氧化物(IZO)、鋁鋅氧化物(AZO)、鉿氧化物(HfO)等。該材料可為該等折射材料和該等透明導電材料的組合。實施上，至少第一導電層與第二導電層之一由透明導電材料製成，像是ITO、IZO、AZO、HfO等。該透明導電材料允許周圍光線穿透並到達該富矽介電層(感光區域)。

實際上，在富矽介電層140上形成層間介電層(UHA層)180。然後，一圖樣製作/遮罩處理套用至UHA層180來定義其內的通道或接觸孔181。第二導電層170透過通道或接觸孔181在富矽介電層140上形成。

相較於具有以能隙遞減順序來堆疊個別單接合光電池的傳統多接合(串接)光電池，具有一單接合的多重能隙Si奈米晶體光電池擁有許多優點。在該多接合單元裝置內，該頂端單元擷取該高能量光子並讓較低能隙單元所要吸收的剩餘光子通過。不過，該等串接的光電池包含有接合損失與晶格誤配的缺點，因此降低該光電轉換效率。具有多重能隙吸收材料的光電池可更有效轉換該太陽光譜。藉由使用多重能隙，該太陽光譜可分成更小部分，在此熱力學效率對於每一部分的限制更高。

第2圖圖解顯示根據本發明一個具體實施例製造一光電池200之處理。首先，如第2A圖內所示，在一第一導電層210上形成一富矽介電層240。接下來，將富矽介電層240曝露在雷射292的光束下，以在其內形成複數個矽奈米晶體245，如第2B圖內所示。然後，第二導電層270在富矽介電層240上形成，如第2C圖內所示。

運用一電漿增強化學氣相沉積(PECVD)處理，以大約1托爾(torr)的低壓，在溫度低於大約400℃的條件下，可在第一導電層210上形成富矽介電層240。在一個具體實施例內，富矽介電層240可在大約200℃至400℃或大約350℃至400℃的溫度範圍內，較佳在大約370℃的溫度上形成。針對已知的溫度範圍，大約耗費從13秒至250秒，較佳大約25秒至125秒，以形成大約50奈米(nm)至大約1000nm所要厚度的富矽介電層240。在形成富矽介電層240的處理期間，透過調整含矽比例SiH4/N2O可控制富矽介電層240的折射率。在一個具體實施例內，含矽比例SiH4/N2O在大約1:10至大約10:1的範圍內調整，導致折射率至少在大約1.47至大約3.7的範圍內，該含矽比例較佳在大約1:5至大約10:1的範圍內，導致折射率至少在大約1.7至大約3.7的範圍內。富矽介電層240也可用其他方法或處理來形成。

例如藉由使用準分子雷射退火(ELA,“excimer laser annealing”)可完成富矽介電層240的雷射退火。在溫度低於400℃時可利用具有可調整頻率並且可調整雷射功率密度的準分子雷射。在一個具體實施例內，該ELA以大約1大氣壓力(760托爾)或大約1 x103Pa的壓力，在低於大約400℃的溫度上來執行。在其他具體實施例內，在室溫上執行該ELA，即是大約20-25℃。也可用具有對應參數的其他種雷射退火來實施本發明。

該雷射波長與該雷射功率等級可調整，來產生所要的雷射感應矽奈米晶體直徑。針對任何雷射種類，像是例如ELA、連續波雷射結晶(CLC,“continuous-wave laser crystallization”)、固態CW綠雷射等，該雷射波長在大約266-1024nm的範圍內。所要的雷射感應矽奈米晶體直徑在大約1-20nm的範圍內，較佳在大約3-6nm的範圍內。在一個具體實施例內，在一波長大約在266-532nm的範圍內，較佳在大約308nm上執行富矽介電層240的ELA。富矽介電層240的ELA通常在雷射功率強度大約70-440mJ/cm2的範圍上，較佳在雷射功率強度大約70-200mJ/cm2的範圍上執行。在其他具體實施例內，在一波長例如大約532-1024nm的範圍上執行富矽介電層240的CLC。在其他具體實施例內，在一波長例如大約532nm的範圍上執行富矽介電層240的固態CW綠雷射。不過，當該雷射功率強度超過大約200mJ/cm2時，在富矽介電層240之下的第一導電層會受損或剝離。為了產生具有範圍在大約4nm至大約10nm的較大雷射感應矽奈米晶體之富矽介電層240，所以富矽介電層240的準分子雷射退火較佳在雷射功率強度大約200-440mJ/cm2的範圍上執行。在另一方面，為了產生具有範圍在大約2nm至大約6nm的較小雷射感應矽奈米晶體之富矽介電層240，所以富矽介電層240的ELA較佳在雷射功率強度大約70-200mJ/cm2的範圍上執行。在富矽介電層240內雷射感應矽奈米晶體245的密度較佳在大約1x1011/cm2至大約1x1012/cm2的範圍內。

第3圖顯示雷射感應矽奈米晶體的特性：(A)一穿透式電子顯微(TEM)影像顯示該等矽奈米晶體的大小，以及(B)具有直徑大約4nm尖峰值量的雷射感應矽奈米晶體內奈米晶體大小之分布。

請回頭參閱第2C圖，在此具體實施例內，第二導電層270透明。當光線295的入射光束通過透明層270並到達具有複數個雷射感應矽奈米晶體245的富矽介電層240，則會吸收具有能量等於或大於富矽介電層240的多重能隙之光束光子。因此，在富矽介電層240內會產生電洞(h+)和電子(e-)配對。所產生的電洞(h+)和電子(e-)分別朝向並通過第二導電層270和第一導電層210。若一負載連接第一導電層210與第二導電層270，則將有一電流流過該負載。也就是，入射光295的光子能量利用光電池200轉換成電能。

此外，第一導電層210也可由一透明導電材料製成。

上面公佈的步驟並不需要依照順序執行，而該處理也不是實施本發明的唯一方法。

例如：利用提供一基板、在該基板上形成第一導電層、在第一導電層上形成富矽介電層以及在該富矽介電層上形成一第二導電層可製造光電池。然後，執行雷射退火該富矽介電層來形成複數個矽奈米晶體。在一個具體實施例內，利用從第二導電層頂端將一雷射光束導引至該富矽介電層來執行該雷射退火。在其他具體實施例內，該基板與第一導電層由透明導電材料製成，如此利用直接從該基板底部導引一雷射光束至該富矽介電層來執行該雷射退火。在替代具體實施例內，從該光電池頂端和底部將兩雷射光束分別導引至該富矽介電層來執行該雷射退火。

請參閱第4圖，在此顯示根據本發明一個具體實施例的光電池電池400。光電池電池組400包含一光電池401，其用於將入射至光電池401的光線495之光子能量轉換成電能。光電池401具有一第一導電層410、一第二導電層470以及一個形成於第一導電層410與第二導電層470之間的富矽介電層440。富矽介電層440具有複數個擁有一多重能隙的雷射感應矽奈米晶體445。更進一步，光電池電池組400也包含一個可充電電池組480，其電耦合在第一導電層410與第二導電層470之間用於儲存電能。此外，在光電池401與可充電電池480之間連接一個電流表485。光電池401可由上述處理所製造。

此外，在使用一負載，例如一電阻，取代可充電電池480之下，如第4圖內所示的配置也可用來當成一光感測器。

請參閱第5圖，曲線510為具有Si奈米晶體SiOx光電轉換(感光)層的光電池對於白光的入射光束，例如陽光，的光譜反應。該光電池的白光子反應特性(400-650nm)來自於該光電池的Si奈米晶體之多重能隙。

第6圖顯示利用富矽氧化矽(Si-rich SiOx)層上不同的雷射退火功率強度，一光電池對入射白光的光致發光反應。曲線610、620、630和640分別為雷射能量300mJ/cm2、350mJ/cm2、400mJ/cm2和440mJ/cm2的光致發光反應。

請參閱第7圖，在此顯示根據本發明一個具體實施例的光電池之電流電壓特性。曲線710和720分別為該光電池的暗電流和光電流。該光電特性指出，在所研發的光電池中可輕易獲得比傳統P-I-N(正-固有-負)二極體還要高的感度以及可比較的暗電流等級。

第8圖圖解顯示根據本發明一個具體實施例具有一多重能隙的光電池之光譜特性。該多重能隙區分成複數個狹窄區域，每一對應至要光電轉換成電能的光波長範圍。

請參閱第9圖，顯示根據本發明一個具體實施例的光電池900之剖面圖。在一個具體實施例內，一光電池900具有一第一導電層910、一形成於第一導電層910上的第一半導體層920、一形成於第一半導體層920上的第一富矽介電層930、一個形成於第一富矽介電層930上的第二富矽介電層940、一形成於第二富矽介電層940上的第二半導體層960以及一形成於第二半導體層960上的第二導電層970。

在一個具體實施例內，第一半導體層920與第二半導體層960之一為N型摻雜半導體層，並且第一半導體層920與第二半導體層960另一為P型摻雜半導體層。例如：第一半導體層920為N型摻雜半導體層，並且第二半導體層960為P型摻雜半導體層。該N型摻雜半導體層包含N型摻雜矽，並且該P型摻雜半導體層包含P型摻雜矽。也可使用其他半導體材料來實現本發明。N型摻雜半導體層920和P型摻雜半導體層960可用一標準處理形成，像是一植入處理、一PECVD處理。

在其他具體實施例內，第一半導體層920和第二半導體層960兩者當中，其中之一是由非晶矽形成，另一者是由多晶矽所形成。例如：第一半導體層920由多晶矽形成，則第二半導體層960由非晶矽形成。第一導電層920和第二導電層960可由微晶矽、單晶矽或這些材料的任意組合來形成。該雷射結晶的N型半導體和該雷射結晶的P型半導體由一雷射結晶處理所形成。

第一富矽介電層930具有一折射率n1，並且第二富矽介電層940具有折射率n2，在此n2<n1。第一富矽介電層930與第二富矽介電層940兩者當中至少一者具有複數個擁有一多重能隙的矽奈米晶體。利用如上所述的雷射退火處理或一CVD處理可形成複數個矽奈米晶體。第一富矽介電層930和第二富矽介電層940的形成材料可為相同的材料或大體上不同的材料，像是富矽氧化物、富矽氮化物、富矽氮氧化物等。在一個具體實施例內，第一富矽介電層930和/或第二富矽介電層940為擁有一多重能隙的奈米結晶矽層(奈米結晶富矽介電層)。

第一導電層910和第二導電層970可用金屬、金屬氧化物或這些材料的任意組合來形成。該材料可為折射材料，包含鋁、銅、銀、金、鈦、鉬、鋰、鉭、釹、鎢、合金、其他或這些材料的任意組合。該金屬氧化物可為透明導電材料，包含ITO、IZO、AZO、HfO等等。該材料可為折射材料和透明導電材料的組合。實施上，至少第一導電層與第二導電層之一由透明導電材料製成，像是ITO、IZO、AZO、HfO等等。在此具體實施例內，第二導電層970較佳為由一透明導電材料製成的透明導電材料層。

第10圖顯示根據本發明一個具體實施例的光電池1000。在一個具體實施例內，光電池1000包含一第一導電層1010、一形成於第一導電層1010上的N型摻雜半導體層1020、一形成於N型摻雜半導體層1020上的光電轉換層1001、一位於光電轉換層1001上的P型摻雜半導體層1060以及一位於P型摻雜半導體層1060上的第二導電層1070。

N型摻雜半導體層1020包含N型摻雜矽，並且P型摻雜半導體層1060包含P型摻雜矽。

光電轉換層1001包含複數個擁有一多重能隙的矽奈米晶體。在一個具體實施例內，光電轉換層1001包含具有該多重能隙的單層。該單層由具有複數個擁有一多重能隙的矽奈米晶體之奈米結晶矽所形成。在其他具體實施例內，光電轉換層1001包含一多層結構，該結構具有至少包含複數個擁有一多重能隙的矽奈米晶體之一層。

有關該多層結構，在一個具體實施例內，光電轉換層1001具有形成於N型摻雜半導體層1020上的第一富矽介電層1030、形成於第一富矽介電層1030上的第二富矽介電層1040以及形成於第二富矽介電層1040上的第三富矽介電層1050。每一第一富矽介電層1030、第二富矽介電層1040和第三富矽介電層1050都分別具有一對應的折射率n1、n2和n3，在此n3<n2<n1。在替代具體實施例內，第一富矽介電層1030和第三富矽介電層1050可交換。在一個具體實施例內，每一第一富矽介電層1030、第二富矽介電層1040和第三富矽介電層1050都包含富矽氧化物、富矽氮化物、富矽氮氧化物、富矽碳化物或這些的組合。在形成光電轉換層1001之後，一雷射退火處理可施加於光電轉換層1001來形成具有複數個擁有一多重能隙的雷射感應矽奈米晶體之一或多層。在改良的具體實施例內，第一半導體層920(未顯示)可形成於N型摻雜半導體層1020與該多層結構之間，並且第二半導體層960可形成於多層結構與P型摻雜半導體層1060之間。

在其他具體實施例內，光電轉換層1001具有形成於N型摻雜半導體層1020上的第一矽子層1030、形成於第一矽子層1030上的奈米結晶矽子層1040以及形成於奈米結晶矽子層1040上的第二矽子層1050。第一矽子層1030與第二矽子層1050兩者當中，其中一者是由非晶矽形成，並且另一者是由多晶矽所形成。因此，光電轉換層1001具有一多重能隙，a-Si/Si奈米晶體/poly-Si分層結構。

第一導電層1010和第二導電層1070可用金屬、金屬氧化物或這些材料的任意組合來形成。該材料可為折射材料，包含鋁、銅、銀、金、鈦、鉬、鋰、鉭、釹、鎢、合金、其他或這些材料的任意組合。該金屬氧化物可為透明導電材料，包含ITO、IZO、AZO、HfO等。該材料可為折射材料和透明導電材料的組合。實施上，第一導電層與第二導電層兩者當中，至少一者是由一透明導電材料製成，像是ITO、IZO、AZO、HfO等。

本發明的光電池可在一寬廣的頻譜領域內找到許多應用方式，像是一光感測器、包含一觸控面板的顯示面板以及一非揮發性記憶體裝置。

請參閱第11A圖，根據本發明一個具體實施例顯示與一或多個光電池(感光器)1140整合的顯示面板1101。顯示面板1101包含用於顯示相關資訊的顯示區域1110，以及一或多個放在顯示區域1110周圍區域內並曝露在光線下的光電池1140。一或多個光電池1140每一都具有一富矽介電層，該層具有擁有一多重能隙的矽奈米晶體，並且該單元調適用於將光能轉換成電能。該光能可接收自背光和/或周圍光線。

顯示面板1101也可包含顯示資訊並接收使用者輸入的顯示區域1120、偵測光線的光感測器1130以及偵測周圍光線的周圍光感測器1150。此中每一都至少具有矽奈米晶體的富矽介電層。

光感測器1130和周圍光感測器1150可放置在任何角落區域來偵測周圍光線或其他光線。一或多個光電池1140可定位在顯示區域1110周圍，將所接收的光線轉換成電能，來節省顯示面板1101所消耗的電力。

顯示面板1101可為一觸控面板或一液晶顯示面板。

第11B圖圖解顯示具有一液晶顯示驅動器1160來驅動一液晶顯示面板1102以及一背光1170用來照明液晶顯示面板1102。液晶顯示面板1102包含用於顯示相關資訊的顯示區域1110，以及一或多個放在顯示區域1110周圍區域內並暴露在背光1170下的光電池1140。一或多個光電池1140每一都包含一多層結構，該結構具有矽奈米晶體的富矽介電層，並且該單元調適用於將光能轉換成電能。該光能可接收自背光和/或周圍光線。該電能供應給液晶顯示驅動器1160當成驅動電力。

本發明內所公佈的方法可用於在低溫上使用一高效率雷射退火，來製造發光裝置的光電層以及/或光感測裝置的感光層。該介電層內根據本發明具體實施例所製作的雷射感應矽奈米晶體展現出高密度、相當一致並且均勻的雷射感應矽奈米晶體分佈，以及一致的雷射感應矽奈米晶體直徑。該等方法運用低溫準分子雷射退火處理。此處理不需要高溫後置退火並且與生產低溫多晶矽薄膜電晶體(Low-Temperature Poly-Si Thin Film Transistors,LTPS-TFT)的傳統處理相容。根據本發明許多具體實施例製造的具有雷射感應矽奈米晶體之富矽介電層對於太陽能電池、觸控面板、周圍光感測器、光感測器相當有用，並且也與一彩色高品質場效電晶體(TFT)面板顯示器整合。根據本發明許多具體實施例製造的雷射感應矽奈米晶體也可用來當成非揮發性記憶體裝置內的儲存節點，具備較高保留性、較高耐用性以及較高操作速度。

第12圖圖解顯示根據本發明一個具體實施例與光電池(或感光器)整合的低溫多晶矽(LTPS)面板1200。低溫多晶矽面板1200可具有複數個矩陣形式排列的像素。在第12圖內，只有說明一個低溫多晶矽面板1200的像素。在此具體實施例內，每一像素具有一顯示場效電晶體1221和形成於顯示場效電晶體1221上的光電池1201。

光電池1201具有一個三層堆疊結構，包含一第一導電層1230、一第二導電層1270以及一形成於這兩者之間並且具有複數個矽奈米晶體1245的富矽介電層1240。

顯示場效電晶體1220形成於基板1210上。顯示場效電晶體1221具有一源極區域1222(電耦合至光電池1201的第一導電層1230)、一汲極區域1224和一閘極電極1226。汲極區域1224(源極區域1222)和閘極電極1226由基板1210上形成的閘極絕緣層1220所分隔。基板1210可形成為一透明基板，像是一玻璃基板，或一彈性基板，像是一塑膠基板。

當一顯示面板1200內運用這種光電池1201，光電池1201會配置成面對周圍光線1295。此外，通常使用一背光1296照明顯示面板1200來顯示其上的資訊。為了避免背光1296偏轉光電池1201的輸出，運用第一導電層1230來有效阻擋背光1296。

在一個具體實施例內，光電池1201的富矽介電層1240由富矽氧化物、富矽氮化物、富矽氮氧化物、富矽碳化物等所製成。該富矽氧化物層較佳具有範圍大約1.7-3.7的折射率，並且該富矽氮化物層較佳具有範圍大約1.7-3.7的折射率。至少某些矽奈米晶體較佳具有範圍大約2-10nm的直徑。富矽介電層1240的厚度在大約50-500nm的範圍內。雷射感應矽奈米晶體的密度較佳在大約1x1011-1x1012/cm2的範圍內。第二導電層1270較佳由透明導電材料製成，像是ITO、IZO、AZO、HfO等。

如第12圖內所示，矽奈米晶體單元的填充因數遠高於傳統單元，這是因為形成光電池1201來覆蓋顯示場效電晶體1221放置的較大切換區域。更進一步，金屬電極1230可提供有效的周圍光線與背光分別隔離單元電路與光電池1201，如此電晶體特性比一P-I-N單元內的更穩定。

請參閱第13圖，顯示根據本發明一個具體實施例與光電池(或感光器)整合的低溫多晶矽面板1300。在此具體實施例內，每一像素具有一場效電晶體1301、一儲存電容器1303、一感光器1305和在基板1310上彼此相鄰形成的主動區域1307。感光器1305包含一第一電極1355、一第二電極1375和其間形成的富矽介電層1365。在一個具體實施例內製造非晶矽場效電晶體(a-Si TFT)面板1300的處理說明於第14圖內。

請參閱第14A圖至第14F圖，根據本發明一個具體實施例圖解顯示整合光電池(感光器)的非晶矽場效電晶體面板製造方法1400。該方法包含下列步驟：首先、提供一第一基板1410。其中，第一基板1410由玻璃等所形成。然後，在第一基板1410上形成彼此分開的複數個閘極電極1420，該些閘極電極1420電耦合至一閘極線。其中，形成複數個閘極電極1420的步驟執行如下：首先用濺鍍方式在基板1410上沈積金屬層；在適當位置上遮蓋金屬層來定義該複數個閘極電極1420；然後讓未覆蓋的金屬層剩餘部分曝光；蝕刻掉該金屬層的未覆蓋部分；以及去除遮罩部分來形成複數個閘極電極1420。每一對相鄰閘極電極1420其間定義出切換區域1412和太陽能電池區域1414。太陽能電池區域1414與切換區域1412相鄰，其中形成對應的閘極電極1420，如第14A圖內所示。閘極電極1420由金屬形成，像是鋁(Al)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、鈦(Ta)、銅(Cu)或合金。

在第一基板1410和複數個閘極電極1420上形成一介電層(閘絕緣薄膜)1430。在一個具體實施例內，閘絕緣薄膜1430由氧化矽、氮化矽或氮氧化矽所形成。

然後，閘絕緣層1430上形成的一非晶矽層1442覆蓋每一切換區域1412上閘極電極1420，並且接著在非晶矽層1442上形成摻雜的非晶矽層1444。摻雜的非晶矽層1444形成於n+摻雜(n型重摻雜)的非晶矽或p+摻雜(p型重摻雜)的非晶矽上，並且當成一接觸層，如第14B圖內所示。在一個具體實施例內，非晶矽層1442和接觸層1444以利用PECVD連續沈積非晶矽和摻雜的非晶矽然後製作圖案的方式來形成。

另外，依序沈積氧化矽或氮化矽的閘絕緣薄膜1430、非晶矽層1442和摻雜的非晶矽層1444，然後非晶矽層1442和摻雜的非晶矽層1444經過圖案製作來形成非晶矽層1442和摻雜的非晶矽層1444，如第14B圖內所示。

之後，在閘絕緣薄膜1430上形成金屬層1450並且在切換區域1412內形成接觸層1444。然後，在該金屬層上的每一太陽能電池區域1414上形成一富矽介電層1460，如第14C圖內所示。

如第14D圖內所示，遮罩、曝光與蝕刻處理依序施加於金屬層1450來進一步定義每一切換區域1412內的場效電晶體，其中接觸層1444區分成一源極接口1444a和一汲極接口1444b，並且金屬層1450在每一區換區域1412內也區分成一第一部分1452和一第二部分1454。第一部分1452連接至源極接口1444a和一信號線，並且第二部分1454與第一部分1452相隔並連接至汲極接口1444b，如第14D圖內所示。此外，在每一太陽能電池區域內形成金屬層1450上與第一部分1452和第二部分1454相隔的第三部分1456，如底下所討論，當成太陽能電池的第一電極。

如第14E圖內所示，然後形成覆蓋每一切換區域1412內所有場效電晶體，以及覆蓋每一太陽能電池區域1414內富矽介電層1460的保護層(薄膜)1470。然後，對保護層1470依序施加遮罩、曝光和蝕刻處理，以定義用於讓切換元件與該像素電極耦合(透過汲極電極1454)的通孔1472，並且去除富矽介電層1460的覆蓋。在此階段上，一雷射退火處理可施加於富矽介電層1460，形成複數個擁有多重能隙的雷射感應矽奈米晶體。

如第14F圖內所示，下個步驟為在通孔1472上形成具有一第一部分1482以及在富矽介電層1460上具有一分開的第二部分1484的透明金屬層。第一部分1482連接至場效電晶體的汲極電極1454，並當成一像素電極。該透明金屬層的第二部分1484、富矽介電層1460和金屬層1450的第三部分1456構成一太陽能電池。該透明金屬層由一透明、導電的材料形成，包含銦鋅氧化物(IZO)、非晶系銦錫氧化物(amorphous ITO)、poly-ITO等，厚度大約為0.01-3.0μm的範圍。

在這些說明當中本發明公佈一種矽奈米晶體、多重能隙的光電池及其應用。該光電池具有利用富矽氧化物層進行後置退火所形成的奈米晶體層。該矽奈米晶體光電池(或感光器)可為嵌入式液晶顯示面板應用當中穩定的、有利的、彈性的、可靠的以及功能性的元件，具有大填充因數、完整背光隔離以及可調整吸收光譜之優點。

上述本發明示例性具體實施例的描述僅供說明，並非用於將本發明侷限在所公佈的精確形式中。許多修改與變化都可以上述為依據。

具體實施例經過選擇與說明來最佳闡述本發明原理，並且以許多具體實施例讓其他精通此技術的人士對本系統有最佳瞭解，這些具體實施例都適合特定使用期待。精通此技術的人士可瞭解到，在不悖離本發明精神與範疇之下，其他具體實施例也隸屬於本發明。因此，由申請專利範圍來定義本發明範疇而非前述說明與其中描述的示例性具體實施例。

100．．．光電池

110．．．第一導電層

140．．．富矽介電層

145．．．矽奈米晶體

170．．．第二導電層

180．．．介電層

181．．．接觸孔

200．．．光電池

210．．．第一導電層

240．．．富矽介電層

245．．．矽奈米晶體

270．．．第二導電層

292．．．雷射

295．．．光線

400．．．光電池電池組

401．．．光電池

410．．．第一導電層

440．．．富矽介電層

445．．．矽奈米晶體

470．．．第二導電層

480．．．可充電電池組

485．．．電流表

495．．．光線

510-720．．．曲線

900．．．光電池

910．．．第一導電層

920．．．第一半導體層

930．．．第一富矽介電層

940．．．第二富矽介電層

960．．．第二半導體層

970．．．第二導電層

1000．．．光電池

1001．．．光電轉換層

1010．．．第一導電層

1020．．．N型摻雜半導體層

1030．．．第一富矽介電層

1040．．．第二富矽介電層

1050．．．第三富矽介電層

1060．．．P型摻雜半導體層

1070．．．第二導電層

1101．．．顯示面板

1102．．．液晶顯示面板

1110．．．顯示區域

1120．．．顯示區域

1130．．．光感測器

1140．．．光電池

1150．．．周圍光感測器

1160．．．液晶顯示驅動器

1200．．．低溫多晶矽面板

1201．．．光電池

1210．．．基板

1221．．．顯示場效電晶體

1222．．．源極區域

1224．．．汲極區域

1226．．．閘極電極

1230．．．第一導電層

1240．．．富矽介電層

1245．．．矽奈米晶體

1270．．．第二導電層

1295．．．周圍光線

1296．．．背光

1300．．．低溫多晶矽面板

1301．．．場效電晶體

1303．．．儲存電容器

1305．．．感光器

1307．．．主動區域

1310．．．基板

1355．．．第一電極

1365．．．富矽介電層

1375．．．第二電極

1400．．．方法

1410．．．第一基板

1412．．．切換區域

1414．．．太陽能電池區域

1420．．．閘極電極

1430．．．介電層

1442．．．非晶矽層

1444．．．摻雜的非晶矽層

1444a．．．源極接口

1444b．．．汲極接口

1450．．．金屬層

1452．．．第一部分

1454．．．第二部分

1456．．．第三部分

1460．．．富矽介電層

1470．．．保護層

1472．．．通孔

1482．．．第一部分

1484．．．第二部分

附圖說明本發明的一或多個具體實施例，並且在搭配內容說明之後可用來解釋本發明原理。無論在什麼地方，所有圖式中將使用相同的參考號碼來代表相同或相似的部分，其中：

第1圖圖解顯示根據本發明一個具體實施例的光電池之剖面圖；

第2圖圖解顯示根據本發明一個具體實施例製造一具有一富矽介電層，而該富矽介電層具有複數個雷射感應矽奈米晶體的光電池之處理：(A)在一第一導電層上形成一富矽介電層；(B)雷射退火該富矽介電層來形成複數個矽奈米晶體；以及(C)在該富矽介電層上形成一第二導電層；

第3圖顯示該等雷射感應的矽奈米晶體的特性：(A)一TEM影像顯示該等矽奈米晶體的大小，以及(B)該等雷射感應矽奈米晶體內奈米晶體大小的分布；

第4圖圖解顯示根據本發明一個具體實施例的光電池之剖面圖；

第5圖顯示該光電池對於一入射白光的光電流反應；

第6圖顯示利用不同的雷射退火功率強度製成的富矽氧化矽層，該光電池對一入射白光的光致發光反應；

第7圖顯示根據本發明一個具體實施例的光電池之電流電壓特性；

第8圖圖解顯示根據本發明一個具體實施例具有一多重能隙的光電池之光譜特性，其中該多重能隙分成複數個狹窄區域；

第9圖圖解顯示根據本發明一個具體實施例的光電池之剖面圖；

第10圖圖解顯示根據本發明其他具體實施例的光電池之剖面圖；

第11A圖和第11B圖圖解顯示根據本發明具體實施例整合一個或多個矽奈米晶體光電池之顯示面板；

第12圖圖解顯示根據本發明一個具體實施例整合複數個矽奈米晶體光電池的低溫多晶矽面板之剖面圖；

第13圖圖解顯示根據本發明其他具體實施例整合複數個矽奈米晶體光電池的低溫多晶矽面板之剖面圖；以及

第14A圖至第14F圖圖解顯示根據本發明一個具體實施例用於製造整合複數個矽奈米晶體光電池的低溫多晶矽面板之處理。

100．．．光電池

110．．．第一導電層

140．．．富矽介電層

145．．．矽奈米晶體

170．．．第二導電層

180．．．介電層

181．．．接觸孔

Claims (39)

1. 一種光電池，包含：(a)一第一導電層；(b)一N型摻雜半導體層形成於該第一導電層上；(c)一第一矽層形成於該N型摻雜半導體層上；(d)一第一富矽(Si-rich)介電層，形成於該第一矽層上並且具有一折射率n1；(e)一第二富矽(Si-rich)介電層，形成於該第一富矽介電層上並且具有一折射率n2，其中n2<n1；(f)一第二矽層形成於該第二富矽介電層上；(g)一P型摻雜半導體層形成於該第二矽層上；以及(h)一第二導電層形成於該P型摻雜半導體層上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光電池，其中該第一矽層與該第二矽層其中之一者的材質為非晶矽(a-Si)，並且該第一矽層與該第二矽層其中之另一者的材質為多晶矽(poly-Si)。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光電池，其中該第一富矽介電層與該第二富矽介電層兩者之中至少一者包含一奈米晶體矽(nc-Si)層，該奈米結晶矽層包含複數個矽奈米晶體，每一該矽奈米晶體的大小介於約1奈米到20奈米之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述之光電池，其中該第一導電層和該第二導電層兩者之中至少一者的材質為一透明導電材料。
5. 如申請專利範圍第4項所述之光電池，其中該透明導電材料為銦錫氧化物(ITO)、銦鋅氧化物(IZO)、鋁鋅氧化物(AZO)、鉿氧化物(HfO)或這些的組合。
6. 如申請專利範圍第1項所述之光電池，其中該N型摻雜半導體層的材質為N型摻雜矽，並且其中該P型摻雜半導體層的材質為P型摻雜矽。
7. 一種製造一光電池之方法，包含步驟：(a)提供一基板；(b)在該基板上形成一第一導電層；(c)在該第一導電層上形成一N型摻雜半導體層；(d)在該N型摻雜半導體層上形成一第一矽層；(e)在該第一矽層上形成一第一富矽(Si-rich)介電層，其中該第一富矽介電層具有一折射率n1；(f)在該第一富矽介電層上形成一第二富矽(Si-rich)介電層，其中該第二富矽介電層上具有一折射率n2，且n2<n1；(g)在該第二富矽介電層上形成一第二矽層；(h)在該第二矽層上形成一P型摻雜半導體層；以及(i)在該P型摻雜半導體層上形成一第二導電層。
8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，更包含：雷射退火該第一富矽介電層與該第二富矽介電層兩者之中至少一者以形成複數個矽奈米晶體。
9. 一種光電池，包含： (a)一第一導電層；(b)一第二導電層；以及(c)一光電轉換層，形成於該第一導電層與該第二導電層之間，其中該光電轉換層具有一多重能隙，該光電轉換層包含：(i)一第一富矽(Si-rich)介電層，形成於該第一導電層上並且具有一折射率n1；以及(ii)一第二富矽(Si-rich)介電層，形成於該第一富矽介電層上並且具有一折射率n2，其中n2<n1。
10. 如申請專利範圍第9項所述之光電池，其中該光電轉換層更包含：(i)一非晶矽(a-Si)層；以及(ii)一多晶矽(poly-Si)層，其中該第一富矽介電層和該第二富矽介電層形成在該非晶矽層和該多晶矽層之間。
11. 如申請專利範圍第10項所述之光電池，其中該第一富矽介電層與該第二富矽介電層的材質包含一富矽氧化物、一富矽氮化物、一富矽氮氧化物、一富矽碳化物或這些的組合。
12. 如申請專利範圍第10項所述之光電池，其中該第一富矽介電層與該第二富矽介電層兩者之中至少一者包含一奈米晶體矽(nc-Si)層，該奈米晶體矽層具有複數個矽奈米晶體，每一該矽奈米晶體的大小介於約1奈米到約20奈米之間。
13. 如申請專利範圍第9項所述之光電池，其中該光電轉換層更包含一第三富矽介電層形成在該第二富矽介電層與該第二導電層之間，該第三富矽介電層具有一折射率n3，其中n3<n2<n1。
14. 如申請專利範圍第13項所述之光電池，其中每一該第一富矽介電層、第二富矽介電層和第三富矽介電層的材質包含一富矽氧化物、一富矽氮化物、一富矽氮氧化物、一富矽碳化物或這些的組合。
15. 如申請專利範圍第9項所述之光電池，進一步包含：(i)一N型摻雜半導體層形成在該第一導電層與該光電轉換層之間；以及(ii)一P型摻雜半導體層形成在該第二導電層與該光電轉換層之間。
16. 如申請專利範圍第9項所述之光電池，其中該第一和第二導電層其中之至少一者的材質為一透明導電材料。
17. 一種製造一光電池之方法，包含步驟：(a)提供一基板；(b)形成一第一導電層在該基板上；(c)形成一光電轉換層在該第一導電層上，其中該光電轉換層具有一多重能隙(multi-band gap)並包含：(i)形成一第一富矽(Si-rich)介電層在該第一導電層 上，其中該第一富矽層具有一折射率n1；以及(ii)形成一第二富矽(Si-rich)介電層在該第一富矽層上，其中該第二富矽層具有一折射率n2，且n2<n1；以及(d)形成一第二導電層在該光電轉換層上。
18. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中形成該光電轉換層的步驟更包含步驟：(i)形成一第一矽層在該第一導電層上；(ii)形成一第二矽層在該第二富矽介電層上，其中該第一矽層與該第二矽層其中之一者包含一非晶矽(a-Si)層，並且該第一矽層與該第二矽層其中之另一者包含一多晶矽(poly-Si)層。
19. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中形成該第一富矽層以及該第二富矽層的步驟進一步包含：雷射退火該第一富矽層以及該第二富矽層來形成複數個矽奈米晶體。
20. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中形成該光電轉換層的步驟進一步包含：形成一第三富矽介電層在該第二富矽介電層與該第二導電層之間，該第三富矽介電層具有一折射率n3，其中n3<n2<n1。
21. 如申請專利範圍第17項所述之方法，該方法進一步包 含：(i)形成一N型摻雜半導體層在該第一導電層與該光電轉換層之間；以及(ii)形成一P型摻雜半導體層在該第二導電層與該光電轉換層之間。
22. 一種液晶顯示面板，係利用一液晶顯示驅動器來驅動操作並且利用一背光來照明，該液晶顯示面板包含：(a)一顯示區域，用於顯示相關資訊；以及(b)一光電池，該光電池置於圍繞該顯示區域的一區域內並曝露在一光線下，來將該光線的光學能量轉換成一電能，該電能供應至該液晶顯示驅動器當成一驅動電力，其中該光電池包含：(i)一第一導電層；(ii)一第二導電層；以及(iii)一光電轉換層，形成於該第一導電層與該第二導電層之間，其中該光電轉換層具有一多重能隙。
23. 如申請專利範圍第22項所述之液晶顯示面板，其中該光電轉換層進一步包含：(i)一非晶矽(a-Si)層；(ii)一多晶矽(poly-Si)層；以及(iii)一富矽(Si-rich)介電層形成在該非晶矽層和該多晶矽層之間。
24. 如申請專利範圍第23項所述之液晶顯示面板，其中該富 矽介電層的材質包含一富矽氧化物、一富矽氮化物、一富矽氮氧化物、一富矽碳化物或這些的組合。
25. 如申請專利範圍第24項所述之液晶顯示面板，其中該富矽介電層包含一奈米晶體矽(nc-Si)層，該奈米晶體矽層具有複數個矽奈米晶體，每一該矽奈米晶體的大小介於約1奈米到約20奈米之間。
26. 如申請專利範圍第22項所述之液晶顯示面板，其中該光電轉換層包含：(i)一第一富矽(Si-rich)介電層，形成於該第一導電層上並且具有一折射率n1；以及(ii)一第二富矽(Si-rich)介電層，形成於該第一富矽介電層上並且具有一折射率n2，其中n2<n1。
27. 如申請專利範圍第26項所述之液晶顯示面板，其中該光電轉換層進一步包含一第三富矽介電層形成在該第二富矽介電層與該第二導電層之間，該第三富矽介電層具有一折射率n3，其中n3<n2<n1。
28. 如申請專利範圍第22項所述之液晶顯示面板，其中該顯示區域具有複數個低溫多晶矽薄膜電晶體(LTPS-TFT,“low temperature polycrystalline silicon thin film transistor”)。
29. 一種用於製造一液晶顯示(LCD)面板之方法，該液晶顯 示面板係利用一液晶顯示驅動器來驅動操作並且利用一背光來照明，該方法包含：(a)提供一基板；(b)形成一顯示區域在該基板上；以及(c)形成一光電池在圍繞該顯示區域的一區域內之該基板上，並曝露在光線下，當該光電池將光能轉換成一電能，該電能供應至該液晶顯示驅動器當成一驅動電力，其中形成該光電池的步驟包含步驟：(i)形成一第一導電層；(ii)形成一第二導電層；以及(iii)形成一光電轉換層在該第一導電層與該第二導電層之間，其中該光電轉換層具有一多重能隙。
30. 如申請專利範圍第29項所述之方法，其中形成該光電轉換層的步驟包含：(i)形成一第一矽層在該第一導電層上；(ii)形成一富矽(Si-rich)介電層在該第一矽層上；以及(iii)形成一第二矽層在完成雷射退火的該富矽介電層上，其中該第一矽層與該第二矽層其中之一者包含一非晶矽(a-Si)層，並且該第一矽層與該第二矽層其中之另一者包含一多晶矽(poly-Si)層。
31. 如申請專利範圍第30項所述之方法，其中形成該富矽介電層的步驟進一步包含：雷射退火該富矽介電層來形成複數個矽奈米晶體。
32. 如申請專利範圍第29項所述之方法，其中形成該光電轉換層的步驟包含：(i)形成一第一富矽(Si-rich)介電層於該第一導電層上，該第一富矽介電層具有一折射率n1；以及(ii)形成一第二富矽(Si-rich)介電層於該第一富矽介電層上，該第二富矽介電層具有一折射率n2，其中n2<n1。
33. 如申請專利範圍第32項所述之方法，其中形成該光電轉換層的步驟更包含：形成一第三富矽介電層在該第二富矽介電層與該第二導電層之間，該第三富矽介電層具有一折射率n3，其中n3<n2<n1。
34. 一種顯示面板，包含：複數個矩陣形式排列的像素，每一像素包含：(a)一主動區域，用於顯示相關資訊；(b)一切換區域，具有至少一切換元件；以及(c)一光電池，形成於該主動區域與該切換區域之間，其中該光電池具有一光電轉換層，該光電轉換層包含一多重能隙。
35. 如申請專利範圍第34項所述之顯示面板，其中該光電轉換層包含：(i)一非晶矽(a-Si)層；(ii)一多晶矽(poly-Si)層；以及 (iii)一富矽(Si-rich)介電層形成在該非晶矽層和該多晶矽層之間。
36. 如申請專利範圍第35項所述之顯示面板，其中該富矽介電層包含一奈米晶體矽(nc-Si)層，該奈米晶體矽層具有複數個矽奈米晶體，每一該矽奈米晶體大小介於約1奈米到約20奈米之間。
37. 一種製造一顯示面板之方法，包含：(a)提供一基板；以及(b)在該基板上以矩陣形式形成複數個像素，其中每一像素包含一光電池，其中該光電池具有一光電轉換層，該光電轉換層包含一多重能隙。
38. 如申請專利範圍第37項所述之方法，其中形成該些像素的步驟包含：(i)形成複數個閘極電耦合至該基板上的複數個閘線，其中該些閘極在空間上彼此相隔，並且其中每一對相鄰該些閘極定義一主動區域、一切換區域以及一光電池，該切換區域中形成該閘極，該光電池位於位於該主動區域和該切換區域之間；(ii)在該些閘極以及該基板的剩餘區域上形成一閘絕緣層；(iii)形成一非晶矽(a-Si)層在該閘絕緣層上覆蓋每一切換區域內的該些閘極；(iv)在該非晶矽層上形成一摻雜非晶矽層； (v)在該摻雜非晶矽層上以及該閘絕緣層的剩餘區域上形成一第一導電層；(vi)在該第一導電層上形成覆蓋每一光電池區域的一富矽(Si-rich)介電層；(vii)在每一切換區域內形成一源極和一汲極，藉此在該基板上形成具有一場效電晶體陣列；(viii)形成一被動層在第一導電層上覆蓋該場效電晶體陣列與該富矽介電層；(ix)在該切換區域和該光電池區域內該被動層上形成通孔接觸；以及(x)在該切換區域與該光電池區域之間一區域上形成具有一第一部分的一第二導電層，如此該第一部分在每一切換區域內通過該通孔與該場效電晶體的該汲極接觸，以及接觸該光電池區域內該富矽介電層上一第二部分。
39. 如申請專利範圍第38項所述之方法，其中形成該複數個像素的步驟進一步包含雷射退火該富矽介電層來在其內形成複數個矽奈米晶體。