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TWI473289B - 太陽能電池的製造方法 - Google Patents

太陽能電池的製造方法 Download PDF

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TWI473289B
TWI473289B TW100134086A TW100134086A TWI473289B TW I473289 B TWI473289 B TW I473289B TW 100134086 A TW100134086 A TW 100134086A TW 100134086 A TW100134086 A TW 100134086A TW I473289 B TWI473289 B TW I473289B
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Description

太陽能電池的製造方法
本發明係有關一種太陽能電池，特別是關於一種使用雷射以製造聚集式光電池(CPV)的方法。
電源可由多種方式產生，例如核能發電、風力發電、水力發電、火力發電或太陽能發電等。電源的選擇必需考量各種因素，例如安全性、成本、對環境的影響、生命期、來源的取得等。近來，綠能源特別受到重視，例如太陽能、地熱(geothermal)能、水力能等，其中，太陽能由於來源的取得容易且不會造成環境的污染，因此特別受到重視。
太陽能電源的產生方式，最常見的有以下兩種：太陽熱(solar thermal)方式及光電(photovoltaic)方式。其中，太陽熱方式係使用太陽的熱能來進行加熱或產生電力；光電方式則是利用光電效應(photovoltaic effect)，使用太陽能電池(solar cell)將光輻射直接轉換為電力。
目前所使用的太陽能電池最主要有以下兩種：大面積光電板(bulky panel photovoltaic)及聚集式光電池(concentrated photovoltaic,CPV)。大面積光電板又稱為矽基(silicon-based)太陽能電池，其主動層 (active layer)一般係使用矽晶圓或薄膜，其中，矽晶圓可為單晶矽(monocrystalline silicon)、多晶矽(multicrystalline silicon)或帶狀矽(ribbon silicon)；薄膜可為碲化鎘(cadium telluride,CdTe)、銅銦鎵硒(copper indium gallium selenide,CIGS)或非晶矽(amorphous silicon,A-Si)。大面積光電板的結構簡單，且不需額外使用光學元件，但是轉換效率偏低(8~10%)，因此整體系統成本為中間等級，一般約為US$6/Wp，其中Wp為峰值瓦特。
聚集式光電池又稱為化合物基(chemical compound-based)太陽能電池，其主動層一般係使用III-V族化合物，例如砷化鎵(GaAs)、砷化銦鎵(InXGa1-XAs)、磷化鋁(AlP)或磷化鎵(GaP)。第一圖顯示傳統聚集式光電池的結構剖面圖，其由下而上依序包含基板10、砷化鎵(GaAs)層11、砷化銦鎵(InGaAs,InXGa1-XAs)層12、磷化鎵(GaP)層13及磷化鋁(AlP)層14。
上述化合物的能帶間隙(band gap)範圍極為狹窄，一般介於0.36~2.45電子伏(eV)之間。下表一列示該些化合物的能帶間隙值：
如第二圖所示的能帶(energy band)圖，當太陽電池吸收的 光能量遠超過最大能帶間隙(2.45電子伏)Eg所對應的能量時，電子20從價帶(valence band)Ev被光能量過激發(over excite)至導帶(conduction band)Ec以上，當電子20返回導帶Ec時，即會產生熱能。如此不但浪費了光能量，且還需額外使用冷卻系統或散熱裝置以排放所產生的熱能。
上述化合物大部分為有毒物質且材質易碎，因此增加製造成本或者無法提高良率(yield)。此外，第一圖所示傳統太陽能電池所使用的砷化鎵(GaAs)，其對於缺陷密度的容忍度僅為103/cm2，因此也會影響到良率。上述化合物的形成一般係使用昂貴的有機金屬化學氣相沈積法(MOCVD)，由於其通常無法沈積的夠厚，因而侷限了太陽電池的轉換效能。再者，傳統聚集式光電池的製程溫度較高(>500℃)，因而提高製造成本。
相較於大面積光電板，聚集式光電池的尺寸較小且轉換效率(25~45%)較高，但是必需額外使用光學元件以進行聚光(例如使用1：1000面積比值的透鏡)以及使用前述的冷卻系統或散熱裝置，因此整體系統成本較高，一般約為US$10/Wp。
由於傳統聚集式光電池的轉換效率無法有效提高，且整體系統成本無法進一步降低，因此亟需提出一種新穎的太陽能電池，用以改善傳統聚集式光電池的效能。
鑑於上述，本發明實施例的目的之一在於提出一種太陽能電池的製造方法，其使用III族氮化物以取代傳統的III-V族化合物，且使用低溫化學氣 相沈積法或物理氣相沈積法以取代傳統有機金屬化學氣相沈積法(MOCVD)，並使用雷射作為反應時的激發能。藉此，本實施例的太陽能電池可提高轉換效能，降低尺寸，且使用低溫製程以降低整體系統成本。
根據本發明實施例，首先提供一底材，且形成一基板於底材的表面。在一實施例中，底材/基板的材質為鋁/氧化鋁。接著，選擇性形成一緩衝層於基板上。沈積複數III族氮化物(III-nitride)層於基板或緩衝層上，其中該些III族氮化物層於沈積時係使用雷射作為反應時的激發能，且該些III族氮化物層的能帶間隙(band gap)值從靠近基板開始依序遞增。其中該底材為鋁底材，該基板為氧化鋁(Al2O3)基板，且氧化鋁基板係藉由硬式陽極處理(hard-anodizing)鋁底材所形成。
10‧‧‧基板
11‧‧‧砷化鎵(GaAs)層
12‧‧‧砷化銦鎵(InGaAs)層
13‧‧‧磷化鎵(GaP)層
14‧‧‧磷化鋁(AlP)層
20‧‧‧電子
30‧‧‧底材
31‧‧‧基板
32‧‧‧緩衝層(GaN)
33A‧‧‧氮化銦(InN)
33B‧‧‧氮化銦鎵(InGaN)
33C‧‧‧氮化銦鋁鎵(InAlGaN)
33D‧‧‧氮化鋁(AlN)
Ev‧‧‧價帶
Ec‧‧‧導帶
Eg‧‧‧能帶間隙
第一圖顯示傳統聚集式光電池的結構剖面圖。
第二圖顯示能帶(energy band)圖。
第三A圖至第三C圖的剖面圖顯示本發明實施例之太陽能電池的製造方法及結構。
第四圖顯示本實施例之太陽能電池結構及其對應的太陽光波長。
第三A圖至第三C圖的剖面圖顯示本發明實施例之太陽能電池(solar cell，又稱為photovoltaic cell或photoelectric cell)的製造方法及結構。太陽能電池可用以將光能(例如太陽光能)轉換為電能。圖式僅顯示出 與本實施例相關的組成要件，因此，所示層級之間可視實際應用需求而插入其他額外層級。此外，圖式中各組成要件的尺寸並未依實際比例繪製。
根據本發明實施例之一，如第三A圖所示，提供矽(silicon,Si)底材30。接著，於矽底材30的表面形成碳化矽(silicon carbide,SiC)基板31。在一較佳實施例中，碳化矽基板31的厚度大約為2~10微米(μm)，但不限定於此。關於碳化矽基板31的形成方法可參考Udagawa等人所提出的美國專利公開第2009/0045412號，題為“Method for Production of Silicon Carbide Layer,Gallium Nitride Semiconductor device and Silicon Substrate”，其內容可視為本說明書的一部份。
根據本發明實施例之二，第三A圖結構的形成方法如下所述。首先，提供鋁(aluminum,Al)底材30。接著，對鋁底材30進行硬式陽極處理(hard-anodizing)，因而於鋁底材30的表面形成氧化鋁(aluminum oxide,Al2O3)基板31。氧化鋁一般又稱為藍寶石(sapphire)，其較未處理過的鋁來得堅硬。在一較佳實施例中，氧化鋁基板31的厚度大約為2~10微米(μm)，但不限定於此。
陽極氧化處理(anodizing)係為一種電解(electrolytic)製程，將待處理金屬浸於酸液(例如硫酸(sulfuric acid))中並通以電流。關於陽極氧化處理的技術細節可參考Chang等人所提出的美國專利公開第2011/0146795號，題為“Structure and Preparation of CIGS-Based Solar Cells Using an Anodized Substrate with an Alkali Metal Precursor”，其內容可視為本說明書的一部份。本實施例使用的硬式陽極處理和一般陽極氧化處理的主要差別在於，硬式陽極處理的溫度較低於一般陽極氧化處理的溫度，且 通過的電流較一般陽極氧化處理來得高。經硬式陽極處理所形成的氧化鋁基板31，其表面具晶粒介面(grain boundary)，且其晶體具單一方位(single orientation)，例如C平面(C-plane)或A平面(A-plane)。
接著，如第三B圖所示，形成緩衝層32於基板31上。在本說明書中，方向“上”係指遠離底材30的方向，亦即靠近光源的方向；方向“下”係指靠近底材30的方向。緩衝層32係用以調節後續層級與基板31之間的應力(stress)。本實施例使用氮化鎵(gallium nitride,GaN)作為緩衝層32的材質，其可使用(但不限定於)一般化學氣相沈積法(chemical vapor deposition,CVD)以沈積於基板31上。本實施例所使用的氮化鎵(GaN)對於缺陷密度(defect density)的容忍度可達109/cm2，然而，傳統太陽能電池所使用的砷化鎵(gallium arsenide,GaAs)，其對於缺陷密度的容忍度僅為103/cm2。本實施例雖形成緩衝層32於基板31上，然而，也可省略緩衝層32的形成。
如第三C圖所示，形成複數III族氮化物(group III-nitride)層33A~33D於緩衝層32上。換句話說，每一III族氮化物層33A~33D包含氮原子以及至少一種III族原子(例如鋁、鎵(gallium)、銦(indium)等)。以第三C圖所示為例，該些III族氮化物層33A~33D從下(靠近基板31)而上(遠離基板31)分別為氮化銦(indium nitride,InN)33A、氮化銦鎵(indium gallium nitride,InGaN,InXGa1-XN)33B、氮化銦鋁鎵(indium aluminum gallium nitride,InAlGaN)33C及氮化鋁(aluminum nitride,AlN)33D。
根據本實施例的特徵之一，該些III族氮化物層33A~33D的能帶 間隙(band gap)值從下而上依序遞增。下表二列示該些III族氮化物層33A~33D的能帶間隙值：
第四圖顯示本實施例之太陽能電池結構及其對應的太陽光波長。根據E=h*(c/λ)，波長λ與光能量E成反比，其中h為普朗克(Planck)常數，c為光速。根據本實施例的結構，能帶間隙值愈大者愈靠近光源(例如太陽光源)處，藉此，當電子從價帶(valence band)被光能量激發至導帶(conduction band)時，可避免(或減少)電子因過激發(over excite)所產生的無謂熱能。反觀傳統太陽能電池，其最大能帶間隙值僅為2.45電子伏，因此，大於該數值所對應的光能量會產生電子的過激發而產生無謂的熱能。
根據第四圖及表二所示，由於本實施例之太陽能電池的結構具有較寬廣的能帶間隙範圍，亦即0.7~6.3電子伏，因此可以對應至較寬廣的光能量(或波長)範圍。反觀傳統太陽能電池，其能帶間隙的範圍較窄，例如0.36~2.45電子伏，因此對應的光能量(或波長)範圍較窄。如前所述，對於較大的光能量(或較小波長)，會造成電子的過激發而產生無謂的熱 能。因此，本實施例的太陽能電池之(光轉電)轉換效能遠大於傳統太陽能電池的轉換效能。此外，本實施例的緩衝層32(GaN)具有3.4電子伏的能帶間隙，上述碳化矽(SiC)基板31具有2.86電子伏的能帶間隙，也有助於轉換效率的提升。例如，當一部份的光能量未被III族氮化物層33A~33D吸收時，則仍可由緩衝層32及碳化矽基板31加以吸收。根據粗略的估算，本實施例的轉換效能可大於60%，而傳統太陽能電池僅能達到45%。除了具有較寬廣的能帶間隙範圍外，本實施例因使用III族氮化物，相較於傳統太陽能電池的材質，本實施例具有較多的材質組合搭配可能性，而可形成較多層級數，此也有助於整體轉換效率的改善。
根據本發明實施例之三，該些III族氮化物層33A~33D可使用化學氣相沈積法(CVD)且使用雷射作為反應時的激發能。本實施例可使用雷射光作為激發能，實施熱分解(pyrolytic)以進行熱化分解(thermochemical decomposition)反應，用以將反應氣體分解後再結合而形成所要沈積的薄膜。本實施例也可使用雷射光作為激發能，實施光分解(photolytic)以進行光化(photochemical)反應，用以將反應氣體分解後再結合而形成所要沈積的薄膜。關於熱分解及光分解的技術細節可參考Narula等人所提出的美國專利第5,417,823號，題為“Metal-Nitrides Prepared by Photolytic/Pyrolytic decomposition of Metal-Amides”，其內容可視為本說明書的一部份。
下表三例示(但不限定)本實施例於進行化學氣相沈積法時可使用的反應氣體源(reactant)：表三
除了實施例三所述的化學氣相沈積法，該些III族氮化物層33A~33D的形成也可使用物理氣相沈積法(physical vapor deposition,PVD)。相較於化學氣相沈積法，物理氣相沈積法通常使用較低溫度及壓力(例如真空)，首先將所要沈積薄膜的元素或化合物予以氣化或蒸發(vaporized)，經沈澱凝結(condensation)後，於視線範圍(line of sight)內形成薄膜。關於使用物理氣相沈積法以形成III族氮化物層的技術細節可參考Nagai等人所提出的美國專利第6,716,655號，題為“Group III Nitride Compound Semiconductor Element and Method for Producing the Same”，其內容可視為本說明書的一部份。
根據本發明實施例之四，該些III族氮化物層33A~33D的形成可使用脈衝雷射(pulsed laser)沈積法，其為物理氣相沈積法的一種。在本實施例中，使用高功率脈衝雷射束作為激發能，打擊來源物質靶使其氣化，經沈澱凝結後形成薄膜。關於使用雷射作為激發能以沈積氮化物的技術細節可參考A.Perrone所提出的“An Overview on Nitride Film Deposited by Reactive Pulsed Laser Ablation”(Lasers and Electro-Optics Europe,2000,Conference Digest)，其內容可視為本說明書的一部份。
根據上述，本實施例使用雷射作為反應的激發能，相較於傳統 方法(例如，有機金屬化學氣相沈積法(MOCVD))，本實施例可操作於較低溫度(<500℃)，因而得以降低熱預算(thermal budget)或成本。此外，相較於有機金屬化學氣相沈積法(MOCVD)，本實施例較容易形成較厚的III族氮化物層33A~33D，此也有助於整體轉換效率的改善。
鑑於上述本實施例因具有較寬廣的能帶間隙範圍、因使用III族氮化物而具有較多的材質組合搭配可能性且容易形成較厚的層級，所以轉換效率遠高於傳統太陽能電池。因此，本實施例可以使用較小尺寸的聚光光學元件，甚至不需要任何聚光光學元件，且可簡化或縮小冷卻系統或散熱裝置的尺寸(亦可不需使用任何冷卻系統)，因而得以降低整體太陽能電池的尺寸與成本。除此之外，本發明實施例之太陽能電池因III族氮化物本身的材質特性(較大的缺陷密度容忍度及不易碎)可做成較大尺寸，進而直接提高整體轉換電力。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
30‧‧‧底材
31‧‧‧基板
32‧‧‧緩衝層(GaN)
33A‧‧‧氮化銦(InN)
33B‧‧‧氮化銦鎵(InGaN)
33C‧‧‧氮化銦鋁鎵(InAlGaN)
33D‧‧‧氮化鋁(AlN)

Claims (10)

  1. 一種太陽能電池的製造方法，包含：提供一底材；形成一基板於該底材的表面；及沈積複數III族氮化物(III-nitride)層於該基板上，其中該些III族氮化物層於沈積時係使用雷射作為反應時的激發能，且該些III族氮化物層的能帶間隙(band gap)值從靠近該基板開始依序遞增；其中該底材為鋁底材，該基板為氧化鋁(Al2O3)基板，且該氧化鋁基板係藉由硬式陽極處理(hard-anodizing)該鋁底材所形成。
  2. 如申請專利範圍第1項所述太陽能電池的製造方法，其中該氧化鋁基板的表面具晶粒介面，且其晶體具單一方位。
  3. 如申請專利範圍第1項所述太陽能電池的製造方法，更包含形成一緩衝層於該基板與該些III族氮化物層之間。
  4. 如申請專利範圍第3項所述太陽能電池的製造方法，其中該緩衝層包含氮化鎵(GaN)。
  5. 如申請專利範圍第1項所述太陽能電池的製造方法，其中該些III族氮化物層從靠近該基板開始依序至少包含氮化銦(InN)層、氮化銦鎵(InGaN)層、氮化銦鋁鎵(InAlGaN)層及氮化鋁(AlN)層。
  6. 如申請專利範圍第1項所述太陽能電池的製造方法，其中該些III族氮化物層的能帶間隙範圍介於0.7~6.3電子伏。
  7. 如申請專利範圍第1項所述太陽能電池的製造方法，其中該些III族氮化物層係以低於500溫度之化學氣相沈積法所沈積。
  8. 如申請專利範圍第7項所述太陽能電池的製造方法，其中該雷射實施熱分解(pyrolytic)以進行熱化分解(thermochemical decomposition)反應，或者實施光分解(photolytic)以進行光化(photochemical)反應。
  9. 如申請專利範圍第1項所述太陽能電池的製造方法，其中該些III族氮化物層係以物理氣相沈積法所沈積。
  10. 如申請專利範圍第9項所述太陽能電池的製造方法，其中該些III族氮化物層之沈積係使用脈衝雷射(pulsed laser)沈積法。
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