電荷引發電場鈍化應用於太陽能電池

 

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楊智程/中山大學材料與光電科學學系;柳水金、陳松裕/工研院綠能所;林昭正/國研院台灣半導體研究中心;
陳柏勳/中華民國海軍軍官學校;張鼎張/中山大學物理系
 
矽基太陽能電池為目前市場主流,相關研究單位也投注了相當多的研究,期望有更高的光電轉換效率,達到更好的性價比。為了提高光伏元件(Photovoltaic Device)的光電轉換效率,必須要降低光吸收介質的光電子復合率。本篇將著重於改良背表面鈍化太陽能電池結構(PERC),並藉由電性模擬與可靠度分析引入適當的電荷儲存層,以電場控制使光電流能有效被汲取再利用,實現高光電轉換效率之太陽能電池。
 
前 言
近年來綠色能源產業快速發展,全世界皆投入大量資源研究,可望在未來取代傳統石化發電等高汙染性能源。綠能產業包括太陽能發電、風力發電、生質能源,其中太陽能發電技術扮演極為重要的角色。太陽能電池(Solar Cell)可分為:矽基板太陽能電池(Silicon Based)、銅銦鎵硒太陽能電池(CIGS)(6)、染料敏化太陽能電池(Dye-sensitized Solar Cell)(7-8)、代串疊型電池(Tandem Cell)(9-10)。本篇將以矽基板太陽能電池中的鈍化射極與背接觸太陽能電池(Passivated Emitter Rear Cell; PERC)進行光電轉換效率相關研究。
 
矽基太陽能電池的原理為透過太陽光照射元件提供能量並產生電子-電洞對,進而產生電流。然而,太陽能電池效能可能受到元件表面反射程度、半導體接面缺陷、元件整體電阻等三大因素影響,使光電轉換效率降低。為了降低太陽光照射表面產生的反射光損失,會利用氫氧化鉀溶液對平坦的矽晶表面進行蝕刻處理,製作出金字塔結構,使表面粗糙化,藉以降低表面光反射率至10%。除了降低光反射率,降低半導體接面缺陷造成的載子復合損失亦是相當重要。
 
改良PERC太陽能電池(圖一)被認為是目前最具發展潛力的太陽能電池。增加目前PERC太陽能電池效率的方法,主要有兩種:①增加光吸收效率;②減少載子復合率。為了減少載子的光電復合率,使用背向表面內建電位(Back Surface Field; BSF)結構是一項有效的方法。改變背向表面內建電位,將能使與塊材極性相反的載子改變行徑方向,降低電子電洞復合之機率。在多數的研究中,大多使用寬能隙材料或是異質接面結構來形
成BSF,但在本篇中,我們創新使用電荷儲存層(Charge Storage)來達成BSF的效果。該電荷儲存技術在記憶體元件(Memory Device)有廣泛的研究基礎,包括Nano Dot、SONOS,對電荷寫入與儲存,以及儲存後的揮發性、可靠度也研究甚深。本篇提出適當的電荷儲存層結構,使其在電池背向鈍化面儲存電荷,讓光產生之少數載子能夠被引導至極性相同的塊材,不被多數載子復合,使發光效率能夠提升。
 
 
圖一、PERC太陽能電池結構
圖一、PERC太陽能電池結構
 
PERC太陽能電池之基本結構與模擬結果
1. 基本結構
圖二為我們使用TCAD模擬PERC太陽能電池效率的基本結構。在本結構中,由於照光產生的電子-電洞對會形成於單晶矽中,我們希望電子可以往銀電極的方向移動,避免被下方p型半導體的多數載子-電洞復合,於是我們使電荷注入SiN層,使得該太陽能電池的背面產生表面的內建電位,形成一個反向的電場,藉此減少流向下方電極的電子數量,便可以提高該太陽能電池的效率。
 
圖二、TCAD模擬元件之SiN層存入電子
圖二、TCAD模擬元件之SiN層存入電子
 
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