矽晶片太陽能電池及其製造方法

專利類型

發明

專利國別 (專利申請國家)

中華民國

專利申請案號

108128367

專利證號

I 699018

專利獲證名稱

矽晶片太陽能電池及其製造方法

專利所屬機關 (申請機關)

國立交通大學

獲證日期

2020/07/11

技術說明

本發明提出利用溶液摻雜(solution-doping)有機發光材料做為矽晶片太陽能電池的載子選擇層的方法，本體的有機發光材料可透過溶液混合方式，摻入作為雜質(dopant) 的有機小分子材料來改變本身的功函數，提昇在矽表面的導電性，以及對載子(電子或電洞)傳導的選擇性，做為矽晶片太陽能電池的載子選擇層。相較於傳統利用爐管擴散燒結達成矽的高摻雜，或沉積非晶矽材料的方式，有機材料的溶液摻雜製程，有著低溫、快速、成本低廉的優勢存在，低溫溶液製程的方式也解決未來矽晶片逐漸減薄，製程上容易破片良率不佳的問題。 在實驗中我們選擇常用於OLED的有機氟化螢光聚合物材料Poly (9,9-di-n-octylfluorenyl-2,7-diyl)，簡稱PFO，此材料具有不錯的電洞遷移率與寬能隙的特點，再透過溶液混合方式，摻雜氟化小分子F4-TCNQ(Tetracyanoquinodimethane)，我們發現F4-TCNQ高電子親和力的材料特性能改變PFO對電洞的傳導度，隨著F4-TCNQ濃度增加，能有效降低材料的功函數，降低電洞傳導能障及串聯電阻，成功提升電洞的傳導性。利用F4-TCNQ摻雜的PFO材料做矽晶片太陽能電池的載子選擇層完成的元件效率，已接近傳統型鋁漿燒結背表面場的電池，未來搭配好的鈍化層可應用於高效率低成本太陽能電池發展。本發明利用F4-TCNQ溶液摻雜的PFO材料作為矽基太陽能電池的載子(電洞)選擇層，相較於傳統普遍利用爐管擴散燒結達成矽的高摻雜做載子選擇層，有機材料的溶液製程，有著低溫、快速、成本低廉的優勢存在，也適用未來薄矽晶片的技術。 創作目的 透過溶液摻雜(solution-doping)有機發光材料方式，改變本體有機材料的功函數，提升載子傳導能力與選擇性，可增強矽晶片太陽能電池光電元件效率。本發明的低溫有機溶液製程不須爐管或真空薄膜沉積載子選擇層，可降低太陽能電池製程的成本，並減少未來的薄矽晶片因高溫製程造成破片良率降低的問題。 技術特點 目前有機材料的塗佈技術，刮刀塗佈技術優於旋塗在於能夠利用控制塗佈棒與基板的間距、塗佈速率，均勻控制材料的膜厚，在下料的使用量也更加節省，更重要的的優點在於能夠往大面積塗佈發展。本發明公開了一種使用溶液摻雜的有機發光(螢光或磷光)材料作為矽晶片太陽能電池的載子選擇層的方法。雖然溶液摻雜的做法也常見於溶液製成的有機太陽能電池或是鈣鈦礦太陽能電池，但一般會摻雜適合用於作電子傳輸層和電洞傳輸層等功函數匹配的材料，並不會使用於有機發光材料，溶液摻雜的做法也未見於傳統矽晶片太陽能電池的結構，我們的實驗發現矽晶片太陽能電池使用溶液摻雜的有機發光材料作為載子選擇層可以有類似於使用半導體製程的元件表現 。 首先，將本體(intrinsic) 的有機發光材料和作為雜質(dopant) 的兩種有機材料（其分子形式可以是聚合物或小分子）分別溶解在相同或不同的有機溶劑中，以獲得完全溶解的溶液形式。然後將兩種溶液以特定比例混合在一起，以獲得所需的摻雜濃度。實施例中選用F4-TCNQ小分子摻雜材料與PFO氟化聚合物有機螢光材料溶於特定有機溶劑當中，再依照溶液的重量比例將F4-TCNQ摻雜至PFO中，以共溶劑的方式調配有機溶液，做為電洞選擇接觸層，PFO為選擇電洞的材料，對電子的接觸電阻比電洞還大上一倍之多。接著利用刮刀塗佈技術，將摻雜的PFO均勻塗佈於矽晶片太陽能電池的背面，從太陽能電池效率參數來看，與未摻雜F4-TCNQ的PFO元件比較，摻雜後明顯改善元件的填充因子，暗電流分析串聯電阻也發現，大幅降低了電池的串聯電阻，透過摻雜濃度改變，量測顯示PFO功函數隨著F4-TCNQ濃度提高而改變，成功利用摻雜的有機螢光材料PFO來做為電洞選擇層，最終使太陽能電池的轉換效率逼近傳統型太陽能電池達到17.9%。 解決問題 近年來大量研究投入於尋找各種具有載子選擇特性的材料，例如非晶矽、金屬氧化物、有機材料等，以取代傳統爐管的高溫製程，並因應薄矽晶片的趨勢，降低太陽能電池的成本。有機材料具有相當大的潛力，因為相較於非晶矽與金屬氧化物，有機材料不需要真空沉積製程，且可用低溫、溶液塗佈的方式達成。然而有機材料一般導電性不佳，做為矽晶片太陽能電池的載子選擇層，其低導電率限制了元件的填充因子，未摻雜的PFO的元件填充因子只達到約65%，我們透過摻雜F4-TCNQ來改善PFO的電洞傳導，成功改善低填充因子的現象，達到超過80%。相較於傳統利用爐管擴散燒結達成矽的高摻雜，或沉積非晶矽材料的方式，本發明的有機溶液摻雜技術有低溫、快速、成本低廉的優勢，低溫溶液製程的方式也適用於未來薄矽晶片太陽能電池的大規模生產，因為當前矽晶片太陽能電池產業所使用爐管或真空薄膜沉積等高熱預算的製造方法可能導致未來薄矽晶片破損，傷害太陽能電池的產量和良率。 This invention discloses a method of using solution-doped organic light-emitting (fluorescent or phosphorus) materials to serve as the carrier selective layer (CSL) for silicon solar cells. First, the intrinsic and dopant organic materials, wherein the molecular form could be either polymers or small molecules, are separately dissolved in the same or different organic solvents to obtain a completely dissolved solution form. The two solutions are then blended together with a specific ratio to achieve the desired doping concentration. Experimental results have shown that the work function of the doped fluorescent organic material is modified in accordance with the doping concentration. As a result, the silicon solar cells employing the organic carrier selective layer exhibit improved hole conductivity and carrier selectivity, leading to an enhanced open-circuit voltage, fill factor, and power conversion efficiency. Compared to the conventional furnace doping process or vacuum deposition of the amorphous silicon materials, the organic solution process of the carrier selective layer is rapid and reduces the fabrication cost. The low processing temperature is also favorable to the mass production of future thin-silicon solar cells, as the high-thermal budget requirement in current manufacturing methods could result in wafer breakage and harm the yield and throughput of the future silicon solar cell industry.

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