[发明专利]硅纳米晶体光电池及其在薄膜晶体管面板内的应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种光电池，特别是涉及具有拥有多重能隙(multi-band gap) 的光电转换层的光电池，及其在低温多晶硅薄膜晶体管(LTPS-TFT，“low temperature polycrystalline silicon thin film transistor”)或非晶硅薄膜晶体管(a-Si TFT，“amorphous silicon thin film transistor”)面板内的应用。

背景技术

一太阳能电池或光电池属于一种利用该光电效应将太阳能/光能转换成电 能的半导体装置。一般来说，一太阳能电池配置成由硅制成的大面积P-N接合 (P-N junction)，其具有一层N型(负型)硅和一层与该层N型硅直接接触的P型 (正型)硅。当一光子撞击该太阳能电池时，该光子可直接通过该硅(若该光子具 有低光能)或从表面反射，或被该硅吸收(若该光子的光能高于该硅能隙值)。根 据该太阳能电池的频带结构，后者产生一电子电洞配对以及一些热量。由于该 P-N接合的介面电场，所产生的电洞朝该P型硅层的阳极移动，同时所产生的 电子朝该硅太阳能电池内该N型硅层上的阴极移动，藉此产生电能。

太阳能电池所用的材料包含硅、III-V族半导体(例如GaAs)、II-VI族半导 体(例如CdS/CdTe)、有机/聚合物材料以及其它。在这之中，最常发展的就是 包含单晶硅晶圆式太阳能电池、多晶硅(poly-Si)薄膜式太阳能电池以及非晶硅 (a-Si)薄膜式太阳能电池的硅太阳能电池。III-V族半导体式太阳能电池形成于 锗(Ge)基板上并且具有高效率，但是非常昂贵，所以只运用在卫星与积体光学 当中，因为此成本当中有绝大部份用在该Ge基板。此外，III-V族和II-VI族 半导体式太阳能电池无法轻易与硅基CMOS以及薄膜晶体管液晶显示器 (TFT-LCD)玻璃面板和低温多晶硅(LTPS)处理整合。更进一步，制造III-V和 II-VI族半导体式太阳能电池时会有严重金属污染的问题。虽然非晶硅薄膜太 阳能电池的成本不高，不过效率和稳定性也不高。因此，硅晶圆式太阳能电池 成为太阳能电池市场的主力。

太阳能电池属于能量转换装置，因此转换效率受限于Camot Limit，这大 约是85％。目前为止，市面上的太阳能电池其达到的最高转换效率大约是33％。 因此，这些太阳能电池效率还有改善的空间。

理论上，能量低于该吸收材料能隙的光子并无法被材料所吸收而产生一电 子电洞配对，如此其能量无法转换只能穿过该吸收材料。对于能量高于该能隙 的光子而言，只有高于该能隙的一些能量可以转换成有用的电子电洞配对输 出。当能量更大的光子被吸收时，高于该能隙的过多能量会转换成该载子组合 的动能。这些过多的动能随着这些载子动能减缓至均衡速度而通过光子互动转 成热量。该太阳频谱接近大约6000K的黑体频谱，大多数到达地球的太阳辐 射由能量大于该硅能隙(硅能带间隙)的光子所构成。这些较高能量的光子将由 该太阳能电池吸收，但是这些光子与该硅能隙之间的能量差将通过晶格震动 (声子)转换成热量，而非转换成可用的电能。针对单一接合(单一能隙)太阳能 电池而言，理论上最高转换效率大约28％。不过，因为材料无法吸收所有能量 高于该能隙的光子的本质限制，并且因为这些材料的自由载子吸收限制了该光 子吸收100％转换成电子电洞配对，所以市面上单晶硅与多晶硅(poly-Si)太阳 能电池的平均转换效率只有大约15％。

对于多重接合(或多重能隙)太阳能电池而言，以能隙的递减顺序堆叠(串接) 个别单接合太阳能电池，最顶端电池撷取这些高能量光子并通过较低能隙电池 要吸收的剩余光子。使用多重能隙(或多接合)可减少该频带间能量关系，如此 相较于单一接合(单一能隙)太阳能电池，减少产生光子的可能性，藉此减少热 量产生并改善该光电转换效率。不过，这些串接的太阳能电池具有接合损失与 晶格误配的问题。

因此，该技术内至今所要解决的问题就是解决上述缺陷与不完备。

发明内容