硅纳米晶体光电池及其在薄膜晶体管面板内的应用.pdf

本发明的领域关于一光电池。在一个实施例内，该光电池包含一第一导电层、一形成于第一导电层上的N型掺杂半导体层、一形成于该N型掺杂半导体层上的第一硅层、一形成于一第一硅层上的纳米结晶硅(nc-Si)层、一形成于该纳米结晶硅层上的第二硅层、一形成于第二硅层上的P型掺杂半导体层以及一形成于该P型掺杂半导体层上的第二导电层。第一硅层与第二硅层两者其中之一者是由非结晶硅所形成，另一者是由多晶硅所形成。

1.  一种光电池，其特征在于，包含：
(a)一第一导电层；
(b)一N型掺杂半导体层形成于该第一导电层上；
(c)一第一硅层形成于该N型掺杂半导体层上；
(d)一纳米结晶硅层形成于该第一硅层上；
(e)一第二硅层形成于该纳米结晶硅层上；
(f)一P型掺杂半导体层形成于该第二硅层上；以及
(g)一第二导电层形成于该P型掺杂半导体层上。

2.  根据权利要求1所述的光电池，其特征在于，该第一硅层与该第二硅层其中之一者的材质为非晶硅，并且该第一硅层与该第二硅层其中之另一者的材质为多晶硅。

3.  根据权利要求1所述的光电池，其特征在于，该纳米结晶硅层包含多个硅纳米晶体，每一该硅纳米晶体的大小介于约1纳米到20纳米之间。

4.  根据权利要求1所述的光电池，其特征在于，该第一导电层和该第二导电层两者之中至少一者的材质为一透明导电材料。

5.  根据权利要求4所述的光电池，其特征在于，该透明导电材料为铟锡氧化物、铟锌氧化物、铝锌氧化物、铪氧化物或这些的组合。

6.  根据权利要求1所述的光电池，其特征在于，该N型掺杂半导体层的材质为N型掺杂硅，并且其中该P型掺杂半导体层的材质为P型掺杂硅。

7.  一种制造一光电池的方法，其特征在于，包含步骤：
(a)提供一基板；
(b)在该基板上形成一第一导电层；
(c)在该第一导电层上形成一N型掺杂半导体层；
(d)在该N型掺杂半导体层上形成一第一硅层；
(e)在该第一硅层上形成一纳米结晶硅层；
(f)在该纳米结晶硅层上形成一第二硅层；
(g)在该第二硅层上形成一P型掺杂半导体层；以及
(h)在该P型掺杂半导体层上形成一第二导电层。

8.  根据权利要求7所述的方法，其特征在于，形成该纳米结晶硅层的步骤包含：
(i)在该第一硅层上形成一富硅介电层；以及
(ii)雷射退火该富硅介电层来形成多个硅纳米晶体。

9.  一种光电池，其特征在于，包含：
(a)一第一导电层；
(b)一第二导电层；以及
(c)一光电转换层，形成于该第一导电层与该第二导电层之间，其中该光电转换层具有一多重能隙。

10.  根据权利要求9所述的光电池，其特征在于，该光电转换层包含：
(i)一非晶硅层；
(ii)一多晶硅层；以及
(iii)一富硅介电层形成在该非晶硅层和该多晶硅层之间。

11.  根据权利要求10所述的光电池，其特征在于，该富硅介电层的材质包含一富硅氧化物、一富硅氮化物、一富硅氮氧化物、一富硅碳化物或这些的组合。

12.  根据权利要求10所述的光电池，其特征在于，该富硅介电层包含一纳米晶体硅层，该纳米晶体硅层具有多个硅纳米晶体，每一该硅纳米晶体的大小介于约1纳米到约20纳米之间。

13.  根据权利要求9所述的光电池，其特征在于，该光电转换层包含：
(i)一第一富硅介电层，形成于该第一导电层上并且具有一折射率n1；以及
(ii)一第二富硅介电层，形成于该第一富硅介电层上并且具有一折射率n2，其中n2＜n1。

14.  根据权利要求13所述的光电池，其特征在于，该光电转换层还包含一第三富硅介电层，形成在该第二富硅介电层与该第二导电层之间，该第三富硅介电层具有一折射率n3，其中n3＜n2＜n1。

15.  根据权利要求14所述的光电池，其特征在于，每一该第一富硅介电层、第二富硅介电层和第三富硅介电层的材质包含一富硅氧化物、一富硅氮化物、一富硅氮氧化物、一富硅碳化物或这些的组合。

16.  根据权利要求13所述的光电池，其特征在于，该光电转换层还包含：
(i)一非晶硅层；以及
(ii)一多晶硅层，
其中该第一富硅介电层和该第二富硅介电层形成在该非晶硅层和该多晶硅层之间。

17.  根据权利要求9所述的光电池，其特征在于，进一步包含：
(i)一N型掺杂半导体层形成在该第一导电层与该光电转换层之间；以及
(ii)一P型掺杂半导体层形成在该第二导电层与该光电转换层之间。

18.  根据权利要求9所述的光电池，其特征在于，该第一和第二导电层其中之至少一者的材质为一透明导电材料。

19.  一种制造一光电池的方法，其特征在于，包含步骤：
(a)提供一基板；
(b)形成一第一导电层在该基板上；
(c)形成一光电转换层在该第一导电层上，其中该光电转换层具有一多重能隙；以及
(d)形成一第二导电层在该光电转换层上。

20.  根据权利要求19所述的方法，其特征在于，形成该光电转换层的步骤包含步骤：
(i)形成一第一硅层在该第一导电层上；
(ii)形成一富硅介电层在该第一硅层上；以及
(iii)形成一第二硅层在该富硅介电层上，其中该第一硅层与该第二硅层其中之一者包含一非晶硅层，并且该第一硅层与该第二硅层其中之另一者包含一多晶硅层。

21.  根据权利要求20所述的方法，其特征在于，形成该富硅介电层的步骤进一步包含：
雷射退火该富硅介电层来形成多个硅纳米晶体。

22.  根据权利要求19所述的方法，其特征在于，形成该光电转换层的步骤包含：
(i)形成一第一富硅介电层于该第一导电层上，该第一富硅介电层具有一折射率n1；以及
(ii)形成一第二富硅介电层于该第一富硅介电层上，该第二富硅介电层具有一折射率n2，其中n2＜n1。

23.  根据权利要求22所述的方法，其特征在于，形成该光电转换层的步骤进一步包含：
形成一第三富硅介电层在该第二富硅介电层与该第二导电层之间，该第三富硅介电层具有一折射率n3，其中n3＜n2＜n1。

24.  根据权利要求19所述的方法，其特征在于，该方法进一步包含：
(i)形成一N型掺杂半导体层在该第一导电层与该光电转换层之间；以及
(ii)形成一P型掺杂半导体层在该第二导电层与该光电转换层之间。

25.  一种液晶显示面板，利用一液晶显示驱动器来驱动操作并且利用一背光来照明，其特征在于，该液晶显示面板包含：
(a)一显示区域，用于显示相关信息；以及
(b)一光电池，该光电池置于围绕该显示区域的一区域内并曝露在一光线下，来将该光线的光学能量转换成一电能，该电能供应至该液晶显示驱动器当成一驱动电力，其中该光电池包含：
(i)一第一导电层；
(ii)一第二导电层；以及
(iii)一光电转换层，形成于该第一导电层与该第二导电层之间，其中该光电转换层具有一多重能隙。

26.  根据权利要求25所述的液晶显示面板，其特征在于，该光电转换层进一步包含：
(i)一非晶硅层；
(ii)一多晶硅层；以及
(iii)一富硅介电层形成在该非晶硅层和该多晶硅层之间。

27.  根据权利要求26所述的液晶显示面板，其特征在于，该富硅介电层的材质包含一富硅氧化物、一富硅氮化物、一富硅氮氧化物、一富硅碳化物或这些的组合。

28.  根据权利要求27所述的液晶显示面板，其特征在于，该富硅介电层包含一纳米晶体硅层，该纳米晶体硅层具有多个硅纳米晶体，每一该硅纳米晶体的大小介于约1纳米到约20纳米之间。

29.  根据权利要求25所述的液晶显示面板，其特征在于，该光电转换层包含：
(i)一第一富硅介电层，形成于该第一导电层上并且具有一折射率n1；以及
(ii)一第二富硅介电层，形成于该第一富硅介电层上并且具有一折射率n2，其中n2＜n1。

30.  根据权利要求29所述的液晶显示面板，其特征在于，该光电转换层进一步包含一第三富硅介电层，形成在该第二富硅介电层与该第二导电层之间，该第三富硅介电层具有一折射率n3，其中n3＜n2＜n1。

31.  根据权利要求25所述的液晶显示面板，其特征在于，该显示区域具有多个低温多晶硅薄膜晶体管。

32.  一种用于制造一液晶显示面板的方法，该液晶显示面板利用一液晶显示驱动器来驱动操作并且利用一背光来照明，其特征在于，该方法包含：
(a)提供一基板；
(b)形成一显示区域在该基板上；以及
(c)形成一光电池在围绕该显示区域的一区域内的该基板上，并曝露在光线下，当该光电池将光能转换成一电能，该电能供应至该液晶显示驱动器当成一驱动电力，其中形成该光电池的步骤包含步骤：
(i)形成一第一导电层；
(ii)形成一第二导电层；以及
(iii)形成一光电转换层在该第一导电层与该第二导电层之间，其中该光电转换层具有一多重能隙。

33.  根据权利要求32所述的方法，其特征在于，形成该光电转换层的步骤包含：
(i)形成一第一硅层在该第一导电层上；
(ii)形成一富硅介电层在该第一硅层上；以及
(iii)形成一第二硅层在完成雷射退火的该富硅介电层上，
其中该第一硅层与该第二硅层其中之一者包含一非晶硅层，并且该第一硅层与该第二硅层其中之另一者包含一多晶硅层。

34.  根据权利要求33所述的方法，其特征在于，形成该富硅介电层的步骤进一步包含：
雷射退火该富硅介电层来形成多个硅纳米晶体。

35.  根据权利要求32所述的方法，其特征在于，形成该光电转换层的步骤包含：
(i)形成一第一富硅介电层于该第一导电层上，该第一富硅介电层具有一折射率n1；以及
(ii)形成一第二富硅介电层于该第一富硅介电层上，该第二富硅介电层具有一折射率n2，其中n2＜n1。

36.  根据权利要求35所述的方法，其特征在于，形成该光电转换层的步骤还包含：
形成一第三富硅介电层在该第二富硅介电层与该第二导电层之间，该第三富硅介电层具有一折射率n3，其中n3＜n2＜n1。

37.  一种显示面板，其特征在于，包含：
多个矩阵形式排列的像素，每一像素包含：
(a)一主动区域，用于显示相关信息；
(b)一切换区域，具有至少一切换元件；以及
(c)一光电池，形成于该主动区域与该切换区域之间，
其中该光电池具有一光电转换层，该光电转换层包含一多重能隙。

38.  根据权利要求37所述的显示面板，其特征在于，该光电转换层包含：
(i)一非晶硅层；
(ii)一多晶硅层；以及
(iii)一富硅介电层形成在该非晶硅层和该多晶硅层之间。

39.  根据权利要求38所述的显示面板，其特征在于，该富硅介电层包含一纳米晶体硅层，该纳米晶体硅层具有多个硅纳米晶体，每一该硅纳米晶体大小介于约1纳米到约20纳米之间。

40.  一种制造一显示面板的方法，其特征在于，包含：
(a)提供一基板；以及
(b)在该基板上以矩阵形式形成多个像素，其中每一像素包含一光电池，其中该光电池具有一光电转换层，该光电转换层包含一多重能隙。

41.  根据权利要求40所述的方法，其特征在于，形成这些像素的步骤包含：
(i)形成多个栅极电耦合至该基板上的多个栅线，其中这些栅极在空间上彼此相隔，并且其中每一对相邻这些栅极定义一主动区域、一切换区域以及一光电池，该切换区域中形成该栅极，该光电池位于该主动区域和该切换区域之间；
(ii)在这些栅极以及该基板的剩余区域上形成一栅绝缘层；
(iii)形成一非晶硅层在该栅绝缘层上覆盖每一切换区域内的这些栅极；
(iv)在该非晶硅层上形成一掺杂非晶硅层；
(v)在该掺杂非晶硅层上以及该栅绝缘层的剩余区域上形成一第一导电层；
(vi)在该第一导电层上形成覆盖每一光电池区域的一富硅介电层；
(vii)在每一切换区域内形成一源极和一漏极，藉此在该基板上形成具有一场效晶体管阵列；
(viii)形成一被动层在第一导电层上覆盖该场效晶体管阵列与该富硅介电层；
(ix)在该切换区域和该光电池区域内该被动层上形成通孔接触；以及
(x)在该切换区域与该光电池区域之间一区域上形成具有一第一部分的一第二导电层，如此该第一部分在每一切换区域内通过该通孔与该场效晶体管的该漏极接触，以及接触该光电池区域内该富硅介电层上一第二部分。

42.  根据权利要求41所述方法，其特征在于，形成该多个像素的步骤进一步包含雷射退火该富硅介电层来在其内形成多个硅纳米晶体。

硅纳米晶体光电池及其在薄膜晶体管面板内的应用
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，“lowtemperature polycrystalline silicon thin film transistor”)或非晶硅薄膜晶体管(a-SiTFT，“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
近来，因为具备高光电效率以及纳米结构光吸收的波长可调整性，所以众人的注意力都集中在量子点太阳能电池，即第三代太阳能电池上。对于一运用硅的太阳能电池而言，一种间接能隙半导体，已经利用纳米结构发展出量子局限效应(quantum confinement effect)。为了获得小于5nm的结晶或非晶硅(a-Si)纳米结构，像是量子井、量子线和量子点产生的量子局限效应，必须使用能阶大于硅能阶的材料当成矩阵(材料基底)或障壁。随着纳米结构尺寸变小，光的波长变短。在这些纳米结构之中，量子点结构具有高量子效率的优点。
对于一硅量子点太阳能电池而言，这些硅量子点通常内嵌在一介电矩阵内，像是氧化硅(SiO_x)、氮化硅(SiN_y)、碳化硅(SiC_z)等。这些硅量子点可提供一宽广的多重能隙(大约4.1eV至1.2eV)结构。
为了实现上述目的，本发明提供了一种光电池，其特征在于，包含：
(a)一第一导电层；
(b)一N型掺杂半导体层形成于该第一导电层上；
(c)一第一硅层形成于该N型掺杂半导体层上；
(d)一纳米结晶硅(nc-Si)层形成于该第一硅层上；
(e)一第二硅层形成于该纳米结晶硅层上；
(f)一P型掺杂半导体层形成于该第二硅层上；以及
(g)一第二导电层形成于该P型掺杂半导体层上。
所述的光电池，其中，该第一硅层与该第二硅层其中之一者的材质为非晶硅(a-Si)，并且该第一硅层与该第二硅层其中之另一者的材质为多晶硅(poly-Si)。
所述的光电池，其中，该纳米结晶硅层包含多个硅纳米晶体，每一该硅纳米晶体的大小介于约1纳米到20纳米之间。
所述的光电池，其中，该第一导电层和该第二导电层两者之中至少一者的材质为一透明导电材料。
所述的光电池，其中，该透明导电材料为铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)、铝锌氧化物(AZO)、铪氧化物(HfO)或这些的组合。
所述的光电池，其中，该N型掺杂半导体层的材质为N型掺杂硅，并且其中该P型掺杂半导体层的材质为P型掺杂硅。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种制造一光电池的方法，其特征在于，包含步骤：
(a)提供一基板；
(b)在该基板上形成一第一导电层；
(c)在该第一导电层上形成一N型掺杂半导体层；
(d)在该N型掺杂半导体层上形成一第一硅层；
(e)在该第一硅层上形成一纳米结晶硅(nc-Si)层；
(f)在该纳米结晶硅层上形成一第二硅层；
(g)在该第二硅层上形成一P型掺杂半导体层；以及
(h)在该P型掺杂半导体层上形成一第二导电层。
所述的方法，其中，形成该纳米结晶硅层的步骤包含：
(i)在该第一硅层上形成一富硅(Si-rich)介电层；以及
(ii)雷射退火该富硅介电层来形成多个硅纳米晶体。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种光电池，其特征在于，包含：
(a)一第一导电层；
(b)一第二导电层；以及
(c)一光电转换层，形成于该第一导电层与该第二导电层之间，其中该光电转换层具有一多重能隙。
所述的光电池，其中，该光电转换层包含：
(i)一非晶硅(a-Si)层；
(ii)一多晶硅(poly-Si)层；以及
(iii)一富硅(Si-rich)介电层形成在该非晶硅层和该多晶硅层之间。
所述的光电池，其中，该富硅介电层的材质包含一富硅氧化物、一富硅氮化物、一富硅氮氧化物、一富硅碳化物或这些的组合。
所述的光电池，其中，该富硅介电层包含一纳米晶体硅(nc-Si)层，该纳米晶体硅层具有多个硅纳米晶体，每一该硅纳米晶体的大小介于约1纳米到约20纳米之间。
所述的光电池，其中，该光电转换层包含：
(i)一第一富硅(Si-rich)介电层，形成于该第一导电层上并且具有一折射率n1；以及
(ii)一第二富硅(Si-rich)介电层，形成于该第一富硅介电层上并且具有一折射率n2，其中n2＜n1。
所述的光电池，其中，该光电转换层还包含一第三富硅介电层，形成在该第二富硅介电层与该第二导电层之间，该第三富硅介电层具有一折射率n3，其中n3＜n2＜n1。
所述的光电池，其中，每一该第一富硅介电层、第二富硅介电层和第三富硅介电层的材质包含一富硅氧化物、一富硅氮化物、一富硅氮氧化物、一富硅碳化物或这些的组合。
所述的光电池，其中，该光电转换层还包含：
(i)一非晶硅(a-Si)层；以及
(ii)一多晶硅(poly-Si)层，
其中该第一富硅介电层和该第二富硅介电层形成在该非晶硅层和该多晶硅层之间。
所述的光电池，其中，进一步包含：
(i)一N型掺杂半导体层形成在该第一导电层与该光电转换层之间；以及
(ii)一P型掺杂半导体层形成在该第二导电层与该光电转换层之间。
所述的光电池，其中，该第一和第二导电层其中之至少一者的材质为一透明导电材料。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种制造一光电池的方法，其特征在于，包含步骤：
(a)提供一基板；
(b)形成一第一导电层在该基板上；
(c)形成一光电转换层在该第一导电层上，其中该光电转换层具有一多重能隙(multi-band gap)；以及
(d)形成一第二导电层在该光电转换层上。
所述的方法，其中，形成该光电转换层的步骤包含步骤：
(i)形成一第一硅层在该第一导电层上；
(ii)形成一富硅(Si-rich)介电层在该第一硅层上；以及
(iii)形成一第二硅层在该富硅介电层上，其中该第一硅层与该第二硅层其中之一者包含一非晶硅(a-Si)层，并且该第一硅层与该第二硅层其中之另一者包含一多晶硅(poly-Si)层。
所述的方法，其中，形成该富硅介电层的步骤进一步包含：
雷射退火该富硅介电层来形成多个硅纳米晶体。
所述的方法，其中，形成该光电转换层的步骤包含：
(i)形成一第一富硅(Si-rich)介电层于该第一导电层上，该第一富硅介电层具有一折射率n1；以及
(ii)形成一第二富硅(Si-rich)介电层于该第一富硅介电层上，该第二富硅介电层具有一折射率n2，其中n2＜n1。
所述的方法，其中，形成该光电转换层的步骤进一步包含：
形成一第三富硅介电层在该第二富硅介电层与该第二导电层之间，该第三富硅介电层具有一折射率n3，其中n3＜n2＜n1。
所述的方法，其中，该方法进一步包含：
(i)形成一N型掺杂半导体层在该第一导电层与该光电转换层之间；以及
(ii)形成一P型掺杂半导体层在该第二导电层与该光电转换层之间。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种液晶显示面板，利用一液晶显示驱动器来驱动操作并且利用一背光来照明，其特征在于，该液晶显示面板包含：
(a)一显示区域，用于显示相关信息；以及
(b)一光电池，该光电池置于围绕该显示区域的一区域内并曝露在一光线下，来将该光线的光学能量转换成一电能，该电能供应至该液晶显示驱动器当成一驱动电力，其中该光电池包含：
(i)一第一导电层；
(ii)一第二导电层；以及
(iii)一光电转换层，形成于该第一导电层与该第二导电层之间，其中该光电转换层具有一多重能隙。
所述的液晶显示面板，其中，该光电转换层进一步包含：
(i)一非晶硅(a-Si)层；
(ii)一多晶硅(poly-Si)层；以及
(iii)一富硅(Si-rich)介电层形成在该非晶硅层和该多晶硅层之间。
所述的液晶显示面板，其中，该富硅介电层的材质包含一富硅氧化物、一富硅氮化物、一富硅氮氧化物、一富硅碳化物或这些的组合。
所述的液晶显示面板，其中，该富硅介电层包含一纳米晶体硅(nc-Si)层，该纳米晶体硅层具有多个硅纳米晶体，每一该硅纳米晶体的大小介于约1纳米到约20纳米之间。
所述的液晶显示面板，其中，该光电转换层包含：
(i)一第一富硅(Si-rich)介电层，形成于该第一导电层上并且具有一折射率n1；以及
(ii)一第二富硅(Si-rich)介电层，形成于该第一富硅介电层上并且具有一折射率n2，其中n2＜n1。
所述的液晶显示面板，其中，该光电转换层进一步包含一第三富硅介电层，形成在该第二富硅介电层与该第二导电层之间，该第三富硅介电层具有一折射率n3，其中n3＜n2＜n1。
所述的液晶显示面板，其中，该显示区域具有多个低温多晶硅薄膜晶体管(LTPS-TFT，“low temperature polycrystalline silicon thin film transistor”)。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种用于制造一液晶显示(LCD)面板的方法，该液晶显示面板利用一液晶显示驱动器来驱动操作并且利用一背光来照明，其特征在于，该方法包含：
(a)提供一基板；
(b)形成一显示区域在该基板上；以及
(c)形成一光电池在围绕该显示区域的一区域内的该基板上，并曝露在光线下，当该光电池将光能转换成一电能，该电能供应至该液晶显示驱动器当成一驱动电力，其中形成该光电池的步骤包含步骤：
(i)形成一第一导电层；
(ii)形成一第二导电层；以及
(iii)形成一光电转换层在该第一导电层与该第二导电层之间，其中该光电转换层具有一多重能隙。
所述的方法，其中，形成该光电转换层的步骤包含：
(i)形成一第一硅层在该第一导电层上；
(ii)形成一富硅(Si-rich)介电层在该第一硅层上；以及
(iii)形成一第二硅层在完成雷射退火的该富硅介电层上，
其中该第一硅层与该第二硅层其中之一者包含一非晶硅(a-Si)层，并且该第一硅层与该第二硅层其中之另一者包含一多晶硅(poly-Si)层。
所述的方法，其中，形成该富硅介电层的步骤进一步包含：
雷射退火该富硅介电层来形成多个硅纳米晶体。
所述的方法，其中，形成该光电转换层的步骤包含：
(i)形成一第一富硅(Si-rich)介电层于该第一导电层上，该第一富硅介电层具有一折射率n1；以及
(ii)形成一第二富硅(Si-rich)介电层于该第一富硅介电层上，该第二富硅介电层具有一折射率n2，其中n2＜n1。
所述的方法，其中，形成该光电转换层的步骤还包含：
形成一第三富硅介电层在该第二富硅介电层与该第二导电层之间，该第三富硅介电层具有一折射率n3，其中n3＜n2＜n1。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种显示面板，其特征在于，包含：
多个矩阵形式排列的像素，每一像素包含：
(a)一主动区域，用于显示相关信息；
(b)一切换区域，具有至少一切换元件；以及
(c)一光电池，形成于该主动区域与该切换区域之间，
其中该光电池具有一光电转换层，该光电转换层包含一多重能隙。
所述的显示面板，其中，该光电转换层包含：
(i)一非晶硅(a-Si)层；
(ii)一多晶硅(poly-Si)层；以及
(iii)一富硅(Si-rich)介电层形成在该非晶硅层和该多晶硅层之间。
所述的显示面板，其中，该富硅介电层包含一纳米晶体硅(nc-Si)层，该纳米晶体硅层具有多个硅纳米晶体，每一该硅纳米晶体大小介于约1纳米到约20纳米之间。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种制造一显示面板的方法，其特征在于，包含：
(a)提供一基板；以及
(b)在该基板上以矩阵形式形成多个像素，其中每一像素包含一光电池，其中该光电池具有一光电转换层，该光电转换层包含一多重能隙。
所述的方法，其中，形成这些像素的步骤包含：
(i)形成多个栅极电耦合至该基板上的多个栅线，其中这些栅极在空间上彼此相隔，并且其中每一对相邻这些栅极定义一主动区域、一切换区域以及一光电池，该切换区域中形成该栅极，该光电池位于该主动区域和该切换区域之间；
(ii)在这些栅极以及该基板的剩余区域上形成一栅绝缘层；
(iii)形成一非晶硅(a-Si)层在该栅绝缘层上覆盖每一切换区域内的这些栅极；
(iv)在该非晶硅层上形成一掺杂非晶硅层；
(v)在该掺杂非晶硅层上以及该栅绝缘层的剩余区域上形成一第一导电层；
(vi)在该第一导电层上形成覆盖每一光电池区域的一富硅(Si-rich)介电层；
(vii)在每一切换区域内形成一源极和一漏极，藉此在该基板上形成具有一场效晶体管阵列；
(viii)形成一被动层在第一导电层上覆盖该场效晶体管阵列与该富硅介电层；
(ix)在该切换区域和该光电池区域内该被动层上形成通孔接触；以及
(x)在该切换区域与该光电池区域之间一区域上形成具有一第一部分的一第二导电层，如此该第一部分在每一切换区域内通过该通孔与该场效晶体管的该漏极接触，以及接触该光电池区域内该富硅介电层上一第二部分。
所述的方法，其中，形成该多个像素的步骤进一步包含雷射退火该富硅介电层来在其内形成多个硅纳米晶体。
在一个具体实施例内，该栅绝缘层由氧化硅、氮化硅或氮氧化硅形成。该掺杂的非晶硅层包含n+掺杂的非晶硅或p+掺杂的非晶硅。形成该被动层的一介电材料可包含氧化硅或氮化硅。在第一导电层和第二导电层当中，至少一者为透明。在一个具体实施例内，第二导电层可由铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)、铝锌氧化物(AZO)、铪氧化物(HfO)或这些化合物的组合来形成。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1图解显示根据本发明一个具体实施例的光电池的剖面图；
图2图解显示根据本发明一个具体实施例制造一具有一富硅介电层，而该富硅介电层具有多个雷射感应硅纳米晶体的光电池的处理：(A)在一第一导电层上形成一富硅介电层；(B)雷射退火该富硅介电层来形成多个硅纳米晶体；以及(C)在该富硅介电层上形成一第二导电层；
图3显示这些雷射感应的硅纳米晶体的特性：(A)一TEM影像显示这些硅纳米晶体的大小，以及(B)这些雷射感应硅纳米晶体内纳米晶体大小的分布；
图4图解显示根据本发明一个具体实施例的光电池的剖面图；
图5显示该光电池对于一入射白光的光电流反应；
图6显示利用不同的雷射退火功率强度制成的富硅氧化硅层，该光电池对一入射白光的光致发光反应；
图7显示根据本发明一个具体实施例的光电池的电流电压特性；
图8图解显示根据本发明一个具体实施例具有一多重能隙的光电池的光谱特性，其中该多重能隙分成多个狭窄区域；
图9图解显示根据本发明一个具体实施例的光电池的剖面图；
图10图解显示根据本发明其它具体实施例的光电池的剖面图；
图11A和图11B图解显示根据本发明具体实施例整合一个或多个硅纳米晶体光电池的显示面板；
图12图解显示根据本发明一个具体实施例整合多个硅纳米晶体光电池的低温多晶硅面板的剖面图；
图13图解显示根据本发明其它具体实施例整合多个硅纳米晶体光电池的低温多晶硅面板的剖面图；
图14A至图14F图解显示根据本发明一个具体实施例用于制造整合多个硅纳米晶体光电池的低温多晶硅面板的处理。
其中，附图标记：
100光电池          110第一导电层
140富硅介电层      145硅纳米晶体
170第二导电层      180介电层
181接触孔          200光电池
210第一导电层      240富硅介电层
245硅纳米晶体      270第二导电层
292雷射            295光线
400光电池电池组    401光电池
410第一导电层      440富硅介电层
445硅纳米晶体      470第二导电层
480可充电电池组    485电流表
495光线              510-720曲线
900光电池            910第一导电层
920第一半导体层      930第一富硅介电层
940第二富硅介电层    960第二半导体层
970第二导电层        1000光电池
1001光电转换层       1010第一导电层
1020N型掺杂半导体层  1030第一富硅介电层
1040第二富硅介电层   1050第三富硅介电层
1060P型掺杂半导体层  1070第二导电层
1101显示面板         1102液晶显示面板
1110显示区域         1120显示区域
1130光传感器         1140光电池
1150周围光传感器     1160液晶显示驱动器
1200低温多晶硅面板   1201光电池
1210基板             1221显示场效晶体管
1222源极区域         1224漏极区域
1226栅极电极         1230第一导电层
1240富硅介电层       1245硅纳米晶体
1270第二导电层       1295周围光线
1296背光             1300低温多晶硅面板
1301场效晶体管       1303储存电容器
1305感光器           1307主动区域
1310基板             1355第一电极
1365富硅介电层       1375第二电极
1400方法             1410第一基板
1412切换区域         1414太阳能电池区域
1420栅极电极         1430介电层
1442非晶硅层         1444掺杂的非晶硅层
1444a源极接口        1444b漏极接口
1450金属层           1452第一部分
1454第二部分      1456第三部分
1460富硅介电层    1470保护层
1472通孔          1484第二部分
1482第一部分
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。
在下列仅供说明的范例中会更详细说明本发明，如此精通此技术的人士将可了解许多修改与变化。在此将详细说明本发明的许多具体实施例。请参阅图式，图式中相同的号码表示相同的组件。针对此处所说明以及稍后整个申请专利范围中所使用，除非清楚指示，否则“一”和“该”的意思包含多。另外，针对此处所说明以及稍后整个申请专利范围中所使用，除非清楚指示，否则“之中”的意思包含“之中”和“之上”。此外，底下会对本说明书内使用的某些词汇有更特殊的定义。
如此处所使用，“大约”或“约略”一般表示在已知值或范围的百分之20内，较佳在百分之10内，更佳在百分之5内。其中给予的数量为约略值，表示若未明确表示则可推论为“大约”或“约略”等词。
如此处所使用，本说明书内使用的“太阳能电池”与“光电池”为同义字，表示利用该光电效应将太阳能/光能转换成电力的装置。
此处使用许多简称和缩写，「nc-Si」就是纳米晶体硅、「a-Si」为非晶硅、「poly-Si」为多晶硅、「Si-rich」为富硅、「LTPS」为低温多晶硅、「TFT」为薄膜晶体管、「PECVD」为电浆增强化学汽相沉积、「ELA」为准分子雷射退火、「CLC」为连续波雷射晶体化。
在此将详细参考本发明的具体实施例，并结合图1至图14来做说明。根据本发明的目的，如此处所具体实施以及广泛说明，在一个范围内，本发明是关于具有多重能隙(多频带能隙，multi-band gap)的硅纳米晶体的光电池及其在一低温多晶硅薄膜晶体管(LTPS-TFT)面板内的应用。
请参阅图1，在此图解显示根据本发明一个具体实施例的光电池100。在此示例性具体实施例内，光电池100具有一个第一导电层110、一个形成于第一导电层110上的富硅介电层140以及一个形成于富硅介电层140上的第二导电层170。富硅介电层140可用PECVD来沉积。在该富硅介电沉积处理中，四氢化硅(SiH₄)与一氧化二氮(N₂O)(或氨NH₃或氮N₂)气体的比例经过调整，以获得所要的折射率范围。其中，折射率的范围表示薄膜内硅的富含程度。利用适当的雷射退火，将富硅介电层140内多余的硅原子分离、聚集并且转成硅纳米晶体，以形成纳米结晶富硅介电层(纳米结晶硅层)。如此可制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)的硅纳米晶体145的富硅介电层。由于不同半导体材料熔点及其能量吸收效率等级的变化，利用雷射结晶多晶硅或非晶硅薄膜也可形成多个雷射感应硅纳米晶体。因此，该雷射结晶处理建构出一种多重能隙光吸收结构，其让光电池100可吸收波长范围大约300-1000nm的光线。
富硅介电层140由包含富硅氧化物(SiO_x)、富硅氮化物(SiN_y)、富硅氮氧化物(SiO_xN_y)、富硅碳化物(SiC_z)或这些的材料的组合所形成，其中0＜x＜2、0＜y＜1.34并且0＜z＜1。富硅介电层140可形成为单层或多层结构。不论是单层或多层结构，富硅介电层140包含富硅氧化物薄膜、富硅氮化物薄膜以及富硅氮氧化物薄膜三者当中至少一者。
第一导电层110和第二导电层170可用金属、金属氧化物或这些材料的任意组合来形成。该材料可为折射材料，包含铝、铜、银、金、钛、钼、锂、钽、钕、钨、合金、其它或这些材料的叠层或合金等任意组合。该金属氧化物可为透明导电材料，包含铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)、铝锌氧化物(AZO)、铪氧化物(HfO)等。该材料可为这些折射材料和这些透明导电材料的组合。实施上，至少第一导电层与第二导电层之一由透明导电材料制成，像是ITO、IZO、AZO、HfO等。该透明导电材料允许周围光线穿透并到达该富硅介电层(感光区域)。
实际上，在富硅介电层140上形成层间介电层(UHA层)180。然后，一图样制作/屏蔽处理套用至UHA层180来定义其内的通道或接触孔181。第二导电层170通过通道或接触孔181在富硅介电层140上形成。
相较于具有以能隙递减顺序来堆叠个别单接合光电池的传统多接合(串接)光电池，具有一单接合的多重能隙Si纳米晶体光电池拥有许多优点。在该多接合单元装置内，该顶端单元撷取该高能量光子并让较低能隙单元所要吸收的剩余光子通过。不过，这些串接的光电池包含有接合损失与晶格误配的缺点，因此降低该光电转换效率。具有多重能隙吸收材料的光电池可更有效转换该太阳光谱。通过使用多重能隙，该太阳光谱可分成更小部分，在此热力学效率对于每一部分的限制更高。
图2图解显示根据本发明一个具体实施例制造一光电池200的处理。首先，如图2A内所示，在一第一导电层210上形成一富硅介电层240。接下来，将富硅介电层240曝露在雷射292的光束下，以在其内形成多个硅纳米晶体245，如图2B内所示。然后，第二导电层270在富硅介电层240上形成，如图2C内所示。
运用一电浆增强化学气相沉积(PECVD)处理，以大约1托尔(torr)的低压，在温度低于大约400℃的条件下，可在第一导电层210上形成富硅介电层240。在一个具体实施例内，富硅介电层240可在大约200℃至400℃或大约350℃至400℃的温度范围内，较佳在大约370℃的温度上形成。针对已知的温度范围，大约耗费从13秒至250秒，较佳大约25秒至125秒，以形成大约50纳米(nm)至大约1000nm所要厚度的富硅介电层240。在形成富硅介电层240的处理期间，通过调整含硅比例SiH₄/N₂O可控制富硅介电层240的折射率。在一个具体实施例内，含硅比例SiH₄/N₂O在大约1∶10至大约10∶1的范围内调整，导致折射率至少在大约1.47至大约3.7的范围内，该含硅比例较佳在大约1∶5至大约10∶1的范围内，导致折射率至少在大约1.7至大约3.7的范围内。富硅介电层240也可用其它方法或处理来形成。
例如通过使用准分子雷射退火(ELA，“excimer laser annealing”)可完成富硅介电层240的雷射退火。在温度低于400℃时可利用具有可调整频率并且可调整雷射功率密度的准分子雷射。在一个具体实施例内，该ELA以大约1大气压力(760托尔)或大约1×10³Pa的压力，在低于大约400℃的温度上来执行。在其它具体实施例内，在室温上执行该ELA，即是大约20-25℃。也可用具有对应参数的其它种雷射退火来实施本发明。
该雷射波长与该雷射功率等级可调整，来产生所要的雷射感应硅纳米晶体直径。针对任何雷射种类，像是例如ELA、连续波雷射结晶(CLC，“continuous-wave laser crystallization”)、固态CW绿雷射等，该雷射波长在大约266-1024nm的范围内。所要的雷射感应硅纳米晶体直径在大约1-20nm的范围内，较佳在大约3-6nm的范围内。在一个具体实施例内，在一波长大约在266-532nm的范围内，较佳在大约308nm上执行富硅介电层240的ELA。富硅介电层240的ELA通常在雷射功率强度大约70-440mJ/cm²的范围上，较佳在雷射功率强度大约70-200mJ/cm²的范围上执行。在其它具体实施例内，在一波长例如大约532-1024nm的范围上执行富硅介电层240的CLC。在其它具体实施例内，在一波长例如大约532nm的范围上执行富硅介电层240的固态CW绿雷射。不过，当该雷射功率强度超过大约200mJ/cm²时，在富硅介电层240之下的第一导电层会受损或剥离。为了产生具有范围在大约4nm至大约10nm的较大雷射感应硅纳米晶体的富硅介电层240，所以富硅介电层240的准分子雷射退火较佳在雷射功率强度大约200-440mJ/cm²的范围上执行。在另一方面，为了产生具有范围在大约2nm至大约6nm的较小雷射感应硅纳米晶体的富硅介电层240，所以富硅介电层240的ELA较佳在雷射功率强度大约70-200mJ/cm²的范围上执行。在富硅介电层240内雷射感应硅纳米晶体245的密度较佳在大约1×10¹¹/cm²至大约1×10¹²/cm²的范围内。
图3显示雷射感应硅纳米晶体的特性：(A)一穿透式电子显微(TEM)影像显示这些硅纳米晶体的大小，以及(B)具有直径大约4nm尖峰值量的雷射感应硅纳米晶体内纳米晶体大小的分布。
请回头参阅图2C，在此具体实施例内，第二导电层270透明。当光线295的入射光束通过透明层270并到达具有多个雷射感应硅纳米晶体245的富硅介电层240，则会吸收具有能量等于或大于富硅介电层240的多重能隙的光束光子。因此，在富硅介电层240内会产生电洞(h⁺)和电子(e^-)配对。所产生的电洞(h⁺)和电子(e^-)分别朝向并通过第二导电层270和第一导电层210。若一负载连接第一导电层210与第二导电层270，则将有一电流流过该负载。也就是，入射光295的光子能量利用光电池200转换成电能。
此外，第一导电层210也可由一透明导电材料制成。
上面公布的步骤并不需要依照顺序执行，而该处理也不是实施本发明的唯一方法。
例如：利用提供一基板、在该基板上形成第一导电层、在第一导电层上形成富硅介电层以及在该富硅介电层上形成一第二导电层可制造光电池。然后，执行雷射退火该富硅介电层来形成多个硅纳米晶体。在一个具体实施例内，利用从第二导电层顶端将一激光束导引至该富硅介电层来执行该雷射退火。在其它具体实施例内，该基板与第一导电层由透明导电材料制成，如此利用直接从该基板底部导引一激光束至该富硅介电层来执行该雷射退火。在替代具体实施例内，从该光电池顶端和底部将两激光束分别导引至该富硅介电层来执行该雷射退火。
请参阅图4，在此显示根据本发明一个具体实施例的光电池电池400。光电池电池组400包含一光电池401，其用于将入射至光电池401的光线495的光子能量转换成电能。光电池401具有一第一导电层410、一第二导电层470以及一个形成于第一导电层410与第二导电层470之间的富硅介电层440。富硅介电层440具有多个拥有一多重能隙的雷射感应硅纳米晶体445。更进一步，光电池电池组400也包含一个可充电电池组480，其电耦合在第一导电层410与第二导电层470之间用于储存电能。此外，在光电池401与可充电电池480之间连接一个电流表485。光电池401可由上述处理所制造。
此外，在使用一负载，例如一电阻，取代可充电电池480之下，如图4内所示的配置也可用来当成一光传感器。
请参阅图5，曲线510为具有Si纳米晶体SiO_x光电转换(感光)层的光电池对于白光的入射光束，例如阳光，的光谱反应。该光电池的白光子反应特性(400-650nm)来自于该光电池的Si纳米晶体的多重能隙。
图6显示利用富硅氧化硅(Si-rich SiO_x)层上不同的雷射退火功率强度，一光电池对入射白光的光致发光反应。曲线610、620、630和640分别为雷射能量300mJ/cm²、350mJ/cm²、400mJ/cm²和440mJ/cm²的光致发光反应。
请参阅图7，在此显示根据本发明一个具体实施例的光电池的电流电压特性。曲线710和720分别为该光电池的暗电流和光电流。该光电特性指出，在所研发的光电池中可轻易获得比传统P-I-N(正-固有-负)二极管还要高的感度以及可比较的暗电流等级。
图8图解显示根据本发明一个具体实施例具有一多重能隙的光电池的光谱特性。该多重能隙区分成多个狭窄区域，每一对应至要光电转换成电能的光波长范围。
请参阅图9，显示根据本发明一个具体实施例的光电池900的剖面图。在一个具体实施例内，一光电池900具有一第一导电层910、一形成于第一导电层910上的第一半导体层920、一形成于第一半导体层920上的第一富硅介电层930、一个形成于第一富硅介电层930上的第二富硅介电层940、一形成于第二富硅介电层940上的第二半导体层960以及一形成于第二半导体层960上的第二导电层970。
在一个具体实施例内，第一半导体层920与第二半导体层960之一为N型掺杂半导体层，并且第一半导体层920与第二半导体层960另一为P型掺杂半导体层。例如：第一半导体层920为N型掺杂半导体层，并且第二半导体层960为P型掺杂半导体层。该N型掺杂半导体层包含N型掺杂硅，并且该P型掺杂半导体层包含P型掺杂硅。也可使用其它半导体材料来实现本发明。N型掺杂半导体层920和P型掺杂半导体层960可用一标准处理形成，像是一植入处理、一PECVD处理。
在其它具体实施例内，第一半导体层920和第二半导体层960两者当中，其中之一是由非晶硅形成，另一者是由多晶硅所形成。例如：第一半导体层920由多晶硅形成，则第二半导体层960由非晶硅形成。第一导电层920和第二导电层960可由微晶硅、单晶硅或这些材料的任意组合来形成。该雷射结晶的N型半导体和该雷射结晶的P型半导体由一雷射结晶处理所形成。
第一富硅介电层930具有一折射率n1，并且第二富硅介电层940具有折射率n2，在此n2＜n1。第一富硅介电层930与第二富硅介电层940两者当中至少一者具有多个拥有一多重能隙的硅纳米晶体。利用如上所述的雷射退火处理或一CVD处理可形成多个硅纳米晶体。第一富硅介电层930和第二富硅介电层940的形成材料可为相同的材料或大体上不同的材料，像是富硅氧化物、富硅氮化物、富硅氮氧化物等。在一个具体实施例内，第一富硅介电层930和/或第二富硅介电层940为拥有一多重能隙的纳米结晶硅层(纳米结晶富硅介电层)。
第一导电层910和第二导电层970可用金属、金属氧化物或这些材料的任意组合来形成。该材料可为折射材料，包含铝、铜、银、金、钛、钼、锂、钽、钕、钨、合金、其它或这些材料的任意组合。该金属氧化物可为透明导电材料，包含ITO、IZO、AZO、HfO等等。该材料可为折射材料和透明导电材料的组合。实施上，至少第一导电层与第二导电层之一由透明导电材料制成，像是ITO、IZO、AZO、HfO等等。在此具体实施例内，第二导电层970较佳为由一透明导电材料制成的透明导电材料层。
图10显示根据本发明一个具体实施例的光电池1000。在一个具体实施例内，光电池1000包含一第一导电层1010、一形成于第一导电层1010上的N型掺杂半导体层1020、一形成于N型掺杂半导体层1020上的光电转换层1001、一位于光电转换层1001上的P型掺杂半导体层1060以及一位于P型掺杂半导体层1060上的第二导电层1070。
N型掺杂半导体层1020包含N型掺杂硅，并且P型掺杂半导体层1060包含P型掺杂硅。
光电转换层1001包含多个拥有一多重能隙的硅纳米晶体。在一个具体实施例内，光电转换层1001包含具有该多重能隙的单层。该单层由具有多个拥有一多重能隙的硅纳米晶体的纳米结晶硅所形成。在其它具体实施例内，光电转换层1001包含一多层结构，该结构具有至少包含多个拥有一多重能隙的硅纳米晶体之一层。
有关该多层结构，在一个具体实施例内，光电转换层1001具有形成于N型掺杂半导体层1020上的第一富硅介电层1030、形成于第一富硅介电层1030上的第二富硅介电层1040以及形成于第二富硅介电层1040上的第三富硅介电层1050。每一第一富硅介电层1030、第二富硅介电层1040和第三富硅介电层1050都分别具有一对应的折射率n1、n2和n3，在此n3＜n2＜n1。在替代具体实施例内，第一富硅介电层1030和第三富硅介电层1050可交换。在一个具体实施例内，每一第一富硅介电层1030、第二富硅介电层1040和第三富硅介电层1050都包含富硅氧化物、富硅氮化物、富硅氮氧化物、富硅碳化物或这些的组合。在形成光电转换层1001之后，一雷射退火处理可施加于光电转换层1001来形成具有多个拥有一多重能隙的雷射感应硅纳米晶体之一或多层。在改良的具体实施例内，第一半导体层920(未显示)可形成于N型掺杂半导体层1020与该多层结构之间，并且第二半导体层960可形成于多层结构与P型掺杂半导体层1060之间。
在其它具体实施例内，光电转换层1001具有形成于N型掺杂半导体层1020上的第一硅子层1030、形成于第一硅子层1030上的纳米结晶硅子层1040以及形成于纳米结晶硅子层1040上的第二硅子层1050。第一硅子层1030与第二硅子层1050两者当中，其中一者是由非晶硅形成，并且另一者是由多晶硅所形成。因此，光电转换层1001具有一多重能隙，a-Si/Si纳米晶体/poly-Si分层结构。
第一导电层1010和第二导电层1070可用金属、金属氧化物或这些材料的任意组合来形成。该材料可为折射材料，包含铝、铜、银、金、钛、钼、锂、钽、钕、钨、合金、其它或这些材料的任意组合。该金属氧化物可为透明导电材料，包含ITO、IZO、AZO、HfO等。该材料可为折射材料和透明导电材料的组合。实施上，第一导电层与第二导电层两者当中，至少一者是由一透明导电材料制成，像是ITO、IZO、AZO、HfO等。
本发明的光电池可在一宽广的频谱领域内找到许多应用方式，像是一光传感器、包含一触控面板的显示面板以及一非挥发性存储器装置。
请参阅图11A，根据本发明一个具体实施例显示与一或多个光电池(感光器)1140整合的显示面板1101。显示面板1101包含用于显示相关信息的显示区域1110，以及一或多个放在显示区域1110周围区域内并曝露在光线下的光电池1140。一或多个光电池1140每一都具有一富硅介电层，该层具有拥有一多重能隙的硅纳米晶体，并且该单元调适用于将光能转换成电能。该光能可接收自背光和/或周围光线。
显示面板1101也可包含显示信息并接收使用者输入的显示区域1120、侦测光线的光传感器1130以及侦测周围光线的周围光传感器1150。此中每一都至少具有硅纳米晶体的富硅介电层。
光传感器1130和周围光传感器1150可放置在任何角落区域来侦测周围光线或其它光线。一或多个光电池1140可定位在显示区域1110周围，将所接收的光线转换成电能，来节省显示面板1101所消耗的电力。
显示面板1101可为一触控面板或一液晶显示面板。
图11B图解显示具有一液晶显示驱动器1160来驱动一液晶显示面板1102以及一背光1170用来照明液晶显示面板1102。液晶显示面板1102包含用于显示相关信息的显示区域1110，以及一或多个放在显示区域1110周围区域内并暴露在背光1170下的光电池1140。一或多个光电池1140每一都包含一多层结构，该结构具有硅纳米晶体的富硅介电层，并且该单元调适用于将光能转换成电能。该光能可接收自背光和/或周围光线。该电能供应给液晶显示驱动器1160当成驱动电力。
本发明内所公布的方法可用于在低温上使用一高效率雷射退火，来制造发光装置的光电层以及/或光感测装置的感光层。该介电层内根据本发明具体实施例所制作的雷射感应硅纳米晶体展现出高密度、相当一致并且均匀的雷射感应硅纳米晶体分布，以及一致的雷射感应硅纳米晶体直径。这些方法运用低温准分子雷射退火处理。此处理不需要高温后置退火并且与生产低温多晶硅薄膜晶体管(Low-Temperature Poly-Si Thin Film Transistors，LTPS-TFT)的传统处理兼容。根据本发明许多具体实施例制造的具有雷射感应硅纳米晶体的富硅介电层对于太阳能电池、触控面板、周围光传感器、光传感器相当有用，并且也与一彩色高质量场效晶体管(TFT)面板显示器整合。根据本发明许多具体实施例制造的雷射感应硅纳米晶体也可用来当成非挥发性存储器装置内的储存节点，具备较高保留性、较高耐用性以及较高操作速度。
图12图解显示根据本发明一个具体实施例与光电池(或感光器)整合的低温多晶硅(LTPS)面板1200。低温多晶硅面板1200可具有多个矩阵形式排列的像素。在图12内，只有说明一个低温多晶硅面板1200的像素。在此具体实施例内，每一像素具有一显示场效晶体管1221和形成于显示场效晶体管1221上的光电池1201。
光电池1201具有一个三层堆叠结构，包含一第一导电层1230、一第二导电层1270以及一形成于这两者之间并且具有多个硅纳米晶体1245的富硅介电层1240。
显示场效晶体管1220形成于基板1210上。显示场效晶体管1221具有一源极区域1222(电耦合至光电池1201的第一导电层1230)、一漏极区域1224和一栅极电极1226。漏极区域1224(源极区域1222)和栅极电极1226由基板1210上形成的栅极绝缘层1220所分隔。基板1210可形成为一透明基板，像是一玻璃基板，或一弹性基板，像是一塑料基板。
当一显示面板1200内运用这种光电池1201，光电池1201会配置成面对周围光线1295。此外，通常使用一背光1296照明显示面板1200来显示其上的信息。为了避免背光1296偏转光电池1201的输出，运用第一导电层1230来有效阻挡背光1296。
在一个具体实施例内，光电池1201的富硅介电层1240由富硅氧化物、富硅氮化物、富硅氮氧化物、富硅碳化物等所制成。该富硅氧化物层较佳具有范围大约1.7-3.7的折射率，并且该富硅氮化物层较佳具有范围大约1.7-3.7的折射率。至少某些硅纳米晶体较佳具有范围大约2-10nm的直径。富硅介电层1240的厚度在大约50-500nm的范围内。雷射感应硅纳米晶体的密度较佳在大约1×10¹¹-1×10¹²/cm²的范围内。第二导电层1270较佳由透明导电材料制成，像是ITO、IZO、AZO、HfO等。
如图12内所示，硅纳米晶体单元的填充因子远高于传统单元，这是因为形成光电池1201来覆盖显示场效晶体管1221放置的较大切换区域。更进一步，金属电极1230可提供有效的周围光线与背光分别隔离单元电路与光电池1201，如此晶体管特性比一P-I-N单元内的更稳定。
请参阅图13，显示根据本发明一个具体实施例与光电池(或感光器)整合的低温多晶硅面板1300。在此具体实施例内，每一像素具有一场效晶体管1301、一储存电容器1303、一感光器1305和在基板1310上彼此相邻形成的主动区域1307。感光器1305包含一第一电极1355、一第二电极1375和其间形成的富硅介电层1365。在一个具体实施例内制造非晶硅场效晶体管(a-Si TFT)面板1300的处理说明于图14内。
请参阅图14A至图14F，根据本发明一个具体实施例图解显示整合光电池(感光器)的非晶硅场效晶体管面板制造方法1400。该方法包含下列步骤：首先、提供一第一基板1410。其中，第一基板1410由玻璃等所形成。然后，在第一基板1410上形成彼此分开的多个栅极电极1420，这些栅极电极1420电耦合至一栅极线。其中，形成多个栅极电极1420的步骤执行如下：首先用溅镀方式在基板1410上沉积金属层；在适当位置上遮盖金属层来定义该多个栅极电极1420；然后让未覆盖的金属层剩余部分曝光；蚀刻掉该金属层的未覆盖部分；以及去除屏蔽部分来形成多个栅极电极1420。每一对相邻栅极电极1420其间定义出切换区域1412和太阳能电池区域1414。太阳能电池区域1414与切换区域1412相邻，其中形成对应的栅极电极1420，如图14A内所示。栅极电极1420由金属形成，像是铝(Al)、钼(Mo)、铬(Cr)、钛(Ta)、铜(Cu)或合金。
在第一基板1410和多个栅极电极1420上形成一介电层(栅绝缘薄膜)1430。在一个具体实施例内，栅绝缘薄膜1430由氧化硅、氮化硅或氮氧化硅所形成。
然后，栅绝缘层1430上形成的一非晶硅层1442覆盖每一切换区域1412上栅极电极1420，并且接着在非晶硅层1442上形成掺杂的非晶硅层1444。掺杂的非晶硅层1444形成于n⁺掺杂(n型重掺杂)的非晶硅或p⁺掺杂(p型重掺杂)的非晶硅上，并且当成一接触层，如图14B内所示。在一个具体实施例内，非晶硅层1442和接触层1444以利用PECVD连续沉积非晶硅和掺杂的非晶硅然后制作图案的方式来形成。
另外，依序沉积氧化硅或氮化硅的栅绝缘薄膜1430、非晶硅层1442和掺杂的非晶硅层1444，然后非晶硅层1442和掺杂的非晶硅层1444经过图案制作来形成非晶硅层1442和掺杂的非晶硅层1444，如图14B内所示。
之后，在栅绝缘薄膜1430上形成金属层1450并且在切换区域1412内形成接触层1444。然后，在该金属层上的每一太阳能电池区域1414上形成一富硅介电层1460，如图14C内所示。
如图14D内所示，屏蔽、曝光与蚀刻处理依序施加于金属层1450来进一步定义每一切换区域1412内的场效晶体管，其中接触层1444区分成一源极接口1444a和一漏极接口1444b，并且金属层1450在每一切换区域1412内也区分成一第一部分1452和一第二部分1454。第一部分1452连接至源极接口1444a和一信号线，并且第二部分1454与第一部分1452相隔并连接至漏极接口1444b，如图14D内所示。此外，在每一太阳能电池区域内形成金属层1450上与第一部分1452和第二部分1454相隔的第三部分1456，如底下所讨论，当成太阳能电池的第一电极。
如图14E内所示，然后形成覆盖每一切换区域1412内所有场效晶体管，以及覆盖每一太阳能电池区域1414内富硅介电层1460的保护层(薄膜)1470。然后，对保护层1470依序施加屏蔽、曝光和蚀刻处理，以定义用于让切换元件与该像素电极耦合(通过漏极电极1454)的通孔1472，并且去除富硅介电层1460的覆盖。在此阶段上，一雷射退火处理可施加于富硅介电层1460，形成多个拥有多重能隙的雷射感应硅纳米晶体。
如图14F内所示，下个步骤为在通孔1472上形成具有一第一部分1482以及在富硅介电层1460上具有一分开的第二部分1484的透明金属层。第一部分1482连接至场效晶体管的漏极电极1454，并当成一像素电极。该透明金属层的第二部分1484、富硅介电层1460和金属层1450的第三部分1456构成一太阳能电池。该透明金属层由一透明、导电的材料形成，包含铟锌氧化物(IZO)、非晶系铟锡氧化物(amorphous ITO)、poly-ITO等，厚度大约为0.01-3.0μm的范围。
在这些说明当中本发明公布一种硅纳米晶体、多重能隙的光电池及其应用。该光电池具有利用富硅氧化物层进行后置退火所形成的纳米晶体层。该硅纳米晶体光电池(或感光器)可为嵌入式液晶显示面板应用当中稳定的、有利的、弹性的、可靠的以及功能性的元件，具有大填充因子、完整背光隔离以及可调整吸收光谱的优点。
上述本发明示例性具体实施例的描述仅供说明，并非用于将本发明局限在所公布的精确形式中。许多修改与变化都可以上述为依据。
具体实施例经过选择与说明来最佳阐述本发明原理，并且以许多具体实施例让其它精通此技术的人士对本系统有最佳了解，这些具体实施例都适合特定使用期待。精通此技术的人士可了解到，在不悖离本发明精神与范畴之下，其它具体实施例也隶属于本发明。因此，由申请专利范围来定义本发明范畴而非前述说明与其中描述的示例性具体实施例。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。