CN101459201A - 太阳能电池及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种太阳能电池及其制作方法，该太阳能电池包括：基板，其具有第一透明导电层；纳微米粗化结构形成于第一透明导电层上；以及半导体层形成于纳微米粗化结构上，并包覆纳微米粗化结构。

Description

太阳能电池及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池装置及其制作方法，特别涉及一种在基板与半导体层之间形成纳微米粗化结构的太阳能电池，藉以提升太阳能电池的光电转换效率。

背景技术

目前太阳能电池的主流为硅晶片太阳能电池，约占总产量的九成。然而近年来硅原料缺料的问题使得不需使用硅原料或是可减少硅使用量的薄膜型太阳能电池逐渐瞩目，目前的太阳能电池发展仍以硅基太阳能电池为主流。为了追求太阳光谱的有效吸收与利用，堆叠型太阳能电池(Tandem cell)为目前硅薄膜太阳能电池的发展主轴。

图1为已知薄膜太阳能电池的示意图。该薄膜太阳能电池1依序为银金属层11、第一透明导电氧化物12、微晶硅13、非晶硅14、第二透明导电层15及玻璃基板16，由于太阳能电池需要对太阳光谱进行较完全的吸收，一般微晶硅13及非晶硅14的镀膜厚度分别为1.5-2微米(μm)与0.2-0.3微米(μm)。

堆叠型太阳能电池由于采用两种不同能隙大小的材料(非晶硅、微晶硅)，因此其光吸收波段比单一非晶硅材料所制作的太阳能电池还广。透过非晶硅及微晶硅材料堆叠可将原本吸收的可见光波段扩充到红外光波段，较能够完全的吸收利用太阳光，进而使得效率获得提升。

然而，非晶硅材料在长时间照光之后，由于材料内部产生的缺陷会造成光劣化现象而导致电池效率的大幅衰退。另外，在微晶硅方面由于光吸收系数较低，必须仰赖较厚的膜厚才足够将长波段的太阳光完全吸收，此点增加了镀膜时间以及工艺成本。

因此，若能将薄膜的厚度进一步变薄，将可改善非晶硅的光劣化现象并且将微晶硅的镀膜时间大幅缩短，不仅在薄膜品质上可得到较好的品质更可提升产品的生产速率。然而，变薄的膜厚若低于最低吸收厚度，将会导致太阳光吸收不足对效率造成负面影响。

发明内容

有鉴于上述课题，本发明的目的为提供一种太阳能电池及其制作方法，可降低半导体层的厚度，却又不会导致太阳光吸收不足、降低吸收效率。

为达上述目的，本发明提出一种太阳能电池，包括：基板，其具有第一透明导电层；纳微米粗化结构形成于第一透明导电层上；以及半导体层形成于纳微米粗化结构上，并包覆纳微米粗化结构。其中，纳微米粗化结构可为多个纳微米颗粒，其材料为二氧化硅、二氧化钛、氧化锌、聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯，纳微米颗粒的大小为50～1000纳米的单一或混合尺寸。

为达上述目的，本发明提出一种太阳能电池的制作方法，其步骤包括：提供基板；形成纳微米粗化结构于基板上；以及形成半导体层于纳微米粗化结构上，并包覆纳微米粗化结构。形成纳微米粗化结构于基板上的步骤，是以浸泡、喷涂、旋转涂布、自然干燥方式、堆叠、烧结、纳米压印、转印、热压成形等方式附着纳微米粗化结构于基板上。其中纳微米粗化结构可为多个纳微米颗粒。

承上所述，本发明的太阳能电池及其制作方法，以传统硅薄膜太阳能电池为基础，在半导体层(例如：硅膜)与上电极(例如：透明导电氧化物)之间加入纳微米粗化结构以增加光学路径，可提升硅膜光学吸收性质、降低硅薄膜最低吸收厚度，因此可改善非晶硅光劣化现象，缩短微晶硅镀膜时间，节省材料及工艺成本。

附图说明

图1为已知薄膜太阳能电池的示意图。

图2为本发明实施例的太阳能电池的制作方法的流程图。

图3A至图3D为图2每一步骤的剖面图。

图4为本发明另一实施例的太阳能电池的剖面图。

图5为本发明优选实施例的利用搅拌装置涂布纳微米颗粒的示意图。

图6是将纳微米颗粒形成于基板上的流程图。

图7A至图7B为本发明实验的扫描电子显微镜图。

图8为不同粒径的二氧化硅纳米球镀上不同厚度的硅薄膜时，硅薄膜光吸收能力比较曲线图。

附图标记说明

1 太阳能电池                  11 银金属层

12   第一透明导电氧化物       13微晶硅

14   非晶硅                   15 第二透明导电氧化物

16   玻璃基板                 2、2’太阳能电池

20、20’、36基板              21 透明基板

22   第一透明导电层           23 纳微米粗化结构

24   半导体层                 241未掺杂的本征半导体层

242n  型半导体层              25 电极

26p  型半导体层               3  搅拌装置

31  操作界面                  32 机械手臂

33  容器                      34 溶液

35  纳微米颗粒

具体实施方式

以下将参照相关图式，说明依据本发明优选实施例的太阳能电池及其制作方法。

图2为本发明实施例的太阳能电池的制作方法的流程图。图3A至图3D为图2每一步骤的剖面图。

首先，如图3A所示，提供基板20，其为具有第一透明导电层22的透明基板21(步骤S201)。透明基板21，可为玻璃基板，但不以此为限，第一透明导电层22为透明导电氧化物薄膜(Transparent Conductive Oxide，TCO)，例如铟锡氧化物(Indium Tin Oxide，ITO)，但不以此为限。此外，第一透明导电层22的表面为粗糙(texture)或平坦(smooth)的表面结构。

接着，如图3B所示，形成纳微米粗化结构23于该第一透明导电层22上(步骤S202)。纳微米粗化结构23可利用浸泡、喷涂、旋转涂布、自然干燥方式、堆叠、烧结、纳米压印、转印、热压成形附着于第一透明导电层22上。纳微米粗化结构23为球状、柱状、颗粒状、纳米孔洞、纳米点、纳米线、不规则凹凸表面的结构体、周期性或非周期性的任意形状结构。在此实施例中，纳微米粗化结构为多个纳微米颗粒，其材料为二氧化硅、二氧化钛、氧化锌、聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯，多个纳微米颗粒的大小较佳为50～1000纳米的单一或混合尺寸。

接着，如图3C所示，形成半导体层24于纳微米粗化结构23上(步骤S203)，且该半导体层24包覆纳微米粗化结构23，用以进行光电转换。因为纳微米粗化结构23具有孔洞，使半导体层24包覆纳微米粗化结构23，且接触(contact)第一透明导电层22，使电能可通过第一透明导电层22导出。半导体层24为半导体有源层，其可为硅薄膜层或化合物半导体层，硅薄膜层为非晶硅、微晶硅或堆叠型非晶硅/微晶硅，化合物半导体层为铜铟镓硒(CIGS/CIS)或碲化镉(CdTe)，但不以此为限。

然后，如图3D所示，形成电极25于半导体层24上(步骤S204)。电极25可为单一金属层，或者是先形成第二透明导电层，再形成金属层(未图示)。

再参照图3D，该太阳能电池2包括：基板20，其具有第一透明导电层22；纳微米粗化结构23形成于第一透明导电层22上；半导体层24形成于纳微米粗化结构23上，并包覆多个纳微米粗化结构23；以及电极25形成于半导体层24上。太阳能电池2为薄膜太阳能电池。

图4为本发明另一实施例的太阳能电池的剖面图，与上一实施例相同的地方不再赘述。该太阳能电池2’的基板20’为具有第一透明导电层22及p型半导体层26的透明基板21，第一透明导电层22及p型半导体层26依序形成在透明基板21上，然后纳微米粗化结构23形成于p型半导体层26上，在此实施例中，纳微米粗化结构23的材料可为硅基半导体、碳化硅、氮化硅或硅化锗，纳微米粗化结构23可为多个纳微米颗粒。然后，形成半导体层24于纳微米粗化结构23上，其中半导体层24可为未掺杂的本征半导体层241以及n型半导体层242，依序形成于纳微米粗化结构23上，其中纳微米粗化结构23与未掺杂的本征半导体层241具有不同的能隙(band gap)，用以对不同波长的太阳光进行光电转换。然后再形成电极25于半导体层24上。

在本发明的优选实施例中，纳微米粗化结构23为多个纳微米颗粒。图5为本发明优选实施例的利用搅拌装置涂布纳微米颗粒的示意图。该搅拌装置3包括操作界面31、机械手臂32及容器33。图6是将纳微米颗粒形成于基板上的流程图。

首先，提供容器33，容器33盛装多个纳微米颗粒35的溶液34(步骤S401)。其中，多个纳微米颗粒35利用溶胶-凝胶法、乳化聚合法、无乳化剂乳化聚合法、悬浮聚合法、逆微胞法或热皂法制成。

接着，将基板36浸泡于溶液34中(步骤S402)。此基板36为上述的基板20、20’。

再透过机械手臂32于溶液34中上、下拉升基板36或左、右旋转基板36，以使溶液34中纳微米颗粒35均匀涂布于基板36上(步骤S403)，其中设定条件包括基板的拉升速度、纳微米颗粒粒径(直径)、纳微米颗粒浓度、纳微米颗粒材料、溶液温度控制及添加溶剂，较佳的拉升速率为0.5mm/sec～5mm/sec，纳微米颗粒粒径为50～1000纳米单一或混合尺寸，但不以此为限。

然后，将基板36从溶液中取出(步骤S404)。

图7A至图7B为本发明实验的扫描电子显微镜(scanning electronmicroscope，SEM)图。以下为本发明一较佳的实验结果。在实验中，以浸泡、喷涂、旋转涂布、自然干燥、堆叠、烧结、纳米压印、转印、热压成形的方式，将多个二氧化硅纳米球形成于玻璃基板上，再将该玻璃基板置入于镀膜机台中，分别镀制非晶硅以及微晶硅薄膜，其硅薄膜结构可使原来600纳米(nm)二氧化硅纳米球经由镀膜工艺后，尺寸成长至1.6微米(μm)，证实微晶硅镀膜工艺可成功地在二氧化硅纳米球上进行镀膜工艺，其扫描电子显微镜图如图7A所示。然后，再于硅薄膜表面上制作梳状电极，电极材料为铝，经由扫描电子显微镜观察证实该具二氧化硅纳米球的基板可成功地制造出具有电极的太阳能电池结构，如图7B所示。

将上述二氧化硅纳米球上镀有硅薄膜的基板置于积分球之中进行分析，以确定实验的光吸收特性。

根据上述实验方法，采用纳微米颗粒不同粒径(100、250、400或600纳米)的二氧化硅纳米球进行100纳米、250纳米、400纳米非晶硅镀膜工艺或500纳米微晶硅镀膜工艺，经积分球分析，该非晶硅镀膜工艺吸收能力较无纳米球铺排的硅薄膜最高可高出12％，该微晶硅镀膜工艺吸收能力较无纳米球铺排的硅薄膜最高可高出18％。

图8为不同粒径的二氧化硅纳米球镀上不同厚度的硅薄膜时，硅薄膜光吸收能力比较曲线图。该比较曲线图的横轴为波长，纵轴为光吸收提升率。曲线一为形成100纳米的非晶硅形成于粒径为100纳米的二氧化硅纳米球上；曲线二为100纳米的非晶硅形成于粒径为250纳米的二氧化硅纳米球上；曲线三为形成100纳米的非晶硅形成于粒径为400纳米的二氧化硅纳米球上；曲线四为100纳米的非晶硅形成于粒径为600纳米的二氧化硅纳米球上；曲线五为对照组，250纳米的非晶硅直接形成在基板上。

请参照图8，若比较有铺排二氧化硅纳米球的100纳米非晶硅薄膜与未铺排纳米球的250纳米非晶硅薄膜则可发现，当100纳米的非晶硅(a-Si)薄膜搭配250或400纳米的二氧化硅纳米球，其吸收性质与厚的250纳米非晶硅薄膜相当甚至更好。此结果显示二氧化硅纳米球对于硅薄膜吸收性质有所提升之外，硅薄膜厚度减低仍不会降低(甚至提升)太阳能电池的吸收能力。

综上所述，本发明的太阳能电池及其制作方法，以传统硅薄膜太阳能电池为基础，在半导体层(例如：硅膜)与上电极(例如：透明导电氧化物薄膜(Transparent Conductive Oxide，TCO))之间加入一层二氧化硅球状纳微米颗粒以增加光学路径，可提升硅膜光学吸收性质、降低硅薄膜最低吸收厚度，因此可改善非晶硅光劣化现象，缩短微晶硅镀膜时间，节省材料及工艺成本。或者，在p型半导体层与未掺杂的本征半导体之间形成纳微米颗粒，可提升未掺杂的本征半导体光学吸收性质、降低其最低吸收厚度。此外，未掺杂的本征半导体与纳微米颗粒具有不同能隙，可对不同的太阳光波长进行光电转换。

以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包括于后附的权利要求中。

Claims (31)

1、一种太阳能电池，包括：

基板，其具有第一透明导电层；

纳微米粗化结构形成于该第一透明导电层上；以及

半导体层形成于该纳微米粗化结构上，且包覆该纳微米粗化结构。

2、如权利要求1所述的太阳能电池，其中该纳米粗化结构为球状、柱状、颗粒状、纳米孔洞、纳米点、纳米线、不规则凹凸表面的结构体、周期性或非周期性的结构。

3、如权利要求1所述的太阳能电池，其中该纳微米粗化结构为多个纳微米颗粒。

4、如权利要求3所述的太阳能电池，其中所述纳微米颗粒的材料为二氧化硅、二氧化钛、氧化锌、聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯。

5、如权利要求3所述的太阳能电池，其中所述纳微米结构颗粒的大小为50～1000纳米的单一或混合尺寸。

6、如权利要求4所述的太阳能电池，其中该半导体层为硅薄膜层或化合物半导体层，该硅薄膜层为非晶硅、微晶硅或堆叠型非晶硅/微晶硅，该化合物半导体层为铜铟镓硒或碲化镉。

7、如权利要求1所述的太阳能电池，其中该半导体层的平均厚度为75～2500纳米。

8、如权利要求1所述的太阳能电池，其中该基板为透明基板或玻璃基板。

9、如权利要求1所述的太阳能电池，其还包括一电极形成于该半导体层上，或者还包括第二透明导电层及一电极依序形成于该半导体层上。

10、如权利要求1所述的太阳能电池，其中该第一透明导电层为透明导电氧化物或铟锡氧化物。

11、如权利要求1所述的太阳能电池，其中该第一透明导电层为粗糙或平坦的表面结构。

12、如权利要求1所述的太阳能电池，其还包括p型半导体形成于该纳微米粗化结构及该第一透明导电层之间。

13、如权利要求12所述的太阳能电池，其中该半导体层为未掺杂的本征半导体层以及n型半导体层，依序形成于该纳微米粗化结构上。

14、如权利要求13所述的太阳能电池，其中该纳微米粗化结构的材料为硅基半导体、碳化硅、氮化硅或硅化锗。

15、如权利要求14所述的太阳能电池，其中该纳微米粗化结构为多个纳微米颗粒。

16、如权利要求1所述的太阳能电池其为一薄膜太阳能电池。

17、一种太阳能电池的制作方法，其步骤包括：

提供基板；

形成纳微米粗化结构于该基板上；以及

形成半导体层于该纳微米粗化结构上。

18、如权利要求17所述的方法，其还包括形成电极于该半导体层上。

19、如权利要求17所述的方法，其中形成该纳微米粗化结构于该基板上的该步骤，是以浸泡、喷涂、旋转涂布、自然干燥、堆叠、烧结、纳米压印、转印、热压成形方式附着该纳微米粗化结构于该第一透明导电层上。

20、如权利要求17所述的方法，其中形成该纳微米粗化结构于该基板上的该步骤为形成多个纳微米颗粒于该基板上。

21、如权利要求20所述的方法，其中该基板为具有第一透明导电层的透明基板。

22、如权利要求21所述的方法，其中所述纳微米颗粒的材料为二氧化硅、二氧化钛、氧化锌、聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯。

23、如权利要求22所述的方法，其中该半导体层为半导体有源层。

24、如权利要求20所述的方法，其中该基板为具有第一透明导电层及p型半导体层的透明基板，该第一透明导电层及该p型半导体层依序形成在该透明基板上。

25、如权利要求24所述的方法，其中所述纳微米颗粒的材料为硅基半导体、碳化硅、氮化硅或硅化锗。

26、如权利要求25所述的方法，其中该半导体层为未掺杂的本征半导体层以及n型半导体层，依序形成于该纳微米粗化结构上。

27、如权利要求20所述的方法，其中形成所述纳微米颗粒于该基板上的该步骤，包括：

提供容器，该容器盛装具有所述纳微米颗粒分布的溶液；

将具有该第一透明导电层的该基板浸泡于该溶液中；

于该溶液中上、下拉升该基板或左、右旋转该基板，以使该溶液中所述纳微米颗粒均匀涂布于该基板上；以及

将该基板从该溶液中取出。

28、如权利要求27所述的方法，其中所述纳微米颗粒利用溶胶-凝胶法、乳化聚合法、无乳化剂乳化聚合法、悬浮聚合法、逆微胞法或热皂法制成。

29、如权利要求27所述的方法，其中形成所述纳微米颗粒于该基板上的该步骤的设定条件包括该基板的拉升速度、所述纳微米颗粒粒径、所述纳微米颗粒浓度、所述纳微米颗粒材料、该溶液温度控制及添加溶剂。

30、如权利要求29所述的方法，其中该基板的拉升速度设定为0.5mm/sec～5mm/sec，所述纳微米颗粒粒径为50～1000纳米。

31、如权利要求27所述的方法，其中形成所述纳微米颗粒于该基板上的该步骤利用搅拌装置来达成。

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