CN101651165A - 具有荧光材料的太阳能电池芯片及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种具有荧光材料的太阳能电池芯片，是于太阳能电池芯片上，应用具有荧光材料的抗反射层，以通过荧光材料来将入射的短波长的光，先行转换为较长波长的光，再入射至太阳能电池芯片中。由于太阳能电池芯片在长波长的光的量子效率较佳，因而可有效地提升太阳能电池芯片的光电转换效率。此外，也利用折射率递增的多层次抗反射层，以降低太阳能电池芯片的反射率，达成进一步提升太阳能电池芯片的光电转换效率的目的。

Description

具有荧光材料的太阳能电池芯片及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池芯片(Solar Cell)，且特别涉及一种具有荧光材料的太阳能电池芯片及其制造方法。

背景技术

太阳能电池芯片的发展，最早可追溯自1954年由Bell实验室所发明出来，虽然当时太阳能电池芯片的效率只有6％，但经过研究人员不断地研究改良，如今单一电池芯片的最高效率已可达到25％左右，而能渐次迈入实用阶段。

由于太阳能电池芯片的光电转换效率，是影响太阳能电池芯片应用价值的诸多因素中最为重要的因素之一，因此，业界无不致力于太阳能电池芯片光电转换效率的提升，以期能在日益蓬勃的太阳能电池芯片市场上，占有一席之地。

提升太阳能电池芯片光电转换效率的方法之一，是降低太阳光照射太阳能电池芯片的反射率，或是，通过改善太阳能电池芯片的量子效率，来提升太阳能电池芯片的光电转换效率。量子效率的定义是入射太阳能电池芯片的光子数量除以芯片所产生的电子数量，由于太阳能电池芯片结构及材料性质的关系，对于不同能量(波长)的光量子来说，会有不同的量子效率。

参照图1A所示，其为不同波长的光在硅基太阳能电池芯片上的量子效率曲线图。图1A中显示，硅基太阳能电池芯片对高能量(短波长)的量子效率低，亦即，其光电转换效率较差，但不幸地，照射太阳能电池芯片的太阳光的光谱，却有极大部分能量是落于短波长区段(如图1B所示)。因此，为了要提高短波辐射的光电转换效率，常以降低表面掺杂浓度的方法来提升短波量子效率，然而此方法效果有限，当已达最佳条件时，若要进一步使芯片效能最佳化，就必需进行更为复杂的工艺参数调整。因此，采用此法来提高光电转换效率，将会有工艺调整较为复杂的缺点，实有另寻简化工艺的方法，以便通过提升短波量子效率，来进一步改善太阳能电池芯片的光电转换效率的必要。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种具有荧光材料的太阳能电池芯片及其制造方法，其可通过提升短波量子效率及降低太阳光照射太阳能电池芯片的反射率，来进一步改善太阳能电池芯片的光电转换效率。

本发明的另一目的是提供一种具有荧光材料的太阳能电池芯片及其制造方法，其可在不过度改变原有生产太阳能电池芯片工艺的情形下，即可进一步提升太阳能电池芯片的光电转换效率。

为达上述及其它目的，本发明提供一种具有荧光材料的太阳能电池芯片。此太阳能电池芯片包括：第一掺杂型半导体基底；配置于第一掺杂型半导体基底上的第二掺杂型半导体层；配置于第二掺杂型半导体层上的具有荧光材料的抗反射层；以及分别连接第一掺杂型半导体基底与第二掺杂型半导体层，以作为输出电力的多个电极。

在一实施例中，此太阳能电池芯片的具有荧光材料的抗反射层为含荧光材料的二氧化硅溶胶所形成。其中二氧化硅溶胶优选地为孔径介于1nm至10nm之间的纳米孔洞二氧化硅溶胶，荧光材料优选地应能将波长短于500nm的光转换为波长长于500nm的光，以便降低太阳光照射太阳能电池芯片的反射率，以及通过将短波长的光转换为长波长的光，来提升短波长的太阳光的量子效率。

在一实施例中，此太阳能电池芯片的具有荧光材料的抗反射层的厚度优选地介于30nm至320nm之间。其折射率优选地介于1.0至2.5之间。

在一实施例中，第二掺杂型半导体层与具有荧光材料的抗反射层间，还配置有第二抗反射层，以进一步降低太阳光照射太阳能电池芯片的反射率。其中，第二抗反射层的折射率，优选地介于第二掺杂型半导体层的折射率与具有荧光材料的抗反射层的折射率之间。

在一实施例中，此太阳能电池芯片的第一掺杂型半导体基底为选自单晶硅、多晶硅或化合物中的一种的P型半导体，而第二掺杂型半导体层则为掺杂的N型半导体。

在一实施例中，此太阳能电池芯片的第一掺杂型半导体基底为选自单晶硅、多晶硅或化合物中的一种的N型半导体，而第二掺杂型半导体层则为掺杂的P型半导体。

本发明还提供一种具有荧光材料的太阳能电池芯片的制造方法，包括下列步骤：提供第一掺杂型半导体基底；在第一掺杂型半导体基底上进行掺杂，以在第一掺杂型半导体基底上，形成第二掺杂型半导体层；在第二掺杂型半导体层上，形成具有荧光材料的抗反射层；以及形成分别连接第一掺杂型半导体基底与第二掺杂型半导体层的多个电极。

其中，形成具有荧光材料的抗反射层的步骤包括：将荧光材料混入二氧化硅溶胶中；以及将二氧化硅溶胶涂布于第二掺杂型半导体层上等步骤。而使用的二氧化硅溶胶优选地为孔径介于1nm至10nm之间的纳米孔洞二氧化硅溶胶，使用的荧光材料优选地可将波长短于500nm的光转换为波长长于500nm的光。

其中，形成具有荧光材料的抗反射层的步骤也可以包括：将二氧化硅溶胶涂布于第二掺杂型半导体层上；以及以气相沉积法在二氧化硅溶胶上，沉积多个荧光量子点等步骤。或者是包括：以气相沉积法将二氧化硅溶胶沉积于第二掺杂型半导体层上；以及以气相沉积法在二氧化硅溶胶上，沉积多个荧光量子点等步骤。同样地，使用的二氧化硅溶胶优选地为孔径介于1nm至10nm之间的纳米孔洞二氧化硅溶胶，使用的荧光材料优选地可将波长短于500nm的光转换为波长长于500nm的光。

其中，所形成的具有荧光材料的抗反射层的厚度优选地介于30nm至320nm之间。而其折射率优选地则介于1至2.5之间。

其中，当第一掺杂型半导体基底为P型半导体时，第二掺杂型半导体层为N型半导体。而当第一掺杂型半导体基底为N型半导体时，第二掺杂型半导体层为P型半导体。而第一掺杂型半导体基底优选地使用单晶硅、多晶硅与化合物中的其一种掺杂而成。

其中，也可以还包括在第二掺杂型半导体层上形成第二抗反射层的步骤。而第二抗反射层的折射率，优选地介于第二掺杂型半导体层的折射率与具有荧光材料的抗反射层的折射率之间，以达成降低太阳光照射太阳能电池芯片的反射率的较佳效果。

故知，本发明所提供的一种具有荧光材料的太阳能电池芯片及其制造方法，除了可通过提升短波量子效率及降低太阳光照射太阳能电池芯片的反射率，来进一步改善太阳能电池芯片的光电转换效率外，还可在不过度改变原有生产太阳能电池芯片工艺的情形下，即能进一步提升太阳能电池芯片的光电转换效率，因而具有易于商业化的有益效果。

为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特以优选实施例，并结合附图，作详细说明如下：

附图说明

图1A是显示不同波长的光在硅基太阳能电池芯片上的量子效率的曲线图；

图1B是显示太阳光的光谱图；

图2A至图2E是显示根据本发明优选实施例的一种具有荧光材料的太阳能电池芯片的工艺剖面示意图；

图3是显示不同工艺阶段的太阳能电池芯片的反射率曲线比较图。

具体实施方式

图2A至图2E为根据本发明优选实施例的一种具有荧光材料的太阳能电池芯片10的工艺剖面示意图，以下将参照图2A至图2E，来详细说明根据本发明优选实施例的一种具有荧光材料的太阳能电池芯片10的制造方法，以及此制造方法所制造的太阳能电池芯片10的结构。

图2A中，首先准备经标准清洗程序清洗的例如是P型或N型的第一掺杂型半导体基底11，半导体基底11可以是单晶硅、多晶硅与化合物中的一种经掺杂而成。

接着，如图2B所示地在第一掺杂型半导体基底11上进行掺杂，以在第一掺杂型半导体基底11上，形成第二掺杂型半导体层12。此步骤将依使用的半导体基底11型式的不同而异，也就是说，当第一掺杂型半导体基底11为P型半导体时，需使用例如是磷等五价的杂质原子来掺杂，以在第一掺杂型半导体基底11上形成N型的第二掺杂型半导体层12。而当第一掺杂型半导体基底11为N型半导体时，则使用例如是硼等三价的杂质原子来掺杂，以在第一掺杂型半导体基底11上形成P型的第二掺杂型半导体层12。

为了增进降低太阳能电池芯片10的反射率的效果，本实施例在形成如图2D的具有荧光材料的抗反射层14前，也会如图2C所示地在第二掺杂型半导体层12上先形成另一抗反射层13。此抗反射层13可以是一般太阳能电池芯片经常使用的抗反射层，亦即折射率约为2的氮化硅层(Si₃N₄)。由于仅具氮化硅层的太阳能电池芯片在波长500nm以下的光反射率仍高(参照图3的曲线301)，导致太阳能电池芯片对短波长光的光电转换效率较差，实有进一步加以改善的必要。

如图2D所示，为了通过提升短波量子效率及降低太阳光照射太阳能电池芯片10的反射率，来进一步改善太阳能电池芯片10的光电转换效率，于是在抗反射层13上再形成具有荧光材料的抗反射层14。

此具有荧光材料的抗反射层14的材料选用能将波长短于500nm的光转换为波长长于500nm的光的荧光材料，混入孔径介于1nm至10nm的纳米孔洞二氧化硅溶胶(Mesoporous Silica，简称MS)之类的二氧化硅溶胶所形成，其厚度优选地介于30nm至320nm之间，以通过荧光材料来将入射的短波长的光，先行转换为长波长的光，再入射至太阳能电池芯片10中。由于太阳能电池芯片10在长波长的光的量子效率较佳(参考图1)，因而可有效地提升太阳能电池芯片10的光电转换效率。

另外，选用的二氧化硅溶胶的折射率，优选地介于1至2.5之间。本实施例中，选用的纳米孔洞二氧化硅溶胶的折射率约为1.2，亦即，小于抗反射层13的折射率，使得具有荧光材料的抗反射层14、抗反射层13与第二掺杂型半导体层12间的折射率，具有递增的特性。也就是说，选用的抗反射层13的折射率，优选地介于第二掺杂型半导体层12的折射率与具有荧光材料的抗反射层14的折射率之间，以达成降低太阳光照射太阳能电池芯片10的反射率的较佳效果(参照图3的曲线302)。

其中，形成具有荧光材料的抗反射层14的方式例如是：

1、将荧光材料混入纳米孔洞二氧化硅溶胶中，再将纳米孔洞二氧化硅溶胶涂布于第二掺杂型半导体层12上。

2、将纳米孔洞二氧化硅溶胶涂布于第二掺杂型半导体层12上，再以气相沉积法在纳米孔洞二氧化硅溶胶上，沉积多个荧光量子点。

3、以气相沉积法将纳米孔洞二氧化硅溶胶沉积于第二掺杂型半导体层12上，再以气相沉积法在纳米孔洞二氧化硅溶胶上，沉积多个荧光量子点等各种不同的方式。

如图2E所示，为了能将太阳能电池芯片10连接外部电路，以输出光电转换所产生的电力，故于太阳能电池芯片10上，亦需形成分别连接至第一掺杂型半导体基底11与第二掺杂型半导体层12的电极151与152，以经由连接外部电路的电极151与152，来输出光电转换所产生的电力。

使用前述方式来提升太阳能电池芯片的短波光电转换效率，由于无须大量改变原有生产太阳能电池芯片的工艺，因而不会有引进新工艺常发生的繁复的最佳化验正过程，即能进一步提升太阳能电池芯片的光电转换效率，因而具有易于商业化的有益效果。

虽然本发明已以优选实施例公开如上，然其并非用于限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内所作的各种改变与润饰，亦属本发明的范围。因此，本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。

Claims (26)

1、一种具有荧光材料的太阳能电池芯片，包括：

第一掺杂型半导体基底；

第二掺杂型半导体层，配置于所述第一掺杂型半导体基底上；

具有荧光材料的抗反射层，配置于所述第二掺杂型半导体层上；以及

多个电极，分别连接所述第一掺杂型半导体基底与所述第二掺杂型半导体层，以作为输出电力的电极。

2、如权利要求1所述的太阳能电池芯片，其中所述具有荧光材料的抗反射层由含荧光材料的二氧化硅溶胶形成。

3、如权利要求2所述的太阳能电池芯片，其中所述二氧化硅溶胶为孔径介于1nm至10nm之间的纳米孔洞二氧化硅溶胶。

4、如权利要求2所述的太阳能电池芯片，其中所述荧光材料可将波长短于500nm的光转换为波长长于500nm的光。

5、如权利要求1所述的太阳能电池芯片，其中所述具有荧光材料的抗反射层的厚度介于30nm至320nm之间。

6、如权利要求1所述的太阳能电池芯片，其中所述具有荧光材料的抗反射层的折射率介于1至2.5之间。

7、如权利要求1所述的太阳能电池芯片，还包括配置于所述第二掺杂型半导体层与所述具有荧光材料的抗反射层间的第二抗反射层。

8、如权利要求1所述的太阳能电池芯片，其中所述第二抗反射层的折射率，介于所述第二掺杂型半导体层的折射率与所述具有荧光材料的抗反射层的折射率之间。

9、如权利要求1所述的太阳能电池芯片，其中所述第一掺杂型半导体基底为P型半导体，而所述第二掺杂型半导体层为N型半导体。

10、如权利要求1所述的太阳能电池芯片，其中所述第一掺杂型半导体基底为N型半导体，而所述第二掺杂型半导体层为P型半导体。

11、如权利要求1所述的太阳能电池芯片，其中所述第一掺杂型半导体基底使用单晶硅、多晶硅与化合物中的一种掺杂而成。

12、一种具有荧光材料的太阳能电池芯片的制造方法，包括下列步骤：

提供第一掺杂型半导体基底；

在所述第一掺杂型半导体基底上进行掺杂，以在所述第一掺杂型半导体基底上，形成第二掺杂型半导体层；

在所述第二掺杂型半导体层上，形成具有荧光材料的抗反射层；以及

形成分别连接所述第一掺杂型半导体基底与所述第二掺杂型半导体层的多个电极。

13、如权利要求12所述的太阳能电池芯片的制造方法，其中形成所述具有荧光材料的抗反射层的步骤包括：

将荧光材料混入二氧化硅溶胶中；以及

将所述二氧化硅溶胶涂布于所述第二掺杂型半导体层上。

14、如权利要求13所述的太阳能电池芯片的制造方法，其中所述二氧化硅溶胶为孔径介于1nm至10nm之间的纳米孔洞二氧化硅溶胶。

15、如权利要求13所述的太阳能电池芯片的制造方法，其中所述荧光材料可将波长短于500nm的光转换为波长长于500nm的光。

16、如权利要求12所述的太阳能电池芯片的制造方法，其中形成所述具有荧光材料的抗反射层的步骤包括：

将二氧化硅溶胶涂布于所述第二掺杂型半导体层上；以及

以气相沉积法在所述二氧化硅溶胶上沉积多个荧光量子点。

17、如权利要求16所述的太阳能电池芯片的制造方法，其中所述二氧化硅溶胶为孔径介于1nm至10nm之间的纳米孔洞二氧化硅溶胶。

18、如权利要求12所述的太阳能电池芯片的制造方法，其中形成所述具有荧光材料的抗反射层的步骤包括：

以气相沉积法将二氧化硅溶胶沉积于所述第二掺杂型半导体层上；以及

以气相沉积法在所述二氧化硅溶胶上沉积多个荧光量子点。

19、如权利要求18所述的太阳能电池芯片的制造方法，其中所述二氧化硅溶胶为孔径介于1nm至10nm之间的纳米孔洞二氧化硅溶胶。

20、如权利要求12所述的太阳能电池芯片的制造方法，其中所述具有荧光材料的抗反射层的厚度介于30nm至320nm之间。

21、如权利要求12所述的太阳能电池芯片的制造方法，其中所述具有荧光材料的抗反射层的折射率介于1至2.5之间。

22、如权利要求12所述的太阳能电池芯片的制造方法，其中所述第一掺杂型半导体基底为P型半导体，而所述第二掺杂型半导体层为N型半导体。

23、如权利要求12所述的太阳能电池芯片的制造方法，其中所述第一掺杂型半导体基底为N型半导体，而所述第二掺杂型半导体层为P型半导体。

24、如权利要求12所述的太阳能电池芯片的制造方法，其中所述第一掺杂型半导体基底使用单晶硅、多晶硅与化合物中的一种掺杂而成。

25、如权利要求12所述的太阳能电池芯片的制造方法，还包括在所述第二掺杂型半导体层与所述具有荧光材料的抗反射层间，形成第二抗反射层的步骤。

26、如权利要求12所述的太阳能电池芯片的制造方法，其中所述第二抗反射层的折射率，介于所述第二掺杂型半导体层的折射率与所述具有荧光材料的抗反射层的折射率之间。

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