CN101771095A - 太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳能电池，至少包含：半导体基板、射极层、形成于射极层上的抗反射膜、与射极层连接的第一电极、形成于背光面上的第二电极以及光转换层，其中射极层形成于半导体基板的受光面上，且与半导体基板之间形成pn结；光转换层则用以接收具有第一波长的第一光线而发射具有第二波长的第二光线，以供太阳能电池进行光电能转换，进而提高太阳能电池的效能。
Description
技术领域
本发明涉及关于一种光电组件，尤其涉及一种可运用紫外光及红外光的光谱范围的太阳能电池(Solar cell)。
背景技术
现今，由于全球能源的持续短缺且对于能源的需求与日俱增，因此如何提供环保且干净的能源便成为目前最迫切需要研究的议题。在各种替代性能源的研究当中，利用自然的太阳光经由光电能量转换产生电能的太阳能电池，为目前所广泛应用且积极研发的技术，且随着太阳能电池研发技术的精进，更已研发出双面的太阳能电池(Bifacial Solar Cell)，借由太阳能电池双面受光的设计，使得太阳能电池的两个表面皆可接收光线，并转换太阳能，进而可有效地提升双面太阳能电池的效率。
请参阅图1A～图1D，其显示传统太阳能电池的制造流程结构示意图。如图1A所示，首先，提供P型半导体基板11，然后，将P型半导体基板11的表面形成凹凸的纹理(Texturing)，以减低光线的反射率，其中由于凹凸的纹理相当细微，因此在图1A中省略图示。接着，如图1B所示，提供掺杂剂以及利用热扩散的方式在受光面S1形成由N型半导体所构成的射极层12(Emitter)(也称为扩散层)，且在P型半导体基板11与射极层12之间形成pn结。此时，在射极层12上也会形成磷硅玻璃层13(Phosphorous SilicateGlass，PSG)。之后，如图1C所示，利用蚀刻的方式将表面的磷硅玻璃层13移除，再使用沉积(Deposition)的方式于射极层12上形成一层由氮化硅(SiN)构成的抗反射膜14(Anti-Reflective Coating，ARC)，以降低光线的反射率并保护射极层12。接着，如图1D所示，使用网版印刷(Screen Printing)技术将铝导电材料印刷在背光面S2上。然后，再以同样的方式将银导电材料印刷在受光面S1上。最后，进行烧结(Firing)步骤，使受光面S1产生第一电极15，以及背光面S2产生背表面电场层16(Back surface field，BSF)以及第二电极17，借此以完成太阳能电池的制造。
然而，无论是在传统单面受光的太阳能电池或是可双面吸收光能的双面太阳能电池中，并非所有入射进来的太阳光均能被吸收、利用，举例来说，公知太阳能电池所能运用的太阳光波长仅介于波长400nm～1100nm之间，且每一个太阳能电池所能运用的光线波长取决于其所使用的微晶硅材料以及光吸收层的材料，一般而言，只要是波长小于400nm的紫外光以及波长大于1100nm以上的红外光均无法被传统的太阳能电池吸收而转换为电能，意即公知太阳能电池无法有效利用不同波段的紫外光与红外光，因而导致其所能转换的光电能受限，也无法有效提升太阳能电池的效能。
因此，如何发展一种可运用更广的光谱范围的太阳能电池，且能改善上述公知技术缺陷的太阳能电池，实为目前迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种太阳能电池，其通过光转换层吸收第一波长的第一光线而发射具有第二波长的第二光线，借由光转换层使太阳能电池可运用更广的光谱范围，以提高太阳能电池的效能，并解决传统太阳能电池无法运用紫外光及红外光，因而使得太阳能电池的效能受限的缺陷。
为达上述目的，本发明的一较广义实施方式为提供一种太阳能电池，至少包含：半导体基板；射极层，形成于半导体基板的受光面上，且与半导体基板之间形成pn结；抗反射膜，形成于射极层上；第一电极，其与射极层连接；第二电极，形成于半导体基板的背光面上；以及第一光转换层，形成于该抗反射膜上，用以接收具有第一波长的第一光线而发射具有第二波长的第二光线，以供太阳能电池进行光电能转换，以增加入射光能，进而提高太阳能电池的效能。
为达上述目的，本发明的另一较广义实施方式为提供一种太阳能电池，至少包含：半导体基板；射极层，形成于半导体基板的受光面上，且与半导体基板之间形成pn结；抗反射膜，形成于射极层上；第一电极，其与射极层连接；第二电极，形成于半导体基板的背光面上；以及第二光转换层，形成于半导体基板的背光面上，用以接收具有第一波长的第一光线而发射具有第二波长的第二光线，以供太阳能电池进行光电能转换，以增加入射光能，进而提高太阳能电池的效能。
为达上述目的，本发明的又一较广义实施方式为提供一种双面太阳能电池，其包含：半导体基板；射极层，形成于半导体基板的第一表面上，且与半导体基板之间形成pn结；抗反射膜，形成于射极层上；第一电极，其与射极层连接；第二电极，其与半导体基板连接；第一光转换层，形成于抗反射膜上，用以接收具有第一波长的第一光线而发射具有第二波长的第二光线；以及第二光转换层，形成于半导体基板的第二表面上，用以接收具有第三波长的第三光线而发射具有第四波长的第四光线；其中，通过第一光转换层与第二光转换层分别将第一光线及第三光线转换为第二光线及第四光线，以供太阳能电池进行光电能转换，进而提高双面太阳能电池的效能。
附图说明
图1A-图1D：为传统单面太阳能电池的制造流程结构示意图。
图2：为本发明第一优选实施例的太阳能电池的结构示意图。
图3：为本发明第二优选实施例的太阳能电池的结构示意图。
图4：为本发明第三优选实施例的太阳能电池的结构示意图。
图5：为本发明第四优选实施例的双面太阳能电池的结构示意图。
图6：为本发明第五优选实施例的双面太阳能电池的结构示意图。
并且，上述附图中的附图标记说明如下：
2、3、4、5、6：太阳能电池
11、20、30、40、50、60：半导体基板
12、21、31、41、51、61：射极层
13：磷硅玻璃层
14、22、32、42：抗反射膜
15、24、34、44、54、64：第一电极
16、20’、30’、40’、50’、60’：背表面电场层
17、25、35、45、55、65：第二电极
23、33、43：第二导电材料
26、36、56、66：第一光转换层
23a、26a、36a、38a、48a、56a、57a：第一表面
26b、56b、57b：第二表面
27、37、47、58、68：封装层
28、39、59、69：半导体结构
38、48、57、67：第二光转换层
52、62：第一抗反射膜
53、63：第二抗反射膜
S1：受光面
S2：背光面
S1a：第一受光面
S1b：第二受光面
具体实施方式
体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的形态上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明之用，而非用以限制本发明。
请参阅图2，其为本发明第一优选实施例的太阳能电池的结构示意图，如图所示，太阳能电池2为一单面受光的太阳能电池，主要自受光面S1来接收太阳光并转换为电能，且其由封装层27、第一电极24、第一光转换层26、抗反射膜22、射极层21、半导体基板20、背表面电场层20’、第二导电材料23以及第二电极25所构成，其中，半导体基板20的受光面S1具有凹凸纹理(未图示)，用以减低光线的反射率，由于凹凸纹理相当细微，因此在图2中省略图示，且形成此凹凸纹理的方式可采用但不限于湿蚀刻或反应性离子蚀刻等方式，于一些实施例中，半导体基板20可为但不限于P型硅基板。
以及，如图2所示，在半导体基板20的受光面S1上具有射极层21，于本实施例中，射极层可为但不限为N型射极层，其形成的方式可为利用掺杂剂及热扩散的方式而形成，且在半导体基板20与射极层21之间形成pn结。另外，在射极层21上还会形成一层磷硅玻璃层(未图示)，由于磷硅玻璃层会再以蚀刻的方式而移除，因此在图2中省略图示。当磷硅玻璃层被移除后，则会暴露出射极层21，此时，再于射极层21之上沉积一氮硅化合物(SiNx)层，以形成抗反射膜22，其具有可降低光线的反射率、保护射极层21并具有高通透性等优点，可使氢由抗反射膜22内大量穿透至硅芯片的半导体基板20内部，以进行氢钝化过程，进而提升太阳能电池的效能。于一些实施例中，形成抗反射膜22的方式为使用等离子体辅助化学气相沉积法(plasmaenhanced chemical vapor deposition，PECVD)，且抗反射膜22可由氮化硅、二氧化硅、二氧化钛、氧化锌、氧化锡、二氧化镁等材料构成，且不以此为限。
另外，在半导体基板20的背光面S2上具有一层第二导电材料23，其主要是利用网版印刷技术将第二导电材料23印刷于半导体基板20的背光面S2上，于本实施例中，第二导电材料23可为但不限为铝或银，以及，在半导体基板20的受光面S1上也同样以网版印刷技术将第一导电材料(未图示)，例如：银，且不以此为限，印刷于抗反射膜22上，接着，进行烧结，使得第一导电材料于半导体基板20的受光面S1上形成第一电极24，且其穿越抗反射膜22并延伸连接至射极层21，以及，半导体基板20的背光面S2则因第二导电材料23的导热而在半导体基板20与第二导电材料23之间形成一层背表面电场层20’，同时，部分的第二导电材料23也于背光面S2形成第二电极25，其中，主要的光电能转换作业于由第一电极24、抗反射膜22、射极层21、半导体基板20、背表面电场层20’、第二导电材料23以及第二电极25所组成的半导体结构28中进行。
请再参阅图2，如图所示，当完成第一电极24及第二电极25的制造工艺后，则在抗反射膜22上，涂布一层光波长转换材料，再于受光面S1上进行烘烤(Baking)，以形成光转换层，用以接收具有第一波长的第一光线而发射出具有第二波长的第二光线，于本实施例中，烘烤的温度可为但不限为130度，其烘烤的温度可依实际制造工艺需求而任施变化，并不以此为限。以及，构成光转换层的光波长转换材料通常为可发射荧光的磷光体，此光波长转换材料的折射系数介于氮硅化合物(SiN)及玻璃之间，且其可为将短波长的光线转换为长波长的光线的下转换材料或是将长波长的光线转换为短波长的光线的上转换材料，以本实施例为例，光转换层为设置于太阳能电池的受光面S1的第一光转换层26，其由下转换材料的磷光体所构成，例如：铝酸钡镁(Barium magnesium aluminate，BAM)、碲化镉(Cadmium telluride，CdTe)、磷酸镧(Lanthanum phosphate，LaPO4)的复合物等，且不以此为限。以及，第一光转换层26用以在受光面S1上吸收光线，并将短波长的紫外光进行下转换(Down Conversion，DC)，而发射出长波长的光线，例如：将第一波长为300nm的第一光线转换为第二波长为450nm-500nm的第二光线，借此使原先无法被利用的紫外光的波长通过第一光转换层26而调整至可使用的光波长范围内，例如：400nm-1100nm范围内，但不以此为限，以增加太阳能电池2的效能。
请再参阅图2，如图所示，在第一光转换层26的第一表面26a上以及第二导电材料23的第一表面23a上各具有一层封装层27，其由可透光的材料所构成，例如：玻璃，但不以此为限，其中，封装层27的制造工艺为将已于受光面S 1上涂布第一光转换层26的半导体结构28进行封装作业，将可透光的封装层27完整包覆于已涂布第一光转换层26的半导体结构28的外表面上，以用于保护半导体结构28，如此一来，即可完成太阳能电池2的制作，并可使光线穿越可透光的封装层27进入第一光转换层26内，将短波长的光线转换调整为长波长的光线，使可利用的入射光能增加，再进行后续的光电能转换，以增加太阳能电池2的效能。
于另一些实施例中，太阳能电池2的封装层27也可设置于第一光转换层26的第二表面26b上，即设置于第一光转换层26及抗反射膜22之间，且此实施例的制造工艺为先将半导体结构28进行封装作业，在半导体结构28的外表面上包覆一层封装层27，最后再于受光面S1上涂布一层第一光转换层26，于此实施例中，当光线射入太阳能电池2时，会先进入第一光转换层26，再穿越可透光的封装层27而进入半导体结构28内，以进行光电能的转换。由此可见，太阳能电池1的第一光转换层26并不限定于在封装前或是封装后而形成，其可依实际施作情形而进行调整，并不以此为限。
请参阅图3，其为本发明第二优选实施例的太阳能电池的结构示意图，如图所示，太阳能电池3同样为一单面受光的太阳能电池，可自受光面S 1接收太阳光并转换为电能。太阳能电池3的结构由上而下依序为封装层37、第一电极34、第一光转换层36、抗反射膜32、射极层31、半导体基板30、背表面电场层30’、第二导电材料33、第二电极35、第二光转换层33以及封装层37，其中，封装层37、第一电极34、第一光转换层36、抗反射膜32、射极层31、半导体基板30、背表面电场层30’、第二导电材料33及第二电极35的结构、功能以及制造工艺均与前述实施例相仿，于此不再赘述，于本实施例中，当第二电极35已形成于背光面S2上后，则还可涂布一层上转换材料于背光面S2上，并且以130度的温度进行烘烤，以形成第二光转换层38，用以将长波长的红外光进行上转换(Up Conversion，UC)，而发射出短波长的光线。
于本实施例中，第一光转换层36设置于太阳能电池3的受光面S1，用以在受光面S1上吸收光线，并将短波长的紫外光进行下转换而发射出长波长的光线，并向下传递，将可利用的光线进行光电能的转换，由于波长较长的红外光无法被吸收利用，因而会持续地向下穿越，直至进入第二光转换层38，其可将穿透半导体结构39的长波长光线进行上转换而发射出短波长的光线，借此使原本无法被利用的红外光在通过第二光转换层38时，使其波长调整至可使用的光波长范围内，再通过反射，而再次射入半导体结构39中进行光电能的转换，换言之，太阳能电池3可借由下转换的第一光转换层36来利用短波长的紫外光，同时也可借由上转换的第二光转换层38以利用长波长的红外光，使得太阳能电池3可运用更广光谱范围的入射光，以可大幅增加太阳能电池3的效能。
当然，于另一些实施例中，太阳能电池3的封装层37的设置方式也可如前述实施例所述，设置于第一光转换层36及抗反射膜32之间，即为先将半导体结构39进行封装作业后，再包覆封装层37，最后再于受光面S1上涂布第一光转换层36，以完成太阳能电池3的组装，如此同样可通过第一光转换层36转换光线的波长，以增加可利用的光能，以提升太阳能电池3的效能。
请参阅图4，其为本发明第三优选实施例的太阳能电池的结构示意图，如图所示，太阳能电池4也为一单面受光的太阳能电池，且其主要结构由封装层47、第一电极44、抗反射膜42、射极层41、半导体基板40、背表面电场层40’、第二导电材料43、第二电极45及第二光转换层48所构成，其中，封装层47、第一电极44、抗反射膜42、射极层41、半导体基板40、背表面电场层40’、第二导电材料43、第二电极45的结构、功能以及制造工艺均与前述实施例相仿，于此不再赘述，于本实施例中，太阳能电池4仅具设置于背光面S2上的第二光转换层48，其中，第二光转换层48由上转换材料的磷光体所构成，但不以此为限，用以将长波长的红外光进行上转换，而发射出短波长的光线。故于本实施例中，当光线穿越太阳能电池4内部后而向下进入第二光转换层48时，即可将长波长的红外光进行上转换而发射出短波长的光线，借此使原先无法被利用的红外光的波长通过第二光转换层48而调整至可使用的光波长范围内，再将可利用的光线通过反射而进入太阳能电池4的内部进行光电能的转换，借由第二光转换层48的设置，以增进太阳能电池4对于长波长光线的利用，并增进太阳能电池4的效能。
同样地，太阳能电池4的封装层47也可设置于第二光转换层48及第二导电材料43之间，其与前述实施例相仿，由于第二光转换层48设置于太阳能电池4的背光面，且封装层47为可透光的材料所制成，因而不会影响到光波长转换的效率，同样可使太阳能电池4增加可利用的光能，以提升太阳能电池4的效能。
请参阅图5，其为本发明第四优选实施例的双面太阳能电池的结构示意图，如图所示，太阳能电池5为一双面受光的太阳能电池，其可由第一受光面S1a及/或第二受光面S1b来接收光线并转换为电能。太阳能电池5的结构主要由封装层58、第一电极54、第一光转换层56、第一抗反射膜52、射极层51、半导体基板50、背表面电场层50’、第二抗反射膜53、第二电极55以及第二光转换层57所构成，其中，封装层58、第一电极54、第一光转换层56、第一抗反射膜52、射极层51、半导体基板50以及第二光转换层57的结构、功能以及制造工艺与前述实施例相仿，故不再赘述，于本实施例中，太阳能电池5为双面太阳能电池，因而在第二受光面S1b上的背表面电场层50’及第二抗反射膜53的材料、结构与制造工艺与第一受光面S1a上的射极层51及第一抗反射膜52相仿，于此不再赘述。
另外，由于太阳能电池5的两面均为受光面，因而覆盖于第一抗反射膜52上的第一光转换层56以及覆盖于第二抗反射膜53上的第二光转换层57均由下转换材料所构成，借由第一光转换层56及第二光转换层57将原先无法利用的短波长的光线转换为长波长的光线，再分别射入半导体结构59内，以进行光电能的转换，使可利用的入射光增加，以增进太阳能电池5对于短波长光线的利用，并有效增进双面太阳能电池5的效能。
请参阅图6，其为本发明第五优选实施例的双面太阳能电池的结构示意图，如图所示，太阳能电池6也为一双面受光的太阳能电池，其借由第一受光面S1a及/或第二受光面S1b来接收光线并转换为电能。太阳能电池6的结构由第一光转换层66、封装层68、第一电极64、第一抗反射膜62、射极层61、半导体基板60、背表面电场层60’、第二抗反射膜63、第二电极65以及第二光转换层67所构成，其中，第一电极64、第一抗反射膜62、射极层61、半导体基板60、背表面电场层60’、第二抗反射膜63以及第二电极65的结构、功能以及制造工艺与前述实施例相仿，故不再赘述，于本实施例中，太阳能电池6的封装层68分别设置于第一光转换层66的第二表面66b以及第二光转换层67的第二表面67b上，即先将半导体结构69进行封装作业后，再于半导体结构69的外表面上包覆封装层68，最后再于第一受光面S1a及第二受光面S1b上分别涂布第一光转换层66及第二光转换层67，其与前述实施例的差异仅在于太阳能电池6在封装后再设置光转换层，由此可见，太阳能电池6的光转换层不限定于在封装前或是封装后而形成，其可依实际施作情形而进行调整，并不以此为限。
综上所述，本发明所提供的太阳能电池包含一光转换层，借由光转换层可吸收第一波长的第一光线而发射具有第二波长的第二光线的特性，并将光转换层依其上转换或下转换的特性，分别设置于背光面或向光面，以进行光波长的转换，使太阳能电池可更有效的运用原先无法被使用的光谱范围，以有效提高太阳能电池的效能，以解决传统太阳能电池无法运用紫外光及红外光，而使得太阳能电池的效能受限的缺陷。
是以，本发明的太阳能电池的制造方法具有极高的实用性，实为一具产业价值的发明，可依法提出申请。
本发明得由本领域普通技术人员任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱所附权利要求所要保护的范围。
Claims (17)
1.一种太阳能电池，至少包含：
一半导体基板；
一射极层，形成于该半导体基板的一受光面上，且与该半导体基板的间形成一pn结；
一抗反射膜，形成于该射极层上；
一第一电极，其与该射极层连接；
一第二电极，形成于该半导体基板的一背光面上；以及
一第一光转换层，形成于该抗反射膜上，用以接收具有一第一波长的一第一光线而发射具有一第二波长的一第二光线，以供该太阳能电池进行光电能转换，进而提高该太阳能电池的效能。
2.如权利要求1所述的太阳能电池，其中该太阳能电池还包含一背表面电场层，形成于该半导体基板与该第二电极之间，且与该第二电极以及该半导体基板连接。
3.如权利要求1所述的太阳能电池，其中该太阳能电池还包含一封装层，其为可透光的材料所构成，该可透光的材料为玻璃。
4.如权利要求3所述的太阳能电池，其中该封装层设置于该第二光转换层的一第一表面及一第二表面其中之一上。
5.如权利要求1所述的太阳能电池，其中该第一光转换层由一光波长转换材料所构成，该光波长转换材料为一下转换材料，且该光波长转换材料为一磷光体。
6.如权利要求1所述的太阳能电池，其中该太阳能电池还包含一第二光转换层，设置于该半导体基板的一背光面上。
7.如权利要求6所述的太阳能电池，其中该第二光转换层由该光波长转换材料所构成，该光波长转换材料为一上转换材料，且该光波长转换材料为一磷光体。
8.一种太阳能电池，至少包含：
一半导体基板；
一射极层，形成于该半导体基板的一受光面上，且与该半导体基板的间形成一pn结；
一抗反射膜，形成于该射极层上；
一第一电极，其与该射极层连接；
一第二电极，形成于该半导体基板的一背光面上；以及
一第二光转换层，形成于该半导体基板的该背光面上，用以接收具有一第一波长的一第一光线而发射具有一第二波长的一第二光线，以供该太阳能电池进行光电能转换，进而提高该太阳能电池的效能。
9.如权利要求8所述的太阳能电池，其中该太阳能电池还包含一背表面电场层，形成于该半导体基板与该第二电极之间，且与该第二电极以及该半导体基板连接。
10.如权利要求8所述的太阳能电池，其中该太阳能电池还包含一封装层，其为可透光的材料所构成，该可透光的材料为玻璃。
11.如权利要求10所述的太阳能电池，其中该封装层设置于该第二光转换层的一第一表面及一第二表面其中之一上。
12.如权利要求8所述的太阳能电池，其中该第二光转换层由一光波长转换材料所构成，该光波长转换材料为一上转换材料，且该光波长转换材料为一磷光体。
13.一种双面太阳能电池，其包含：
一半导体基板；
一射极层，形成于该半导体基板的一第一表面上，且与该半导体基板之间形成一pn结；
一抗反射膜，形成于该射极层上；
一第一电极，其与该射极层连接；
一第二电极，其与该半导体基板连接；
一第一光转换层，形成于该抗反射膜上，用以接收具有一第一波长的一第一光线而发射具有一第二波长的一第二光线；以及
一第二光转换层，形成于该半导体基板的一第二表面上，用以接收具有一第三波长的一第三光线而发射具有一第四波长的一第四光线；
其中，通过该第一光转换层与该第二光转换层分别将该第一光线及该第三光线转换为该第二光线及该第四光线，以供该太阳能电池进行光电能转换，进而提高该双面太阳能电池的效能。
14.如权利要求13所述的双面太阳能电池，其中该太阳能电池还包含一背表面电场层，形成于该半导体基板与该第二电极之间，且与该第二电极以及该半导体基板连接。
15.如权利要求13所述的双面太阳能电池，其中该太阳能电池还包含至少一封装层，其为可透光的材料所构成，该可透光的材料为玻璃。
16.如权利要求15所述的双面太阳能电池，其中该封装层设置于第一光转换层及该第二光转换层的一第一表面及一第二表面其中之一上。
17.如权利要求16所述的双面太阳能电池，其中该第一光转换层及该第二光转换层分别由一光波长转换材料所构成，该光波长转换材料为一下转换材料，且该光波长转换材料为一磷光体。
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