CN101777588B - 光散射多层结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光散射多层结构及其制造方法。光散射多层结构，包括透明基板、第一透明材料层以及第二透明材料层。透明基板具有第一表面与第二表面，第二表面为受光面，且第一表面与第二表面相对。第一透明材料层位于第一表面上，第一透明材料层具有多个第一突起，使其具有第一平均表面粗糙度。第二透明材料层位于第二表面上，第二透明材料层具有多个第二突起，使其具有第二平均表面粗糙度，且第一平均表面粗糙度大于第二平均表面粗糙度，以增加透明基板的光的散射能力。其中第一平均表面粗糙度介于120nm至140nm之间。

Description

光散射多层结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种光学结构及其制造方法，且特别是涉及一种光散射多层结构及其制造方法。 

背景技术

太阳能是一种无污染且取之不尽的能源，因此在遭遇石化能源所面临的污染与短缺的问题时，如何有效利用太阳能源已经成为最受瞩目的焦点。其中，因太阳能电池(solar cell)可直接将太阳能转换为电能，而成为目前运用太阳能源的发展重点。 

目前，太阳能电池大致上可依太阳光的入射方向分为覆板式(superstrate)太阳能电池与基板式(substrate)太阳能电池。详言之，覆板式太阳能电池包括依序堆叠的玻璃基板、透明导电层、P-I-N三层硅薄膜以及金属层，而太阳光由玻璃基板侧进入太阳能电池。基板式太阳能电池则是在不透光基板上依序堆叠金属层、N-I-P三层硅薄膜以及透明导电层，太阳光由透明导电层侧进入太阳能电池。 

由上述可知，不论是覆板式太阳能电池或基板式太阳能电池，透明导电层是除了玻璃基板以外最接近光源的膜层，因此透明导电层的特性会显著地影响太阳能电池的吸光效率。举例来说，当透明导电层具有平坦表面时，光会直入直出太阳能电池，使得太阳能电池无法有效地利用太阳光。相反的，若是在透明导电层的靠近硅薄膜的表面上形成不规则的凹凸结构(texture)，则可增加光在透明导电层中的散射程度，以增长光在太阳能电池中的停滞时间，进而提升太阳能电池的短路电流密度。 

然而，透明导电层的靠近硅薄膜的表面过于粗糙或是表面起伏过大会不利于硅层的生长，反而导致太阳能电池的元件特性不佳(诸如开路电压和填充因子的下降)。因此，如何制作能提升太阳能电池的元件特性的透明导电层为此领域研究的方向。 

发明内容

本发明提供一种光散射多层结构，其能增加光的散射能力。 

本发明另提供一种光散射多层结构的制造方法，所制作出的光散射多层结构可作为太阳能电池的透明导电氧化物层。 

本发明提出一种光散射多层结构，包括透明基板、第一透明材料层以及第二透明材料层。透明基板具有第一表面与第二表面，第二表面为受光面，且第一表面与第二表面相对。第一透明材料层位于第一表面上，第一透明材料层具有多个第一突起，使其具有第一平均表面粗糙度。第二透明材料层位于第二表面上，第二透明材料层具有多个第二突起，使其具有第二平均表面粗糙度，且第一平均表面粗糙度大于第二平均表面粗糙度。其中第一平均表面粗糙度介于120nm至140nm之间。 

在本发明的实施例中，上述的第一平均表面粗糙度介于120nm至140nm之间。 

在本发明的实施例中，上述的第二平均表面粗糙度介于20nm至40nm之间。 

在本发明的实施例中，上述的第一突起之间的间距介于500nm至3000nm之间。 

在本发明的实施例中，上述的第二突起之间的间距介于150nm至250nm之间。 

在本发明的实施例中，上述的第一透明材料层的材料包括透明导电氧化物(transparent conductive oxide，TCO)。 

在本发明的实施例中，上述的透明导电氧化物包括氧化铟锡(ITO)、氧化锌(ZnO)、氧化铝锌(AlZnO)、二氧化锡(SnO₂)或氧化铟(In₂O₃)。 

在本发明的实施例中，上述的第二透明材料层的材料包括非导电透明材料。 

在本发明的实施例中，上述的非导电透明材料包括氧化钛(TiO₂)或氟化镁(MgF₂)。 

在本发明的实施例中，上述的第二透明材料层的材料包括透明导电氧化物。 

在本发明的实施例中，上述的透明导电氧化物包括氧化铟锡(ITO)、氧化锌(ZnO)、氧化铝锌(AlZnO)、二氧化锡(SnO₂)或氧化铟(In₂O₃)。 

本发明另提出一种光散射多层结构的制造方法。首先，提供透明基板， 透明基板具有第一表面与第二表面，第二表面为受光面，且第一表面与第二表面相对。接着，在透明基板的第一表面上形成第一透明导电氧化物材料层。然后，对第一透明导电氧化物材料层进行第一蚀刻工艺，以形成具有多个初级突起的第一透明导电氧化物层。接着，在透明基板的第二表面上形成第二透明导电氧化物材料层。然后，对第二透明导电氧化物材料层以及第一透明导电氧化物层进行第二蚀刻工艺，以形成具有多个第二突起的第二透明导电氧化物层，以及具有多个第一突起的第一透明导电氧化物层，其中第一透明导电氧化物层具有第一平均表面粗糙度，第二透明导电氧化物层具有第二平均表面粗糙度，且第一平均表面粗糙度大于第二平均表面粗糙度。其中第一平均表面粗糙度介于120nm至140nm之间。 

在本发明的实施例中，上述的第一蚀刻工艺与第二蚀刻工艺为湿式蚀刻工艺。 

在本发明的实施例中，上述的第一蚀刻工艺与第二蚀刻工艺使用的蚀刻液包括HCl。 

在本发明的实施例中，上述的第一蚀刻工艺进行的时间介于20秒至30秒之间。 

在本发明的实施例中，上述的第二蚀刻工艺进行的时间为10秒。 

在本发明的实施例中，上述的第一平均表面粗糙度介于120nm至140nm之间。 

在本发明的实施例中，上述的第二平均表面粗糙度介于20nm至40nm之间。 

在本发明的实施例中，上述的第一突起之间的间距介于500nm至3000nm之间。 

在本发明的实施例中，上述的第二突起之间的间距介于150nm至250nm之间。 

在本发明的实施例中，上述的第一透明导电氧化物材料层的厚度介于500nm至3000nm之间。 

在本发明的实施例中，上述的第二透明导电氧化物材料层的厚度介于50nm至1000nm之间。 

在本发明的实施例中，上述的第一透明导电氧化物材料层的材料与第二透明导电氧化物材料层的材料相同。 

基于上述，本发明的光散射多层结构使得光具有优选的散射能力。如此一来，在采用本发明的光散射多层结构为透明导电氧化物层的太阳能电池中，光散射多层结构能增长光在太阳能电池中的停滞时间与路径，进而增加太阳能电池的短路电流密度(Jsc)以及元件效率。 

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。 

附图说明

图1是依照本发明的实施例的一种光散射多层结构的剖面示意图。 

图2A至图2D是依照本发明的另一实施例的一种光散射多层结构的制造方法的流程示意图。 

图3绘示为包括本发明实施例的光散射多层结构的太阳能电池的剖面示意图。 

图4是本发明、比较例以及传统透明导电层的总穿透率与雾度随波长变化的曲线图。 

附图标记说明 

10：太阳能电池                 100、100a：光散射多层结构 

102：透明基板                  104：第一表面 

106：第二表面                  110：第一透明材料层 

112：第一突起                  120：第二透明材料层 

122：第二突起                  130：第一透明导电氧化物材料层 

130a、130b：第一透明导电氧化物层 

131：初级突起                  132：第一突起 

140：第二透明导电氧化物材料层  140a：第二透明导电氧化物层 

142：第二突起                  150：第一导电型层 

160：本征层                    170：第二导电型层 

180：金属层 

具体实施方式

图1是依照本发明的实施例的一种光散射多层结构的剖面示意图。 

请参照图1，光散射多层结构100包括透明基板102、第一透明材料层110以及第二透明材料层120。 

透明基板102具有第一表面104与第二表面106，第二表面106为受光面，且第一表面104与第二表面106相对。在本实施例中，透明基板102的材料例如是玻璃或其他合适的透明材料。 

第一透明材料层110位于透明基板102的第一表面104上，第一透明材料层110具有多个第一突起112，使其具有第一平均表面粗糙度。在本实施例中，第一透明材料层110的材料例如是透明导电氧化物(transparentconductive oxide，TCO)，其包括氧化铟锡(ITO)、氧化锌(ZnO)、氧化铝锌(AlZnO)、二氧化锡(SnO₂)或氧化铟(In₂O₃)。第一平均表面粗糙度例如是介于约120nm至140nm之间，第一突起112之间的间距例如是介于约500nm至3000nm之间。 

第二透明材料层120位于透明基板102的第二表面106上，第二透明材料层120具有多个第二突起122，使其具有第二平均表面粗糙度，且第二平均表面粗糙度小于第一平均表面粗糙度。在本实施例中，第二透明材料层120的材料例如是透明导电氧化物(transparent conductive oxide，TCO)，其包括氧化铟锡(ITO)、氧化锌(ZnO)、氧化铝锌(AlZnO)、二氧化锡(SnO₂)或氧化铟(In₂O₃)。此外，第二透明材料层120的材料也可以是不导电透明材料，例如氧化钛(TiO₂)或氟化镁(MgF₂)。第二平均表面粗糙度例如是介于约20nm至40nm之间，第二突起122之间的间距例如是介于约150nm至250nm之间。 

在本实施例中，光散射多层结构100包括透明基板100、位于透明基板100的第一表面102上的第一透明材料层110以及位于透明基板100的第二表面104上的第二透明材料层120，其中第一透明材料层110的平均表面粗糙度大于第二透明材料层120的平均表面粗糙度。如此一来，当光由第二透明材料层120(即透明基板100的第二表面104)进入光散射多层结构100，光会因第一突起112与第二突起122结构而在光散射多层结构100中具有优选的散射能力。因此，相较于具有平坦表面的光散射多层结构，光在本发明的光散射多层结构中的停滞时间与路径较长，能提升光的可利用性。 

图2A至图2D是依照本发明的另一实施例的一种光散射多层结构的制造方法的流程示意图。 

请参照图2A，首先，提供透明基板102，透明基板102具有第一表面104与第二表面106，第二表面106为受光面，且第一表面104与第二表面106相对。透明基板102的材料例如是玻璃或其他合适的透明材料。 

接着，在透明基板102的第一表面104上形成第一透明导电氧化物材料层130。第一透明导电氧化物材料层130的材料包括氧化铟锡(ITO)、氧化锌(ZnO)、氧化铝锌(AlZnO)、二氧化锡(SnO₂)或氧化铟(In₂O₃)，其形成方法例如是化学气相沉积工艺。在本实施例中，第一透明导电氧化物材料层130的厚度可以介于500nm至3000nm之间，例如是介于约800nm至1000nm之间。 

请参照图2B，然后，对第一透明导电氧化物材料层130进行第一蚀刻工艺，以形成具有多个第一突起132的第一透明导电氧化物层130a。详言之，例如是以HCl为蚀刻液，对第一透明导电氧化物材料层130进行约20秒至30秒之间的湿式蚀刻工艺，以形成具有多个初级突起131的第一透明导电氧化物层130a。 

请参照图2C，接着，在透明基板102的第二表面106上形成第二透明导电氧化物材料层140。第二透明导电氧化物材料层140的材料包括氧化铟锡(ITO)、氧化锌(ZnO)、氧化铝锌(AlZnO)、二氧化锡(SnO₂)或氧化铟(In₂O₃)，其形成方法例如是化学气相沉积工艺。在本实施例中，第二透明导电氧化物材料层140的材料例如是与第一透明导电氧化物材料层130的材料相同。且，第二透明导电氧化物材料层140的厚度可以介于50nm至1000nm之间，例如是介于约600nm至800nm之间。 

请参照图2D，然后，对第二透明导电氧化物材料层140以及第一透明导电氧化物层130a进行第二蚀刻工艺，以形成具有多个第二突起142的第二透明导电氧化物层140a以及具有多个第一突起132的第一透明导电氧化物层130b，且完成光散射多层结构100a的制作。其中，第二蚀刻工艺例如是以HCl为蚀刻液对第二透明导电氧化物材料层140以及第一透明导电氧化物层130a进行约10秒的湿式蚀刻工艺。特别一提的是，第一透明导电氧化物层130b的第一突起132的型态以及第一平均表面粗糙度实质上是由第一蚀刻工艺与第二蚀刻工艺共同作用的结果。其中，第一透明导电氧化物层130b的第一平均表面粗糙度大于第二透明导电氧化物层140a的第二平均表面粗糙度。在本实施例中，第一透明导电氧化物层130b的第一平均表面粗糙度例如是介于约120nm至140nm之间，第一突起132之间的间距例如是介于约500nm至3000nm之间。第二透明导电氧化物层140a的第二平均表面粗糙度例如是介于约20nm至40nm之间，第二突起142之间的间距例如是介于约150nm至250nm之间。 

在本实施例中，光散射多层结构100a包括透明基板100、位于透明基板100的第一表面102上的第一透明导电氧化物层130b以及位于透明基板100的第二表面104上的第二透明导电氧化物层140a，其中第一透明导电氧化物层130b的平均表面粗糙度大于第二透明导电氧化物层140a的平均表面粗糙度。如此一来，当光由第二透明导电氧化物层140a(即透明基板100的受光面)进入光散射多层结构100a，光会因突起结构而在光散射多层结构100a中具有优选的散射能力。因此，相较于具有平坦表面的光学结构，光在本发明的光散射多层结构中的停滞时间与路径较长，能提升光的可利用性。且，在本实施例中，由于第一透明导电氧化物材料层130与第二透明导电氧化物材料层140的材料例如是相同，因此可以使用相同的沉积机台来沉积第一透明导电氧化物材料层130与第二透明导电氧化物材料层140，且能够使用相同的蚀刻工艺来蚀刻上述两者，如此一来能简化光散射多层结构的工艺，以提升光散射多层结构的产率。 

一般来说，太阳能电池包括依序堆叠的玻璃基板、透明导电层、第一导电型层、本征层、第二导电型层以及金属层。因此，图1所绘示的光散射多层结构100与图2D所绘示的光散射多层结构100a可取代太阳能电池中的玻璃基板与透明导电层。特别一提的是，在此应用中，图1所绘示的光散射多层结构100中的第一透明材料层110必须使用可导电的透明材料。接下来将以包括图2D所绘示的光散射多层结构100a的太阳能电池为例来进行说明。 

图3绘示为包括本发明实施例的光散射多层结构的太阳能电池的剖面示意图。 

请参照图3，太阳能电池10包括堆叠的光散射多层结构100a、第一导电型层150、本征层160、第二导电型层170以及金属层180。第一导电型层150例如是P型层，其材料例如是单晶硅(single-c-Si)或多晶硅(poly-c-Si)。本征层160的材料例如是非晶硅(a-Si)或氢化非晶硅(hydrogenated amorphoussilicon，a-Si：H)。第二导电型层170例如是N型层，其材料例如是单晶硅(single-c-Si)或多晶硅(poly-c-Si)。金属层180的材料例如是铝(Al)、银(Ag)、钼(Mo)、铜(Cu)、其他适合的金属或其合金。 

特别注意的是，光散射多层结构100a的第一透明导电氧化物层130b与第一导电型层150接触，而光散射多层结构100a的第二透明导电氧化物层140a为太阳能电池10的受光面。因此，太阳光经由第二透明导电氧化物层 140a进入太阳能电池10，光会因第一突起132与第二突起142而在光散射多层结构100a中具有优选的散射能力，以增长光在太阳能电池10中的停滞时间与路径。且，不论是长波长的光或是短波长的光都可以在光散射多层结构100a中散射。如此一来，能大幅提升太阳能电池10的短路电流密度(Jsc)以及元件效率。 

再者，已知具有第一突起132的第一透明导电氧化物层130b提供了一个适合硅生长的表面型态，使得以硅为基材的第一导电型层150能够在其上生长。因此，光散射多层结构100a的工艺能够与已知太阳能电池的工艺整合且使太阳能电池具有较高的良率。 

以下列举实验例来验证本发明的光散射多层结构具有提升光散射能力的效果。 

[实验例] 

为比较本发明的光散射多层结构与具有突起结构的传统透明导电层对光的散射能力的影响，分别制作出实验例1(即本发明的光散射多层结构)、实验例2(即本发明的光散射多层结构)、比较例以及传统透明导电层，其中传统透明导电层为在玻璃基板上堆叠Asahi TCO基板。首先，制作实验例1，在玻璃基板的上表面上形成厚度为1微米的第一氧化锌层，且以HCl蚀刻液对第一氧化锌层蚀刻20秒。接着，在玻璃基板的下表面上形成厚度为1微米的第二氧化锌层，且以HCl蚀刻液对第二氧化锌层蚀刻10秒，以完成光散射多层结构的制作。 

接着，制作实验例2，除了以HCl蚀刻液对第一氧化锌层蚀刻30秒以外，依照实验例1的制作步骤完成实验例2的光散射多层结构的制作。 

另外，制作比较例，其与实验例1的差别在于其仅在玻璃基板的上表面上形成厚度为1微米的第一氧化锌层，且以HCl蚀刻液对第一氧化锌层蚀刻10秒，而未在玻璃基板的下表面上形成第二氧化锌层。 

然后，将不同波长的光从实验例1与实验例2的第二氧化锌层端照射光散射多层结构，以及将不同波长的光从比较例与传统透明导电层的玻璃基板端照射比较例与传统透明导电层，以量测光在实验例1、实验例2、比较例以及传统透明导电层的总穿透率(total transmission，TT)以及实验例1、实验例2、比较例以及传统透明导电层的雾度(haze，H)，总穿透率与雾度随波长变化的曲线图绘示于图4。 

由图4可知，光在实验例1、实验例2、比较例以及传统透明导电层的总穿透率相差不大，也就是说，蚀刻氧化锌层以形成突起并不会影响光在光散射多层结构的穿透率。 

然而，实验例1与实验例2的雾度显著地高于比较例与传统透明导电层的雾度。已知雾度为光的散射穿透率与光的总穿透率的比值，也就是雾度越高表示光的散射程度越高。因此，由图4可知，光在实验例1与实验例2的光散射多层结构中具有较高的散射能力。 

由以上实验例可知，本发明的光散射多层结构的突起结构不会影响光的穿透度且能够大幅提升光在光散射多层结构中的散射能力。 

综上所述，本发明的光散射多层结构包括透明基板、位于透明基板的第一表面上的第一透明材料层以及位于透明基板的第二表面上的第二透明材料层，其中第一透明材料层的平均表面粗糙度大于第二透明材料层的平均表面粗糙度。如此一来，当光由透明基板的第二表面进入光散射多层结构，光会因突起结构而在光散射多层结构中具有优选的散射能力。因此，相较于具有平坦表面的光学结构，光在本发明的光散射多层结构中的停滞时间与路径较长，能提升光的可利用性。且，具有第一突起的第一透明材料层提供一个适合硅生长的表面型态，使得以硅为基材的导电层能够在其上生长。因此，能将光散射多层结构应用于太阳能电池中，且光散射多层结构能增长光在太阳能电池中的停滞时间与路径，进而增加太阳能电池的短路电流密度(Jsc)以及元件效率。 

虽然本发明已以实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的为准。 

Claims (21)

1.一种光散射多层结构，包括：

透明基板，该透明基板具有第一表面与第二表面，该第二表面为受光面，且该第一表面与该第二表面相对；

第一透明材料层，位于该第一表面上，该第一透明材料层具有多个第一突起，使其具有第一平均表面粗糙度；

第二透明材料层，位于该第二表面上，该第二透明材料层具有多个第二突起，使其具有第二平均表面粗糙度，且该第一平均表面粗糙度大于该第二平均表面粗糙度，

其中该第一平均表面粗糙度介于120nm至140nm之间。

2.如权利要求1所述的光散射多层结构，其中该第二平均表面粗糙度介于20nm至40nm之间。

3.如权利要求1所述的光散射多层结构，其中所述第一突起之间的间距介于500nm至3000nm之间。

4.如权利要求1所述的光散射多层结构，其中所述第二突起之间的间距介于150nm至250nm之间。

5.如权利要求1所述的光散射多层结构，其中该第一透明材料层的材料包括透明导电氧化物。

6.如权利要求5所述的光散射多层结构，其中该透明导电氧化物包括氧化铟锡、氧化锌、氧化铝锌、二氧化锡或氧化铟。

7.如权利要求1所述的光散射多层结构，其中该第二透明材料层的材料包括非导电透明材料。

8.如权利要求7所述的光散射多层结构，其中该非导电透明材料包括氧化钛或氟化镁。

9.如权利要求1所述的光散射多层结构，其中该第二透明材料层的材料包括透明导电氧化物。

10.如权利要求9所述的光散射多层结构，其中该透明导电氧化物包括氧化铟锡、氧化锌、氧化铝锌、二氧化锡或氧化铟。

11.一种光散射多层结构的制造方法：

提供透明基板，该透明基板具有第一表面与第二表面，该第二表面为受光面，且该第一表面与该第二表面相对；

于该透明基板的该第一表面上形成第一透明导电氧化物材料层；

对该第一透明导电氧化物材料层进行第一蚀刻工艺，以形成具有多个初级突起的第一透明导电氧化物层；

于该透明基板的该第二表面上形成第二透明导电氧化物材料层；以及

对该第二透明导电氧化物材料层以及该第一透明导电氧化物层进行第二蚀刻工艺，以形成具有多个第二突起的第二透明导电氧化物层，以及具有多个第一突起的该第一透明导电氧化物层，其中该第一透明导电氧化物层具有第一平均表面粗糙度，该第二透明导电氧化物层具有第二平均表面粗糙度，且该第一平均表面粗糙度大于该第二平均表面粗糙度，其中该第一平均表面粗糙度介于120nm至140nm之间。

12.如权利要求11所述的光散射多层结构的制造方法，其中该第一蚀刻工艺与该第二蚀刻工艺为湿式蚀刻工艺。

13.如权利要求12所述的光散射多层结构的制造方法，其中该第一蚀刻工艺与该第二蚀刻工艺使用的蚀刻液包括HCl。

14.如权利要求13所述的光散射多层结构的制造方法，其中该第一蚀刻工艺进行的时间介于20秒至30秒之间。

15.如权利要求13所述的光散射多层结构的制造方法，其中该第二蚀刻工艺进行的时间为10秒。

16.如权利要求11所述的光散射多层结构的制造方法，其中该第二平均表面粗糙度介于20nm至40nm之间。

17.如权利要求11所述的光散射多层结构的制造方法，其中所述第一突起之间的间距介于500nm至3000nm之间。

18.如权利要求11所述的光散射多层结构的制造方法，其中所述第二突起之间的间距介于150nm至250nm之间。

19.如权利要求11所述的光散射多层结构的制造方法，其中该第一透明导电氧化物材料层的厚度介于500nm至3000nm之间。

20.如权利要求11所述的光散射多层结构的制造方法，其中该第二透明导电氧化物材料层的厚度介于50nm至1000nm之间。

21.如权利要求11所述的光散射多层结构的制造方法，其中该第一透明导电氧化物材料层的材料与该第二透明导电氧化物材料层的材料相同。

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