CN101924145B - 光电转换装置及其制法 - Google Patents

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Abstract

本发明有关于一种光电转换装置及其制法，其中，该光电转换装置包括：一第一半导体层；一第二半导体层，设置于第一半导体层上；一第一电极层，连接于第一半导体层；一第二电极层，连接于第二半导体层，其中，第二电极层具有一开口区，以显露第二半导体层；以及一低反射导电膜，设置于开口区中，且与第二电极层及第二半导体层连接，其中，低反射导电膜的电阻率小于或等于第二半导体层的电阻率。据此，本发明所提供的光电转换装置可有效降低串联效应，进而改善光电转换效率。

Description

光电转换装置及其制法
技术领域
本发明是关于一种光电转换装置及其制法，尤其是指一种可降低串联电阻且提高光电转换效率的光电转换装置及其制法。
背景技术
随着现有能源(如石油及煤矿)逐渐短缺，开发取代现有能源的替代能源已渐渐受到瞩目。在替代能源中，由于太阳能源非常充沛且不会造成环境的污染，因此太阳能电池已成为众所瞩目的焦点。太阳能电池是一种将光能转换成电能的光电转换装置，其基本构造是运用P型及N型半导体接合而成，其利用P-N二极管吸收光能量，以产生自由电子与空穴，其中，电子及空穴会受到内建电位影响而分别朝N型及P型半导体移动，进而产生电流，最后经由电极将电流引出，即可形成供使用或储存的电能。
请参见图1，为公知太阳能电池的基本结构。如图1A所示，公知太阳能电池主要包括：一P型半导体层11；一N型半导体层12，设置于P型半导体层11上；一第一电极层13，连接于P型半导体层11；以及一第二电极层14，连接于N型半导体层12。其中，设置于入光面的第二电极层14具有一开口区141，据此，该第二电极层14呈交趾状，用以增加入射光面积。此外，为增加光取量，可于第二电极层14的开口区141设置一抗反射层15，以降低入射光的反射。然而，交趾状电极的设计容易造成太阳能电池的串联电阻过高，进而降低光电转换效率。
为此，已提出有以透明导体作为入光面电极的建议，使用透明导体(如ITO)作为入光面的电极，其中，由于入光面的电极是由透明材质所形成，因此可全面形成于半导体层上，无需将电极设计为交趾状。再者，请参见图1B，为另一公知太阳能电池的示意图。如图1B所示，该公知太阳能电池的结构大致与图1A所示的太阳能电池结构相同，不同处在于，于第二电极层14与N型半导体层12间还设置有一透明导体16，以增加导电性。
另外，请参见图1C，为另一公知太阳能电池的示意图。如图1C所示，该公知太阳能电池的结构大致与图1B所示的太阳能电池结构相同，不同处在于，第二电极层14的开口区141中未设置有一抗反射层。
综上所述，公知技术所提出改善光电转换效率的其中两种方法为：
(1)使用透明导体作为电极，以全面形成于半导体层上，无需将电极设计为交趾状；
(2)于电极与半导体间形成透明导体，以增加导电性。
然而，无论将上述透明导体形成于电极与半导体之间，或是将上述透明导体直接形成于半导体上作为电极，皆可能因材料的阻值仍大，而未能有效提升转换效率，再者，该些结构中的材料间的界面能障因而提高，更将对光电转换效率有不利的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光电转换装置，其不仅可降低串联电阻，同时，入光面的电极无需局限于透明材料，故可选用可有效导出有效电荷载子的材料，以大幅提升光电转换效率。
为实现上述目的，本发明提供的光电转换装置，其包括：一第一半导体层；一第二半导体层，设置于第一半导体层上；一第一电极层，连接于第一半导体层；一第二电极层，连接于第二半导体层，其中，第二电极层具有一开口区，以显露第二半导体层；以及一低反射导电膜，设置于开口区中，且与第二电极层及第二半导体层连接。其中，为增加开口区的导电度，以降低串联电阻，该低反射导电膜的电阻率小于或等于第二半导体层的电阻率。
据此，本发明由于开口区中形成低反射导电膜，以增加开口区的导电性，进而降低串联电阻，其中，由于光线可由开口区入射，故第二电极层的材料并不局限于透明材料，公知适合的电极材料皆可使用，较佳地是使用可有效导出有效电荷载子的电极材料，如银电极，以有效提高光电转换效率。另外，本发明的第二电极层可设计为公知任何具有开口区的型态，如交趾状、条状或网状等。
本发明的光电转换装置还可包括一抗反射层，设置于该低反射导电膜上，以降低入射光的反射，进而增加光取量。
于本发明的光电转换装置中，低反射导电膜可为任何透光、低反射且电阻率小于或等于第二半导体层的导电膜，较佳地为具有高透光度、低反射及高导电度的导电膜，如金属膜、金属氧化膜或导电纳米材料膜。其中，金属膜的材料可为铝膜、金膜、银膜、铜膜、钨膜、铬膜、镍膜等，较佳地与第二电极层的材料相同，以避免不同材料间的排斥现象，例如，第二电极层可为铝电极层，而金属膜可为铝膜。而金属氧化膜可以氧化锌(ZnO)、氧化锡(SnO2)、氧化锌与氧化锡混合物(ZnO-SnO2)、氧化锌与氧化铟混合物(ZnO-In2O3)为主体，并可进一步包含其它的元素。其它的元素包含铝、镓、铟、硼、钇、钪、氟、钒、硅、锗、锆、铪、氮、铍或其组合，较佳地为铟锡氧化物膜。此外，导电纳米材料膜可包括导电纳米管膜、导电纳米线膜、导电纳米带膜、导电纳米棒膜、导电纳米球膜等，且可为具有导电性的非金属纳米材料膜或金属纳米材料膜，其中，非金属纳米材料膜可包括纳米碳管膜、导电聚合物纤维膜及类似物，而金属纳米材料膜可包括元素金属纳米材料膜、金属合金纳米材料膜、金属化合物纳米材料膜、金属氧化物纳米材料膜等。更佳地，该低反射导电膜为具有较佳抗反射功效的纳米碳管膜，以提高光取量。在此，第二电极层的表面亦可设置有该低反射导电膜。
于本发明的光电转换装置中，第一半导体层可为P型半导体层，而第二半导体层可为N型半导体层；或者，第一半导体层为N型半导体层，而第二半导体层为P型半导体层。其中，P型半导体层的掺质可为第III族的元素，而N型半导体层的掺质可为第V族的元素。
于本发明的光电转换装置中，第一电极层的材料并无特殊限制，公知适合的电极材料皆可使用，较佳地是使用高功率函数材料，以形成奥姆接触，如铝电极。
于本发明的光电转换装置中，第二电极层的材料并无特殊限制，公知适合的电极材料皆可使用，较佳地是使用低功率函数材料，以形成奥姆接触，并可有效导出有效电荷载子，如银电极，以有效提高光电转换效率。于本发明的光电转换装置中，该低反射导电膜的厚度较佳地为10
Figure G2009101406670D00031
至10μm；电阻率较佳地为10-3Ωcm至10-8Ωcm；反射率较佳地为低于10％。
此外，本发明还提供一种上述光电转换装置的制法，其包括：形成一第二半导体层于第一半导体层上；形成一第一电极层于第一半导体层上，且形成一第二电极层于第二半导体层上，其中，该第二电极层具有一开口区，以显露第二半导体层；以及形成一低反射导电膜于开口区中，以使低反射导电膜与第二电极层及第二半导体连接，其中，低反射导电膜的电阻率小于或等于第二半导体层的电阻率。
本发明的光电转换装置制法还可包括：形成一抗反射层于低反射导电膜上。
于本发明的光电转换装置制法中，该低反射导电膜还可形成于第二电极层的表面上。
综上所述，相较于公知改善光电转换效率的方法，本发明是利用低反射导电膜来降低开口区的串联电阻，据此，本发明的入光面电极可设计为交趾状、条状或网状等，而入光面电极则可使用能有效导出电荷载子的电极材料，如银电极，故相较于使用透明导体作为电极的公知技术，本发明更能有效提高光电转换效率。另外，相较于加置透明导体于电极及半导体间以提高导电性的公知技术，本发明中电极与半导体层间未夹置额外层膜结构，故可避免界面能障提高导致光电转换效率下降的问题。
附图说明
图1A是公知太阳能电池的示意图。
图1B是另一公知太阳能电池的示意图。
图1C是另一公知太阳能电池的示意图。
图2A至2C是本发明一较佳实施例的光电转换装置制作流程图。
图3是本发明一较佳实施例的光电转换装置剖视图。
图4是本发明一较佳实施例的光电转换装置剖视图。
图5是本发明实施例1与比较例1所制得的光电转换装置的电压-电流曲线图，其中，-■-代表实施例1，-△-代表比较例1。
图6是本发明实施例1与比较例1所制得的光电转换装置的功率-电流曲线图，其中，-■-代表实施例1，-△-代表比较例1。
图7是本发明实施例4与比较例2所制得的光电转换装置的电压-短路电流曲线图，其中，-■-代表实施例4，-●-代表比较例2。
附图中主要组件符号说明
11-P型半导体层        12-N型半导体层
13，23-第一电极层     14，24-第二电极层
141，241-开口区       15，26-抗反射层
16-透明导体           21-第一半导体层
22-第二半导体层       25-低反射导电膜
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可由其它不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
实施例1
请参见图2A至图2C，为本实施例的光电转换装置制作流程图。首先，如图2A所示，形成第二半导体层22于第一半导体层21上，于本实施例中，第一半导体层21为P型掺杂的硅层，而第二半导体层22则为N型掺杂的硅层。
接着，如图2B所示，形成第一电极层23于第一半导体21上，且形成第二电极层24于第二半导体22上，其中，第二电极层24具有一开口区241，以显露第二半导体层22。于本实施例中，第二电极层24是如图1A及1B所示的交趾状，再者，与第一半导体层21接触的第一电极层23，可使用高功率函数材料来形成奥姆接触；与第二半导体层22接触的第二电极层24，可使用低功率函数材料来形成奥姆接触，据此，本实施例的第一电极层23为铝电极，而第二电极层24为银电极。
随后，如图2C所示，形成低反射导电膜25于开口区241中，其中，低反射导电膜25与第二电极层24及第二半导体层22连接。于本实施例中，低反射导电膜25为纳米碳管膜，是由将纳米碳管分散于挥发性溶剂(如酒精、异丙醇、丙酮等，本实施例是使用酒精)中后，再将纳米碳管溶液涂布于开口区241中，以于开口区241中形成纳米碳管膜，其中，纳米碳管将连结成网状式结构。在此，纳米碳管可由任何公知方法制备，如电弧放电法、雷射气化法、化学气相沉积法、太阳能法、微波辅助化学气相沉积法等。于本实施例中，纳米碳管是由电弧放电法制备。
据此，如图2C所示，本实施例提供一种光电转换装置，其包括：第一半导体层21；第二半导体层22，设置于第一半导体层21上；第一电极层23，连接于第一半导体层21；第二电极层24，连接于第二半导体层22，其中，第二电极层24具有一开口区241，以显露第二半导体层22；以及低反射导电膜25，设置于开口区241中，且与第二电极层24及第二半导体层22连接，其中，低反射导电膜25的电阻率小于或等于第二半导体层22的电阻率。
实施例2
本实施例的光电转换装置大致与实施例1所述相同，不同处在于，本实施例的低反射导电膜25为一银膜。
实施例3
本实施例的光电转换装置大致与实施例1所述相同，不同处在于，本实施例的低反射导电膜25为一铝膜。
实施例4
本实施例的光电转换装置大致与实施例1所述相同，不同处在于，本实施例的低反射导电膜25为铟锡氧化物膜。
实施例5
本实施例的光电转换装置大致与实施例1所述相同，不同处在于，如图3所示，本实施例还包括一抗反射层26，其形成于低反射导电膜25上，以降低入射光的反射，进而提高光取量。
实施例6
本实施例的光电转换装置大致与实施例5所述相同，不同处在于，如图4所示，本实施例的低反射导电膜25还形成于第二电极层24的表面上。
比较例1
本比较例的光电转换装置大致与实施例1所述相同，不同处在于，本比较例的光电转换装置未设置低反射导电膜25于开口区241中。
比较例2
本比较例的光电转换装置大致与图1C所示结构相同。在此，本比较例的P型半导体层11、N型半导体层12、第一电极层13及第二电极层14的材料及条件皆与实施例1所述相同，且该透明导体16为铟锡氧化物层。
实验例1
测定实施例1及比较例1所制得的光电转换装置的电压-电流曲线图、电压-功率曲线图及其它光电转换特性数据，其结果如图5、6及表1所示。
表1
  开路电压(Voc，V)   短路电流(Isc，A)   最大输出功率(Pmax)   填充因子(F.F.，％)   光电转换效率(η，％)
  比较例1   0.49   1.25×10-2   3.82×10-3   62.76   3.82
  实施例1   0.501   1.27×10-2   4.03×10-3   63.43   4.03
由上述结果可发现，相较于比较例1，实施例1所制得的光电转换装置具有较佳的光电转换特性。据此，得以证实，改善开口区的导电性确实可有效提升光电转换特性。
实验例2
测定实施例4及比较例2所制得的光电转换装置的电压-短路电流曲线图及其它光电转换特性数据，其结果如图7及表2所示。
表2
  开路电压(Voc，V)   短路电流(Isc，A)   最大输出功率(Pmax)   填充因子(F.F.，％)   光电转换效率(η，％)
  比较例2   0.51   1.38×10-2   4.22×10-3   31   4.22
  实施例4   0.51   1.61×10-2   5.6×10-3   34   5.6
由上述结果可发现，相较于比较例2，实施例4所制得的光电转换装置具有较佳的光电转换特性。据此，得以证实，相较于加置透明导体于电极及半导体间以提高导电性的公知技术，本发明直接改善开口区的导电性，可避免于电极及半导体间加置透明导体所导致的界面能障提高问题，因此更能有效改善光电转换特性。
上述实施例仅为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利要求范围自应以申请的权利要求范围所述为准，而非仅限于上述实施例。

Claims (26)

1.一种光电转换装置，包括：
一第一半导体层；
一第二半导体层，设置于该第一半导体层上；
一第一电极层，连接于该第一半导体层；
一第二电极层，连接于该第二半导体层，其中，该第二电极层具有一开口区，以显露该第二半导体层；以及
一低反射导电膜，设置于该开口区中，且与该第二电极层及该第二半导体层连接，其中，该低反射导电膜的电阻率小于或等于该第二半导体层的电阻率；该低反射导电膜的反射率为低于10％。
2.如权利要求1所述的光电转换装置，其中，包括一抗反射层，设置于该低反射导电膜上。
3.如权利要求1所述的光电转换装置，其中，该第二电极层的表面设置有该低反射导电膜。
4.如权利要求1所述的光电转换装置，其中，该第一半导体层为一P型半导体层，而该第二半导体层为一N型半导体层。
5.如权利要求1所述的光电转换装置，其中，该第一半导体层为一N型半导体层，而该第二半导体层为一P型半导体层。
6.如权利要求1所述的光电转换装置，其中，该低反射导电膜为一金属膜、一金属氧化膜或一导电纳米材料膜。
7.如权利要求6所述的光电转换装置，其中，该金属膜的材料与该第二电极层的材料相同。
8.如权利要求6所述的光电转换装置，其中，该金属膜为一铝膜或银膜。
9.如权利要求6所述的光电转换装置，其中，该金属氧化膜为一铟锡氧化物膜。
10.如权利要求6所述的光电转换装置，其中，该导电纳米材料膜为一纳米碳管膜。
11.如权利要求1所述的光电转换装置，其中，该第二电极层呈交趾状。
12.如权利要求1所述的光电转换装置，其中，该低反射导电膜的厚度为至10μm。
13.如权利要求1所述的光电转换装置，其中，该低反射导电膜的电阻率为10-3Ωcm至10-8Ωcm。
14.一种光电转换装置的制法，包括：
形成一第二半导体层于一第一半导体层上；
形成一第一电极层于该第一半导体上，且形成一第二电极层于该第二半导体上，其中，该第二电极层具有一开口区，以显露该第二半导体层；以及
形成一低反射导电膜于该开口区中，以使该低反射导电膜与该第二电极层及该第二半导体层连接，其中，该低反射导电膜的电阻率小于该第二半导体层的电阻率；该低反射导电膜的反射率为低于10％。
15.如权利要求14所述的制法，其中，包括：形成一抗反射层于该低反射导电膜上。
16.如权利要求14所述的制法，其中，该低反射导电膜形成于该第二电极层的表面上。
17.如权利要求14所述的制法，其中，该第一半导体层为一P型半导体层，而该第二半导体层为一N型半导体层。
18.如权利要求14所述的制法，其中，该第一半导体层为一N型半导体层，而该第二半导体层为一P型半导体层。
19.如权利要求14所述的制法，其中，该低反射导电膜为一金属膜、一金属氧化膜或一导电纳米材料膜。
20.如权利要求19所述的制法，其中，该金属膜的材料与该第二电极层的材料相同。
21.如权利要求19所述的制法，其中，该金属膜为一铝膜或银膜。
22.如权利要求19所述的制法，其中，该金属氧化膜为一铟锡氧化物膜。
23.如权利要求19所述的制法，其中，该导电纳米材料膜为一纳米碳管膜。
24.如权利要求14所述的制法，其中，该第二电极层呈交趾状。
25.如权利要求14所述的制法，其中，该低反射导电膜的厚度为
Figure FSB00000815891100031
至10μm。
26.如权利要求14所述的制法，其中，该低反射导电膜的电阻率为10-3Ωcm至10-8Ωcm。
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