CN102110739A - 抗反射层、抗反射表面的制法、及其应用的光电转换装置 - Google Patents

抗反射层、抗反射表面的制法、及其应用的光电转换装置 Download PDF

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Abstract

本发明是有关于一种抗反射表面的制法，其包括：形成金属膜于钝化层上；热处理该金属膜，使金属膜自组装成金属纳米颗粒；利用金属纳米颗粒作为屏蔽，移除钝化层的部分区域，而形成亚波长抗反射结构，其中亚波长抗反射结构的截面积是沿着钝化层的厚度方向增大；以及移除金属纳米颗粒。此外，本发明还提供所制得的亚波长抗反射结构及其反射比。由于本发明所提供的亚波长抗反射结构具有较佳的抗反射效果，故可提高光电转换装置的光电转换效率。此外，由于亚波长抗反射结构是制作于钝化层上，故可降低半导体层因反应性离子蚀刻而受损的可能，进而改善光电转换装置的光电转换效率。

Description

抗反射层、抗反射表面的制法、及其应用的光电转换装置
技术领域
本发明是关于一种抗反射层及其制法与应用，尤指一种适用于光电转换装置的抗反射层及其制法与应用。
背景技术
抗反射层可应用于多项产品领域，特别是近年来蓬勃发展的太阳能产业。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，其是利用P-N二极管吸收光能量，以产生自由电子与空穴，其中，电子及空穴会受到因半导体P-N接面形成的内建电位影响而分离，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，称为光伏效应，即可形成供使用或储存的电能。由于太阳能电池的启动机制源自于入射光，故其被太阳电池吸收的光取量与太阳能电池的效率极为相关，据此，为有效提高太阳能电池的光取量，抗反射层的应用亦显得特别重要。
请参见图1A，其是为已知太阳能电池的基本结构。如图1A所示，已知太阳能电池主要包括：P型半导体层11；N型半导体层12，是设置于P型半导体层11上；第一电极13，是连接于P型半导体层11；以及第二电极14，是连接于N型半导体层12。在此，设置于入光面的第二电极14具有一开口区A，据此，该第二电极14是呈交趾状，用以增加入射光面积。此外，为增加光取量，第二电极14的开口区A中形成有抗反射层15，以降低入射光的反射。传统上，抗反射层主要是由镀膜方式形成，其可为单层结构或多层结构，其中虽然多层抗反射层可有效降低表面光线反射率，但由于其生产成本较高，且有热性质不匹配及热扩散限制其应用的问题，因此太阳能电池普遍仍使用单层抗反射膜。
此外，另发展有亚波长抗反射结构的抗反射层，相较于镀膜技术所形成的抗反射层，其具有宽光谱抗反射效果，且不受材料选择限制，具有高度发展潜力。请参见图1B，其是为已知亚波长抗反射结构的抗反射层应用于太阳能电池的示意图。如图1B所示，该太阳能电池的基本结构与图1A大致相同，惟不同处在于，该太阳能电池所使用的抗反射层15表面具有次微米级突起结构(即亚波长抗反射结构151)，而目前主要是由昂贵且复杂的光刻技术来制得亚波长抗反射结构。
发明内容
本发明的主要目的是在提供一种抗反射表面的制法，其是由简单且低成本技术制作亚波长抗反射结构，以制得具有优异抗反射效果的抗反射层。
为达上述目的，本发明提供一种抗反射表面的制法，其包括：形成金属膜于钝化层上；热处理该金属膜，使金属膜自组装成至少一金属纳米颗粒；利用该至少一金属纳米颗粒作为屏蔽，移除钝化层的部分区域，使钝化层的表面形成至少一亚波长抗反射结构，其中该至少一亚波长抗反射结构的截面积是沿着钝化层的厚度方向增大；以及移除该至少一金属纳米颗粒。
据此，本发明是通过金属加热后自组装特性来进行亚波长抗反射结构的制作，相较于已知光刻工艺，本发明具有较低成本及工艺较为简单的优点，且相较于已知镀膜工艺所制得的膜层状抗反射层，本发明所制得的抗反射层具有较佳抗反射效果。此外，本发明是于钝化层上形成亚波长抗反射结构，其不仅可展现优异的抗反射效果，且相较于硅材表面形成亚波长抗反射结构后再涂覆钝化层的已知工艺，本发明可避免涂覆钝化层于亚波长抗反射结构上时涂覆不均的问题。再者，由于亚波长抗反射结构是制作于钝化层上，故可降低半导体层因反应性离子蚀刻而受损的可能，进而改善光电转换装置的光电转换效率。具体而言，本发明的钝化层材料可为氮化硅或氧化硅。
于本发明的抗反射表面制法中，该金属膜的材料较佳为镍、金、银或钯。
于本发明的抗反射表面制法中，该钝化层的部分区域可由蚀刻法移除，较佳是由干式蚀刻。
于本发明的抗反射表面制法中，金属纳米颗粒可由湿式蚀刻法移除。举例而言，若金属纳米颗粒的材料为镍或银，则可由硝酸蚀刻液移除；若金属纳米颗粒的材料为金，则可由碘化钾与碘所组成的蚀刻液移除；若金属纳米颗粒的材料为钯，则可由盐酸与硝酸所组成的蚀刻液或盐酸与氨水所组成的蚀刻液移除。
于本发明的抗反射表面制法中，亚波长抗反射结构的密度及直径主要是与金属纳米颗粒的密度及尺寸相关，而其高度则主要取决于钝化层的移除时间。在此，金属膜的厚度较佳为5nm至20nm，金属纳米颗粒的直径较佳为70nm至300nm，而亚波长抗反射结构的高度较佳为150nm至160nm。
据此，本发明还提供一种抗反射层，其是为一表面具有至少一亚波长抗反射结构的钝化层，其中，亚波长抗反射结构的高度为150nm至160nm，且其截面积是沿着钝化层的厚度方向增大。其中，该抗反射层于400nm至700nm光波长区的反射率可达10％以下，而于582nm至680nm光波长区的反射率可达1％以下。因此，本发明所提供的抗反射层具有优异的抗反射效果，故应用于光电转换装置中，可提高光取量，以制得高效率的光电转换装置(如，太阳能电池)。
由此，本发明更提供一种光电转换装置，其包括：光电转换元件，包括第一半导体层及第二半导体层，其中第一半导体层是与第二半导体层相互连接且互为相异的电性；电极对，包括第一电极及第二电极，其中第一电极是与第一半导体层连接，而第二电极是与第二半导体层连接；以及抗反射层，设置于第二电极上或第二半导体层上，其中，抗反射层为一表面具有至少一亚波长抗反射结构的钝化层，且该至少一亚波长抗反射结构的高度为150nm至160nm，而其截面积是沿着该钝化层的厚度方向增大。
于本发明所提供的光电转换装置中，第二电极可具有一开口区，以显露第二半导体层，且抗反射层可设置于开口区中的该第二半导体层上。在此，第二电极可设计为已知任何具有开口区的型态，如交趾状、条状或网状等，而较佳为交趾状。
于本发明所提供的光电转换装置中，第二电极可为透明电极，其可覆盖第二半导体层，且抗反射层可设置于第二电极上。
于本发明所提供的光电转换装置中，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。
于本发明所提供的光电转换装置中，第一电极的材料并无特殊限制，已知适合的电极材料皆可使用，较佳是使用高功率函数材料，以形成欧姆接触，如铝电极。
于本发明所提供的光电转换装置中，第二电极的材料并无特殊限制，已知适合的电极材料皆可使用，较佳是使用低功率函数材料，以形成欧姆接触，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。
附图说明
为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举以下较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下，其中：
图1A是已知太阳能电池的示意图。
图1B是另一已知太阳能电池的示意图。
图2A至2E是本发明于硅晶圆上制作亚波长抗反射结构的抗反射层制作流程。
图3A其本发明金属纳米颗粒的扫描式电子显微镜影像。
图3B其本发明亚波长抗反射结构的扫描式电子显微镜影像。
图4是本发明实施例与比较例1至3的实验样品反射率比较图。
图5是本发明一较佳实施例的光电转换装置示意图。
图6是本发明另一较佳实施例的光电转换装置示意图。
具体实施方式
以下是由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟习此技术的人士可由本说明书所揭示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2E，其是为硅晶圆上制作亚波长抗反射结构的抗反射层制作流程。
如图2A所示，首先将(100)硅晶圆20用稀释氢氟酸清洗，以去除表面的原生氧化层；接着，由等离子体辅助化学气相沉积法(PECVD)，于硅晶圆20表面沉积200±5nm厚的钝化层25。于本实施例中，该钝化层25是为氮化硅层。
随后，如图2B所示，由电子束蒸镀系统(E-beam evaporating system)，于钝化层25表面镀上厚15±0.5nm的金属膜26。于本实施例中，该金属膜26的材料为镍。
如图2C所示，通入流量3sccm的氢气与氮气，并由快速升温退火方式(加热850℃、60秒)，使金属膜26因表面张力而自组装成金属纳米颗粒26’，以作为蚀刻钝化层25的屏蔽。请参见图3A，其是为金属膜热处理后所形成的金属纳米颗粒影像，其显示金属纳米颗粒直径大小分布约为70nm至130nm。
接着，如图2D所示，由感应耦合式等离子体(ICP)，进行120秒的钝化层25蚀刻工艺，以制作出亚波长抗反射结构251，其中，本实施例所使用的蚀刻气体为CF4和O2，其流量分别为60sccm和6sccm，偏压瓦数为200瓦。
最后，如图2E所示，于室温下，浸泡纯硝酸5分钟，以去除表面残余的金属纳米颗粒，进而于硅晶圆20上完成高度约为150至160nm的钝化层亚波长抗反射结构，其结果如图3B所示。
实施例2
本实施例的制作流程与实施例1所述大致相同，惟不同处在于，本实施例金属膜的材料为金，且该金属膜的热处理条件亦为加热850℃达60秒，而最后则使用碘化钾与碘所组成的蚀刻液移除金属纳米颗粒。
比较例1至3
取无处理的空白硅晶圆作为比较例1的实验样品，另外，利用镀膜技术，于硅晶圆上形成氮化硅的单层抗反射层(比较例2，氮化硅层厚度为69.1nm)，及于硅晶圆上依序形成氮化硅/氟化镁，以制得双层抗反射层(比较例3，氮化硅/氟化镁层厚度为69.1nm/56.0nm)。
实验例
将实施例1与比较例1至3所制得的实验样品进行反射率的比较，其结果请参见图4。如图4所示，无处理的空白硅晶圆(比较例1)对于可见光和近红外线的波长都具有相当高的反射率(＞35％)；氮化硅单层抗反射层(比较例2)在700nm的长波长具有较低的反射率(＜20％)，但在400nm的短波长反射率升高(＞35％)；氮化硅/氟化镁双层抗反射层(比较例2)在700nm的长波长区具有＜10％的低反射率，但在400nm的短波长区反射率升高(＞20％)；而氮化硅次波长结构(实施例1)在400-700nm的波长表现出＜10％的反射率，且将580nm-680nm的波长反射率减少至1％以下。
由此可知，本发明所提供的抗反射层具有优异的抗反射效果，故应用于光电转换装置中，可提高光取量，以制得高效率的光电转换装置。据此，请参见图5及图6，其是为本发明抗反射层应用于光电转换装置的示意图。
实施例3
请参见图5，本实施例所提供的光电转换装置包括：光电转换元件21，包括第一半导体层211及第二半导体层212，其中第一半导体层211是与第二半导体层212相互连接且互为相异的电性；电极对22，是包括第一电极221及第二电极222，其中第一电极221是与第一半导体层211连接，而第二电极222是与第二半导体层212连接，且第二电极222具有一开口区A，以显露第二半导体层212；以及抗反射层25’，是设置于开口区A中的第二半导体层212上，其中抗反射层25’是为表面具有亚波长抗反射结构251的钝化层25，且亚波长抗反射结构251的高度为150nm至160nm，而其截面积是沿着钝化层25的厚度方向增大。于本实施例中，该抗反射层25’的材料为氮化硅，而第二电极222是呈交趾状。
实施例4
请参见图6，本实施例所提供的光电转换装置与实施例3所述结构大致相同，惟不同处在于，本实施例的第二电极222为透明电极，其是覆盖该第二半导体层212，且该抗反射层25’是设置于第二电极222上。
上述实施例仅是为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自应以权利要求范围所述为准，而非仅限于上述实施例。

Claims (20)

1.一种抗反射表面的制法，包括：
形成一金属膜于一钝化层上；
热处理该金属膜，使该金属膜自组装成至少一金属纳米颗粒；
利用该至少一金属纳米颗粒作为屏蔽，移除该钝化层的部分区域，使该钝化层的表面形成至少一亚波长抗反射结构，其中该至少一亚波长抗反射结构的截面积是沿着该钝化层的厚度方向增大；以及
移除该至少一金属纳米颗粒。
2.如权利要求1所述的抗反射表面的制法，其中，该钝化层的材料为氮化硅或氧化硅。
3.如权利要求1所述的抗反射表面的制法，其中，该金属膜的材料为镍、金、银或钯。
4.如权利要求1所述的抗反射表面的制法，其中，该钝化层的部分区域是由蚀刻法移除。
5.如权利要求4所述的抗反射表面的制法，其中，该蚀刻法是为干式蚀刻。
6.如权利要求1项所述的抗反射表面的制法，其中，该至少一金属纳米颗粒是由湿式蚀刻法移除。
7.如权利要求1所述的抗反射表面的制法，其中，该金属膜的厚度为5nm至20nm。
8.如权利要求1所述的抗反射表面的制法，其中，该至少一金属纳米颗粒的直径为70nm至300nm。
9.如权利要求1所述的抗反射表面的制法，其中，该至少一亚波长抗反射结构的高度为150nm至160nm。
10.如权利要求1所述的抗反射表面的制法，其中，该抗反射表面于400nm至700nm光波长区的反射率为10％以下，而于582nm至680nm光波长区的反射率为1％以下。
11.一种抗反射层，其是为一表面具有至少一亚波长抗反射结构的钝化层，其中，该至少一亚波长抗反射结构的高度为150nm至160nm，且其截面积是沿着该钝化层的厚度方向增大。
12.如权利要求11所述的抗反射层，其中，该钝化层的材料为氮化硅或氧化硅。
13.如权利要求11所述的抗反射层，其于400nm至700nm光波长区的反射率为10％以下，而于582nm至680nm光波长区的反射率为1％以下。
14.一种光电转换装置，包括：
一光电转换元件，包括一第一半导体层及一第二半导体层，其中该第一半导体层与该第二半导体层相互连接且互为相异的电性；
一电极对，包括一第一电极及一第二电极，其中该第一电极与该第一半导体层连接，而该第二电极与该第二半导体层连接；以及
一抗反射层，设置于该第二电极上或该第二半导体层上，其中该抗反射层为一表面具有至少一亚波长抗反射结构的钝化层，且该至少一亚波长抗反射结构的高度为150nm至160nm，而其截面积是沿着该钝化层的厚度方向增大。
15.如权利要求14所述的光电转换装置，其中，该抗反射层的材料为氮化硅或氧化硅。
16.如权利要求14所述的光电转换装置，其中，该抗反射层于400nm至700nm光波长区的反射率为10％以下，而于582nm至680nm光波长区的反射率为1％以下。
17.如权利要求14所述的光电转换装置，其中，该第二电极具有一开口区，以显露该第二半导体层，且该抗反射层设置于该开口区中的该第二半导体层上。
18.如权利要求17所述的光电转换装置，其中，该第二电极呈交趾状。
19.如权利要求14所述的光电转换装置，其中，该第二电极为透明电极，其覆盖该第二半导体层，且该抗反射层设置于该第二电极上。
20.如权利要求14所述的光电转换装置，其中，该光电转换装置为太阳能电池。
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