CN102420267B

CN102420267B - 太阳能电池

Info

Publication number: CN102420267B
Application number: CN201110402586.0A
Authority: CN
Inventors: 刘书谦
Original assignee: AU Optronics Corp
Current assignee: AU Optronics Corp
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2031-11-30
Also published as: CN102420267A; TW201318184A; TWI470814B

Abstract

一种太阳能电池，包括一反射层、多个半导体层以及一盖层。反射层具有一第一表面，且反射层在第一表面之下具有一光散射部。所述光散射部在平行于第一表面的一横向上具有相对介电常数的变化，且在以光散射部中任意一点为圆心并且沿横向辐射半径为1微米的圆内，相对介电常数变化约大于3。所述多个半导体层依序堆叠于第一表面上，用以吸收外界的光能以产生电能。盖层配置于半导体层上，其中反射层与最下层的半导体层之间具有一第一介面，盖层与最上层的半导体层之间具有一第二介面，且第一介面与第二介面中至少一个实质上为平滑面。

Description

太阳能电池

技术领域

本申请涉及一种太阳能电池，且特别是有关于一种硅基(silicon-based)太阳能电池。

背景技术

近年来环保意识高涨，为了应对石化能源的短缺与减低使用石化能源对环境带来的冲击，替代能源与再生能源的研发便成了热门的议题，其中又以太阳能电池(solar cell)最受瞩目。太阳能电池可将太阳能直接转换成电能，且发电过程中不会产生二氧化碳或氮化物等有害物质，不会对环境造成污染。

硅基太阳能电池是常见的一种太阳能电池，其原理是将高纯度的半导体基材，例如硅(Si)，加入一些不纯物使其呈现不同的性质，以形成p型半导体及n型半导体。并且，将p型半导体与n型半导体相接合，形成一pn结(pn junction)，而在pn结上便存在着一个内建电位(built-in potential)。此内建电位可驱动在此区域中的可移动载流子。当太阳光照射到一个pn结构的半导体时，光子所提供的能量可能会把半导体中的电子激发出来并产生电子-空穴对。被激发出来的自由电子与空穴会受到内建电位的影响，使空穴往p型半导体方向移动，而自由电子则往n型半导体方向移动。若将两电极分别连接p型与n型半导体，并连接至外部电路及负载，便会有电流通过，可供利用。

然而，现有太阳能电池在应用推广上仍存在技术上的难题需要被克服。特别是，外界光线不易被保留于太阳能电池内，使得太阳能电池的光电转换效率的提升受到了相当程度的限制。

发明内容

本申请提供一种太阳能电池，通过物质的相对介电常数与折射率的变化来达到吸(陷)光效果，借以提高光电转换效率。此太阳能电池包括一反射层、多个半导体层以及一盖层。反射层具有一第一表面，且反射层在第一表面之下具有一光散射部。所述光散射部在平行于第一表面的一横向上具有相对介电常数的变化，且在以光散射部中任意一点为圆心并且沿横向辐射半径约为1微米的圆内，相对介电常数变化约大于3。所述多个半导体层依序堆叠于第一表面上，用以吸收外界的光能以产生电能。盖层配置于半导体层上，其中反射层与最下层的半导体层之间具有一第一介面，盖层与最上层的半导体层之间具有一第二介面，且第一介面与第二介面中至少一个实质上为平滑面。

本申请更提出一种太阳能电池，包括一反射层、多个半导体层以及一盖层。反射层具有一第一表面，且反射层在第一表面之下具有一光散射部。光散射部包括分布于反射层内的多个图案。相邻两图案的中心点的节距约介于200纳米至325纳米之间。所述多个图案的分布密度介于3×10⁸个/平方厘米至1×10⁹个/平方厘米之间，且相邻两图案的间隔约介于60纳米至130纳米之间。所述多个半导体层依序堆叠于第一表面上，用以吸收外界的光能以产生电能。其中，这些半导体层中主要吸收光的材料，例如：包括单晶硅、多晶硅、微晶硅、或纳米晶硅其中至少一种。盖层配置于半导体层上，其中反射层与最下层的半导体层之间具有一第一介面，盖层与最上层的半导体层之间具有一第二介面，且第一介面与第二介面中至少一个实质上为平滑面。

本申请另提出一种太阳能电池，包括一反射层、多个半导体层以及一盖层。反射层具有一第一表面，且反射层在第一表面之下具有一光散射部。光散射部包括分布于反射层内的多个图案。相邻两图案的中心点的节距约介于100至200纳米之间。所述多个图案的分布密度约介于9×10⁸个/平方厘米至4×10⁹个/平方厘米之间，且相邻两图案的间隔约介于25纳米至80纳米之间。所述多个半导体层依序堆叠于第一表面上，用以吸收外界的光能以产生电能。其中，这些半导体层中主要吸收光的材料为非晶硅，盖层配置于半导体层上，其中反射层与最下层的半导体层之间具有一第一介面，盖层与最上层的半导体层之间具有一第二介面，且第一介面与第二介面中至少一个实质上为平滑面。

为让本申请的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。

附图说明

图1绘示依照本申请的一实施例的一种太阳能电池；

图2绘示了图1的光散射部在反射层内的分布情形；

图3～图7绘示依照本发明的多个实施例的多种太阳能电池。

其中，附图标记

具体实施方式

图1绘示依照本申请的一实施例的一种太阳能电池。本实施例的太阳能电池100包括反射层110、半导体迭层120以及盖层130。反射层110具有第一表面112。半导体迭层120配置于第一表面112上，且半导体迭层120例如是由多个半导体层所构成，用以吸收外界的光能以产生电能。盖层130配置于半导体迭层120上。为了提高太阳能电池100的吸(陷)光效果，本实施例在反射层110的第一表面112之下制作具有相对介电常数变化的光散射部160，其中通过物质的相对介电常数与折射率呈正相关的特性，来提供具有折射率变化的吸(陷)光结构。

更详细而言，光线在介质中的折射率与介质的相对介电常数有如下关系：n²＝ε×μ，其中n为折射率，ε为介质的相对介电常数，或称电容率(relativepermittivity)，而μ为介质的相对磁导率(relative permeability)。因此，为了便于说明与操作，可以通过对相对介电常数的调变来反应物质的折射率变化。在本实施例或下列其他实施例中，相对介电常数的数值定义是对应于波长为400纳米至1200纳米之间的光线。

在本实施例中，光散射部160是分布在整个第一表面112之下，且光散射部160在平行于第一表面112的横向T上具有相对介电常数的变化。此变化的范围为：在以光散射部160中任意一点为圆心并且沿横向T辐射半径约为1微米的圆内，相对介电常数变化约大于3。亦即，在所述半径约1微米的圆形范围内，相对介电常数的最大值与最小值的差值实质上不会超过3。

换言之，本实施例的光散射部160可以作为具有折射率变化的吸(陷)光结构，其有助于提高太阳能电池的光电转换效率，且可取代已知太阳能电池中用来提供吸(陷)光效果的粗糙面。因此，本实施例不需刻意在太阳能电池100的任何膜层上形成粗糙面，任两相邻膜层的介面皆可为平滑面。例如，反射层110与半导体迭层120之间的第一介面S1，或者盖层130与半导体迭层120之间的第二介面S2都可为平滑面。或者，甚至半导体迭层120中的任两相邻半导体层之间的介面也可为平滑面。此处平滑面的定义例如是指表面的均方根粗糙度(Root Mean Square roughness)实质上小于20纳米。

如此，可大幅降低粗糙面引起的表面复合损失(surface recombination loss)。此外，由于本实施例可以减少或甚至完全省略太阳能电池100中的粗糙面，因此可避免后续膜层对粗糙面覆盖不全造成的缺陷。再者，由于不需顾虑后续膜层的覆盖效果，因此可减少后续膜层的厚度，有助于降低太阳能电池100的整体再结合损失(bulk recombination loss)。

基于前述设计，本申请还可以视需求调整光散射部160的相对介电常数变化的范围。例如，在本申请的其他实施例中，可以进一步将光散射部160的相对介电常数变化的范围定义为：在光散射部160中任意横向距离实质上为1微米的范围内，相对介电常数变化实质上大于3。亦即，在所述长度约1微米的直线范围内，相对介电常数的最大值与最小值的差值实质上不会超过3。

此外，光散射部160在横向上的相对介电常数变化实质上小于120。亦即，在整个光散射部160中，相对介电常数的最大值与最小值的差值实质上不会超过120。

另外，鉴于光散射部160的深度会影响光线在光散射部160的光散射效果，本申请可以对光散射部160的深度进行控制。例如，在图1所示的实施例中，光散射部160的顶部与第一表面112的距离D1可保持在一定的深度内，例如约小于10纳米。亦即，光散射部160的顶部可与第一表面112齐平，或者埋入第一表面112以下实质上不超过10纳米的距离。此外，光散射部160的底部与第一表面的距离D2可实质上大于40纳米。亦即，光散射部160的底部可深入第一表面112以下实质上超过40纳米的距离，甚至可贯穿反射层110。

在图1所示的实施例中，光散射部160例如是由分布于反射层110内的多个图案162所构成。图2绘示了光散射部160在反射层110内的分布情形。请参考图1与图2，相邻两图案162的中心点具有节距(pitch)p，而相邻两图案162的最小间隔(gap)为g。所述多个图案162在反射层110内的平面上具有分布密度D。此外，本实施例的图案162，较佳地是圆形，具有半径r。在其它实施例中，图案162亦可为多边形，例如：椭圆形、三角形、正方形、菱形、扇形、梯形、或其它合适的形状、或上述至少二种的混杂图形。针对半导体迭层12中适用的材料、其相应的陷光波长(light trapping wavelength)或者称为吸光波长(light absorbing wavelength)以及与图案162搭配设计，本实施例给出如下表的几种参考方案：

上述表格中，光散射部160是以实质上为圆形图案当作范例，但不限于此。在上述其它实施例中所述的其它图案时，则光散射部160的图案设计条件，就以分布密度与间隔为主要考虑依据来对应不同的半导体迭层其中至少一层为主要吸(陷)光材料。当然，若半导体迭层中的主要吸(陷)光材料包含上述二个不同群组，则在上述光散射部搭配表格中，选取可包含二个不同群组的吸(陷)光材料条件，例如：分配密度约介于9×108(个/平方厘米)～1×109(个/平方厘米)以及间隔约介于60纳米～80纳米；或者是依据半导体迭层中的何者为主要的吸(陷)光材料，则就依上述所述的群组来选择所需要的光散射部160的图案来搭配。

另一方面，为了达到良好的光散射效果与吸(陷)光效果，本实施例除了单独使用相对介电常数为正值的材料或是相对介电常数为负值的材料之外，还可以对光散射部160的材料组成进行混搭。举例而言，光散射部可以包括相对介电常数为正值的第一材料，例如氧化硅(SiO₂)、氧化钛(TiO₂)、氧化铝(Al₂O₃)、气体(gas)或真空孔洞(vacuum voids)等；以及相对介电常数为负值的第二材料，例如银(Ag)或铝(Al)等金属材料。特别是，若此相对介电常数为正值的第一材料相对于反射层其他部位或是半导体迭层具有高对比，则更有助于提高散射效果。举例而言，第一材料的相对介电常数例如是1，而第二材料的相对介电常数小于-1。此外，第一材料与第二材料的体积总和在光散射部内所占的比例例如约为50％，以得到良好的对比。

如前述图2所提供的是具有周期性图案162的光散射部160。实际上，本申请适用的光散射部160不限于此。例如，光散射部160也可以由任意大小、任意排列的图案所构成。就另一个角度而言，此由任意大小、任意排列的图案所构成的光散射部160可能对特定波长的光线提供比周期性结构更好的光散射效果。在采用非周期性图案来构成光散射部的情况下，前述节距、间隔、半径等是指平均数值。

前述实施例提出的太阳能电池100的架构可被体现为各种型态的太阳能电池。尤其，随着实际制造工艺的差异，所得到的太阳能电池会有所不同。下文列举几个适用于本申请的设计的太阳能电池作为可能的实施范例。

图3绘示依照本发明的另一实施例的一种太阳能电池。如图3所示的太阳能电池300首先提供作为盖层的平滑的透明基板(例如玻璃基板)310，并且在透明基板310表面制作一透明导电层(例如：铟锡氧化物、铟锌氧化物、铟镓氧化物、氧化铝、或其它合适的材料、或上述至少二种材料的组合)320。此透明导电层320表面可具有良好的平坦度，例如高低落差(peak-to-valleyroughness)实质上不超过100纳米。接着，在透明导电层320表面依序形成P型掺杂的非晶硅层330、非晶硅(a-Si)的本质层(intrinsic layer)340以及N型掺杂的微晶硅(uc-Si)层350。之后，接合反射层370与微晶硅层350，且反射层370具有如同前述实施例记载的光散射部360，以提供吸(陷)光效果。本实施例的本质层340当作半导体迭层中的吸(陷)光层，其厚度，例如：约为150纳米。

图4绘示依照本发明的又一实施例的一种太阳能电池。如图4所示的太阳能电池400的结构与图3的太阳能电池300类似，两者主要的差异在于制造工艺。太阳能电池400在制作上是以具有如同前述实施例记载的光散射部460的反射层470作为基底，依序在反射层470上形成N型掺杂微晶硅层450、厚度约为150纳米的非晶硅本质层440、P型掺杂非晶硅层430、透明导电层420以及作为盖层的抗反射(anti-reflection)层410。

图5分别绘示依照本发明的另一实施例的一种太阳能电池。如图5所示的太阳能电池500为串结式(tandem junction)的架构，以作为盖层的透明基板510为基底，而依序在透明基板510上形成透明导电层520、P型掺杂非晶硅层530、非晶硅本质层540以及N型掺杂微晶硅层550、P型掺杂非晶硅层560、微晶硅本质层570以及N型掺杂微晶硅层580等。之后，接合反射层590与微晶硅层580，且反射层590具有如同前述实施例记载的光散射部592，以提供吸(陷)光效果。本实施例的透明导电层520的高低落差实质上不超过100纳米，非晶硅本质层540与微晶硅本质层570当作半导体迭层中的吸(陷)光层，其中非晶硅本质层540的厚度，例如：约为300纳米，而微晶硅本质层570的厚度，例如：约为1500纳米。

图6绘示依照本发明的又一实施例的一种太阳能电池。如图6所示的太阳能电池600的结构与图5的太阳能电池500类似，两者主要的差异在于制造工艺。太阳能电池600在制作上以具有如同前述实施例记载的光散射部692的反射层690作为基底，依序在反射层690上形成N型掺杂微晶硅层680、微晶硅本质层670、P型掺杂非晶硅层660、N型掺杂微晶硅层650、非晶硅本质层640、P型掺杂非晶硅层630、透明导电层620以及作为盖层的抗反射层610。

图7绘示依照本发明的又一实施例的一种太阳能电池。如图7所示的太阳能电池700以N型掺杂的单晶硅基板710作为基底，在单晶硅基板710的上侧形成作为射极(emitter)的P型掺杂单晶硅层720以及抗反射层730，并且在单晶硅基板710的下侧形成具有如同前述实施例记载的光散射部750的反射层740。其中，单晶硅基板当作半导体迭层中主要吸(陷)光材料层。此外，太阳能电池700还包括多个电极760配置于P型掺杂单晶硅层720上，并且暴露在抗反射层730之外。本实施例的单晶硅基板710的厚度，例如：约为100微米。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种太阳能电池，其特征在于，包括：

一反射层，具有一第一表面，且该反射层在该第一表面之下具有一光散射部，该光散射部在平行于该第一表面的一横向上具有相对介电常数的变化，其中在以该光散射部中任意一点为圆心并且沿该横向辐射半径约为1微米的圆内，相对介电常数变化约大于3；

多个半导体层，依序堆叠于该第一表面上，用以吸收外界的光能以产生电能；以及

一盖层，配置于这些半导体层上，其中该反射层与最下层的该半导体层之间具有一第一介面，该盖层与最上层的该半导体层之间具有一第二介面，且该第一介面与该第二介面中至少一个实质上为平滑面；

其中，光散射部由多个图案构成，且所述多个图案根据半导体层内中主要吸光材料而具有不同的节距、间隔及分布密度。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，其中该平滑面的均方根粗糙度约小于20纳米。

3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，其中这些半导体层之间的这些介面皆实质上为平滑面。

4.根据权利要求3所述的太阳能电池，其特征在于，其中各该平滑面的均方根粗糙度约小于20纳米。

5.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，其中在该光散射部中任意一横向距离约为1微米的范围内，相对介电常数变化约大于3。

6.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，其中该光散射部在该横向上的相对介电常数变化约小于120。

7.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，其中该光散射部的顶部与该第一表面的距离约小于10纳米。

8.根据权利要求7所述的太阳能电池，其特征在于，其中该光散射部的底部与该第一表面的距离约大于40纳米。

9.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，其中该光散射部包括一第一材料以及一第二材料，该第一材料的相对介电常数为正值，该第二材料的相对介电常数为负值。

10.根据权利要求9所述的太阳能电池，其特征在于，其中该第一材料的相对介电常数接近1。

11.根据权利要求9所述的太阳能电池，其特征在于，其中该第二材料的相对介电常数约小于-1。

12.根据权利要求9所述的太阳能电池，其特征在于，其中该第一材料与该第二材料的体积总和在该光散射部内所占的比例实质上约为50%。

13.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，其中这些半导体层包括：

一第一半导体层，为第一导电型，该第一半导体层配置于该反射层上；以及

一第二半导体层，为第二导电型，该第二半导体层配置于该第一半导体层上，该第一导电型与该第二导电型互为N型与P型。

14.根据权利要求13所述的太阳能电池，其特征在于，其中这些半导体层还包括一第一本质层，配置于该第一半导体层与该第二半导体层之间。

15.根据权利要求14所述的太阳能电池，其特征在于，其中这些半导体层还包括：

一第三半导体层，为第一导电型，该第三半导体层配置于该反射层与该第一半导体层之间；

一第四半导体层，为第二导电型，该第四半导体层配置于该第三半导体层与该第一半导体层之间；以及

一第二本质层，配置于该第三半导体层与该第四半导体层之间。

16.根据权利要求13所述的太阳能电池，其特征在于，还包括一透明导电层，配置于该盖层与该第二半导体层之间。

17.根据权利要求13所述的太阳能电池，其特征在于，还包括多个电极，配置于该第二半导体层上，且该盖层暴露出这些电极。

18.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，其中该盖层包括一透明基板或一抗反射层。

19.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，其中该光散射部包括分布于该反射层内的多个图案。

20.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，其中，这些半导体层中主要吸收光的材料包括单晶硅、多晶硅、微晶硅、或纳米晶硅其中至少一种。

21.根据权利要求20所述的太阳能电池，其特征在于，其中相邻两图案的中心点的节距约介于200纳米至325纳米之间。

22.根据权利要求20所述的太阳能电池，其特征在于，其中这些图案的分布密度约介于3×10⁸个/平方厘米至1×10⁹个/平方厘米之间。

23.根据权利要求20所述的太阳能电池，其特征在于，其中各该图案为圆形图案，且该圆形图案的半径约介于50纳米至125纳米之间。

24.根据权利要求20所述的太阳能电池，其特征在于，其中相邻两图案的间隔约介于60纳米至130纳米之间。

25.根据权利要求19所述的太阳能电池，其特征在于，其中，这些半导体层中主要吸收光的材料为非晶硅。

26.根据权利要求25所述的太阳能电池，其特征在于，其中相邻两图案的中心点的节距约介于纳米100至200纳米之间。

27.根据权利要求25所述的太阳能电池，其特征在于，其中这些图案的分布密度约介于9×10⁸个/平方厘米至4×10⁹个/平方厘米之间。

28.根据权利要求25所述的太阳能电池，其特征在于，其中各该图案为圆形图案，且该圆形图案的半径约介于25纳米至75纳米之间。

29.根据权利要求25所述的太阳能电池，其特征在于，其中相邻两图案的间隔约介于25纳米至80纳米之间。

30.一种太阳能电池，其特征在于，包括：

一反射层，具有一第一表面，且该反射层在该第一表面之下具有一光散射部，该光散射部包括分布于该反射层内的多个图案，相邻两图案的中心点的节距约介于200纳米至325纳米之间，这些图案的分布密度约介于3×10⁸个/平方厘米至1×10⁹个/平方厘米之间，且相邻两图案的间隔约介于60纳米至130纳米之间；

多个半导体层，依序堆叠于该第一表面上，用以吸收外界的光能以产生电能，其中，这些半导体层中主要吸收光的材料包含单晶硅、多晶硅、微晶硅、或纳米晶硅其中的至少一种；以及

一盖层，配置于这些半导体层上，其中该反射层与最下层的该半导体层之间具有一第一介面，该盖层与最上层的该半导体层之间具有一第二介面，且该第一介面与该第二介面中至少一个实质上为平滑面。

31.根据权利要求30所述的太阳能电池，其特征在于，其中各该图案为圆形图案，且该圆形图案的半径约介于50纳米至125纳米之间。

32.一种太阳能电池，其特征在于，包括：

一反射层，具有一第一表面，且该反射层在该第一表面之下具有一光散射部，该光散射部包括分布于该反射层内的多个图案，相邻两图案的中心点的节距约介于100纳米至200纳米之间，这些图案的分布密度介于9×10⁸个/平方厘米至4×10⁹个/平方厘米之间，且相邻两图案的间隔约介于25纳米至80纳米之间；

多个半导体层，依序堆叠于该第一表面上，用以吸收外界的光能以产生电能，其中，这些半导体层中主要吸收光的材料为非晶硅；以及

33.根据权利要求32所述的太阳能电池，其特征在于，其中各该图案为圆形图案，且该圆形图案的半径约介于25纳米至75纳米之间。