CN104241408A - 太阳能电池及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种制作太阳能电池的方法，包括下列步骤。提供一光电转换结构。于光电转换结构的一表面上形成一无机透明导电层。于无机透明导电层的一表面上形成一有机透明导电层。于有机透明导电层的一表面上形成一图案化透明保护层，其中图案化透明保护层具有一开口，部分暴露出有机透明导电层的表面。利用有机透明导电层作为一晶种层进行一电镀工艺，于图案化透明保护层的开口内形成一电极，其中电极与有机透明导电层接触并电性连接。本发明的方法可以减少工艺时间与成本，减少反射并有效增加入光量，并可以增加短路电流密度，进而提升太阳能电池的光电转换效率。另外，可提升填充因子，进而提升太阳能电池的光电转换效率。
Description
技术领域
本发明提供一种太阳能电池及其制作方法，尤指一种具有高光电转换效率的太阳能电池及其制作方法。
背景技术
现今人类使用的能源主要来自于石油资源、煤矿、天然气以及核能等，其中石油资源的蕴藏量经长年不断的开采已逐渐消耗殆尽，煤矿与天然气因为高二氧化碳排放量而会产生空气污染与温室效应等问题，而核能的高风险也令人担忧，因此寻求替代性能源的呼声在近年来不断升高。在包括风力、潮汐以及太阳能等替代性能源中，以太阳能的发展最具有潜力，而目前许多国家皆已投入太阳能发电技术的研发工作。
太阳能发电的原理是利用光伏效应(photovoltaic effect,PV effect)将太阳光照射在光电转换材料上而转换成可直接使用的电能。目前，由于光电转换效率偏低以及制作成本过高，使得太阳能电池仍然无法有效取代传统能源，成为太阳能电池的发展上的瓶颈。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种具有高光电转换效率的太阳能电池及其制作方法。
本发明的一实施例提供一种制作太阳能电池的方法，包括下列步骤：提供一光电转换结构。于光电转换结构的一表面上形成一无机透明导电层。于无机透明导电层的一表面上形成一有机透明导电层。于有机透明导电层的一表面上形成一图案化透明保护层，其中图案化透明保护层具有一开口，部分暴露出有机透明导电层的表面。利用有机透明导电层作为一晶种层进行一电镀工艺，于图案化透明保护层的开口内形成一电极，其中电极与有机透明导电层接触并电性连接。
其中，该无机透明导电层具有一第一折射率，该有机透明导电层具有一第二折射率，该图案化透明保护层具有一第三折射率，该第一折射率大于该第二折射率，且该第二折射率大于该第三折射率。
其中，该无机透明导电层的材料包括氧化铟锡、氧化镓铟锡、氧化锌铟锡、氧化锡掺氟、氧化锌、氧化铝锌与氧化铟锌的其中至少一者。
其中，该有机透明导电层的材料包括(3,4-二氧乙基噻吩)/聚(对苯乙烯磺酸)、铜-青素、4,4',4"-三偶-氮-萘-氮-苯胺-三苯胺。
其中，该有机透明导电层的透光率大于95％且小于100％。
其中，该图案化透明保护层的材料包括硅胶。
其中，该图案化透明保护层的透光率大于95％且小于100％。
其中，于形成该电极之后，该图案化透明保护层保留于该有机透明导电层的该表面上。
其中，该图案化透明保护层利用一微影蚀刻工艺、一曝光显影工艺或一印刷工艺形成于该有机透明导电层的该表面上。
其中，该电极包括一第一导电结构与一第二导电结构，该第一导电结构与该有机透明导电层接触，且该第二导电结构堆栈于该第一导电结构上并与该第一导电结构接触。
其中，该第一导电结构的材料包括铜，且该第二导电结构的材料包括锡。
其中，该光电转换结构包括一半导体基底以及一非本征半导体层，且该半导体基底与该非本征半导体层具有不同的掺杂类型。
本发明的另一实施例提供一种太阳能电池，包括一光电转换结构、一无机透明导电层、一有机透明导电层、一图案化透明保护层以及一电极。无机透明导电层设置于光电转换结构的一表面上。有机透明导电层设置于无机透明导电层的一表面上。图案化透明保护层设置于有机透明导电层的一表面上，其中图案化透明保护层具有一开口，部分暴露出有机透明导电层的表面。电极设置于图案化透明保护层的开口内，其中电极与有机透明导电层接触并电性连接。
其中，该无机透明导电层具有一第一折射率，该有机透明导电层具有一第二折射率，该图案化透明保护层具有一第三折射率，该第一折射率大于该第二折射率，且该第二折射率大于该第三折射率。
其中，该图案化透明保护层的材料包括硅胶。
其中，该电极包括一第一导电结构与一第二导电结构，该第一导电结构与该有机透明导电层接触，且该第二导电结构堆栈于该第一导电结构上并与该第一导电结构接触。
其中，该第一导电结构的材料包括铜，且该第二导电结构的材料包括锡。
其中，该光电转换结构包括一半导体基底以及一非本征半导体层，且该半导体基底与该非本征半导体层具有不同的掺杂类型。
本发明的制作太阳能电池的方法利用图案化透明保护层作为定义电极的位置的阻挡层，且于制作出电极之后，图案化透明保护层保留于有机透明导电层的表面上而不必加以移除，因此，可以减少工艺时间与成本。再者，图案化透明保护层、有机透明导电层与无机透明导电层均具有高穿透率特性，且三者的折射率以递增方式搭配，因此，入射光由折射率较小的膜层进入折射率较大的膜层，故可以减少反射并有效增加入光量，并可以增加短路电流密度，进而提升太阳能电池的光电转换效率。另外，电极与无机透明导电层分别与有机透明导电层接触并经由有机透明导电层电性连接，因此接触电阻较低，故可提升填充因子，进而提升太阳能电池的光电转换效率。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1至图7绘示了本发明的第一实施例的制作太阳能电池的方法示意图。
图8绘示了本发明的第二实施例的制作太阳能电池的方法示意图。
10 半导体基底 101 第一表面
102 第二表面 12 第一本征半导体层
14 第二本征半导体层 16 第一非本征半导体层
18 第二非本征半导体层 20 光电转换结构
201 表面 202 表面
22 第一无机透明导电层 24 第二无机透明导电层
221 表面 241 表面
26 第一有机透明导电层 28 第二有机透明导电层
261 表面 281 表面
30 第一图案化透明保护层 30A 开口
32 第二图案化透明保护层 32A 开口
34 第一电极 341 第一导电结构
342 第二导电结构 36 第二电极
361 第一导电结构 362 二导电结构
40 太阳能电池 50 太阳能电池
具体实施方式
为使本领域技术人员能更进一步了解本发明，下文特列举本发明的较佳实施例，并配合所附图式，详细说明本发明的构成内容及所欲达成的功效。
请参考图1至图7。图1至图7绘示了本发明的第一实施例的制作太阳能电池的方法示意图，其中图1至图6是以剖面型式绘示，而图7是以立体型式绘示。如图1所示，首先提供一半导体基底10，其中半导体基底10具有彼此相对的一第一表面101与一第二表面102。半导体基底10可包括一硅基底，其可为单晶硅基底、非晶硅基底、多晶硅基底、微晶硅基底或其它具有不同晶格排列的硅基底或半导体基底。在本实施例中，半导体基底10选用单晶硅基底，但不以此为限。接着，可选择性地对半导体基底10进行一粗糙化(texture)工艺，以使得第一表面101与第二表面102形成粗糙化表面(textured surface)，其中粗糙化表面可以降低入射光的反射，借此增加入光量，进而提升光电转换效率。粗糙化工艺可包括一蚀刻工艺，例如一湿式蚀刻工艺或一干式湿刻工艺，但不以此为限。在本实施例中，半导体基底10具有一第一掺杂类型，例如n型，但不以此为限。随后，可选择性地在半导体基底10的第一表面101与第二表面102上分别形成一第一本征(intrinsic)半导体层12与一第二本征半导体层14。第一本征半导体层12与第二本征半导体层14为未掺杂的半导体层，其材料可包括例如单晶硅、非晶硅、多晶硅、微晶硅或其它具有不同晶格排列的硅或半导体材料。在本实施例中，第一本征半导体层12与第二本征半导体层14分别为一非晶硅层。
如图2所示，接着于第一本征半导体层12上形成一第一非本征(extrinsic)半导体层16，其中第一非本征半导体层16具有一第二掺杂型式，例如p型。非第一本征半导体层16的材料可包括例如单晶硅、非晶硅、多晶硅、微晶硅或其它具有不同晶格排列的硅或半导体材料。在本实施例中，第一非本征半导体层16的材料选用非晶硅。此外，可选择性地于第二本征半导体层14上形成一第二非本征半导体层18，其中第二非本征半导体层18具有第一掺杂型式，例如n型。第二非本征半导体层18的材料可包括例如单晶硅、非晶硅、多晶硅、微晶硅或其它具有不同晶格排列的硅或半导体材料。在本实施例中，第二非本征半导体层18的材料选用非晶硅。至此，半导体基底10、第一本征半导体层、第二本征半导体层14、第一非本征半导体层16以及第二非本征半导体层18构成本实施例的光电转换结构20。在本实施例中，光电转换结构20为非晶硅/微晶硅结构异质接面(Heterojunction with Intrinsic Thin-layer,HIT)光电转换结构，其具有高光电转换效率、在高温下的操作效率损失较小与高开路电压等优点。在其它变化实施例中，电转换结构也可选用同质接面光电转换结构、铜铟镓硒(CIGS)光电转换结构、有机染料(dye-sensitized)光电转换结构或其它型式的硅基型或薄膜型光电转换结构。
如图3所示，随后于光电转换结构20的一表面201与另一表面202上分别形成一第一无机透明导电层22与一第二无机透明导电层24。第一无机透明导电层22与第二无机透明导电层24的材料可包括氧化铟锡(indium tin oxide,ITO)、氧化镓铟锡(gallium indium tin oxide,GITO)、氧化锌铟锡(zinc indium tinoxide,ZITO)、氧化锡掺氟(fluorine-doped tin oxide，FTO)、氧化锌(ZnO)、氧化铝锌[AZO(Al:ZnO)]与氧化铟锌(IZO)的其中至少一者，或其它适合的无机透明导电材料。此外，第二无机透明导电层24与第一无机透明导电层22可选用相同或不同的无机透明导电材料。
如图4所示，接着于第一无机透明导电层22的表面221上形成一第一有机透明导电层26。第一有机透明导电层26具有导电及高透光的特性，其透光率大于95％且小于100％。举例而言，第一有机透明导电层26的材料可包括(3,4-二氧乙基噻吩)/聚(对苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)、铜-青素(copperphthalocyanine，CuPc)与4,4',4"-三偶-氮-萘-氮-苯胺-三苯胺(4,4',4"-tris-N-naphthyl-N-phenylamino-triphenylamine，TNATA)的其中至少一者，但不以此为限。本实施例以制作穿透式太阳能电池的方法为范例，因此可于第二无机透明导电层24的表面241上形成一第二有机透明导电层28，其中第二有机透明导电层28与第一有机透明导电层26可选用相同或不同的有机透明导电材料。
如图5所示，随后于第一有机透明导电层26的一表面261上形成一第一图案化透明保护层30。第一图案化透明保护层30具有至少一开口30A，部分暴露出第一有机透明导电层26的表面261。第一图案化透明保护层30具有高透光特性，其透光率是大于95％且小于100％。举例而言，第一图案化透明保护层30的材料可包括硅胶(silicone)，但不以此为限。第一图案化透明保护层30的制作可先于第一有机透明导电层26上形成一透明保护层，再利用一微影蚀刻工艺定义出开口30A。在一变化实施例中，第一图案化透明保护层30亦可利用一印刷工艺或一喷墨工艺直接形成于第一有机透明导电层26上。或者在另一变化实施例中，若第一图案化透明保护层30是选用感光材料例如光阻材料，则可先于第一有机透明导电层26上形成一透明保护层，再利用一曝光显影工艺定义出开口30A。在本实施例中，第一图案化透明保护层30可具有平坦化的表面，但不以此为限。另外，可选择性地于第二有机透明导电层28的一表面281上形成一第二图案化透明保护层32，其中第二图案化透明保护层32具有至少一开口32A，部分暴露出第二有机透明导电层28的表面281。第二图案化透明保护层32与第一图案化透明保护层30可选用相同或不同的透明绝缘材料，且可使用相同的工艺形成。
如图6与图7所示，随后利用第一有机透明导电层26与第二有机透明导电层28作为晶种层进行电镀工艺，于第一图案化透明保护层30的开口30A内形成一第一电极34，以及于第二图案化透明保护层32的开口32A内形成一第二电极36。第一电极34与第一有机透明导电层26接触并电性连接，而第二电极36则与第二有机透明导电层28接触并电性连接。在本实施例中，第一电极34包括一第一导电结构341与一第二导电结构342，其中第一导电结构341与第一有机透明导电层26接触，且第二导电结构342堆栈于第一导电结构341上并与第一导电结构341接触。第一导电结构341的材料可选用具有良好导电性的金属或合金，例如铜。第二导电结构342可用来保护第一导电结构341并避免第一导电结构341氧化，且较佳可具有低熔点而有利于多个太阳能电池40之间的串焊(string)。举例而言，第二导电结构342的材料可为金属或合金，在本实施例中，第二导电结构342的材料是选用锡，但不以此为限。另外，第二电极36也可包括一第一导电结构361与一第二导电结构362，其中第一导电结构361与第二导电结构362的材料可分别与第一导电结构341与第二导电结构342相同，但不以此为限。
如图6与图7所示，借由上述方法可制作出本实施例的太阳能电池40。本实施例的太阳能电池40包括光电转换结构20、无机透明导电层(可包括第一无机透明导电层22与第二无机透明导电层24)、有机透明导电层(可包括第一有机透明导电层26与第二有机透明导电层28)、图案化透明保护层(可包括第一图案化透明保护层30与第二图案化透明保护层32)以及电极(可包括第一电极34与第二电极36)。在本实施例中，光电转换结构的表面201与表面202均分别设置有无机透明导电层、有机透明导电层、图案化透明保护层与电极，也就是说，光电转换结构20的表面201上依序设置有第一无机透明导电层22、第一有机透明导电层26、第一图案化透明保护层30与第一电极34，且光电转换结构的表面202上依序设置有第二无机透明导电层24、第二有机透明导电层28、第二图案化透明保护层32与第二电极36。本实施例的太阳能电池40及其制作方法并不以此为限。举例而言，在一变化实施例中，可仅于光电转换结构20的其中一个表面形成无机透明导电层、有机透明导电层、图案化透明保护层与电极。另外，无机透明导电层、有机透明导电层、图案化透明保护层与电极等膜层与组件的材料与相关特性如前文所述，在此不再赘述。
在本实施例中，第一图案化透明保护层30具有定义第一电极34的位置的作用，且于制作出第一电极34之后，第一图案化透明保护层30保留于第一有机透明导电层26的表面261上而不必加以移除，因此可以减少工艺时间与成本。再者，第一电极34的剖面大体上会接近矩形，其具有接近垂直的侧壁，而不是常见的蘑菇形(伞形)，因此其面积较小而可以减少光反射量。第一电极34会被第一图案化透明保护层30所环绕，故可以避免第一电极34产生脱落。此外，第一无机透明导电层22具有一第一折射率，第一有机透明导电层26具有一第二折射率，且第一图案化透明保护层30具有一第三折射率，其中第一折射率大于第二折射率，且第二折射率大于第三折射率。举例而言，第一折射率可约为2，第二折射率可约为1.6，且第三折射率可约为1.4。在本实施例中，光电转换结构20的表面201是入光面，借由上述折射率的搭配，入射光是由折射率较小的膜层进入折射率较大的膜层，可以减少反射并有效增加入光量，因此可以增加短路电流密度(Jsc)，进而提升太阳能电池40的光电转换效率。再者，第一电极34与第一无机透明导电层22不是直接接触，而是分别与第一有机透明导电层26接触并经由第一有机透明导电层26电性连接，因此接触电阻较低，故可提升填充因子(fill factor,FF)，进而提升太阳能电池40的光电转换效率。
请参考图8。图8绘示了本发明的第二实施例的制作太阳能电池的方法示意图。如图8所示，本实例揭示制作反射式太阳能电池的方法，因此不同于第一实施例于光电转换结构20表面202上依序形成第二有机透明导电层28、第二图案化透明保护层32以及第二电极36的作法，本实施例的制作太阳能电池的方法是于光电转换结构20的表面202上分别形成第二无机透明导电层24之后，再于第二无机透明导电层24的表面241形成整面的第二电极36，以形成本实施例的太阳能电池50。在本实施例的太阳能电池50中，光电转换结构20的表面201上依序设置有第一无机透明导电层22、第一有机透明导电层26、第一图案化透明保护层30与第一电极34，而光电转换结构20的表面202上依序设置有第二无机透明导电层24与第二有机透明导电层28，与前述实施例相同。不同于前述实施例之处在于，光电转换结构20的表面202上可不设置图案化透明保护层32，且第二电极36为整面电极，其可作为反射层之用，以增加光利用率。
综上所述，本发明的制作太阳能电池的方法是利用图案化透明保护层作为定义电极的位置的阻挡层，且于制作出电极之后，图案化透明保护层保留于有机透明导电层的表面上而不必加以移除，因此可以减少工艺时间与成本。此外，电极会被图案化透明保护层所环绕，故可以避免电极产生脱落。再者，图案化透明保护层、有机透明导电层与无机透明导电层均具有高穿透率特性，且三者的折射率以递增方式搭配，因此入射光由折射率较小的膜层进入折射率较大的膜层，故可以减少反射并有效增加入光量，并可以增加短路电流密度，进而提升太阳能电池的光电转换效率。另外，电极与无机透明导电层分别与有机透明导电层接触并经由有机透明导电层电性连接，因此接触电阻较低，故可提升填充因子，进而提升太阳能电池的光电转换效率。
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权利要求的保护范围。
Claims (18)
1.一种制作太阳能电池的方法，其特征在于，包括：
提供一光电转换结构；
于该光电转换结构的一表面上形成一无机透明导电层；
于该无机透明导电层的一表面上形成一有机透明导电层；
于该有机透明导电层的一表面上形成一图案化透明保护层，其中该图案化透明保护层具有一开口，部分暴露出该有机透明导电层的该表面；以及
利用该有机透明导电层作为一晶种层进行一电镀工艺，于该图案化透明保护层的该开口内形成一电极，其中该电极与该有机透明导电层接触并电性连接。
2.根据权利要求1所述的制作太阳能电池的方法，其特征在于，该无机透明导电层具有一第一折射率，该有机透明导电层具有一第二折射率，该图案化透明保护层具有一第三折射率，该第一折射率大于该第二折射率，且该第二折射率大于该第三折射率。
3.根据权利要求1所述的制作太阳能电池的方法，其特征在于，该无机透明导电层的材料包括氧化铟锡、氧化镓铟锡、氧化锌铟锡、氧化锡掺氟、氧化锌、氧化铝锌与氧化铟锌的其中至少一者。
4.根据权利要求1所述的制作太阳能电池的方法，其特征在于，该有机透明导电层的材料包括(3,4-二氧乙基噻吩)/聚(对苯乙烯磺酸)、铜-青素、4,4',4"-三偶-氮-萘-氮-苯胺-三苯胺。
5.根据权利要求1所述的制作太阳能电池的方法，其特征在于，该有机透明导电层的透光率大于95％且小于100％。
6.根据权利要求1所述的制作太阳能电池的方法，其特征在于，该图案化透明保护层的材料包括硅胶。
7.根据权利要求1所述的制作太阳能电池的方法，其特征在于，该图案化透明保护层的透光率大于95％且小于100％。
8.根据权利要求1所述的制作太阳能电池的方法，其特征在于，于形成该电极之后，该图案化透明保护层保留于该有机透明导电层的该表面上。
9.根据权利要求1所述的制作太阳能电池的方法，其特征在于，该图案化透明保护层利用一微影蚀刻工艺、一曝光显影工艺或一印刷工艺形成于该有机透明导电层的该表面上。
10.根据权利要求1所述的制作太阳能电池的方法，其特征在于，该电极包括一第一导电结构与一第二导电结构，该第一导电结构与该有机透明导电层接触，且该第二导电结构堆栈于该第一导电结构上并与该第一导电结构接触。
11.根据权利要求10所述的制作太阳能电池的方法，其特征在于，该第一导电结构的材料包括铜，且该第二导电结构的材料包括锡。
12.根据权利要求1所述的制作太阳能电池的方法，其特征在于，该光电转换结构包括一半导体基底以及一非本征半导体层，且该半导体基底与该非本征半导体层具有不同的掺杂类型。
13.一种太阳能电池，其特征在于，包括：
一光电转换结构；
一无机透明导电层，设置于该光电转换结构的一表面上；
一有机透明导电层，设置于该无机透明导电层的一表面上；
一图案化透明保护层，设置于该有机透明导电层的一表面上，其中该图案化透明保护层具有一开口，部分暴露出该有机透明导电层的该表面；以及
一电极，设置于该图案化透明保护层的该开口内，其中该电极与该有机透明导电层接触并电性连接。
14.根据权利要求13所述的太阳能电池，其特征在于，该无机透明导电层具有一第一折射率，该有机透明导电层具有一第二折射率，该图案化透明保护层具有一第三折射率，该第一折射率大于该第二折射率，且该第二折射率大于该第三折射率。
15.根据权利要求13所述的太阳能电池，其特征在于，该图案化透明保护层的材料包括硅胶。
16.根据权利要求13所述的太阳能电池，其特征在于，该电极包括一第一导电结构与一第二导电结构，该第一导电结构与该有机透明导电层接触，且该第二导电结构堆栈于该第一导电结构上并与该第一导电结构接触。
17.根据权利要求16所述的太阳能电池，其特征在于，该第一导电结构的材料包括铜，且该第二导电结构的材料包括锡。
18.根据权利要求13所述的太阳能电池，其特征在于，该光电转换结构包括一半导体基底以及一非本征半导体层，且该半导体基底与该非本征半导体层具有不同的掺杂类型。
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