TW201001729A

TW201001729A - Photovoltaic cell and methods for producing a photovoltaic cell

Info

Publication number: TW201001729A
Application number: TW098109430A
Authority: TW
Inventors: Milan Vanecek; Johannes Meier; Ulrich Kroll
Original assignee: Oerlikon Trading Ag; Fyzikalni Ustav Av Cr V V I
Priority date: 2008-03-21
Filing date: 2009-03-23
Publication date: 2010-01-01
Also published as: CN102047436B; US20110284061A1; EP2263262A2; CN102047436A; WO2009116018A2; WO2009116018A3

Description

201001729 六、發明說明：【發明所屬之技術領域】，本發明係有關於一種薄膜光伏電池，且特別係有關於單或三接面元件的薄膜太陽能電池。、s 【先前技術】近年來，非晶矽太陽能電池在工業上已被不同的製造業者來大量地製造，然而，當轉換太陽能量為電力時，其絕對效率具有一限制。現今太陽能電池一般係沈積成一非晶態薄膜（厚度約300nm)於一基材上，而目前之太陽能電池的效率一般係低^ 6%。、、太陽能電池所產生的電流可通過增加電池厚度的方式來增加，其可允許更多的光線被吸收。由於所謂之照光後效率逐漸降低（Staebler-Wronski effect，SWE)的問題，長時間來看因在非晶矽吸收層中具有光所造成的缺陷，此方法並無法獲得較高的效率。此SWE效應可利用引入奈米晶粒於非晶態部分來減少，其例如描述於美國專利申請號11/744,918(由S. Guha 所發表）’但缺陷的形成並未完全避免。因此，目前的因應策略係通過光散射於奈米級粗糙化的接面，以及後續捕捉光（light trapping)於吸收層中，藉以增加光於較薄之吸收層（厚度一般在200〜300nm之間）中的行進路徑。作此製程亦具有一些本身的限制於基本的p_i_n元件結構，其已敘述且建模於科學文獻中。實驗數據顯示’減少非晶吸收層的厚度於2〇〇nm以下會導致穩定性增加，以對抗光吸收所造成的性能衰退（Hght s〇aking degradation)，其揭露於所進行之第21屆之歐洲太陽能光電會 3 201001729 3義（European Photovoltaic Solar Energy Conference)的 p. 1719 (Dresden 2006)中。然而，上述元件無法吸收到足夠的光線，其可建模於由J. Springer、A· Poruba及M. Vanecek等人所發表之國際期刊J. Appl. PhyS. 96 (2004) 5329所述的光學模型中。因此’目前專注於串接式（tandem)或三接面（triple junction) 電池元件的發展，其具有薄非晶層，來作為 p-i-n 或 n-i-p 電池的吸收層。效率可通過此方式來增加，但此非晶層需收集到良好的光生載子（photogenerated carriers)，而形成一限制因素。另缺點係相對較厚的底層，例如微結晶矽，其又增加對於微結晶吸收層之高電子品質的要求，藉以收集到所有的光生載子。【發明内容】因此本發明之一方面係在於提供一種光伏電池，藉以具有提升的穩定效率與高電子品質。本發明所提供的光伏電池包含基材載板、第—透明導電曰夕層及第一透明導電層。第一透明導電層形成於基材載板上，並包括複數個分離透明導電突出區域或複數個凹部。石夕層 *包括-電荷分離接面或例如為ρ_“η或η_“ρ電池的接面，並覆盍於第—透明導電層及分離透明導電突出區域或凹部。第明導電層係形成於矽層上。二：係以垂直方向來照射於基材的主要表面，由於第一透月導電層的突出區域或 ^凹和梦層和電荷分離接面具有摺疊結、相似於突出區域或凹部的外形輪廓。載子絲電池係光學上地較厚时坦層，然而，光生 = :::之間的傳輸係電性上地同樣薄於結構㈣、电、a加的光生電荷載子可被收集於卜&型結構中， 201001729 即使係在較不利的例子中，如具有光吸收所造成之性能衰退的非晶矽或具有高缺陷濃度的奈米及微米結晶石夕。此基材載板可為基板，此名詞”基板，，係參照於一太陽能電池結構，其中玻璃基板不僅用以作為支撐結構，且亦作為光線照射的窗口，並可作為封裝部分。在使用期間，此玻璃基板係位於實際太陽能電池的上方，太陽能電池係由二透明導電層和具有電荷分離接面的石夕層所形成。在此，名詞，，分離，，係用以表示兩相鄰之突出區域或凹部之間係一預設距離來間隔設置。在實施例中，此電荷分離接面具有一外形輪廓，其相似於第-透明導電層的外形輪廓。因此，接面的外形輪廓可通過控制第一透明導電層之形成表面的方式，來進行控制。在此，名詞，，連續平順，’係用以描述一覆蓋層的外形輪廓係大致符合或對應於所覆蓋之底層的外形輪廓。在一實施例中，電荷分離接面包含交替配置的實質垂直區域與實質水平區域。此突出區域或凹部可例如為實質圓柱形以提供電荷分離接面的外形輪廓。在另一實施例中，矽層及/或第二透明導電層係連續平順地位於第一透明導電層上，此些層的連續平順性可利用適當的沈積方法和條件來實現，以進行此些層的沈積。人、2 =實施例中，分離之透明導電突出區域或凹部的尺寸係 "於奈米尺寸與微米尺寸之間，因而有利於更有效率地收集光生載子，並進—步改善光伏電池的效率。〃、在此，奈米尺寸係定義為一結構具有至少一尺寸小於 2〇〇nm’例如’—圓柱突出區域具有一直徑為15〇nm及一高度 nm因而在此定義其為奈米尺寸，其係因為直徑為 201001729 ΓΤ1 ’而* 2〇〇nm ’即使其高度大於20〇nm。例如，於奈米尺寸為5GGnm，⑽定義為微米尺寸，並接近在 f㈣t ’分離之透料電突出直於基材載板的主要表面，特別是實質平行於光入射垂因而增加光伏電池的效率。、先#的方向’ -實Ϊ規:::中’广離之透明導電突出區域或凹部係配置成實質規格排列’此配置排列可增加㈣電荷分離接面的密又’此實質規格排列可例如為—緊密六角形排列。每-分離的透明導電突出區域或凹部大致係呈一延長形 ^而可呈-或多個柱狀、有或無頂點的圓錐、有或無頂點的金子塔形或半球狀。在-實施例中，基材載板可包含複數個奈米尺寸的突出區域，在本實施例中’第—透明導電層係連續平順地位於基材載板上，矽層係連續平順地位於第一透明導電層上。根據基材所使用的材料’相較於第—透明層的材料，可更簡易且更有效率地來…構化基材載板的材料^例如，許多玻璃可簡單^可靠地利用蝕刻來結構化成奈米尺寸。在一實施例中，第二透明導電層係填充於係位於矽層的突出區域之間的空隙。此矽層的電荷分離接面係一卯接面與一 pin接面的其中之 ——* 〇在一實施例中，矽層包含一 p型半導體層、一本質層及— η垔半導體層，且係由非晶矽、奈米結晶矽、微米結晶矽或再結晶多晶秒所形成。此光伏電池可為多接面元件或單接面元件，在一實施例 201001729 中，矽層包含第一沈積ρ_ί_η堆積和第二沈積p_i_n堆積，第一沈積p_i-n堆積的吸收能隙係大於第二沈積p_i_n堆積的吸收能隙。透過不同的能隙’可得到較高的轉換效率，以轉換照射光成電子。此第一沈積P-i-n堆積包含非晶矽，此第二沈積p-i_n堆積包含奈米結晶矽或微米結晶矽。在又一實施例中’光伏電池包括三p_i_n接面，矽層包含第一沈積p-i-n堆積、第二沈積p小n堆積及第三沈積p_i_n堆積，第一沈積p-i-n堆積具有第一吸收能隙，第二沈積^丨^堆積具有第一吸收能隙，第三沈積ρ+η堆積具有第三吸收能隙，第二吸收能隙係大於第三吸收能隙，第一吸收能隙係大於第二吸收能隙。對於例如玻璃的透明基材，p型半導體層係位於第一透明導電層上，本質層係位於P型半導體層上，n型半導體層係位於本質層上。若光伏電池包括透明基材，其可更包含反射層，其位於第二透明導電層上，此反射層可包含白色染色的介電反射媒介。在又一實施例中，基材載板係非透光於照射光，此基材載板可包含金屬或塑膠。在一些實施例中，相較於上述透明基材載板，矽吸收層之正極充電層和負極充電層的順序係被反二。因此，η型半導體層係位於基材上，本質層係位於n型半導體層上，p型半導體層係位於本質層上。此光伏電池亦可包含導電層，其含有金屬，而位於基材載板與第一透明導電層之間。又，本發明係在於提供一種光伏電池的製造方法，在此方法中’可包含如下步驟：提供基材載板；沈積第一透明導電層於基材載板上；形成複數個分離透明導電突出區域於第一透明 7 201001729 導電層上或形成複數個分離凹部於第一透層，其包括電荷分離接面，並覆蓋於第冑層中；沈積石夕 .”電突出區域或凹部；以及沈積第導電層及分離透此第-透明導電層具有一二一伏的表面輪廓可轉變成石夕層和電荷分離接1^ 15 ’此南低起或摺疊的接面於光伏電池中。以提供高低起伏實施射，可直接以透料電材㈣沈積—社構化 …、而’在又一實施例中，一緊密層係以透明 ’ 1=夏ΪΓ選擇性地移除，以產生複數個分離透明導電突出移除方法來更緊密地定義。 ^的形成與尺寸可利用金屬’複數個分離金屬島係沈積於緊密層上，而電=戶㈣刻來移除’以產生由透明導電材枓所製成的透明導電突出區域。分離施例中’ 一圓案化光阻層係形成於緊密層上，而刀離凹邛係蝕刻於緊密透明導電層中。的深明導電㈣用韻刻方法來移除部分區域，則凹部，Xs大出區域的高度係利用蝕刻時間來控制。透明#堂ΐ、包例t 113部的深度或突出區域的高度係由第-之料與結構的選擇來控制。一第一緊密層係第一擇性地韻刻移:來::二具有第二組成，第二緊密層係被選界面。直到蝕刻至第一緊密層與第二緊密層之間的此第「透明導電層可利用反應性離子韻刻（reactive i〇n g)濕式化學韻刻或光微影技術（photolithography)來進行 8 201001729 =域==材料所製成的複數個分離透明導電在又一實施例中，第一透明導電層係利用電子束微馬冲ctron beam mh。㈣hy)來進行結構化，以產生複數個= 透明導電突出區域或複數個分離凹部。此分離透明導電突出區域或凹部係呈結構化，因而每一* 出區域或凹部係呈-或多個柱狀、圓錐、金字塔形或半球狀^ 在-實施射’㈣係連續平·沈積於第—透明導層’以及分離透明導電突出區域或凹部上，石夕層與電荷分離接面的外，輪廓主要係由第—透明導電層之最外表面的外形輪廓所決定，藉以增加接面的長度。、此第二透明導電層亦可連續平順地沈積於石夕層上，或者非連續平順地填充於兩相鄰突出區域之間或凹部中。、在一實_巾’⑦層係由三個次層所形成，並形成p-i_n 或n+p電荷分離接面。摻雜型態可為正極充電、p型、負極充電η里本質掺雜或}型，其可在換雜時調整，藉以提供此三個次層的次序。、在f施例十，基材載板係被結構化，以產生分離突出區域或凹部’接著’第—透明層係沈積於結構化的基材載板上， '形成第導電透明層’其具有不同的厚度及複數個分離突出區域或複數個刀離凹部。第—導電透明層可連續平順地沈積於基材載板上’以形成由第—導電透明材料所製成的複數個分離突出區域心部。接著，料係連續平順地沈積於第—導電透明層上。在一實施例中’基材載板為玻璃，另一反射層係沈積於第二導電透明層上。 201001729 更詳述的是，本發明專注於增加短路電流 (S W-Circuit_current)，其可通過增加在薄層中之石夕的（二路控（光學上地較厚）’並料f荷傳輸路徑触（龍上地薄)的方式’來由元件中產生’因而可充分滿足光伏電池之吸收層於電子扣質的要求。此電子品質係已知地可減少例如所謂 S WE效應或微結晶石夕之增加沈積率的影響。當保持電極之間的距離小於2〇〇nm#，由於太陽能電池的特別幾何形狀’本發明可增加的非晶吸收層的光學厚度至大於 500nm。以下的原理係說明此光學厚度，其係垂直於基材之方向上的厚度’並明顯地大於電性厚度，亦即為電極之間的載子收集路徑。根據本發明之實施例，在結構中的光散射和陷光 (hght trapping)可增加微弱吸收光線的光學路徑。因此，兩個明顯衝突的目標可加以結合，並可同時提供更有效率且更穩定的非晶石夕太陽能電池。本發明更可有利地應用於串接式或三接面電池中。在此，非晶石夕太陽能電地所使用尺寸係被增加，其代表更長的柱狀部以及更大的間隔空隙，或者更深的且更寬的凹部。再者，由於在電池的大部分上結構層為平行，因此，通過更薄的低能隙電池’更高的電流可由元件中產生，且在電池之間的串接式接面或三接面中可具有電流均一性（current matching)。以更短的沈積時間來形成低能隙電池係一項重要的優點，之前，為了電流均一性與兩電池效率，低能隙電池必須較厚，因而形成考慮成本且有效率之串接式電池的一限制因素。【實施方式】為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更 201001729 明顯易懂，本說明書將特舉出一系列實施例來加以說明。但值得注意的是’此些實施例只係用以說明本發明之實施方式，而非用以限定本發明。請參照圖1，其顯示依據本發明之第一實施例之光伏電池 10的剖面示意圖。此光伏電池10包括玻璃基板u形式的基材、第一透明導電層12、矽層14、第二透明導電層15及反射層16。矽層14係沈積於第一透明導電層12上，第二透明導電層15係形成於矽層14上，反射層16係形成於第二透明導電層15上。此玻璃基板U可視為設於光伏電池的前方，藉以使光子 (在本實施例中為太陽光能量）照射於此玻璃基板u，而反射層 16可視為設於光伏電池的後方。此第—透明導電層12可視為前透明導電層，而第二透明導電層15可視為後透明導電層。此第一透明導電f12包括形成於基板u上的連續次層Η 以及規則排列的柱狀部，柱狀部係以透明導明材料所形成，並垂直延伸於玻璃基板11的主要表面18。

如圖2的上視圖所視，柱狀部13可配置成約緊密六角形的排列，且每一柱狀部13係呈圓柱形。此透明導電的枉狀部13的直徑約為15Qnm，其高度 500細。在本實施例中’此透明導電材料可為氧化鋅並^雜紹或删：然不限於此，其他透明導電氧化物亦可使用，例如氧化銦錫（indium tin oxide，ΙΤΟ)。梦層14係沈積並連續平順地覆蓋於第—透之次層17與柱狀部13的表面，此♦層14具有— 面，在本實施例中，例如為一接面，其詳述_ ^ 亦可描述為吸收層或主動光伏層。 ”长 201001729 在第一實施例中，此第二透明導電層15可填於由第一透明氧化層和矽層14所形成的圓柱結構之間的空隙，並連續地延伸於基材11上，因而其上表面可大致平行於基材u的主要表面18。光線可以係以垂直方向來照射於基材n的主要表面18, 由於第一透明導電層12之奈米尺寸的柱狀部13以及矽層μ 的外形輪麻，A p.i.n接面與石夕吸收層可具有摺疊結構，因而導致此光伏電池可光學上地較厚於一平坦層的配置。然而，於電池之電極之間的光生電荷傳遞係同樣電性上地薄於整體未 '曰力之電池的厚度。光生電荷載子所增加的比例可收集於型結構’即使係位於較子中，如具有光吸收所造成之性能衰退的非晶石夕或具有高缺陷濃度的奈米及微米結晶石夕。 °月參照圖2至圖6，其顯示依據一實施例之圖1之光伏電池的製造示意圖。 € 請再參照圖2’其顯示在製造第—透明導電層12後之基材 U的概略剖面圖。第—透明導電層12包括連續的透明導電氧 v 化（她sparent conductive oxide，Tc〇)次層 17及 tc〇争米柱狀部13，次層17係形成於主要表面i8上。邱η請再/^圖3，其顯示具有TC〇次層17及TC〇奈米柱狀之基材的上_。柱㈣13具有通㈣圓置成約緊密六角形的排列。請再參照圖4，其顧千其1 1 、’…、土材11、第一透明導電層12、tc〇奈米柱狀部排列13及妙屉u^ 於TCO次層17及TC〇m= 圖。料14係沈積不未柱狀邛排列13，此矽層14具有非晶石夕的p-i-n結構，其敘述於圓6。 -相似結構，其具有奈米柱狀部】3之增加高度與奈米柱 12 201001729 狀部13之間的微幅增加空隙’亦可使用於圖 ♦ 三接面電池元件。刃甲接式或 - 請再參照圖5，其顯示圖4的結構在沈積第二透明導電声圖㈣:二透明導電層15例如為透明導電氧化物: 第二透明導電層15係覆— 請再參照圖6 ’其顯㈣層14的一伏電池Η)的主動光伏層或吸收層。此石夕層14可包 r ，，第-次層19係沈積於第-透明導電層12的次層狀部13上’此第-次層19為正極掺雜型（_吻d。州， = 面中:/層。第二次層20為本f發且沈積於第 (ne t., ’以作為1層。此第三次層21為負極掺雜型 ^吻却d)石夕，以作為電荷分離層中的4。此 :構與製造方法可揭露於美國專利咖，戰_中，並可來應用於本發明令。此複數個柱狀部的製造方式可為選擇分的方式，或者沈積具有柱狀部之結構層於二摻雜US圖7與圖8 ’其顯示依據本發明之—實施例之以、n◦來製造複數個分離柱狀部13的示意圖’其選擇性地移除一前驅層。 ' 材u—lt22係以換雜有紹的Zn〇來形成’並沈積於基痛童“ 沈積於此前驅層上，並形成有結構，以提供固分離島23來對應於所預期之分離排列的柱狀部。此用以:包含一材料’其可大部分地或完全地抵抗一韻刻液，用以移除此前驅薄膜22的材料。 13 201001729 接者’對此具有前驅層22的基材u進行一概略地顯示如圖7洋口圈e 士地里’其的村料立在的箭號’藉以移除此前驅薄膜22 '、二係位於光罩層23未覆蓋的區域。如圖8所示 2進订係直到形成辞氧化前驅物之複數個分離柱狀部13與、、·=次層π’特別地是，直到柱狀部13具有所預期的高度、。戶…又一㈣例中，已摻雜的Zn〇層係由—非常薄的金屬層 I盍，接者，進行加熱，以形成具有尺寸（直徑）約〇〇nm(50-50〇)的金屬粒，接著，在金屬粒之間的可被叙刻至所預期的深度50(M500nm。明參照圖9與圖1〇 ’其顯示使用金屬粒之氧化辞在掃描式電子顯微鏡（SEM)下的微結構圖。圖9顯示複數個Ti/Au島幻配置於ZnO層’而成六角形緊密的規則排列，此些島23可作為蝕刻光阻，並因而對應於所預設的Zn〇柱狀部13來配置。接著，由未被Ti/Au島所覆蓋的區域中移除Zn〇材料，藉以形成複數個分離的ZnO柱狀部13 ’如圖1〇所示。其中，^ 使用Roth&RauAK400製程設備與以下蝕刻參數：功率_2〇〇〇 W、RF 能量—1〇〇 W、偏壓_ 2〇〇 v、H2 流量—1〇〇 sccm、cH4 流量-5 seem、Ar,流量-7 seem、壓力_ 〇·2 mbar、蝕刻時間一;1〇 min 以及實施溫度-230°C。根據第一透明導電層所使用的材料，亦可使用其他方法來選擇性移除鋅層，以產生複數個柱狀部，例如光顯影技術 (photolithographic techniques)或電子束技術（electr〇n beam techniques) ° 凊參照圖11 ’其顯示相似於圖1的一相似結構，然而，在本實施例中，相較於圖1的實施例，此配置具有增加高度的奈米柱狀部13，以及奈米柱狀部13之間所輕微增加的空隙^此 14 201001729 設計可使用於如圖u所示的事接式電池，或三接面電池。 . 圖：顯示光伏電池在沈積第一石夕層14和第二石夕吸收層μ …製程階段。此第二石夕層24連續平順地覆蓋於岸 14’之後’第二⑽電極15係沈積於第二石夕層24上，且反射層16係沈積於第二透明導電層15上。若具有二個或更多的石夕層，此些層的能隙可不相同，藉以進一步增加光伏電池的效率。猎乂 =實施财，此料包含第—沈積心堆積結構 I;::堆積結構可為一非晶碎電池。而第二沈積結構可包括奈来結晶或微結晶發ρ _; _ η堆積結構。在又-實施例中’此石夕層包含具有第一吸收能隙的第一 ρ:堆積結構、具有第二吸收能隙的第二… 大^吸收能:、的第三堆積結構，其中第二吸收能隙係、弟—吸收旎隙’而第一吸收能隙係大於第二吸收能隙。明導：ί照圖12至圖14 ’其顯示又一方法，用以製造第-透 1312’其包括連續次層17與複數個分離的奈米柱狀部跡2實施例中，此第—透明導電層12的連續次層17係沈广声爽Γ1上’之後’一光阻層25係、對應於柱狀部13的預設進行沈積，而具有一厚度。接著，圓案化光阻層25，以複數個其橫向配置係對應於預設的透明導電柱狀 #13,此連續次層17係暴露於此些孔洞26的底部。接著’以透明導電材料填充於此些孔洞26中（如圓Η所 :)’接著’移除光阻層25(如圖14所示），以形成具有連續次 17與複數個分離的奈米柱狀部13的第一透明導電層⑵且狀部13垂直延伸於基材u的主要表面〗8。此透明導電氧化（TCO)層12係覆蓋於玻璃基板U(基材） 15 201001729

上，TCO奈米圓柱13(奈米柱狀部或稱奈米棒狀結構）例如係以未摻雜或摻雜有硼的Zn0來製成，並形成如圖2的形狀。在一例子中，直徑50-400nm且長度為400-1500nm的Zn〇奈米柱實質上係均質地生成於TCO所覆蓋的區域，其所形成的圖案可視於圖2，此表示其係以等距離來配置，柱與柱之間的距離係依 =電池的型態（單、雙或三接面p—i_n或n_i_p)及材料（非晶矽、奈米結晶矽、再結晶多晶矽）。基本上，4〇〇_6〇〇nm係用於單非 :電池，對應地，多接面電池的距離愈大。此種排列的奈米柱可例如描述於由YJ. Kim所發表的國際期刊s〇1_gL

Science Techn.38 (2006) 79-84 中。請參照圖15’其顯示光伏電池的詳細示意圖，其沈積氧化，柱狀$ 13於氧化鋅次層17上。主㈣層14包括連續的三次層P-i_n結構19、20、21，其更詳述於相關圓6中，並覆蓋有第二透明導電層15和反射層16，其更詳述於相關圖i中。、圖16顯示—光伏電池，，其包含具有另-結構的第- 透明導電I 12 —。在本實施例中，此第—透明導電層i厂包括，數個分離的凹部或凹槽27於其背表面。在本實施例中，凹HffiJ槽27為圓筒形並具有六角形的緊密排列，如圖㈣所^此凹部27可通過選擇性地移除透明導電層^ 2的方式來形成’移除透明導電層12飞位置係對應於預設凹部2 7的位置。此些凹部27可利用光單29輔祕刻的方式來製造，此方於W 18與圖19卜光罩29係使用於㈣過程中，邻八读凹°"7的配置。或者’聚焦光束可用以選擇性地移除部分透明導雷居”-，：" 而無法使用額外光罩來形成複數個分離的凹部27或凹槽。 201001729 對照於第一實施例，光罩29延伸於第一透明導電層12 一的表面，並具有複數個圓形開口 3〇,而暴露出在下面的氧化鋅，因而可選擇性地移除氧化鋅於此些所暴露的區域。選擇性移除過程可進行一預設時間，以形成凹部27的預期沉度，圖19所示。在圖16的實施例中，第一透明導電層12>包括二次層 31、32，此二次層的摻雜層級可不相同，因而此二次層η、u 之間的界面33可作為一蝕刻終止，其可通過調整上層32的摻雜來實現，因此’相較於下層31的材料，上層32可更迅速地被银刻。 ' 在一實施例中，此二次層3卜32的材料係不相同，因此，相較於下層的材料，上層32可更迅速地被選擇性蚀刻液所蝕刻。在-實施例中’此下層31為Sn〇2，而此上層32為摻雜有鋁或硼的ZnO ’且稀釋HC1的蝕刻液可用以形成複數個分離的凹部於此上Zn〇層32。

接著'尤積此石夕層14於具有複數個分離的凹部27的第一透明=電層12>上’凹部27的側壁和底部係覆蓋有石夕層。如上述實施例’此矽I 14包括三個次層19、20、2卜第一次層 19為正極掺雜型，第二次層2G為本質石夕，此第三次層2】為負極掺雜型’藉以提供動光伏結構。由於此⑪層μ係連續平順地沈積於第—透明導電層上，因而可視為具有擅疊結構，其接面同時包含有#直和水平的區域。 .圖通過新的％士乳路’’設計，來顯示如圖1的-相似結構：TC〇層12和13係形成於基材（基材）11上，在TCO層Π 中，孔洞係㈣穿至層12，此些孔洞27係緊密地分佈於整個 £域’如圖17所不。而非晶石夕層係連續平順地被沈積。然後， 17 201001729 TCO層#15覆i於其上。或者，Tc〇層12和u可為—厚層’接著，其通過一银刻製程來蚀刻至一特定深度。清參照圖17，其顯示基材u(基板）的上視圖，並 TC0 層 13 的 TCO 層 19 : 滑12 ’而孔洞27係蝕穿於tc〇層13中。一雙層或多層0結構可沈積於具有複數個分離凹部η結構的第一透明導雷舞u 导罨曰2上，如圖20所示，而非分離柱狀部 13。又，第二透明導電層15係沈積於矽層14上，接著，背反射層16形成於第二透明導電層15上。請再參照圖20，其顯示具有基材12 基板）的光伏電池，多tco層係形成於基材12/上。此層13可較厚於圖丨的層且孔洞的直徑可大於圖16，並蝕穿至基材12>，此些孔洞2 係緊密地分佈於整個區域。此設計可使用於沈積串接式或三接面電池。此時，在沈積第一吸收層14後，接著，依序沈積第二吸收層24、TCO層Μ及背反射層16。清參照圖21 ’其顯示依據本發明之第四實施例的光伏電池 10"的示意圖。在本實施例中，此玻璃基材u /係用以提供複數個突出部36於主要表面37上，突出部36可具有柱狀、球狀或金字塔狀，且突出部36可具有圓筒形、方形或矩形截面。於玻璃基材Π >上的突出部36亦可配置成規則排列。本實施例的玻璃基材11包括第一透明導電層12〃，如上述實施例’其可為透明導電氧化物，例如摻雜有紹或棚的氧化鋅’第一透明導電層12〃係連續地位於玻璃基材u -的結構表面上。此光伏電池10〃亦包括電荷分離接面，例如p_n接面或n_p 接面，此梦層14係連續地位於第一透明導電層12 〃上，第二透明導電層15係位於梦層14上，藉以填充於突出部3 6之間 18 201001729 的區域並作為最外的平坦層，反射層16係位於第二透明導電層15上。 -雙層或多層♦結構亦可形成於具有結構化玻璃基光伏電池10〃中。在士述實施例中，光伏電池10、10' 10//包括玻璃基材 1 11 其係參考於基板和背反射層16。然而，在又一實施例中’此光伏電池可包括非透明基材37，例如金屬基材或高分子基材，如圖22所示。在一些實施例中，此反射層16係被省略，而由基材37來進行此功能。在這些實施例中，第二透明導電層I5可作為光伏電池100的前方，用以照射於光子，而基材37係配置於其後方。、在這些實施例中，相較於具有玻璃基材11的光伏電池10、 10 一、10〃 ’正極充電19和負極充電21的順序係被反轉。η層 21係沈積於第一透明導電層17，本質層2〇係位於η層21上， Ρ層19係位於本質層2〇上。此ρ層19係面對於光伏電池j 〇〇 ^ 的前方表面。在上述實施例中，基材可為小尺寸，其大於 1 mm2。可理解的是，此相似TCO奈米結構亦可使用金屬或塑膠薄膜。 TCO奈米結構並限於生成Zn0奈米棒狀結構（奈米柱狀部、奈米圓柱），此製造方法並不限於選擇性地蝕刻TCO層， —相似的電荷收集奈米結構電極可直接蝕刻於玻璃基板中，或凸设於塑膠或金屬基材。在一例子中，利用連續平順或奈米粗糖TCO的奈米結構化基板或基材可形成相似功能的電荷收集電極。 19 201001729 再者，結構化的玻射㈣光顯影技術（phGtGlithGgr叩㈣來製造，結構的高度和間距可變化於在太陽能電池的大範圍沈積中，並發生於此些結構的上方。此外，棒狀的奈米結構亦可為圓錐、金字塔形或半球狀的幾何結構，此些結構的頂點可進行平坦化，藉以較易製造，且有利於確保連續平順的沈積層。在又-實施例中，不同於上述Zn0奈米柱或相似的奈米結構，可使用多孔膜形式的TCO層，其表示基本上圓孔（直徑約 500nm的孔洞）係蝕穿於（輕摻雜）TC〇層13(具有厚度介於 3〇(M_nm)，直到另一⑽層12，其具有良好的導電=,以收集光生載子。此”瑞士祕’’狀基材或基板係用以連續平順地沈積吸收層的p-i-n結構，例如非晶矽。接著，此p-i-η結構，例如非晶矽，係沈積於基板上，並具有基本的吸收層厚度，其約15〇_2〇〇nm。然不限於此厚度範圍，由於在任何沈積過程中，奈米柱或孔上的覆蓋並無法完美且本質連續平順地形成，因而厚度會產生變化。孔洞不需為規則形狀，孔洞可為圓筒形、筒形、圓錐形或其他形狀。在一串接式電池中，先沈積此p_i_n非晶矽結構，接著沈積另一 p-i-η結構，其係由低能隙材料所製成，例如微結晶、奈米結晶矽或矽鍺合金。如圖u所示的孔洞係蝕穿於Tc〇層 13中，並具有大直徑（至少約為丨至2微米），在非晶矽單接面電池的例子中，1^0層13的厚度（約〇 5至2微米）可較大於非晶矽太陽電池的例子。圖4的單接面結構（吸收層為非晶、奈米結晶、微米結晶碎或再結晶矽）係覆蓋有第二電荷收集電極15,其係由TC〇或 TCO/金屬的組合所製成，並沈積於此摺疊吸收層μ，如圖$ 20

薄膜夕f歹j如非晶石夕、奈米微米結晶石夕，可利用電衆辅助化學氣相沈積（plasma enhanced chemical vap〇r如口仍⑴如，綜上所述，良然本發明已用較佳實施例揭露如i，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者， 201001729 所示，在此例中，僅使用TC0,並增設反射層16於此太陽能電池中。此背反射層16可包含白色染色的介電反射媒介，其例如描述於美國專利第11/G44，118號。此f反射層亦可由金屑所製成，例如紹或銀。本發明並不限於單接面電池，其可應用於串接式或三接面電池’關於串接式非晶/微結晶電池的概略Η式和說明係顯示於圖η和圓2〇中，並覆蓋有第二電荷收集電極，其係由tc◦或 tco/金屬的組合所製成，並沈積於此摺疊吸收層，且填充於其之間的奈米間隙。在簡單τ⑶層的例子中，此背反射層可包^ 白色染色的介電反射媒介。 PECVD)來進打沈積，單或多接面太陽能電池可具有奈米結構化的基材或基板，並包括由透明導電氧化物（TC〇)所製成的電極’其形成奈餘狀部，此薄膜㈣沈積於此些奈米柱狀部上。因此，對於光以垂直方向進入基材或基板而言，此電池係光學上地較厚。對於光生載子在電極之間的傳輸而言，此電池係電性上地同樣薄。因此，實際上所有的光生電荷載子可被收集於p-i-n型結構’即使係在較不利的例子中，如具有光吸收所造成之性能衰退的非晶⑪或具有高缺陷濃度的奈米及微米結晶矽。且第二電荷收集電極係由丁⑺或丽金屬的組合所製成’並沈積於此摺疊吸收層，且填充於其之間的奈米間隙。更可理解的是，本發明可提供此瑞士㈣Tc〇結構。 21 201001729 在不脫離本發明之精神和範圍内，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。【圖式簡單說明】為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂’所附圖式之詳細說明如下：圖1顯不依據本發明之第一實施例之光伏電池的剖面示音圖。 ^ 圖2其顯不具有複數個透明導電柱狀部之基材的示意圖。圖3顯示圖2之基材的上視圖。圖4顯示沈積光伏電池之薄膜矽於圖2之基材上的示意圖。圖5顯示沈積第二透明導電層於圖4之基材上的示意圖。圖6顯不圖2至圖5之矽層的p-i-n結構。 -圖7顯示結構化光阻層位於第一透明導電層，或者，其顯。利用光微讀形成之結構化金屬光罩或自然形成的金屬奈米島。圖8顯不製造複數個分離柱狀部於第一透明導電層。圖9顯不氧化鋅前驅層的電子顯微鏡微結構圖。圖10顯不圖9之氧化鋅前驅層在結構化後的電子顯微鏡構圖#係利用反應離子似彳來形成複數個柱。圖11顯不包括有二石夕層之光伏電池的示意圖。圖12顯示依據本發明之第二實施例之以透明導電材料並 1用結構化光阻來沈積複數柱狀部的方法。圖13顯示沈積透明導電材料於圖12之結構化光阻的開 22 201001729 D 〇圖 14 龜-汾，兩不移除結構化光阻，以提供由透明導電材料所製成之複數個分離柱狀部。圖 15顯不利用圖14之配置來製造光伏電池的詳細示意圖 16 Ss - 4不依據本發明之又一實施例之包括有複數個凹部的第—透明導電層。圖17顯示圖16之凹部的上視圖。圖18顯示使用光罩來製造圖16的凹部。圖19顯示利用蝕刻來製造圖18的凹部。圖20顯示光伏電池的第一透明導電層，其包括分離凹部和二矽吸收層。圖21顯材的光伏電池示依據本發明之又一實施例之包含結構化玻璃基 81 22顯示包括有非透明基材的光伏電池。

【主要元件符號說明】 10 -、1〇// :光伏電池 Η、：玻璃基板 12' :第一透明導電層柱狀部發層 15 :第二透明導電層反射層 17 :次層主要表面 19 :第一次層第二次層 .21 .第三次層則驅薄膜 23 :光罩層第二碎層 2 5 :光阻層 10 12 13 14 16 18 20 22 24 23 201001729 26 ： 29 ： 31、 36 : 孔洞 27 ：凹部光罩 30 ：開口 3 2 :次層 33 ：界面突出部 37 ：基材 24

Claims

201001729 201001729 七、申請專利範圍： 1· 一種光伏電池，包含：一基材載板；、一第一透明導電層，形成於該基材載板上，並包括㈣初分離透明導電突出區域或複數個凹部； 4括複數個層及:::離分離接面’並覆蓋於該第-透明導電離透明導電突出區域或該些凹部；以及一第二透明導電層，形成於該矽層上。離接右申凊專利範圍第1項所述之光伏電池’其中該電荷分 γ面具有—㈣輪廓，其相似於該第—透明導電層的外^ 荷分專r範㈣1或2項所述之光伏電池，其中該電匕3交替配置的實質垂直區域與實質水平區域。 4·如上述申請專利範圍任一項之光伏電池，其中哕矽屉& 連續平順地位於該第—透明導電層上。其中抑層係明道t如上述中請專利範圍任—項之光伏電池，其中該第二透層係連續平順地位於該<5夕層上》 W上述中請專利範圍任—項之光伏電池，其中該些分離導電突出區域或該些凹部的尺寸係介於奈米尺寸血尺寸之間。一 ^ 7.如上述申請專利範圍任一項之光伏電池，其中該些分離、明導電冑出區域或該些凹部係實質垂直於該基材載板的— 主要表面。、曰8.如上述申請專利範圍任—項之光伏電池，其中該些分離透月導電突出區域或該些凹部係'配置成—實質規格排列。 25 201001729 9.如申請專利範圍第8項所述之光伏電池，其中該實質規格排列具有一緊密六角形排列或緊密的隨機排列。、 1〇.如上料請專利範圍任—項之光伏電池，其中每一該些分離透明導雷穿屮乂、等電犬出&域或該些凹部係呈—或多個柱狀錐、金字塔形或半球狀。人如上料請專利範圍任—項之光伏電池，其中該基材 :板包含複數個奈米突出區域，該第-透明導電層係連續平順位於該基材餘上，财層係連續平順地位於該S —透明電層上。 12·如上述申請專利範圍任一項之光伏電池，其中該透明導電層所填充的區域係'位於财層的突出區域之間^ 八離Li上述中請專利範圍任—項之光伏電池，其中該電荷刀離接面係—Ρη接面與—Pin接面的其中之-。 14.如上述申請專利範圍任—項之光伏電池 L:::型半導艘層、-本質層及一型半導趙層:且係： '丁、米結晶矽、微米結晶矽或再結晶多晶矽所形成。句人!^如上述申請專利範圍任—項之光伏電池，其中該石夕層 '尤積P_1-n堆積和一第二沈積p-i-n堆積，該第一沈隙卜η堆積的吸收能隙係大於該第二沈積_堆積的吸收能以*申請專利範圍帛15ι頁所述之光伏電池，其中該第一 ^ 11aBa ^j ^ ^ ^ ^ p_i"n ^ ^ ^ ^ ^ ^ 中兮如申請專利範圍第1至14項之一所述之光伏電池，其 : 包含一第一沈積P-i-n堆積、一第二沈積p_i_n堆積及弟二沈積p-i-n堆積，該第一沈積p_i_n堆積具有一第一吸收 26 201001729 旎隙，该第二沈積p_i_n堆積具有一第二吸收能隙，該第三沈積一p+n堆積具有—第三吸收能隙，該第二吸收能隙係大於該第二吸收此隙’該第一吸收能隙係大於該第二吸收能隙。 * 18.如上述申凊專利範圍任一項之光伏電池，其中一 P型料體層係位於該第—透明導電層上，—本f層係位於該p型半導體層上’ 一 n型半導體層係位於該本質層上。 19·如上述申凊專利範圍任一項之光伏電池，更包含：一反射層，位於該第二透明導電層上。 20. 如申請專利範圍第19項所述之光伏電池，其中該反射層包含一白色染色的介電反射媒介。 21. 如上述申請專利範圍任一項之光伏電池，其中該基材載板係玻璃。 22. 如申請專利範圍第1至16項之一所述之光伏電池，其中:η型半導體層係位於該基材載板上，—本質層係位於該打型半導體層上，—Ρ型半導體層係位於該本質層上。 23. 如申請專利範圍第19項所述之光伏電池，其中該基材載板包含金屬或塑膠。 24. 如申請專利範圍第22或23項所述之光伏電池，更包含一導電層，其包含金屬，並位於該基材載板上。 25· 一種光伏電池的製造方法，包含：提供一基材載板；沈積一第一透明導電層於該基材載板上；形成複數個分離透明導電突出區域於該第一透明導電層上或形成複數個分離凹部於該第一透明導電層中；沈積-石夕層’其包括-電荷分離接面，並覆蓋於該第一透明導電層及該些分離透明導電突出區域或該些凹部；以及 27 201001729 沈積一第二透明導電層於該矽層上。 26.如申請專利範圍第25項所述之方法，其中一緊密層係以透明導電材料來進行沈積，並被選擇性地移除，以產生該複數個分離透明導電突出區域或該複數個分離凹部。 27·如申請專利範圍第25或26項所述之方法，其中複數個分離金屬島係沈積於該緊密層上，而該些金屬島以外的區域係利用選擇性蝕刻來移除，以產生該複數個透明導電突出區域’其係由透明導電材料所製成。 28.如申請專利範圍第25或26項所述之方法，其中一圖案化光阻層係形成於該緊密層上，而該些分離凹部係蝕刻於該緊密透明導電層中。立29.如申請專利範圍第”或“項所述之方法，其中該些凹邛的/木度或該些突出區域的高度係利用蝕刻時間來控制。 30.如申請專利範圍第25至29項之一所述之方法，其中第^挽層係以一第一透明導電材料來沈積，且具有一第一、’且成，一第二緊密層係以一第二透明導電材料來沈積，且具有第—組成，該第二緊密層係被選擇性地蝕刻移除，直到蝕刻至該第-緊密層與該第二緊密層之間的界面。 ^ 31 ·如申請專利範圍第25至29項之一所述之方法，其中、透月導電層係利用反應性離子触刻（reactive ion etching) 來進行、纟α構化，以產生該複數個分離透明導電突出區域或該複數個分離凹部。 ―、32.如申請專利範圍第乃或％項所述之方法，其中該第 /透明導電層係利用電子束微影術（electron beam lithography) 來進行結構化，以產生該複數個分離透明導電突出區域或該複婁欠個分離凹部。 28 201001729 :33.如申請專利範圍第25至32項之一所述之方法，其中 3 -刀離透明導電突出區域或該些凹部係呈一成多個柱狀、圓錐、金字塔形或半球狀。 34·如申請專利範圍第25至33項之一所述之方法，其中 * 糸連續平順地沈積於該第一透明導電層，以及該些分離透明導電突出區域或該些凹部上。 35. 如申請專利範圍第25至34項之一所述之方法，其中 °亥第一透明導電層係連續平順地沈積於該石夕層上。 36. 如申請專利範圍第25至35項之一所述之方法，其中該第二透明導電層係填充於該些分離透明導電突出區域之間的區域’或填充於該些凹部中。 37. 如申請專利範圍第25至36項之一所述之方法，其中该矽層係由三個次層所形成，並形成一 p小n或n小p電荷分離接面。 38. 如申請專利範圍第25項所述之方法，其中該基材載板係被結構化’以產生複數個分離突出區域或複數個凹部。 39·如申請專利範圍第38項所述之方法，其中該第一透明導電層係連續平順地沈積於該基材載板上，該矽層係連續平順地沈積於該第一透明導電層。 40.如申請專利範圍第25至39項之一所述之方法，其中該基材載板係玻璃，而一反射層係沈積於該第一透明導電層上。 29