TW201346317A - 光學抗反射結構及包含其之太陽能電池及光學抗反射結構之製法 - Google Patents

光學抗反射結構及包含其之太陽能電池及光學抗反射結構之製法 Download PDF

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Abstract

一種光學抗反射結構，包含起伏表面結構，以及位於起伏表面結構上之奈米柱狀結構。此外，也揭露包含上述光學抗反射結構之太陽能電池，以及上述光學抗反射結構之製造方法。

Description

光學抗反射結構及包含其之太陽能電池及光學抗反射結構之製法
本發明係關於一種抗反射結構，且特別是有關於一種多層性奈米結構之抗反射結構。
太陽能電池從貝爾實驗室使用矽摻入雜質製作開始，已經將近60個年頭。如今，太陽能電池已經廣泛使用於日常生活的各個層面之中。目前市面上的主流太陽能電池以發展較久的結晶矽為主，其中以單晶矽太陽能電池的光電轉換效率最高，因為其結晶缺陷小，電子電洞再結合(recombination)也會較低。
結晶矽之太陽能電池的光電轉換效率約為18%，但其中矽對於太陽光有高達37.5%的反射率，而此高反射率是造成太陽能電池效率不高的重要因素之一。除了太陽能電池的應用外，亦有其它領域有著降低表面反射率的需求。為了減少反射，在太陽能電池表面鍍製抗反射膜及表面粗化是常採用的方式，但都未能達到良好的抗反射效果。
有鑑於此，目前仍需要一種能降低物體表面反射率(如太陽光反射)的技術，以克服習知技術面臨的高反射率問題，進而解決解如太陽能電池能量轉換效率不高的問題。
本發明之一態樣係提供一種抗反射結構，其包含一起 伏(topographical)表面結構，以及分佈在起伏表面結構之部分區域上的奈米柱狀結構。依據本發明的一實施例，起伏表面結構高度差與奈米柱狀結構高度之尺寸比例為10倍至100倍，且奈米柱狀結構具有複數個高度/直徑比為10至100之奈米柱，而奈米柱之直徑為20奈米至50奈米。
依據本發明之另一實施例，起伏表面結構係選自金字塔結構、條狀溝槽型結構、不規則粗化結構及其組合所組成之群組。金字塔結構選自金字塔型結構、倒金字塔型結構、平頂金字塔型結構及其組合所組成之群組。
依據本發明又一實施例，金字塔結構包含複數個相異尺寸之金字塔錐體群組。複數個相異尺寸之金字塔錐體群組包含底寬為3微米至5微米之第一金字塔錐體群組、底寬為5微米至8微米之第二金字塔錐體群組、以及底寬為8微米至10微米之第三金字塔錐體群組。
本發明之另一態樣係提供一種太陽能電池，其包含一光電轉換層、一第一電極以及一第二電極。光電轉換層具有一第一表面及一相對於該第一表面之第二表面。第一表面具有如上述之抗反射結構。第一電極配置於第一表面之上。第二電極相對於第一電極，配置於第二表面之下。
本發明之又一態樣係提供上述之抗反射結構的製造方法，其藉由蝕刻法在矽基板表面形成一起伏表面，接著利用金屬輔助蝕刻法，在起伏表面形成奈米柱狀結構，以形成抗反射結構。然後在抗反射結構中，形成一半導體層。
依據本發明一實施例，蝕刻法為等向蝕刻法或非等向蝕刻法。等向蝕刻法係將矽基板浸於酸溶液中，使矽基板 之表面形成一起伏表面。非等向蝕刻法係將矽基板浸於鹼溶液中，使矽基板之表面形成一起伏表面。
依據本發明之一實施例，此金屬輔助蝕刻法包含藉由金屬離子對矽基材進行氧化作用，產生二氧化矽。
依據本發明之另一實施例，形成該半導體層之方法包含擴散法或沉積法。其中，擴散法係將複數個具有五個價電子的元素摻雜至抗反射結構中，以形成N型半導體層，或將複數個具有三個價電子的元素摻雜至抗反射結構中，已形成P型半導體層。沉積法係將一N型半導體材料沉積於抗反射結構上，以形成N型半導體層，或將一P型半導體材料沉積於抗反射結構上，以形成P型半導體層。
依據本發明又一實施例，具有五個價電子的元素包含磷(P)、砷(As)或銻(Sb)，而具有三個價電子的元素包含硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)或銦(In)。
為了使本揭示內容的敘述更加詳盡與完備，下文針對了本發明的實施態樣與具體實施例提出了說明性的描述；但這並非實施或運用本發明具體實施例的唯一形式。以下所揭露的各實施例，在有益的情形下可相互組合或取代，也可在一實施例中附加其他的實施例，而無須進一步的記載或說明。
在以下描述中，將詳細敘述許多特定細節以使讀者能夠充分理解以下的實施例。然而，可在無此等特定細節之情況下實踐本發明之實施例。在其他情況下，為簡化圖式， 熟知的結構與裝置僅示意性地繪示於圖中。
第1圖係繪示依據本發明之一實施例之抗反射結構的製造方法100的流程圖。在此抗反射結構的製造方法100中，步驟110提供一矽基板。在步驟120中，藉由蝕刻法在矽基板的表面形成一起伏表面結構。接著，於步驟130中藉由金屬輔助蝕刻法，在起伏表面結構形成奈米柱狀結構，以形成抗反射結構。最後，在步驟140中，於抗反射結構中形成一半導體層。
在一實施例中，步驟110之矽基板材料係為選自單晶矽、非晶矽、多晶矽及其組合。上述步驟120之蝕刻法，可使用包含等向蝕刻法及非等向蝕刻法。依據本發明之一實施例，該步驟120係使用等向蝕刻法，將矽基板浸於酸溶液中，使矽基板之表面形成一起伏表面。其中，酸溶液為氫氟酸(HF)，或是再加上硝酸(HNO3)及醋酸(CH3COOH)所混合之HNA蝕刻液。依據本發明之一實施例，該步驟120係使用非等向蝕刻法，將矽基板浸於鹼溶液中，使矽基板之表面形成一起伏表面。鹼溶液為氫氧化鉀(KOH)或氫氧化鈉(NaOH)之鹼性溶液。
依據本發明之一實施例，抗反射結構之起伏表面型態係選自金字塔結構、條狀溝槽型結構、不規則粗化結構及其組合所組成之群組。
在另一實施例中，上述步驟130之金屬輔助蝕刻法係藉由金屬離子對半導體基板進行氧化作用，產生二氧化矽。接著，根據本發明之實施例，再以濕蝕刻法或乾蝕刻法形成奈米柱狀結構，而金屬離子為銀離子。
在一實施例中，係利用濕蝕刻法進行蝕刻反應。將矽基板210浸泡於銀離子230溶液，帶正電之銀離子230會朝帶負電220之矽基板210的方向240移動，如第2A圖所示。銀離子230與矽基板210進行氧化作用，在矽基板表面產生二氧化矽250，如第2B圖所示。接著加入氫氟酸(HF)與二氧化矽(SiO2)作用，產生可溶於水的氟硅酸(H2SiF6)，進行蝕刻反應，以形成奈米柱狀結構260，如第2C圖所示。在另一實施例中，乾蝕刻法係藉由電漿(plasma)進行蝕刻反應。
在另一實施例中，上述步驟140之形成半導體層之方法係擴散法或沉積法。其中，擴散法係將複數個具有五個價電子的元素摻雜至抗反射結構中，以形成N型半導體層，或將複數個具有三個價電子的元素摻雜至抗反射結構中，已形成P型半導體層。沉積法係將一N型半導體材料沉積於抗反射結構上，以形成N型半導體層，或將一P型半導體材料沉積於抗反射結構上，以形成P型半導體層。依據本發明之一實施例，具有五個價電子的元素包含磷(P)、砷(As)或銻(Sb)，而具有三個價電子的元素包含硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)或銦(In)。
第3A至3E係繪示藉由如上述製造方法100製造依據本發明之一實施例的抗反射結構其各製程階段剖面示意圖。在一實施例中，提供一矽基板310，如第3A圖所示。利用非等向蝕刻法蝕刻矽基板310，使矽基板310表面形成一金字塔結構狀的起伏結構312，如第3B圖所示。接著利用濕蝕刻法進行蝕刻反應，以在起伏結構312表面形成 奈米柱狀結構320，如第3C圖所示。採用擴散法將具有五個價電子的元素摻雜至抗反射結構中，以形成N型半導體層，如第3D圖所示。於另一實施例中，藉由沉積法將N型半導體材料沉積於抗反射結構上，以形成N型半導體層，如第3E圖所示。於又一實施例中，第3C圖及第3D圖所述之N型半導體亦可替換為P型半導體。
第4A圖係根據本發明之抗反射結構的一實施例其1800倍之電子顯微照片，而第4B圖係根據本發明之實施例的抗反射結構之15000倍電子顯微照片。第4A圖之照片顯示出該反射結構的表面起伏結構型態以及是由多個大小範圍不同之金字塔錐體群組所組成，而第4B圖則進一步顯示位於反射結構之起伏表面結構之部分區域的奈米柱狀結構。
在一實施例中，請參閱第3D圖，起伏表面結構310高度差(H)與奈米柱狀結構320高度(h)之尺寸比例為10倍至100倍，且奈米柱狀結構320具有複數個高度(h)/直徑(r)比為10至100之奈米柱，奈米柱狀結構320之直徑(r)為20奈米至50奈米。
參閱第5A至5F圖，本發明實施例中之金字塔結構係選自金字塔型結構500a、倒金字塔型結構500b、平頂金字塔型結構500c及其組合。此條狀溝槽型結構係選自三角截面條狀溝槽型結構500d、梯形截面凸條狀結構500e及其組合。此不規則粗化結構，係為第5F圖所示之不規則凹槽結構500f。
依據本發明之一實施例，上述之金字塔結構係包含複 數個相異尺寸之金字塔錐體群組，即由二或多個尺寸大小範圍相異的金字塔錐體群組組合而成，如第4A圖所示為1800倍之電子顯微鏡照片所示之結構形態。其中，依據本發明之一實施例，複數個相異尺寸之金字塔錐體群組係包含底寬為3微米至5微米之第一金字塔錐體群組、底寬為5微米至8微米之第二金字塔錐體群組、以及底寬為8微米至10微米之第三金字塔錐體群組。
第6圖繪示依照本發明一實施例(實驗例)與比較例之抗反射結構在不同波長下的反射率曲線圖。其中，比較例為具有起伏表面結構，沒有奈米柱狀結構之抗反射結構。本實驗例則除了具有起伏表面結構，且具有奈米柱狀結構之抗反射結構。如第6圖所示，在不同波長下，實驗例之反射率均明顯低於比較例之反射率，其中在波長範圍為300奈米至1100奈米時，反射率差值更形擴大。由此證明，根據本發明抗反射結構之奈米柱狀結構，可以有效提升光抗反射作用。
第8圖係繪示本發明之一實施例之太陽能電池800的剖面示意圖。如圖所示，太陽能電池800包含一光電轉換層810、一第一電極840以及一第二電極850。光電轉換層810具有一第一表面812及一相對於該第一表面812之第二表面814，其中第一表面812為光入射面，具有如上述本發明實施例之抗反射結構。N型半導體層位於第一表面812之上，P型半導體層位於第二表面814之上。第一電極配840置於第一表面812之上。第二電極850相對於第一電極840，配置於第二表面814之下。
第7圖繪示根據本發明一實施例(實驗例)與比較例之太陽能電池池在不同波長下之量子轉換效率曲線圖。比較例係為具有起伏表面結構，但沒有奈米柱狀結構太陽能電池。而實驗例則為具有起伏表面結構，亦具有奈米柱狀結構之太陽能電池，結構如第8圖所示。由第7圖分析測量結果可知，實驗例的量子轉換效率的百分比高於比較例約為10百分比至20百分比。表示奈米柱狀結構可以增加抗反射效果，提高光吸收率，進而提升光電流。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，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。
100‧‧‧製造方法
110~140‧‧‧步驟
210‧‧‧矽基板
220‧‧‧電子
230‧‧‧銀離子
240‧‧‧方向
250‧‧‧二氧化矽
260‧‧‧奈米柱狀結構
310‧‧‧矽基板
312‧‧‧起伏表面結構
320‧‧‧奈米柱狀結構
330a、330b‧‧‧N型半導體層
500a‧‧‧正金字塔型結構
500b‧‧‧倒金字塔型結構
500c‧‧‧平頂金字塔型結構
500d‧‧‧三角截面條狀溝槽型結構
500e‧‧‧梯形截面凸條狀結構
500f‧‧‧不規則凹槽結構
800‧‧‧太陽能電池
810‧‧‧光電轉換層
812‧‧‧第一表面
814‧‧‧第二表面
820‧‧‧N型半導體層
830‧‧‧P型半導體層
840‧‧‧第一電極
850‧‧‧第二電極
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，所附圖式之說明如下：
第1圖係繪示依據本發明一實施方式之抗反射結構之製造方法的流程圖。
第2A至2C圖係繪示依據本發明一實施例之形成抗反射結構之方法的流程圖。
第3A至3E圖係繪示依據本發明一實施例之製造方法的各製程階段剖面示意圖。
第4A至4B圖係本發明一實施例之抗反射結構之光學顯微鏡型態圖。
第5A至5F圖係繪示依據本發明之一實施例之各種抗 反射結構的立體圖。
第6圖係繪示依據本發明一實施例之抗反射結構在不同波長下之反射率曲線圖。
第7圖係繪示依據本發明一實施例之太陽能電池在不同波長下之量子轉換效率曲線圖。
第8圖係繪示依據本發明一實施例之太陽能電池的剖面示意圖。
312‧‧‧起伏表面結構
320‧‧‧奈米柱狀結構
330a‧‧‧半導體層

Claims (19)

  1. 一種抗反射結構，包含：一起伏(topographical)表面結構；以及一奈米柱狀結構，位於該起伏表面結構之至少一部分區域上。
  2. 如請求項1所述之抗反射結構，其中該起伏表面結構高度差與該奈米柱狀結構高度之尺寸比例為10倍至100倍。
  3. 如請求項1所述之抗反射結構，其中該奈米柱狀結構具有複數個高度/直徑比為10至100之奈米柱。
  4. 如請求項3所述之抗反射結構，其中該些奈米柱之直徑為20奈米至50奈米。
  5. 如請求項1所述之抗反射結構，其中該起伏表面結構係選自金字塔結構、條狀溝槽型結構、不規則粗化結構及其組合所組成之群組。
  6. 如請求項5所述之抗反射結構，其中該金字塔結構係選自金字塔型結構、倒金字塔型結構、平頂金字塔型結 構及其組合所組成之群組。
  7. 如請求項6所述之抗反射結構，其中該金字塔結構係包含複數個相異尺寸之金字塔錐體群組。
  8. 如請求項7所述之抗反射結構，其中該複數個相異尺寸之金字塔錐體群組係包含底寬為3微米至5微米之第一金字塔錐體群組、底寬為5微米至8微米之第二金字塔錐體群組、以及底寬為8微米至10微米之第三金字塔錐體群組。
  9. 一種太陽能電池，包含：一光電轉換層，具有一第一表面及一相對於該第一表面之第二表面，其中該第一表面具有如請求項1所述之抗反射結構；一第一電極，係配置於該第一表面之上；以及一第二電極，係相對於該第一電極，配置於該第二表面之下。
  10. 一種抗反射結構之製造方法，包含：形成一起伏表面於一矽基板表面；形成一奈米柱狀結構於該起伏表面，以形成該抗反射 結構；以及在該抗反射結構中，形成一半導體層。
  11. 如請求項10所述之製造方法，形成該起伏表面的方法為一等向蝕刻法或一非等向蝕刻法。
  12. 如請求項11所述之製造方法，其中該等向蝕刻法係將一矽基板浸於酸溶液中，使該矽基板之表面形成一起伏表面。
  13. 如請求項11所述之製造方法，其中該非等向蝕刻法係將一矽基板浸於鹼溶液中，使該矽基板之表面形成一起伏表面。
  14. 如請求項10所述之製造方法，其中形成該奈米柱狀結構的方法為一金屬輔助蝕刻法。
  15. 如請求項14所述之製造方法，其中該金屬輔助蝕刻法包含藉由一金屬離子對於矽基材進行氧化作用，產生二氧化矽。
  16. 如請求項10所述之製造方法，其中該形成該半導 體層之方法為一擴散法或一沉積法。
  17. 如請求項16所述之製造方法，其中該擴散法係將複數個具有五個價電子的元素摻雜至抗反射結構中，以形成N型半導體層，或將複數個具有三個價電子的元素摻雜至抗反射結構中，以形成P型半導體層
  18. 如請求項16所述之製造方法，其中該沉積法係將一N型半導體材料沉積於抗反射結構上，以形成N型半導體層，或將一P型半導體材料沉積於抗反射結構上，以形成P型半導體層。
  19. 如請求項17所述之製造方法，其中該些具有五個價電子的元素包含磷(P)、砷(As)或銻(Sb)，該些具有三個價電子的元素包含硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)或銦(In)。
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