TW201349545A - 多接面光伏電池及其製造方法 - Google Patents

Abstract

一種多接面光伏電池，包含第一光伏電池；第二光伏電池；膠合層，位於第一光伏電池與第二光伏電池之間；及至少一導電柱，位於膠合層內。其中，導電柱的兩端分別電性耦接於第一光伏電池及第二光伏電池。

Description

多接面光伏電池及其製造方法

本發明係有關一種太陽能電池，特別是關於一種多接面光伏電池。

    電源可由多種方式產生，例如核能發電、風力發電、水力發電、火力發電或太陽能發電等。電源的選擇必需考量各種因素，例如安全性、成本、對環境的影響、生命期、來源的取得等。近來，綠能源特別受到重視，例如太陽能、地熱（geothermal）能、水力能等，其中，太陽能由於來源的取得容易且不會造成環境的污染，因此特別受到重視。

    太陽能電源的產生方式，最常見的有以下兩種：太陽熱（solar thermal）方式及光電（photovoltaic）方式。其中，太陽熱方式係使用太陽的熱能來進行加熱或產生電力；光電方式則是利用光電效應（又稱光伏效應，photovoltaic effect），使用太陽能電池（solar cell）將光輻射直接轉換為電力。

    多接面光伏（multi-junction photovoltaic, MJPV）電池為太陽能電池的一種，其藉由穿隧介面以堆疊多個光伏電池，以形成多接面光伏電池。各個光伏電池相應於不同的光波長，因而可以降低光源損失以提高光電轉換效率。相較於單一光伏電池具有理論光電轉換效率為34%，當多接面光伏電池的堆疊數目達到很大且具有相當集中的光源時，理論上的光電轉換效率可達87%。

    傳統多接面光伏電池的穿隧介面提供二相鄰光伏電池之間的低阻抗及低光損耗。穿隧介面係作為一個寬能帶間隙且高摻雜的二極體，用以降低相鄰光伏電池之間所產生的反向二極體效應。

    傳統多接面光伏電池之穿隧介面的電子/電洞移動性（mobility）不夠大。其形成一般係使用重摻雜技術，如美國專利公開第2011/0048537號，題為“製造半導體介面的方法（Method of Fabricating a Semiconductor Junction）”。此外，傳統多接面光伏電池所使用的材質，例如磷化鎵銦（GaInP）及砷化鎵（GaAs），其能隙範圍極為狹窄，一般介於0.36~2.45電子伏（eV）之間。當太陽能電池吸收的光能量遠超過最大能帶間隙（2.45電子伏）所對應的能量時，電子從價帶（valence band）被光能量過激發（over excite）至導帶（conduction band）以上，當電子返回導帶時，即會產生熱能，因而浪費了光能量。

    鑑於傳統多接面光伏電池的光電轉換效率極低，因此亟需提出一種新穎的多接面光伏電池，以改善上述的傳統缺失。

    本發明實施例提出一種多接面光伏電池，其藉由導電柱及膠合層堆疊多個光伏電池。此外，本實施例的多接面光伏電池使用三族氮化物，可獲得寬廣的能隙範圍。

    根據本發明實施例，多接面光伏電池包含第一光伏電池、第二光伏電池、膠合層及至少一導電柱。其中，膠合層位於第一光伏電池與第二光伏電池之間；及導電柱位於膠合層內，且導電柱的兩端分別電性耦接於第一光伏電池及第二光伏電池。

    根據本發明另一實施例，首先提供第一基板，並形成第一光伏電池於第一基板上。提供第二基板，並形成第二光伏電池於第二基板上。形成至少一導電柱於第一光伏電池上，或形成於第二光伏電池上。使用一膠合層將第一光伏電池膠合至第二光伏電池，使得導電柱位於膠合層內，且使得導電柱的一端電性耦接於第一光伏電池，且導電柱的另一端電性耦接於第二光伏電池。

    第一A圖至第一F圖顯示本發明第一實施例之多接面光伏（multi-junction photovoltaic, MJPV）電池100的製程剖面圖。多接面光伏電池100為太陽能電池（solar cell）的一種，可用以將光能（例如太陽光能）轉換為電能。圖式僅顯示出與本實施例相關的組成要件，因此，所示層級之間可視實際應用需求而插入其他額外層級。此外，圖式中各組成要件的尺寸並未依實際比例繪製。

    如第一A圖所示，首先提供第一基板11，其材質可為：藍寶石（sapphire）、矽的表面形成碳化矽（SiC）、鋁的表面形成氧化鋁（Al₂O₃）、氮化鎵（GaN）、氮化銦（InN）、氮化鋁（AlN）、氧化鋅（ZnO）、玻璃或石英，但不限定於此。此外，第一基板11包括極化(polar)基板、半極化(semi-polar)基板或非極化(non-polar)基板。本實施例之第一基板11可為（切割後的）晶片或者為（尚未切割的）晶圓。在一實施例中，可額外對第一基板11的表面進行圖案化（pattern）蝕刻，以形成圖案化第一基板11，利於多接面光伏電池100的光擷取效率。例如，如果第一基板11的材質為藍寶石，則經圖形化蝕刻後，可形成圖案化藍寶石基板（pattern sapphire substrate，PSS）11。

    接著，以磊晶製程形成第一光伏電池（sub-cell）12於第一基板11上。在本實施例中，第一光伏電池12包含第一摻雜層121；主動層122，形成於第一摻雜層121上；及第二摻雜層123，形成於主動層122上。其中，第一摻雜層121與第二摻雜層123的摻雜型態相反。例如，第一摻雜層121為n型摻雜，而第二摻雜層123為p型摻雜。本實施例之第一光伏電池12的材質為三族氮化物，例如氮化銦（InN）、氮化鎵（GaN）、氮化銦鎵（InGaN）、氮化銦鋁鎵（InAlGaN）、氮化鋁（AlN），但不限定於此。在一實施例中，第二摻雜層123相對於第一基板11的另一側表面可額外進行粗糙化處理，用以增加後續製程的接觸表面積。在另一實施例中，第二摻雜層123相對於第一基板11的另一側表面可保持平坦表面。在一實施例中，第一摻雜層121與第一基板11之間，還可額外形成未摻雜層（未顯示），以利第一摻雜層121與第一基板11之間的晶格匹配。

    繼續參閱第一A圖，形成至少一導電柱（post）13於第一光伏電池12（的第二摻雜層123）的表面，其一端電性耦接於第一光伏電池12（的第二摻雜層123）。導電柱13的材質為導體，例如金屬。導電柱13可使用傳統微影蝕刻製程來形成。例如，先沈積一整體導電層，再藉由光罩進行蝕刻而形成導電柱13。

    如第一B圖所示，提供一第二基板14，其材質可類似於前述第一基板11的材質，不再贅述。接著，以磊晶製程形成第二光伏電池15於第二基板14上。在本實施例中，第二光伏電池15包含第一摻雜層151；主動層152，形成於第一摻雜層151上；及第二摻雜層153，形成於主動層152上。其中，第一摻雜層151與第二摻雜層153的摻雜型態相反。例如，第一摻雜層151為n型摻雜，而第二摻雜層153為p型摻雜。本實施例之第二光伏電池15的材質可類似於前述第一光伏電池12的材質，不再贅述。

    接著，提供一第三基板16，並藉由黏合（bonding）層17以黏合至第二光伏電池15（的第二摻雜層153）。在本實施例中，第三基板16的材質可為玻璃，但不限定於此。黏合層17的材質可為多分子聚合物（polymer）（例如聚亞醯胺（polyimide））、光阻劑（resist）、旋塗玻璃（spin-on-glass, SOG）劑、苯環丁烯（Benzocyclobutene）或其他黏合/膠合材質。

    如第一C圖所示，除去第二基板14，以曝露第二光伏電池15（的第一摻雜層151）的表面。在本實施例中，可使用雷射剝離（laser lift-off, LLO）技術以除去第二基板14。如果第一摻雜層151與第二基板14之間還形成有未摻雜層（未顯示），則於此製程步驟中，也需將其一併除去。

   接下來，如第一D圖所示，使用膠合層18將第二光伏電池15（的第一摻雜層151）膠合至第一光伏電池12（的第二摻雜層123），使得導電柱13位於膠合層18內，且使得導電柱13的另一端電性耦接於第二光伏電池15（的第一摻雜層151）。

   在一實施例中，於除去第二基板14後，但於第二光伏電池15膠合至膠合層18前，還可額外對第二光伏電池15（的第一摻雜層151）的表面進行粗糙化處理，用以增加與導電柱13的接觸面積。在一實施例中，還可於導電柱13與p型摻雜層（例如第一光伏電池12的第二摻雜層123）之間額外形成電流分散（spreading）層（未圖示），以增進p型摻雜層的電流分散效能。其中，電流分散層之材質可以是銻錫氧化物（Antimony Tin Oxide, ATO）、銦錫氧化物（Indium Tin Oxide, ITO）、氧化錫（Tin Oxide, SnO2）、氧化鋅摻雜鋁（aluminum doped zinc oxide, AZO）、氧化鋅摻雜鎵（Gallium doped zinc oxide, GZO）和氧化鋅摻雜銦（Indium doped zinc oxide, IZO），但不以上述為限。

    本實施例的導電柱13係形成於第一光伏電池12（的第二摻雜層123）的表面（第一A圖所示），然而在另一變化實施態樣中，則是在將第二光伏電池15膠合至膠合層18前，形成導電柱13於第二光伏電池15（的第一摻雜層151）的表面，如第一E圖所示。或者，也可既形成導電柱13於第一光伏電池12（的第二摻雜層123）的表面（第一A圖所示），又形成導電柱13於第二光伏電池15（的第一摻雜層151）的表面（第一E圖所示）。第一光伏電池12及第二光伏電池15上的導電柱13之位置可相對錯開；或是，第一光伏電池12及第二光伏電池15上的導電柱13之位置可相對堆疊耦合，使得位於第一光伏電池12上的導電柱13之一端，電性耦合位於第二光伏電池15上的導電柱13之一端，因此，藉由第二光伏電池15上的導電柱13，第一光伏電池12上的導電柱13電性耦合第二光伏電池15，反之亦然。

   如第一F圖所示，將第一D圖所示結構的黏合層17及第三基板16除去，以曝露第二光伏電池15（的第二摻雜層153）的表面。接著，以蝕刻製程（例如感應耦合電漿（inductively coupled plasma, ICP）蝕刻製程）除去部分第二光伏電池15、膠合層18及第一光伏電池12，以曝露第一光伏電池12靠近第一基板11之摻雜層（亦即第一摻雜層121）的表面。接下來，形成第一電極19A於第一摻雜層121的曝露表面，並形成第二電極19B於第二摻雜層153的曝露表面。此外，還可於第二摻雜層153的曝露表面及第二電極19B的表面（或者僅於第二摻雜層153的曝露表面）覆蓋一抗反射層20，以減少入射光的反射，因而增加光線的截取率。在一實施例中，於形成第二電極19B之前，還可額外對第二摻雜層153的曝露表面進行粗糙處理，以形成粗糙化表面，用以增加光線的截取率。以上實施例雖以疊加二個光伏電池12、15為例，然而，也可疊加三個（或以上）光伏電池。

   第二圖顯示本發明第一實施例之多接面光伏電池200的立體示意圖。於第一F圖不同的地方在於，本實施例的光伏電池12、15分別具有其各自獨立的第一/第二電極對。例如，第一光伏電池12具有第一電極19A及第二電極19B，而第二光伏電池15具有第一電極19A’及第二電極19B’。各自獨立電極對可確保於導電柱13電性接觸不佳的情形下，仍可得到部分的產生電源。此外，本實施例之第一光伏電池12的第一/第二電極對19A/19B位於一對角線191的兩端，而第二光伏電池15的第一/第二電極對19A’/19B’位於另一對角線192的兩端。此種對角線安排使得蝕刻製程較為便利，所需蝕刻的體積較小；或者便於自電極接出連接導線。

    第三A圖例示第一/第二電極19A/19B的立體示意圖，第三B圖則顯示第一/第二電極19A/19B與導電柱13的相對位置圖。在本實施例中，導電柱13可大致位於第一/第二電極19A/19B的下方，用以避免或減少入射光線的遮蔽。

    在本實施例中，第一光伏電池12之主動層122的能帶間隙（energy gap，簡稱能隙）小於第二光伏電池15之主動層152的能隙。一般來說，對於多接面光伏電池100，每ㄧ個光伏電池之主動層的能隙值由上（靠近第二電極19B，亦即靠近光入射面）而下遞減。換句話說，能隙值愈大者愈靠近光源。因此，相應於較大能隙的光能量可被較上層的光伏電池所吸收，而相應於較小能隙的光能量則可穿透上層而被較下層的光伏電池所吸收。藉此，當電子從價帶（valence band）被光能量激發至導帶（conduction band）時，可避免或減少電子因過激發（over excite）而產生的無謂熱能。下表一列示一些三族氮化物的能隙值：

表一

 

    第四A圖至第四F圖顯示本發明第二實施例之多接面光伏電池400的製程剖面圖。本實施例類似於第一實施例（第一A圖至第一F圖），不同的地方將說明如下。

   如第四A圖所示，形成第一光伏電池12於第一基板11上，再形成至少一導電柱13於第一光伏電池12（的第二摻雜層123）的表面。第四A圖類似於第一實施例的第一A圖，其細節不再贅述。

   如第四B圖所示，形成第二光伏電池15於第二基板14上，其細節與第一實施例的第一B圖類似，不再贅述。接著，形成第三基板16於第二光伏電池15（的第二摻雜層153）的表面。與第一實施例（第一B圖）不同的地方在於，本實施例之第三基板16的材質為導體，將作為電極之用。

   如第四C圖所示，除去第二基板14，以曝露第二光伏電池15（的第一摻雜層151）的表面。細節類似於第一實施例的第一C圖，不再贅述。

   如第四D圖所示，使用膠合層18將第二光伏電池15（的第一摻雜層151）膠合至第一光伏電池12（的第二摻雜層123），使得導電柱13位於膠合層18內。細節類似於第一實施例的第一D圖，不再贅述。

    在另一變化實施態樣中，則是在將第二光伏電池15膠合至膠合層18前，形成導電柱13於第二光伏電池15（的第一摻雜層151）的表面，如第四E圖所示。細節類似於第一實施例的第一E圖，不再贅述。

   如第四F圖所示，將第四D圖所示結構上下翻轉，並除去第一基板11，以曝露第一摻雜層121的表面。與第一實施例不同的地方在於，第一實施例（第一F圖）係除去第三基板16，使第一基板11位於下方，並讓第二光伏電池15向上作為光入射面。本實施例（第四F圖）則是除去第一基板11，使第三基板16位於下方，並讓第一光伏電池12向上作為光入射面。如前所述，本實施例的第三基板16將作為電極之用，因此，本實施例僅需再形成第一電極19A於第一摻雜層121的曝露表面。以上實施例雖以疊加二個光伏電池12、15為例，然而，也可疊加三個（或以上）光伏電池。

   在本實施例中，第二光伏電池15之主動層152的能隙小於第一光伏電池12之主動層122的能隙。一般來說，對於多接面光伏電池400，每ㄧ個光伏電池之主動層的能隙值由上（靠近第一電極19A，亦即靠近光入射面）而下遞減。換句話說，能隙值愈大者愈靠近光源。

   第五A圖至第五F圖顯示本發明第三實施例之多接面光伏電池500的製程剖面圖。本實施例類似於第一實施例（第一A圖至第一F圖）或第二實施例（第四A圖至第四F圖），不同的地方將說明如下。

   如第五A圖所示，形成第一光伏電池12於第一基板11上，再形成至少一導電柱13於第一光伏電池12（的第二摻雜層123）的表面。

   如第五B圖所示，形成第二光伏電池15於第二基板14上。和第一實施例（第一B圖）或第二實施例（第四B圖）不同的是，本實施例先形成第二摻雜層（例如p摻雜層）153於第二基板14上，接著形成主動層152，最後才形成第一摻雜層（例如n摻雜層）151。此外，本實施例不需使用第三基板16。

    如第五C圖所示，使用膠合層18將第二光伏電池15（的第一摻雜層151）膠合至第一光伏電池12（的第二摻雜層123），使得導電柱13位於膠合層18內。

    在另一變化實施態樣中，則是在將第二光伏電池15膠合至膠合層18前，形成導電柱13於第二光伏電池15（的第一摻雜層151）的表面，如第五D圖所示。

    如第五E圖所示，將第五C圖所示結構的第二基板14除去，以曝露第二光伏電池15（的第二摻雜層153）的表面。接著，以蝕刻製程除去部分第二光伏電池15、膠合層18及第一光伏電池12，以曝露第一光伏電池12靠近第一基板11之摻雜層（亦即第一摻雜層121）的表面。接下來，形成第一電極19A於第一摻雜層121的曝露表面，並形成第二電極19B於第二摻雜層153的曝露表面。此外，還可於第二摻雜層153的曝露表面及第二電極19B的表面（或者僅於第二摻雜層153的曝露表面）覆蓋一抗反射層20。第五E圖所形成的結構類似於第一實施例（第一F圖）的結構。

    如果本實施例的第二基板14為導體，則可將第五C圖所示結構上下翻轉，並除去第一基板11，以曝露第一摻雜層121的表面，再形成第一電極19A於第一摻雜層121的曝露表面。第五F圖所形成的結構類似於第二實施例（第四F圖）的結構。

    以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。

100．．．多接面光伏電池

200．．．多接面光伏電池

400．．．多接面光伏電池

500．．．多接面光伏電池

11．．．第一基板

12．．．第一光伏電池

121．．．第一摻雜層

122．．．主動層

123．．．第二摻雜層

13．．．導電柱

14．．．第二基板

15．．．第二光伏電池

151．．．第一摻雜層

152．．．主動層

153．．．第二摻雜層

16．．．第三基板

17．．．黏合層

18．．．膠合層

19A、19A’．．．第一電極

19B、19B’．．．第二電極

191、192．．．對角線

20．．．抗反射層

第一A圖至第一F圖顯示本發明第一實施例之多接面光伏電池的製程剖面圖。
第二圖顯示本發明第一實施例之多接面光伏電池的立體示意圖。
第三A圖例示第一/第二電極的立體示意圖。
第三B圖則顯示第一/第二電極與導電柱的相對位置圖。
第四A圖至第四F圖顯示本發明第二實施例之多接面光伏電池的製程剖面圖。
第五A圖至第五F圖顯示本發明第三實施例之多接面光伏電池的製程剖面圖。

100．．．多接面光伏電池

11．．．第一基板

12．．．第一光伏電池

121．．．第一摻雜層

122．．．主動層

123．．．第二摻雜層

13．．．導電柱

15．．．第二光伏電池

151．．．第一摻雜層

152．．．主動層

153．．．第二摻雜層

18．．．膠合層

19A．．．第一電極

19B．．．第二電極

20．．．抗反射層

Claims (19)

1. 一種多接面光伏電池的製造方法，包含：
   　　 提供一第一基板；
   　　 形成一第一光伏電池於該第一基板上；
   　　 提供一第二基板；
   　　 形成一第二光伏電池於該第二基板上；
   　　 形成至少一導電柱於該第一光伏電池上，或形成於該第二光伏電池上；及
   　　 使用一膠合層將該第一光伏電池膠合至該第二光伏電池，使得該導電柱位於該膠合層內，且使得該導電柱的兩端分別電性耦接於該第一光伏電池及該第二光伏電池。
2. 如申請專利範圍第1項所述多接面光伏電池的製造方法，更包含：
   移除該第二基板，以曝露該第二光伏電池的表面；
   移除部分該第二光伏電池及該第一光伏電池，以曝露該第一光伏電池靠近且相對該第一基板之摻雜層的表面；
   形成一第一電極於該第一光伏電池之摻雜層的曝露表面；及
   形成一第二電極於該第二光伏電池的曝露表面。
3. 如申請專利範圍第1項所述多接面光伏電池的製造方法，其中該第二基板的材質為導體，則上述步驟更包含：
   　　 移除該第一基板，以曝露該第一光伏電池的表面；及
   形成一第一電極於該第一光伏電池的曝露表面。
4. 如申請專利範圍第1項所述多接面光伏電池的製造方法，其中於形成該導電柱之前，更包括形成一第三基板於該第二光伏電池相對於該第二基板的表面。
5. 如申請專利範圍第4項所述多接面光伏電池的製造方法，更包含：
   移除該第三基板，以曝露該第二光伏電池的表面；
   移除部分該第二光伏電池及該第一光伏電池，以曝露該第一光伏電池靠近該第一基板之摻雜層的表面；
   形成一第一電極於該第一光伏電池之曝露摻雜層的表面；及
   　　 形成一第二電極於該第二光伏電池的曝露表面。
6. 如申請專利範圍第4項所述多接面光伏電池的製造方法，其中該第三基板的材質為導體，則上述步驟更包含：
   　　 移除該第一基板，以曝露該第一光伏電池的表面；及
   形成一第一電極於該第一光伏電池的曝露表面。
7. 一種多接面光伏電池，包含：
   　　 一第一光伏電池；
   　　 一第二光伏電池；
   　　 一膠合層，位於該第一光伏電池與該第二光伏電池之間；及
   　　 至少一導電柱，位於該膠合層內，該導電柱的兩端分別電性耦接於該第一光伏電池及該第二光伏電池。
8. 如申請專利範圍第7項所述之多接面光伏電池，其中該第一光伏電池或該第二光伏電池包含：
   一基板；
   一第一摻雜層，位於該基板上；
   一第二摻雜層，位於該第一摻雜層上；及
   一主動層，位於該第一摻雜層與該第二摻雜層之間；
   其中，該第一摻雜層與該第二摻雜層的摻雜型態相反。
9. 如申請專利範圍第8項所述之多接面光伏電池，其中該基板包含藍寶石（sapphire）、矽的表面形成碳化矽（SiC）、鋁的表面形成氧化鋁（Al₂O₃）、氮化鎵（GaN）、氮化銦（InN）、氮化鋁（AlN）、氧化鋅（ZnO）、玻璃或石英。
10. 如申請專利範圍第7項所述之多接面光伏電池，其中該第一光伏電池及該第二光伏電池之材質包含三族氮化物。
11. 如申請專利範圍第7項所述之多接面光伏電池，其中該膠合層包含多分子聚合物（polymer）、光阻劑（resist）、旋塗玻璃（spin-on-glass, SOG）劑或苯環丁烯（Benzocyclobutene）。
12. 如申請專利範圍第8項所述之多接面光伏電池，其中該基板面向該第一光伏電池具有一圖案化（patterned）表面。
13. 如申請專利範圍第7項所述之多接面光伏電池，其中該第一光伏電池或/及該第二光伏電池面向該膠合層具有一粗糙化表面。
14. 如申請專利範圍第8項所述之多接面光伏電池，其中該第一光伏電池之主動層的能隙小於該第二光伏電池之主動層的能隙。
15. 如申請專利範圍第8項所述之多接面光伏電池，更包含：
    　　 一第一電極，位於該第一光伏電池靠近該基板之摻雜層的曝露表面；及
    　　 一第二電極，位於該第二光伏電池相對於該膠合層的表面。
16. 如申請專利範圍第15項所述之多接面光伏電池，其中該導電柱大致位於該第二電極的下方。
17. 如申請專利範圍第8項所述之多接面光伏電池，其中該基板的材質為導體。
18. 如申請專利範圍第17項所述之多接面光伏電池，更包含：
    　　 一第一電極，位於該第二光伏電池相對於該膠合層的表面。
19. 如申請專利範圍第18項所述之多接面光伏電池，其中該導電柱大致位於該第一電極的下方。