TW201640689A - 光電轉換元件 - Google Patents

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Abstract

一種光電轉換元件，包括一光電轉換體、一透明蓋板、一絕緣材料層以及一光子晶體層。光電轉換體適於接收一光線。透明蓋板配置於光電轉換體的一側。絕緣材料層配置於光電轉換體與透明蓋板之間。光子晶體層配置於絕緣材料層與透明蓋板之間，其中光子晶體層與絕緣材料層的材料不同。

Description

光電轉換元件
本發明是有關於一種能量轉換元件，且特別是有關於一種光電轉換元件。
太陽能電池經過長年的發展，在能量轉換效率(power conversion efficiency)、穩定性與各種效能指標上有長足的進步。當前實驗室中所開發之太陽能電池已能達相當高的光電轉換效率，然而這些具有高光電轉換效率的太陽能電池其製造過程多半過於複雜，且價格高昂，難以達成量產。因此以低成本的製作方式並提高光電轉換效率是當前太陽能電池開發的重要課題。實務上，太陽能電池光電轉換效率取決於外部量子效率(external quantum efficiency,EQE)與光吸收(light absorption)。而其中光吸收增加的重要因子包括元件進光量的提升。經由一些設計來增進太陽能電池元件內部的進光量，能對元件光吸收的增加產生助益，便能增進太陽能電池的光電轉換效率。
本發明提供一種光電轉換元件，包括一光電轉換體、一透明蓋板、一絕緣材料層以及一光子晶體層。光電轉換體適於接收一光線。透明蓋板配置於光電轉換體的一側。絕緣材料層配置於光電轉換體與透明蓋板之間。光子晶體層配置於絕緣材料層與透明蓋板之間，其中光子晶體層與絕緣材料層的材料不同。
在本發明的一實施例中，上述的絕緣材料層為一平板，且光子晶體層包括垂直於光電轉換體表面延伸的多個第一孔洞，其中這些第一孔洞以週期性排列。
在本發明的一實施例中，上述的這些第一孔洞為圓柱形孔洞或圓錐形孔洞。
在本發明的一實施例中，上述的光子晶體層包括垂直於光電轉換體表面延伸的多個第一孔洞。絕緣材料層包括垂直於光電轉換體表面延伸的多個第二孔洞，其中這些第一孔洞以週期性排列，且這些第二孔洞以週期性排列。
在本發明的一實施例中，上述的這些第一孔洞為圓柱形孔洞或圓錐形孔洞。
在本發明的一實施例中，上述的這些第二孔洞為圓柱形孔洞或圓錐形孔洞。
在本發明的一實施例中，上述的這些第一孔洞以週期性排列，且這些第二孔洞以週期性排列。第一孔洞的中心軸與第二孔洞的中心軸在垂直於光電轉換體表面的方向上彼此實質上重合。
在本發明的一實施例中，上述的這些第一孔洞以週期性排列，且這些第二孔洞以週期性排列。第一孔洞的中心軸與第二孔洞的中心軸在垂直於光電轉換體表面的方向上彼此實質上不重合。
在本發明的一實施例中，上述的絕緣材料層的材料包括二氧化鈦或二氧化矽。
在本發明的一實施例中，上述的光子晶體層的材料包括二氧化矽或二氧化鈦。
基於上述，在本發明之實施例的光電轉換元件，由於絕緣材料層配置於光電轉換體與透明蓋板之間，光子晶體層配置於絕緣材料層與透明蓋板之間，而其中光子晶體層與絕緣材料層的材料不同，從而增加光電轉換元件的進光量。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
50、100、100a、100b、100c、100d、100e、100f、100g‧‧‧光 電轉換元件
200‧‧‧光電轉換體
210‧‧‧N型半導體層
220‧‧‧P型半導體層
230‧‧‧電極層
300‧‧‧透明蓋板
400、400’、400a、400b‧‧‧絕緣材料層
410a、410b‧‧‧第二孔洞
500a、500b‧‧‧光子晶體層
510a、510b‧‧‧第一孔洞
A1、A2‧‧‧中心軸
Dcy、Dta‧‧‧深度
dcy、dta‧‧‧直徑
L‧‧‧光線
LS‧‧‧光源
Pcy、Pta‧‧‧節距
PML‧‧‧完美吸收層
R‧‧‧垂直方向
S‧‧‧表面
Sx‧‧‧計算空間的橫軸長度
Sy‧‧‧計算空間的縱軸長度
圖1繪示一比較實施例之光電轉換元件模擬剖面圖與時域有限差分法條件設定。
圖2繪示另一比較實施例之光電轉換元件模擬剖面圖。
圖3繪示圖2光電轉換元件100與圖1光電轉換元件50之能量流量對歸一化頻率的模擬作圖。
圖4A繪示本發明一實施例之光電轉換元件模擬剖面圖。
圖4B繪示圖4A之光子晶體層500a放大的模擬剖面圖。
圖4C繪示本發明另一實施例之光電轉換元件模擬剖面圖。
圖4D繪示本發明又一實施例之光電轉換元件模擬剖面圖。
圖4E繪示圖4D之光子晶體層500b放大的模擬剖面圖。
圖4F繪示圖4A光電轉換元件100a與圖4C光電轉換元件100b之能量流量對歸一化頻率的模擬作圖。
圖4G繪示圖4C光電轉換元件100b與圖4D光電轉換元件100c之能量流量對歸一化頻率的模擬作圖。
圖5A繪示本發明再一實施例之光電轉換元件模擬剖面圖。
圖5B繪示圖5A之光子晶體層500a與絕緣材料層400a放大的模擬剖面圖。
圖5C繪示本發明另一實施例之光電轉換元件模擬剖面圖。
圖5D繪示圖5C之光子晶體層500a與絕緣材料層400a放大的模擬剖面圖。
圖5E繪示圖5A光電轉換元件100d與圖5C光電轉換元件100e之能量流量對歸一化頻率的模擬作圖。
圖6A繪示本發明又一實施例之光電轉換元件模擬剖面圖。
圖6B繪示圖6A之光子晶體層500b與絕緣材料層400b放大的模擬剖面圖。
圖6C繪示本發明再一實施例之光電轉換元件模擬剖面圖。
圖6D繪示圖6C之光子晶體層500b與絕緣材料層400b放 大的模擬剖面圖。
圖6E繪示圖6A光電轉換元件100f與圖6C光電轉換元件100g之能量流量對歸一化頻率的模擬作圖。
圖1繪示一比較實施例之光電轉換元件模擬剖面圖與時域有限差分法條件設定。請參考圖1，在本實施例中，光電轉換元件50包含光電轉換體200，其適於接收一光線L。具體而言，光電轉換體200為矽太陽能電池(silicon solar cells)，或能將光電進行轉換之其他形式光電元件。為了模擬電磁波在通過光電轉換元件50時的傳輸情形，以及分析各種情況下所收到的能量比率，在本實施例中使用適合計算電磁波動態行為的時域有限差分法(finite-difference-time-domain method，FDTD法)作為分析的數值方法，用以模擬這類較複雜的邊界條件。本發明之相關實施例是利用上述的數值方法來分析電磁波在通過光電轉換元件時的傳輸情形，然而本發明並不受限於利用此數值方法對光電轉換元件進行分析，亦可利用其他適合計算電磁波動態行為的數值方法來對光電轉換元件進行分析。
請繼續參考圖1，為了避免無法運算或非物理性反射的情形，在本實施例中，模擬的光電轉換元件50更包括模擬的完美匹配層(perfectly matched layer,PML)PML來處理吸收邊界條件。當模擬之電磁波打在此完美匹配層PML之人工邊界上時，不會產 生反射，使模擬結果與實際空間的情況相同。
以下表一將舉出本實施例之光電轉換元件50的模擬計算空間(computational cell)初始設定。需注意的是，下述之表一所列的資料並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者在參照本發明之後，當可應用本發明的原則對其參數或設定作適當的更動，以致使其設定之數據改變，惟其仍應屬於本發明之範疇內。
在本實施例中，由於時域有限差分法法利用維度來計算。絕對介電常數(absolute permittivity，ε0)、絕對導磁係數(absolute permeability，μ0)、光速(3×10^8km/s，c)等複雜的參數大小設為1以利於模擬過程中可直接透過比率(ratio)來判斷模擬結果。另外，在本實施例中模擬的光電轉換元件50更採用高斯光源(Gaussian source)來作為光源LS，並用以發射出垂直於光電轉換體200的光線L。本發明之相關實施例是採用高斯光源來作為光源，並用以發射出垂直於光電轉換體的光線L，但本 發明並不以此為限，亦可以是能發射出垂直於光電轉換體之光線的其他種類模擬光源。另外，在本實施例以及本發明之相關實施例中，設定高斯光源時須考慮中心頻率以及頻寬。具體而言，晶格常數(lattice constant)設定為1。而入射波的頻率(f)，亦即晶格常數與入射光波長(λ)的比值係利用歸一化頻率(normalized frequency)來表示，其設定為a/λ(=ωa/2πc0=fa/c0)。
請繼續參考圖1以及同時參考表一，在本實施例中，計算空間的橫軸長度Sx設定為10μm，計算空間之縱軸長度Sy設定為32μm。模擬之光電轉換元件50以1μm完美匹配層PML包覆，並置於上述之計算空間中。另外，在計算空間的空間分布上以光電轉換體200受光表面作為縱軸座標的0點，此受光表面於面對光源LS一側至完美吸收層PML邊界的區域為相對介電常數(relative permittivity)為1的介質，可模擬為空氣，而受光表面另外一側至完美吸收層PML邊界的區域為相對介電常數為12的介質，可模擬為太陽能電池。在縱軸座標的0點處，於光電轉換體200受光表面垂直方向R以等距2μm劃出±2、±4、±6、±8、±10、±12以及±14等14個固定計算位置。藉由利用時域有限差分法計算並模擬分析光線L由光源LS發出之後傳遞的傳播場圖(field pattern)，可在上述不同之固定位置分別計算其能量流量大小，來判別光線L經過光電轉換元件50不同位置時的損耗程度，並藉此判別能量流量(flux)的變化程度。能量流量的單位為瓦特-米平方(W/m2)，而若對計算空間的單位大小作面積分，可得到單位為 瓦特(W)的能量值。
在本實施例中，光電轉換元件50以上述條件進行時域有 限差分法計算並模擬時，以位於光電轉換體200於接收光線L的表面垂直方向-2μm的位置(位於光電轉換體200內部)作為接收區R，來使得計算並比較光線L經過光電轉換元件之能量流量時具有比較的基準，同時也避免不必要的響應或干擾。在本實施例中，具體而言，光電轉換元件50於接收區R的能量流量計算值為29.99502167瓦特-米平方。而若將原本對光電轉換元件50模擬改以對空氣進行模擬，亦即上述模擬環境中完美吸收層PML區域範圍僅包含相對介電常數為1的介質，則於相同位置之接收區R所計算的能量流量計算值為45.65358650瓦特-米平方。能量傳播比率可藉由上述光電轉換元件50於接收區R的能量流量計算值除以上述空氣於接收區R的能量流量計算值得出，亦即將29.99502167瓦特-米平方除以45.65358650瓦特-米平方並乘以百分比，得到65.7%的能量傳播比率。值得注意的是，此能量流量與能量傳播比率之數值計算結果係為上述條件設定下的一範例，非用以限定本發明。
圖2繪示本發明另一實施例之光電轉換元件模擬剖面 圖。請參考圖2，在本實施例中，光電轉換元件100包括光電轉換體200、一透明蓋板300、一絕緣材料層400。另外，光電轉換元件100亦包括絕緣材料層400’。光電轉換體200如同比較實施例之光電轉換元件50之中的光電轉換體200。而透明蓋板300配置 於光電轉換體200的一側。絕緣材料層400配置於光電轉換體200與透明蓋板300之間。絕緣材料層400’則配置於光線L所通過的絕緣材料層400與透明蓋板300之間。在本比較實施例中，具體而言，光電轉換體200的細部結構更包括一N型半導體層210、一P型半導體層220以及一電極層230。P型半導體層220位於N型半導體層210及電極層230之間，而N型半導體層210位於絕緣材料層400及P型半導體層220之間。在一些實施例中，N型半導體層210與P型半導體層220可以交換位置，亦即N型半導體層210位於P型半導體層220及電極層230之間，而P型半導體層220位於絕緣材料層400及N型半導體層210之間。此外，在一些實施例中，光電轉換體200及絕緣材料層400之間亦設有一圖案化電極(未繪示)。而絕緣材料層400可以位於絕緣材料層400’及上述圖案化電極中未有電極的區域之間，絕緣材料層400也可以是位於絕緣材料層400’及整個圖案化電極之間。本發明之相關實施例的光電轉換體可以包括上述之細部結構，但本發明並不限制於此，本發明之相關實施例之光電轉換體中更可包括例如抗反射層(antireflection layer)或者其他適於應用在光電轉換的結構。
在本比較實施例中，絕緣材料層400’與絕緣材料層400的材料不同。具體而言，絕緣材料層400的材料包括二氧化鈦(titanium dioxide，TiO2)或二氧化矽(silicon dioxide，SiO2或silica)，而絕緣材料層400’的材料則包括二氧化矽或二氧化鈦。一 般而言，為了讓光線L進入疊加不同材料平板的太陽能電池上時，有折射率(index of refraction)漸漸變化的效果，讓反射光的部分減少以進而讓大量光能得以進入太陽能電池，因此會設計所疊加之不同材料平板的材料折射率，從絕緣材料層400’，經過絕緣材料層400到光電轉換體200的過程中漸漸變化。由於二氧化鈦在波長為0.6μm的光入射時，其折射率大於二氧化矽，因此在本實施例中，具體而言，絕緣材料層400為二氧化鈦平板，其位於光電轉換體200接收光線L之表面S上，而絕緣材料層400’為二氧化矽平板。在本實施例中，光電轉換體200為太陽能電池，其透過時域有限差分法模擬計算過程中所設定的相對介電常數亦為12，相同於光電轉換體200於圖1所述之實施例模擬過程之中的設定值。而透明蓋板300的材質透明蓋板300作為光電轉換體200之受光表面的保護層，透明蓋板300的材質包括玻璃，或者其他具有高透光性質的材料。在本實施例中，透明蓋板300於透過時域有限差分法模擬計算過程中所設定的相對介電常數設定為1，相同於空氣於上述模擬過程之中的設定值。以利於光電轉換元件50與100於模擬過程中易於針對絕緣材料層400與絕緣材料層400’之有無以及結構之變化進行比較。
在本比較實施例中，光電轉換元件100置於相同於圖1 光電轉換元件50之模擬環境。模擬的光電轉換元件100亦包括模擬的完美匹配層PML來處理吸收邊界條件，並且同樣以位於光電轉換體200於接收光線L的表面垂直方向-2μm的位置(位於光電 轉換體200內部)作為接收區R。透過時域有限差分法模擬計算光電轉換元件100能量流量的模擬計算空間設定細節請參考上述圖1以及表一之實施例，在此便不再贅述。
圖3繪示圖2光電轉換元件100與圖1光電轉換元件50之能量流量對歸一化頻率的模擬作圖。請參考圖3，在本比較實施例中，經過時域有限差分法模擬計算的結果，包含了以二氧化鈦平板作為之絕緣材料層400與以二氧化矽平板作為之絕緣材料層400’的光電轉換元件100，其於接收區R的能量流量計算值為34.83107839瓦特-米平方。相對於圖1實施例之未包含絕緣材料層400與絕緣材料層400’的光電轉換元件50，其相對的能量傳播比率可藉由上述光電轉換元件100於接收區R的能量流量計算值除以上述光電轉換元件50於接收區R的能量流量計算值得出，亦即將34.83107839瓦特-米平方除以29.99502167瓦特-米平方並乘以百分比，得到116.12%的能量傳播比率。又或者相對於模擬環境中完美吸收層PML區域範圍僅包含相對介電常數為1的介質(空氣)，其相對的能量傳播比率可藉由上述光電轉換元件100於接收區R的能量流量計算值除以上述空氣於接收區R的能量流量計算值得出，亦即將34.83107839瓦特-米平方除以45.65358650瓦特-米平方並乘以百分比，得到76.3%的能量傳播比率。在圖3中亦可以看出，光電轉換元件100於接收區R的能量流量大於光電轉換元件50於接收區R的能量流量。因此在本比較實施例中，包含了二氧化鈦平板與二氧化矽平板的光電轉換元件100，相對於沒有加 任何平板的光電轉換元件50，有更多的進光量。
圖4A繪示本發明一實施例之光電轉換元件模擬剖面圖。請參考圖4A，在本實施例中，光電轉換元件100a類似於光電轉換元件100，其主要構件皆可參考光電轉換元件100，在此便不贅述。其不同之處在於，光電轉換元件100a不包含絕緣材料層400以及絕緣材料層400’，且光電轉換元件100a更包括一光子晶體層500a，光子晶體層500a包括垂直於光電轉換體200表面S延伸的多個第一孔洞510a，其中這些第一孔洞510a以週期性排列。這些第一孔洞510a可以例如為圓柱形孔洞或圓錐形孔洞，或者其他形狀的孔洞。
圖4B繪示圖4A之光子晶體層500a放大的模擬剖面圖。請同時參考圖4A以及圖4B，具體而言，在本實施例中，第一孔洞510a可以為圓柱形孔洞，且這些圓柱形孔洞的直徑dcy與深度Dcy比落在0.5至0.9的範圍內。另外，相鄰二第一孔洞510a的節距(pitch)Pcy落在1微米(μm)至_1.2微米的範圍內。在本實施例中，具有週期性第一孔洞510a的光子晶體層500a的材料為二氧化矽。
圖4C繪示本發明另一實施例之光電轉換元件模擬剖面圖。請參考圖4C，在本實施例中，光電轉換元件100b類似於光電轉換元件100a，光電轉換元件100b主要構件皆可參考光電轉換元件100a，在此便不贅述。其不同之處在於，光電轉換元件100b包括絕緣材料層400。在本實施例中，絕緣材料層400配置於光子 晶體層500a與光電轉換體200之間，且絕緣材料層400包含二氧化鈦平板。
圖4D繪示本發明又一實施例之光電轉換元件模擬剖面 圖。請參考圖4D，在本實施例中，光電轉換元件100c類似於光電轉換元件100b，光電轉換元件100c主要構件皆可參考光電轉換元件100b，在此便不贅述。其不同之處在於，光電轉換元件100c的光子晶體層500b包括垂直於光電轉換體200表面S延伸的多個第一孔洞510b，其中這些第一孔洞510b以週期性排列。這些第一孔洞510b可以例如為圓柱形孔洞或圓錐形孔洞，或者其他形狀的孔洞。
圖4E繪示圖4D之光子晶體層500b放大的模擬剖面 圖。請同時參考圖4D以及圖4E，具體而言，在本實施例中，第一孔洞510b可以為圓錐形孔洞，且這些圓錐形孔洞的直徑dta與深度Dta比落在0.5至0.9的範圍內。另外，相鄰二第一孔洞510b的節距Pta落在1微米至1.2微米的範圍內。在本實施例中，具有週期性第一孔洞510b的光子晶體層500b的材料為二氧化矽，而絕緣材料層400則包含二氧化鈦平板。
圖4F繪示圖4A光電轉換元件100a與圖4C光電轉換元 件100b之能量流量對歸一化頻率的模擬作圖。請參考圖4F，在本實施例中，光電轉換元件100a與光電轉換元件100b置於相同於圖1光電轉換元件50之模擬環境。模擬的光電轉換元件100a與光電轉換元件100b亦包括模擬的完美匹配層PML來處理吸收邊 界條件，並且同樣以位於光電轉換體200於接收光線L的表面垂直方向-2μm的位置(位於光電轉換體200內部)作為接收區R。 透過時域有限差分法模擬計算光電轉換元件100a與光電轉換元件100b能量流量的模擬計算空間設定細節請參考上述圖1以及表一之實施例，在此便不再贅述。
在本實施例中，光電轉換元件100a包括以具有週期性之圓柱形孔洞作為光子晶體層500a。經過時域有限差分法模擬計算後，光電轉換元件100a於接收區R的能量流量計算值為40.68963037瓦特-米平方。另外，本發明一實施例之光電轉換元件100b則是以二氧化鈦平板作為絕緣材料層400，並以具有週期性之圓錐形孔洞作為光子晶體層500b。經過時域有限差分法模擬計算後，光電轉換元件100b於接收區R的能量流量計算值為42.28312740瓦特-米平方。光電轉換元件100b相對於光電轉換元件100a的能量傳播比率可藉由上述光電轉換元件100b於接收區R的能量流量計算值除以上述光電轉換元件100a於接收區R的能量流量計算值得出，亦即將42.28312740瓦特-米平方除以40.68963037瓦特-米平方並乘以百分比，得到103.92%的能量傳播比率。在本實施例中，亦可以計算出包含具有週期性之圓柱形孔洞作為光子晶體層500a的光電轉換元件100b，其相對於模擬環境中完美吸收層PML區域範圍僅包含相對介電常數為1的介質(空氣)的能量傳播比率。將光電轉換元件100b於接收區R的能量流量計算值除以上述空氣於接收區R的能量流量計算值，可以得到 92.6%的能量傳播比率。在圖4F中，「二氧化矽圓柱形孔洞」表示具有週期性圓柱形孔洞作為光子晶體層500a，但不具有絕緣材料層400的光電轉換元件100a。而「二氧化矽圓柱形孔洞+二氧化鈦平板」表示本發明一實施例之光電轉換元件100b。光電轉換元件100b具有週期性圓柱形孔洞作為光子晶體層500a，同時也具有包括二氧化鈦平板之絕緣材料層400。由圖4F中可以看出，光電轉換元件100b於接收區R的能量流量大於光電轉換元件100a於接收區R的能量流量。因此在本實施例中，同包含了具有週期性之圓柱形孔洞作為光子晶體層500a，以及包含具有二氧化鈦平板之絕緣材料層400的光電轉換元件100b，其相對於沒有包含二氧化鈦平板之絕緣材料層400的光電轉換元件100a，有更多的進光量。 除此之外，相較於圖2與圖3之實施例中光電轉換元件100具有相對於空氣76.3%的能量傳播比率而言，光電轉換元件100b相對於空氣92.6%的能量傳播比率表示其具有更多的進光量。
圖4G繪示圖4C光電轉換元件100b與圖4D光電轉換元件100c之能量流量對歸一化頻率的模擬作圖。請參考圖4G，在本實施例中，光電轉換元件100b與光電轉換元件100c置於相同於圖1光電轉換元件50之模擬環境。模擬的光電轉換元件100b與光電轉換元件100c亦包括模擬的完美匹配層PML來處理吸收邊界條件，並且同樣以位於光電轉換體200於接收光線L的表面垂直方向-2μm的位置(位於光電轉換體200內部)作為接收區R。透過時域有限差分法模擬計算光電轉換元件100b與光電轉換元件 100c能量流量的模擬計算空間設定細節請參考上述圖1以及表一之實施例，在此便不再贅述。
在本實施例中，光電轉換元件100b經過時域有限差分法 模擬計算後結果與上述圖4F所示之結果相同，亦即光電轉換元件100b於接收區R的能量流量計算值為42.28312740瓦特-米平方。 另外，光電轉換元件100c以二氧化鈦平板作為絕緣材料層400，但以具有週期性之圓錐形孔洞作為光子晶體層500b。經過時域有限差分法模擬計算後，光電轉換元件100c於接收區R的能量流量計算值為39.59895216瓦特-米平方。光電轉換元件100b相對於光電轉換元件100c的能量傳播比率可藉由上述光電轉換元件100b於接收區R的能量流量計算值除以上述光電轉換元件100c於接收區R的能量流量計算值得出，亦即將42.28312740瓦特-米平方除以39.59895216瓦特-米平方並乘以百分比，得到106.78%的能量傳播比率。在圖4G中，「圓柱形孔洞」表示具有週期性之圓柱形孔洞作為光子晶體層500a的光電轉換元件100b。而「圓錐形孔洞」表示具有週期性之圓錐形孔洞作為光子晶體層500b的光電轉換元件100c。由圖4G中可以看出，光電轉換元件100b於接收區R的能量流量大於光電轉換元件100c於接收區R的能量流量。因此在本實施例中，包含了具有週期性之圓柱形孔洞作為光子晶體層500a的光電轉換元件100b，相對於包含了具有週期性之圓錐形孔洞作為光子晶體層500b的光電轉換元件100c，有更多的進光量。
圖5A繪示本發明再一實施例之光電轉換元件模擬剖面 圖。圖5B繪示圖5A之光子晶體層500a與絕緣材料層400a放大的模擬剖面圖。請同時參考圖5A以及圖5B，在本實施例中，光電轉換元件100d類似於光電轉換元件100b，而如同於光電轉換元件100b，光電轉換元件100d的光子晶體層500a包括垂直於光電轉換體200表面S延伸的多個第一孔洞510a，這些第一孔洞510a以週期性排列，且這些第一孔洞510a可以例如為圓柱形孔洞或圓錐形孔洞，或者其他形狀的孔洞。其他光電轉換元件100d主要構件皆可參考光電轉換元件100b，在此便不贅述。其不同之處在於，光電轉換元件100d的絕緣材料層400a包括垂直於光電轉換體200表面S延伸的多個第二孔洞410a，這些第二孔洞410a以週期性排列，且這些第二孔洞410a可以例如為圓柱形孔洞或圓錐形孔洞，或者其他形狀的孔洞。
具體而言，在本實施例中，光電轉換元件100d的第一孔洞510a可以為圓柱形孔洞，且這些圓柱形孔洞的直徑dcy與深度Dcy比以及相鄰二第一孔洞510a的節距(pitch)Pcy可參考圖4B以及圖4C之光電轉換元件100b。而光電轉換元件100d的第二孔洞410a為圓柱形孔洞，且圓柱形孔洞410a的直徑dcy與深度Dcy比落在0.5至0.9的範圍內。且相鄰二第二孔洞410a的節距Pcy落在1微米至1.2微米的範圍內。在本實施例中，具有週期性第一孔洞510a的光子晶體層500a的材料為二氧化矽，而具有週期性第二孔洞410a的絕緣材料層400a的材料為二氧化鈦。具體而言，第一孔洞510a的中心軸A1與第二孔洞410a的中心軸A2在垂直 於光電轉換體200表面S的方向上彼此實質上重合，亦即第一孔洞510a與第二孔洞410a對齊排列。
圖5C繪示本發明另一實施例之光電轉換元件模擬剖面圖。圖5D繪示圖5C之光子晶體層500a與絕緣材料層400a放大的模擬剖面圖。請同時參考圖5C以及圖5D，在本實施例中，光電轉換元件100e類似於光電轉換元件100d，光電轉換元件100e主要構件皆可參考光電轉換元件100d，在此便不贅述。其不同之處在於，光電轉換元件100e的第一孔洞510a的中心軸A1與第二孔洞410a的中心軸A2在垂直於光電轉換體200表面S的方向上彼此實質上不重合，亦即第一孔洞510a與第二孔洞410a並非對齊排列。
圖5E繪示圖5A光電轉換元件100d與圖5C光電轉換元件100e之能量流量對歸一化頻率的模擬作圖。請參考圖5E，在本實施例中，光電轉換元件100d與光電轉換元件100e置於相同於圖1光電轉換元件50之模擬環境。模擬的光電轉換元件100d與光電轉換元件100e亦包括模擬的完美匹配層PML來處理吸收邊界條件，並且同樣以位於光電轉換體200於接收光線L的表面垂直方向-2μm的位置(位於光電轉換體200內部)作為接收區R。 透過時域有限差分法模擬計算光電轉換元件100d與光電轉換元件100e能量流量的模擬計算空間設定細節請參考上述圖1以及表一之實施例，在此便不再贅述。
在本實施例中，經過時域有限差分法模擬計算後，具有 第一孔洞510a與第二孔洞410a對齊排列的光電轉換元件100d於接收區R的能量流量計算值為34.28953767瓦特-米平方。而第一孔洞510a與第二孔洞410a非對齊排列的光電轉換元件100e於接收區R的能量流量計算值為36.50725878瓦特-米平方。光電轉換元件100e相對於光電轉換元件100d的能量傳播比率可藉由上述光電轉換元件100e於接收區R的能量流量計算值除以上述光電轉換元件100d於接收區R的能量流量計算值得出，亦即將36.50725878瓦特-米平方除以34.28953767瓦特-米平方並乘以百分比，得到106.47%的能量傳播比率。在圖5E中，「圓柱形孔洞不對齊」表示具有第一孔洞510a與第二孔洞410a不對齊排列的光電轉換元件100e。而「圓柱形孔洞對齊」表示具有第一孔洞510a與第二孔洞410a對齊排列的光電轉換元件100d。在圖5E中可以看出，光電轉換元件100e於接收區R的能量流量大於光電轉換元件100d於接收區R的能量流量。因此在本實施例中，具有第一孔洞510a與第二孔洞410a不對齊排列的光電轉換元件100e，相對於具有第一孔洞510a與第二孔洞410a對齊排列的光電轉換元件100d，有更多的進光量。
圖6A繪示本發明又一實施例之光電轉換元件模擬剖面 圖。圖6B繪示圖6A之光子晶體層500b與絕緣材料層400b放大的模擬剖面圖。請同時參考圖6A以及圖6B，在本實施例中，光電轉換元件100f類似於圖4D實施例之光電轉換元件100c，而如同於光電轉換元件100c，光電轉換元件100f的光子晶體層500b 包括垂直於光電轉換體200表面S延伸的多個第一孔洞510b，這些第一孔洞510b以週期性排列，且這些第一孔洞510b可以例如為圓柱形孔洞或圓錐形孔洞，或者其他形狀的孔洞。其他光電轉換元件100f主要構件皆可參考光電轉換元件100c，在此便不贅述。其不同之處在於，光電轉換元件100f的絕緣材料層400b包括垂直於光電轉換體200表面S延伸的多個第二孔洞410b，這些第二孔洞410b以週期性排列，且這些第二孔洞410b可以例如為圓柱形孔洞或圓錐形孔洞，或者其他形狀的孔洞。
具體而言，在本實施例中，光電轉換元件100f的第一孔洞510b可以為圓錐形孔洞，且這些圓錐形孔洞的直徑dta與深度Dta比以及相鄰二第一孔洞510b的節距Pta可參考圖4D以及圖4E之光電轉換元件100c。而光電轉換元件100f的第二孔洞410b為圓錐形孔洞，且圓錐形孔洞410b的直徑dta與深度Dta比落在0.5至0.9的範圍內。且相鄰二第二孔洞410b的節距Pta落在1微米至1.2微米的範圍內。在本實施例中，具有週期性第一孔洞510b的光子晶體層500b的材料為二氧化矽，而具有週期性第二孔洞410b的絕緣材料層400b的材料為二氧化鈦。具體而言，第一孔洞510b的中心軸A1與第二孔洞410b的中心軸A2在垂直於光電轉換體200表面S的方向上彼此實質上重合，亦即第一孔洞510b與第二孔洞410b對齊排列。
圖6C繪示本發明再一實施例之光電轉換元件模擬剖面圖。圖6D繪示圖6C之光子晶體層500b與絕緣材料層400b放大 的模擬剖面圖。請同時參考圖6C以及圖6D，在本實施例中，光電轉換元件100g類似於光電轉換元件100f，光電轉換元件100g主要構件皆可參考光電轉換元件100f，在此便不贅述。其不同之處在於，光電轉換元件100g的第一孔洞510b的中心軸A1與第二孔洞410b的中心軸A2在垂直於光電轉換體200表面S的方向上彼此實質上不重合，亦即第一孔洞510b與第二孔洞410b並非對齊排列。
圖6E繪示圖6A光電轉換元件100f與圖6C光電轉換元 件100g之能量流量對歸一化頻率的模擬作圖。請參考圖6E，在本實施例中，光電轉換元件100f與光電轉換元件100g置於相同於圖1光電轉換元件50之模擬環境。模擬的光電轉換元件100f與光電轉換元件100g亦包括模擬的完美匹配層PML來處理吸收邊界條件，並且同樣以位於光電轉換體200於接收光線L的表面垂直方向-2μm的位置(位於光電轉換體200內部)作為接收區R。 透過時域有限差分法模擬計算光電轉換元件100f與光電轉換元件100g能量流量的模擬計算空間設定細節請參考上述圖1以及表一之實施例，在此便不再贅述。
在本實施例中，經過時域有限差分法模擬計算後，具有 第一孔洞510b與第二孔洞410b對齊排列的光電轉換元件100f於接收區R的能量流量計算值為39.43540252瓦特-米平方。而第一孔洞510b與第二孔洞410b非對齊排列的光電轉換元件100g於接收區R的能量流量計算值為28.21903230瓦特-米平方。光電轉換 元件100f相對於光電轉換元件100g的能量傳播比率可藉由上述光電轉換元件100f於接收區R的能量流量計算值除以上述光電轉換元件100g於接收區R的能量流量計算值得出，亦即將39.43540252瓦特-米平方除以28.21903230瓦特-米平方並乘以百分比，得到139.75%的能量傳播比率。在圖6E中可以看出，光電轉換元件100f於接收區R的能量流量大於光電轉換元件100g於接收區R的能量流量。因此在本實施例中，具有第一孔洞510b與第二孔洞410b對齊排列的光電轉換元件100f，相對於具有第一孔洞510b與第二孔洞410b不對齊排列的光電轉換元件100g，有更多的進光量。
以下表二將舉出本實施例之光電轉換元件，在經過一些設計後其相對於空氣的能量傳輸效率表。需注意的是，下述之表二所列的資料並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者在參照本發明之後，當可應用本發明的原則對其參數或設定作適當的更動，以致使其設定之數據改變，惟其仍應屬於本發明之範疇內。
請同時參考圖2所述實施例之時域有限差分法模擬方式以及表二資料。在表二中，透過時域有限差分法模擬中的光電轉換元件其透明蓋板介電常數設定為1(等同空氣)。在空間中的介質一欄中，矽太陽能電池(相對介電常數12)表示其光電轉換元件例如是圖1實施例之光電轉換元件50。而矽太陽能電池(相對介電常數12)+單層二氧化矽平板則表示其光電轉換元件係例如為圖2實施例之光電轉換元件100但不包含絕緣材料層400。矽太陽能電池(相對介電常數12)+具圓柱形孔洞之單層二氧化矽表示其光電轉換元件係例如為圖4A之實施例之光電轉換元件100a。矽太陽能電池(相對介電常數12)+單層二氧化鈦平板+單層二氧化矽平板表示其光電轉換元件例如是圖2實施例之光電轉換元件100。而矽太陽能電池(相對介電常數12)+單層二氧化鈦平板+具圓柱形孔洞之單層二氧化矽則表示其光電轉換元件例如是圖4C實施例之光電 轉換元件100b。然而本發明並不受限於上述之構件組合，其所對應的模擬數值亦不受限於上述之列舉。本發明實施例之光電轉換元件，其材料選擇與分層型態、表面形狀等，皆可以依設計者依據設計規範進行調整。此外，值得注意的是，上述實施例之光電轉換元件100、100a、100b、100c、100d、100e、100f以及100g中，完美匹配層PML作為模擬環境中處理吸收邊界條件的完美匹配層。而在實際的產品中，本發明的實施例之光電轉換元件並不包含完美匹配層PML。
綜上所述，本發明的實施例的絕緣材料層配置於光電轉換體與透明蓋板之間，光子晶體層配置於絕緣材料層與透明蓋板之間，而其中光子晶體層與絕緣材料層的材料不同，使得光電轉換元件的進光量增加。在本發明的範例實施例中，光子晶體層包括垂直於該光電轉換體表面延伸的多個第一孔洞，其中這些第一孔洞以週期性排列，從而增加光電轉換元件的進光量。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100b‧‧‧光電轉換元件
210‧‧‧N型半導體層
220‧‧‧P型半導體層
230‧‧‧電極層
300‧‧‧透明蓋板
400‧‧‧絕緣材料層
500a‧‧‧光子晶體層
510a‧‧‧第一孔洞
L‧‧‧光線
PML‧‧‧完美吸收層
S‧‧‧表面

Claims (10)

  1. 一種光電轉換元件，包括：一光電轉換體，適於接收一光線；一透明蓋板，配置於該光電轉換體的一側；一絕緣材料層，配置於該光電轉換體與該透明蓋板之間；以及一光子晶體層，配置於該光線所通過的該絕緣材料層與該透明蓋板之間，其中該光子晶體層與該絕緣材料層的材料不同。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的光電轉換元件，其中該絕緣材料層為一平板，且該光子晶體層包括垂直於該光電轉換體表面延伸的多個第一孔洞，其中該些第一孔洞以週期性排列。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的光電轉換元件，其中該些第一孔洞為圓柱形孔洞或圓錐形孔洞。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的光電轉換元件，其中該光子晶體層包括垂直於該光電轉換體表面延伸的多個第一孔洞；以及該絕緣材料層包括垂直於該光電轉換體表面延伸的多個第二孔洞，其中該些第一孔洞以週期性排列，且該些第二孔洞以週期性排列。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的光電轉換元件，其中該些第一孔洞為圓柱形孔洞或圓錐形孔洞。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的光電轉換元件，其中該些第二孔洞為圓柱形孔洞或圓錐形孔洞。
  7. 如申請專利範圍第4項所述的光電轉換元件，其中該些第一孔洞以週期性排列，該些第二孔洞以週期性排列，且該第一孔洞的中心軸與該第二孔洞的中心軸在垂直於該光電轉換體表面的方向上彼此實質上重合。
  8. 如申請專利範圍第4項所述的光電轉換元件，其中該些第一孔洞以週期性排列，該些第二孔洞以週期性排列，且該第一孔洞的中心軸與該第二孔洞的中心軸在垂直於該光電轉換體表面的方向上彼此實質上不重合。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的光電轉換元件，其中該絕緣材料層的材料包括二氧化鈦或二氧化矽。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的光電轉換元件，其中該光子晶體層的材料包括二氧化矽或二氧化鈦。
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