TWI394285B - 光電轉換裝置及其製法 - Google Patents

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Description

光電轉換裝置及其製法
本發明係關於一種光電轉換裝置及其製法，尤指一種可降低串聯電阻且提高光電轉換效率之光電轉換裝置及其製法。
隨著現有能源(如石油及煤礦)逐漸短缺，開發取代現有能源之替代能源已漸漸受到矚目。在替代能源中，由於太陽能源非常充沛且不會造成環境的汙染，因此太陽能電池已成為眾所矚目的焦點。太陽能電池是一種將光能轉換成電能之光電轉換裝置，其基本構造係運用P型及N型半導體接合而成，其係利用P-N二極體吸收光能量，以產生自由電子與電洞，其中，電子及電洞會受到內建電位影響而分別朝N型及P型半導體移動，進而產生電流，最後經由電極將電流引出，即可形成供使用或儲存之電能。
請參見圖1，其係為習知太陽能電池之基本結構。如圖1A所示，習知太陽能電池主要包括：一P型半導體層11；一N型半導體層12，係設置於P型半導體層11上；一第一電極層13，係連接於P型半導體層11；以及一第二電極層14，係連接於N型半導體層12。其中，設置於入光面之第二電極層14具有一開口區141，據此，該第二電極層14係呈交趾狀，用以增加入射光面積。此外，為增加光取量，可於第二電極層14之開口區141設置一抗反射層15，以降低入射光之反射。然而，交趾狀電極之設計容易造成太陽能電池之串聯電阻過高，進而降低光電轉換效率。
為此，已提出有以透明導體作為入光面電極之建議，其係使用透明導體(如ITO)作為入光面之電極，其中，由於入光面之電極係由透明材質所形成，因此可全面形成於半導體層上，無需將電極設計為交趾狀。再者，請參見圖1B，其係為另一習知太陽能電池之示意圖。如圖1B所示，該習知太陽能電池之結構大致與圖1A所示之太陽能電池結構相同，惟不同處在於，於第二電極層14與N型半導體層12間更設置有一透明導體16，以增加導電性。
另外，請參見圖1C，其係為另一習知太陽能電池之示意圖。如圖1C所示，該習知太陽能電池之結構大致與圖1B所示之太陽能電池結構相同，惟不同處在於，第二電極層14之開口區141中未設置有一抗反射層。
綜上所述，習知技術所提出改善光電轉換效率之其中兩種方法為：(1)使用透明導體作為電極，以全面形成於半導體層上，無需將電極設計為交趾狀；(2)於電極與半導體間形成透明導體，以增加導電性。然而，無論係將上述透明導體形成於電極與半導體之間，或是將上述透明導體直接形成於半導體上作為電極，皆可能因材料的阻值仍大，而未能有效提升轉換效率，再者，該等結構中之材料間的界面能障因而提高，更將對光電轉換效率有不利的影響。
本發明之主要目的係在提供一種光電轉換裝置，其不僅可降低串聯電阻，同時，入光面之電極無需侷限於透明材料，故可選用可有效導出有效電荷載子之材料，以大幅提昇光電轉換效率。
為達上述目的，本發明提供一種光電轉換裝置，其包括：一第一半導體層；一第二半導體層，係設置於第一半導體層上；一第一電極層，係連接於第一半導體層；一第二電極層，係連接於第二半導體層，其中，第二電極層具有一開口區，以顯露第二半導體層；以及一低反射導電膜，係設置於開口區中，且與第二電極層及第二半導體層連接。其中，為增加開口區之導電度，以降低串聯電阻，該低反射導電膜之電阻率係小於或等於第二半導體層之電阻率。
據此，本發明係藉由於開口區中形成低反射導電膜，以增加開口區之導電性，進而降低串聯電阻，其中，由於光線可由開口區入射，故第二電極層之材料並不侷限於透明材料，習知適合之電極材料皆可使用，較佳係使用可有效導出有效電荷載子之電極材料，如銀電極，以有效提高光電轉換效率，另外，本發明之第二電極層可設計為習知任何具有開口區之型態，如交趾狀、條狀或網狀等。
本發明之光電轉換裝置更可包括一抗反射層，其係設置於該低反射導電膜上，以降低入射光的反射，進而增加光取量。
於本發明之光電轉換裝置中，低反射導電膜可為任何透光、低反射且電阻率小於或等於第二半導體層之導電膜，較佳為具有高透光度、低反射及高導電度之導電膜，如金屬膜、金屬氧化膜或導電奈米材料膜。其中，金屬膜之材料可為鋁膜、金膜、銀膜、銅膜、鎢膜、鉻膜、鎳膜等，較佳係與第二電極層之材料相同，以避免不同材料間之排斥現象，例如，第二電極層可為鋁電極層，而金屬膜可為鋁膜。而金屬氧化膜可以氧化鋅(ZnO)、氧化錫(SnO2 )、氧化鋅與氧化錫混合物(ZnO-SnO2 )、氧化鋅與氧化銦混合物(ZnO-In2 O3 )為主體，並可進一步包含其他的元素。其他的元素包含鋁、鎵、銦、硼、釔、鈧、氟、釩、矽、鍺、鋯、鉿、氮、鈹或其組合，較佳為銦錫氧化物膜。此外，導電奈米材料膜可包括導電奈米管膜、導電奈米線膜、導電奈米帶膜、導電奈米棒膜、導電奈米球膜等，且可為具有導電性之非金屬奈米材料膜或金屬奈米材料膜，其中，非金屬奈米材料膜可包括奈米碳管膜、導電聚合物纖維膜及類似物，而金屬奈米材料膜可包括元素金屬奈米材料膜、金屬合金奈米材料膜、金屬化合物奈米材料膜、金屬氧化物奈米材料膜等。更佳者，該低反射導電膜為具有較佳抗反射功效之奈米碳管膜，以提高光取量。在此，第二電極層之表面亦可設置有該低反射導電膜。
於本發明之光電轉換裝置中，第一半導體層可為P型半導體層，而第二半導體層可為N型半導體層；或者，第一半導體層為N型半導體層，而第二半導體層為P型半導體層。其中，P型半導體層之摻質可為第III族之元素，而N型半導體層之摻質可為第V族之元素。
於本發明之光電轉換裝置中，第一電極層之材料並無特殊限制，習知適合之電極材料皆可使用，較佳係使用高功率函數材料，以形成歐姆接觸，如鋁電極。
於本發明之光電轉換裝置中，第二電極層之材料並無特殊限制，習知適合之電極材料皆可使用，較佳係使用低功率函數材料，以形成歐姆接觸，並可有效導出有效電荷載子，如銀電極，俾以有效提高光電轉換效率。
於本發明之光電轉換裝置中，該低反射導電膜之厚度較佳為10至10μm；電阻率較佳為10-3 Ωcm至10-8 Ωcm；反射率較佳為低於10%。
此外，本發明更提供一種上述光電轉換裝置之製法，其包括：形成一第二半導體層於第一半導體層上；形成一第一電極層於第一半導體層上，且形成一第二電極層於第二半導體層上，其中，該第二電極層具有一開口區，以顯露第二半導體層；以及形成一低反射導電膜於開口區中，以使低反射導電膜與第二電極層及第二半導體連接，其中，低反射導電膜之電阻率小於或等於第二半導體層之電阻率。
本發明之光電轉換裝置製法更可包括：形成一抗反射層於低反射導電膜上。
於本發明之光電轉換裝置製法中，該低反射導電膜更可形成於第二電極層之表面上。
綜上所述，相較於習知改善光電轉換效率的方法，本發明係利用低反射導電膜來降低開口區之串聯電阻，據此，本發明之入光面電極可設計為交趾狀、條狀或網狀等，而入光面電極則可使用能有效導出電荷載子之電極材料，如銀電極，故相較於使用透明導體作為電極之習知技術，本發明更能有效提高光電轉換效率。另外，相較於加置透明導體於電極及半導體間以提高導電性之習知技術，本發明中電極與半導體層間未夾置額外層膜結構，故可避免界面能障提高導致光電轉換效率下降之問題。
以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人式可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。
實施例1
請參見圖2A至圖2C，係為本實施例之光電轉換裝置製作流程圖。首先，如圖2A所示，形成第二半導體層22於第一半導體層21上，於本實施例中，第一半導體層21為P型摻雜之矽層，而第二半導體層22則為N型摻雜之矽層。
接著，如圖2B所示，形成第一電極層23於第一半導體21上，且形成第二電極層24於第二半導體層22上，其中，第二電極層24具有一開口區241，以顯露第二半導體層22。於本實施例中，第二電極層24係呈如圖1A及1B所示之交趾狀，再者，與第一半導體層21接觸之第一電極層23，可使用高功率函數材料來形成歐姆接觸；與第二半導體層22接觸之第二電極層24，可使用低功率函數材料來形成歐姆接觸，據此，本實施例之第一電極層23為鋁電極，而第二電極層24為銀電極。
隨後，如圖2C所示，形成低反射導電膜25於開口區241中，其中，低反射導電膜25與第二電極層24及第二半導體層22連接。於本實施例中，低反射導電膜25係為奈米碳管膜，其係藉由將奈米碳管分散於揮發性溶劑(如酒精、異丙醇、丙酮等，本實施例係使用酒精)中後，再將奈米碳管溶液塗佈於開口區241中，以於開口區241中形成奈米碳管膜，其中，奈米碳管將連結成網狀式結構。在此，奈米碳管可藉由任何習知方法製備，如電弧放電法、雷射氣化法、化學氣相沉積法、太陽能法、微波輔助化學氣相沉積法等。於本實施例中，奈米碳管係藉由電弧放電法製備。
據此，如圖2C所示，本實施例提供一種光電轉換裝置，其包括：第一半導體層21；第二半導體層22，係設置於第一半導體層21上；第一電極層23，係連接於第一半導體層21；第二電極層24，係連接於第二半導體層22，其中，第二電極層24具有一開口區241，以顯露第二半導體層22；以及低反射導電膜25，係設置於開口區241中，且與第二電極層24及第二半導體層22連接，其中，低反射導電膜25之電阻率小於或等於第二半導體層22之電阻率。
實施例2
本實施例之光電轉換裝置大致與實施例1所述相同，惟不同處在於，本實施例之低反射導電膜25係為一銀膜。
實施例3
本實施例之光電轉換裝置大致與實施例1所述相同，惟不同處在於，本實施例之低反射導電膜25係為一鋁膜。
實施例4
本實施例之光電轉換裝置大致與實施例1所述相同，惟不同處在於，本實施例之低反射導電膜25係為銦錫氧化物膜。
實施例5
本實施例之光電轉換裝置大致與實施例1所述相同，惟不同處在於，如圖3所示，本實施例更包括一抗反射層26，其係形成於低反射導電膜25上，以降低入射光之反射，進而提高光取量。
實施例6
本實施例之光電轉換裝置大致與實施例5所述相同，惟不同處在於，如圖4所示，本實施例之低反射導電膜25更形成於第二電極層24之表面上。
比較例1
本比較例之光電轉換裝置大致與實施例1所述相同，惟不同處在於，本比較例之光電轉換裝置未設置低反射導電膜25於開口區241中。
比較例2
本比較例之光電轉換裝置大致與圖1C所示結構相同。在此，本比較例之P型半導體層11、N型半導體層12、第一電極層13及第二電極層14之材料及條件皆與實施例1所述相同，且該透明導體16係為銦錫氧化物層。
實驗例1
測定實施例1及比較例1所製得之光電轉換裝置之電壓-電流曲線圖、電壓-功率曲線圖及其他光電轉換特性數據，其結果如圖5、6及下表1所示。
由上述結果可發現，相較於比較例1，實施例1所製得之光電轉換裝置具有較佳之光電轉換特性。據此，得以證實，改善開口區之導電性確實可有效提昇光電轉換特性。
實驗例2
測定實施例4及比較例2所製得之光電轉換裝置之電壓-短路電流曲線圖及其他光電轉換特性數據，其結果如圖7及下表2所示。
由上述結果可發現，相較於比較例2，實施例4所製得之光電轉換裝置具有較佳之光電轉換特性。據此，得以證實，相較於加置透明導體於電極及半導體間以提高導電性之習知技術，本發明直接改善開口區之導電性，可避免於電極及半導體間加置透明導體所導致之界面能障提高問題，因此更能有效改善光電轉換特性。
上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
11．．．P型半導體層
12．．．N型半導體層
13,23．．．第一電極層
14,24．．．第二電極層
141,241．．．開口區
15,26．．．抗反射層
16．．．透明導體
21．．．第一半導體層
22．．．第二半導體層
25．．．低反射導電膜
圖1A係習知太陽能電池之示意圖。
圖1B係另一習知太陽能電池之示意圖。
圖1C係另一習知太陽能電池之示意圖。
圖2A至2C係本發明一較佳實施例之光電轉換裝置製作流程圖。
圖3係本發明一較佳實施例之光電轉換裝置剖視圖。
圖4係本發明一較佳實施例之光電轉換裝置剖視圖。
圖5係本發明實施例1與比較例1所製得之光電轉換裝置之電壓-電流曲線圖，其中，-■-係代表實施例1，-△-係代表比較例1。
圖6係本發明實施例1與比較例1所製得之光電轉換裝置之功率-電流曲線圖，其中，-■-係代表實施例1，-△-係代表比較例1。
圖7係本發明實施例4與比較例2所製得之光電轉換裝置之電壓-短路電流曲線圖，其中，-■-係代表實施例4，-●-係代表比較例2。
21．．．第一半導體層
22．．．第二半導體層
23．．．第一電極層
24．．．第二電極層
241．．．開口區
25．．．低反射導電膜

Claims (26)

  1. 一種光電轉換裝置，包括：一第一半導體層；一第二半導體層，係設置於該第一半導體層上；一第一電極層，係連接於該第一半導體層；一第二電極層，係連接於該第二半導體層，其中，該第二電極層具有一開口區，以顯露該第二半導體層；以及一低反射導電膜，係設置於該開口區中，且與該第二電極層及該第二半導體層連接，其中，該低反射導電膜之電阻率小於或等於該第二半導體層之電阻率，且該低反射導電膜係為一金屬膜、一金屬氧化膜或一導電奈米材料膜。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光電轉換裝置，更包括一抗反射層，係設置於該低反射導電膜上。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之光電轉換裝置，其中，該第二電極層之表面設置有該低反射導電膜。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之光電轉換裝置，其中，該第一半導體層係為一P型半導體層，而該第二半導體層係為一N型半導體層。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之光電轉換裝置，其中，該第一半導體層係為一N型半導體層，而該第二半導體層係為一P型半導體層。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之光電轉換裝置，其中，該金屬膜之材料與該第二電極層之材料相同。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之光電轉換裝置，其中，該金屬膜係為一鋁膜或銀膜。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之光電轉換裝置，其中，該金屬氧化膜係為一銦錫氧化物膜。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之光電轉換裝置，其中，該導電奈米線膜係為一奈米碳管膜。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之光電轉換裝置，其中，該第二電極層呈交趾狀。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之光電轉換裝置，其中，該低反射導電膜之厚度為10Å至10μm。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之光電轉換裝置，其中，該低反射導電膜之電阻率為10-3 Ω cm至10-8 Ω cm。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之光電轉換裝置，其中，該低反射導電膜之反射率為低於10%。
  14. 一種光電轉換裝置之製法，包括：形成一第二半導體層於一第一半導體層上；形成一第一電極層於該第一半導體上，且形成一第二電極層於該第二半導體上，其中，該第二電極層具有一開口區，以顯露該第二半導體層；以及形成一低反射導電膜於該開口區中，以使該低反射導電膜與該第二電極層及該第二半導體層連接，其中，該低反射導電膜之電阻率小於該第二半導體層之電阻率，且該低反射導電膜係為一金屬膜、一金屬氧化膜或一導電奈米材料膜。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之製法，更包括：形成一抗反射層於該低反射導電膜上。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之製法，其中，該低反射導電膜更形成於該第二電極層之表面上。
  17. 如申請專利範圍第14項所述之製法，其中，該第一半導體層係為一P型半導體層，而該第二半導體層係為一N型半導體層。
  18. 如申請專利範圍第14項所述之製法，其中，該第一半導體層係為一N型半導體層，而該第二半導體層係為一P型半導體層。
  19. 如申請專利範圍第14項所述之製法，其中，該金屬膜之材料與該第二電極層之材料相同。
  20. 如申請專利範圍第14項所述之製法，其中，該金屬膜係為一鋁膜或銀膜。
  21. 如申請專利範圍第14項所述之製法，其中，該金屬氧化膜係為一銦錫氧化物膜。
  22. 如申請專利範圍第14項所述之製法，其中，該導電奈米線膜係為一奈米碳管膜。
  23. 如申請專利範圍第14項所述之製法，其中，該第二電極層呈交趾狀。
  24. 如申請專利範圍第14項所述之製法，其中，該低反射導電膜之厚度為10Å至10μm。
  25. 如申請專利範圍第14項所述之製法，其中，該低反射導電膜之電阻率為10-3 Ω cm至10-8 Ω cm。
  26. 如申請專利範圍第14項所述之製法，其中，該低反射導電膜之反射率為低於10%。
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