TWI405348B - Production method of photoelectric conversion element for silicon thin film solar cell - Google Patents

Description

矽薄膜太陽能電池之光電轉換元件的製作方法

本發明係與矽薄膜太陽能電池有關，特別是關於提升太陽能電池光電轉換效率之一種矽薄膜太陽能電池之光電轉換元件的製作方法。

傳統太陽能電池是平面式單晶矽或多晶矽製成之太陽能電池，由於其中矽基底的易脆特性使基底晶圓需有特定的厚度條件，致使基底材料即占去太陽能電池大量的成本消耗；因此以非晶矽(amorphous silicon，a-Si)或微晶矽(microcrystalline silicon)為主的矽薄膜太陽能電池則以其可在玻璃上成長薄膜之特點，加上光電轉換材料本身對可見光譜的吸收力較單晶矽或多晶矽太陽能電池強，而更可以薄型化製成的優點，逐漸受到各國產業的重視，不過其缺點在於光電轉換效率尚不及單晶矽或多晶矽太陽能電池。故當前以矽材料蘊藏豐富及取材容易的情況下，仍以單晶矽或多晶矽太陽能電池為主流。

以目前矽薄膜太陽能電池之實驗階段而言，其光電轉換元件係於一玻璃基板上依序疊置一以透明導電性氧化物(transparent conductive oxide，TCO)材質為主之透明電極層、一材質為非晶矽或微晶矽之本質層，以及一材質為鋁(Al)或其他金屬之不透明電極層，以使光線在入射透明電極層並通過該本質層時產生光電轉換而發電。為提升該光電轉換元件之光電轉換效率，該透明電極層通常製成為具有光散射結構，詳而言之，該透明電極層之與該本質層連接的下表面係經過糙化處理，使得光線經過該表面時會因產生散射而霧化，以增加光線在該本質層中行走的路徑長度及停留時間，提高本質層吸收光線轉換為電子及電洞對之產生數量，因此該光散射結構又可稱為光封存結構。

太陽能電池之光封存結構早先存在於單晶矽或多晶矽太陽能電池，係對受光面的光電轉換本質層，亦即於單晶矽或多晶矽結構上，以蝕刻或長晶方式製作出正金字塔型或逆金字塔型的光封存結構，再將受光面之透明電極層以鍍膜方式疊置上去；如此應用於非晶矽或微晶矽太陽能電池，則為先在受光面玻璃基板上，依透明電極層的材料特性形成光封存結構，再將光電轉換本質層疊置上去。舉例而言，習用之一種矽薄膜太陽能電池之光電轉換元件，其透明電極層係於玻璃基板上以長晶方式疊設一材質為氧化鋅(ZnO)之鋸齒狀的光散射結構；然而，受限於氧化鋅的六方堆積晶體結構，該光散射結構的微觀表面於實際上為六方柱狀的突起，相當不易製作成鋸齒狀尖端，尤其更不易以長晶之方式製出均勻的金字塔型結構，故一旦製成太陽能電池後，自玻璃基板之受光面方向而言，透明電極層之底部實為高度不規則的散射結構，且鋸齒狀之凹陷底部亦稍顯平坦，因此底部的反射缺陷造成其光電轉換效率不如預期。又，習用之另一種矽薄膜太陽能電池之光電轉換元件，其透明電極層係於玻璃基板上先鋪設一氧化鋅的平面單晶層，再於該單晶層蝕刻出鋸齒狀的光散射結構；然而，為了避免過蝕以維持電極層適當的導電厚度，需控制鋸齒狀之成形範圍，使該光散射結構之蝕刻刻痕之間會間隔一相當距離，故自玻璃基板之受光面方向而言，鋸齒狀之凹陷底部更顯平坦，意即，該光散射結構之糙化程度較小，使得光線之霧化率較低，因此該光電轉換元件之效率仍不理想。加上單以氧化鋅形成之透明電極層的導電率不佳，需額外摻雜如鋁金屬等導電材料以提高導電率，因此增加矽薄膜太陽能電池之製程複雜度。

換言之，前述習用之矽薄膜太陽能電池之光電轉換元件均仍有其不足之處，而有待改進。

有鑑於上述缺失，本發明之主要目的在於提供一種矽薄膜太陽能電池之光電轉換元件的製作方法，其不但簡單，更可提升矽薄膜太陽能電池之光電轉換效率者。

為達成上述目的，本發明所提供之矽薄膜太陽能電池之光電轉換元件的製作方法，其步驟包含有：a)在一模具之一粗糙表面及一透光基板之一第一表面之間夾設一層透明感光膠，該透光基板具有在與該第一表面相對之第二表面上依序堆疊之一透明電極層、一材質為非晶矽(amorphous silicon)或微晶矽(microcrystalline silicon)之本質層，以及一背電極層；b)使該透明感光膠受光而定型出一與該模具之粗糙表面具有互補形狀之光散射表面；以及c)將該模具自該光散射表面取下。藉此，該光電轉換元件不但容易製作，且該光散射表面之形狀可均勻且密集地起伏，以提升光線通過該光散射表面時之霧化率，進而提升矽薄膜太陽能電池之光電轉換效率。

有關本發明所提供之矽薄膜太陽能電池之光電轉換元件的製作方法的詳細構造、特點、組裝或使用方式，將於後續的實施方式詳細說明中予以描述。然而，在本發明領域中具有通常知識者應能瞭解，該等詳細說明以及實施本發明所列舉的特定實施例，僅係用於說明本發明，並非用以限制本發明之專利申請範圍。

以下將藉由所列舉之實施例配合隨附之圖式，詳細說明本發明之技術內容及特徵，其中：第一圖及第二圖為本發明一第一較佳實施例所提供之矽薄膜太陽能電池之光電轉換元件的製作方法之示意圖，係顯示該元件具有多數呈45度角之鋸齒的態樣；第三圖及第四圖為本發明該第一較佳實施例所提供之矽薄膜太陽能電池之光電轉換元件的製作方法之示意圖，係顯示該元件具有多數呈90度角之鋸齒的態樣；第五圖為光線通過本發明該第一較佳實施例所提供之光電轉換元件之霧化率相對於波長的曲線圖；第六圖為光線通過本發明該第一較佳實施例所提供之光電轉換元件所產生之電流密度相對於電壓的曲線圖；第七圖為本發明一第二較佳實施例所提供之矽薄膜太陽能電池之光電轉換元件的示意圖；第八圖及第九圖為本發明該第二較佳實施例所提供之矽薄膜太陽能電池之光電轉換元件的製作方法之示意圖；以及第十圖係類同於第六圖，惟其中更顯示光線通過本發明該第二較佳實施例所提供的光電轉換元件所產生之電流密度相對於電壓的曲線。

申請人首先在此說明，在以下將要介紹之實施例以及圖式中，相同之參考號碼，表示相同或類似之元件或其結構特徵。

請先參閱第一圖及第二圖，本發明一第一較佳實施例所提供之矽薄膜太陽能電池之光電轉換元件10的製作方法包含有以下步驟：

a)　如第一圖所示，在一模具20之一粗糙表面22及一透光基板30之一第一表面31之間夾設一層透明感光膠40，該透光基板30之一與該第一表面31相對之第二表面32依序堆疊一透明電極層50、一材質為矽之本質層60，以及一背電極層70。詳而言之，該模具20係由聚二甲基矽氧烷(Polydimethyl siloxane，PDMS)所製成之一微結構模具，因此該粗糙表面22可製成鋸齒狀，並具有均勻且密集地分佈的多數個V形凹槽222，且各該凹槽222具有二夾角為45度之平面；該透明感光膠40係由如UV膠等照光即可固化之材質所製成，可先被鋪設於該透光基板30之第一表面31上，再於其上疊設該模具20，亦可先將該透明感光膠40鋪設於該模具20之粗糙表面22上並填滿該等凹槽222，再疊設於該透光基板30的第一表面31上，使該模具20之粗糙表面22尖端頂抵於該透光基板30之第一表面31。另外，該透明電極層50背電極層可由如氧化銦錫(ITO)製成之透明導電性氧化物(transparent conductive oxide，TCO)或金屬薄膜材料所製成，該背電極層70可由具有低阻值、高導電度的金屬材料所製成；而且，該透明電極層50、本質層60及背電極層70可事先疊設完成，或者，亦可在該透明感光膠40及模具20疊設完畢後進行。

b)　使該透明感光膠40受光而定型出一與該模具20之粗糙表面22具有互補形狀之光散射表面42。詳而言之，由於PDMS之光透性佳，使光線自該模具20上方向下照射即可使該透明感光膠40受光；該透明感光膠40受光前係與該模具20緊密貼合，待其硬化後則會與該模具20分離。

c)　將該模具20自該光散射表面42取下。如此一來，如第二圖所示，該光電轉換元件10即製作完成，其最上方係為由該模具20之粗糙表面22轉印而成之光散射表面42，具有多數個分別與該等凹槽222互補之呈45度角的鋸齒422，該等鋸齒422係均勻且密集地分佈，使得該光散射表面42不具有平坦處，光線通過該光散射表面42之霧化率高，因此該光電轉換元件10之光電轉換效率十分良好。

值得一提的是，該光電轉換元件10之光散射表面42的鋸齒422角度並不以45度為限，如第三圖及第四圖所示，本發明亦可藉由各該凹槽222之夾角為90度的模具20轉印該光散射表面42，使得該光散射表面42的鋸齒422角度係呈90度，如此一來，如第五圖所示，光線通過該光散射表面42之霧化率會更高。又，如第六圖所示，不論該光電轉換元件10之光散射表面42的鋸齒422角度為45度或90度，其產生之電流密度都較習用光電轉換元件所產生之電流密度大。

另外，如第七圖所示，本發明一第二較佳實施例更提供另一光電轉換元件80，其透明電極層90具有一與該本質層60連接之起伏表面92，該起伏表面92具有複數個圓弧形凹槽922，可使光線通過時再度產生散射，以提升進入該本質層60之光線的霧化率，進而提高該光電轉換元件80之光電轉換效率。詳而言之，如第八圖所示，該透明電極層90之製作方法係先於該透光基板30之第二表面32上平坦地鋪設一層氧化銦錫，再雷射雕刻出該等凹槽922，以形成該起伏表面92；之後，再於該起伏表面92上依序鋪設一層矽及一層金屬，以成型出該本質層60及背電極層70(如第九圖所示)，即可使該本質層60與該透明電極層90連接之表面的形狀係與該起伏表面92互補。如第十圖所示，本實施例中具有該起伏表面92之光電轉換元件80所產生之電流密度係較第一較佳實施例所提供之光電轉換元件10所產生之電流密度大，因而可證實該光電轉換元件80具有較高之光電轉換效率。

最後，必須再次說明，本發明於前揭實施例中所揭露的構成元件，僅為舉例說明，並非用來限制本案之範圍，其他等效元件的替代或變化，亦應為本案之申請專利範圍所涵蓋。

10．．．光電轉換元件

20．．．模具

22．．．粗糙表面

222．．．凹槽

30．．．透光基板

31．．．第一表面

32．．．第二表面

40．．．透明感光膠

42．．．光散射表面

422．．．鋸齒

50．．．透明電極層

60．．．本質層

70．．．背電極層

80．．．光電轉換元件

90．．．透明電極層

92．．．起伏表面

922．．．凹槽

第一圖及第二圖為本發明一第一較佳實施例所提供之矽薄膜太陽能電池之光電轉換元件的製作方法之示意圖，係顯示該元件具有多數呈45度角之鋸齒的態樣；

第三圖及第四圖為本發明該第一較佳實施例所提供之矽薄膜太陽能電池之光電轉換元件的製作方法之示意圖，係顯示該元件具有多數呈90度角之鋸齒的態樣；

第五圖為光線通過本發明該第一較佳實施例所提供之光電轉換元件之霧化率相對於波長的曲線圖；

第六圖為光線通過本發明該第一較佳實施例所提供之光電轉換元件所產生之電流密度相對於電壓的曲線圖；

第七圖為本發明一第二較佳實施例所提供之矽薄膜太陽能電池之光電轉換元件的示意圖；

第八圖及第九圖為本發明該第二較佳實施例所提供之矽薄膜太陽能電池之光電轉換元件的製作方法之示意圖；以及

第十圖係類同於第六圖，惟其中更顯示光線通過本發明該第二較佳實施例所提供的光電轉換元件所產生之電流密度相對於電壓的曲線。

20．．．模具

22．．．粗糙表面

222．．．凹槽

30．．．透光基板

31．．．第一表面

32．．．第二表面

40．．．透明感光膠

42．．．光散射表面

50．．．透明電極層

60．．．本質層

70．．．背電極層

Claims (9)

1. 一種矽薄膜太陽能電池之光電轉換元件的製作方法，其步驟包含有：a)　在一模具之一粗糙表面及一透光基板之一第一表面之間夾設一層透明感光膠，該透光基板具有在與該第一表面相對之第二表面上依序堆疊之一透明電極層、一材質為非晶矽(amorphous silicon)或微晶矽(microcrystalline silicon)之本質層，以及一背電極層；b)　使該透明感光膠受光而定型出一與該模具之粗糙表面具有互補形狀之光散射表面；以及c)　將該模具自該光散射表面取下。
2. 如申請專利範圍第1項所述之矽薄膜太陽能電池之光電轉換元件的製作方法，其中該步驟a)中，係先將該透明感光膠鋪設於該透光基板的第一表面上，再將該模具疊設於該透明感光膠上，壓合該模具與該透光基板使該模具之粗糙表面與該透光基板之第一表面接觸。
3. 如申請專利範圍第1項所述之矽薄膜太陽能電池之光電轉換元件的製作方法，其中該步驟a)中，該模具係由聚二甲基矽氧烷(Polydimethyl siloxane，PDMS)所製成之一微結構模具。
4. 如申請專利範圍第1項所述之矽薄膜太陽能電池之光電轉換元件的製作方法，其中該步驟a)中，該模具之粗糙表面係呈鋸齒狀，具有複數個凹槽。
5. 如申請專利範圍第4項所述之矽薄膜太陽能電池之光電轉換元件的製作方法，其中該步驟a)中，係先將該透明感光膠鋪設於該模具之粗糙表面上並填滿該等凹槽，再將該模具併該透明感光膠疊設於該透光基板的第一表面上，使該模具之粗糙表面與該透光基板之第一表面接觸。
6. 如申請專利範圍第4項所述之矽薄膜太陽能電池之光電轉換元件的製作方法，其中該模具之各該凹槽具有二夾角為45度或90度之平面。
7. 如申請專利範圍第1項所述之矽薄膜太陽能電池之光電轉換元件的製作方法，其中該步驟a)中，該透明電極層係由透明導電性氧化物(transparent conductive oxide，TCO)或金屬薄膜製成之材質。
8. 如申請專利範圍第1項所述之矽薄膜太陽能電池之光電轉換元件的製作方法，其中該步驟a)中，該透明電極層堆疊完成後更形成一與該本質層連接且具有複數個凹槽之起伏表面。
9. 如申請專利範圍第8項所述之矽薄膜太陽能電池之光電轉換元件的製作方法，其中該起伏表面之凹槽係利用雷射雕刻而成。