TWI415276B - 具高吸收效率表面結構的太陽能電池 - Google Patents

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Description

具高吸收效率表面結構的太陽能電池
本發明是一種太陽能電池，尤其是關於一種表面具備高吸收結構特性的太陽能電池。
科技越來越發達的現代，除了工業所帶來的污染，能源的耗盡，也開始受到人們所重視，為了開發新能源，綠色能源也成了熱門話題，水力發電、風力發電、太陽能等等，其中又以太陽能特別受到重視，因為不會像風力發電必須在空曠處，又可以避免龐大的噪音影響日常生活，並且會干擾動物生態(例如：鳥類)，以及必須擁有十分充裕的風力才能運行的問題，太陽能能源不受地域所影響，只要是有陽光照射充足的地方，就可以源源不斷的接受太陽的能源，而且能源轉換的同時，更不會產生環境污染之議題，因此世界各國都積極發展太陽能科技。
在1883年由Charles Fritts博士使用鍺半導體完成第一片太陽能電池，此時太陽能電池的效率只有1%。1950年代隨著半導體的快速發展，1954年貝爾實驗室使用矽摻入雜質完成太陽電池後，就正式進入了太陽能電池的時代。而後太陽能電池的技術更被運用上了外太空當成人造衛星的能源，在1973年石油危機的短缺，太陽能能源的議題更是受到世界各國的注意。現今太陽能電池已經被廣泛使用在日常生活中，除了建築整合太陽能，其方便攜帶的優點更是運用在手錶、手機以及交通工具上面，可見其發展淺力。
太陽能電池的種類非常多種，可以區分為無機半導體太陽能電池以及有機半導體太陽能電池，其中無機半導體材料大致可區分為非晶矽、多晶矽、單晶矽、III-V族半導體以及II-VI族半導體等，有機半導體太陽能電池可區分為染料敏化太陽能電池(dye sensitized solar cell)及高分子太陽能電池。目前市面上的主流太陽能電池，以發展較久的結晶矽為主，又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。結晶矽太陽能製程大致可分為上游、中游及下游，上游部分為半導體材料製作，製程上大致包含拉晶->修角->切片->蝕刻及拋光，下游部分為太陽能電力系統建構，而中游部分為太陽能電池元件與組件。
目前一般市售太陽能電池以結晶矽為主要材料，光電轉換效率大約為18%，其中矽對於太陽光有37.5%的反射率，這些反射的太陽光成為了使太陽能電池效率不高的一個重要因素。太陽能電池對於材料降低反射率常用的方法包含使用鍍膜技術以及粗化技術，其中鍍膜技術是在光學元件之表面鍍一層或多層薄膜，產生多個介面，使得經由各個界面反射回來的光波與光波之間產生破壞性的干涉，直至反射光消失。另外粗化技術包含隨機結構粗化以及規則性結構粗化，藉由結構減少全反射機率與增加光線於材料內部之停留時間。
太陽能電池表面反射光，是造成太陽能效率下降的最大原因。為了減少反射，鍍製抗反射膜及表面粗化是常採用的方式之一。抗反射膜的應用常會遇到的問題為無法在所有波長中有效的壓低反射率，尤其是在短波長部份，而且，抗反射膜之抗反射效果與光線的入射角度有關，當入射光角度較大時，無法有效壓低反射，因此逐漸勢微。另一方面，目前太陽能電池表面粗化的相關研究非常多，諸如：2006年C. M. Yang等人，使用鹼蝕刻製作出金字塔型(Pyramid)微結構，有88%的抗反射率，2007年U. Gangopadhyay等人，使用酸蝕刻所製作的表面不規則粗化，有84%的抗反射率。2008年L. A. Dobrzan’ skia等人，使用鹼蝕刻加上雷射製程，在材料表面挖出正交溝槽(Perpendicular grooves)，有91.7%的抗反射率。
然而，前揭的粗化方法均為在太陽電池之表面產生任意粗化，雖然可以降低部分反射光，但是因為無法控制其任意粗化參數，導致表面粗化結果無法針對反射光波長進行最佳化設計，而最終讓太陽能電池無法達到最完美的抗反射效果。
為了解決既有的表面粗化主要採用隨機之任意粗化，致使用以降低表面反射的粗化成效不佳的技術問題，本發明提供一種具高吸收效率表面結構的太陽電池，其包含依序疊合之一背面導電層、一光電轉換層、一正面導電層以及一玻璃封裝層，該光電轉換層之一光入射面粗化形成一高吸收結構，該高吸收結構包含複數個凹設於光入射面且呈規則性排列之圓柱洞。
其中，該圓柱洞呈一矩形陣列狀排列。
其中，該圓柱洞呈一六邊形陣列狀排列。
其中，該圓柱洞之重複週期為各圓柱洞之直徑的1.5倍。
其中，該光電轉換層包含一第一半導體層以及一第二半導體層，該第一半導體層之一光入射面及一背面均分別形成一高吸收結構。
其中，該光電轉換層之光入射面先形成一基底抗反射結構，使該高吸收結構形成凹設於該基底抗反射結構之表面。
其中，該第一半導體層之該光入射面形成一基底抗反射結構，且該高吸收結構形成凹設於該基底抗反射結構之表面，其中，該第二半導體層即該正面導電層依序鍍製於該第一半導體層。
其中，該基底抗反射結構包含一金字塔陣列形狀、一倒金字塔蝕刻形狀、一三角截面條狀溝槽形狀、一平頂金字塔陣列形狀或一梯形截面凸條形狀。
藉此，本發明具備如下優點：
1.於太陽能電池的表面形成可以依據光譜特性簡易調整尺寸外型的高吸收結構，讓設計者可以依據需求調整太陽能電池的反射特性，達到最佳的設計效果。
2.該高吸收結構可以更進一步與各種不同外型的基底抗反射結構結合，進一步提升本發明之抗反射與高吸收之效果。
請參考第一圖，其為本發明之具高吸收效率表面結構的太陽電池(10)實施例之側視層狀結構示意圖，其包含依序疊合之一背面導電層(11)、一光電轉換層(12)、一正面導電層(14)以及一玻璃封裝層(15)，使用時，入射光線玻璃封裝層(15)之側射入，所入射的光線於該光電轉換層(12)產生電子電洞對，而進而經由該背光導電層(11)及該正面導電層(14)產生電力輸出至一負載。
請參考第二圖及第三圖，該光電轉換層(12)不限定，可為結晶矽、多晶矽、非晶矽、三五族光電轉換結構等。以結晶矽為主要材質的該光電轉換層(12)為例，平滑表面之結晶矽材料本身對於太陽光有約37.5%的反射率，為了降低反射率而提高可進行光電轉換的入射光的強度，本實施例之該光電轉換層(12)之一光入射面進行粗化形成一高吸收結構(13A、13B)。
本實施例之該高吸收結構(13A、13B)包含複數個凹設於該光電轉換層(12)之光入射面的圓柱洞(131)，該圓柱洞(131)可以呈一矩形陣列狀排列(13A)或呈一六邊形陣列狀排列(13B)分如第二圖及第三圖所示。本實施例所使用的圓柱洞(131)尺寸、排列方式以及重複週期等推演結果係以有限元素分析法(FDTD)演算獲得，較佳地，在波長300nm~1000nm之反射狀況分析，以該圓柱洞(131)之重複週期(即兩個相鄰圓柱洞的圓心距離)為各圓柱洞(131)直徑的1.5倍作為固定分析條件，改變該圓柱洞(131)之直徑大小進行有限元素分析演算，結果發現相較於光滑表面之單晶矽(single crystal silicon,SC Si)，本實施例具備較低的反射率，且隨著各圓柱洞(131)之直徑改變，該光電轉換層(12)之吸收光譜於不同波長出現下沉處(具備較高的吸收效果)，且下沉處的位置會隨直徑加大後往長波長移動。
請參考第四圖，舉例說明之，該圓柱洞(131)之直徑200nm及週期300nm時(即圖中之200_300)，該光電轉換層(12)在波長350nm左右出現最佳的抗反射性(下沉處)，而當該圓柱洞(131)直徑加大為250nm且週期375nm時(即圖中之250_375)，則該光電轉換層(12)之反射光波表現為在波長410nm左右出現下沉處。因此，本實施例提出可以隨著設計需求，控制最大吸收光譜(最低的反射率)位置的該光電轉換層(12)表面。
進一步地，請參考第五圖，經過分析，本實施例可以藉由該圓柱洞(131)及其週期而讓該光電轉換層(12)表面之反射率下沉處恰好坐落於入射光之太陽光譜最強處，使該光電轉換層(12)對於太陽光吸收達到最大。第五圖中之橫軸(X軸)代表該圓柱洞(131)之直徑尺寸(nm)，左縱軸(左邊Y軸)代表在波長300nm~1000nm時，單位體積的該光電轉換層(12)對於入射太陽光的能量吸收(即該光電轉換層(12)之總吸收率乘上在波長300～1000nm之太陽光的總能量)。由第五圖中之測試分析結果，可知當該圓柱洞(131)之直徑為100nm且週期為150nm時，該光電轉換層(12)太陽光為最小吸收；隨該圓柱洞(131)之直徑增大後，該光電轉換層(12)對於入射太陽光的吸收也快速上升；當圓柱洞(131)之尺寸到達了直徑300nm與週期450nm時，該光電轉換層(12)對於光的吸收達到最大值，而在增加直徑後，對於太陽光的吸收又逐漸下降。第五圖中的右側縱軸代表在波長300nm~1000nm時，具備該高吸收結構(13A、13B)的光電轉換層(12)與表面平滑的該光電轉換層(12)的反射率比值，其中以直徑為300nm的該圓柱洞(131)最能有效降低該光電轉換層(12)之表面反射，比起比面平滑表面之光電轉換層(12)可降低了約64.5%左右的光反射。
進一步地，為了更進一步地增加該光電轉換層(12)之抗反射、高吸收效果，請參考第六圖，其為本發明具高吸收效率表面結構的太陽電池(10)之第二實施例，該光電轉換層(12)包含一第一半導體層(121)以及一第二半導體層(123)，該第一半導體層(121)可為一p型(或n型)半導體，於其一光入射面及一背面均形成該高吸收結構(13A、13B)，且各圓柱洞(131)之重複週期與直徑比為1.5，其中，設於該光入射面之高吸收結構(13A、13B)之尺寸依據前實施例之實驗結果，使反射吸收最佳的位置(反射率下沉處)位於輸入之太陽光譜最強處；設於該第一半導體(121)之背面之圓柱洞(131)之尺寸與重複週期則選用最佳反射吸收位置錯離太陽光譜最強處。
該第二半導體層(123)為相對於第一半導體層(121)具有不同型態傳導帶電粒子的半導體，使該第一半導體(121)與該第二半導體(123)結合之後形成PN接面，本實施例之該第一半導體層(121)即該第二半導體層(123)分別為一p型半導體及一n型半導體，其製程技術可使用擴散或蒸鍍(以化學氣象沉積為主)方式將該第二半導體層(123)鍍製於該第一半導體層(121)表面；該背面導電層(11)及該正面導電層(14)則分別鍍製於該光電轉換層(12)之底面及該第二半導體層(123)之表面。為了更進一步提升該光電轉換層(12)鍍製該正面導電層(14)之後的抗反射及高吸收效果，可配合該正面導電層(14)及該第二半導體層(123)之材料特性(厚度、折射係數)選擇材質、厚度適當(符合阻抗匹配特性)的一抗反射鍍層(20)於該正面導電層(14)之表面，其中，該抗反射鍍層(20)可以物理或化學氣象沉積鍍製而成，或可以旋轉塗佈溶膠凝膠製成。
請參考第七A～E圖、第八圖及第九圖，為了更進一步提升該光電轉換層(12)之抗反射及光吸收效果，可於該光電轉換層(12)之光入射面先形成一基底抗反射結構(125A～E)，該基底抗反射結構(125A～E)可包含一金字塔陣列形狀(第七A圖)、一倒金字塔蝕刻形狀(第七B圖)、一三角截面條狀溝槽形狀(第七C圖)、一平頂金字塔陣列形狀(第七D圖)及一梯形截面凸條形狀(第七E圖)等。當該光電轉換層(12)以蝕刻或雷射蝕刻等技術手段形成該基底抗反射結構(125A～E)之後，在於該基底抗反射結構(125A～E)之一外表面形成該高吸收結構(13A、13B)。
請參考第八圖，以金字塔陣列形狀(第七A圖)之該基底抗反射結構(125A)為例說明，每個金字塔的表面可以凹設形成規則性排列的該圓柱洞(131)。在吸收光譜之設計方面，該基底抗反射結構(125A)之三角形之尺寸及深度及斜邊角度之設計，藉由有限元素分析演算或錯誤嘗試的方式，使具有該基底反射結構(125A)之該光電轉換層(12)之反射光譜之最低反射位置調整而位於入射太陽光譜最強處，三角形右斜邊結構設計使反射下沉處避開太陽光譜最強輸出波長的位置，如此，可以達到最佳的抗反射效果。如第九圖所示，當該基底反射結構(125D、E)為平頂金字塔陣列形狀(第七D圖)或梯形截面凸條形狀(第七E圖)時，每個平頂金字塔的各側表面均可設有週期排列的該圓柱洞(131)，其中，可利用有限元素分析法模擬設計，讓該平頂金字塔陣列形狀(第七D圖)或梯形截面凸條形狀(第七E圖)之梯形上底結構設計使反射下沉處洽位於太陽光譜最強處，梯形左斜邊結構設計使反射下沉處洽位於太陽光譜最強處，梯形右斜邊結構設計使反射下沉處避開太陽光譜最強處，藉以達到最佳的吸收效果。
(10)．．．具高吸收效率表面結構的太陽電池
(11)．．．背面導電層
(12)．．．光電轉換層
(121)．．．第一半導體層
(123)．．．第二半導體層
(125A～E)．．．基底抗反射結構
(13A、13B)．．．高吸收結構
(131)．．．圓柱洞
(14)．．．正面導電層
(15)．．．玻璃封裝層
(20)．．．抗反射鍍層
第一圖為本發明具高吸收效率表面結構的太陽電池之第一實施例層狀示意圖。
第二圖為本發明具高吸收效率表面結構的太陽電池之第一實施例的俯視立體示意圖。
第三圖為本發明具高吸收效率表面結構的太陽電池之第一實施例的另一俯視立體示意圖。
第四圖為本發明具高吸收效率表面結構的太陽電池之第一實施例的反射率量測結果值。
第五圖為本發明具高吸收效率表面結構的太陽電池之圓柱洞之尺寸對抗反射效果結果圖。
第六圖為本發明具高吸收效率表面結構的太陽電池第二實施例之層狀結構示意圖。
第七A～E圖為本發明具高吸收效率表面結構的太陽電池第三實施例立體示意圖。
第八圖為本發明具高吸收效率表面結構的太陽電池第三實施例之層狀結構示意圖。
第九圖為本發明具高吸收效率表面結構的太陽電池第三實施例之另一層狀結構示意圖。
(125A)．．．基底抗反射結構
(131)．．．圓柱洞

Claims (8)

  1. 一種具高吸收效率表面結構的太陽電池，其包含依序疊合之一背面導電層、一光電轉換層、一正面導電層以及一玻璃封裝層，該光電轉換層之一光入射面粗化形成一基底抗反射結構，該基底抗反射結構凹設有一高吸收結構，該高吸收結構包含複數個凹設於其各表面且呈規則性排列之圓柱洞，其中，該基底抗反射結構係一金字塔陣列形狀、一倒金字塔蝕刻形狀、一三角截面條狀溝槽形狀、一平頂金字塔陣列形狀或一梯形截面凸條形狀。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具高吸收效率表面結構的太陽電池，各圓柱洞呈一矩形陣列狀排列。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之具高吸收效率表面結構的太陽電池，各圓柱洞呈一六邊形陣列狀排列。
  4. 如申請專利範圍第1或2或3項所述之具高吸收效率表面結構的太陽電池，各圓柱洞之重複週期為各圓柱洞之直徑的1.5倍。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之具高吸收效率表面結構的太陽電池，該光電轉換層包含一第一半導體層以及一第二半導體層，該第一半導體層之一光入射面及一背面均分別形成一高吸收結構。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之具高吸收效率表面結構的太陽電池，該第一半導體層之該光入射面形成一基底抗反射結構，且該高吸收結構形成凹設於該基底抗反射結構之表面，其中，該第二半導體層即該正面導電層依序鍍製於該第一半導體層。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之具高吸收效率表面結構的太陽電池，該正面導電層之表面鍍製一抗反射鍍層。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之具高吸收效率表面結構的太陽電池，該正面導電層之表面鍍製一抗反射鍍層。
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