TWI423452B - 太陽能裝置 - Google Patents

Description

太陽能裝置

本發明關於一種太陽能裝置，特別關於一種具有複合粒子的太陽能裝置及其製造方法。

太陽能基板中的P型半導體層及N型半導體層彼此連結而形成一P/N接面，以使在此接面兩側的電洞(P型)與電子(N型)在受到光線的刺激後，產生電子－電洞對而產生電(子)流。然而，對於矽晶圓來說，其僅對於波長範圍介於860~880奈米(nm)的光線較具敏感性，即，太陽能基板對部分波長光(例如：短波長光)的光電轉換率較差，甚至無法利用，而此亦為目前太陽能基板轉換效率無法提升的主要原因之一。

因此，為了提升太陽能電池(solar cell)對光線的轉換能力，一般習知的方法多藉由增加一抗反射層(anti－reflection layer)於太陽能基板的表面上，以降低太陽能基板對光線的反射，進而提升光線進入太陽能基板的量，不過此一作法僅能使得進入至太陽能基板的光線量增加，卻無法確實提升太陽能基板對於不同波長範圍光線的利用率。另外，更有部分技術是增設一濾光裝置，鄰設於太陽能基板或設置於太陽能基板上方，使高能量的光線偏移至較低的能量，期使入射的光線波長較能激發矽晶圓以產生更多的電能。

然而，上述的濾光裝置將短波的光轉換出較長的波段，以激發矽晶圓，但仍有部分波長未被轉換，或轉換效率不佳，甚至偏移後仍未落入激發矽晶圓的波長範圍內，造成太陽能基板對光線的利用率仍然不佳。

因此，如何提供一種太陽能裝置及其製造方法，能提升光電轉換的效率，以提升太陽能基板對光線的利用，實為當前重要的課題之一。

本發明之目的為提供一種太陽能裝置及其製造方法，能提升太陽能裝置的效率，以提升太陽能基板對光線的利用率。

為達上述目的，依據本發明之一種太陽能裝置包含一基板、複數個光電轉換元件、一抗反射層、一色轉換層以及複數個複合粒子。光電轉換元件設置於基板上；抗反射層設置於光電轉換元件上；色轉換層設置於抗反射層上；複數個複合粒子設置於抗反射層與色轉換層之間。

為達上述目的，依據本發明之一種太陽能裝置的製造方法包含以下步驟：提供一基板；形成複數個光電轉換元件於基板上；形成一抗反射層於光電轉換元件上；對抗反射層的表面進行表面處理而形成一粗糙面；提供複數個複合粒子於粗糙面；以及形成一色轉換層於抗反射層上。

承上所述，因依據本發明之太陽能裝置及其製造方法，其藉由抗反射層、複合粒子與色轉換層的設置，使得 在光線進入光電轉換元件前，可於抗反射層、複合粒子與色轉換層之間調整波長範圍以利光電轉換效率的提升，其中，複合粒子可微小化至奈米級的尺寸，故，無論是反射自光電轉換元件及/或抗反射層的反射光線或是來自外界射入的光線，均可藉由複合粒子以重複地折射，並進入至色轉換層中以連續地進行波長範圍的調整，俾使太陽能裝置的光電轉換效能提升，同時如果複合粒子內部包含有金屬微粒，亦可利用金屬顆粒之表面電漿子具有產生巨大局部電場之特性，而增加反射層之效率；另外，因為複合粒子的材料為絕緣材料，故抗反射層與色轉換層仍維持絕緣的特性，而不影響太陽能裝置的電學特性。與習知技術相較，本發明之太陽能裝置及其製造方法能藉由抗反射層、複合粒子與色轉換層的設置，以提升太陽能裝置對光線的利用率，並有效地提升太陽能裝置的光電轉換率。

以下將參照相關圖式，說明依據本發明較佳實施例之一種太陽能裝置及其製造方法，其中相同的元件將以相同的元件符號加以說明。

請參照圖1A所示，其為本發明較佳實施例之一種太陽能裝置的結構示意圖。太陽能裝置包含一基板1、複數個光電轉換元件2、一抗反射層3、一色轉換層5以及複數個複合粒子4。光電轉換元件2設置於基板1上；抗反射層3設置於光電轉換元件2上；色轉換層5設置於抗反 射層3設置於光電轉換元件2上；色轉換層5設置於抗反射層3上；複數個複合粒子4設置於抗反射層3與色轉換層5之間。

基板1的材料可為玻璃、塑膠、半導體、絕緣體、可撓性或不鏽鋼基板之一。

光電轉換元件2的材料可為單晶矽(mono－Si)、多晶矽(poly－Si)、非晶矽(amorphous－Si)的半導體材料或為其他可用於作光電轉換的材料，更詳細來說，光電轉換元件2的材料可選自於P型半導體材料、N型半導體材料及其組合所構成之群組。根據圖1A所示的實施例可知，光電轉換元件2是由一P型半導體層23及一N型半導體層21所構成。

抗反射層3的材料選自氮化矽(SiO)、氧化矽(SiN)、氮氧化矽(SiON)及其組合所構成的群組。抗反射層3具有一表面31，此表面31進行表面處理以形成一粗糙面311，使基板1能夠具有更好的抗反射效果，使進入光電轉換元件2的光線增加，並提升太陽能裝置對光線的利用率。其中，以本實施例為例，此粗糙面311具有至少一凹結構311a及/或凸結構311b，但不以此為限。

另外，用以表面處理抗反射層3的表面31的方式可為物理性及/或化學性的表面處理，例如但不限於研磨或蝕刻，其中，蝕刻方式更為乾式蝕刻及/或濕式蝕刻方式以實現。

複合粒子4選自絕緣材料、複合材料及其組合，例如 氧化金屬或鈍化金屬，亦可依不同的需求而選自金屬及高分子材料或金屬及陶瓷材料...等複合材料，當然，以本實施例為例，此些複合粒子4設置於粗糙面311，如圖1A所示，其更均勻設置於上述的凹結構311a及/或凸結構311b上為例說明。

值得注意的是，複合粒子4的結構可如圖1B所示，其為本發明較佳實施例之另一種複合粒子的結構示意圖。複合粒子4由一絕緣層42包覆一微粒41所構成，舉例來說，絕緣化此些微粒41的方式可藉由氧化微粒41(例如：金屬粒子)的表面以形成絕緣層42(例如：氧化金屬層)，其中，微粒41可藉由控制氧化反應的程度以形成具有良好絕緣特性的複合粒子4。同時經由控制絕緣層42之厚度，可以調控微粒41中表面電漿子與色轉換材料之交互作用，使得色轉換材料之轉換效率達到最佳化。

此外，微粒41亦可依不同的需求而選自金屬及高分子材料、或金屬及陶瓷材料...等複合材料，且複合粒子4可以為奈米級微粒，其粒徑大小為100~1000奈米。

如上所述，絕緣化此些微粒41的目的是為了避免外包絕緣層42之複合粒子4的使用會影響到太陽能電池的電性表現，並且經由微粒41之表面電漿子或是絕緣層之電子－電洞對與色轉換材料之交互作用，可以增加色轉換材料之光轉換效率。

色轉換層5的材料選自螢光粉體、有機螢光色素、高分子螢光材料、無機螢光材料、量子點螢光材料、混成螢 光材料、磷光粉體、染料及其組合所構成的群組，如上所述的色轉換層5材料更選自奈米級材料，以便減少光線散射之損失，並利用調配的方式或藉由雙層至多層混搭設計，而得到不同波段範圍的調整，使色轉換層5具有更多元的變化態樣。

而就應用層面來說，上述的太陽能裝置可應用作為太陽能電池(solar cell)。

上述為本發明所揭露的一種太陽能裝置的結構，以下則提出一種用以製作出上述太陽能裝置的製造方法，如圖2所示，其包含步驟S1至步驟S6。同時，為結合每一步驟與其所對應的結構，則請一併參照圖3A至圖3F所示，其中，圖3A所示的結構對應至圖2中的步驟S1、圖3B所示的結構對應至圖2中的步驟S2、圖3C所示的結構對應至圖2中的步驟S3、圖3D所示的結構對應至圖2中的步驟S4、圖3E所示的結構對應至圖2中的步驟S5且圖3F所示的結構對應至圖2中的步驟S6，藉以詳盡地說明太陽能裝置的製造方法。

首先，如圖2及圖3A所示，步驟S1為提供一基板1，如圖2A所示。

如圖2及圖3B所示，步驟S2為形成複數個光電轉換元件2於基板上。於此，光電轉換元件2是由一P型半導體層23及一N型半導體層21所構成，如圖3B所示。

如圖2及圖3C所示，步驟S3為形成一抗反射層3於光電轉換元件2上，抗反射層3具有一表面31，其結構如 圖3C所示。

如圖2及圖3D所示，步驟S4為對抗反射層3的表面31進行表面處理而形成一粗糙面311，粗糙面311具有至少一凹結構311a及/或凸結構311b。其中，在步驟S4中，形成此等凹結構311a及/或此等凸結構311b的表面處理可藉由物理性方法、化學性方法或兩者並用，以處理抗反射層3的表面31而形成凹結構311a及/或凸結構311b，舉例來說，可利用研磨或蝕刻方式以實現，其中，蝕刻方式更為乾式蝕刻及/或濕式蝕刻，較佳的表面處理方式為電漿蝕刻。

如圖2及圖3E所示，步驟S5為提供複數個複合粒子4於粗糙面311，以本實施例為例，複數個複合粒子4更均勻地分散在抗反射層3的粗糙面311的凹結構311a及/或凸結構311b，且複合粒子4為奈米級微粒，其粒徑大小為100~1000奈米。其中，在步驟S5中提供複合粒子4於抗反射層3的粗糙面311的方式可藉由化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沈積(PVD)、電漿增強型化學式氣相沈積(PECVD)、蒸鍍及其組合以實現。

如圖2及圖3F所示，步驟S6為形成一色轉換層5於抗反射層3上。

值得注意的是，如上所述之製造方法，其中提供此些複合粒子4的步驟更包含以下子步驟：形成複數個微粒41於粗糙面311；以及氧化並形成絕緣層於此些微粒41的表面。上述絕緣化的步驟執行於步驟S5之後，換言之，先 提供微粒41於抗反射層3的粗糙面311之後，再於微粒41外部形成一絕緣層42，即絕緣化此些微粒41使其形成複合粒子4，如圖1B所示。其中，絕緣化上述複合粒子4的方法選自於氧化、鈍化及其組合。

另，如上所述之製造方法，其中提供此些複合粒子4的步驟更包含以下子步驟：提供複數個微粒41；氧化此些微粒41以形成絕緣層42或是以其他任何一種絕緣材料直接覆蓋微粒41以形成；以及提供表面包覆絕緣層42的此些微粒41於粗糙面311。更詳細來說，上述絕緣化的步驟執行於步驟S5之前，也就是在提供複合粒子4於抗反射層3的粗糙面311之前，先行將微粒41進行絕緣化的處理，如此可形成一絕緣層42(例如氧化金屬層)，如圖1B所示，使其成為複合粒子4。如上所述，絕緣化此些微粒41的步驟，此一處理是為了避免複合粒子4的形成會影響到太陽能裝置的電性表現。

如此一來，本發明所揭露的太陽能裝置，因其具有複合粒子4的設置，故，當光線進入至太陽能裝置後，波長在800奈米附近的光線可直接進入至光電轉換元件2以進行光電轉換，對於具有較短波長的光線(波長範圍介於200~500奈米)來說，則會先藉由位在色轉換層5的色轉換材料進行吸收並使其自波長200~500奈米變化為波長較長之可見光或是紅外光，同時藉由與其相鄰的複合粒子4內部包含之金屬微粒(例如上述的微粒41)的表面電漿子之交互作用，得以使得色轉換材料之轉換效率增加，藉以 使進入至光電轉換元件2的大部分光線均落於可用波長的區段，進而提高太陽能裝置對於整體入射光的利用率。同時如果複合粒子4內部包含有金屬微粒(例如上述的微粒41)，則藉由表面電漿子所產生之強大局部電場，亦可增加色轉換層5之轉換效率。

綜上所述，因依據本發明之太陽能裝置及其製造方法，其藉由抗反射層、複合粒子與色轉換層的設置，使得在光線進入光電轉換元件前，可於抗反射層、複合粒子與色轉換層以重複地調整波長範圍進而使太陽能裝置的光電轉換率提升；另外，因為複合粒子具有絕緣特性，故抗反射層、色轉換層與太陽能裝置之間仍維持絕緣的特性，而不影響太陽能裝置的電性表現。與習知技術相較，本發明之太陽能裝置及其製造方法能藉由掺混在抗反射層與色轉換層之間的複合粒子，能提升太陽能裝置對光線的利用率，以有效地提升光電轉換效率。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1‧‧‧基板

2‧‧‧光電轉換元件

21‧‧‧N型半導體層

23‧‧‧P型半導體層

3‧‧‧抗反射層

31‧‧‧表面

311‧‧‧粗糙面

311a‧‧‧凹結構

311b‧‧‧凸結構

4‧‧‧複合粒子

41‧‧‧微粒

42‧‧‧絕緣層

5‧‧‧色轉換層

S1、S2、S3、S4、S5、S6‧‧‧製作流程

圖1A為一示意圖，顯示依據本發明較佳實施例之一種太陽能裝置的結構示意圖；圖1B為本發明較佳實施例之一種複合粒子的結構示意圖； 圖2為圖1A所示之太陽能裝置的製造方法的流程圖；以及圖3A至圖3F為圖2之太陽能裝置製造方法的流程步驟示意圖。

1‧‧‧基板

2‧‧‧光電轉換元件

21‧‧‧N型半導體層

23‧‧‧P型半導體層

3‧‧‧抗反射層

31‧‧‧表面

311‧‧‧粗糙面

311a‧‧‧凹結構

311b‧‧‧凸結構

4‧‧‧複合粒子

5‧‧‧色轉換層

Claims (11)

1. 一種太陽能裝置，包含：一基板；複數個光電轉換元件，設置於該基板上；一抗反射層，設置於該些光電轉換元件上，該抗反射層的表面具有一粗糙面；一色轉換層，設置於該抗反射層的該粗糙面上；以及複數個複合粒子，由一絕緣層包覆一微粒所構成，該絕緣層包含該微粒的氧化層或是該絕緣層直接覆蓋該微粒，該些複合粒子為粒徑大小為100~1000奈米的奈米級微粒，該些複合粒子設置於該粗糙面，該些複合粒子可將光線重複地折射，使光線進入該色轉換層中。
2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能裝置，其中該微粒為金屬材料、或絕緣材料。
3. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能裝置，其中該基板的材料為玻璃、塑膠、半導體、絕緣體、可撓性或不鏽鋼基板之一。
4. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能裝置，其中該光電轉換元件的材料可選自於P型半導體材料、N型半導體材料及其組合所構成之群組。
5. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能裝置，其中該光電轉換元件的材料為多晶矽、單晶矽、非晶矽或其組合。
6. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能裝置，其中該抗反射層的材料選自氮化矽、氧化矽、氮氧化矽及其組合所構成的群組。
7. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能裝置，其中該色轉換層的材料選自螢光粉體、有機螢光色素、高分子螢光材料、無機螢光材料、量子點螢光材料、混成螢光材料、磷光粉體、染料及其組合所構成的群組。
8. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能裝置，其中該粗糙面經由表面處理方式形成，該表面處理方式為物理性及/或化學性。
9. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能裝置，其中該表面處理方式為研磨或蝕刻。
10. 如申請專利範圍第9項所述之太陽能裝置，其中該表面處理方式為乾式蝕刻及/或濕式蝕刻。
11. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能裝置，其應用作為太陽能電池。