TWI434298B - 具有寬帶光散射功能的基板及其製造方法 - Google Patents

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具有寬帶光散射功能的基板及其製造方法
本發明係關於一種具有寬帶光散射功能的基板及其製造方法。根據本發明之具有寬帶光散射功能的基板，其包含一薄板、一黏合層、複數個散射用顆粒以及一透明導電層。該複數個散射用顆粒具有一顆粒尺寸變化的分佈。
適用於矽薄膜太陽能電池製作中之所使用的導電薄膜為透明導電氧化物(transparent conductive oxide，TCO)。常見的TCO主體材料諸如氧化銦(In2 O3 )、氧化錫(SnO2 )以及氧化鋅(ZnO)等，這些原為透明的氧化物半導體經由雜質摻雜可大幅提升其導電性，形成同時兼具透明和導電的特性。現階段所用前電極TCO在矽薄膜之應用多以具有表面粗糙(surface roughness)結構的氟摻雜氧化錫(fluorine-doped tin oxide，FTO)為主，背電極則以摻鋁氧化鋅(aluminum-doped zinc oxide，AZO)居多。
美國專利公告號7,179,527以及美國專利公告號7,364,808於專利說明書中指出，在太陽能電池製作中以增加出光面的粗糙度，除了降低光的反射之外，更重要的是增加光子在太陽能電池的光行徑長度(optical path length)以增加光吸收來提升光電流強度，進一步提升光電轉換效率。上述兩項專利皆揭露了一種具有透明導電氧化膜之基板，其可散射之波長範圍皆在400nm至800nm之間。
現有TCO玻璃最為廣泛被使用的是日本旭硝子公司(Asahi Glass Company)所生產之品號為Asahi-U。該玻璃產品以常壓化學氣相沉積法(APCVD)於400℃以上之高溫，使用含錫(Sn)以及微量氟(F)的先驅物原料與O2 /H2 O反應，於玻璃表面沉積一層厚度約800nm的氟摻雜氧化錫(FTO)薄膜。並且其具有一表面粗糙結構用以增加對光散射的效果。在Asahi-U玻璃的光學特性結果發現，該玻璃在可見光波長範圍的穿透率約80%。扣除約12%的反射後，發現仍有約7~8%的吸收損失。此外，Asahi-U玻璃對光散射較理想的部分大都集中在從350nm至550nm的短波長範圍。
歐系Oerlikon公司所生產的TCO玻璃係以低壓化學氣相沉積(LPCVD)反應器中通入二乙基鋅、水、摻質氣體B2 H6 形成摻硼氧化鋅(B-doped ZnO,BZO)膜層，其實除了TCO的材質與Asahi-U不同外，其光學特性是與Asahi-U相近的。但是此系列TCO為了提升長波長範圍光線的散射特性，必須藉由增加TCO膜層的厚度，使得表面結晶晶界擴大來達成。此種增加膜厚來提升長波長範圍光線的散射特性，常會伴隨因TCO層增厚而透光率下降的問題發生。
德國Von Ardenne公司的發展策略為先利用濺鍍(sputtering)方法，經由製程條件的調整得到具有高導電性及高光學穿透性的摻鋁氧化鋅(AZO)薄膜，再藉由濕式化學蝕刻法蝕刻薄膜表面，經由控制濺鍍條件及蝕刻條件來得到不同表面形態的薄膜，以增強對不同波長光線的散射效果。經由濺鍍方法，再以濕式蝕刻處理所得表面粗糙化摻鋁氧化鋅(AZO)薄膜，其表面粗糙化形態受限於未進行酸蝕刻前的TCO膜的結晶結構，包括結晶取向(crystal orientation)、晶粒大小分佈及摻質如Al或Ga的濃度，以及與使用的酸種類，如與HCl的蝕刻特性等因子。如欲增加長波長光波段的散射特性，必須先將濺鍍膜長厚，再施於較長時間的溼式蝕刻處理，使得TCO膜表面產生較大蝕刻結構。上述的方法顯然不符合經濟效益，因為除了要增加濺鍍鍍膜時間外，同時會增加昂貴的靶材耗損。
上述商用TCO玻璃在技術規格上仍有許多缺點：
1.　如Asahi-U玻璃，對波長大於600nm以上的長波長光的散射顯然不足。其實以非晶矽材質對短波長光線(400～500nm)的高吸收係數(α=104 ~105 /cm)，不需有TCO表面的粗糙化結構，即可在非晶矽薄膜元件的本質發電層(intrinsic i-layer)的表面一點點深度(小於0.1μm)達到大部分的吸收。相對的，對於能穿透非晶矽層較深的長波長範圍光(大於600 nm)，Asahi-U玻璃的表面粗糙結構所造成的光散射則在此一範圍幾乎發揮不了作用。
2. SnO2 薄膜易受到H2 或SiH4 電漿的化學性作用，當使用電漿輔助化學氣相沉積法製作非晶矽薄膜時，摻氟氧化錫(FTO)薄膜長時間曝露在含氫離子的電漿製程下時，易造成Sn金屬還原層的生成而黑化並造成光穿透性的下降。
上述第一項缺點特別在能提電池高效率值的新一代的非晶矽/微晶矽疊層(tandem)型電池上相形重要。由於微晶矽層的光學能隙座落在1.1eV，它是被設計用來吸收非晶矽層(top cell)所未能吸收之介於700nm～1200nm波長範圍的太陽光能。但由於微晶矽對此段光譜的吸收係數約為非晶矽的十分之一，因此需要較厚的膜厚(數個μm)，這是需要另一個有別於13.56Mz射頻頻率的高速長膜電漿源(如40MHz的非常高頻(very high frequency,VHF))的主要原因。重點是現階段如Asahi-U的TCO玻璃，甚至Oerlikon與德國的Von Ardenne公司的發展策略為先利用濺鍍再施以蝕刻的TCO玻璃，在這個700nm~1200nm波長範圍的散射能力皆十分有限。
另外，上述第二項缺點為SnO2 薄膜對H2 或SiH4 還原性電漿較不具抵抗力，即顯示在暴露H2 電漿下SnO2 膜層的光透過率明顯下降的現象。
現在市場可供應的與研發階段的TCO，對多層接面的矽薄膜太陽電池無法有效提升轉換效率，導致無論是單接面、雙接面與三接面的矽薄膜太陽電池，在成本無法降低與轉換效率無法提升，進而讓全球矽薄膜太陽電池產業發展陷入困境。
因此，本發明之一範疇在於提供一種具有寬帶光散射功能的基板及其製造方法。根據本發明之具有寬帶光散射功能的基板，其包含一薄板、一黏合層、複數個散射用顆粒以及一透明導電層。並且特別地，根據本發明之製造具有寬帶光散射功能的基板之方法係藉由一化學氣相沉積製程，於該複數個散射用顆粒與該薄板之一出光面上覆蓋該透明導電層，其中該透明導電層具有一粗糙表面。根據本發明之具有寬帶光散射功能的基板能夠有效提升矽薄膜太陽電池效率。此新穎的具有寬帶光散射功能之基板，由於增加了長波長光線散射能力，更有效地提升疊層型(tandem)矽薄膜太陽電池效率。
據本發明一較佳具體實施例之一種製造一具有寬帶光散射功能的基板之方法，首先，係製備一由一第一材料所形成的薄板。該薄板具有一入光面與相對於該入光面之一出光面。接著，根據本發明之方法係製備由一第二材料所形成的複數個散射用顆粒，其中該複數個散射用顆粒具有一顆粒尺寸變化的分佈。然後，根據本發明之方法係固定該複數個散射用顆粒於該薄板之該出光面上，其中該複數個散射用顆粒散佈於該薄板之該出光面上。最後，根據本發明之方法係藉由一化學氣相沉積製程，於該複數個散射用顆粒與該出光面上覆蓋一透明導電層，其中該透明導電層具有一粗糙表面。
藉此，當一太陽光照射該入光面與該散佈於該出光面之複數個散射用顆粒時，該顆粒尺寸變化的分佈所對應之一寬帶範圍的光從該出光面散射至該透明導電層。
於實際應用中，固定該複數個散射用顆粒於該薄板之該出光面上之該步驟可以藉由一溶膠凝膠法(sol-gel method)於該出光面上附著一黏合層。並且該黏合層用以固定該複數個散射用顆粒於該出光面上。
於一具體實施例中，該複數個散射用顆粒之該顆粒尺寸的變化係於0.05至20μm範圍。在實際應用中，該複數個散射用顆粒其顆粒尺寸的變化可視所欲散射的波長頻寬而定。
於一具體實施例中，該第一材料可以是選自由玻璃、二氧化矽(SiO2 )、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)以及聚對苯二甲酸乙二酯(PET)所組成之群組中之一。並且該第二材料可以是選自由玻璃、二氧化矽(SiO2 )、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)以及上述化合物之混合物所組成之群組中之一。
於一具體實施例中，該透明導電層可以是由一透明導電氧化物所組成，例如：ITO、AZO、BZO、GZO(摻鎵氧化鋅)、FTO，以及各種透明導電氧化物材料。
於一具體實施例中，該化學氣相沉積製程係一低壓化學氣相沉積製程或一常壓化學氣相沉積製程。
根據本發明之一較佳具體實施例之具有寬帶光散射功能的基板，其包含一由第一材料所形成之薄板、一黏合層、由一第二材料所形成的複數個散射用顆粒以及一透明導電層。該由第一材料所形成之薄板具有一入光面與相對於該入光面之一出光面。並且該黏合層係附著在該薄板之該出光面上。該複數個散射用顆粒係散佈於該薄板之該出光面並且係藉由該黏合層固定在該出光面上。該複數個散射用顆粒具有一顆粒尺寸變化的分佈。該透明導電層係覆蓋於該黏合層以及該複數個散射用顆粒上，其中該透明導電層具有一粗糙表面。
藉此，當一太陽光照射該入光面與該散佈於該出光面之複數個散射用顆粒時，該顆粒尺寸變化的分佈所對應之一寬帶範圍的光從該出光面散射至該透明導電層。
於一具體實施例中，該複數個散射用顆粒之該顆粒尺寸的變化係於0.05至20μm範圍。在實際應用中，該複數個散射用顆粒其顆粒尺寸的變化可視所欲散射的波長頻寬而定。
於一具體實施例中，該第一材料可以是選自由玻璃、二氧化矽(SiO2 )、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)以及聚對苯二甲酸乙二酯(PET)所組成之群組中之一。並且，該第二材料可以是選自由玻璃、二氧化矽(SiO2 )、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)以及上述化合物之混合物所組成之群組中之一。
於一具體實施例中，該透明導電層可以是由一透明導電氧化物所形成，例如：ITO、AZO、BZO、GZO、FTO，以及各種透明導電氧化物材料。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
以下將詳述本發明之較佳具體實施例，藉以充分說明本發明之特徵、精神及優點。
請參閱圖一A至圖一C，該等圖式係示意地繪示根據本發明之一較佳具體實施例之製造一種具有寬帶光散射功能的基板1之方法。
如圖一A所示，首先，根據本發明之製造方法係製備一由一第一材料所形成的薄板12，其中該薄板具有一入光面122與相對於該入光面之一出光面124。
接著，根據本發明之製造方法係製備由一第二材料所形成的複數個散射用顆粒16，其中該複數個散射用顆粒16具有一顆粒尺寸變化的分佈。
然後，如圖一B所示，根據本發明之製造方法係固定該複數個散射用顆粒16於該薄板12之該出光面124上，其中該複數個散射用顆粒16散佈於該薄板12之該出光面124上。
最後，如圖一C所示，根據本發明之製造方法係藉由一化學氣相沉積製程，於該複數個散射用顆粒16與該出光面124上覆蓋一透明導電層18，其中該透明導電層18具有一粗糙表面。於實際應用中，該透明導電層18的粗糙表面可降低光的反射並且同時增加光子的光行徑長度(特別是400nm至600nm之間的短波長)以增加光吸收來提升光電流強度，進一步提升光電轉換效率。
藉此，當一太陽光照射該入光面122與該散佈於該出光面124之複數個散射用顆粒16時，該顆粒尺寸變化的分佈所對應之一寬帶範圍的光從該出光面124經由散射用顆粒16散射至該透明導電層18。
如圖一B所示，於實際應用中，固定該複數個散射用顆粒16於該薄板之該出光面124上之該步驟可以藉由一溶膠凝膠法(sol-gel method)於該出光面上附著一黏合層14。並且該黏合層14可以用來固定該複數個散射用顆粒於該出光面上。
於一具體實施例中，該複數個散射用顆粒之該顆粒尺寸的變化係於0.05至20μm範圍。在實際應用中，該複數個散射用顆粒16其顆粒尺寸的變化可視所欲散射的波長頻寬而定。
於一具體實施例中，該第一材料可以是選自由玻璃、二氧化矽(SiO2 )、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)以及聚對苯二甲酸乙二酯(PET)所組成之群組中之一。並且該第二材料可以是選自由玻璃、二氧化矽(SiO2 )、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)以及上述化合物之混合物所組成之群組中之一。
於一具體實施例中，該透明導電層18可以是由一透明導電氧化物所組成，例如：ITO、AZO、BZO、GZO、FTO，以及各種透明導電氧化物材料。
於一具體實施例中，該化學氣相沉積製程係一低壓化學氣相沉積製程或一常壓化學氣相沉積製程。
請參閱圖二，圖二係示意地繪示根據本發明之一較佳具體實施例之具有寬帶光散射功能的基板2。
如圖二所示，根據本發明之具有寬帶光散射功能的基板2包含一由第一材料所形成之薄板22、一黏合層24、由一第二材料所形成的複數個散射用顆粒26以及一透明導電層28。
同樣示於圖二，該由第一材料所形成之薄板22具有一入光面222與相對於該入光面之一出光面224。並且該黏合層24係附著在該薄板之該出光面224上。該複數個散射用顆粒26係散佈於該薄板22之該出光面224並且係藉由該黏合層24固定在該出光面224上。該複數個散射用顆粒26具有一顆粒尺寸變化的分佈。該透明導電層28係覆蓋於該黏合層24以及該複數個散射用顆粒26上。該透明導電層28具有一粗糙表面。
藉此，當一太陽光照射該入光面222與該散佈於該出光面224之複數個散射用顆粒26時，該顆粒尺寸變化的分佈所對應之一寬帶範圍的光從該出光面224經由黏合層24及散射用顆粒26表面散射至該透明導電層28。
於一具體實施例中，該複數個散射用顆粒之該顆粒尺寸的變化係於0.05至20μm範圍。在實際應用中，該複數個散射用顆粒26其顆粒尺寸的變化可視所欲散射的波長頻寬而定。
於一具體實施例中，該第一材料可以是選自由玻璃、二氧化矽(SiO2 )、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)以及聚對苯二甲酸乙二酯(PET)所組成之群組中之一。並且，該第二材料可以是選自由玻璃、二氧化矽(SiO2 )、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)以及上述化合物之混合物所組成之群組中之一。
於一具體實施例中，該透明導電層28可以是由一透明導電氧化物所形成，例如：ITO、AZO、BZO、GZO、FTO，以及各種透明導電氧化物材料。
於一案例中，根據本發明之具有寬帶光散射功能的基板，其中該複數個散射用顆粒其表面可以是一朗伯廷表面(Lambertian Surface)或是近似朗伯廷表面。
朗伯廷表面具有下列兩種性質：
1.　不論表面被光如何照射，在所有觀測方向上都呈現相同輝度，即輝度與方向無關。
2.　如果所有入射光都被反射，無任何吸收，則又稱為完美反射漫射體(perfect reflecting diffuser)。
並且根據本發明之製造一具有寬帶光散射功能的基板之方法，首先，調配一含有複數個散射用顆粒之溶液。該溶液含有約0.1至10wt%的SiO2 顆粒、溶劑、分散劑以及表面處理劑。接著，利用高速分散機將顆粒分散後藉由噴霧塗佈的方式將該含有複數個散射用顆粒之溶液均勻噴塗在一玻璃薄板上。然後，將一預先調製的SiO2 凝膠噴塗於該玻璃薄板。接著，將該玻璃薄板置於一溫度(例如：500℃)下燒烤(baking)一段時間(例如：3小時)，形成一黏合層用以固定該複數個散射用顆粒於該玻璃薄板上。最後，藉由一化學氣相沉積製程，形成一透明導電層，例如AZO，覆蓋於該複數個散射用顆粒與該玻璃薄板上，其中該透明導電層具有一粗糙表面。該複數個散射用顆粒搭配該粗糙表面能夠有效降低光的反射並且同時增加光子的光行徑長度以增加光吸收來提升光電流強度，進一步提升光電轉換效率。
表一為一實際應用案例中，該複數個散射用顆粒16之該顆粒尺寸的變化範圍。該案例中之複數個散射用顆粒16的顆粒尺寸變化約略在0.17μm至23μm範圍。由表一可知，主要的構成為數量最多、尺寸為0.5μm的顆粒以及佔據體積最大、尺寸為13.5μm的顆粒。並且因可測得顆粒大小為40μm左右所佔體積之比率，所以可得知該複數個散射用顆粒之顆粒尺寸於此案例中最大可達40μm左右。
請參閱圖三，圖三係根據本發明之具有寬頻光散射功能的基板、一商用玻璃基板與一先前技術之玻璃基板在一寬頻光波長範圍內散射透過光強度之曲線圖。樣本一係一根據本發明之具有寬頻光散射功能的基板，其中該基板之透明導電層為為以化學氣相沉積法製作之含有三族(III)元素摻雜之氧化鋅(ZnO)薄膜。樣本二係一商用玻璃基板(平板玻璃)，其中該基板之透明導電層亦為以化學氣相沉積法製作的AZO薄膜。樣本三係一習知的玻璃基版(Asahi-U)。由圖三可知，樣本二以及樣本三，即該商用玻璃基板與該習知的玻璃基版(Asahi-U)，其可散射之波長範圍大約相同，在400nm至800nm之間。而根據本發明之具有寬頻光散射功能的基板，其可散射之波長範圍在400nm至1200nm之間。並且，顯見地，根據本發明之具有寬頻光散射功能的基板於該散射波長範圍其散射透過光強度大於該商用玻璃基板(樣本二)與該習知玻璃基板(Asahi-U)的散射透過光強度。
綜上所述，根據本發明之具有寬帶光散射功能的基板能夠有效提升矽薄膜太陽電池效率。此新穎的具有寬帶光散射功能之基板，由於增加了長波長光線散射能力，更有效地提升疊層型(tandem)矽薄膜太陽電池效率。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。因此，本發明所申請之專利範圍的範疇應該根據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。
1‧‧‧基板
12‧‧‧薄板
14‧‧‧黏合層
16‧‧‧散射用顆粒
18‧‧‧透明導電層
122‧‧‧入光面
124‧‧‧出光面
2‧‧‧基板
22‧‧‧薄板
24‧‧‧黏合層
26‧‧‧散射用顆粒
28‧‧‧透明導電層
222‧‧‧入光面
224‧‧‧出光面
圖一A至圖一C係示意地繪示根據本發明之一較佳具體實施例之製造一種具有寬帶光散射功能的基板1之方法。
圖二係示意地繪示根據本發明之一較佳具體實施例之一種具有寬帶光散射功能的基板2。
圖三係根據本發明之具有寬頻光散射功能的基板、一商用玻璃基板與一先前技術之玻璃基板在一寬頻光波長範圍內散射透過光強度之曲線圖。
1．．．基板
12．．．薄板
14．．．黏合層
16．．．散射用顆粒
18．．．透明導電層
122．．．入光面
124．．．出光面

Claims (8)

  1. 一種製造一具有寬帶光散射功能的基板之方法，包含下列步驟：製備一由一第一材料所形成的薄板，其中該薄板具有一入光面與相對於該入光面之一出光面；製備由一第二材料所形成的複數個散射用顆粒，其中該複數個散射用顆粒具有一顆粒尺寸變化的分佈，該顆粒尺寸的變化係於0.05至20μm範圍；固定該複數個散射用顆粒於該薄板之該出光面上，其中該複數個散射用顆粒散佈於該薄板之該出光面上且外露；以及藉由一化學氣相沉積製程，於該複數個散射用顆粒與該出光面上覆蓋一透明導電層，其中該透明導電層具有一粗糙表面；藉此，當一太陽光照射該入光面與該散佈於該出光面之複數個散射用顆粒時，該顆粒尺寸變化的分佈所對應之一寬帶範圍的光從該出光面散射至該透明導電層。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中固定該複數個散射用顆粒於該薄板之該出光面上之該步驟係藉由一溶膠凝膠法(sol-gel method)於該出光面上附著一黏合層，該黏合層用以固定該複數個散射用顆粒於該出光面上，且該複數個散射用顆粒外露於該黏合層。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一材料係選自由玻璃、二氧化矽(SiO2 )、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)以及聚對苯二甲酸乙二酯(PET)所組成之群組中之一，並且該第二材料係選自由玻璃、二氧化矽(SiO2 )、聚苯乙烯(PS)、聚 碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)以及上述化合物之混合物所組成之群組中之一。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該透明導電層係由一透明導電氧化物所組成。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該化學氣相沉積製程係一低壓化學氣相沉積製程或一常壓化學氣相沉積製程。
  6. 一種具有寬帶(broadband)光散射功能的基板，包含：一由一第一材料所形成的薄板，該薄板具有一入光面與相對於該入光面之一出光面；一黏合層，該黏合層係附著在該薄板之出光面上；由一第二材料所形成的複數個散射用顆粒，散佈於該薄板之該出光面，該複數個散射用顆粒係藉由該黏合層固定在該出光面上且外露，該複數個散射用顆粒具有一顆粒尺寸變化的分佈，該顆粒尺寸的變化係於0.05至20μm範圍；以及一透明導電層，該透明導電層係覆蓋於該黏合層與該複數個散射用顆粒上，該透明導電層具有一粗糙表面；藉此，當一太陽光照射該入光面與該散佈於該出光面之複數個散射用顆粒時，該顆粒尺寸變化的分佈所對應之一寬帶範圍的光從該出光面散射至該透明導電層。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之基板，其中該第一材料係選自由玻璃、二氧化矽(SiO2 )、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)以及聚對苯二甲酸乙二酯(PET)所組成之群組中之一，並且該第二材料係選自由玻璃、二氧化矽(SiO2 )、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)以及上述化合物之混合物所組成之群組中之一。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之基板，其中該透明導電層係由一透明導電氧化物所組成。
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