TWI437713B - 應用於太陽能電池之背電極結構及其製作方法 - Google Patents

應用於太陽能電池之背電極結構及其製作方法 Download PDF

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Description

應用於太陽能電池之背電極結構及其製作方法
本發明係關於一種背電極結構,特別是一種應用於太陽能電池中背電極結構及其製作方法,藉由改善背電極結構,以增加光學的使用效率,來提昇太陽能電池之光電轉換效率。
目前商業化的太陽能產品,多使用具有織構化(textured)之透明導電層(Transparent Conductive Oxide,TCO)的玻璃作為太陽能電池之光入射面,具有織構化(textured)之透明導電層除了能夠有效增加太陽光的入射效率,亦能增加太陽光在太陽能電池中的光捕捉(light-trapping)效應。
然而,隨著太陽能電池的改善加工,其厚度亦隨之成長,因此,位於太陽能電池之最上層的薄膜表面粗糙度亦隨之下降。根據研究,除了作為光入射面的具有織構化之透明導電層可有效增加太陽光在太陽能電池中的光捕捉效應,背電極部分的光捕捉效果亦可有效的提升太陽能電池的光電轉換效率。因此,藉由增加背電極之表面的粗糙度,亦可增加未被吸收的光的散射效果,進而增加光的路徑以利再吸收,而有效的增加光電轉換效率,甚至可減少吸收層的厚度而降低成本及減少光裂化。
目前所提出之製作背電極的結構包括蝕刻法、壓印法等,蝕刻法除了容易造成缺陷及汙染,在大面積的太陽能電池上也有均勻性的問題,同時,其製造成本相對地較高,壓印法亦然。因此,如何藉由改善背電極結構,達到提升太陽能電池之光吸收效率,以改善目前太陽能電池之光電轉換效率,是本技術領域亟欲解決之問題。
本發明之一目的係在於提供一製作方法來改善背電極結構,除了可相容原廠商設備之製程,也具有較低生產成本的優勢。
本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。
為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的,本發明之一實施例的一種應用於太陽能電池中背電極結構,其中太陽能電池包括一第一透明導電層、一太陽能電池單元、一第二透明導電層及背電極結構,第一透明導電層設置於太陽能電池單元之一側,第二透明導電層設置於太陽能電池單元之相對於該側之一入射光側,背電極結構設置於第一透明導電層之相對於太陽能電池單元之另一側,背電極結構包括:一粒狀結構設置於第一透明導電層之表面上,其中粒狀結構為不透光材料,一第三透明導電層設置於粒狀結構及第一透明導電層上,一電極設置於粒狀結構及第三透明導電層上;其特徵為第三透明導電層之高度等於或小於粒狀結構之直徑,使得粒狀結構位於第三透明導電層及電極之界面。
在一較佳實施例中,第一透明導電層及第三透明導電層之材料由金屬氧化物、矽氧化物或以上含有摻雜物所構成,其厚度範圍為0至2000奈米。
在一較佳實施例中,粒狀結構之材料由高分子材料、金屬、金屬合金、金屬氧化物、矽氧化物或以上含有摻雜物之材料所構成,並且粒狀結構之顆粒的直徑範圍為10至1000奈米。
在一較佳實施例中,粒狀結構可去除,使得第三透明導電層與電極之界面具有複數空氣泡,電極材料可填補此孔洞形成有粗糙度之結構。
為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的,本發明之一實施例的一種應用於太陽能電池中背電極結構之製作方法包括:沉積複數粒狀結構於第一透明導電層上;再沉積一第三透明導電層於粒狀結構及第一透明導電層上,並且第三透明導電層之高度等於或小於粒狀結構之直徑;最後形成一電極於此結構上。
為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的,本發明之另一實施例的一種應用於太陽能電池中背電極結構的製作方法,包括:形成一第一金屬層於一第一透明導電層上;執行退火處理,使得第一金屬層聚集成一第一粒狀結構;形成一第二金屬層於第一粒狀結構上;執行退火處理,使得第二金屬層聚集成一第二粒狀結構;形成一第三透明導電層於第一粒狀結構、第二粒狀結構及第一透明導電層上,並且第三透明導電層之高度等於或小於第一粒狀結構之直徑及第二粒狀結構之直徑;以及形成一電極於粒狀結構及第三透明導電層上。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效,在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中,將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語,例如:上、下、左、右、前或後等,僅是參考附加圖式的方向。因此,使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。
請參照第一圖,係為本發明之第一實施例中一種應用於太陽能電池100中背電極結構200。其中太陽能電池100包括一第一透明導電層101、一太陽能電池單元102及一第二透明導電層103,第一透明導電層101設置於太陽能電池單元102之一側,第二透明導電層103則設置於太陽能電池單元102之相對於該側之一入射光側,而背電極結構200設置於第一透明導電層101之相對於太陽能電池單元102之另一側。其中,太陽能電池100可以為非晶或微晶太陽能電池之中的矽、矽鍺、碳化矽之單層或多接面太陽能電池,第二透明導電層103係為一玻璃基板或一塑膠基板之一部分,並且其總厚度約3至4釐米。
背電極結構200包括複數粒狀結構201、一第三透明導電層202及一電極203。其中,第一透明導電層101及第三透明導電層202之材料係由金屬氧化物、矽氧化物或以上含有摻雜物所構成,例如Al:ZnO或F:SnO,並且其厚度範圍為0至2000nm,而電極203之材料可為鋅(Zn)、鎂(Mg)、鋁(Al)、銀(Ag)、銅(Cu)、鎳(Ni)或上述之合金等金屬材料。
複數粒狀結構201設置於第一透明導電層101之表面上,並且複數粒狀結構係為不透光材料,第三透明導電層202設置於複數粒狀結構201及第一透明導電層101上,最後一電極203設置於粒狀結構201及第三透明導電層202上;其特徵為第三透明導電層202之高度h等於或小於粒狀結構201之直徑R,使得這些粒狀結構201位於第三透明導電層202及電極203之界面。
在一較佳實施例中,粒狀結構201之顆粒的直徑範圍為10nm至1000nm,並且其材料由高分子材料、金屬、金屬合金、金屬氧化物、矽氧化物或以上含有摻雜物所構成,例如導電性奈米球或金屬奈米球,使得背電池結構200之表面粗糙化。
因此,太陽光之光線如圖中虛線所示,當太陽光進入太陽能電池100之背電池結構200後,由於這些粒狀結構201可以有效將太陽光之光線反射回太陽能電池100之太陽能電池單元102,並且增加未被吸收之太陽光之光線的散射效果,進而增加太陽光之光線的路徑以利再吸收,而能夠提高太陽能電池100之光捕捉效果,亦可有效的提升太陽能電池的光電轉換效率。
如第二圖所示,係為本發明之第一實施例中一種應用於太陽能電池100中背電極結構200之製作流程。首先,提供一製備完成之太陽能電池100,太陽能電池100包括一第一透明導電層101、一太陽能電池單元102及一第二透明導電層103,第一透明導電層101設置於太陽能電池單元102上之一側,第二透明導電層103則設置於太陽能電池單元102之相對於該側之一入射光側,而背電極結構200設置於第一透明導電層101之另一側。接著,可以不同方法沉積複數粒狀結構201於第一透明導電層101上,例如塗佈法、旋鍍法、噴墨法等,於第一透明導電層101上形成均勻分布的粒狀結構201,例如導電性奈米球或金屬奈米球;再沉積一第三透明導電層202於這些粒狀結構201及第一透明導電層101上,並且第三透明導電層202之高度h等於或小於粒狀結構201之高度R,則使得這些粒狀結構201位於第三透明導電層202及電極203之界面。最後,形成一電極203於粒狀結構201及該第三透明導電層202上。上述完成之背電極結構200的表面因為經過粗糙化,而可進一步提升太陽能電池100的效能。
請參照第三圖,係為本發明之第二實施例中一種應用於太陽能電池100中背電極結構210。其中太陽能電池包括一第一透明導電層101、一太陽能電池單元102及一第二透明導電層103,第一透明導電層101設置於太陽能電池單元102上之一側,第二透明導電層103則設置於太陽能電池單元102之相對於該側之一入射光側,而背電極結構210設置於第一透明導電層101之另一側。其中,太陽能電池100可以為非晶或微晶太陽能電池之中的矽、矽鍺、碳化矽之單層或多接面太陽能電池。
背電極結構210包括複數粒狀結構201a、一第三透明導電層202及一電極203。其中,第一透明導電層101及第三透明導電層202之材料係選自由金屬氧化物、矽氧化物及以上含有摻雜物所構成的群組,例如Al:ZnO或F:SnO,並且其厚度範圍為0至2000nm,而電極203為鋅(Zn)、鎂(Mg)、鋁(Al)、銀(Ag)、銅(Cu)、鎳(Ni)或上述之合金等金屬材料。
複數粒狀結構201a設置於第一透明導電層101之表面上,第三透明導電層202設置於粒狀結構201a及第一透明導電層101上,並且電極203設置於上述粒狀結構201a及第三透明導電層202上;其特徵為第三透明導電層202之高度h等於或小於粒狀結構201a之直徑R,使得這些粒狀結構201a位於第三透明導電層202及電極203之界面,並且粒狀結構201a於第二實施例中可去除,因此電極203之金屬材料將會填滿去除之粒狀結構201a的空隙。其中,粒狀結構201a之顆粒的直徑範圍為10至1000nm_。
由於這些粒狀結構201a位於第三透明導電層202及電極203之界面,則太陽光之光線如圖中虛線所示,當太陽光進入太陽能電池100之背電池結構210前,這些填滿空隙201a之金屬材料可以有效將太陽光之光線反射回太陽能電池100之太陽能電池單元102,增加未被吸收之太陽光之光線的散射效果,進而增加太陽光之光線的路徑以利再吸收,而提高太陽能電池100之光捕捉效果,因此有效的提升太陽能電池100的光電轉換效率。
如第四圖所示,係為本發明之第二實施例中一種應用於太陽能電池100中背電極結構210之製作流程。首先,提供一製備完成之太陽能電池100,太陽能電池100包括一第一透明導電層101、一太陽能電池單元102及一第二透明導電層103,第一透明導電層101設置於太陽能電池單元102上之一側,第二透明導電層103則設置於太陽能電池單元102之相對於該側之一入射光側,而背電極結構200設置於第一透明導電層101之另一側。接著,可以不同方法沉積複數粒狀結構201於第一透明導電層101上,例如塗佈法、旋鍍法、噴墨法等,於第一透明導電層101上形成均勻分布的粒狀結構201,例如高分子奈米球等;再沉積一第三透明導電層202於這些粒狀結構201及第一透明導電層101上,並且第三透明導電層202之高度等於或小於粒狀結構201之高度(未標示);然後,以不同方法除去這些粒狀結構201,例如震盪法、溶解法、黏著法等,則使得第三透明導電層202及電極203之界面具有複數粒狀結構201a,而粒狀結構201a為空隙。最後,形成一電極203於粒狀結構201a及第三透明導電層202上,並且填滿空隙201a。上述完成之背電極結構210的表面因為經過粗糙化,而可進一步提升太陽能電池100的效能。
第五圖,係為本發明之第三實施例中一種應用於太陽能電池中背電極結構之製作流程。首先,提供一製備完成之太陽能電池100,太陽能電池100包括一第一透明導電層101、一太陽能電池單元102及一第二透明導電層103,太陽能電池單元102及第二透明導電層103依序設置於第一透明導電層101之一側,而背電極結構220設置於第一透明導電層101之另一側。接著,形成一第一金屬層M於第一透明導電層101上,並且執行退火處理,使得第一金屬層M聚集成島嶼狀或顆粒狀之複數第一粒狀結構201b;再形成一第二金屬層M’於上述第一粒狀結構201b上,並且執行退火處理,使得第二金屬層M’聚集成島嶼狀或顆粒狀複數第二粒狀結構201b’。其中,退火處理包括爐管熱處理、快速退火製程或雷射退火製程。
上述步驟中,形成第一金屬層M及第二金屬層M’於第一透明導電層101上後,執行退火處理而形成第一粒狀結構201b及第二粒狀結構201b’之步驟,可重複執行,則於第一透明導電層101上可以形成不同大小的金屬顆粒以對應不同波長的散射效應,則此粗糙化的表面結構可增強太陽光於太陽能電池100中的光捕捉效應。其中,第一金屬層M及第二金屬層M’皆為低熔點金屬薄膜,第一金屬層M及第二金屬層M’皆係選自由鋅(Zn)、鎂(Mg)、鋁(Al)、銀(Ag)、銅(Cu)及鎳(Ni)所構成的群組。此外,第一金屬層M之厚度範圍為5至1000nm,第二金屬層M’之厚度範圍為5至1000nm,並且第二金屬層M’之厚度小於第一金屬層M之厚度。
接著,沉積一第三透明導電層202於第一粒狀結構201b、第二粒狀結構201b’及第一透明導電層101上,並且第三透明導電層202之高度等於或小於第一粒狀結構201b之高度(未標示)及第二粒狀結構201b’之高度(未標示);然後,形成一電極203於第一粒狀結構201b、第二粒狀結構201b’及第三透明導電層202上。
上述實施例中背電極結構200、210及220,由於這些粒狀結構201、201a及201b之設置,使得其表面粗糙化,因此可以有效增加未被吸收之太陽光之光線的散射效果,進而增加太陽光之光線的路徑以利再吸收,達到提升太陽能電池100之光吸收效率,而可進一步提升太陽能電池100的效能。此外,背電極結構200、210及220可以相容於任何太陽能電池之原本廠商設備的製程,並且具有較低生產成本的優勢。
惟以上所述者,僅為本發明之較佳實施例而已,當不能以此限定本發明實施之範圍,即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾,皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外,摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用,並非用來限制本發明之權利範圍。
100...太陽能電池
101...第一透明導電層
102...太陽能電池單元
103...第二透明導電層
200、210、220...背電極結構
201、201a、201b...粒狀結構
202...第三透明導電層
203...電極
h...(第三透明導電層之)高度
R...(粒狀結構之)直徑
第一圖,係為本發明之第一實施例中一種應用於太陽能電池中背電極結構。
第二圖,係為本發明之第一實施例中一種應用於太陽能電池中背電極結構之製作流程。
第三圖,係為本發明之第二實施例中一種應用於太陽能電池中肯電極結構。
第四圖,係為本發明之第二實施例中一種應用於太陽能電池中背電極結構之製作流程。
第五圖,係為本發明之第三實施例中一種應用於太陽能電池中背電極結構之製作流程。
100...太陽能電池
101...第一透明導電層
102...太陽能電池
103...第二透明導電層
200...背電極結構
201...複數粒狀結構
202...第三透明導電層
203...電極
h...(第三透明導電層之)高度
R...(粒狀結構之)直徑

Claims (10)

  1. 一種應用於太陽能電池中背電極結構的製作方法,包括:提供一太陽能電池單元;提供一第一透明導電層於該太陽能電池單元之一側;形成一第一金屬層於該第一透明導電層上,該第一金屬層係相對於該太陽能電池單元;執行退火處理,使得該第一金屬層聚集成一第一粒狀結構;形成一第二金屬層於該第一粒狀結構上;執行退火處理,使得該第二金屬層聚集成一第二粒狀結構;形成一第三透明導電層於該第一粒狀結構、該第二粒狀結構及該第一透明導電層上,並且該第三透明導電層之高度等於或小於該第一粒狀結構之直徑及該第二粒狀結構之直徑;以及形成一電極於該第一粒狀結構、該第二粒狀結構及該第三透明導電層上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之應用於太陽能電池中背電極結構的製作方法,其中依序地形成該第一金屬層於該第一透明導電層上;執行退火處理,使得該第一金屬層聚集成該第一粒狀結構;形成該第二金屬層於該第一粒狀結構上;執行退火處理,使得該第二金屬層聚集成該第二粒狀結構之步驟,可重複上述步驟。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之應用於太陽能電池中 背電極結構的製作方法,更包括:去除該第一粒狀結構及該第二粒狀結構而形成空隙。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之應用於太陽能電池中背電極結構的製作方法,其中該第一金屬層之厚度範圍為5至1000奈米,該第二金屬層之厚度範圍為5至1000奈米,並且該第二金屬層之厚度小於該第一金屬層之厚度。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之應用於太陽能電池中背電極結構的製作方法,其中該第一金屬層及該第二金屬層皆係為低熔點材料,並且該第一金屬層及該第二金屬層皆係選自由鋅、鎂、鋁、銀、銅、鎳及上述合金所構成的群組。
  6. 一種利用申請專利範圍第1項之方法所製作的背電極結構,其中該背電極結構設置於該第一透明導電層之相對於該太陽能電池單元之另一側,該背電極結構包括:複數粒狀結構設置於該第一透明導電層之表面上,其中該等粒狀結構皆為不透光材料,其包括直徑大小不同的該第一粒狀結構及該第二粒狀結構;該第三透明導電層設置於該第一粒狀結構、該第二粒狀結構及該第一透明導電層上;以及該電極設置於該等粒狀結構及該第三透明導電層上,且該等粒狀結構係位於該第三透明導電層及該電極之界面,其中該第一粒狀結構之直徑等於該第三透明導電層之高度,並且該第二粒狀結構之直徑大於該第三透明導電層之高度。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之背電極結構,其中該第一透明導電層及該第三透明導電層之材料係選自由金屬氧化 物、矽氧化物及以上含有摻雜物所構成的群組,其具有透光及導電之特性,並且其厚度範圍為0至2000奈米。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之背電極結構,其中該等粒狀結構之顆粒的直徑範圍為10至1000奈米。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之背電極結構,其中該等粒狀結構之材料係選自由高分子材料、金屬、金屬合金、金屬氧化物、矽氧化物及以上含有摻雜物所構成的群組。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之背電極結構,其中該等粒狀結構皆為粒狀的空隙結構。
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