TWI446555B - 太陽能電池之背電極模組 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種太陽能電池且特別是有關於一種薄膜型太陽能電池之背電極模組。
太陽能是一種具有永不耗盡且無污染的能源，在解決目前石化能源所面臨的污染與短缺的問題時，一直是最受矚目的焦點。其中，太陽能電池(solar cell)可直接將太陽能轉換為電能，是目前相當重要的研究課題。
典型的太陽能電池最基本的結構可分為基板、P－N二極體、抗反射層、和兩個金屬電極四個主要部分。其工作的原理主要是透過光伏特效應。簡單的說，基板(substrate)是太陽能電池的主體；P－N二極體是光伏特效應的來源；抗反射層乃在減少入射光的反射來增強光電流；金屬電極則是連接元件和外界負載。當太陽光經由玻璃基板入射後，P－N接面所形成的載子空乏區會吸收太陽光而產生電子－電洞對。而P型及N型半導體中因而分別帶有負、正電荷，因此其形成的內建電場將會造成電子－電洞對分離，使得電子向n型區漂移(drift)，而相對地，電洞向p型區漂移，亦即產生從N型區向P型區的漂移電流，即所謂的光電流(photocurrent)。所產生的光電流再經由金屬電極傳輸至負載即可使用之。
一般而言，太陽能電池模組中的電極會分別設置在不照光和照光的表面上，以供外界連線。不照光的表面上的電極通常是由不照光的表面上全部塗上一層所謂的後表面電場(back surface field，BSF)金屬層所形成的。BSF金屬層可以增加載子的收集，還可回收沒有被吸收的光子。而照光的表面上的電極，除了要能有效地收集載子，而且要儘量減少金屬線遮蔽入射光的比例，因此，從條狀金屬電極，伸展出一列很細的手指(finger)等形狀之金屬電極。太陽能電池金屬電極的材料通常是鋁和其他金屬的合金，但在薄膜太陽能電池，為了達成一體成型(monolithically)的要求，因而照光的表面上的金屬電極則會使用透明導電的氧化物(transparent conductive oxide，TCO)。
除了半導體之外，金屬－半導體接觸形成的Schottky二極體，和金氧半導體(MOS)結構類似的金屬－絕緣體－半導體(MIS)，有機物或聚合物都可用來當太陽能電池的光電轉換層。此外，太陽能電池也不一定要透過光伏特效應，染料敏化電池的光電化學效應也可以經照光後產生電壓。
事實上，在光－電轉換的過程中，並非所有的入射光譜都能被太陽能電池所吸收並完全轉成電流。有一半左右的光譜因能量太低(小於半導體的能隙)，對電池的輸出沒有貢獻，而再另一半被吸收的光子中，除了產生電子－電洞對所需的能量外，約有一半左右的能量以熱的形式釋放掉，所以單一電池的最高效率約在25%左右。
因此，為能提昇太陽能電池的效率，有研究提出增加光電轉換層的厚度，以增加入射光的行進路徑。但，有些光電轉換層的材料成本非常高且形成的速度非常慢，因此，此方法的材料成本與常製程時間將會大幅增加。
另一種方法，則是對電極材料進行粗紋化(textured)表面處理，以產生凹凸不平的表面，使光線產生散射(scattering)，減少入射光之反射，並增加入射光在光電轉換層中之行進距離。但是，這一種方法僅能增加短波長之光線的散射，對於太陽能電池的效率提升非常有限。有關於這一類的專利可參考美國專利號US－04694116或US－06787692。
另外，WO2005/076370提出一種背電極，其利用透明導電層來取代傳統的鋁、銀、鉬或銅電極，並藉由白色介電顏料來達到光的反射，使光補捉效果增加。然而，該結構不僅所需的透明導電層的厚度非常厚，而且對太陽能電池效率改善的效果非常有限。
本發明就是在提供一種背電極模組，其可以增加長波長光線的散射，提高入射光以及反射光在光電轉換層中行進的路徑，提升太陽能電池之效率。
本發明就是在提供一種背電極模組的製造方法，其可以提升太陽能電池之效率，減少材料的成本，縮短製程的時間。
本發明提出一種太陽能電池之背電極模組，其包括透明導電層、多個奈米散射點以及第一金屬層。多個奈米散射點位於透明導電層中。第一金屬層位在上述透明導電層上。
依照本發明實施例所述，上述之太陽能電池之背電極模組中，上述那些奈米散射點的大小為數十奈米至數百奈米。
依照本發明實施例所述，上述之太陽能電池之背電極模組中，上述那些奈米散射點為多個奈米金屬單顆粒、多個奈米金屬團聚物或其組合。
依照本發明實施例所述，上述之太陽能電池之背電極模組中，上述那些奈米金屬單顆粒或上述那些奈米金屬團聚物之材質為與上述透明導電層之折射率差距在0.1以上之材料。
依照本發明實施例所述，上述之太陽能電池之背電極模組中，上述那些奈米金屬單顆粒或上述那些奈米金屬團聚物之材質包括金、銀、鋁、錫、鎳、鉑、鈦、釩、鉬、鎢、銦或其組合。
依照本發明實施例所述，上述之太陽能電池之背電極模組中，上述那些奈米散射點為多個奈米孔洞，這些奈米孔洞在上述透明導電層中之一第二金屬層之中，多個金屬單顆粒之間，或多個金屬團聚物之之間，或前述組合之間。
依照本發明實施例所述，上述之太陽能電池之背電極模組中，上述透明導電層之材質包括銦錫氧化物(indium tin oxide，ITO)、摻氟氧化錫(fluorine doped tin oxide，FTO)、摻鋁氧化鋅(aluminium doped zinc oxide，AZO)、摻鎵氧化鋅(gallium doped zinc oxide，GZO)或其組合。
本發明又提出一種太陽能電池之背電極模組的製造方法。此方法包括形成透明導電層，並於透明導電層中形成多個奈米散射點以及在透明導電層上形成第一金屬層。
依照本發明實施例所述，上述之太陽能電池之背電極模組的製造方法中，形成上述透明導電層與上述那些奈米散射點的方法包括形成第一透明導電子層；於上述第一透明導電子層上形成一第二金屬層；形成第二透明導電子層，使其與第一透明導電子層形成上述透明導電層；進行一加熱製程，使上述第二金屬層之金屬原子自聚形成上述那些奈米散射點。
依照本發明實施例所述，上述之太陽能電池之背電極模組的製造方法中，上述那些奈米散射點為奈米金屬單顆粒、奈米金屬團聚物、奈米孔洞或其組合。
依照本發明實施例所述，上述之太陽能電池之背電極模組的製造方法中，上述第二金屬層之材質為上述透明導電層之折射率差距在0.1以上之材料。
依照本發明實施例所述，上述之太陽能電池之背電極模組的製造方法中，上述第二金屬層之材質包括金、銀、鋁、錫、鎳、鉑、鈦、釩、鉬、鎢、銦或其組合。
依照本發明實施例所述，上述之太陽能電池之背電極模組的製造方法中，上述加熱製程是在形成上述第二透明導電子層之前進行的。
依照本發明實施例所述，上述之太陽能電池之背電極模組的製造方法中，上述加熱製程是在形成上述第二透明導電子層之後進行的。
依照本發明實施例所述，上述之太陽能電池之背電極模組的製造方法中，形成上述透明導電層與上述那些奈米散射點的方法包括：形成一第一透明導電子層，之後，於上述第一透明導電子層上直接形成上述那些奈米散射點，之後，在上述那些奈米散射點上形成一第二透明導電子層。
依照本發明實施例所述，上述之太陽能電池之背電極模組的製造方法中，形成上述那些奈米散射點的方法是在於上述第一透明導電子層上直接形成多個金屬單顆粒、多個金屬團聚物或其組合。
依照本發明實施例所述，上述之太陽能電池之背電極模組的製造方法中，上述那些奈米散射點為上述那些金屬單顆粒、上述那些奈米金屬團聚物或其組合，且上述那些奈米散射點為上述那些金屬單顆粒、上述那些奈米金屬團聚物的大小為數十至數百奈米。
依照本發明實施例所述，上述之太陽能電池之背電極模組的製造方法中，上述那些奈米金屬單顆粒或上述那些奈米金屬團聚物之材質為與上述透明導電層之折射率差距在0.1以上之材料。
依照本發明實施例所述，上述之太陽能電池之背電極模組的製造方法中，上述那些奈米金屬單顆粒或上述那些奈米金屬團聚物之材質包括銀、鉑、鈀、鉬或其組合。
依照本發明實施例所述，上述之太陽能電池之背電極模組的製造方法中，上述那些奈米散射點為多數個奈米孔洞，且上述那些奈米孔洞為上述那些金屬單顆粒之間未被上述第二透明導電子層覆蓋的間隙、上述那些金屬團聚物之間未被上述第二透明導電子層覆蓋的間隙或上述那些金屬單顆粒與上述那些金屬團聚物之間未被上述第二透明導電子層覆蓋的間隙，抑或是前述之組合，且上述那些間隙的大小為數十至數百奈米。
本發明透過奈米散射點的形成可以增加長波長光線的散射，提高入射光以及反射光在光電轉換層中行進的路徑，提升太陽能電池之效率，減少材料的成本，縮短製程的時間。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
圖1A與1B分別是依據本發明實施例所繪示之太陽能電池之背電極模組的剖面示意圖。
請參照圖1A，太陽能電池之背電極模組20是設置在光電轉換層10上，其包括透明導電層12、金屬層16以及位於透明導電層12之中的多個奈米散射點14a。透明導電層12之材質例如是透明導電氧化物比如是銦錫氧化物(indium tin oxide，ITO)、摻氟氧化錫(fluorine doped tin oxide，FTO)、摻鋁氧化鋅(aluminium doped zinc oxide，AZO)、摻鎵氧化鋅(gallium doped zinc oxide，GZO)或其組合或其組合。金屬層16之材質例如是鋁、銀、鉬或銅等。奈米散射點14a可以是奈米金屬單顆粒、奈米金屬團聚物、或其組合，其大小例如是數十奈米至數百奈米。奈米金屬單顆粒或奈米金屬團聚物之材質為與透明導電層12之折射率差距在0.1以上之材料，例如是金、銀、鋁、錫、鎳、鉑、鈦、釩、鉬、鎢、銦或其組合。
請參照圖1B，太陽能電池之背電極模組20是設置在光電轉換層10上，其包括透明導電層12、金屬層16以及位於透明導電層12之中的金屬層14b。透明導電層12之材質例如是透明導電氧化物比如是ITO、FTO、AZO、GZO或其組合。金屬層16之材質例如是鋁、銀、鉬或銅等。金屬層14b可以是一金屬膜層。金屬層14b中具有多個奈米孔洞14c，作為奈米散射點。奈米孔洞14c的大小例如是數十奈米至數百奈米。此處所述的金屬層14b也可以是多個奈米金屬單顆粒、多個奈米金屬團聚物或其組合。奈米孔洞14c則是奈米金屬單顆粒之間的間隙、奈米金屬團聚物之間的間隙或奈米金屬單顆粒與奈米金屬團聚物之間的間隙，抑或是前述之組合。金屬層14b材質可以是與透明導電層12之折射率差距在0.1以上之材料，例如是金、銀、鋁、錫、鎳、鉑、鈦、釩、鉬、鎢、銦或其組合。
本發明在背電極模組的透明導電層中形成多個散射點，可以增加長波長(例如是650－800奈米)之光線的散射，提高入射光以及反射光在光電轉換層中行進的路徑，使光線能更有效被光電轉換層吸收，因此，可以大幅升太陽能電池之效率。
圖2A至2B或2B－1是依據本發明一實施例所繪示之一種背電極模組之製造流程的剖面示意圖。
請參照圖2A，在太陽能電池的光電轉換層100上形成透明導電子層102a。透明導電子層102a之材質例如是透明導電氧化物(TCO)，比如是銦錫氧化物(ITO)、摻氟氧化錫(FTO)、摻鋁氧化鋅AZO)、摻鎵氧化鋅(GZO)或其組合。透明導電子層102a的形成方法例如化學氣相沈積法(CVD)、濺鍍法(sputtering method)或其他合適的方法。
接著，在透明導電子層102a上形成金屬層104。金屬層104之材質為與透明導電子層102a之折射率差距在0.1以上之材料，例如是金、銀、鋁、錫、鎳、鉑、鈦、釩、鉬、鎢、銦或其組合。金屬層104的形成方法例如濺鍍法或其他合適的方法。之後，在透明導電子層102a上形成另一層透明導電子層102b。透明導電子層102b之材質例如是透明導電氧化物，比如是ITO、FTO、AZO、GZO或其組合。透明導電子層102b的形成方法例如化學氣相沈積法、濺鍍法或其他合適的方法。
之後，請參照圖2B與2B－1，進行加熱製程。加熱製程的溫度例如是攝氏100度至200度。在一實施例中，進行加熱製程將使得金屬層104之金屬自聚，形成多個奈米金屬單顆粒、多個奈米金屬團聚物或其組合104a，且其周圍被透明導電子層102a與102b組合所形成的透明導電層102包覆。奈米金屬單顆粒、多個奈米金屬團聚物或其組合104a即作為奈米放射點，如圖2B所示。在另一實施例中，請參照圖2B－1，進行加熱製程，使得金屬層104之金屬自聚，形成多個奈米金屬單顆粒、多個奈米金屬團聚物或其組合104a，抑或是形成另一金屬膜層104a。而透明導電子層102a與102b在進行加熱製程後，將熔合形成透明導電層102。但是，在自聚過程中在奈米金屬單顆粒或奈米金屬團聚物之間所產生的間隙104b並未被透明導電層102所覆蓋，這些間隙104b又稱為奈米孔洞，即作為奈米放射點。
之後，再於透明導電層102上形成金屬層106，以作為接觸電極，完成背電極模組200之製作。金屬層106之材質例如是鋁、銀、鉬或銅等。金屬層106的形成方法例如濺鍍法或其他合適的方法。
圖3A至3C或3C－1是依據本發明另一實施例所繪示之另一種背電極模組之製造流程的剖面示意圖。
請參照圖3A，在太陽能電池的光電轉換層100上形成透明導電子層102a。透明導電子層102a之材質例如是透明導電氧化物，比如是ITO、FTO、AZO、GZO或其組合。透明導電子層102a的形成方法例如化學氣相沈積法、濺鍍法或其他合適的方法。接著，在透明導電子層102a上形成金屬層104。金屬層104之材質為與透明導電子層102a之折射率差距在0.1以上之材料，例如是金、銀、鋁、錫、鎳、鉑、鈦、釩、鉬、鎢、銦或其組合。金屬層104的形成方法例如濺鍍法或其他合適的方法。
之後，請參照圖3B，進行加熱製程，使得金屬層104之金屬自聚，形成多個金屬單顆粒、多個金屬團聚物或其組合104a，其彼此之間的間隙為104b。金屬單顆粒或金屬團聚物的大小可以是奈米等級或更大。加熱製程的溫度例如是攝氏100度至200度。
之後，請參照圖3C，在透明導電子層102a上以及奈米金屬單顆粒或奈米金屬團聚物104a周圍形成另一層透明導電子層102b，以構成透明導電層102。另一透明導電子層102b之材質例如是透明導電氧化物，比如是ITO、FTO、AZO、GZO或其組合。另一透明導電子層102b的形成方法例如化學氣相沈積法、濺鍍法或其他合適的方法。
當另一層透明導電子層102b填滿奈米金屬單顆粒或奈米金屬團聚物104a其彼此之間的間隙104b時，金屬單顆粒、金屬團聚物或其組合即作為奈米放射點，如圖3C所示。因此，當金屬單顆粒、金屬團聚物104a作為奈米放射點時，其大小必須為奈米等級，約為數十奈米至數百奈米。
請參照圖3C－1，當所形成的另一層透明導電子層102b未填滿金屬單顆粒或金屬團聚物104a其彼此之間的間隙104b時，這些間隙104b又稱為奈米孔洞，即作為奈米放射點。因此，當奈米放射點是奈米孔洞時，金屬單顆粒或金屬團聚物104a的大小並無限制，但，金屬單顆粒或金屬團聚物104a之間的間隙104b則必需控制在約為10奈米至50奈米。當然，金屬單顆粒、金屬團聚物104a以及其彼此之間的間隙104b可同時作為奈米放射點，但是，其大小都必須為奈米等級，約為數十奈米至數百奈米。
之後，再於透明導電層102上形成金屬層106，以作為接觸電極，完成背電極模組200之製作。金屬層106之材質例如是鋁、銀、鉬或銅等。金屬層106的形成方法例如濺鍍法或其他合適的方法。
圖4A至4B或4B－1是依據本發明又一實施例所繪示之另一種背電極模組之製造流程的剖面示意圖。
請參照圖4A，在太陽能電池的光電轉換層100上形成透明導電子層102a。透明導電子層102a之材質例如是透明導電氧化物，比如是ITO、FTO、AZO、GZO或其組合。
接著，直接在透明導電子層102a上形成多個金屬單顆粒、多個金屬團聚物或其組合104a，其彼此之間的間隙為104b。金屬單顆粒或金屬團聚物的大小可以是奈米等級或更大。金屬單顆粒、金屬團聚物或其組合104a之材質為與透明導電子層102a之折射率差距在0.1以上之材料，例如是金、銀、鋁、錫、鎳、鉑、鈦、釩、鉬、鎢、銦或其組合。直接在透明導電子層102a上形成多個金屬單顆粒、多個金屬團聚物或其組合104a的方法例如是噴灑法或是塗布法。
之後，請參照圖4B，在透明導電子層102a上以及奈米金屬單顆粒或奈米金屬團聚物104a周圍形成另一層透明導電子層102b，以構成透明導電層102。另一透明導電子層102b之材質例如是透明導電氧化物，比如是ITO、FTO、AZO、GZO或其組合。另一透明導電子層102b的形成方法例如化學氣相沈積法、濺鍍法或其他合適的方法。
當另一層透明導電子層102b填滿奈米金屬單顆粒或奈米金屬團聚物104a其彼此之間的間隙104b時，金屬單顆粒、金屬團聚物或其組合即作為奈米放射點，如圖4B所示。因此，當金屬單顆粒、金屬團聚物104a作為奈米放射點時，在形成金屬單顆粒、金屬團聚物104a時，必須將其大小控制在為奈米等級，約為數十奈米至數百奈米。
請參照圖4B－1，當所形成的另一層透明導電子層102b未填滿金屬單顆粒或金屬團聚物104a其彼此之間的間隙104b時，這些間隙104b又稱為奈米孔洞，即作為奈米放射點。因此，當奈米放射點是奈米孔洞時，金屬單顆粒或金屬團聚物104a的大小並無限制，但，金屬單顆粒或金屬團聚物104a之間的間隙104b則必需控制在奈米等級，約為數十奈米至數百奈米。
當然，金屬單顆粒、金屬團聚物104a以及其彼此之間的間隙104b可同時作為奈米放射點，但是，其大小都必須為奈米等級，約為數十奈米至數百奈米。
之後，再於透明導電層102上形成金屬層106，以作為接觸電極，完成背電極模組200之製作。金屬層106之材質例如是鋁、銀、鉬或銅等。金屬層106的形成方法例如濺鍍法或其他合適的方法。
本發明之背電極模組20可以應用在矽型太陽能電池或是染料敏化型電池，因此，上述之光電轉換層10或100可以是適用在矽型太陽能電池或是染料敏化型電池之各種材料。
本發明在透明導電層中形成多個散射點可以增加光的散射，提高入射光與反射光在光電轉換層中行進的路徑，以提升太陽能電池之效率，因此，所需的光電轉換層的厚度非常薄，故，能減少光電轉換層之原料成本，縮短光電轉換層之製程時間。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10、100．．．光電轉換層
20、200．．．背電極模組
12、102．．．透明導電層
14a、104a．．．金屬顆粒、金屬團聚物
14c、104b．．．孔洞或間隙
14b、16、104、106．．．金屬層
102a、102b．．．透明導電子層
圖1A是依據本發明實施例所繪示之一種太陽能電池之背電極模組的剖面示意圖。
圖1B是依據本發明實施例所繪示之另一種太陽能電池之背電極模組的剖面示意圖。
圖2A至2B或2B－1是依據本發明一實施例所繪示之一種背電極模組之製造流程的剖面示意圖。
圖3A至3C或3C－1是依據本發明另一實施例所繪示之另一種背電極模組之製造流程的剖面示意圖。
圖4A至4B或4B－1是依據本發明又一實施例所繪示之另一種背電極模組之製造流程的剖面示意圖。
10．．．光電轉換層
12．．．透明導電層
14a．．．奈米散射點
16．．．金屬層
20．．．背電極模組
Claims (4)
- 一種太陽能電池之背電極模組的製造方法，包括：形成一透明導電層，並於該透明導電層中形成多數個奈米散射點，包括：形成一第一透明導電子層；於該第一透明導電子層上形成一第二金屬層；形成一第二透明導電子層，該第一透明導電子層與該第二透明導電子層形成該透明導電層；以及在形成該第二透明導電子層之後，進行一加熱製程，使該第二金屬層之金屬原子自聚形成該些奈米散射點；以及在該透明導電層上形成一第一金屬層。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池之背電極模組的製造方法，其中該些奈米散射點為奈米金屬單顆粒、奈米金屬團聚物、奈米孔洞或其組合。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池之背電極模組的製造方法，其中該第二金屬層之材質為該透明導電層之折射率差距在0.1以上之材料。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池之背電極模組的製造方法，其中該第二金屬層之材質包括金、銀、鋁、錫、鎳、鉑、鈦、釩、鉬、鎢、銦或其組合。
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