TWI447917B - 薄膜太陽能電池及其前電極層之製作方法 - Google Patents

Description

薄膜太陽能電池及其前電極層之製作方法

本發明係有關一種薄膜太陽能電池及其前電極層之製作方法，特別是有關於一種藉由陽極氧化鋁處理以形成具有多個週期性排列之孔洞之前電極層及具有此前電極層之薄膜太陽能電池。

習知技藝中在製作太陽能電池時，為了提升太陽能電池之光電轉換效益，其中一種作法是降低此太陽能電池之透明導電層與金屬氧化層之間的接面阻抗，可防止電子再結合反應進而增加太陽能電池之光電轉換效益。如美國公開案US 2006/0163567已揭露一種用在染料敏化太陽能電池之半導體電極，如第1圖所示，其中此半導體電極之形成方式係首先將鈦金屬氧化物(TiO₂ )、鈦氮化物(TiN)與鋁金屬(Al)依序濺鍍在一基板(substrate)上，接著藉由陽極氧化鋁之處理方式以將鋁金屬膜移除，進而在透明導電層TiN上形成具有多個連續排列之奈米級TiO₂ 顆粒，據此可降低透明導電層TiN與金屬氧化層TiO₂ 之間的接面阻抗，以提升太陽能電池之光電轉換效益。

然而上述習知技藝僅針對染料敏化太陽能電池之接面阻抗問題，所提出使光電轉換效益提升的解決之道，並未進一步揭露由於入射光之反射問題，而導致一般薄膜太陽能電池所面臨之光電轉換效益降低的情況，因此如何提供一種用以減少薄膜太陽能電池之入射光反射，進而提升薄膜太陽能電池之光電轉換效益，乃為產業界亟待解決之問題。

為了解決上述問題，本發明主要提出一種薄膜太陽能電池及其前電極層之製作方法，其中此前電極層之製作方法包含有：提供一玻璃基板；形成一抗反射層在此玻璃基板上，其中抗反射層具有第一折射率n1；形成一鋁金屬膜在此抗反射層上；提供一電解液且外接一偏壓，以進行此鋁金屬膜在抗反射層上之陽極鋁氧化處理，使得此鋁金屬膜被蝕刻成多個具有預設粒內徑之孔洞，進而在此抗反射層上形成一陽極氧化鋁層，其中此陽極氧化鋁層具有第二折射率n2；以及形成一透明導電層在具有此等孔洞之陽極氧化鋁層上，其中此透明導電層具有第三折射率n3，而且此等各孔隙之預設內徑大小係係根據入射光之四分之一波長而決定者，使得第一折射率n1係大於第二折射率n2，且第三折射率n3係大於第二折射率n2。

因此，本發明的主要目的係提出一種薄膜太陽能電池及其前電極層之製作方法，其中此前電極層之製作方法係藉由陽極氧化鋁之處理，以在其抗反射層表面形成具有週期性孔洞排列之陽極氧化鋁層，使得抗反射層與陽極氧化鋁層之組合可大幅降低入射光之反射，進而提升整體薄膜太陽能電池之光電轉換效益。

本發明的另一目的係提出一種薄膜太陽能電池及其前電極層之製作方法，其中此薄膜太陽能電池具有週期性孔洞排列之陽極氧化鋁層，而此週期性孔洞之內徑係根據入射光之四分之一波長(λ/4)而設計形成者。

本發明的又一目的係提出一種薄膜太陽能電池及其前電極層之製作方法，其中此薄膜太陽能電池之前電極層包含具有第一折射率n1之抗反射層、具有第二折射率n2之陽極氧化鋁層與具有第三折射率n3之透明導電層，使得第一折射率n1係大於第二折射率n2，且第三折射率n3係大於第二折射率n2。

本發明的再一目的係提出一種薄膜太陽能電池及其前電極層之製作方法，藉由此前電極層之製作方法而形成具有週期性孔洞排列之陽極氧化鋁層，而此週期性孔洞之內徑大小係藉由控制該電解液之酸度、該鋁金屬膜之厚度與該偏壓之大小而決定者。

由於本發明係揭露一種薄膜太陽能電池及其前電極層之製作方法，所利用的太陽能電池之光電轉換原理，已為相關技術領域具有通常知識者所能明瞭，故以下文中之說明，不再作完整描述。同時，以下文中所對照之圖式，係表達與本發明特徵有關之結構示意，並未亦不需要依據實際尺寸完整繪製，盍先敘明。

首先參考第2A圖，係本發明之第一較佳實施例，為一種薄膜太陽能電池之前電極層的製作方法，此製作方法包含以下步驟：

步驟S21：首先提供一基板11，其中此基板的材質係選用玻璃材質；

步驟S22：接著將抗反射層12以濺鍍或沉積方式形成在基板11上，其中抗反射層12具有第一折射率n1；

步驟S23：接著將鋁金屬膜13以濺鍍或沉積方式形成在抗反射層12上，其中此鋁金屬膜13的厚度介於300奈米到500奈米之間；

步驟S24：請參考第2B圖，接著提供一特定之電解液16且在正負電極外接一偏壓，以進行鋁金屬膜13在抗反射層12上之陽極鋁氧化處理(Anodic Aluminum Oxidation Treatment，簡稱AAO處理)，其中此特定之電解液16可以是硫酸(H₂ SO₄ )、乙二酸(H₂ C₂ O₄ )或者是磷酸(H₃ PO₄ )，且其酸鹼值介於0.5到2之間，而此電解液16具有一預設之電解質濃度0.3M，將負極連接於電解液16，正極連接於鋁金屬膜13，而此偏壓係操作在20伏特到100伏特之間，並且，此處理過程係在室溫下進行，而室溫25度為較佳的操作環境；經由上述的AAO處理過程，可使得鋁金屬膜13被蝕刻成多個週期性排列且具有預設內徑之孔洞，如第2C圖之照片所示，進而在抗反射層12上形成一陽極氧化鋁層14，其中此陽極氧化鋁層14具有第二折射率n2，其中在此陽極氧化鋁層14之孔洞大小係藉由控制電解液16的酸度、鋁金屬膜13之厚度與偏壓之大小所決定，而孔洞的內徑以大於20奈米為較佳尺寸，在上述的操作方式中，AAO處理係以濕蝕刻之氧化方式進行；以及

步驟S25：最後將透明導電層15以濺鍍或沉積方式形成在上述具有週期性排列孔洞的陽極氧化鋁層14上，其中透明導電層15具有第三折射率n3。

在上述第一較佳實施例中，抗反射層12之第一折射率n1係大於陽極氧化鋁層14之第二折射率n2，且透明導電層15之第三折射率n3係大於陽極氧化鋁層14之第二折射率n2，據此可藉由抗反射層12與陽極氧化鋁層14之組合以大幅降低入射光之反射，進而提升整體薄膜太陽能電池之光電轉換效益。

請參考第3圖，係本發明之第二較佳實施例，為一種薄膜太陽能電池，而此薄膜太陽能電池至少包含一基板11、一前電極層、一光吸收層17與背電極層18，其中此前電極層進一步包含有依序形成之一抗反射層12、一陽極氧化鋁層14與一透明導電層15，其中抗反射層12可以是鈦氧化物、矽氮化物、矽氧化物或是鎂氟化物等任一者，而鈦氧化物具有化學式TiOx，其中x<=2；矽氮化物具有化學式Si₃ -xN_4-y TiO_x ，其中x介於0到3之間，y介於0到4之間；矽氧化物具有化學式SiOx，其中x介於0到2之間；而鎂氟化物則具有化學式MgF₂ 。

在上述第二較佳實施例中，形成陽極氧化鋁層14之方法與所使用之電解液與偏壓、以及藉由控制電解液的酸度、鋁金屬膜之後度與偏壓之大小以決定其預設孔洞之大小，皆如上述之第一較佳實施例所描述。此外，基板11之材質如上述之第一較佳實施例所描述。此外，陽極氧化鋁層14之多個週期性排列之孔洞大小係根據入射光之四分之一波長(λ/4)而設計，而且孔洞的平均內徑係大於20奈米。

在上述第二較佳實施例中，抗反射層12具有第一折射率n1，陽極氧化鋁層14具有第二折射率n2，透明導電層15具有第三折射率n3，使得第一折射率n1大於第二折射率n2，且第三折射率n3大於第二折射率n2。據此可藉由抗反射層12與陽極氧化鋁層14之組合以大幅降低入射光之反射，進而提升整體薄膜太陽能電池之光電轉換效益。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，並非用以限定本發明之申請專利權利；同時以上的描述，對於熟知本技術領域之專門人士應可明瞭及實施，因此其他未脫離本發明所揭示之精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在申請專利範圍中。

11．．．基板

12．．．抗反射層

13．．．鋁金屬膜

14．．．陽極氧化鋁層

15．．．透明導電層

16．．．電解液

17．．．光吸收層

18．．．背電極層

n1．．．第一折射率

n2．．．第二折射率

n3．．．第三折射率

S21、S22、S23、S24、S25．．．步驟

第1圖為一示意圖，為一種用於染料敏化太陽電池之透明導電層之先前技術。

第2A圖為一流程圖，係本發明之第一較佳實施例，為一種用於薄膜太陽電池之前電極層之製作。

第2B圖為一示意圖，係根據本發明之第一較佳實施例，為一種陽極氧化鋁之製備。

第2C圖為一照片圖，係根據本發明之第一較佳實施例，為具有多個規則排列之孔洞之陽極氧化鋁層。

第3圖為一示意圖，係本發明之第二較佳實施例，為一種具有依據本發明之第一較佳實施例所製作之前電極層之薄膜太陽能電池。

11．．．基板

12．．．抗反射層

14．．．陽極氧化鋁層

15．．．透明導電層

n1．．．第一折射率

n2．．．第二折射率

n3．．．第三折射率

Claims (21)

1. 一種薄膜太陽能電池，包含有基板、前電極層、光吸收層與背電極層，其中該前電極層包含有依序形成之一抗反射層、一陽極氧化鋁層與一透明導電層，其特徵在於：該陽極氧化鋁層係該抗反射層上一鋁金屬膜藉由一電解液經陽極氧化處理所產生之結構，該陽極氧化鋁層具有多個週期性排列之孔洞，該些孔洞之孔徑大小係根據入射光之四分之一波長而決定，其中該抗反射層具有第一折射率n1，該陽極氧化鋁層具有第二折射率n2，該透明導電層具有第三折射率n3，使得該第一折射率n1係大於該第二折射率n2，且該第三折射率n3係大於該第二折射率n2。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之薄膜太陽能電池，其中該抗反射層係選自於由鈦氧化物、矽氮化物、矽氧化物與鎂氟化物所構成之群組。
3. 依據申請專利範圍第2項所述之薄膜太陽能電池，其中該鈦氧化物具有化學式TiOx，其中x<=2。
4. 依據申請專利範圍第2項所述之薄膜太陽能電池，其中該矽氮化物具有化學式Si₃ -xN_4-y TiO_x ，其中x介於0到3之間，y介於0到4之間。
5. 依據申請專利範圍第2項所述之薄膜太陽能電池，其中該矽氧化物具有化學式SiOx，其中x介於0到2之間。
6. 依據申請專利範圍第2項所述之薄膜太陽能電池，其中該鎂氟化物具有化學式MgF₂ 。
7. 依據申請專利範圍第1項所述之薄膜太陽能電池，其中該透明導電層係選自於由氧化鋁鋅(AZO)、氧化鍺鋅(GZO)、氧化棚鋅(BZO)、氧化銦鋅(IZO)與氧化錫(SnO2)所構成之群組。
8. 依據申請專利範圍第1項所述之薄膜太陽能電池，其中該特定之電 解液係選自於由硫酸(H₂ SO₄ )、乙二酸(H₂ C₂ O₄ )與磷酸(H₃ PO₄ )所構成之群組。
9. 依據申請專利範圍第1項所述之薄膜太陽能電池，其中該等孔洞之內徑大於20奈米。
10. 一種前電極層之製作方法，用以製作一薄膜太陽能電池，而該前電極層之製作方法包含有：提供一基板，其中該基板之材質為玻璃；形成一抗反射層在該玻璃基板上，其中該抗反射層具有第一折射率n1；形成一鋁金屬膜在該抗反射層上；提供一電解液且外接一偏壓，以進行該鋁金屬膜在該抗反射層上之陽極鋁氧化處理，使得該鋁金屬膜被蝕刻成多個具有預設內徑之孔洞，進而在該抗反射層上形成一陽極氧化鋁層，其中該陽極氧化鋁層具有第二折射率n2；以及形成一透明導電層在具有該等孔洞之陽極氧化鋁層上，其中該透明導電層具有第三折射率n3，其中該等各孔洞之預設內徑大小係藉由控制該電解液之酸度、該鋁金屬膜之厚度與該偏壓之大小而決定者。
11. 依據申請專利範圍第10項所述之前電極層之製作方法，其中該陽極鋁氧化處理係在一室溫下進行。
12. 依據申請專利範圍第11項所述之前電極層之製作方法，其中該室溫為攝氏25度。
13. 依據申請專利範圍第10項所述之前電極層之製作方法，其中該鋁金屬膜之厚度介於300奈米到500奈米之間。
14. 依據申請專利範圍第10項所述之前電極層之製作方法，其中該等孔洞之內徑大於20奈米。
15. 依據申請專利範圍第10項所述之前電極層之製作方法，其中該電解液係選自於由硫酸(H₂ SO₄ )、乙二酸(H₂ C₂ O₄ )與磷酸(H₃ PO₄ )所構成之群組。
16. 依據申請專利範圍第10項所述之前電極層之製作方法，其中該電解液具有一預設之電解質濃度0.3M。
17. 依據申請專利範圍第10項所述之前電極層之製作方法，其中該偏壓係操作在20伏特與100伏特之間。
18. 依據申請專利範圍第10項所述之前電極層之製作方法，其中該電解液具有酸鹼值介於0.5與2之間。
19. 依據申請專利範圍第10項所述之前電極層之製作方法，其中該陽極鋁氧化處理係以濕蝕刻之氧化方式進行。
20. 依據申請專利範圍第10項所述之前電極層之製作方法，其中該透明導電層係以化學沉積方式形成在該等孔洞之上。
21. 依據申請專利範圍第10項所述之前電極層之製作方法，其中該第一折射率n1係大於該第二折射率n2，且第三折射率n3係大於該第二折射率n2。