TWI453927B - 多重反射結構以及光電元件 - Google Patents

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Description

多重反射結構以及光電元件
本申請案是有關於一種多重反射結構(multi-reflection structure)以及光電元件，且特別是有關於一種能夠降低界面反射(surface reflection)之多重反射結構以及光電元件。
近年來，光電產業(諸如顯示器產業、固態照明產業、太陽光電產業)的蓬勃發展持續改變人類生活。然而，在上述光電產業的開發中，不可避免都會遇到界面反射的問題，而介質之折射率差異是導致界面反射的主因。在顯示器中，界面反射會導致顯示器之整體亮度下降，而在固態照明元件(如發光二極體或有機電激發光元件)中，界面反射會導致整體出光效率低落。有研究指出，在一般的有機電激發光元件中，界面反射導致將近70%至80%的光損失。
在太陽電池中，界面反射亦是直接導致光電轉換效率低落的主因。詳言之，太陽電池是一種將光能轉換為電能的光電元件，太陽電池的光電轉換效率與其所產生之光電流以及電壓有關。為了增加光電流就必須增加太陽電池的光吸收率。由於一般的單晶矽太陽電池具有足夠的厚度，因此光線的吸收不是太大的問題，因此，如何降低單晶矽太陽電池之界面反射所導致之光損失，實為目前亟待解決的課題之一。
根據菲涅耳定律(Fresnel’s Law)，當光線經過兩個具有不同折射率之介質的界面時，光線的反射率與二介質之折射率差異正相關。詳言之，當二介質之折射率越接近，光線經過此二介質的界面時被反射的比率越低；反之，當二介質之折射率差異越大，光線經過此二介質的界面時被反射的比率越高。以半導體元件中常用的矽基材為例，對於可見光而言，其折射率值約在3至4之間，很明顯地，在具有平坦表面之矽基材與空氣的界面處，可見光的反射率相當高(約有36%的光線被反射)。
在現有的太陽電池中，為了解決界面反射的問題，一般會在矽基材太陽能電池的結構上形成一非晶(amorphous)含氫之氮化矽抗反射層，以增加光線的利用率進而提升太陽電池的光電轉換效率。然而，抗反射層仍無法大幅提升太陽電池的光電轉換效率。因此，已有習知技術(如US 5,081,049、US 5,080,725、US 2009/071536、TWM 354858、US 7,368,655)於太陽電池的入光面上形成光學微結構，以使光線在太陽電池表面處被反射多次，進而降低界面反射所導致的光損失。然而，在前述的習知技術(如US 5,081,049、US 5,080,725、US 2009/071536、TWM 354858、US 7,368,655)中，由於絕大部分的光線在太陽電池表面處只會被反射二次，因此界面反射所導致的光損失仍然無法大幅度地被降低。
承上述，如何更為有效地抑制界面反射所導致的光損失，實為目前亟待解決的課題之一。
本申請案提供一種多重反射結構以及光電元件，其具有良好的光學表現。
本申請案提供一種多重反射結構，其包括一基材以及一角錐體。基材具有一倒角錐狀凹陷(inversed pyramid shaped recess)，倒角錐狀凹陷具有至少三個第一反射側面。角錐體配置於基材上且位於倒角錐狀凹陷內，其中角錐體具有至少三個第二反射側面，且各第二反射側面之法線與任一個第一反射側面之法線不在同一空間平面(plane)上。
本申請案提供一種多重反射結構，其包括一基材、至少一第一角錐體以及至少一第二角錐體。第一角錐體配置於基材上，且第一角錐體具有至少三個第一反射側面。第二角錐體配置於基材上，第二角錐體具有至少三個第二反射側面，且各第二反射側面之法線與任一個第一反射側面之法線不在同一空間平面上。
本申請案提供一種光電元件，其包括一光電轉換層以及多個電極。光電轉換層具有多個倒角錐狀凹陷以及多個角錐體，其中各倒角錐狀凹陷具有至少三個第一反射側面，各角錐體分別位於對應之倒角錐狀凹陷內，角錐體具有至少三個第二反射側面，且各第二反射側面之法線與任一個第一反射側面之法線不在同一空間平面上。此外，電極與光電轉換層電性連接。
為讓本申請案之上述和其他目的、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。
 【第一實施例】
圖1A為第一實施例之多重反射結構的立體圖，圖1B為第一實施例之多重反射結構的上視圖，而圖1C為第一實施例之多重反射結構的剖面圖。請參照圖1A至圖1C，本實施例之多重反射結構100包括一基材110以及至少一角錐體120。基材110具有至少一倒角錐狀凹陷112，倒角錐狀凹陷112具有至少三個第一反射側面112a。角錐體120配置於基材110上且位於倒角錐狀凹陷112內，其中角錐體120具有至少三個第二反射側面120a，且各第二反射側面120a之法線NL2與任一個第一反射側面112a之法線NL1不在同一空間平面上。在本實施例中，倒角錐狀凹陷112的數量與角錐體120係與之數量相同，且倒角錐狀凹陷112例如係以陣列方式分佈於基材110之入光面110a上。
在本實施例中，基材110例如為矽基材、塑膠基材、玻璃基材、石英基板、金屬基板，而基材110與角錐體120例如為相同材質。以矽基材為例，倒角錐狀凹陷112以及角錐體120例如是透過非等向性蝕刻的方式來製作，而所採用的蝕刻液例如為氫氧化鉀(KOH)或氫氧化四甲基銨(TMAH)，本實施例不限定所使用之蝕刻液的種類、濃度以及蝕刻進行的時間，此領域具有通常知識者當可根據實際設計需求而作適當的調整。此外，矽基材上的倒角錐狀凹陷112以及角錐體120亦可採用熱壓或紫外光固化等方式進行製作。以塑膠基材為例，倒角錐狀凹陷112以及角錐體120可透過鑄模製程或壓印製程來製作。以玻璃基材、石英基板、金屬基板為例，倒角錐狀凹陷112以及角錐體120可透過蝕刻製程或壓印製程來製作。
如圖1A至圖1C所示，本實施例之第一反射側面112a的數量為4個，第二反射側面120a的數量為8個，且各個第一反射側面112a與各個第二反射側面120a例如皆為平面。值得注意的是，本實施例並不限定第一反射側面112a與第二反射側面120a的數量，意即，本實施例之第一反射側面112a的數量為N1個(N1為任意大於或等於3的整數)，而第二反射側面120a的數量為N2個(N2為任意大於或等於3的整數)。本實施例不限定N1與N2之間的關係。換言之，N1可以小於、等於或是大於N2，端視設計需求而定。
在本實施例中，4個第一反射側面112a具有相同的面積，而8個第二反射側面120a亦具有相同的面積。換言之，角錐體120例如是一底面為正多邊形之角錐體。值得注意的是，第一反射側面112a的面積無須與第二反射側面120a的面積相同。
舉例而言，當第一反射側面112a的數量為4個時，第二反射側面120a的數量可以為4、6、8、16、32，如圖2A至圖2E所繪示。當第一反射側面112a的數量與第二反射側面120a的數量相同時(即N1=N2)，任二相鄰第一反射側面112a之間的鄰接線(adjoining line)L1不與任二相鄰第二反射側面120a之間的稜線(crest line)L2對準，如圖2A所繪示。當N1<N2，且N2非為N1之整數倍時，所有鄰接線L1皆不與稜線L2對準，如圖2B所繪示。此外，當N1<N2，且N2為N1之整數倍時，部分的鄰接線L1會與稜線L2對準，但部分的鄰接線L1不會與稜線L2對準，如圖2C至圖2E所繪示。
在本實施例中，各個第一反射側面112a相對於入光面110a的傾斜角為01，且45°<θ190°。舉例而言，前述之傾斜角θ1例如約為54.7°。此外，角錐體120之各個第二反射面120a相對於入光面110a的傾斜角為θ2，且45°<θ290°。舉例而言，傾斜角θ2例如約為71.4°。值得注意的是，傾斜角θ1與傾斜角θ2無須相同，此領域具有通常知識者可根據光線入射基板110之角度而適當地更動傾斜角θ1與傾斜角θ2之數值範圍。
請參照圖1C，在本實施例中，角錐體120的高度H小於或實質上等於倒角錐狀凹陷112的深度D。舉例而言，角錐體120的高度H例如係介於0.05微米至500微米，而倒角錐狀凹陷112的深度D例如係介於0.05微米至500微米。此外，本實施例之倒角錐狀凹陷112的最大寬度W例如係介於0.1微米至1000微米。
當第一反射側面112a的數量為4個，第二反射側面120a的數量為8個，傾斜角θ1約為54.7°，傾斜角θ2約為71.4°時，約有44%的光線被反射2次，約有47%的光線被反射3次，且約有9%的光線被反射4次。因此，本實施例之多重反射結構100之整體反射率可以被降低至約5%，與習知技術(US 7,368,655)相較(反射率約為10%)，本實施例之多重反射結構100可以有效地降低界面反射的機率。
【第二實施例】
圖3A與圖3B為第二實施例之多重反射結構之示意圖。請參照圖3A與圖3B，本實施例之多重反射結構200包括一基材210、至少一第一角錐體220以及至少一第二角錐體230。第一角錐體220配置於基材210上，且第一角錐體220具有至少三個第一反射側面222。第二角錐體230配置於基材210上，第二角錐體230具有至少三個第二反射側面232，且各第二反射側面232之法線NL2與任一個第一反射側面222之法線NL1不在同一空間平面上。
在本實施例中，基材210例如為矽基材、塑膠基材、玻璃基材、石英基板、金屬基板，而基材210、第一角錐體220以及第二角錐體230例如為相同材質。以矽基材為例，基材210、第一角錐體220以及第二角錐體230例如是透過非等向性蝕刻的方式來製作，而所採用的蝕刻液例如為氫氧化鉀(KOH)或氫氧化四甲基銨(TMAH)，本實施例不限定所使用之蝕刻液的種類、濃度以及蝕刻進行的時間，此領域具有通常知識者當可根據實際設計需求而作適當的調整。此外，矽基材上的第一角錐體220以及第二角錐體230亦可採用熱壓或紫外光固化等方式進行製作。以塑膠基材為例，第一角錐體220以及第二角錐體230可透過鑄模製程或壓印製程來製作。以玻璃基材、石英基板、金屬基板為例，第一角錐體220以及第二角錐體230可透過蝕刻製程或壓印製程來製作。
如圖3A所示，第一反射側面222的數量為4個，而第二反射側面232的數量亦為4個，且第一角錐體220之底面的任一個邊不平行於第二角錐體230之底面的任一個邊。此外，各個第一反射側面222與各個第二反射側面232例如皆為平面。
如圖3B所示，第一反射側面222的數量為4個，而第二反射側面232的數量為3個，且各個第一反射側面222與各個第二反射側面232例如皆為平面。值得注意的是，本實施例並不限定第一反射側面222與第二反射側面232的數量，意即，本實施例之第一反射側面222的數量為N1個(N1為任意大於或等於3的整數)，而第二反射側面232的數量為N2個(N2為任意大於或等於3的整數)。本實施例不限定N1與N2之間的關係。換言之，N1可以小於、等於或是大於N2，端視設計需求而定。
在本實施例中，4個第一反射側面222具有相同的面積，而4個第二反射側面232亦具有相同的面積。換言之，第一角錐體220與第二角錐體230例如是底面為正多邊形之角錐體。值得注意的是，第一反射側面222的面積可與第二反射側面232具有相同或不同的面積。
從圖3A可知，各個第一反射側面222相對於基板210的傾斜角為θ1，且45°<θ190°。舉例而言，前述之傾斜角θ1例如約為54.7°。此外，各個第二反射面232相對於基板210的傾斜角為θ2，且45°<θ290°。舉例而言，傾斜角θ2例如約為54.7°。值得注意的是，傾斜角θ1與傾斜角θ2無須相同，此領域具有通常知識者可根據光線入射基板210之角度而適當地更動傾斜角θ1與傾斜角θ2之數值範圍。
在本實施例中，第一角錐體220的高度H1實質上等於第二角錐體230的高度H2。舉例而言，第一角錐體220的高度H1例如係介於0.05微米至500微米，而第二角錐體230的高度H2例如係介於0.05微米至500微米。
【第三實施例】
圖4為第三實施例之光電元件的示意圖。請參照圖4，本實施例之光電元件300包括一光電轉換層310以及多個電極320a、320b。光電轉換層310具有多個倒角錐狀凹陷312以及多個角錐體314，其中各倒角錐狀凹陷312具有至少三個第一反射側面312a，各角錐體314分別位於對應之倒角錐狀凹陷312內，角錐體314具有至少三個第二反射側面314a，且各第二反射側面314a之法線NL2與任一個第一反射側面312a之法線NL1不在同一空間平面上。此外，電極320a、320b分別與光電轉換層310電性連接。
本實施例之倒角錐狀凹陷312以及多個角錐體314之設計與第一實施例之倒角錐狀凹陷112以及角錐體120相同，故於此不再重述。
舉例而言，光電轉換層310之材質例如為單晶矽(monocrystalline silicon)、多晶矽(polycrystalline silicon)、非晶矽(amorphous silicon)、碲化鎘(CdTe)、銅銦硒(CIS)、銅銦鎵硒(CIGS)、鍺(Ge)、III-V族鋁銦砷鎵半導體化合物、高分子太陽電池的主動層材料等。
在本實施例中，光電轉換層310包括一p型摻雜之矽基材310a、一n型摻雜區310b、多個與電極320a電性連接的n型重摻雜區310c、多個與電極320b電性連接的p型重摻雜區310d。本實施例之光電轉換層310具有將光線轉換為電力的功能，換言之，本實施例之光電元件300為太陽電池。值得注意的是，本實施例雖以圖4所繪示之光電轉換層310進行說明，但本實施例仍可採用其他型態之光電轉換層。
如圖4所示，本實施例之光電元件可進一步包括一抗反射層330，且此抗反射層330係覆蓋倒角錐狀凹陷312以及角錐體314。舉例而言，抗反射層330之材質例如為氮化矽(SiNx)、二氧化矽(SiO2 )、硫化鋅(ZnS)、二氧化鈦(TiO2 )、氧化鋅(ZnO)，二氧化錫(SnO2 )、氟化鎂(MgF2 )、氟化鈣(CaF2 )、三氧化二鋁(Al2 O3 )、氟化鋰(LiF)、氟化鈉(NaF)、微孔矽(mesoporous silicon)、微孔二氧化矽(mesoporous silica)。當然，抗反射層330亦可以是由上述材料堆疊所組成之多層結構。
【實驗例】
圖5為圖1A之掃描電子顯微鏡(SEM)圖，而圖6為第一實施例之反射率模擬結果。請同時參照圖1A與圖5，在本實驗例中，基材110上之倒角錐狀凹陷112具有4個面積實質上相等之第一反射側面112a，而角錐體120具有8個面積實質上相等之第二反射側面120a，傾斜角θ1(如圖1C所示)約為54.7°，且傾斜角θ2(如圖1C所示)約為71.4°。
請參照圖6，曲線A表示具有平整表面之基板對於不同波長之光線的模擬反射率，曲線B表示僅具有倒角錐狀凹陷之基板對於不同波長之光線的模擬反射率，而曲線C表示具有倒角錐狀凹陷及角錐體之基板對於不同波長之光線的模擬反射率。從圖6可知，第一實施例的模擬反射率(曲線C)明顯低於其他二者(曲線A、B)，因此本申請案確實能夠減少界面反射。
本申請案適於應用在顯示器產業、固態照明產業、太陽電池產業、光學膜片產業等，且本申請案可減少界面反射並提升光電元件的光電轉換效率。
雖然本申請案已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本申請案，任何熟習此技藝者，在不脫離本申請案之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本申請案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．多重反射結構
110．．．基材
110a．．．入光面
112．．．倒角錐狀凹陷
112a．．．第一反射側面
120．．．角錐體
120a．．．第二反射側面
200．．．多重反射結構
210．．．基材
220．．．第一角錐體
222．．．第一反射側面
230．．．第二角錐體
232．．．第二反射側面
NL1、NL2．．．法線
L1．．．鄰接線
L2．．．稜線
θ1、θ2．．．傾斜角
H、H1、H2．．．高度
D．．．深度
W．．．最大寬度
圖1A為第一實施例之多重反射結構的立體圖。
圖1B為第一實施例之多重反射結構的上視圖。
圖1C為第一實施例之多重反射結構的剖面圖。
圖2A至圖2E為第一實施例中不同的多重反射結構之上視圖與剖面圖。
圖3A與圖3B為第二實施例之多重反射結構之示意圖。
圖4為第三實施例之光電元件的示意圖。
圖5為圖1A之掃描電子顯微鏡(SEM)圖。
圖6為第一實施例之反射率模擬結果。
100．．．多重反射結構
110．．．基材
112．．．倒角錐狀凹陷
112a．．．第一反射側面
120．．．角錐體
120a．．．第二反射側面
L1．．．鄰接線
L2．．．稜線

Claims (21)

  1. 一種多重反射結構，包括：一基材，具有一倒角錐狀凹陷(inversed pyramid shaped recess)，其中該倒角錐狀凹陷具有至少三個第一反射側面；以及一角錐體，配置於該基材上且位於該倒角錐狀凹陷內，其中該角錐體具有至少三個第二反射側面，且各該第二反射側面之法線與任一個第一反射側面之法線不在同一空間平面(plane)上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之多重反射結構，其中該基材包括矽基材、塑膠基材、玻璃基材、石英基板、金屬基板。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之多重反射結構，其中該些第一反射側面的數量為N1個，而該些第二反射側面的數量為N2個，且N1小於N2。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之多重反射結構，其中各該第一反射側面為平面(flat surface)，且各該第二反射側面為平面。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之多重反射結構，其中該基材具有一入光面，該倒角錐狀凹陷位於該入光面上，各該第一反射側面相對於該入光面的傾斜角為θ1，且45°<θ190°。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之多重反射結構，其中θ1約為54.7°。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之多重反射結構，其中 各該第二反射面相對於該入光面的傾斜角為θ2，且45°<θ290°。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之多重反射結構，其中θ2約為71.4°。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之多重反射結構，其中該角錐體的高度小於或實質上等於該倒角錐狀凹陷的深度。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之多重反射結構，其中該角錐體的高度介於0.05微米至500微米，而該倒角錐狀凹陷的深度介於0.05微米至500微米。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之多重反射結構，其中該倒角錐狀凹陷的最大寬度介於0.1微米至1000微米。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之多重反射結構，其中該基材與該角錐體為相同材質。
  13. 一種多重反射結構，包括：一基材；至少一第一角錐體，配置於該基材上，其中該第一角錐體具有至少三個第一反射側面；以及至少一第二角錐體，配置於該基材上，其中該第二角錐體具有至少三個第二反射側面，各該第二反射側面之法線與任一個第一反射側面之法線不在同一空間平面上，且各該第一角錐體的底面與各該第二角錐體的底面不重疊。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之多重反射結構，其中該基材包括矽基材、塑膠基材、玻璃基材、石英基板、金屬基板。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之多重反射結構，其中該些第一反射側面的數量為N1個，而該些第二反射側面的數量為N2個，且N1小於N2。
  16. 如申請專利範圍第13項所述之多重反射結構，其中各該第一反射側面為平面，且各該第二反射側面為平面。
  17. 如申請專利範圍第13項所述之多重反射結構，其中該基材、該第一角錐體以及該第二角錐體為相同材質。
  18. 一種光電元件，包括：一光電轉換層，具有多個倒角錐狀凹陷以及多個角錐體，其中各該倒角錐狀凹陷具有至少三個第一反射側面，各該角錐體分別位於對應之倒角錐狀凹陷內，該角錐體具有至少三個第二反射側面，且各該第二反射側面之法線與任一個第一反射側面之法線不在同一空間平面上；以及多個電極，與該光電轉換層電性連接。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之光電元件，其中該些第一反射側面的數量為N1個，而該些第二反射側面的數量為N2個，且N1小於N2。
  20. 如申請專利範圍第18項所述之光電元件，其中各該第一反射側面為平面，且各該第二反射側面為平面。
  21. 如申請專利範圍第18項所述之光電元件，更包括一抗反射層，覆蓋該些倒角錐狀凹陷以及該些角錐體。
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