TWI470814B - 太陽能電池 - Google Patents

Description

太陽能電池

本申請是有關於一種太陽能電池，且特別是有關於一種矽基(silicon-based)太陽能電池。

近年來環保意識高漲，為了因應石化能源的短缺與減低使用石化能源對環境帶來的衝擊，替代能源與再生能源的研發便成了熱門的議題，其中又以太陽能電池(solar cell)最受矚目。太陽能電池可將太陽能直接轉換成電能，且發電過程中不會產生二氧化碳或氮化物等有害物質，不會對環境造成污染。

矽基太陽能電池是常見的一種太陽能電池，其原理是將高純度的半導體基材，例如矽(Si)，加入一些不純物使其呈現不同的性質，以形成p型半導體及n型半導體。並且，將p型半導體與n型半導體相接合，形成一pn接面(pn junction)，而在pn接面上便存在著一個內建電位(built-in potential)。此內建電位可驅動在此區域中的可移動載子。當太陽光照射到一個pn結構的半導體時，光子所提供的能量可能會把半導體中的電子激發出來並產生電子-電洞對。被激發出來的自由電子與電洞會受到內建電位的影響，使電洞往p型半導體方向移動，而自由電子則往n型半導體方向移動。若將兩電極分別連接p型與n型半導體，並連接至外部電路及負載，便會有電流通過，可供利用。

然而，現有太陽能電池在應用推廣上仍存在技術上的難題需要被克服。特別是，外界光線不易被保留於太陽能電池內，使得太陽能電池的光電轉換效率的提升受到了相當程度的限制。

本申請提供一種太陽能電池，係藉由物質的相對介電常數與折射率的變化來達到吸(陷)光效果，藉以提高光電轉換效率。此太陽能電池包括一反射層、多個半導體層以及一蓋層。反射層具有一第一表面，且反射層在第一表面之下具有一光散射部。所述光散射部在平行於第一表面的一橫向上具有相對介電常數的變化，且在以光散射部中任意一點為圓心並且沿橫向輻射半徑約為1微米的圓內，相對介電常數變化約大於3。所述多個半導體層依序堆疊於第一表面上，用以吸收外界的光能以產生電能。蓋層配置於半導體層上，其中反射層與最下層的半導體層之間具有一第一介面，蓋層與最上層的半導體層之間具有一第二介面，且第一介面與第二介面中至少一個實質上為平滑面。

本申請更提出一種太陽能電池，包括一反射層、多個半導體層以及一蓋層。反射層具有一第一表面，且反射層在第一表面之下具有一光散射部。光散射部包括分布於反射層內的多個圖案。相鄰兩圖案的中心點的節距約介於200奈米至325奈米之間。所述多個圖案的分布密度介於3×10⁸ 個/平方公分至1×10⁹ 個/平方公分之間，且相鄰兩圖案的間隔約介於60奈米至130奈米之間。所述多個半導體層依序堆疊於第一表面上，用以吸收外界的光能以產生電能。其中，該些半導體層中主要吸收光的材料，例如：包括單晶矽、多晶矽、微晶矽、或奈米晶矽其中至少一種。蓋層配置於半導體層上，其中反射層與最下層的半導體層之間具有一第一介面，蓋層與最上層的半導體層之間具有一第二介面，且第一介面與第二介面中至少一個實質上為平滑面。

本申請另提出一種太陽能電池，包括一反射層、多個半導體層以及一蓋層。反射層具有一第一表面，且反射層在第一表面之下具有一光散射部。光散射部包括分布於反射層內的多個圖案。相鄰兩圖案的中心點的節距約介於100至200奈米之間。所述多個圖案的分布密度約介於9×10⁸ 個/平方公分至4×10⁹ 個/平方公分之間，且相鄰兩圖案的間隔約介於25奈米至80奈米之間。所述多個半導體層依序堆疊於第一表面上，用以吸收外界的光能以產生電能。其中，該些半導體層中主要吸收光的材料為非晶矽，蓋層配置於半導體層上，其中反射層與最下層的半導體層之間具有一第一介面，蓋層與最上層的半導體層之間具有一第二介面，且第一介面與第二介面中至少一個實質上為平滑面。

為讓本申請之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1繪示依照本申請之一實施例的一種太陽能電池。本實施例的太陽能電池100包括反射層110、半導體疊層120以及蓋層130。反射層110具有第一表面112。半導體疊層120配置於第一表面112上，且半導體疊層120例如是由多個半導體層所構成，用以吸收外界的光能以產生電能。蓋層130配置於半導體疊層120上。為了提高太陽能電池100的吸(陷)光效果，本實施例在反射層110的第一表面112之下製作具有相對介電常數變化的光散射部160，其中藉由物質的相對介電常數與折射率呈正相關的特性，來提供具有折射率變化的吸(陷)光結構。

更詳細而言，光線在介質中的折射率與介質的相對介電常數有如下關係：n² =ε×μ，其中n為折射率，ε為介質的相對介電常數，或稱電容率(relative permittivity)，而μ為介質的相對磁導率(relative permeability)。因此，吾人為了便於說明與操作，可以藉由對相對介電常數的調變來反應物質的折射率變化。在本實施例或下列其他實施例中，相對介電常數的數值定義是對應於波長為400奈米至1200奈米之間的光線。

在本實施例中，光散射部160是分布於整個第一表面112之下，且光散射部160在平行於第一表面112的橫向T上具有相對介電常數的變化。此變化的範圍為：在以光散射部160中任意一點為圓心並且沿橫向T輻射半徑約為1微米的圓內，相對介電常數變化約大於3。亦即，在所述半徑約1微米的圓形範圍內，相對介電常數的最大值與最小值的差值實質上不會超過3。

換言之，本實施例的光散射部160可以作為具有折射率變化的吸(陷)光結構，其有助於提高太陽能電池的光電轉換效率，且可取代已知太陽能電池中用來提供吸(陷)光效果的粗糙面。因此，本實施例不需刻意在太陽能電池100的任何膜層上形成粗糙面，任兩相鄰膜層的介面皆可為平滑面。例如，反射層110與半導體疊層120之間的第一介面S1，或者蓋層130與半導體疊層120之間的第二介面S2都可為平滑面。或者，甚至半導體疊層120中的任兩相鄰半導體層之間的介面也可為平滑面。此處平滑面的定義例如是指表面的均方根粗糙度(Root Mean Square roughness)實質上小於20奈米。

如此，可大幅降低粗糙面引起的表面復合損失(surface recombination loss)。此外，由於本實施例可以減少或甚至完全省略太陽能電池100中的粗糙面，因此可避免後續膜層對粗糙面覆蓋不全造成的缺陷。再者，由於不需顧慮後續膜層的覆蓋效果，因此可減少後續膜層的厚度，有助於降低太陽能電池100的整體再結合損失(bulk recombination loss)。

基於前述設計，本申請還可以視需求調整光散射部160的相對介電常數變化的範圍。例如，在本申請的其他實施例中，可以進一步將光散射部160的相對介電常數變化的範圍定義為：在光散射部160中任意橫向距離實質上為1微米的範圍內，相對介電常數變化實質上大於3。亦即，在所述長度約1微米的直線範圍內，相對介電常數的最大值與最小值的差值實質上不會超過3。

此外，光散射部160在橫向上的相對介電常數變化實質上小於120。亦即，在整個光散射部160中，相對介電常數的最大值與最小值的差值實質上不會超過120。

另外，鑑於光散射部160的深度會影響光線在光散射部160的光散射效果，本申請可以對光散射部160的深度進行控制。例如，在圖1所示的實施例中，光散射部160的頂部與第一表面112的距離D1可保持在一定的深度內，例如約小於10奈米。亦即，光散射部160的頂部可與第一表面112齊平，或者埋入第一表面112以下實質上不超過10奈米的距離。此外，光散射部160的底部與第一表面的距離D2可實質上大於40奈米。亦即，光散射部160的底部可深入第一表面112以下實質上超過40奈米的距離，甚至可貫穿反射層110。

在圖1所示的實施例中，光散射部160例如是由分布於反射層110內的多個圖案162所構成。圖2繪示了光散射部160在反射層110內的分布情形。請參考圖1與2，相鄰兩圖案162的中心點具有節距(pitch)p，而相鄰兩圖案162的最小間隔(gap)為g。所述多個圖案162在反射層110內的平面上具有分布密度D。此外，本實施例的圖案162，較佳地是圓形，具有半徑r。於其它實施例中，圖案162亦可為多邊形，例如：楕圓形、三角形、正方形、菱形、扇形、梯形、或其它合適的形狀、或上述至少二種的混雜圖形。針對半導體疊層12中適用的材料、其相應的陷光波長(light trapping wavelength)或者稱為吸光波長(light absorbing wavelength)以及與圖案162搭配設計，本實施例給出如下表的幾種參考方案：

上述表格中，光散射部160是以實質上為圓形圖案當作範例，但不限於此。於上述其它實施例中所述的其它圖案時，則光散射部160之圖案設計條件，就以分佈密度與間隔為主要考量依據來對應不同的半導體疊層其中至少一層為主要吸(陷)光材料。當然，若半導體疊層中的主要吸(陷)光材料包含上述二個不同群組，則在上述光散射部搭配表格中，選取可包含二個不同群組之吸(陷)光材料條件，例如：分配密度約介於9×108(個/平方公分)~1×109(個/平方公分)以及間隔約介於60奈米~80奈米；或者是依據半導體疊層中的何者為主要的吸(陷)光材料，則就依上述所述的群組來選擇所需要的光散射部160之圖案來搭配。

另一方面，為了達到良好的光散射效果與吸(陷)光效果，本實施例除了單獨使用相對介電常數為正值的材料或是相對介電常數為負值的材料之外，還可以對光散射部160的材料組成進行混搭。舉例而言，光散射部可以包括相對介電常數為正值的第一材料，例如氧化矽(SiO₂ )、氧化鈦(TiO₂ )、氧化鋁(Al₂ O₃ )、氣體(gas)或真空孔洞(vacuum voids)等；以及相對介電常數為負值的第二材料，例如銀(Ag)或鋁(Al)等金屬材料。特別是，若此相對介電常數為正值的第一材料相對於反射層其他部位或是半導體疊層具有高對比，則更有助於提高散射效果。舉例而言，第一材料的相對介電常數例如是1，而第二材料的相對介電常數小於-1。此外，第一材料與第二材料的體積總和在光散射部內所佔的比例例如約為50%，以得到良好的對比。

如前述圖2所提供的是具有週期性圖案162的光散射部160。實際上，本申請適用的光散射部160不限於此。例如，光散射部160也可以由任意大小、任意排列的圖案所構成。就另一個角度而言，此由任意大小、任意排列的圖案所構成的光散射部160可能對特定波長的光線提供比週期性結構更好的光散射效果。在採用非週期性圖案來構成光散射部的情況下，前述節距、間隔、半徑等是指平均數值。

前述實施例提出的太陽能電池100的架構可被體現為各種型態的太陽能電池。尤其，隨著實際製程的差異，所得到的太陽能電池會有所不同。下文列舉幾個適用於本申請的設計的太陽能電池作為可能的實施範例。

圖3繪示依照本發明之另一實施例的一種太陽能電池。如圖3所示的太陽能電池300首先提供作為蓋層的平滑的透明基板(例如玻璃基板)310，並且在透明基板310表面製作一透明導電層(例如：銦錫氧化物、銦鋅氧化物、銦鎵氧化物、氧化鋁、或其它合適的材料、或上述至少二種之組合)320。此透明導電層320表面可具有良好的平坦度，例如高低落差(peak-to-valley roughness)實質上不超過100奈米。接著，在透明導電層320表面依序形成P型摻雜的非晶矽層330、非晶矽(a-Si)的本質層(intrinsic layer)340以及N型摻雜的微晶矽(uc-Si)層350。之後，接合反射層370與微晶矽層350，且反射層370具有如同前述實施例記載的光散射部360，以提供吸(陷)光效果。本實施例的本質層340當作半導體疊層中的吸(陷)光層，其厚度，例如：約為150奈米。

圖4繪示依照本發明之又一實施例的一種太陽能電池。如圖4所示的太陽能電池400的結構與圖3的太陽能電池300類似，兩者主要的差異在於製程。太陽能電池400在製作上是以具有如同前述實施例記載的光散射部460的反射層470作為基底，依序在反射層470上形成N型摻雜微晶矽層450、厚度約為150奈米的非晶矽本質層440、P型摻雜非晶矽層430、透明導電層420以及作為蓋層的抗反射(anti-reflection)層410。

圖5分別繪示依照本發明之另一實施例的一種太陽能電池。如圖5所示的太陽能電池500為串結式(tandem junction)的架構，是以作為蓋層的透明基板510為基底，而依序在透明基板510上形成透明導電層520、P型摻雜非晶矽層530、非晶矽本質層540以及N型摻雜微晶矽層550、P型摻雜非晶矽層560、微晶矽本質層570以及N型摻雜微晶矽層580等。之後，接合反射層590與微晶矽層580，且反射層590具有如同前述實施例記載的光散射部592，以提供吸(陷)光效果。本實施例的透明導電層520的高低落差實質上不超過100奈米，非晶矽本質層540與微晶矽本質層570當作半導體疊層中的吸(陷)光層，其中非晶矽本質層540的厚度，例如：約為300奈米，而微晶矽本質層570的厚度，例如：約為1500奈米。

圖6繪示依照本發明之又一實施例的一種太陽能電池。如圖6所示的太陽能電池600的結構與圖5的太陽能電池500類似，兩者主要的差異在於製程。太陽能電池600在製作上是以具有如同前述實施例記載的光散射部692的反射層690作為基底，依序在反射層690上形成N型摻雜微晶矽層680、微晶矽本質層670、P型摻雜非晶矽層660、N型摻雜微晶矽層650、非晶矽本質層640、P型摻雜非晶矽層630、透明導電層620以及作為蓋層的抗反射層610。

圖7繪示依照本發明之又一實施例的一種太陽能電池。如圖7所示的太陽能電池700是以N型摻雜的單晶矽基板710作為基底，在單晶矽基板710的上側形成作為射極(emitter)的P型摻雜單晶矽層720以及抗反射層730，並且在單晶矽基板710的下側形成具有如同前述實施例記載的光散射部750的反射層740。其中，單晶矽基板當作半導體疊層中主要吸(陷)光材料層。此外，太陽能電池700還包括多個電極760配置於P型摻雜單晶矽層720上，並且暴露於抗反射層730之外。本實施例的單晶矽基板710的厚度，例如：約為100微米。

雖然本申請已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本申請，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本申請之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本申請之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．太陽能電池

110．．．反射層

112．．．第一表面

120．．．半導體疊層

130．．．蓋層

160．．．光散射部

162．．．圖案

D1、D2．．．距離

S1．．．第一介面

S2．．．第二介面

T．．．橫向

r．．．半徑

g．．．間隔

p．．．節距

300．．．太陽能電池

310．．．透明基板

320．．．透明導電層

330．．．P型摻雜非晶矽層

340．．．非晶矽的本質層

350．．．N型摻雜微晶矽層

360．．．光散射部

370．．．反射層

300．．．太陽能電池

410．．．抗反射層

420．．．透明導電層

430．．．P型摻雜非晶矽層

440．．．非晶矽的本質層

450．．．N型摻雜微晶矽層

460．．．光散射部

470．．．反射層

500．．．太陽能電池

510．．．透明基板

520．．．透明導電層

530．．．P型摻雜非晶矽層

540．．．非晶矽本質層

550．．．N型摻雜微晶矽層

560．．．P型摻雜非晶矽層

570．．．微晶矽本質層

580．．．N型摻雜微晶矽層

590．．．反射層

592．．．光散射部

600．．．太陽能電池

610．．．抗反射層

620．．．透明導電層

630．．．P型摻雜非晶矽層

640．．．非晶矽本質層

650．．．N型摻雜微晶矽層

660．．．P型摻雜非晶矽層

670．．．微晶矽本質層

680．．．N型摻雜微晶矽層

690．．．反射層

692．．．光散射部

700．．．太陽能電池

710．．．N型摻雜單晶矽基板

720．．．P型摻雜單晶矽層

730．．．抗反射層

740．．．反射層

750．．．光散射部

圖1繪示依照本申請之一實施例的一種太陽能電池。

圖2繪示了圖1之光散射部在反射層內的分布情形。

圖3~7繪示依照本發明之多個實施例的多種太陽能電池。

100．．．太陽能電池

110．．．反射層

112．．．第一表面

120．．．半導體疊層

130．．．蓋層

160．．．光散射部

D1、D2．．．距離

S1．．．第一介面

S2．．．第二介面

T．．．橫向

Claims (33)

1. 一種太陽能電池，包括：一反射層，具有一第一表面，且該反射層在該第一表面之下具有一光散射部，該光散射部在平行於該第一表面的一橫向上具有相對介電常數的變化，其中在以該光散射部中任意一點為圓心並且沿該橫向輻射半徑約為1微米的圓內，相對介電常數變化約大於3；多個半導體層，依序堆疊於該第一表面上，用以吸收外界的光能以產生電能；以及一蓋層，配置於該些半導體層上，其中，該反射層的至少一部份會與最下層的該半導體層接觸，該反射層與該最下層的該半導體層之間具有一第一介面，該蓋層與最上層的該半導體層之間具有一第二介面，且該第一介面與該第二介面中至少一個實質上為平滑面。
2. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中該平滑面的均方根粗糙度(Root Mean Square roughness)約小於20奈米。
3. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中該些半導體層之間的多個介面皆實質上為平滑面。
4. 如申請專利範圍第3項所述的太陽能電池，其中各該平滑面的均方根粗糙度約小於20奈米。
5. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中在該光散射部中任意一橫向距離約為1微米的範圍內，相對介電常數變化約大於3。
6. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中該 光散射部在該橫向上的相對介電常數變化約小於120。
7. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中該光散射部的頂部與該第一表面的距離約小於10奈米。
8. 如申請專利範圍第7項所述的太陽能電池，其中該光散射部的底部與該第一表面的距離約大於40奈米。
9. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中該光散射部包括一第一材料以及一第二材料，該第一材料的相對介電常數為正值，該第二材料的相對介電常數為負值。
10. 如申請專利範圍第9項所述的太陽能電池，其中該第一材料的相對介電常數接近1。
11. 如申請專利範圍第9項所述的太陽能電池，其中該第二材料的相對介電常數約小於-1。
12. 如申請專利範圍第9項所述的太陽能電池，其中該第一材料與該第二材料的體積總和在該光散射部內所佔的比例實質上約為50%。
13. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中該些半導體層包括：一第一半導體層，為第一導電型，該第一半導體層配置於該反射層上；以及一第二半導體層，為第二導電型，該第二半導體層配置於該第一半導體層上，該第一導電型與該第二導電型互為N型與P型。
14. 如申請專利範圍第13項所述的太陽能電池，其中該些半導體層更包括一第一本質層，配置於該第一半導體層與該第二半導體層之間。
15. 如申請專利範圍第14項所述的太陽能電池，其中該些半導體層更包括：一第三半導體層，為第一導電型，該第三半導體層配置於該反射層與該第一半導體層之間；一第四半導體層，為第二導電型，該第四半導體層配置於該第三半導體層與該第一半導體層之間；以及一第二本質層，配置於該第三半導體層與該第四半導體層之間。
16. 如申請專利範圍第13項所述的太陽能電池，更包括一透明導電層，配置於該蓋層與該第二半導體層之間。
17. 如申請專利範圍第13項所述的太陽能電池，更包括多個電極，配置於該第二半導體層上，且該蓋層暴露出該些電極。
18. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中該蓋層包括一透明基板或一抗反射層。
19. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中該光散射部包括分布於該反射層內的多個圖案。
20. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中，該些半導體層中主要吸收光的材料包括單晶矽、多晶矽、微晶矽、或奈米晶矽其中至少一種。
21. 如申請專利範圍第20項所述的太陽能電池，其中相鄰兩圖案的中心點的節距(pitch)約介於200奈米至325奈米之間。
22. 如申請專利範圍第20項所述的太陽能電池，其中該些圖案的分布密度約介於3×10⁸ 個/平方公分至1×10⁹ 個/平方公分之間。
23. 如申請專利範圍第20項所述的太陽能電池，其中各該圖案為圓形圖案，且該圓形圖案的半徑約介於50奈米至125奈米之間。
24. 如申請專利範圍第20項所述的太陽能電池，其中相鄰兩圖案的間隔(gap)約介於60奈米至130奈米之間。
25. 如申請專利範圍第19項所述的太陽能電池，其中，該些半導體層中主要吸收光的材料為非晶矽。
26. 如申請專利範圍第25項所述的太陽能電池，其中相鄰兩圖案的中心點的節距約介於奈米100至200奈米之間。
27. 如申請專利範圍第25項所述的太陽能電池，其中該些圖案的分布密度約介於9×10⁸ 個/平方公分至4×10⁹ 個/平方公分之間。
28. 如申請專利範圍第25項所述的太陽能電池，其中各該圖案為圓形圖案，且該圓形圖案的半徑約介於25奈米至75奈米之間。
29. 如申請專利範圍第25項所述的太陽能電池，其中相鄰兩圖案的間隔約介於25奈米至80奈米之間。
30. 一種太陽能電池，包括：一反射層，具有一第一表面，且該反射層在該第一表面之下具有一光散射部，該光散射部包括分布於該反射層內的多個圖案，相鄰兩圖案的中心點的節距約介於200奈米至325奈米之間，該些圖案的分布密度約介於3×10⁸ 個/平方公分至1×10⁹ 個/平方公分之間，且相鄰兩圖案的間隔約介於60奈米至130奈米之間；多個半導體層，依序堆疊於該第一表面上，用以吸收外界的光能以產生電能，其中，該些半導體層中主要吸收光的材料包含單晶矽、多晶矽、微晶矽、或奈米晶矽其中至少一種；以及一蓋層，配置於該些半導體層上，其中該反射層與最下層的該半導體層之間具有一第一介面，該蓋層與最上層的該半導體層之間具有一第二介面，且該第一介面與該第二介面中至少一個實質上為平滑面。
31. 如申請專利範圍第30項所述的太陽能電池，其中各該圖案為圓形圖案，且該圓形圖案的半徑約介於50奈米至125奈米之間。
32. 一種太陽能電池，包括：一反射層，具有一第一表面，且該反射層在該第一表面之下具有一光散射部，該光散射部包括分布於該反射層內的多個圖案，相鄰兩圖案的中心點的節距約介於100奈米至200奈米之間，該些圖案的分布密度介於9×10⁸ 個/平方公分至4×10⁹ 個/平方公分之間，且相鄰兩圖案的間隔約介於25奈米至80奈米之間；多個半導體層，依序堆疊於該第一表面上，用以吸收外界的光能以產生電能，其中，該些半導體層中主要吸收光的材料為非晶矽；以及一蓋層，配置於該些半導體層上，其中該反射層與最下層的該半導體層之間具有一第一介面，該蓋層與最上層的該半導體層之間具有一第二介面，且該第一介面與該第二介面中至少一個實質上為平滑面。
33. 如申請專利範圍第32項所述的太陽能電池，其中各該圖案為圓形圖案，且該圓形圖案的半徑約介於25奈米至75奈米之間。