TWI488320B - 表面鍍膜結構及其製造方法 - Google Patents

Description

表面鍍膜結構及其製造方法

本發明是關於一種表面鍍膜結構及其製造方法，特別是一種適用於太陽能熱電系統之表面鍍膜結構及其製造方法。

目前，國際能源價格逐漸高漲，各國均致力於太陽能的研究及應用，以獲得便宜且無環境汙染之能源。太陽能之應用主要分為太陽能電池及太陽能熱電兩類。太陽能電池能將接受到的陽光直接轉換成電能，適用陽光充足的地區。大部分的太陽能電池只能將10~20%的陽光轉換成電能，其他大部分陽光則無法利用而轉換為熱能或輻射回歸大氣。

太陽能熱電可將太陽光吸收轉換為熱能，以加熱吸收體內之工作液體產生動能，藉以推動發電機發電，其發電效率可達30%，但仍然需要進一步提升太陽光吸收效率及熱能轉換成電能的效率。

有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之目的就是在提供一種表面鍍膜結構及其製造方法，以增強太陽能熱電系統吸收太陽能之效率。進一步地，本發明更可藉由濕式蝕刻法或乾式蝕刻法形成表面鍍膜之立體多孔陷光結構，使射入表面鍍膜結構之太陽光不致 輕易反射脫離，以增強本發明之表面鍍膜結構之太陽光吸收機率。

根據本發明之目的，提出一種表面鍍膜結構，包含基板、緩衝中介層、吸收層及抗反射層。緩衝中介層覆蓋於基板之上，吸收層覆蓋於緩衝中介層上，吸收層用以吸收並轉換太陽光成為熱能，緩衝中介層用以緩衝因吸收熱能引起之基板與吸收層的熱膨脹。抗反射層覆蓋於吸收層上，用以降低太陽光反射率，增加吸收層吸收光線比例及進一步提升陷光效果。

續言之，基板之熱傳導係數為30(W/m.K)至430(W/m.K)。

續言之，緩衝中介層之材質為多孔矽(porous Si)、金屬氧化物、金屬矽化物或是多孔性金屬。

續言之，吸收層係一立體多孔狀陷光結構。進一步地，吸收層之材質可為奈米晶矽(nanocrystalline silicon,nc-Si)、多晶矽(polycrystalline silicon,poly-Si)、微晶矽(microcrystalline silicon,μc-Si)、奈米、多晶或微晶矽基材料、奈米晶鍺(nanocrystalline germanium,nc-Ge)、多晶鍺(polycrystalline germanium,poly-Ge)或微晶鍺(microcrystalline germanium,μc-Ge)，但不以此為限。

續言之，抗反射層之折射率需要小於吸收層。

其中，抗反射層為單一折射率之均質層。

其中，抗反射層為折射率漸變之材質層，其改變方式為由與空氣接觸面至與吸收層貼合面逐漸增加，但不以此為限。

其中，抗反射層包含至少兩相異折射率之均質內層，且抗反射層之太陽光吸收頻帶為所有均質內層之太陽光吸收頻帶之總和。

根據本發明之再一目的，提出一種表面鍍膜結構的製造方法，此表面鍍膜結構的製造方法包含下列步驟：提供一基板；形成一緩衝中介層覆蓋於基板上；形成一吸收層覆蓋於緩衝中介層上，吸收層用以吸收並轉換太陽光成為熱能，緩衝中介層用以緩衝已吸收熱能引起之基板與吸收層之熱膨脹；形成一抗反射層，覆蓋於吸收層上。

進一步地，形成吸收層之方法包括下列步驟：利用電漿增強化學氣相沉積(plasma-enhanced chemical vapor deposition,PECVD)法或是物理氣相沉積(physical vapor deposition,PVD)法在緩衝中介層上長出一矽基材質層或一鍺基材質層，例如非晶矽(a-Si)層；進行一退火程序，將矽基材質層或鍺基材質層轉換為多晶矽層、微晶矽層、多晶鍺層或微晶鍺層；以濕式蝕刻法或乾式蝕刻法處理吸收層表面，以形成立體多孔狀陷光結構。

其中，形成吸收層之方法又包括下列步驟：利用電漿增強化學氣相沉積法或是物理氣相沉積法在緩衝中介層上長出一矽基材質層或一鍺基材質層，例如非晶矽(a-Si)層；以濕式蝕刻或乾式蝕刻處理吸收層表面，以形成立體多孔狀陷光結構；進行一退火程序，將矽基材質層或鍺基材質層轉換為多晶矽層、微晶矽層、多晶鍺層或微晶鍺層。

進一步地，形成抗反射層之方法包含下列步驟：利用電漿增強化學氣相沉積或是物理氣相沉積在吸收層上長出一非晶形材質層， 以使吸收層與貼合其上之非晶形材質層共同構成立體多孔狀陷光結構；進行一退火程序，將非晶形材質層轉換為對應之多晶材質層或微晶材質層。

進一步地，前述形成吸收層之方法或形成抗反射層之方法中之退火程序為固相結晶法、雷射結晶法或金屬誘發結晶法。固相結晶法是將沉積於基板上的非晶矽薄膜置於數百度溫度中，進行數小時的回火，以增大晶粒尺寸並降低晶界數。雷射結晶法利用雷射光源，入射至非晶矽薄膜中，使其達到熔融溫度而進行成核與結晶，並轉變為單晶矽或多晶矽。金屬誘發結晶法是以金屬如金、銀、鋁或鎳等做為結晶的誘發材料，使非晶矽轉為多晶矽的溫度降低。其方法是在非晶矽薄膜的下面，先沉積一層金屬層，讓金屬藉由熱能，使非晶矽誘發為多晶矽。

承上所述，依本發明之表面鍍膜結構，其可具有一或多個下述優點：

(1)本發明之表面鍍膜結構具有抗反射層，以降低入射之太陽光由吸收層直接反射脫離，增加吸收層吸收光線比例。

(2)本發明之表面鍍膜結構具有立體多孔狀陷光結構，使射入立體多孔陷光結構表面之太陽光易於在一或多次反射後為吸收層所吸收。

(3)本發明之表面鍍膜結構之製造方法包含一退火程序，將吸收層及抗反射層轉變為多晶或微晶材質，可以進一步降低吸收層及抗反射層的平均反射率。

10‧‧‧表面鍍膜結構

100‧‧‧基板

200‧‧‧緩衝中介層

300‧‧‧吸收層

400‧‧‧抗反射層

410‧‧‧抗反射層

420‧‧‧抗反射層

430‧‧‧第一均質內層

440‧‧‧第二均質內層

500‧‧‧立體多孔狀陷光結構

L1‧‧‧第一路徑

L2‧‧‧第二路徑

L3‧‧‧第三路徑

S100~S400、S310~S330‧‧‧步驟

S350~S370、S410~S430‧‧‧步驟

第1圖 係為本發明之表面鍍膜結構之第一較佳實施例之示意圖。

第2圖 係為本發明之表面鍍膜結構之第二較佳實施例之示意圖。

第3圖 係為本發明之表面鍍膜結構之第三較佳實施例之示意圖。

第4圖 係為本發明之表面鍍膜結構的複數均質內層抗反射層之太陽光吸收頻譜示意圖。

第5圖 係為本發明之表面鍍膜結構之製造流程示意圖。

第6圖 係為本發明之表面鍍膜結構的吸收層之第一種製造流程示意圖。

第7圖 係為本發明之表面鍍膜結構的吸收層之第二種製造流程示意圖。

第8圖 係為本發明之表面鍍膜結構的抗反射層之製造流程示意圖。

第9圖 係為本發明之表面鍍膜結構之立體多孔狀陷光結構之電子顯微鏡掃描圖。

第10圖 係為太陽光入射本發明之表面鍍膜結構之立體多孔狀陷光結構的示意圖。

第11圖 係為太陽光入射本發明之表面鍍膜結構之蝕刻前後反射率對波長關係示意圖。

為利 貴審查員瞭解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以較佳實施例之表達形式詳 細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍，合先敘明。

本發明係揭露一種表面鍍膜結構及其製造方法，適用於太陽能熱電系統。此表面鍍膜結構包含基板、緩衝中介層、吸收層及抗反射層。本發明之表面鍍膜結構對於太陽光有低反射及高吸收率，且適用於高溫下操作，並可用於任何形狀的吸收體之表面鍍膜。

請參閱第1圖，其係為本發明之表面鍍膜結構之第一較佳實施例之示意圖，用以顯示表面鍍膜結構之組成。第1圖中，表面鍍膜結構10包含基板100、緩衝中介層200、吸收層300及抗反射層400。緩衝中介層200覆蓋於基板100上，吸收層300覆蓋於緩衝中介層200上，吸收層300用以吸收並轉換太陽光成為熱能，緩衝中介層200用以緩衝因吸收熱能引起之基板100與吸收層300的熱膨脹。抗反射層400覆蓋於吸收層300上，用以降低太陽光反射率，增加吸收層吸收光線比例及進一步提升陷光效果。

續言之，基板100之熱傳導係數為30(W/m.K)至430(W/m.K)。

續言之，緩衝中介層200之材質為多孔矽、金屬氧化物、金屬矽化物或是多孔性金屬。

續言之，吸收層300係一立體多孔狀陷光結構500。進一步地，吸收層300之材質可為奈米晶矽、多晶矽、微晶矽、奈米、多晶或微晶矽基材料、奈米晶鍺、多晶鍺或微晶鍺。

續言之，抗反射層400之折射率需小於吸收層。

進一步地，抗反射層400為單一折射率之均質層。

請參閱第2圖，其係為本發明之表面鍍膜結構之第二較佳實施例之示意圖，用以顯示另一種具有折射率漸變抗反射層之表面鍍膜結構。第二較佳實施例與第一較佳實施例之差異為第二較佳實施例之抗反射層410為折射率漸變之材質層，其折射率漸變方式為由與空氣接觸面至與吸收層300之貼合面逐漸增加，但不以此為限。

進一步地，抗反射層410之折射率需小於吸收層。

請參閱第3圖，其係為本發明之表面鍍膜結構之第三較佳實施例之示意圖，用以顯示包含兩相異折射率之均質內層之抗反射層結構。第三較佳實施例與第一較佳實施例及第二較佳實施例之差異為第三較佳實施例之抗反射層包含兩相異折射率均質內層。如第3圖所示，抗反射層420包含第一均質內層430及第二均質內層440，但不以此為限。

進一步地，第一均質內層430及第二均質內層440之折射率均需小於吸收層。

請參閱第4圖，其係為本發明之表面鍍膜結構的兩均質內層及抗反射層之太陽光吸收頻譜示意圖。第4圖中顯示抗反射層420、第一均質內層430及第二均質內層440之頻譜。其中，抗反射層420之太陽光吸收頻帶為第一均質內層430及第二均質內層440之總和。

請參閱第5圖，其係為本發明之表面鍍膜結構之製造流程示意圖。第5圖之步驟流程為：S100：提供一基板100；S200：形成一緩 衝中介層200覆蓋於基板100上；S300：形成一吸收層300覆蓋於緩衝中介層200上；S400：形成一抗反射層400，覆蓋於吸收層300上。

請一併參閱第5圖及第6圖，第6圖係為本發明之表面鍍膜結構的吸收層之第一種製造流程示意圖。第6圖之步驟流程為：S310：利用電漿增強化學氣相沉積法或是物理氣相沉積法在緩衝中介層200上長出一矽基材質層或一鍺基材質層；S320：進行一退火程序，將矽基材質層或鍺基材質層轉換為多晶矽層、微晶矽層、多晶鍺層或微晶鍺層；S330：以濕式蝕刻法或乾式蝕刻法處理吸收層表面，以形成立體多孔狀陷光結構500。

請一併參閱第5圖及第7圖，第7圖係為本發明之表面鍍膜結構的吸收層之第二種製造流程示意圖。第7圖之步驟流程為：S350：利用電漿增強化學氣相沉積法或是物理氣相沉積法在緩衝中介層200上長出一矽基材質層或一鍺基材質層；S360：以濕式蝕刻或乾式蝕刻處理吸收層300表面，以形成立體多孔狀陷光結構500；S370：進行一退火程序，將矽基材質或鍺基材質層轉換為多晶矽層、微晶矽層、多晶鍺層或微晶鍺層。

請一併參閱第5圖及第8圖，第8圖係為本發明之表面鍍膜結構的抗反射層之製造流程示意圖。第8圖之步驟流程為：S410：利用電漿增強化學氣相沉積或是物理氣相沉積在吸收層300上長出一非晶形材質層，以使吸收層300與貼合其上之非晶形材質層共同構成立體多孔狀陷光結構；S420：進行一退火程序，將非晶形材質層轉換為對應之多晶材質層或微晶材質層。

請一併參閱第9圖及第10圖，第9圖係為本發明之表面鍍膜結構之立體多孔狀陷光結構之電子顯微鏡掃描圖，第9圖顯示經過蝕刻之後表面鍍膜結構形成高低起伏的表面。第10圖為太陽光入射本發明之表面鍍膜結構之立體多孔狀陷光結構的示意圖，第10圖顯示不同入射路徑光線經過至少一次反射及折射為表面鍍膜結構所吸收。

眾所周知，光線通過異種介質之間介面時有可能發生折射與反射，而發生折射或反射的條件為光線之入射角及兩種介值之間的相對折射係數所決定。

在第10圖中，當太陽光由第一路徑L1射入時，經過一次折射之後進入表面鍍膜結構10而被吸收；太陽光由第二路徑L2射入時，經過兩次反射之後進入表面鍍膜結構10而被吸收；太陽光由第三路徑L3射入時，在第一次反射後再度入射立體多孔狀陷光結構時有部分光線折射進入表面鍍膜結構10而被吸收，其餘反射的光線也下一次入射時折射進入表面鍍膜結構10而被吸收。

請參閱第11圖，其係為太陽光入射本發明之表面鍍膜結構之蝕刻前後反射率對波長關係示意圖。在第11圖中，太陽光波長範圍為350~800nm，吸收層在進行蝕刻後之太陽光反射率比起蝕刻前大約有35%的差距。當抗反射層已經貼附在蝕刻後之吸收層上，其太陽光反射率可以下降到10%以下。

進一步地，前述吸收層300之製造方法或抗反射層400之製造方法中之退火程序為固相結晶法、雷射結晶法或金屬誘發結晶法。固相結晶法是將沉積於基板上的非晶矽薄膜置於數百度溫度中，進 行數小時的回火，以增大晶粒尺寸並降低晶界數。雷射結晶法利用雷射光源，入射至非晶矽薄膜中，使其達到熔融溫度而進行成核與結晶，並轉變為單晶矽或多晶矽。金屬誘發結晶法是以金屬如金、銀、鋁或鎳等做為結晶的誘發材料，使非晶矽轉為多晶矽的溫度降低。其方法是在非晶矽薄膜的下面，先沉積一層金屬層，讓金屬藉由熱能，使非晶矽誘發為多晶矽。

舉例而言，本發明之表面鍍膜結構適用於常溫至1400℃之太陽能熱電系統，對於波長為300~800nm之太陽光，本發明之表面鍍膜結構可達到92.5~97.5%之吸收率。

總言之，本發明之表面鍍膜結構在太陽光入射至表面之抗反射層時，藉由表面鍍膜結構之立體多孔陷光結構及配合抗反射層之材質，以捕捉並引導入射太陽光由吸收層進行吸收並轉換成為熱能。經過退火程序之抗反射層及吸收層相互配合，對於太陽光具有很高的吸收率。緩衝中介層可以鬆弛基板與吸收層由於吸收熱能所造成不同熱膨脹衍生的應力，使本發明之表面鍍膜結構適用於操作於常溫至高溫之太陽能熱電系統，並適用於任何形狀的吸收體之表面。

以上所述之較佳實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

10‧‧‧表面鍍膜結構

100‧‧‧基板

200‧‧‧緩衝中介層

300‧‧‧吸收層

400‧‧‧抗反射層

500‧‧‧立體多孔狀陷光結構

Claims (13)

1. 一種表面鍍膜結構，適用於太陽熱能發電之高溫熱能吸收，該表面鍍膜結構依序包含：一基板；一緩衝中介層，覆蓋於該基板上；一吸收層，覆蓋於該緩衝中介層上，該吸收層係吸收並轉換太陽光成為一熱能，其中該緩衝中介層係緩衝該熱能引起之該基板與該吸收層之熱膨脹；以及一抗反射層，覆蓋於該吸收層上，其中該抗反射層為多晶材質層或微晶材質層，該吸收層與貼合其上之該抗反射層共同構成一立體多孔狀陷光結構。
2. 如申請專利範圍第1項所述之表面鍍膜結構，其中該基板之熱傳導係數為30(W/m.K)至430(W/m.K)。
3. 如申請專利範圍第1項所述之表面鍍膜結構，其中該緩衝中介層之材質為多孔矽、金屬氧化物、金屬矽化物或是多孔性金屬。
4. 如申請專利範圍第1項所述之表面鍍膜結構，其中該吸收層之材質為奈米晶矽、多晶矽、微晶矽、奈米、多晶或微晶矽基材料、奈米晶鍺、多晶鍺或微晶鍺。
5. 如申請專利範圍第1項所述之表面鍍膜結構，其中該抗反射層之折射率小於該吸收層。
6. 如申請專利範圍第5項所述之表面鍍膜結構，其中該抗反射層為單一折射率之均質層。
7. 如申請專利範圍第5項所述之表面鍍膜結構，其中該抗反射層為一折射率漸變之材質層。
8. 如申請專利範圍第5項所述之表面鍍膜結構，其中該抗反射層包含至少相異折射率之兩均質內層。
9. 如申請專利範圍第8項所述之表面鍍膜結構，其中該抗反射層之太陽光吸收頻帶為該兩均質內層之太陽光吸收頻帶之總和。
10. 一種表面鍍膜結構的製造方法，包括下列步驟：提供一基板；形成一緩衝中介層覆蓋於該基板上；形成一吸收層覆蓋於該緩衝中介層上，該吸收層係吸收並轉換太陽光成為一熱能，其中該緩衝中介層係緩衝該熱能引起之該基板與該吸收層之熱膨脹；以及形成一抗反射層，覆蓋於該吸收層上，其中形成該抗反射層之方法包含下列步驟：利用電漿增強化學氣相沉積或是物理氣相沉積在該吸收層上長出一非晶形材質層，其中該吸收層與貼合其上之該非晶形材質層共同構成一立體多孔狀陷光結構；以及進行一退火程序，將該非晶形材質層轉換為對應之一多晶材質層或微晶材質層。
11. 如申請專利範圍第10項所述之表面鍍膜結構的製造方法，其中形成該吸收層之方法包括下列步驟：利用電漿增強化學氣相沉積法或是物理氣相沉積法在該緩衝中介層上長出一矽基材質層或一鍺基材質層；進行一退火程序，將該矽基材質層或鍺基材質層轉換為多晶矽層、微晶矽層、多晶鍺層或微晶鍺層；以及 以一濕式蝕刻法或一乾式蝕刻法處理該吸收層表面。
12. 如申請專利範圍第10項所述之表面鍍膜結構的製造方法，其中形成該吸收層之方法包括下列步驟：利用電漿增強化學氣相沉積法或是物理氣相沉積法在該緩衝中介層上長出一矽基材質層或一鍺基材質層；以一濕式蝕刻或一乾式蝕刻處理該吸收層表面；以及進行一退火程序，將該矽基材質層或鍺基材質層轉換為多晶矽層、微晶矽層、多晶鍺層或微晶鍺層。
13. 如申請專利範圍第11或12項所述之表面鍍膜結構的製造方法，其中該退火程序為固相結晶法、雷射結晶法或金屬誘發結晶法。