TWI525229B - 氧化鋅抗反射層與其製法 - Google Patents

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Description

氧化鋅抗反射層與其製法
本發明係有關於一種抗反射層，且特別是有關於一種氧化鋅抗反射層與其製法。
近年來由於受到全球氣候變遷、環境污染問題以及資源日趨短缺的影響，在環保意識高漲與能源危機的警訊下刺激了太陽電池的蓬勃發展。
為了將入射光作更有效之利用，以及避免入射光在太陽能電池的表面因反射造成的損害，需要於電池表面設置抗反射層(anti-reflection layer)。
氧化鋅由於具有優異的透光性與化學穩定性，近年來已有不少研究將其製作成抗反射層。目前製作氧化鋅抗反射層的方法可分為真空和非真空製程，由於真空製程之儀器昂貴且製程條件嚴苛，因此，非真空製程受到許多研究的重視。
於各種非真空製程中，水熱法(hydrothermal synthesis)操作容易且節省時間，已有不少文獻利用水熱法製作出氧化鋅抗反層，然而，習知水熱法製程缺乏成長的穩定性且奈米幾何結構會有應用上的限制。
因此，業界亟需提出一種氧化鋅抗反射層，此抗反射層具有特殊結構，以有效提高光的使用率，進而提高太陽能電池的光電轉化效率。
本發明提供一種氧化鋅抗反射層，包括一氧化鋅下部份，其中該氧化鋅下部份具有一奈米柱陣列結構(nanorod array)；以及一氧化鋅上部份與該氧化鋅下部份連接，其中該氧化鋅上部份具有一針筒狀結構。
本發明另提供一種氧化鋅抗反射層之製法，包括以下步驟：(a)提供一基板；(b)將該基板浸泡於一第一溶液中，進行一第一階段水熱法，其中該第一溶液包括鋅離子溶液，以形成該氧化鋅抗反射層下部分；(c)從該第一溶液中取出該基板；以及(d)將該基板浸泡於一第二溶液中，進行一第二階段水熱法，其中該第二溶液中包括一結晶抑制劑，以形成該氧化鋅抗反射層上部份，使該氧化鋅形成具有一針筒狀之結構。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
請參見第1A圖，此圖顯示氧化鋅抗反射層之結構，此結構具有仿針筒(syringe-like)結構，而為了簡化說明，僅顯示兩個相鄰之奈米仿針筒狀結構。
氧化鋅抗反射層包括氧化鋅下部份110與氧化鋅上部份120，其中氧化鋅下部份110具有奈米柱陣列結構(nanorod array)，氧化鋅上部份120具有針筒狀結構。
氧化鋅下部份110直徑為約50-150 nm，其中底部直徑為D1，頂部直徑為D2，且底部直徑到頂部直徑逐漸變小(D1大於D2)。
同樣的，氧化鋅上部份120直徑為約1-40 nm，其中底部直徑為D3，頂部直徑為D4，且底部直徑D3到頂部直徑D4逐漸變小(D3大於D4)。
此外，氧化鋅下部份120之長度L1為約600-1000 nm，氧化鋅上部份之長度L2為約100-300 nm，兩者(L1/L2)之長度比例為約2/1~10/1。再者，氧化鋅上部份之間距(pitch) P1為約50-500 nm，較佳為約200 nm。
此外，第1B圖為本發明之氧化鋅抗反射層之示意圖，其中除了氧化鋅下部份110與氧化鋅上部份120之外，於氧化鋅下部份110之下尚包括多孔性(porous)晶種層105，此多孔性晶種層之優點在於成核位置多容易生成奈米氧化鋅晶種，以利於後續成長出氧化鋅結構。
須注意的是，本發明之氧化鋅抗反射層由於具有上部份針筒狀結構與下部份奈米柱陣列結構，因而形成仿針筒狀結構，此結構使氧化鋅抗反射層之折射率由下到上逐漸變小，因為形成漸進式折射，使本發明抗反射層之光捕捉效應(light trapping effect)優於習知奈米柱狀結構。
由上述可知，本發明所提供之氧化鋅太陽能電池具有優異的抗反射效果，因此可應於太陽能電池領域中。
另外，本發明提供一種氧化鋅抗反射層之製法，包括以下步驟(a)-(d)。首先，進行步驟(a)，提供基板，基板包括玻璃、金屬、金屬合金、塑膠基板或陶瓷基板。
之後，進行步驟(b)，將基板浸泡於第一溶液中，進行第一階段水熱法，其中第一溶液包括鋅離子溶液，且第一溶液之pH值為約8-10。第一階段水熱法之溫度為約85-99℃，該第一階段水熱法之時間為約0.5-3小時。
可將鋅鹽溶於水中，以形成第一溶液，鋅鹽例如醋酸鋅(zinc acetate)、磷酸鋅(zinc phosphate)、硝酸鋅(zinc nitrate)或其他含有鋅離子之鹽類。於一實施例中，可將硝酸鋅(Zn(NO3)2)溶於氨水中，以作為第一溶液。
此外，於進行步驟(b)之前，尚包括形成晶種層於基板之上，其中晶種層之形成方法包括旋轉塗佈法(spin coating)或電子束蒸鍍法(E-gun evaporation)。晶種層可利於後續氧化鋅結構之成長。
於一實施例中，可利用電子束蒸鍍法形成氧化鋅晶種層，此晶種層具有多孔性結構。
之後，進行步驟(c)，從第一溶液中取出基板。
接著，進行步驟(d)，將基板浸泡於第二溶液中，進行一第二階段水熱法，其中第二溶液中包括結晶抑制劑，且第二溶液之pH值為約8-10，以形成氧化鋅抗反射層，所形成之氧化鋅抗反射層包括氧化鋅上部份與氧化鋅下部份，其中氧化鋅下部份具有奈米柱陣列結構，氧化鋅上部份具有針筒狀結構。
於一實施例中，可將硝酸鋅、結晶抑制劑為維生素C與環六亞甲基四胺(HMTA)溶於水中，以製成第二溶液。
上述之結晶抑制劑包括維生素C、硝酸銨(Ammonium nitrate)或維生素C磷酸鎂鹽(L-Ascorbic Acid Phosphate Magnesium Salt,APMg)，此結晶抑制劑會使氧化鋅沿著[0001]晶向優化成長，因此，使得氧化鋅上部份的結構變得較細，而形成針筒狀結構的上部份。
第二階段水熱法之溫度為約85-99℃，第二階段水熱法之溫度為約0.5-2小時。此外，第一階段水熱法與第二階段水熱法之間隔時間為約0.5-12小時。
本發明之氧化鋅抗反射層可應用於各式太陽電池，例如單晶矽、多晶矽、矽薄膜、III-V族太陽電池及CIGS系列太陽電池等。
於一實施例中，請參見第2圖，此圖顯示砷化鎵型(GaAs-based)太陽能電池200，於n型基板210之上依序形成n型砷化鎵緩衝層(buffer alyer)220、n型砷化鎵窗層(window layer)230、n型砷化鎵基礎層(base layer) 240、p型砷化鎵射極層(emitter layer) 250、p型砷化鎵窗層260、p型砷化鎵接觸層270與抗反射層280，其中抗反射層280為本發明之氧化鋅仿針筒狀結構。
實驗結果顯示，與未形成抗反射層之太陽能電池相比，使用本發明仿針筒狀結構的氧化鋅搭配90 nm氮化矽(Si3N4)抗反射層，其光電轉化效率可提升約37.2%。
【實施例】
實施例1　水熱法形成氧化鋅抗反射層
(1)　提供具有複合層之基板
請參見第2圖，於350 nm的n型基板210之上依序形成300 nm的n型砷化鎵緩衝層(buffer alyer)220、120 nm的n型砷化鎵窗層(window layer)230、4000 nm的n型砷化鎵基礎層(base layer) 240、200 nm的p型砷化鎵射極層(emitter layer) 250、30 nm的p型砷化鎵窗層260、300 nm的p型砷化鎵接觸層270，以形成具有複合層之基板。
(2)　製作晶種層
先製作5 mM醋酸鋅(Zn(CH3COO)2)(0.219 g醋酸鋅溶於20 ml酒精中)，利用旋轉塗佈法(1000 rpm)將上述溶液塗佈於具有複合層之基板上，之後將基板置於加熱板上烘烤300℃ 25分鐘，以形成晶種層於p型砷化鎵接觸層270之上。或者，可以電子束磊晶鍍氧化鋅膜厚度約50 nm作為晶種層。
(3)　進行第一階段水熱法
配置第一溶液：將2.97 g硝酸鋅(Zn(NO3)2)溶於500 ml水，製成20 mM硝酸鋅溶液。之後，取150 mL的硝酸鋅溶液(20 mM)與5 mL濃氨水加入150 mL去離子水中，以製得第一溶液。
將具有晶種層之基板加入第一溶液中，於轉速300 rpm與90℃下進行水熱反應，經過2小時後，將基板取出，之後將基板靜置12小時。
(4)　進行第二階段水熱法
配置第二溶液：將2.97 g硝酸鋅溶於500 ml水中，製成20 mM硝酸鋅溶液，將1.402 g環六亞甲基四胺(hexamethylene triamine,HMTA)溶於500 ml水中，製成20 mM HMTA。
之後，取50 mL的硝酸鋅溶液(20 mM)、50 mL HMTA(20 mM)與1mg維生素C(5 mg/L)加入100 mL去離子水中，以製得第二溶液。
將基板加入第二溶液中，於轉速300 rpm與90℃下進行水熱反應，經過0.5小時後，可形成抗反射層於晶種層之上，於此便完成一太陽能電池。
請參見第3圖，此圖顯示氧化鋅結構之掃描式電子顯微鏡圖(SEM)，由圖中可知，氧化鋅具有仿針筒狀結構。
實施例2
實施例2之太陽能電池結構與實施例1類似，差別僅在於其先形成90 nm氮化矽(Si3N4)抗反射層，再進行水熱法形成仿針筒狀之氧化鋅抗反射層。
比較例1
比較例1之太陽能電池結構與實施例1類似，差別僅在於其無抗反射層。
比較例2
比較例2之太陽能電池結構與實施例1類似，差別僅在於其抗反射層為氮化矽(Si3N4)。
表1顯示比較例1-2與實施例1-2之太陽能電池(DSSC)之開路電壓(open-circuit voltage，Voc)、短路電流(short-circuit current，Jsc)、填充因子(fill factor)與光電轉換效率(power conversion efficiency，η)之數據。由表1可知，相較於比較例1，實施例1之光電轉換效率(power conversion efficiency，η)可由14.5%提高成18.11%，提高了24.9%，可知本發明仿針筒狀之氧化鋅抗反射層確實具有優異的抗反射效果。相較於比較例1-2，實施例2可提高光電轉換效率37.2%。
雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，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。
110．．．氧化鋅下部份
120．．．氧化鋅上部份
105．．．多孔性晶種層
D1．．．氧化鋅下部份之底部直徑
D2．．．氧化鋅下部份之頂部直徑
D3．．．氧化鋅上部份之底部直徑
D4．．．氧化鋅上部份之頂部直徑
L1．．．氧化鋅下部份之長度
L2．．．氧化鋅上部份之長度
P1．．．氧化鋅上部份之間距(pitch)
200．．．砷化鎵型(GaAs-based)太陽能電池
210．．．n型基板
220．．．n型砷化鎵緩衝層(buffer alyer)
230．．．n型砷化鎵窗層(window layer)
240．．．n型砷化鎵基礎層(base layer)
250．．．p型砷化鎵射極層(emitter layer)
260．．．p型砷化鎵窗層
270．．．p型砷化鎵接觸層
280．．．抗反射層
第1A-1B圖為一系列剖面圖，用以說明本發明之氧化鋅抗反射層之結構。
第2圖為一剖面圖，用以說明本發明之太陽能電池。
第3圖為一掃描式電子顯微鏡圖(SEM)，用以說明本發明氧化鋅之結構。
110．．．氧化鋅下部份
120．．．氧化鋅上部份
D1．．．氧化鋅下部份之底部直徑
D2．．．氧化鋅下部份之頂部直徑
D3．．．氧化鋅上部份之底部直徑
D4．．．氧化鋅上部份之頂部直徑
L1．．．氧化鋅下部份之長度
L2．．．氧化鋅上部份之長度
P1．．．氧化鋅上部份之間距(pitch)

Claims (16)

  1. 一種氧化鋅抗反射層，包括：複數個氧化鋅下部份，其中該等氧化鋅下部份具有一奈米柱陣列結構(nanorod array)，其中相鄰的該等氧化鋅下部份彼此間隔；以及複數個氧化鋅上部份，其中該等氧化鋅上部份與該等氧化鋅下部份對應連接，以形成一針筒狀結構；其中該氧化鋅下部份從底部直徑到頂部直徑逐漸變小，該氧化鋅上部份從底部直徑到頂部直徑逐漸變小，且其中該氧化鋅上部份與該氧化鋅下部份的相連處具有一台階部。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之氧化鋅抗反射層，其中該氧化鋅下部份與該氧化鋅上部份之長度比例為約2/1~10/1。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之氧化鋅抗反射層，其中該氧化鋅上部份之長度為約100-300nm，該氧化鋅下部份之長度為約600-1000nm。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之氧化鋅抗反射層，其中氧化鋅上部份之直徑為約1-40nm，該氧化鋅下部份之直徑為約50-150nm。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之氧化鋅抗反射層，其中該氧化鋅上部份之間距(pitch)為約50-500nm。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之氧化鋅抗反射層，尚包括一多孔性(porous)晶種層，形成於該氧化鋅下部份之 下。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之氧化鋅抗反射層，其中該氧化鋅抗反射層之折射率由下到上逐漸變小。
  8. 一種氧化鋅抗反射層之製法，包括以下步驟：(a)提供一基板；(b)將該基板浸泡於一第一溶液中，進行一第一階段水熱法，其中該第一溶液包括鋅離子溶液，以形成該氧化鋅抗反射層下部分；(c)從該第一溶液中取出該基板；以及(d)將該基板浸泡於一第二溶液中，進行一第二階段水熱法，其中該第二溶液中包括一結晶抑制劑，以形成該氧化鋅抗反射層上部份，使該氧化鋅形成具有一針筒狀之結構。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之氧化鋅抗反射層之製法，其中該基板包括玻璃、金屬、金屬合金、塑膠基板或陶瓷基板。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之氧化鋅抗反射層之製法，其中該結晶抑制劑包括維生素C、硝酸銨(Ammonium nitrate)或維生素C磷酸鎂鹽(L-Ascorbic Acid Phosphate Magnesium Salt,APMg)。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之氧化鋅抗反射層之製法，於進行該第一階段水熱法之前，尚包括形成一晶種層於該基板之上。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之氧化鋅抗反射層之 製法，其中該晶種層之形成方法包括旋轉塗佈法(spin coating)或電子束蒸鍍法(E-gun evaporation)。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之氧化鋅抗反射層之製法，其中該第一階段水熱法與該第二階段水熱法之間隔時間為約0.5-12小時。
  14. 如申請專利範圍第8項所述之氧化鋅抗反射層之製法，其中該第一溶液之pH值為約8-10，該第二溶液之pH值為約8-10。
  15. 如申請專利範圍第8項所述之氧化鋅抗反射層之製法，其中該第一階段水熱法之溫度為約85-99℃，該第二階段水熱法之溫度為約85-99℃。
  16. 如申請專利範圍第8項所述之氧化鋅抗反射層之製法，其中該第一階段水熱法之時間為約0.5-3小時，該第二階段水熱法之溫度為約0.5-2小時。
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