TWI531079B - 太陽能電池及其製作方法 - Google Patents

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Description

太陽能電池及其製作方法
本發明係提供一種太陽能電池及其製作方法，尤指一種具有高光電轉換效率之太陽能電池及其製作方法。
現今人類使用的能源主要來自於石油資源、煤礦、天然氣以及核能等，其中石油資源的蘊藏量經長年不斷的開採已逐漸消耗殆盡，煤礦與天然氣因為高二氧化碳排放量而會產生空氣污染與溫室效應等問題，而核能的高風險也令人擔憂，因此尋求替代性能源的呼聲在近年來不斷升高。在包括風力、潮汐以及太陽能等替代性能源中，以太陽能的發展最具有潛力，而目前許多國家皆已投入太陽能發電技術的研發工作。
太陽能發電的原理是利用光伏效應(photovoltaic effect,PV effect)將太陽光照射在光電轉換材料上而轉換成可直接使用的電能。目前，由於光電轉換效率偏低以及製作成本過高，使得太陽能電池仍然無法有效取代傳統能源，成為太陽能電池的發展上的瓶頸。
本發明之目的之一在於提供一種具有高光電轉換效率之太陽能電池及其製作方法。
本發明之一實施例提供一種製作太陽能電池之方法，包括下列步驟。提供一光電轉換結構。於光電轉換結構之一表面上形成一無機透明導電 層。於無機透明導電層之一表面上形成一有機透明導電層。於有機透明導電層之一表面上形成一圖案化透明保護層，其中圖案化透明保護層具有一開口，部分暴露出有機透明導電層之表面。利用有機透明導電層作為一晶種層進行一電鍍製程，於圖案化透明保護層之開口內形成一電極，其中電極與有機透明導電層接觸並電性連接。
本發明之另一實施例提供一種太陽能電池，包括一光電轉換結構、一無機透明導電層、一有機透明導電層、一圖案化透明保護層以及一電極。無機透明導電層設置於光電轉換結構之一表面上。有機透明導電層設置於無機透明導電層之一表面上。圖案化透明保護層設置於有機透明導電層之一表面上，其中圖案化透明保護層具有一開口，部分暴露出有機透明導電層之表面。電極設置於圖案化透明保護層之開口內，其中電極與有機透明導電層接觸並電性連接。
本發明之製作太陽能電池之方法係利用圖案化透明保護層作為定義電極之位置的阻擋層，且於製作出電極之後，圖案化透明保護層係保留於有機透明導電層之表面上而不必加以移除，因此可以減少製程時間與成本。再者，圖案化透明保護層、有機透明導電層與無機透明導電層均具有高穿透率特性，且三者的折射率係以遞增方式搭配，因此入射光係由折射率較小的膜層進入折射率較大的膜層，故可以減少反射並有效增加入光量，並可以增加短路電流密度，進而提升太陽能電池的光電轉換效率。另外，電極與無機透明導電層係分別與有機透明導電層接觸並經由有機透明導電層電性連接，因此接觸電阻較低，故可提升填充因子，進而提升太陽能電池的光電轉換效率。
10‧‧‧半導體基底
101‧‧‧第一表面
102‧‧‧第二表面
12‧‧‧第一本徵半導體層
14‧‧‧第二本徵半導體層
16‧‧‧第一非本徵半導體層
18‧‧‧第二非本徵半導體層
20‧‧‧光電轉換結構
201‧‧‧表面
202‧‧‧表面
22‧‧‧第一無機透明導電層
24‧‧‧第二無機透明導電層
221‧‧‧表面
241‧‧‧表面
26‧‧‧第一有機透明導電層
28‧‧‧第二有機透明導電層
261‧‧‧表面
281‧‧‧表面
30‧‧‧第一圖案化透明保護層
30A‧‧‧開口
32‧‧‧第二圖案化透明保護層
32A‧‧‧開口
34‧‧‧第一電極
341‧‧‧第一導電結構
342‧‧‧第二導電結構
36‧‧‧第二電極
361‧‧‧第一導電結構
362‧‧‧二導電結構
40‧‧‧太陽能電池
50‧‧‧太陽能電池
第1圖至第7圖繪示了本發明之第一實施例之製作太陽能電池之方法示意圖。
第8圖繪示了本發明之第二實施例之製作太陽能電池之方法示意圖。
為使熟習本發明所屬技術領域之一般技藝者能更進一步了解本發明，下文特列舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，詳細說明本發明的構成內容及所欲達成之功效。
請參考第1圖至第7圖。第1圖至第7圖繪示了本發明之第一實施例之製作太陽能電池之方法示意圖，其中第1圖至第6圖係以剖面型式繪示，而第7圖係以立體型式繪示。如第1圖所示，首先提供一半導體基底10，其中半導體基底10具有彼此相對之一第一表面101與一第二表面102。半導體基底10可包括一矽基底，其可為單晶矽基底、非晶矽基底、多晶矽基底、微晶矽基底或其它具有不同晶格排列之矽基底或半導體基底。在本實施例中，半導體基底10係選用單晶矽基底，但不以此為限。接著，可選擇性地對半導體基底10進行一粗糙化(texture)製程，以使得第一表面101與第二表面102形成粗糙化表面(textured surface)，其中粗糙化表面可以降低入射光的反射，藉此增加入光量，進而提升光電轉換效率。粗糙化製程可包括一蝕刻製程，例如一溼式蝕刻制程或一乾式溼刻製程，但不以此為限。在本實施例中，半導體基底10具有一第一摻雜類型，例如n型，但不以此為限。隨後，可選擇性地在半導體基底10之第一表面101與第二表面102上分別形成一第一本徵(intrinsic)半導體層12與一第二本徵半導體層14。第一本徵半導體層12與第二本徵半導體層14係為未摻雜之半導體層，其材料可包括例如單晶矽、非晶矽、多晶矽、微晶矽或其它具有不同晶格排列之矽或半導體材料。在本實施例中，第一本徵半導體層12與第二本徵半導體層14係分別為一非晶矽層。
如第2圖所示，接著於第一本徵半導體層12上形成一第一非本徵 (extrinsic)半導體層16，其中第一非本徵半導體層16具有一第二摻雜型式，例如p型。非第一本徵半導體層16之材料可包括例如單晶矽、非晶矽、多晶矽、微晶矽或其它具有不同晶格排列之矽或半導體材料。在本實施例中，第一非本徵半導體層16之材料係選用非晶矽。此外，可選擇性地於第二本徵半導體層14上形成一第二非本徵半導體層18，其中第二非本徵半導體層18具有第一摻雜型式，例如n型。第二非本徵半導體層18之材料可包括例如單晶矽、非晶矽、多晶矽、微晶矽或其它具有不同晶格排列之矽或半導體材料。在本實施例中，第二非本徵半導體層18之材料係選用非晶矽。至此，半導體基底10、第一本徵半導體層、第二本徵半導體層14、第一非本徵半導體層16以及第二非本徵半導體層18構成本實施例之光電轉換結構20。在本實施例中，光電轉換結構20係為非晶矽/微晶矽結構異質接面(Heterojunction with Intrinsic Thin-layer,HIT)光電轉換結構，其具有高光電轉換效率、在高溫下的操作效率損失較小與高開路電壓等優點。在其它變化實施例中，電轉換結構也可選用同質接面光電轉換結構、銅銦鎵硒(CIGS)光電轉換結構、有機染料(dye-sensitized)光電轉換結構或其它型式之矽基型或薄膜型光電轉換結構。
如第3圖所示，隨後於光電轉換結構20之一表面201與另一表面202上分別形成一第一無機透明導電層22與一第二無機透明導電層24。第一無機透明導電層22與第二無機透明導電層24之材料可包括氧化銦錫(indium tin oxide,ITO)、氧化鎵銦錫(gallium indium tin oxide,GITO)、氧化鋅銦錫(zincindium tin oxide,ZITO)、氧化錫摻氟(fluorine-doped tin oxide，FTO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鋁鋅[AZO(Al：ZnO)]與氧化銦鋅(IZO)之其中至少一者，或其它適合之無機透明導電材料。此外，第二無機透明導電層24與第一無機透明導電層22可選用相同或不同之無機透明導電材料。
如第4圖所示，接著於第一無機透明導電層22之表面221上形成 一第一有機透明導電層26。第一有機透明導電層26具有導電及高透光的特性，其透光率係大於95%且小於100%。舉例而言，第一有機透明導電層26之材料可包括(3,4-二氧乙基噻吩)/聚(對苯乙烯磺酸)(PEDOT：PSS)、銅-青素(copper phthalocyanine，CuPc)與4,4',4"-三偶-氮-萘-氮-苯胺-三苯胺(4,4',4"-tris-N-naphthyl-N-phenylamino-triphenylamine，TNATA)之其中至少一者，但不以此為限。本實施例係以製作穿透式太陽能電池之方法為範例，因此可於第二無機透明導電層24之表面241上形成一第二有機透明導電層28，其中第二有機透明導電層28與第一有機透明導電層26可選用相同或不同之有機透明導電材料。
如第5圖所示，隨後於第一有機透明導電層26之一表面261上形成一第一圖案化透明保護層30。第一圖案化透明保護層30具有至少一開口30A，部分暴露出第一有機透明導電層26之表面261。第一圖案化透明保護層30具有高透光特性，其透光率係大於95%且小於100%。舉例而言，第一圖案化透明保護層30之材料可包括矽膠(silicone)，但不以此為限。第一圖案化透明保護層30的製作可先於第一有機透明導電層26上形成一透明保護層，再利用一微影蝕刻製程定義出開口30A。在一變化實施例中，第一圖案化透明保護層30亦可利用一印刷製程或一噴墨製程直接形成於第一有機透明導電層26上。或者在另一變化實施例中，若第一圖案化透明保護層30係選用感光材料例如光阻材料，則可先於第一有機透明導電層26上形成一透明保護層，再利用一曝光顯影製程定義出開口30A。在本實施例中，第一圖案化透明保護層30可具有平坦化之表面，但不以此為限。另外，可選擇性地於第二有機透明導電層28之一表面281上形成一第二圖案化透明保護層32，其中第二圖案化透明保護層32具有至少一開口32A，部分暴露出第二有機透明導電層28之表面281。第二圖案化透明保護層32與第一圖案化透明保護層30可選用相同或不同之透明絕緣材料，且可使用相同的製程形成。
如第6圖與第7圖所示，隨後利用第一有機透明導電層26與第二有機透明導電層28作為晶種層進行電鍍製程，於第一圖案化透明保護層30之開口30A內形成一第一電極34，以及於第二圖案化透明保護層32之開口32A內形成一第二電極36。第一電極34與第一有機透明導電層26接觸並電性連接，而第二電極36則與第二有機透明導電層28接觸並電性連接。在本實施例中，第一電極34包括一第一導電結構341與一第二導電結構342，其中第一導電結構341係與第一有機透明導電層26接觸，且第二導電結構342係堆疊於第一導電結構341上並與第一導電結構341接觸。第一導電結構341之材料可選用具有良好導電性之金屬或合金，例如銅。第二導電結構342可用來保護第一導電結構341並避免第一導電結構341氧化，且較佳可具有低熔點而有利於多個太陽能電池40之間的串銲(string)。舉例而言，第二導電結構342之材料可為金屬或合金，在本實施例中，第二導電結構342之材料係選用錫，但不以此為限。另外，第二電極36也可包括一第一導電結構361與一第二導電結構362，其中第一導電結構361與第二導電結構362之材料可分別與第一導電結構341與第二導電結構342相同，但不以此為限。
如第6圖與第7圖所示，藉由上述方法可製作出本實施例之太陽能電池40。本實施例之太陽能電池40包括光電轉換結構20、無機透明導電層(可包括第一無機透明導電層22與第二無機透明導電層24)、有機透明導電層(可包括第一有機透明導電層26與第二有機透明導電層28)、圖案化透明保護層(可包括第一圖案化透明保護層30與第二圖案化透明保護層32)以及電極(可包括第一電極34與第二電極36)。在本實施例中，光電轉換結構之表面201與表面202均分別設置有無機透明導電層、有機透明導電層、圖案化透明保護層與電極，也就是說，光電轉換結構20之表面201上依序設置有第一無機透明導電層22、第一有機透明導電層26、第一圖案化透明保護層30與第一 電極34，且光電轉換結構之表面202上依序設置有第二無機透明導電層24、第二有機透明導電層28、第二圖案化透明保護層32與第二電極36。本實施例之太陽能電池40及其製作方法並不以此為限。舉例而言，在一變化實施例中，可僅於光電轉換結構20之其中一個表面形成無機透明導電層、有機透明導電層、圖案化透明保護層與電極。另外，無機透明導電層、有機透明導電層、圖案化透明保護層與電極等膜層與元件的材料與相關特性如前文所述，在此不再贅述。
在本實施例中，第一圖案化透明保護層30具有定義第一電極34之位置的作用，且於製作出第一電極34之後，第一圖案化透明保護層30係保留於第一有機透明導電層26之表面261上而不必加以移除，因此可以減少製程時間與成本。再者，第一電極34的剖面大體上會接近矩形，其具有接近垂直的側壁，而不是常見的蘑菇形(傘形)，因此其面積較小而可以減少光反射量。第一電極34會被第一圖案化透明保護層30所環繞，故可以避免第一電極34產生脫落。此外，第一無機透明導電層22具有一第一折射率，第一有機透明導電層26具有一第二折射率，且第一圖案化透明保護層30具有一第三折射率，其中第一折射率大於第二折射率，且第二折射率大於第三折射率。舉例而言，第一折射率可約為2，第二折射率可約為1.6，且第三折射率可約為1.4。在本實施例中，光電轉換結構20之表面201是入光面，藉由上述折射率的搭配，入射光係由折射率較小的膜層進入折射率較大的膜層，可以減少反射並有效增加入光量，因此可以增加短路電流密度(Jsc)，進而提升太陽能電池40的光電轉換效率。再者，第一電極34與第一無機透明導電層22不是直接接觸，而是分別與第一有機透明導電層26接觸並經由第一有機透明導電層26電性連接，因此接觸電阻較低，故可提升填充因子(fill factor,FF)，進而提升太陽能電池40的光電轉換效率。
請參考第8圖。第8圖繪示了本發明之第二實施例之製作太陽能電池之方法示意圖。如第8圖所示，本實例係揭示製作反射式太陽能電池之方法，因此不同於第一實施例於光電轉換結構20表面202上依序形成第二有機透明導電層28、第二圖案化透明保護層32以及第二電極36的作法，本實施例之製作太陽能電池之方法係於光電轉換結構20之表面202上分別形成第二無機透明導電層24之後，再於第二無機透明導電層24之表面241形成整面之第二電極36，以形成本實施例之太陽能電池50。在本實施例之太陽能電池50中，光電轉換結構20之表面201上依序設置有第一無機透明導電層22、第一有機透明導電層26、第一圖案化透明保護層30與第一電極34，而光電轉換結構20之表面202上依序設置有第二無機透明導電層24與第二有機透明導電層28，與前述實施例相同。不同於前述實施例之處在於，光電轉換結構20之表面202上可不設置圖案化透明保護層32，且第二電極36為整面電極，其可作為反射層之用，以增加光利用率。
綜上所述，本發明之製作太陽能電池之方法係利用圖案化透明保護層作為定義電極之位置的阻擋層，且於製作出電極之後，圖案化透明保護層係保留於有機透明導電層之表面上而不必加以移除，因此可以減少製程時間與成本。此外，電極會被圖案化透明保護層所環繞，故可以避免電極產生脫落。再者，圖案化透明保護層、有機透明導電層與無機透明導電層均具有高穿透率特性，且三者的折射率係以遞增方式搭配，因此入射光係由折射率較小的膜層進入折射率較大的膜層，故可以減少反射並有效增加入光量，並可以增加短路電流密度，進而提升太陽能電池的光電轉換效率。另外，電極與無機透明導電層係分別與有機透明導電層接觸並經由有機透明導電層電性連接，因此接觸電阻較低，故可提升填充因子，進而提升太陽能電池的光電轉換效率。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所 做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10‧‧‧半導體基底
101‧‧‧第一表面
102‧‧‧第二表面
12‧‧‧第一本徵半導體層
14‧‧‧第二本徵半導體層
16‧‧‧第一非本徵半導體層
18‧‧‧第二非本徵半導體層
20‧‧‧光電轉換結構
201‧‧‧表面
202‧‧‧表面
22‧‧‧第一無機透明導電層
24‧‧‧第二無機透明導電層
221‧‧‧表面
241‧‧‧表面
26‧‧‧第一有機透明導電層
28‧‧‧第二有機透明導電層
261‧‧‧表面
281‧‧‧表面
30‧‧‧第一圖案化透明保護層
30A‧‧‧開口
32‧‧‧第二圖案化透明保護層
32A‧‧‧開口
34‧‧‧第一電極
341‧‧‧第一導電結構
342‧‧‧第二導電結構
36‧‧‧第二電極
361‧‧‧第一導電結構
362‧‧‧二導電結構
40‧‧‧太陽能電池

Claims (18)

  1. 一種製作太陽能電池之方法，包括：提供一光電轉換結構；於該光電轉換結構之一表面上形成一無機透明導電層；於該無機透明導電層之一表面上形成一有機透明導電層；於該有機透明導電層之一表面上形成一圖案化透明保護層，其中該圖案化透明保護層具有一開口，部分暴露出該有機透明導電層之該表面；以及利用該有機透明導電層作為一晶種層進行一電鍍製程，於該圖案化透明保護層之該開口內形成一電極，其中該電極與該有機透明導電層接觸並電性連接。
  2. 如請求項1所述之製作太陽能電池之方法，其中該無機透明導電層具有一第一折射率，該有機透明導電層具有一第二折射率，該圖案化透明保護層具有一第三折射率，該第一折射率大於該第二折射率，且該第二折射率大於該第三折射率。
  3. 如請求項1所述之製作太陽能電池之方法，其中該無機透明導電層之材料包括氧化銦錫(indium tin oxide,ITO)、氧化鎵銦錫(gallium indium tin oxide,GITO)、氧化鋅銦錫(zinc indium tin oxide,ZITO)、氧化錫摻氟(fluorine-doped tin oxide，FTO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鋁鋅[AZO(Al：ZnO)]與氧化銦鋅(IZO)之其中至少一者。
  4. 如請求項1所述之製作太陽能電池之方法，其中該有機透明導電層之材料包括(3,4-二氧乙基噻吩)/聚(對苯乙烯磺酸)(PEDOT：PSS)、銅-青素(copper phthalocyanine，CuPc)、4,4',4"-三偶-氮-萘-氮-苯胺-三苯胺 (4,4',4"-tris-N-naphthyl-N-phenylamino-triphenylamine，TNATA)。
  5. 如請求項1所述之製作太陽能電池之方法，其中該有機透明導電層之透光率係大於95%且小於100%。
  6. 如請求項1所述之製作太陽能電池之方法，其中該圖案化透明保護層之材料包括矽膠(silicone)。
  7. 如請求項1所述之製作太陽能電池之方法，其中該圖案化透明保護層之透光率係大於95%且小於100%。
  8. 如請求項1所述之製作太陽能電池之方法，其中於形成該電極之後，該圖案化透明保護層係保留於該有機透明導電層之該表面上。
  9. 如請求項1所述之製作太陽能電池之方法，其中該圖案化透明保護層係利用一微影蝕刻製程、一曝光顯影製程或一印刷製程形成於該有機透明導電層之該表面上。
  10. 如請求項1所述之製作太陽能電池之方法，其中該電極包括一第一導電結構與一第二導電結構，該第一導電結構係與該有機透明導電層接觸，且該第二導電結構係堆疊於該第一導電結構上並與該第一導電結構接觸。
  11. 如請求項10所述之製作太陽能電池之方法，其中該第一導電結構之材料包括銅，且該第二導電結構之材料包括錫。
  12. 如請求項1所述之製作太陽能電池之方法，其中該光電轉換結構包括一半導體基底以及一非本徵半導體層，且該半導體基底與該非本徵半導體層 具有不同的摻雜類型。
  13. 一種太陽能電池，包括：一光電轉換結構；一無機透明導電層，設置於該光電轉換結構之一表面上；一有機透明導電層，設置於該無機透明導電層之一表面上；一圖案化透明保護層，設置於該有機透明導電層之一表面上，其中該圖案化透明保護層具有一開口，部分暴露出該有機透明導電層之該表面；以及一電極，設置於該圖案化透明保護層之該開口內，其中該電極與該有機透明導電層接觸並電性連接。
  14. 如請求項13所述之太陽能電池，其中該無機透明導電層具有一第一折射率，該有機透明導電層具有一第二折射率，該圖案化透明保護層具有一第三折射率，該第一折射率大於該第二折射率，且該第二折射率大於該第三折射率。
  15. 如請求項13所述之太陽能電池，其中該圖案化透明保護層之材料包括矽膠(silicone)。
  16. 如請求項13所述之太陽能電池，其中該電極包括一第一導電結構與一第二導電結構，該第一導電結構係與該有機透明導電層接觸，且該第二導電結構係堆疊於該第一導電結構上並與該第一導電結構接觸。
  17. 如請求項16所述之太陽能電池，其中該第一導電結構之材料包括銅，且該第二導電結構之材料包括錫。
  18. 如請求項13所述之太陽能電池，其中該光電轉換結構包括一半導體基底以及一非本徵半導體層，且該半導體基底與該非本徵半導體層具有不同的摻雜類型。
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