TWI539618B - 半導體材料組成物及其製成太陽能電池之方法 - Google Patents

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半導體材料組成物及其製成太陽能電池之方法
本發明係關於一種半導體材料組成物；特別關於一種適用於製成液態或氣態太陽能電池且使太陽能電池具有較佳導電性之半導體材料組成物，以及使用該半導體材料組成物製成太陽能電池之方法。
近年來，太陽能電池的相關製程技術一直保持蓬勃發展且廣為所用；一般太陽能電池的類型繁多，其中又以矽基太陽能電池最為常見，通常矽基太陽能電池具有P/N二極體層(P/N diode)、抗反射層(antireflection)、正面電極(front contact electrode)及背面電極(back contact electrode)等基本結構。藉此，當矽原子的電子(Electron)電洞(Hole)對因受太陽光所激發而致游離，游離後的電子會受P/N二極體間之內建電場影響被加速分離，甚至被P/N二極體間之內建電場影響電子與電洞會分別被吸引至其上、下二端金屬導線，如此就此形成發電與導電迴路。
然而，由於傳統矽基材之太陽能電池在生產製造過程不管是P/N二極體層或抗反射層(antireflection)、正面電極(front contact electrode)及背面電極(back contact electrode)、空乏層等基本結構之材料通常是為固態材料所組成，此生產方法大大限制整體太陽能電池之使用型態，甚至不易於未來加工於軟性基板或可撓性基板表面；此外，使用傳統固態材料基材去做太陽能電池製造受限於添加粒子的粒徑無法有效微細化與控制而導 致白光中只有某些高能量之光譜才能讓電子電洞游離激發，此因素使傳統方法生產之矽基太陽能電池的發電效率始終無法顯現大幅提升。
有鑑於此，確實有必要發展一種有別於習知之半導體材料組成物，以由此半導體材料組成物製成以液態或氣態材料堆疊去當製造方法之太陽能電池，並且進一步解決如前所述的各種問題。
本發明主要目的乃改善上述問題，以提供一種半導體材料組成物，其係能夠使用於各種型態之基板且具有較佳粒子堆疊均勻度者。
本發明次一目的係提供一種以半導體材料組成物製成太陽能電池之方法，其係能夠易於控制半導體材料組成物的尺寸大小與均勻度，以藉奈米尺寸之發電單體增加發電效率者。
為達到前述發明目的，本發明半導體材料組成物，係包含1%的奈米化N/P型雜質添加劑粉體(Dopant)、70%的奈米化半導體基材、9%的導電膠材及20%之化學溶劑或鈍化氣體，且該奈米化半導體基材與奈米化N/P型雜質添加劑粉體的粒徑大小為均控制在10-9~10-7公尺，其中，該奈米化N/P雜質添加劑粉體為奈米化N型雜質添加劑粉體、或奈米化P型雜質添加劑粉體或等量之奈米化P型雜質添加劑粉體與奈米化N型雜質添加劑粉體混摻之混合添加劑。
其中，該奈米化N型雜質添加劑粉體選自磷化氫、五氧化二磷、砷化氫、五氧化二砷或磷化氫與五氧化二磷之混合，且該奈米化N型雜質添加劑粉體的分子粒徑為10-9~10-7公尺。
其中，該奈米化P型雜質添加劑粉體為乙硼烷或B2O5等，且該奈米化P型雜質添加劑粉體的分子粒徑為10-9~10-7公尺。
其中，該奈米化半導體基材為矽、砷化鎵、鍺、ZnS或MgF2。
其中，該導電膠材為鋁膠或銀膠。
其中，該化學溶劑為甲醇、乙醇、苯、對二甲苯、苯甲醇、甲苯等。
其中，該鈍化氣體為氮氣、氦氣、氖氣、氪氣、氬氣等。
為達到前述發明目的，本發明使用半導體材料組成物製成太陽能電池之方法，係包含：於網印有金屬線的一基板上，噴灑或塗佈一N型半導體材料作為一緩衝層，該N型半導體材料包含1%的奈米化N型雜質添加劑粉體、70%的奈米化半導體基材、9%的導電膠材及20%之化學溶劑或鈍化氣體；在於該緩衝層上噴灑或塗佈一P型半導體材料作為一吸收層，該P型半導體材料包含1%的奈米化P型雜質添加劑粉體、70%的奈米化半導體基材、9%的導電膠材及20%之化學溶劑或鈍化氣體；及經烘烤定型後，再於該P型半導體材料所形成之吸收層表面網印金屬線。
其中，於該緩衝層上係先噴灑或塗佈一空乏層後，再於該空乏層表面噴灑或塗佈P型半導體材料而形成該吸收層，該空乏層包含1%的奈米化N/P雜質添加劑粉體、70%的奈米化半導體基材9%的導電膠材及20%之化學溶劑或鈍化氣體，且成形該空乏層的該半導體材料組成物同時混摻有等量之奈米化P型雜質添加劑粉體與奈米化N型雜質添加劑粉體。
其中，在該P型半導體材料所形成之吸收層上另噴灑或塗佈一添加有染料的半導體材料組成物，以於該吸收層上再形成一抗反射層，其中，該添加有染料的半導體材料組成物係包含染料、奈米化N/P型雜質添加劑粉體、奈米化半導體基材、導電膠材及化學溶劑或鈍化氣體，該添加有抗反射材的半導體材料組成物係包含一抗反射材、奈米化N/P型雜質添加劑粉體、奈米化半導體基材、導電膠材及化學溶劑或鈍化氣體，其中，該奈米化N/P型雜質添加劑粉體為奈米化N型雜質添加劑粉體、奈米化P型雜質添加劑粉體或等量之奈米化P型雜質添加劑粉體與奈米化N型雜質添加劑粉體混摻之混合添加劑。
1‧‧‧基材
2‧‧‧緩衝層
3‧‧‧吸收層
4‧‧‧空乏層
5‧‧‧抗反射層
第1a~1b圖：成形太陽能電池之較佳實施例之製作流程圖。
第2a~2b圖：成形太陽能電池之另一較佳實施例製作流程圖。
第3a~3b圖：成形太陽能電池之又一較佳實施例製作流程圖。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：本發明係半導體材料組成物係可適用於製成任何材質載體表面之太陽能電池，以使該太陽能電池發揮較佳光電轉化效果。
該半導體材料組成物係包含含0.01%~49%的奈米化N/P型雜質添加劑粉體(Dopant)、50%~99%的奈米化半導體基材及0.01%~30%的導電膠材，且該奈米化半導體基材的粒徑大小為10-9~10-7公尺。
其中，該奈米化N/P雜質添加劑粉體為奈米化N型雜質添加劑粉體、奈米化P型雜質添加劑粉體或等量之奈米化P型雜質添加劑粉體與奈米化N型雜質添加劑粉體混摻之混合添加劑；該奈米化N型雜質添加劑粉體可以選自磷化氫、五氧化二磷、砷化氫、五氧化二砷或磷化氫與五氧化二磷之混合，該奈米化P型雜質添加劑可以選擇為乙硼烷或B2O5。甚者，該奈米化N型雜質添加劑粉體的分子粒徑及該奈米化P型雜質添加劑粉體的分子粒徑皆係趨於奈米等級，且較佳為10-9~10-7公尺，以增加與該奈米化半導體基材的混合均勻度並呈現較佳導電性。
基於前列組成物，還可選擇添加0.01%~49%的化學溶劑，該化學溶劑可以為甲醇、乙醇、苯、對二甲苯、苯甲醇、甲苯等，以就此作為液態塗料並增進該半導體材料組成物的混摻均勻度；或者，於添加有前述化學溶劑的前提下，另再加入0.01%~49%的鈍化氣體，該鈍化氣體 為氮氣、氦氣、氖氣、氪氣、氬氣等，以就此作為氣態噴劑並提升後續製作太陽能電池時之便利性。
於本實施例中，該奈米化半導體基材可以選擇為矽、砷化鎵、鍺、ZnS或MgF2。等具半導體特性之奈米化顆粒粉體；該導電膠材則可以選擇為鋁膠或銀膠等具導電性之導電高分子。且基於相同原則，本領域技術人員亦能選擇藉由其他具相同特性者替換之，容不在此逐一贅述。
除前述之外，本發明半導體材料組成物還可另添加有0.01%~49%之染料，以透過染料增加入射光的光吸收特性；其中，該染料可以選擇為中-四(4-羧基苯基)卟吩染料[tetra(4-carboxyphenyl)porphyrin]。並且，本發明半導體材料組成物還可另添加有0.01%~49%之抗反射材，以透過抗反射材降低光的反射，且與該染料共同成形抗反射薄膜之用；其中，該抗反射材可以選擇為二氧化矽粉體或氮化矽粉體，且粒徑較佳為10-9~10-7公尺。
承上所述，本發明半導體材料組成物遂能構成塗料、噴劑等任意型態之產物，以此作用於太陽能電池的製作過程。詳言之，本實施例係選擇以1%之奈米五氧化二磷與70%之奈米矽、9%之銀膠共同混掺，並於20%之甲醇的作用下形成為N型半導體之液態塗料；或者，亦可選擇於前列各材料共同混掺後充填於一高壓金屬罐並於該高壓金屬罐內充填20%之氮氣，進而形成為N型半導體之氣態噴劑。基於此，本實施例另可選擇以1%之奈米五氧化二硼與70%之奈米矽、9%之銀膠共同混掺，並於20%之甲醇的作用下形成為P型半導體之液態塗料或於該高壓金屬罐內充填有20%之氮氣後形成為P型半導體之氣態噴劑。其中，以各材料共同充填於高壓金屬罐內的技術手段乃可為本領域技術人員所理解，僅能構成高壓噴劑即可，容不在此限制並贅述其製作過程。
如此，使用本發明半導體材料組成物於太陽能電池製作時， 係可如第1a於網印有金屬線的一基板1上，選擇噴灑或塗佈N型半導體材料作為一緩衝層2，並接續噴灑或塗佈P型半導體材料作為一吸收層3，最後經烘烤定型後再於該P型半導體材料所形成之吸收層3表面網印金屬線，以完成太陽能電池之製作(如1b圖)。其中，烘烤定型所需溫度約為50℃~200℃為佳。其中，網印金屬線的態樣乃是需求而定，並不設限。
且基於前列製程，還可如第2a圖選擇於該N型半導體材料所形成之緩衝層2上先噴灑或塗佈一空乏層4後，再於該空乏層4表面噴灑或塗佈P型半導體材料而形成該吸收層3，且如2b圖再於該吸收層3上網印金屬線；其中，成形該空乏層4的該半導體材料組成物可以同時混摻有等量之奈米化P型雜質添加劑粉體與奈米化N型雜質添加劑粉體，以藉該空乏層4提升整體太陽能電池的導電性。
甚至，還可以如第3a圖所示，在該P型半導體材料所形成之吸收層3未網印金屬線之前，係先於該吸收層3上另噴灑或塗佈添加有染料的半導體材料組成物，再接續噴灑或塗佈添加有抗反射材的半導體材料組成物，以於該吸收層3上形成染料與抗反射材堆疊的一抗反射層5(如圖所示，該抗反射層5具有染料層5a及抗反射表層5b)，且如第3b圖所示在該抗反射層5成形且經烘烤後，再於該抗反射層5上網印金屬線，以藉該抗反射層5降低光的反射性，並同時達到可以增加太陽能電池對入射光之光吸收效能的功效。
綜上所述，由於本發明半導體材料組成物係以奈米化N/P雜質添加劑粉體及奈米化半導體基材共同混掺而成，故該半導體材料組成物所含分子粒徑相對趨近於10-9~10-7公尺等級，且亦可就非固態物質的混掺而形成塗料或噴劑。是以，本發明半導體材料組成物不僅能夠以塗料或噴劑之型態適用於各種基板，還特別能夠因應軟性基板或可撓性基板，而輕易在基板表面成形緊密貼附之N/P型半導體膜層，藉此使本發明半導體材 料組成物具有較佳且廣泛之應用性；甚至，該半導體材料組成物在通過奈米微細化後，更能導致白光中所有全區光譜之光皆能讓N/P型半導體膜層之電子電洞游離激發，並同時解決傳統材料粒子堆疊時所產生之間隙，以能透過更緊密的分子堆疊而提升該半導體材料組成物噴灑/塗佈於基板表面的成膜均勻度，而使太陽能電池能進一步仰賴均勻的N/P型半導體膜層膜層達到提升整體太陽能電池發電效率之功效。
雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，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。
1‧‧‧基材
2‧‧‧緩衝層
3‧‧‧吸收層

Claims (11)

  1. 一種半導體材料組成物，係包含1%的奈米化N/P雜質添加劑粉體、70%的奈米化半導體基材、9%的導電膠材及20%之化學溶劑或鈍化氣體，且該奈米化半導體基材與該奈米化N/P雜質添加劑粉體的粒徑大小均為10-9~10-7公尺，其中，該奈米化N/P雜質添加劑粉體為奈米化N型雜質添加劑粉體、或奈米化P型雜質添加劑粉體或等量之奈米化P型雜質添加劑粉體與奈米化N型雜質添加劑粉體混摻之混合添加劑。
  2. 根據申請專利範圍第1項之半導體材料組成物，其中，該奈米化N型雜質添加劑粉體選自磷化氫、五氧化二磷、砷化氫、五氧化二砷或磷化氫與五氧化二磷之混合。
  3. 根據申請專利範圍第1項之半導體材料組成物，其中，該奈米化P型雜質添加劑粉體為乙硼烷或B2O5。
  4. 根據申請專利範圍第2項之半導體材料組成物，其中，該奈米化P型雜質添加劑粉體為乙硼烷或B2O5。
  5. 根據申請專利範圍第1、2、3或4項之半導體材料組成物，其中，該化學溶劑為甲醇、乙醇、苯、對二甲苯、苯甲醇或甲苯。
  6. 根據申請專利範圍第1、2、3或4項之半導體材料組成物，其中，該鈍化氣體為氮氣、氦氣、氖氣、氪氣或氬氣。
  7. 根據申請專利範圍第1、2、3或4項之半導體材料組成物，其中，該奈米化半導體基材為矽、砷化鎵、鍺、ZnS或MgF2。
  8. 根據申請專利範圍第1、2、3或4項之半導體材料組成物，其中，該導電膠材為鋁膠或銀膠。
  9. 一種使用半導體材料組成物製成太陽能電池之方法，係包含：於網印有金屬線的一基板上，噴灑或塗佈一N型半導體材料作為一緩衝層，該N型半導體材料包含1%的奈米化N型雜質添加劑粉體、70% 的奈米化半導體基材、9%的導電膠材及20%之化學溶劑或鈍化氣體；在於該緩衝層上噴灑或塗佈一P型半導體材料作為一吸收層，該P型半導體材料包含1%的奈米化P型雜質添加劑粉體、70%的奈米化半導體基材、9%的導電膠材及20%之化學溶劑或鈍化氣體；及經烘烤定型後，再於該P型半導體材料所形成之吸收層表面網印金屬線。
  10. 根據申請專利範圍第9項之製成太陽能電池之方法，其中，於該緩衝層上係先噴灑或塗佈一空乏層後，再於該空乏層表面噴灑或塗佈P型半導體材料而形成該吸收層，該空乏層包含1%的奈米化N/P雜質添加劑粉體、70%的奈米化半導體基材9%的導電膠材及20%之化學溶劑或鈍化氣體，且成形該空乏層的該半導體材料組成物同時混摻有等量之奈米化P型雜質添加劑粉體與奈米化N型雜質添加劑粉體。
  11. 根據申請專利範圍第9或10項之製成太陽能電池之方法，其中，在該P型半導體材料所形成之吸收層未網印金屬線之前，係先於該吸收層上另噴灑或塗佈一添加有染料的半導體材料組成物以形成一染料層，再接續噴灑或塗佈一添加有抗反射材的半導體材料組成物以形成一抗反射表層，以於該吸收層上形成該染料層與該抗反射表層堆疊的一抗反射層，其中，該添加有染料的半導體材料組成物係包含染料、奈米化N/P型雜質添加劑粉體、奈米化半導體基材、導電膠材及化學溶劑或鈍化氣體，該添加有抗反射材的半導體材料組成物係包含一抗反射材、奈米化N/P型雜質添加劑粉體、奈米化半導體基材、導電膠材及化學溶劑或鈍化氣體，其中，該奈米化N/P型雜質添加劑粉體為奈米化N型雜質添加劑粉體、奈米化P型雜質添加劑粉體或等量之奈米化P型雜質添加劑粉體與奈米化N型雜質添加劑粉體混摻之混合添加劑。
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