TWI587531B - 可優化厚度和轉換效率之可彎曲的太陽能晶片 - Google Patents
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Description
本發明係有關於太陽能晶片，特別是關於可優化厚度和能量轉換效率之可彎曲的太陽能晶片。
由於太陽能晶片一般係由脆性材料製成，太陽能晶片在製造或運輸過程中乃易因外力作用而脆裂。為避免太陽能晶片受損，習知已採用一些保護措施一例如保護袋。然而，一傳統太陽能晶片仍可能因局部區域受力而受損。
在一典型的製造設施中，由脆裂問題所導致的太陽能晶片損失可高達5-10%。此問題在太陽能晶片被要求儘可能薄型化以降低材料成本之情況下會更惡化。
為解決此問題，一習知作法是採用薄膜材料來製造太陽能晶片，而其相關技術方案可見於US 6,887,650(係有關於薄膜裝置的製造方法)、US 6,682,990(係有關於薄膜單晶矽太陽能晶片的製造方法)、US 6,452,091(係有關於薄膜單晶裝置和太陽能模組的製造方法)、US 5,000,816(係有關於自一基板剝除一薄膜之技術方案)、以及US 4,855,012(係有關於用
以自一基板剝除一薄膜之拉升(pull-raising)部件及拉升(pull-raising)單元)。
然而，由於由薄膜材料製成的太陽能晶片無法提供高的能量
轉換效率，其僅適用於某些特定的應用中。
另一個作法是使一薄基板被夾在二可撓塑膠封裝層中以提
供彈性，其技術方案如US 8,450,184所揭(其係有關於利用由應力引發的剝離效應製造薄膜基板的方法)。然而，由於此方法須用到額外的材料層和多個黏貼步驟，其製造成本將因而增加。
另外，請參照圖1，其繪示傳統太陽能晶片之破裂應力(failure
stress)對厚度之一分布曲線圖。如圖1所示，破裂應力在厚度等於200μm附近有一峰值，且在厚度變小後陡峭下降。又，請參照圖2，其繪示傳統太陽能晶片之能量轉換效率對厚度之一分布曲線圖。如圖2所示，能量轉換效率在厚度低於50μm以後會陡峭下降。
由上述可知，若一傳統太陽能晶片的厚度降低至50μm附
近，其將因破裂應力變得相當小而容易脆裂。因此，依習知的作法將很難獲致同時具有高破裂應力和高能量轉換效率的薄型太陽能晶片。
為解決上述問題，吾人亟需一新穎的太陽能晶片結構。
本發明之一目的在於揭露一太陽能晶片，其可避免應力集中在一局部區域。
本發明之另一目的在於揭露一太陽能晶片，其具有一薄的厚度並同時具有高彎曲強度和高能量轉換效率。
本發明之又一目的在於揭露一太陽能晶片，其可提高太陽能
晶片之良率。
為達成上述目的，一可優化厚度和能量轉換效率之可彎曲的太陽能晶片乃被提出，其具有：一太陽能晶片本體，其具有一頂面、一底面、及四個側邊；以及一層奈米結構，其係位於所述側邊上，其中該太陽能晶片本體具有介於50μm至120μm之間的厚度，且該層奈米結構具有介於2μm至8μm之間的深度。
在一實施例中，該太陽能晶片本體採用一非晶相(amorphous)基材。
在一實施例中，該太陽能晶片本體採用一單晶相(single-crystal)基材。
在一實施例中，該太陽能晶片本體採用一多晶相(polycrystalline)基材。
在一實施例中，該太陽能晶片本體採用之材料係由玻璃、矽、鍺、碳、鋁、氮化鎵、砷化鎵、磷化鎵、氮化鋁、藍寶石、尖晶石、氧化鋁、碳化矽、氧化鋅、氧化鎂、氧化鋁鋰、和氧化鎵鋰所組成的群組所選擇的一種材料。
在一實施例中，所述的奈米結構係藉由一電化學蝕刻製程形成。
在一實施例中，所述的奈米結構係藉由一沉積製程形成。
為達成上述目的，另一可優化厚度和能量轉換效率之可彎曲
的太陽能晶片乃被提出，其具有：一太陽能晶片本體，其具有一頂面、一底面、及四個側邊；以及一層奈米結構，其係位於所述側邊上，其中該太陽能晶片本體具有介於120μm至140μm之間的厚度，且該層奈米結構具有介於2μm至8μm之間的深度。
為達成上述目的，另一可優化厚度和能量轉換效率之可彎曲
的太陽能晶片乃被提出，其具有：一太陽能晶片本體，其具有一頂面、一底面、及四個側邊；以及一層奈米結構，其係位於所述側邊上，其中該太陽能晶片本體具有介於140μm至160μm之間的厚度，且該層奈米結構具有介於2μm至8μm之間的深度。
為使 貴審查委員能進一步瞭解本發明之結構、特徵及其目的，茲附以圖式及較佳具體實施例之詳細說明如后。
100‧‧‧太陽能晶片本體
101‧‧‧頂面
102‧‧‧底面
103‧‧‧側邊
110‧‧‧層奈米結構
圖1繪示傳統太陽能晶片之破裂應力對厚度之一分布曲線圖。
圖2繪示傳統太陽能晶片之能量轉換效率對厚度之一分布曲線圖。
圖3繪示本發明太陽能晶片一實施例之結構圖。
圖4繪示具有奈米結構之太陽能晶片和不具有奈米結構之太陽能晶片之能量轉換效率比較圖。
圖5繪示兩條I-V曲線，其中一條係得自一具有奈米結構之太陽能晶片，而另一條係得自一不具有奈米結構之太陽能晶片。
圖6繪示具有不同深度之奈米結構之太陽能晶片之一彎曲強度測試結果。
圖7繪示本發明所提出之一設計窗口(design window)，其係由介於約50μm至約120μm之晶圓厚度和介於約2μm至約8μm之奈米結構深度所界定。
圖8繪示二種不同尺寸的太陽能晶片在不同奈米結構深度下之彎曲強度測試結果。
請參照圖3，其繪示本發明太陽能晶片一實施例之結構圖。如圖3所示，該太陽能晶片包括一太陽能晶片本體100及一層奈米結構110。
為降低材料成本，太陽能晶片本體100的厚度較佳為介於約50μm至約120μm。在此厚度範圍內，太陽能晶片的能量轉換效率可仍然維持在一峰值附近(如圖2所示，該峰值約為30%)。
如圖3所示，太陽能晶片本體100具有一頂面101、一底面102、及四個側邊103，其中頂面101係用以接收入射光及提供複數個第一電氣接點，而底面102係用以提供複數個第二電氣接點。
當光線照射在頂面101上，該太陽能晶片即可經由所述第一電氣接點和所述第二電氣接點提供電力。太陽能晶片本體100可採用一非晶相基材、一單晶相基材、或一多晶相基材。另外，太陽能晶片本體100的基材可為由玻璃(SiO2)、矽(Si)、鍺(Ge)、碳(C)、鋁(Al)、氮化鎵(GaN)、砷化
鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)、氮化鋁(AlN)、藍寶石、尖晶石、氧化鋁(Al2O3)、碳化矽(SiC)、氧化鋅(ZnO)、氧化鎂(MgO)、氧化鋁鋰(LiAlO2)、和氧化鎵鋰(LiGaO2)所組成的群組所選擇的一種材料。
此外，太陽能晶片本體100可具有一p型半導體層及在該p型半導體層上方之一n型半導體層以提供一p-n接面以將光子轉成電力。
該層奈米結構110，較佳為具有介於2μm至8μm之間的深度，係形成於所述側邊103上以增強太陽能晶片本體100的破裂應力承受值，從而使太陽能晶片本體100變得可彎曲。其原理在於，當一作用力施加在太陽能晶片本體100上，由於各所述側邊103上的奈米結構110具有吸收該作用力的能力，該作用力乃會被分散到各所述側邊103，從而大幅增強太陽能晶片本體100的彎曲強度(抵抗彎曲應力的能力)。
該層奈米結構110可藉由一電化學蝕刻製程或一沉積製程形成，且在該電化學蝕刻製程之前，可先採用一氮化物去除程序(利用H3PO4在160℃下作用30分鐘)、一金字塔結構(pyramid texture)去除程序(利用HNA作用7分鐘)、以及一自然氧化(native oxide)沉積程序(利用H2SO4在85℃下作用10分鐘)處理太陽能晶片本體100。
該層奈米結構110的深度可藉由改變所述電化學蝕刻製程或所述沉積製程的處理時間而加以調整。一般而言，環繞太陽能晶片本體100之該層奈米結構110的深度在2μm至8μm之間時可使太陽能晶片本體100具有突出的強大彎曲強度。
另外，該層奈米結構110之形成製程可先於或後於太陽能晶片本體100上的太陽能晶片形成製程。亦即，該層奈米結構110可在太陽能
晶片在太陽能晶片本體100之一基材上被建構完成後再形成於所述側邊103上，或者在太陽能晶片尚未在該基材上被建構前即形成於所述側邊103上。
請參照圖4，其繪示具有奈米結構之太陽能晶片和不具有奈
米結構之太陽能晶片之能量轉換效率比較圖。由圖4可看出，具有奈米結構之太陽能晶片之能量轉換效率和不具有奈米結構之太陽能晶片之能量轉換效率幾乎相同。亦即，具有奈米結構之太陽能晶片在提供強大彎曲強度時並不會犧牲能量轉換效率。
請參照圖5，其繪示兩條I-V(電流-電壓)曲線，其中一條係得
自一具有奈米結構之太陽能晶片，而另一條係得自一不具有奈米結構之太陽能晶片。由圖5可看出，具有奈米結構之太陽能晶片之I-V曲線和不具有奈米結構之太陽能晶片之I-V曲線幾乎相同。亦即，具有奈米結構之太陽能晶片在提供強大彎曲強度時並不會犧牲I-V特性。
請參照圖6，其繪示具有不同深度之奈米結構之太陽能晶片
之一彎曲強度測試結果。由圖6可看出，完全不具有奈米結構之太陽能晶片(亦即，其奈米結構深度為0μm)之彎曲強度約為0.17GPa，而太陽能晶片在其奈米結構深度為2μm、4μm、6μm時之彎曲強度分別約為0.23GPa、0.29GPa、和0.32GPa，遠高於完全不具有奈米結構之太陽能晶片之彎曲強度。此外，由於太陽能晶片之彎曲強度在奈米結構深度超過6μm時會趨於飽和，故本發明乃將較佳的深度範圍設在2μm至8μm之間。
亦即，奈米結構層之深度在約2μm至約8μm之間時具有成
本效益-其可使一薄太陽能晶片(其厚度在約50μm至約120μm之間)同時具有強大之彎曲強度及高能量轉換效率。
至此，本發明已提出一設計窗口供製造者選擇一晶圓之厚度
及其側邊上之奈米結構層深度，以使一薄型太陽能晶片同時具有強大之彎曲強度及高能量轉換效率。本發明之設計窗口概念在參考圖7後可更加清晰。
圖7繪示本發明所提出之一設計窗口，其係由介於約50μm
至約120μm之晶圓厚度和介於約2μm至約8μm之奈米結構深度所界定。由圖7可看出，依此設計窗口所製造的太陽能晶片同時展現強大之彎曲強度(大於0.23GPa)及高能量轉換效率(約為30%)。
請再參照圖8，其繪示二種不同尺寸的太陽能晶片在不同奈
米結構深度下之彎曲強度測試結果。由圖8可看出，兩組太陽能晶片(其中一組的尺寸為15公分乘15公分而另一組為6公分乘2公分)之彎曲強度相對於奈米結構深度之變化展現相同的趨勢。亦即，完全不具有奈米結構之太陽能晶片(亦即，其奈米結構深度為0μm)之彎曲強度約為0.17GPa，而太陽能晶片在其奈米結構深度為2μm、4μm、6μm時之彎曲強度分別約為0.23GPa、0.29GPa、和0.32GPa，遠高於完全不具有奈米結構之太陽能晶片之彎曲強度。
依上述之設計，本發明乃可提供以下功效：
1、本發明的太陽能晶片可避免應力集中在一局部區域。
2、本發明的太陽能晶片可具有一薄的厚度並同時具有高彎曲強度和高能量轉換效率。
3、本發明的太陽能晶片可提高其自身之良率。
本案所揭示者，乃較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源
於本案之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，例如，將太陽能晶片的厚度改為介於約120μm至約140μm之間，或介於約140μm至約160μm之間，俱不脫本案之專利權範疇。
綜上所陳，本案無論就目的、手段與功效，在在顯示其迴異於習知之技術特徵，且其首先發明合於實用，亦在在符合發明之專利要件，懇請 貴審查委員明察，並祈早日賜予專利，俾嘉惠社會，實感德便。
100‧‧‧太陽能晶片本體
101‧‧‧頂面
102‧‧‧底面
103‧‧‧側邊
110‧‧‧層奈米結構
Claims (8)
- 一種可優化厚度和能量轉換效率之可彎曲的太陽能晶片，其具有：一太陽能晶片本體，其具有一頂面、一底面、及四個側邊，所述四個側邊係倆倆相連且各所述側邊均與該頂面及該底面相連；以及一層奈米結構，其係位於各所述側邊之表面上，其中該太陽能晶片本體具有介於50μm至120μm之間的厚度，且該層奈米結構具有介於2μm至8μm之間的深度。
- 如申請專利範圍第1項所述之可優化厚度和能量轉換效率之可彎曲的太陽能晶片，其中該太陽能晶片本體採用一非晶相基材。
- 如申請專利範圍第1項所述之可優化厚度和能量轉換效率之可彎曲的太陽能晶片，其中該太陽能晶片本體採用一單晶相基材或一多晶相基材。
- 如申請專利範圍第1項所述之可優化厚度和能量轉換效率之可彎曲的太陽能晶片，其中該太陽能晶片本體採用之材料係由玻璃、矽、鍺、碳、鋁、氮化鎵、砷化鎵、磷化鎵、氮化鋁、藍寶石、尖晶石、氧化鋁、碳化矽、氧化鋅、氧化鎂、氧化鋁鋰、和氧化鎵鋰所組成的群組所選擇的一種材料。
- 如申請專利範圍第1項所述之可優化厚度和能量轉換效率之可彎曲的太陽能晶片，其中所述的奈米結構係藉由一電化學蝕刻製程形成。
- 如申請專利範圍第1項所述之可優化厚度和能量轉換效率之可彎曲的太陽能晶片，其中所述的奈米結構係藉由一沉積製程形成。
- 一種可優化厚度和能量轉換效率之可彎曲的太陽能晶片，其具有：一太陽能晶片本體，其具有一頂面、一底面、及四個側邊，所述 四個側邊係倆倆相連且各所述側邊均與該頂面及該底面相連；以及一層奈米結構，其係位於各所述側邊之表面上，其中該太陽能晶片本體具有介於120μm至140μm之間的厚度，且該層奈米結構具有介於2μm至8μm之間的深度。
- 一種可優化厚度和能量轉換效率之可彎曲的太陽能晶片，其具有：一太陽能晶片本體，其具有一頂面、一底面、及四個側邊，所述四個側邊係倆倆相連且各所述側邊均與該頂面及該底面相連；以及一層奈米結構，其係位於各所述側邊之表面上，其中該太陽能晶片本體具有介於140μm至160μm之間的厚度，且該層奈米結構具有介於2μm至8μm之間的深度。
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