TWI606597B - Double-sided light-absorbing solar cells, manufacturing methods, and multiple junctions too Yangon battery module - Google Patents

Description

雙面吸光太陽能電池、製作方法，及多接面太 陽能電池模組

本發明是有關於一種太陽能電池、製作方法，及多接面太陽能電池模組，特別是指一種可用於堆疊串接的雙面吸光太陽能電池、製作方法，及含有該雙面吸光太陽能電池的多接面太陽能電池模組。

在能源短缺及環保意識抬頭下，尋求更具環境親和力及可再生性的替代能源，已經是能源發展的重要課題之一。而其中，太陽能電池因為是直接利用將太陽能轉換成電能，於產生能源的過程中也不會產生危害環境的副產物，且太陽能本身便是能量的形式，分佈廣闊、不受地理限制，容易取得，因此，更是一種極具發展價值的替代能源。

目前太陽能電池以材料分類大致可分成以矽晶圓為主的矽晶太陽能電池、薄膜太陽能電池、有機太陽能電池及高效率化合物半導體太陽能電池四大類。市場上絕大多數的太陽能電池是以矽(Silicon)為材料，主要是因為以矽為主體的半導體在生產技術與設備都已經相當成熟，且可具有最高的轉換效率；而聚光型太陽能電池則多以 高效率化合物半導體太陽能電池為主。

而為了進一步提升太陽能電池的效率，目前也有利用多接面結構，將具有不同能隙的p-n接面半導體膜層進行堆疊，利用不同能隙的半導體膜層吸收利用太陽光中不同波長的光能，以提升太陽能電池的效率。然而，多接面化合物半導體太陽電池結構的長晶程序複雜且困難，並且須要花費極高的成本；此外，多接面結構因為須要成長具有不同能隙的半導體吸收層，然而，往往各吸收層之間的能隙匹配時，晶格常數並不匹配，因此，造成磊晶品質難以提升，而限制了太陽能電池效率的提升。再者，因為不同能隙的半導體膜層其光電轉換效率不同，因此，照光後產生的光電流強度也不同，而該等不同能隙的p-n接面半導體膜層為以堆疊方式形成，相當於該等p-n接面半導體膜層間是以串聯方式連接，因此，當各個p-n接面半導體膜層產生的光電流強度差異過大，電流匹配度(current matching accuracy)不佳時，也會影響該太陽能電池整體電流的輸出強度。

因此，本發明之目的，即在提供一種雙面吸光太陽能電池的製作方法。

於是，本發明雙面吸光太陽能電池的製作方法，包含一光吸收單元製備步驟、一第二電極形成步驟、一基板置換步驟，及一第一電極形成步驟。

該光吸收單元製備步驟，於一暫時基板上形成 一個以光伏效應產生電流的光吸收單元，該光吸收單元具有自該基板表面依序向上形成的一第一型半導體層、一本質層，及一第二型半導體層。

該第二電極形成步驟，於該第二型半導體層的部份表面形成一第二電極，並蝕刻移除未被該第二電極覆蓋之第二型半導體層，令該本質層與該第二型半導體層連接的第二表面露出。

該基板置換步驟，準備一可導電的透光基板，將該第一電極與該透光基板電連接，接著移除該暫時基板，令該第一型半導體層露出。

該第一電極形成步驟，於該第一型半導體層表面形成一第一電極，並蝕刻移除未被該第一電極覆蓋之該第一型半導體層，令該本質層與該第一型半導體層連接的第一表面露出。

此外，本發明的另一目的，在於提供一種雙面吸光太陽能電池。

於是，該雙面吸光太陽能電池包含：一透光基板，及一光吸收單元。

該透光基板具有一導電表面，該光吸收單元與該導電表面電連接，具有一本質層、圖案化的一第一型半導體層、圖案化的一第二型半導體層，及一電極單元，該本質層具有彼此反向的一第一表面及一第二表面，該第一、二型半導體層分別形成於該第一、二表面，該電極單元具有分別形成於該第一、二型半導體層表面的一第一電極 ，及一第二電極，該光吸收單元藉由該第二電極與該透光基板電連接，且該光吸收單元的正投影面積小於該透光基板的表面積。

再者，本發明的又一目的，在於提供一種多接面太陽能電池模組。

於是，本發明該多接面太陽能電池模組是由多個如前所述的雙面吸光太陽能電池，上、下堆疊串聯而得，且任一個位於下方的雙面吸光太陽能電池的發光單元的表面積會大於堆疊於其上方的雙面吸光太陽能電池的透光基板的表面積。

本發明之功效在於：利用結構設計製得的雙面吸光太陽能電池，可有效減少電極的遮光問題，且經由堆疊串聯後即可得到一具有多能隙的多接面太陽能電池模組，製程簡便且容易控制。

2‧‧‧透光基板

21‧‧‧板本體

22‧‧‧透明導電層

3‧‧‧光吸收單元

31‧‧‧本質層

311‧‧‧第一表面

312‧‧‧第二表面

32‧‧‧第一型半導體層

33‧‧‧第二型半導體層

34‧‧‧抗反射層

4‧‧‧電極單元

41‧‧‧第一電極

411‧‧‧主電極

412‧‧‧延伸電極

42‧‧‧第二電極

421‧‧‧主電極

422‧‧‧延伸電極

423‧‧‧導電金屬球

424‧‧‧透明導電膠

51‧‧‧光吸收單元製備步驟

52‧‧‧第一電極形成步驟

53‧‧‧基板置換步

54‧‧‧第二電極形成步驟

100‧‧‧暫時基板

101‧‧‧基材

102‧‧‧蝕刻移除層

200‧‧‧多接面太陽能電池模組

201~203‧‧‧雙面吸光太陽能電池

301‧‧‧光學膠

302‧‧‧導線

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一示意圖，說明本發明雙面吸光太陽能電池的實施例；圖2是一文字流程圖，說明本發明該實施例的製作方法；圖3是一流程示意圖，輔助說明圖2；圖4是一示意圖，說明本發明該實施例之電極單元；及圖5是一示意圖，說明由本發明該實施例堆疊而得的多 接面太陽能電池模組。

參閱圖1，本發明雙面吸光太陽能電池的一實施例，包含：一透光基板2、一光吸收單元3，及一電極單元4。

該透光基板2具有一絕緣且可透光的板本體21，及一形成於該板本體21其中一表面的透明導電層22。

具體的說，該板本體21選自矽、玻璃、高分子等透光材料構成，該透明導電層22由透明且可導電的金屬氧化物，例如ITO、AZO、IZO等材料構成。

該光吸收單元3，形成於該透光基板2表面，具有一本質層(intrinsic layer)31、圖案化的一第一型半導體層32、圖案化的一第二型半導體層33，及二層抗反射層34、35該本質層31具有彼此反向的一第一表面311及一第二表面312，該第一、二型半導體層32、33分別形成於該第一、二表面311、312，且不完全覆蓋該第一、二表面311、312，該抗反射層34、35分別形成於該第一、二表面311、312。

詳細的說，該第一、二型半導體層32、33是指電性彼此相反的半導體材料所構成的膜層，當該第一型半導體層32為n型半導體材料，則該第二型半導體層33為選自p型半導體材料，反之則反；該本質層31為選自可吸收不同能隙的p-n接面半導體材料構成，例如，p-n GaInP、p-n GaAs、p-n InGaAs等，由於該發光單元3的相關材 料選擇為本技術領域所周知，且非為本發明之重點因此不再多加贅述，於本實施例中，該第一型半導體層32為n型摻雜的氮化鎵，該第二型半導體層33為p型摻雜的氮化鎵。

該電極單元4，具有分別形成於該第一、二型半導體層32、33表面的第一電極41，及第二電極42。該第一、二電極41、42可視需求及設計，由單一導電材料或是多種導電材料所構成的合金金屬或多層結構，且該第一、二電極41、42的構成材料及膜層結構可為相同或不同；例如，該第一電極41可以分別是由具有一層與該第一型半導體層32有較佳歐姆接觸的金，及一層用於與導電層22電連接的金/鈹合金構成，而該第二電極42則可以是由金及金/錯合金構成的雙層結構，於本發明中並不加以限制。

該光吸收單元3可藉由該第一電極41或第二電極42的其中任一與該透明導電層22電連接，且該光吸收單元3的正投影面積小於該透光基板2的表面積。

較佳地，為了讓該光吸收單元3與該透明導電層22之間可具有較佳的歐姆接觸，該光吸收單元3是以形成於p型半導體層(於本實施例中為該第二型半導體層33)的第二電極42與該透光基板2的透明導電層22電連接，於本實施例中，該第二電極42是藉由形成於該第二電極42表面成陣列的導電金屬球423，與透明導電膠424與該透明導電層22電連接。

更佳地，該第一、二電極41、42具有與該第一 、二型半導體層32、33相同的圖案，且該第一、二電極41、42的位置為彼此對應，如此，可將該電極單元4對該光吸收單元3的遮蔽性減至最低，讓該光吸收單元3具有最大的光接收面。

茲將前述該雙面吸光太陽能電池的實施例的製作方法說明如下。

配合參閱圖2、3，本發明該雙面吸光太陽能電池的製作方法包含：一光吸收單元製備步驟51、一第二電極形成步驟52、一基板置換步驟53，及一第一電極形成步驟54。

該光吸收單元製備步驟51是於一暫時基板100上形成一個可以光伏效應產生電流的光吸收單元3。

具體的說，該暫時基板100包括一砷化鎵(GaAs)基材101及一形成於該砷化鎵基材101表面的蝕刻移除層102(例如GaInP)，因此，後續可利用濕式蝕刻方式，移除該蝕刻移除層102，而將該砷化鎵(GaAs)基材101移除。該步驟51是自該暫時基板100的蝕刻移除層102表面，以氣相沉積方式依序向上形成該n型摻雜的第一型半導體層32、本質層31，及p型摻雜的第二型半導體層33。

該第二電極形成步驟52是於該第二型半導體層33的部份表面形成圖案化的該第二電極42，並蝕刻移除未被該第二電極42覆蓋之該第二型半導體層33，讓該本質層31與該第二型半導體層33連接的第二表面312露出，接著於露出的該第二表面312形成一層抗反射層34。

該基板置換步驟53是準備一可導電的透光基板2，將該第二電極42與該透光基板2電連接，接著移除該暫時基板100，令該第一型半導體層32露出。

具體的說，該透光基板2為具有一絕緣且可透光的板本體21，及一形成於該板本體21表面的透明導電層22。該步驟53是利用於該第二電極42表面形成多個導電金屬球423後，利用該等導電金屬球423並配合透明導電膠424與該透明導電層22連接，之後，利用濕式蝕刻將該蝕刻移除層102移除，即可將該暫時基板100自該發光單元3表面移除。

該第一電極形成步驟54是於該第一型半導體層32表面形成該第一電極41，並蝕刻移除未被該第一電極41覆蓋之該第一型半導體層32，令該本質層31與該第一型半導體層32連接的第一表面311露出，再於露出的該第一表面311形成一層抗反射層35，即可完成如圖1所示之該雙面吸光太陽能電池。

該第一、二電極41、42的圖案可以是如圖4所示，於相對兩側具有一主電極411、421，及自該主電極411、421相向延伸的延伸電極412、422，如此，不僅可易於收集光電流，且可易於疊置形成模組時對外電連接的操作性，疊置時的電連接態樣將於後續之太陽能電池模組的實施例中說明。

此外，要說明的是，形成於該第一表面311及第二表面312的抗反射層35、34的目的是為了減少太陽光 入射時之反射，由於本發明的太陽能電池可用於雙面吸光，因此，該抗反射層35、34是以如圖1所示同時形成於該本質層31之該第一、二表面311、312，然而，實際運用時可視設計及需求，而僅形成於該第一、二表面311、312的其中之一，或是均不形成，於本發明並不加以限制。

由於本發明該雙面吸光太陽能電池的透光基板2為可透光，因此可雙面吸光，而不受限於入射光方向；此外，因為光線可穿透該透光基板2，所以，該雙面吸光太陽能電池還可用來加以上、下疊置，而形成如圖5所示的多接面太陽能電池模組。

詳細的說，本發明多接面太陽能電池模組200是由多個如圖1所示的雙面吸光太陽能電池，上、下疊置後串聯而得。於圖5中是以3個如圖1所示的雙面吸光太陽能電池堆疊為例做說明，且為了說明方便，圖5是將3個雙面吸光太陽能電池由下至上分別以201、202、203表示。

當利用多個如圖1所示的雙面吸光太陽能電池進行疊置時，可先以前述之製作方法，選擇具有不同吸收能隙之半導體材料，例如可選擇InGaAs、GaAs、GaInP，3種能隙(能隙由低至高排列)的材料，並依據所欲形成之該本質層31的能隙大小，選擇其所使用之該透光基板2的面積，讓該透光基板2的面積與形成於其上的該本質層31的能隙大小成反比；即具有最大能隙之該本質層31的雙面吸光太陽能電池會具有最小面積的透光基板2，而分別製得多個 如圖1所示的雙面吸光太陽能電池。接著，再將具有不同能隙的雙面吸光太陽能電池以能隙自低至高，由下向上堆疊，即可得到如圖5所示的太陽能電池模組。也就是說，圖5中該雙面吸光太陽能電池201具有最低吸光能隙，該雙面吸光太陽能電池203具有最高吸光能隙。

該等雙面吸光太陽能電池201、202、203的連接方式，則是利用光學膠301將位於上方的雙面吸光太陽能電池203、202的透光基板2與下方的雙面吸光太陽能電池202、201的光吸收單元3的頂面及形成於該光吸收單元3頂面的第一電極41黏接，並令下方的該雙面吸光太陽能電池202、201的第一電極41部分裸露於外，不被遮蓋。

也就是說，配合參閱圖4、5，當兩個太陽能電池相堆疊時，光學膠僅會蓋覆下方之第一電極41的延伸電極412，及其中一側的主電極411，而會讓另一側的主電極411裸露於外，因此，該等雙面吸光太陽能電池201、202、203經由光學膠301黏接後，即可利用位於下方的該雙面吸光太陽能電池202、201裸露出之該主電極421與位於上方的該雙面吸光太陽能電池203、202的透光基板2的透明導電層22經由導線302電連接，而得到如圖5所示的多接面太陽能電池模組。而要再說明的是，當要將多個多接面太陽能模組並用時，也只要將該等多接面太陽能模組經由裸露於外的該等電極單元4並聯或串聯即可，由於串聯或並聯的電連接方式為業界所知悉，因此，不再多加說明。

綜上所述，本發明利用多個具有不同能隙的雙 面吸光太陽能電池進行疊置，而得到的多接面太陽能電池模組，因為不須在單一太陽能電池中磊製具有多種吸收能隙的半導體膜層，因此，製程簡便容易控制；且利用疊置方式控制，讓具有較低能隙的雙面吸光太陽能電池位於下方且具有較大的吸光面積，因此，可利用吸光面積的調整，控制每一個雙面吸光太陽能電池產生的電流，讓該等雙面吸光太陽能電池於堆疊後照光產生的電流可實質相同，增加各個雙面吸光太陽能電池之間的電流匹配度，而可有效的利用該等雙面吸光太陽能電池產生的電流，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2‧‧‧透光基板

21‧‧‧板本體

22‧‧‧透明導電層

3‧‧‧光吸收單元

31‧‧‧本質層

311‧‧‧第一表面

312‧‧‧第二表面

32‧‧‧第一型半導體層

33‧‧‧第二型半導體層

34、35‧‧‧抗反射層

4‧‧‧電極單元

41‧‧‧第一電極

42‧‧‧第二電極

423‧‧‧導電金屬球

424‧‧‧透明導電膠

Claims (15)

1. 一種雙面吸光太陽能電池的製作方法，包含：一光吸收單元製備步驟，於一暫時基板上形成一個以光伏效應產生電流的光吸收單元，該光吸收單元具有自該基板表面依序向上形成的一第一型半導體層、一本質層，及一第二型半導體層；一第二電極形成步驟，於該第二型半導體層的部份表面形成一第二電極，並蝕刻移除未被該第二電極覆蓋之第二型半導體層，令該本質層與該第二型半導體層連接的第二表面露出；一基板置換步驟，準備一可導電的透光基板，將該第二電極與該透光基板電連接，接著移除該暫時基板，令該第一型半導體層露出；及一第一電極形成步驟，於該第一型半導體層表面形成一第一電極，並蝕刻移除未被該第一電極覆蓋之該第一型半導體層，令該多重本質層與該第一型半導體層連接的第一表面露出。
2. 如請求項1所述的雙面吸光太陽能電池的製作方法，其中，該第一、二電極的正投影範圍彼此重疊。
3. 如請求項1所述的雙面吸光太陽能電池的製作方法，其中，該透光基板具有一絕緣且可透光的板本體，及一形成於該板本體表面的透明導電層，該第一電極與該透明導電層電連接。
4. 如請求項1所述的雙面吸光太陽能電池的製作方法，其 中，該第一型半導體層為n型摻雜的半導體材料構成，該第二型半導體層為p型摻雜的半導體材料構成。
5. 如請求項1所述的雙面吸光太陽能電池的製作方法，其中，該第一電極形成步驟還進一步於該本質層裸露出之該第二表面形成一抗反射層，該基板置換步驟是於該第一電極表面形成至少一個導電金屬球，利用該導電金屬球將該第一電極與該透光基材電連接後，再移除該暫時基板。
6. 如請求項5所述的雙面吸光太陽能電池的製作方法，其中，該基板置換步驟中，還包括於該光吸收單元與該透光基材之間填充一透明導電膠，該第一電極與該透光基材是藉由該導電金屬球與該透明導電膠彼此電連接後，再移除該暫時基板。
7. 如請求項1所述的雙面吸光太陽能電池的製作方法，其中，該第二電極形成步驟還進一步於該本質層裸露出之第一表面形成一抗反射層。
8. 一種雙面吸光太陽能電池，包含：一透光基板，具有一導電表面；一光吸收單元，與該導電表面電連接，具有一本質層、圖案化的一第一型半導體層、圖案化的一第二型半導體層，該本質層具有彼此反向的一第一表面及一第二表面，該第一、二型半導體層分別形成於該第一、二表面；及一電極單元，具有分別形成於該第一、二型半導體 層表面的第二、一電極，該光吸收單元藉由該第一電極與該透光基板電連接，且該光吸收單元的正投影面積小於該透光基板的表面積。
9. 如請求項8所述的雙面吸光太陽能電池，其中，該第一、二電極的正投影彼此重合。
10. 如請求項8所述的雙面吸光太陽能電池，其中，該光吸收單元還包括形成於該第一、二表面的至少其中之一表面的一抗反射層。
11. 如請求項8所述的雙面吸光太陽能電池，其中，該第一、二型半導體層分別為n型摻雜的半導體材料及p型摻雜的半導體材料。
12. 一種多接面太陽能電池模組，是由多個如請求項8所述的雙面吸光太陽能電池，上、下堆疊串聯而得，且任一個位於下方的雙面吸光太陽能電池的發光單元的表面積會大於堆疊於其上方的雙面吸光太陽能電池的透光基板的表面積。
13. 如請求項12所述的多接面太陽能電池模組，其中，任兩個雙面吸光太陽能電池之間是以位於上方的雙面吸光太陽能電池的透光基板與下方的雙面吸光太陽能電池的光吸收單元的頂面黏接，並令下方的該雙面吸光太陽能電池的第二電極部分裸露，且上、下疊置的該兩個雙面吸光太陽能電池是利用下方的該雙面吸光太陽能電池的第二電極與位於上方的該雙面吸光太陽能電池的透光基板的導電表面電連接。
14. 如請求項13所述的多接面太陽能電池模組，其中，該等雙面吸光太陽能電池之間是以一光學膠彼此黏接。
15. 如請求項12所述的多接面太陽能電池模組，其中，該等雙面吸光太陽能電池的發光單元具有至少兩種不同能隙。