TWI501412B - 具有改良的光捕捉結構之太陽電池 - Google Patents

Description

具有改良的光捕捉結構之太陽電池

本發明係關於一種太陽電池，特別是關於一種具有氧化鋅(ZnO)為材料的光捕捉層結構之太陽電池。

近年來溫室效應造成地球暖化已成為世界各國最重視之問題，發展潔淨的能源已是不可避免的趨勢，其中又以太陽能為再生能源技術開發的重點。因為太陽電池利用光電效應之原理產生電能，由於發電過程中不產生二氧化碳，對於減緩地球溫室效應將會有極大的貢獻。另一方面，如何在不增加整體元件製程成本與製程複雜性的考量下，提升太陽電池的效率，儼然成為目前太陽電池最重要的研發方向之一。

照射到太陽電池的太陽輻射中，只有一小部分會被吸收轉換成電能。影響太陽電池的效率的因素之一，就是太陽輻射中有部分被入射表面反射而無法被吸收轉換為電能。為了增加太陽電池的效率，減少太陽輻射被入射表面反射，習知的技術係使用光捕捉技術，其係在太陽電池的矽半導體的入射表面形成皺褶結構的表面(texturized surface)。該種皺褶結構表面的光捕捉技術，主要以微影製程製作二維光柵於入射表面，或者以乾式蝕刻或濕式蝕刻技術製作粗糙的入射表面；然而微影製程，成本高又耗時且設備昂貴；蝕刻製程則不易控制每次製程在入射表面產生物之均勻度特性，以致於在大量生產時面臨產品可靠度與品質管理不易的問題。

有些太陽電池，特別是薄膜太陽電池係使用一透明導電層作為前電極，該透明導電層一般係採用氧化鋅，有鑑於此，本發明提供一種太陽電池，其光捕捉結構係以氧化鋅為材料來形成一300nm~650nm厚的單層氧化鋅微球結構層，藉以利用透明導電層的材料，特別是利用氧化鋅，開發新式的具有皺摺表面之光捕捉結構層，如此可減少元件中使用材料的種類。

為使貴審查委員能對本發明之特徵、目的及功能有更進一步的認知與瞭解，下文特將本發明之裝置與方法的相關細部結構以及設計的理念原由進行說明，以使得審查委員可以了解本發明之特點，詳細說明陳述如下：本發明提供一種太陽電池，特別是關於一種具有氧化鋅(ZnO)為材料的光捕捉層結構之太陽電池。

圖一係為本發明太陽電池第一實施例之結構示意圖。如圖所示，本實施例之太陽電池包括：一玻璃基板1；一前電極2；一背電極3，其中該前電極2係設置於該玻璃基板1與背電極3之間；一光電轉換層4，其係設置於該前電極2與該背電極3之間，並可吸收電磁波產生電子電洞對，同時將電子傳導 至該背電極3，而將電洞傳導至該前電極2，並且該光電轉換層4具有一前表面與一背表面，電磁波係由該前表面入射進該光電轉換層4(圖一與圖二中的hν代表電磁波及其入射方向)；以及一光捕捉層5，其係設置於該光電轉換層4的前表面與該前電極2之間，並且包含複數個氧化鋅微球5a。

其中該前電極2係可為一指狀電極，指狀電極的材料與製作方法已有許多文獻揭露，在此不再贅述。然而該前電極2亦可為一透明導電氧化物，特別是可使用氧化鋅來形成該前電極2，因為本發明也是使用氧化鋅來製作該些複數個氧化鋅微球5a以形成該光捕捉層5，如此可減少元件中使用材料的種類。

在本實施例中，該背電極3可為一金屬電極，例如鋁，也可以是一透明導電氧化物，例如氧化鋅。關於背電極3的材料與製作方法已在習知技術多有描述，在此不再贅述。

在本實施例中，其光電轉換層4可以是由一p型半導體層4a與一n型半導體層4b所構成的p-n接面；較佳地，該光電轉換層4更包含有一本質半導體層4c形成於該p型半導體層4a與n型半導體層4b之間，藉以增加太陽電池的光吸收層厚度。此外，該p型半導體層4a、n型半導體層4b與本質半導體層4c可以為含有矽的半導體層。關於光電轉換層4的材料與製作方法已在習知技術多有描述，在此不再贅述。

在本實施例中，該些複數個氧化鋅微球5a係形成一單層緊密堆積結構的氧化鋅微球結構層，該單層緊密堆積結構的氧化鋅微球結構層即作為光捕捉層5。而且，較佳地，每個氧化鋅微球5a的直徑介於300nm至650nm之間，藉此可對波長在700nm至 1200nm的電磁輻射形成一個次波長的二維光柵。其中每個氧化鋅微球可為實心或空心球體。

本實施例的單層的氧化鋅微球結構層也就是光捕捉層5形成後，可採噴塗(spray)、化學沉積(CVD)與物理沉積(PVD)等方法將氧化鋅薄膜覆蓋於氧化鋅微球結構中，形成一個單層氧化鋅微球鑲崁於氧化鋅薄膜之結構，其中覆蓋之氧化鋅薄膜可為本質氧化鋅、n型氧化鋅或p型氧化鋅。其中氧化鋅微球與氧化鋅薄膜具有不同材料折射指數，由於折射率不匹配，可使光在該單層氧化鋅微球鑲崁於氧化鋅薄膜之結構內產生多次折射與反射。

圖二係為本發明太陽電池第二實施例之結構示意圖。如圖所示，本實施例之太陽電池包括：一不鏽鋼基板11；一背電極13；一前電極14，其中該背電極13係設置於該不鏽鋼基板11與前電極14之間；一絕緣層12，其係設置於該不鏽鋼基板11與背電極13之間，用以將該不鏽鋼基板11與背電極13絕緣；一光電轉換層15，其係設置於該前電極14與該背電極13之間，並可吸收電磁波產生電子電洞對，同時將電子傳導至該背電極13，而將電洞傳導至該前電極14，並且該光電轉換層15具有一前表面與一背表面，電磁波係由該前表面入射進該光電轉換層15，且未被吸收的電磁波係由該背表面射出離開該光電轉換層15；以及一光捕捉層16，其係設置於該光電轉換層15的背表面與該 背電極13之間，並且包含複數個氧化鋅微球16a。

其中該前電極14係可為一指狀電極，指狀電極的材料與製作方法已有許多文獻揭露，在此不再贅述。然而該前電極14亦可為一透明導電氧化物，特別是可使用氧化鋅來形成該前電極14，因為本發明也是使用氧化鋅來製作該些複數個氧化鋅微球16a以形成該光捕捉層16，如此可減少元件中使用材料的種類。在本實施例中，該背電極13為一金屬電極，例如鋁。關於背電極13的材料與製作方法已在習知技術多有描述，在此不再贅述。

在本實施例中，該絕緣層12係用以將該不鏽鋼基板11與背電極13絕緣，其材質例如可以是二氧化矽(SiO₂ )。關於絕緣層12的材料與製作方法已在習知技術多有描述，在此不再贅述。

在本實施例中，其光電轉換層15可以是由一p型半導體層15a與一n型半導體層15b所構成的p-n接面；較佳地，該光電轉換層15更包含有一本質半導體層15c形成於該p型半導體層15a與n型半導體層15b之間，藉以增加太陽電池的光吸收層厚度。此外，該p型半導體層15a、n型半導體層15b與本質半導體層15c可以為含有矽的半導體層。關於光電轉換層15的材料與製作方法已在習知技術多有描述，在此不再贅述。

在本實施例中，該些複數個氧化鋅微球16a係形成一單層緊密堆積結構的氧化鋅微球結構層，該單層緊密堆積結構的氧化鋅微球結構層即作為光捕捉層16。而且，較佳地，每個氧化鋅微球16a的直徑介於300nm至650nm之間，藉此可對波長在700nm至1200nm的電磁輻射形成一個次波長的二維光柵。其中每個氧化鋅微球可為實心或空心球體。

本實施例的單層緊密堆積結構的氧化鋅微球結構層形成後， 可採噴塗(spray)、化學沉積(CVD)與物理沉積(PVD)等方法將氧化鋅薄膜覆蓋於氧化鋅微球結構中，形成一個單層氧化鋅微球鑲崁於氧化鋅薄膜之結構，其中覆蓋之氧化鋅薄膜可為本質氧化鋅、n型氧化鋅或p型氧化鋅。其中氧化鋅微球與氧化鋅薄膜具有不同材料折射指數，由於折射率不匹配，可使光在該單層氧化鋅微球鑲崁於氧化鋅薄膜之結構內產生多次折射與反射。

圖三係為本發明太陽電池之一製程設備示意圖。如圖所示，本發明太陽電池之製程設備係採用沉浸式鍍膜系統，該系統之工作溫度為20~70℃，該系統包含有一鍍膜槽101，該鍍膜槽101內有一鍍膜液，該鍍膜液係由一揮發性溶劑內含複數個氧化鋅微球102所組成，該些氧化鋅微球102係在該揮發性溶劑中的均勻、單一分散顆粒，其中該揮發性溶劑可以是單一醇類或者是不同醇類以不同比例所組成之族群，例如：乙醇、乙二醇、二乙二醇等等，其氧化鋅微球102在該揮發性溶劑中的重量百分比濃度為5~25%。在本發明的太陽電池之製程中，係以一夾具103夾持該太陽電池的基板104，該基板104若為第一實施例(請參閱圖一)之玻璃基板1，則其一表面已經形成有一前電極2，該基板104若為第二實施例(請參閱圖二)之不鏽鋼基板11，則其一表面已經形成有一絕緣層12與一背電極13，其中該絕緣層12係形成於該表面與該背電極13之間。在本發明的太陽電池之製程中，係以該夾具103夾持該太陽電池的基板104，並將該基板104置於鍍膜槽101的鍍膜液內，然後根據鍍膜槽101內鍍膜液的濃度與揮發性溶劑的量，調整沉浸式鍍膜系統夾具103拉昇基板104的速度(速度範圍在每分鐘0.03cm~3cm)，即完成單層緊密堆積結構的氧化鋅微球結構層的鋪排製程。

以下舉一實際例子說明該沉浸式鍍膜系統的操作，面積50mm×50mm且厚度2mm的玻璃基板104固定於沉浸式鍍膜系統的夾具103上，並將該基板104浸入含氧化鋅微球重量百分比濃度10%之揮發性溶劑中，以電腦控制沉浸式鍍膜系統之夾具103的拉昇速率，當基板104完全拉出液面，即完成均一尺吋單層緊密堆積結構的氧化鋅微球結構層鋪排於基板104上方。

綜上所述，本發明具有下列優點：(1)當前電極使用氧化鋅作為材料時，以氧化鋅微球做為光捕捉結構，可減少元件中所使用材料之類別；(2)使用沉浸式鍍膜系統，可在低溫下處理基板，不受基板厚度、形狀和導電性的影響，容易大型化及量產化，製作方式簡易，並具有微影製程無法大面積製作之優點；以及(3)由於單層緊密堆積氧化鋅微球的直徑介於300nm至650nm，可對波長在700nm至1200nm的電磁輻射形成一個次波長的二維光柵，且可使每次製作之精確度得以控制。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例，當不能以之限制本發明範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化及修飾，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範圍，故都應視為本發明的進一步實施狀況。

1‧‧‧玻璃基板

2‧‧‧前電極

3‧‧‧背電極

4‧‧‧光電轉換層

4a‧‧‧p型半導體層

4b‧‧‧n型半導體層

4c‧‧‧本質半導體層

5‧‧‧光捕捉層

5a‧‧‧氧化鋅微球

11‧‧‧不鏽鋼基板

12‧‧‧絕緣層

13‧‧‧背電極

14‧‧‧前電極

15‧‧‧光電轉換層

15a‧‧‧p型半導體層

15b‧‧‧n型半導體層

15c‧‧‧本質半導體層

16‧‧‧光捕捉層

16a‧‧‧氧化鋅微球

101‧‧‧鍍膜槽

102‧‧‧氧化鋅微球

103‧‧‧夾具

104‧‧‧基板

圖一係為本發明太陽電池第一實施例之結構示意圖。

圖二係為本發明太陽電池第二實施例之結構示意圖。

圖三係為本發明太陽電池之一製程設備示意圖。

1‧‧‧玻璃基板

2‧‧‧前電極

3‧‧‧背電極

4‧‧‧光電轉換層

4a‧‧‧p型半導體層

4b‧‧‧n型半導體層

4c‧‧‧本質半導體層

5‧‧‧光捕捉層

5a‧‧‧氧化鋅微球

Claims (14)

1. 一種太陽電池，其係包括：一玻璃基板；一前電極，其係設置於該玻璃基板之一表面，且該前電極與該玻璃基板直接接觸，而該前電極為一指狀電極結構；一背電極，其中該前電極係設置於該玻璃基板與背電極之間；一光電轉換層，其係設置於該前電極與該背電極之間，並可吸收電磁波產生電子電洞對，同時將電子傳導至該背電極，而將電洞傳導至該前電極，並且該光電轉換層具有一前表面與一背表面，電磁波係由該前表面入射進該光電轉換層；以及一光捕捉層，其係設置於該光電轉換層的前表面與該前電極之間，並且包含複數個氧化鋅微球，而該光捕捉層為一單層緊密堆積結構的氧化鋅微球結構層，該些氧化鋅微球之形成係利用一沉浸式鍍膜方式。
2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽電池，其中該前電極係為氧化鋅。
3. 如申請專利範圍第1項所述之太陽電池，其中該光電轉換層更包含一p型半導體層以及一n型半導體層。
4. 如申請專利範圍第3項所述之太陽電池，其中該光電轉換層更包含一本質半導體層形成於該p型半導體層與n型半導體層之間。
5. 如申請專利範圍第4項所述之太陽電池，其中該p型半導體層、本質半導體層以及n型半導體層係為含有矽的半導體層。
6. 如申請專利範圍第1項所述之太陽電池，其中該些複數個氧化鋅微球形成一單層的氧化鋅微球結構層。
7. 如申請專利範圍第6項所述之太陽電池，其中每個氧化鋅微球的直徑介於300nm至650nm之間。
8. 一種太陽電池，其係包括：一不鏽鋼基板；一背電極；一前電極，其中該背電極係設置於該不鏽鋼基板與前電極之間，而該前電極為一指狀電極結構；一絕緣層，其係設置於該不鏽鋼基板與背電極之間，用以將該不鏽鋼基板與背電極絕緣；一光電轉換層，其係設置於該前電極與該背電極之間，並可吸收電磁波產生電子電洞對，同時將電子傳導至該背電極，而將電洞傳導至該前電極，並且該光電轉換層具有一前表面與一背表面，電磁波係由該前表面入射進該光電轉換層，且未被吸收的電磁波係由該背表面射出離開該光電轉換層，該前電極係設置於該光電轉換層之一表面，且該前電極與該光電轉換層直接接觸；以及一光捕捉層，其係設置於該光電轉換層的背表面與該背電極之間，並且包含複數個氧化鋅微球，而該光捕捉層為一單層緊密堆積結構的氧化鋅微球結構層，該些氧化鋅微球之形成係利用一沉浸式鍍膜方式。
9. 如申請專利範圍第8項所述之太陽電池，其中該前電極係為氧化鋅。
10. 如申請專利範圍第8項所述之太陽電池，其中該光電轉換層更包含一p型半導體層以及一n型半導體層。
11. 如申請專利範圍第10項所述之太陽電池，其中該光電轉換層更包含一本質半導體層形成於該p型半導體層與n型半導體層之間。
12. 如申請專利範圍第11項所述之太陽電池，其中該p型半導體層、本質半導體層以及n型半導體層係為含有矽的半導體層。
13. 如申請專利範圍第8項所述之太陽電池，其中該些複數個氧化鋅微球形成一單層的氧化鋅微球結構層。
14. 如申請專利範圍第13項所述之太陽電池，其中每個氧化鋅微球的直徑介於300nm至650nm之間。