專利名稱：太陽能電池及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽能電池裝置及其制作方法，特別涉及一種在基板與 半導(dǎo)體層之間形成納微米粗化結(jié)構(gòu)的太陽能電池，藉以提升太陽能電池的光 電轉(zhuǎn)換效率。
背景技術(shù)：
目前太陽能電池的主流為硅晶片太陽能電池，約占總產(chǎn)量的九成。然而 近年來硅原料缺料的問題使得不需使用硅原料或是可減少硅使用量的薄膜 型太陽能電池逐漸矚目，目前的太陽能電池發(fā)展仍以硅基太陽能電池為主
流。為了追求太陽光譜的有效吸收與利用，堆疊型太陽能電池(Tandem cell) 為目前硅薄膜太陽能電池的發(fā)展主軸。
圖1為已知薄膜太陽能電池的示意圖。該薄膜太陽能電池1依序?yàn)殂y金 屬層ll、第一透明導(dǎo)電氧化物12、微晶硅13、非晶硅14、第二透明導(dǎo)電層 15及玻璃基板16,由于太陽能電池需要對(duì)太陽光譜進(jìn)行較完全的吸收，一 般微晶硅13及非晶硅14的鍍膜厚度分別為1.5-2微米(pim)與0.2-0.3微米 (拜)。
堆疊型太陽能電池由于釆用兩種不同能隙大小的材料(非晶硅、微晶硅)， 因此其光吸收波段比單一非晶硅材料所制作的太陽能電池還廣。透過非晶硅 及微晶硅材料堆疊可將原本吸收的可見光波段擴(kuò)充到紅外光波段，較能夠完 全的吸收利用太陽光，進(jìn)而使得效率獲得提升。
然而，非晶硅材料在長(zhǎng)時(shí)間照光之后，由于材料內(nèi)部產(chǎn)生的缺陷會(huì)造成 光劣化現(xiàn)象而導(dǎo)致電池效率的大幅衰退。另外，在微晶硅方面由于光吸收系 數(shù)較低，必須仰賴較厚的膜厚才足夠?qū)㈤L(zhǎng)波段的太陽光完全吸收，此點(diǎn)增加 了鍍膜時(shí)間以及工藝成本。
因此，若能將薄膜的厚度進(jìn)一步變薄，將可改善非晶硅的光劣化現(xiàn)象并 且將微晶硅的鍍膜時(shí)間大幅縮短，不僅在薄膜品質(zhì)上可得到較好的品質(zhì)更可 提升產(chǎn)品的生產(chǎn)速率。然而，變薄的膜厚若低于最低吸收厚度，將會(huì)導(dǎo)致太
5陽光吸收不足對(duì)效率造成負(fù)面影響。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于上述課題，本發(fā)明的目的為提供一種太陽能電池及其制作方法， 可降低半導(dǎo)體層的厚度，卻又不會(huì)導(dǎo)致太陽光吸收不足、降低吸收效率。
為達(dá)上述目的，本發(fā)明提出一種太陽能電池，包括基板，其具有第一 透明導(dǎo)電層；納微米粗化結(jié)構(gòu)形成于第一透明導(dǎo)電層上；以及半導(dǎo)體層形成 于納微米粗化結(jié)構(gòu)上，并包覆納微米粗化結(jié)構(gòu)。其中，納微米粗化結(jié)構(gòu)可為 多個(gè)納微米顆粒，其材料為二氧化硅、二氧化鈦、氧化鋅、聚苯乙烯或聚甲 基丙烯酸曱酯，納微米顆粒的大小為50 1000納米的單一或混合尺寸。
為達(dá)上述目的，本發(fā)明提出一種太陽能電池的制作方法，其步驟包括 提供基板；形成納微米粗化結(jié)構(gòu)于基板上；以及形成半導(dǎo)體層于納微米粗化 結(jié)構(gòu)上，并包覆納微米粗化結(jié)構(gòu)。形成納微米粗化結(jié)構(gòu)于基板上的步驟，是 以浸泡、噴涂、旋轉(zhuǎn)涂布、自然干燥方式、堆疊、燒結(jié)、納米壓印、轉(zhuǎn)印、 熱壓成形等方式附著納微米粗化結(jié)構(gòu)于基板上。其中納微米粗化結(jié)構(gòu)可為多 個(gè)納微米顆粒。
承上所述，本發(fā)明的太陽能電池及其制作方法，以傳統(tǒng)硅薄膜太陽能電 池為基礎(chǔ)，在半導(dǎo)體層(例如硅膜)與上電極(例如透明導(dǎo)電氧化物)之間 加入納微米粗化結(jié)構(gòu)以增加光學(xué)路徑，可提升硅膜光學(xué)吸收性質(zhì)、降低硅薄 膜最低吸收厚度，因此可改善非晶硅光劣化現(xiàn)象，縮短微晶硅鍍膜時(shí)間，節(jié) 省材料及工藝成本。


圖1為已知薄膜太陽能電池的示意圖。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例的太陽能電池的制作方法的流程圖。
圖3A至圖3D為圖2每一步驟的剖面圖。
圖4為本發(fā)明另一實(shí)施例的太陽能電池的剖面圖。
圖5為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的利用攪拌裝置涂布納微米顆粒的示意圖。
圖6是將納微米顆粒形成于基板上的流程圖。
圖7A至圖7B為本發(fā)明實(shí)驗(yàn)的掃描電子顯微鏡圖。
圖8為不同粒徑的二氧化硅納米球鍍上不同厚度的硅薄膜時(shí)，硅薄膜光吸收能力比較曲線圖。 附圖標(biāo)記說明 1太陽能電池 12 第一透明導(dǎo)電氧化物
14 非晶硅
16 玻璃基^反
20、 20，、 36基板
22 第一透明導(dǎo)電層
24 半導(dǎo)體層
242 n型半導(dǎo)體層
26 p型半導(dǎo)體層
31 操作界面
33 容器
35 納孩i米顆粒
11 4艮金屬層 13樣i晶硅
15第二透明導(dǎo)電氧化物
2、 2'太陽能電池
21透明基板
23納微米粗化結(jié)構(gòu)
241未摻雜的本征半導(dǎo)體層
25電極
3攪拌裝置
32機(jī)械手臂
34溶液
具體實(shí)施例方式
以下將參照相關(guān)圖式，說明依據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的太陽能電池及其制 作方法。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例的太陽能電池的制作方法的流程圖。圖3A至圖3D 為圖2每一步驟的剖面圖。
首先，如圖3A所示，提供基板20，其為具有第一透明導(dǎo)電層22的透 明基板21(步驟S201)。透明基板21,可為玻璃基板，但不以此為限，第一 透明導(dǎo)電層22為透明導(dǎo)電氧化物薄膜(Transparent Conductive Oxide, TCO)， 例如銦錫氧化物(Indium Tin Oxide, ITO),但不以此為限。此外，第一透明 導(dǎo)電層22的表面為粗糙(texture)或平坦(smooth)的表面結(jié)構(gòu)。
接著，如圖3B所示，形成納微米粗化結(jié)構(gòu)23于該第一透明導(dǎo)電層22 上(步驟S202)。納微米粗化結(jié)構(gòu)23可利用浸泡、噴涂、旋轉(zhuǎn)涂布、自然干 燥方式、堆疊、燒結(jié)、納米壓印、轉(zhuǎn)印、熱壓成形附著于第一透明導(dǎo)電層22 上。納樣i米粗化結(jié)構(gòu)23為球狀、柱狀、顆粒狀、納米孔洞、納米點(diǎn)、納米 線、不規(guī)則凹凸表面的結(jié)構(gòu)體、周期性或非周期性的任意形狀結(jié)構(gòu)。在此實(shí) 施例中，納微米粗化結(jié)構(gòu)為多個(gè)納微米顆粒，其材料為二氧化硅、二氧化鈦、
7氧化鋅、聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯，多個(gè)納微米顆粒的大小較佳為
50 1000納米的單一或混合尺寸。
接著，如圖3C所示，形成半導(dǎo)體層24于納^:米粗化結(jié)構(gòu)23上(步驟 S203)，且該半導(dǎo)體層24包覆納微米粗化結(jié)構(gòu)23，用以進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。因?yàn)?納微米粗化結(jié)構(gòu)23具有孔洞，使半導(dǎo)體層24包覆納微米粗化結(jié)構(gòu)23，且接 觸(contact)第一透明導(dǎo)電層22，使電能可通過第一透明導(dǎo)電層22導(dǎo)出。半 導(dǎo)體層24為半導(dǎo)體有源層，其可為硅薄膜層或化合物半導(dǎo)體層，硅薄膜層 為非晶硅、微晶硅或堆疊型非晶硅/微晶硅，化合物半導(dǎo)體層為銅銦鎵硒 (CIGS/CIS)或碲化鎘(CdTe)，但不以此為限。
然后，如圖3D所示，形成電極25于半導(dǎo)體層24上(步驟S204)。電極 25可為單一金屬層，或者是先形成第二透明導(dǎo)電層，再形成金屬層(未圖示)。
再參照?qǐng)D3D,該太陽能電池2包括基板20,其具有第一透明導(dǎo)電層 22;納微米粗化結(jié)構(gòu)23形成于第一透明導(dǎo)電層22上；半導(dǎo)體層24形成于 納微米粗化結(jié)構(gòu)23上，并包覆多個(gè)納微米粗化結(jié)構(gòu)23;以及電極25形成于 半導(dǎo)體層24上。太陽能電池2為薄膜太陽能電池。
圖4為本發(fā)明另一實(shí)施例的太陽能電池的剖面圖，與上一實(shí)施例相同的 地方不再贅述。該太陽能電池2，的基板20，為具有第一透明導(dǎo)電層22及p型 半導(dǎo)體層26的透明基板21，第一透明導(dǎo)電層22及p型半導(dǎo)體層26依序形 成在透明基板21上，然后納微米粗化結(jié)構(gòu)23形成于p型半導(dǎo)體層26上， 在此實(shí)施例中，納微米粗化結(jié)構(gòu)23的材料可為硅基半導(dǎo)體、碳化硅、氮化 硅或硅化鍺，納微米粗化結(jié)構(gòu)23可為多個(gè)納微米顆粒。然后，形成半導(dǎo)體 層24于納微米粗化結(jié)構(gòu)23上，其中半導(dǎo)體層24可為未摻雜的本征半導(dǎo)體 層241以及n型半導(dǎo)體層242，依序形成于納微米粗化結(jié)構(gòu)23上，其中納微 米粗化結(jié)構(gòu)23與未摻雜的本征半導(dǎo)體層241具有不同的能隙(band gap),用 以對(duì)不同波長(zhǎng)的太陽光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。然后再形成電極25于半導(dǎo)體層24上。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，納微米粗化結(jié)構(gòu)23為多個(gè)納微米顆粒。圖5 為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的利用攪拌裝置涂布納微米顆粒的示意圖。該攪拌裝置 3包括操作界面31、機(jī)械手臂32及容器33。圖6是將納微米顆粒形成于基 板上的流程圖。
首先，提供容器33,容器33盛裝多個(gè)納微米顆粒35的溶液34(步驟 S401)。其中，多個(gè)納微米顆粒35利用溶膠-凝膠法、乳化聚合法、無乳化劑乳化聚合法、懸浮聚合法、逆微胞法或熱皂法制成。
接著，將基板36浸泡于溶液34中(步驟S402)。此基板36為上述的基 板20、 20，。
再透過機(jī)械手臂32于溶液34中上、下拉升基板36或左、右旋轉(zhuǎn)基板 36,以使溶液34中納微米顆粒35均勻涂布于基板36上(步驟S403),其中 設(shè)定條件包括基板的拉升速度、納微米顆粒粒徑(直徑)、納微米顆粒濃度、 納微米顆粒材料、溶液溫度控制及添加溶劑，較佳的拉升速率為 0.5mm/sec 5mm/sec，納微米顆粒粒徑為50 1000納米單一或混合尺寸，但 不以此為限。
然后，將基板36從溶液中取出(步驟S404)。
圖7A至圖7B為本發(fā)明實(shí) -驗(yàn)的掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)圖。以下為本發(fā)明一較佳的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)中，以浸泡、 噴涂、旋轉(zhuǎn)涂布、自然干燥、堆疊、燒結(jié)、納米壓印、轉(zhuǎn)印、熱壓成形的方 式，將多個(gè)二氧化硅納米球形成于玻璃基板上，再將該玻璃基板置入于鍍膜 機(jī)臺(tái)中，分別鍍制非晶硅以及微晶硅薄膜，其硅薄膜結(jié)構(gòu)可使原來600納米 (nm)二氧化硅納米球經(jīng)由鍍膜工藝后，尺寸成長(zhǎng)至1.6微米(fim),證實(shí)微晶 硅鍍膜工藝可成功地在二氧化硅納米球上進(jìn)行鍍膜工藝，其掃描電子顯微鏡 圖如圖7A所示。然后，再于硅薄膜表面上制作梳狀電極，電極材料為鋁， 經(jīng)由掃描電子顯微鏡觀察證實(shí)該具二氧化硅納米球的基板可成功地制造出 具有電極的太陽能電池結(jié)構(gòu)，如圖7B所示。
將上述二氧化硅納米球上鍍有硅薄膜的基板置于積分球之中進(jìn)行分析， 以確定實(shí)驗(yàn)的光吸收特性。
根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方法，采用納微米顆粒不同粒徑(100、 250、 400或600納 米)的二氧化硅納米球進(jìn)行100納米、250納米、400納米非晶硅鍍膜工藝或 500納米微晶硅鍍膜工藝，經(jīng)積分球分析，該非晶硅鍍膜工藝吸收能力較無 納米球鋪排的硅薄膜最高可高出12%,該微晶硅鍍膜工藝吸收能力較無納米 球鋪排的硅薄膜最高可高出18%。
圖8為不同粒徑的二氧化硅納米球鍍上不同厚度的硅薄膜時(shí)，硅薄膜光 吸收能力比較曲線圖。該比較曲線圖的橫軸為波長(zhǎng)，縱軸為光吸收提升率。 曲線一為形成100納米的非晶硅形成于粒徑為100納米的二氧化硅納米球 上；曲線二為IOO納米的非晶硅形成于粒徑為250納米的二氧化硅納米球上；曲線三為形成100納米的非晶硅形成于粒徑為400納米的二氧化硅納米球 上；曲線四為100納米的非晶硅形成于粒徑為600納米的二氧化硅納米球上； 曲線五為對(duì)照組，250納米的非晶硅直接形成在基板上。
請(qǐng)參照?qǐng)D8,若比較有鋪排二氧化硅納米球的IOO納米非晶硅薄膜與未 鋪排納米球的250納米非晶硅薄膜則可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)100納米的非晶硅(a-Si)薄膜 搭配250或400納米的二氧化硅納米球，其吸收性質(zhì)與厚的250納米非晶硅 薄膜相當(dāng)甚至更好。此結(jié)果顯示二氧化硅納米球?qū)τ诠璞∧の招再|(zhì)有所提 升之外，硅薄膜厚度減低仍不會(huì)降低(甚至提升)太陽能電池的吸收能力。
綜上所述，本發(fā)明的太陽能電池及其制作方法，以傳統(tǒng)硅薄膜太陽能電 池為基礎(chǔ)，在半導(dǎo)體層(例如硅膜)與上電極(例如透明導(dǎo)電氧化物薄膜 (Transparent Conductive Oxide, TCO))之間加入一層二氧化硅球狀納微米顆粒 以增加光學(xué)路徑，可提升硅膜光學(xué)吸收性質(zhì)、降低硅薄膜最低吸收厚度，因 此可改善非晶硅光劣化現(xiàn)象，縮短微晶硅鍍膜時(shí)間，節(jié)省材料及工藝成本。 或者，在p型半導(dǎo)體層與未摻雜的本征半導(dǎo)體之間形成納微米顆粒，可提升 未摻雜的本征半導(dǎo)體光學(xué)吸收性質(zhì)、降低其最低吸收厚度。此外，未摻雜的 本征半導(dǎo)體與納微米顆粒具有不同能隙，可對(duì)不同的太陽光波長(zhǎng)進(jìn)行光電轉(zhuǎn) 換。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發(fā)明的精神與范 疇，而對(duì)其進(jìn)行的等效修改或變更，均應(yīng)包括于后附的權(quán)利要求中。
權(quán)利要求
1、一種太陽能電池，包括基板，其具有第一透明導(dǎo)電層；納微米粗化結(jié)構(gòu)形成于該第一透明導(dǎo)電層上；以及半導(dǎo)體層形成于該納微米粗化結(jié)構(gòu)上，且包覆該納微米粗化結(jié)構(gòu)。
2、 如權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其中該納米粗化結(jié)構(gòu)為球狀、柱 狀、顆粒狀、納米孔洞、納米點(diǎn)、納米線、不規(guī)則凹凸表面的結(jié)構(gòu)體、周期 性或非周期性的結(jié)構(gòu)。
3、 如權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其中該納微米粗化結(jié)構(gòu)為多個(gè)納 微米顆粒。
4、 如權(quán)利要求3所述的太陽能電池，其中所述納微米顆粒的材料為二 氧化硅、二氧化鈦、氧化鋅、聚苯乙烯或聚曱基丙烯酸曱酯。
5、 如權(quán)利要求3所述的太陽能電池，其中所述納微米結(jié)構(gòu)顆粒的大小 為50 1000納米的單一或混合尺寸。
6、 如權(quán)利要求4所述的太陽能電池，其中該半導(dǎo)體層為硅薄膜層或化 合物半導(dǎo)體層，該硅薄膜層為非晶硅、微晶硅或堆疊型非晶硅/微晶硅，該化 合物半導(dǎo)體層為銅銦鎵硒或碲化鎘。
7、 如權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其中該半導(dǎo)體層的平均厚度為 75 2500納米。
8、 如權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其中該基板為透明基板或玻璃基板。
9、 如權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其還包括一電極形成于該半導(dǎo)體 層上，或者還包括第二透明導(dǎo)電層及一電極依序形成于該半導(dǎo)體層上。
10、 如權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其中該第一透明導(dǎo)電層為透明導(dǎo) 電氧化物或銦錫氧化物。
11、 如權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其中該第一透明導(dǎo)電層為粗糙或 平坦的表面結(jié)構(gòu)。
12、 如權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其還包括p型半導(dǎo)體形成于該納 微米粗化結(jié)構(gòu)及該第 一透明導(dǎo)電層之間。
13、 如權(quán)利要求12所述的太陽能電池，其中該半導(dǎo)體層為未摻雜的本征半導(dǎo)體層以及n型半導(dǎo)體層，依序形成于該納微米粗化結(jié)構(gòu)上。
14、 如權(quán)利要求13所述的太陽能電池，其中該納微米粗化結(jié)構(gòu)的材料 為硅基半導(dǎo)體、碳化硅、氮化硅或硅化鍺。
15、 如權(quán)利要求14所述的太陽能電池，其中該納微米粗化結(jié)構(gòu)為多個(gè) 納孩i米顆粒。
16、 如權(quán)利要求1所述的太陽能電池其為一薄膜太陽能電池。
17、 一種太陽能電池的制作方法，其步驟包括 提供基板；形成納微米粗化結(jié)構(gòu)于該基板上；以及 形成半導(dǎo)體層于該納^^米粗化結(jié)構(gòu)上。
18、 如權(quán)利要求17所述的方法，其還包括形成電極于該半導(dǎo)體層上。
19、 如權(quán)利要求17所述的方法，其中形成該納微米粗化結(jié)構(gòu)于該基板 上的該步驟，是以浸泡、噴涂、旋轉(zhuǎn)涂布、自然干燥、堆疊、燒結(jié)、納米壓 印、轉(zhuǎn)印、熱壓成形方式附著該納微米粗化結(jié)構(gòu)于該第一透明導(dǎo)電層上。
20、 如權(quán)利要求17所述的方法，其中形成該納微米粗化結(jié)構(gòu)于該基板 上的該步驟為形成多個(gè)納微米顆粒于該基板上。
21、 如權(quán)利要求20所述的方法，其中該基板為具有第一透明導(dǎo)電層的 透明基板。
22、 如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述納微米顆粒的材料為二氧化 硅、二氧化鈦、氧化鋅、聚苯乙烯或聚曱基丙烯酸曱酯。
23、 如權(quán)利要求22所述的方法，其中該半導(dǎo)體層為半導(dǎo)體有源層。
24、 如權(quán)利要求20所述的方法，其中該基板為具有第一透明導(dǎo)電層及p 型半導(dǎo)體層的透明基板，該第一透明導(dǎo)電層及該p型半導(dǎo)體層依序形成在該 透明基板上。
25、 如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述納微米顆粒的材料為硅基半 導(dǎo)體、碳化硅、氮化硅或硅化鍺。
26、 如權(quán)利要求25所述的方法，其中該半導(dǎo)體層為未摻雜的本征半導(dǎo) 體層以及n型半導(dǎo)體層，依序形成于該納^t米粗化結(jié)構(gòu)上。
27、 如權(quán)利要求20所述的方法，其中形成所述納^f鼓米顆粒于該基板上 的該步驟，包括提供容器，該容器盛裝具有所述納微米顆粒分布的溶液；將具有該第一透明導(dǎo)電層的該基板浸泡于該溶液中； 于該溶液中上、下拉升該基板或左、右旋轉(zhuǎn)該基板，以使該溶液中所述 納微米顆粒均勻涂布于該基板上；以及 將該基板從該溶液中取出。
28、 如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述納微米顆粒利用溶膠-凝膠法、 乳化聚合法、無乳化劑乳化聚合法、懸浮聚合法、逆微胞法或熱皂法制成。
29、 如權(quán)利要求27所述的方法，其中形成所述納微米顆粒于該基板上 的該步驟的設(shè)定條件包括該基板的拉升速度、所述納微米顆粒粒徑、所述納 微米顆粒濃度、所述納微米顆粒材料、該溶液溫度控制及添加溶劑。
30、 如權(quán)利要求29所述的方法，其中該基板的拉升速度設(shè)定為 0.5mm/sec 5mm/sec,所述納樣i米顆粒粒徑為50 1000納米。
31、 如權(quán)利要求27所述的方法，其中形成所述納微米顆粒于該基板上 的該步驟利用攪拌裝置來達(dá)成。
全文摘要
本發(fā)明提出一種太陽能電池及其制作方法，該太陽能電池包括基板，其具有第一透明導(dǎo)電層；納微米粗化結(jié)構(gòu)形成于第一透明導(dǎo)電層上；以及半導(dǎo)體層形成于納微米粗化結(jié)構(gòu)上，并包覆納微米粗化結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)H01L31/042GK101459201SQ20071019717
公開日2009年6月17日 申請(qǐng)日期2007年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月10日
發(fā)明者吳皇南, 姚富淵, 李正中, 詹佳樺, 謝宏健, 邢泰剛, 陳升暉, 陳啟昌 申請(qǐng)人:臺(tái)達(dá)電子工業(yè)股份有限公司;中央大學(xué)