帶有散射器的太陽電池的製作方法
2023-06-08 04:23:41 1
專利名稱：帶有散射器的太陽電池的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體器件，屬於太陽電池，更具體地說，是一種帶有散射器的太陽電池。
背景技術：
太陽電池是利用半導體中光伏效應設計製造的太陽能/電能的轉換器件。太陽電池已成為電能的一個新的來源，太陽能取之不盡，用之不竭。儘管含有多個勢壘的(多結)半導體太陽電池的光電轉換效率高達30％以上，但製造成本很高，應用最廣的還是單結矽太陽電池。採用單晶矽或多晶矽的單結太陽電池的光電轉換效率一般只有15％左右。在USP 6663944和5949123中公布了在太陽電池受光表面(正面)形成表面紋理結構，減小表面反射損失，以提高光電轉換效率的方法。該方法已成功用於多晶矽太陽電池，光電轉換效率已提高到24％。
近年來，採用多晶矽和非晶矽薄膜來替代單晶矽半導體已經使製造成本較大幅度的降低。為了節約材料，降低成本，矽薄膜應做得儘可能嫩薄，但這樣一來，半導體矽對太陽光的吸收將大為減少，特別是在紅光和紅外波段，透過半導體未被吸收的光在入射光中所佔的比例將會很大。儘管矽薄膜太陽電池的成本最低，但由於其光電轉換效率較低，一般只有13％，不能完全取代單晶矽半導體。
發明內容
本發明的目的是提供一種光電轉換效率高和成本低的帶有散射器的太陽電池。
本發明將一個散射器與傳統結構的太陽電池組合成一個高效率太陽電池。散射器使入射光以大角度折返回半導體提高吸收和光電轉換效率。由於使用薄的半導體材料，太陽電池的成本大大降低。本發明太陽電池，包括一個塊狀半導體光伏器件，正負接觸電極和一個散射器。或包括一個薄膜半導體光伏器件，正負接觸電極，襯底和一個散射器。位於光伏器件的二個表面的正負接觸電極是鍍有金屬柵挌的透明導電薄膜或其中位於背部的一個是全反射金屬薄膜。散射器由尺寸大小規則分布的或隨機分布微稜鏡，或微透鏡組成，它也可以直接在半導體薄片或襯底背光表面製成紋理結構，或反射光柵、或菲涅耳透鏡形成。所說的半導體光伏器件是半導體勢壘，它可以是p-n結，肖特基勢壘MS，金屬-絕緣體-半導體勢壘MIS，異質結，p-i-n結，或這些勢壘的任意組合。所說的透明導電膜可以是金屬氧化物導電薄膜薄，也可以是薄金屬膜。所說的紋理結構的不規則表面用噴沙，腐蝕，外延，或離子刻蝕方法加工形成。所說的微稜鏡一維線列或二維列陣用定向腐蝕，外延，複製，熱壓，或離子刻蝕方法加工形成。微透鏡一維線列或二維列陣用定向腐蝕，複製，外延，複製，熱壓，玻璃或塑料島熱熔或離子刻蝕方法加工形成。所說的反射光柵用定向腐蝕，外延，複製，熱壓，真空熱蒸發，擴散或離子刻蝕方法加工形成。
本發明的有益效果在於太陽電池引入了散射器，太陽光入射後在半導體內經多次折返吸收，產生更多光電子，因而可形成更大光電流而提高了太陽電池光電轉換效率。並且又可使用薄的半導體材料而降低了成本。
圖1是傳統半導體薄片太陽電池的剖面示意圖。
圖2是本發明的第一實施例的剖面示意圖。
圖3是本發明的第二實施例的剖面示意圖。
圖4是本發明的第三實施例的剖面示意圖。
圖5是本發明的第四實施例的剖面示意圖。
圖6是本發明的第五實施例的剖面示意圖。
圖7是本發明的第六實施例的剖面示意圖。
圖8是本發明的第七實施例的剖面示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步說明。
先介紹一個傳統的半導體薄片太陽電池的實施例。請參閱圖1，在N型半導體薄片2的一個表面上形成P區201，另一個表面上形成n+區203，中部為n區202；P區201的表面有一個透明導電膜1，透明導電膜1的表面有一個金屬網格電極101。n+區203的表面為金屬全反射電極8。太陽光11入射半導體後，有很大部分太陽光9被反射並透出半導體，光電轉換效率很低。
圖2為本發明的第一實施例的剖面示意圖。圖2中，1為透明電極，它是帶金屬網格101輔助導電的氧化物導電薄膜，或是帶金屬網格101輔助導電的薄金屬膜。在N型(或P型)半導體薄片2的一個表面上形成P區(或n區)201，並形成p-n結，另一個表面被加工成微型稜鏡列陣，再在其表面形成n+區(或p+區)203，n+區(或p+區)203的表面為金屬全反射電極8。太陽光12入射半導體後第一次通過半導體薄片未被吸收的光，經金屬全反射電極8全部反射，並以大於全反射角的角度(與半導體表面法線方向的夾角)第二次通過半導體薄片2，未被吸收的光被全反射，再次入射半導體，由於多次往返光程長，被吸收的光，產生的光電子更多，因而可形成更大的光電流，從而提高光電轉換效率。
作為本發明的第二實施例，請參閱圖3。其特證為p區201和n+區203都位於半導體薄片正面。圖3中101為n+區203的柵狀金屬電極，102為p區201的柵狀金屬電極，1b為光學透明飩化介質層，202為n區；3為背面散射器。散射器是一個鍍有金屬全反射膜的帶有紋理結構的不規則表面。入射光13穿過半導體p-n結區2在散射器3上反射，並以大於全反射角的角度折向p-n結區，再由半導體正面全反射，重新折返半導體。經多次吸收，產生更多光電子，因而可形成更大的光電流，從而提高光電轉換效率。
本發明的第三實施例，請參閱圖4，微稜鏡散射器及其表面的金屬或介質全反射鍍層3加工在襯底材料5上。圖4中，1和4為帶金屬網格輔助導電的金屬氧化物薄膜，或金屬薄膜，2為半導體p-n結，5為光學透明襯底。微稜鏡每個面與半導體薄片表面間夾角大於半導體材料的全反射角。入射到半導體內的太陽光在微稜鏡反射後以偏離半導體正面法線較大角度傳輸，且在半導體表面全反射，以至可以多次穿透半導體p-n結區，即使半導體材料較薄，它對太陽光的吸收仍然很大，因而太陽電池光電轉換效率很高。
本發明的第一、第二、第三實施例中，在傳統太陽電池中半導體薄片背向入射光的表面製成由尺寸大小規則分布的或隨機分布的微稜鏡構成的紋理結構，形成散射器。這些微稜鏡可以用化學腐蝕法，等離子體腐蝕，機械刻劃，雷射刻蝕和反應離子刻蝕等方法形成。對於單晶矽和多晶矽半導體太陽電池，分別以各向異性化學腐蝕和各向同性化學腐蝕為最佳。本發明在N型半導體薄片背面形成紋理結構後，進行硼摻雜形成n+區。在正面進行磷摻雜形成p區。再在p區表面濺射氧化物導電薄膜後印制柵狀銀漿塗層，並在n+區表面塗上銀漿，然後放入爐子中加溫還原成正面柵狀銀電極和背面銀電極。
當然p-n結外，肖特基勢壘MS，金屬-絕緣體-半導體勢壘MIS，或異質結，或所說器件的任意組合。也適用於本發明的第一、第二、第三實施例。
本發明的第四個實施例，請參閱圖5。微透鏡列陣散射器被安裝於半導體材料正對入射光一面，微透鏡的直徑在1-200μm範圍。太陽光被聚焦於半導體材料內，至使大部分光線以偏離光伏器件平面法線較大角度傳輸，因而可增加半導體材料對太陽光的吸收。圖5中，6為敷於微透鏡列陣上的帶金屬網格的透明導電薄膜，7為表面直接加工成微透鏡列陣的光伏器件。微透鏡是半球狀或拋物面狀，或菲涅耳透鏡列陣結構。8為全反射金屬電極。
本發明的第五個實施例，請參閱圖6。微透鏡列陣散射器被安裝於半導體正對入射面一邊，太陽光被聚焦於半導體材料內。在圖6中，9為透明介質材料製成的微透鏡列陣，圖中4為帶金屬網格的透明電極，2為半導體光伏器件，8為全反射金屬電極，光入射經透鏡聚焦後，大部分光線均以偏離光伏器件平面法線較大角度傳輸，在半導體內光程較長，具有高吸收，因此提高了光電轉換效率。
本發明的第六個實施例，請參閱圖7。微透鏡列陣散射器直接加工在半導體背面。圖6中，1為透明電極，7為加工有微透鏡列陣散射器的半導體光伏器件，10為加工在微透鏡列陣上的全反射鍍膜。當然，光散射器也可加工成反射光柵，菲涅耳透鏡等形式。
本發明的第七個實施例，請參閱圖8。微透鏡列陣散射器被安裝在太陽電池背面，入射光經光伏器件後未被吸收的部分被會聚，其中大部分光線從偏離薄片平面法線較大角度傳輸，在半導體內傳輸的光程增加，因而同樣具有很高光電轉換效率。圖8中，1和4為帶金屬網格的透明電極，2為半導體光伏器件，9為微透鏡列陣，10為全反射薄膜，薄膜材料可以是氧化物介質材料，或是銀，銅，或鋁等材料金屬。
上述實施例中的或稜鏡、或透鏡、或反射光柵、或菲涅耳透鏡的微散射器，皆可做成一維線列或二維列陣而與半導體光伏器件相組合。
權利要求
1.一種帶有散射器的太陽電池，其特徵在於所述的太陽電池包括一個體半導體光伏器件，正負接觸電極和一個散射器。
2.如權利要求1所述的太陽電池，其特徵在於所說的體半導體光伏器件包含一個或多個半導體勢壘的半導體薄片，半導體勢壘可以是肖特基勢壘，金屬-絕緣體-半導體勢壘，異質結，P-N結，或P-I-N結，或它們的任意組合。
3.如權利要求1所述的太陽電池，其特徵在於所說的正負接觸電極為分別位於半導體薄片兩表面，其中的一個是帶有金屬柵格的透明導電薄膜，另一個是全反射金屬薄膜。
4.如權利要求1所述的太陽電池，其特徵在於所說的散射器是一個鍍有金屬全反射膜的帶有紋理結構的不規則表面，位於半導體薄片的背面。
5.如權利要求1所述的太陽電池，其特徵在於所說的散射器是一個表面鍍有金屬全反射膜的尺寸大小規則分布的或隨機分布位於半導體薄片背面的稜鏡、或透鏡、或反射光柵、或菲涅耳透鏡的微散射鏡一維線列或二維列陣，位於半導體薄片的背面。
6.一種帶有散射器的太陽電池，其特徵在於所述的太陽電池包括薄膜半導體光伏器件，正負接觸電極，襯底和一個散射器。
7.如權利要求6所述的太陽電池，其特徵在於所說的薄膜半導體光伏器件包含一個或多個薄膜半導體勢壘的半導體薄膜，薄膜半導體勢壘可以是薄膜肖特基勢壘MS，薄膜金屬-絕緣體-半導體勢壘MIS，薄膜異質結，薄膜P-N結，薄膜P-I-N結，或所說薄膜半導體勢壘的任意組合。
8.如權利要求6所述的太陽電池，其特徵在於所說的正負接觸電極為分別位於薄膜半導體光伏器件的二個表面，至少其中的一個是帶有金屬柵格的透明導電薄膜，另一個是全反射金屬薄膜。
9.如權利要求6所述的太陽電池，其特徵在於所說的散射器是襯底的一個鍍有金屬全反射膜的帶有紋理結構的不規則表面，位於襯底的背面。
10.如權利要求6所述的太陽電池，其特徵在於所說的散射器是一個表面鍍有金屬全反射膜的尺寸大小規則分布的或隨機分布位於襯底背面的稜鏡、或透鏡、或反射光柵、或菲涅耳透鏡的微散射鏡一維線列或二維列陣，位於半導體薄膜的背面。
全文摘要
一種帶有散射器的太陽電池。它由半導體光伏器件和散射器組成。由於引入了散射器，入射太陽光在半導體光伏器件內經多次折返，光程和吸收增加，產生的光電子更多，因而可形成的光電流更大，從而使光電轉換效率提高，並且由於又可使用較少的半導體材料而使成本降低。
文檔編號H01L31/0232GK1941421SQ20051003015
公開日2007年4月4日 申請日期2005年9月29日 優先權日2005年9月29日
發明者陳燁, 陳祖培 申請人:董毓, 陳燁, 陳祖培