光電轉換裝置及其製法的製作方法
2023-07-27 13:57:16 2
專利名稱：光電轉換裝置及其製法的製作方法
技術領域：
本發明是關於一種光電轉換裝置及其製法，尤其是指一種可降低串聯電阻且提高 光電轉換效率的光電轉換裝置及其製法。
背景技術：
隨著現有能源(如石油及煤礦)逐漸短缺，開發取代現有能源的替代能源已漸漸 受到矚目。在替代能源中，由於太陽能源非常充沛且不會造成環境的汙染，因此太陽能電池 已成為眾所矚目的焦點。太陽能電池是一種將光能轉換成電能的光電轉換裝置，其基本構 造是運用P型及N型半導體接合而成，其利用P-N 二極體吸收光能量，以產生自由電子與空 穴，其中，電子及空穴會受到內建電位影響而分別朝N型及P型半導體移動，進而產生電流， 最後經由電極將電流引出，即可形成供使用或儲存的電能。請參見圖1，為公知太陽能電池的基本結構。如圖IA所示，公知太陽能電池主要 包括一 P型半導體層11 ；一 N型半導體層12，設置於P型半導體層11上；一第一電極層 13，連接於P型半導體層11 ；以及一第二電極層14，連接於N型半導體層12。其中，設置於 入光面的第二電極層14具有一開口區141，據此，該第二電極層14呈交趾狀，用以增加入射 光面積。此外，為增加光取量，可於第二電極層14的開口區141設置一抗反射層15，以降低 入射光的反射。然而，交趾狀電極的設計容易造成太陽能電池的串聯電阻過高，進而降低光 電轉換效率。為此，已提出有以透明導體作為入光面電極的建議，使用透明導體(如ΙΤ0)作為 入光面的電極，其中，由於入光面的電極是由透明材質所形成，因此可全面形成於半導體層 上，無需將電極設計為交趾狀。再者，請參見圖1B，為另一公知太陽能電池的示意圖。如圖 IB所示，該公知太陽能電池的結構大致與圖IA所示的太陽能電池結構相同，不同處在於， 於第二電極層14與N型半導體層12間還設置有一透明導體16，以增加導電性。另外，請參見圖1C，為另一公知太陽能電池的示意圖。如圖IC所示，該公知太陽能 電池的結構大致與圖IB所示的太陽能電池結構相同，不同處在於，第二電極層14的開口區 141中未設置有一抗反射層。綜上所述，公知技術所提出改善光電轉換效率的其中兩種方法為(1)使用透明導體作為電極，以全面形成於半導體層上，無需將電極設計為交趾 狀；(2)於電極與半導體間形成透明導體，以增加導電性。然而，無論將上述透明導體形成於電極與半導體之間，或是將上述透明導體直接 形成於半導體上作為電極，皆可能因材料的阻值仍大，而未能有效提升轉換效率，再者，該 些結構中的材料間的界面能障因而提高，更將對光電轉換效率有不利的影響。
發明內容
本發明的目的在於提供一種光電轉換裝置，其不僅可降低串聯電阻，同時，入光面
4的電極無需局限於透明材料，故可選用可有效導出有效電荷載子的材料，以大幅提升光電 轉換效率。為實現上述目的，本發明提供的光電轉換裝置，其包括一第一半導體層；一第二 半導體層，設置於第一半導體層上；一第一電極層，連接於第一半導體層；一第二電極層， 連接於第二半導體層，其中，第二電極層具有一開口區，以顯露第二半導體層；以及一低反 射導電膜，設置於開口區中，且與第二電極層及第二半導體層連接。其中，為增加開口區的 導電度，以降低串聯電阻，該低反射導電膜的電阻率小於或等於第二半導體層的電阻率。據此，本發明由於開口區中形成低反射導電膜，以增加開口區的導電性，進而降低 串聯電阻，其中，由於光線可由開口區入射，故第二電極層的材料並不局限於透明材料，公 知適合的電極材料皆可使用，較佳地是使用可有效導出有效電荷載子的電極材料，如銀電 極，以有效提高光電轉換效率。另外，本發明的第二電極層可設計為公知任何具有開口區的 型態，如交趾狀、條狀或網狀等。本發明的光電轉換裝置還可包括一抗反射層，設置於該低反射導電膜上，以降低 入射光的反射，進而增加光取量。於本發明的光電轉換裝置中，低反射導電膜可為任何透光、低反射且電阻率小於 或等於第二半導體層的導電膜，較佳地為具有高透光度、低反射及高導電度的導電膜，如金 屬膜、金屬氧化膜或導電納米材料膜。其中，金屬膜的材料可為鋁膜、金膜、銀膜、銅膜、鎢 膜、鉻膜、鎳膜等，較佳地與第二電極層的材料相同，以避免不同材料間的排斥現象，例如， 第二電極層可為鋁電極層，而金屬膜可為鋁膜。而金屬氧化膜可以氧化鋅(ZnO)、氧化錫 (SnO2)、氧化鋅與氧化錫混合物(ZnO-SnO2)、氧化鋅與氧化銦混合物(ZnO-In2O3)為主體，並 可進一步包含其它的元素。其它的元素包含鋁、鎵、銦、硼、釔、鈧、氟、釩、矽、鍺、鋯、鉿、氮、 鈹或其組合，較佳地為銦錫氧化物膜。此外，導電納米材料膜可包括導電納米管膜、導電納 米線膜、導電納米帶膜、導電納米棒膜、導電納米球膜等，且可為具有導電性的非金屬納米 材料膜或金屬納米材料膜，其中，非金屬納米材料膜可包括納米碳管膜、導電聚合物纖維膜 及類似物，而金屬納米材料膜可包括元素金屬納米材料膜、金屬合金納米材料膜、金屬化合 物納米材料膜、金屬氧化物納米材料膜等。更佳地，該低反射導電膜為具有較佳抗反射功效 的納米碳管膜，以提高光取量。在此，第二電極層的表面亦可設置有該低反射導電膜。於本發明的光電轉換裝置中，第一半導體層可為P型半導體層，而第二半導體層 可為N型半導體層；或者，第一半導體層為N型半導體層，而第二半導體層為P型半導體層。 其中，P型半導體層的摻質可為第III族的元素，而N型半導體層的摻質可為第V族的元素。於本發明的光電轉換裝置中，第一電極層的材料並無特殊限制，公知適合的電極 材料皆可使用，較佳地是使用高功率函數材料，以形成奧姆接觸，如鋁電極。於本發明的光電轉換裝置中，第二電極層的材料並無特殊限制，公知適合的電極 材料皆可使用，較佳地是使用低功率函數材料，以形成奧姆接觸，並可有效導出有效電荷載 子，如銀電極，以有效提高光電轉換效率。於本發明的光電轉換裝置中，該低反射導電膜的厚度較佳地為10人至IOym;電阻 率較佳地為IO-3Qcm至IO-8Qcm;反射率較佳地為低於10%。此外，本發明還提供一種上述光電轉換裝置的製法，其包括形成一第二半導體層 於第一半導體層上；形成一第一電極層於第一半導體層上，且形成一第二電極層於第二半導體層上，其中，該第二電極層具有一開口區，以顯露第二半導體層；以及形成一低反射導 電膜於開口區中，以使低反射導電膜與第二電極層及第二半導體連接，其中，低反射導電膜 的電阻率小於或等於第二半導體層的電阻率。 本發明的光電轉換裝置製法還可包括形成一抗反射層於低反射導電膜上。
於本發明的光電轉換裝置製法中，該低反射導電膜還可形成於第二電極層的表面 上。 綜上所述，相較於公知改善光電轉換效率的方法，本發明是利用低反射導電膜來 降低開口區的串聯電阻，據此，本發明的入光面電極可設計為交趾狀、條狀或網狀等，而入 光面電極則可使用能有效導出電荷載子的電極材料，如銀電極，故相較於使用透明導體作 為電極的公知技術，本發明更能有效提高光電轉換效率。另外，相較於加置透明導體於電極 及半導體間以提高導電性的公知技術，本發明中電極與半導體層間未夾置額外層膜結構， 故可避免界面能障提高導致光電轉換效率下降的問題。
圖IA是公知太陽能電池的示意圖。圖IB是另一公知太陽能電池的示意圖。圖IC是另一公知太陽能電池的示意圖。圖2A至2C是本發明一較佳實施例的光電轉換裝置製作流程圖。圖3是本發明一較佳實施例的光電轉換裝置剖視圖。圖4是本發明一較佳實施例的光電轉換裝置剖視圖。圖5是本發明實施例1與比較例1所製得的光電轉換裝置的電壓_電流曲線圖， 其中，-■-代表實施例1，_ Δ -代表比較例1。圖6是本發明實施例1與比較例1所製得的光電轉換裝置的功率_電流曲線圖， 其中，-■-代表實施例1，_ Δ -代表比較例1。圖7是本發明實施例4與比較例2所製得的光電轉換裝置的電壓_短路電流曲線 圖，其中，-■-代表實施例4，- ·-代表比較例2。附圖中主要組件符號說明Il-P型半導體層13，23-第一電極層141,241-開口區16-透明導體22-第二半導體層
12-Ν型半導體層 14，24-第二電極層 15，26-抗反射層 21-第一半導體層 25-低反射導電膜
具體實施例方式以下由特定的具體實施例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書 所公開的內容輕易地了解本發明的其它優點與功效。本發明亦可由其它不同的具體實施例 加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明的精 神下進行各種修飾與變更。實施例1
6
請參見圖2A至圖2C，為本實施例的光電轉換裝置製作流程圖。首先，如圖2A所 示，形成第二半導體層22於第一半導體層21上，於本實施例中，第一半導體層21為P型摻 雜的矽層，而第二半導體層22則為N型摻雜的矽層。 接著，如圖2B所示，形成第一電極層23於第一半導體21上，且形成第二電極層24 於第二半導體22上，其中，第二電極層24具有一開口區241，以顯露第二半導體層22。於 本實施例中，第二電極層24是如圖IA及IB所示的交趾狀，再者，與第一半導體層21接觸 的第一電極層23，可使用高功率函數材料來形成奧姆接觸；與第二半導體層22接觸的第二 電極層24，可使用低功率函數材料來形成奧姆接觸，據此，本實施例的第一電極層23為鋁 電極，而第二電極層24為銀電極。隨後，如圖2C所示，形成低反射導電膜25於開口區241中，其中，低反射導電膜25 與第二電極層24及第二半導體層22連接。於本實施例中，低反射導電膜25為納米碳管膜， 是由將納米碳管分散於揮發性溶劑(如酒精、異丙醇、丙酮等，本實施例是使用酒精)中後， 再將納米碳管溶液塗布於開口區241中，以於開口區241中形成納米碳管膜，其中，納米碳 管將連結成網狀式結構。在此，納米碳管可由任何公知方法製備，如電弧放電法、雷射氣化 法、化學氣相沉積法、太陽能法、微波輔助化學氣相沉積法等。於本實施例中，納米碳管是由 電弧放電法製備。據此，如圖2C所示，本實施例提供一種光電轉換裝置，其包括第一半導體層21 ； 第二半導體層22，設置於第一半導體層21上；第一電極層23，連接於第一半導體層21 ；第 二電極層24，連接於第二半導體層22，其中，第二電極層24具有一開口區241，以顯露第二 半導體層22 ；以及低反射導電膜25，設置於開口區241中，且與第二電極層24及第二半導 體層22連接，其中，低反射導電膜25的電阻率小於或等於第二半導體層22的電阻率。實施例2本實施例的光電轉換裝置大致與實施例1所述相同，不同處在於，本實施例的低 反射導電膜25為一銀膜。實施例3本實施例的光電轉換裝置大致與實施例1所述相同，不同處在於，本實施例的低 反射導電膜25為一鋁膜。實施例4本實施例的光電轉換裝置大致與實施例1所述相同，不同處在於，本實施例的低 反射導電膜25為銦錫氧化物膜。實施例5 本實施例的光電轉換裝置大致與實施例1所述相同，不同處在於，如圖3所示，本 實施例還包括一抗反射層26，其形成於低反射導電膜25上，以降低入射光的反射，進而提 高光取量。實施例6本實施例的光電轉換裝置大致與實施例5所述相同，不同處在於，如圖4所示，本 實施例的低反射導電膜25還形成於第二電極層24的表面上。比較例1本比較例的光電轉換裝置大致與實施例1所述相同，不同處在於，本比較例的光
7電轉換裝置未設置低反射導電膜25於開口區241中。比較例2本比較例的光電轉換裝置大致與圖IC所示結構相同。在此，本比較例的P型半導 體層11、N型半導體層12、第一電極層13及第二電極層14的材料及條件皆與實施例1所 述相同，且該透明導體16為銦錫氧化物層。實驗例1測定實施例1及比較例1所製得的光電轉換裝置的電壓_電流曲線圖、電壓_功 率曲線圖及其它光電轉換特性數據，其結果如圖5、6及表1所示。表 1 由上述結果可發現，相較於比較例1，實施例1所製得的光電轉換裝置具有較佳的 光電轉換特性。據此，得以證實，改善開口區的導電性確實可有效提升光電轉換特性。實驗例2測定實施例4及比較例2所製得的光電轉換裝置的電壓_短路電流曲線圖及其它 光電轉換特性數據，其結果如圖7及表2所示。表 2 由上述結果可發現，相較於比較例2，實施例4所製得的光電轉換裝置具有較佳的 光電轉換特性。據此，得以證實，相較於加置透明導體於電極及半導體間以提高導電性的公 知技術，本發明直接改善開口區的導電性，可避免於電極及半導體間加置透明導體所導致 的界面能障提高問題，因此更能有效改善光電轉換特性。上述實施例僅為了方便說明而舉例而已，本發明所主張的權利要求範圍自應以申 請的權利要求範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
權利要求
一種光電轉換裝置，包括一第一半導體層；一第二半導體層，設置於該第一半導體層上；一第一電極層，連接於該第一半導體層；一第二電極層，連接於該第二半導體層，其中，該第二電極層具有一開口區，以顯露該第二半導體層；以及一低反射導電膜，設置於該開口區中，且與該第二電極層及該第二半導體層連接，其中，該低反射導電膜的電阻率小於或等於該第二半導體層的電阻率。
2.如權利要求1所述的光電轉換裝置，其中，包括一抗反射層，設置於該低反射導電膜上。
3.如權利要求1所述的光電轉換裝置，其中，該第二電極層的表面設置有該低反射導 電膜。
4.如權利要求1所述的光電轉換裝置，其中，該第一半導體層為一P型半導體層，而該 第二半導體層為一 N型半導體層。
5.如權利要求1所述的光電轉換裝置，其中，該第一半導體層為一N型半導體層，而該 第二半導體層為一 P型半導體層。
6.如權利要求1所述的光電轉換裝置，其中，該低反射導電膜為一金屬膜、一金屬氧化 膜或一導電納米材料膜。
7.如權利要求6所述的光電轉換裝置，其中，該金屬膜的材料與該第二電極層的材料 相同。
8.如權利要求6所述的光電轉換裝置，其中，該金屬膜為一鋁膜或銀膜。
9.如權利要求6所述的光電轉換裝置，其中，該金屬氧化膜為一銦錫氧化物膜。
10.如權利要求6所述的光電轉換裝置，其中，該導電納米線膜為一納米碳管膜。
11.如權利要求1所述的光電轉換裝置，其中，該第二電極層呈交趾狀。
12.如權利要求1所述的光電轉換裝置，其中，該低反射導電膜的厚度為IOA至10μ m。
13.如權利要求1所述的光電轉換裝置，其中，該低反射導電膜的電阻率為10_3Qcm至 1(Γ8 Ω cm。
14.如權利要求1所述的光電轉換裝置，其中，該低反射導電膜的反射率為低於10%。
15.一種光電轉換裝置的製法，包括形成一第二半導體層於一第一半導體層上；形成一第一電極層於該第一半導體上，且形成一第二電極層於該第二半導體上，其中， 該第二電極層具有一開口區，以顯露該第二半導體層；以及形成一低反射導電膜於該開口區中，以使該低反射導電膜與該第二電極層及該第二半 導體層連接，其中，該低反射導電膜的電阻率小於該第二半導體層的電阻率。
16.如權利要求15所述的製法，其中，包括形成一抗反射層於該低反射導電膜上。
17.如權利要求15所述的製法，其中，該低反射導電膜形成於該第二電極層的表面上。
18.如權利要求15所述的製法，其中，該第一半導體層為一P型半導體層，而該第二半 導體層為一N型半導體層。
19.如權利要求15所述的製法，其中，該第一半導體層為一N型半導體層，而該第二半導體層為一P型半導體層。
20.如權利要求15所述的製法，其中，該低反射導電膜為一金屬膜、一金屬氧化膜或一 導電納米材料膜。
21.如權利要求20所述的製法，其中，該金屬膜的材料與該第二電極層的材料相同。
22.如權利要求20所述的製法，其中，該金屬膜為一鋁膜或銀膜。
23.如權利要求20所述的製法，其中，該金屬氧化膜為一銦錫氧化物膜。
24.如權利要求20所述的製法，其中，該導電納米線膜為一納米碳管膜。
25.如權利要求15所述的製法，其中，該第二電極層呈交趾狀。
26、如權利要求15所述 的製法，其中，該低反射導電膜的厚度為IOA至10 μ m。
27.如權利要求15所述的製法，其中，該低反射導電膜的電阻率為IO-3Qcm至 1(Γ8 Ω cm。
28.如權利要求15所述的製法，其中，該低反射導電膜的反射率為低於10%。
全文摘要
本發明有關於一種光電轉換裝置及其製法，其中，該光電轉換裝置包括一第一半導體層；一第二半導體層，設置於第一半導體層上；一第一電極層，連接於第一半導體層；一第二電極層，連接於第二半導體層，其中，第二電極層具有一開口區，以顯露第二半導體層；以及一低反射導電膜，設置於開口區中，且與第二電極層及第二半導體層連接，其中，低反射導電膜的電阻率小於或等於第二半導體層的電阻率。據此，本發明所提供的光電轉換裝置可有效降低串聯效應，進而改善光電轉換效率。
文檔編號H01L31/0224GK101924145SQ20091014066
公開日2010年12月22日 申請日期2009年6月12日 優先權日2009年6月12日
發明者林烱暐, 陳易良 申請人:大同大學;大同股份有限公司