专利名称：太阳电池层状结构的制法、太阳电池电极及太阳电池的制作方法
技术领域：
本发明是关于一种太阳电池的层状结构的制造方法、太阳电池电极及太阳电池，尤指一种可形成一具有复数个次微米级空洞的层状结构且可提升太阳电池的光电转换效率的制造方法。
背景技术：
由于目前人类主要依赖的各种能源来源，如铀、天然气与石油等，在未来数十年内皆会使用殆尽，科学家无不投入大量心力与金钱在开发替代能源的应用上，如太阳能、风力、波力及地热，且都获致不错的成果。
但是，风力、波力及地热的运用皆具有其地域限制性，必须在某些环境才可以使用，如火山区或海岸边，且其所使用的设备庞大，如风车及深海海水的取水管线。因此，科举家一致看好太阳能的应用并投入大量心力发展相关的转换装置，即太阳电池。
目前世界上各个研究单位利用各种材料并利用各种工艺来制做太阳电池，而所得到的太阳电池的光电转换效率并不尽相同。此外，太阳电池的材料可区分为单晶硅、多晶硅、非晶硅；三五族，包括砷化镓、磷化铟、磷化镓铟二六族，包括碲化镉、硒化铟铜等。而最高的光电转换效率分别为单晶硅24.7％、多晶硅19.8％、非晶硅14.5％、砷化录25.7％、硒化镓铟18.8％。一般而言，实验室阶段的太阳电池的光电转换效率已可达30％以上，但是市面上所出售的量产阶段的太阳能电池，其光电转换效率一般低于20％，仍有进步的空间。而在成本及光电转换效率的双重考量下，目前以结晶硅的应用较多(包括单晶硅及多晶硅)，但在一些较低阶的应用上，如太阳能计算机或太阳能手表，则使用光电转换效率较低但价格较便宜的非晶硅做为太阳电池的材料。
此外，由于太阳电池的整体价格太高，且硅晶片成本占太阳电池的总成本一半以上。因此，科学家无不竭尽所能地想提高太阳电池的光电转换效率并寻求有效降低成本的工艺，以提高太阳电池的实用性。目前，科学家提高太阳电池的光电转换效率的方法是提供光吸收的面积(如利用硅纳米线做为与入射光子反应的材料)或增加入射光子的数量(如设置抗反射层)。但是，硅纳米线的工艺繁杂，且需要使用金属触媒以促进硅纳米线的生长。这些金属触媒不仅额外增加成本，且对于硅纳米线而言，这些金属触媒为不纯物且会阻碍电子于硅纳米线中的传输，影响太阳电池的光电转换效率。此外，设置抗反射层必须利用复杂的光罩及蚀刻工艺将硅晶片的表面蚀刻成三角锥状，且利用蒸镀方式于三角锥状表面涂布抗反射层。而这些工艺都会增加太阳电池的价格且降低其生产良率，不利于大量生产以增加其市场占有率。
因此，业界亟需一种具有较高光电转换效率的太阳电池及其制造方法，以大幅降低太阳电池的价格并替代更多原本使用非再生能源的应用场合，节省非再生能源的消耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太阳电池层状结构的制造方法、太阳电池电极及太阳电池。
为实现上述目的，本发明提供的太阳电池形成具有复数个微孔洞的层状结构的方法，包括(A)提供一具有复数层纳米球层于其上表面的基板，其中该等纳米球层由复数个纳米球堆叠而成；(B)形成至少一硅层于该等纳米球层间隙与该基板部分上表面；以及(C)移除该等纳米球，形成一具有复数个微孔洞的层状结构于该基板的上表面。
所述的方法，其中步骤(A)的形成该等纳米球层于该基板上表面的方法，包括(A1)提供该基板及一位于该容器的胶体溶液，且该胶体溶液具有该等纳米球及一介面活性剂；(A2)放置该基板于该容器中，且该胶体溶液覆盖至少部分该基板上表面；以及
(A3)加入一具挥发性的溶液于该容器中，移除该介面活性剂并于该基板上表面形成该等纳米球层。
所述的方法，其中该方法于步骤(B)后还包括一步骤(B1)，将该基板及该硅层退火处理。
所述的方法，其中该基板的材质为单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、磷化铟、磷化镓铟或硒化铟铜。
所述的方法，其中该等纳米球的材质为氧化硅。
所述的方法，其中该硅层是利用有机金属化学气相磊晶法形成于该等纳米球层间隙与该基板部分上表面。
所述的方法，其中该硅层为单晶硅。
所述的方法，其中该等纳米球是利用一氢气酸溶液移除。
所述的方法，其中该方法于步骤(C)后还包括一步骤(D)，形成至少一薄膜层于该层状结构表面。
所述的方法，其中该薄膜层是以蒸镀法形成于该层状结构表面。
所述的方法，其中该基板为P型硅基板且该薄膜层的材质为磷。
所述的方法，其中该基板为N型硅基板且该薄膜层的材质为镁。
所述的方法，其中该方法于步骤(D)后还包括一步骤(E)，将该基板、该硅层及该薄膜层退火处理。
本发明提供的太阳电池的电极，包括一具有一上表面的基板；以及一层状结构，该层状结构位于该上表面并具有复数个微孔洞。
所述的电极，其中该基板的材质为单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、磷化铟、磷化镓铟或硒化铟铜。
所述的电极，其中该层状结构的材质为单晶硅。
所述的电极，其中该基板为P型硅基板且该层状结构的材质为砷化镓。
所述的电极，其中该基板为N型硅基板且该层状结构的材质为硒化镉。
本发明提供的太阳电池，配合一外部回路，包括一基板；一层状结构，位于该基板表面并具有复数个微孔洞；
一透明保护层，位于该层状结构表面；至少一前接点，电连接于该层状结构；以及至少一背接点，电连接于该基板；其中，该外合回路为电连接于该前接点及该背接点。
所述的太阳电池，其中该太阳电池还包括一夹置于该基板及该背接点之间的底保护层。
所述的太阳电池，其中该层状结构的材质为单晶硅。
所述的太阳电池，其中该基板为P型硅基板且该层状结构的材质为砷化镓。
所述的太阳电池，其中该基板为N型硅基板且该层状结构的材质为硒化镉。
由此可知，由于本发明的太阳电池包括一具有复数个微孔洞的层状结构，使得本发明的太阳电池可与入射光线的光子产生反应的表面积大幅增加，大幅提升本发明的太阳电池的光电转换效率。此外，由于本发明的太阳电池的光电转换效率较原本公知的太阳电池为高，且并不需要设置一工艺复杂的抗反射层(ARC)即可提高入射光进入太阳电池的比率。所以，本发明的太阳电池可利用较简单的工艺生产，不仅降低生产成本及价格，更可大量生产，大幅提升太阳电池于能源市场的占有率，减少人类社会对于石化能源的依赖。
本发明的形成具有复数个微孔洞的层状结构的方法，其中位于基板上表面的纳米球可由任何材质构成，较佳为氧化硅(SiOx)、陶瓷、取甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、氧化钛(TiOx)或聚苯乙烯(PS)。本发明的形成具有复数个微孔洞的层状结构的方法可于步骤(B)后还包括一步骤(B1)，将此基板及此硅层退火处理。而此退火处理时的温度，较佳介于700℃至900℃。本发明的形成具有复数个微孔洞的层状结构的方法所使用的基板可由任何材质构成，较佳为P型硅基板或N型硅基板。本发明的形成具有复数个微孔洞的层状结构的方法包括运用任何适当方法将硅层形成于此等纳米球层间隙与此基板部分上表面，较佳为有机金属化学气相磊晶法或溅镀法。本发明的形成具有复数个微孔洞的层状结构的方法所形成的硅层可由任何晶格种类的硅构成，较佳为单晶硅、多晶硅或非晶硅。本发明的形成具有复数个微孔洞的层状结构的方法可运用任何种类的溶液将复数个纳米球移除，较佳为氢氟酸、甲酸、丁酮或甲苯。本发明的形成具有复数个微孔洞的层状结构的方法可于步骤(C)后还包括一步骤(D)，形成至少一薄膜层于此层状结构的表面，而形成此至少一薄膜层的方法较佳为蒸镀或溅镀。当本发明的形成具有复数个微孔洞的层状结构的方法所使用的基板为P型硅基板时，此薄膜层的材质较佳为硼、镓、铍或镁。当本发明的形成具有复数个微孔洞的层状结构的方法所使用的基板为N型硅基板时，此薄膜层的材质较佳为磷、砷、硫或氧。本发明的形成具有复数个微孔洞的层状结构的方法可于步骤(D)后还包括一步骤(E)，将此基板、此硅层及此薄膜层退火处理。而此退火处理时的温度，较佳介于700℃至900℃。
本发明的太阳电池可还包括一夹置于基板及背接点之间的底保护层。本发明的太阳电池电极的基板可由任何材质构成，较佳为P型硅基板或N型硅基板。本发明的太阳电池电极的层状结构可由任何晶格种类的硅构成，较佳为单晶硅、多晶硅或非晶硅。当本发明的太阳电池电极的基板为P型硅基板时，此层状结构的材质较佳为N型材料，其为混入VA或VIA元素。当本发明的太阳电池电极的基板为N型硅基板时，此层状结构的材质较佳为P型材料，其为混入IIA或IIIA元素。本发明的太阳电池的层状结构可具有任何尺寸的微孔洞，其平均直径较佳介于150nm至450nm。
本发明的太阳电池的层状结构可由任何晶格种类的硅构成，较佳为单晶硅、多晶硅或非晶硅。当本发明的太阳电池的基板为P型硅基板时，此层状结构的材质较佳为N型材料，其为混入VA或VIA元素。本发明的太阳电池的基板为N型硅基板时，此层状结构的材质较佳为P型材料，其为混入IIA或IIIA元素。
图1a、图1b为形成具有复数层纳米球层的基板的方法示意图。
图2为本发明一较佳实施例的形成具有复数个微孔洞的层状结构的方法示意图。
图3为本发明另一较佳实施例的太阳电池的电极示意图。
图4为本发明又一较佳实施例的太阳电池的示意图。
具体实施例方式
由于本发明一较佳实施例形成具有复数个微孔洞层状结构的方法必需使用到一具有复数层纳米球层于其表面的基板，所以先叙述形成此种基板的步骤则如下请参阅图1，首先，提供一P型硅基板11及一胶体溶液12，此胶体溶液12具有复数个纳米球(图中未示)及一介面活性剂。接著，将P型硅基板11放置于胶体溶液12的容器13中，使P型硅基板11浸入胶体溶液12中。待静置数分钟以后，复数个纳米球14逐渐堆积于P型硅基板11的表面并自动堆叠成复数层纳米球层。这些纳米球的材质为氧化硅(SiOx)，且其平均直径介于150nm至450nm之间。但在不同的应用场合中，亦可以使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)或氧化钛(TiOx)材质的纳米球，且其尺寸并不仅限于前述的范围，可依照实际需要改变其尺寸。
随后，将具有挥发性的丙酮溶液15例入容器13中，将前述胶体溶液12挥发掉。待胶体溶液12被挥发干净后，再将P型硅基板11从容器13中取出，便得到一具有复数层纳米球层于其表面的P型硅基板11。
再如图2所示，本发明一较佳实施例的形成具有复数个微孔洞的层状结构的方法再利用有机金属化学气相磊晶法(MOCVD)，同时于前述的复数层纳米球层的间隙及P型硅基板11的部分表面形成一硅层21，且将具有硅层21的P型硅基板11以700℃至900℃进行退火处理，以使构成硅层21单晶硅的晶粒相位排列整齐。当完成退火步骤后，将P型硅基板11及位于其上的硅层21浸入一氢氟酸溶液(图中未示)中，移除位于硅层21中的纳米球14而形成复数个位于硅层21中的微孔洞22。需注意的是，若使用不同材质的纳米球，则移除纳米球所需的溶液并不相同，即若纳米球的材质为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，则使用的溶液为甲酸(formic acid)；若纳米球的材质为聚苯乙烯(PS)，则使用的溶液为丁酮或甲苯。
当形成复数个微孔洞22于硅层21中后，再利用蒸镀的方式在硅层21上表面形成一层镓薄膜23，且利用退火处理的方式，将镓薄膜23的组成成份扩散进入硅层21中，使得硅层21转变为具有复数个微孔洞的N型硅层。
图3是本发明另一较佳实施例的太阳电池的电极示意图，此电极是利用前述方法制造。其中，基板31为可透光的氧化铟锡玻璃，而位于基板31表面的层状结构32具有复数个平均直径介于150nm至450nm之间的微孔洞321。但除此以外，基板31的材质亦可为不透光的单晶硅。况且，当基板31的材质为P型硅基板时，层状结构32的材质为砷化镓，而当基板31的材质为N型硅时，层状结构32的材质为硒化镉。
图4是本发明又一较佳实施例的太阳电池的示意图，太阳电池40配合一外部回路(图中未示)，将光能转换为电能并输出至另一装置(图中未示)。太阳电池40除了具有与图3所示电极具有相同功能的部分以外(P型硅基板41、由N型单晶硅构成的层状结构42及微孔洞421)，还具有位于层状结构42上表面的透明保护层43、两前电极44、位于P型硅基板41下表面的底保护层45及背电极46。其中，透明保护层43的材质为玻璃，底保护层45的材质为二氧化硅，而前电极44及背电极46的材质均为银且分别电连接于层状结构42及P型硅基板41。
在实际运转时，从外界入射光线的光子经由透明保护层43进入太阳电池40的内部。光子在太阳电池40的层状结构42及P型硅基板41之间来回碰撞，使得层状结构42及P型硅基板41同时产生复数个电子及复数个电穴，即均形成复数个电子-电穴对。此时，那些位于由N型单晶硅构成的层状结构42的电穴朝向P型硅基板41移动，而那些位于P型硅基板41的电子则朝向由N型单晶硅构成的层状结构42移动。这些移动的电子及电穴分别通过前电极44及背电极46进入一外部回路中(图中未示)，形成一电流。此时，太阳电池40便将入射光线的光子所携带的能量转换为电能，完成光电转换的程序。
上述实施例仅为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范围应以申请专利范围所述为准，而非仅限于上述实施例。
权利要求
1.一种形成具有复数个微孔洞的层状结构的方法，包括(A)提供一具有复数层纳米球层于其上表面的基板，其中该等纳米球层由复数个纳米球堆叠而成；(B)形成至少一硅层于该等纳米球层间隙与该基板部分上表面；以及(C)移除该等纳米球，形成一具有复数个微孔洞的层状结构于该基板的上表面。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中步骤(A)的形成该等纳米球层于该基板上表面的方法，包括(A1)提供该基板及一位于该容器的胶体溶液，且该胶体溶液具有该等纳米球及一介面活性剂；(A2)放置该基板于该容器中，且该胶体溶液覆盖至少部分该基板上表面；以及(A3)加入一具挥发性的溶液于该容器中，移除该介面活性剂并于该基板上表面形成该等纳米球层。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中该方法于步骤(B)后还包括一步骤(B1)，将该基板及该硅层退火处理。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中该基板的材质为单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、磷化铟、磷化镓铟或硒化铟铜。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中该等纳米球的材质为氧化硅。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中该硅层是利用有机金属化学气相磊晶法形成于该等纳米球层间隙与该基板部分上表面。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中该硅层为单晶硅。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中该等纳米球是利用一氢气酸溶液移除。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中该方法于步骤(C)后还包括一步骤(D)，形成至少一薄膜层于该层状结构表面。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，其中该薄膜层是以蒸镀法形成于该层状结构表面。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，其中该基板为P型硅基板且该薄膜层的材质为磷。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，其中该基板为N型硅基板且该薄膜层的材质为镁。
13.如权利要求9所述的方法，其特征在于，其中该方法于步骤(D)后还包括一步骤(E)，将该基板、该硅层及该薄膜层退火处理。
14.一种太阳电池的电极，包括一具有一上表面的基板；以及一层状结构，该层状结构位于该上表面并具有复数个微孔洞。
15.如权利要求14所述的电极，其特征在于，其中该基板的材质为单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、磷化铟、磷化镓铟或硒化铟铜。
16.如权利要求14所述的电极，其特征在于，其中该层状结构的材质为单晶硅。
17.如权利要求14所述的电极，其特征在于，其中该基板为P型硅基板且该层状结构的材质为砷化镓。
18.如权利要求14所述的电极，其特征在于，其中该基板为N型硅基板且该层状结构的材质为硒化镉。
19.一种太阳电池，配合一外部回路，包括一基板；一层状结构，位于该基板表面并具有复数个微孔洞；一透明保护层，位于该层状结构表面；至少一前接点，电连接于该层状结构；以及至少一背接点，电连接于该基板；其中，该外合回路为电连接于该前接点及该背接点。
20.如权利要求19所述的太阳电池，其特征在于，其中该太阳电池还包括一夹置于该基板及该背接点之间的底保护层。
21.如权利要求19所述的太阳电池，其特征在于，其中该层状结构的材质为单晶硅。
22.如权利要求19所述的太阳电池，其特征在于，其中该基板为P型硅基板且该层状结构的材质为砷化镓。
23.如权利要求19所述的太阳电池，其特征在于，其中该基板为N型硅基板且该层状结构的材质为硒化镉。
全文摘要
本发明是关于一种太阳电池层状结构的制造方法、太阳电池电极及太阳电池，尤指一种可形成一具有复数个次微米级空洞的层状结构且可提升太阳电池光电转换效率的制造方法。本方法包括(A)提供一具有复数层纳米球层于表面的基板，(B)形成至少一硅层于纳米球层间隙与此基板部分表面，及(C)移除此等纳米球层，形成一具有复数个微孔洞的层状结构。本太阳电池包括一基板、一位于此基板的表面并具有复数个微孔洞的层状结构、一位于此层状结构的表面透明保护层、至少一电连接于此层状结构的前接点及至少一电连接于此基板的背接点。
文档编号H01L31/0224GK1808727SQ20051000465
公开日2006年7月26日 申请日期2005年1月21日 优先权日2005年1月21日
发明者李崇华, 陈建清 申请人:李崇华