TWI470816B - 太陽能電池 - Google Patents

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Zhencheng Wu
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Description

太陽能電池
本發明是有關於一種太陽能電池，且特別是有關於一種具有埋入電極的太陽能電池。
太陽能似乎是一種用之不竭的能源，因此太陽能的相關研究引起許多注意。太陽能電池便是為了將太陽能直接轉換成電能而開發的裝置。目前，太陽能電池通常由單晶矽及多晶矽製成，且佔據大於90%之太陽能電池市場。雖然利用太陽能電池發電具有諸多優點，但因其光電轉換效率不夠高，而造成太陽能電池未能普遍地使用。有鑑於此，研究人員致力於提高太陽能電池的光電轉換效率。
本發明係提供一種太陽能電池，俾能提高太陽能電池的光電轉換效率。此太陽能電池包含一第一電極、至少一埋入電極、一光電轉換層以及一第二電極。光電轉換層位於第一電極以及第二電極之間，且配置在第一電極和埋入電極上。埋入電極設於第一電極上，且埋入電極嵌設於光電轉換層。
依據本發明一實施方式，第二電極之一面積小於第一電極之一面積，且埋入電極與第二電極不重疊。
依據本發明一實施方式，光電轉換層包含一射極層以及一半導體層。射極層位於第一電極上。半導體層位於射極層上，其中射極層與半導體層形成一PN接面。
依據本發明一實施方式，半導體層為n型矽層。
依據本發明一實施方式，射極層包含一重摻雜部分，且重摻雜部分圍繞埋入電極。
依據本發明一實施方式，光電轉換層更包含一表面電場層，位於半導體層上，且接觸第二電極。
依據本發明一實施方式，第二電極不接觸埋入電極。
依據本發明一實施方式，上述太陽能電池更包含一截光層位於光電轉換層上，且截光層具有一凹凸表面。
依據本發明一實施方式，埋入電極之一厚度為約30μm至約130 μm。
依據本發明一實施方式，埋入電極之一寬度為約5μm至約30 μm。
為了使本揭示內容的敘述更加詳盡與完備，下文針對了本發明的實施態樣與具體實施例提出了說明性的描述；但這並非實施或運用本發明具體實施例的唯一形式。以下所揭露的各實施例，在有益的情形下可相互組合或取代，也可在一實施例中附加其他的實施例，而無須進一步的記載或說明。
在以下描述中，將詳細敘述許多特定細節以使讀者能夠充分理解以下的實施例。然而，可在無此等特定細節之情況下實踐本發明之實施例。在其他情況下，為簡化圖式，熟知的結構與裝置僅示意性地繪示於圖中。
第1圖會示本發明一實施方式之太陽能電池100的立體示意圖。太陽能電池100包含第一電極110、至少一埋入電極120、光電轉換層130以及第二電極140。入射光L由第二電極140之一側傳遞進入光電轉換層130，光電轉換層130再將入射的光線轉變為電能。
第一電極110以及第二電極140分別配置於光電轉換層130的相對兩側，用以將太陽能電池100所產生的電能傳遞至一外部負載裝置(未繪示)。第一電極110位於太陽能電池100的入光面的相對側。在一實施方式中，第一電極110為整面性地形成在光電轉換層130的下方。第一電極110可包含例如鋁、銀、銅、鎳等金屬材料，可藉由各種物理氣象沈積技術來形成第一電極110。
第二電極140位於入射光L之一側，如第1圖所示。第二電極140可由透光或不透光的導電材料所製成。在第二電極140為不透光導電材料的實施方式中，第二電極140可為圖案化的電極，例如長條狀或其他形狀。第二電極140之面積舉例係小於第一電極110之面積。入射光L可經由未被第二電極140覆蓋的區域進入光電轉換層130。在此實施方式中，第二電極140可例如為銀、銅等導電性高的金屬所製成。另一方面，在第二電極140為透光導電材料的實施方式中，第二電極140可毯覆式地形成，而不具有特定的圖案。在此實施方式中，第二電極140可例如為氧化銦錫、氧化鋅、氧化錫或氧化鋅鎂等導電性高的氧化物所製成。
埋入電極120設於第一電極110上，用以收集光電轉換層130所產生的電流載子，例如電子或電洞。埋入電極120為導電率高的金屬所製成，且電性連接第一電極110。埋入電極120延伸進入光電轉換層130中，並且嵌設於光電轉換層130。因此，當光電轉換層130吸收光並產生電子/電洞載子時，載子傳遞至第一電極110的路徑得夠縮短，從而避免載子在傳遞至第一電極110的過程中發生電子-電洞再結合的現象。因此，可提高太陽能電池100的光電轉換效率。在一實施方式中，埋入電極120實體連接第一電極110，且埋入電極120的厚度T為光電轉換層130的厚度H的約20%至約80%，更佳係為約40%至70%。若埋入電極120的厚度T太小，則所能提供的功能有限。若埋入電極120的厚度T太大，則可能影響到入光面的表面結構。因此，根據本發明之一實施方式，埋入電極120的厚度T為光電轉換層130的厚度H的約20%至約80%，所以埋入電極120不會接觸第二電極140。埋入電極120可例如為圓柱狀結構、六面柱狀結構或圓錐狀結構。埋入電極120的厚度可例如為約30 μm至約130 μm，更明確地為約50μm至約100 μm。埋入電極120的寬度W可例如為約5μm至約30 μm，更明確地為約10μm至約20 μm。
在一實施方式中，埋入電極120與第二電極140不重疊。具體而言，第二電極140為圖案化電極，第二電極140在第一電極110上的垂直投影不會與埋入電極120重疊。亦即，埋入電極120不是配置在第二電極140的正下方。在第二電極140為不透光的圖案化電極的實施方式中，第二電極140會遮蔽部分的入射光L，所以位在第二電極140正下方附近的光電轉換層130的部分所接收到的光能量較少，因此所產生的載子也相對較少。若將埋入電極120設置在第二電極140的正下方，會使埋入電極120原本能具有的傳遞載子的效果受限。因此，根據本發明之一實施方式，埋入電極120是配置在第二電極140正下方以外的位置。
埋入電極120的其中一特徵是位在太陽能電池100入光面的相對側，因此埋入電極120不會遮蔽入射光L。據此，埋入電極120配置的數量及密度以及位置排列的自由度可大幅提高。
光電轉換層130位於第一電極110以及第二電極140之間，且光電轉換層130位於第一電極110和埋入電極120上。光電轉換層130所產生的載子可經由埋入電極120而傳遞至第一電極110。換言之，埋入電極120為載子提供一個較短的傳遞路徑，而得以降低或避免電子與電洞發生再結合的現象，從而具有較高的短路電流(short circuit current)，並提高整體太陽能電池100的光電轉換效率。
在一實施方式中，光電轉換層130包含射極層132、半導體層134以及表面電場層136，如第1圖所示。
半導體層134位在射極層132上，且半導體層134與射極層132之間形成一PN接面。半導體層134可為n型半導體層，例如n型矽層；射極層132可為p型半導體層，例如p型矽層。因此，射極層132與半導體層134的介面處形成一PN接面。射極層132的厚度可例如為約2-20μm，更明確地為約5-15μm。在半導體層134為n型矽層以及射極層132為p型矽層的實施例中，n型矽層中的摻雜濃度可例如為約7×1014 (1/cm3 )，p型矽層的摻雜濃度可例如為約2×1018 (1/cm3 )。
射極層132位於第一電極110以及埋入電極120上，並且射極層132沿著第一電極110以及埋入電極120的表面起伏。上述配置關係，讓所形成的PN接面的面積能夠增加，並因此提高光電轉換層130的光電轉換效率。射極層132可包含一重摻雜部分132a，且重摻雜部分132a圍繞埋入電極120，用以降低埋入電極120與半導體層134之間的介面電阻。
表面電場層136位於半導體層134上，且接觸該第二電極140。表面電場層136為與半導體層134相同類型的半導體材料，但是其摻雜濃度大於半導體層134的摻雜濃度。例如，表面電場層136可為摻雜濃度約5×1019 (1/cm3 )的n型矽層。表面電場層136的厚度可例如為約0.1至約3μm。表面電場層136用以增加光電轉換層130中的內建電場。
在另一實施方式中，太陽能電池100更包含一截光層150位於入射光L的一側。截光層150具有一凹凸表面，且配置在光電轉換層130上。當入射光L傳遞進入光電轉換層130後，截光層150可將入射的光線截留在太陽能電池100內，避免已經進入到光電轉換層130的光線再經由太陽能電池100內部的反射現象而離開太陽能電池100。所以，進入光電轉換層130的光線可被光電轉換層130充分吸收，進而提高光電轉換效率。在此實施方式中，將埋入電極120設置在第一電極上，更能突顯其重要性。因為埋入電極120設置在第一電極上，所以不會對截光層150的凹凸表面造成任何不利的影響。
下表一列出本發明一實施方式的太陽能電池100以及習知技術中不具有埋入電極之太陽能電池的光電性質。根據本發明實施方式的太陽能電池100的開路電壓(Voc)、短路電流密度(Jsc)、充填因子(fill factor,F.F)以及光電轉換效率(E)分別為0.6331 V、36.95 mA/cm2 、79.12%以及18.51%。習知技術之不具有埋入電極之太陽能電池的開路電壓、短路電流密度、充填因子以及光電轉換效率分別為0.6337 V、36.62 mA/cm2 、79.1%以及18.36%。由此可證實，具有埋入電極的本發明實施方式，確實可提高整體太陽能電池的光電轉換效率。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．太陽能電池
110．．．第一電極
120．．．埋入電極
130．．．光電轉換層
132．．．射極層
134．．．半導體層
132a．．．重摻雜部分
136．．．表面電場層
140．．．第二電極
150．．．截光層
L．．．入射光
T．．．埋入電極厚度
H．．．光電轉換層厚度
W．．．埋入電極寬度
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：
第1圖會示本發明一實施方式之太陽能電池的立體示意圖。
100．．．太陽能電池
110．．．第一電極
120．．．埋入電極
130．．．光電轉換層
132．．．射極層
134．．．半導體層
132a．．．重摻雜部分
136．．．表面電場層
140．．．第二電極
150．．．截光層
L．．．入射光
T．．．埋入電極厚度
H．．．光電轉換層厚度
W．．．埋入電極寬度

Claims (10)

  1. 一種太陽能電池，包含：一第一電極，其中該第一電極的材料為金屬材料；至少一埋入電極，設於該第一電極上；一光電轉換層，該光電轉換層位於該第一電極和該埋入電極上，且該埋入電極嵌設於該光電轉換層，其中該埋入電極的厚度為該光電轉換層的厚度之20%至80%；以及一第二電極，其中該光電轉換層位於該第一電極以及該第二電極之間。
  2. 如請求項1所述之太陽能電池，其中該第二電極之一面積小於該第一電極之一面積，且該埋入電極與該第二電極不重疊。
  3. 如請求項1所述之太陽能電池，其中該光電轉換層包含：一射極層，位於該第一電極上；以及一半導體層，位於該射極層上，其中該射極層與該半導體層形成一PN接面。
  4. 如請求項3所述之太陽能電池，其中該半導體層為n型矽層。
  5. 如請求項3所述之太陽能電池，其中該射極層包含一重摻雜部分，且該重摻雜部分圍繞該埋入電極。
  6. 如請求項3所述之太陽能電池，其中該光電轉換層更包含一表面電場層，位於該半導體層上，且接觸該第二電極，該表面電場層之材料為半導體材料。
  7. 如請求項1所述之太陽能電池，其中該第二電極不接觸該埋入電極，該埋入電極為圓柱狀結構、六面柱狀結構或圓錐狀結構。
  8. 如請求項1所述之太陽能電池，更包含一截光層位於該光電轉換層上，且該截光層具有一凹凸表面。
  9. 如請求項1所述之太陽能電池，其中該埋入電極之一厚度為約30μm至約130μm。
  10. 如請求項1所述之太陽能電池，其中埋入電極之一寬度為約5μm至約30μm。
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