TWI543383B - Buried electrode solar cells, production methods, and multi - face Solar module - Google Patents

Description

掩埋式電極太陽能電池、製作方法，及多接面 太陽能電池模組

本發明是有關於一種太陽能電池、製作方法，及多接面太陽能電池模組，特別是指一種無電極遮光的掩埋式電極太陽能電池、製作方法，及含有該太陽能電池的多接面太陽能電池模組。

在能源短缺及環保意識抬頭下，尋求更具環境親和力及可再生性的替代能源，已經是能源發展的重要課題之一。而其中，太陽能電池因為是直接利用將太陽能轉換成電能，於產生能源的過程中也不會產生危害環境的副產物，且太陽能本身便是能量的形式，分佈廣闊、不受地理限制，容易取得，因此，更是一種極具發展價值的替代能源。

目前太陽能電池以材料分類大致可分成矽晶圓為主的矽晶太陽能電池、薄膜太陽能電池、有機太陽能電池及化合物半導體多接面太陽電池四大類。而目前市場上絕大多數的太陽能電池是以矽(Silicon)為吸光材料，主要是因為以矽為主體的半導體在生產技術與設備都已經相當成熟，且可具有最高的轉換效率。

然而，傳統的太陽能電池結構，大都是在光吸 收單元的頂、底兩面分別形成用於收集光電流的電極，以便於將光吸收單元產生的電流對外輸出。而因為電極一般都是由不透光的材料構成，因此，形成於光吸收單元頂面(即光入射面)的電極，會減小該光吸收單元的光入射面積，而影響太陽能電池的效能。

此外，為了進一步提升太陽能電池的效率，目 前也有利用多接面結構，將具有不同能隙的p-n接面半導體膜層進行堆疊，利用不同能隙的半導體膜層吸收利用太陽光中不同波長的光能，以提升太陽能電池的效率。然而，以多接面太陽電池的結構而言，要在同一製程中精準的控制形成之半導體膜層的能隙差異並不容易，此外，因為不同能隙的半導體膜層其光電轉換效率不同，因此，照光後產生的光電流強度也不同，而該等不同能隙的p-n接面半導體膜層因為以堆疊方式形成，相當於各半導體膜層間是以串聯方式連接，因此，當各個p-n接面半導體膜層產生的光電流強度差異過大，電流匹配度(current matching accuracy)不佳時，也會影響該太陽能電池整體電流的輸出強度。

因此，本發明之目的，即在提供一種不會有電極遮光的掩埋式電極太陽能電池。

於是，本發明的掩埋式電極太陽能電池，包含一透光基板、一絕緣層、一光吸收層、一接觸單元，及一 電極單元。

該絕緣層與該透光基板的其中一表面黏接，具 有一遠離該透光基板的基面。

該光吸收層自該絕緣層的基面向下嵌設於該絕 緣層中，具有一鄰近該透光基板的第二表面，及一遠離該透光基板的第一表面，且該第一表面不被該絕緣層遮覆。

該接觸單元具有分別形成於該光吸收層的該第 一表面及該第二表面的一第一型接觸部，及一第二型接觸部，其中，該第一、二型接觸部是分別由第一型摻雜及第二型摻雜的半導體材料構成。

該電極單元具有一第一電極及一第二電極，該 第一電極自該基面向下嵌設於該絕緣層中，與該光吸收層彼此間隔設置並具有一裸露於該基面的第一接觸面，且該第一型接觸部同時與該第一接觸面及該第一表面連接，該第二電極自該第二接觸部與該光吸收層不相接觸的朝向該絕緣層的基面延伸，具有一外露於該基面的第二接觸面。

此外，本發明的另一目的，在於提供一種掩埋 式電極太陽能電池的製作方法。

於是，該掩埋式電極太陽能電池的製作方法， 包含：一半導體磊晶步驟、一第一蝕刻步驟、一暫時結構形成步驟、一基板置換步驟，及一第二蝕刻步驟。

該半導體磊晶步驟是自一暫時基板表面依序向 上沉積形成一第一型半導體層、一光吸收層，及一第二型半導體層，且該光吸收層具有分別與該第一、二半導體層 連接的第一、二表面。

該第一蝕刻步驟是自該第二型半導體層向下蝕 刻至該第一型半導體層部份的表面露出，並將該第二型半導體層的部分蝕刻移除，令該光吸收層的第二表面露出且殘留於該第二表面的第二型半導體層形成一第二型接觸部。

該暫時結構形成步驟是於該第一型半導體層露 出之表面形成與該光吸收層彼此間隔的一第一電極，及一第二電極，並讓該第二電極與該第二型接觸部連接，形成一暫時結構。

該基板置換步驟是利用一透光的絕緣膠將該暫 時結構以遠離該暫時基板的頂面與一透光基板相黏接，接著，移除該暫時基板，令該第一型半導體層遠離該透光基板的表面露出。

該第二蝕刻步驟是蝕刻移除部分的該第一型半 導導層，並讓殘留於該第一表面的第一型半導體層形成一第一型接觸部，且該第一型接觸部為同時接觸該光吸收層與該第一電極。

再者，本發明的又一目的，在於提供一種多接 面太陽能電池模組。

於是，本發明該多接面太陽能電池模組是由多 個如前所述的掩埋式電極太陽能電池堆疊串聯而得，且任一個位於下方的掩埋式電極太陽能電池的光吸收單元的表面積會大於堆疊於其上方的掩埋式電極太陽能電池的透光 基板的表面積。

本發明之功效在於：利用電極結構設計製得的 掩埋式電極太陽能電池，可避免太陽能電池的電極遮光問題，且經由堆疊串聯後即可得到一具有多能隙的多接面太陽能電池模組，製程簡便且容易控制。

2‧‧‧透光基板

3‧‧‧絕緣層

31‧‧‧基面

32、33‧‧‧絕緣膠

4‧‧‧光吸收層

41‧‧‧第一表面

42‧‧‧第二表面

5‧‧‧接觸單元

51‧‧‧第一型接觸部

52‧‧‧第二型接觸部

6‧‧‧電極單元

61‧‧‧第一電極

611‧‧‧第一接觸面

62‧‧‧第二電極

621‧‧‧第二接觸面

7‧‧‧抗反射層

81‧‧‧半導體磊晶步驟

82‧‧‧第一蝕刻步驟

83‧‧‧暫時結構形成步驟

84‧‧‧基板置換步驟

85‧‧‧第二蝕刻步驟

100‧‧‧暫時基板

101‧‧‧基材

102‧‧‧蝕刻移除層

501‧‧‧第一型半導體層

502‧‧‧第二型半導體層

200‧‧‧多接面太陽能電池 模組

201~203‧‧‧掩埋式電極太陽能 電池

300‧‧‧光學膠

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一示意圖，說明本發明掩埋式電極太陽能電池的實施例；圖2是一文字流程圖，說明本發明該實施例的製作方法；圖3是一流程示意圖，輔助說明圖2；及圖4是一示意圖，說明由本發明該實施例疊置而得的多接面太陽能電池模組。

參閱圖1，本發明掩埋式電極太陽能電池的一實施例，包含：一透光基板2、一絕緣層3、一光吸收層4、一接觸單元5、一電極單元6，及一抗反射層7。

該透光基板2選自矽基化合物、玻璃、高分子等絕緣且透光的材料構成。

該絕緣層3與該透光基板2黏接，具有一遠離該透光基板2的基面31，且是選自例如，環氧樹脂、PI、 金屬氧化物等透光性佳且不吸光的絕緣材料構成。

該光吸收層4由具有預定吸收能隙的p-n接面 半導體膜層，如：p-n InGaAs、p-n GaAs、p-n GaInP等構成，自該絕緣層3的基面31向下嵌設於該絕緣層3中，具有一鄰近該透光基板2的第二表面42，及一遠離該透光基板2的第一表面41，且該第一表面41不被該絕緣層3遮覆。

該接觸單元5，具有分別形成於該第一表面41 及該第二表面42的一第一型接觸部51，及一第二型接觸部52，該第一、二型接觸部是分別由第一型摻雜及第二型摻雜的半導體材料構成。其中，該第一型摻雜及第二型摻雜是指電性彼此相反的摻雜型態，即，當該第一型接觸部51為n型摻雜的半導體材料，該第二型接觸部52則為選自p型摻雜的半導體材料，反之則反。由於該光吸收層4及該接觸部5的相關材料選擇為本技術領域所周知，且非為本發明之重點因此不再多加贅述，於本實施例中，該第一型摻雜為n型摻雜，該第二型摻雜為p型摻雜，該第一、二型接觸部51、52分別為n型摻雜及p型摻雜的氮化鎵。

該電極單元6具有一第一電極61及一第二電極 62。其中，該第一電極61自該基面31向下嵌設於該絕緣層3中，與該光吸收層4彼此間隔設置，具有一外露於該基面31的第一接觸面611，且該第一型接觸部51分別連接該第一接觸面611與該光吸收層3的第一表面41；該第二電極62自該第二接觸部52與該光吸收層4不相接觸的朝 向該絕緣層3的基面31延伸，並具有一外露於該基面31的第二接觸面621。要說明的是，該第一、二電極61、62可視需求及設計，由單一導電材料或是多種導電材料所構成的合金金屬或多層結構，且該第一、二電極61、62的構成材料及膜層結構可為相同或不同；例如，該第一電極61可以分別是由具有一層與該半導體層有較佳歐姆接觸的金，及一層用於與透明導電材料電連接的金/鈹合金構成，而該第二電極62則可以是由金及金/鍺合金構成的雙層結構，於本發明中並不加以限制。

該抗反射層7分別形成於該光吸收層4，未被該 第一、二接觸部51、52覆蓋之該第一、二表面41、42，用於減低對入射光之反射。要說明的是，本發明該實施例是以該光吸收層4的該第一、二表面41、42均同時形成該抗反射層7為例做說明，此可有效減少太陽光自雙面入射時的反射問題，然而，該抗反射層7也可視實際需求及設計，僅形成於其中一表面或是均不形成。

本發明藉由將第一電極61(即頂電極)形成於該 光吸收層4的外側，因此，不會有習知電極因形成於光吸收單元的頂面(即光入射面)，而遮蔽太陽光的問題；此外，本發明該掩埋式電極太陽能電池的透光基板2為可透光，因此可雙面吸光，而不受限於入射光方向，且可用於堆疊而製備太陽能電模組。

茲將前述該掩埋式電極太陽能電池的實施例的 製作方法說明如下。

配合參閱圖2、3，該掩埋式電極太陽能電池的 製作方法包含：一半導體磊晶步驟81、一第一蝕刻步驟82、一暫時結構形成步驟83、一基板置換步驟84，及一第二蝕刻步驟85。

該半導體磊晶步驟81是於一暫時基板100上形成一個可以光伏效應產生電流的光吸收單元。

具體的說，該暫時基板100包括一砷化鎵(GaAs)基材101及一形成於該砷化鎵基材101表面的蝕刻移除層102(例如GaInP)，因此，後續可利用濕式蝕刻方式，移除該蝕刻移除層102，而將該砷化鎵(GaAs)基材100移除。該步驟81是自該蝕刻移除層102表面，以氣相沉積方式依序向上形成具有一n型摻雜的第一型半導體層501、光吸收層4，及一p型摻雜的第二型半導體層502的該光吸收單元。

該第一蝕刻步驟82是自部分的該第二型半導體層502的部份表面向下蝕刻至該第一型半導體層501露出，並將該第二型半導體層502蝕刻移除，令該光吸收層4的第二表面42露出，並讓該第二型半導體層502殘留部分於該第二表面42，且殘留於該第二表面42的第二型半導體層502會形成一第二型接觸部52，接著於該光吸收層4裸露出的第二表面42形成該抗反射層7。較佳地，為了便於後續該第二型接觸部52與其它元件的連接，該第二接觸部52是位於該第二表面42的周緣位置。

該暫時結構形成步驟83是於該第一型半導體層 501露出之表面，形成該第一電極61，及第二電極62，得到一暫時結構。

具體的說，該步驟83是先自該第一型半導體層 501露出之表面形成與該光吸收層4相間隔，且彼此不相連接的該第一電極61；並於該光吸收層4鄰近該第二型接觸部52的側周面形成一層透光且高度不低於該吸收層4的絕緣膠32後，再自該第一型半導體層501露出之表面沿著該絕緣膠32形成與該第二型接觸部52連接的該第二電極62，而形成該暫時結構。較佳地，為了讓該第二電極62與該第二型接觸部52間可具有最大的接觸面積，該第二電極62會延伸至該第二接觸部52的頂面；而若考量用於雙面吸光太陽能電池時，為了避免該第二電極62的遮光，該第二電極62也僅可形成至該第二型接觸部52的側面，而不延伸至該第二型接觸部52的頂面。

該基板置換步驟84是於該暫時結構遠離該暫時 基板100的頂面形成該透光基板2，並移除該暫時基板100。

詳細的說，該步驟84是於該暫時結構上塗佈一 層透光的絕緣膠33，再將該透光基板2與該暫時結構遠離該暫時基板100的頂面相黏接，接著，利用蝕刻液移除該蝕刻移除層102，將該砷化鎵基材101自該暫時結構移除，而令該第一型半導體層501遠離該透光基板2的表面露出。

第二蝕刻步驟85是蝕刻移除部分的該第一型半 導導層501，令該光吸收層4的第一表面41露出，並讓殘留於該第一表面41的第一型半導體層501形成該第一型接觸部51，且該第一型接觸部51僅同時接觸該第一表面41與該第一電極61；最後，再於該光吸收層4露出之該第一表面41形成該抗反射層7，即可完成如圖1所示之該掩埋式電極太陽能電池。

本發明該掩埋式電極太陽能電池因為光線可穿 透該透光基板2，所以，可用來加以上、下疊置，而形成如圖4所示的多接面太陽能電池模組。

詳細的說，本發明多接面太陽能電池模組200 是由多個如圖1所示的掩埋式電極太陽能電池，上、下疊置後串聯而得。於圖4中是以3個如圖1所示的掩埋式電極太陽能電池堆疊為例做說明，且為了說明方便，圖4是將3個掩埋式電極太陽能電池由下至上分別以201、202、203表示。

配合參閱圖1、4，當利用多個如圖1所示的掩 埋式電極太陽能電池進行疊置時，可先以前述之製作方法，選擇具有不同吸收能隙之半導體材料，並依據所欲形成之該光吸收層4的能隙大小，控制光吸收層4的面積大小，讓該光吸收層4的面積與其能隙大小成反比；即具有最大能隙之光吸收層4的掩埋式電極太陽能電池，其光吸收層4會具有最小的面積，而分別製得多個如圖1所示的掩埋式電極太陽能電池201、202、203。接著，再將具有不同能隙的掩埋式電極太陽能電池201、202、203以能隙自低 至高，由下向上堆疊黏接，即可得到如圖4所示的太陽能電池模組。也就是說，圖4中該掩埋式電極太陽能電池201具有最低吸光能隙，所以光吸收層4的面積最大；而該掩埋式電極太陽能電池203具有最高吸光能隙，所以，位在最上層，並具有最小面積的光吸收層4。

該等掩埋式電極太陽能電池201、202、203的 連接方式，則是利用絕緣的光學膠300將位於上方的掩埋式電極太陽能電池203、202的透光基板2與下方的掩埋式電極太陽能電池202、201的抗反射層7的頂面黏接，並令下方的該掩埋式電極太陽能電池202、201的第一、二電極61、62裸露於外，不被遮蓋。也就是說，當兩個掩埋式電極太陽能電池相堆疊時，光學膠300僅會蓋覆下方之該抗反射層7，而會讓該第一、二電極61、62裸露於外，因此，該等掩埋式電極太陽能電池201、202、203經由光學膠300黏接後，即可利用該第一、二電極61、62裸露於外之該第一、二接觸面611、621彼此串聯電連接，而得到如圖4所示的多接面太陽能電池模組。

要說明的是，為了讓該等掩埋式電極太陽能電 池之間電連接的佈線更簡潔易操作，用於相互疊置的掩埋式電極太陽能電池於堆疊時，可控制令上、下位置的該掩埋式電極太陽能電池201、202、203的第一、二電極61、62的方向為彼此交錯，而可更便於對外電連接。此外，要再說明的是，當要將多個多接面太陽能模組並用時，也只要將該等多接面太陽能模組經由裸露於外的該等電極單元 6並聯或串聯即可，由於串聯或並聯的電連接方式為業界所知悉，因此，不再多加說明。

綜上所述，本發明利用電極結構設計，將第一 電極61(即頂電極)形成於該光吸收層4的外側，因此，不會有習知形成於光吸收單元頂面的電極遮蔽太陽光的問題；此外，本發明該掩埋式電極太陽能電池的透光基板2為可透光，因此可雙面吸光，而不受限於入射光方向，且可用於堆疊而製備多接面太陽能電池模組，因為利用堆疊方式形成多接面太陽能電池模組，不須在單一太陽能電池中成長具有多種吸收能隙的半導體膜層，因此，製程簡便容易控制；且藉由讓具有較低能隙的掩埋式電極太陽能電池位於下方且具有較大的吸光面積，因此，可利用吸光面積的調整，控制每一個掩埋式電極太陽能電池產生的電流，讓該等掩埋式電極太陽能電池於堆疊後照光產生的電流可實質相同，增加該等掩埋式電極太陽能電池的電流匹配度，而可有效的利用該等掩埋式電極太陽能電池產生的電流，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2‧‧‧透光基板

3‧‧‧絕緣層

31‧‧‧基面

4‧‧‧光吸收層

41‧‧‧第一表面

42‧‧‧第二表面

5‧‧‧接觸單元

51‧‧‧第一型接觸部

52‧‧‧第二型接觸部

6‧‧‧電極單元

61‧‧‧第一電極

611‧‧‧第一接觸面

62‧‧‧第二電極

621‧‧‧第二接觸面

7‧‧‧抗反射層

Claims (10)

1. 一種掩埋式電極太陽能電池，包含：一透光基板；一絕緣層，與該透光基板的其中一表面黏接，具有一遠離該透光基板的基面；一光吸收層，自該絕緣層的基面向下嵌設於該絕緣層中，具有一鄰近該透光基板的第二表面，及一遠離該透光基板的第一表面，且該第一表面不被該絕緣層遮覆；一接觸單元，具有分別形成於該第一表面及該第二表面的一第一型接觸部，及一第二型接觸部，其中，該第一、二型接觸部是分別由第一型摻雜及第二型摻雜的半導體材料構成；及一電極單元，具有一第一電極及一第二電極，該第一電極自該基面向下嵌設於該絕緣層中，與該光吸收層彼此間隔設置並具有一裸露於該基面的第一接觸面，且該第一型接觸部同時與該第一接觸面及該第一表面連接，該第二電極自該第二接觸部與該光吸收層不相接觸的朝向該絕緣層的基面延伸，具有一外露於該基面的第二接觸面。
2. 如請求項1所述的掩埋式電極太陽能電池，還包括形成於該第一、二表面的至少其中之一表面的一抗反射層。
3. 如請求項1所述的掩埋式電極太陽能電池，其中，該第 一型摻雜為n型摻雜，該第二型摻雜為p型摻雜。
4. 一種掩埋式電極太陽能電池的製作方法，包含：一半導體磊晶步驟，自一暫時基板表面依序向上沉積形成一第一型半導體層、一光吸收層，及一第二型半導體層，且該光吸收層具有分別與該第一、二半導體層連接的第一、二表面；一第一蝕刻步驟，自該第二型半導體層的部份表面向下蝕刻至該第一型半導體層露出，再將該第二型半導體層的部分蝕刻移除，令該光吸收層的第二表面露出，且殘留於該第二表面的第二型半導體層形成一第二型接觸部；一暫時結構形成步驟，於該第一型半導體層露出之表面形成與該光吸收層彼此間隔的一第一電極，及一第二電極，並讓該第二電極與該第二型接觸部連接，形成一暫時結構；一基板置換步驟，利用一透光的絕緣膠將該暫時結構以遠離該暫時基板的頂面與一透光基板相黏接，接著，移除該暫時基板，令該第一型半導體層遠離該透光基板的表面露出；及一第二蝕刻步驟，蝕刻移除部分的該第一型半導導層，並讓殘留於該第一表面的第一型半導體層形成一第一型接觸部，且該第一型接觸部為同時接觸該光吸收層與該第一電極。
5. 如請求項4所述的掩埋式電極太陽能電池的製作方法， 其中，該暫時結構形成步驟還進一步於該第二表面形成一抗反射層。
6. 如請求項4所述的掩埋式電極太陽能電池的製作方法，其中，該暫時結構形成步驟是先於該光吸收層鄰近該第二型接觸部的側周面形成一絕緣層，該第二電極是自該第一型半導體層露出之表面沿著該絕緣層而與該第二型接觸部連接。
7. 如請求項4所述的掩埋式電極太陽能電池的製作方法，其中，該第一型半導體層為n型摻雜的半導體材料構成，該第二型半導體層為p型摻雜的半導體材料構成。
8. 如請求項4所述的掩埋式電極太陽能電池的製作方法，還包含一實施於該第二蝕刻步驟之後的抗反射層形成步驟，於該第一表面形成一抗反射層。
9. 一種多接面太陽能電池模組，是由多個如請求項1所述的掩埋式電極太陽能電池，堆疊串聯而得，且任一個位於下方的掩埋式電極太陽能電池的光吸收層的表面積會大於堆疊於其上方的掩埋式電極太陽能電池的透光基板的表面積。
10. 如請求項9所述的多接面太陽能電池模組，其中，該等掩埋式電極太陽能電池的光吸收層具有至少兩種不同能隙。