TW201108438A - Enhanced efficiency solar cells and method of manufacture - Google Patents

Description

201108438 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明大體而言係關於太陽能電池，且更特定言之係 關於增強效率的太陽能電池及其製造方法。 【先前技術】 太陽能電池或光伏打電池係為將日光轉換為電能之元 件。此轉換係藉由光伏打效應來完成。當前，存在諸多 不同類型之太陽能電池；然而’所有太陽能電地皆需要 一包含於電池結構中之光吸收材料，以經由光伏打效應 來吸收光子並產生電子。通常使用該光吸收材料之多種 物理構形以利用其不同光吸收值及電荷分離機制。 在大多數狀況下’光伏打電池或太陽能電池係由矽電 池或薄膜電池製成。目前已被開發之各種薄膜技術減少 了製造太陽能電池中所需之光吸收材料之數量（或質 量）。如此可產生比塊材（例如’矽薄膜）之製造成本小 的製造成本且亦降低能量轉換效率（平均7%至10%之效 率）。薄膜電池可為（例如）沈積於支撐基板上之無機層、 有機染料及有機聚合物。另一類用於太陽能電池之材料 包含嵌入支撐基體中之奈米晶體（例如，電子約束之奈 米粒子）。 第一代電池由大面積、·高品質單晶、單接面元件組成。 然而’此代元件涉及尚能量及人力成本，如此使得其製 造極其昂貴。又，單接面矽元件正接近其效率限制。已

S 201108438 设计出第二代電池及其製造方法以解決太陽能電池之能 量需求及生產成本問題。舉例而言，已開發了替代性製 造技術（諸如，汽相沈積技術及電鍍技術）以降低製造 成本及人力成本。舉例而言，其中一種較成功之第二代 電池係使用碲化鎘（CdTe)、銅銦鎵硒、非晶矽及微晶矽。 將此等材料應用於一薄膜中作為其支撐基板（諸如玻璃 或陶瓷）上，此舉可降低材料質量且降低成本。第三代 技術旨在提高第二代技術（薄膜技術）之不良電氣效能， 同時維持極低之生產成本。 然而，無論第幾代，太陽能電池效率仍較低，其部分 歸因於缺少將可獲得之光能適當導引至太陽能電池之半 導體表面上。且當前，很少實用方法能在此等元件中達 到較高之效率。 因此’在此項技術中需要克服上文所描述之缺陷及限 制。 【發明内容】 在本發明之一態樣中，一種太陽能電池包含至少一或 多個聚光透鏡條，每一聚光透鏡條在前觸點之側面上延 伸且經安置於一或多個有效區域中之一個別有效區域 上。該聚光透鏡條經安置以將光引導至該一或多個有效 區域上。該太陽能電池亦包含覆蓋至少一或多個聚光透 鏡條之一保護層。 在本發明之另一態樣中，一太陽能電池包含：複數個 4 201108438 經由摻雜半導體材料所構成之有效區域；複數個位於該 複數個有效區域之側面上之前觸點；複數個聚光透鏡 條，每一聚光透鏡條與該複數個前觸點平行延伸且經安 置於沿著介於該複數個前觸點間之有效區域之整個長度 或實質上整個長度上；及覆蓋該複數個聚光透鏡條之一 保護層。 在本發明之另一態樣中，一種製造一太陽能電池之方 法包含以下步驟：在一半導體材料上形成一或多個有效 區域；在該半導體材料上形成一或多個前金屬觸點；藉 由沈積及回流（reflow)製程在該一或多個有效區域上且 在該一或多個前金屬觸點之間形成聚合物透鏡條；及在 該等聚合物透鏡條上沈積一保護層。 【實施方式】 本發明大體而言係關於太陽能電池，且更特定言之係 關於增強效率的太陽能電池及其製造方法《在實施例 中’本發明使用影像感測技術认在太陽能電池之表面上 建造或集成微透鏡。更有利地來說，該透鏡不需要附加 單元（add-on unit)即可擷取光並將光重定向至太陽能電 池之有效區域上。將添加透鏡作為製造程序之一部分可 降低成本’且在實施例中’藉由將光直接導引至太陽能 電池本身，可提高太陽能電池之整體效率。 在實施例中，根據前觸點之位置，可將透鏡置放於結 構表面上之任何位置。然而較佳地，透鏡之位置應經安 5 201108438 置在能提供一無阻礙光路徑至太陽能電池之有效區域 上。更有利地來說’透鏡將擷取更多光並將其重定向至 太1%能電池之有效區域上，進而增加太陽能電池之輸出。 在實施例中’本發明使用聚合物形式之透鏡來將光導 引至有效區域。在一組態中’該透鏡為安置於前金屬觸 點之間的區域中的條狀物。此位置及組態將使光直接匯 集至太陽能電池之有效區域。在實施例中，透鏡可為沿 著有效區域之整個長度或實質上整個長度之狹長形（而 非單個像素）^又’在實施例中，可將保護層直接置放於 聚合物形式之透鏡上。在其他實施例中，該保護層可完 全覆蓋聚合物形式之透鏡。在實施例中，保護層可使用 二氧化矽或SiNx。 在其他實施例中’仍可將附加單元與本發明之太陽能 電池結合使用’以進一步增加太陽能電池之輸出。又， 儘管本發明係參閱矽基太陽能電池來描述，但是熟習此 項技術者應瞭解’本發明亦涵蓋其他類型之太陽能電池。 第1圖展示根據本發明之態樣之初始結構。特定而言 之’第1圖展示沈積於一石夕基板層80上之一後觸點10, 其中該矽基板層80包含形成於基板80之底部部分上之 一 P型半導體20及形成於基板80之上部部分中之一 N 型半導體30。在實施例中，p型半導體2〇可為摻雜硼之 矽且N型半導體30可為摻雜磷之矽。 使用習知沈積及圖案化技術將複數個前（金屬）觸點 40沈積並圖案化於N型半導體30上。儘管在第i圓中 201108438 展示了四個前觸點40，但是熟f此項技術者將理解 發明涵蓋四個以上之觸點。在實施例令，該前觸 蓋電池之5%至45%之間的梦且係沿著有效區域•之長 度呈列狀排列。該前觸點及後觸點可為（例如）叙或其 他金屬或金屬合金。 在實施例中，在相鄰之前觸點4〇之間的間隔界定該有 效區域術’且其寬度可約為i微米至3公釐。舉：而 言，使用單晶石夕，則前觸·點4〇之間的典型間隔大致可為 3公釐。在另—實例中，使用多晶梦或非晶# ,則相鄰 前觸點40之間的間隔可約為2〇〇微米。在實施例中，前 觸點40之寬度可約為1微米至i公釐，典型寬度大致為 200微米以最小化電阻效應。在鋁上網版印製/漆塗之前 觸點40之平均厚度範圍約50微米至2微米之間，而沈 積/蒸鍍鋁之平均厚度為2微米。 第2圖展示根據本發明之態樣的最終結構。特定而言 之，第2圖展示複數個聚光透鏡條5〇與第丄圖之結構組 合之圖示。特定而言之’該聚光透鏡條5〇係提供（例如， 經沈積及圖案化）於曝露之N型半導體30上，係介於每 一前觸點40之間。在實施例中，該聚光透鏡條50相對 於刖觸點40平行延伸且係直接位於一或多個介於前觸 點40之間之有效區域4〇a上。在可選實施例中，可將抗 反射塗層65沈積於聚光透鏡條50上方或下方，以擷取 更多光並將其導引至太陽能電池之有效區域（非金屬化 區域）上。在實施例中，一或多個聚光透鏡條5〇係直接 201108438 位於抗反射塗層65上。 該聚光透鏡條50可具有一三角截面，以沿著其整個長 度將光有效地聚焦至前觸點40上》熟習此項技術者將理 解’如下文所描述之本發明亦涵蓋其他截面形狀。藉由 將光直接聚焦至有效區域40a上以彌補因前觸點40所造 成之表面積之損失，可將太陽能電池之效率提高大約 3 0%至45%。該聚光透鏡條5〇之間的間隔可在相距大約 0.4微米（對於1 um高之透鏡而言）至彼此接觸之範圍 内。 在實施例中，該聚光透鏡條50可由聚合物組成，該等 聚合物包括（例如）中紫外光（MUV)光阻劑、聚醯亞胺， 及/或苯并環丁烯。該透鏡條亦可由諸如Si〇2的無機材料 (亦即，具有高可見光透射率的材料）構成。另外，在 實施例中’該聚光透鏡條50之形狀及尺寸將視製造程序 所使用之遮罩及回流製程之類型而定。該聚光透鏡條5〇 之形狀及尺寸之特性包括（例如）該透鏡之高度及焦距。 在各種實施例中，使用遮罩及回流製程可獲得各種透鏡 形狀’該等透鏡形狀自稜柱至球形至三角形。在其他實 施例中，該聚光透鏡條50之高度視觸點本身（或參閱第 3圖，平坦化層70)之厚度而定。另外，在各種實施例 中’該聚光透鏡條50之特定透射率可為9〇%至99%或更 大。 仍參閱第2圖，將保護層6〇直接沈積於聚光透鏡條 50上。在實施例中，該保護層6〇之厚度可在約1〇〇埃 201108438 至約0.5微米之厚度範圍内，典型厚度為〇5微米。在實 施例中保6蒦層60之外部表面包覆聚光透鏡條5〇且通 吊與聚光透鏡條50之形狀一致。 熟習此項技術者將瞭解，保護層60(及抗反射塗層65 ) 可使用不同材料及尺寸。該抗反射塗層65可為參照保護 層60所論述之任何材料。在實施例中，該保護層6〇可 為（例如）使用習知化學氣相沉積（CVD)製程所沈積之

Si〇2。如其他實例，該保護層6〇可為使用低溫氧化物 (LTO )製程所沈積之Si〇2 ^在實施例中氧化物為保 護透鏡以及作為抗反射塗層之適當材料。舉例而言氧 化物之折射率大致為K46，該折射率介於空氣之折射率 (亦即，1.0 )與聚合物透鏡之折射率（亦即，} 6 )之間。 在任何實施例中，保護層60將不妨礙光到達聚光透鏡條 5 0上。 在其他實施例中，抗反射塗層65可為SiNx。SiNx為 適合之材料’因為其折射率為198，係介於聚合物透鏡 之折射率（亦即’ 1.6)與矽之折射率（亦即，2 〇)之間。 在其他實施例中’可將SiNx之變體（諸如，氮氧化矽或 富含矽之氮化物）用作保護塗層。在任何實施例中，抗 反射塗層65將不妨礙光到達有效區域4〇a上。 在一實施例中，抗反射塗層可在透鏡上方或下方（作 為平坦化層之一部分或一單獨層），且必須具有在空氣之 折射率（1.0)與矽之折射率（2.0)之間的一增加折射率。 嚴格而言，透鏡上方之抗反射塗層之折射率必須在空氣 9 201108438 之折射率（1.0)與透鏡之折射率（ι 6)之間，且透鏡下 方之抗反射塗層之折射率必須在透鏡之折射率（16)與 矽基板之折射率（2.0)之間。 第3圖展示根據本發明之態樣之替代性結構。特定而 言之，第3圖展示一平坦化層7〇，其係直接沈積於前觸 點40 (並與其接觸）及曝露之n型半導體3〇上。在實 施例中，該平坦化層70可為一光阻層，其厚度大致為下 層金屬層（例如，前觸點40)之兩倍。在實施例中，該 平坦化層70可為經沈積之SiNx，且可使用習知之化學氣 相沉積（CMP)製程來平坦化。 仍參閱第3圖，該聚光透鏡條5〇係直接形成於平坦化 層70上。在此實施例中，平坦化層7〇藉由（例如）允 許聚光透鏡條50完全覆蓋該表面（例如，在前觸點4〇 及N型半導體30間之（有效區域4〇a)上方），來允許 其改良覆蓋，進而增加光擷取且實質地聚焦至有效區域 40a (非金屬化區.域）上。更特定言之，#由使用平坦化 層70,所形成之聚光透鏡條5〇可彼此接觸每一聚光 透鏡條可大致位在相鄰前觸點4〇之間的中心處。又該 聚光透鏡條50之間的接觸可最小化穿過透鏡側面之漏 光。 該聚光透鏡條50係由保護層6〇 (諸如，、siN 或本文論述之其他材料）戶斤覆蓋。如在Μ實施例中，X 保護層60之外部表面包覆聚光透鏡條5〇且通常與聚光 透鏡條50之形狀一致。在—實施例中，保護層具有 10 201108438 沿著聚光透鏡條50之整個表面之保角塗層（c〇nf〇rmal coating) ° 在可選實施例中’該抗反射塗層65可沈積於透鏡50 之上方或下方，以擷取更多光並將其導引至太陽能電池 之有效區域40a上。在實施例中，一或多個聚光透鏡條 5〇係直接位於抗反射塗層65上。抗反射塗層65可為參 照保護層6 0所論述之任何材料。 第4圖展示根據本發明之態樣的示範性透鏡組態。更 特疋言之，第4圖展示具有特定尺寸之第3圖之實施例。 特定而言之’在矽基板層80上提供複數個前觸點4〇 , 接著平坦化層70係形成於複數個前觸點4〇及矽基板層 8〇之暴露區域（例如，有效區域4〇a)上。該聚光透鏡 條50係安置於平坦化層7〇上，與有效區域4〇a對準。 如圖所展示’該聚光透鏡條5〇在有效區域4〇a上之平坦 化層70上提供完全覆蓋。在一示範性實施例中， (0該聚光透鏡條50之高度（由箭頭r a」表示）係 約為13 1 um ; (11)該聚光透鏡條50在平坦化層70之界面上的高度 (由箭頭「B」表示）係約為4〇〇 um ; (iii )平坦化層70之高度（由箭頭r c」表示）可約 為 205 um ; (iv) 有效區域40a之寬度（由箭頭「〇」表示）可約 為200 um ;且 (v) 有效區域40a之高度（由箭頭「e」表示）可約 201108438 為 50 um。 然而應瞭解’本發明亦涵蓋其他尺寸。又，如第4圖 所展示’該聚光透鏡條50將光聚焦至有效區域上，並使 光遠離該金屬觸點40。 習知本項技術者應瞭解，第2圖與第3圖（及第4圖） 中所展示之配置皆使用透鏡條’該等透鏡條係架設在前 觸點之間的開放區域（有效區域40a)之整個長度或實 質上整個長度上。另外，第2圖與第3圖中之配置皆使 用透鏡’該等透鏡越寬越好以儘可能掏取更多的光，例 如’至少為有效區域40a之寬度。又，該透鏡條亦經組 態、經成形及經構造以將光導引至有效區域4〇上。 如熟習此項技術者將進一步瞭解，第2圖及第3圖（及 第4圖）中所展示之實施例可（例如）使用習知建造製 程舉例而s，建造並成形該等透鏡可包括光阻劑塗覆、 曝光及顯影之通用製程，繼之以回流製程以進一步成形 透鏡。在實施例中，若使用一平坦化層（如第3圖所展 不）’則將視用於平坦化層之材料而決定特定製程。舉例 而》，若使用聚合物（諸如光阻劑），則該製造之特定製 程流程可包括在光阻劑上使用紡絲。然而，若使用氮化 矽聖層，則可使用沈積製程（諸如，化學汽相沈積（) 製程）。 在特定實施例中’ 一種製造太陽能電池之方法包括以 下步驟·在半導體材料上形成一或多個有效區域。此步 驟可藉由以下步驟來執行：用適合之摻雜劑（諸如，蝴 12 201108438 等）來摻雜半導體材料。可使用金屬製程之絲網印刷、 剝離圖案化或金屬蝕刻，在半導體材料上形成金屬觸點 40。藉由沈積及回流製程在一或多個有效區域上且在一 或多個前金屬觸點之間形成聚合物透鏡條。如上文所論 述’可用習知方式將保護層沈積於聚合物透鏡條上。可 藉由以下步驟來形成平坦化層：在一或多個有效區域及 前金屬觸點上沈積光阻劑層’隨後平坦化該光阻劑層。 本文使用之術語旨在描述特定實施例且不意欲為本發 明之限制。如本文所使用，單數形式「一（ a)」、「一（时）」 及「該（the)」同樣意欲包括複數形式，除非本文另有 明確指示。應將進一步瞭解，當用於本說明書時，術語 「包含（comprises)」及/或「包含（comprising)」列舉 所述特徵結構、整數、步驟、操作、元件，及/或組件之 存在，而並不排除存在或添加一或多個其他特徵结構、 整數、步驟、操作、元件、組件，及/或其群組。 所有方法或步驟之相應結構、材料、行為及等效物以 及下文申請專利範圍中之功能元件（若有），欲包括以結 合其他經主張之元件作為其具體主張來執行其功能之任 何結構、材料或行為。本發明之描述為達說明及描述之 目的，故不欲視為全面，或對本發明所揭示之形式的限 制。在不脫離本發明之範疇及精神情況下，諸多修改及 變化可為一般技術者所瞭解。所選擇並描述之該等實施 例係為了對本發明之原則及其實際應用有更佳的解釋， 且使習知本項技術者能夠瞭解本發明之具有適於特定使 13 201108438 用構思之各種修改的各種實施例。 【圖式簡單說明】 本篇發明將描述於以下之【實施方式】中，並以本發 明之示範性實施例之非限制性實例的方式’來參閱所提 及之複數個圖式》 第1圖展示根據本發明之態樣之初始姑構； 第2圖展示根據本發明之態樣之具有透鏡組態的電 池； 第3圖展示根據本發明之態樣之具有透鏡組態的電池 之一實施例；及 第4圖展示根據本發明之態樣的示範性尺寸。 【主要元件符號說明】 1 〇 後觸點 20 Ρ型半導體 30 Ν型半導體 40 前觸點 40a有效區域 50 聚光透鏡條 60 保護層 70 平坦化層 80 層/基板層/基板 201108438 A 箭頭 B 箭頭 C 箭頭 D 箭頭 E 箭頭

A 15

Claims (1)

1. 201108438 七、申請專利範圍： 1. 一種太陽能電池，其包含： 至少一或多個聚光透鏡條，每— 母&先透鏡條在前觸點之 側面上延伸且係安置於—戋多侗 次少個有效區域之一個別有效 區域，在該位置將仏丨導至該—或多個有效區域上；及 -保護層’其覆蓋至少該—或多個聚光透鏡條。 2.如申請專利範圍第丨項之太陽能電池，其中至少該 或多個聚光透鏡條係直接位於該一或多财效區域上 該等有效區域係介於該等前觸點與沿著該有效區域之 整個長度或實質上一整個長度之間。 3.如申請專利範圍第丨項之太陽能電池，其中至少該一 或多個聚光透鏡條係位於一抗反射塗層上，該抗反射塗 層係位於該一或多個有效區域上。 4.如申請專利範圍第1項之太陽能電池，其中該保護層 為' 抗反射塗層。 5·如申請專利範圍第1項之太陽能電池，其進一步包 含：一平坦化層’該平坦化層係覆蓋該一或多個有效區 域及該等前觸點，其中至少該一或多個聚光透鏡條係位 於該平坦化層上。 16 201108438 6·如申請專利範圍第5項之太陽能電池，其進一步包 含·一抗反射塗層，該抗反射塗層係在該一或多個聚光 透鏡條下。 7.如申請專利範圍第5項之太陽能電池，其中該一或多 個聚光透鏡條中之相鄰聚光透鏡條彼此接觸，以完全覆 蓋在該一或多個有效區域及相鄰前觸點上之該平坦化 層。 8·如申請專利範圍第1項之太陽能電池，其中該一或多 個聚光透鏡條由聚合物材料所組成。 9.如申請專利範圍第8項之太陽能電池，其中該聚合物 材料為以下材料中之至少一者：光阻劑、聚醯亞胺及苯 并環丁烯。 1〇.如申請專利範圍第i項之太陽能電池，其中該一或多 個聚光透鏡條為以下形狀中之一者：一三角形、一棱柱 及球形。 如申請專利範圍第丨項之太陽能電池，其中該保護層 為以下其中一者：Si〇2及SiNx。 S 17 201108438 12. 如申請專利範圍第i項之太陽能電池其中該一或多 個聚光透鏡條中相鄰透鏡之間的間隔約為〇 4微米至 0.0，且該保護層具有一厚度約在1〇〇埃至約〇 5微米的 一範圍内。 13. —種太陽能電池，其包含： 複數個有效區域，其係由一掺雜半導體材料構成； 複數個前觸點’其係安置於該複數個有效區域之側面上； 複數個聚光透鏡條，每一聚光透鏡條與該複數個前觸點 平行延伸且在該複數個前觸點之間係沿著該等有效區域 之一整個長度或實質上一整個長度來安置；及 一保護層，其覆蓋複數個該聚光透鏡條。 14. 如申請專利範圍第13項之太陽能電池，其進一步包 含：一平坦化層’該平坦化層係提供於該複數個聚光透 鏡條與該複數個前觸點及有效區域之間，其中該複數個 聚光透鏡條彼此接觸且完全覆蓋在該平坦化層之上，該 平坦化層係在至少該等有效區域及複數個該等前觸點之 相鄰前觸點之上。 15. 如申請專利範圍第14項之太陽能電池，其進一步包 含：一抗反射塗層，該抗反射塗層係在該複數個聚光透 鏡條下。 18 201108438 16.如申請專利範圍第13項之太陽能電池，其進一步包 含：一抗反射塗層’該抗反射塗層係在該複數個聚光透 鏡條下。 17. —種製造一太陽能電池之方法，其包含以下步驟： 在一半導體材料上形成一或多個有效區域； 在該半導體材料上形成一或多個前金屬觸點； 藉由沈積及回流製程在該一或多個有效區域上且在該一 或多個前金屬觸點之間形成聚合物透鏡條；及 在該等聚合物透鏡條上沈積一保護層。 18. 如申請專利範圍第17項之方法其進一步包含以下 步驟： 在該一或多個有效區域及前金屬觸點上沈積一光阻劑 層；及 平坦化該光阻劑層，其中 形成該等聚合物透鏡條之步驟係形成於平坦化光阻劑層 上0 19.如申請專利範圍第18項之方法，其中相鄰聚合物透 鏡條係與彼此接觸而形成。 W如申請專利範圍第17項之方法，其進一步包含以下 步驟·在料聚合物透鏡條下沈積—抗反射塗層。