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TWI565091B - 光電元件 - Google Patents

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TWI565091B
TWI565091B TW101125505A TW101125505A TWI565091B TW I565091 B TWI565091 B TW I565091B TW 101125505 A TW101125505 A TW 101125505A TW 101125505 A TW101125505 A TW 101125505A TW I565091 B TWI565091 B TW I565091B
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吳健銘
林明璋
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晶元光電股份有限公司
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

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  • Photovoltaic Devices (AREA)

Description

光電元件
本發明揭露一種光電元件，包含光電轉換結構、第一與第二電極以及抗反射結構，其中光電轉換結構更包含一具有氮化物的透明導電層電性連接光電轉換結構之上。
現今世界各國意識到石化能源枯竭的風險，以及對環境保護議題日漸重視，利用替代能源與再生能源的相關技術不斷地發展，例如生質能源或是廢棄物發電等綠能技術，其中太陽能電池(solar cell)更是近年吸引各大廠商投入資源發展的項目。太陽能電池可將太陽能轉換成電能，尤其當日照量越大及模組聚光率越高時，單位面積的發電量越高，發電成本也越便宜。
常見太陽能電池的基本架構包括光電轉換層，其一側連接上電極而另一側與下電極連接。為了能夠有效的吸收太陽光以轉換為電能，可增加太陽能電池的吸光量，例如隨著太陽的移動調整太陽能電池的位置以增加太陽能電池接受日照的時間，或是將太陽能電池的電極透明化或最小化以減少遮光量。此外，以矽作為光電轉換層的太陽能電池的轉換效率大約為12%~20%，當改以III-V族元素作為轉換層的太陽能電池其效率則增加為31%~41%，其中光電轉換效率的差異來自於不同材料所能吸收的光波長不同，如III-V族材料可吸收太陽光譜中300~1900nm波長之能量並轉換成電能，而以矽作為材料的太陽能電池可以吸收 太陽光譜中400~1100nm的波長範圍，透過增加吸收太陽光譜中的波長範圍提升同樣時間內所能吸收的太陽光，因此達到增加產生的電能。另外，亦可利用光學透鏡將太陽光聚集到太陽能電池上，即無須改變既有太陽能電池內部結構與材料。
本發明係揭露一種光電元件，包含一光電轉換結構包含一第一p型半導體層、一第一n型半導體層、以及一第一pn界面介於第一p型半導體層及第一n型半導體層之間；一第一電極，電性連接第一p型半導體層；一第二電極，電性連接第一n型半導體層；以及一抗反射結構，包含一透明導電層形成於光電轉換結構之上並與之電性連接，其中，透明導電層之材料包含氮化物。
本發明係揭露一種光電元件，其中光電轉換結構更包含一第二n型層、一第二p型層、及一第二pn界面介於第二n型層及第二p型層之間，其中第二pn界面與第一pn界面具有不同之能隙。
如圖1所示為本發明之一實施例，係揭露一太陽能電池10包含第一電極20、第二電極30、下半導體層14、上半導體層16以及具有氮化物材料的抗反射結構12，其中第一電極20與上半導體層16電性連接以及第二電極30與下半導體16電性連接。當光線入射到太陽能電池10，經過抗反射結構12再由上半導體層16與下半導體層14進行光電轉換，在上半導體層16與下半導體層14之間的pn界面18產生電流再由第一電極20與第二電 極30收集。其中抗反射結構12可將上半導體層16往外反射的光線再次反射回以達到增加光電轉換效率的效果。其中，抗反射結構12所包含的氮化物材料係具有特定氮組成之氮化鋁(Al100-XNX)，並且氮含量小於百分之五十。
圖2所示係第一抗反射結構12之細部結構示意圖。抗反射結構12形成在上半導體層16之上，包含了第一絕緣層105與具有氮化物材料的透明導電層103。為了讓入射的太陽光不再反射回空氣中，太陽能電池中抗反射結構12的各層間折射率被設計為越靠近上半導體層16越大，並且透明導電層103的折射率小於下半導體層14與上半導體層16所組成的光電轉換結構的折射率。具體而言，如第一絕緣層105的折射率即小於透明導電層103折射率。如圖3所示，抗反射結構12更可以再包含一第二絕緣層102，其中第二絕緣層102的折射率小於第一絕緣層105的折射率，而第一絕緣層105的折射率小於透明導電層103的折射率。於本實施例中，抗反射結構12中的第一絕緣層105包含氧化鋁，透明導電層103則包含化學式為Al100-XNX的材料。在另一實施例中，如圖3所示，第二絕緣層102則包含氧化矽。在一實施例中，第一絕緣層105與第二絕緣層102的材料包含氧化矽、氟化鎂或氧化鉈，但依然具有第二絕緣層102的折射率小於第一絕緣層105的折射率的特性。由於抗反射結構設置的目的係增加太陽能電池的光電轉換效率，因此抗反射結構12所包含的各層需要具備良好的透光率，其中透明導電層103更需要具備有良好的導電性。如圖4a所示，本發明所揭露用於透明導電層103的材料係Al100-XNX，在入射的光線波長介於400-700nm時反射率均低於10%，而當入射的光線波長在550nm時為出現更低的反射率5%。如果以消光係數來衡量Al100-XNX的透光程度，如圖4b 所示在氮含量大於40%的時候消光係數會大幅下降，而當Al100-XNX所包含的氮含量為48%時消光係數小於1%，表示大部分的光都能穿透Al100-XNX而不被反射或吸收。如圖4c所示，化學式為Al100-XNX的材料在氮含量約48%時折射係數約2.25，因此在一實施例中，如圖2中的抗反射結構12，其第一絕緣層105由折射率約1.67之氧化鋁組成，透明導電層103則為折射率約2.25之Al100-XNX，滿足抗反射結構中越靠近光電轉換結構折射率越大的設計原則。而在另一實施例中，如圖3中的抗反射結構12，其第二絕緣層102的材料係為折射率約為1.5之二氧化矽，形成於第一絕緣層之上，便可形成具有三層結構的抗反射結構12，也同樣滿足抗反射結構中越靠近光電轉換結構折射率越大的設計原則。
本發明所揭露用於抗反射層中的透明導電層的材料係為Al100-XNX，除了具有良好導熱性之外，還具有未與氮結合的鋁離子或分子，可增加導電性。
圖5a所示為目前常見的抗反射結構，即由氧化鋁(Al2O3)作為絕緣層及二氧化鈦(TiO2)作為透明導電層所的雙層抗反射結構42，與本發明一實施例所揭露以Al2O3作為絕緣層及Al100-XNX作為透明導電層的抗反射結構22二者反射率之比較，顯示在入射的波長範圍介於300nm到1500nm之間時兩者反射率非常接近。圖5b所示為由Al2O3與二氧化矽(SiO2)形成的絕緣層及由TiO2作為透明導電層的習知三層抗反射結構62，與本發明一實施例所揭露以Al2O3與SiO2形成的絕緣層及Al100-XNX作為透明導電層的抗反射結構22二者反射率之比較，顯示在入射的波長範圍介於300nm到1500nm之間時，兩者的反射率也是非常接近，顯示本發明所揭露的包含Al100-XNX的抗反射結構與現有的抗反射結 構相比有近似的光學特性。除了近似的光學特性之外，本發明中的Al100-XNX更具有良好的導熱性質，藉由良好的導熱特性可以改善當太陽能電池長時間使用時造成表面散熱不佳使得溫度過高的情形，並改善當表面溫度過高時造成電流傳遞效率變差而出現的產生電流效率降低的問題。
圖6a所示為本發明之另一實施例，揭露一太陽能電池100包含抗反射結構22、包含一第一pn界面28的第一半導體疊層114、導電介面層1040以及包含一第二pn界面38的第二半導體疊層116。其中第一半導體疊層114與第二半導體疊層116係由不同的材料組成，因此第一pn界面28與第二pn界面38具有不同的半導體能隙以吸收太陽光中不同範圍的波長。又如圖6b所示，抗反射結構22包含絕緣層205與透明導電層203，其中透明導電層203包含Al100-XNX。於另一實施例，抗反射結構22係由兩層不同的絕緣層以及一層具有Al100-XNX的透明導電層203組成的三層抗反射結構。
如圖7所示，太陽能電池200包含抗反射結構32、第一半導體疊層118包含第一pn界面48、第一導電介面層1042、第二半導體疊層120包含第二pn界面58、第二導電介面層1044以及第三半導體疊層122包含第三pn界面68。三個半導體疊層的設置主要是為吸收太陽光中不同的波長範圍，因此三個半導體疊層皆由不同的材料組成。在一實施例中，第一半導體疊層118係由磷化銦鎵(InGaP)組成以吸收太陽光中波長範圍300~750nm的部分、第二半導體疊層120係由砷化鎵(GaAs)組成以吸收太陽光中波長範圍500~950nm的部分、第三半導體疊層122係由鍺(Ge)組成以吸收太陽光中波長範圍800~1800nm的部分。圖7中的抗反射結構32係包含一絕緣層與一透明導電層，在別的實施例中 也可以是由兩絕緣層與一透明導電層組成的三層抗反射結構。在一實施例中，太陽能電池更包含一集光裝置位於抗反射結構接收光線的一側，例如透鏡或反射裝置，以聚集更多的太陽光。
為了能夠減少半導體疊層到電極的距離進而縮短電流在半導體疊層內移動的距離，設計上會將電極覆蓋半導體疊層整個表面，讓電流能以較短路徑到達電極並減少在傳遞時造成的損耗，但卻會因電極遮光造成接收入射光的面積減少。因此在某些實施例中，太陽能電池係以透明導電材質製作電極，或是透過改變電極的結構來改善電極遮光的問題。如圖8所示，電極係位於抗反射結構94之上並與抗反射結構94電性連結，其中電極係由柵狀結構90與柱狀結構92形成，透過這種柵欄式的電極設計可以增加覆蓋在太陽能電池入射光表面的範圍而減少電流到達電極的路徑，由於是利用較細的柵狀結構90，與柱狀結構92相比，可減少因為電極覆蓋造成的反射與吸收入射光的入射光損失，同時能覆蓋到較大範圍的太陽能電池表面。在一實施例中，電極與抗反射結構電性連結，但僅柵狀結構與抗反射結構重疊，柱狀結構92係連結於抗反射結構的側壁，其中抗反射結構可以覆蓋在柵狀結構之上或者是柵狀結構位於抗反射結構之上。
以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。
10、100、200‧‧‧太陽能電池
12、22、32‧‧‧抗反射結構
14‧‧‧下半導體層
16‧‧‧上半導體層
18‧‧‧pn界面
20‧‧‧第一電極
30‧‧‧第二電極
28‧‧‧第一pn界面
38‧‧‧第二pn界面
42‧‧‧雙層抗反射結構
62‧‧‧三層抗反射結構
48‧‧‧第一pn界面
58‧‧‧第二pn界面
68‧‧‧第三pn界面
90‧‧‧柵狀結構
92‧‧‧柱狀結構
94‧‧‧抗反射結構
102‧‧‧第二絕緣層
103‧‧‧透明導電層
203a‧‧‧透明導電層
105‧‧‧第一絕緣層
205‧‧‧絕緣層
114‧‧‧第一半導體疊層
116‧‧‧第二半導體疊層
118‧‧‧第一半導體疊層
120‧‧‧第二半導體疊層
122‧‧‧第三半導體疊層
1040‧‧‧導電介面層
1042‧‧‧第一導電介面層
1044‧‧‧第二導電介面層
圖1所示為一種具有抗反射結構的太陽能電池示意圖。
圖2所示為種抗反射結構的示意圖。
圖3所示為另一種抗反射結構的示意圖。
圖4a~4c所示為包含Al100-XNX的各種光學參數與氮含量的關係圖。
圖5a~5b所示為抗反射層結構在不同入射光波長下的透光率關係圖。
圖6a所示為本發明所揭露的一種太陽能電池之實施例。
圖6b所示為本發明所揭露的一種抗反射結構之實施例。
圖7所示為本發明所揭露的一種太陽能電池之實施例。
圖8所示為本發明所揭露的一種太陽能電池的電極實施例。
10‧‧‧太陽能電池
14‧‧‧下半導體層
16‧‧‧上半導體層
20‧‧‧第一電極
30‧‧‧第二電極
12‧‧‧第一抗反射結構
18‧‧‧pn界面

Claims (10)

  1. 一種光電元件，包含：一光電轉換結構包含一第一p型半導體層、一第一n型半導體層、以及一第一pn界面介於該第一p型半導體層及該第一n型半導體層之間；一第一電極，電性連接該第一p型半導體層；一第二電極，電性連接該第一n型半導體層；以及一抗反射結構，包含一透明導電層形成於該光電轉換結構之上並與之電性連接，其中，該透明導電層之材料包含氮化鋁。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光電元件，其中該透明導電層之折射率小於該光電轉換結構之折射率。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之光電元件，其中該抗反射結構更包含一第一絕緣層形成於該透明導電層之上，其中該第一絕緣層之折射率小於該透明導電層之折射率。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之光電元件，其中該抗反射結構更包含一第二絕緣層形成於該第一絕緣層之上，其中該第二絕緣層之折射率小於該第一絕緣層之折射率。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之光電元件，其中該第一絕緣層與該第二絕緣層包含氧化矽、氟化鎂或氧化鉈。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之光電元件，更包含一集光結構用以聚集光線於該抗反射結構之一表面。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之光電元件，其中該光電轉換結構更包含一第二n型層、一第二p型層、及一第二pn界面介於該第二n型層及該第二p型層之間，其中該第二pn界面與該第一pn界面具有不同之能隙。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之光電元件，更包含一電極電性連接該抗反射結構。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之光電元件，其中該電極包含柵狀結構與該抗反射結構重疊。
  10. 如申請專利範圍第4項所述之光電元件，其中該第一絕緣層包含氧化鋁，該第二絕緣層包含二氧化矽。
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