TW201031006A - Photovoltaic device with increased light trapping - Google Patents

Description

201031006 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明之實施例大體而言係關於具有增加之效率及較 大可撓性之諸如太陽能電池之光伏（PV)元件，及其製 造方法。 【先前技術】 Φ 隨著化石燃料正以不斷增加之速率被耗盡，對替代能 源之需要正變得愈來愈明顯。得自風、太陽及流水之能 量提供對化石燃料（諸如煤、石油及天然氣）之可再生、 環境友好的替代物。由於幾乎在地球上任何地方可容易 地得到’太陽能可能總有一天成為可行替代物。 為了利用來自太陽之能量’太陽能電池之接面 (junction)吸收光子以產生電子電洞對，該等電子電洞 對由接面之内電場分離以產生電壓，藉此將光能轉換為 ® 電能。可藉由串聯連接太陽能電池增加產生之電壓，且 可藉由並聯連接太陽能電池增加電流。可將太陽能電池 集合在太陽能電池板上。反流器可耦接至若干太陽能電 池板以將DC功率轉換為AC功率。 然而’相對於當代元件之低功率水準而言，生產太陽 能電池之現行南成本正阻止太陽能電池成為主流能源且 限制太陽能電池所適合之應用。因此，需要適合於各種 應用之更有效的光伏元件。 4 201031006 【發明内容】 本發明之實施例大體而言係關於用於以與習知太陽能 電池相比時效率增加的將電磁輻射（諸如太陽能）轉換 為電能之方法及裝置。 本發明之一實施例提供一種光伏（PV )元件。該PV 元件通常包括：一 p+型摻雜層；一 η型摻雜層，其安置 於該Ρ+型摻雜層上方以形成一 ρ_η層，使得在光子由該 ρ-η層吸收時生成電能；一窗層，其安置於該η型摻雜層 上方，及一抗反射塗層，其安置於該窗層上方。 本發明之另一實施例提供一種ρν元件。該ρν元件通 常包括··一 p+型摻雜層；一„型摻雜層，其安置於該p + 型摻雜層上方以形成一 p_n層，使得在光由該p_n層吸 收時生成電能；一窗層’其安置於該η型摻雜層上方； 及一漫射體，其安置於該〆型摻雜層下方。

【實施方式】 本發明之實施例提供用於以與習知太陽 效率增加的將電磁輕射^ 相耵I箱如太％能）轉換為電能之技 術及裝置。 示範性光伏單元 第1圖以橫截面圖示光伏（PV)單元刚之各 層。可使用任何適合半導體生長之方法，諸: 晶法（麵h戈金屬有機化學氣相沈積（mocvd)2 5 201031006 種層形成於基板（未圖示）上。 PV單元100可包含形成於基板上方之窗層1〇6及任何 下伏的緩衝層。窗層106可包含碎化銘鎵（AiGaAs )， 諸如Al〇.3Ga〇.7As。窗層1〇6可未經摻雜。窗層ι〇6可為 透明的以允許光子通過PV單元之前側上的窗層至其他 下伏層。 基層108可形成於窗層106上方。基層ι〇8可包含任 何適合ιιι-ν族化合物半導體，諸如GaAs。基層1〇8可 φ 為單晶體且可經η型摻雜。 如第1圖中所圖示，發射極層110可形成於基層1〇8 上方。發射極層110可包含任何適合ΙΪΙ-ν族化合物半導 體以用於與基層108形成異質接面。舉例而言，若基層 108包含GaAs’則發射極層no可包含不同半導體材料， 諸如AlGaAs (例如，AlojGawAs)。若發射極層11〇與 窗層106二者皆包含AlGaAs，則發射極層11〇之 AlxGai-xAs組合物可與窗層之AlyGai-yAs組合物相同或 不同。發射極層110可為單晶體且可緻密地經p型掺雜 (亦即’ P+型摻雜 > 基層108與發射極層110之組合可 形成用於吸收光子之吸收層。 η型摻雜基層與p+型摻雜發射極層之接觸生成ρ η層 112 ^當光在ρ-η層112附近被吸收以產生電子電洞對 時，内建電場可推動電洞至ρ +型摻雜側且推動電子至η 型摻雜側。自由電荷之此移位產生兩個層1〇8、11()之間 的電壓差，使得電子電流在負載跨接在耦接至此等層之 6 201031006 端子兩端時可流動。 習知光伏半導體元件通常具有p塑摻雜基層及n+型摻 雜發射極層，而非上文所描述之η型摻雜基層1〇8及p+ 型摻雜發射極層11〇。歸因於載流子之漫射長度，基層 通常在習知元件中經ρ型摻雜。 一旦已形成發射極層11〇,空腔或凹座114可足夠深地 形成於發射極層中以到達下伏基層1〇8。可（例如）藉 _ 由使用光微影將光罩施加至發射極層11〇且使用任何適 合技術（諸如濕式或乾式蝕刻）移除發射極層u〇中未 由光罩覆蓋之半導體材料來形成此等凹座114。以此方 式，可經由PV單元100之後侧存取基層1〇8。 對於一些實施例’界面層116可形成於發射極層no 上方。界面層116可包含任何適合ΙΠ_ν族化合物半導 體’諸如GaAs。界面層110可經ρ+型摻雜。 一旦已形成磊晶層，在磊晶剝離（ELO )製程期間， ❹ PV單兀1〇〇之功能層（例如，窗層ι〇6、基層^⑽及發 射極層110)可與緩衝層1〇2及基板分離。 示範性光補獲 為了達成效率，理想光伏（PV)元件之吸收層將吸收 冲射於PV it件之面向光源之前側上的所有光子，因為 開路電壓（Fee)或短路電流（d與光強度成比例。然 而右干損耗機構通常干擾pv元件之吸收層看到或吸 收到達元件之前側的所有光。舉例而言，PV元件之半導 7 201031006 體層可為發亮的（尤其在由純 ▼取或時），且因此可反射 沖射光子之實質部分，從而防 防止此等光子不斷到達吸收 層。若兩個半導體層（例如， 菌層及基層）具有不同折 射率，則在其入射角過高之情 度況下’可根據司乃耳定律 (Snell’s Law)反射到達此箄兩伽 此寻兩個層之間的界面之一些 光子’從而再次防止此等弁早 哥元于到達吸收層。此外，該吸 收層可能並不吸收所有沖射光子. 兀*于，—些光子可通過吸收

層而不影響任何電子電洞對。 因此，需要技術及裝置用以俘獲沖射於ρν元件之前 側上之光’錢得盡可能多的光子可由吸收層吸收且被 轉換為電能。以此方式，Ρν元件之效率可增加。 可將用於在PV元件之半導體層内補獲光的裝置分成 兩個種類：前側光補獲及後側光補獲。藉_在ρν元件 中使用兩種類型之光補獲’其思想係，沖射於ρν元件 之前側上的幾乎所有光子可被俘獲且在半導體層内「回 彈」直至光子由吸收層吸收且被轉換為電能。 示範性前側光補獲 第2圖圖示根據本發明之實施例之抗反射（ar)塗層 802’其安置在鄰近於pv單元1〇〇之前侧上之窗層1%。 根據其目的，AR塗層802可包含允許光通過其表面同時 防止自其表面反射光之任何適合材料。舉例而言，ar塗 層802可包含氟化鎂（MgI?2)、硫化鋅（ZnS )、氮化矽 (SiN)、二氧化鈦（Ti〇2)、二氧化矽（Si〇2)，或其任 8 201031006 何組合。可藉由任何適合技術（諸如濺鍍）將AR塗層 802塗覆於窗層ι〇6。 對於一些實施例’可在塗覆抗反射塗層8〇2之前粗糙 化或紋理化窗層106。第3圖圖示經粗縫化之窗層1 〇6。 可（例如）藉由濕式蝕刻或乾式蝕刻實現窗層丨〇6之粗 縫化。可藉由在塗覆AR塗層802之前將小粒子（諸如 聚苯乙烯球）施加於窗層1〇6之表面而達成紋理化。藉 由粗糙化或紋理化窗層106’在可具有不同折射率之AR ® 塗層802與窗層之間的界面處提供不同夾角。以此方 式’更多入射光子可透射至窗層1〇6中而非自ar塗層 8〇2與窗層之間的界面反射，因為根據司乃耳定律，一 些光子之入射角過高。因此’粗糙化或紋理化窗層1〇6 可提供增加之光補獲。 又對於一些實施例’窗層106可包含多個窗層。對於 此等實施例，可如上文所描述在塗覆抗反射塗層8〇2之 ❹ 前粗糙化或紋理化最外窗層（亦即，最接近於PV單元 100之前侧的窗層），如第4圖中所圖示。在第4圖中， 窗層106包含經安置鄰近於基層1〇8之第一窗層1002及 摘入於第一窗層1002與抗反射塗層802之間的第二窗層 1004。第一窗層1002及第二窗層10〇4可包含如上文所 描述適合於窗層106之任何材料，諸如AlGa As，但通常 具有不同組合物。舉例而言，第一窗層1002可包含

Al〇_3Ga0.7As，且第二窗層 1004 可包含 Al〇jGaojAs。此 外，對於一些實施例’該多個窗層中之一些可經摻雜， 9 201031006 而其他未經摻雜。舉例而言，第一窗層i 〇〇2可經摻雜， 且第二窗層1004可未經掺雜。 示範性後側光補獲 對於一些實施例，如上文關於前侧所描述，可粗糙化 或紋理化PV單元100之後侧上的發射極層11〇，以致力 於増加光補獲。第5圖圖示此經粗糙化之發射極層u〇。 鲁 第6圖圖示PV單元100之後側上的漫射體丨2^以致 力於增加由吸收層俘獲之光的量。漫射體12〇2之目的為 漫射或散射通過吸收層而未被吸收之光子，而非類似於 反射角等於入射角之鏡面而反射光子。對於一些實施 例’漫射體1202可由反射層12〇4覆蓋。以此方式，漫 射體1202可提供新的角至入射光子，一些光子可被重定 向回到PV單元之内部。對於被定向至Pv單元之後側的 其他光子，反射層1204可經由漫射體1202將此等光子 ® 重定向回來且朝向pv單元之内部。儘管在光子被散射 且在内部重定向時，一些光可由漫射體12〇2吸收，但許 多光被重疋向至吸收層而得以被吸收且轉換為電能，藉 此增加效率。不具有漫射體及反射層之習知PV元件可 能無法重新俘獲到達元件之後側而最初未由吸收層吸收 的光子。 對於一些實施例’漫射體12〇2可包含介電粒子1302， 如第7圖中所圖示。介電粒子可包含電絕緣且不吸收光 之任何適合材料。介電粒子13〇2可具有約〇 2至2.〇 μιη 10 201031006 之範圍中的直徑。介電粒子13〇2可由白色塗料13〇4覆 蓋，白色塗料13〇4反射光且可充當用於將光子重定向回 至PV單元100之内部的反射層。白色塗料13〇4可（例 如）包含Ti02。 對於一些實施例，漫射體12〇2可包含金屬粒子14〇2, 如第8圖中所圖示。金屬粒子1402可反射未由吸收層吸 收之光子，且藉由具有大量金屬粒子14〇2，在將光子重 ❸ moo之内部之前可使光子在不同方向上 散射若干次。金屬粒子14〇2可具有約15〇至2〇〇 nm2 直徑，從而充當相對緊密的散射體。由於漫射體12〇2中 之較細粒子，PV單元100之厚度可保持較小，藉此維持 PV單元100之所要可撓性。 因為金屬粒子1402為導電的，所以可使界面層116之 側表面鈍化以防止金屬粒子14〇2干擾元件之操作。可使 用任何適合鈍化方法，諸如化學氣相沈積（CVD )或電 參 漿增強型CVD( PECVD )使界面層116純化。鈍化劑1404 可包含任何適合不導電材料，諸如氮化矽（SiN)、Si〇x、 ΤιΟχ、TaOx、硫化鋅（ZnS ) ’或其任何組合。此外，對 於一些實施例’介電層1406可形成於金屬粒子14〇2上 方以致力於避免使任何後側接觸分流，如第8圖中所描 繪。介電層1406可包含任何適合電絕緣材料，諸如 Si〇2、SiN或玻璃。 儘管上述内谷係針對本發明之實施例’但可在不脫離 本發明之基本範疇之情況下設計本發明之其他及更多實 11 201031006 施例，且本發明之範疇係由以下申請專利範圍來確定。 【圖式簡單說明】 因此，可詳細理解本發明之上述特徵結構之方式可 參照實施例獲得上文簡要概述之本發明之更特定描述， 其中某些實施例圖示於附加圖式中。然而，應注意，附 加圖式僅圖示本發明之典型實施例，且因此不欲視為其 Φ 範疇之限制，因為本發明可允許其他同等有效之實施例。 第1圖以橫截面根據本發明之實施例之光伏（pv )單 元的多個磊晶層。 第2圖圖示根據本發明之實施例之添加至pv單元之 别側上之半導體層的抗反射塗層。 第3圖圖示根據本發明之實施例之在塗覆抗反射塗層 之前粗糖化窗層。 第4圖圖不根據本發明之實施例之多個窗層其中在 ❿ t覆抗反射塗層之前粗糙化最外窗層。 第5圖圖示根據本發明之實施例之PV單元之後側上 的經粗糙化之發射極層。 第6圖圖不根據本發明之實施例之PV單元之後側上 的漫射體。 第7圖圖不根據本發明之實施例之充當第6圖之漫射 體的介電粒子及白色塗料。 第8圖圖不根據本發明之實施例之充當第6圖之漫射 12 201031006 體的金屬粒子。 【主要元件符號說明】 100 光伏（PV)單元 106 窗層 108 基層 110 發射極層

112 p-n 層 116 界面層 802 抗反射（AR)塗層 1002 第一窗層 1004 第二窗層 1202 漫射體 1204 反射層 1302 介電粒子 1304 白色塗料 1402 金屬粒子 1404 鈍化劑 1406 介電層 13

Claims (1)

1. 201031006 七、申請專利範圍： 1. 一種光伏（PV)元件，其包含： 一 P +型摻雜層； 一 η型摻雜層’其安置於該p+型摻雜層上方以形成一 p_n 層’使得在光子由該p-n層吸收時生成電能； 一窗層’其安置於該η型摻雜層上方；及 一抗反射塗層，其安置於該窗層上方。 參 2.如申請專利範圍第1項之PV元件，其中該η型摻雜 層包含η型GaAs ’且該〆型摻雜層包含ρ+型A1GaAs。 3. 如申請專利範圍第1項之PV元件，其中該抗反射塗 層包含MgF2、ZnS、SiN ' Ti02、Si02 .或其任何組合。 4. 如申請專利範圍第丨項之PV元件，其中鄰近於該抗 ❿ 反射塗層之該窗層的一表面已經粗糙化以提供不同角以 用於增加之光補獲。 5. 如申請專利範圍第丨項之Pv元件，其進一步包含插 入於該窗層與該抗反射塗層之間的粒子以提供不同角以 用於增加之光補獲。 6·如申請專利範圍第5項之PV元件，其中該等粒子包 含聚苯乙烯球》 201031006 7.如申請專利範圍第1項之W元件，其中該窗層包含 一第一窗層’其安置於該η型摻雜層上方；及 -第二窗層，其安置於該第一窗層上方。 8. 如申請專利範圍第7項之ρν元件，其令該第一窗層 及該第二窗層包含A1GaAs，但具有不同組合物。 9. 如申請專利範圍第7項之pv元件，其中該第一窗層 經摻雜且該第二窗層未經摻雜。 10.如申請專利範圍第7項之Pv元件，其中鄰近於該抗 反射塗層之該第二窗層的一表面已經粗糙化以提供不同 角以用於增加之光補獲。 ❿ U.如申請專利範圍第7項之PV元件，其進一步包含插 入於該第二窗層與該抗反射塗層之間的粒子以提供不同 角以用於增加之光補獲。 12. 如申請專利範圍第j項之pv元件，其中該p+型務雜 層之一底表面已用粒子粗糙化或紋理化以提供不同角以 用於增加之光補獲。 13. 如申請專利範圍第12項之PV元件，其中該等粒子 15 201031006 包含聚苯乙場球。 14. 一種光伏（pv)元件’其包含： 一 P+型摻雜層； 一 η型摻雜層，其安置於該P+型摻雜層上方以形成一 p 層，使得在光由該ρ-η層吸收時生成電能； 一由層’其安置於該η型摻雜層上方；及 一漫射體，其安置於該p+型摻雜層下方。 其中該漫射體 15.如申請專利範圍第14項之PV元件 包含複數個介電粒子。 70件’其中該複數個 16.如申請專利範圍第15項之ρν 介電粒子由白色塗料覆蓋。

   17·如申請專利範圍第16項之pV元件 料包含Ti02。 其中該白色塗 18.如申請專利範圍第15項之pV ; μ t 70件，其中該等介電 粒子具有約0.2至2.0 μιη之直徑。 其中該漫射體 19.如申請專利範圍第14項之ρν ; 件 包含複數個金屬粒子。 16 201031006 20. 如申請專利範圍第19項之PV元件，其中該等金屬 粒子具有約150至200 nm之直徑。 21. 如申請專利範圍第19項之PV元件，其進一步包含 一安置於該等金屬粒子下方之介電層。 22. 如申請專利範圍第21項之PV元件，其中該介電層 包含Si02、SiN或玻璃。 23. 如申請專利範圍第14項之PV元件，其進一步包含 一安置於該漫射體下方之反射層。 24. 如申請專利範圍第14項之PV元件，其中該p+型摻 雜層之一底表面已用粒子粗糙化或紋理化以提供不同角 以用於增加之光補獲。 參 25. 如申請專利範圍第24項之PV元件，其中該等粒子 包含聚苯乙烯球。 17