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TW201817051A - 光吸收層及包括光吸收層之光伏打裝置 - Google Patents

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亨瑞克 林史多
吉歐凡尼 菲力
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艾克瑟格操作公司
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Abstract

本發明係關於一種用於光伏打裝置之光吸收層(1a)，其包含摻雜半導電材料之複數個晶粒(2)及由與該等晶粒實體接觸之電荷導電材料製成的電荷導體(3)。該等晶粒部分地以該電荷導體(3)覆蓋，以使得複數個接面(4)形成於該等晶粒與該電荷導體之間。

Description

光吸收層及包括光吸收層之光伏打裝置
本發明係關於包括光吸收層之光伏打裝置(諸如太陽能電池)的領域。本發明亦係關於一種用於光伏打裝置之光吸收層。
光伏打裝置使用展現光伏打效應之半導電材料來提供光電轉換。
典型的光伏系統使用太陽電池板，太陽電池板各自包含產生電力之許多太陽能電池。太陽能電池或光伏打裝置為直接將日光轉化成電之裝置。入射於太陽能電池之表面上的光產生電力。太陽能電池具有光吸收層。當光子之能量等於或大於光吸收層中之材料的帶隙時，光子由材料吸收且產生光激發電子。以與基底不同之另一方式摻雜前表面，從而產生PN接面。在照明下，光子被吸收，藉此產生在PN接面中分離之電子-電洞對。在太陽能電池之背側上金屬板自基底收集過量電荷載流子，且在前側上金屬線自發射器收集過量電荷載流子。
矽為太陽能電池中之最常用半導體材料。矽具有若干優點，舉例而言，其為化學穩定的且由於其吸收光之較高能力而提供高效率。標準矽太陽能電池由經摻雜的薄矽晶圓製成。矽晶圓之缺點為其昂貴。
以與基底不同之另一方式摻雜矽晶圓之前表面，從而產生PN接面。在生產太陽能電池期間，必須自矽錠切割或鋸割摻雜矽晶圓之數個樣本，且接著以電氣方式將矽晶圓之樣本裝配至太陽能電池。因為矽錠必須具有極高純度且因為鋸割耗時且產生大量廢料，所以此類太陽能電池之生產為昂貴的。
在傳統太陽能電池之背側上，金屬板自基底收集過量電荷載流子，且在前側上金屬柵格及金屬線自發射器收集過量電荷載流子。因此，習知矽太陽能電池具有前側接觸發射器。在太陽能電池之前側上使用電流收集柵格及電線的問題為在良好電流收集與光捕獲之間存在取捨。藉由增大金屬線之大小，增大導電且改良電流收集。然而，藉由增大金屬柵格及電線之大小，遮蔽了更多太陽能捕獲區域，從而引起太陽能電池之減小的效率。
此問題之一已知解決方案為後觸點太陽能電池。US 2014166095 A1描述如何製作背接觸背接面矽太陽能電池。後觸點太陽能電池藉由將前側接觸發射器移動至太陽能電池之後側來達成較高效率。較高效率產生於對太陽能電池之前側上的減小之遮蔽。存在後觸點太陽能電池之若干組態。舉例而言，在背接觸背接面(BC-BJ)矽太陽能電池中，發射器區域及所有佈線置放於太陽能電池之背側上，從而引起自太陽能電池之前側有效地移除任何遮蔽組件。然而，此等BC-BJ矽太陽能電池之生產既複雜亦昂貴。
WO 2013/149787 A1揭示一種具有後觸點之染料敏化太陽能電池。太陽能電池包括多孔絕緣層、包括形成於多孔絕緣層之頂部上的多 孔導電金屬層之工作電極、及含有配置於多孔導電金屬層之頂部上以面朝太陽的吸附染料之光吸收層。光吸收層包含由TiO2顆粒之表面上的光吸附染料分子染色之TiO2金屬氧化物顆粒。染料敏化太陽能電池進一步包括對立電極，對立電極包括安置於多孔絕緣層之相對側上的導電層。電解質填充於工作電極與對立電極之間。此太陽能電池之優點為其製造起來容易且快速，且因此其生產起來具成本效益。此類型之太陽能電池相比於矽太陽能電池之缺點為其最大效率較低，此係因為染料分子與矽相比具有較少吸收光之能力。
在染料敏化太陽能電池之另一發展中，已藉由將鈣鈦礦用作染料灌注TiO2層之取代物來增強電池之效率。WO2014/184379揭示一種具有包含鈣鈦礦之光吸收層的染料敏化太陽能電池。使用鈣鈦礦之優點為可達到較高太陽能電池效率。然而，鈣鈦礦太陽能電池具有若干缺點，舉例而言，其製造起來困難、昂貴、不穩定且對環境有害。
為了降低太陽能電池之成本，已提議使用矽晶粒而非固態矽晶圓。
US4357400揭示一種具有氧化還原電解質中之摻雜矽顆粒的太陽能電池。太陽能電池包括具有在基板之一側上交錯之兩個導電層的絕緣基板。一種類型之摻雜的離散半導體顆粒定位於導電層中之一者上，且具有相對類型之摻雜的半導電顆粒定位於另一導電層上。所有各者浸沒於氧化還原電解質中且囊封。氧化還原電解質接觸顆粒，藉此回應於衝擊於半導體顆粒上之光子而橫跨兩個導電層產生電壓電位。導電層為(例如)鋁之薄層。在基板上以(例如)具有交叉指形之圖案濺鍍且蝕刻導電層。 可藉由絲網法塗覆半導電顆粒且將其膠合至導體之表面。此太陽能電池之缺點為製造製程為複雜且耗時的。因此，太陽能電池製造起來昂貴。
CN20151101264描述一種具有改良之填充因數及轉換效率的太陽能電池。藉由HF及乙醇溶液中之電化學蝕刻製備發光多孔矽顆粒，且其後將矽顆粒磨碎至2nm至200nm顆粒大小。將多孔矽顆粒旋塗至太陽能電池之矽晶圓的表面上。
US2011/0000537描述一種具有光吸收層的太陽能電池，該光吸收層包括經氫化非晶矽、非矽基元素及嵌入於經氫化非晶矽基材料中之結晶矽晶粒。
JP2004087546描述一種藉由使用含有Si顆粒之組成物形成矽薄膜的方法。藉由碾碎矽錠及將部分碾磨至適合大小來形成Si顆粒。清洗顆粒以移除氧化矽且將顆粒與分散介質混合。在將組成物塗覆至玻璃基板上之後，熱處理基板且獲得矽薄膜。
已知使用有機材料以產生光伏打裝置，其目的在於減小製造成本。有機材料與無機半導電材料接觸，且藉此產生異質接面，其中電子與電洞分離。
在2015年8月17日出版之科學(Science)報告中由Sara Jäckle、Matthias Mattiza、Martin Liebhaber、Gerald Brönstrup、Mathias Rommel、Klaus Lips及Silke Christiansen編寫且標題為「Junction formation and current transport mechanisms in hybrid n-Si/PEDOT：PSS solar cells」的文章中描述對組合單晶n型矽(n-Si)與高度導電聚合物聚(3,4-伸乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸酯)(PEDOT：PSS)之混合型無機有機太陽能電池的使用。
US2012/0285521描述一種光伏打裝置，其中無機半導電層層壓有有機層，且金屬陽極柵格定位於有機層之頂部上且陰極層定位於Si層下面。舉例而言，半導電層由矽製成且有機層(例如)由PEDOT：PSS製成。此光伏打裝置之缺點為金屬陽極柵格定位於有機層之頂部上，且因此其遮蔽太陽能捕獲區域之一部分，從而引起太陽能電池之減小的效率。
本發明之目標為至少部分地克服上述問題及提供一種改良型光伏打裝置。
根據本發明之第一態樣，藉由如申請專利範圍第1項中所定義之一種用於光伏打裝置之光吸收層達成此目標。
根據本發明之該光吸收層包含摻雜半導電材料之複數個晶粒，及部分地覆蓋該等晶粒的由電荷導電材料製成的電荷導體，使得複數個接面形成於該等晶粒與該電荷導體之間。
該等接面為該等晶粒與該電荷導體之間的能夠提供光激電子與電洞之分離的界面。該等晶粒與該電荷導體電氣且實體接觸以形成該等接面。視半導電材料及該電荷導電材料之類型而定，該等接面可為同質接面或異質接面。
同質接面為類似半導體材料之間的界面。此等材料具有相等帶隙但典型地具有不同摻雜。舉例而言，一同質接面在n摻雜半導體與p摻雜半導體之間的界面處發生(一所謂PN接面)。
異質接面為任何兩種固態材料(包括金屬、絕緣、快離子導體及半導電材料的結晶型與非晶型結構)之間的界面。該兩個固態材料可 由兩個無機材料之組合或兩個有機材料之組合或一個無機材料與一個有機材料之組合製成。
根據本發明之該光吸收層生產起來廉價，且環境友好且具有高轉換效率。
如本文所使用之電荷導體由電洞導電材料或電子導電材料製成。在電洞導電材料中，多數電荷載流子為電洞，且在電子導電材料中多數電荷載流子為電子。電洞導電材料為主要允許傳輸電洞且主要防止傳輸電子之材料。電子導電材料為主要允許傳輸電子且主要防止傳輸電洞之材料。
理想電荷導體能夠與該晶粒一起形成接面，其中所形成接面能夠分離光生電子與電洞。理想電荷導體接受且傳導僅一種類型之電荷載流子且阻斷其他類型之電荷載流子。舉例而言，若該電荷導體為理想電洞導體，則該電荷導體僅傳導電洞且阻斷電子進入該電洞導體。若該電荷導體為理想電子導體，則該電荷導體僅傳導電子且將阻斷電洞進入該電子導體。
該電荷導體服務若干目的。主目的為提供可在其中分離電子與電洞之接面。第二目的為將一種類型之電荷載流子自該接面傳導走。第三目的為以機械方式將該等晶粒結合至彼此及以機械方式將該等晶粒結合至該第一導電層以形成一機械堅固之光吸收層。
該等晶粒可附接至導電基板。適合地該等晶粒附接至導電層。因為該晶粒表面之部分與該導電基板或該導電層實體接觸，所以該電荷導體可僅部分地覆蓋該晶粒之整個表面面積。該等晶粒之剩餘自由表面 積較佳以該電荷導體覆蓋，以使得複數個接面形成於該等晶粒與該電荷導體之間。
根據本發明之該光吸收層的材料比傳統矽太陽能電池之光吸收層顯著地便宜，此係因為其可由包括半導體晶粒而非昂貴晶圓之粉末製成，且此係因為所需半導電材料之量相比於傳統半導體太陽能電池較小。該半導電材料宜為矽。然而，亦可使用其他半導電材料，諸如CdTe、CIGS、CIS、GaAs或鈣鈦礦。
該光吸收層之材料亦比染料敏化太陽能電池之光吸收層便宜，此係因為廉價半導體(諸如矽)可用作光吸收劑而非較昂貴染料分子。
因為該光吸收層包含晶粒，其將向入射光展示眾多角度，所以該光伏打裝置之效率並不如同平面矽晶圓之情形一樣決定性地取決於光相對於該層之入射角。因此，相比於一平面矽晶圓，減小了光學損耗。
由於該等晶粒，該光吸收層之表面相比於使用晶圓之情況變得較粗糙。相比於平面矽晶圓，該等晶粒之較粗糙表面增大吸收反射光之機率，此減小由於該表面中之反射的效率損耗。因此，對於常常用於傳統矽太陽能電池之表面上的抗反射塗層之需要減小或不再必需。
該光吸收層可由環境友好材料製成。舉例而言，該等晶粒可由矽製成，矽為具有高轉換效率之環境友好且穩定的材料。該電荷導體材料可(例如)包含有機材料(諸如聚合物)或為無機或金屬有機的。
根據本發明之該光吸收層相比於傳統矽光吸收層(諸如晶圓或薄膜)顯著地較易於製造。可(例如)藉由將包含該等晶粒之油墨沈積至表面(例如，導電表面)上來製造該光吸收層。該油墨可以任何適合圖 案沈積於該表面上。該電荷導體材料接著沈積於該等晶粒之自由表面上。
該電荷導體宜安置於該等晶粒之自由表面上及該等晶粒之間的空白空間中。因為該電荷導電材料具有某一固有機械穩定性，所以該電荷導電材料在該等晶粒之間充當膠，因此穩定化該光吸收層。此外，該電荷導體亦將該等晶粒與該第一導電層膠合至一起，且藉此改良該等晶粒與該第一導電層之機械黏著性。此具體實例改良該光吸收層之實體強度及該等晶粒至該第一導電層之黏著性。
根據本發明之一具體實例，該電荷導體安置於該等晶粒上，以使得該等晶粒中之大部分以電荷導電層覆蓋，該導電層覆蓋該晶粒之表面的主要部分。電荷導電層為由電荷導電材料製成之層，如上文所定義。
該電荷導體安置於該等晶粒上，以使得該電荷導體藉此形成複數個電荷導電層，各電荷導電層覆蓋單一個晶粒或若干鄰接晶粒之自由表面。若該電荷導電層過厚，則該導電層將充當防止光中之一些達到該晶粒之光吸收濾光器。該電荷導電層較佳地具有在10nm與200nm之間的厚度。更佳地，該電荷導電層具有50nm與100nm之間，且甚至更佳地70nm與90nm之間的厚度。此類薄層將允許大部分光穿過該電荷導電層並到達該等晶粒。
晶粒之完整自由表面(亦即，不與該基板/導電層接觸之表面)較佳地將由該電荷導體覆蓋。該自由表面之對電荷導體的覆蓋範圍可包括由於處理參數或電荷導體材料特性之變化的該覆蓋範圍中之輕微中斷。該覆蓋範圍亦可由於該等晶粒之幾何佈置防止自由表面之完全覆蓋而中斷。該電荷導體亦可包括小晶粒/顆粒，且該等晶粒/顆粒之間的空間可引 起該等晶粒之覆蓋範圍中的中斷。覆蓋範圍中之該等中斷將減小電池之效率。
根據本發明之一具體實例，該等晶粒中之每一者具有面朝光之上部表面，且該上部表面以該電荷導體覆蓋。該層晶粒較佳地覆蓋該基底之表面的大部分。該等晶粒在該基板上之分佈可在該等晶粒之間產生薄間隙，或鄰接晶粒之重疊。
該電荷導體覆蓋該等晶粒之該表面的至少50%、且更佳地至少70%，且最佳地該等晶粒之該表面的至少80%。該等晶粒之由該電洞導體覆蓋的面積愈大，轉換效率愈高，亦即，入射光轉化成電之一部分愈大。理想上，該電荷導體覆蓋各晶粒之完整自由可用表面。
該等晶粒之平均大小適合地在1μm與300μm之間。該等晶粒之平均大小較佳地在10μm與80μm之間，且最佳地該等晶粒之平均大小在在20μm與50μm之間。該光吸收層之厚度取決於該等晶粒之大小。矽晶圓典型地為約150μm至200μm。可使根據本發明之該光吸收層比傳統半導體太陽能電池之光吸收層較薄且更具可撓性。若使用具有20μm與50μm之間之大小的晶粒，則可使根據本發明之該光吸收層(例如)為約40μm至80μm。若該等晶粒過小，則其吸收光之能力減小。過大之晶粒可由於離晶粒/電荷導體界面之距離而損失效率。
根據本發明之一具體實例，該等晶粒由摻雜矽製成。矽為待用於光伏打裝置中之適合材料，此係因為其廉價、穩定且具有吸收光之較高能力，此引起該光吸收層之高效率。該矽可為具有低程度之雜質的結晶型、純淨、太陽能級類型或多晶晶粒。該矽可為具有高摻雜濃度之n型摻 雜的或p型摻雜的。
根據本發明之一具體實例，該等晶粒主要具有在該等晶粒之表面處曝露的{111}平面。該電荷導體與該等晶粒之{111}稜錐平面接觸。此具體實例引起光阱，光阱意謂在該等表面中反射光若干次，且藉此增大該等晶粒之光吸收。
根據本發明之一具體實例，該電荷導體為導電聚合物。該電荷導體宜為聚(3,4-伸乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸酯)(稱為PEDOT：PSS)。PEDOT：PSS為高度導電電洞傳導聚合物。該電荷導體亦可由無機材料或金屬有機材料製成。
根據本發明之一具體實例，該電荷導體由PEDOT：PSS製成且該等晶粒由摻雜矽製成。該摻雜矽可為p摻雜或n摻雜的。然而，n摻雜矽將連同PEDOT較佳，此係因為PEDOT為電洞導體。PEDOT：PSS連同矽良好地工作，且其一起可達成高光電換能效率。
根據本發明之一具體實例，該電荷導體材料包含無機材料或金屬有機材料。
根據本發明之一具體實例，該電荷導體包含由具有與該等晶粒不同之摻雜類型的半導電材料製成之顆粒。因此，光激電子與電洞在其中分離之複數個接面形成於該等晶粒與該等顆粒之間的界面中。舉例而言，該等接面為PN接面。
根據本發明之第二態樣，藉由如申請專利範圍第12項中所定義之一種光伏打裝置達成此目標。
該光伏打裝置包含根據上述描述之光吸收層，其包括摻雜半 導電材料之複數個晶粒及電荷導體，該電荷導體部分地覆蓋該等晶粒，以使得複數個接面形成於該等晶粒與該電荷導體之間。
根據本發明之一種光伏打裝置具有與上文對於光吸收層所提及的優點相同的優點。因此，該光伏打裝置之生產成本減小，且該光伏打裝置之最大效率由於較少光學及反射損耗增大，且對於抗反射塗層之需要減小或其不再為必需的。根據本發明之該光伏打裝置易於製造且可使其薄且可撓性的。
根據本發明之該光伏打裝置包含一種包含半導電材料之晶粒的光吸收層。晶粒比晶圓或沈積式薄膜具有若干優點，優點在於晶粒較便宜、較易於處置且較易於應用，且具有晶粒之層較具可撓性。在具有包含晶粒之光吸收層的太陽能電池中，各晶粒將充當「微型」太陽能電池。晶粒相對於其體積具有大表面面積，從而允許電荷攜載材料與半導體之間的大接觸區域。可針對太陽光至電能之轉換效率最佳化該等晶粒之大小。因此亦有可能在設計該光伏打裝置時使用較少半導體材料。該等晶粒亦在各種方向中形成半導體表面，因此減小對光入射之角度的依賴性，引起較少光學及反射損耗。
根據本發明之一具體實例，該裝置包含第一導電層，且該光吸收層安置於該第一導電層上以使得該等晶粒與該第一導電層電氣且實體接觸。該第一導電層自該等接面收集該等光激電子且將該等電子傳輸至該光伏打裝置外部之外部電路。因為該等晶粒與該第一導電層實體且電接觸，所以該等電子在被收集之前必須行進之距離為短的，且因此該等電子及電洞在被收集之前再結合的機率為低的。因此，根據本發明之此具體實 例的光伏打裝置相比於傳統光伏打之優點為由於該等電子在被收集之前行進之距離較短，該光吸收層中之電阻損耗較少。根據此具體實例之待由該第一導電層收集之電荷載流子的距離範圍典型地自數微米至數十微米，而在傳統矽晶圓太陽電池中，電子典型地需要行進數千微米(亦即，若干毫米)以到達該前側集電器或行進數百微米以到達該背側集電器。
該等晶粒可直接沈積至該第一導電層上用於提取電荷載流子，如電子或電洞。可藉由簡單製程(如印刷或類似者)進行對該等晶粒之沈積。在該等晶粒之頂部上，應用由導電材料製成的用於攜載電洞或電子之電荷導體以形成該光吸收層。根據本發明之一具體實例，該電荷導體為導電聚合物。聚合物具有在該等晶粒之間充當膠之能力，且藉此改良該光吸收層之機械穩定性。此外，該導電聚合物亦將該等晶粒與該第一導電層膠合至一起，且藉此改良該等晶粒與該第一導電層之機械黏著性。
根據本發明之一具體實例，該等晶粒中之每一者的表面之一部分與該第一導電層實體且電接觸，且該等晶粒中之每一者的剩餘自由表面之主要部分以該電荷導體覆蓋。該等晶粒中之每一者具有以該電荷導體覆蓋之上部部分及與該第一導電層實體且電接觸之下部部分。該等晶粒之與該第一導電層電接觸之該下部部分不與該電荷導體形成低歐姆接面以便避免電短路為重要的。若該電荷導體與晶粒之下部部分之間的電阻過低，則由於短路之損耗將過高。因此，該等晶粒之該等表面的與該第一導電層電接觸之該等部分不應以該電荷導體覆蓋。晶粒之剩餘表面較佳地以該電荷導體覆蓋以達成一高轉換效率。理想上，該電荷導體覆蓋該等晶粒之完整剩餘自由表面。
根據本發明之一具體實例，該裝置包含自該第一導電層電絕緣之第二導電層。該電荷導體電耦接至該第二導電層且自該第一導電層電絕緣。該電荷導體可直接或間接地電連接至該第二導電層。該光伏打裝置較佳地包含安置於該第一導電層與該第二導電層之間來以電氣方式絕緣該第一導電層與該第二導電層之絕緣層，且該第一導電層與該第二導電層配置於該絕緣層之相對側上。該光吸收層安置於該第一導電層上。因此，該第一導電層、該第二導電層及絕緣層置放於該光吸收層之後側上。此具體實例之一優點為其具有一背觸點。並非在面朝太陽之該光吸收層的該前側上使用電流收集柵格及電線，第一及第二導電層配置於該光吸收層之後側上。因此，不存在對該光吸收層之遮蔽且達成增大之效率。此具體實例之另一優點為該第一導電層配置於該絕緣層與該光吸收層之間。因此，該裝置之該等導電層不必為透明的，且可由具有高導電性之材料製成，此增大電流處置能力且確保該裝置之高效率。根據本發明之具體實例，第一觸點電耦接至該第一導電層，且第二觸點以電氣方式耦接至該第二導電層。因此，該第一觸點電耦接至該光吸收層之該摻雜半導電材料，且該第二觸點電耦接至該電荷導體。該等第一及第二觸點可安置於該裝置之邊緣上，而非前側上。因此，不存在對該光吸收層之遮蔽且達成增大之效率。
該光伏打裝置之該第一導電層及該第二導電層可連接至外部電路且可形成於絕緣層之任一側上，且可置放於該光吸收層之該後側上。可使該第一導電層及該絕緣層多孔，以至於該電荷攜載材料可穿過該結構且與該第二導電層連接。為了排除短路及電洞與電子之再結合，該第一導電層應自該電荷導電材料隔離。該等晶粒經由該電荷導體且可能經由 該裝置之其他層間接地電連接至該第二導電層。因此該光吸收層中之各晶粒直接或間接地連接至該第一導電層及該第二導電層，且形成光伏電路。
根據本發明之一具體實例，該第一導電層包含金屬，且該等晶粒與該第一導電層之間的實體接觸區域由一層金屬矽化物(例如TiSi2)或金屬矽合金(例如Al-Si合金)構成。該合金或該矽化物在製造該光伏打裝置期間形成於該等晶粒與該第一導電層之間的邊界中。金屬矽合金或金屬矽化物具有良好導電特性。因為實體接觸之該區域(亦即，該等晶粒與該第一導電層之間的邊界)包含金屬矽合金或金屬矽化物，所以改良了該等晶粒與該導電層之間的電接觸。因此，增大該光伏打裝置之效率。舉例而言，若該等晶粒由矽製成且該第一導電層包含鈦，則在製造該光伏打裝置之後晶粒與該第一導電層之間的實體接觸區域包含鈦矽化物。若該導電層包括鋁，則在製造該光伏打裝置期間鋁矽合金形成於該等晶粒與該第一導電層之間的邊界中。鋁矽合金亦具有良好導電特性。又，除鈦或鋁外之其他金屬可用於該第一導電層中。
鈦矽化物可以若干變體(例如，TiSi2、TiSi、Ti5Si4、Ti5Si3、Ti3Si)存在。根據本發明之一具體實例，該等晶粒與該第一導電層之間的該等邊界包含TiSi2。TiSi2以兩種變體存在：C49-TiSi2及C54-TiSi2。
根據本發明之一具體實例，該電荷導體經沈積，使得其形成自該等晶粒之表面至該第二導電層之電荷導電材料的複數個連續路徑。該電荷導體穿過該第一導電層及該絕緣層以形成該等路徑。該電荷導體形成自該等晶粒之該表面一直至該第二導電層之電荷導電材料的連續路徑，以允許在接面處所產生之電洞/電子行進至該第二導電層及在該第二導電層處 與電子再結合。該電荷導體電連接該等晶粒上之該等電荷導體層與電耦接至第二導電層之第二觸點。
根據本發明之一具體實例，該第一導電層為多孔的且該電荷導體延伸穿過該第一導電層。
根據本發明之一具體實例，該第一導電層與第二導電層之間的該絕緣層為多孔的且該電荷導體延伸穿過該絕緣層。該絕緣層可包含多孔絕緣基板。舉例而言，該多孔絕緣基板由玻璃微纖維或陶瓷微纖維製成。
根據本發明之一具體實例，該第一導電層及該絕緣層為多孔的，該電荷導體容納於該第一導電層之孔中及該多孔絕緣層之孔中，以使得電荷導電路徑形成於該光吸收層與該第二觸點之間。電荷導電路徑為由電荷導電材料製成之路徑，如上所定義，且該路徑允許傳輸電荷，亦即，電子或電洞。
根據本發明之具體實例，該第一導電層包含經配置以以電氣方式將該電荷導體與該第一導電層絕緣之絕緣氧化物。
根據本發明之具體實例，該第一導電層包含與該等晶粒電氣且機械接觸之導電顆粒。該等導電顆粒與彼此實體且電接觸。該等晶粒接合至該等導電顆粒。該等晶粒宜由矽製成，該等導電顆粒宜包含金屬，且該等顆粒與該等晶粒之間的該等邊界宜包含金屬矽合金或金屬矽化物。因此，改良該等晶粒與該等顆粒之間的電接觸。
根據本發明之一具體實例，金屬顆粒至少部分地以絕緣氧化物覆蓋。金屬顆粒之該等表面中的不與該等晶粒接觸之部分較佳以氧化物覆蓋。該氧化物在該等顆粒上提供保護性及電絕緣層，該層防止電子或電 洞在該導電層與該電荷導體之間轉移，且藉此防止該導電層與該電荷導體之間的短路。
根據本發明之一具體實例，金屬顆粒由鈦或其合金製成。由於鈦耐受腐蝕之能力且因為其可形成至矽之良好電接觸，鈦為適合用於該導電層中之材料。該等金屬顆粒之該等表面的至少一部分較佳地以鈦矽化物覆蓋。鈦矽化物具有良好導電特性。因為該等晶粒與該第一導電層之間的該等邊界包含鈦矽化物，所以改良了該等晶粒與該導電層之間的電接觸。鈦矽化物在製造該光伏打裝置期間形成於該等晶粒與該第一導電層之間的該等邊界中。金屬顆粒宜包含鈦，且金屬顆粒之該等表面中的不與該等晶粒接觸之該等部分宜以氧化鈦覆蓋。氧化鈦在鈦顆粒上提供保護性氧化物層，該氧化物層防止該第一導電層與該電荷導體之間的短路。
根據本發明之一具體實例，金屬顆粒由鋁或其合金製成。該等金屬顆粒宜包含鋁，且該等金屬顆粒之該等表面中的不與該等晶粒接觸之部分宜以諸如氧化鋁之氧化物覆蓋。氧化物之表層必須足夠厚以防止該電荷導體與該鋁之間的短路。
根據本發明之一具體實例，該第二連接器包含電連接至該電荷導體及該第二導電層且自該等第一導電層電絕緣之低電阻連接位點。該連接位點定位於該第二導電層與該電荷導體之間的界面處。該連接位點為橫跨第二連接器與該電荷導體之間的該接面之電子及電洞提供一低電阻路徑。
根據本發明之一具體實例，該連接位點由銀製成。
根據本發明之一具體實例，該第二導電層為多孔的，且該電 荷導體穿過該第二導電層。該第二導電層宜包含金屬顆粒。
根據本發明之一具體實例，該第二導電層之該等金屬顆粒由鈦或其合金製成。
藉由描述本發明之不同具體實例及參考隨附圖式，現將更精確解釋本發明。
圖1展示根據本發明之第一具體實例的光吸收層之實例。
圖2示意性地展示穿過根據本發明之第一具體實例的光伏打裝置之橫截面。
圖3展示圖2中所示之光伏打裝置的一部分之放大視圖。
圖4示意性地展示穿過根據本發明之第二具體實例的光伏打裝置之橫截面。
圖5展示根據本發明之第二具體實例的光吸收層之實例。
圖6示意性地展示穿過根據本發明之第三具體實例的光伏打裝置之橫截面。
圖1展示根據本發明之光吸收層1a的示意圖。光吸收層1a包含由摻雜半導電材料製成之複數個晶粒2及與晶粒2實體且電接觸之電荷導體3。接面4形成於電荷導體3與晶粒2之間的接觸區域中。晶粒2部分地以電荷導體3覆蓋以使得複數個接面4形成於晶粒與電荷導體之間。晶粒2之表面的至少50%較佳地以電荷導體覆蓋。
晶粒2之半導電材料具有吸收光子之能力，此將電子自價帶 激發至傳導帶，且藉此在半導電材料中產生電子-電洞對。半導電材料宜為矽。然而，亦可使用其他半導電材料，諸如CdTe、CIGS、CIS、GaAs或鈣鈦礦。晶粒之平均大小較佳地在1μm與300μm之間，且典型地，晶粒2之平均大小在在20μm與100μm之間。
電荷導體3由固態材料(亦即，非液態)製成，且可為電洞導體或電子導體。若晶粒為n摻雜型，則電荷導體3較佳地為電洞導體，且若晶粒為p摻雜型，則電荷導體3較佳地為電子導體。電荷導體3由電荷導電材料製成，例如摻雜半導電材料(諸如矽)或有機導電材料(諸如導電聚合物)。具有充分導電性之若干透明、導電聚合物可用於此目的。將結合矽晶粒所使用之適合電洞導電聚合物的一實例為聚(3,4-伸乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸酯)(PEDOT：PSS)。PEDOT：PSS為兩個離聚物之聚合物混合物。電荷導體3之適合材料的其他實例為聚苯胺、P3HT及螺-OMeTAD。若使用聚合物導體，則電荷導體包含由聚合物或聚合物之混合物製成的複數個顆粒。電荷導體之顆粒部分地覆蓋晶粒之表面。接面4具有提供分離光激電子與電洞對的能力。視晶粒及電荷導體之材料而定，接面為同質接面(諸如p-n接面)或異質接面。
晶粒2基本上均勻地分佈於光吸收層中，且電荷導體3定位於晶粒上及晶粒之間的空間中。晶粒2之大小及形狀可變化。光吸收層1a塗覆至層8。舉例而言，層8為導電層。晶粒2與層8實體以及電接觸。晶粒之下部部分可突出至層8中。
在圖3中所展示之實例中，電荷導體3為有機導體。電荷導體安置於晶粒2之表面上以使得複數個電荷導電層6形成於晶粒上。因此， 晶粒2中之每一者的表面部分地以電荷導電層6覆蓋。電荷導電層6較佳地具有10nm與200nm之間的厚度。典型地，電荷導電層6具有在50nm與100nm之間的厚度。電荷導體3安置於晶粒之間以使得晶粒藉助於有機電荷導體接合至彼此。因此，電荷導體增大光吸收層之機械強度。晶粒中之每一者具有面朝入射光之上部表面及背對入射光之下部表面。在此具體實例中，晶粒之上部表面完全或至少部分地以電荷導體3覆蓋，且下部表面不含電荷導體以實現與導電層8之電接觸，導電層8並非光吸收層之一部分。
圖2示意性地展示穿過根據本發明之第一具體實例的光伏打裝置10之橫截面。在此具體實例中，光伏打裝置10為太陽能電池。圖3展示光伏打裝置10之一部分的放大視圖。光伏打裝置10包含光吸收層1a(其包括如圖1中所示之晶粒2及電荷導體3)、與光吸收層1a之晶粒2電接觸的第一導電層16、電耦接至電荷導體3之第二導電層18、及安置於第一導電層16與第二導電層18之間來以電氣方式絕緣第一導電層與第二導電層的絕緣層20。光吸收層1a定位於光伏打裝置之一頂側上。頂側應面朝太陽以允許日光照射晶粒2並產生光激電子。第一導電層16充當自光吸收層1a提取光生電子之背觸點。光吸收層1a安置於第一導電層上。因此，所激發電子及/或電洞需要行進直至其被收集之距離為短的。第一接點12電連接至第一導電層16，且第二觸點14電連接至第二導電層18。負載L連接於觸點12與14之間。第一導電層16及第二導電層18適合地為由金屬或金屬合金(例如，鈦或鋁或其合金)製成之金屬層。
裝置10進一步包含安置於光吸收層1a與第二導電層18之 間之電荷導電材料的複數個電荷導電路徑22，以使得電荷(亦即，電洞或電子)能夠自光吸收層1a行進至第二導電層18。導電路徑22宜但不必由與晶粒上之電荷導電層6相同的材料製成。在此具體實例中，電荷導體3在晶粒以及導電路徑22上形成層6。導電路徑22穿過第一導電層16及絕緣層20。第一導電層16及第二導電層18及絕緣層20宜為多孔的以允許電荷導體穿過導電層及絕緣層20以形成路徑22。電荷導體3可容納於第一導電層16及第二導電層18之孔及絕緣層20之孔中。
絕緣層20可包含多孔絕緣基板。舉例而言，多孔絕緣基板由玻璃微纖維或陶瓷微纖維製成。第一導電層16安置於多孔絕緣基板之上部側上，且第二導電層18安置於多孔絕緣基板之一下部側上。光吸收層1a安置於第一導電層16上。
圖3展示光吸收層1a及第一導電層16之放大部分。在此具體實例中，第一導電層16包含由導電材料製成之複數個導電顆粒24。導電顆粒24適合地為由金屬或金屬合金(例如，鈦或鋁或其合金)製成之金屬顆粒。第一導電層之導電顆粒24與彼此實體且電接觸。晶粒2與第一導電層之導電顆粒24中的一些實體且電接觸。晶粒2較佳地具有小於100μm之大小以便在晶粒與第一導電層16之顆粒24之間提供充分的接觸區域。晶粒2具有背對光伏打裝置之上部部分及與第一導電層之導電顆粒24實體接觸的一下部部分。晶粒2之上部部分以電荷導體3之導電層6覆蓋。
晶粒較佳地由摻雜矽製成，且矽晶粒2與第一導電層之導電顆粒24之間的實體接觸區域由金屬矽合金或金屬矽化物之層26構成以便提供晶粒2與顆粒24之間的良好電接觸。舉例而言，晶粒2由矽(Si)製成 且導電顆粒24由鈦(Ti)製成或至少部分地包含鈦，且晶粒2與顆粒24之間的邊界包含鈦矽化物之層26，其提供Si與Ti之間的良好電接觸。
因為第一導電層16由接合至彼此之複數個導電顆粒24形成，所以空腔形成於顆粒之間。因此，第一導電層16允許電荷導體3延伸穿過第一導電層以形成多個電荷導電路徑22。電荷導體3容納於形成於第一導電層16中之導電顆粒24之間的空腔中之一些中。
為了避免電荷導體3之第一導電層16與導電路徑22之間的電接觸，導電顆粒24至少部分地以具有絕緣材料(例如，絕緣氧化物)之絕緣層28覆蓋。導電顆粒24之表面的不與晶粒2或與層中之其他導電顆粒24接觸的部分較佳地以絕緣層28覆蓋。電荷導體3之電荷導電路徑22與顆粒24上之絕緣層28接觸，如圖3中所示。舉例而言，藉由在製造裝置10期間氧化導電顆粒24來形成一層絕緣金屬氧化物。金屬氧化物之絕緣層28在顆粒上提供保護性且電絕緣層，其防止電荷在第一導電層16與電荷導體3之間轉移，且藉此防止第一導電層16與電荷導體3之間的短路。舉例而言，若導電顆粒包含鈦，則鈦顆粒之表面中的不與晶粒接觸之部分以氧化鈦(TiO2)覆蓋。舉例而言，若導電顆粒包含鋁，則導電顆粒之表面中的不與晶粒接觸之部分以氧化鋁(Al2O3)覆蓋。
第二導電層18亦可包含導電顆粒。第二導電層18之導電顆粒適合地為由金屬或金屬合金(例如，鈦或鋁或其合金)製成之金屬顆粒。在此實例中，第二導電層18之導電顆粒(圖中未示)由鋁製成，且鋁顆粒不以任何絕緣層覆蓋，且因此允許電荷導體與第二導電層18之顆粒電接觸。導電層16、18之導電顆粒經燒結以形成導電層。導電層16、18中之每 一者中的導電顆粒與彼此電接觸以形成導電層。然而，在導電顆粒之間亦存在空間以容納電荷導體3。光吸收層之晶粒2上的接面4與電荷導電材料之路徑22電接觸，路徑22與第二導電層18中之導電顆粒電接觸。
圖4示意性地展示穿過根據本發明之一第二具體實例的光伏打裝置30之一部分的橫截面。光伏打裝置30為太陽能電池。在圖4中，相同及相對應部分由如圖1至圖3中之相同參考數字指定。圖4為裝置之架構的極簡化示意圖。在此實例中，晶粒2由n摻雜矽製成，且第一及第二導電層包括由鈦製成之導電顆粒24、25，且電荷導體3為電洞導電聚合物。在此實例中，電洞導電聚合物為PEDOT：PSS(在下文中指示為PEDOT)。PEDOT為電洞導體且將電洞傳輸至第二導電層18。n摻雜矽晶粒為電子導體且將電子傳輸至第一導電層。第一導電層接著經由外部電路將電子傳輸至第二導電層。舉例而言，晶粒2由結晶矽製成。矽晶粒可主要具有在表面處曝露之{111}平面。並非展示許多矽晶粒2及許多鈦導電顆粒24、25，僅展示導電層16、18中之每一者中的兩個矽晶粒2及兩個鈦導電顆粒24、25。應理解，真正的太陽能電池含有相互緊靠地處於光吸收層中之數千或甚至數百萬晶粒2。但兩個顆粒為表明太陽能電池之架構及工作原理所需的最小數目。
光伏打裝置30包含呈多孔絕緣基板形式之絕緣層20、安置於絕緣層之一側上的第一導電層16、安置於絕緣層之相對側上的第二導電層18、及安置於第一導電層16上且與第一導電層電接觸之光吸收層1a。導電層16、18連接至外部電負載32。第一導電層16與第二導電層18由絕緣層20實體上且以電氣方式分離。鈦矽化物(TiSi2)之層26形成於光吸收層 1a之矽晶粒2與第一導電層16之鈦導電顆粒24之間。光吸收層1a之矽晶粒2接合至鈦顆粒。第一導電層16中之鈦導電顆粒24與彼此實體且電接觸，且第二導電層18中之鈦導電顆粒25與彼此實體且電接觸。
導電層16、18中之鈦顆粒部分地由絕緣氧化鈦(TiO2)之絕緣層28覆蓋。鈦導電顆粒24之表面的不與晶粒2或與層中之其他導電顆粒24接觸的部分並不以氧化鈦覆蓋。光吸收層1a與第一導電層16之間的區域38包含氧化鈦(TiO2)及氧化矽(SiO2)。
光伏打裝置30不同於圖2上所展示之光伏打裝置10，因為光伏打裝置30包含電耦接至第二導電層18且自第一導電層電絕緣之連接位點34。連接位點34可包含金屬層。在此實例中，連接位點34包含由銀(Ag)製成之層。使用銀為適用的，此係因為其提供與鈦及PEDOT兩者之良好電接觸。使用銀之另一優點為銀防止在鈦顆粒與連接位點34之間的接觸區域中氧化物形成於第二導電層18之鈦顆粒25上。替代地，鈦銀(AgTi)之層36形成於第二導電層18之鈦顆粒25與連接位點34之間。因此PEDOT可形成與銀之良好低歐姆接觸，且銀可經由AgTi形成與鈦之良好低歐姆接觸。因此，PEDOT可間接地經由銀及AgTi接觸鈦。其他材料可用於連接位點中，材料例如碳類材料，諸如石墨或非晶碳。
電荷導體3與光吸收層1a之晶粒2實體且電接觸而配置。電荷導體3亦與連接位點34電接觸而配置，連接位點34電耦接至第二導電層18。在此具體實例中，電荷導體3藉助於導電顆粒24、25上之絕緣層28自第一導電層16及第二導電層18電絕緣。電荷導體3覆蓋晶粒2之主部分，且延伸穿過第一導電層16、絕緣層20及第二導電層18，如圖4中所展示。 電荷導體3與第一及第二導電層中之顆粒上的氧化層28接觸。電荷導體3藉助於絕緣氧化物28自導電顆粒24、25及因此自第一及第二導電層電絕緣。電荷導體3與連接位點34實體且電接觸。電荷導體3經由連接位點34間接地與鈦顆粒25實體且電接觸。因此，連接位點起到確保電荷導體可將電洞傳送至第二導電層之鈦顆粒25的用途。光伏打裝置亦可包含殼體或用於圍封光伏打裝置之其他構件。
在下文中，存在關於圖4中所揭示之太陽能電池如何工作的逐步解釋：
步驟1。光子在晶粒2內部產生經激發電子-電洞對。在此實例中，電荷導體3為PEDOT，晶粒2由矽製成，且界面40為PEDOT-矽界面。
步驟2。經激發電子接著行進穿過晶粒2且橫跨金屬矽界面之層26，且進入至導電顆粒24中。在此實例中，顆粒24為Ti顆粒且層26包含TiSi2。因此，電子通過Si-TiSi2-Ti界面。另一方面，經激發電洞行進橫跨界面40至電荷導體3之層中。
步驟3。接著可將導電顆粒24中之電子轉移至相鄰顆粒24，且接著經由外部電負載32在外部電路中收集該電子。同時電洞在電荷導體3之電荷導電路徑22內部行進直至連接位點34之低歐姆銀層。
步驟4。在電子通過外部電負載32之後，將電子轉移至第二導電層18。接著將電子轉移至Ti-TiAg-Ag層36。將電荷導體3中之電洞轉移至連接位點34之銀層，且電洞與連接位點34中之電子再結合。
可在圖4中所揭示之實例中識別六個關鍵界面：
1.電荷導體-晶粒界面
晶粒2必須本質上無氧化物以便在晶粒2與電荷導體3之間的界面40處達成電子與電洞之有效率電荷分離，以使得能夠產生高光電流及高光電壓。晶粒上之氧化物層的厚度應僅為數奈米厚或甚至更薄，以獲得有效率電荷分離。在此具體實例中，晶粒2由摻雜矽製成，電荷導體3由PEDOT製成，且因此界面40為PEDOT-Si界面。矽必須本質上無氧化物，亦即在Si表面上沒有或極少有SiO2，以便在PEDOT-Si界面處達成電子與電洞之有效率電荷分離。
2.導電顆粒-晶粒
金屬矽化物之層26形成於晶粒2與第一導電層之導電顆粒24之間。金屬矽化物應具有充分地高之導電性以在電子自晶粒轉移至導電顆粒時最小化電阻損耗。在此具體實例中，導電顆粒由鈦(Ti)製成，且因此矽晶粒與鈦顆粒之間的層26由鈦矽化物(TiSi2)構成。
3.電荷導體-金屬矽化物-氧化物
為了避免短路，在電荷導體3、金屬矽化物層26與絕緣氧化物層28之間應存在絕緣層38。在此具體實例中，絕緣層38由氧化鈦(TiO2)及氧化矽(SiO2)構成。TiO2-SiO2層38必須足夠厚以達成PEDOT與TiSi2之間的良好電絕緣。若TiO2-SiO2層38過於薄，則將在PEDOT與TiSi2之間存在短路，其後果為降低之光電流及光電壓。
4.電荷導體-導電顆粒
為了達成電荷導體3與第一及第二導電層之導電顆粒24、25之間的絕緣，以絕緣氧化物層28覆蓋導電顆粒。在此具體實例中，絕緣氧化物層28 由鈦氧化物(諸如TiO2)構成。氧化鈦層28必須足夠厚以便達成PEDOT與鈦之間的充分電絕緣。若氧化鈦層過於薄，則將由於PEDOT與鈦之間的短路而降低光電壓及光電流。
5.連接位點-導電顆粒
在第二導電層之導電顆粒25與連接位點34之間，存在導電層36。在此具體實例中，導電層36由鈦銀(TiAg)構成。導電層36必須足夠厚以提供第二導電層之導電顆粒25與連接位點34之間(例如，在銀(Ag)與鈦(Ti)之間)的良好低歐姆電接觸。
6.連接位點-電荷導體
電荷導體3在界面42處與連接位點34接觸。電荷導體3(在此具體實例中PEDOT)應充分地覆蓋連接位點34之銀來避免電阻損耗，以便達成最大光電流。
在下文中，將描述根據本發明之用於製造光伏打裝置的方法之一實例。
步驟1：在多孔絕緣基板之一側上形成第一多孔導電層。舉例而言，此藉由在多孔絕緣基板之一側上以包括導電顆粒之油墨印刷而得以進行。多孔絕緣基板為(例如)多孔玻璃微纖維類基板。
舉例而言，藉由混合10μm大小之TiH2顆粒與松香醇來製備第一油墨。油墨包含具有小於10微米之直徑的TiH2顆粒。隨後，將第一油墨印刷至多孔玻璃微纖維類基板上。印刷層將形成第一多孔導電層。導電顆粒宜過大而不能夠穿過多孔絕緣基板。
步驟2：在多孔絕緣基板之一相對側上形成第二多孔導電 層。舉例而言，此藉由在多孔絕緣基板之相對側上以包括導電顆粒之油墨印刷而得以進行。導電顆粒宜過大而不能夠穿過多孔絕緣基板。
舉例而言，藉由混合TiH2與松香醇來製備第二油墨。油墨包含具有小於10微米之直徑的TiH2顆粒。接著將經過濾油墨與鍍銀導電顆粒混合，以便製作用於沈積第二導電層的油墨。隨後，將第二油墨印刷至多孔絕緣基板之相對側上。第二印刷層將形成第二導電層。
步驟3：以由摻雜半導電材料製成之晶粒層塗佈第一多孔導電層以形成光吸收層。舉例而言，此藉由將包括摻雜半導電材料(諸如摻雜矽)之晶粒粉末的油墨印刷至第一導電層上而得以進行。或者，可將摻雜半導電材料「諸如摻雜矽)之晶粒粉末噴灑至第一導電層上。適合之噴灑技術為(例如)電噴灑或靜電噴灑。可在沈積至第一導電層上之前在單獨步驟中蝕刻矽顆粒。可使用(例如)各向同性蝕刻解決方案或非等向性蝕刻解決方案執行對矽顆粒之蝕刻。矽顆粒之各向同性蝕刻可用以自矽表面移除雜質。矽顆粒之非等向性蝕刻可用於金字塔形狀蝕孔，其中金字塔形狀矽表面可增大矽之有效光吸收。
步驟4：將壓力施加於晶粒之層上以使得晶粒之部分突出至第一多孔導電層中。舉例而言，可藉由使用膜壓機或藉由使用滾壓機來將壓力施加於晶粒之層上。步驟4可選。
步驟5：在真空下熱處理太陽能電池直至晶粒已燒結至第一多孔導電層為止。真空燒結晶粒之層及多孔導電層以在第一導電層上形成晶粒之多孔層。在燒結期間，晶粒結合至第一導電層之導電顆粒以在其之間達成機械及電接觸。又，在真空燒結期間將導電顆粒燒結至一起以形成 第一導電層，同時在導電顆粒之間具有機械及電接觸。較佳地，在真空中以高於550℃之溫度熱處理基板、第一及第二導電層與晶粒之總成至少兩個小時。舉例而言，在650℃下真空燒結印刷基板且接著使其冷卻至室溫。壓力在燒結期間低於0.0001毫巴。在真空中之熱處理期間，晶粒之矽及顆粒之鈦反應且在晶粒與顆粒之間的邊界中形成鈦矽化物。因此，在晶粒與第一導電層之顆粒之間形成鈦矽化物之層，此改良晶粒與顆粒之間的電接觸。
步驟6：在空氣中熱處理太陽能電池直至第一多孔導電層之可用表面已氧化為止。在下一步驟中，在空氣中熱處理太陽能電池以在第一及第二導電層之導電顆粒上達成電絕緣氧化物層。矽顆粒之表面在空氣中熱處理期間變得氧化。
步驟7：移除矽顆粒上之氧化矽層。在下一步驟中，藉由以氟化氫處理矽顆粒之表面來移除矽顆粒上之氧化矽。可將矽顆粒之表面曝露於呈HF水溶液形式之氟化氫。或者，可藉由將矽顆粒之表面曝露於氣態HF來執行對矽顆粒之HF處理。HF處理具有自矽顆粒之表面移除氧化矽的效果。
步驟8：沈積PEDOT：PSS。在下一步驟中，將PEDOT：PSS沈積至矽顆粒之表面上及第一導電層之孔內部及絕緣基板之孔內部及第二導電層之孔內部。可自(例如)含有PEDOT：PSS之水基溶液沈積PEDOT：PSS。可藉由將具有第一及第二導電層及矽晶粒之基板浸泡於PEDOT：PSS溶液中來沈積PEDOT：PSS溶液。或者，可在若干步驟中執行PEDOT：PSS沈積。舉例而言，可首先將PEDOT：PSS溶液噴灑至矽晶粒上，繼之以對溶劑進行乾燥以在矽晶粒之表面上得到乾燥固態PEDOT：PSS層。 在第二步驟中，以PEDOT：PSS溶液噴灑第二導電層。用以在矽晶粒上達成PEDOT：PSS之薄層的適合噴灑技術為(例如)超音波噴灑。
根據本發明之光伏打裝置包含半導電顆粒之晶粒，且因此避免對晶圓之製造及處置或脆性材料之薄膜的堆積。晶粒因而為較便宜材料且在工業生產中較易於處置。可易於藉由印刷或類似方法應用晶粒。晶粒之表面上的可能缺陷將僅對電池之效率具有局部影響。因此，此光伏打裝置比先前技術光伏打裝置便宜。具有高轉換效率之環境友好且穩定的材料(諸如矽)可用作光吸收層中之晶粒。可使根據本發明之光伏打裝置薄且具可撓性。
圖5展示根據本發明之第二具體實例的光吸收層1b之一實例。光吸收層1b包含由具有第一類型之摻雜的半導電材料製成之複數個晶粒2，及包含由具有第二類型之摻雜的半導電材料製成的複數個顆粒52的電荷導體3。半導電顆粒52之平均大小小於晶粒2之平均大小以允許半導電顆粒容納於形成於晶粒2之間的空間中。舉例而言，晶粒2之平均大小小於1mm，且半導電顆粒52之平均大小較佳地小於0.1mm以允許其容納於形成於晶粒2之間的空間中。
晶粒2及顆粒52之半導電材料宜為矽，且晶粒2及顆粒52宜由具有不同類型之摻雜的矽製成。然而，亦可使用其他半導電材料。舉例而言，晶粒2可由CdTe、CIGS、CIS或GaAs製成，且半導電顆粒52可由CuSCN或CuI製成。晶粒2及顆粒52與彼此實體且電接觸以使得複數個接面形成於其之間的接觸區域中。晶粒2及半導電顆粒52之摻雜的類型係使得接面可提供光激電子與電洞之分離。由於晶粒2及半導電顆粒52之摻 雜的不同類型，在晶粒2與半導電顆粒52彼此接觸的區域中產生「空乏區域」。當電子-電洞對到達「空乏區域」時，電子與電洞分離。第一及第二類型摻雜為(例如)P型及N型，且藉此接面為PN接面或可能PIN接面。
圖6示意性地展示穿過根據本發明之一第三具體實例的光伏打裝置50之橫截面，光伏打裝置50包括包含晶粒2及電荷導體3之光吸收層1b，如圖中5所展示。光伏打裝置50進一步包含包括與晶粒2電接觸之導電顆粒24的第一導電層16、包括電耦接至電荷導體3之半導電顆粒52的導電顆粒25之第二導電層18、及安置於第一導電層與第二導電層之間的絕緣層20。光伏打裝置50進一步包含電連接至第一導電層之第一觸點12及電連接至第二導電層之第二觸點14。
裝置50進一步包含複數個安置於光吸收層1b與第二導電層18之間的電荷導電材料之電荷導電路徑22。在此具體實例中電荷導電路徑22包含由電荷導電材料製成之複數個半導電顆粒。舉例而言，路徑22中之半導電顆粒由摻雜矽製成。路徑中之半導電顆粒宜由與光吸收層中之半導電顆粒52相同的材料製成。電荷導體3經沈積，使得半導電顆粒52中之一些部分地覆蓋晶粒2且半導電顆粒52中之一些形成自晶粒2的表面至第二導電層之電荷導電材料之複數個連續路徑22。第一及第二導電層及絕緣層20宜為多孔的以允許電荷導體3之半導電顆粒52穿過導電層及絕緣層。電荷導體3之半導電顆粒52容納於第一及第二導電層之孔中及絕緣層20之孔中，如圖6中所示。電荷導體之半導電顆粒52與彼此電接觸，且與光吸收層中之晶粒2電接觸以使得半導電顆粒52中之至少一些在光吸收層1b與第二導電層之間形成半導電網路。
本發明不限於所揭示具體實例，但可在以下申請專利範圍的範圍內變化且修改。舉例而言，在一替代性具體實例中晶粒可嵌入於電荷導體中。光伏打裝置之架構亦可變化。舉例而言，可在其他具體實例中省略絕緣層及/或第二導電層。根據本發明之光吸收層亦可用於前觸點光伏打裝置中，其中金屬陽極柵格定位於光吸收層之頂部上(亦即，電荷導體及晶粒上)。另外，第二導電層可呈金屬膜形式而為無孔的。

Claims (22)

  1. 一種用於光伏打裝置之光吸收層(1a；1b)，其包含由與摻雜半導電材料實體接觸之電荷導電材料製成的電荷導體(3)，其特徵在於該光吸收層包含該摻雜半導電材料之複數個晶粒(2)，且該等晶粒部分地以該電荷導體(3)覆蓋以使得複數個接面(4)形成於該等晶粒與該電荷導體之間。
  2. 如申請專利範圍第1項之光吸收層，其中該等晶粒(2)之平均大小在1μm與300μm之間，較佳地在10μm與80μm之間，且最佳地在20μm與50μm之間。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之光吸收層，其中該等晶粒(2)由摻雜矽製成。
  4. 如申請專利範圍第3項之光吸收層，其中該等晶粒(2)主要具有在該等晶粒之表面處曝露的{111}平面。
  5. 如前述申請專利範圍中任一項之光吸收層，其中該電荷導體(3)安置於該等晶粒(2)之間。
  6. 如前述申請專利範圍中任一項之光吸收層，其中該電荷導體(3)安置於該等晶粒(2)上，以使得該等晶粒中之大部分以一電荷導電層(6)覆蓋，該電荷導電層(6)覆蓋該晶粒之表面的主要部分。
  7. 如申請專利範圍第6項之光吸收層，其中該電荷導電層(6)覆蓋該等晶粒(2)之表面的至少70%，且較佳至少80%。
  8. 如申請專利範圍第6項或第7項之光吸收層，其中該電荷導電層(6)具有10nm與200nm之間且較佳地60nm與100nm之間的厚度。
  9. 如前述申請專利範圍中任一項之光吸收層，其中該等晶粒(2)之表面的一部分附接至導電層(16)，且該等晶粒之剩餘自由表面積以該電荷導體(3)覆蓋。
  10. 如前述申請專利範圍中任一項之光吸收層，其中該電荷導體(3)包含導電聚合物抑或無機材料抑或金屬有機材料。
  11. 如前述申請專利範圍中任一項之光吸收層，其中該電荷導體(3)包含PEDOT：PSS。
  12. 一種光伏打裝置(10；30；50)，其包含光吸收層(1a；1b)，該光吸收層(1a；1b)包括由與摻雜半導電材料實體接觸之電荷導電材料製成的電荷導體(3)，其特徵在於該光吸收層包括該摻雜半導電材料之複數個晶粒(2)，且該等晶粒部分地以該電荷導體(3)覆蓋以使得複數個接面(4)形成於該等晶粒與該電荷導體之間。
  13. 如申請專利範圍第12項之光伏打裝置，其中該裝置包含第一導電層(16)及自該第一導電層(16)電絕緣之第二導電層(18)，該光吸收層安置於該第一導電層(16)上以使得該等晶粒(2)與該第一導電層電氣且實體接觸，且該電荷導體(3)電耦接至該第二導電層(18)且自該第一導電層(16)電絕緣。
  14. 如申請專利範圍第13項之光伏打裝置，其中該等晶粒(2)中之每一者的表面之一部分與該第一導電層(16)實體且電接觸，且該等晶粒中之每一者的剩餘表面之主要部分以該電荷導體(3)覆蓋。
  15. 如申請專利範圍第13項至第14項中任一項之光伏打裝置，其中該裝置包含配置於該第一導電層16與該第二導電層18之間的絕緣層(20)。
  16. 如申請專利範圍第13項至第15項中任一項之光伏打裝置，其中該電荷導體(3)經沈積，使得其形成自該等晶粒(2)之該表面至該第二導電層(13)之電荷導電材料的複數個連續路徑(22)。
  17. 如申請專利範圍第16項之光伏打裝置，其中該電荷導體(3)穿過該第一導電層(16)及該絕緣層(20)以形成該等路徑(22)。
  18. 如申請專利範圍第16項或第17項之光伏打裝置，其中該第一導電層(16)及該絕緣層(20)為多孔的，且該電荷導體(3)容納於該第一導電層(16)之孔中及該絕緣層之孔中，以使得穿過該第一導電層(16)及該絕緣層(20)形成該等導電路徑。
  19. 如申請專利範圍第13項至第18項中任一項之光伏打裝置，其中該第一導電層(16)包含經配置以以電氣方式將該電荷導體(3)與該第一導電層(16)絕緣之絕緣氧化物。
  20. 如申請專利範圍第13項至第19項中任一項之光伏打裝置，其中該第一導電層(16)包含與該等晶粒(2)電接觸之燒結金屬顆粒(24)。
  21. 如申請專利範圍第13項至第20項中任一項之光伏打裝置，其中該等晶粒(2)由摻雜矽製成，且該第一導電層(16)包含金屬或金屬合金，且該等晶粒(2)與該第一導電層(16)之間的實體接觸區域由金屬矽化物或金屬矽合金的層(26)構成。
  22. 如申請專利範圍第12項之光伏打裝置，其中該光吸收層(1a，1b)為如申請專利範圍第1項至第11項中任一項之光吸收層。
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