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TWI448431B - 光學鈍化薄膜及其製造方法以及太陽能電池 - Google Patents

光學鈍化薄膜及其製造方法以及太陽能電池 Download PDF

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TWI448431B
TWI448431B TW100142252A TW100142252A TWI448431B TW I448431 B TWI448431 B TW I448431B TW 100142252 A TW100142252 A TW 100142252A TW 100142252 A TW100142252 A TW 100142252A TW I448431 B TWI448431 B TW I448431B
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Sheng Min Yu
Terry Wang
Chia Liang Sun
Tzer Shen Lin
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Description

光學鈍化薄膜及其製造方法以及太陽能電池
本發明是有關於一種光學鈍化薄膜及其製造方法以及具有所述光學鈍化薄膜之太陽能電池。
太陽能是一種具有永不耗盡且無污染的能源，在解決目前石化能源所面臨的污染與短缺的問題時，一直是最受矚目的焦點。太陽能電池(solar cell)可直接將太陽能轉換為電能，而成為目前相當重要的研究課題。
在太陽能電池中，抗反射層扮演著很重要的角色。抗反射層除了必須具有適當的折射率之外，表面鈍化後載子壽命與薄膜電荷量也是影響太陽能電池效率的因素。傳統太陽能電池有使用氧化鈦、氧化鋁或是氮化矽作為抗反射層。然而，使用氧化鈦作為抗反射層的缺點是其折射率過大，而造成入射光無法有效利用，且較差的鈍化效果也會使電子復合現象大量產生，降低電池效率。另外，使用氧化鋁作為抗反射層雖然其鈍化效果較氧化鈦好，但過於小的折射率也將使入射光大量反射，無法達到抗反射的目的。
本發明提供一種光學鈍化薄膜及其製造方法，其同時具有良好的光學鈍化效果以及抗反射效果。
本發明提供一種太陽能電池，其具有上述之光學鈍化薄膜。
本發明提出一種光學鈍化薄膜，其包括Ti1-x Alx Oy ：Z，其中Z表示鹵素元素，x介於0.05~0.95，y大於0。
本發明另提出一種光學鈍化薄膜的製造方法，其包括製備噴塗溶液，其中噴塗溶液包括氧化鋁前驅物、氧化鈦前驅物、鹵素溶液以及溶劑。將基板放置於加熱器上，以對基板進行加熱步驟。進行噴塗程序，以將噴塗溶液噴塗於基板上，以形成所述光學鈍化薄膜，其中光學鈍化薄膜包括Ti1-x Alx Oy ：Z，Z表示鹵素元素，x介於0.05~0.95，y大於0。
本發明另提出一種太陽能電池，其包括半導體基材、光學鈍化薄膜、第一電極以及第二電極。光學鈍化薄膜位於半導體基材上，其中光學鈍化薄膜包括Ti1-x Alx Oy ：Z，Z表示鹵素元素，x介於0.05~0.95，y大於0。第一電極以及第二電極分別位於半導體基材的相對向之兩表面上。
基於上述，本發明之光學鈍化薄膜是將氧化鋁溶液以及所述氧化鈦溶液以噴塗方式形成在基板上，因此可有效地調控光學鈍化薄膜(Ti1-x Alx Oy ：Z)具有合適的鈍化效果以及抗反射性質。將所述光學鈍化薄膜應用於太陽能電池上可有效地提升太陽能電池的效能。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1是根據本發明一實施例之太陽能電池的示意圖。請參照圖1本實施例之太陽能電池包括半導體基材100、光學鈍化薄膜104、第一電極106以及第二電極110。
根據本實施例，半導體基材100是摻雜p型摻質之半導體材料。上述之矽包括單晶矽(single crystal silicon)、多晶矽(polycrystal silicon)。摻雜於半導體材料中之p型摻質可以是選自元素週期表中三族元素的群組，例如是硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)等等。
根據本實施例，在半導體基材100之其中一表面內更包括形成有一摻雜層102，所述摻雜層例如是n型摻雜層，以使得半導體基材100與摻雜層102之間形成p-n接面。在此，n型摻質可以是選自元素週期表中的第五族元素，例如磷(P)、砷(As)或是銻(Sb)等等。
光學鈍化薄膜104是設置於半導體基材100之摻雜層102上。所述光學鈍化薄膜104可為單層薄膜或是多層薄膜。特別是，光學鈍化薄膜104包括Ti1-x Alx Oy ：Z，其中Z表示鹵素元素，x介於0.05~0.95，y大於0。換言之，光學鈍化薄膜104是由鈦金屬、鋁金屬以及鹵素原子摻混所形成，其成分與傳統的抗反射層之成分(氧化鈦、氧化鋁或是氮化矽)完全不相同。
承上所述，上述之光學鈍化薄膜(Ti1-x Alx Oy ：Z) 104中的Z(鹵素元素)可為氟、氯、溴或碘。此外，所述鹵素元素於光學鈍化薄膜中的量至少為1018 atoms/dm3 。較佳的是，所述鹵素元素於光學鈍化薄膜中的量為1018 ~1021 atoms/cm3 。
第一電極106以及第二電極110則分別設置於半導體基材100相對向的兩表面上。第一電極106可為指狀電極結構或是其他合適的電極結構。第二電極110為背部接觸電極。
一般來說，在第二電極110與半導體基材100之間可進一步設置介電層108與摻雜區112。上述之介電層108例如是氧化矽、氮化矽或是其他的介電材料。摻雜區112例如是p型摻雜區，p型摻雜區中之摻質可選自元素週期表中三族元素的群組，例如是硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)等等。
在本實施例之太陽能電池中，因光學鈍化薄膜(Ti1-x Alx Oy ：Z)104具有甚佳的光捕捉特性以及光學鈍化效果，因此使用所述光學鈍化薄膜(Ti1-x Alx Oy ：Z)作為太陽能電池之抗反射層可以有效地提供太陽能電池的效率。
上述光學鈍化薄膜(Ti1-x Alx Oy ：Z)可以以下列兩種實施方式來製造。
第一實施例
圖2是根據本發明一實施例之光學鈍化薄膜的製造流程示意圖。圖3是根據本發明之實施例之光學鈍化薄膜的製造方法示意圖。請同時參照圖2以及圖3，首先進行步驟S10，製備噴塗溶液，其中噴塗溶液包括氧化鋁前驅物A、氧化鈦前驅物B、鹵素溶液C與溶劑D。
上述之氧化鋁前驅物A包括鋁醇鹽(Al[OCH(CH3 )2 )]3 )、氯化鋁(AlCl3 )、或硝酸鋁。上述之氧化鈦前驅物B包括鈦醇鹽(Ti[OCH(CH3 )2 ]4 )或四乙醇鈦(Ti[OH(CH2 )2 ]4 )。上述之鹵素溶液C包括含氟溶液、含氯溶液、含溴溶液或含碘溶液。上述之溶劑D包括水、甲醇、乙醇或三者之任意比例混合溶劑，上述水以及甲醇之混合溶劑中的水以及甲醇的比例如3：1，但本發明不以此為限。
根據一實施例，製備噴塗溶液的方法包括將氧化鋁前驅物A、氧化鈦前驅物B以及鹵素溶液C加入溶劑D之中以形成混合溶液。所述氧化鋁前驅物A於混合溶液中的濃度為0.01M~1M，較佳的是0.05M~0.2M。所述氧化鈦前驅物B於混合溶液中的濃度為0.01M~1M，較佳的是0.05M~0.2M。所述鹵素溶液C於混合溶液中的濃度為0.01M~1M，較佳的是0.1M。
之後，進行步驟S20，將上述之混合溶液進行攪拌以充分混合。
接著，進行步驟S30，進行噴塗程序，以將所述混合溶液噴塗於基板上，以形成光學鈍化薄膜(S40)。上述之基板例如是空白基板、太陽能電池元件或是其他的電子元件。倘若上述之基板是空白基板，那麼於基板上形成光學鈍化薄膜之後即形成光學鈍化膜產品。倘若上述之基板是太陽能電池元件，那麼於基板上形成光學鈍化薄膜之後即形成具有光學鈍化薄膜之太陽能電池元件。
承上所述，在步驟S30中，基板200是設置在加熱器300上，如圖3所示。換言之，透過加熱器300的加熱可使得基板200具有特定溫度。在此，加熱器300的溫度(基板200被加熱的溫度)為攝氏300～600度，較佳的是攝氏350～450度。
另外，將所述混合溶液噴塗於基板200上之方法例如是進行超音波霧化噴塗程序。在此實施例中，如圖3所示，所述混合溶液500是透過超音波霧化之後利用噴嘴400將霧化的混合溶液500噴塗於基板200上。
承上所述，本實施例是利用超音波霧化噴塗程序將所述混合溶液噴塗於加熱的基板200上，因此當混合溶液噴塗於已加熱的基板200上之後即可立即成膜。舉例來說，當進行所述超音波霧化噴塗程序約10分鐘的時間，即可形成膜厚約為100nm的光學鈍化薄膜。因此，本實施例使用超音波霧化噴塗程序可以以非常短的時間完成光學鈍化薄膜的製作。以上述方法所形成的光學鈍化薄膜包括Ti1-x Alx Oy ：Z，Z表示鹵素元素，x介於0.05~0.95，y大於0。
根據另一實施例，當以上述超音波霧化噴塗程序形成光學鈍化薄膜之後，可進一步進行退火步驟，但本發明不以此為限。所述退火步驟的溫度約為700℃，時間約為一小時。
第二實施例
圖4是根據本發明之實施例之光學鈍化薄膜的製造方法示意圖。請參照圖4，本實施例之方法與上述圖3之方法相同，因此相同的元件以相同的符號表示，且不再重複說明。在圖4之實施例中，製備噴塗溶液的方法包括將氧化鋁前驅物與溶劑混合以製備成氧化鋁溶液510，並且將氧化鈦前驅物與溶劑混合以製備成氧化鈦溶液520，其中所述氧化鋁溶液510、氧化鈦溶液520或是兩者含有鹵素溶液。
在本實施例中，氧化鋁溶液510中的氧化鋁前驅物包括鋁醇鹽(Al[OCH(CH3 )2 )]3 )、氯化鋁(AlCl3 )、或硝酸鋁。氧化鈦溶液520中的氧化鈦前驅物包括鈦醇鹽(Ti[OCH(CH3 )2 ]4 )或四乙醇鈦(Ti[OH(CH2 )2 ]4 )。上述之鹵素溶液包括含氟水溶液、含氯水溶液、含溴水溶液或含碘水溶液。上述之溶劑D包括水、甲醇、乙醇或三者之任意比例混合溶劑，上述水以及甲醇之混合溶劑中的水以及甲醇的比例如3：1，但本發明不以此為限。
根據本實施例，氧化鋁前驅物在氧化鋁溶液510中的濃度約為0.1M~0.2M，氧化鈦前驅物在氧化鈦溶液520中的濃度約為0.1M~0.2M。若氧化鋁溶液510中含有鹵素溶液，那麼鹵素溶液在氧化鋁溶液510中的濃度約為0.1M~0.2M。若氧化鈦溶液520中含有鹵素溶液，那麼鹵素溶液在氧化鈦溶液520中的濃度約為0.1M~0.2M。
接著，利用噴嘴410、420以分別將所述含鹵素氧化鋁溶液510以及所述含鹵素氧化鈦溶液520各自噴塗於基板200上。類似地，所述基板200是設置在加熱器300上。在此，加熱器300的溫度(基板200被加熱的溫度)為攝氏300～600度，較佳的是攝氏350～450度。
根據本實施例，將含鹵素的氧化鋁溶液510以及含鹵素的氧化鈦溶液520各自噴塗於基板200上之方法例如是進行超音波霧化噴塗程序。在此，超音波霧化的條件包括可將混合溶液霧化成霧滴粒徑大小1~20μm之微霧。另外，所述氧化鋁溶液510的噴塗量與所述氧化鈦溶液520的噴塗量的比例為10:1~1:10，較佳的是1:1，以控制Ti1-x Alx Oy ：Z膜層中X值。
承上所述，本實施例是利用超音波霧化噴塗程序將含鹵素的氧化鋁溶液510以及含鹵素的氧化鈦溶液520各自霧化並噴塗於同一加熱的基板200上，當氧化鋁溶液510以及氧化鈦溶液520噴塗於加熱的基板200上之後即可迅速地混合成膜。舉例來說，當進行所述超音波霧化噴塗程序約10分鐘的時間，即可形成膜厚約為100nm的光學鈍化薄膜。因此，本實施例使用超音波霧化噴塗程序可以以非常短的時間完成光學鈍化薄膜的製作。以上述方法所形成的光學鈍化薄膜包括Ti1-x Alx ：Z，Z表示鹵素元素，x介於0.05~0.95，y大於0。
承上所述，當以上述超音波霧化噴塗程序形成光學鈍化薄膜之後，可進一步進行退火步驟，但本發明不以此為限。所述退火步驟的溫度約為700℃，時間約為一小時。
實例
圖5是根據本發明一實施例之光學鈍化薄膜之成分與折射率及載子壽命的關係圖。請參照圖5，圖5之橫軸表示光學鈍化薄膜(Ti1-x Alx Oy )的成分比例，且縱軸表示折射率以及載子壽命。另外，□表示未摻雜有鹵素元素之光學鈍化薄膜(Ti1-x Alx Oy )的成分比例與載子壽命的關係。■表示摻雜有氯之光學鈍化薄膜(Ti1-x Alx Oy :Cl)的成分比例與載子壽命的關係。●表示摻雜有氯之光學鈍化薄膜(Ti1-x Alx Oy :Cl)的成分比例與折射率的關係。由圖5可知，未摻雜有鹵素元素之光學鈍化薄膜(Ti1-x Alx Oy )的載子壽命相較於摻雜有氯之光學鈍化薄膜(Ti1-x Alx Oy :Cl)載子壽命相對偏低。因此由此可證明，摻雜有鹵素原子之光學鈍化薄膜具有較佳的鈍化效果。
值得一提的是，由於本實施例之光學鈍化薄膜(Ti1-x Alx Oy ：Z)是藉由製備塗佈溶液並以超音波霧化噴塗程序方式形成，因此使用者可以輕易的藉由調整噴塗溶液中各成分的比例來調控光學鈍化薄膜(Ti1-x Alx Oy ：Z)中的鈦、鋁以及鹵素的比例關係。由上述圖5可知，在光學鈍化薄膜(Ti1-x Alx Oy ：Z)中的鈦、鋁的比例不同，會使得光學鈍化薄膜(Ti1-x Alx Oy ：Z)的載子壽命以及折射率性質不同。因此，使用者可以根據光學鈍化薄膜實際上的應用來調整光學鈍化薄膜(Ti1-x Alx Oy ：Z)中各成分的比例。
圖6是根據本發明一實施例之光學鈍化薄膜之偏壓與標準電容值之間的關係圖。請參照圖6，圖6的橫軸表示壓值，縱軸表示標準電容值。在圖6中，光學鈍化薄膜(Ti1-x Alx Oy ：Z)中的鋁以及鈦之間的比例的電壓電容關係表現如圖6之曲線。從圖6可知，當光學鈍化薄膜(Ti1-x Alx Oy )沒有摻雜鹵素時，其電壓電容表現遠低於有摻雜鹵素的光學鈍化薄膜(例如是Ti1-x Alx Oy ：Cl)。
類似地，由於本實施例之光學鈍化薄膜(Ti1-x Alx Oy ：Z)是藉由製備塗佈溶液並以超音波霧化噴塗程序方式形成，因此使用者可以輕易的藉由調整噴塗溶液中各成分的比例來調控光學鈍化薄膜(Ti1-x Alx Oy ：Z)中的鈦、鋁以及鹵素的比例關係。由上述圖6可知，在光學鈍化薄膜(Ti1-x Alx Oy ：Z)中的鈦、鋁的比例不同，會使得光學鈍化薄膜(Ti1-x Alx Oy ：Z)的電壓電容表現不同。因此，使用者可以根據光學鈍化薄膜實際上的應用來調整光學鈍化薄膜(Ti1-x Alx Oy ：Z)中各成分的比例。
以下表一列出一個實例以及兩個比較例，以證明本實施例之光學鈍化薄膜(Ti1-x Alx Oy ：Z)相較於傳統抗反射膜具有較佳的鈍化效果以及足夠的光捕捉功效。
由表一可知，實施例因採用噴塗的方式成膜，因此其沈積率可以作大範圍的調控。而且，折射率以及負固定電荷(negative fixed charge)值都有大範圍的調整空間。此外，實施例之光學鈍化薄膜之電子電洞再結合率相較於比較例一以及比較例二來說較低。
綜上所述，本發明之光學鈍化薄膜是將氧化鋁溶液以及所述氧化鈦溶液以噴塗方式形成在基板上，因此可有效地調控光學鈍化薄膜(Ti1-x Alx Oy ：Z)具有合適的鈍化效果以及抗反射性質。將所述光學鈍化薄膜應用於太陽能電池上可有效地提升太陽能電池的效能。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．半導體基材
102．．．摻雜層
104．．．光學鈍化薄膜
106．．．第一電極
108．．．介電層
110．．．第二電極
112．．．摻雜區
200．．．基板
300．．．加熱器
400、410、420．．．噴嘴
500．．．噴塗溶液(混合溶液)
510．．．氧化鋁溶液
520．．．氧化鈦溶液
圖1是根據本發明一實施例之太陽能電池的示意圖。
圖2是根據本發明一實施例之光學鈍化薄膜的製造流程示意圖。
圖3以及圖4是根據本發明之實施例之光學鈍化薄膜的製造方法示意圖。
圖5是根據本發明一實施例之光學鈍化薄膜之成分與折射率及載子壽命的關係圖。
圖6是根據本發明一實施例之光學鈍化薄膜之偏壓與標準電容值之間的關係圖。
200．．．基板
300．．．加熱器
400．．．噴嘴
500．．．噴塗溶液

Claims (19)

  1. 一種光學鈍化薄膜，其包括Ti1-x Alx Oy ：Z，其中Z表示鹵素元素，x介於0.05~0.95，y介於0~4。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光學鈍化薄膜，其中Z表示氟、氯、溴或碘。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之光學鈍化薄膜，其中所述鹵素元素於該光學鈍化薄膜中的量大於或等於1018 atoms/cm3 。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之光學鈍化薄膜，其中所述鹵素元素於該光學鈍化薄膜中的量為1018 ~1021 atoms/cm3 。
  5. 一種光學鈍化薄膜的製造方法，包括：製備一噴塗溶液，其中該噴塗溶液包括一氧化鋁前驅物、一氧化鈦前驅物、一鹵素溶液以及一溶劑；將一基板放置於一加熱器上，以對該基板進行一加熱步驟；進行一噴塗程序，以將該噴塗溶液噴塗於該基板上，以形成一光學鈍化薄膜，其中所述光學鈍化薄膜包括Ti1-x Alx Oy ：Z，Z表示鹵素元素，x介於0.05~0.95，y介於0~4。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之光學鈍化薄膜的製造方法，其中該氧化鋁前驅物包括鋁醇鹽、氯化鋁、或硝酸鋁。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之光學鈍化薄膜的製造方法，其中該氧化鈦前驅物包括鈦醇鹽或四乙醇鈦。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之光學鈍化薄膜的製造方法，其中該溶劑包括水以及甲醇、乙醇或其組合。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之光學鈍化薄膜的製造方法，其中製備該噴塗溶液的步驟包括同時將該氧化鋁前驅物、該氧化鈦前驅物、該鹵素溶液與該溶劑混合以形成一混合溶液；以及該噴塗程序包括利用一噴嘴將該混合溶液噴塗於該基板上。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之光學鈍化薄膜的製造方法，其中該氧化鋁前驅物於該混合溶液中的濃度為0.01M~1M，所述該氧化鈦前驅物於該混合溶液中的濃度為0.01M~1M，且該鹵素溶液於該混合溶液中的濃度為0.01M~1M。
  11. 如申請專利範圍第5項所述之光學鈍化薄膜的製造方法，其中製備該噴塗溶液的步驟包括分別將該氧化鋁前驅物以及該氧化鈦前驅物與該溶劑混合，以製備成一氧化鋁溶液以及一氧化鈦溶液，其中該氧化鋁溶液、該氧化鈦溶液或是兩者含有該鹵素溶液；以及該噴塗程序包括利用多個噴嘴以分別將所述氧化鋁溶液以及所述氧化鈦溶液各自噴塗於該基板上。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之光學鈍化薄膜的製造方法，其中所述氧化鋁溶液的噴塗量與所述氧化鈦溶液的噴塗量的比例為10：1~1：10。
  13. 如申請專利範圍第5項所述之光學鈍化薄膜的製造方法，其中將所述噴塗程序包括進行一超音波霧化噴塗程序。
  14. 如申請專利範圍第5項所述之光學鈍化薄膜的製造方法，其中該加熱器的溫度為攝氏300~600度。
  15. 如申請專利範圍第5項所述之光學鈍化薄膜的製造方法，其中於形成該光學鈍化薄膜之後，更包括進行一退火步驟。
  16. 一種太陽能電池，包括：一半導體基材；一光學鈍化薄膜，位於該半導體基材上，其中該光學鈍化薄膜，其包括Ti1-x Alx Oy ：Z，其中Z表示鹵素元素，x介於0.05~0.95，y介於0~4；以及一第一電極以及一第二電極，分別位於該半導體基材的相對向之兩表面上。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之太陽能電池，其中Z表示氟、氯、溴或碘。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之太陽能電池，其中所述鹵素元素於該光學鈍化薄膜中的量大於或等於1018 atoms/cm3 。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之太陽能電池，其中所述鹵素元素於該光學鈍化薄膜中的量為1018 ~1021 atoms/cm3 。
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