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TWI812265B - 熱載子太陽能電池及疊層太陽能電池 - Google Patents

熱載子太陽能電池及疊層太陽能電池 Download PDF

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TWI812265B
TWI812265B TW111121261A TW111121261A TWI812265B TW I812265 B TWI812265 B TW I812265B TW 111121261 A TW111121261 A TW 111121261A TW 111121261 A TW111121261 A TW 111121261A TW I812265 B TWI812265 B TW I812265B
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張崇瀚
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Abstract

一種熱載子太陽能電池，可以吸收波長大於1100 nm以上的太陽光，具有低成本、製程容易等優點。另外，亦揭露一種具有上述熱載子太陽能電池的疊層太陽能電池，可以提升整體太陽能電池的效率。

Description

熱載子太陽能電池及疊層太陽能電池
本發明是關於一種熱載子太陽能電池以及具有熱載子太陽子電池的疊層太陽能電池。
太陽能是一種乾淨、安全的可再生能源。近年來太陽能發電的成本急遽下降，顯示其未來被廣泛應用的潛力。與火力發電比較，太陽能發電的運作成本較低，但建置成本更高。為了降低成本，提高太陽能板的轉換效率以增加單位面積能夠產生的發電量，是發展太陽能發電最需要克服的問題。
表1列出市面上主要的太陽能電池種類以及其轉換效率。常見的太陽能光電池，包含已商業化的矽晶(silicon-based)、薄膜、三五族化合物半導體等太陽能電池，以及未來商業化的有機、鈣鈦礦等太陽能電池。受限於大規模商業化技術，即使是技術最成熟的矽晶電池，市售產品尚無法在相同成本條件下突破轉換效率25%。
Figure 111121261-A0305-02-0003-1
Figure 111121261-A0305-02-0004-2
為了提高太陽能光伏系統的發電效益，許多研究團隊投入堆疊型太陽能電池。具相同有效面積的太陽能電池，其光電轉換效率愈高，經濟優勢愈明顯。堆疊型太陽能電池的基礎為雙接面太陽能電池，其理論效率最高可達47%。而多接面太陽能電池，例如美國再生能源(NREL)揭露轉換效率達到47.1%的六接面太陽能電池，德國團隊(Fraunhofer ISE)揭露轉換效率達到35.9%的三接面太陽能電池。上述兩者皆是以三五族半導體製成。雖然多接面太陽能電池的效率高，但其磊晶過程繁複，製造成本高。
在整個AM 1.5太陽光光譜中，輻射能量主要集中在波長0.15-4μm的區域，其中紫外光佔了5%，可見光佔52%，紅外光佔43%。現有太陽能電池的轉換效率主要來自於可見光波段(400-800nm)的貢獻。只有能量高於半導體的禁帶寬度的光子能被吸收，這決定了能被材料吸收的光子的最小能量(hν)，即最大波長。一般材料的禁帶寬度介於1到1.7eV，換算成能被材料吸收的光子的最大波長約落在730-1240nm，即可見光至近紅外光的範圍。目前市售的太陽能電池，可以有效吸收波長300nm至1100nm(近紅外光)範圍的光並將之轉換成電能。此波長範圍佔了整個AM 1.5太陽光譜輻射能量的80.43%，而其餘能量也就是1100nm以上的近紅外光至中紅外光佔了19.57%無法被有效利用，只能以廢熱形式耗損。
為了有效利用波長1100nm以上紅外光，在多接面疊層中加入能隙低於1.1eV的吸光層。過去多使用三五族及二六族化合物，像是GaSb、InAs、CIS或InGaAsSb化合物等等。這些材料有成熟的磊晶技術，並應用於高效率的疊層電池。然而，有些元素的地球存量低，導致材料成本高。此外，磊晶製程難度高，不利於大規模生產。
本發明是關於一熱載子太陽能電池以及具有熱載子太陽能子電池的疊層太陽能電池。
在一些實施例中，一種熱載子太陽能電池包含半導體層、吸光層、第一電極、第二電極。吸光層的下表面與半導體層的上表面接觸。第一電極與吸光層的上表面接觸。第二電極與半導體層的下表面接觸。其中吸光層或半導體層中的載子，受入射光子激發後形成熱載子越過吸光層層與半導體層的介面，形成光電流。
在一些實施例中，吸光層的能隙小於或等於0.5eV。在一些實施例中，在吸光層以及半導體層的介面形成介於0.2-1.1eV之間的蕭特基能障。
在一些實施例中，一種疊層太陽能電池包含第一單元以及第二單元。第一單元包含熱載子太陽能子電池，用以將波長大於1100nm的入射光轉換為電能。第二單元包含一或多個鈣鈦礦太陽能子電池，用以將波長1100nm以下的入射光轉換為電能。
在一些實施例中，針對波長大於1100nm、光伏照度13.85mW/cm2的入射光，熱載子太陽能子電池的轉換效率大於3.3%。
1:太陽能電池
2:太陽能電池
3:太陽能電池
4:太陽能電池
5:太陽能電池
10:吸光層
11:第一電極
12:第二電極
13:半導體/半導體基板
14:能量選擇層
10’:第一單元
20:第二單元
100:疊層太陽能電池
101:粗糙表面
201:鈣鈦礦太陽能子電池
202:矽晶太陽能子電池
圖1顯示根據本發明一實施例的太陽能電池1。
圖2顯示根據本發明一些實施例所提供太陽能電池的能帶圖。
圖3顯示根據本發明一些實施例所提供太陽能電池的能帶圖。
圖4為側視示意圖，顯示根據本發明另一實施例的太陽能電池。
圖5為掃描電子顯微鏡照片，顯示以不同蒸率在矽基板上沉積銀薄膜。
圖6顯示根據本發明實施例太陽能電池的測量架構。
圖7A與圖7B分別顯示根據圖6的測量架構，不使用濾光片以及使用濾光片時本案太陽能電池與比較樣品的光伏特性曲線。
圖8為側視示意圖，顯示根據本發明另一實施例的太陽能電池。
圖9A為示意圖，顯示根據本發明另一實施例的太陽能電池。
圖9B顯示圖9A的太陽能電池的能帶圖。
圖9C顯示圖9A的太陽能電池的另一種能帶圖。
圖10A為示意圖，顯示根據本發明另一實施例的太陽能電池。
圖10B顯示圖10A的太陽能電池的能帶圖。
圖10C顯示圖10A的太陽能電池的另一種能帶圖。
圖11為示意圖，顯示根據本發明一實施例的疊層太陽能電池。
以下將詳述本案的各實施例，並配合圖式作為例示。除了這些詳細描述之外，本發明還可以廣泛地實行在其他的實施例中，任何該實施例的輕易替代、修改、等效變化都包含在本案的範圍內，並以之後的專利範圍為準。在說明書的描述中，為了使讀者對本發明有較完整的瞭解，提供了許多特定細節；然而，本發明可能在省略部分或全部這些特定細節的前提下，仍可實施。此外，眾所周知的程式步驟或元件並未描述於細節中，以避免造成本發明不必要之限制。
圖1顯示根據本發明一實施例的太陽能電池1。參見圖1，太陽能電池1包含吸光層10、半導體13、第一電極11，以及第二電極12。吸光層10的下 表面與半導體13的上表面接觸。第一電極11與吸光層10的上表面接觸。第二電極12與半導體13的下表面接觸。吸光層10或半導體13中的載子，受入射光子激發後形成熱載子越過該吸光層10與該半導體13的介面，形成光電流。
在一些實施例中，半導體13較佳為矽，吸光層10的能隙(bandgap)小於或等於0.5eV。在一些實施例中，吸光層10的材料為半導體，例如但不限於砷化銦(InAs)或銻化銦(InSb)。在一些實施例中，吸光層10的材料為金屬，例如但不限於：金、銀、銅、鉻、鎳。較佳者，吸光層10的厚度小於或等於100nm。在一些實施例中，吸光層10的厚度小於或等於50nm。較佳者，吸光層10的厚度小於或等於30nm。
在一些實施例中，第一電極11與吸光層10之間還具有金屬接合層(bonding layer，未圖示)。在一些實施例中，第二電極12與半導體13之間還具有金屬接合層(未圖示)。金屬接合層的材質，例如但不限於鈦。
以下舉例說明太陽能電池1的製作方法。
首先，將半導體基板13，例如矽基板，裁切成2.5cm×2.5cm大小。接著，將裁切好的矽基板浸泡在緩衝氧化物蝕刻液當中，以蝕刻矽基板表面自然形成的二氧化矽，可透過矽基板表面的疏水性確認有無殘留氧化層。
接著，在矽基板的表面以熱蒸鍍機鍍上厚度10nm的銀作為吸光層10。接著，以熱蒸鍍機在吸光層10的表面鍍上厚度100nm的銀指狀電極作為第一電極11，以及在矽基板的底面鍍上的鋁作為第二電極12。指狀的第一電極11有利於透光，其也可以是矩形或其他形狀。在圖1的實施例中，入射光是從太陽能電池的頂部進入。在一些實施例中，入射光是從太陽能電池的底部進入，此情況第二電極12可為指狀，而第一電極11可為矩形。
圖2顯示根據本發明一些實施例所提供太陽能電池的能帶圖。在本實施例中，太陽能電池可具有如圖1的結構，其中吸光層為金屬，半導體為n 型半導體，主要載子為電子。金屬與半導體在未接觸前各自帶有其獨立的能帶結構、費米能階(Fermi level)與材料能隙。半導體的能隙(Eg)為傳導帶(Ec)與價電帶(Ev)的能量差。功函數定義為費米能階(Fermi level)至真空能階Evac(vacuum level)的能量差，半導體中的電子親和力qχ(electron affinity)為傳導帶Ec(conduction band)至半導體真空能階Evac的能量差。金屬的功函數(qΦm)大於半導體的功函數(qΦs)。如圖2所示，金屬與半導體接觸後達到熱平衡，在理想狀態下，金屬與半導體的費米能階相等。當n型半導體中的主要載子電子從半導體流向金屬時須克服介面上的內建電場Vbi(built-in electric field)。若電子欲從金屬進到半導體則須突破介面的能障高度Φb(barrier height)。能障高度Φb為費米能階與金屬表面的半導體的導電帶的能量差。
圖3顯示根據本發明一些實施例所提供太陽能電池的能帶圖。在本實施例中，太陽能電池可具有如圖1的結構，其中吸光層為金屬，半導體為p型半導體，主要載子為電洞。金屬的功函數(qΦm)小於該半導體的功函數(qΦs)。如圖3所示，金屬與半導體接觸後達到熱平衡，在理想狀態下，金屬與半導體的費米能階相等。當p型半導體中的主要載子電洞從半導體流向金屬時須克服介面上的內建電場Vbi(built-in electric field)。若電洞欲從金屬進到半導體則須突破介面的能障高度Φb(barrier height)。
製作具有金屬半導體接面的太陽能電池有許多困難待克服。幾乎所有金屬都可以吸收紅外光，但其厚度若太薄，紅外光會大量穿透，吸收率只有約20%-30%；若金屬的厚度太厚，紅外光會大量反射，吸收率低於10%。此外，由於吸光層10的能隙非常低(金屬的能隙為0)，吸光層10吸收了中紅外光之後躍遷至高能階的電子在很短時間(通常只有幾皮秒10-12s)內就會掉回低能階，導致難以收集為光電流，這都是需要克服的困難。
為了快速導出熱載子，金屬薄膜厚度要足夠小，小到足以讓熱載子在冷卻前通過金屬薄膜。實驗發現，當金屬層愈薄，越過金屬半導體介面的熱載子愈多，然而金屬層的吸光能力也會跟著下降。其次，熱載子通過金屬薄膜的過程，可能與電子或電洞複合，導致光電流急遽下降。
在一些實施例中，利用金屬半導體接面產生的蕭特基能障，擋住通過金屬層跨過能障的熱載子，避免載子再次複合造成的損耗。在一些實施例中，以矽基板作為半導體，在其表面蒸鍍一層金屬層以利透光並形成蕭特基能障。根據使用不同種類的金屬，蕭特基能障大多分布在0.2-1.1eV之間。小於1.1eV的能障給予太陽能電池吸收近紅外光至中紅外光的能力。
熱載子能量重分布模型
此外，透過擴散偏微分方程式來模擬熱載子在金屬表面與其他載子彈性碰撞的過程。在碰撞過程中，能量在載子之間交換，帶有不同能量的載子數目會隨著時間不斷變化。考慮到熱載子壽命問題，在方程式中加入載子壽命項τ，數學表示式如(1)：
Figure 111121261-A0305-02-0009-3
，其中n為載子數、C為能量交換係數、E為能量(eV)、t為時間。
在方程式(1)中，設定一入射光條件，參考相同溫度的理想黑體輻射光譜作為初始的載子能量分布，並對截止波長前的光譜積分作為初始載子數目，透過數值模擬計算出帶有不同能量的載子數目隨時間的變化。透過其他實驗室量測的各種金屬熱載子生命期及能量擴散係數，代入能量擴散方程式，得到不同金屬在相同入射光下載子數目對時間變化。
熱載子空間擴散模型
接著，模擬熱載子隨著時間從載子濃度最高的金屬表面，往載子濃度最低的金屬矽接面擴散過程，在空間擴散偏微分方程式中，加入熱載子壽 命項τ，數學表示式如(2)：
Figure 111121261-A0305-02-0010-5
，其中n為載子數、D為熱載子擴散係數、x為距離、t為時間。
在方程式(2)中，以同樣條件的入射光對應的載子數目作為初始值，計算得到高能載子在金屬薄膜內部的擴散過程。再代入各金屬的載子壽命及空間擴散係數，便可獲得熱載子在各金屬內部的空間擴散結果。如此，透過建模估算不同種類金屬在不同薄膜厚度下，到達金屬矽接面的熱載子數量，再結合不同厚度薄膜對入射光的吸收度，匹配出最佳金屬層厚度。
表2列出根據方程式(1)和(2)所計算出各金屬產生的熱載子生命期及擴散長度。
Figure 111121261-A0305-02-0010-6
實驗發現，以蒸鍍法沉積吸光層例如金屬薄膜時，蒸鍍速率對於的吸光層的結晶形貌與特性有影響。圖4為側視示意圖，顯示根據本發明另一實施例的太陽能電池2。太陽能電池2與圖1所示的太陽能電池1具有相似的結構，除了下列描述的差異。在本實施例，控制蒸鍍速率，使得吸光層10具有不規則的粗糙表面101。
圖5為掃描電子顯微鏡(SEM)照片，顯示以不同蒸鍍速率沉積不同厚度的金屬薄膜的表面。其中(a)、(b)、(c)分別為以蒸鍍速率0.1、0.4，以及1.0Å/s在矽基板上沉積9.5nm的銀薄膜，(d)、(e)、(f)為以蒸鍍速率0.4Å/s在矽基板上分別沉積9、9.5，以及10nm的銀薄膜。從(a)-(c)可以觀察到，鍍率0.1Å/s的銀薄膜在奈米尺度下呈現多個不連續分布的島狀結構。隨著鍍率增加，銀原子 的分布更加均勻，島狀物之間的空隙縮小，不連續性下降。此外，利用原子力顯微鏡(AFM)掃描薄膜表面輪廓，計算薄膜表面平均線粗糙度(Ra，單位為pm)，結果如表3所示。
Figure 111121261-A0305-02-0011-7
如表3所示，隨著鍍率提高，薄膜表面粗糙度下降，更加平整且連續。增加金屬的蒸鍍速率可以給予金屬原子更大的動能，提高金屬原子沉積在基板上時的遷移率，從而形成更均勻的薄膜結構。在一些實施例中，吸光層10的粗糙表面101的表面平均線粗糙度(Ra)介於300pm至700pm之間。在一些實施例中，粗糙表面101的表面平均線粗糙度(Ra)介於400pm至600pm之間。在一些實施例中，粗糙表面101的表面平均線粗糙度(Ra)介於450pm至550pm之間。
圖6顯示根據本發明實施例太陽能電池的測量架構。如圖6所示，利用厚度600μm的矽晶片作為濾光片，確保待測太陽能電池所接收到的入射光，是矽晶電池無法吸收的波長範圍。以分光光譜儀量測太陽光通過濾光片的穿透光譜，確認1100nm以下不透光，對1100nm以上的穿透率為55%。使用光功率計測得通過濾光片後的光強度為13.85mW/cm2。另外，為了確認濾光片確實能夠遮住波長小於1100nm的光，以一般的矽晶p-n單接面太陽能電池作為比較樣品。
圖7A與圖7B分別顯示根據圖6的測量架構，不使用濾光片以及使用濾光片時本案太陽能電池2與比較樣品的光伏特性曲線。其中半導體為矽，吸光層為銀，蒸率為0.4Å/s。並根據下列公式計算太陽能電池的效率：
Figure 111121261-A0305-02-0012-8
其中，Pin為入射光強度，短路電流密度為光伏特性曲線中電壓(V)等於0時的電流強度，開路電壓為光伏特性曲線中電流密度=0時的電壓值。
表4列出根據光伏特性曲線所計算本案太陽能電池與一般矽晶太陽能電池在有濾光片以及沒有濾光片時的效率。
Figure 111121261-A0305-02-0012-10
如表4所示，矽晶太陽能電池在使用濾光片時的效率為0.176%%，證實一般矽晶太陽能電池無法轉換波長1100nm以上的光。而未使用濾光片時的效率為17.1%，符合一般矽晶p-n單接面太陽能電池的效率水準。相較之下，本案製作的太陽能電池，能夠確實有效轉換波長1100nm以上的入射光。
圖8為側視示意圖，顯示根據本發明另一實施例的太陽能電池3。太陽能電池3與圖1所示的太陽能電池1具有相似的結構，除了下列描述的差異。
參見圖8，為了提升太陽能電池對紅外光波段的吸收能力，在半導體，例如矽的表面製作倒立金字塔奈米陣列或倒立梯形奈米陣列，陣列週期可為4-14μm。金字塔或梯形對相對應波長的入射光發生表面電漿共振，且由於金字塔的漸變線長特性，不同波長的光都可以找到相對應的共振腔，不再受限於單波長，從而提升從中紅外到近紅外波段的光響應。根據實驗，即使厚度不到20nm的吸光層，例如金屬，透過倒立金字塔或梯形奈米陣列，可使得金屬在紅外光的吸收率達到60%甚至80%以上。此外，能量低於能障的熱載子透過集體震盪、碰撞使高能量載子的部分能量給予低能量載子，使得能躍遷過能障的載子總數增加而被電極捕捉，進一步提升光電流。
參見圖8，由於倒立金字塔的底部尖端構造使得可見光波段也在增幅範圍之內，為了避免短波光可能影響元件對中紅外光的響應，藉由控制製程參數，製作去除短波共振的倒立梯形結構，讓增幅範圍針對較長波長範圍的入射光為主。
圖8所示的太陽能電池3的製作方法，舉例如下：
(a)將半導體基板，例如矽基板切割成邊長為2.5公分的正方形。接著將矽基板泡入氫氟酸溶液(Buffer oxide etching：BOE)約10分鐘以去除基板表面的氧化層。
(b)接著將矽基板分別以丙酮、異丙醇、去離子水震洗10分鐘。
(c)使用電漿增強化學氣相沉積(PECVD)在矽基板正反兩面各生長約600nm的二氧化矽。正面的二氧化矽薄膜將做為氫氧化鉀非等向性蝕刻的蝕刻遮罩，背面的二氧化矽薄膜將做為蝕刻時的保護層。
(d)旋塗六甲基二矽氮烷(HMDS)及正光阻EPD-510，再以115℃將矽基板軟烤3分鐘，使光阻固定在矽基板上。
(e)將矽基板進行曝光，以及使用MF-319顯影液進行顯影，使基板的表面浮現陣列結構。
(f)使用電子束蒸鍍機沉積30nm的鉻，再泡入丙酮內進行剝離(lift off)。
(g)使用反應離子蝕刻(RIE)將二氧化矽及矽基板進行向下蝕刻，再使用KOH將矽基板進行濕蝕刻，完成倒立金字塔或者梯形結構。其中，如果是製作倒立梯形奈米陣列，則縮短KOH濕蝕刻的時間，以去除引發短波光共振的尖端構造，使共振現象侷限於紅外光範圍內。
(h)將基板放入熱蒸鍍機腔體中，抽氣至腔體壓力小於4×10-6torr。
(i)在倒立金字塔或梯形結構上以不同鍍率蒸鍍6、8、10、12、14nm厚度的不同金屬薄膜。
(j)使用指狀遮罩蒸鍍100nm的指狀電極。
(k)在矽基板另一面蒸鍍100nm的背電極，完成金屬矽接面太陽能電池。
在一些實施例中還考慮介面能態的影響。金屬半導體接面受到半導體表面雜質或晶體缺陷影響，電荷容易累積在該處，造成光電流下降。例如，於圖1、圖4、圖8所述的太陽能電池1、太陽能電池2，或太陽能電池3中，在吸光層10(例如金屬)和半導體13界面之間加入適當厚度的絕緣層，以降低缺陷的影響。例如，透過快速熱退火在高溫、通氧環境下，以熱氧化方式在半導體，例如矽基板表面生長極薄的二氧化矽作為絕緣層。一些實施例中，該絕緣層的厚 度小於或等於10nm。在一些實施例中，該絕緣層的厚度小於或等於5nm。在一些實施例中，絕緣層的厚度小於3nm。
圖9A為示意圖，顯示根據本發明另一實施例的太陽能電池4，其與圖1所示的太陽能電池1具有相似的結構，除了下列描述的差異。
參見圖9A，在本實施例中，太陽能電池4還包含一能量選擇層14位於半導體13和第二電極12之間。能量選擇層14的材質通常為半導體。能量選擇層14作為一外加的能隙結構，以阻擋相對高能的熱載子，並通過能量重新分配，使載子能量接近半導體13的導電帶的能階，從而增加第二電極12可收集的載子數量。
圖9B顯示根據一實施例圖9A的太陽能電池的一種能帶圖。在本實施例中，吸光層10為金屬，半導體13為n型半導體，能量選擇層14的半導體材料的價電帶能階Ev2需高於n型半導體的導電帶能階Ec1。例如，能量選擇層14的材質可以是但不限於SiC或TiO2。
圖9C顯示根據另一實施例圖9A的太陽能電池的能帶圖。在本實施例中，吸光層10為金屬，半導體13為n型半導體，能量選擇層14的半導體材料的價電帶能階Ev2低於n型半導體的導電帶能階Ec1。且兩者的能量差，亦即Ec1與Ev2的能量差，需小於0.2eV。
圖10A為示意圖，顯示根據本發明另一實施例的太陽能電池5，其與圖9A所示的太陽能電池4具有相似的結構，除了下列描述的差異。
參見圖10A，在本實施例中，能量選擇層14位於吸光層10和半導體13之間。能量選擇層14的材質通常為半導體。能量選擇層14作為一外加的能隙結構，以阻擋相對高能的熱載子，並通過能量重新分配，使載子能量接近半導體13的導電帶的能階，從而增加第二電極12可收集的載子數量。
圖10B顯示根據一實施例圖10A的太陽能電池的一種能帶圖。在本實施例中，吸光層10為金屬，半導體13為n型半導體，能量選擇層14的半導體材料的價電帶能階Ev2需高於n型半導體的導電帶能階Ec1。例如，能量選擇層14的材質可以是但不限於SiC或TiO2。
圖10C顯示根據另一實施例圖10A的太陽能電池的能帶圖。在本實施例中，吸光層10為金屬，半導體13為n型半導體，能量選擇層14的半導體材料的價電帶能階Ev2低於n型半導體的導電帶能階Ec1。且兩者的能量差，亦即Ec1與Ev2的能量差，需小於0.2eV。
在圖9A的實施例中，半導體13的厚度需要小於數百奈米，以避免高能載子在遷移過程中就已落到能帶邊緣。在圖10A的實施例中，半導體13可以是數百微米厚度的晶圓。
圖9A與圖10A所述的能量選擇層14，同樣也能應用於本發明其他實施例的太陽能電池，例如，圖4和圖8的太陽能電池2或太陽能電池3中。在圖9A的實施例中，吸光層10與半導體13之間也可具有前述的絕緣層。
圖11為示意圖，顯示根據本發明一實施例的疊層太陽能電池100。如圖11所示，疊層太陽能電池100包含第一單元10’及第二單元20，其中第一單元10’主要用於將波長大於1100nm的入射光轉換為電能，而第二單元20主要用於將波長1100nm以下的入射光轉換為電能。第一單元10’包含一個熱載子太陽能子電池，其可以是先前在圖1、圖4、圖8、圖9A、圖10A所述的太陽能電池1-5並且在吸光層10與半導體13之間還可以具有前述的絕緣層。第二單元20包含一或多個子電池，例如，一或多個鈣鈦礦太陽能子電池201，以及一個可選的矽晶太陽能子電池202。每個子電池的可以有個別的正、負電極，但也可以所有的子電池共用正、負電極。較佳的，各個子電池，是依照能隙高低，由上至下排列。
在一個實施例中，第一單元10’的子電池中，吸光層為銀，半導體為N型矽，能障大小約為0.21eV，可吸收中紅外光5.9μm以下的波段，並為疊層太陽能電池100提高大約8.1%的效率。
本發明所提供的太陽能電池以及疊層太陽能電池，具有低成本、製程容易等優點，並能提升整體太陽能電池的效率。
上述本發明之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟悉此技藝之人士能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，即凡其它未脫離本發明所揭示之精神所完成之等效的各種改變或修飾都涵蓋在本發明所揭露的範圍內，均應包含在下述之申請專利範圍內。
1:太陽能電池
10:吸光層
11:第一電極
12:第二電極
13:半導體

Claims (24)

  1. 一種熱載子太陽能電池，包含：一半導體層；一吸光層，該吸光層的下表面與該半導體層的上表面接觸；一第一電極，與該吸光層的上表面接觸；以及一第二電極，與該半導體層的下表面接觸；其中該吸光層或該半導體層中的載子，受入射光子激發後形成熱載子越過該吸光層與該半導體層的介面，形成光電流。
  2. 如請求項1之熱載子太陽能電池，其中該吸光層的能隙小於或等於0.5eV。
  3. 如請求項2之熱載子太陽能電池，其中該吸光層為金屬。
  4. 如請求項3之熱載子太陽能電池，其中該吸光層的材料包含金、銀、銅、鉻，或鎳。
  5. 如請求項4之熱載子太陽能電池，其中在該吸光層以及該半導體層的介面形成介於0.2-1.1eV之間的蕭特基能障。
  6. 如請求項2之熱載子太陽能電池，其中以蒸鍍形成該吸光層，並控制蒸鍍速率，以在該吸光層的表面形成一粗糙表面。
  7. 如請求項6之熱載子太陽能電池，其中該粗糙表面的表面平均線粗糙度(Ra)介於300pm至700pm之間。
  8. 如請求項2之熱載子太陽能電池，其中該吸光層為半導體。
  9. 如請求項8之熱載子太陽能電池，其中該吸光層包含砷化銦(InAs)或銻化銦(InSb)。
  10. 如請求項1之熱載子太陽能電池，其中該吸光層的厚度小於30nm。
  11. 如請求項1之熱載子太陽能電池，其中在該第一電極與該吸光層之間還包含一金屬接合層，該金屬接合層的下表面與該吸光層的上表面接觸，該金屬接合層的上表面與該第一電極接觸。
  12. 如請求項1之熱載子太陽能電池，其中在該第二電極與該半導體層之間還包含一金屬接合層，該金屬接合層的上表面與該半導體層的下表面接觸，該金屬接合層的下表面與該第二電極接觸。
  13. 如請求項1之熱載子太陽能電池，其中在該吸光層以及該半導體層之間還具有一絕緣層，該絕緣層的下表面與該半導體層的上表面接觸，該絕緣層的上表面與該吸光層的下表面接觸。
  14. 如請求項1之熱載子太陽能電池，其中在該半導體層的上表面具有一倒金字塔奈米陣列。
  15. 如請求項1之熱載子太陽能電池，其中在該半導體層的上表面具有一倒梯形奈米陣列。
  16. 如請求項1之熱載子太陽能電池，更包含一能量選擇層位於該半導體層與該第二電極之間，該能量選擇層的材質為半導體，該半導體層為n型半導體，該能量選擇層的上表面與該半導體層的下表面接觸，該能量選擇層的下表面與該第二電極接觸。
  17. 如請求項16之熱載子太陽能電池，該能量選擇層的價電帶能階高於該n型半導體的導電帶能階。
  18. 如請求項16之熱載子太陽能電池，該能量選擇層的價電帶能階低於該n型半導體的導電帶能階，且該能量選擇層的價電帶能階與該n型半導體的導電帶能階的能量差小於0.2eV。
  19. 如請求項1之熱載子太陽能電池，更包含一能量選擇層位於該吸光層與該半導體層之間，該能量選擇層的材質為半導體，該半導體層為n型半導體，該能量選擇層的下表面與該半導體層的上表面接觸，該能量選擇層的上表面與該吸光層的下表面接觸。
  20. 如請求項19之熱載子太陽能電池，該能量選擇層的價電帶能階高於該n型半導體的導電帶能階。
  21. 如請求項19之熱載子太陽能電池，該能量選擇層的價電帶能階低於該n型半導體的導電帶能階，且該能量選擇層的價電帶能階與該n型半導體的導電帶能階的能量差小於0.2eV。
  22. 一種疊層太陽能電池，包含一第一單元，包含一熱載子太陽能子電池，用以將波長大於1100nm的入射光轉換為電能；以及一第二單元，包含一或多個鈣鈦礦太陽能子電池，用以將波長1100nm以下的入射光轉換為電能；其中，該熱載子太陽能子電池包含：一半導體層；一吸光層，該吸光層的下表面與該半導體層的上表面接觸；一第一電極，與該吸光層的上表面接觸；以及一第二電極，與該半導體層的下表面接觸； 其中該吸光層或該半導體層中的載子，受入射光子激發後形成熱載子越過該吸光層與該半導體層的介面，形成光電流。
  23. 如請求項22之疊層太陽能電池，其中該第二單元更包含一矽晶太陽能子電池。
  24. 如請求項22之疊層太陽能電池，其中針對波長大於1100nm、輻照度13.85mW/cm2的入射光，該熱載子太陽能子電池的轉換效率大於3.3%。
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