专利名称：太阳能光电元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能光电元件，且特别是涉及一种能提升太阳能电池主体的光 电转换效率的太阳能光电元件。
背景技术：
由于石化能源短缺，人们对环保重要性的认知提高，因此人们近年来不断地积极 研发 替代能源与再生能源的相关技术，希望可以减少目前人类对于石化能源的依赖程度以 及使用石化能源时对环境带来的影响。在众多的替代能源与再生能源的技术中，以太阳能 电池(solar cells)最受瞩目。主要是因为太阳能电池可直接将太阳能转换成电能，且发 电过程中不会产生二氧化碳或氮化物等有害物质，不会对环境造成污染。图1为堆叠型太阳能电池的示意图，其中堆叠型太阳能电池100是由三个太 阳能电池堆叠而成，依序包括基板110、底电池(bottom cell) 120、隧穿二极管(tunnel diode) 130、中间电池(mediate cell) 140、另一隧穿二极管 150、顶电池(top cell) 160、窗 户层(window layer) 170、覆盖层(cap layer) 180 及正面电极(front contact) 190。顶电 池160、中间电池140及底电池120分别为磷化铝铟镓(AlGaInP)电池、砷化镓(GaAs)电 池及锗(Ge)电池，其可吸收入射光的波长范围分别为300纳米 660纳米、660纳米 900 纳米及900纳米 1800纳米之间。理论上，顶电池160、中间电池140及底电池120所能产 生的电流密度分别为 0. 01596A/cm2、0. 01587A/cm2 和 0. 02924A/cm2。据此，堆叠型太阳能电池100其吸收的入射光的光谱范围广，可涵盖300纳米到 1800纳米之间，而底电池120所吸收的光波长最长。
发明内容
本发明提供一种太阳能光电元件，可提高堆叠式太阳能电池的光电转换效率。本发明提出一种太阳能光电元件，包括太阳能电池主体、位于太阳能电池主体上 的窗户层以及位于窗户层上的电流聚集层(current collection layer)。电流聚集层包含 图案化结构，其中图案化结构暴露部分窗户层。在本发明的实施例中，上述的电流聚集层的能隙(Eg)大于或等于窗户层的能隙。在本发明的实施例中，上述的电流聚集层的材料包括GaP、A1N、AlInP, ΙΤ0, ZnP, IZ0、AZ0、GZ0 或 AnO。在本发明的实施例中，上述的电流聚集层例如是透明导电层，其材料包括ΙΤ0、 ZnP, ΙΖ0, ΑΖ0, GZO ^ ZnO0在本发明的实施例中，上述的电流聚集层的反射率小于40 %。在本发明的实施例中，上述的电流聚集层的掺杂为η型掺杂，其掺杂剂包括Si、 Te、Sb、Ge或其他适合的掺杂剂。在本发明的实施例中，上述的电流聚集层的掺杂为ρ型掺杂，其掺杂剂包括C、Mg、 Zn或其他适合的掺杂剂。
在本发明的实施例中，上述图案化结构，其形状可选自格子状、条纹与手指形所构 成的群组。在本发明的实施例中，太阳能光电元件还包括图案化正面电极及覆盖层。图案化 正面电极位于部分电流聚集层与部分窗户层上，而覆盖层位于电流聚集层与窗户层和图案 化正面电极之间。此时，上述电流聚集层是经蚀刻形成不同于图案化正面电极的图案化结 构。在本发明的实施例中，太阳能光电元件还包括抗反射层，其位于电流聚集层的表
面。 在本发明的实施例中，上述的电流聚集层的开洞面积比介于0. 3 0. 7之间；优选 是介于0.5 0.7之间。在本发明的实施例中，上述的电流聚集层的厚度在200埃 8000埃之间。在本发明的实施例中，上述太阳能光电元件还包括位于电流聚集层上的透明导电 层，而在透明导电层上还包括抗反射层。在本发明的实施例中，当电流聚集层上有一层透明导电层时，上述透明导电层与 上述电流聚集层包含相同或相异的图案化结构。而且，上述太阳能光电元件还包括位于部 分电流聚集层与部分透明导电层上的图案化正面电极；以及一层覆盖层，位于电流聚集层 与透明导电层和上述图案化正面电极之间。本发明另提出一种太阳能光电元件，包括太阳能电池主体、位于太阳能电池主体 上的窗户层以及位于窗户层上的电流聚集层。这里的电流聚集层的电阻低于窗户层的电 阻，且电流聚集层包含一个图案化结构，以暴露部分窗户层。在本发明的另一实施例中，上述图案化结构的形状是可选自格子状、条纹与手指 形所构成的群组。在本发明的另一实施例中，上述图案化结构的开洞面积比约介于0. 542 0. 7之 间。在本发明的另一实施例中，上述太阳能光电元件，还包括一层位于电流聚集层上 的透明导电层，其中透明导电层与电流聚集层包含相同或相异的图案化结构。基于上述，本发明的太阳能光电元件其最上层的太阳能电池上由于局部覆盖有电 流聚集层，因此可增加太阳能光电元件的电流收集效率，但因透明导电层会吸收部分长波 长的入射光，使得下层的太阳能电池无法产生与上层太阳能电池足以匹配的电流密度，而 降低了整体的串联电流，但经由电流聚集层开洞的设计，则可以达到上下层太阳能电池间 的电流匹配，又能增加电流收集效率。为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详 细说明如下。
图1是已知的堆叠型太阳能电池的示意图。图2是本发明的实施例的太阳能光电元件的俯视图。图3是图2的太阳能光电元件沿A1-A2线的局部剖面图。图4是图2的太阳能光电元件的一种变形例的俯视图。
图5是图2的太阳能光电元件的另一种变形例的俯视图。图6是本发明的另一实施例的太阳能光电元件的剖面图。图7为本发明的又一 实施例的太阳能光电元件的剖面图。附图标记说明100:堆叠型太阳能电池110:基板120:底电池130、150 隧穿二极管140:中间电池160:顶电池170、220:窗户层180、260 覆盖层190:正面电极200:太阳能光电元件210:太阳能电池主体222:向光面230:电流聚集层240:透明导电层250:图案化正面电极270:抗反射层280 背面电场(BSF)结构层
具体实施例方式图2为本发明的实施例的太阳能光电元件200的俯视图。图3为图2的太阳能光 电元件200沿A1-A2线的局部剖面图。请同时参考图2与图3，太阳能光电元件200可由多个太阳能电池主体堆叠而成， 然而本发明并不限定太阳能电池主体的数量，本实施例绘示的太阳能电池主体210作为说 明之用(如图3所示)，实际上可为一个或多个太阳能电池主体。太阳能光电元件200还包 括位于太阳能电池主体210上的窗户层220，以及位于窗户层220上的电流聚集层230，且 电流聚集层230掺杂剂的浓度高于窗户层220掺杂剂的浓度，所以电流聚集层230的电阻 低于窗户层220的电阻。电流聚集层230用以增加太阳能电池主体210的电流收集效率， 以提高太阳能光电元件200的光电转换效率。一般的电流聚集层在长波长范围，例如大于1100纳米之上，其透光率不佳。若为 了增加电流收集效率而在太阳能电池主体210上全面覆盖一层电流聚集层，会造成大部分 长波长的入射光被电流聚集层吸收而无法到达底电池。值得注意的是，本实施例的电流聚 集层230的开洞面积比介于0. 3 0. 7之间；优选地介于0. 5 0. 7之间；更优选地介于 0. 542 0. 7之间。前述“开洞面积比”是指窗户层220的向光面222没有被电流聚集层 230与图案化正面电极250 (如图所示为栅式或可为其他图案)覆盖的面积与整个向光面 222的面积的比值，前述“介于”包含“等于”的意思。尤其是当本实施例的太阳能光电元件 200为堆叠型太阳能电池(tandem solar cell)时，开洞面积比介于0. 3 0. 7之间的电 流聚集层230，可以让长波长的入射光进入太阳能光电元件200下层的太阳能电池(未绘 示)，使下层太阳能电池(未绘示)产生与上层太阳能电池足以匹配的电流密度。在本实施例中，太阳能光电元件200的电流聚集层230的能隙可大于或等于窗户 层220的能隙。窗户层220的材料例如是GaP、A1N、AlInP等半导体材料；或者是如ΙΤ0、 ZnP、IZ0、AZ0、GZ0或ZnO等透明导电材料。另外，电流聚集层230具有高透光的特性；举例 来说，其反射率约小于40%，如此可以使入射光容易穿透电流聚集层230而被太阳能电池 主体210吸收。电流聚集层230的材料可包括GaP、AlN、AlInP、IT0、ZnP、IZ0、AZ0、GZ0或ZnO等，其可利用有机金属化学气相沉积法(Metal Organic ChemicalVapor Deposition, M0CVD)形成在窗户层220上，再利用蚀刻的方式将电流聚集层230蚀刻出开洞。一般而言， 电流聚集层230的厚度越厚其导电性越好，但入射光的穿透率便会降低，因此为了兼顾电 流聚集层230的导电性与穿透率，电流聚集层230的厚度可在200埃 8000埃之间。另一 方面，若电流聚集层230的掺杂为η型掺杂，其掺杂剂可包括高浓度掺杂的Si、Te、Sb、Ge 等，而当电流聚集层230的掺杂为ρ型掺杂时，其掺杂剂则可包括高浓度掺杂的C、Mg、Zn 寸。请再次参考图2与图3，本实施例的太阳能光电元件200还可包括覆盖层260。图 案化正面电极250是位于部分电流聚集层230与部分窗户层220上，而覆盖层260则位于 电流聚集层230与窗户层220和图案化正面电极250之间。另外，电流聚集层230还可以是不同于图案化正面电极250的图案化结构，其形状 包括例如是选自格子状、条纹与手指形所构成的群组。如图2所绘示，本实施例的电流聚集 层230的图案化结构的形状为格子状，其可增加太阳能电池主体210 (如图3所示)横向光 电流的收集。由于图案化正面电极250 —般为金属材料，因此入射光会受到图案化正面电 极250的阻隔，而通过电流聚集层230使图案化正面电极250之间的电流收集效率增加，可 减少图案化正面电极250的使用，并减少图案化正面电极250的遮光面积，达到提高太阳能 电池主体210(如图3所示)的光电转换效率的目的。其它如条纹电流聚集层230及手指 形电流聚集层230则分别如图4及图5所示，主要功用皆为加强图案化正面电极250之间 的横向电流收集，进而提高太阳能电池主体210 (如图3所示)的光电转换效率。图6为本发明的另一实施例的太阳能光电元件的剖面图，其中使用与图3相同的 元件符号来说明此实施例。请参考图6，本实施例与上一实施例的差异在于本实施例的太阳 能光电元件200还包括透明导电层240与抗反射层270。一般的透明导电层在长波长范围， 例如大于1100纳米之上，其透光率不佳。若为了增加电流收集效率而在窗户层上全面覆盖 一层透明导电层，会造成大部分长波长的入射光被透明导电层吸收而无法到达底电池。值 得注意的是，本实施例的透明导电层240的开洞面积比介于0. 3 0. 7之间；优选地介于 0. 5 0. 7之间；更优选地介于0. 542 0. 7之间。这里的透明导电层240与电流聚集层 230可以是相同或不同的图案化结构。透明导电层240可局部覆盖于电流聚集层230或窗 户层220上，如此不但能够增加太阳能电池主体210的电流收集效率，且长波长的入射光可 穿过透明导电层240的开洞，到达电流聚集层230或窗户层220。在本实施例中，透明导电 层240的材料例如是ΙΤ0、ZnP, ΙΖΟ、ΑΖ0、GZO或ZnO等透明导电材料。抗反射层270则形 成于透明导电层240或电流聚集层230的表面或向光面222之上，用以减少入射光的反射。图7为本发明的又一实施例的太阳能光电元件的剖面图，其中使用与图3相同的 元件符号来说明此实施例。请参考图7，本实施例中，电流聚集层230位在窗户层220与覆 盖层260之间。此外，为改善载流子收集效率，可选择在太阳能电池主体210另一面(非向 光面)设置背面电场(back surfacefield, BSF)结构层280。当然，本发明的太阳能光电元件并不限于以上附图；举例来说，图3和图6也可增 设上述背面电场(BSF)结构层。综上所述，本发明的太阳能光电元件200因为电流聚集层230掺杂剂的浓度高于 窗户层220掺杂剂的浓度，且电流聚集层230的开洞面积比介于0. 3 0. 7之间，所以只覆盖部分的窗户层220的向光面222的电流聚集层可提高太阳能光电元件200的电流收集效率，减少图案化正面电极的使用，如此能够减少图案化正面电极的遮光面积。另外，长波长 的入射光可穿过电流聚集层230的开洞，进入太阳能光电元件200下层的太阳能电池，使下 层太阳能电池产生的电流密度提高，最终能够达到提高太阳能电池光电转换效率的目的。
虽然本发明已以实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域 中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的 保护范围当视所附的权利要求所界定的为准。
权利要求
一种太阳能光电元件，包括太阳能电池主体；窗户层，位于该太阳能电池主体上；以及电流聚集层，位于该窗户层上，包含图案化结构，其中该图案化结构暴露部分该窗户层。
2.如权利要求1所述的太阳能光电元件，其中该电流聚集层包含一种或一种以上的性 质选自能隙大于或等于该窗户层的能隙、反射率小于40%、电阻低于该窗户层的电阻与厚 度在200埃 8000埃之间所构成的群组。
3.如权利要求1所述的太阳能光电元件，其中该电流聚集层的材料包括GaP、AlN、 AlInP、ITO、ZnP、IZO、AZO、GZO 或 ZnO。
4.如权利要求1所述的太阳能光电元件，其中该电流聚集层的掺杂为η型掺杂，该电流 聚集层的掺杂剂包括Si、Te、Sb或Ge。
5.如权利要求1所述的太阳能光电元件，其中该电流聚集层的掺杂为ρ型掺杂，该电流 聚集层的掺杂剂包括C、Mg或Zn。
6.如权利要求1所述的太阳能光电元件，其中该图案化结构的形状是选自格子状、条 纹与手指形所构成的群组。
7.如权利要求1所述的太阳能光电元件，还包括图案化正面电极，位于部分该电流聚集层与部分该窗户层上；以及覆盖层，位于该电流聚集层与该窗户层和该图案化正面电极之间。
8.如权利要求7所述的太阳能光电元件，其中该电流聚集层是经蚀刻形成不同于该图 案化正面电极的图案化结构。
9.如权利要求1所述的太阳能光电元件，其中该电流聚集层的开洞面积比介于0.3 0. 7之间。
10.如权利要求9所述的太阳能光电元件，其中该电流聚集层的开洞面积比介于 0. 542 0. 7之间。
11.如权利要求1所述的太阳能光电元件，还包括透明导电层，位于该电流聚集层上。
12.如权利要求11所述的太阳能光电元件，其中该透明导电层的材料包括ITO、ZnP, IZ0、AZ0、GZ0 或 ZnO。
13.如权利要求11所述的太阳能光电元件，其中该透明导电层与该电流聚集层包含相 同或相异的图案化结构。
14.如权利要求13所述的太阳能光电元件，其中该图案化结构的开洞面积比介于 0. 3 0. 7之间。
全文摘要
一种太阳能光电元件，包括太阳能电池主体、位于太阳能电池主体上的窗户层以及位于窗户层上的电流聚集层。电流聚集层包含图案化结构，且此图案化结构暴露部分窗户层。
文档编号H01L31/042GK101866965SQ20091013280
公开日2010年10月20日 申请日期2009年4月20日 优先权日2009年4月20日
发明者刘宗宪, 李世昌, 杨宇智, 苏永司, 骆武聪 申请人:晶元光电股份有限公司