专利名称：包括微透镜的太阳能电池及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能电池，尤其涉及一种包括用于改善光捕获特性的微透镜的太阳能电池，以及制造该太阳能电池的方法。
背景技术：
一般地，太阳能电池是一种将太阳能转换成电能的半导体器件，包括正(P)型半导体和负(N)型半导体的结，且具有与二极管相同的基本结构。大部分典型太阳能电池具有正-负(PN)结半导体层的结构，这里P型半导体层和N型半导体层在相面对的两个电极之间。为了改善光电效率的目的，太阳能电池包括聚光装置，该聚光装置聚集太阳光并将该光照射到太阳能电池表面上。例如，该聚光装置是微透镜。微透镜通过各种方法制造，诸如使用激光脉冲的蚀刻方法、使用光刻胶的回流方法，干法蚀刻方法、使用二氧化碳(CO2)激光的玻璃表面处理方法、使用液化玻璃表面张力的方法、用于通过激光沉积的聚合物的离子束处理方法、喷墨方法、用于光刻胶的加热方法、灰度级掩模方法以及压印成型(embossing molding)方法。图IA至IC是示出使用制造根据现有技术的微透镜的光刻胶实施的回流方法的截面图。在图IA中，用于微透镜的树脂层20形成在基板10上，并且光掩模90设置在树脂层 20之上。通过包括曝光和显影步骤的光刻工艺对树脂层20进行图案化，从而成为对应于透镜弯曲表面的树脂图案25，如图IB中所示。在图IC中，树脂图案25 (图1B)在热处理装置中被加热并回流以成为微透镜30。但是，通过光刻工艺执行制造根据现有技术的微透镜的方法，需要多个步骤诸如光刻胶涂覆步骤、曝光步骤和显影步骤。具体地，曝光步骤需要昂贵的光掩模和昂贵的曝光装置。结果，根据现有技术的微透镜以高制造成本通过复杂步骤而制造。
发明内容
因此，本发明涉及一种包括微透镜的太阳能电池以及制造该太阳能电池的方法， 基本上消除了由于现有技术的局限性和缺陷而导致的一个或多个问题。本发明的优势在于提供一种制造包括微透镜的太阳能电池的方法，这里，可简单且精确地形成微透镜且减少了制造时间和制造成本。本发明的另一优势在于提供一种包括微透镜作为聚光装置的太阳能电池，这里， 聚光效率提高且制造成本降低。在以下描述中将列出本发明的其他特征和优势，且根据该描述其一部分是显而易见的，或者可通过实践本发明获知。可通过在所撰写的说明书及其权利要求书以及所附附图中特别指出的结构理解和获得本发明的这些和其他优势。为了达到这些和其他优势，并根据本发明的目的，如具体表达的和广义描述的， 一种太阳能电池，包括基板；在基板上的第一透明电极；在第一透明电极上的第一正-本征-负(PIN)结半导体层，其中第一 PIN结半导体层包括在第一透明电极上的负(N)型半导体层，在N型半导体层上的本征半导体层和在本征半导体层上的正(P)型半导体层，其中 N型和P型半导体层分别包括掺杂有N型和P型杂质的硅，以及本征半导体层包括氢化硅 (hydrogenated silicon)；在第一 PIN结半导体层上的第二透明电极；和在第二透明电极上的聚光装置，其中该聚光装置包括具有强疏水性的自组装单层和在该自组装单层上的具有亲水性的多个微透镜。在另一方面，一种制造太阳能电池的方法，包括在第一基板上形成第一透明电极；在基板上形成具有强疏水性的第一自组装单层；在第一透明电极上形成第一正-本征-负(PIN)结半导体层，其中第一 PIN结半导体层包括在第一透明电极上的负(N)型半导体层，在N型半导体层上的本征半导体层和在本征半导体层上的正(P)型半导体层，其中 N型和P型半导体层分别包括掺杂有N型和P型杂质的硅，以及本征半导体层包括氢化硅； 在第一 PIN结半导体层上形成第二透明电极；和在第二透明电极上形成聚光装置，其中该聚光装置包括第二基板、在第二基板上具有强疏水性的自组装单层、和在该自组装单层上具有亲水性的多个微透镜。在另一方面，一种制造微透镜的方法包括在基板上形成具有强疏水性的自组装单层；通过喷射具有亲水性的透明墨在自组装单层上形成多个墨滴(ink droplet)，该透明墨包括具有第一沸点的第一溶剂、具有低于第一沸点的第二沸点的第二溶剂、和分散在第一和第二溶剂中的硅氧化物(SiOx)固体材料；和干燥该多个墨滴。应当理解，前述一般描述和以下具体描述都是示例性和说明性的，且意在提供如所要求保护的本发明的进一步说明。
包括的附图，提供对本发明的进一步理解，且结合到说明书中并构成说明书的一部分，示出了本发明的实施方式且与说明书一起用于解释本发明的原理。图中图IA至IC是示出使用制造根据现有技术的微透镜的光刻胶的回流方法的截面图；图2A至2C是示出根据本发明实施方式制造微透镜的方法的截面图；图3是示出根据本发明实施方式的用于微透镜的自组装单层的基本结构的图；图4是示出根据本发明实施方式的用于微透镜的墨滴的图片；图5是示出根据本发明实施方式的用于微透镜的墨滴干燥步骤之后的截面形状的图，该墨滴包括分别具有相互不同的第一和第二沸点的第一和第二溶剂；图6是示出根据本发明实施方式的多个微透镜的图片；和图7是示出根据本发明实施方式的包括微透镜作为聚光装置的太阳能电池的截面图。
具体实施例方式现在将详细参考本发明的实施方式，在附图中示出了其实例。在任何可能之处，将使用相似的参考数字表示相同和相似的部件。图2A至2C是示出根据本发明实施方式的制造微透镜方法的截面图，图3是示出根据本发明实施方式的用于微透镜的自组装单层的基本结构的图。此外，图4是示出根据本发明实施方式的用于微透镜的墨滴的图片，图5是示出根据本发明实施方式的用于微透镜的墨滴干燥步骤之后的截面形状的图，该墨滴包括分别具有相互不同的第一和第二沸点的第一和第二溶剂。图2A中，通过涂覆具有高疏水性的SAM前体(未示出)，在诸如玻璃基板这样的整个透明基板110上形成具有高疏水性的自组装单层(SAM) 120。例如，SAM前体可包括烷基娃氧烧(alkyl siloxane)材料，诸如十八烧基三氯娃烧(octa decyl trichloro silane, 0TS)、八-十二烷基三氯硅烷(octa dodecyl trichloro silane，0DTS)和十八烷基三甲氧基硅烷(octa decyl trimethoxy，0TMS)。此外，可通过涂覆方法来涂覆SAM前体，诸如旋涂、狭缝涂覆(slit coating)、浸涂(dip coating)、喷涂(spray coating)和接触印刷。如图3中所示，自组装单层120包括头基HG、主链基MCG和端基EG。头基HG包括能够与目标材料层表面结合的官能团，并且主链基MCG具有拉长结构。此外，连接到主链基 MCG端部的端基EG包括能够提供功能性的官能团。例如，当基板110由玻璃构成时，头基HG可包括硅烷基(-Si)，用于改善自组装单层120和基板110之间的粘附性(adhesion)。此外，主链基MCG可包括碳(C)，并且端基EG 可包括具有疏水性的基团。结果，由于端基EG的疏水基而导致使用SAM前体所形成的自组装单层120在其表面具有高疏水性。在图2B中，通过使用喷墨装置190单独喷射具有亲水性的透明墨125，在具有高疏水性的自组装单层120上形成具有亲水性的多个墨滴130。墨125的折射系数等于或大于基板100的折射系数。例如，玻璃基板110可具有约1. 5的折射系数，墨125具有等于或大于约1. 5的折射系数(η) (η >1.5)。此外，墨125可包括具有硅氧化物(SiOx)前体作为固体材料的溶液，并且该SiOx前体可包括作为主要成分的硅氧化物(SiOx)。用于墨125 的SiOx前体可具有纳米颗粒形状和分子形状中的一种，并且分子形状的SiOx前体可包括四乙氧基硅烷(TEOS)和四丁氧基硅烷(TBOS)中的一种。此外，具有亲水性的透明墨125包括具有硅氧化物(SiOx)作为主要成分的SiOx 前体和分散在该SiOx前体中的溶剂，并且该溶剂可包括具有第一沸点的第一溶剂和具有低于第一沸点的第二沸点的第二溶剂。通过控制作为墨125分散剂的第一和第二溶剂的浓度来确定最终形成在基板110上的微透镜140(图2C)的轮廓(profile)。具有亲水性的多个墨滴130形成在具有高疏水性的自组装单层120上以具有相对大的接触角度(即，相对大的润湿角度)和相对小的接触面积。如图4中所示，当具有亲水性的墨滴130形成在具有高疏水性的自组装单层120 上并且比较例墨滴132形成在诸如玻璃这样的基板110上时，墨滴130的第一接触角度al 大于比较例墨滴132的第二接触角度a2。结果，墨滴130具有类似球形的形状以使得截面积自其底部到顶部增加和减少，而比较例墨滴132具有类似半球形的形状以使得截面积自其底部到顶部减少。例如，墨滴130可具有除去小于整个球体一半体积的部分的截顶球形形状(truncated spherical shape)，而比较例墨滴132可具有除去大于整个球体一半体积的部分的截顶球形形状。第一墨滴130的尺寸可通过自喷墨装置190的墨释放量来确定。例如，可通过控制墨自其的释放量而形成第一墨滴130以具有约几百个纳米至约几十个微米的直径(约 IOOnm 至约 99 μ m)。在图2C中，在将具有多个墨滴130(图2B)的基板110保持在室温下达约几分钟至约几十分钟(约1分钟至约99分钟)以使得在多个墨滴130中的整个溶剂都可被蒸发 (自然干燥步骤)之后，在约50°C至约350°C的温度下在热处理装置192中加热具有多个墨滴130的基板110达几十秒至几十分钟(约10秒至约99分钟)(硬化步骤)，使得多个墨滴130可被硬化成为多个微透镜140。在另一实施方式中，可省去多个墨滴130的自然干燥步骤，并可通过在热处理装置中加热多个墨滴130执行干燥和硬化步骤以形成多个微透镜。在干燥墨滴130时，溶剂蒸发量在墨滴130周界(perimeter)处最大且根据温度梯度向着墨滴130中心降低。结果，在墨滴130中产生溶剂自中心向周界的流动以形成如咖啡渍(coffee stain) 一样的环形，其被称作咖啡环形效应(coffee ring effect)。在本发明的实施方式中，分别具有相互不同的第一和第二沸点的第一和第二溶剂被用作SiOx前体的分散剂，以使得墨滴130的轮廓可通过利用咖啡环形效应受控。如图5中所示，当具有约的第一沸点(相对较高的沸点)的第一溶剂的第一浓度相对增加时，与液滴130的周界厚度相比液滴130的中心(图2C)厚度增加，使得液滴 130可具有凸透镜形状。此外，当具有约200°C的第二沸点(相对较低的沸点)的第二溶剂的第二浓度相对增加时，与液滴130的周界厚度相比液滴130的中心(图2C)厚度降低，使得液滴130能具有凹透镜形状。因此，可通过第一和第二溶剂的浓度比来控制墨滴130干燥步骤之后的轮廓。例如，通过增加具有第一沸点(相对较高的沸点)的第一溶剂的浓度比，可形成墨滴130以具有凸透镜形状，这里，关于自组装单层120，在其中心的厚度大于其周界的厚度，而通过增加具有第二沸点(相对较低沸点)的第二溶剂的浓度比，可形成墨滴130以具有凸透镜形状， 这里，关于自组装单层120，其中心厚度小于其周界厚度。结果，可通过控制第一和第二溶剂的浓度比来选择性获得墨滴130的凸透镜形状和凹透镜形状中的一个。当液滴130具有包括理想的球形凹进部分的凹透镜形状或者具有包括理想的球形凸起部分的凸透镜形状时，由于内部总反射导致的聚光效率和光路长度被最大化。例如，当具有约的第一沸点的第一溶剂的第一浓度在约0%到约10%的范围内(第一溶剂和第二溶剂的浓度比在100% 0% 90% 10%之间)或者具有约200°C的第二沸点的第二溶剂的第二浓度在约0%到10%的范围内(第一溶剂和第二溶剂的浓度比在 0% 100% 10% 90%之间)时，可获得具有优异聚光效率的液滴130。图6是示出根据本发明实施方式的多个微透镜的图片。如图6中所示，在硬化步骤之后具有彼此相同尺寸的多个微透镜140其间相互间隔相同距离。图7是示出根据本发明实施方式包括微透镜作为聚光装置的太阳能电池的截面图。
图7中，太阳能电池290包括反射层215、第一透明电极220、正-本征-负(PIN) 结半导体层230、第二透明电极240和聚光装置150。具有相对高反射率材料的反射层215 形成在第一基板210上。反射层215可包括金属材料或者导电材料。尽管图7中反射层 215形成在第一基板210的内表面上，在另一实施方式中反射层215也可形成在第一基板 210的外表面上。第一透明电极220形成在反射层215上，并且PIN结半导体层230形成在第一透明电极220上。第一透明电极220可包括透明导电氧化物诸如镓锌氧化物(GZ0)、铝锌氧化物(AZO)、氧化锌(SiO)和氧化锡(SnO)。P/I/N结半导体层230包括在第一透明电极220 上的负(N)型半导体层223、在N型半导体层223上的本征半导体层226、和在本征半导体层2 上的正(P)型半导体层229。该N型和P型半导体层223和2 可分别包括掺杂有 N型和P型杂质的硅，并且本征半导体层2 可包括氢化的非晶硅(a-Si :H)。尽管图7中单个PIN结半导体层230形成在第一透明电极220上，但是在另一实施方式中，可在第一透明电极220上层叠(laminate)具有不同带隙能量的多个PIN结半导体层，用于有效吸收具有不同波段的光。例如，多个PIN结半导体层可形成在第一透明电极 220上，使得多个PIN结半导体层的带隙能量从最上部PIN结半导体层到最下部PIN结半导体层逐步增加。此外，当单个PIN结半导体层230形成在第一透明电极220上时，可省去本征半导体层226，从而使用包括N型半导体层和P型半导体层的正-负(PN)结半导体层，而不是 PIN结半导体层230。第二透明电极240形成在PIN结半导体层230上，并且用于保护PIN结半导体层 230和第二透明电极MO的第二基板250形成在第二透明电极240上。第二透明电极240 可包括透明导电氧化物诸如镓锌氧化物(GZO)、铝锌氧化物(AZO)、氧化锌(SiO)和氧化锡 (SnO)。第二基板250可包括透明材料。包括第三基板110、在第三基板110上的自组装单层120和在自组装单层120上的多个微透镜140的聚光装置150形成在第二基板250上。例如，聚光装置150可形成在第二基板250上，使得多个微透镜140接触第二基板250。此外，可通过图2A至2C中所示的工艺形成聚光装置150。在另一实施方式中，可省去第二基板250使得聚光装置250直接形成在第二透明电极240上并且多个微透镜140接触第二透明电极M0。在另一实施方式中，第一透明电极220和PIN结半导体层230中每一个的顶表面都可具有不均勻性以提高光吸收率。当第一透明电极220和PIN结半导体层230中的每一个都具有不均勻顶表面时，由于入射光在顶表面被散射，因此光路被延长。结果，PIN半导体层230吸收更多的光，提高了光电效率。在太阳能电池四0中，电子和空穴不对称地存在于PIN结半导体层230或者PN结半导体层中用于光电能量转换。在PIN结半导体层230或者PN结半导体层中，例如，N型半导体层223具有相对高的电子密度和相对低的空穴密度，P型半导体层2 具有相对低的电子密度和相对高的空穴密度。结果，由于载流子浓度梯度引起的扩散，导致在热平衡状态下，在PIN结半导体层230或者PN结半导体层中产生载流子的不平衡。此外，由载流子不平衡产生电场(内建电势)且该电场制止了载流子扩散。当照射能量大于PIN结半导体层230或者PN结半导体层带隙能量的光时，电子被从价带激发到导带，并且在价带中产生对应于受激电子的空穴，其中带隙能量是半导体材料的导带能量和价带能量之间的差。受激电子成为在导带中自由移动的自由电子。自由电子和空穴被称为过剩载流子(excess carrier)，并且由于浓度差而导致过剩载流子被扩散到价带或者导带。诸如在P型半导体层229中激发的电子和在N型半导体层223中产生的空穴这样的过剩载流子可被限定为少数载流子(minority carrier)，而在成结之前的P型半导体层2 中的空穴和N型半导体层223中的电子被限定为多数载流子。 尽管由于电场导致多数载流子的流动受能量势垒限制，但是作为P型半导体层229中少数载流子的电子移动至N型半导体层223。结果，由于少数载流子扩散导致在PIN结半导体层 230或者PN结半导体层的两个相对端部之间产生电势差即电动势(emf)。当分别接触PIN 结半导体层230或者PN结半导体层的两个相对端的第一和第二透明电极220和240被连接到外部电路时，由于电动势，太阳能电池290用作电池。通过聚集入射光而改善太阳能电池四0的光电转换效率。因此，包括相互间隔设置的多个微透镜140的聚光装置150形成在第二透明电极240的外表面上。在包括聚光装置150的太阳能电池四0中，因为不论光的入射角度如何，传输到PIN结半导体层230的光强度由于在聚光装置150的多个微透镜140处的散射而增加，因此提高了光能到电能的转换效率。例如，当输入到太阳能电池四0的光关于法线具有约70°的入射角度bl时，光被多个微透镜140折射从而以小于入射角bl的折射角1^2输出。结果，光以小于约70°的角度被输入到PIN结半导体层230中，提高了在PIN结半导体层230中光的吸收率。而且，由于在多个微透镜140处的折射，导致在没有多个微透镜的情况下不被输入到太阳能电池中的PIN结半导体层230中的光可输入到PIN结半导体层230中。因此，在根据本发明的包括微透镜的太阳能电池以及制造该太阳能电池的方法中，由于通过简化工艺制造微透镜，该简化工艺包括形成具有强疏水性的自组装单层的步骤、在自组装单层上形成具有亲水性的墨滴的步骤和干燥该墨滴的步骤，因此减少了制造时间和制造成本且提高了产率。此外，因为太阳能电池的聚光效率由于微透镜而增加，因此经由根据本发明的方法制造的包括微透镜的太阳能电池具有提高的光电效率。本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下在本发明中可作出各种修改和变化。由此，只要其落在所附权利要求及其等价物的范围内，本发明意在覆盖本发明的该修改和变化。
权利要求
1.一种太阳能电池，包括基板；在所述基板上的第一透明电极；在所述第一透明电极上的第一正-本征-负(PIN)结半导体层，其中所述第一 PIN结半导体层包括在所述第一透明电极上的负(N)型半导体层，在所述N型半导体层上的本征半导体层和在所述本征半导体层上的正(P)型半导体层，并且其中N型和P型半导体层分别包括掺杂有N型和P型杂质的硅，以及所述本征半导体层包括氢化硅；在所述第一 PIN结半导体层上的第二透明电极；和在所述第二透明电极上的聚光装置，其中所述聚光装置包括具有强疏水性的自组装单层和在所述自组装单层上的具有亲水性的多个微透镜。
2.如权利要求1所述的太阳能电池，还包括在所述第一PIN结半导体层下方的第二 PIN结半导体层和在所述第二 PIN结半导体层下方的第三PIN结半导体层，其中第一至第三 PIN结半导体层具有相互相同的结构。
3.如权利要求2所述的太阳能电池，其中所述第一至第三PIN结半导体层的带隙能量从所述第一 PIN结半导体层至所述第三PIN结半导体层逐渐增加。
4.一种制造太阳能电池的方法，包括在第一基板上形成第一透明电极；在基板上形成具有强疏水性的第一自组装单层；在所述第一透明电极上形成第一正-本征-负(PIN)结半导体层，其中所述第一 PIN 结半导体层包括在所述第一透明电极上的负(N)型半导体层、在所述N型半导体层上的本征半导体层和在所述本征半导体层上的正(P)型半导体层，并且其中N型和P型半导体层分别包括掺杂有N型和P型杂质的硅，以及所述本征半导体层包括氢化硅；在所述第一 PIN结半导体层上形成第二透明电极；和在所述第二透明电极上形成聚光装置，其中所述聚光装置包括第二基板、在所述第二基板上具有强疏水性的自组装单层、和在所述自组装单层上具有亲水性的多个微透镜。
5.如权利要求4所述的方法，其中在所述第二透明电极上形成聚光装置包括在所述第二基板上形成自组装单层；通过喷射透明墨在所述自组装单层上形成多个墨滴，所述透明墨包括具有第一沸点的第一溶剂、具有低于第一沸点的第二沸点的第二溶剂和分散在所述第一和第二溶剂中的硅氧化物固体材料；干燥所述多个墨滴以形成多个微透镜；和将所述第二基板附接到所述第二透明电极以使所述多个微透镜接触所述第二透明电极。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述透明墨具有亲水性。
7.如权利要求5所述的方法，其中所述自组装单层包括烷基硅氧烷材料。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述烷基硅氧烷材料包括十八烷基三氯硅烷、 八-十二烷基三氯硅烷和十八烷基三甲氧基硅烷中的一种，数据线具有直线形状。
9.如权利要求5所述的方法，其中通过旋涂方法、狭缝涂覆方法、浸涂方法、喷涂方法和接触印刷方法中的一种，在所述第二基板的整个表面上形成自组装单层。
10.如权利要求5所述的方法，其中所述硅氧化物固体材料具有纳米颗粒形状和分子形状中的一种，并且其中分子形状的硅氧化物固体材料包括四乙氧基硅烷和四丁氧基硅烷中的一种。
11.如权利要求5所述的方法，其中所述透明墨的折射系数等于或者大于所述第二基板的折射系数。
12.如权利要求5所述的方法，其中干燥多个墨滴的步骤包括保持多个墨滴在室温下的自然干燥步骤和在热处理装置中在约50°C至约350°C的温度下加热多个墨滴的加热步骤中的一种。
13.如权利要求5所述的方法，还包括通过在热处理装置中在约50°C至约350°C的温度下加热多个墨滴来硬化多个墨滴。
14.如权利要求5所述的方法，其中所述第一溶剂和所述第二溶剂的浓度比在 0% 100%和 10% 90%之间，且在 90% 10%至 100% 0%之间。
15.一种制造微透镜的方法，包括在基板上形成具有强疏水性的自组装单层；通过喷射具有亲水性的透明墨在所述自组装单层上形成多个墨滴，所述透明墨包括具有第一沸点的第一溶剂、具有低于第一沸点的第二沸点的第二溶剂、和具有分散在第一和第二溶剂中的硅氧化物固体材料；和干燥多个墨滴。
16.如权利要求15所述的方法，其中自组装单层包括十八烷基三氯硅烷、八-十二烷基三氯硅烷和十八烷基三甲氧基硅烷中的一种，数据线具有直线形状，且其中硅氧化物固体材料具有纳米颗粒形状和分子形状中的一种，并且其中分子形状的硅氧化物固体材料包括四乙氧基硅烷和四丁氧基硅烷中的一种。
17.如权利要求15所述的方法，其中干燥多个墨滴的步骤包括将多个墨滴保持在室温下的自然干燥步骤和在热处理装置中在约50°C至约350°C的温度下加热多个墨滴的加热步骤中的一种。
18.如权利要求15的方法，其中所述第一溶剂和第二溶剂的浓度比在0% 100%和 10% 90%之间和在 90% 10%至 100% 0%之间。
全文摘要
本发明公开了一种包括微透镜的太阳能电池及其制造方法。本制造微透镜的方法包括在基板上形成具有强疏水性的自组装单层；通过使用喷墨装置喷射透明墨在自组装单层上形成多个墨滴，该透明墨包括具有第一沸点的第一溶剂，具有低于第一沸点的第二沸点的第二溶剂，和分散在第一和第二溶剂中的硅氧化物(SiOx)固体材料；和干燥该多个墨滴。
文档编号H01L31/18GK102237429SQ20111011190
公开日2011年11月9日 申请日期2011年4月27日 优先权日2010年4月27日
发明者朴成基, 李泰荣, 林定植, 金在铉, 金敏澈 申请人:乐金显示有限公司