专利名称：多重反射结构以及光电元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种多重反射结构(multi-reflection structure)以及光电元件,且特别是涉及ー种能够降低界面反射(surface reflection)的多重反射结构以及光电元件。
背景技术：
近年来，光电产业(诸如显示器产业、固态照明产业、太阳光电产业)的蓬勃发展持续改变人类生活。然而，在上述光电产业的开发中，不可避免都会遇到界面反射的问题，而介质的折射率差异是导致界面反射的主因。在显示器中，界面反射会导致显示器的整体 亮度下降，而在固态照明元件(如发光二极管或有机电激发光元件)中，界面反射会导致整体出光效率低落。有研究指出，在一般的有机电激发光元件中，界面反射导致将近70%至80%的光损失。在太阳电池中，界面反射也是直接导致光电转换效率低落的主因。详言之，太阳电池是ー种将光能转换为电能的光电元件，太阳电池的光电转换效率与其所产生的光电流以及电压有夫。为了增加光电流就必须增加太阳电池的光吸收率。由于一般的单晶硅太阳电池具有足够的厚度，因此光线的吸收不是大大的问题，因此，如何降低单晶硅太阳电池的界面反射所导致的光损失，实为目前亟待解决的课题之一。根据菲涅耳定律(Fresnel’ s Law)，当光线经过两个具有不同折射率的介质的界面时，光线的反射率与ニ介质的折射率差异正相关。详言之，当ニ介质的折射率越接近，光线经过此ニ介质的界面时被反射的比率越低；反之，当ニ介质的折射率差异越大，光线经过此ニ介质的界面时被反射的比率越高。以半导体元件中常用的硅基材为例，对于可见光而言，其折射率值约在3至4之间，很明显地，在具有平坦表面的硅基材与空气的界面处，可见光的反射率相当高(约有36%的光线被反射)。在现有的太阳电池中，为了解决界面反射的问题，一般会在硅基材太阳能电池的结构上形成ー非晶(amorphous)含氢的氮化硅抗反射层，以增加光线的利用率进而提升太阳电池的光电转换效率。然而，抗反射层仍无法大幅提升太阳电池的光电转换效率。因此，已有现有技术(如 US 5，081，049，US5, 080，725，US 2009/071536, TWM 354858，US7，368, 655)于太阳电池的入光面上形成光学微结构，以使光线在太阳电池表面处被反射多次，进而降低界面反射所导致的光损失。然而，在前述的现有技术(如US 5，081，049，US5, 080，725，US 2009/071536, TWM 354858，US 7，368，655)中，由于绝大部分的光线在太阳电池表面处只会被反射二次，因此界面反射所导致的光损失仍然无法大幅度地被降低。承上述，如何更为有效地抑制界面反射所导致的光损失，实为目前亟待解决的课题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供ー种多重反射结构以及光电兀件，其具有良好的光学表现。
本发明提供ー种多重反射结构，其包括一基材以及一角锥体。基材具有一倒角锥状凹陷(inversed pyramid shaped recess),倒角锥状凹陷具有至少三个第一反射侧面。角锥体配置于基材上且位于倒角锥状凹陷内，其中角锥体具有至少三个第二反射侧面，且各第二反射侧面的法线与任ー个第一反射侧面的法线不在同一空间平面(Plane)上。本发明提供ー种多重反射结构，其包括一基材、至少ー第一角锥体以及至少ー第ニ角锥体。第一角锥体配置于基材上，且第一角锥体具有至少三个第一反射側面。第二角锥体配置于基材上，第二角锥体具有至少三个第二反射侧面，且各第二反射侧面的法线与任ー个第一反射侧面的法线不在同一空间平面上。本发明提供一种光电元件，其包括一光电转换层以及多个电扱。光电转换层具有多个倒角锥状凹陷以及多个角锥体， 其中各倒角锥状凹陷具有至少三个第一反射侧面，各角锥体分别位于对应的倒角锥状凹陷内，角锥体具有至少三个第二反射侧面，且各第二反射侧面的法线与任ー个第一反射侧面的法线不在同一空间平面上。此外，电极与光电转换层电连接。为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
图IA为第一实施例的多重反射结构的立体图；图IB为第一实施例的多重反射结构的上视图；图IC为第一实施例的多重反射结构的剖视图；图2A至图2E为第一实施例中不同的多重反射结构的上视图与剖视图；图3A与图3B为第二实施例的多重反射结构的示意图；图4为第三实施例的光电元件的示意图；图5为图IA的扫描电子显微镜(SEM)图；图6为第一实施例的反射率模拟结果。主要元件附图标记说明100:多重反射结构110:基材IlOa:入光面112:倒角锥状凹陷112a:第一反射侧面120 :角锥体120a :第二反射侧面200 :多重反射结构210 :基材220 :第一角锥体222:第一反射侧面230 :第二角锥体232 :第二反射侧面
NL1、NL2:法线LI :邻接线L2 :棱线Θ1、Θ2:倾斜角Η、Η1、Η2:高度D :深度W :最大宽度
具体实施例方式第一实施例图IA为第一实施例的多重反射结构的立体图，图IB为第一实施例的多重反射结构的上视图，而图IC为第一实施例的多重反射结构的剖视图。请參照图IA至图1C，本实施例的多重反射结构100包括一基材110以及至少一角锥体120。基材110具有至少ー倒角锥状凹陷112，倒角锥状凹陷112具有至少三个第一反射侧面112a。角锥体120配置于基材110上且位于倒角锥状凹陷112内，其中角锥体120具有至少三个第二反射侧面120a，且各第二反射侧面120a的法线NL2与任ー个第一反射侧面112a的法线NLl不在同一空间平面上。在本实施例中，倒角锥状凹陷112的数量与角锥体120的数量相同，且倒角锥状凹陷112例如以阵列方式分布于基材110的入光面IlOa上。在本实施例中，基材110例如为硅基材、塑胶基材、玻璃基材、石英基板、金属基板，而基材110与角锥体120例如为相同材质。以硅基材为例，倒角锥状凹陷112以及角锥体120例如是通过非等向性蚀刻的方式来制作，而所采用的蚀刻液例如为氢氧化钾(KOH)或氢氧化四甲基铵(TMAH)，本实施例不限定所使用的蚀刻液的种类、浓度以及蚀刻进行的时间，此领域技术人员可根据实际设计需求而作适当的调整。此外，硅基材上的倒角锥状凹陷112以及角锥体120也可采用热压或紫外光固化等方式进行制作。以塑胶基材为例，倒角锥状凹陷112以及角锥体120可通过铸模制作エ艺或压印制作エ艺来制作。以玻璃基材、石英基板、金属基板为例，倒角锥状凹陷112以及角锥体120可通过蚀刻制作エ艺或压印制作エ艺来制作。如图IA至图IC所示，本实施例的第一反射侧面112a的数量为4个，第二反射侧面120a的数量为8个，且各个第一反射侧面112a与各个第二反射侧面120a例如皆为平面。值得注意的是，本实施例并不限定第一反射侧面112a与第二反射侧面120a的数量，意即，本实施例的第一反射侧面112a的数量为NI个(NI为任意大于或等于3的整数)，而第二反射侧面120a的数量为N2个(N2为任意大于或等于3的整数)。本实施例不限定NI与N2之间的关系。換言之，NI可以小于N2。在其它实施例中，NI也可以等于或是大于N2，端视设计需求而定。在本实施例中，4个第一反射侧面112a具有相同的面积，而8个第二反射侧面120a也具有相同的面积。換言之，角锥体120例如是一底面为正多边形的角锥体。值得注意的是，第一反射侧面112a的面积无须与第二反射侧面120a的面积相同。举例而言，当第一反射侧面112a的数量为4个时，第二反射侧面120a的数量可以为4、6、8、16、32，如图2A至图2E所绘示。当第一反射侧面112a的数量与第二反射侧面120a的数量相同时(即NI = N2),任二相邻第一反射侧面112a之间的邻接线(adjoiningline)Ll不与任二相邻第二反射侧面120a之间的棱线(crest line)L2对准,如图2A所绘示。当NI <吧，且吧非为附的整数倍时，所有邻接线LI皆不与棱线L2对准，如图2B所绘示。此外，当NI < N2，且N2为NI的整数倍时，部分的邻接线LI会与棱线L2对准，但部分的邻接线LI不会与棱线L2对准，如图2C至图2E所绘示。在本实施例中，各个第一反射侧面112a相对于入光面IlOa的倾斜角为Θ 1，且45° < Θ1彡90°。举例而言，前述的倾斜角Θ I例如约为54. 7°。此外，角锥体120的各个第二反射面120a相对于入光面IlOa的倾斜角为Θ2,且45° く Θ 2 < 90°。举例而言，倾斜角Θ 2例如约为71. 4°。值得注意的是，倾斜角Θ I与倾斜·角Θ 2无须相同，此领域技术人员可根据光线入射基板110的角度而适当地更动倾斜角Θ I与倾斜角Θ 2的数值范围。请參照图1C，在本实施例中，角锥体120的高度H小于或实质上等于倒角锥状凹陷112的深度D。举例而言，角锥体120的高度H例如介于O. 05微米至500微米，而倒角锥状凹陷112的深度D例如介于O. 05微米至500微米。此外，本实施例的倒角锥状凹陷112的最大宽度W例如介于O. I微米至1000微米。当第一反射侧面112a的数量为4个，第二反射侧面120a的数量为8个，倾斜角Θ I约为54. 7°，倾斜角Θ 2约为71. 4°时，约有44%的光线被反射2次，约有47%的光线被反射3次，且约有9%的光线被反射4次。因此，本实施例的多重反射结构100的整体反射率可以被降低至约5 %，与现有技术(US7，368，655)相较(反射率约为10% )，本实施例的多重反射结构100可以有效地降低界面反射的几率。第二实施例图3A与图3B为第二实施例的多重反射结构的示意图。请參照图3A与图3B，本实施例的多重反射结构200包括一基材210、至少ー第一角锥体220以及至少ー第二角锥体230。第一角锥体220配置于基材210上，且第一角锥体220具有至少三个第一反射侧面222。第二角锥体230配置于基材210上，第二角锥体230具有至少三个第二反射侧面232，且各第二反射侧面232的法线NL2与任ー个第一反射侧面222的法线NLl不在同一空间平面上。在本实施例中，基材210例如为硅基材、塑胶基材、玻璃基材、石英基板、金属基板，而基材210、第一角锥体220以及第二角锥体230例如为相同材质。以硅基材为例，基材210、第一角锥体220以及第二角锥体230例如是通过非等向性蚀刻的方式来制作，而所采用的蚀刻液例如为氢氧化钾(KOH)或氢氧化四甲基铵(TMAH)，本实施例不限定所使用的蚀刻液的种类、浓度以及蚀刻进行的时间，此领域具有通常知识者当可根据实际设计需求而作适当的调整。此外，硅基材上的第一角锥体220以及第二角锥体230也可采用热压或紫外光固化等方式进行制作。以塑胶基材为例，第一角锥体220以及第二角锥体230可通过铸模制作エ艺或压印制作エ艺来制作。以玻璃基材、石英基板、金属基板为例，第一角锥体220以及第二角锥体230可通过蚀刻制作エ艺或压印制作エ艺来制作。如图3A所示，第一反射侧面222的数量为4个，而第二反射侧面232的数量也为4个，且第一角锥体220的底面的任ー个边不平行于第二角锥体230的底面的任一个边。此夕卜，各个第一反射侧面222与各个第二反射侧面232例如皆为平面。
如图3B所示，第一反射侧面222的数量为4个，而第二反射侧面232的数量为3个，且各个第一反射侧面222与各个第二反射侧面232例如皆为平面。值得注意的是，本实施例并不限定第一反射侧面222与第二反射侧面232的数量，意即，本实施例的第一反射侧面222的数量为NI个(NI为任意大于或等于3的整数)，而第二反射侧面232的数量为N2个(N2为任意大于或等于3的整数)。本实施例不限定NI与N2之间的关系。換言之，NI可以小于、等于或是大于N2，端视设计需求而定。在本实施例中，4个第一反射侧面222具有相同的面积，而4个第二反射侧面232也具有相同的面积。換言之，第一角锥体220与第二角锥体230例如是底面为正多边形的角锥体。值得注意的是，第一反射侧面222的面积可与第二反射侧面232具有相同或不同的面积。从图3A可知，各个第一反射侧面222相对于基板210的倾斜角为Θ1，且45° < Θ I < 90°。举例而言，前述的倾斜角Θ I例如约为54. V。此外，各个第二反射面232相对于基板210的倾斜角为Θ2，且45° く Θ2<90°。举例而言，倾斜角Θ 2例如约为54.7°。值得注意的是，倾斜角Θ I与倾斜角Θ 2无须相同，此领域具有通常知识者可根据光线入射基板210的角度而适当地更动倾斜角Θ I与倾斜角Θ 2的数值范围。在本实施例中，第一角锥体220的高度Hl实质上等于第二角锥体230的高度Η2。举例而言，第一角锥体220的高度Hl例如介于O. 05微米至500微米，而第二角锥体230的高度Η2例如介于O. 05微米至500微米。第三实施例图4为第三实施例的光电元件的示意图。请參照图4，本实施例的光电元件300包括一光电转换层310以及多个电极320a、320b。光电转换层310具有多个倒角锥状凹陷312以及多个角锥体314，其中各倒角锥状凹陷312具有至少三个第一反射侧面312a，各角锥体314分别位于对应的倒角锥状凹陷312内，角锥体314具有至少三个第二反射侧面314a，且各第二反射侧面314a的法线NL2与任ー个第一反射侧面312a的法线NLl不在同一空间平面上。此外，电极320a、320b分别与光电转换层310电连接。本实施例的倒角锥状凹陷312以及多个角锥体314的设计与第一实施例的倒角锥状凹陷112以及角锥体120相同，故在此不再重述。举例而言，光电转换层310的材质例如为单晶娃(monocrystalline silicon)、多晶娃(polycrystalline silicon)、非晶娃(amorphous silicon)、締化镉(CdTe)、铜铟硒(CIS)、铜铟镓硒(CIGS)、锗(Ge)、III-V族铝铟砷镓半导体化合物、高分子太阳电池的主动
层材料等。在本实施例中，光电转换层310包括一 P型掺杂的硅基材310a、一 η型掺杂区310b、多个与电极320a电连接的η型重掺杂区310c、多个与电极320b电连接的p型重掺杂区310d。本实施例的光电转换层310具有将光线转换为电カ的功能，换言之，本实施例的光电元件300为太阳电池。值得注意的是，本实施例虽以图4所绘示的光电转换层310进行说明，但本实施例仍可采用其他型态的光电转换层。如图4所示,本实施例的光电元件可进ー步包括ー抗反射层330,且此抗反射层330覆盖倒角锥状凹陷312以及角锥体314。举例而言，抗反射层330的材质例如为氮化硅(SiNx)、ニ氧化娃(SiO2)、硫化锌(ZnS)、ニ氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO), ニ氧化锡(SnO2)、氟化镁(MgF2)、氟化钙(CaF2)、三氧化ニ铝(Al2O3)、氟化锂(LiF)、氟化钠(NaF)、微孔硅(mesoporous silicon)、微孔ニ氧化娃(mesoporous silica)。当然,抗反射层 330 也可以是由上述材料堆叠所组成的多层结构。实验例图5为图IA的扫描电子显微镜(SEM)图，而图6为第一实施例的反射率模拟结果。请同时參照图IA与图5，在本实验例中，基材110上的倒角锥状凹陷112具有4个面积实质上相等的第一反射侧面112a，而角锥体120具有8个面积实质上相等的第二反射侧面120a，倾斜角Θ I(如图IC所示)约为54.7°，且倾斜角Θ 2 (如图IC所示)约为71. 4°。请參照图6，曲线A表示具有平整表面的基板对于不同波长的光线 的模拟反射率，曲线B表示仅具有倒角锥状凹陷的基板对于不同波长的光线的模拟反射率，而曲线C表示具有倒角锥状凹陷及角锥体的基板对于不同波长的光线的模拟反射率。从图6可知，第一实施例的模拟反射率(曲线C)明显低于其他二者(曲线A、B)，因此本发明确实能够减少界面反射。本发明适于应用在显示器产业、固态照明产业、太阳电池产业、光学膜片产业等，且本发明可減少界面反射并提升光电元件的光电转换效率。虽然已结合以上较佳实施例披露了本发明，然而其并非用以限定本发明，所属领域任何技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的范围为准。
权利要求
1.一种多重反射结构，包括 基材，具有一倒角锥状凹陷(inversed pyramid shaped recess),其中该倒角锥状凹陷具有至少三个第一反射侧面；以及 角锥体，配置于该基材上且位于该倒角锥状凹陷内，其中该角锥体具有至少三个第二反射侧面，且各该第二反射侧面的法线与任一个第一反射侧面的法线不在同一空间平面(plane)上。
2.如权利要求I所述的多重反射结构，其中该基材包括硅基材、塑胶基材、玻璃基材、石英基板、金属基板。
3.如权利要求I所述的多重反射结构，其中所述第一反射侧面的数量为NI个，而所述第二反射侧面的数量为N2个，且NI小于N2。
4.如权利要求I所述的多重反射结构，其中各该第一反射侧面为平面(flatsurface),且各该第二反射侧面为平面。
5.如权利要求I所述的多重反射结构，其中该基材具有一入光面，该倒角锥状凹陷位于该入光面上，各该第一反射侧面相对于该入光面的倾斜角为Θ1，且45° < Θ1<90°。
6.如权利要求5所述的多重反射结构，其中ΘI约为54. 7°。
7.如权利要求5所述的多重反射结构，其中各该第二反射面相对于该入光面的倾斜角为 Θ 2，且 45。< Θ 2 ≤ 90。。
8.如权利要求7所述的多重反射结构，其中Θ2约为71. 4°。
9.如权利要求I所述的多重反射结构，其中该角锥体的高度小于或实质上等于该倒角锥状凹陷的深度。
10.如权利要求9所述的多重反射结构，其中该角锥体的高度介于O.05微米至500微米，而该倒角锥状凹陷的深度介于O. 05微米至500微米。
11.如权利要求I所述的多重反射结构，其中该倒角锥状凹陷的最大宽度介于O.I微米至1000微米。
12.如权利要求I所述的多重反射结构,其中该基材与该角锥体为相同材质。
13.—种多重反射结构，包括 基材； 至少一第一角锥体，配置于该基材上，其中该第一角锥体具有至少三个第一反射侧面；以及 至少一第二角锥体，配置于该基材上，其中该第二角锥体具有至少三个第二反射侧面，各该第二反射侧面的法线与任一个第一反射侧面的法线不在同一空间平面上。
14.如权利要求13所述的多重反射结构，其中该基材包括硅基材、塑胶基材、玻璃基材、石英基板、金属基板。
15.如权利要求13所述的多重反射结构，其中所述第一反射侧面的数量为NI个，而所述第二反射侧面的数量为N2个，且NI小于N2。
16.如权利要求13所述的多重反射结构，其中各该第一反射侧面为平面，且各该第二反射侧面为平面。
17.如权利要求13所述的多重反射结构，其中该基材、该第一角锥体以及该第二角锥体为相同材质。
18.—种光电元件,包括 光电转换层，具有多个倒角锥状凹陷以及多个角锥体，其中各该倒角锥状凹陷具有至少三个第一反射侧面，各该角锥体分别位于对应的倒角锥状凹陷内，该角锥体具有至少三个第二反射侧面，且各该第二反射侧面的法线与任一个第一反射侧面的法线不在同一空间平面上；以及 多个电极，与该光电转换层电连接。
19.如权利要求18所述的光电元件，其中所述第一反射侧面的数量为NI个，而所述第二反射侧面的数量为N2个，且NI小于N2。
20.如权利要求18所述的光电元件，其中各该第一反射侧面为平面，且各该第二反射侧面为平面。
21.如权利要求18所述的光电元件，还包括一抗反射层，覆盖所述倒角锥状凹陷以及所述角锥体。
全文摘要
本发明公开一种多重反射结构以及光电元件，其包括一基材以及一角锥体。基材具有一倒角锥状凹陷，倒角锥状凹陷具有至少三个第一反射侧面。角锥体配置于基材上且位于倒角锥状凹陷内，其中角锥体具有至少三个第二反射侧面，且各第二反射侧面的法线与任一个第一反射侧面的法线不在同一空间平面上。此外，本发明另提出一种光电元件。
文档编号H01L31/052GK102854553SQ201110279068
公开日2013年1月2日 申请日期2011年9月20日 优先权日2011年6月29日
发明者郑琮达, 朱仁佑, 林鼎晸, 陈怡萍, 李佳翰, 郑信鸿, 张樱谕 申请人:财团法人工业技术研究院