專利名稱：具有二維光子晶體的太陽(yáng)能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種太陽(yáng)能電池，且特別是有關(guān)于一具有二維光子晶體的太陽(yáng)能 電池。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)能似乎是一種用之不竭的能源，并引起許多研究的注意。為達(dá)成此目的，人們 已開發(fā)出將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能的太陽(yáng)能電池。當(dāng)前，太陽(yáng)能電池通常由單晶硅或多晶硅制成，且此等裝置占據(jù)大于90%的太陽(yáng) 能電池市場(chǎng)，此乃因此等裝置具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率。然而，生產(chǎn)此類型的太陽(yáng)能電池將 需要高質(zhì)量的硅晶片，使得制造此等太陽(yáng)能電池不具成本效益。另一種類型的太陽(yáng)能電池是薄膜太陽(yáng)能電池，相較于單晶太陽(yáng)能電池，薄膜太陽(yáng) 能電池具有較低的制造成本。薄膜太陽(yáng)能電池包括玻璃基板、透明電極、光電轉(zhuǎn)換層及背電 極。透明電極形成于玻璃基板上。光電轉(zhuǎn)換層通過諸如濺鍍的物理沉積而形成在透明電極 上。背電極配置于光電轉(zhuǎn)換層上。為了增加太陽(yáng)能電池的效率，可在透明導(dǎo)電層的表面上 形成角錐狀結(jié)構(gòu)或紋理結(jié)構(gòu)。然而，此等角錐狀結(jié)構(gòu)或紋理結(jié)構(gòu)僅能有限地增加太陽(yáng)能電 池的效率，因?yàn)楣庵苯油ㄟ^光電轉(zhuǎn)換層，并透射出太陽(yáng)能電池而未被吸收。因此，目前亟需一種具有較高光電轉(zhuǎn)換效率的太陽(yáng)能電池。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有較高光電轉(zhuǎn)換效率的太陽(yáng)能電池。本發(fā)明提供一種太陽(yáng)能電池，其包括基板、光敏性部件及二維光子晶體。光敏性部 件配置于基板的表面上。二維光子晶體配置于基板的表面上，且鄰近于光敏性部件，使得由 光敏性部件傳播而來(lái)的光線得以反射回到光敏性部件。根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式，二維光子晶體在與該表面平行的一方向上具有一周期性 重復(fù)的結(jié)構(gòu)，其中該二維光子晶體包含數(shù)個(gè)空氣柱形成于其中，且每一該些空氣柱垂直于 該表面。根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式，該些空氣柱配置成一三角形格子圖案，其中每一該些空 氣柱具有約105nm至約143nm的一半徑，且兩個(gè)相鄰空氣柱的幾何中心之間的一距離為約 234nm 至約 293nm0根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式，該些空氣柱配置成一蜂巢格子圖案。根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式，該些空氣柱配置成一正方形格子圖案。根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式，該光敏性部件包含一透明導(dǎo)電層、一光伏層及一金屬層。 該透明導(dǎo)電層配置于該表面上；該光伏層配置于該透明導(dǎo)電層上；該金屬層配置于該光伏層上。根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式，該二維光子晶體包含數(shù)個(gè)介電質(zhì)柱，且每一該些介電質(zhì) 柱垂直于該表面。
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根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式，該些介電質(zhì)柱配置成一三角形格子圖案或一正方形格子 圖案。根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式，該些介電質(zhì)柱配置成一蜂巢格子圖案，每一該些介電質(zhì) 柱具有約74nm至約92nm的一半徑，且兩個(gè)相鄰介電質(zhì)柱的幾何中心之間的一距離為約 307nm 至約 336nm。根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式，該二維光子晶體環(huán)繞該光敏性部件。本發(fā)明上述揭露的太陽(yáng)能電池，可具有極佳的光電轉(zhuǎn)換效率。


為讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征、優(yōu)點(diǎn)與實(shí)施例能更明顯易懂，所附附圖的說 明如下圖1繪示根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的太陽(yáng)能電池的俯視示意圖；圖2繪示根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的太陽(yáng)能電池的橫截面示意圖；圖3A至圖3C繪示根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的二維光子晶體的俯視示意圖；圖4A至圖4C繪示根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的二維光子晶體的俯視示意圖。主要組件符號(hào)說明100太陽(yáng)能電池
110基板
112平坦的表面
120光敏性部件
122透明導(dǎo)電層
124光伏層
126金屬層
130二維光子晶
132空氣柱
134介電質(zhì)柱
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的敘述更加詳盡與完備，下文針對(duì)了本發(fā)明的實(shí)施方式與具體實(shí)施 例提出了說明性的描述；但這并非實(shí)施或運(yùn)用本發(fā)明具體實(shí)施例的唯一形式。以下所揭露 的各實(shí)施例，在有益的情形下可相互組合或取代，也可在一實(shí)施例中附加其它的實(shí)施例，而 無(wú)須進(jìn)一步的記載或說明。在以下描述中，將詳細(xì)敘述許多特定細(xì)節(jié)以使讀者能夠充分理解以下的實(shí)施例。 然而，可在無(wú)此等特定細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐本發(fā)明的實(shí)施例。在其它情況下，為簡(jiǎn)化附圖，熟 知的結(jié)構(gòu)與裝置僅示意性地繪示于圖中。圖1繪示本發(fā)明的一實(shí)施例的太陽(yáng)能電池100的俯視示意圖。圖2為沿圖1中的 線段2-2截取的橫截面圖。請(qǐng)參見圖1及圖2，太陽(yáng)能電池100包括基板110、光敏性部件 120以及二維光子晶體130?；?10具有實(shí)質(zhì)上平坦的表面112，在表面112上配置有光敏性部件120。在一實(shí)施方式中，基板110對(duì)日光具可穿透性，以使將日光能傳遞至光敏性部件120。舉例而言， 基板110可由玻璃或諸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯或聚碳酸酯等其它透明塑料 所制成。在此情況下，當(dāng)基板為透明玻璃基板時(shí)，太陽(yáng)能電池100可由基板的一側(cè)接收日 光。在一實(shí)施例中，玻璃基板的厚度為約3. 2mm至約6mm。光敏性部件120配置于基板110的表面112上，且能夠?qū)⒐廪D(zhuǎn)換為電。在一實(shí) 施方式中，光敏性部件120為包含單晶硅或多晶硅的硅芯片。在另一實(shí)施方式中，如圖2 所示，光敏性部件120可為薄膜光伏裝置，且包含透明導(dǎo)電層122、光伏層(photovoltaic layer)lM及金屬層126。在此實(shí)施方式中，透明導(dǎo)電層122是配置于表面112上。在一些實(shí)施例中，透明導(dǎo) 電層122為透明導(dǎo)電氧化物，諸如氧化鋅(ZnO)、摻氟二氧化錫(SnO2 = F)及氧化銦錫(ITO)。 在其它實(shí)施例中，透明導(dǎo)電層122具有紋理表面，用以截留透射入太陽(yáng)能電池100中的光。 光伏層1 配置于透明導(dǎo)電層122上。在一實(shí)施例中，光伏層IM包含非晶硅，且具有由ρ 型半導(dǎo)體、本質(zhì)半導(dǎo)體及η型半導(dǎo)體組成的p-i-n結(jié)構(gòu)(未繪示)。在其它實(shí)例中，光伏層 124 可包含砷化鎵(GaAs)、銅銦鎵硒(copper indium gallium diselenide, CIGS)或碲化 鎘(CdTe)。當(dāng)光伏層124吸收光時(shí)，其中將產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，且光伏層124中所建立的 電場(chǎng)使電子-空穴對(duì)分離而形成電流。金屬層126配置于光伏層IM上，且亦可充當(dāng)反射 鏡。在一些實(shí)施例中，可需要而定，金屬層126可包括銀、鋁、銅、鉻或鎳。金屬層1 及透 明導(dǎo)電層122兩者皆能夠?qū)⒐夥鼘覫M產(chǎn)生的電流傳送至外部負(fù)載裝置(未繪示)。金屬 層126亦可反射光且充當(dāng)反射鏡。如圖2所示，當(dāng)光經(jīng)由光伏層124到達(dá)金屬層126的表 面時(shí)，金屬層126可將光反射回至光伏層124。二維光子晶體130配置于基板110的表面112上且鄰近于光敏性部件120，使得由 光敏性部件120傳播而來(lái)的光線得以反射回到光敏性部件120。在一實(shí)施例中，如圖1及圖 2所述，二維光子晶體130環(huán)繞光敏性部件120，且具周期性重復(fù)的結(jié)構(gòu)；詳言之，此周期性 重復(fù)結(jié)構(gòu)是在與表面112平行的方向上周期性地重復(fù)。當(dāng)光傳播進(jìn)光伏層124中時(shí)，一部 分光可被吸收，且因此產(chǎn)生電。然而，一部分光可直接通過光伏層1 而不產(chǎn)生電。直接通 過光伏層124的光可通過二維光子晶體130及金屬層126反射回去。因此，透射進(jìn)入光敏 性部件120中的光可截留在其中，然后再被轉(zhuǎn)換為電。結(jié)果，可以大幅提升太陽(yáng)能電池的效 率。圖3A至圖3C繪示本發(fā)明的一實(shí)施方式的二維光子晶體130的配置的俯視示意 圖。在此實(shí)施方式中，二維光子晶體130可沿與表面112平行的方向周期性地重復(fù)。舉例 而言，可存在至少三層重復(fù)的二維光子晶體130，包括但不限于3層、4層、5層、6層、7層、8 層、9層或10層二維光子晶體130。在一實(shí)施方式中，二維光子晶體130包含數(shù)個(gè)空氣柱132形成于其中，且每一空氣 柱132垂直于基板110的表面112。在一實(shí)施例中，如圖3A所述，這些空氣柱132配置成 三角形格子圖案。每一空氣柱132的半徑rl為約85nm至約167nm，較佳為約105nm至約 143nm ；且兩個(gè)相鄰空氣柱132的幾何中心之間的距離dl可為約189nm至約340nm，較佳為 約約23411!11至四311111。在另一實(shí)施例中，如圖所述，這些空氣柱132可配置成蜂巢格子圖 案。在其它實(shí)例中，如圖3C所述，這些空氣柱132可配置成正方形格子圖案。在一實(shí)施方式中，這些空氣柱132貫穿太陽(yáng)能電池100的光敏性部件120。舉例而言，如圖2所示，光敏性部件120包含透明導(dǎo)電層122、光伏層IM及金屬層126，而且空氣 柱132貫穿透明導(dǎo)電層122、光伏層124及金屬層1 的所有層結(jié)構(gòu)。形成空氣柱132的方 法并無(wú)特別限制。舉例而言，可使用光微影工藝、電子束微影工藝及/或激光刻劃方法來(lái)形 成空氣柱132。圖4A至圖4C繪示本發(fā)明另一實(shí)施方式的二維光子晶體130的俯視示意圖。在 此實(shí)施方式中，二維光子晶體130包含數(shù)個(gè)介電質(zhì)柱134，且每一介電質(zhì)柱134垂直于表面 112。在一實(shí)施例中，如圖4A所示，這些介電質(zhì)柱134配置成三角形格子圖案。在另一實(shí)施 例中，這些介電質(zhì)柱134配置成蜂巢格子圖案。每一介電質(zhì)柱134具有約74nm至約92nm 的半徑r2，且兩個(gè)相鄰介電質(zhì)柱134的幾何中心之間的距離為約307nm至約336nm，如圖4B 所示。在其它實(shí)例中，數(shù)個(gè)介電質(zhì)柱134可配置成正方形格子圖案，如圖4C所示。雖然本發(fā)明已以實(shí)施方式揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉此技藝 者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動(dòng)與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng) 視所附的權(quán)利要求書所界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種太陽(yáng)能電池，其特征在于，其包含一基板，具有一表面；一光敏性部件，配置于該基板的該表面上；及一個(gè)二維光子晶體，配置于該基板的該表面上，且鄰近于該光敏性部件，使得由該光敏 性部件傳播而來(lái)的一光線得以反射回至該光敏性部件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于，該二維光子晶體在與該表面平行 的一方向上具有一周期性重復(fù)的結(jié)構(gòu)，其中該二維光子晶體包含數(shù)個(gè)空氣柱形成于其中， 且每一該些空氣柱垂直于該表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于，該些空氣柱配置成一三角形格子 圖案，其中每一該些空氣柱具有約105nm至約143nm的一半徑，且兩個(gè)相鄰空氣柱的幾何中 心之間的一距離為約2;34nm至約^3nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于，該些空氣柱配置成一蜂巢格子圖案。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于，該些空氣柱配置成一正方形格子 圖案。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于，該光敏性部件包含 一透明導(dǎo)電層，配置于該表面上；一光伏層，配置于該透明導(dǎo)電層上；及 一金屬層，配置于該光伏層上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于，該二維光子晶體包含數(shù)個(gè)介電質(zhì) 柱，且每一該些介電質(zhì)柱垂直于該表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于，該些介電質(zhì)柱配置成一三角形格 子圖案或一正方形格子圖案。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于，該些介電質(zhì)柱配置成一蜂巢格子 圖案，每一該些介電質(zhì)柱具有約74nm至約92nm的一半徑，且兩個(gè)相鄰介電質(zhì)柱的幾何中心 之間的一距離為約307nm至約336nm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于，該二維光子晶體環(huán)繞該光敏性部件。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種太陽(yáng)能電池，其包括基板、光敏性部件及二維光子晶體。光敏性部件配置于該基板的一表面上。二維光子晶體配置于基板的表面上且鄰近于光敏性部件，使得一由該光敏性部件傳播而來(lái)的光線得以反射回至光敏性部件。
文檔編號(hào)H01L31/052GK102117858SQ20101062271
公開日2011年7月6日 申請(qǐng)日期2010年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者林志明, 沈彥良, 陳政欣 申請(qǐng)人:杜邦太陽(yáng)能有限公司