CN101764171A - 具有反射结构的太阳能电池 - Google Patents

Abstract

一种具有反射结构的太阳能电池，包括堆栈的正面电极、P型层、本征层、N型层以及背面电极，其特征在于：N型层为低折射率材料层，且低折射率材料层的折射率低于本征层的折射率。另外，N型层还可以是一种多层结构。这个多层结构是由多个以低折射率与高折射率互相堆栈的膜所构成，且于多层结构中与本征层接触的是低折射率膜，其中低折射率膜的折射率低于本征层的折射率。

Description

具有反射结构的太阳能电池

技术领域

本发明是涉及一种太阳能电池，且特别是涉及一种具有反射结构的太阳能电池。

背景技术

太阳能是一种具有无污染且取的不尽的能源，因此在遭遇石化能源所面临的污染与短缺的问题时，如何有效利用太阳能源已经成为最受瞩目的焦点。其中，因太阳能电池(solar cell)可直接将太阳能转换为电能，而成为目前运用太阳能源的发展重点。

而目前太阳能电池中的非晶硅(a-Si)薄膜商品有两个问题，第一是照光稳定性问题、第二是只能吸收波长小于800nm的太阳光。

因此，需找寻其它能够提升效率的方法。而减薄氢化非晶硅(a-Si:H)光电转换层的厚度，与堆栈吸收长波长的微晶硅(μc-Si)薄膜太阳能电池成为堆栈式太阳能电池(tandem solar cell)被认为是目前提升效率的最佳方式。

然而，减薄光电转换层的厚度会使光吸收度降低，而传统的堆栈式太阳能电池(tandem solar cell)，因两个电池的折射率系数相近，皆为硅层，折射率约为4，因此光经过两个电池之间的界面时，并不会产生反射的界面，直到光到达银层才会反射至底电池微晶硅层。

发明内容

本发明提供一种具有反射结构的太阳能电池，可直接反射至非晶硅层并由此减薄光电转换层的厚度。

本发明另提供一种具有反射结构的太阳能电池，可增加光电转换层的光通量与吸收量，提升Jsc。

本发明提出一种具有反射结构的太阳能电池，包括堆栈的正面电极、P型层、本征层、N型层以及背面电极，其特征在于：N型层为低折射率材料层，且低折射率材料层的折射率低于本征层的折射率。

在本发明的实施例中，上述低折射率材料层与相接的本征层的折射率差大于或等于2。

在本发明的实施例中，上述低折射率材料层的厚度小于150nm。

在本发明的实施例中，上述低折射率材料层的材料包括N型氧化硅(SiOx)、碳化硅(SiCx)、氮化硅(SiNx)、非晶硅(a-Si)或微晶硅(μc-Si)。

在本发明的实施例中，上述低折射率材料层为N型氧化硅(N-SiOx)层时，其导电度至少大于10^-6S/cm。

在本发明的实施例中，上述具有反射结构的太阳能电池，还包括一组位于N型层与背面电极之间的底电池(bottom cell)。底电池包括堆栈的底电池P型层、底电池本征层以及底电池N型层。

在本发明的实施例中，上述低折射率材料层的折射率低于底电池P型层的折射率。

本发明另提出一种具有反射结构的太阳能电池包括堆栈的正面电极、P型层、本征层、N型层以及背面电极，其特征在于：上述N型层为多层结构，这个多层结构是由多个以低折射率与高折射率互相堆栈的膜所构成，且于多层结构中与本征层接触的是低折射率膜，其中低折射率膜的折射率低于本征层的折射率。

在本发明的另一实施例中，上述低折射率膜与相接的本征层的折射率差大于或等于2。

在本发明的另一实施例中，上述多层结构的厚度约小于150nm。

在本发明的另一实施例中，上述低折射率膜的材料包括N型氧化硅(SiOx)、碳化硅(SiCx)、氮化硅(SiNx)、非晶硅(a-Si)或微晶硅(μc-Si)。

在本发明的另一实施例中，上述低折射率膜为N型氧化硅(N-SiOx)层时，其导电度至少大于10^-6S/cm。

在本发明的另一实施例中，在上述多层结构中与背面电极接触的是高折射率膜，且此高折射率膜的折射率大于背面电极的折射率。

在本发明的另一实施例中，上述低折射率膜与高折射率膜的折射率差大于或等于2。

在本发明的另一实施例中，上述具有反射结构的太阳能电池还包括一组底电池，位于N型层与背面电极之间，其中底电池包括堆栈的底电池P型层、底电池本征层以及底电池N型层。

在本发明的另一实施例中，上述多层结构包括堆栈的低折射率膜、高折射率膜以及另一低折射率膜。其中，低折射率膜的折射率低于上述底电池P型层的折射率。

基于上述，本发明在太阳能电池结构中设计低折射率的N型层，可增加界面的反射，亦可减薄非晶硅太阳能电池中I层的厚度，达到太阳光的最佳利用率，进而增加短路电流密度(Jsc)，提升组件效率。

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，并配合所附图作详细说明如下。

附图说明

图1是依照本发明的第一实施例的一种具有反射结构的太阳能电池的剖面示意图。

图2是依照本发明的第二实施例的一种具有反射结构的太阳能电池的剖面示意图。

图3是依照本发明的第三实施例的一种具有反射结构的太阳能电池的剖面示意图。

图4是依照本发明的第四实施例的一种具有反射结构的太阳能电池的剖面示意图。

图5是N型SiOx、N型a-Si:H以及N型μc-Si:H的折射率随波长变化的曲线图。

图6是N型SiOx、N型a-Si:H以及N型μc-Si:H的消光系数随波长变化的曲线图。

图7是本发明的N型层与传统N型层的反射率随波长变化的曲线图。

图8是本发明与传统单一接面型太阳能电池的量子效益(QE)随波长变化的曲线图。

图9是本发明的实例一与实例二和对照例的QE随波长变化的曲线图。

图10A是图9的对照例的QE随波长变化的曲线图。

图10B是实验五中的具有低折射率材料层的堆栈式太阳能电池的QE随波长变化的曲线图。

图10C是实验五中的具有反射效果的多层结构的堆栈式太阳能电池的QE随波长变化的曲线图。

附图标记说明

100、200、300、400：具有反射结构的太阳能电池

102：正面电极            104：P型层

106：本征层(I层)         108：低折射率材料层

110：背面电极            112：金属层

202：多层结构            204：低折射率膜

206：高折射率膜          302、402：顶电池

304：底电池              306：底电池P型层

308：底电池I层           310：底电池N型层

404：多层结构            406、410：低折射率膜

408：高折射率膜

具体实施方式

图1是依照本发明的第一实施例的一种具有反射结构的太阳能电池的剖面示意图。

请参照图1，第一实施例中的具有反射结构的太阳能电池100包括堆栈的正面电极(front contact)102、P型层104、本征层(后称为“I层”)106、一层作为N型层的低折射率材料层108以及背面电极(back contact)110，其中低折射率材料层108的折射率低于I层106的折射率。而且，低折射率材料层108与I层106的折射率差例如大于或等于2。在第一实施例中，低折射率材料层108的折射率例如小于等于2.1、厚度约小于150nm。上述低折射率材料层108的材料可选自N型的氧化硅(SiOx)、碳化硅(SiCx)、氮化硅(SiNx)、非晶硅(a-Si)或微晶硅(μc-Si)；举例来说，当低折射率材料层108为N型氧化硅(N-SiOx)层时，其导电度至少大于10^-6S/cm。此外，在背面电极110的背面通常还设有一层金属层112，如银。

由于第一实施例中的低折射率材料层108可将光反射回I层106，利用反射至I层106的光增益量，让I层106对可见光区的波段进行再次的吸收，故可产生更多的光电流。

图2是依照本发明的第二实施例的一种具有反射结构的太阳能电池的剖面示意图，其中使用与图1相同的组件符号代表相同的构件。

请参照图2，第二实施例中的具有反射结构的太阳能电池200包括堆栈的正面电极102、P型层104、I层106、作为N型层的多层结构202以及背面电极110。其中，多层结构202是由多个以低折射率与高折射率互相堆栈的膜所构成，且于多层结构202中与I层106接触的是低折射率膜204，其中低折射率膜204的折射率低于I层106的折射率，且低折射率膜204与I层106的折射率差例如大于或等于2。在第二实施例中，低折射率膜204的折射率例如小于等于2.1，且其材料可参照第一实施例的低折射率材料层108；例如，当低折射率膜204为N型氧化硅层时，其导电度至少大于10-6S/cm。至于多层结构202中与背面电极110接触的则是高折射率膜206，其折射率通常大于背面电极110的折射率，因此高折射率膜206的材料可选择现有技术中用作N型层的N型氢化非晶硅(N-a-Si:H)。而且，低折射率膜204与高折射率膜206的折射率差例如大于或等于2。

在第二实施例中，因为具有多层的反射界面(如I层106与低折射率膜204的界面、低折射率膜204与高折射率膜206的界面、以及高折射率膜206与背面电极110的界面)，所以可增加光电转换层的光通量与吸收量，提升短路电流密度(Jsc)。

虽然在图2的多层结构202只有一层低折射率膜204和一层高折射率膜206，但是仍可依设计需求增加多层结构202中的膜数，唯多层结构202的厚度优选是小于150nm。而在背面电极110的背面通常还设有一层金属层112。

图3是依照本发明的第三实施例的一种具有反射结构的太阳能电池的剖面示意图，其中使用与图1相同的组件符号代表相同的构件。

请参照图3，第三实施例中的具有反射结构的太阳能电池300是一种堆栈式太阳能电池(tandem solar cell)，具有一组顶电池302与一组底电池304。其中的顶电池302包括第一实施例中堆栈的P型层104、I层106与作为N型层的低折射率材料层108。底电池304则包括堆栈的底电池P型层306、底电池I层308以及底电池N型层310，且底电池304的底电池P型层306与顶电池302的低折射率材料层108相接触。至于底电池304的底电池N型层310的背面则设有背面电极110、在背面电极110的背面通常还设有金属层112。

由于第三实施例中的低折射率材料层108可将光反射回I层106，因此避免在含有中间层(intermediate layer)的传统堆栈式太阳能电池中N/P型层对反射光的再吸收。而且，具反射功能的这层低折射率材料层108还可省去传统堆栈式太阳能电池的中间层的制作。

图4是依照本发明的第四实施例的一种具有反射结构的太阳能电池的剖面示意图，其中使用与图3相同的组件符号代表相同的构件。

请参照图4，第四实施例中的具有反射结构的太阳能电池400同样是一种堆栈式太阳能电池，具有一组顶电池402与一组底电池304。其中的底电池304包括第三实施例中堆栈的底电池P型层306、底电池I层308以及底电池N型层310。而顶电池402则包括第一实施例中堆栈的P型层104、I层106与作为N型层的多层结构404。其中，多层结构404是由多个以低折射率与高折射率互相堆栈的膜所构成，且于多层结构404中与I层106接触的是低折射率膜406，然后堆栈着一层高折射率膜408以及另一层低折射率膜410。其中，低折射率膜406与410的折射率分别低于上述I层106、底电池P型层306与高折射率膜408的折射率。在本实施例中，低折射率膜406、410与上述I层106与上述高折射率膜408的折射率差均大于或等于2。

在第四实施例中，低折射率膜406与410的折射率例如小于等于2.1。至于高折射率膜408的材料可选择现有技术中用作N型层的材料。换言之，在多层结构404中，以低折射率与高折射率互相堆栈的膜的材料可选自N型的氧化硅(SiOx)、碳化硅(SiCx)、氮化硅(SiNx)、非晶硅(a-Si)或微晶硅(μc-Si)。举例来说，当低折射率膜406与410为N型氧化硅(N-SiOx)层时，其导电度至少大于10^-6S/cm；高折射率膜408则可为N型非晶硅(a-Si)层，其导电度约10^-4S/cm。以上多层结构404中的各层均可在同一道工艺内完成。

在第四实施例中，因为具有多层的反射界面(如I层106与低折射率膜406的界面、低折射率膜406与高折射率膜408的界面、高折射率膜408与低折射率膜410的界面、以及低折射率膜410与底电池P型层306的界面)，所以可增加光电转换层的光通量与吸收量，提升短路电流密度(Jsc)。虽然在图4的多层结构404中是由两层低折射率膜406、410和一层高折射率膜408构成作为N型层的多层结构404，但是仍可依设计需求增加多层结构404中的膜数，唯其总厚度优选是小于150nm。

以下列举数个实验例来证明本发明的功效。

实验一

为证明本发明的上述各实施例中示范用的N型氧化硅(SiOx)是适当的低折射率材料，与已知用于堆栈式太阳能电池中顶电池的N型层材料：N型氢化非晶硅(a-Si:H)、以及已知用于堆栈式太阳能电池中底电池的N型层材料：N型微晶硅(μc-Si:H)作比较。

从N型SiOx、N型a-Si:H以及N型μc-Si:H的折射率随波长变化的曲线图(如图5)可知，本发明的各实施例中示范用的N型SiOx在折射率上低于N型a-Si:H及N型μc-Si:H。

而从N型SiOx、N型a-Si:H以及N型μc-Si:H的消光系数随波长变化的曲线图(如图6)可知，本发明的各实施例中示范用的N型SiOx在消光系数上亦低于N型a-Si:H及N型μc-Si:H。

实验二

为证明本发明的N型层在增加反射量上有贡献，所以用1.1mm的玻璃当基板，其上堆栈300nm的非晶硅(n＝4)作为I层，然后在I层上堆栈100nm低折射率的微晶SiOx(n＝2.1)作为本发明的N型层。

另外，制作比较例。与上述做法一样用1.1mm的玻璃当基板，其上堆栈300nm的非晶硅(n＝4.5)作为I层，然后与上述做法不同的是在I层上堆栈30nm的微晶硅作为传统N型层。

然后，将不同波长的光从玻璃往N型层照射，再测其反射率得到图7。由图7可得到在波长550nm～800nm的反射率明显比传统N型层大，因此本发明的低折射率膜能增加反射量。

实验三

为比较本发明与传统单一接面型太阳能电池在短路电流密度(Jsc)的高低，首先制作出具有本发明的低折射率材料层的太阳能电池，包括作为正面电极的TCO、100nm的P型层、350nm的I层(n＝4)、100nm低折射率的N型SiOx层(n＝2)作为本发明的N型层、作为背面电极的TCO以及一层银层。

另外，制作一个比较例，其与上述太阳能电池的差别只在使用30nm的非晶硅(n＝4.5)作为传统N型层。

然后，将不同波长的光从正面电极照射到太阳能电池中，再测其量子效益(QE)得到图8。由图8可知，在太阳能电池中以低折射率的N型SiOx层取代传统N型层，QE波长550nm～750nm反射增加，Jsc则提升0.5％。

实验四

为比较本发明与传统堆栈式太阳能电池(tandem solar cell)在短路电流密度(Jsc)的高低，首先设计出具有本发明的低折射率材料层的堆栈式太阳能电池(实例一)，包括作为正面电极的TCO；包含10nm的P型层、280nm的I层(n＝4)与44nm低折射率的N型SiOx层(n＝2)的顶电池；包含10nm的P型层、3μm的微晶硅I层与20nm的传统N型层的底电池；作为背面电极的TCO；以及一层银层。

另外，再设计具有本发明的具反射效果的多层结构的堆栈式太阳能电池(实例二)，其与实例一的差别在于顶电池的N型层是由包含55nm的N型SiOx层(n＝2)、27.5nm的N型非晶硅层(n＝4.5)与55nm的N型SiOx层(n＝2)的多层结构取代；而底电池的I层则改为4μm的微晶硅。

至于对照例则包括作为正面电极的TCO；包含10nm的P型层、280nm的I层(n＝4)与30nm的传统N型层(非晶硅，n＝4)的顶电池；包含10nm的P型层、2μm的微晶硅I层与20nm的传统N型层的底电池；作为背面电极的TCO；以及一层银层。

接着，模拟不同波长的光从正面电极照射到堆栈式太阳能电池中，以测其量子效益(QE)得到图9。由图9可知，在堆栈式太阳能电池中，实例一相比于对照例，在波长500nm～700nm反射量明显增加，而顶电池QE增加而底电池QE减少。至于实例二在固定顶电池的I层厚度下，顶电池的Jsc由8.05mA/cm²增加8.87mA/cm²，Jsc相当于提升10％，底电池的I层增厚约50％，可使上下两个电池达到电流匹配(Current match)。

实验五

为探讨底电池与顶电池的I层厚度变化，先以实验四中的对照例作为基准，模拟得到图10A的QE变化曲线图。

然后，设计出具有低折射率材料层的堆栈式太阳能电池，包括作为正面电极的TCO；包含10nm的P型层、230nm的I层(n＝4)与44nm低折射率的N型SiOx层(n＝2)的顶电池；包含10nm的P型层、2.5μm的微晶硅I层与20nm的传统N型层的底电池；作为背面电极的TCO；以及一层银层。随后，模拟得到图10B的QE变化曲线图。

接着，设计出具有反射效果的多层结构的堆栈式太阳能电池，其与实例一的差别在于：顶电池的I层厚度减为190nm、N型层则由包含55nm的N型SiOx层(n＝2)、27.5nm的N型非晶硅层(n＝4.5)与55nm的N型SiOx层(n＝2)的多层结构取代；而底电池的I层厚度改为3.3μm。随后，模拟得到图10C的QE变化曲线图。

在堆栈式太阳能电池中，将N型层设计为多层结构，固定顶电池的电流，则顶电池的I层厚度可减薄32％，只需将底电池的I层增厚约39％，即可使上下两个电池达到电流匹配。

由以上实验四和实验五可知，固定顶电池电流，使顶电池厚度减薄可降低光劣化问题(Staebler Wronski Effect；简称SWE效应)，同时可以增加理想因子(Fill Factor)，底电池的增厚量也可降低，因此固定顶电池电流，减薄顶电池的厚度较固定顶电池的厚度为佳。

综上所述，本发明因为具有反射与导电功能的N型层，能将光反射回I层，利用反射至I层的光增益量，让非晶硅薄膜对可见光区的波段进行再次的吸收，以减薄I层的厚度并具备与厚膜相同的效益。或者，可利用相等厚度的I层，并通过本发明具有反射与导电功能的N型层薄膜产生更多的光电流。此外，本发明应用于堆栈式太阳能电池时，可在顶电池运用具有反射与导电功能的N型层做单层或多层结构的设计，利用设计结构界面的反射，增加光电转换层的光通量与吸收量，提升短路电流密度(Jsc)。

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。

Claims (17)

1.一种具有反射结构的太阳能电池，包括：堆栈的正面电极、P型层、本征层、N型层以及背面电极，其特征在于：

该N型层为低折射率材料层，且该低折射率材料层的折射率低于该本征层的折射率。

2.如权利要求1所述的具有反射结构的太阳能电池，其特征在于：该低折射率材料层与相接的该本征层的折射率差大于或等于2。

3.如权利要求1所述的具有反射结构的太阳能电池，其特征在于：该低折射率材料层的厚度小于150nm。

4.如权利要求1所述的具有反射结构的太阳能电池，其特征在于：该低折射率材料层的材料包括N型氧化硅、碳化硅、氮化硅、非晶硅或微晶硅。

5.如权利要求1所述的具有反射结构的太阳能电池，其特征在于：该低折射率材料层为N型氧化硅层时，该N型氧化硅层的导电度大于10-6S/cm。

6.如权利要求1所述的具有反射结构的太阳能电池，其特征在于：还包括一组底电池，位于该N型层与该背面电极之间，该底电池包括堆栈的底电池P型层、底电池本征层以及底电池N型层。

7.如权利要求6所述的具有反射结构的太阳能电池，其特征在于：该低折射率材料层的折射率低于该底电池P型层的折射率。

8.一种具有反射结构的太阳能电池，包括：堆栈的正面电极、P型层、本征层、N型层以及背面电极，其特征在于：

该N型层为多层结构，该多层结构是由多个以低折射率与高折射率互相堆栈的膜所构成，且于该多层结构中与该本征层接触的是低折射率膜，其中该低折射率膜的折射率低于该本征层的折射率。

9.如权利要求8所述的具有反射结构的太阳能电池，其特征在于：该低折射率膜与相接的该本征层的折射率差大于或等于2。

10.如权利要求8所述的具有反射结构的太阳能电池，其特征在于：该多层结构的厚度小于150nm。

11.如权利要求8所述的具有反射结构的太阳能电池，其特征在于：该低折射率膜的材料包括N型氧化硅、碳化硅、氮化硅、非晶硅或微晶硅。

12.如权利要求8所述的具有反射结构的太阳能电池，其特征在于：该低折射率膜为N型氧化硅层时，该N型氧化硅层的导电度大于10^-6S/cm。

13.如权利要求8所述的具有反射结构的太阳能电池，其特征在于：于该多层结构中与该背面电极接触的是高折射率膜，该高折射率膜的折射率大于该背面电极的折射率。

14.如权利要求13所述的具有反射结构的太阳能电池，其特征在于：该低折射率膜与该高折射率膜的折射率差大于或等于2。

15.如权利要求8所述的具有反射结构的太阳能电池，其特征在于：还包括一组底电池，位于该N型层与该背面电极之间，该底电池包括堆栈的底电池P型层、底电池本征层以及底电池N型层。

16.如权利要求15所述的具有反射结构的太阳能电池，其特征在于：该多层结构包括堆栈的该低折射率膜、高折射率膜以及另一低折射率膜。

17.如权利要求16所述的具有反射结构的太阳能电池，其特征在于：该低折射率膜的折射率低于该底电池P型层的折射率。

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