CN101777598A - 透明型太阳能电池模块及其制造方法 - Google Patents

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黄建福
郭昭显
方宣尹
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Abstract

本发明公开了一种透明型太阳能电池模块及其制造方法。透明型太阳能电池模块包括透明基板、第一透明电极、P型层、本征层、N型堆叠层以及第二透明电极。第一透明电极位于透明基板上。P型层位于第一透明电极上。本征层位于该P型层上。N型堆叠层位于本征层上，且N型堆叠层是由至少两种具有不同折射率的N型材料层相互堆叠而成。第二透明电极位于N型堆叠层上。

Description

透明型太阳能电池模块及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种电池模块及其制造方法，且特别是涉及一种透明型太阳能电池模块及其制造方法。
背景技术
太阳能是一种具有永不耗尽且无污染的能源，在解决目前石化能源所面临的污染与短缺的问题时，一直是最受瞩目的焦点。其中，太阳能电池(solarcell)可直接将太阳能转换为电能，是目前相当重要的研究课题。目前，已有一些专利披露关于太阳能电池及其制造方法的相关技术，如美国专利第4,623,601号、美国专利第4,781,765号以及美国专利第5,569,332号等。
早期的太阳能电池通常是设置在屋顶上，但，在地窄人稠的都市中，顶楼面积有限，装设面积不大。而建筑物的立面的玻璃帷幕墙的面积大且无法规的限制，是太阳能电池模块可以利用的区域。因此，建材一体型的太阳能电池(building integrated photovoltaic，BIPV)将是整个硅薄膜太阳能电池重大的应用与市场。用于立面的透光型BIPV技术其中一种技术是除去部分元件面积做成穿透式(See-through type)，另一种技术则是将上下电极皆为透明电极的透明型(Transparent type)。
然而，由于穿透式太阳能电池在制造时必须以激光除去部分元件面积，其制造成本高。此外，其透光与非透光部分交错成网状，人眼近视易感到昏炫。而透明型太阳能电池则因为硅薄膜在短波长有相当强的吸收，导致穿透光谱以长波长为主，使得穿透光呈现橘红到暗红色。虽然，应用在玻璃帷幕时，建筑外墙不失美观，但却会使得室内色调改变，无法符合是需求。因此，如何能够不改变室内色调，将会是未来BIPV应用在玻璃帷幕的重要课题。
发明内容
本发明提供一种透明型太阳能电池模块可以调整穿透频谱的色标、演色性与色温。
本发明提供一种透明型太阳能电池模块可增加长波长的吸收，并提升元件的短路电流密度Jsc与效率。
本发明提供一种透明型太阳能电池模块可作BIPV应用。
本发明提供一种透明型太阳能电池模块的制造方法，其可符合现行的太阳电池工艺技术，且制作成本低。
本发明提出一种透明型太阳能电池模块，其包括透明基板、第一透明电极、第一导电型层、本征层、第二导电型堆叠层以及第二透明电极。第一透明电极位于透明基板上。第一导电型层位于第一透明电极上。本征层位于第一导电型层上。第二导电型堆叠层位于本征层上，且第二导电型堆叠层是由至少两种具有不同折射率的第二导电型材料层相互堆叠而成。第二透明电极位于第二导电型堆叠层上。
依照本发明实施例所述，上述透明型太阳能电池模块中，第一导电型层为P型层且第二导电型堆叠层为N型堆叠层。
依照本发明实施例所述，上述透明型太阳能电池模块中，N型堆叠层是由至少一低折射率的N型材料层与至少一高折射率的N型材料层相互堆叠而成，其中高折射率的N型材料层的折射率与低折射率的N型材料层的折射率的差大于或等于1。
依照本发明实施例所述，上述透明型太阳能电池模块中，低折射率的N型材料层的折射率为2～2.5；高折射率的N型材料层的折射率为3～4。
依照本发明实施例所述，上述透明型太阳能电池模块中，高折射率的N型材料层的材料包括N型非晶硅(N-a-Si)或N型微晶硅(N-μc-Si)；低折射率的N型材料层的材料包括N型氧化硅(N-SiOx)、N型氮化硅(N-SiNx)或N型碳化硅(N-SiCx)。
依照本发明实施例所述，上述透明型太阳能电池模块中，低折射率的N型材料层配置于本征层与高折射率的N型材料层之间，高折射率的N型材料层配置于低折射率的N型材料层与第二透明电极之间。
依照本发明实施例所述，上述透明型太阳能电池模块中，上述至少两种具有不同折射率的第二导电型型材料层选自可将透明型太阳能电池模块的穿透频谱色标(CIE)限制在CIE(x，y)，0.45＜x＜0.55，0.4＜y＜0.5所构成的矩形区域内的材料。
依照本发明实施例所述，上述透明型太阳能电池模块中，上述至少两种具有不同折射率的第二导电型型材料层的材料选自可将透明型太阳能电池模块的穿透频谱的演色性(Ra)调整至大于80的材料。
依照本发明实施例所述，上述透明型太阳能电池模块中，上述至少两种具有不同折射率的N型材料层的材料选自可将透明型太阳能电池模块的穿透频谱色温(CT)调整至开氏2000度以上的材料。
依照本发明实施例所述，上述透明型太阳能电池模块中，第一导电型层为N型层且第二导电型堆叠层为P型堆叠层。
依照本发明实施例所述，上述透明型太阳能电池模块中，P型层包括P型微晶硅、P型非晶硅、P型碳化硅或P型氧化硅。
依照本发明实施例所述，上述透明型太阳能电池模块中，本征层的材料包括本征非晶硅、本征微晶硅、本征非晶硅掺杂氟、或本征微晶硅掺杂氟。
依照本发明实施例所述，上述透明型太阳能电池模块中，第一透明电极的材料与第二透明电极的材料包括透明导电氧化物。
依照本发明实施例所述，上述透明型太阳能电池模块中，透明基板为硬式基板或可挠式基板。
本发明还提出一种透明型太阳能电池模块的制造方法。首先，在透明基板上形成第一透明电极，接着，在第一透明电极上形成第一导电型层。然后，在第一导电型层上形成本征层。其后，在本征层上形成第二导电型堆叠层。第二导电型堆叠层是由至少两种具有不同折射率的第二导电型材料层相互堆叠而成。之后，在第二导电型堆叠层上形成第二透明电极。
依照本发明实施例所述，上述的透明型太阳能电池模块的制造方法中，第一导电型层为N型层且第二导电型堆叠层为P型堆叠层。
依照本发明实施例所述，上述的透明型太阳能电池模块的制造方法中，N型堆叠层是由至少一低折射率的N型材料层与至少一高折射率的N型材料层相互堆叠而成，其中高折射率的N型材料层的折射率与低折射率的N型材料层的折射率的差大于或等于1。
依照本发明实施例所述，上述的透明型太阳能电池模块的制造方法中，低折射率的N型材料层的折射率为2～2.5；高折射率的N型材料层的折射率为3～4。
依照本发明实施例所述，上述的透明型太阳能电池模块的制造方法中，高折射率的N型材料层的材料包括N型非晶硅(N-a-Si)或N型微晶硅(N-c-Si)；低折射率的N型材料层的材料包括N型氧化硅(N-SiOx)、N型氮化硅(N-SiNx)或N型碳化硅(N-SiCx)。
依照本发明实施例所述，上述的透明型太阳能电池模块的制造方法中，N型堆叠层的形成方法包括在本征层上形成低折射率的N型材料层，然后，在低折射率的N型材料层上形成高折射率的N型材料层。
依照本发明实施例所述，上述的透明型太阳能电池模块的制造方法中，上述至少两种具有不同折射率的第二导电型材料层选自可将透明型太阳能电池模块的穿透频谱色标(CIE)限制在CIE(x，y)，0.45＜x＜0.55，0.4＜y＜0.5所构成的矩形区域内的材料。
依照本发明实施例所述，上述的透明型太阳能电池模块的制造方法中，上述至少两种具有不同折射率的第二导电型材料层的材料选自可将透明型太阳能电池模块的穿透频谱的演色性(Ra)调整至大于80的材料。
依照本发明实施例所述，上述的透明型太阳能电池模块的制造方法中，上述至少两种具有不同折射率的第二导电型材料层的材料选自可将透明型太阳能电池模块的穿透频谱色温(CT)调整至开氏2000度以上的材料。
依照本发明实施例所述，上述的透明型太阳能电池模块的制造方法中，第一导电型层为N型层且第二导电型堆叠层为P型堆叠层。
本发明的透明型太阳能电池模块可以调整穿透频谱的色标、演色性与色温，改善穿透光的品质，达到居住空间舒适的效果。
本发明的透明型太阳能电池模块可增加长波长的吸收，并提升元件的短路电流密度Jsc与效率，达到节能效果。
本发明的透明型太阳能电池模块可作BIPV应用。
本发明的透明型太阳能电池模块的制造方法，其可符合现行的太阳电池工艺技术，且制作成本低。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举数个实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1是依照本发实施例所绘示的透明型太阳能电池模块的剖面示意图。
图2是依照本发明实施例以及已知的方法所制造的太阳能电池模块的光吸收量子效率与波长的关系图。
附图标记说明
10：透明基板          12：透明电极
14：第一导电型层      16：本征层
18：第二导电型堆叠层  22：透明电极
30.光线               100、200：曲线
具体实施方式
图1是依照本发实施例所绘示的透明型太阳能电池模块的剖面示意图。
请参照图1，本发明的透明型太阳能电池模块是由透明基板10/透明电极(前电极)12/第一导电型层14/本征层(或称为I层)16/第二导电型层18(18a/18b)/透明电极(背电极)22所构成的太阳能电池模块。在实施例中，第一导电型为P型且第二导电型为N型。在另一实施例中，第一导电型为N型且第二导电型为P型。本发明的透明型太阳能电池模块中的第二导电型层18是由至少两种具有不同折射率的第二导电型材料层18a与18b相互堆叠而成，其可调整穿透频谱的色标、演色性与色温，使穿透的光色调接近自然光色。此外，本发明的N型堆叠层可当作反射层，提升波长500-800nm的光吸收量子效率(QE)，提升元件的短路电流密度Jsc与效率。以下以第一导电型为P型且第二导电型为N型为例来说明本发明的透明型太阳能电池模块，然而，本发明并不以此为限。
请参照图1，本实施例的透明型太阳能电池模块包括透明基板10、透明电极12、P型层14、本征层(或称为I层)16、N型堆叠层18以及透明电极22。透明电极12位于透明基板上10。P型层14位于透明电极12上。本征层16位于P型层14上。N型堆叠层18位于本征层16上，且N型堆叠层18是由至少两种具有不同折射率的N型材料层18a与18b相互堆叠而成。
透明基板10可以是硬式基板或可挠式基板。硬式基板例如是作为建筑物的帷幕玻璃基板。可挠式基板例如是塑胶基板。
透明电极12做为前电极，其材料例如是透明导电氧化物(transparentconductive oxide，TCO)，比如是铟锡氧化物(indium tin oxide，ITO)、掺氟氧化锡(Fluorine-doped Tin Oxide，FTO)、掺铝氧化锌(Aluminum-doped zincoxide，AZO)、掺镓氧化锌(Gallium-doped Zinc Oxide，GZO)或其组合。透明电极12的形成方法例如是采用化学气相沉积法(CVD)、物理气相沉积法(PVD)或是喷涂法形成于基板10上。
P型层14为具有P型掺质的半导体或P型绝缘层。P型掺质例如是硼。P型掺质的半导体例如是P型非晶硅、P型微晶硅、P型碳化硅或P型氧化硅。P型绝缘层例如是P型氧化硅。在实施例中，P型层14为P型非晶硅，其厚度例如是5～10纳米(nm)。在另一实施例中，P型层14为P型氧化硅，其厚度例如是5～10纳米。P型层14的形成方法例如是在透明电极12形成于基板10上之后，利用化学气相沉积法形成在透明电极12上。P型层14中的P型掺质可以在沉积时临场或称原位(in-situ)进行的，或是在沉积工艺结束之后，再利用离子注入工艺以形成的。
本征层16的材料包括本征半导体、本征掺质半导体，掺质例如是氟。本征层16例如是本征非晶硅、本征微晶硅(intrinsic microcrystalline silicon)、本征非晶硅掺杂氟、或本征微晶硅掺杂氟。在实施例中，本征层16为本征非晶硅，其厚度例如是90～100纳米。在另一实施例中，本征层16为非晶硅掺杂氟，其厚度例如是小于100纳米。本征层16的形成方法例如是在P型层14形成于透明电极12上之后，利用化学气相沉积法形成在P型层14上。
N型堆叠层18是由至少两种具有不同折射率的N型材料层18a与18b相互堆叠而成。N型材料层是指材料层中具有例如是氮、磷或是砷等。换言之，N型堆叠层18是由至少一种低折射率的N型材料层与至少一种高折射率的N型材料层相互堆叠而成。高折射率的N型材料层的折射率与低折射率的N型材料层的折射率的差例如是大于或等于1。在实施例中，低折射率的N型材料层的折射率例如是2～2.5；高折射率的N型材料层的折射率例如是3～4。高折射率的N型材料层的材料包括N型非晶硅(N-a-Si)或N型微晶硅(N-μc-Si)。低折射率的N型材料层的材料包括N型氧化硅(N-SiOx)、氮化硅(SiNx)、N型碳化硅(N-SiCx)。N-SiOx、N-SiNx以及N-SiCx之中的X表示任何可能的比例。在另一实施例中，材料层18a为低折射率的N型材料层；材料层18b为高折射率的N型材料层，其中低折射率的N型材料层18a配置于本征层16与高折射率的N型材料层18b之间；高折射率的N型材料层18b配置于低折射率的N型材料层18a与透明电极22之间。在实施例中，N型堆叠层18是由一层低折射率材料层18a与一层高折射率材料层18b所构成，且高折射率材料层18b为N型非晶硅，且其无光导电度(darkconductivity)大于1×10-4S/cm，厚度例如是200～300埃；低折射率材料层18a为N型氧化硅(N-SiOx)，其无光导电度大于1×10-6S/cm，厚度例如是400～800埃。N型堆叠层18中的材料层18a与18b的形成方法例如是在本征层16形成在P型层14之后，依序利用化学气相沉积工艺以形成的。
透明电极22做为背电极，其与透明电极12的材料可以相同或相异，其材料例如是透明导电氧化物(TCO)，比如是铟锡氧化物(ITO)、掺氟氧化锡(FTO)、掺铝氧化锌(AZO)、掺镓氧化锌(GZO)、掺铝氧化铅或其组合。透明电极22的形成方法例如是在N型堆叠层18形成之后，利用化学气相沉积法、物理气相沉积法或是喷涂法形成于N型堆叠层18上。
当光线30由透明基板10入射，通过本征层16之后，由于N型堆叠层18中的低折射率材料层18a可将光反射回本征层16，利用反射至本征层16的光增益量，让本征层16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。此外，由于两个电极12、22是使用透明的材料，因此具有透光的效果，可作BIPV应用，达到与建筑物结合的目的。
在以上的实施例中是以透明基板/透明电极(前电极)/P型层/本征层(或称为I层)/N型堆叠层/透明电极(背电极)为例来说明本发明的透明基板10/透明电极(前电极)12/第一导电型层14/本征层(或称为I层)16/第二导电型层18(18a/18b)/透明电极(背电极)22所构成的的太阳能电池模块，然而，本发明并不仅限于此，只要是太阳能电池模块中的第二导电型层18是由至少两种具有不同折射率的第二导电型材料层18a、18b相互堆叠而成，均是本发明涵盖的范围。
此外，本发明的第二导电型堆叠层的材料、材料层数与配置方式并不以上所述者为限。第二导电型堆叠层中的至少两种具有不同折射率的第二导电型材料层的材料可选自可将透明型太阳能电池模块的穿透频谱色标(CIE)限制在CIE(x，y)，其中0.45＜x＜0.55，0.4＜y＜0.5所构成的矩形区域内的材料，或是可将透明型太阳能电池模块的穿透频谱的演色性(Ra)调整至大于80的材料，抑或是选自可将该透明型太阳能电池模块的穿透频谱色温(CT)调整至开氏2000度以上的材料。
实例
制作太阳能电池模块，太阳能电池模块的结构依序为玻璃基板/前透明电极/P型结晶硅层/本征微晶硅层/N型堆叠层(N型氧化硅层/N型非晶硅)/背透明电极。前透明电极为平均厚度800纳米的掺铝氧化铅。P型结晶硅层的平均厚度为10纳米。本征微晶硅层的厚度100纳米。N型氧化硅层的平均厚度为673.33埃，无光导电度为1.49×10-5S/cm，折射率为2.3。N型非晶硅的平均厚度为313.33埃，无光导电度为4.86×10-4S/cm，折射率为4。之后，使光线由玻璃基板入射，并测试其特性。其光吸收量子效率与波长的关系如图2曲线100所示。
比较例
以类似于以上实例的方式制作太阳能电池模块并进行测试，但以单层的N型非晶硅代替N型堆叠层。其光吸收量子效率与波长的关系如图2曲线200所示。
由图2的结果显示本发明以N型堆叠层代替单层的N型非晶硅来制作透明型太阳能电池模块，可提升波长500-800纳米(nm)的光吸收量子效率(QE)，使元件的短路电流密度Jsc由5.45毫安培/平方厘米(mA/cm2)提升至6.04mA/cm2，换言之，Jsc可提升10.8％。而且，经计算，本发明以N型堆叠层代替单层的N型非晶硅来制作透明型太阳能电池模块，其穿透频谱的演色性(Ra)由85增加为88.05；穿透频谱色温(CT)由开氏1717度升高至开氏2321度；穿透频谱色标(CIE)由CIE(0.57，0.43)改变为CIE(0.5，0.42)。
综合以上所述，本发明的透明型太阳能电池模块使用N型堆叠层可以调整穿透频谱的色标、演色性与色温，改善穿透光的品质，达到居住空间舒适的效果。此外，还可增加长波长的吸收，并提升元件的短路电流密度Jsc与效率，达到节能效果。此外，本发明的透明型太阳能电池模块可作BIPV应用，达到与建筑物结合的目的。另一方面，本发明的透明型太阳能电池模块的制造方法符合现行的太阳电池工艺技术，且其制作成本低。
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，任何本领域一般技术人员，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，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的为准。

Claims (24)

1.一种透明型太阳能电池模块，包括：
透明基板；
第一透明电极位于该透明基板上；
第一导电型层位于该第一透明电极上；
本征层位于该第一导电型层上；
第二导电型堆叠层位于该本征层上，且该第二导电型堆叠层是由至少两种具有不同折射率的第二导电型材料层相互堆叠而成；以及
第二透明电极位于该第二导电型堆叠层上。
2.如权利要求1所述的透明型太阳能电池模块，其中该第一导电型层为P型层且该第二导电型堆叠层为N型堆叠层。
3.如权利要求2所述的透明型太阳能电池模块，其中该N型堆叠层是由至少一低折射率的N型材料层与至少一高折射率的N型材料层相互堆叠而成，其中该高折射率的N型材料层的折射率与该低折射率的N型材料层的折射率的差大于或等于1。
4.如权利要求3所述的透明型太阳能电池模块，其中该低折射率的N型材料层的折射率为2～2.5，该高折射率的N型材料层的折射率为3～4。
5.如权利要求3所述的透明型太阳能电池模块，其中该高折射率的N型材料层的材料包括N型非晶硅或N型微晶硅，该低折射率的N型材料层的材料包括N型氧化硅、N型氮化硅或N型碳化硅。
6.如权利要求3所述的透明型太阳能电池模块，其中该低折射率的N型材料层配置于该本征层与该高折射率的N型材料层之间，该高折射率的N型材料层配置于该低折射率的N型材料层与第二透明电极之间。
7.如权利要求1所述的透明型太阳能电池模块，其中该至少两种具有不同折射率的第二导电型材料层选自可将该透明型太阳能电池模块的穿透频谱色标限制在CIE(x，y)，0.45＜x＜0.55，0.4＜y＜0.5所构成的矩形区域内的材料。
8.如权利要求1所述的透明型太阳能电池模块，其中该至少两种具有不同折射率的第二导电型材料层的材料选自可将该透明型太阳能电池模块的穿透频谱的演色性调整至大于80的材料。
9.如权利要求1所述的透明型太阳能电池模块，其中该至少两种具有不同折射率的第二导电型材料层的材料选自可将该透明型太阳能电池模块的穿透频谱色温调整至开氏2000度以上的材料。
10.如权利要求1所述的透明型太阳能电池模块，其中该第一导电型层为N型层且该第二导电型堆叠层为P型堆叠层。
11.如权利要求2或10所述的透明型太阳能电池模块，其中该P型层包括P型非晶硅、P型微晶硅、P型碳化硅或P型氧化硅。
12.如权利要求1所述的透明型太阳能电池模块，其中该本征层的材料包括本征非晶硅、本征微晶硅、本征非晶硅掺杂氟、或本征微晶硅掺杂氟。
13.如权利要求1所述的透明型太阳能电池模块，其中该第一透明电极的材料与该第二透明电极的材料包括透明导电氧化物。
14.如权利要求1所述的透明型太阳能电池模块，其中该透明基板为硬式基板或可挠式基板。
15.一种透明型太阳能电池模块的制造方法，包括：
在透明基板上形成第一透明电极；
在该第一透明电极上形成第一导电型层；
在该第一导电型层上形成本征层；
在该本征层上形成第二导电型堆叠层，该第二导电型堆叠层是由至少两种具有不同折射率的第二导电型材料层相互堆叠而成；以及
在该第二导电型堆叠层上形成第二透明电极。
16.如权利要求15所述的透明型太阳能电池模块的制造方法，其中该第一导电型层为P型层且该第二导电型堆叠层为N型堆叠层。
17.如权利要求16所述的透明型太阳能电池模块的制造方法，其中该N型堆叠层是由至少一低折射率的N型材料层与至少一高折射率的N型材料层相互堆叠而成，其中该高折射率的N型材料层的折射率与该低折射率的N型材料层的折射率的差大于或等于1。
18.如权利要求17所述的透明型太阳能电池模块的制造方法，其中该低折射率的N型材料层的折射率为2～2.5，该高折射率的N型材料层的折射率为3～4。
19.如权利要求16所述的透明型太阳能电池模块的制造方法，其中该高折射率的N型材料层的材料包括N型非晶硅或N型微晶硅，该低折射率的N型材料层的材料包括N型氧化硅、N型氮化硅或N型碳化硅。
20.如权利要求16所述的透明型太阳能电池模块的制造方法，其中该N型堆叠层的形成方法包括：
于该本征层上形成该低折射率的N型材料层；以及
于该低折射率的N型材料层上形成该高折射率的N型材料层。
21.如权利要求15所述的透明型太阳能电池模块的制造方法，其中该至少两种具有不同折射率的第二导电型材料层选自可将该透明型太阳能电池模块的穿透频谱色标限制在CIE(x，y)，0.45＜x＜0.55，0.4＜y＜0.5所构成的矩形区域内的材料。
22.如权利要求15所述的透明型太阳能电池模块的制造方法，其中该至少两种具有不同折射率的第二导电型材料层的材料选自可将该透明型太阳能电池模块的穿透频谱的演色性调整至大于80的材料。
23.如权利要求15所述的透明型太阳能电池模块的制造方法，其中该至少两种具有不同折射率的第二导电型材料层的材料选自可将该透明型太阳能电池模块的穿透频谱色温调整至开氏2000度以上的材料。
24.如权利要求15所述的透明型太阳能电池模块的制造方法，其中该第一导电型层为N型层且该第二导电型堆叠层为P型堆叠层。
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