CN101958348B - 侧向太阳能电池装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种侧向太阳能电池装置，包含：基板；波导层；p-n结；隧穿结；以及欧姆接触层，其中波导层形成在p-n结与隧穿结的两侧，且太阳光入射方向与侧向太阳能电池外延生长表面平行。

Description

侧向太阳能电池装置
技术领域
本发明涉及一种侧向太阳能电池装置设计。
背景技术
太阳能电池(Solar Cell)是一种能量转换的光电元件，它是经由太阳光照射后，把光的能量转换成电能。
堆叠型太阳能电池(tandem solar cell)或多结太阳能电池(multi-junctionsolar cell)是将两个或两个以上相同或不同能隙的p-n结元件堆叠起来，形成堆叠型太阳能电池。设计上将能够吸收较高能量光谱的p-n结元件置于上层，吸收较低能量光谱的p-n结元件置于下层，将光子的能量层层吸收后可以增加所接受的太阳光，降低传递损失，提升效率。
在典型的太阳能电池装置中，太阳光的接收方向与外延层生长表面垂直，因此最上层须设置透明入光面。此外，每个p-n结元件的厚度会限制所吸收的太阳光使其无法完全转换为电能。
发明内容
本发明乃针对已知技术的缺点，提出一种侧向太阳能电池装置设计，以达到更好的太阳能电池转换效率。
本发明为一种侧向太阳能电池装置，包含：基板、第一波导层形成在该基板之上、p-n结形成在该第一波导层之上、隧穿结形成在该p-n结之上、第二波导层形成在该隧穿结之上；以及欧姆接触层形成在该第二波导层之上，其中p-n结位于外延生长表面与基板之间，且光线入射方向与外延生长表面大致平行。
附图说明
根据以上所述的优选实施例，并配合附图说明，当能对本发明的目的、特征和优点有更深入的理解。但值得注意的是，为了清楚描述起见，本说明书所附的附图并未按照比例尺加以绘示。
附图简单说明如下：
图1为显示依照本发明实施例的侧向太阳能电池装置剖面图；
图2为显示依照本发明实施例的堆叠型侧向太阳能电池装置剖面图。
附图标记说明
101～基板                  102～波导层
103～p-n结                 104～隧穿结
105～欧姆接触层            10A～第一侧向太阳能电池
10B～第二侧向太阳能电池    10C～第三侧向太阳能电池
20A～第一间隔层            20B～第二间隔层
具体实施方式
以下配合附图说明本发明的实施例。
图1为显示依照本发明实施例的侧向太阳能电池装置剖面图：图1显示侧向太阳能电池装置10，至少包括基板101、波导层(waveguide layer)102、p-n结103、隧穿结(tunnel junction)104及欧姆接触层(cap layer)105。其中p-n结103可作为光吸收层，在受到太阳光的照射时，会产生大量的自由电子，此电子的移动又产生了电流，而在p-n结103处产生电位差。隧穿结104则用来将两组p-n结103串接在一起以吸收更多的太阳光，具有降低电阻、防止电流丛聚效应(current crowding)以及接合各个独立元件的功能，进而提升转换效率。其中波导层102形成在p-n结103及/或隧穿结104的两侧，通过波导层102的折射率小于p-n结103或隧穿结104的特性，可增加入射太阳光被p-n结吸收，尤其在太阳光斜射时，能将太阳光折射进p-n结103。在本实施例中，位于p-n结103及隧穿结104两侧的波导层102、p-n结103及隧穿结104，可依序重复堆叠，以达到良好的吸收效率。
在本实施例中，如图1所示，太阳光由上方射入，即太阳光入射方向与外延生长表面平行(箭头所示方向)。在优选实施例中，也可在此侧向太阳能电池装置上方，再设置聚光装置，如透镜，以增加太阳光的吸收效率。
在本实施例中，其中每一p-n结103可为单一能隙(bandgap)的p-n结，其中每一p-n结的厚度为w，宽度为h，亦为电子扩散的距离。在本实施例中，由于入射光和外延生长表面平行(如图示)，因此本侧面太阳能电池的每一p-n结103不须生长得太厚，即可提供电子所需的扩散距离，而可有效吸收入射光。
在本实施例中，若每一p-n结103厚度w约为1μm，则重复堆叠100层p-n结103，总厚度可达约100μm，并将的切割成100μm×100μm×10μm的管芯，则侧面入射光的面积为100μm×100μm。当入射光为10000suns时，若上述聚光装置的面积约为1cm2，理论上每层可产生30mA/100层＝0.3mA/层的光电流，其电流密度在电极方向为0.3mA/(100μm×10μm)＝30A/cm2。
在本发明中，基板101的材料可选自硅(Si)、锗(Ge)、硅锗(Si-Ge)、砷化镓(GaAs)或磷化铟(InP)。波导层102、p-n结103与隧穿结104的材料可选自包含一种或多种选自镓(Ga)、铝(Al)、铟(In)、砷(As)以及磷(P)所构成群组的物质，例如可为砷化铝铟镓(AlxGa1-x)yIn1-yAs或磷化铝铟镓(AlxGa1-x)yIn1-yP，且其中波导层102的折射率小于p-n结103或隧穿结104。欧姆接触层105的材料可选自包含一种或多种选自镓(Ga)、铝(Al)、铟(In)、砷(As)以及磷(P)所构成群组的物质，例如可为砷化铟镓InxGa1-xAs或磷化铟镓GaxIn1-xP。
图2为显示依照本发明实施例的堆叠型侧向太阳能电池装置剖面图：其中可包含第一侧向太阳能电池10A、第二侧向太阳能电池10B、第三侧向太阳能电池10C，并分别以第一间隔层20A与第二间隔层20B作为分隔，形成堆叠型侧向太阳能电池装置。其中第一侧向太阳能电池10A、第二侧向太阳能电池10B及第三侧向太阳能电池10C依照本发明的第一实施例的装置设计，分别至少包含基板、波导层、p-n结、隧穿结及欧姆接触层。可依不同需求将位于p-n结及隧穿结两侧的波导层、p-n结及隧穿结，依序重复堆叠，以达到良好的吸收效率。
在本实施例中，第一侧向太阳能电池10A的每一p-n结可采用单一能隙的p-n结；第二侧向太阳能电池10B的每一p-n结可采用单一能隙的p-n结；第三侧向太阳能电池10C的每一p-n结可采用单一能隙的p-n结。在优选实施例中，第一侧向太阳能电池10A的p-n结的能隙大于第二侧向太阳能电池10B的p-n结能隙，而第二侧向太阳能电池10B的p-n结的能隙又大于第三侧向太阳能电池10C的p-n结能隙。在不同实施例中，也可增加侧向太阳能电池数量，惟由上至下设置的侧向太阳能电池的能隙也应选择为由大至小。
在本实施例中，如图2所示，太阳光由上方射入，即太阳光入射方向与外延生长表面呈平行。在优选实施例中，也可在此侧向太阳能电池装置上方，再设置聚光装置，如透镜，以增加太阳光的吸收效率。
在本实施例中，第一侧向太阳能电池10A、第二侧向太阳能电池10B、第三侧向太阳能电池10C的基板的材料可选自硅(Si)、锗(Ge)、硅锗(Si-Ge)、砷化镓(GaAs)或磷化铟(InP)。波导层、p-n结与隧穿结的材料可选自包含一种或多种选自镓(Ga)、铝(Al)、铟(In)、砷(As)以及磷(P)所构成群组的物质，例如可为砷化铝铟镓(AlxGa1-x)yIn1-yAs或磷化铝铟镓(AlxGa1-x)yIn1-yP，且其中波导层的折射率小于p-n结或隧穿结。欧姆接触层的材料可选自包含一种或多种选自镓(Ga)、铝(Al)、铟(In)、砷(As)以及磷(P)所构成群组的物质，例如可为砷化铟镓InxGa1-xAs或磷化铟镓GaxIn1-xP。第一间隔层20A与第二间隔层20B可为透明不导电层，其材料可选自SiO2、Si3N4、Al2O3。
以上各附图与说明虽仅分别对应特定实施例，然而，各个实施例中所说明或披露的元件、实施方式、设计准则及技术原理除在彼此显相冲突、矛盾或难以共同实施之外，本领域技术人员当可依其所需任意参照、交换、搭配、协调、或合并。
虽然本发明已说明如上，然其并非用以限制本发明的范围、实施顺序、或使用的材料与工艺方法。对于本发明所作的各种修饰与变更，皆不脱本发明的精神与范围。

Claims (14)

1.一种外延生长的侧向太阳能电池装置，具有外延生长表面，包含：
基板；
第一波导层形成在该基板之上；
p-n结形成在该第一波导层之上；
隧穿结形成在该p-n结之上；
第二波导层形成在该隧穿结之上；以及
欧姆接触层形成在该第二波导层之上，其中该p-n结位于该外延生长表面与该基板之间，且光线入射方向与该外延生长表面平行。
2.如权利要求1所述的侧向太阳能电池装置，还包含第三波导层形成在该p-n结与该隧穿结之间。
3.如权利要求2所述的侧向太阳能电池装置，其中该第一波导层、第二波导层及第三波导层的折射率小于该p-n结或该隧穿结的折射率。
4.如权利要求2所述的侧向太阳能电池装置，其中该第一波导层、该第二波导层、该第三波导层、该隧穿结、该p-n结及欧姆接触层的材料选自包含一种或多种选自镓、铝、铟、砷以及磷所构成群组的物质。
5.如权利要求2所述的侧向太阳能电池装置，其中该第一波导层、该p-n结、该第三波导层、该隧穿结及该第二波导层依序重复堆叠，其中相邻的第一波导层和第二波导层为同一层，且重复堆叠所形成的多个p-n结的能隙相同。
6.一种外延生长的堆叠型侧向太阳能电池装置，包含：
第一侧向太阳能电池，其中该第一侧向太阳能电池具有外延生长表面，且具有与该外延生长表面垂直的第一表面与第二表面；
第二侧向太阳能电池，该第二侧向太阳能电池具有外延生长表面，且具有与该外延生长表面垂直的第一表面与第二表面；以及
第一间隔层形成在该第一侧向太阳能电池与该第二侧向太阳能电池之间，且接触该第一侧向太阳能电池的第二表面与该第二侧向太阳能电池的第一表面；其中光线入射方向与该第一侧向太阳能电池与该第二侧向太阳能电池的外延生长表面平行，且光线先照射入该第一侧向太阳能电池的第一表面，
其中该第一侧向太阳能电池及该第二侧向太阳能电池二者至少其一包含：
基板；
第一波导层，形成在该基板之上；
p-n结，形成在该第一波导层之上；
隧穿结，形成在该p-n结之上；
第二波导层，形成在该隧穿结之上；以及
欧姆接触层，形成在该第二波导层之上，其中该p-n结位于该外延生长表面与该基板之间，且光线入射方向与该外延生长表面平行。
7.如权利要求6所述的堆叠型侧向太阳能电池装置，该第一侧向太阳能电池及该第二侧向太阳能电池二者至少其一还包含第三波导层形成在该p-n结与该隧穿结之间。
8.如权利要求6所述的堆叠型侧向太阳能电池装置，其中该第一间隔层为透明不导电层，且材料选自SiO2、Si3N4或Al2O3。
9.如权利要求7所述的堆叠型侧向太阳能电池装置，其中该第一侧向太阳能电池或该第二侧向太阳能电池的该第一波导层、该第二波导层、该第三波导层、该隧穿结、该p-n结及该欧姆接触层的材料选自包含一种或多种选自镓、铝、铟、砷以及磷所构成群组的物质，且其中该第一波导层、第二波导层及第三波导层的折射率小于该p-n结或该隧穿结的折射率。
10.如权利要求7所述的堆叠型侧向太阳能电池装置，其中该第一侧向太阳能电池或该第二侧向太阳能电池的第一波导层、该p-n结、该第三波导层、该隧穿结及该第二波导层依序重复堆叠，其中相邻的第一波导层和第二波导层为同一层，该第一侧向太阳能电池的重复堆叠所形成的多个p-n结的能隙相同，该第二侧向太阳能电池的重复堆叠所形成的多个p-n结的能隙相同，且该第一侧向太阳能电池的p-n结的能隙大于该第二侧向太阳能电池。
11.如权利要求7所述的堆叠型侧向太阳能电池装置，还进一步包含第三侧向太阳能电池，其中该第三侧向太阳能电池具有外延生长表面，且具有与该外延生长表面垂直的第一表面与第二表面；以及
第二间隔层形成在该第二侧向太阳能电池与该第三侧向太阳能电池之间，且接触该第二侧向太阳能电池的第二表面与该第三侧向太阳能电池的第一表面；其中光线入射方向与该第二侧向太阳能电池与该第三侧向太阳能电池的外延生长表面平行，且光线先照射入该第二侧向太阳能电池的第一表面。
12.如权利要求11所述的堆叠型侧向太阳能电池装置，其中该第三侧向太阳能电池包含：
基板；
第一波导层形成在该基板之上；
p-n结形成在该第一波导层之上；
隧穿结形成在该p-n结之上；
第二波导层形成在该隧穿结之上；以及
欧姆接触层形成在该第二波导层之上，其中该p-n结位于该外延生长表面与该基板之间，且光线入射方向与该外延生长表面平行。
13.如权利要求12所述的堆叠型侧向太阳能电池装置，该第三侧向太阳能电池还包含第三波导层形成在该p-n结与该隧穿结之间。
14.如权利要求13所述的堆叠型侧向太阳能电池装置，其中该第一侧向太阳能电池、该第二侧向太阳能电池或该第三侧向太阳能电池的第一波导层、该p-n结、该第三波导层、该隧穿结及该第二波导层依序重复堆叠，其中相邻的第一波导层和第二波导层为同一层，该第一侧向太阳能电池的重复堆叠所形成的多个p-n结的能隙相同，该第二侧向太阳能电池的重复堆叠所形成的多个p-n结的能隙相同，该第三侧向太阳能电池的重复堆叠所形成的多个p-n结的能隙相同，且其中该第一侧向太阳能电池的p-n结的能隙大于该第二侧向太阳能电池且该第二侧向太阳能电池的p-n结的能隙又大于该第三侧向太阳能电池的p-n结能隙。
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