CN102280587A - 堆叠式太阳能电池模块 - Google Patents
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Abstract
一种堆叠式太阳能电池模块，其包括基板、位于基板上之第一电极层、第一载子传输层、位于第一载子传输层上的第一吸光层、位于第一吸光层上的连接层、位于连接层上的第二载子传输层、位于第二载子传输层上的第二吸光层以及位于第二吸光层上的第二电极层。特别是，连接层的反射率为10％～60％之间。另外，第二载子传输层具有第一折射率n1以及第一厚度D1，第二吸光层具有第二折射率n2以及第二厚度D2，且第二载子传输层与第二吸光层满足Φ1+Φ2-2π(n1D1+n2D2)/λ＝2mπ。Φ1表示第二电极层与第二吸光层之间的反射相差，Φ2表示连接层与第二载子传输层之间的反射相位差，λ表示第一吸光层的吸收波长，且m表示0或整数。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池模块，特别是一种堆叠式有机太阳能电池(organic photovoltaic cell，OPV)模块。
背景技术
近年来环保意识高涨，为了适应石化能源的短缺与减低使用石化能源对环境带来的冲击，替代能源与再生能源的研发便成了热门的议题，其中又以太阳能电池photovoltaic cells)最受瞩目。太阳能电池可将太阳能直接转换成电能，且发电过程中不会产生二氧化碳或氮化物等有害物质，不会对环境造成污染。
一般而言，传统太阳能电池是于基板上形成第一电极层、主动层以及第二电极层。当光束照射至太阳能电池时，主动层受光能的作用可产生自由电子-电洞对，并通过两电极层之间电场使电子与电洞会分别往两电极层移动，而产生电能的储存形态。此时若外加负载电路或电子装置，便可提供电能而使电路或装置进行驱动。
然而，目前太阳能电池最大的问题就是其光吸收率或是电能输出功率有限。因此，如何提高太阳能电池的光吸收率以及输出功率已经在积极的发展之中。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种堆叠式太阳能电池模块，其可提高太阳能电池的光吸收率以及输出功率，进而提高太阳能电池模块整体效能。
为了实现上述目的，本发明提供了一种堆叠式太阳能电池模块，其包括基板、位于基板上的第一电极层、位于第一电极层上的第一吸光层、位于第一吸光层上的连接层、位于连接层上的第二载子传输层、位于第二载子传输层上的第二吸光层以及位于第二吸光层上的第二电极层。特别是，连接层的反射率为10％～60％之间。另外，第二载子传输层具有第一折射率n1以及第一厚度D1，第二吸光层具有第二折射率n2以及第二厚度D2，且第二载子传输层与第二吸光层满足Φ1+Φ2-2π(n1D1+n2D2)/λ＝2mπ。Φ1表示第二电极层与第二吸光层之间的反射相差，Φ2表示连接层与第二载子传输层之间的反射相位差，λ表示第一吸光层的吸收波长，且m表示0或整数。
本发明的技术效果在于：本发明的堆叠式太阳能电池模块中，因连接层的反射率为10％～60％，且第二载子传输层与第二吸光层满足Φ1+Φ2-2π(n1D1+n2D2)/λ＝2mπ，Φ1表示第二电极层与第二吸光层之间的反射相差，Φ2表示连接层与第二载子传输层之间的反射相位差，λ表示第一吸光层的吸收波长，且m表示0或整数。因而能在第二电极层以及连接层之间形成光学共振腔，以提高第二吸光层的光吸收率。如此一来，可以使得外界光线在射入此太阳能电池模块之后能于第一吸光层以及第二吸光层中具有均匀的光吸收率，使得堆叠式太阳能电池模块的总输出电流以及总输出功率提高。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1是根据本发明一实施例的堆叠式太阳能电池模块的剖面示意图；
图2为根据本发明另一实施例的堆叠式太阳能电池模块的剖面示意图；
图3是依照本发明一实施例的堆叠式太阳能电池模块的光吸收波段的曲线图；
图4是比较例的太阳能电池模块的光吸收率与光吸收波段的曲线图；
图5是比较例的太阳能电池模块的电压与电流的关系曲线图；
图6是本发明的实例的堆叠式太阳能电池模块的光吸收率与光吸收波段的曲线图；
图7是本发明的实例的堆叠式太阳能电池模块的电压与电流的关系曲线图。
其中，附图标记
100基板
100a表面
102第一电极层
104第一载子传输层
106第一吸光层
108连接层
110第二载子传输层
112第二吸光层
114第二电极层
114a表面
120输出单元
120a，120b电极端
L1～L4光线
l1、l2共振光线
X，Y，A，B，C，D，A1，B1，，C1，D1，T1，T2曲线
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
图1是根据本发明一实施例的堆叠式太阳能电池模块的剖面示意图。请参照图1，本实施例的堆叠式太阳能电池模块包括基板100、第一电极层102、第一吸光层106、连接层108、第二载子传输层110、第二吸光层112以及第二电极层114。根据本发明的一实施例，堆叠式太阳能电池模块较佳的是还包括第一载子传输层104。
基板100可为硬质基板(例如是玻璃基材)或是软性基板(例如是有机聚合物基材)，较佳的是采用软性基板。倘若基板100是采用软性基板，则本实施例的堆叠式太阳能电池模块10可以采用连续滚轮制造程序(roll to roll)来制造。
第一电极层102位于基板100上。根据本实施例，第一电极层110包括透明电极材料，其例如是铟锡氧化物、铟锌氧化物、铝锡氧化物、铝锌氧化物、铟锗锌氧化物或其它合适的金属氧化物。
第一载子传输层104位于第一电极层102上。第一载子传输层104主要是用来帮助第一吸光层106所产生的载子传输至第一电极层102。第一载子传输层104也可进一步用来使第一电极层102相对于第一吸光层106具有适当的功函数。根据一实施例，载子传输层104的材质例如是包括碳酸铯(Cs2CO3)、聚(3，4-伸乙二氧基塞吩):聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)、氧化锌(ZnO)或是其它的载子传输材料。第一载子传输层104的厚度例如介于20到100nm之间。
第一吸光层106位于第一载子传输层104上。第一吸光层106吸收第一波长范围的光线。根据本实施例，第一吸光层106为有机吸光材料，且主要是吸收可见光波段的光线(例如是300～700nm的光)或是吸收红外光波段的光线(例如是吸收600～1100nm的光)。第一吸光层106的厚度例如介于60到100nm之间。
在此，倘若第一吸光层106是吸收可见光波段的光线(例如是300～700nm的光)，那么其材质可包括聚(3-己基噻吩):[6，6]苯基-C61-酪酸甲基酯(poly(3-hexylthiophene):[6，6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester(P3HT:[60]PCBM))、聚[2-甲烷基-5-(30，70-二甲基壬氧)-1，4-伸苯基伸乙烯基]:[6，6]苯基-C61-酪酸甲基酯(poly[2-methoxy-5-(30，70-dimethyloctyloxy)-1，4-phenylenevinylene]:[6，6]-phenyl-C61-butyricacidmethyl ester(MDMO-PPV:[60]PCBM))或是其它合适的材料。
倘若第一吸光层106是吸收红外光波段的光线(例如是吸收600～11OOnm的光)，那么其材质可包括聚[2，6-(4，4-双-(2-乙基己基)-4H-)]双噻吩[2，1-b；3，4-b’]环戊烷-alt-4，7-(2，1，3-苯并噻二唑):[6，6]苯基-C71-酪酸甲基酯(poly[2，6-(4，4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2，1-b；3，4-b’]dithiophene)-alt-4，7-(2，1，3-benzothiadiazole)]:[6，6]-phenyl-C71 butyricacid methyl ester(PCPDTBT:[70]PCBM))、聚[4，8-双-取代-苯[1，2-b:4，5-b’]二噻吩]-2，6--diyl-alt-4-取代-thieno[3，4-b]thio-phene-2，6-diyl]:[6，6]苯基-C71-酪酸甲基酯(poly[4，8-bis-substituted-benzo[1，2-b:4，5-b’]dithiophene-2，6-diyl-alt-4-substituted-thieno[3，4-b]thio-phene-2，6-diyl]:[6，6]-phenyl-C71butyric acid methyl ester(PBDTTT:[70]PCBM))或是其它合适的材料。
连接层108位于第一吸光层106上。根据本实施例，连接层108的反射率为10％～60％之间。为了使连接层108能够电性连接上、下两膜层，连接层108的材质较佳的选用金属材料。另外，为了使连接层108具有10％～60％的反射率，连接层108的厚度不能太厚，较佳的是约5～25nm之间。举例来说，若连接层108的材质是选用银，那么其厚度可调整成10～15nm左右。若连接层108的材质是选用铝，那么其厚度可调整成5～10nm。
第二载子传输层110位于连接层108上。第二载子传输层110主要是用来帮助太阳能电池所产生的载子传输到电极层。类似地，第二载子传输层110也可进一步用来使连接层108相对于第二吸光层112具有适当的功函数。根据一实施例，第二载子传输层110的材质例如是包括碳酸铯(Cs2CO3)、聚(3，4-伸乙二氧基塞吩:聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)、氧化钼(MoO3)或是其它合适的材料。
第二吸光层112位于第二载子传输层110上。第二吸光层112吸收第二波长范围的光线。根据本实施例，第二吸光层112为有机吸光材料，且主要是吸收红外光波段的光线(例如是吸收600～1100nm的光)或是吸收可见光波段的光线(例如是300～700nm的光)。倘若第二吸光层112是吸收可见光波段的光线(例如是300～700nm的光)，那么其材质可包括P3HT:[60]PCBM、MDMO-PPV:[60]PCBM或是其它合适的材料。倘若第二吸光层112是吸收红外光波段的光线(例如是吸收600～1100nm的光)，那么其材质可包括PCPDTBT:[70]PCBM、PBDTTT:[70]PCBM或是其它合适的材料。
值得一提的是，本实施例的第二吸光层112与第一吸光层106是吸收不同的波长范围的光线。如图3所示，纵轴表示入射光子转换电子效率(IPCE(％))，且横轴表示波长。若第一吸光层106是吸收可见光波段的光线(如曲线X)，那么第二吸光层112是吸收红外光波段的光线(如曲线Y)。相反地，若第一吸光层106是吸收红外光波段的光线(如曲线Y)，那么第二吸光层112是吸收可见光波段的光线(如曲线X)。
第二电极层114位于第二吸光层112上。第二电极层114包括反射电极材料，较佳的是具有高导电性以及高反射性的金属材料，例如是铝、银或是其合金。
特别是，在本实施例中，第二载子传输层110具有第一折射率n1以及第一厚度D1，第二吸光层112具有第二折射率n2以及第二厚度D2，且第二载子传输层110与第二吸光层112满足：
Φ1+Φ2-2π(n1D1+n2D2)/λ＝2mπ
Φ1：第二电极层114与第二吸光层112之间的反射相位差
Φ2：连接层108与第二载子传输层110之间的反射相位差
λ：第一吸光层106的吸收波长
m：0或整数
承上所述，在上述堆叠式太阳能电池模块中，基板100的表面100a是作为堆叠式太阳能电池模块的光入射面，且第二电极层114的表面114a是作为堆叠式太阳能电池模块的光反射面。因此，当外界光线L1从光入射面100a射入堆叠式太阳能电池模块之后，于通过第一吸光层106时会被吸收第一波长范围的光线。光线L1到达连接层108之后，因连接层108具有10～60％的反射率，因此有一部分的光线L2会被反射，被反射的光线L2的第一波长范围的光线可再次通过第一吸光层106而被吸收。而另一部分的光线L3则是通过连接层108而进入第二吸光层112，使得光线L3的第二波长范围的光线被第二吸光层112吸收。另外，光线L3会被第二电极层114反射，使得反射的光线L4可再次通过第二吸光层112，而使光线L4的第二波长范围的光线被第二吸光层112再次被吸收。
值得一提的是，因本实施例的第二载子传输层110与第二吸光层112满足Φ1+Φ2-2π(n1D1+n2D2)/λ＝2mπ，Φ1表示第二电极层114与第二吸光层112之间的反射相差，Φ2表示连接层108与第二载子传输层110之间的反射相位差，λ表示第一吸光层106的吸收波长，且m表示0或整数，因此在第二电极层114以及连接层108之间可形成光学共振腔结构。换言之，当反射光线L4通过第二吸光层112而再度到达连接层108时，会再一次被连接层108反射回去，因而光线可在第二电极层114以及连接层108之间重复反射(如光线11以及l2所示)并且重复被第二吸光层112吸收。由于光线可于第二电极层114以及连接层108之间重复反射以及重复被第二吸光层112吸收，因此可以提高第二吸光层112对于第二波段范围的吸光量，进而使第一吸光层106以及第二吸光层112的吸光量尽可能的一致或是均匀。
根据本实施例，所述堆叠式太阳能电池模块还包括输出单元120，其具有第一电极端120a以及第二电极端120b，第一电极端120a以及第二电极端120b分别电性连接第一电极层102以及第二电极层114。在此，第二载子传输层110与连接层108是浮置状态。因此，由第一电极层102、第一吸光层106以及连接层108/第二载子传输层110所构成的第一太阳能电池单元与由连接层108/第二载子传输层110、第二吸光层112以及第二电极层114所构成的第二太阳能电池单元是串联在一起的。换言之，由上述第一吸光层106与第二吸光层112吸光之后所产生的载子，可透过第一电极层102以及第二电极层114而输出至输出单元120，以使所产生的电能呈储存形态。所述输出单元120可与其它电路或电子装置连接，如此便可提供电能而使所述电路或电子装置进行驱动。
在图1的实施例中，第二载子传输层110与连接层108是浮置状态。然，本发明不限于此，根据另一实施例，如图2所示，第一电极层102与第二载子传输层110是电性连接到输出装置120的第一电极端120a(例如是正电极端)，且第二电极层114与连接层108是电性连接到输出装置120的第二电极端120b(例如是负电极端)。换言之，在图2的实施例中，第一太阳能电池单元是由第一电极层102、第一吸光层106以及连接层108所构成，且第二太阳能电池单元是由第二载子传输层110、第二吸光层112以及第二电极层114所构成，且第一太阳能电池单元与第二太阳能电池单元是串联在一起。
实例与比较例
为了说明本发明的堆叠式太阳能电池模块相较于传统太阳能电池模块具有较佳的输出电流与输出功率，以下以一个实例以及一个比较例来说明。
此实例的堆叠式太阳能电池模块的结构如图1所示，其中第一电极层102是采用铟锡氧化物，第一载子传输层104是采用厚度30nm的PEDOT:PSS，第一吸光层106是采用厚度70nm且吸收300～700nm波段的P3HT:[60]PCBM吸光材料，连接层108是采用15nm的银，第二载子传输层110是采用厚度30nm的PEDOT:PSS载子传输材料，第二吸光层112是采用厚度80nm且吸收600～1100nm波段的PCPDTBT:[70]PCBM吸光材料。特别是，在此实例中，第二载子传输层110与第二吸光层112满足Φ1+Φ2-2π(n1D1+n2D2)/λ＝2mπ，Φ1表示第二吸光层112与第二电极层114的反射相位差，Φ2表示第二载子传输层110与连接层108的反射相位差，λ表示第一吸光层106的吸收波长，且m表示0或整数。
比较例的太阳能电池模块的结构与上述实例的结构相似，不同之处在于连接层的反射率并无特别设计，且第二载子传输层与第二吸光层的厚度与折射率也没有满足Φ1+Φ2-2π(n1D1+n2D2)/λ＝2mπ。
图4是比较例的太阳能电池模块的光吸收率与光吸收波段的曲线图。图5是比较例的太阳能电池模块的电压与电流的关系曲线图。请参照图4，曲线A表示比较例的第二吸光层的光吸收率与光吸收波段的曲线，且曲线B表示比较例的第一吸光层的光吸收率与光吸收波段的曲线。由图4可知，比较例的第二吸光层(A曲线)的吸光量明显小于第一吸光层(B曲线)的吸光量。这主要是因为，比较例的第二电极层与连接层之间没有光学共振腔结构，而使得第二吸光层的吸光量明显偏低。由于比较例的第二吸光层(A曲线)的吸光量明显小于第一吸光层(B曲线)的吸光量，因此比较例的太阳能电池模块中的第二太阳能电池单元(具有第二吸光层)的输出电流会明显小于第一太阳能电池单元(具有第一吸光层)的输出电流。
此外，因为比较例的太阳能电池模块是将两个太阳能电池单元串联在一起，因此太阳能电池模块的总输出电流会受到最小吸光量的太阳能电池单元的限制。如图5所示，A1表示比较例的太阳能电池模块的第二太阳能电池单元(具有第二吸光层)的电压与电流关系曲线，B1表示比较例的太阳能电池模块的第一太阳能电池单元(具有第一吸光层)的电压与电流关系曲线，T1表示比较例的太阳能电池模块的整体电压与电流关系曲线。在此太阳能电池模块中，总输出电流(曲线T1的电流值)会受限于第二太阳能电池单元(具有第二吸光层)的输出电流(曲线A1的电流值)。因此，此太阳能电池模块的总输出功率(曲线T1的IV面积)无法有效提高。
图6是本发明的实例的堆叠式太阳能电池模块的光吸收率与光吸收波段的曲线图。图7是本发明的实例的堆叠式太阳能电池模块的电压与电流的关系曲线图。请参照图6，曲线C表示此实例的第二吸光层的光吸收率与光吸收波段的曲线，且曲线D表示此实例的第一吸光层的光吸收率与光吸收波段的曲线。由图6可知，此实例的第二吸光层(C曲线)的吸光量相较于比较例的第二吸光层(A曲线)的吸光量高。这主要是因为本实例的第二电极层与连接层之间具有光学共振腔结构，而使得第二吸光层的吸光量明显提升。由于本实例的第二吸光层(C曲线)的吸光量明显的提高，因而可使第二吸光层(C曲线)的吸光量与第一吸光层(D曲线)的吸光量相当。
如同以上所述，由于此实例的太阳能电池模块是将两个太阳能电池单元串联在一起，因此太阳能电池模块的总输出电流会受到最小吸光量的太阳能电池单元的限制。而在本实例中，因第二吸光层(C曲线)的吸光量与第一吸光层(D曲线)的吸光量相当，也就是本实例的两个太阳能电池单元的输出电流相当，且所述输出电流高于比较例的最小吸光量的太阳能电池单元的输出电流。
如图7所示，A1表示比较例的第二太阳能电池单元(具有第二吸光层)的电压与电流关系曲线，B1表示比较例的第一太阳能电池单元(具有第一吸光层)的电压与电流关系曲线，T1表示比较例的太阳能电池模块的整体电压与电流关系曲线，C1，D1表示本实例的两太阳能电池单元的电压与电流关系曲线，T2表示本实例的太阳能电池模块的整体电压与电流关系曲线。由图7可知，本实例的两个第二太阳能电池单元的输出电流(曲线C1，D1的电流值)相当且高于比较例的第二太阳能电池单元(具有第二吸光层)的输出电流(曲线A1的电流值)。因此，本实例的太阳能电池模块的总输出电流(曲线T2的电流值)高于比较例的太阳能电池模块的总输出电流(曲线T1的电流值)。因而，本发明的实例的太阳能电池模块的总输出功率(曲线T2的IV面积)高于比较例的太阳能电池模块的总输出功率(曲线T1的IV面积)。
综上所述，本发明的堆叠式太阳能电池模块中，因连接层的反射率为10％～60％之间，且第二载子传输层与第二吸光层满足Φ1+Φ2-2π(n1D1+n2D2)/λ＝2mπ，Φ1表示第二电极层与第二吸光层之间的反射相差，Φ2表示连接层与第二载子传输层之间的反射相位差，λ表示第一吸光层的吸收波长，且m表示0或整数。因而于第二电极层以及连接层之间形成光学共振腔，以提高第二吸光层的光吸收率。如此一来，可以使得外界光线在射入此太阳能电池模块之后能于第一吸光层以及第二吸光层中具有均匀的光吸收率，使得堆叠式太阳能电池模块的总输出电流以及总输出功率提高。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (12)
1.一种堆叠式太阳能电池模块，其特征在于，包括：
一基板；
一第一电极层，位于该基板上；
一第一吸光层，位于该第一电极层上；
一连接层，位于该第一吸光层上，其中该连接层的反射率为10％～60％之间；
一第二载子传输层，位于该连接层上；
一第二吸光层，位于该第二载子传输层上；以及
一第二电极层，位于该第二吸光层上，
其中该第二载子传输层具有一第一折射率n1以及一第一厚度D1，该第二吸光层具有一第二折射率n2以及一第二厚度D2，且该第二载子传输层与该第二吸光层满足：
Φ1+Φ2-2π(n1D1+n2D2)/λ＝2mπ
Φ1表示该第二电极层与该第二吸光层之间的反射相差，
Φ2表示该连接层与该第二载子传输层之间的反射相位差，
λ表示该第一吸光层的吸收波长，且
m表示0或整数。
2.如权利要求1所述的堆叠式太阳能电池模块，其特征在于，该连接层包括金属材料。
3.如权利要求1所述的堆叠式太阳能电池模块，其特征在于，该连接层的厚度为5～25nm。
4.如权利要求1所述的堆叠式太阳能电池模块，其特征在于，该第一吸光层以及该第二吸光层分别为一有机吸光材料。
5.如权利要求1所述的堆叠式太阳能电池模块，其特征在于，该第一吸光层以及该第二吸光层其中之一是吸收300～700nm的光，且另一是吸收600～1100nm的光。
6.如权利要求1所述的堆叠式太阳能电池模块，其特征在于，还包括一第一载子传输层，位于该基板与该第一吸光层之间。
7.如权利要求1所述的堆叠式太阳能电池模块，其特征在于，该第一电极层包括一透明电极材料。
8.如权利要求1所述的堆叠式太阳能电池模块，其特征在于，该第二电极层包括一反射电极材料。
9.如权利要求1所述的堆叠式太阳能电池模块，其特征在于，还包括一输出单元，其具有一第一电极端以及一第二电极端，以分别电性连接该第一电极层以及该第二电极层。
10.如权利要求9所述的堆叠式太阳能电池模块，其特征在于，该第一电极层与该载子传输层是电性连接到该输出装置的该第一电极端，且该第二电极层与该连接层是电性连接到该输出装置的该第二电极端。
11.如权利要求9所述的堆叠式太阳能电池模块，其特征在于，该第二载子传输层与该连接层是浮置状态。
12.如权利要求1所述的堆叠式太阳能电池模块，其特征在于，该基板为一软性基板。
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