CN102479827A - 增强型的红外光随温度自动切换的智能型薄膜太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本发明是有关一种增强型的红外光随温度自动切换的智能型薄膜太阳能电池，包括透光基板、上电极层、光伏层、下电极层、温度导向光学层以及超薄导电层；上电极层配置于透光基板上；光伏层配置于上电极层上；下电极层配置于光伏层上；温度导向光学层配置于光伏层与下电极层之间，其对红外光的透光度随温度而改变，当温度导向光学层的温度提升至特定范围时，温度导向光学层对红外光的透光度会降低；超薄导电层配置于下电极层上并反射通过温度导向光学层的红外光。

Description

增强型的红外光随温度自动切换的智能型薄膜太阳能电池

技术领域

本发明涉及太阳能电池，且特别是有关于一种依据目前的温度来调整红外光波段的太阳光的透光度的薄膜太阳能电池，并依据设计需求调整红外光通过薄膜太阳能电池的比例。

背景技术

随着环保意识抬头，节能减碳的概念逐渐受众人所重视，再生能源的开发与利用成为世界各国积极投入发展的重点。再生能源当中，由于太阳光随处可得，且不像其他能源(如：石化能源、核能)一般会对地球产生污染，因此太阳能与可将太阳光转换成电能的太阳能电池是目前看好的明星产业。

太阳能电池若可具有大面积的照光面积，便可产生相对大量且可供使用的电能。因此有许多厂商希冀将“绿能建筑”的概念融入太阳能电池中，即在建筑物曝晒太阳最多之处铺设太阳能电池，藉以利用太阳能电池所产生的电能来弥补建筑物内所耗费的电能。

目前，太阳能电池的关键问题在于其光电转换效率的提升，而能够提升太阳能电池的光电转换效率即意味着产品竞争力的提升。另外，由于太阳能电池易于取得所需原料，因此太阳能电池的应用范围亦受到众人的注目。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种增强型的红外光随温度自动切换的智能型薄膜太阳能电池，使其可依据环境温度来调整红外光的透光度/反射率，且利用超薄导电层来调整所需的透光度/反射率。

为了实现上述目的，依据本发明提出的一种增强型的红外光随温度自动切换的智能型薄膜太阳能电池，包括透光基板、上电极层、光伏层、下电极层、温度导向光学层与超薄导电层；上电极层配置于透光基板上；光伏层配置于上电极层上；下电极层配置于光伏层上；温度导向光学层则配置于光伏层与下电极层之间，其对于红外光的透光度随温度而变；当温度导向光学层的温度提升至特定范围时，温度导向光学层对红外光的透光度会降低；超薄导电层配置于下电极层上，并反射通过此温度导向光学层的红外光。

本发明还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的增强型的红外光随温度自动切换的智能型薄膜太阳能电池，其中所述的超薄导电层的厚度大于等于2nm且小于等于20nm。

前述的增强型的红外光随温度自动切换的智能型薄膜太阳能电池，其中所述的超薄导电层的材料包括过渡金属，其中上述的过渡金属可以是镍、银或铝。

前述的增强型的红外光随温度自动切换的智能型薄膜太阳能电池，其中所述的温度导向光学层的材料包括二氮化钒或者氧元素与钒元素的化合物。此外，温度导向光学层也可掺杂有钛、银或铜等元素。

前述的增强型的红外光随温度自动切换的智能型薄膜太阳能电池，其中当温度提升至摄氏30度以上时，温度导向光学层对红外光的透光率会降低；当温度小于摄氏30度时，温度导向光学层对红外光的透光度会提升。

前述的增强型的红外光随温度自动切换的智能型薄膜太阳能电池，其中所述的温度导向光学层对红外光的透光度会随着温度的提升而降低。

前述的增强型的红外光随温度自动切换的智能型薄膜太阳能电池，其中所述的光伏层包括N型半导体层与P型半导体层，并依序配置于上电极层与下电极层之间。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明的增强型的红外光随温度自动切换的智能型薄膜太阳能电池，当太阳光自透光基板侧进入薄膜太阳能电池时，光伏层与下电极层之间的温度导向光学层会依据目前的温度而调整红外光波段的太阳光通过薄膜太阳能电池的透光度。此外，通过使用超薄导电层以更进一步地调整红外光通过薄膜太阳能电池的比例，使其更能够依据设计者所需的红外光的透光度，藉以控制建筑物的采光与温室的温度等，并可降低空调设备的使用率。

另外，本发明除了可应用于建筑物的窗户或屋顶上藉以调节室内的温度之外，亦可以应用于需要较多绿光或蓝绿混光的农业或花卉产业，以维持温室的室内温度，有助于农作物与花卉培养。换言之，本发明的实施例的智能型薄膜太阳能电池在产业利用上具有极为巨大的贡献。

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，并配合所附图式作详细说明如下。

附图说明

图1是本发明一实施例的增强型的红外光随温度自动切换的智能型薄膜太阳能电池的剖视示意图。

图2是本发明一实施例的温度导向光学层的红外光透光度的示意图。

10：薄膜太阳能电池              100、160：透光基板

110：上电极层                   120：光伏层

123：N型半导体层                125：P型半导体层

130：温度导向光学层             140：下电极层

150：超薄导电层                 L：入射光线

L1：温度低于摄氏20度时的曲线    IR：红外光的光线频率

L2：温度高于摄氏30度时的曲线    T：温度导向光学层的温度

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的增强型的红外光随温度自动切换的智能型薄膜太阳能电池其具体实施方式、步骤、结构、特征及其功效详细说明。

请参阅图1所示，是本发明一实施例的增强型的红外光随温度自动切换的智能型薄膜太阳能电池10的剖视示意图。本发明一实施例的薄膜太阳能电池10包括透光基板100、上电极层110、光伏层120、温度导向光学层130、下电极层140以及超薄导电层150。

上述的透光基板100例如是采用玻璃基板，其中入射光线L可由此透光基板100的一侧进入薄膜太阳能电池10，如图1所示。上述的上电极层110配置于透光基板100上，其中本实施例所指的上电极层110为靠近入射光线L方向的电极层，且上电极层110的材料可以是采用透光导电氧化物。在本实施例中，透光导电氧化物可以是铟锡氧化物(indium tin oxide，ITO)、氧化铝锌(Al doped ZnO，AZO)、铟锌氧化物(indium zinc oxide，IZO)、氧化锌(ZnO)或其他透光导电材料。

请继续参考图1，上述的光伏层120配置于上电极层110上。在本实施例中，薄膜太阳能电池10的光伏层120若为单接面(single junction)的形态时，光伏层120可包括N型半导体层123与P型半导体层125，其中N型半导体层123与P型半导体层125可依序配置于上电极层110与下电极层140之间。详细而言，N型半导体层123的材料可采用非晶硅或微晶硅，而N型半导体层123中所掺杂的材料例如是选自元素周期表中VA族元素的群组，可为氮(N)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)或铋(Bi)等元素。另外，P型半导体层125的材料例如为非晶硅或微晶硅，而P型半导体层125中所掺杂的材料例如是选自元素周期表中IIIA族元素的群组，可为硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)或铊(Tl)等元素。

上述仅为举例说明，本发明不限于此。在其他可能的实施例中，薄膜太阳能电池10的光伏层120也可采用双接面(double junction)或三接面(triple junction)的光伏结构。换言之，本实施例的薄膜太阳能电池10也可以是非晶硅薄膜太阳能电池、微晶硅薄膜太阳能电池、堆叠式(tandem)薄膜太阳能电池或三层式(triple)硅薄膜太阳能电池。值得一提的是，在图1中的光伏层120亦可包括有高温非晶硅本质层(intrinsic layer)，其中高温非晶硅本质层(未绘示)可配置于N型半导体层123与P型半导体层125之间，以增强此薄膜太阳能电池10的光电转换效率，如图1所示。

请继续参考图1，上述的下电极层140配置于光伏层120上。在本实施例中，上述的下电极层140的材料可采透光导电氧化物(例如铟锡氧化物、氧化铝锌、铟锌氧化物或其他透光导电材料)。另外，温度导向光学层130配置于光伏层120与下电极层140之间，且红外光通过此温度导向光学层的透光度可随目前环境的温度T而改变。也就是说，当温度导向光学层130的温度T提升至特定范围时，温度导向光学层130对红外光的透光度便会自动降低。另外，超薄导电层150配置于下电极层140上，用以反射通过温度导向光学层160的部分红外光。

详细而言，本发明所指的“智能型”薄膜太阳能电池10，是因通过此薄膜太阳能电池10的红外光的透光度可随着目前环境温度T而自动变更。举例来说，当温度过高时，通过薄膜太阳能电池10的红外光的透光度便会降低，藉以可阻挡红外光通过薄膜太阳能电池10的比例。如此一来，若温室的建材采用本实施例的薄膜太阳能电池10时，便可在外部环境为高温时而避免温室内的温度过高。

相反地，当外部环境的温度较低时，通过薄膜太阳能电池10的红外光的比例将会提升，如此可让较多的入射光线L的红外光得以穿透，如此一来，若温室的建材采用本实施例的薄膜太阳能电池10时，便可温室内部的环境温度较容易提升。

为了更详述本发明实施例的精神，以下将详细说明温度导向光学层130随温度的透光度的变化，如图2所示，其中图2为本发明一实施例的温度导向光学层130的红外光透光度示意图，且横轴为入射光线L的光波长，纵轴则为入射光线L的透光度，最高为100％(亦即光线几乎可全数通过)，最低为0％(亦即光线几乎被完全阻挡)。此外，温度导向光学层130的材料在本实施例中为二氮化钒。

在本实施例中，曲线L1为温度导向光学层130的温度T小于等于摄氏20度(T≤20℃)时，温度导向光学层130对于入射光线L的透光度，而曲线L2则为温度T大于等于摄氏30度(T≥30℃)时，温度导向光学层130对于入射光线L的透光度。由图2中可知，当温度T提升至摄氏30度或者温度T大于摄氏30度时(亦即上述的温度导向光学层130的特定范围，请见曲线L2)，温度导向光学层130便会降低红外光的透光度，如图2所示的红外光IR波段的透光度。换言之，入射光线L中大部分红外光便可被阻挡或是被反射。

在本实施例中，温度导向光学层130对于红外光的透光度若约略为10％，即温度于摄氏30度以上时，入射光线L中约略10％的红外光可通过此温度导向光学层130，其余的红外光则可被反射回透光基板100、或藉由光伏层120再次吸收而转换为电能。

另外，若温度T降低至摄氏20度以下时(请见曲线L1)，温度导向光学层130便提升红外光的通过程度，使得穿透过此薄膜太阳能电池10的入射光线L中大多数的红外光得以穿越，因此采用此薄膜太阳能电池的温室内部的温度T可藉由红外光而提升。请参考图2，温度导向光学层130在其本身温度为20度时对于红外光的透光度约略为100％，亦即温度于摄20度以下时，入射光线L中几乎所有的红外光均可通过此温度导向光学层130，若温室的建材采用本实施例的薄膜太阳能电池10时，便可温室内部的环境温度易于提升。藉此，本发明实施例除了本身为薄膜太阳能电池10以外，亦可藉由自动调整红外光的透光度达成室内温度的控制，并且降低室内空调的依赖程度，节省空调所消耗的电能。

上述入射光线L的透光度仰赖于温度导向光学层130的材料，因此上述的透光度均为实验数据，当温度导向光学层130的材料有些许变更时，图2的透光度的曲线亦有不同，因此本发明不应以此为限。在其他实施例中，温度导向光学层130的材料亦可以是氧元素与钒元素的化合物。

值得一提的是，本实施例可通过超薄导电层以更进一步地调整红外光通过薄膜太阳能电池的比例，使本实施例可依据设计者所需的红外光的透光度来控制建筑物的采光与温室的温度等，在此详细说明超薄导电层150与温度导向光学层130对于红外光透光度/反射率的相互关系。在本实施例中，超薄导电层150的厚度约略大于等于2nm且小于等于20nm(在本实施例中的厚度为5nm)，且其材料包括过渡金属，而此处的过渡金属可以为镍、银或铝等同时具备反射红外光与加强导电性的金属。

由上述可知，本发明实施例可依据设计者需求将超薄导电层150的厚度与其红外光透光度作适度调整，以进一步地调整红外光通过薄膜太阳能电池的比例。此外，超薄导电层150亦可提升下电极层140的导电性。举例而言，若设计者希冀当温度T高于摄氏30度时，薄膜太阳能电池10可将入射光线L内95％的红外光反射，换句话说，入射光线L经过薄膜太阳能电池10的红外光透光度仅需5％。但由于温度导向光学层130于摄氏30度的红外光透光度约略为10％，因此便可将超薄导电层150的红外光反射率设计为5％，使得入射光线L穿透薄膜太阳能电池10的红外光透光度变为5％(10％-5％)。因此，当温度T低于摄氏20度，并且薄膜太阳能电池10增加超薄导电层150之后，入射光线L经过薄膜太阳能电池10的红外光透光度由原先图2所示的约略100％变为约略95％(100％减去超薄导电层150提供的5％红外线反射率)。在本实施例中，薄膜太阳能电池10可进一步包括有透光基板160，其配置于超薄导电层150上，用以接合与保护薄膜太阳能电池10。在其他实施例中，透光基板160亦可配置于下电极层140与超薄导电层150之间，本发明不应以此为限。

综上所述，当太阳光自透光基板侧进入薄膜太阳能电池时，光伏层与下电极层之间的温度导向光学层会依据目前的温度而调整红外光波段的太阳光通过薄膜太阳能电池的透光度。此外，本实施例通过使用超薄导电层以更进一步地调整红外光通过薄膜太阳能电池的比例，使其更能够依据设计者所需的红外光的透光度，藉以控制建筑物的采光与温室的温度等，并可降低空调设备的使用率。

另外，本发明的实施例除了可应用于建筑物的窗户或屋顶上藉以调节室内的温度之外，亦可以应用于需要较多绿光或蓝绿混光的农业或花卉产业，以维持温室的室内温度，有助于农作物与花卉培养。换言之，本发明的实施例的智能型薄膜太阳能电池在产业利用上具有极为巨大的贡献。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然并非用以限定本发明实施的范围，依据本发明的权利要求书及说明内容所作的简单的等效变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种增强型的红外光随温度自动切换的智能型薄膜太阳能电池，其特征在于包括：

透光基板；

上电极层，配置于该透光基板上；

光伏层，配置于该上电极层上；

下电极层，配置于该光伏层上；

温度导向光学层，配置于该光伏层与该下电极层之间，该温度导向光学层对红外光的透光度随温度而变，其中当该温度导向光学层的该温度提升至特定范围时，该温度导向光学层对该红外光的透光度会降低；以及

超薄导电层，配置于该下电极层上并反射通过该温度导向光学层的该红外光。

2.如权利要求1所述的增强型的红外光随温度自动切换的智能型薄膜太阳能电池，其特征在于其中所述的超薄导电层的厚度大于等于2nm且小于等于20nm。

3.如权利要求2所述的增强型的红外光随温度自动切换的智能型薄膜太阳能电池，其特征在于其中所述的超薄导电层的材料包括过渡金属。

4.如权利要求3所述的增强型的红外光随温度自动切换的智能型薄膜太阳能电池，其特征在于其中所述的过渡金属包括镍、银或铝。

5.如权利要求1所述的增强型的红外光随温度自动切换的智能型薄膜太阳能电池，其特征在于其中所述的温度导向光学层的材料包括二氮化钒或者氧元素与钒元素的化合物。

6.如权利要求1所述的增强型的红外光随温度自动切换的智能型薄膜太阳能电池，其特征在于其中所述的温度导向光学层掺杂有钛、银或铜。

7.如权利要求1所述的增强型的红外光随温度自动切换的智能型薄膜太阳能电池，其特征在于其中当该温度提升至摄氏30度以上时，该温度导向光学层对该红外光的透光率会降低。

8.如权利要求7所述的增强型的红外光随温度自动切换的智能型薄膜太阳能电池，其特征在于其中当该温度小于摄氏30度时，该温度导向光学层对该红外光的透光度会提升。

9.如权利要求1所述的增强型的红外光随温度自动切换的智能型薄膜太阳能电池，其特征在于其中所述的温度导向光学层对该红外光的透光度随该温度的提升而降低。

10.如权利要求1所述的增强型的红外光随温度自动切换的智能型薄膜太阳能电池，其特征在于其中所述的光伏层包括N型半导体层与P型半导体层，依序配置于该上电极层与该下电极层之间。

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