CN102479835A - 高光电转换效率的二层型太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种高光电转换效率的二层型太阳能电池，其包括透明基板、第一电极、第二电极、第一堆叠结构、第二堆叠结构以及红外光转换层；第一电极配置于透明基板上；第二电极配置于第一电极与透明基板之间；第一堆叠结构配置于第一电极与第二电极之间；第二堆叠结构配置于第一电极与第一堆叠结构之间；红外光转换层配置于第一堆叠结构与第二电极之间，用以将红外光转换为可见光；第一与第二堆叠结构分别具有依序堆叠的第一导电型半导体层、本质层与第二导电型半导体层，且第一堆叠结构的本质层的材料为非晶硅，第二堆叠结构的本质层的材料为微晶硅。本发明的太阳能电池可以提高光电转换效率。

Description

高光电转换效率的二层型太阳能电池

技术领域

本发明涉及一种太阳电池，特别是涉及一种高光电转换效率的(photoelectric conversion efficiency，PCE)二层型(tandem junction)太阳能电池。

背景技术

太阳能是一种干净无污染而且取之不尽用之不竭的能源，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。由于太阳能电池可直接将太阳能转换为电能，因此成为目前相当重要的研究课题。

硅基太阳电池为业界常见的一种太阳能电池。硅基太阳能电池的原理是将p型半导体与n型半导体相接合，以形成p-n接面。当太阳光照射到具有此p-n结构的半导体时，光子所提供的能量可把半导体中的电子激发出来而产生电子-电洞对。电子与电洞均会受到内建电位的影响，使得电洞往电场的方向移动，而电子则往相反的方向移动。如果以导线将此太阳能电池与负载(load)连接起来，则可形成一个回路(loop)，并可使电流流过负载，此即为太阳能电池发电的原理。

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。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。

发明内容

有鉴于上述现有技术所存在的缺陷，本发明的目的在于，提供一种高光电转换效率的二层型太阳能电池，使其可将无法被太阳能电池所利用的红外光转换为可被太阳能电池所利用的可见光，以提高光电转换效率。

为了实现上述目的，依据本发明提出的一种高光电转换效率的二层型太阳能电池，其包括透明基板、第一电极、第二电极、第一堆叠结构、第二堆叠结构以及红外光转换层(infrared light conversion layer)；该第一电极配置于透明基板上；该第二电极配置于第一电极与透明基板之间；该第一堆叠结构配置于第一电极与第二电极之间；该第二堆叠结构配置于第一电极与第一堆叠结构之间；该红外光转换层配置于第一堆叠结构与第二电极之间，用以将红外光转换为可见光；该第一堆叠结构与第二堆叠结构分别具有依序堆叠的第一导电型半导体层、本质层(intrinsic layer)与第二导电型半导体层，且第一堆叠结构的本质层的材料为非晶硅(amorphous silicon)，而第二堆叠结构的本质层的材料为微晶硅(microcrystalline silicon)。

本发明还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的高光电转换效率的二层型太阳能电池，其中所述的红外光转换层的材料例如为稀土(rare earth)元素。

前述的高光电转换效率的二层型太阳能电池，其中所述的稀土元素例如为镧(La)系元素。

前述的高光电转换效率的二层型太阳能电池，其中所述的可见光例如为绿光或蓝绿混光。

前述的高光电转换效率的二层型太阳能电池，其中所述的第一电极与第二电极的材料例如为透明导电氧化物(transparent conductive oxide，TCO)。

前述的高光电转换效率的二层型太阳能电池，其中所述的第一导电型半导体层与第二导电型半导体层的材料例如为非晶硅或微晶硅。

前述的高光电转换效率的二层型太阳能电池，其还可以在第一电极与第二堆叠结构之间配置半透明金属层。

前述的高光电转换效率的二层型太阳能电池，其中所述的半透明金属层的材料例如为铝或过渡金属(transition metal)。

前述的高光电转换效率的二层型太阳能电池，其中所述的第一导电型半导体层例如为p型，而第二导电型半导体层例如为n型。

前述的高光电转换效率的二层型太阳能电池，其中所述的第一导电型半导体层例如为n型，而第二导电型半导体层例如为p型。

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，本发明的高光电转换效率的二层型太阳能电池，至少具有下列优点：

一、本发明的高光电转换效率的二层型太阳能电池，在第一堆叠结构与第二电极之间配置红外光转换层来将红外光转换为第一堆叠结构的本质层与第二堆叠结构的本质层可吸收的可见光，因此可以大幅地提升太阳能电池的光电转换效率。

二、本发明的高光电转换效率的二层型太阳能电池，由于照射至太阳能电池的太阳光中的红外光被转换为可见光，因此可以大幅度地降低红外光所造成的热累积效应，进而提高太阳能电池的效能。

三、本发明的高光电转换效率的二层型太阳能电池，若照射至太阳能电池的太阳光中的红外光被转换为绿光或蓝绿混光，则本发明的太阳能电池可以应用于需要较多绿光或蓝绿混光的农业或花卉产业，以助于农作物与花卉培养。

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高光电转换效率的二层型太阳能电池的剖视示意图。

图2是本发明另一实施例的高光电转换效率的二层型太阳能电池的剖视示意图。

10、20：太阳能电池                100：透明基板

102、104：电极                    106、108：堆叠结构

106a、108a：第一导电型半导体层    106b、108b：本质层

106c、108c：第二导电型半导体层    110：红外光转换层

112：太阳光                       114：半透明金属层

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高光电转换效率的二层型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高光电转换效率的二层型太阳能电池的剖视示意图。本发明一实施例的太阳能电池10包括透明基板100、电极102、电极104、堆叠结构106、堆叠结构108以及红外光转换层110。

透明基板100的材料例如为玻璃。电极102配置于透明基板100上。电极102的材料例如为透明导电氧化物。上述的透明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，I ZO)或其他透明导电材料。电极104配置于电极102与透明基板100之间。电极104的材料例如为透明导电氧化物(例如铟锡氧化物、氧化铝锌、铟锌氧化物或其他透明导电材料)。

堆叠结构106配置于电极102与电极104之间。堆叠结构106具有依序堆叠的第一导电型半导体层106a、本质层106b与第二导电型半导体层106c。堆叠结构108配置于电极102与堆叠结构106之间。堆叠结构108具有依序堆叠的第一导电型半导体层108a、本质层108b与第二导电型半导体层108c。

在一实施例中，第一导电型半导体层106a与第一导电型半导体层108a例如为p型，其材料例如为非晶硅或微晶硅，且第一导电型半导体层106a与第一导电型半导体层108a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，其可以是硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)或铊(Tl)；第二导电型半导体层106c与第二导电型半导体层108c例如为n型，其材料例如为非晶硅或微晶硅，且第二导电型半导体层106c与第二导电型半导体层108c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，其可以是磷(P)、砷(As)、锑(Sb)或铋(Bi)。当然，在另一实施例中，第一导电型半导体层106a与第一导电型半导体层108a也可以是n型，而第二导电型半导体层106c与第二导电型半导体层108c则为p型。此外，在堆叠结构106中，本质层106b的材料为非晶硅，而在堆叠结构108中，本质层108b的材料为微晶硅。本质层106b与本质层108b皆可吸收可见光，且本质层106b对于绿光或蓝绿混光具有较佳的吸收率。

红外光转换层110配置于堆叠结构106与电极104之间，用以将红外光转换为可见光。红外光转换层110的材料例如为稀土元素，例如镧系元素。详细地说，对于一般的太阳能电池来说，当太阳光照射至太阳能电池时，由于以非晶硅为材料的本质层与以微晶硅为材料的本质层皆无法吸收太阳光中的红外光(其在太阳光中约占50％)，因此红外光会直接穿过太阳能电池而无法被利用，使得太阳能电池的光电转换效率无法大幅度地提升。然而，在本实施例中，当太阳光112穿过透明基板100而照射至红外光转换层110时，红外光转换层110可将太阳光112中无法被太阳能电池所利用的红外光转换为可被太阳能电池所利用的可见光。

当太阳光112中的红外光被红外光转换层110转换为可见光之后，大部分的可见光会先被堆叠结构106中的本质层106b吸收。此外，与非晶硅材料相比，由于微晶硅材料对于可见光具有较宽的吸收波长范围，因此未被本质层106b吸收的可见光在进入位于堆叠结构106下方的堆叠结构108之后可被本质层108b吸收。也就是说，经红外光转换层110所转换而形成的可见光在进入太阳能电池10之后，几乎可以被本质层106b与本质层108b完全地吸收。与一般的太阳能电池相比，由于在将太阳光112中无法被太阳能电池所利用的红外光转换为可被太阳能电池所利用的可见光之后，增加了照射至本质层106b与本质层108b的可见光的量，且可见光几乎完全被本质层106b与本质层108b吸收，因此太阳能电池10可以具有较高的光电转换效率。

此外，相对于其他颜色的可见光来说，由于非晶硅材料对于绿光与蓝绿混光具有较佳的吸收率(对于绿光具有最佳的吸收率)，因此可以藉出调整红外光转换层110中稀土元素的种类、组成比例等来将太阳光112中的红外光转换为绿光或蓝绿混光，以进一步地增加本质层106b的光吸收率，进而提升太阳能电池10的光电转换效率。

特别一提的是，经红外光转换层110所转换成的绿光或蓝绿混光经过太阳能电池10之后，未被吸收的部分还可以进一步地被利用。举例来说，经红外光转换层110转换而形成且未被吸收的绿光或蓝绿混光可以与原本穿过太阳能电池10的未被吸收的可见光混合而产生不同颜色的光。因此，若将太阳能电池10应用于建筑设计中，则可以视实际需求来调整而呈现出不同于白光的光。此外，若将太阳能电池10应用于需要较多绿光或蓝绿混光的农业或花卉产业，则可有助于农作物与花卉培养。

再者，在本实施例中，由于照射至太阳能电池10的太阳光112中的红外光已被转换为可见光，因此红外光照射至太阳能电池时所产生的热累积效应可以被大幅度地降低，使得太阳能电池10经太阳光112照射之后仍可以维持在与周遭环境相同的温度。此外，由于热累积效应已被大幅度地降低，因此可以进一步避免因热累积效应而造成光电转换效率降低的问题，进而达到提升太阳能电池的效能的目的。

请参阅图2所示，是本发明另一实施例的高光电转换效率的二层型太阳能电池的剖视示意图。在另一实施例中，还可以在电极102与堆叠结构108之间配置半透明金属层114(如图2所示)。半透明金属层114的材料例如为铝或过渡金属。在本实施例中，当太阳光112照射至太阳能电池20时，未被吸收的绿光或蓝绿混光以及其他未被吸收的可见光会经过半透明金属层114而穿出太阳能电池20。此时，藉由调整半透明金属层114的厚度可以控制穿出太阳能电池20的光的颜色与出光量。

详细地说，若半透明金属层114的厚度较薄，则穿出太阳能电池20的光的强度较大，且含有较多的绿光或蓝绿混光，因此同样可以应用于需要较多绿光或蓝绿混光的农业或花卉产业，以助于农作物与花卉培养；若半透明金属层114的厚度较厚，则穿出太阳能电池20的光的强度较小，且含有较少的绿光或蓝绿混光。

此外，部分的可见光还可被半透明金属层114反射而再次进入本质层106b与本质层108b，并被本质层106b与本质层108b吸收。

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)

1.一种高光电转换效率的二层型太阳能电池，其特征在于包括：

一透明基板；

一第一电极，配置于该透明基板上；

一第二电极，配置于该第一电极与该透明基板之间；

一第一堆叠结构，配置于该第一电极与该第二电极之间；

一第二堆叠结构，配置于该第一电极与该第一堆叠结构之间；以及

一红外光转换层，配置于该第一堆叠结构与该第二电极之间，用以将红外光转换为一可见光，

其中该第一堆叠结构与该第二堆叠结构分别具有依序堆叠的一第一导电型半导体层、一本质层与一第二导电型半导体层，且该第一堆叠结构的该本质层的材料为非晶硅，而该第二堆叠结构的该本质层的材料为微晶硅。

2.如权利要求1所述的高光电转换效率的二层型太阳能电池，其特征在于其中所述的红外光转换层的材料为一稀土元素。

3.如权利要求2所述的高光电转换效率的二层型太阳能电池，其特征在于其中所述的稀土元素为镧系元素。

4.如权利要求1所述的高光电转换效率的二层型太阳能电池，其特征在于其中所述的可见光包括绿光或蓝绿混光。

5.如权利要求1所述的高光电转换效率的二层型太阳能电池，其特征在于其中所述的第一电极与该第二电极的材料为透明导电氧化物。

6.如权利要求1所述的高光电转换效率的二层型太阳能电池，其特征在于其中所述的第一导电型半导体层与该第二导电型半导体层的材料为非晶硅或微晶硅。

7.如权利要求1所述的高光电转换效率的二层型太阳能电池，其特征在于还包括一半透明金属层，配置于该第一电极与该第二堆叠结构之间。

8.如权利要求7所述的高光电转换效率的二层型太阳能电池，其特征在于其中所述的半透明金属层的材料为铝或过渡金属。

9.如权利要求1所述的高光电转换效率的二层型太阳能电池，其特征在于其中所述的第一导电型半导体层为p型，而该第二导电型半导体层为n型。

10.如权利要求1所述的高光电转换效率的二层型太阳能电池，其特征在于其中所述的第一导电型半导体层为n型，而该第二导电型半导体层为p型。

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