CN102479863A - 高光电转换效率的三层型太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种高光电转换效率的三层型太阳能电池，其包括透明基板、第一电极、第二电极、红外光转换层以及依序配置于第一电极与第二电极之间的第一n型半导体层、第一非晶硅本质层、第一p型半导体层、第二n型半导体层、第二非晶硅本质层、第二p型半导体层、第三n型半导体层、微晶硅本质层与一第三p型半导体层；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n型半导体层位于第一非晶硅本质层与第二电极之间；该红外光转换层配置于第一n型半导体层与第二电极之间，用以将红外光转换为可见光。本发明可以提高光电转换效率。

Description

高光电转换效率的三层型太阳能电池

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)三层型(triple 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三层型太阳能电池，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三层型太阳能电池，本发明提出一种高光电转换效率的三层型太阳能电池，其包括透明基板、第一电极、第二电极、红外光转换层(infrared lightconversion laycr)以及依序配置于第一电极与第二电极之间的第一n型半导体层、第一非晶硅本质层(intrinsic layer)、第一p型半导体层、第二n型半导体层、第二非晶硅本质层、第二p型半导体层、第三n型半导体层、微晶硅本质层与一第三p型半导体层；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n型半导体层位于第一非晶硅本质层与第二电极之间；该红外光转换层配置于第一n型半导体层与第二电极之间，用以将红外光转换为可见光。

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三层型太阳能电池，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三层型太阳能电池，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三层型太阳能电池，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三层型太阳能电池，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三层型太阳能电池，其中所述的第一n型半导体层、第二n型半导体层与第三n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三层型太阳能电池，其中所述的第一p型半导体层、第二p型半导体层与第三p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三层型太阳能电池，其中所述的透明基板的材料例如为玻璃。

前述的高光电转换效率的三层型太阳能电池，其还可以在第一电极与第三p型半导体层之间配置半透明金属层。

前述的高光电转换效率的三层型太阳能电池，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)。

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三层型太阳能电池，至少具有下列优点：

一、本发明的高光电转换效率的三层型太阳能电池，当太阳光自第二电极侧进入太阳能电池时，本发明在第一n型半导体层与第二电极之间配置红外光转换层来将红外光转换为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三层型太阳能电池，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三层型太阳能电池，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为本发明一实施例的高光电转换效率的三层型太阳能电池的剖视示意图。

图2为本发明另一实施例的高光电转换效率的三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、112、118：n型半导体层

108、114：非晶硅本质层     110、116、122：p型半导体层

120：微晶硅本质层          124：红外光转换层

126：太阳光                128：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三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，为本发明一实施例的高光电转换效率的三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、n型半导体层106、非晶硅本质层108、p型半导体层110、n型半导体层112、非晶硅本质层114、p型半导体层116、n型半导体层118、微晶硅本质层120、p型半导体层122以及红外光转换层124。

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，IZO)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)。

n型半导体层106、非晶硅本质层108、p型半导体层110、n型半导体层112、非晶硅本质层114、p型半导体层116、n型半导体层118、微晶硅本质层120、p型半导体层122依序配置于电极102与电极104之间，且n型半导体层106位于非晶硅本质层108与电极104之间。n型半导体层106、112、118的材料例如为非晶硅或微晶硅，而n型半导体层106、112、118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)。p型半导体层110、116、122的材料例如为非晶硅或微晶硅，而p型半导体层110、116、122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)。非晶硅本质层108、非晶硅本质层114与微晶硅本质层120皆可吸收可见光，且非晶硅本质层108与非晶硅本质层114对于绿光或蓝绿混光具有较佳的吸收率。

红外光转换层124配置于n型半导体层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124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126穿过透明基板100而照射至红外光转换层124时，红外光转换层124可将太阳光126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126中的红外光被红外光转换层124转换为可见光之后，大部分的可见光会先被非晶硅本质层108与非晶硅本质层114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，因此未被非晶硅本质层108与非晶硅本质层114吸收的可见光可进一步被下方的微晶硅本质层120吸收。也就是说，经红外光转换层124所转换而形成的可见光在进入太阳能电池10之后，几乎可以被非晶硅本质层108、非晶硅本质层114与微晶硅本质层120完全地吸收。与一般的太阳能电池相比，由于在将太阳光126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，增加了照射至非晶硅本质层108、非晶硅本质层114与微晶硅本质层120的可见光的量，且可见光几乎完全被非晶硅本质层108、非晶硅本质层114与微晶硅本质层120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)，因此可以藉由调整红外光转换层124中稀土元素的种类、组成比例等来将太阳光126中的红外光转换为绿光或蓝绿混光，以进一步地增加非晶硅本质层108与非晶硅本质层114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124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124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126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126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，为本发明另一实施例的高光电转换效率的三层型太阳能电池的剖视示意图。如图2所示，在本发明另一实施例中，还可以在电极102与p型半导体层122之间配置半透明金属层128。半透明金属层128的材料例如为铝或过渡金属。在本实施例中，当太阳光126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128而穿出太阳能电池20。此时，藉由调整半透明金属层128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128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128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128反射而再次进入非晶硅本质层108、非晶硅本质层114与微晶硅本质层120，并被非晶硅本质层108、非晶硅本质层114与微晶硅本质层120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三层型太阳能电池，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n型半导体层、一第一非晶硅本质层、一第一p型半导体层、一第二n型半导体层、一第二非晶硅本质层、一第二p型半导体层、一第三n型半导体层、一微晶硅本质层与一第三p型半导体层，依序配置于该第一电极与该第二电极之间，且该第一n型半导体层位于该第一非晶硅本质层与该第二电极之间；以及

一红外光转换层，配置于该第一n型半导体层与该第二电极之间，用以将红外光转换为一可见光。

2.如权利要求1所述的高光电转换效率的三层型太阳能电池，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三层型太阳能电池，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三层型太阳能电池，其特征在于其中所述的可见光为绿光或蓝绿混光。

5.如权利要求1所述的高光电转换效率的三层型太阳能电池，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三层型太阳能电池，其特征在于其中所述的第一n型半导体层、该第二n型半导体层与该第三n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三层型太阳能电池，其特征在于其中所述的第一p型半导体层、该第二p型半导体层与该第三p型半导体层的材料为非晶硅或微晶硅。

8.如权利要求1所述的高光电转换效率的三层型太阳能电池，其特征在于其中所述的透明基板的材料为玻璃。

9.如权利要求1所述的高光电转换效率的三层型太阳能电池，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三p型半导体层之间。

10.如权利要求9所述的高光电转换效率的三层型太阳能电池，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。

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