CN103489930B - 聚光型光电电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一聚光型光电电池，其包含一半导体叠层，具有一上表面与一相对于上表面的下表面，其中上表面用以吸收一光线，光线在上表面具有一光强度分布；以及一上电极，位于半导体叠层的上表面上，具有一电极图案大致对应于光强度分布，其中光强度分布包含一高聚光区，具有一第一光强度，与一低聚光区，具有一第二光强度，其中第二光强度低于第一光强度。
Description
技术领域
本发明涉及一聚光型光电电池，尤其是涉及一包含一半导体叠层的聚光型光电电池。
背景技术
由于石化能源短缺，且世界各国对环保重要性的认知提高，因此近年来替代能源与再生能源的相关技术不断地发展，其中光电电池(photovoltaic cell)最受瞩目。光电电池可直接将太阳能转换成电能，尤其当日照量越大及模块聚光率越高时，光电电池单位面积的发电量越高，发电成本越便宜。
光电电池由不同材料制成时，具有不同的转换效率，例如硅材料光电电池为12％～20％，III-V族材料光电电池则为31％～41％。III-V族材料因可吸收太阳光谱中300～1900nm波长的能量，相较于一般硅材料仅能吸收太阳光谱中400～1100nm波长的能量，III-V族材料光电电池转换效率大幅提升。
聚光型光电电池的发电方式主要是利用光学透镜将太阳光聚集在III-V族材料光电电池上，除了可提高光电电池的发电效率，还有节省经济成本的效益。以4吋晶片的Ⅲ-Ⅴ族材料光电电池为例，如不使用聚光方式，在一个太阳(one sun)下可产生2.4W电力，若使用聚光型发电方式，在500个太阳下，4吋晶片的Ⅲ-Ⅴ族材料光电电池约可产生650W电力。在此，光学透镜的聚光倍率是用一个太阳强度的倍数来表示，以500个太阳为例，指的是在相同的光电电池受光面积下，光电电池接受到的太阳光强度是不使用聚光方式(正常强度)的500倍。
图1所示是现有的一聚光模块1，包含一第一光学聚光器13、一第二光学聚光器11及一光电电池10。图2A所示是现有光电电池10的上视图，包含多条汇流排(总线)电极102及多条电极栅线103位于一上表面101上。图2B所示是多条电极栅线103的部分放大图，每一条电极栅线103的宽度w相同，且多条电极电极栅线103之间的间距s相同。第一条电极栅线103a与第二条电极栅线103b之间的周期距d为宽度w与间距s的总和，如图2B所示，多条电极栅线103之间的周期距d相同。
第一光学聚光器13及第二光学聚光器11能将一太阳光线12以高倍率聚焦于光电电池10的上表面101上，达到高的光电转换效率及得到高的电能输出，降低发电成本。
但是现行的聚光模块1有聚光不均匀的现象，使得太阳光线12入射到光电电池10的上表面101上时，因太阳光线12在上表面101上的强度分布不一致，导致光电电池10阻值偏高，降低光电电池10整体的发电效率。图3是现有的光电电池10在聚光模块1下的聚光情形。如图3所示，以边长5mm×5mm的光电电池10为例，光电电池10接收来自聚光模块1的太阳光线12，在离光电电池10上表面101的中心半径1mm内，第一光学聚光器13及第二光学聚光器11能聚集强度1000倍以上的太阳光线12于光电电池10上，而在离光电电池10上表面101的中心半径1mm以外，第一光学聚光器13及第二光学聚光器11聚集到光电电池10上的太阳光线12的强度骤降到200倍以下。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种聚光型光电电池，其包含一半导体叠层，具有一上表面与一相对于上表面的下表面，其中上表面用以吸收一光线，光线在上表面具有一光强度分布；以及一上电极位于半导体叠层的上表面上，具有一电极图案，大致对应于光强度分布，其中光强度分布包含一高聚光区，具有一第一光强度，与一低聚光区，具有一第二光强度，其中第二光强度低于第一光强度。
附图说明
图1是现有的一聚光模块；
图2A是现有一光电电池的上视图；
图2B是现有光电电池的部分上视图；
图3是现有的光电电池在聚光模块下的聚光情形；
图4是依据本发明一实施例的一聚光型光电电池的剖视图；
图5是依据本发明第一实施例的一聚光型光电电池的上视图；
图6是依据本发明第一实施例的一聚光型光电电池的部分上视图；
图7是依据本发明第二实施例的一聚光型光电电池的上视图；
图8是依据本发明第二实施例的一聚光型光电电池的部分上视图；
图9是依据本发明第三实施例的一聚光型光电电池的上视图；
图10是依据本发明第三实施例的一聚光型光电电池的部分上视图；
图11是依据本发明第四实施例的一聚光型光电电池的上视图；
图12是依据本发明第四实施例的一聚光型光电电池的部分上视图；
图13是依据本发明第五实施例的一聚光型光电电池的上视图；
图14是依据本发明第五实施例的一聚光型光电电池的部分上视图。
主要元件符号说明
聚光模块1
光电电池10
聚光型光电电池20
光线12
第一光学聚光器13
第二光学聚光器11
汇流排电极102、202
电极栅线103、103a、103b、203、203a、203b、203b’
上表面101、S1
下表面S2
上电极200
下电极209
半导体叠层210
下层子电池208
中层子电池207
上层子电池206
窗层205
抗反射层201
高聚光区Ⅰ
低聚光区Ⅱ
第一电极区204
第二电极区201
周期距d、d1、d2
间距s
宽度w、w1、w2
具体实施方式
为了使本发明的叙述更加详尽与完备，请参照下列描述并配合图4至图6的图示。图4是依据本发明一实施例的一聚光型光电电池20的剖视图，图5是依据本发明第一实施例的聚光型光电电池20的上视图。图4为沿图5的X-X’线的剖面示意图，如图4所示，本发明一实施例的聚光型光电电池20可用以吸收一光线，例如太阳光。聚光型光电电池20包含一半导体叠层210，具有一上表面S1与一相对于上表面S1的下表面S2，其中上表面S1为靠近太阳光入射处的一侧，用以吸收一光线，光线在上表面S1具有一光强度分布；一上电极200位于半导体叠层210的上表面S1上；一下电极209位于半导体叠层210的下表面S2上；以及一抗反射层201位于半导体叠层210的上表面S1上。抗反射层201包含介电质材料，例如氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiOx)。抗反射层201可以减少光线在上表面S1上的反射。上电极200和下电极209的材料包含金属，例如钛、铂、镍、金或银，通过电镀、蒸镀或溅镀的方式形成于半导体叠层210上。
半导体叠层210可包含一或多个光电接面(multi-junction)。如图4所示，半导体叠层210包含一窗层205位于靠近抗反射层201的一侧、一上层子电池(top subcell)206、一中层子电池(middle subcell)207及一下层子电池(bottom subcell)208位于靠近下电极209的一侧。半导体叠层210的材料包含III-V族材料，例如镓(Ga)、铝(Al)、铟(In)、磷(P)、氮(N)、锌(Zn)、镉(Cd)、或硒(Se)。形成半导体叠层210的方法没有特别限制，除了有机金属化学气相沉积法(MOCVD)，也可使用分子束外延(MBE)，氢化物气相沉积法(HVPE)，蒸镀法和离子电镀方法。
窗层205可将入射到半导体叠层210上表面S1的光线导引到上层子电池206、中层子电池207及下层子电池208。上层子电池206、中层子电池207及下层子电池208吸收光线并转换成电流，而上电极200及下电极209收集来自上层子电池206、中层子电池207及下层子电池208的电流并输出。
如图5所示，上电极200包含多条汇流排电极202及多条电极栅线203，上电极200的图形会影响到聚光型光电电池20的阻值、填充因子(fill factor；FF)与短路电流(Isc)，而通过调整多条电极栅线203的栅线宽度和栅线周期距，可改变上电极200对光线的遮蔽面积。图5是依据本发明第一实施例的聚光型光电电池20的上视图。上电极200具有一电极图案大致对应于聚光型光电电池20上表面S1所吸收光线的光强度分布，其中上表面S1上的光强度分布包含一高聚光区Ⅰ具有一第一光强度与一低聚光区Ⅱ具有一第二光强度，其中第二光强度低于第一光强度。电极图案包含一第一电极区204及一相异于第一电极区204的第二电极区201，第一电极区204及第二电极区201大致分别对应于高聚光区Ⅰ及低聚光区Ⅱ，其中第一电极区204包含一面积位于上表面S1的一中心区域。本发明第一实施例中聚光型光电电池20的多条电极栅线203与多条汇流排电极202是利用光光刻技术形成，其中汇流排电极202具有一宽度大于50μm，较佳为大于100μm。
如图5所示，第一电极区204占上表面S1的面积比例不大于80％。一光学聚光器(图未示)置于半导体叠层210之上，靠近太阳光入射处的一侧，具有一聚光倍率，例如可聚光至少200个太阳以上的强度。高聚光区Ⅰ具有大于光学聚光器聚光倍率的聚光强度，例如200个太阳以上的聚光强度；低聚光区Ⅱ具有小于光学聚光器聚光倍率的聚光强度，例如200个太阳以下的聚光强度。多条电极栅线203与多条汇流排电极202互相垂直，且多条电极栅线203彼此互相平行。多条电极栅线203在第一电极区204的宽度小于在第二电极区201的宽度。多条电极栅线203在第一电极区204的周期距等于在第二电极区201的周期距。
图6为依据图5的多条电极栅线203的部分放大图。如图6所示，位于第一电极区204(高聚光区Ⅰ)中的多条电极栅线203a之间的周期距为d1，而位于第二电极区201(低聚光区Ⅱ)中的多条电极栅线203b之间的周期距为d2。在本实施例中，多条电极栅线203a在第一电极区204的宽度w1小于在第二电极区201的宽度w2，且多条电极栅线203a之间的周期距d1等于多条电极栅线203b之间的周期距d2，其中多条电极栅线203a在第一电极区204的周期距d1和多条电极栅线203b在第二电极区201的周期距d2范围在50μm～300μm之间，较佳为在90μm～200μm之间。在本实施例中，多条电极栅线203在第一电极区204的宽度w1小于在第二电极区201的宽度w2，可减少高聚光区Ⅰ中多条电极栅线203对光线的遮蔽面积，提高聚光型光电电池20的短路电流(Isc)。
图7是依据本发明第二实施例的聚光型光电电池20的上视图。图8为依据图7的多条电极栅线203的部分放大图。如图8所示，位于第一电极区204(高聚光区Ⅰ)中的多条电极栅线203a之间的周期距d1小于第二电极区201(低聚光区Ⅱ)中的多条电极栅线203b之间的周期距d2，其中多条电极栅线203a在第一电极区204(高聚光区Ⅰ)的周期距d1大于50μm，较佳为大于90μm，多条电极栅线203b在第二电极区201(低聚光区Ⅱ)的周期距d2小于300μm，较佳为小于200μm。于本实施例中，多条电极栅线203a在第一电极区204的宽度w1小于多条电极栅线203b在第二电极区201的宽度w2，可减少高聚光区Ⅰ中多条电极栅线203a对光线的遮蔽面积，且多条电极栅线203在第二电极区201的周期距d2大于在第一电极区204的周期距d1，可减少低聚光区Ⅱ中多条电极栅线203对光线的遮蔽面积，提高聚光型光电电池20的短路电流(Isc)。
图9是依据本发明第三实施例的聚光型光电电池20的上视图。图10为依据图9的多条电极栅线203的部分放大图。如图10所示，位于第一电极区204(高聚光区Ⅰ)中的多条电极栅线203a之间的周期距d1小于第二电极区201(低聚光区Ⅱ)中的多条电极栅线203b之间的周期距d2，其中多条电极栅线203a在第一电极区204(高聚光区Ⅰ)的周期距d1大于50μm，较佳为大于90μm，多条电极栅线203b在第二电极区201(低聚光区Ⅱ)的周期距d2小于300μm，较佳为小于200μm。于本实施例中，多条电极栅线203a在第一电极区204的宽度w1等于多条电极栅线203b在第二电极区201的宽度w2。在本实施例中，多条电极栅线203在第二电极区201的周期距d2大于在第一电极区204的周期距d1，可减少低聚光区Ⅱ中多条电极栅线203对光线的遮蔽面积，提高聚光型光电电池20的短路电流(Isc)。
图11是依据本发明第四实施例的聚光型光电电池20的上视图。图12为依据图11的多条电极栅线203的部分放大图。如图12所示，位于第一电极区204(高聚光区Ⅰ)中的多条电极栅线203a之间的周期距d1等于第二电极区201(低聚光区Ⅱ)中的多条电极栅线203b之间的周期距d2，其中多条电极栅线203a在第一电极区204(高聚光区Ⅰ)的周期距d1和多条电极栅线203b在第二电极区201(低聚光区Ⅱ)的周期距d2范围在50μm～300μm之间，较佳为在90μm～200μm之间。多条电极栅线203a在第一电极区204的宽度w1小于多条电极栅线203b在第二电极区201的宽度w2。于本实施例中，第二电极区201的多条电极栅线203b’连接于汇流排电极202，并往远离汇流排电极202的方向延伸，连接于第一电极区204的电极栅线203a，亦即第二电极区201电极栅线203b’的一端点连接于汇流排电极202，另一端点连接于第一电极区204的电极栅线203a。电极栅线203b’的宽度w2大于电极栅线203a的宽度w1，可减少光电流由高聚光区Ⅰ流经低聚光区Ⅱ时的电阻损耗。
图13是依据本发明第五实施例的聚光型光电电池20的上视图。图14为依据图13的多条电极栅线203的部分放大图。如图14所示，位于第一电极区204(高聚光区Ⅰ)中的多条电极栅线203a之间的周期距d1小于第二电极区201(低聚光区Ⅱ)中的多条电极栅线203b之间的周期距d2，其中多条电极栅线203a在第一电极区204(高聚光区Ⅰ)的周期距d1大于50μm，较佳为大于90μm，多条电极栅线203b在第二电极区201(低聚光区Ⅱ)的周期距d2小于300μm，较佳为小于200μm。多条电极栅线203a在第一电极区204的宽度w1小于多条电极栅线203b在第二电极区201的宽度w2。在本实施例中，第二电极区201的多条电极栅线203b’连接于汇流排电极202，并往远离汇流排电极202的方向延伸，分别连接于多条第一电极区204的电极栅线203a，亦即第二电极区201电极栅线203b’的一端点连接于汇流排电极202，另一端点连接于多条第一电极区204的电极栅线203a。电极栅线203b’的宽度w2大于电极栅线203a的宽度w1，可减少光电流由高聚光区Ⅰ流经低聚光区Ⅱ时的电阻损耗。
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揭露的元件、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，吾人当可依其所需任意参照、交换、搭配、协调、或合并。
虽然结合以上说明揭露了本发明，然而其并非用以限制本发明的范围、实施顺序、或使用的材料与制作工艺方法。对于本发明所作的各种修饰与变更，都不脱离本发明的精神与范围。
Claims (10)
1.一种光电电池，包含︰
半导体叠层，具有上表面；
上电极，包含多条电极栅线位于该半导体叠层的该上表面上，该多条电极栅线包含多条第一电极栅线及多条第二电极栅线，其中该多条第一电极栅线较该多条第二电极栅线靠近该上表面的中心，其中该多条第一电极栅线的宽度小于该多条第二电极栅线，且该多条第二电极栅线完全包围该多条第一电极栅线；以及
光学聚光器置于该半导体叠层之上，以接受或传递光至该半导体叠层的该上表面，其中光具有一光强度分布且具有一高聚光区以及一低聚光区，且该高聚光区的聚光倍率高于该低聚光区，该多条第一电极栅线对应位于该高聚光区且该多条第二电极栅线对应于该低聚光区。
2.如权利要求1所述的光电电池，其中该上电极包含多条汇流排电极，且该多条电极栅线设于该多条汇流排电极之间。
3.如权利要求2所述的光电电池，其中该多条电极栅线与该多条汇流排电极互相垂直。
4.如权利要求1所述的光电电池，其中该多条电极栅线彼此互相平行。
5.如权利要求1所述的光电电池，其中该多条第一电极栅线占该上表面的面积比例不大于80％。
6.如权利要求1所述的光电电池，其中该多条第一电极栅线及该多条第二电极栅线各具有一均一宽度。
7.如权利要求1所述的光电电池，其中该多条电极栅线在该多条第一电极栅线的的周期距大于50μm，及/或该多条第二电极栅线的周期距小于300μm。
8.如权利要求1所述的光电电池，其中任一该多条第二电极栅线的两端互相分离。
9.如权利要求1所述的光电电池，其中，该多条第一电极栅线连接于该多条第二电极栅线的其中一条。
10.如权利要求1所述的光电电池，其中，该多条第一电极栅线的周期距小于该多条第二电极栅线的周期距。
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