CN201936901U - 薄膜太阳能电池组成结构 - Google Patents

薄膜太阳能电池组成结构 Download PDF

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Abstract

本实用新型是有关一种薄膜太阳能电池组成结构,至少包含:一透明基板,该透明基板的一面是照光面;一p-i-n半导体层,其形成于该透明基板下方,用以产生电子空穴对,以提供光电流并增加光吸收率;以及一第一半透明导电金属层,其形成于该p-i-n半导体层下方,用以取出电能与提升光电转换的效率,其中该第一半透明导电金属层为过渡金属或铝,以降低电阻值,使可利用功率上升,从而提高转换的效率。

Description

薄膜太阳能电池组成结构
技术领域
本实用新型是有关于一种薄膜太阳能电池组成结构,尤指一种具有高导电率的薄膜太阳能电池组成结构。
背景技术
因全球太阳能市场需求成长,造成硅原料供应不足、硅晶太阳能电池及模组生产成本水涨船高。而薄膜太阳能电池因具有轻薄、低成本、可挠曲、多种外观设计等优点,成为继硅晶太阳能电池之后,被认为是当前最具发展潜力的太阳能技术。
太阳能发电的技术,依制造工艺区分主要分为结晶硅(Wafer base)及薄膜(Thin Film base)太阳能电池两大类。其中因硅具有无毒性、氧化物稳定等优点,加上产业界已有成熟稳定的工业处理技术来处理硅材料,因此,硅晶太阳能电池为目前市场应用主流,占全球市场约达九成。
然而,由于近年来德国、西班牙等国在太阳能推动政策影响下,太阳能电池模组市场需求强劲推升,2007年,太阳能电池模组的需求增温,曾导致硅原料严重缺货,价格飞涨。虽然自2008下半年以来,因多晶硅厂商产能陆续开出,加上市场需求趋缓,促使硅原料价格逐渐调降,但硅原料价格不稳定的经历,已让太阳能厂商更加体认风险分散的重要性;再者,硅晶太阳能产业因设备及制造工艺技术成熟、进入门槛低,在众多竞争者的产业中,以往的高毛利时代已难以复见,促使太阳能厂商加速将研发触角转向薄膜太阳能电池领域。
薄膜太阳能电池,顾名思义,乃是在塑胶、玻璃或是金属基板上形成可产生光电效应的薄膜,厚度仅需数μm,因此在同一受光面积下可较硅晶圆太阳能电池大幅减少原料的用量。薄膜太阳能电池并非是新概念的产品,实际上,以往人造卫星早已普遍采用以砷化镓(GaAs)制造的高转换效率薄膜太阳能电池板(以单晶硅作为基板,转换效能可达30%以上)来进行发电,但其成本昂贵,多用于航太产业,现今无法普及。故目前业界主流多采用非晶硅(a-Si)来制作薄膜太阳能电池的光吸收层(即半导体层)。薄膜太阳能电池可在价格低廉的玻璃、塑胶或不锈钢基板上大量制作,以生产出大面积的太阳能电池,而其制造工艺更可直接导入已经相当成熟的TFT-LCD制造工艺,此为其优点之一,故业界无不争相投入该领域的研究。
基本上,薄膜太阳能电池相对其他类型的太阳能电池而言制造工艺较为简单,具有成本低、可大量生产的优点。就薄膜太阳能电池基板的组成而言,其基本制造工艺会经过三层沉积(deposition)、三道激光划线(scribe)手续,如下面所述:首先,先以物理气相沉积工艺(PVD)在预订尺寸的玻璃基板上镀上一层透明导电薄膜(Transparent Conductive Oxide,TCO),其选择透光性高及导电性佳的材质,如氧化铟锡(ITO)、氧化锡(SnO2)、或氧化锌(ZnO)等。接着以红外线激光划线定义其前电极图案(patterning)。至此为第一道沉积与划线手续。第二阶段为主吸收层(Active layer)的制作,其一般以等离子辅助化学气相沉积(PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)工艺在电极面上长出一层p-i-n类型排列的氢化非晶硅结构(p-a-Si:H/i-a-Si:H/n-a-Si:H),此主吸收层是以p-n半导体接面(p-n junction)作为光吸收及能量转换的主体结构。此步骤后同样会进行激光划线步骤,为制作出的主吸收层定义图案,至此为第二道沉积与划线手续。最后再以溅镀(sputter)工艺在其上形成铝/银材质为主的背部电极(back contact),并进行第三道激光划线定义出其背部电极图形。
然因使用透明导电层于可见光区的透明性,所选用的透明导电层的半导体必须是宽能隙的半导体,所以选用能隙宽度必须大于可见光能量范围的透明导电层的半导体,故增加了薄膜太阳能电池的整体厚度,且为增加透明导电层的导电性质,一般藉由掺杂微量杂质的方式,来提升其导电性,故工艺较为麻烦,因此,如何降低薄膜太阳能整体厚度以及如何提高光穿透率及吸收率与光电转换的效率,为此产业亟需解决的问题。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种薄膜太阳能电池组成结构,所要解决的技术问题是使其利用半透明导电金属层有效地降低电阻值,以增加导电率,使可利用功率上升,从而提高转换的效率。
本实用新型的另一目的在于提供一种薄膜太阳能电池组成结构,所要解决的技术问题是使其藉由半透明导电金属层取代现有习知的透明导电膜,有效地增加光层及穿透长度,并增加光反射特性,以增加整体转换效率。
为了实现上述目的,依据本实用新型提出的一种薄膜太阳能电池组成结构,至少包含:一透明基板,该透明基板的一面是一照射面;一p-i-n半导体层,其形成于该透明基板下方,用以产生电子空穴(或称为电子电洞)对,以提供光电流并增加光吸收率;以及一第一半透明导电金属层,其形成于该p-i-n半导体层下方,用以取出电能与提升光电转换的效率。
本实用新型还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的薄膜太阳能电池组成结构,其进一步包含一第二半透明导电金属层,形成于前述透明基板与p-i-n半导体层之间。
前述的薄膜太阳能电池组成结构,其中所述的透明基板的材料为玻璃、石英、透明塑胶、蓝宝石基板或是透明可挠性的材料。
前述的薄膜太阳能电池组成结构,其中所述的第一半透明导电金属层及第二半透明导电金属层为单一过渡金属或铝;或前述第一半透明导电金属层及第二半透明导电金属层包括一第一透明导电氧化物以及一过渡金属或铝的其中之一;亦或前述第一半透明导电金属层及第二半透明导电金属层包括一第一透明导电氧化物、一过渡金属或铝的其中之一以及一第二透明导电氧化物。
前述的薄膜太阳能电池组成结构,其中所述的银的厚度介于3nm~25nm之间。
前述的薄膜太阳能电池组成结构,其中所述的第一透明导电氧化物及第二透明导电氧化物为氧化锌铝(AZO)、氧化锌镓(GZO)或氧化锌硼(ZnO)。
本实用新型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,本实用新型的薄膜太阳能电池组成结构,至少具有下列优点:本实用新型薄膜太阳能电池组成结构,利用半透明导电金属层有效地降低电阻值,以增加导电率,使可利用功率上升,从而提高转换的效率,且藉由半透明导电金属层取代现有习知的透明导电膜,有效地增加光层及穿透长度,并增加光反射特性,以增加整体转换效率。
附图说明
图1是本实用新型第一实施例的薄膜太阳能电池组成结构图。
图2本实用新型第二实施例的薄膜太阳能电池组成结构图。
图3是本实用新型薄膜太阳能电池组成结构的第一半透明导电金属层及第二半透明导电金属层的第一实施状态结构图。
图4是本实用新型薄膜太阳能电池组成结构的第一半透明导电金属层及第二半透明导电金属层的第二实施状态结构图。
图5是本实用新型薄膜太阳能电池组成结构的第一半透明导电金属层及第二半透明导电金属层的第三实施状态结构图。
100:薄膜太阳能电池组成结构
10、10’:透明基板
20、20’:p-i-n半导体层
30、30’:第一半透明导电金属层
40:第二半透明导电金属层
50、50’、50”:第一透明导电氧化物
60:第二透明导电氧化物
具体实施方式
为更进一步阐述本实用新型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,对依据本实用新型提出的薄膜太阳能电池组成结构其具体实施方式、步骤、结构、特征及其功效详细说明。
请参阅图1,是本实用新型第一实施例的薄膜太阳能电池组成结构图。本实用新型薄膜太阳能电池组成结构100,至少包含:一透明基板10,该透明基板10的一面为一照光面;一p-i-n半导体层20,是形成于该透明基板10另一面的下方,用以产生电子空穴对,以提供电流并增加光吸收率;以及至少一第一半透明导电金属层30,是其形成于该p-i-n半导体层20下方,用以取出电能与提升光电转换的效率。
在本实施例中,该透明基板10的材料可使用一般的玻璃、石英、透明塑胶、蓝宝石基板或是透明可挠性的材料等等。
该第一半透明导电金属层30,可为单一过渡金属或铝其中之一,该过渡金属例如为银或镍等等,以银为例,银的厚度介于3nm~25nm之间,且银的特性在可见光范围有良好的透光性且因银具降低电阻值的特性,因此具有良好的导电性质,较佳地,银的厚度介于3nm~5nm、10nm~15nm及20nm~25nm。另外因银的厚度很薄,使薄膜太阳能电池的整体厚度降低。
当该透明基板10的照光面受到太阳光照射,则光线藉由穿透该透明基板10进入至该p-i-n半导体层20,使太阳光照射于pn接面上,俾使部分电子因拥有足够的能量,离开原子而变成自由电子,失去电子的原子因而产生空穴,并透过p型半导体及n型半导体分别吸引空穴与电子,把正电和负电分开,在pn接面两端因而产生电位差,再藉由该第一半透明导电金属层30连接一电路(图未示),使电子得以通过,并与在pn接面另一端的空穴再次结合,便产生电流,再藉由该第一半透明导电金属层30取出电能,以转换成可利用的功率,且因本实用新型的第一半透明导电金属层30为过渡金属或铝,其具有良好的导电性,且为使于可见光范围有良好的透光性,本实用新型的第一半透明导电金属层30的厚度适中,以避免产生不连续岛膜。
请参阅图2,是本实用新型第二实施例的薄膜太阳能电池组成结构图。本实用新型薄膜太阳能电池组成结构100,至少包含:一透明基板10’,该透明基板10’的一面是一照光面;至少一第二半透明导电金属层40,是形成于该透明基板10’另一面的下方,用以取出电能与提升光电转换的效率;一p-i-n半导体层20’,是形成于该第二半透明导电金属层40下方,用以产生电子空穴对,以提供电流并增加光吸收率;以及至少一第一半透明导电金属层30’,是其形成于该p-i-n半导体层20’下方,用以取出电能与提升光电转换的效率。
在本实施例中,该透明基板10’的材料可使用一般的玻璃、石英、透明塑胶、蓝宝石基板或是透明可挠性的材料等等。
该第一半透明导电金属层30’及第二半透明导电金属层40,可为单一过渡金属或铝其中之一,该过渡金属例如为银或镍等等,以银为例,银的厚度介于3nm~25nm之间,且银的特性在可见光范围有良好的透光性且因银具降低电阻值的特性,因此具有良好的导电性质,较佳地,银的厚度介于3nm~5nm、10nm~15nm及20nm~25nm。另外因银的厚度很薄,使薄膜太阳能电池的整体厚度降低。
当该透明基板10’的照光面受到太阳光照射,则光线藉由穿透该透明基板10’进入至该第二半透明导电金属层40,并穿透进入至该p-i-n半导体层20’,使太阳光照射于pn接面上,俾使部分电子因拥有足够的能量,离开原子而变成自由电子,失去电子的原子因而产生空穴,并透过p型半导体及n型半导体分别吸引空穴与电子,把正电和负电分开,在pn接面两端因而产生电位差,再藉由该第一半透明导电金属层30’连接一电路(图未示),使电子得以通过,并与在pn接面另一端的空穴再次结合,便产生电流,再藉由该第一半透明导电金属层30’取出电能,以转换成可利用的功率,且因本实用新型的第一半透明导电金属层30’及第二半透明导电金属层40为过渡金属或铝,其具有良好的导电性,且为使在可见光范围有良好的透光性,本实用新型的第一半透明导电金属层30’及第二半透明导电金属层40的厚度适中,以避免产生不连续岛膜。
请参阅图3,是本实用新型薄膜太阳能电池组成结构的第一半透明导电金属层及第二半透明导电金属层的第一实施状态结构图。本实用新型薄膜太阳能电池组成结构100的第一半透明导电金属层30、30’及第二半透明导电金属层40除了可为单一过渡金属或铝其中之一以外,亦可为包括一第一透明导电氧化物50以及一过渡金属或铝的其中之一,在本实施例,该第一透明导电氧化物50是形成于该过渡金属或铝的上方,该第一透明导电氧化物可为氧化锌铝(AZO)、氧化锌镓(GZO)或氧化锌硼(ZnO)等等透明导电氧化物,此些透明导电氧化物具有较低的电阻率,俾使增加光的穿透率。
请参阅图4,是本实用新型薄膜太阳能电池组成结构的第一半透明导电金属层及第二半透明导电金属层的第二实施状态结构图。本实用新型薄膜太阳能电池组成结构100的第一半透明导电金属层30、30’及第二半透明导电金属层40包括一第一透明导电氧化物50’以及一过渡金属或铝的其中之一,在本实施例,该第一透明导电氧化物50’是形成于该过渡金属或铝的下方,该第一透明导电氧化物50’可为氧化锌铝(AZO)、氧化锌镓(GZO)或氧化锌硼(ZnO)等等透明导电氧化物,此些透明导电氧化物具有较低的电阻率,俾使增加光的穿透率。
请参阅图5,是本实用新型薄膜太阳能电池组成结构的第一半透明导电金属层及第二半透明导电金属层的第三实施状态结构图。本实用新型薄膜太阳能电池组成结构100的第一半透明导电金属层30、30’及第二半透明导电金属层40包括一第一透明导电氧化物50”、一过渡金属或铝的其中之一以及一第二透明导电氧化物60,在本实施例中,该过渡金属或铝是置于该第一透明导电氧化物50”及第二透明导电氧化物60之间,该第一透明导电氧化物50”及第二透明导电氧化物60可为氧化锌铝(AZO)、氧化锌镓(GZO)或氧化锌硼(ZnO)等等透明导电氧化物,此些透明导电氧化物具有较低的电阻率,俾使增加光的穿透率。
本实用新型薄膜太阳能电池组成结构,利用半透明导电金属层有效地降低电阻值,以增加导电率,使可利用功率上升,从而提高转换的效率,且藉由半透明导电金属层取代现有习知的透明导电膜,有效地增加光层及穿透长度,并增加光反射特性,以增加整体转换效率。
虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上,然并非用以限定本实用新型实施的范围,依据本实用新型的权利要求书及说明内容所作的简单的等效变化与修饰,仍属于本实用新型技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种薄膜太阳能电池组成结构,其特征在于至少包含:
一透明基板,该透明基板的一面是照光面;
一p-i-n半导体层,其系形成于该透明基板下方,用以产生电子空穴对,以提供光电流并增加光吸收率;以及
一第一半透明导电金属层,其系形成于该p-i-n半导体层下方,用以取出电能与提升光电转换的效率。
2.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池组成结构,其特征在于其进一步包含一第二半透明导电金属层,形成于前述透明基板与p-i-n半导体层之间。
3.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池组成结构,其特征在于其中所述的透明基板的材料为玻璃、石英、透明塑胶、蓝宝石基板或是透明可挠性的材料。
4.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池组成结构,其特征在于其中所述的第一半透明导电金属层及第二半透明导电金属层为单一过渡金属或铝。
5.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池组成结构,其特征在于其中所述的第一半透明导电金属层及第二半透明导电金属层包括一第一透明导电氧化物以及一过渡金属或铝的其中之一。
6.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池组成结构,其特征在于其中所述的第一半透明导电金属层及第二半透明导电金属层包括一第一透明导电氧化物、一过渡金属或铝的其中之一以及一第二透明导电氧化物。
7.如权利要求4至6中任一权利要求所述的薄膜太阳能电池组成结构,其特征在于其中所述的过渡金属为银或镍。
8.如权利要求7所述的薄膜太阳能电池组成结构,其特征在于其中所述的银的厚度介于3nm~25nm之间。
9.如权利要求5或6所述的薄膜太阳能电池组成结构,其特征在于其中所述的第一透明导电氧化物及第二透明导电氧化物为氧化锌铝、氧化锌镓或氧化锌硼。
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