TW200840064A - Solar cell - Google Patents
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Description
200840064 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種太陽能電池,且特別是有關於一種具 光學反射元件之太陽能電池。 【先前技術】 太陽能電池與一般的電池不同。太陽能電池是將太陽能轉換 成電能的裝置,不需要透過電解質來傳遞導電離子,而是改採半 導體產生PN接面(PNjunction)以獲得電位。 太陽能電池係一種利用太陽光直接發電的光電半導體,其係 將咼純度的半導體材料加入一些不純物使其呈現不同的性質,如 加入硼可形成P型半導體,加入磷可形成N型半導體,pN兩 型怨的半導體結合後,當太陽光入射時,會產生電子與電洞,有 電流通過時,則產生電力。 太陽能電池種類繁多,若依材料的種類來區分,可分為單晶 夕(single crystal silicon)、多晶石夕(p〇iycr^stai siiic〇n)或非晶石夕 (amorphous silicon,簡稱a_Si)等,要判別一個太陽能電池性能的 好壞’主要是鎌職效率的好壞來妓,高猶效率的主 要做法其巾之—是包括將端能魏製作成堆疊式電池(了_师 ⑽。堆疊式電池是將兩個或兩個以上的電池元件堆疊,上層電 5 200840064 池疋吸收較咼能1的光譜,下層電池是吸收較低能量的光譜,透 過不同材料的電池可將光子的能量層層吸收。 第-圖缘示習知之堆疊式太陽能電池之剖面示意圖。為了 方便說明,第一圖僅繪示說明所需之構件。請參考第一圖,習 知之堆疊式太陽能電池丨至少包括第一光電轉換單元12、第 二光電轉換單元14、-反射層13、上玻璃基板u、下玻璃基 板16及一電極15。其中’電極15係配置於下玻璃基板π上, 反射層13係配置於第-光電轉換單元12及第二光電轉換單元 14之間,而上玻璃基板U係配置於第一光電轉換單元12上。 上玻璃基板11係為-透縣板’ #光線17由上玻璃基板 11入射日T,部分級會經由反射層13反射至第—光電轉換單 兀12’而部分光線會穿透反射層13至第二光電轉換單元Μ。 更明確地說,當光線Π由上麵基板u人射時,由於單層反 射層13之材料特性,短波段波長會經由反射層13反射至^一 光電轉換單元丨2中’且第-光電轉換料重複吸收短波段波長, 而長波段波長前透反射層13至第二光解元14内並被第 二光電轉換單元14吸收。 反射層13在不同的厚度下對光線會產生不_干涉效果。反 射和的厚度必彡麵在-定的_,才會得馳波段具高反射 而長波段具低反射㈣性,細,糾的反射層㈣具有不同的 200840064 ==7_度的要求條件亦不相同。第 ㈣的反騎所f要的厚度狀鱗性之曲_,當使用氧 化鋅㈣献射層材料時,_的厚度必彡糊膽_才合 械波長有較高的反射率,在此條件下,所_的反射率為哪, 當使用銦錫氧化物_)献射層材料時,反射層的厚度必須達到 25〇〇埃(A),在此條件下’所達到的反射率為爾。 第-光電賊單元12及第二光電轉鮮元14在電性傳導上 具備串聯_ ’其_反射層13將第—找轉換單元12及第二 光電轉換單元14串聯’因此,若反射層的厚度較小,則串聯之電 阻值亦胃減少。為達職㈣電阻的要求必須使反射層的厚度減 少’但減少反射層厚度又無法符合堆4式太陽能電池在反射率上 的需求,且使用單肢射層所得刺反射縣並不顯著。因此, 習知的太陽能電池具有許多問題尚待解決。 【發明内容】 有L於上述,本發明的目的就是在提供一種太陽能電池, 具有咼低折射係數的多層薄膜交互堆疊,以提高太陽能電池對 光能量的吸收。 本發明的再一目的是在提供一種太陽能電池,其包括上述 之堆豐式薄膜,使太陽能電池具有較佳的光電轉換效率。 為達上述或與其他目的,本發明提出一種太陽能電池,此 太陽此電池包括一基板、至少一第一光電轉換單元、至少一第二 200840064 光電轉換單元及一光學反射元件。第一光電轉換單元及第二光電 轉換單元配置於基板上,光學反射元件係配置於第—光電轉換單 兀,第二光電轉換單元之間,其中該光學反射元件係由多層薄膜 堆疊所組成,且具有至少兩種不同之折射係數。 依照本發明較佳實施例所述之太陽能電池,其中第—光带 轉換早7L包括—第—半導體層、—第—N型半導體層及一第一^ 型半導體層’其巾第—半導體層係配置於第-N型半導體層及第 一 P型半導體層之間,且第—半_層之材料為非晶石夕。曰 依照本發明較佳實施例所述之太陽能電池,其带 轉換單元包括—第二料體層、—第二N型半導體層及一第二^ 中第二半導體層係配置於第^型半導體層及第 -P層之間,且第二半導體層之材料為微晶石夕。 —依照本發明較佳實施例所述之太陽能電池 兀件包含至少三層_,_包括—透明導電軸或是—介電層。 3本發明較佳實施例所述之太陽能電池,其中第州曰層 之^層的折射係數係不同於第n層及第n+ 係數,其中,n為正實數。 胃之h層的折射 =本發明較佳實施例所述之太陽能電池,其中第η :时層之介電層的折射係數係相同,或是 介電層的折難數係不同。 依照本發明較佳實施例所述之太陽能電池,其中第糾層之介 200840064 之間 =、本❸她佳實施例所述之太陽能電池,其中其中入射 盆"、二至光學反航件的波長範圍係介於·奈米之間。 :、n、i—光電娜單元人射至光學反㈣件及第-光電轉換單元,且 乐— 邛刀先、、象猎由光學反射元件反射至第一光電轉 換單元中。 依,¾本發明較佳實施例所述之太陽能電池,其中光學反射 =件之材料例R介電材料,包括氧化物錢化物。較佳地,光 學反射元件之材料包括銦錫氧化物、辞氧化物或錫氧化物。 ㈣'本發明較佳實施例所述之太陽能電池,更包括—電極及一 皿板p極s&置於基板上,電極之材料包括金屬或合金,而蓋板 -基板上且;住第—光電轉換單元及第二光電轉換單 ^餘之材料包油錫氧化物。其中基板包括—玻璃基板、 一石英基板或其他適當材料之基板。 、,在本發騎料之太陽能電池f,具高低折射率且相互堆疊 之,予反射7C件’因此’可以選擇性的反射特定的波長範圍,並 使付反射率;,如此—來,即可使太陽能電池具良好的光電轉 換效率。 特徵和優點能更明顯易 0式’作洋細說明如下。 為讓本發明之上述和其他目的、 if,下文特舉較佳實施例,並配合所附 9 200840064 【實施方式】 第三圖繪示本發明較佳實施例之太陽能電池的結構示音 圖。本實施例之太陽能電池,本實施例之太陽能電池3至少包 括第-光電轉換單it 32、-光學反射祕33、第二光電轉換單 元34及-基板36。光學反射元件33配置於第—光電轉換單元 32及第二光電轉換單元34之間,第二光電轉換單元从及第 一光電轉換單元32係依序堆疊配置於基板%上,且第一光電 轉換單元32位於光人射面。以下針對第—光電轉換單元 第二光電轉換單以4及光學反射耕33的細部結構與配置關 係之詳細說明如下。 ,在本實施例中,第—光電轉換單元32是吸收能量較高的短 波段波長,其波長範圍係介於3〇〇至7〇〇4米之間,第二光電 轉換單元34是⑽能量魏的紐段波長,纽長範_介 於700至2500奈米之間。 、.,第一光電轉換單元32包括第一 N型半導體層323、第一半 導體層322及第-P型半導體層321依序配置於第二光電轉換單 元34上。第一半導體層奶之材質包括非換雜之非晶石夕 Γ〇ΦW S〇弟一 N型半導體層343之材質包括N摻雜之非 曰曰石夕’第-I型铸體之材質包括p摻雜之非晶石夕。 另外’第二光電棘拖 电耔換旱元34包括第型半導體層343、第 二半導體層342及第二l 千V組曰七弟 t半導體層341依序堆疊設置於基板36 10 200840064 ^半V體層342之材質包括非摻雜之微晶石夕 ^o-C^tamne Si) ’第二N型半導體層343之材質包括n推雜 "夕第P ^'半導體之材質包括P摻雜微晶石夕。基板36包括 玻离基板;5英基板或其他適當材料之基板。 。月、”i、、'K麥閱第二gj ’光學反射元件33配置於第—光電轉換單 兀32及第二光電轉換單元%之間,光學反射元件之材料包括氧 化物或氮化物例如是銦錫氧化物、鋅氧化物、錫氧化物或其他 適當之導電材料。 此外,在一較佳實施例中,本發明之太陽能電池更包括一蓋 板31及一電極35配置於基板36上,蓋板31覆蓋住第一光電轉 換元件32及第一光電轉換元件34,其材質例如為銦錫氧化物或 /、他適δ的材貝。電極%配置於該基板%上,其中電極%之 材料例如為金屬、合金或其他適當的材質。 請繼續參閱第三圖,為了增進堆疊式太陽能電池光電轉換的 特性,在本實施例中,光學反射元件33係由多層薄膜交互堆疊形 成於第一光電轉換單元32及第二光電轉換單元34之間,包括至 少兩種不同折射係數,其折射率介於1.3-5.6之間,較佳者是介於 认2·6之間。在本實施例中,光學反射元件33係由高低折射係數 之’專膜父互堆疊所組成,或例如是由低高折射係數之薄膜交互堆 宜所纟且成。在本實施例中,光學反射元件33包含至少三層薄膜, 係由第一介電層331、第二介電層332及第三介電層333所構成, 200840064 射弟〜介電層的材質與其他兩層介電層不同,第二介電層的材 質例如是鋅氧化物(Zn〇),其折射率大約是μ,或是碳化石夕 (么)θ、折射率大約是2.6,或是銦锡氧化物(ITO),其折射率 大約疋U。在本實施例中,帛一介電層及第三介電層可為相同 或不同的材質。 +另外,在本實施射,由於第二介電層的㈣與其他兩層介 電層不同’因此,第二介電層的折射係數係不同於其他介電層, 例如疋第—介電層的折射係數係小於第_介電層及第三介電層的 折射係數。當然,第二介電層的折射係數係也可以大於第一介電 層及第二介電層的折射係數。當然,第-介電層及第三介電層的 折射係數相同也在本實施例之範圍内。 當光線37經蓋板31入射至堆疊式太陽能電池3時,光線37 會經由第一光電轉換單元32入射至光學反射元件33及第二光電 轉換單元34中,其中部分之光線37會經由光學反射元件%反射 入第一光電轉換單元中,而有部分之光線37入射至第二光電轉換 單元34。在本實施例中,光線之波長範圍介於3〇〇_25〇〇奈米之間, 其中經光學反射元件33反射至第一光電轉換單元32的波長範圍 是介於300-700奈求之間,穿過光學反射元件33入射至第二光電 轉換單元34的波長範圍係介於700_25〇〇奈米之間。當然,經光學 反射元件33反射至第一光電轉換單元32的波長範圍也可介於在 700-2500奈米之間,而穿過光學反射元件33入射至第二光電轉換 12 200840064 單凡34的波長範圍是介於在3〇〇_7〇〇奈米之間。 值付》兄明的是,在本實施例中,由於光學反射元件%是由不 ,折射係數之多層介電層交互堆疊所組成,因此,當人射光^經 農板31人射至太陽能電池3時,入射光37、經由第一介電層糾 第--人反射至第-光電轉換單元32内,而當光線通過第二介電層 時,入射光會經第二介電層342第二次反射至第一光電轉換單: 32中接下來,當光線進入至第三介電層343時,則是經第三介 电層343第二次反射。綜上所述,因介電層間彼此折射率的差異, 入射光可重複的反射至第—光電轉換單元32,因此,激發更多的 電子電洞對形成於第—光電轉換單幻2内,並且,由於光學反射 元件是由不同折射係數的多層介電層交互堆疊所組成,因此,當 =射光進人第-光電轉換單元32時,會因光線的干涉個,可使 得入射光在長波長具有較高的反射率,或是使得在短波長具有較 高的反射率。 圖’第四圖繪示在本實施例巾光學反射耕的反 f寸—實施例中光學反射元件的組成結構例如是第-介電 "曰11 ;lrf層及第三介電層之材質分別是鋅氧化物(Zn0)、錫 气tl2)料氧化物(Zn0),厚度範圍分狀鋅氧化物(_ 矢)/錫乳化物(65(H矣)/辞氧化物(9000埃)。在另一實施例中,光學 ί射^馳成結構例如是第―介電層、第二介電層及第三介電 是辞氧化物(Ζη〇)、鋼錫氧化物_及辞氧化物 耗圍分別是辞氧化物_埃v 1因錫氧化物_埃)/ 、’氧 _埃)H本發明並未將光學反射元件之組成 13 200840064 結構限定於上述實施例所述,熟習此技藝者可以依據實際製程 來決定光學反射元件的組成結構。換言之,光學反射元件可以 是如前述所述的任何組成結構其中之一。 承上所述,與習知之太陽能電池相較之下,當習知之光電伏 打電池使用單層鋅氧化物的反射層時,本發明之太陽能電池與習 知之太陽能電池相較之下所達成之反射率增加約15%,且厚度減 夕約600埃。當習知之太陽能電池使用單層銦錫氧化物的反射層 曰寸,在相同的厚度範圍之下,本發明之太陽能電池之反射率可增 加、、句35/6,g習知之太陽能電池使用單層錫氧化物的反射層時, 本發明之太陽能電池之反射率增加約4〇%,厚度範圍約減少2⑻ 埃。在本發明中,光學反射元件反射之波長範圍介於3⑻_25⑻埃 之間,在一貫施例中,對短波長具較高反射率,其反射率為75_8〇 %,因此本實闕之堆疊式太陽能電池與習知的太陽能電池相較 之下,其反射率增加,且反射層的厚度減少,如此一來,即可使 太陽能電池具良好的光電轉換效率。 上所述,本發明之堆疊式太陽能電池具有下列優點: 擎 本發明利用堆疊式反射層具有光學反射元件,其係由 :问折射率之薄膜所組成,因此,當人射之光線人射至太陽能 电池時’藉由高低不同折射率堆疊形成 :地反射特定波長範圍的人射光,並使得反射率二,= 光電伏打電池的光電轉換效能提高。 人4知之堆宜式太陽能電池相比之下,本發明之光學反 14 200840064 射元件的厚度值減少’因此,有助於降低太陽能電池的串聯電阻 值,以提升元件的表現。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上,然其並非用以限定 本發明’任何熟習此技藝者,在不脫離本發明之精神和範= 内,當可作些許之更動與潤飾,因此本發明之保護範圍當視後 附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 第一圖為習知之堆疊式太陽能電池之剖面示意圖; 第二圖為為第―®之太陽能電池之反射層的厚度及反射特性 之曲線圖; 第三圖為本發明較佳實施例之太陽能電池的剖面示意圖; 以及 第四圖為第三圖之太陽能電池與f知之太陽能電池之反射特 性比較之曲線圖。 【主要元件符號說明】 1、3 :太陽能電池 11 :上玻璃基板 12、32 :第一光電轉換單元 13 :反射層 15 200840064 14、 34 :第二光電轉換單元 15、 35 :電極 16 :下玻璃基板 17、37 :光線 31 :蓋板 33 :光學反射元件 36 ··基板 321 :第一 P型半導體層 322 :第一半導體層 323 :第一 N型半導體層 341 :第二P型半導體層 342 :第二半導體層 343 :第二N型半導體層 16
Claims (1)
- 200840064 十、申請專利範圍: 1· 一種太陽能電池,包括: 一基板; 至少-第-光電轉換單元及—第二光電轉換單元,該第一光 電轉換單元及該第二光電轉換單元配置於該基板上;以及 至夕光子反射70件’係配置於該第—光電轉換單元及該第 光A換單凡之間’其中該光學反射元件係由多層薄膜堆疊所 組成,且具有至少兩種不同之折射係數。 2·如申請專利範圍第!項所述之太陽能電池,其中該第一光電轉 換單元包括: 一第一半導體層;以及 、曾-第-N型料體層及—第—p型半導體層,其中該第一半 導體層係配置於該第—N型半導體層及該第_p型半導體層之間。 3. 如申請專娜圍第2項所述之太電池,射該第一半導體 層之材料為非轉,該第—N型半導體層包括n摻雜之非晶 矽,該第—p型半導體包括p摻雜之非晶矽。 4. 如申請專利範圍第i項所述之太陽能電池,其中該第二光電轉 換單元包括: 一第二半導體層;以及 -第二N型半導體層及—第二?型半導_,其中該 體層係配置於該第二N型半導體層及該第二p型半導體層之間; 17 200840064 申月專利feu帛4酬述之太陽能電池 層之材料為微晶石夕,該第:___ ;;中以一 胃$ — Ρ $ ϋ 孓牛V肽層包括Ν摻雜微晶矽, 弟型切體包括Ρ摻雜微晶石夕。 6·如申請專利範圍第i 件包含n射減學反射元 —層—之_膜’該薄膜包括-透明導電層或—介電層。 \口 °月專利祀圍第6項所述之太陽能電池,其中第n+1層之該 ^膜的折射__料n狀帛啦㈣薄麟射係 數,其中η為正實數。 8·如申請專利範圍第7項所述之太陽能電池,其中該第η層及該 弟奸2層之薄膜的折射係數係為相同。 9· ^申請專概圍$ 7賴述之太陽能電池,其中該第η層及該 第η+2層之薄膜的折射係數係為不同。 /申明專利範圍第7項所述之太陽能電池,其中該第州層之 ’專月果的折射係數係大於或小於該第η層及第η+2層之介電層的 折射係數。 U·如申料概圍第6項所狀太陽能電池,其巾該輯膜之折 射率介於1.3-5.6之間。 12·如申請專利範圍第6項所述之太陽能電池,其中該㈣膜之折 射率較佳者是介於1.4-2.6之間。 士申明專利範圍第6項所述之太陽能電池,其巾該介電層的材 夤包括鋅氧化物,其折射率大約是1.4。 18 200840064 14.如申請專利範圍第6項所述之太陽能電池,其中該介電層的材 質包括碳化矽,其折射率大約是2.6。 15·如申請專利範圍第6項所述之太陽能電池,其中該介電層的材 質包括銦錫氧化物,其折射率大約是18。 16·如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池,其中一光線係經由 5亥第一光電轉換單元入射至該光學反射元件及該第二光電轉換 單元’且該部分該光線係藉由該光學反射元件反射入該第一光 電轉換單元中。 17·如申請專利範圍第16項所述之太陽能電池,其中該入射光線 入射至該光學反射元件的波長範圍係介於300-2500奈米之間。 18·如申請專利範圍第16項所述之太陽能電池,其中該反射至該 第一光電轉換單元之光線的波長範圍是介於3〇〇_7〇〇奈来之 門。亥入射至a亥弟一光電轉換单元34之光線的波長範圍係介於 700-2500奈米之間。 19·如申請專利範圍第16項所述之太陽能電池,其中該反射至$ 第一光電轉換單元之光線的波長範圍介於700-2500奈米之門 而該入射至該第二光電轉換單元之光線的波長範圍是仑、 300-700奈米之間。 於 20·如申請專利範圍第丨項所述之太陽能電池,其中該光學反射一 件之材料包括氧化物、氮化物、銦錫氧化物、鋅氧化物疋 氧化物或導電材料。 錫 19 200840064 21·如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池,其更包括一電極及 一蓋板,該電極配置於該基板上,該蓋板配置於該基板上且覆 盍住該第一光電轉換單元及該第二光電轉換單元。 22·如申凊專利範圍第21項所述之太陽能電池,其中該電極之材 料包括金屬或合金,該蓋板之材料包括銦錫氧化物。 23·如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池,其中該基板包括〜 玻璃基板、一石英基板或其他適當材料之基板。 20
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