TW201347206A - 層疊型太陽能電池結構 - Google Patents
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Abstract
一種層疊型太陽能電池結構，包含一基板、一底層太陽能電池組、一導電介面層及一頂層太陽能電池。底層太陽能電池組包含複數個太陽能電池單元並設置於基板上，導電介面層設置於頂層太陽能電池和底層太陽能電池組之間。複數個太陽能電池單元彼此間形成串聯結構同時與頂層太陽能電池形成串聯結構。頂層太陽能電池具有較高能隙值，且底層太陽能電池單元具有較低能隙值，如此可吸收能量分佈較廣之太陽光。底層太陽能電池組之複數個太陽能電池單元與頂層太陽能電池形成之電路上串聯結構可降低頂層太陽能電池與底層太陽能電池介面電流的不匹配性，同時因複數個底層太陽能電池單元串聯結構提升整體層疊型太陽能電池結構的開路電壓(Voc)，進而增加電池光電轉換效率。
Description
一種太陽能電池結構，特別是指一種可降低頂層太陽能電池與底層太陽能電池組電流不匹配性並增加開路電壓之層疊型太陽能電池結構。
隨著能源短缺的現象日益嚴重，對新能源開發的需求也日益加重。從太陽光表面發射出來的能量，穿過大氣層到地球表面，約有1.8 x 1014 kW，此能量值大約為全球平均電力的十萬倍。因此若能有效利用太陽光能量，將對解決能源短缺問題有很大助益。太陽能電池是一種能量轉換元件。其目的是把太陽光能量轉換成電能。太陽能電池發電原理是利用光伏特效應(Photovoltaic Effect)。基本太陽能電池元件結構係由一p型及n型半導體組合而成。當太陽光照射到元件時，能量大於半導體能隙的太陽光會被吸收，而使得半導體元件產生電子電洞對，接通後即形成電流。
太陽輻射光譜，波長主要分佈範圍從0.3微米之紫外光到數微米之紅外光。換算成光子能量，範圍大約從0.4電子伏特(Electronic Volt，eV)到4電子伏特。因此太陽光能量為一廣域分佈。通常太陽能電池結構材質為矽基材質。矽材料能隙在常溫下約為1.1電子伏特。因此利用矽材料單一接面(Single Junction)結構製成之太陽能電池，僅能吸收能量高於1.1電子伏特之太陽光。其他能量低於1.1電子伏特之太陽光無法被吸收，如此將導致光電轉換效率過低之問題。為解決此問題，堆疊式太陽能電池的結構已被提出來。其基本概念是將具有不同能隙的半導體元件堆疊在一起，如此可利用兩種不同能隙的半導體元件分別吸收不同能量的太陽光以增進光電轉換效率。雖然以此種方式可增加能量吸收的帶寬，但由於是兩種具不同能隙的半導體元件疊合在一起，頂層太陽能電池與底層太陽能電池各自產生之電流密度差異過大，此電流不匹配性將導致整個元件光電轉換效率減低，因此如何降低電流不匹配性是一個重要的議題。
本發明目的係提供一種可降低電流不匹配性進而提高光電轉換效率之層疊型太陽能電池結構。太陽光由具有較高能隙值材料組成之頂層太陽能電池入射後，可先吸收較短波長之太陽光，其餘較長波長之太陽光穿過具有穿隧效果之導電介面層後，由具有較低能隙值材料組成之底層太陽能電池組所吸收，如此可吸收一廣域能量之太陽光。並且由於本發明之底層太陽能電池組係由複數個由單一太陽能電池晶胞分割之太陽能電池單元組成，隨著電流大小與接觸面積大小成反比，頂層太陽能電池產生之電流通過具有不同能隙之底層太陽能電池組所產生之不匹配性可藉由複數個分割而形成之小面積太陽能電池單元所補償，如此可降低電流不匹配性而增進光電轉換效率。由於複數個太陽能電池單元係由單一太陽能電池晶胞分割而形成，本發明之層疊型太陽能電池結構亦具有節省製造成本及增加生產效率之優點。
為達到本發明目的，本發明之一態樣之一實施方式係在提供一種層疊型太陽能電池結構。一基板上設置有底層太陽能電池組和頂層太陽能電池。頂層太陽能電池和底層太陽能電池組之間具有一導電介面層。底層太陽能電池組包含複數個太陽能電池單元，且複數個太陽能電池單元彼此間形成串聯結構。頂層太陽能電池僅與底層太陽能電池組其中之一太陽能電池單元串聯。底層太陽能電池組之太陽能電池單元具有較低能隙值，頂層太陽能電池具有相對於底層太陽能電池組之太陽能電池單元較高之能隙值。
本發明之另一態樣之一實施方式，係在提供一種層疊型太陽能電池製造方法，應用於本發明之層疊型太陽能電池結構。底層太陽能電池組之太陽能電池單元由單一太陽能電池晶胞分割形成且彼此間互相形成串聯，其中複數個太陽能電池單元彼此間具有一間隙。頂層太陽能電池與底層太陽能電池組間具有一導電介面層且頂層太陽能電池與底層太陽能電池組其中之一太陽能電池單元形成串聯。
本發明之一態樣之一實施方式，基板可為透明基板或可撓式基板。另基板材質可為玻璃、金屬或有機材料。
本發明之一態樣之一實施方式，形成底層太陽能電池組之太陽能電池單元方法可為雷射切割、化學蝕刻或反應式離子蝕刻。
本發明之一態樣之一實施方式，底層太陽能電池組之太陽能電池單元可由III-V族化合物半導體材料、II-VI族化合物半導體材料、有機半導體材料、奈米材料、銅銦鎵硒酸鹽材料、或碲化鎘材料製成。
本發明之一態樣之一實施方式，導電介面層可由導電透明氧化物材料或薄而可透光金屬材料製成，且此導電介面層為穿隧接面層。
本發明之一態樣之一實施方式，頂層太陽能電池可由以非晶矽(a-Si)為基材之化合物材料、以及銅鎵硒(CGS)為基材之化合物材料或以非晶矽/微晶矽(a-Si/μc-SiC)多接面(multi-junction)結構製成。
本發明之一態樣之一實施方式，底層太陽能電池單元形成之串聯結構為電路上串聯結構，其形成方法可藉由複數個太陽能電池單元配合導電基板連接而形成或可藉由在複數個太陽能電池單元彼此間之間隙先沉積一絕緣物質，切穿絕緣物質形成一填充空間，再填入導電物質於填充空間而形成。
本發明之一態樣之一實施方式，可重覆延伸串聯多數個層疊型太陽能電池而形成一大面積之太陽能電池模組，其中串聯方法為將其中之一層疊型太陽能電池之底層太陽能電池組之太陽能電池單元之負電極與次一層疊型太陽能電池之正電極相聯而成。
綜上所述，本發明之層疊型太陽能電池結構，可利用頂層太陽能電池及底層太陽能電池組具有相異能隙的原理，增加對太陽光的吸收頻寬，並且底層複數個太陽能電池單元彼此間互相串聯，且與頂層太陽能電池同時形成電路上串聯結構。利用電流大小與接觸面積大小成反比的關係，可緩衝頂層太陽能電池與底層太陽能電池組電流不匹配的問題，同時因為底層複數個太陽能電池單元彼此間互相串聯，使本發明之層疊型太陽能電池結構的開放電壓較習知層疊型太陽能電池者大為增加，進而提升光電轉換效率。
為能清楚描述本發明之技術核心，本實施方式內容先敘明本發明之一最簡實施方式，再輔以具體實施例詳述本發明之詳細實施方式。
請先參照第1圖，第1圖為本發明之一態樣之一最簡實施方式示意圖。一層疊型太陽能電池結構110包含一基板111、一底層太陽能電池組112、一導電介面層113及一頂層太陽能電池114。底層太陽能電池組112設置於基板111上。底層太陽能電池組112由太陽能電池單元115及116組成。太陽能電池單元115及太陽能電池單元116係由單一太陽能電池晶胞(未編號)分割而形成。一導電介面層113設置於頂層太陽能電池114及太陽能電池單元115間。頂層太陽能電池114與底層太陽能電池組112之太陽能電池單元115及太陽能電池單元116形成電路上串聯結構。頂層太陽能電池114具有較高能隙值，底層太陽能電池組112之太陽能電池單元115及太陽能電池單元116具有較低能隙值。太陽光由頂層太陽能電池114上方入射，短波長部分由頂層太陽能電池114所吸收，長波長部分穿透頂層太陽能電池114而為底層太陽能電池組112吸收。並且由於底層太陽能電池組112係由兩相對接觸面積較小之太陽能電池單元115及太陽能電池單元116串聯組成，隨著電流大小與接觸面積大小成反比的關係，底層太陽能電池組112產生之電流量與頂層太陽能電池114的差異性減少，使層疊型太陽能電池結構的短路電流減少對頂層太陽能電池較小短路電流的影響，同時層疊型太陽能電池結構的開放電壓(Vo)卻因串聯的底層太陽能電池組而增加，使整個層疊型太陽能結構的光電轉換效率大為提升。
為能更敘明本發明實施方式，特舉一頂層太陽能電池為具較高能隙值之非晶矽基(a-Si)p-i-n型太陽能電池與底層太陽能電池組之電池單元為具較低能隙值之銅銦鎵硒(CIGS)p-n型太陽能電池之層疊型太陽能電池結構及其製造方法說明之。
請參照第2A圖，第2A圖為依照本發明之一態樣之一實施方式之第一階段製程示意圖。一鉬(Mo)導電金屬層212沉積在基板211上以當成背向電極層。然後一p型銅銦鎵硒酸鹽(CIGS)層213沉積在鉬導電金屬層212上。然後，在p型銅銦鎵硒酸鹽(CIGS)層213上沉積一n型硫化鎘(CdS)層214以形成p-n接面結構。
請繼續參照第2B圖，第2B圖為依照本發明之一態樣之一實施方式之第二階段製程示意圖。以雷射切割方法應用在第2A圖形成的結構上。在位置P1切穿硫化鎘(CdS)層及銅銦鎵硒酸鹽(CIGS)層並形成寬度為W1之凹槽。
請繼續參照第2C圖，第2C圖為依照本發明之一態樣之一實施方式之第三階段製程示意圖。以雷射切割方法應用在第2B圖形成的結構上。在位置P2切穿鉬導電層並形成寬度為W2之凹槽。
請繼續參照第2D圖，第2D圖為依照本發明之一態樣之一實施方式之第四階段製程示意圖。在第2C圖結構上沉積一層原質(Intrinsic)且具有高阻抗之第一氧化鋅(ZnO)層215。
請繼續參照第2E圖，第2E圖為依照本發明之一態樣之一實施方式之第五階段製程示意圖。以雷射切割方法應用在第2D圖形成的結構上。在位置P3切穿第一氧化鋅(ZnO)層215並形成寬度為W3之凹槽。
請繼續參照第2F圖，第2F圖為依照本發明之一態樣之一實施方式之第六階段製程示意圖。於第2E圖之結構上沉積一層透明高導電之第一參雜鋁氧化鋅(ZnO：Al)層216。
請繼續參照第2G圖，第2G圖為依照本發明之一態樣之一實施方式之第七階段製程示意圖。先在右側晶胞(未編號)之第一參雜鋁氧化鋅層216上方覆蓋一層可移除之暫時遮罩層220，並以雷射切割方法在位置P4切穿部分第一參雜鋁氧化鋅層216，並形成一寬為W4之區域。同時在左側晶胞(未編號)之第一參雜鋁氧化鋅層216上方沉積一層透明高導電之第二參雜鋁氧化鋅(ZnO：Al)層217。
請繼續參照第2H圖，第2H圖為依照本發明之一態樣之一實施方式之第八階段製程示意圖。先在左側晶胞(未編號)之第二參雜鋁氧化鋅(ZnO：Al)層217上方覆蓋一層可移除之暫時遮罩層230，然後沉積一層第二氧化鋅層218。
請繼續參照第2I圖，第2I圖為依照本發明之一態樣之一實施方式之第八階段製程示意圖。在第2H圖所形成結構上，沉積一非晶矽基(a-Si)p-i-n型太陽能電池太陽能電池結構219，至此形成一層疊型太陽能電池結構210。
請繼續參照第3圖，第3圖為層疊型太陽能電池結構應用方式示意圖。在第2I圖形成之非晶矽基(a-Si)p-i-n型太陽能電池太陽能電池結構219上沉積一層透明高導電之參雜鋁氧化鋅(ZnO：Al)層312，然後再沉積一層透光層313於參雜鋁氧化鋅(ZnO：Al)層312上。太陽光由透光層313入射後，經過較高能隙值之非晶矽基(a-Si)p-i-n型太陽能電池219與由p型銅銦鎵硒酸鹽(CIGS)層213及n型硫化鎘(CdS)層214組成之較低能隙值之銅銦鎵硒(CIGS)p-n型太陽能電池(未編號)。光伏特效應(Photovoltaic Effect)產生之電流流向如內電流路徑410所示。實際應用時，外接裝置500可將電極兩端分別連接於鉬(Mo)導電金屬層212及透明高導電之參雜鋁氧化鋅(ZnO：Al)層312，此時電流流向為外電流路徑420所示。
請繼續參照第4圖，第4圖為層疊型太陽能電池改良結構示意圖。在如第2I圖形成之層疊型太陽能電池結構210上，可在第二參雜鋁氧化鋅(ZnO：Al)層217和非晶矽基(a-Si)p-i-n型太陽能電池太陽能電池結構219間沉積一層透明高導電之參雜鋁氧化鋅(ZnO：Al)層311，藉由此參雜鋁氧化鋅(ZnO：Al)層311可降低因電流通過異質接面所造成的額外損失。
另外，本發明之一實施方式，更可再串聯層疊型太陽能電池結構，形成一大面積太陽能電池模組。其方法是先由一頂層太陽能電池串聯複數個底層太陽能電池單元而構成的層疊型太陽能電池單元，然後依次，先在選擇好的大面積基板上鍍製底層電極，然後將其切割成所需層疊太陽能電池單元的面積與數量，再鍍上不包括層疊太陽能電池單元透明電極的結構，然後再在基板電極切割線旁將之切割至基板電極上面為止，最後才將透明電極層鍍上，並在前一切割線旁將之切割至基板電極上面為止，如此使前一層疊太陽能電池單元的負電極與後一相鄰的層疊太陽能電池單元正電極相聯，形成一可選擇電壓與功率的大面積之太陽能電池模組。
由上述本發明實施方式可知，本發明之層疊型太陽能電池結構，其特點在於利用頂層太陽能電池與底層太陽能電池組之複數個電池單元形成串聯，並藉由電流大小與接觸面積成反比的原理，可改善習知層疊型太陽能電池結構頂層太陽能電池與底層太陽能電池電流不匹配的缺點，並因串聯的底層太陽能電池組而增加層疊型太陽能電池結構的開放電壓(Vo)，進而得到比習知太陽能電池更高之光電轉換效率。另外更可再串聯本發明之層疊型太陽能電池結構而得到一大面積太陽能電池模組以為實際應用需求。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，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圍內，當可作各種之更動與潤飾，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。
110．．．層疊型太陽能電池結構
111．．．基板
112．．．底層太陽能電池組
113．．．導電介面層
114．．．頂層太陽能電池
115．．．太陽能電池單元
116．．．太陽能電池單元
210．．．層疊型太陽能電池結構
211．．．基板
212．．．鉬導電金屬層
213．．．p型銅銦鎵硒酸鹽層
214．．．n型硫化鎘層
215．．．一氧化鋅層
216．．．第一參雜鋁氧化鋅層
217．．．第二參雜鋁氧化鋅層
218．．．第二氧化鋅層
219．．．非晶矽基p-i-n型太陽能電池太陽能電池結構
220．．．暫時遮罩層
230．．．暫時遮罩層
311．．．參雜鋁氧化鋅層
312．．．參雜鋁氧化鋅層
313．．．透光層
410．．．內電流路徑
420．．．外電流路徑
500．．．外接裝置
W1．．．寬度
P1．．．位置
W2．．．寬度
P2．．．位置
W3．．．寬度
P3．．．位置
W4．．．寬度
P4．．．位置
第1圖為本發明之一態樣之一最簡實施方式示意圖。
第2A圖為依照本發明之一態樣之一實施方式之第一階段製程示意圖。
第2B圖為依照本發明之一態樣之一實施方式之第二階段製程示意圖。
第2C圖為依照本發明之一態樣之一實施方式之第三階段製程示意圖。
第2D圖為依照本發明之一態樣之一實施方式之第四階段製程示意圖。
第2E圖為依照本發明之一態樣之一實施方式之第五階段製程示意圖。
第2F圖為依照本發明之一態樣之一實施方式之第六階段製程示意圖。
第2G圖為依照本發明之一態樣之一實施方式之第七階段製程示意圖。
第2H圖為依照本發明之一態樣之一實施方式之第八階段製程示意圖。
第2I圖為依照本發明之一態樣之一實施方式之第九階段製程示意圖。
第3圖為層疊型太陽能電池結構應用方式示意圖。
第4圖為層疊型太陽能電池改良結構示意圖。
110．．．層疊型太陽能電池結構
111．．．基板
112．．．底層太陽能電池組
113．．．導電介面層
114．．．頂層太陽能電池
115．．．太陽能電池單元
116．．．太陽能電池單元
Claims (27)
- 一種層疊型太陽能電池結構，其包含：一基板；一底層太陽能電池組，設置於該基板上，其包含：複數個太陽能電池單元，其中該複數個太陽能電池單元彼此互相串聯，並且該複數個太陽能電池單元具有較低能隙值；一導電介面層，設置於該底層太陽能電池組上；以及一頂層太陽能電池，設置於該導電介面層上，其中該頂層太陽能電池僅與該底層太陽能電池組其中之一太陽能電池單元串聯，並且該頂層太陽能電池具有相對於該複數個太陽能電池單元較高之能隙值。
- 如請求項第1項所述之層疊型太陽能電池結構，其中該底層太陽能電池組為該頂層太陽能電池所覆蓋。
- 如請求項第1項所述之層疊型太陽能電池結構，其中該基板為一透明基板。
- 如請求項第3項所述之層疊型太陽能電池結構，其中該透明基板材質為玻璃。
- 如請求項第1項所述之層疊型太陽能電池結構，其中該基板材質為金屬。
- 如請求項第1項所述之層疊型太陽能電池結構，其中該基板材質為有機材料。
- 如請求項第1項所述之層疊型太陽能電池結構，其中該基板為可撓式基板。
- 如請求項第1項所述之層疊型太陽能電池結構，其中形成該底層太陽能電池組之太陽能電池單元方法可為雷射切割。
- 如請求項第1項所述之層疊型太陽能電池結構，其中形成該底層太陽能電池組之太陽能電池單元方法可為化學蝕刻。
- 如請求項第1項所述之層疊型太陽能電池結構，其中形成該底層太陽能電池組之太陽能電池單元方法可為反應式離子蝕刻。
- 如請求項第1項所述之層疊型太陽能電池結構，其中該底層太陽能電池組之太陽能電池單元由III-V族化合物半導體材料製成。
- 如請求項第1項所述之層疊型太陽能電池結構，其中該底層太陽能電池組之太陽能電池單元由II-VI族化合物半導體材料製成。
- 如請求項第1項所述之層疊型太陽能電池結構，其中該底層太陽能電池組之太陽能電池單元由有機半導體材料製成。
- 如請求項第1項所述之層疊型太陽能電池結構，其中該底層太陽能電池組之太陽能電池單元由奈米材料製成。
- 如請求項第1項所述之層疊型太陽能電池結構，其中該底層太陽能電池組之太陽能電池單元由銅銦鎵硒酸鹽材料製成。
- 如請求項第1項所述之層疊型太陽能電池結構，其中該底層太陽能電池組之太陽能電池單元由碲化鎘材料製成。
- 如請求項第1項所述之層疊型太陽能電池結構，其中該導電介面層由導電透明氧化物材料製成。
- 如請求項第1項所述之層疊型太陽能電池結構，其中該導電介面層由薄而可透光之金屬材料製成。
- 如請求項第1項所述之層疊型太陽能電池結構，其中該導電介面層為一穿隧接面層。
- 如請求項第1項所述之層疊型太陽能電池結構，其中該頂層太陽能電池由以非晶矽(a-Si)為基材之化合物材料製成。
- 如請求項第1項所述之層疊型太陽能電池結構，其中該頂層太陽能電池由以銅鎵硒(CGS)為基材之化合物材料製成。
- 如請求項第1項所述之層疊型太陽能電池結構，其中該頂層太陽能電池由非晶矽/微晶矽(a-Si/μc-SiC)多接面(multi-junction)結構製成。
- 一種層疊型太陽能電池製造方法，應用於請求項第1項所述之層疊型太陽能電池結構，其包含：形成一太陽能電池晶胞；將該太陽能電池晶胞分割形成複數個太陽能電池單元，其中該複數個太陽能電池單元彼此間具有一間隙；將該複數個太陽能電池單元間互相串聯形成一底層太陽能電池組；以及形成一頂層太陽能電池，該頂層太陽能電池與該底層太陽能電池組其中之一太陽能電池單元串聯。
- 如請求項第23項所述之層疊型太陽能電池製造方法，該串聯為電路上之串聯。
- 如請求項第23項所述之層疊型太陽能電池製造方法，該底層太陽能電池組之複數個太陽能電池單元之串聯方法可藉由該複數個太陽能電池單元配合導電基板連接而形成。
- 如請求項第23項所述之層疊型太陽能電池製造方法，該底層太陽能電池組之複數個太陽能電池單元之串聯方法可藉由在各該複數個太陽能電池單元彼此間之間隙先沉積一絕緣物質，切割該絕緣物質形成一填充空間，再填入導電物質於該填充空間而形成。
- 如請求項第23項所述之層疊型太陽能電池製造方法，可重覆延伸串聯多數個該層疊型太陽能電池而形成一大面積之太陽能電池模組，其中該串聯方法為將其中之一層疊型太陽能電池之底層太陽能電池組之太陽能電池單元之負電極與次一層疊型太陽能電池之正電極相聯而成。
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