TW201347212A - 光波轉換層及具有光波轉換層之太陽能電池 - Google Patents

Abstract

一種光波轉換層，配置於一太陽能電池。光波轉換層以至少一光致發光材料混合一金屬材料而形成電極，吸收一太陽光中波長介於600nm~2,000nm之間的一吸收光並上轉換為較吸收光之波長為短且波長介於200~1,200nm之間之一轉換光，再由金屬材料將轉換光散射至太陽能電池以進行二次吸收。

Description

光波轉換層及具有光波轉換層之太陽能電池

本發明係為一種太陽能電池結構，特別是關於一種光波轉換層及具有光波轉換層之太陽能電池。

太陽能電池在全球暖化危機的持續發展下，其重要性日益提高。而太陽能電池中，以矽為基板的太陽能電池，仍為目前成本最具競爭力，且商用之發電效率最高者，因而，其為目前市場中的主流。

然而，以矽為基板之太陽能電池，由於矽可吸收太陽能的波長範圍大約在350~1,000nm(奈米)之間，因此，小於350nm的短波紫外光與大於1,000nm的紅外光及遠紅外光，均無法為矽所吸收而造成此部分光的散射。其中，小於350nm的短波段的光，約佔太陽光能的9%能量，而大於1,000nm的紅外線及遠紅外線的長波段的光(紅外光及遠紅外光)，則約佔太陽光能的47%。這兩個部份的能量由於無法為矽所吸收，因而限制了矽基太陽能電池的發電效率，其理論值最高可達40%(串接型)。

請參考第1A、1B圖，其為習知的兩種太陽能電池架構圖，第1A圖係為全射極層的太陽能電池架構之剖面示意圖，第1B圖則為選擇性射極的太陽能電池架構剖面示意圖。

請參考第1A圖，其為以均勻射極為設計理念之太陽能電池的剖 面分層示意圖，其依序為：表面電極40、抗反射層30、摻雜層24、半導體基板10(P型半導體基板)、P+摻雜層50、背面電極層60。

選擇性射極的設計理念，請參考第1B圖，其為以選擇性射極為設計理念之太陽能電池的剖面分層示意圖，其依序為：表面電極40、抗反射層30、輕摻雜層20、重摻雜層22、半導體基板10(P型半導體基板)、P+摻雜層50、背面電極層60。

由於矽本身的特性，無論是第1A圖的均勻射極太陽能電池或第1B圖的選擇性射極太陽能電池，或者其他的串接型太陽能電池，皆無法將紅外光100及遠紅外光的長波段的光吸收。此外，較長波長的光(例如，紅光)亦有較不易太陽能電池吸收的問題。因此，若能開發一種可於矽基太陽能電池上將紅外光、遠紅外光或較長波長的可見光等進行吸收，則潛在了將太陽光能當中未受運用的47%能量加以運用的可能性，將能有效地提升太陽能電池的發電效率。

鑒於以上習知技術無法運用到紅外光之長波段的問題，本發明提供一種光波轉換層，配置於一太陽能電池，其特徵在於：光波轉換層以至少一光致發光材料混合一金屬材料而形成電極，吸收一太陽光中波長介於600nm~2,000nm之間的一吸收光並上轉換為較吸收光之波長為短且波長介於200~1,200nm之間之一轉換光，再由金屬材料將轉換光散射至太陽能電池以進行二次吸收。

本發明更提供一種具有光波轉換層之太陽能電池，包括：半導體基板、至少一抗反射層及一光波轉換層。其中，半導體基板表面具有 至少一摻雜層，半導體基板係可吸收太陽光而轉換為光電流。抗反射層設置於摻雜層之上。光波轉換層吸收一太陽光中波長介於600nm~2,000nm之間的一吸收光並上轉換為較吸收光波長為短且介於200~1,200nm之間之一轉換光，再將轉換光散射至半導體基板以進行二次吸收。

運用本發明之光波轉換層與具有光波轉換層之太陽能電池，可有效地吸收大於600nm波長的吸收光並上轉換為較吸收光波長短的轉換光，進而讓半導體基板進行二次吸收，而增加太陽能電池發電效率。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者瞭解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。

10‧‧‧半導體基板

20‧‧‧輕摻雜層

22‧‧‧重摻雜層

24‧‧‧摻雜層

30‧‧‧抗反射層

40‧‧‧表面電極

50‧‧‧P+摻雜層

60‧‧‧背面電極層

80‧‧‧光波轉換層

81‧‧‧光致發光材料

100‧‧‧紅外光

200‧‧‧可見光

第1A、1B圖，其為習知技術之太陽能電池之兩個具體實施例剖面示意圖；及第2A至2I圖，其為本發明之具有光波轉換層之太陽能電池之多個具體實施例剖面示意圖。

本發明運用光致發光(photoluminescence)材料將不易為矽所吸收的紅外線轉換為矽可吸收的可見光的部分，並將至少一種光致發光材料與背面電極材料共同製作於太陽能電池的底部為背面電極，而構成光 波轉換層的設計，即可將轉換過後的可見光散射回半導體基板。於是，半導體基板進行了二次吸收，而提高太陽能電池的發光效率。以下，將舉數個實施例來說明本發明。

接著，請參考第2A、2B圖，其為本發明之具有光波轉換層之太陽能電池之兩個具體實施例剖面示意圖。其發明概念為，將至少一種光致發光材料81摻雜入金屬材料(例如，鋁膠)而共同燒結形成於背面電極的製作過程中，而形成光波轉換層80。由於背面電極的材料一般採用金屬(例如，鋁)，其為良好的光散射層，而可於製作於其中的至少一種光致發光材料81將紅外光100吸收後上轉換為可見光200後直接散射回半導體基板10當中進行二次吸收。在一實施例中，光致發光材料81可將紅外光100波長大於750奈米(nm)的部份吸收後，轉換為波長400~700奈米(nm)之間的可見光200。在另一實施例中，光致發光材料81可吸收太陽光中波長介於600nm~2,000nm之間的吸收光並上轉換為較吸收光之波長為短且波長介於200~1,200nm之間之轉換光。將大於600nm的較長波長的吸收光上轉換為波長較其為短的轉換光，並將其散射回半導體基板10，半導體基板10即可進行二次吸收轉換光而轉換為光電流。其中，本發明可運用一種光致發光材料81。在另一實施例中，可混和多種光致發光材料81，可將不同波長的較長波長的吸收光分別轉換為較短波長的轉換光，進而增加半導體基板10對轉換光的吸收機率。

請參考第2A圖，其為本發明之具有光波轉換層之太陽能電池 之具體實施例剖面示意圖，其為均勻射極(單一射極層)的實施例。具有光波轉換層之太陽能電池包括：半導體基板10、表面電極40、抗反射層30、摻雜層24、P+摻雜層50、光波轉換層80等，其中，光波轉換層80係由背面電極之材料(例如，鋁)混和至少一種光致發光材料81而形成。

其中，半導體基板10之表面形成有均勻的摻雜層24，半導體基板10係可吸收太陽光而轉換光電流，並藉由表面電極40與光波轉換層80輸出電壓。抗反射層30設置於摻雜層24之上，在第2A圖中，抗反射層30一般為至少一層，其可減少入射光之反射率並保護半導體基板10。光波轉換層80設置於P+摻雜層50下方而背對抗反射層30，其中的光致發光材料81可吸收太陽光之紅外光100穿透至光波轉換層80的部分而上轉換為太陽光之可見光200，而光波轉換層80當中的金屬材料可將其散射回半導體基板10。

接著，請參考第2B圖，其為本發明之具有光波轉換層之太陽能電池之另一具體實施例剖面示意圖，其為選擇性射極的實施例。具有光波轉換層之太陽能電池包括：半導體基板10、表面電極40、抗反射層30、輕摻雜層20、重摻雜層22、P+摻雜層50、光波轉換層80等。其中，光波轉換層80係由背面電極之材料(例如，鋁)混和至少一種光致發光材料81而形成。半導體基板10之表面形成有輕摻雜層20、重摻雜層22，半導體基板10係可吸收太陽光而轉換光電流，並藉由表面電極40與光波轉換層80輸出電壓。抗反射層30設置於輕摻雜層20、重摻 雜層22之上，在第2B圖中，抗反射層30可減少入射光之反射率並保護半導體基板10。光波轉換層80設置於P+摻雜層50下方而背對抗反射層30，其中的光致發光材料81可吸收太陽光之紅外光100穿透至光波轉換層80的部分而上轉換為太陽光之可見光200，而光波轉換層80當中的金屬材料可將其散射回半導體基板10。

其中，半導體基板10可為光電轉換基板，半導體基板10更可為單晶矽基板、多晶矽基板、非晶矽基板等。於本實施例中，半導體基板10為P型半導體基板；在另一實施例中，可為N型半導體基板。本實施例之半導體基板10具有第一表面(正面)為光入射表面，而第二表面(背面)為背光表面。

摻雜層24係藉由半導體基板10的表面摻雜反態雜質所形成。當半導體基板10為P型半導體基板時，則反態摻雜為N型摻雜元素，例如但不限於磷、砷、銻、鉍、或其任二者(含)以上的組合。當半導體基板10為N型半導體基板時，則反態摻雜為P型摻雜元素，例如但不限於硼、鋁、鎵、銦、鉈、或其任二者(含)以上的組合。

半導體基板10的第一表面即為摻雜層24的表面，摻雜層24的底面則構成P-N接面(Junction)，此P-N接面兩端會形成載子空乏區(depletion region)。載子空乏區提供內建電場，將產生的自由電子送往N極，電洞送往P極。因此產生了電流，此時只要外加電路將兩端連接即可利用太陽能電池所產生的電力。

其中，光波轉換層80當中的光致發光材料81可選自具有吸收 太陽光中波長介於600nm~2,000nm之間的吸收光並上轉換為較吸收光之波長為短且波長介於200~1,200nm之間之轉換光之光致發光螢光材料、光致發光染料(Dye)或光致發光量子點(QD)。其中，光致發光材料81之粒徑可在1奈米(nm)至30微米(um)之間。

例如，在螢光材料的選擇上，可選自3價稀土離子，如Tb3+(3價鋱)、Ho3+(3價鈥)、Er3+(3價鉺)或其他可進行上轉換的光致發光螢光材料。其中，採用Er3+離子之螢光材料，可吸收紅外光並轉換為黃、綠光與紅光，此黃、綠與紅色之可見光是正好落於矽基太陽能電池最佳之效率處(400~700 nm)。例如，採用Er3+(3,5,7,10 mol%)-doped Y2Ti2O7奈米粉末，在Er3+(5 mol%)-doped Y2Ti2O7材料做為光波轉換層80之光致發光材料81，亦可使光波轉換層80將紅外光上轉換為黃、綠、紅光。

可將太陽光中波長介於600nm~2,000nm之間的吸收光並上轉換為較吸收光之波長為短且波長介於200~1,200nm之間之轉換光的其他螢光材料、染料、量子點等，係為熟習該項技藝者所熟知，均可應用於本發明之光波轉換層80當中，於此不多加贅述。

在結構上，光致發光材料81配置於光波轉換層80內的方式有多種不同的實施例，其中，第2A、2B圖係為光波轉換層80以光致發光材料81隨機分佈於光波轉換層80之實施例，其分別為運用於單層射極層之太陽能電池與選擇性射極層之太陽能電池。

除了隨機分佈的配置結構外，其他光致發光材料81於光波轉 換層80之配置結構的實施例，請參考第2C至2I圖，分別為：光致發光材料81均勻分佈於光波轉換層80(第2C圖之實施例)；光致發光材料81分佈於光波轉換層80之上表面(第2D圖之實施例)；光致發光材料81分佈於光波轉換層80之下表面(第2E圖之實施例)；光致發光材料81分佈於光波轉換層80中間(第2F圖之實施例)；光致發光材料81同時分佈於光波轉換層80之上表面與下表面(第2G圖之實施例)；光致發光材料81分佈於光波轉換層80之上表面至中間處且濃度由高至低(第2H圖之實施例)；光致發光材料81分佈於光波轉換層80之下表面至中間處且濃度由高至低(第2I圖之實施例)。不同的配置方式，皆可達到將紅外光上轉換為較短波長的可見光，再藉由光波轉換層80本身的金屬材料散射至半導體基板當中進行吸收，進而轉換為光電流，進行太陽光的”二次吸收”。

此外，第2C至2I圖中的實施例，係以如第2B圖的單層射極層之太陽能電池為例所繪製，其光波轉換層80之光致發光材料81的配置，同樣可運用於如第2A圖之選擇性射極之太陽能電池。同樣地，以上的光波轉換層80的設計，亦可運用於具有背面電極之串接型太陽能電池。

不同的配置方式的製作，皆可透過現有的製程技術製作出來，其為熟習該項技藝者可執行者，於此不多加贅述。

雖然本發明之較佳實施例揭露如上所述，然其並非用以限定本發明，任何熟習相關技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作 些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧半導體基板

20‧‧‧輕摻雜層

22‧‧‧重摻雜層

30‧‧‧抗反射層

40‧‧‧表面電極

50‧‧‧P+摻雜層

80‧‧‧光波轉換層

81‧‧‧光致發光材料

100‧‧‧紅外光

200‧‧‧可見光

Claims (16)

1. 一種光波轉換層，配置於一太陽能電池，其特徵在於：該光波轉換層以至少一光致發光材料混合一金屬材料而形成電極，吸收一太陽光中波長介於600nm~2,000nm之間的一吸收光並上轉換為較該吸收光之波長為短且波長介於200~1,200nm之間之一轉換光，再由該金屬材料將該轉換光散射至該太陽能電池中以進行二次吸收。
2. 如請求項1所述之光波轉換層，其中該光致發光材料係選自：一螢光材料、一染料(Dye)、一量子點(QD)及其組合。
3. 如請求項1所述之光波轉換層，其中該光致發光材料之粒徑在1奈米(nm)至30微米(um)之間。
4. 一種具有光波轉換層之太陽能電池，包括：一半導體基板，其表面具有至少一摻雜層，該半導體基板係可吸收一太陽光而轉換為一光電流；至少一抗反射層，設置於該摻雜層之上；及一光波轉換層，設置於該半導體基板下方而背對該至少一抗反射層，該光波轉換層吸收該太陽光中波長介於600nm~2,000nm之間的一吸收光並上轉換為較該吸收光波長為短且介於200~1,200nm之間之一轉換光，再將該轉換光散射至該半導體基板以進行二次吸收。
5. 如請求項4所述之具有光波轉換層之太陽能電池，其中該半導體基板為P型半導體基板或N型半導體基板。
6. 如請求項5所述之具有光波轉換層之太陽能電池，其中當該半導體基板為P型半導體基板時，該摻雜層的摻雜元素為N型。
7. 如請求項6所述之具有光波轉換層之太陽能電池，其中該N型摻雜元素為磷、砷、銻、鉍、或其組合。
8. 如請求項5所述之具有光波轉換層之太陽能電池，其中當該半導體基板為N型半導體基板時，該摻雜層的摻雜元素為P型。
9. 如請求項8所述之具有光波轉換層之太陽能電池，其中該P型摻雜元素為硼、鋁、鎵、銦、鉈、或其組合。
10. 如請求項4所述之具有光波轉換層之太陽能電池，其中該半導體基板為單晶矽基板、多晶矽基板或非晶矽基板。
11. 如請求項4所述之具有光波轉換層之太陽能電池，其中該吸收光之波長係為大於750奈米(nm)，且該轉換光之波長係為400~700奈米(nm)之間。
12. 如請求項4所述之具有光波轉換層之太陽能電池，其中該光波轉換層係為一背面電極之材料混和至少一光致發光材料而形成。
13. 如請求項12所述之具有光波轉換層之太陽能電池，其中該至少一光致發光材料係為一螢光材料、一染料、一量子點材料或其組合。
14. 如請求項12所述之具有光波轉換層之太陽能電池，其中該光致發光材料之粒徑在1奈米(nm)至30微米(um)之間。
15. 如請求項12所述之具有光波轉換層之太陽能電池，其中該至少一光致發光材料於該光波轉換層之配置方式係選自：均勻分佈於該光波轉換層、隨機分佈於該光波轉換層、分佈於該光波轉換層之上表面、分佈於該光波轉換層之下表面、分佈於該光波轉換層中間、同時分佈於 該光波轉換層之上表面與下表面、分佈於該光波轉換層之上表面至中間處且濃度由高至低、分佈於該光波轉換層之下表面至中間處且濃度由高至低。
16. 如請求項12所述之具有光波轉換層之太陽能電池，其中該背面電極之材料係為鋁。