TW201721896A - 太陽能電池模組 - Google Patents

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Abstract

一種太陽能電池模組，包括透明基板、第一太陽能電池單元、矽晶太陽能電池、以及間隔物。第一太陽能電池單元位於透明基板與矽晶太陽能電池之間，且第一太陽能電池單元包括第一電極、第二電極與位在第一與第二電極之間的I-III-VI族半導體層，其至少包括鎵(Ga)與硫(S)，且能隙大於矽晶的能隙。而且，矽晶太陽能電池與第一太陽能電池單元是由所述間隔物分隔。

Description

太陽能電池模組
本發明是有關於一種太陽能電池技術，且特別是有關於一種太陽能電池模組。
傳統矽晶太陽能電池封裝結構，由入光面起始之結構依序為玻璃/EVA/矽晶電池/EVA/Tedlar。矽晶太陽能電池上方以玻璃及EVA等作為正面封裝材料，矽晶太陽能電池下方通常以乙烯/醋酸乙烯酯共聚物(Ethylene Vinyl Acetate, EVA)封裝膠膜或者如聚乙烯醇縮丁醛（Polyvinyl Butyral, PVB）、矽膠等材料作為太陽能電池的封裝材料。
然而，由於EVA膠膜隨著時間受光照、熱、氧等作用，EVA膠膜吸收UV光後，材料因化學結構產生降解，顏色由透明轉變成黃褐色，黃化為EVA膠膜使用上最大的缺點。EVA膠膜黃化後，使得入射光透過率下降，太陽能電池模組隨使用時間增長，因太陽能電池上方的EVA封裝膠膜黃化而造成效率遞減，此為目前太陽能電池及模組對於壽命的最大問題。
本發明提供一種太陽能電池模組，能解決封裝材料因吸收UV光產生黃化的問題，並具有能兼具封裝與發電功效的構造。
本發明的太陽能電池模組，包括透明基板、第一太陽能電池單元、矽晶太陽能電池以及間隔物。第一太陽能電池單元位於透明基板與矽晶太陽能電池之間，且第一太陽能電池單元包括第一電極、第二電極與位在第一與第二電極之間的I-III-VI族半導體層至少包括鎵(Ga)與硫(S)，其能隙大於矽晶的能隙。而且，矽晶太陽能電池與第一太陽能電池單元是由所述間隔物分隔。
在本發明的一實施例中，上述第一太陽能電池單元吸收波長800nm以下的光。
在本發明的一實施例中，上述透明基板包括玻璃或塑膠。
在本發明的一實施例中，上述I-III-VI族半導體層的材料包括銅銦鎵硫(Cu(In,Ga)S2 )、銅鎵硫(CuGaS2 )、銅銀銦鎵硫(Cu,Ag)(In,Ga)S2 )、銅銀鎵硫(Cu,Ag)GaS2 )、銅銦鎵氧硫(Cu(In,Ga)(O,S)2 )、銅鎵氧硫(CuGa(O,S)2 )、銅銀銦鎵氧硫(Cu,Ag)(In,Ga)(O,S)2 )或銅銦鎵硒硫(Cu(In,Ga)(Se,S)2 )。
在本發明的一實施例中，上述第一與第二電極的材料各自獨立包括透明導電膜、金屬、導電高分子、有機-無機混合物或極性材料。
在本發明的一實施例中，上述第一與第二電極分別位在I-III-VI族半導體層之厚度方向的兩面上。
在本發明的一實施例中，上述第一與第二電極分別位在I-III-VI族半導體層的對邊，且第一與第二電極均與透明基板與間隔物接觸。
在本發明的一實施例中，上述矽晶太陽能電池包括上部電極、下部電極與位在上部與下部電極之間的矽晶吸收層，且上部電極接近間隔物、下部電極遠離間隔物。
在本發明的一實施例中，上述上部與下部電極的材料各自獨立包括透明導電膜、金屬、導電高分子、有機-無機混合物或極性材料。
在本發明的一實施例中，上述第一電極、第二電極、上部電極與下部電極具有位置相對的多個孔洞。
在本發明的一實施例中，上述間隔物全面地覆蓋矽晶太陽能電池。
在本發明的一實施例中，上述間隔物部分覆蓋矽晶太陽能電池，以於矽晶太陽能電池與第一太陽能電池單元之間構成一空間。
在本發明的一實施例中，上述空間內具有空氣或惰性氣體。
在本發明的一實施例中，上述太陽能電池模組還可包括背板與高分子絕緣物，其中背板是經由高分子絕緣物貼合於上述矽晶太陽能電池的出光表面。
在本發明的一實施例中，上述太陽能電池模組還可包括一外加基板、第二太陽能電池單元與封裝層。外加基板位在矽晶太陽能電池的出光表面，第二太陽能電池單元則位在外加基板與矽晶太陽能電池之間。封裝層是位於矽晶太陽能電池與第二太陽能電池單元之間。
在本發明的一實施例中，上述第二太陽能電池單元之吸收層的能隙可小於矽晶的能隙。
在本發明的一實施例中，上述間隔物係設置在矽晶太陽能電池周圍且厚度大於矽晶太陽能電池的厚度。
在本發明的一實施例中，上述透明基板的面積大於矽晶太陽能電池的面積。
基於上述，本發明在基板與矽晶太陽能電池之間加設I-III-VI族半導體層，不但具有模組封裝功效、解決封裝膠合材料照光劣化及不耐水氧等問題，還能搭配電極而得到兼具發電功效的太陽能電池模組。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
現將參照圖式來更加詳盡地描述發明概念的實施例，但仍可使用許多不同的形式來實施本發明。在圖式中，為了清楚起見，各個結構及區域的相對尺寸及位置可能縮小或放大。另應理解的是，雖然本文使用「第一」、「第二」…等來描述不同的結構或區域，但是這些結構或區域不應當受限於這些用詞；也就是說，以下所討論之第一表面、區域或結構可以被稱為第二表面、區域或結構，而不違背實施例的教示。
圖1是依照本發明的第一實施例的一種太陽能電池模組的剖面示意圖。
請參照圖1，第一實施例的太陽能電池模組包括透明基板100、矽晶太陽能電池102與第一太陽能電池單元104，其中透明基板100例如玻璃或塑膠；矽晶太陽能電池102是位於透明基板100受光照射的相對表面100a，也就是說，若是光線從透明基板100的正面入射，則矽晶太陽能電池102的位置會在透明基板100的背面。而在透明基板100與矽晶太陽能電池102之間設有第一太陽能電池單元104，其中第一太陽能電池單元104包括第一電極106、第二電極108與位在第一與第二電極106和108之間的I-III-VI族半導體層110，其中第一與第二電極106和108分別位在I-III-VI族半導體層110之厚度方向的兩面上。而在矽晶太陽能電池102與第一太陽能電池單元104具有全面地覆蓋矽晶太陽能電池102之間隔物112將兩者分隔。上述I-III-VI族半導體層110可藉由真空(鍍膜)或非真空(塗佈)方式形成在透明基板100的單側表面100a。
在本實施例中，第一太陽能電池單元104可吸收波長800nm以下的光，例如吸收波長500nm以下的光。因此，可使用至少包括鎵(Ga)與硫(S)的I-III-VI族半導體層110，譬如銅銦鎵硫(Cu(In,Ga)S2 )、銅鎵硫(CuGaS2 )、銅銀銦鎵硫(Cu,Ag)(In,Ga)S2 )、銅銀鎵硫(Cu,Ag)GaS2 )、銅銦鎵氧硫(Cu(In,Ga)(O,S)2 )、銅鎵氧硫(CuGa(O,S)2 )、銅銀銦鎵氧硫(Cu,Ag)(In,Ga)(O,S)2 )或銅銦鎵硒硫(Cu(In,Ga)(Se,S)2 )。上述I-III-VI族半導體材料的能隙大概在1.5eV~2.4eV之間，因此能在光進入透明基板100後，利用第一太陽能電池單元104吸收短波長入射光，進而避免如乙烯/醋酸乙烯酯共聚物(EVA)、PVB、矽膠之類的間隔物112因吸收UV光而黃化的問題，並能以第一與第二電極106和108將產生的電能傳導至外部電路(未繪示)。第一與第二電極106和108的材料各自獨立如透明導電膜、金屬、導電高分子、有機-無機混合物或極性材料，且長波-紅外光可穿透型之電極，其中所述透明導電膜(Transparent Conducting Oxides，TCO)例如是銦錫氧化物(ITO)、氧化鋅(ZnO)、氧化錫(SnO2 )、摻雜鎵的氧化鋅(GZO)、摻雜鋁的氧化鋅(AZO)或共摻雜的氧化錫(LFTO)。其中所述金屬可為鉬(Mo)、金(Au)、銀(Ag)、鋁(Al)、銅(Cu)或鎳(Ni)。其中所述導電高分子例如為聚二氧乙基噻吩(PEDOT)、聚苯乙烯磺酸(PSS)、聚二氧乙基噻吩／聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS) 聚苯硫醚(PPS)、聚吡咯(PPy)、聚噻吩(PT)或聚苯胺/聚苯乙烯(PANDB/PS)。其中所述有機-無機混合物例如為1,3-二異氰酸根合甲苯與α-氫-ω-羥基-聚[氧(甲基-1,2-乙二烷基)]的聚合物(poly(propylene glycol) tolylene 2,4-diisocyanate terminated (PPGTDI))、甲基环氧乙烷与环氧乙烷和双(2-氨丙基)醚的聚合物(poly(propylene glycol)-block–poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol) bis(2-aminopropyl ether) (ED2000))、或3-異氰丙基三乙氧基矽烷(3-isocyanatepropyltriethoxysilane (ICPTES))。所述極性材料例如熔融態硼化鎂、或是奈米碳管薄膜(CNT)等。當第一與第二電極106和108是不透光的材料時，可製作成導線或圖案化的導電層等。
至於矽晶太陽能電池102一般具有上部電極114、下部電極116與位在上部與下部電極114和116之間的矽晶吸收層118，且上部電極114接近間隔物112、下部電極116遠離間隔物112。上部與下部電極114和116的材料各自獨立如透明導電膜、金屬、導電高分子、有機-無機混合物或極性材料。而且，當上部與下部電極114和116是不透光的材料時，至少光入射表面的上部電極114可製作成導線或圖案化的導電層，且/或上部電極114與下部電極116可與上述第一與第二電極106和108具有位置相對的多個孔洞(未繪示)，以供光線穿透。
根據第一實施例所述，由於第一太陽能電池單元104的存在，所以能避免太陽能電池模組內部的封裝材料黃化，並可降低矽晶太陽能電池102受短波照射，故熱輻射間接加熱矽晶效應也會降低。另外，吸收短波長光的第一太陽能電池單元104也具有發電功能，所以能提升光譜利用率，故總發電量增加。此外，本實施例的太陽能電池模組只用單片透明基板100，所以模組重量也比其他堆疊式太陽能電池模組少，並因此模組輕量運用廣、搬運輕鬆，並可減少成本。
圖2是依照本發明的第二實施例的一種太陽能電池模組的剖面示意圖，其中使用與圖1相同的元件符號來代表相同或類似的構件。
請參照圖2，第二實施例的太陽能電池模組與圖1的差異在於第一太陽能電池單元200的結構。在本實施例中，第一太陽能電池單元200包括第一電極202、第二電極204與位在第一與第二電極202和204之間的I-III-VI族半導體層206，其中I-III-VI族半導體層206的材料選擇可參照第一實施例，故不再贅述。而第一電極202與第二電極204則分別位在I-III-VI族半導體層206的對邊206a和206b，且第一與第二電極202和204均與透明基板100與間隔物112接觸。這樣配置的第一與第二電極202和204因為不擋光，所以可自透明導電膜、金屬、導電高分子、有機-無機混合物或極性材料中選擇電阻低、導電率高的金屬。此外，本實施例中的I-III-VI族半導體層206除了如圖所示填滿第一與第二電極202和204之間，也可只附著在透明基板100上，而不與間隔物112接觸，藉此縮減I-III-VI族半導體層206的厚度，以使吸收短波長光與讓長波長光透過的效果達到平衡。
圖3是依照本發明的第三實施例的一種太陽能電池模組的剖面示意圖，其中使用與圖1相同的元件符號來代表相同或類似的構件。
請參照圖3，第三實施例的太陽能電池模組與圖1的差異在於間隔物300的結構。在本實施例中，間隔物300僅部分覆蓋矽晶太陽能電池102，所以會在矽晶太陽能電池102與第一太陽能電池單元104之間構成一空間302，其中空間302內具有空氣或惰性氣體。由於矽晶太陽能電池102與第一太陽能電池單元104之間大部分區域沒有間隔物，所以有利於光線通過而不被其他結構吸收。
圖4是依照本發明的第四實施例的一種太陽能電池模組的剖面示意圖，其中使用與圖1相同的元件符號來代表相同或類似的構件。
請參照圖4，第四實施例的太陽能電池模組與圖1的差異在於矽晶太陽能電池102的出光表面102a上有經由高分子絕緣物402貼合的背板400，其中背板400例如Tedlar，而高分子絕緣物402例如EVA、PVB或矽膠。
圖5是依照本發明的第五實施例的一種太陽能電池模組的剖面示意圖，其中使用與圖1相同的元件符號來代表相同或類似的構件。
請參照圖5，第五實施例的太陽能電池模組與圖1的差異在於矽晶太陽能電池102的出光表面102a還外加一外加基板500、第二太陽能電池單元502與封裝層504。第二太陽能電池單元502位在外加基板500與矽晶太陽能電池102之間，且利用封裝層504貼合矽晶太陽能電池102。第二太陽能電池單元502之吸收層的能隙若是小於矽晶的能隙，可用來吸收沒被矽晶太陽能電池102吸收的光，並藉由其中的電極(未繪示)將產生的電能傳導出來。
圖6是依照本發明的第六實施例的一種太陽能電池模組的剖面示意圖。
請參照圖6，第六實施例的太陽能電池模組包括透明基板600、矽晶太陽能電池602、太陽能電池單元604(包括第一電極606、第二電極608與I-III-VI族半導體層610)、間隔物612a和612b。本實施例中的各個構件均可參照上述各實施例所述，故不再贅述。
在本實施例中的矽晶太陽能電池602之間是由太陽能串焊帶(PV ribbon)614串聯，且間隔物612a和612b是設置在矽晶太陽能電池602周圍，所以間隔物612a和612b之厚度d1要大於矽晶太陽能電池602的厚度d2，且透明基板600的面積大於矽晶太陽能電池602的面積。圖6中的矽晶太陽能電池602與太陽能串焊帶614雖稍分離，但實際上的構造是太陽能串焊帶614直接焊接於矽晶太陽能電池602的電極(未繪示)，且有背板616讓矽晶太陽能電池602設置於其上，故矽晶太陽能電池602與太陽能電池單元604的第二電極608並不會接觸或電性連接。另外，因為製程上可能會先分別在太陽能電池單元604塗上間隔物612a並在背板616塗上間隔物612b，之後再結合間隔物612a和612b完成封裝，所以圖中的間隔物612a和612b有兩層，但本發明並不以此為限。
綜上所述，本發明藉由透明基板與矽晶太陽能電池之間所設置的太陽能電池單元來吸收短波長的光(如UV光)，因此能避免太陽能電池模組內部的封裝材料黃化，並可降低矽晶短波，故熱輻射間接加熱矽晶效應也會降低。由於上述封裝材料不易黃化，所以能使模組壽命提升並且入射光不會被阻擋。另外，吸收短波長光的太陽能電池單元也具有發電功能，所以能增加額外效用，並因而使$/Wp降低，並因此提升光譜利用率，故總發電量增加。此外，本發明的太陽能電池模組可只用單片透明基板(如玻璃)，所以隨著玻璃片數減少，故模組重量也會減少，並因此模組輕量運用廣、搬運輕鬆，並可減少成本。以上功效能使整體單位發電成本(levelized cost of electricity，LCOE)下降。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100、600‧‧‧透明基板
100a‧‧‧表面
102、602‧‧‧矽晶太陽能電池
102a‧‧‧出光表面
104、200、604‧‧‧第一太陽能電池單元
106、202、606‧‧‧第一電極
108、204、608‧‧‧第二電極
110、206、610‧‧‧I-III-VI族半導體層
112、300、612a、612b‧‧‧間隔物
114‧‧‧上部電極
116‧‧‧下部電極
118‧‧‧矽晶吸收層
206a、206b‧‧‧對邊
302‧‧‧空間
400、616‧‧‧背板
402‧‧‧高分子絕緣物
500‧‧‧外加基板
502‧‧‧第二太陽能電池單元
504‧‧‧封裝層
614‧‧‧太陽能串焊帶
d1、d2‧‧‧厚度
圖1是依照本發明的第一實施例的一種太陽能電池模組的剖面示意圖。 圖2是依照本發明的第二實施例的一種太陽能電池模組的剖面示意圖。 圖3是依照本發明的第三實施例的一種太陽能電池模組的剖面示意圖。 圖4是依照本發明的第四實施例的一種太陽能電池模組的剖面示意圖。 圖5是依照本發明的第五實施例的一種太陽能電池模組的剖面示意圖。 圖6是依照本發明的第六實施例的一種太陽能電池模組的剖面示意圖。
100‧‧‧透明基板
100a‧‧‧表面
102‧‧‧矽晶太陽能電池
104‧‧‧第一太陽能電池單元
106‧‧‧第一電極
108‧‧‧第二電極
110‧‧‧I-III-VI族半導體層
112‧‧‧間隔物
114‧‧‧上部電極
116‧‧‧下部電極
118‧‧‧矽晶吸收層

Claims (18)

  1. 一種太陽能電池模組，包括： 透明基板； 矽晶太陽能電池； 第一太陽能電池單元，位於該透明基板與該矽晶太陽能電池之間，且該第一太陽能電池單元包括第一電極、第二電極與位在該第一電極與該第二電極之間的I-III-VI族半導體層，其中該I-III-VI族半導體層至少包括鎵(Ga)與硫(S)且能隙大於矽晶的能隙；以及 間隔物，分隔該矽晶太陽能電池與該第一太陽能電池單元。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池模組，其中該第一太陽能電池單元吸收波長800nm以下的光。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池模組，其中該透明基板包括玻璃或塑膠。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池模組，其中該I-III-VI族半導體層的材料包括銅銦鎵硫(Cu(In,Ga)S2 )、銅鎵硫(CuGaS2 )、銅銀銦鎵硫(Cu,Ag)(In,Ga)S2 )、銅銀鎵硫(Cu,Ag)GaS2 )、銅銦鎵氧硫(Cu(In,Ga)(O,S)2 )、銅鎵氧硫(CuGa(O,S)2 )、銅銀銦鎵氧硫(Cu,Ag)(In,Ga)(O,S)2 )或銅銦鎵硒硫(Cu(In,Ga)(Se,S)2 )。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池模組，其中該第一電極與該第二電極的材料各自獨立包括透明導電膜、金屬、導電高分子、有機-無機混合物或極性材料。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池模組，其中該第一電極與該第二電極分別位在該I-III-VI族半導體層之厚度方向的兩面上。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池模組，其中該第一電極與該第二電極分別位在該I-III-VI族半導體層的對邊，且該第一電極與該第二電極均與該透明基板與該間隔物接觸。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池模組，其中該矽晶太陽能電池包括上部電極、下部電極與位在該上部電極與該下部電極之間的矽晶吸收層，該上部電極接近該間隔物且該下部電極遠離該間隔物。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的太陽能電池模組，其中該上部電極與該下部電極的材料各自獨立包括透明導電膜、金屬、導電高分子、有機-無機混合物或極性材料。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的太陽能電池模組，其中該第一電極、該二電極、該上部電極與該下部電極具有位置相對的多個孔洞。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池模組，其中該間隔物全面地覆蓋該矽晶太陽能電池。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池模組，其中該間隔物部分覆蓋該矽晶太陽能電池，以於該矽晶太陽能電池與該第一太陽能電池單元之間構成一空間。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的太陽能電池模組，其中該空間內具有空氣或惰性氣體。
  14. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池模組，更包括背板與高分子絕緣物，其中該背板是經由該高分子絕緣物貼合於該矽晶太陽能電池的出光表面。
  15. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池模組，更包括： 一外加基板，位在該矽晶太陽能電池的出光表面； 第二太陽能電池單元，位在該外加基板與該矽晶太陽能電池之間；以及 封裝層，位於該矽晶太陽能電池與該第二太陽能電池單元之間。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的太陽能電池模組，其中該第二太陽能電池單元之吸收層的能隙小於矽晶的能隙。
  17. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池模組，其中該間隔物係設置在該矽晶太陽能電池周圍且厚度大於該矽晶太陽能電池的厚度。
  18. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池模組，其中該透明基板的面積大於該矽晶太陽能電池的面積。
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