TWI351770B

TWI351770B -

Info

Publication number: TWI351770B
Application number: TW096147526A
Authority: TW
Inventors: Naum Soshcin
Priority date: 2007-12-12
Filing date: 2007-12-12
Publication date: 2011-11-01
Also published as: TW200926422A; US8124871B2; US20090151786A1

Description

1351770 九、發明說明：【發明所屬之技術領域】本發明係有關於-種自然光能電池及其透明轉光 —料敎太陽光巾波長A<4_m的紫外光並輻射出波長又=500〜780mn波段的紅光，除可降低紫外光對太陽能組件不良的影響之外，而所產生的紅光又可被太陽能電池組件有效的吸收，進而產生額夕卜的電流，提升太陽能電池組件本身的轉換效率之自然光能電池及其透明轉光層。【先前技術】借助於單晶料太陽Φ!射的能量進行轉化的太陽能裝置組件的最簡架構如下。該太陽能電池組件是在單晶石夕的基礎上構建起來的，通常是p型導電類型的半導體單晶矽片。這種導電類型是透過在單晶矽中加入硼的混合物實現的。通常氣相銻的混合物在p型矽中擴散會在矽片表面形成p-n類型間的轉化，導電電& ;為電子導電，即n型導電。碎片表面n型丄U 為〇· 5〜3微米。該覆膜通常與金屬電極相接觸（金或其合金）。在矽#背面完全覆蓋上金屬電極或是以銀覆膜/形式存在的電極。、以下是太陽能電池組件工作的物理原理。當該組件淨皮太陽光照或人工照明的輻射激活時，被矽材料吸收的光子將生成不平衡的電子電洞對。此時，位于臨近躍遷的p層中的電子向該躍遷的邊界遷移，被其中存在的電引力場吸入到n型區域。另一方面，存在於矽片表面η層的電洞載體（p型載體）部分轉移到矽片内部，即矽片Ρ型區域。這種擴散的結果是11層獲得了額外的 1351770 負電荷’而p層獲得了額外的正電荷.半導體♦片p層與 η層間的勢能接觸差減小，此時外部電路中形成了電 ν壓。該半導體電源的負極是η層，而正極是？層。上述太陽能電池組件最簡架構的有效工作系數為15%〜16%。矽片在光照條件下發生的光電效應可用伏安特性程來描述： U=(KT/q)^ln[(lPh-i)/Is+Iz] 其中Is—供給電流，Iph—光電流從半導體⑦#表面每平方m積所能獲得的最大功率 IP养x*lK3m X為伏安特性比例係數，&為短路電流，UXX為空載電壓。上述自然光能電池組件最簡架構的有效工作係數為15〜16%。清參照圖1，其繪示習知自然光能電池的基本架構圖。如圖所示，其中，1是P型單晶矽片，2是n型導電 ^ ’ 3疋電極系統，4是外層抗反射覆膜。通常在自然光匕電池夕片外面包上由乙酸乙烯醋或聚碳酸醋類化合物構成的防塵外殼。根據在中緯度（例如北緯48。）太陽與地平線成45。角時測得的太陽輻射能量光譜圖可以很明顯地觀察出，到達地球表面的太陽輻射能量最高的分波段在 29iH0 nra間。（需要指出的是，當自然光能電池在近太二環i兄中工作時，在其完整的光譜圖中還會出現uv 與VUV分波段的短波輻射與波長大於1〇65⑽的紅外中 J輻射；而在地球表面工作時，短波輻射會被大氣氧氣吸收’ UV中波輕射會被水蒸汽強烈吸收）。 …另外值得注意的是’太陽輻射光譜圖中能量的不均衡分佈。太陽輻射能量的最大值出現下藍色波段λ = 1351770 Γ=。在可見光的主要波段500〜6〇—段的太陽輻了 j主值，少了 20%，λ 1= 72011111對應的輻射值減少工了疒。λ= 1000η㈣微米對應的輻射值僅是最大值的 1/5。凊參照圖2 ’其、㈣在與太陽輻射相對應的各分波段測得的自，然光能電池樣品敏感度標準光譜曲線。如圖所示，將太陽輻射能量光譜圖中的數據與圖2中的數據進行比較，可發現太陽能電池組件在波長又=95〇〜 980mn波段回應最強，敏感性最高，其原因由單晶矽的能帶架構決定的，其禁帶的寬度Eg=121ev，對應波長 λ = 950nm。相對而言，太陽能電池組件對於波長 λ <400nm的紫外線幾乎沒有回應，也就是說無法吸收。單晶矽太陽能電池的研究者和生產者長期致力於研究克服上述種種缺陷與局限性的方案。Ch〇pr在其專題論文「薄膜太陽能電池」（請參照世界出版社，1985年， 378〜379頁）中提出了一種解決方案，被本發明作為原型。請參照圖3 ’其繪示在自然光能電池外表面覆蓋一層單晶紅寶石時，它能.強化吸收2.3〜3. 2ev區域的太陽輻射之示意圖。如圖所示’這一方案的物理意義在於：在太陽能電池外表面覆蓋一層單晶紅寶石，它能強化吸收2. 3〜3. 2ev區域的太陽輻射’激發Cr+3發生d-d躍遷，窄頻帶發光。紅寳石内部Cr+3的輻射峰值對應的波長入=695nm。因此太陽的原始輻射向長波段變化，短波波段的轄射完全移至；1= 70 Onm的輻射區域。在圖3之座標圖中，曲線2表示被激活的（〕r+3吸收光的係數，曲線1表示這種單晶紅寶石在光激發下的發 1351770 。圖中還標示出了單晶硬電池在其表面覆蓋有可，激發發光的紅寶石時的載體聚集係數（曲線3)，數因紅寶石層的存在與否而變化。可以看出，太陽^射直接激發的短波輻射區域的載體聚集係數比依，，器工作的發光裝置的載體聚集系數高10〜20%。上述土巧太陽能電池」專題論文的作者因此得出結論：依變頻器卫作的單㈣太陽能電池的有效率還可犯扣升0.5〜跦。這是太陽能電池技術領域取得的實質性 =進f ’但仍存在以下問題：上述裝置因使用單晶紅寶石’成本很高，誠屬美中不足之處。【發明内容】 l為解決上述習知技術之缺點，本發明之主要目的杂 =-自然光能電池及其透明轉光層，其可強化吸收' nm波段的太陽短波輻射，並在500〜780 nm波段發生再輻射。為解決上述習知技術之缺點，本發明之主要目的係光能電池及其透明轉光層，其可強化吸收紫為解決上述習知技術之缺點，本發明之主要目的〇能，透明轉光層，其可輕射出的> 波段。 X覆盍了 Μ集V的λ = 5GG〜760m Μ徂2解決上述習知技術之缺點’本發明之主要目的二自然光能電池及其透明轉光層，其可將i 6%以-的太％能轉化成電能。 ;以及勹杯為達ΐ述之目的，本發明之一種自然光能電池，匕.一單晶矽片，用以承載後述之透明轉光層 8 1351770 埴轉光層’其被製成一聚合層的形式，該聚合層内 -透明螢光粉’且與該單晶石夕片的外表層相接 & 可強化吸收λ<400nm波段的太陽短波輻射，並再輻射出λ =500〜780nm波段的光。 ~紅為達ΐ述之目的，本發明之一種自然光能電池，其 =括：一單晶矽片，用以承載後述之透明轉光層；以^ 轉ΐ層’係由透明螢光粉與玻璃材料所溶融而成置=該單晶矽片上方，其可強化吸收第一特定分段波的太陽短波輻射，並在第二特定分段波發生再輻射。/ 為達ΐ述之目的，本發明之一種自然光能電池，其包括.一單晶矽片；一玻璃片，係置於該單晶矽片上；以及一透明薄層，係置於該玻璃片背面，該透明薄層内填充有一透明螢光粉，且與該單晶矽片的外表層相^ 觸，其可強化吸收；I <4〇〇nm波段的太陽短波輻射，並再輕射出久=500〜78〇11111波段的光。為達上述之目的，本發明之一種透明轉光層，其可強化吸收λ<400ηιη波段的太陽短波輕射，並在 500〜780nm波段發生再輻射，以強化太陽能電池組件吸收到的更多長波輪射，形成分離的P_n電子電洞。【實施方式】迄今為止，有關自然光能電池的最大有效率，還未有人發表過同等水準的數據。在單晶矽片和透明轉光層基礎上構建的自然光能電池能達到這種技術水準，是由於電池中的透明轉光層是以聚碳酸酯，或/和聚矽氧l，或/和聚丙酸酯為基體構成的含氧聚合物，在其内部填充有透明螢光粉顆粒，且聚合物中透明螢光粉顆粒二埴量在0.1〜50%之間。 ' 9 1351770 —當太陽光照射到地球的表面時，其中約有6〜8%的能量是紫外光，當這些能量照射到太陽能電池組件時，太陽能電池組件不僅無法吸收這些能量來轉換成電能，而 ^這些能量會加速太陽能組㈣老化，還會對太陽能組件起加熱的作用，使其溫度升高，轉換效能樣低等不良的影響。本發明針對上述缺點選用及製造一透明之螢光粉，其功能可吸收太陽光中波長λ<4〇〇ηιπ的紫外光並輻射出波長；1= 500〜78〇nm波段的紅光，這樣不僅可以低紫外光對太陽能組件不良的影響之外，而所產生的紅光又可被太陽能電池組件有效的吸收，進而產生額外的電流，提升太陽能電池組件本身的轉換效率。請參照圖4，其繪示本發明一較佳實施例之自然能電池之結構示意圖。如圖所示，本發明之自然池包括.一單晶石夕片1〇 ;以及一透明轉光層2〇所組合而成者。、.σ 其中，該單晶矽片10例如但不限於為一 ρ型單曰矽 :多晶石夕片、一 η型單晶石夕片或一 η型多：石夕片’在本實施例中係以ρ型單晶矽片為例加以說明但，不以此為限，且本發明之電池係由不超過12()随的石^ 片平面組合而成，總量16-20片，構成總電阻 $ 的並聯電路。、u 該透明轉光層20係被製成一薄聚合層的形合層内填充有-透明螢光粉2卜例如但不限於為^明螢光粉超分散顆粒，且與該單晶矽片1〇 ^ 觸，其可強化吸..收-第i定分段波，例如但^限相於接 λ <4〇Onm之自然光輻射，將其再輻射至一第二又為波，例如但不限於為λ= 500〜78〇nm。其中，一該 1351770 光層20係以聚碳酸酯及/或聚矽氧烷，及/或聚丙稀酸醋基為基礎所形成的含氧聚合物。此外，該聚合物在 λ =400〜1200 nm寬頻帶内具有相當高的透光性，其添加的比率為0·卜50%。此外’該透明轉光層2〇進一步可具有一環氧樹脂（epoxy)(圖未示）材料，以增加其轉光性二該透明螢光粉21的基體是化學組成例如但不限於為（Sn-xBaOCBOOrEuLiCl ’其中〇sx各卜從χ的範圍可以知道Sr和Ba可以部分或者是全部相互取代。此外，該透明螢光粉21進一步添加有eu、Li及c 1 專元素’且该Eu添加的濃度範圍例如但不限於為 0. 1〜15%，Li添加的濃度範圍例如但不限於為〇〜π%，C1 添加的濃度範圍例如但不限於為〇· ；μ3〇%。選用

Sr(0H)2、Ba(OH) 2、Η3Β〇3、Eu2〇3、LiOH、NH4C1 等為原素材，以適當的比率充分混和後，以分階段的模式燒製而成，第一階段先將溫度升至55〇~65〇ΐ，恆溫丨〜2 時，然後第二階段再升溫到10〇〇~13〇(rc，恆溫丨〜3小時’然後自然冷卻’即可得到本發明之透Μ光粉21 的成品。於^合 ^當太陽光照射於本發明之透明轉後，其中之透明螢光粉21可吸收太的卜光並輕射出波長A，"80nm波段的紅光= 不僅可以降低紫外光對該單晶石夕片1〇不良的影響之， :吝：Ϊ產L生的紅光又可被單晶矽片1〇有效的吸收，進因此’本發明之自本身的轉換效率。池組件電池確Μ知技術之太陽能電請參照圖5’其緣示本發明另一較佳實施例之自然 1351770 ’本發明之自然光能透明轉光層40所組光能電池之結構示意圖。如圖所示電池包括：一單晶矽片30 ;以及一合而成者。其中，該單晶矽片30例如但不限於片、- P型多晶石夕片、一 n型單晶石夕片或一 =，在本實施例中係以P型單晶W為例加以說明，i :::此為限，且本發明之電池係由不超過120咖的矽片平面組合而成，總量16_20片，構成總

的並聯電路。 Μ' ιυυ U 該透明轉光層40係由透明螢光粉31與玻璃材料 =熔，而成且置於該單晶矽片3〇上方，其可強化吸收第特疋刀·^又波的太陽短波輕射，例如但不限於為 ^<4〇〇ηιη之自然光輻射，並在第二特定分段波發生再輻，’例如但不限於為又=5〇〇〜了別⑽。其中，因本發明之透明螢光粉41的熔點約在100(rc左右，而玻璃材料42 的炼點也約在1_(左右’因此在製作太陽電池組件用之玻璃時，可將透明螢光粉31加入玻璃材料42中相如熔融，製成内含透明螢光粉的玻璃，其中透明螢光粉 41添加的比率為〇.卜75%。該透明螢光粉41的基體是化學組成例如但不限於，（Sn-xBax)(B〇2)2:EuLiCl ’ 其中 i，從 χ 的範圍可^知道Sr和Ba可以部分或者是全部相互取代，其原理請參照上述之說明，在此不擬重複贅述。 , 於組合後，當太陽光照射於本發明之透明螢光粉41 後其可吸收太陽光中波長A〈4〇〇ηπι的紫外光並輻射出波長λ =500〜780nm波段的紅光，這樣不僅可以降低紫外光對該單晶矽片30不良的影響之外，而所產生的紅光又 12 丄丄/ /υ 矽片30有效的吸收，進而產生額外的電流，提能電：確二轉f 0效率。因此’本發明之自然光往啤权i知技術之太陽能電池組件具進步性。 #处圖6，其繪示本發明又一較佳實施例之自然雷月Γ二之結構示意圖。如圖所示，本發明之自然光能 —單晶矽片50 ; 一玻璃片60 ;以及一透明薄層70所組合而成者。寻其中，遠單晶矽片50例如但不限於為一 ρ型單晶矽 Κf多晶石夕片、一 η型單晶石夕片或一 η型多晶矽丄在本實施例中係以ρ型單晶石冗為例加以說明但 Μ it = 限，且本發明之電池係由不超過120mm的石夕的廿胳Ϊ 〇而成’總量16 —2〇片，構成總電阻小於100 Ω 的並聯電路。單曰t til片6G係置於該單晶石夕片5Q上，用以保護該 :::片50 ’此為習知技術且非本案之重點，故在此不擬賢遂。該透明薄層70係置於該玻璃片6()背面，其較佳係，片狀’且其厚度例如但不限於約2咖，且該透明薄 m内有一透明營光粉71，且與該單晶石夕片5 0的透明螢光粉71其可強化吸收第-特定以短波輕射，例如但不限於為雜⑽之自. ”、、'、、S、，並在第二特定分段波發生再輻射，例如但不中λΤ::。其中’該透明薄層70在可見光的範圍中，、透光度均在85%以上，由此可知本發明所使用的透明螢光粉71對可見光而言，不會造成如盆他高的勞光粉一般有所謂的遮蔽效應，而降低了本身應有的致能。 13 1351770 該透明螢光粉71的基體是化學組成例如但不限於為（SnxBax)(B〇2)2:EuLiCl ’ 其中 OSx^i，從 χ的範圍可以知道Sr和Ba可以部分或者是全部相互取代，其原理請參照上述之說明，在此不擬重複贅述。於組合後，當太陽光照射於本發明之透明薄層7 〇後’其中之透明螢光粉71可吸收太陽光中波長λ<4〇〇ηηι 的备、外光並輻射出波長λ =500〜780nm波段的紅光，這樣不僅可以降低紫外光對該單晶石夕片不良的影塑之外，而所產生的紅光又可被單晶矽片5〇有效的^收，進而產生額外的電流，提升單晶矽片7〇本身的轉換效率。因此’本發明之自,然光能電池確較習知技術之池組件具進步性。％此外’本發明亦揭示—種透明螢光粉，其可強化吸收又<40〇nm波段的太陽短波輕射，並在5〇〇〜了8〇⑽波段發生再輕射，以強化太陽能電池組件吸收到的更多長波輻射’形成分離的p-η冑子電洞對。其中，該透明螢光粉的化學式為（Sn—xBax)⑽2)2: EuUn，其中。此外，該透明螢光粉中進一步添加Eu、Li及 c=r’Eu添加的濃度範圍為ο.1，，。添加的邊圍為o〜15%’cl添加的濃度範圍為〇1〜繼。以下列舉本發明之透明螢秤取以下原物料：表作例子.首先

Sr(OH)2 ： 94. 9 g Ba(OH)2 ： 34. 3 g HaB〇3 : 126. 7 g

Eu2〇3 : 3.52 g Li〇H ： 0.24 g NH4C1 ： 5.35 g 1351770 八、以上的原物料裝人—個密閉容器内搖動，使之充成為原素材；將充分混和之料材裝入65〇mi ，° ，將坩堝放入高溫爐中，以5t：/min速度從室溫加熱到赋，在此溫度下保持一個小時，4= ^C/mln速度加熱到1〇5(rc，在此溫度下保持兩個小時，然後自然降到室溫後取出。接著將燒製完成的螢光粉研磨至細小顆粒狀然後加入5〜8%的鹽酸（HC1)中酸洗，然後用清水洗至中性為止，置入12(TC的烤箱中烘乾，即為處理完畢之透明螢光粉。综上所述，本發明之自然光能電池及其透明轉光層可吸收太陽光中波長又^(^⑽的紫外光並輻射出波長 λ =500〜780ηιη波段的紅光，除可降低紫外光對太陽能組件不良的影響之外，而所產生的紅光又可被太陽能電池組件有效的吸收，進而產生額外的電流，提升太陽能電池組件本身的轉換效率，因此，確可改善習知自缺光能電池之缺點。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圍内，當可作少許之更動與潤飾，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】 ^ 圖1為一示意圖，其繪示習知自然光能電池的基架構圖。圖2為一示意圖，其繪示在與太陽輻射相對應的各分波段測得的自然光能電池樣品敏感度標準光譜曲線。 15 //u 蓋-】二’其繪示在自然光能電池外表面覆太陽韓射之示Κ時’它能強化吸收2. 3〜3.2eV區域的然光緣示本發明-較佳實施例之自自然示ΐ:示本發明另-較佳實施例之自然示ί:?本發明又-較佳實施例之【主要元件符號說明】 Ρ型單晶矽片1 電極系統3 單晶石夕片1 〇透明螢光粉21 透明轉光層40 破璃材料42 破螭片60 透明螢光粉71 η型導電層2 外層抗反射覆膜4 透明轉光層20 單晶石夕片30 透明螢光粉41 單晶矽片50 透明薄層70

Claims

1351770 十、申請專利範圍：丨.:種自然光能電池，其包括： -J晶矽片，用以承載後述之透明轉光層；以及月轉光層其被製成一聚合層的形式，兮聚人 =填充有-透明榮光粉，且與該單晶石夕丄；二: 3射：及7收λ〈'Ο-波段的太陽短波輕射：並化與弋〜78〇11111波段的光，其中該透明螢光粉的干式為（H)(B〇2)2: EuLia，其中。姑《τ曰如申作專利範圍第1項所述之自然光能電池，其中為一;5型單晶石夕片、-p型多晶石夕片、-n I早日日石夕片或一 η型多晶石夕片。、3·如申请專利範圍第丨項所述之自然光能電池，其中該透明發光粉係為一透明螢光粉超分散顆粒。、4.如申請專利範圍第1項所述之自然光能電池，其中該透明轉光層中進一步填充有一環氧樹脂。 ’、 :又5.如申請專利範圍第1項所述之自然光能電池，其中該聚合層係以聚碳酸酯及/或聚矽氧烷，及/或聚丙烯酸醋基為基礎㈣成的含合物。 1又6.如申请專利範圍第5項所述之自然光能電池，其中該聚合物在λ =400〜1200 nm寬頻帶内具有相當高的透光性’其添加的比率為〇；[〜5〇%。、7.如申請專利範圍第1項所述之自然光能電池，其中該透明螢光粉中進一步添加有Eu、Li&cl等元素，其中 ^添，的濃度範圍為0.1〜15%，Li添加的濃度範圍為 G〜15% ’ C1添加的濃度範圍為〇.卜3〇%。 8· 一種自然光能電池，其包括： —單晶矽片，用以承載後述之透明轉光層；以及 17 ⑴ 1770 一透明轉光層，係由透明螢光粉與玻璃材料所熔融而成且置於該單晶矽片上方，其可強化吸收第一特定分段波的太陽短波輻射’並在第二特定分段波發生再輻射。抑9.如申請專利範圍第8項所述之自然光能電池，苴中該=晶W係為-p型單晶發片、—p型多晶硬片、二型單晶矽片或一 η型多晶矽片。 1/·如申請專利範圍第8項所述之自然光能電池其 5第特疋为段波之波長為A=400nm，第二特定分與波之波長為λ=500〜78〇nm。 U·如申請專利範圍第8項所述之自然光能電池，其該透明發光粉係為一透明螢光粉超分散顆粒。上12·如申請專利範圍第8項所述之自然光能電池其中該透明冑光粉的化學式為（δΐΊ-χΒ&〇(Β〇2)2: EuLiQ Γ 其中OSx各1。 13.如申請專利範圍第8項所述之自然光能電池，其中該透明螢光粉中進—步添加有⑸^及以等元素其中Eu添加的濃度範圍狀卜15%，u添加的濃度範圍為、 0〜15%，C1添加的濃度範圍為0. 1〜30%。二14.如申請專利範圍第8項所述之自然光能電池，其中5玄透明螢光粉與玻璃材料之熔點約lOOOt：，且該透明螢光粉之添加比率為0.卜75%。 15. —種自然光能電池’其包括：一單晶矽片；一玻璃片，係置於該單晶矽片上；以及一透明薄層，係置於該玻璃片背面，該透明薄層内填充有-透明螢光粉，且與該單晶石夕片的外表層相接觸，其可強化吸收人<4〇〇nm波段的太陽短波輻射，並再

•如申租專利範圍第15項所述之自然光能電池，其 5 特疋刀’又波之波長為乂 =40Onm，第二特定分段波之波長為λ=500〜780ηιη。又=500〜780nm。

透明螢絲中進—步添加有Eu、Li及C1等元素，苴中添加的濃度範圍為〇1〜15%，u添加的濃度範圍為、 / ’ C1添加的濃度範圍為0. 1〜30%。 20·如^申睛專利範圍第丨5項所述之自然光能電池，其該透明薄層之厚度約2mm ’且其透明度>85%。 21. —種透明螢光粉，其可強化吸收又<4〇〇nm波段的波輻射，並再輻射出500〜780nm波段的光，以強化 3能電池組件吸收到的更多長波輻射，形成分離電子電洞對。 22. 如申請專利範圍第21項所述之透明螢光該透明營光粉的化學式為（Sr,_xBax)⑽）2:ΐϋΓ其中中 OS XS 1。、 _ 23.如申凊專利範圍第？！項所述之透明螢光粉，其中該透明螢光粉中進一步添加有Eu、以及以等元素，其中 Eu添。加的濃度範圍為〇•卜15%，Li添加的濃度範圍為 0〜’ C1添加的濃度範圍為〇.卜3〇%。