TWI398959B - 太陽能電池 - Google Patents

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    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Description

太陽能電池
本發明涉及光電轉化技術領域，特別涉及一種太陽能電池。
太陽能電池係利用可再生環保能源太陽能而實現發電，即將太陽之輻射能藉由半導體材料轉變為電能(請參見“Grown junction GaAs solar cell”，Shen,C.C.；Pearson,G.L.；Proceedings of the IEEE,Volume 64,Issue 3,March 1976 Page(s)：384-385)。太陽能電池板之結構主要包括光電轉化層。該光電轉化層由P型半導體材料與N型半導體材料形成之PN結組成。當太陽光照射到光電轉化層之半導體材料上時，該光電轉化層吸收太陽光中與該半導體材料對應波段之光。而該被吸收光中之光子與組成半導體之原子及價電子發生碰撞，產生電子-空穴對，從而使光能以產生電子-空穴對之形式轉變為電能實現光電轉換過程，並對外接於P型半體材料層與N型半導體材料層之金屬引線之負載供電。
目前，太陽能電池通常包括CdTe或矽基半導體材料製作之光電轉化層，其最多只能吸收波長為400-1100nm之間之光。而該波長範圍以外之太陽光會被該光電轉化層反射，並不能被轉化為電能。由此，該部分之太陽光被浪費，使得太陽能電池之光轉換效率較低。
有鑑於此，提供一種太陽能電池，以解決以上問題，並增加太陽能電池對太陽光之轉換效率實屬必要。
以下將以實施例說明一種太陽能電池。
一種太陽能電池，其包括光伏轉換模組，用於吸收太陽光，並將其轉化為電能。該光伏轉換模組具有光入射面。該光入射面上設置有玻璃層。該玻璃層用於將太陽光中之短波長之光轉換為長波長之光，再進入光伏轉換模組以提高太陽能電池之光轉化效率，所述玻璃層包括硼矽酸鹽玻璃及摻雜於硼矽酸鹽玻璃的銪元素，且硼矽酸鹽玻璃中至多摻雜2.5mol%的氧化銪。
與先前技術相比，該太陽能電池之玻璃層摻雜銪元素，該銪元素可將與該銪元素對應之短波長之光轉換為長波長之光，使光經過摻雜銪元素之玻璃層後，其部分波長被增加後，進入光伏轉換模組，增加被光伏轉換模組吸收光之波段範圍，從而提高太陽能電池之光轉換效率。
下面將結合附圖及實施例對本技術方案實施例提供之太陽能電池作進一步詳細說明。
請參閱圖1，本技術方案實施例提供之太陽能電池10，其包括光伏轉換模組11及設置於光伏轉換模組11之玻璃層12，使太陽光經玻璃層12吸收後進入光伏轉換模組11。
該光伏轉換模組11可由一或複數光伏轉換單元組成，或為複數光伏轉換單元組成之陣列模組。另，光伏轉換模組11可為單面或多面接收入射太陽光之電池模組，即具 有至少一光入射面。本實施例中，光伏轉換模組11由一光伏轉換單元組成，其包括透明導電層111、集電極層112及設置於透明導電層111與集電極層112之間之光電轉化層113。該光電轉化層113具有一入光面101及與入光面101相對之表面102，用於將射入該光電轉化層113之太陽光中與該光電轉化層113對應波長之太陽光(即光能)轉化為電能。該光電轉化層113可採用矽基半導體材料、III-V族或II-VI族化合物組成之PN結製成。該表面102亦可為光入射面，以供太陽光同時入射表面102與入光面101。當然，該光伏轉換模組11與入光面101與表面102相接之側面亦可設置為光入射面。
本實施例中，透明導電層111沈積於入光面101，該集電極層112沈積於表面102，用於分別與負載或外部電路之兩極電氣連通，將經光電轉化層113轉化之電能傳輸至該負載或外部電路，以實現向該負載或外部電路供電之目之。該透明導電層111可為平板玻璃表面藉由物理或者化學鍍膜之方法均勻之鍍上一層透明之導電氧化物薄膜形成。該氧化物包括CdO、ZnO、ZnO：M(M=Al，Ga，In，F)等。該集電極層112可為鋁或其他金屬板。
使用中，太陽光射入透明導電層111並進入光電轉化層113，然後光電轉化層113將與該光電轉化層113對應波長之太陽光轉化為電能，使該電能經透明導電層111與集電極層112輸出，實現供電。
該玻璃層12內摻雜有銪元素，用於將太陽光中波長為350-470nm之入射光轉化為570-720nm之出射光(參見 圖2與圖3)。該玻璃層12可為矽酸鹽玻璃與摻雜於矽酸鹽玻璃之銪元素之組成。優選地，100mol之硼矽酸鹽玻璃中至多摻雜氧化銪2.5mol。本實施例中，玻璃層12包括硼矽酸鹽玻璃與摻雜於硼矽酸鹽玻璃之三價銪元素，即為抗反射玻璃層，用在於減少太陽光入射時發生全反射之同時，將太陽光中波長為350-470nm之入射光轉化為570-720nm之出射光。該三價銪元素於硼矽酸鹽玻璃中係以共價離子型氧化物，即氧化銪之形態而存在。故，該三價銪元素存在於氧化物中與氧元素形成離子型共價鍵，其中銪原子傾向於失去三個電子，使其具有與離子相類似之特性，因此亦可被稱之為三價銪離子，即Eu3+。具體地，該硼矽酸鹽玻璃主要包括氧化矽(SiO2)、氧化硼(B2O3)與鹼金屬氧化物(如：氧化鈉Na2O)。該摻雜於硼矽酸鹽玻璃內之銪元素以氧化銪(Eu2O3)之形式存在。
根據摻雜Eu3+之硼矽酸鹽玻璃之成分選擇原料及合適之條件，從而製備摻雜Eu3+之硼矽酸鹽玻璃。例如，可藉由將金屬銪單質或含二價或三價之銪元素之化合物(如：氯化物、氧化物、碳酸化物等)與製備硼矽酸鹽玻璃之原料混合後，再加熱至1300度以上任意溫度，使其熔化並保溫5分鐘至10小時中任意時間段後冷卻至室溫，從而獲得摻雜Eu3+之硼矽酸鹽玻璃。其中，該加熱溫度與保溫時間可根據選擇之原料、採用之設備與其他需要而於以上範圍內選擇。
以下將列舉出一種摻雜Eu3+之硼矽酸鹽玻璃之製備方法 ，幫助理解本發明，但不限於本實施例所列舉之製備方法。
該摻雜Eu3+之硼矽酸鹽玻璃之組成採用以下分子式表示59SiO2-33B2O3-8Na2O-xEu2O3(x=0.5~2.5mol%)，即，59mol之SiO2、33mol之B2O3與8mol之Na2O形成之摩爾品質為100mol之硼矽酸鹽玻璃中摻雜xmol之Eu2O3。表1中列出五個摻雜不同濃度Eu3+之硼矽酸鹽玻璃之玻璃樣品。根據表1列出之五個玻璃樣品之成分分別稱量出相應品質之SiO2、H3BO3、Na2CO3與Eu2O3，並將其混合均勻後放入白金坩堝內以10℃/min(攝氏度/分鐘)升溫至1400-1500℃，保溫30min，並將熔融態之混合物澆鑄於預熱鐵質模具上急冷形成最終之玻璃樣品，再經退火處理消除應力。
其中，N代表SiO2，B代表B2O3，S代表Na2O。
請參閱圖2及圖3，本實施例中製作玻璃層12之五個玻璃樣品(a)-(e)(列於表1中)之吸收光譜與放射光譜。
請參閱圖2，為利用紫外可見光譜儀分析表1中添加不同濃度氧化銪之玻璃樣品之吸收光譜。根據分析結果可看出，五個玻璃樣品(a)-(e)均依序於577nm、531nm、525nm、464nm、413nm、393nm、376nm與361nm出現吸收峰，即該五個玻璃樣品(a)-(e)可吸收577nm、531nm、525nm、464nm、413nm、393nm、376nm與361nm波長之光。
相應地，僅採用464nm當作螢光光譜之激發源(即，入射光源)繼續對該五個玻璃樣品(a)-(e)進行螢光吸收光譜分析，以獲得五個玻璃樣品之放射光譜。請參閱圖3，根據分析結果，五個玻璃樣品均依序於578nm、591nm、615nm、652nm與700nm觀察到放射峰，即該五個玻璃樣品(a)-(e)可放射出578nm、591nm、615nm、652nmy與700nm波長之光。與入射光譜之波長(464nm)相比，射出光之波長均得到相應之增加。相類似地，如果採用其他波長之螢光光譜作為激發源時，亦同樣可獲得比入射光譜對應波長大之光譜，利於光電轉化層113吸收。
綜上所述，該五個玻璃樣品(a)-(e)可吸收波長範圍 為350-470nm之光，並將其至少轉化為波長範圍於570-720nm之光，可用於將太陽光中波長較短之350-470nm之光轉化為波長較長之570-720nm之光。採用該玻璃樣品製作之玻璃層12設置於太陽能電池10時，可使該太陽能電池10吸收350-470nm範圍內之波長，從而提高光利用率。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10‧‧‧太陽能電池
11‧‧‧光伏轉換模組
12‧‧‧玻璃層
111‧‧‧透明導電層
112‧‧‧集電極層
113‧‧‧光電轉化層
101‧‧‧入光面
102‧‧‧表面
圖1係本技術方案實施例提供之太陽能電池結構示意圖。
圖2係形成圖1玻璃層之硼矽酸鈉玻璃中銪離子之吸收光譜。
圖3係形成圖1玻璃層之硼矽酸鈉玻璃中銪離子之發射光譜。
10‧‧‧太陽能電池
11‧‧‧光伏轉換模組
12‧‧‧玻璃層
111‧‧‧透明導電層
112‧‧‧集電極層
113‧‧‧光電轉化層
101‧‧‧入光面
102‧‧‧表面

Claims (9)

  1. 一種太陽能電池，其包括光伏轉換模組，用於吸收太陽光，並將其轉化為電能，該光伏轉換模組具有光入射面，其改進在於，該光入射面上設置有玻璃層，用於將太陽光中之短波長之光轉換為長波長之光，再射入光伏轉換模組，所述玻璃層包括硼矽酸鹽玻璃及摻雜於硼矽酸鹽玻璃的銪元素，且硼矽酸鹽玻璃中至多摻雜2.5mol%的氧化銪。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中，該玻璃層用於將太陽光中波長350-470nm之入射光轉化為波長570-720nm之出射光。
  3. 如申請專利範圍第1述之太陽能電池，其中，該硼矽酸鹽玻璃包括氧化矽、氧化硼與鹼金屬氧化物。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中，該玻璃層為抗反射玻璃層，用於減少太陽光入射時發生全反射。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中，該光伏轉換模組包括透明導電層、集電極層及設置於透明導電層與集電極層之間之光電轉化層，該光電轉化層具有入光面，該透明導電層設置於入光面上，該玻璃層設置於透明導電層上並與入光面相對之表面，使光依次經過玻璃層與透明導電層後進入光電轉化層。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之太陽能電池，其中，該入光面之相對表面設置為光入射面。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之太陽能電池，其中，該與光入射面相接之側面設置為光入射面。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之太陽能電池，其中，該光電 轉化層為由半導體材料製成之PN結。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中，該光伏轉換模組為複數光伏轉換單元組成之陣列。
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