TWI400491B - 具有透明薄膜太陽能電池的彩色濾光片及其顯示裝置 - Google Patents

Description

具有透明薄膜太陽能電池的彩色濾光片及其顯示裝置

本發明與一種彩色濾光片有關。具體言之，其係關於一種具有透明薄膜太陽能電池的彩色濾光片，可將外部光源轉換成電能供顯示裝置使用。

彩色濾光片是現今多數的平面顯示器得以由灰階變為彩色的關鍵零組件，其可反射濾除不想要的光線波段，留下預定的小範圍波段(如R/G/B紅綠藍等三原色光)，以精確表現出光線的色彩。以液晶顯示器(LCD)為例，其內部的背光模組會提供背光源(通常為白光)作為影像光的來源，再搭配驅動IC與液晶形成灰階控制，具備灰階表現的影像光之後會穿過彩色濾光片的彩色光阻層(或R/G/B色彩矩陣)以呈現出預定的全彩畫面。

彩色濾光片目前廣泛的應用在薄膜電晶體液晶顯示器(TFT-LCD)、超扭轉向列型液晶顯示器(STN-LCD)、以及電漿顯示器(PDP)等平面顯示器面板上。在上述應用中，彩色係作為平面顯示器之上層基底，其設置有色彩矩陣(color matrix)的一面會朝向顯示器的發光源或背光模組；另一面則為顯示器之出光面，其上並無其他層結構形成。

上述習知的彩色濾光片與平面顯示器一般僅具有顯示彩色影像的功能，隨著太陽能科技的蓬勃發展以及環保意識的抬頭，本新型之創作人立意在不改變及犧牲傳統彩色濾光片與顯示裝置的結構設計及效能的創作基礎下，遂特以開發出一種結合透明薄膜太陽能電池與彩色濾光片兩者的創新彩色濾光片，以及使用該彩色濾光片之顯示裝置，期藉由本案之提出貫徹利用乾淨再生能源的環保節能理念。

本發明揭露了一種具有透明薄膜太陽能電池的彩色濾光片及其顯示裝置，該彩色濾光片基板的其中一面上形成有透明薄膜太陽能電池，可接收外界光源生成電力。該彩色濾光片基板的另一面上則形成有色彩矩陣，其可過濾來自影像光源或背光模組的光使其呈現吾人所欲之色彩。本發明更揭露了一種具有上述彩色濾光片的顯示裝置，該彩色濾光片在顯示裝置中係作為一上層基底，顯示裝置可透過該彩色濾光片來生成額外電能供其自身使用。

本發明之目的在於提供一種具有透明薄膜太陽能電池的彩色濾光片，其同時具備過濾光線產生全彩色光以及經由光電轉換產生電能的功能。

本發明之另一目的在於提供一種具有上述彩色濾光片的顯示裝置，其於顯示裝置的使用期間與非使用期間皆可透過該彩色濾光片生成額外電力供其自身使用，不會影響到原有的影像呈現。

具有上述功能的該顯示裝置可適用於市面上多數電子裝置的顯示螢幕，如桌上型電腦、筆記型電腦、手持裝置，如行動電話、數位攝影機、個人數位助理(PDA)、全球定位系統(GPS)...等電子裝置的顯示螢幕，其應用面可謂相當廣泛。在參閱下述詳細的實施方式及相關的圖示與申請專利範圍後，閱者更能了解本發明其他的目的、特徵、及優點。

現在請參照第一圖，其為根據本發明實施例一具有透明薄膜太陽能電池之彩色濾光片的截面圖，圖中描繪出該彩色濾光片各層的組成結構。如圖所示，本發明之彩色濾光片100係由數層結構重疊而成，其主體為一位於中間的透明基板102。該透明基板102係作為彩色濾光片100的基底，其以具有結構強度的透明材質(如透光性高的透明玻璃或塑膠等)製成以支撐彩色濾光片100並讓光線得以穿透。透明基板102的上下兩面為一第一表面104與一第二表面106，其上分別覆有本發明彩色濾光片100的透明薄膜太陽能電池層110與彩色濾光層120。透明薄膜太陽能電池層110可進行光電轉換將外界入射的光線轉換成電能供裝置使用，而彩色濾光層120則可以過濾來自顯示面板的光(如背光模組發出的光)使其呈現出色彩。以下將分別說明透明薄膜太陽能電池層110與彩色濾光層120細部的結構。

續參照第一圖，透明薄膜太陽能層110主要由一第一透明電極層112、一光電轉換層114、及一第二透明電極層116等三個子層重疊而成。該第一透明電極層112係作為透明薄膜太陽能電池層110的下導電層，其與下方的透明基板102鄰接，可將薄膜太陽能電池區110生成的電能導出，同時須得讓來自彩色濾光層120的影像光透入，故須具備高透光率及低片電阻(sheet resistance)等特性。第一透明電極層112一般為透明導電氧化物(TCO,Transparent Conducting Oxide)，其材質包含但不限定於氧化銦錫(ITO,Indium Tin Oxide)、氧化錫系的摻銻氧化錫(ATO,Antimony-doped Tin Oxide)與摻氟氧化錫(FTO,Fluorine-doped Tin Oxide)、氧化鋅系的摻鋁氧化鋅(AZO,ZnO:Al)與摻鎵氧化鋅(GZO,ZnO:Ga)、導電性高分子(PEDOT)、以及銀等。在實施例中，第一透明電極層112可採用濺鍍製程(sputter)鍍覆在透明基板102的第一表面104上，其厚度約介於數百奈米(nm)之間。

光電轉換層114係為透明薄膜太陽能電池層110中進行光電轉換的主動區域，其可將由外界入射的光(如太陽光、照明光等)轉換成電能。視所採用透明薄膜太陽能電池種類的不同，該層材質亦會不同，其包含但不限定於非晶矽(a -Si)、微晶矽(μ-Si)、化合物半導體，如CdS(硫化鎘)、CdTe(銻化鎘)、CIS(CuInSe₂ ，銅銦硒化物)、CIGS(Cu(In,Ga)Se₂ ，銅銦鎵硒化物)、色素敏化染料(DSSC,Dye-Sensitized Solar Cell)等類型的薄膜太陽能電池。光電轉換層114的厚度與形成方式係視其所採用之材質而定，在本發明實施例中，該光電轉換層114可以電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)、濺鍍、或蒸鍍等方式形成在上述第一透明電極層112上，其厚度約介於0.5~10微米(μm)之間。

除了上述的第一透明電極層112外，光電轉換層114的另一面上尚形成有一第二透明電極層116，作為透明薄膜太陽能電池的另一電極，其材質與第一透明電極層112類似，包含但不限定於氧化銦錫(ITO,Indium Tin Oxide)、氧化錫系的摻銻氧化錫(ATO,Antimony-doped Tin Oxide)與摻氟氧化錫(FTO,Fluorine-doped Tin Oxide)、氧化鋅系的摻鋁氧化鋅(AZO,ZnO:Al)與摻鎵氧化鋅(GZO,ZnO:Ga)、導電性高分子(PEDOT)、以及銀等。該第二透明電極層116可以濺鍍(sputter)方式形成在光電轉換層114上方，其厚度約介於數百奈米(nm)之間。第二透明電極層116係為透明薄膜太陽能電池層110的表層，故其上須蓋覆一保護層來保護第二透明電極層116不受外界損傷。在本實施例中，該保護層可為液晶面板用之外偏光片(polarizer)或是膠合膜，其將於後續的實施例中描述。

上述的實施例係為描述本發明彩色濾光片100的透明薄膜太陽能電池層110，以下將進行本發明彩色濾光片100的彩色濾光層120的細部結構描述。如第一圖所示，本發明彩色濾光片100的彩色濾光層120係形成在透明基板102上相對於透明薄膜太陽能電池層110的第二表面106上，其係由複數個色彩矩陣(color matrix)所組成，其中包含了彩色矩陣區(R/G/B)與黑色矩陣區(BM)交替配置而成，其中黑色矩陣區(BM)係作為彩色濾光片的防反射遮光層，可阻擋來自顯示裝置的光(如來自背光模組)不穿過彩色濾光片。具有透光性的紅、綠、藍三原色彩色矩陣區(R/G/B)則可透過驅動IC加以控制以過濾穿過來自顯示裝置的光使其變為吾人所欲之顏色，以呈現出一整體的影像。上述色彩矩陣係以彩色光阻(color resist)形成，其可採用顏料分散法(pigment disperse)、反轉式印刷(reverse printing)、或噴墨列印法(ink jet)等方式在透明基板102上圖形陣列化。須注意上述R/G/B的色彩矩陣排列方式僅為本發明的其中一種實施態樣，在其他實施例中，其亦可能呈R/G/B/W等其他的色彩矩陣排列態樣。

視需求而定，上述彩色濾光片的色彩矩陣區(包括R/G/B/BM)上會進一步塗佈一層平滑的保護層(overcoat)122使色彩矩陣表面平坦化並保護該色彩矩陣區。在實施例中，該保護層122上還會以濺鍍方式形成一層透明導電層124，作為顯示裝置的上部透明電極之用，其材質與第一透明電極層112及第二透明電極層116類似，包含但不限定於氧化銦錫(ITO,Indium Tin Oxide)、氧化錫系的摻銻氧化錫(ATO,Antimony-doped Tin Oxide)與摻氟氧化錫(FTO,Fluorine-doped Tin Oxide)、氧化鋅系的摻鋁氧化鋅(AZO,ZnO:Al)與摻鎵氧化鋅(GZO,ZnO:Ga)、導電性高分子(PEDOT)、以及銀等。

上述本發明具有透明薄膜太陽能電池之彩色濾光片100可應用在需要使用彩色濾光片100組件的顯示應用中，如薄膜電晶體液晶顯示器(TFT-LCD)、超扭轉向列型液晶顯示器(STN-LCD)、或電漿顯示器(PDP)，作為其組成元件之一。現在請參照第二圖，其為根據本發明實施例一具有彩色濾光片100的液晶面板150之截面圖，其描繪出液晶面板150各層的組成結構。在本發明中，前述彩色濾光片100部位係作為液晶面板150整體的上方基底，其與一作為下方基底的下透明基板156一起定義出一容置液晶分子158的空間159。彩色濾光片100與下透明基板156之間會以一封框(seal frame)160相隔並將注入液晶分子158的空間159密封。該下透明基板156上會形成一層透明導電層作為液晶面板150下部透明電極(即像素電極pixel electrode)162，而其位於彩色濾光片100上相對應之透明電極124則作為液晶面板150上部電極(即共同電極common electrode)。該兩透明電極124與162係可以外加電場來決定空間159中液晶分子158的傾斜角，以控制透過的背光源光量(即決定影像畫素的灰階值gamma)。該兩透明電極124與162上分別鍍覆有一層配向膜(alignment layer)164與166，以控制液晶分子158扭轉期間的配列。

下面將說明具有本發明彩色濾光片之顯示裝置的運作。如圖所示，在本實施例中液晶面板150係由一背光模組152提供背光源(BL,back light)作為顯示裝置的影像光來源。上述背光源BL首先會經過一下偏光片154將不具偏極性的自然光轉變為偏極光(PL,polarized light)，使透過的光線可用外加電場來控制以獲得視覺上明暗的變化。偏極光PL之後會經過下透明基板156進入液晶分子158空間159。視液晶分子158的扭轉角度而定，通過的偏極光PL會呈現不同的灰階表現而來到顯示裝置的彩色偏光片100部位。透過彩色濾光片上色彩矩陣的過濾，通過的偏極光PL會被過濾成預定、由三原色(R/G/B)所組成的色彩光，而整體呈現出一彩色影像。最後，彩色濾光片100最外層的第二透明電極層116上會蓋覆一上偏光片168，來轉換輸出光的極性並保護該彩色濾光片100的表層。

上述實施例係說明本發明具有透明薄膜太陽能電池之彩色濾光片作為一上層基底整合入顯示面板的製作流程，須注意實施例中的透明薄膜太陽能電池層110(第一圖)除了可如實施例般先行製作在彩色濾光片上，其亦可在顯示面板製作完成後才開始製作。以TFT-LCD之製作為例，中段的Cell製程會完成彩色濾光片基板與下部玻璃基板之結合以及液晶分子之注入，形成一組裝前的液晶面板。此時，吾人可在組裝前的液晶面板表側上形成本發明之透明薄膜太陽能電池層110，再進行後續組合偏光片、背光模組、框體的後段模組組立製程(module assembly)。

本發明具有透明薄膜太陽能電池之彩色濾光片的優點在於在彩色濾光片過濾光線、呈現影像的同時，其亦可接收從外部入射的光(如太陽光、照明光等)進行光電轉換，以生成額外的電能供與顯示裝置(如液晶面板150)使用。如此，在顯示裝置的使用期間(一般在有光照的環境下)，其不會影響顯示裝置自身的影像表現，又同時可生成電力供顯示裝置使用，以節省顯示裝置的能耗。而在顯示裝置未作動的情況下，本發明之彩色濾光片亦可持續接收外界光能將其預存在一電力儲存單元中，以供後需顯示裝置之用。特別是長時間置於光照環境的情況下，其可生成暨節省相當可觀之電能，可謂符合現今節能減碳的環保訴求。

文中所述之實施例與圖說係供予閱者，俾其對於本發明各不同實施例結構有通盤性的瞭解。該些圖示與說明並非意欲對利用此處所述結構或方法之裝置與系統中的所有元件及特徵作完整性的描述。於參閱本發明揭露書中，本發明領域之熟習技藝者將更能明白本發明許多其他的實施例，其得以採由或得自本發明之揭露。在不悖離本發明範疇的情況下，發明中可以進行結構與邏輯的置換與改變。此外，其圖式僅用於呈具而非按比例所繪製。圖式中的某些部分可能會被放大強調，而其他部分可能被簡略。據此，本發明之揭露與圖式理視為描述而非限制性質，並將由下文中的申請專利範圍來限制。

100．．．彩色濾光片

102．．．透明基板

104．．．第一表面

106．．．第二表面

110．．．透明薄膜太陽能電池層

112．．．第一透明電極層

114．．．光電轉換層

116．．．第二透明電極層

120．．．彩色濾光層

122．．．保護層

124．．．透明電極

150．．．液晶面板

152．．．背光模組

154．．．偏光片

156．．．透明基板

158．．．液晶分子

159．．．空間

160．．．封框

162．．．透明電極

164．．．配向膜

166．．．配向膜

168．．．偏光片

參閱後續的圖式與描述將可更了解本發明的系統及方法。文中未詳列暨非限制性之實施例則請參考該後續圖式之描述。圖式中的組成元件並不一定符合比例，而係以強調的方式描繪出本發明的原理。在圖式中，相同的元件係於不同圖示中標出相同對應之部分。

第一圖為根據本發明實施例一具有透明薄膜太陽能電池之彩色濾光片的截面圖；及

第二圖為根據本發明實施例一具有彩色濾光片的液晶面板之截面圖。

100．．．彩色濾光片

102．．．透明基板

104．．．第一表面

106．．．第二表面

110．．．透明薄膜太陽能電池層

112．．．第一透明電極層

114．．．光電轉換層

116．．．第二透明電極層

120．．．彩色濾光層

122．．．保護層

124．．．透明電極

Claims (7)

1. 一種具有透明薄膜太陽能電池的彩色濾光片，包含：一透明基底，具有一第一表面與第二表面；一透明薄膜太陽能電池，形成在該透明基底的第一表面上；複數個色彩矩陣，形成在該透明基底的第二表面上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之彩色濾光片，其中該透明薄膜太陽能電池包含一上透明電極層、一下透明電極層、及一介於該上透明電極層與下透明電極層兩者之間的光電轉換層，該上透明電極層與下透明電極層的其中一者形成在該透明基底的第一表面上。
3. 如申請專利範圍第2項所述之彩色濾光片，其中該光電轉換層的材質為非晶矽(a-Si)、微晶矽(μ-Si)、硫化鎘(CdS)、銻化鎘(CdTe)、銅銦硒化物(CIS,CuInSe2)、銅銦鎵硒化物(CIGS,Cu(In,Ga)Se2)、或色素敏化染料(DSSC)。
4. 如申請專利範圍第2項所述之彩色濾光片，其中該上透明電極層與該下透明電極層的材質為氧化銦錫(ITO)、摻銻氧化錫(ATO)與摻氟氧化錫(FTO)、氧化鋅系的摻鋁氧化鋅(AZO)與摻鎵氧化鋅(GZO)、導電性高分子(PEDOT)、或銀等。
5. 一種具有透明薄膜太陽能電池的顯示裝置，包含：一透明面板；一彩色濾光片，該彩色濾光片具有色彩矩陣的一面與該液晶面板相對，另一面上則形成有透明薄膜太陽能電池；一液晶層，嵌設於該第一基板與該第二基板之間；及一背光模組，設置在該透明面板相對於彩色濾光片的另一側。
6. 如申請專利範圍第5項所述之彩色濾光片，更包含一偏光片覆蓋在該透明薄膜太陽能電池上以保護該透明薄膜太陽能電池。
7. 如申請專利範圍第5項所述之彩色濾光片，其中該顯示裝置為薄膜電晶體液晶顯示器(TFT-LCD)、超扭轉向列型液晶顯示器(STN-LCD)、或電漿顯示器(PDP)。