TWI408824B - 拼裝式薄膜太陽能電池組成結構 - Google Patents

拼裝式薄膜太陽能電池組成結構 Download PDF

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Description

拼裝式薄膜太陽能電池組成結構
本發明係有關於一種拼裝式薄膜太陽能電池組成結構，尤指一種具有大面積之薄膜太陽能電池組成結構。
薄膜太陽能電池可在價格低廉的玻璃、塑膠或不鏽鋼基板上大量製作，以生產出大面積的太陽能電池，而其製程更可直接導入已經相當成熟的TFT-LCD製程，此為其優點之一，故業界無不爭相投入該領域之研究。
基本上，薄膜太陽能電池相對其他類型之太陽能電池而言製程較為簡單，具有成本低、可大量生產之優點。就薄膜太陽能電池基板之組成而言，參考第一圖習知之薄膜太陽能電池組成結構圖，其基本製程會經過三層沉積(deposition)、三道雷射劃線(scribe)手續，如下面所述：首先，先以物理氣相沉積製程(PVD)在預訂尺寸的玻璃基板上鍍上一層透明導電薄膜(Transparent Conductive Oxide,TCO)，其選擇透光性高及導電性佳之材質，如氧化銦錫(ITO)、氧化錫(SnO2 )、或氧化鋅(ZnO)等。接著以紅外線雷射劃線定義其前電極圖案(patterning)。至此為第一道沉積與劃線手續。第二階段為主吸收層(Active layer)之製作，其一般以電漿輔助化學氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)製程在電極面上長出一層p-i-n類型排列之氫化非晶矽結構(p-a-Si:H/i-a-Si:H/n-a-Si:H)，此主吸收層係以p-n半導體接面(p-n junction)作為光吸收及能量轉換的主體結構。此步驟後同樣會進行雷射劃線步驟，為製作出之主吸收層定義圖案，至此為第二道沉積與劃線手續。最後再以濺鍍(sputter)製程在其上形成鋁/銀材質為主的背部電極(back contact)，並進行第三道雷射劃線定義出其背部電極圖形。
近來將有建材功能之太陽能光電模版導入建築物本體，讓系統元件不只可以發電，並且也是建築外殼的一部分，稱為建築整合型態陽光電系統(BIPV)受到廣泛注意。其係開發具有建材功能之太陽光電模版(PV module)，然後以建築設計手法將太陽能光電模版導入建築物本體。因此BIPV是一種可反應風土氣候之被動式(passive)綠色建築設計手法，其不僅具有發電及儲能的經濟效益，更可進而替代既有建材，降低初製成本，並且結合遮陽處理、採光照明等設計手法，以獲得建築節能效益。先進國家如日本與荷蘭目前均在太陽光電的發展策略與未來計畫上均有著重，故BIPV之領域將有極大的發展潛力。目前BIPV的應用主要有大樓帷幕牆或外牆、大樓、停車場的遮陽棚、大樓天井、斜頂式屋頂建築之屋瓦、大型建築物屋頂/隔音牆等。
以建築玻璃帷幕為例，採用BIPV具有下列優勢：一、可有效利用建築物的表面積。二、替代建築物的外表包覆材料。三、代替屋頂、牆面、窗戶之建材。四、可遮陽，降低建築物外表溫度。五、降低整體建築成本。六、建築物外觀較美觀等。為達到前述目的，市場對於透明或不透明之大面積BIPV均存在著強大的需求。
然而如前所述，現有太陽光電模版製程技術採用電漿輔助化學氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)製程在電極面上長出一層p-i-n類型排列之氫化非晶矽結構(p-a-Si:H/i-a-Si:H/n-a-Si:H)作為主吸收層(Active layer)，模版尺寸受限於PECVD反應腔室的成膜尺寸(標準尺寸為1.4x1.1m2 )，製程起始必須先將腔室抽為真空，如需製作用於建築整合的大面積太陽光電模版，例如尺寸為5x5 m2 之太陽光電模版，需研發大尺寸PECVD製程設備，以克服主吸收層成膜不均(Uniformity)、抽取真空不易等問題，成本及售價殊為高昂，不利使建築整合光電系統之市場或其他大面積薄膜太陽能模組應用市場。
是故，有必要提供一種大面積太陽光電模版，其成本廉宜適用於建築整合或其他大面積光電模組之推廣應用。
本發明之目的在於提供一種薄膜太陽能電池組成結構，利用複數個薄膜太陽能電池單元拼合成為一大面積之薄膜太陽能電池，並在複數個拼合的薄膜太陽能電池單元上方形成一大面積背板保護層。習知薄膜太陽能電池結構由下而上包括：基板、第一導電層、P-I-N層、第二導電層及背板保護層，本發明則是先形成複數個薄膜太陽能電池單元，其結構下而上包括：基板、第一導電層、P-I-N層、第二導電層，再將複數個單元相互連接拼合，。在拼合之薄膜太陽能電池單元上黏合一大面積背板保護層，藉以利用原先小尺寸之PECVD製程產製大面積之薄膜太陽能電池，有效地降低產製大面積電池成本，以應用於建築物或農業大棚等可提高能源再生及回收循環之利用。
本發明另一目的是藉由選擇拼合複數個透明或不透明的小尺寸薄膜太陽能電池單元，形成透明或不透明之大面積拼裝式薄膜太陽能電池模版。其係藉由：在在各個小尺寸薄膜太陽能電池單元的p-i-n層主吸收層之上方或，形成透明導電層，其可以是透明導電電極或薄層單一過渡金屬或鋁之其中之一者。
本發明又另一目的是藉由在大面積拼裝式薄膜太陽能電池模組上結合透明之大面積鋼化玻璃，解決大面積鋼化玻璃不易裁切為小尺寸之問題。
達到上述目的之拼裝式薄膜太陽能電池組成結構，至少包含：複數個薄膜太陽能電池單元，每一單元間係相連拼合，以及一背板保護層，其形成於相連拼合之該薄膜太陽能電池單元上。其中前述每一薄膜太陽能電池單元包括：一透明基板，該透明基板之一面係為照光面；一第一導電層，其係形成於該透明基板上，用以使通過透明基板之光線進入電池單元內部；一p-i-n半導體層，其係形成於該第一導電層上方，用以在受光照射後產生電子電洞對，以提供光電流並增加光吸收率；以及一第二導電層，其係形成於該p-i-n半導體層上，用以與前述第一導電層取出電能與提昇光電轉換之效率。
前述第一導電層為透明導電電極，且第二導電層為為透明導電電極或單一過渡金屬或鋁之其中之一者。
前述透明背板之材料為強化玻璃。
前述透明基板之材料為玻璃、石英、透明塑膠、藍寶石基板或是透明可撓性的材料。
前述過渡金屬為銀或鎳，其中銀之厚度介於3nm～25nm之間。
前述第一導電層及第二導電層為氧化鋅鋁(AZO)、氧化鋅鎵(GZO)或氧化鋅硼(ZnO)。
請參考第二圖，係顯示本發明第一實施例之拼裝式薄膜太陽能電池組成結構。本發明拼裝式薄膜太陽能電池組成結構，至少包含：複數個具有相同組成結構之薄膜太陽能電池單元100、200、300，每一單元間係相連拼合，以及一背板保護層400，其形成於相連拼合之薄膜太陽能電池單元100、200、300上。應注意的是，拼裝式薄膜太陽能電池單元100、200、300僅為例式性說明，視需要可增加或減少相連拼合之薄膜太陽能電池單元數量。各個單元包括：一透明基板101、201、301，該基板之一面係為照光面；一第一導電層102、202、302，其係形成於該透明基板101、201、301上方，用以使通過透明基板101、201、301之光射入電池內部之p-i-n半導體層，以及取出電能與提昇光電轉換之效率。一p-i-n半導體層103、203、303，用以使通過透明基板產生電子電洞對，以提供光電流並增加光吸收率；以及一第二導電層104、204、304，其係形成於p-i-n半導體層103、203、303上方，用以取出電能與提昇光電轉換之效率。本發明進一步在第二導電層104、204、304上方形成一大面積背板保護層，所形成之拼裝式薄膜太陽能電池組成結構相較於習知小尺寸薄膜太陽能電池(例如1.4x1.1m2 )具有較大面積，例如5x5 m2 ，其下方視圖請參照第二圖，其顯示有多個薄膜太陽能電池單元相互連接成為一大面積薄膜太陽能電池單元；參照第三圖，其顯示本發明一具體實施例之薄膜太陽能電池之上方視圖，另參照第五圖，顯示其顯示本發明一具體實施例之薄膜太陽能電池之立體視圖。
在第二導電層104、204、304上方形成一大面積背板保護層的方法是先在第二導電層104、204、304塗敷一層太陽能電池封裝用EVA膜，再在PVB膠層上覆蓋一層大面積背板保護層。使用EVA膠層黏合大面積背板保護層與相連拼合之多個薄膜太陽能的優勢在於，EVA膜為一種以EVA(Ethylene乙烯、Vinyl乙烯基、Acetate醋酸鹽的簡稱)為基礎的熱固性有黏性的膠片，用於放在夾膠玻璃中間，在加熱前呈霧狀，兩面有浮凸的紋路，經過加熱後，變成完全透明的並且有很強的黏著力，在嚴苛的條件下也有很強的穩定性。
在本發明另一具體實施例中，本發明之背板保護層可採取以EVA膠層黏合一大面積鋼化玻璃(Tempered Glass)作為背板保護層，可作為建築物之玻璃帷幕，達到節能功效，且由於EVA膠層相較於傳統以PVB黏合的玻璃對於高頻率的音波有優異隔音效果，應屬理想。另外，因EVA膠片黏合一大面積鋼化玻璃可以抵抗高溫、潮氣、紫外線等等，並且能長時間的在戶外使用，亦可作為農業大棚之屋頂材料，其透光性非常適用於溫室或有機農業栽培，且具有發電效益。
在本發明又一具體實施例中，為使本發明之薄膜太陽能電池具有高度透光特性，前述第二導電層可為透明導電電極。透明導電電極主要可分為兩種，一種是金屬薄膜，另一種是透明導電氧化物(Transparent conductiveoxide,TCO)。
以TCO而言，於本實施例，該第一透明導電氧化物可為氧化鋅鋁(AZO)、氧化鋅鎵(GZO)或氧化鋅硼(ZnO)等透明導電氧化物，由於氧化鋅在室溫下的激子束縛能(60 meV)與氮化鎵的激子束縛能(GaN 25 meV)相比高出很多，而較大的激子束縛能代表更高的發光效率，因此是光電元件主動層的很好材枓。上述透明導電氧化物具有較低之電阻率，俾使增加光之穿透率。
以金屬薄膜而言，可為單一過渡金屬或鋁其中之一者，該過渡金屬例如為銀或鎳等等，以銀為例，銀之厚度介於3nm～25nm之間，且銀之特性於可見光範圍有良好之透光性且因銀具降低電阻值之特性，因此具有良好之導電性質，較佳地，銀之厚度介於3nm～5nm、10nm～15nm及20nm～25nm。另外因銀之厚度很薄，使薄膜太陽能電池之整體厚度降低。藉由半透明導電金屬層取代習知之透明導電膜，有效地增加光層及穿透長度，並增加光反射特性，以增加整體轉換效率。
於本實施例中，該透明基板之材料係可使用一般的玻璃、石英、透明塑膠、藍寶石基板或是透明可撓性的材料等等。
當該透明基板101、201、301之照光面受到太陽光照射，則光線藉由穿透該透明基板101、201、301及透明的第一導電層102、202、302進入至該p-i-n半導體層103、203、303，使太陽光照射於pn接面上，俾使部份電子因擁有足夠的能量，離開原子而變成自由電子，失去電子的原子因而產生電洞，並透過p型半導體及n型半導體分別吸引電洞與電子，把正電和負電分開，在pn接面兩端因而產生電位差，再藉由第一導電層102、202、302及第二導電層104、204、304連接一電路(圖未示)，使電子得以通過，並與在pn接面另一端的電洞再次結合，便產生電流，再藉由該第一導電層102、202、302及第二導電層104、204、304取出電能，以轉換成可利用之功率，且因本發明之第二導電層104、204、304可為過渡金屬例如為銀或鎳等，其具有良好之導電性，且為使於可見光範圍有良好之透光性，本發明第一導電層102、202、302及第二導電層104、204、304之厚度適中，以避免產生不連續島膜致使導電率下降。
請參考第六圖，係顯示本發明另一實施例之拼裝式薄膜太陽能電池單元600之組成結構圖，至少包含：一透明基板601，該透明基板601之一面係為一照光面；一p-i-n半導體層602，係形成於該該透明基板601之上方，用以產生電子電洞對，以提供電流並增加光吸收率；以及複數個第二導電層603，係形成於p-i-n半導體層602之上方，用以取出電能與提昇光電轉換之效率。
本發明進一步在第二導電層104、204、304上方形成一大面積背板保護層，所形成之拼裝式薄膜太陽能電池組成結構相較於習知小尺寸薄膜太陽能電池(例如1.4x1.1m2 )具有較大面積，例如5x5 m2 ，其下方視圖請參照第二圖，其顯示有多個薄膜太陽能電池單元相互連接成為一大面積薄膜太陽能電池單元；上方視圖請參照第三圖，其顯示為一大面積之薄膜太陽能電池。
100、200、300、600．．．拼裝式薄膜太陽能電池單元
101、201、301、601．．．透明基板
102、202、302．．．第一導電層
103、203、303、602．．．p-i-n半導體層
104、204、304、603．．．第二導電層
400．．．背板保護層
第一圖顯示習知之薄膜太陽能電池組成結構圖。
第二圖顯示依據本發明一具體實施例之拼裝式薄膜太陽能電池組成結構圖。
第三圖顯示依據本發明一具體實施例之拼裝式薄膜太陽能電池上方視圖。
第四圖顯示依據本發明一具體實施例之拼裝式薄膜太陽能電池上方視圖
第五圖顯示依據本發明一具體實施例之薄膜太陽能電池之立體視圖。
第六圖顯示依據本發明另一具體實施例之拼裝式薄膜太陽能電池組成結構圖。
100、200、300．．．拼裝式薄膜太陽能電池單元
101、201、301．．．透明基板
102、202、302．．．第一導電層
103、203、303．．．p-i-n半導體層
104、204、304．．．第二導電層
400．．．背板保護層

Claims (10)

  1. 一種拼裝式薄膜太陽能電池組成結構，至少包含：複數個薄膜太陽能電池單元，每一單元間係相連拼合；一背板，其面積大於前述每一薄膜太陽能電池單元之面積，係形成相連拼合之該等薄膜太陽能電池單元上；以及一EVA膠層，其係黏合於該等薄膜太陽能電池單元與該背板之間；其中前述每一薄膜太陽能電池單元包括：一透明基板，該透明基板之一面係為照光面；一第一導電層，其係透明導電電極且形成於該透明基板上，用以使通過透明基板之光線進入電池單元內部；一p-i-n半導體層，其係形成於該第一導電層上方，用以在受光照射後產生電子電洞對，以提供光電流並增加光吸收率；以及一第二導電層，其係形成於該p-i-n半導體層上，用以與前述第一導電層取出電能與提昇光電轉換之效率。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之拼裝式薄膜太陽能電池組成結構，其中前述第二導電層為透明導電電極或單一過渡金屬或鋁之其中之一者。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之拼裝式薄膜太陽能電池組成結構，其中前述背板之材料為強化玻璃。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之拼裝式薄膜太陽能電池組成結構，其中前述背板之材料為強化玻璃。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之拼裝式薄膜太陽能電池組 成結構，其中前述透明基板之材料為玻璃、石英、透明塑膠、藍寶石基板或是透明可撓性的材料。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之拼裝式薄膜太陽能電池組成結構，其中前述透明基板之材料為玻璃、石英、透明塑膠、藍寶石基板或是透明可撓性的材料。
  7. 如申請專利範圍第2項所述之拼裝式薄膜太陽能電池組成結構，其中前述過渡金屬為銀或鎳。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之拼裝式薄膜太陽能電池組成結構，其中前述銀之厚度介於3nm~25nm之間。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之拼裝式薄膜太陽能電池組成結構，其中前述第一導電層為氧化鋅鋁(AZO)、氧化鋅鎵(GZO)或氧化鋅硼(ZnO)。
  10. 如申請專利範圍第2項所述之拼裝式薄膜太陽能電池組成結構，其中前述第一導電層及第二導電層為氧化鋅鋁(AZO)、氧化鋅鎵(GZO)或氧化鋅硼(ZnO)。
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