TWI409965B - 高光電轉換效率的三層型太陽能電池 - Google Patents

Description

高光電轉換效率的三層型太陽能電池

本發明是有關於一種太陽電池，且特別是有關於一種高光電轉換效率的(photoelectric conversion efficiency，PCE)三層型(triple junction)太陽能電池。

太陽能是一種乾淨無污染而且取之不盡用之不竭的能源，在解決目前石化能源所面臨的污染與短缺的問題時，一直是最受矚目的焦點。由於太陽能電池可直接將太陽能轉換為電能，因此成為目前相當重要的研究課題。

矽基太陽電池為業界常見的一種太陽能電池。矽基太陽能電池的原理是將p型半導體與n型半導體相接合，以形成p-n接面。當太陽光照射到具有此p-n結構的半導體時，光子所提供的能量可把半導體中的電子激發出來而產生電子-電洞對。電子與電洞均會受到內建電位的影響，使得電洞往電場的方向移動，而電子則往相反的方向移動。如果以導線將此太陽能電池與負載(load)連接起來，則可形成一個迴路(loop)，並可使電流流過負載，此即為太陽能電池發電的原理。

隨著環保意識抬頭，節能減碳的概念逐漸受眾人所重視，再生能源的開發與利用成為世界各國積極投入發展的重點。目前，太陽能電池的關鍵問題在於其光電轉換效率的提升，而能夠提升太陽能電池的光電轉換效率即意味著產品競爭力的提升。

本發明提供一種高光電轉換效率的三層型太陽能電池，其可將無法被太陽能電池所利用的紅外光轉換為可被太陽能電池所利用的可見光，以提高光電轉換效率。

本發明提出一種高光電轉換效率的三層型太陽能電池，其包括透明基板、第一電極、第二電極、紅外光轉換層(infrared light conversion layer)以及依序配置於第一電極與第二電極之間的第一n型半導體層、第一非晶矽本質層(intrinsic layer)、第一p型半導體層、第二n型半導體層、第二非晶矽本質層、第二p型半導體層、第三n型半導體層、微晶矽本質層與一第三p型半導體層。第一電極配置於透明基板上。第二電極配置於第一電極與透明基板之間。第一n型半導體層位於第一非晶矽本質層與第二電極之間。紅外光轉換層配置於第一n型半導體層與第二電極之間，用以將紅外光轉換為可見光。

依照本發明實施例所述之高光電轉換效率的三層型太陽能電池，上述之紅外光轉換層的材料例如為稀土(rare earth)元素。

依照本發明實施例所述之高光電轉換效率的三層型太陽能電池，上述之稀土元素例如為鑭(La)系元素。

依照本發明實施例所述之高光電轉換效率的三層型太陽能電池，上述之可見光例如為綠光或藍綠混光。

依照本發明實施例所述之高光電轉換效率的三層型太陽能電池，上述之第一電極與第二電極的材料例如為透明導電氧化物(transparent conductive oxide，TCO)。

依照本發明實施例所述之高光電轉換效率的三層型太陽能電池，上述之第一n型半導體層、第二n型半導體層與第三n型半導體層的材料例如為非晶矽或微晶矽。

依照本發明實施例所述之高光電轉換效率的三層型太陽能電池，上述之第一p型半導體層、第二p型半導體層與第三p型半導體層的材料例如為非晶矽或微晶矽。

依照本發明實施例所述之高光電轉換效率的三層型太陽能電池，上述之透明基板的材料例如為玻璃。

依照本發明實施例所述之高光電轉換效率的三層型太陽能電池，還可以於第一電極與第三p型半導體層之間配置半透明金屬層。

依照本發明實施例所述之高光電轉換效率的三層型太陽能電池，上述之半透明金屬層的材料例如為鋁或過渡金屬(transition metal)。

基於上述，當太陽光自第二電極側進入太陽能電池時，本發明於第一n型半導體層與第二電極之間配置紅外光轉換層來將紅外光轉換為本質層可吸收的可見光，因此可以大幅地提升太陽能電池的光電轉換效率。

此外，由於照射至太陽能電池的太陽光中的紅外光被轉換為可見光，因此可以大幅度地降低紅外光所造成的熱累積效應，進而提高太陽能電池的效能。

另外，若照射至太陽能電池的太陽光中的紅外光被轉換為綠光或藍綠混光，則本發明的太陽能電池可以應用於需要較多綠光或藍綠混光的農業或花卉產業，以助於農作物與花卉培養。

為讓本發明之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。

圖1為依照本發明一實施例所繪示的高光電轉換效率的三層型太陽能電池之剖面示意圖。請參照圖1，太陽能電池10包括透明基板100、電極102、電極104、n型半導體層106、非晶矽本質層108、p型半導體層110、n型半導體層112、非晶矽本質層114、p型半導體層116、n型半導體層118、微晶矽本質層120、p型半導體層122以及紅外光轉換層124。

透明基板100的材料例如為玻璃。電極102配置於透明基板100上。電極102的材料例如為透明導電氧化物。上述的透明導電氧化物可以是銦錫氧化物(indium tin oxide，ITO)、氧化鋁鋅(Al doped ZnO，AZO)、銦鋅氧化物(indium zinc oxide，IZO)或其他透明導電材料。電極104配置於電極102與透明基板100之間。電極104的材料例如為透明導電氧化物(例如銦錫氧化物、氧化鋁鋅、銦鋅氧化物或其他透明導電材料)。

n型半導體層106、非晶矽本質層108、p型半導體層110、n型半導體層112、非晶矽本質層114、p型半導體層116、n型半導體層118、微晶矽本質層120、p型半導體層122依序配置於電極102與電極104之間，且n型半導體層106位於非晶矽本質層108與電極104之間。n型半導體層106、112、118的材料例如為非晶矽或微晶矽，而n型半導體層106、112、118中所摻雜的材料例如是選自元素週期表中VA族元素的群組，其可以是磷(P)、砷(As)、銻(Sb)或鉍(Bi)。p型半導體層110、116、122的材料例如為非晶矽或微晶矽，而p型半導體層110、116、122中所摻雜的材料例如是選自元素週期表中IIIA族元素的群組，其可以是硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)或鉈(Tl)。非晶矽本質層108、非晶矽本質層114與微晶矽本質層120皆可吸收可見光，且非晶矽本質層108與非晶矽本質層114對於綠光或藍綠混光具有較佳的吸收率。

紅外光轉換層124配置於n型半導體層106與電極104之間，用以將紅外光轉換為可見光。紅外光轉換層124的材料例如為稀土元素，例如鑭系元素。詳細地說，對於一般的太陽能電池來說，當太陽光照射至太陽能電池時，由於以非晶矽為材料的本質層與以微晶矽為材料的本質層皆無法吸收太陽光中的紅外光(其在太陽光中約佔50%)，因此紅外光會直接穿過太陽能電池而無法被利用，使得太陽能電池的光電轉換效率無法大幅度地提升。然而，在本實施例中，當太陽光126穿過透明基板100而照射至紅外光轉換層124時，紅外光轉換層124可將太陽光126中無法被太陽能電池所利用的紅外光轉換為可被太陽能電池所利用的可見光。

當太陽光126中的紅外光被紅外光轉換層124轉換為可見光之後，大部分的可見光會先被非晶矽本質層108與非晶矽本質層114吸收。此外，與非晶矽材料相比，由於微晶矽材料對於可見光具有較寬的吸收波長範圍，因此未被非晶矽本質層108與非晶矽本質層114吸收的可見光可進一步被下方的微晶矽本質層120吸收。也就是說，經紅外光轉換層124所轉換而形成的可見光在進入太陽能電池10之後，幾乎可以被非晶矽本質層108、非晶矽本質層114與微晶矽本質層120完全地吸收。與一般的太陽能電池相比，由於在將太陽光126中無法被太陽能電池所利用的紅外光轉換為可被太陽能電池所利用的可見光之後，增加了照射至非晶矽本質層108、非晶矽本質層114與微晶矽本質層120的可見光的量，且可見光幾乎完全被非晶矽本質層108、非晶矽本質層114與微晶矽本質層120吸收，因此太陽能電池10可以具有較高的光電轉換效率。

此外，相對於其他顏色的可見光來說，由於非晶矽材料對於綠光與藍綠混光具有較佳的吸收率(對於綠光具有最佳的吸收率)，因此可以藉由調整紅外光轉換層124中稀土元素的種類、組成比例等來將太陽光126中的紅外光轉換為綠光或藍綠混光，以進一步地增加非晶矽本質層108與非晶矽本質層114的光吸收率，進而提升太陽能電池10的光電轉換效率。

特別一提的是，經紅外光轉換層124所轉換成的綠光或藍綠混光經過太陽能電池10之後，未被吸收的部分還可以進一步地被利用。舉例來說，經紅外光轉換層124轉換而形成且未被吸收的綠光或藍綠混光可以與原本穿過太陽能電池10的未被吸收的可見光混合而產生不同顏色的光。因此，若將太陽能電池10應用於建築設計中，則可以視實際需求來調整而呈現出不同於白光的光。此外，若將太陽能電池10應用於需要較多綠光或藍綠混光的農業或花卉產業，則可有助於農作物與花卉培養。

再者，在本實施例中，由於照射至太陽能電池10的太陽光126中的紅外光已被轉換為可見光，因此紅外光照射至太陽能電池時所產生的熱累積效應可以被大幅度地降低，使得太陽能電池10經太陽光126照射之後仍可以維持在與周遭環境相同的溫度。此外，由於熱累積效應已被大幅度地降低，因此可以進一步避免因熱累積效應而造成光電轉換效率降低的問題，進而達到提升太陽能電池的效能的目的。

此外，在另一實施例中，還可以於電極102與p型半導體層122之間配置半透明金屬層128，如圖2所示。半透明金屬層128的材料例如為鋁或過渡金屬。在本實施例中，當太陽光126照射至太陽能電池20時，未被吸收的綠光或藍綠混光以及其他未被吸收的可見光會經過半透明金屬層128而穿出太陽能電池20。此時，藉由調整半透明金屬層128的厚度可以控制穿出太陽能電池20的光的顏色與出光量。

詳細地說，若半透明金屬層128的厚度較薄，則穿出太陽能電池20的光的強度較大，且含有較多的綠光或藍綠混光，因此同樣可以應用於需要較多綠光或藍綠混光的農業或花卉產業，以助於農作物與花卉培養；若半透明金屬層128的厚度較厚，則穿出太陽能電池20的光的強度較小，且含有較少的綠光或藍綠混光。

此外，部分的可見光還可被半透明金屬層128反射而再次進入非晶矽本質層108、非晶矽本質層114與微晶矽本質層120，並被非晶矽本質層108、非晶矽本質層114與微晶矽本質層120吸收。

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，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故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。

10、20．．．太陽能電池

100．．．透明基板

102、104．．．電極

106、112、118．．．n型半導體層

108、114．．．非晶矽本質層

110、116、122．．．p型半導體層

120．．．微晶矽本質層

124．．．紅外光轉換層

126．．．太陽光

128．．．半透明金屬層

圖1為依照本發明一實施例所繪示的高光電轉換效率的三層型太陽能電池之剖面示意圖。

圖2為依照本發明另一實施例所繪示的高光電轉換效率的三層型太陽能電池之剖面示意圖。

10．．．太陽能電池

100．．．透明基板

102、104．．．電極

106、112、118．．．n型半導體層

108、114．．．非晶矽本質層

110、116、122．．．p型半導體層

120．．．微晶矽本質層

124．．．紅外光轉換層

126．．．太陽光

Claims (9)

1. 一種高光電轉換效率的三層型太陽能電池，包括：一透明基板；一第一電極，配置於該透明基板上；一第二電極，配置於該第一電極與該透明基板之間；一第一n型半導體層、一第一非晶矽本質層、一第一p型半導體層、一第二n型半導體層、一第二非晶矽本質層、一第二p型半導體層、一第三n型半導體層、一微晶矽本質層與一第三p型半導體層，依序配置於該第一電極與該第二電極之間，且該第一n型半導體層位於該第一非晶矽本質層與該第二電極之間；一半透明金屬層，配置於該第一電極與該第三p型半導體層之間；以及一紅外光轉換層，配置於該第一n型半導體層與該第二電極之間，用以將紅外光轉換為一可見光。
2. 如申請專利範圍第1項所述之高光電轉換效率的三層型太陽能電池，其中該紅外光轉換層的材料包括一稀土元素。
3. 如申請專利範圍第2項所述之高光電轉換效率的三層型太陽能電池，其中該稀土元素包括鑭系元素。
4. 如申請專利範圍第1項所述之高光電轉換效率的三層型太陽能電池，其中該可見光包括綠光或藍綠混光。
5. 如申請專利範圍第1項所述之高光電轉換效率的三層型太陽能電池，其中該第一電極與該第二電極的材料 包括透明導電氧化物。
6. 如申請專利範圍第1項所述之高光電轉換效率的三層型太陽能電池，其中該第一n型半導體層、該第二n型半導體層與該第三n型半導體層的材料包括非晶矽或微晶矽。
7. 如申請專利範圍第1項所述之高光電轉換效率的三層型太陽能電池，其中該第一p型半導體層、該第二p型半導體層與該第三p型半導體層的材料包括非晶矽或微晶矽。
8. 如申請專利範圍第1項所述之高光電轉換效率的三層型太陽能電池，其中該透明基板的材料包括玻璃。
9. 如申請專利範圍第1項所述之高光電轉換效率的三層型太陽能電池，其中該半透明金屬層的材料包括鋁或過渡金屬。