TWI420680B - 智能調控太陽能電池的光電轉換效率與穿透光的方法 - Google Patents

Description

智能調控太陽能電池的光電轉換效率與穿透光的方法

本發明是有關於一種調控太陽能電池的方法，且特別是有關於一種智能調控太陽能電池的光電轉換效率(photoelectric conversion efficiency，PCE)與穿透光的方法。

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第一導電型半導體與第二導電型半導體相接合，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。

本發明提供一種智能調控太陽能電池的光電轉換效率與穿透光的方法，其可藉由調整太陽能電池中的半透明金屬層的厚度來控制太陽能電池的光電轉換效率與穿透光。

本發明提出一種智能調控太陽能電池的光電轉換效率與穿透光的方法。此方法是先提供包括透明基板、第一電極、第二電極、第一導電型半導體層、第二導電型半導體層、本質層(intrinsic layer)、紅外光轉換層(infrared light conversion layer)以及半透明(translucent)金屬層。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。第一導電型半導體層配置於第一電極與第二電極之間。第二導電型半導體層配置於第一導電型半導體層與第一電極之間。本質層配置於第一導電型半導體層與第二導電型半導體層之間。紅外光轉換層配置於第二導電型半導體層與第一電極之間，用以將紅外光轉換為可見光。半透明金屬層配置於紅外光轉換層與第一電極之間。之後，調整半透明金屬層的厚度，以控制太陽能電池的光電轉換效率與穿透光。

依照本發明實施例所述之智能調控太陽能電池的光電轉換效率與穿透光的方法，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智能調控太陽能電池的光電轉換效率與穿透光的方法，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智能調控太陽能電池的光電轉換效率與穿透光的方法，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智能調控太陽能電池的光電轉換效率與穿透光的方法，上述之半透明金屬層的厚度例如介於2 nm至25 nm之間。

依照本發明實施例所述之智能調控太陽能電池的光電轉換效率與穿透光的方法，上述之半透明金屬層的材料例如為鋁或過渡金屬(transition metal)。

依照本發明實施例所述之智能調控太陽能電池的光電轉換效率與穿透光的方法，上述之調整半透明金屬層的厚度例如是增加半透明金屬層的厚度，以增加光電轉換效率以及減少穿透光。

依照本發明實施例所述之智能調控太陽能電池的光電轉換效率與穿透光的方法，上述之調整半透明金屬層的厚度例如是減少半透明金屬層的厚度，以增加穿透光。

依照本發明實施例所述之智能調控太陽能電池的光電轉換效率與穿透光的方法，上述之調整半透明金屬層的厚度例如是增加或減少半透明金屬層的厚度，以控制穿透光的顏色。

基於上述，本發明可藉由增加半透明金屬層的厚度，增加由紅外光轉換層轉換所形成的可見光反射至本質層的量，以提高太陽能電池的光電轉換效率，以及減少穿透光。

此外，本發明可藉由減少半透明金屬層的厚度，減少由紅外光轉換層轉換所形成的可見光在太陽能電池內部的反射量，以增加穿透光的量。

另外，本發明可藉由增加或減少半透明金屬層的厚度來控制由紅外光轉換層轉換所形成的綠光或藍綠混光穿透太陽能電池的量，以控制穿透光的顏色。

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為依照本發明實施例所繪示的智能調控太陽能電池的光電轉換效率與穿透光的方法之步驟流程圖。圖2為依照本發明實施例所繪示的太陽能電池之剖面示意圖。請同時參照圖1與圖2，首先，在步驟100中，提供太陽能電池20。太陽能電池20包括透明基板200、電極202、電極204、第一導電型半導體層206、第二導電型半導體層208、本質層210、紅外光轉換層212以及半透明金屬層214。

透明基板200的材料例如為玻璃。電極202配置於透明基板200上。電極202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204配置於電極202與透明基板200之間。電極204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)。

第一導電型半導體層206配置於電極202與電極204之間。第一導電型半導體層206的材料例如為非晶矽或微晶矽。第二導電型半導體層208配置於第一導電型半導體層206與電極202之間。第二導電型半導體層208的材料例如為非晶矽或微晶矽。本質層210配置於第一導電型半導體層206與第二導電型半導體層208之間，用以作為光產生電子-電洞對的主要區域。本質層210的材料例如為非晶矽。在一實施例中，第一導電型半導體層206例如為p型半導體層，而第一導電型半導體層206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)；第二導電型半導體層208例如為n型半導體層，而第二導電型半導體層208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)。當然，在另一實施例中，第一導電型半導體層206也可以是n型半導體層，而第二導電型半導體層208則為p型半導體層。

紅外光轉換層212配置於第二導電型半導體層208與電極202之間，用以將紅外光轉換為可見光。紅外光轉換層212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216穿過透明基板200而照射至紅外光轉換層212時，紅外光轉換層212可將太陽光216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。

此外，半透明金屬層214配置於紅外光轉換層212與電極202之間。半透明金屬層214的材料例如為鋁或過渡金屬。半透明金屬層214的厚度例如介於2 nm至25 nm之間。當太陽光216中無法被太陽能電池所利用的紅外光被紅外光轉換層212轉換為可被太陽能電池所利用的可見光之後，經由半透明金屬層214的反射可進入本質層210。由於本質層210對於可見光具有較佳的吸收率，因此當太陽光216中的紅外光被紅外光轉換層212轉換為可見光且藉由半透明金屬層214反射進入本質層210時，與一般的太陽能電池相比，可以增加照射至本質層210的可見光的量，因而提升了太陽能電池20的光電轉換效率。

此外，相對於其他顏色的可見光來說，由於太陽能電池20中的本質層是以非晶矽為材料，而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212中稀土元素的種類、組成比例等來將太陽光216中的紅外光轉換為綠光或藍綠混光，以進一步地提升太陽能電池20的光電轉換效率。

之後，在步驟102中，調整半透明金屬層214的厚度，以控制太陽能電池20的光電轉換效率與穿透光。在本文中，調整半透明金屬層214的厚度即表示對太陽能電池20提供具有不同厚度的半透明金屬層214，只要半透明金屬層214介於2 nm至25 nm之間即可。詳細地說，經由調整半透明金屬層214的厚度可調整半透明金屬層214的透明度。當半透明金屬層214的厚度越薄時，則半透明金屬層214的透明度越高，且其具有較高的光穿透率；當半透明金屬層214的厚度越厚時，則半透明金屬層214的透明度越低，且其具有較高的光反射率。

舉例來說，藉由增加半透明金屬層214的厚度，可以增加太陽能電池20的光電轉換效率以及減少穿透太陽能電池20的光線。由於半透明金屬層214的厚度增加，使得半透明金屬層214的光反射率提高，因此當太陽光216中的紅外光被紅外光轉換層212轉換為可見光之後，大量的可見光可被半透明金屬層214反射至本質層210，因而提高了太陽能電池20的光電轉換效率。

此外，藉由調整半透明金屬層214的厚度，也可以控制穿透太陽能電池20的光線。舉例來說，藉由增加半透明金屬層214的厚度可減少穿透太陽能電池20的光線，而減少半透明金屬層214的厚度則可以增加穿透太陽能電池20的光線。換句話說，藉由調整半透明金屬層214的厚度可以達到控制穿透太陽能電池20的光線強度的效果，以符合使用者的需求。

另外，藉由調整半透明金屬層214的厚度除了可以達到控制穿透太陽能電池20的光線強度之外，還可以進一步地控制穿透太陽能電池20的光線顏色。舉例來說，當太陽光216中的紅外光被紅外光轉換層212轉換為綠光或藍綠混光之後，藉由調整半透明金屬層214的厚度可以控制綠光或藍綠混光的穿透量。因此，若將太陽能電池20應用於建築設計中，則可以視實際需求來控制綠光或藍綠混光的穿透量，以呈現出含有不同程度的綠光或藍綠混光的光線。此外，藉由減少半透明金屬層214的厚度，則可將太陽能電池20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的培養。

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。

100~102．．．步驟

20．．．太陽能電池

200．．．透明基板

202、204．．．電極

206．．．第一導電型半導體層

208．．．第二導電型半導體層

210．．．本質層

212．．．紅外光轉換層

214．．．半透明金屬層

216．．．太陽光

圖1為依照本發明實施例所繪示的智能調控太陽能電池的光電轉換效率與穿透光的方法之步驟流程圖。

圖2為依照本發明實施例所繪示的太陽能電池之剖面示意圖。

100~102．．．步驟

Claims (7)

1. 一種智能調控太陽能電池的光電轉換效率與穿透光的方法，包括：提供有一光電轉換效率之一太陽能電池，以供一穿透光穿透，該太陽能電池包括：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；一第一導電型半導體層，配置於該第一電極與該第二電極之間；一第二導電型半導體層，配置於該第一導電型半導體層與該第一電極之間；一本質層，配置於該第一導電型半導體層與該第二導電型半導體層之間；一紅外光轉換層，配置於該第二導電型半導體層與該第一電極之間，用以將紅外光轉換為一可見光；以及一半透明金屬層，配置於該紅外光轉換層與該第一電極之間；以及增加該半透明金屬層的厚度，以增加該光電轉換效率以及減少該穿透光，或減少該半透明金屬層的厚度，以增加該穿透光。
2. 如申請專利範圍第1項所述之智能調控太陽能電 池的光電轉換效率與穿透光的方法，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項所述之智能調控太陽能電池的光電轉換效率與穿透光的方法，其中該稀土元素包括鑭系元素。
4. 如申請專利範圍第1項所述之智能調控太陽能電池的光電轉換效率與穿透光的方法，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項所述之智能調控太陽能電池的光電轉換效率與穿透光的方法，其中該半透明金屬層的厚度介於2nm至25nm之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之智能調控太陽能電池的光電轉換效率與穿透光的方法，其中該半透明金屬層的材料包括鋁或過渡金屬。
7. 如申請專利範圍第1項所述之智能調控太陽能電池的光電轉換效率與穿透光的方法，其中增加或減少該半透明金屬層的厚度，以控制該穿透光的顏色。