TWI430491B - 堆疊式太陽能電池模組 - Google Patents

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Chun Liang Lin
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Description

堆疊式太陽能電池模組
本發明是有關於一種太陽能電池模組，且特別是有關於一種堆疊式有機太陽能電池(organic photoVoltaic cell,OPV)模組。
近年來環保意識高漲，為了因應石化能源的短缺與減低使用石化能源對環境帶來的衝擊，替代能源與再生能源的研發便成了熱門的議題，其中又以太陽能電池photovoltaic cells)最受矚目。太陽能電池可將太陽能直接轉換成電能，且發電過程中不會產生二氧化碳或氮化物等有害物質，不會對環境造成污染。
一般而言，傳統太陽能電池是於基板上形成第一電極層、主動層以及第二電極層。當光束照射至太陽能電池時，主動層受光能的作用可產生自由電子-電洞對，並藉由兩電極層之間電場使電子與電洞會分別往兩電極層移動，而產生電能的儲存形態。此時若外加負載電路或電子裝置，便可提供電能而使電路或裝置進行驅動。
然而，目前太陽能電池最大的問題就是其光吸收率或是電能輸出功率有限。因此，如何提高太陽能電池之光吸收率以及輸出功率已經在積極的發展之中。
本發明提供一種堆疊式太陽能電池模組，其可提高太陽能電池之光吸收率以及輸出功率，進而提高太陽能電池模組整體效能。
本發明提出一種堆疊式太陽能電池模組，其包括基板、位於基板上之第一電極層、位於第一電極層上之第一吸光層、位於第一吸光層上之連接層、位於連接層上之第二載子傳輸層、位於第二載子傳輸層上之第二吸光層以及位於第二吸光層上之第二電極層。特別是，連接層之反射率為10%～60%之間。另外，第二載子傳輸層具有第一折射率n1以及第一厚度D1，第二吸光層具有第二折射率n2以及第二厚度D2，且第二載子傳輸層與第二吸光層滿足Φ1+Φ2-2π(n1D1+n2D2)/λ=2mπ。Φ1表示第二電極層與第二吸光層之間的反射相差，Φ2表示連接層與第二載子傳輸層之間的反射相位差，λ表示第一吸光層的吸收波長，且m表示0或整數。
基於上述，本發明之堆疊式太陽能電池模組中，因連接層之反射率為10%～60%，且第二載子傳輸層與第二吸光層滿足Φ1+Φ2-2π(n1D1+n2D2)/λ=2mπ，Φ1表示第二電極層與第二吸光層之間的反射相差，Φ2表示連接層與第二載子傳輸層之間的反射相位差，λ表示第一吸光層的吸收波長，且m表示0或整數。因而能在第二電極層以及連接層之間形成光學共振腔，以提高第二吸光層的光吸收率。如此一來，可以使得外界光線在射入此太陽能電池模組之後能於第一吸光層以及第二吸光層中具有均勻的光吸收率，使得堆疊式太陽能電池模組的總輸出電流以及總輸出功率提高。
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是根據本發明一實施例之堆疊式太陽能電池模組之剖面示意圖。請參照圖1，本實施例之堆疊式太陽能電池模組包括基板100、第一電極層102、第一吸光層106、連接層108、第二載子傳輸層110、第二吸光層112以及第二電極層114。根據本發明之一實施例，堆疊式太陽能電池模組較佳的是還包括第一載子傳輸層104。
基板100可為硬質基板(例如是玻璃基材)或是軟性基板(例如是有機聚合物基材)，較佳的是採用軟性基板。倘若基板100是採用軟性基板，則本實施例之堆疊式太陽能電池模組10可以採用連續滾輪製造程序(roll to roll)來製造。
第一電極層102位於基板100上。根據本實施例，第一電極層110包括透明電極材料，其例如是銦錫氧化物、銦鋅氧化物、鋁錫氧化物、鋁鋅氧化物、銦鍺鋅氧化物或其它合適的金屬氧化物。
第一載子傳輸層104位於第一電極層102上。第一載子傳輸層104主要是用來幫助第一吸光層106所產生的載子傳輸至第一電極層102。第一載子傳輸層104也可進一步用來使第一電極層102相對於第一吸光層106具有適當的功函數。根據一實施例，載子傳輸層104之材質例如是包括碳酸銫(Cs2 CO3 )、聚(3,4-伸乙二氧基塞吩：聚苯乙烯磺酸(PEDOT：PSS)、氧化鋅(ZnO)或是其他的載子傳輸材料。第一載子傳輸層104的厚度例如介於20到100nm之間。
第一吸光層106位於第一載子傳輸層104上。第一吸光層106吸收第一波長範圍的光線。根據本實施例，第一吸光層106為有機吸光材料，且主要是吸收可見光波段的光線(例如是300～700nm的光)或是吸收紅外光波段的光線(例如是吸收600～1100nm的光)。第一吸光層106的厚度例如介於60到100nm之間。
在此，倘若第一吸光層106是吸收可見光波段的光線(例如是300～700nm的光)，那麼其材質可包括聚(3-己基噻吩)：[6,6]苯基-C61-酪酸甲基酯(poly(3-hexylthiophene):[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester(P3HT：[60]PCBM))、聚[2-甲烷基-5-(30,70-二甲基壬氧)-1,4-伸苯基伸乙烯基]:[6,6]苯基-C61-酪酸甲基酯(poly[2-methoxy-5-(30,70-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylenev inylene]:[6,6]-phenyl-C61-butyricacidmethyl ester (MDMO-PPV:[60]PCBM))或是其他合適的材料。
倘若第一吸光層106是吸收紅外光波段的光線(例如是吸收600～1100nm的光)，那麼其材質可包括聚[2,6-(4,4-雙-(2-乙基己基)-4H-)]雙噻吩[2,1-b;3,4-b']環戊烷-alt-4,7-(2,1,3-苯並噻二唑):[6,6]苯基-C71-酪酸甲基酯(poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b']dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)]:[6,6]-phenyl-C71 butyric acid methyl ester(PCPDTBT:[70]PCBM))、聚[4,8-雙-取代-苯[1,2-b:4,5-b']二噻吩]-2,6--diyl-alt-4-取代-thieno[3,4-b]thio-phene-2,6-diyl]:[6,6]苯基-C71-酪酸甲基酯(poly[4,8-bis-substituted-benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl-alt-4-substituted-thieno[3,4-b]thio-phene-2,6-diyl]:[6,6]-phenyl-C71 butyric acid methyl ester(PBDTTT:[70]PCBM))或是其他合適的材料。
連接層108位於第一吸光層106上。根據本實施例，連接層108之反射率為10%～60%之間。為了使連接層108能夠電性連接上、下兩膜層，連接層108之材質較佳的選用金屬材料。另外，為了使連接層108具有10%～60%的反射率，連接層108的厚度不能太厚，較佳的是約5～25nm之間。舉例來說，若連接層108之材質是選用銀，那麼其厚度可調整成10～15nm左右。若連接層108之材質是選用鋁，那麼其厚度可調整成5～10nm。
第二載子傳輸層110位於連接層108上。第二載子傳輸層110主要是用來幫助太陽能電池所產生的載子傳輸到電極層。類似地，第二載子傳輸層110也可進一步用來使連接層108相對於第二吸光層112具有適當的功函數。根據一實施例，第二載子傳輸層110之材質例如是包括碳酸銫(Cs2 CO3 )、聚(3,4-伸乙二氧基塞吩：聚苯乙烯磺酸(PEDOT：PSS)、氧化鉬(MoO3)或是其他合適的材料。
第二吸光層112位於第二載子傳輸層110上。第二吸光層112吸收第二波長範圍的光線。根據本實施例，第二吸光層112為有機吸光材料，且主要是吸收紅外光波段的光線(例如是吸收600～1100nm的光)或是吸收可見光波段的光線(例如是300～700nm的光)。倘若第二吸光層112是吸收可見光波段的光線(例如是300～700nm的光)，那麼其材質可包括P3HT：[60]PCBM、MDMO-PPV:[60]PCBM或是其他合適的材料。倘若第二吸光層112是吸收紅外光波段的光線(例如是吸收600～1100nm的光)，那麼其材質可包括PCPDTBT:[70]PCBM、PBDTTT:[70]PCBM或是其他合適的材料。
值得一提的是，本實施例之第二吸光層112與第一吸光層106是吸收不同的波長範圍的光線。如圖3所示，縱軸表示入射光子轉換電子效率(IPCE(%))，且橫軸表示波長。若第一吸光層106是吸收可見光波段的光線(如曲線X)，那麼第二吸光層112是吸收紅外光波段的光線(如曲線Y)。相反地，若第一吸光層106是吸收紅外光波段的光線(如曲線Y)，那麼第二吸光層112是吸收可見光波段的光線(如曲線X)。
第二電極層114位於第二吸光層112上。第二電極層114包括反射電極材料，較佳的是具有高導電性以及高反射性之金屬材料，例如是鋁、銀或是其合金。
特別是，在本實施例中，第二載子傳輸層110具有第一折射率n1以及第一厚度D1，第二吸光層112具有第二折射率n2以及第二厚度D2，且第二載子傳輸層110與第二吸光層112滿足：
Φ1+Φ2-2π(n1D1+n2D2)/λ=2mπ
Φ1：第二電極層114與第二吸光層112之間的反射相位差
Φ2：連接層108與第二載子傳輸層110之間的反射相位差
λ：第一吸光層106的吸收波長
m：0或整數
承上所述，在上述堆疊式太陽能電池模組中，基板100之表面100a是作為堆疊式太陽能電池模組之光入射面，且第二電極層114之表面114a是作為堆疊式太陽能電池模組之光反射面。因此，當外界光線L1從光入射面100a射入堆疊式太陽能電池模組之後，於通過第一吸光層106時會被吸收第一波長範圍的光線。光線L1到達連接層108之後，因連接層108具有10～60%的反射率，因此有一部份的光線L2會被反射，被反射的光線L2之第一波長範圍的光線可再次通過第一吸光層106而被吸收。而另一部份的光線L3則是通過連接層108而進入第二吸光層112，使得光線L3之第二波長範圍的光線被第二吸光層112吸收。另外，光線L3會被第二電極層114反射，使得反射的光線L4可再次通過第二吸光層112，而使光線L4之第二波長範圍的光線被第二吸光層112再次被吸收。
值得一提的是，因本實施例之第二載子傳輸層110與第二吸光層112滿足Φ1+Φ2-2π(n1D1+n2D2)/λ=2mπ，Φ1表示第二電極層114與第二吸光層112之間的反射相差，Φ2表示連接層108與第二載子傳輸層110之間的反射相位差，λ表示第一吸光層106的吸收波長，且m表示0或整數，因此在第二電極層114以及連接層108之間可形成光學共振腔結構。換言之，當反射光線L4通過第二吸光層112而再度到達連接層108時，會再一次被連接層108反射回去，因而光線可在第二電極層114以及連接層108之間重複反射(如光線l1以及l2所示)並且重複被第二吸光層112吸收。由於光線可於第二電極層114以及連接層108之間重複反射以及重複被第二吸光層112吸收，因此可以提高第二吸光層112對於第二波段範圍的吸光量，進而使第一吸光層106以及第二吸光層112的吸光量盡可能的一致或是均勻。
根據本實施例，所述堆疊式太陽能電池模組更包括輸出單元120，其具有第一電極端120a以及第二電極端120b，第一電極端120a以及第二電極端120b分別電性連接第一電極層102以及第二電極層114。在此，第二載子傳輸層110與連接層108是浮置狀態。因此，由第一電極層102、第一吸光層106以及連接層108/第二載子傳輸層110所構成的第一太陽能電池單元與由連接層108/第二載子傳輸層110、第二吸光層112以及第二電極層114所構成的第二太陽能電池單元是串聯在一起的。換言之，由上述第一吸光層106與第二吸光層112吸光之後所產生的載子，可透過第一電極層102以及第二電極層114而輸出至輸出單元120，以使所產生的電能呈儲存形態。所述輸出單元120可與其他電路或電子裝置連接，如此便可提供電能而使所述電路或電子裝置進行驅動。
在圖1之實施例中，第二載子傳輸層110與連接層108是浮置狀態。然，本發明不限於此，根據另一實施例，如圖2所示，第一電極層102與第二載子傳輸層110是電性連接到輸出裝置120的第一電極端120a(例如是正電極端)，且第二電極層114與連接層108是電性連接到輸出裝置120的第二電極端120b(例如是負電極端)。換言之，在圖2之實施例中，第一太陽能電池單元是由第一電極層102、第一吸光層106以及連接層108所構成，且第二太陽能電池單元是由第二載子傳輸層110、第二吸光層112以及第二電極層114所構成，且第一太陽能電池單元與第二太陽能電池單元是串聯在一起。
實例與比較例
為了說明本發明之堆疊式太陽能電池模組相較於傳統太陽能電池模組具有較佳的輸出電流與輸出功率，以下以一個實例以及一個比較例來說明。
此實例之堆疊式太陽能電池模組之結構如圖1所示，其中第一電極層102是採用銦錫氧化物，第一載子傳輸層104是採用厚度30nm的PEDOT：PSS，第一吸光層106是採用厚度70nm且吸收300～700nm波段的P3HT：[60]PCBM吸光材料，連接層108是採用15nm的銀，第二載子傳輸層110是採用厚度30nm的PEDOT：PSS載子傳輸材料，第二吸光層112是採用厚度80nm且吸收600～1100nm波段的PCPDTBT:[70]PCBM吸光材料。特別是，在此實例中，第二載子傳輸層110與第二吸光層112滿足Φ1+Φ2-2π(n1D1+n2D2)/λ=2mπ，Φ1表示第二吸光層112與第二電極層114之反射相位差，Φ2表示第二載子傳輸層110與連接層108之反射相位差，λ表示第一吸光層106的吸收波長，且m表示0或整數。
比較例之太陽能電池模組之結構與上述實例之結構相似，不同之處在於連接層的反射率並無特別設計，且第二載子傳輸層與第二吸光層之厚度與折射率也沒有滿足Φ1+Φ2-2π(n1D1+n2D2)/λ=2mπ。
圖4是比較例之太陽能電池模組的光吸收率與光吸收波段的曲線圖。圖5是比較例之太陽能電池模組的電壓與電流的關係曲線圖。請參照圖4，曲線A表示比較例之第二吸光層的光吸收率與光吸收波段的曲線，且曲線B表示比較例之第一吸光層的光吸收率與光吸收波段的曲線。由圖4可知，比較例之第二吸光層(A曲線)之吸光量明顯小於第一吸光層(B曲線)之吸光量。這主要是因為，比較例之第二電極層與連接層之間沒有光學共振腔結構，而使得第二吸光層的吸光量明顯偏低。由於比較例之第二吸光層(A曲線)之吸光量明顯小於第一吸光層(B曲線)之吸光量，因此比較例之太陽能電池模組中的第二太陽能電池單元(具有第二吸光層)的輸出電流會明顯小於第一太陽能電池單元(具有第一吸光層)的輸出電流。
此外，因為比較例之太陽能電池模組是將兩個太陽能電池單元串聯在一起，因此太陽能電池模組之總輸出電流會受到最小吸光量的太陽能電池單元的限制。如圖5所示，A1表示比較例之太陽能電池模組的第二太陽能電池單元(具有第二吸光層)的電壓與電流關係曲線，B1表示比較例之太陽能電池模組的第一太陽能電池單元(具有第一吸光層)的電壓與電流關係曲線，T1表示比較例之太陽能電池模組之整體電壓與電流關係曲線。在此太陽能電池模組中，總輸出電流(曲線T1之電流值)會受限於第二太陽能電池單元(具有第二吸光層)的輸出電流(曲線A1之電流值)。因此，此太陽能電池模組之總輸出功率(曲線T1之IV面積)無法有效提高。
圖6是本發明之實例之堆疊式太陽能電池模組的光吸收率與光吸收波段的曲線圖。圖7是本發明之實例之堆疊式太陽能電池模組的電壓與電流的關係曲線圖。請參照圖6，曲線C表示此實例之第二吸光層的光吸收率與光吸收波段的曲線，且曲線D表示此實例之第一吸光層的光吸收率與光吸收波段的曲線。由圖6可知，此實例之第二吸光層(C曲線)之吸光量相較於比較例之第二吸光層(A曲線)之吸光量高。這主要是因為本實例之第二電極層與連接層之間具有光學共振腔結構，而使得第二吸光層的吸光量明顯提升。由於本實例之第二吸光層(C曲線)之吸光量明顯的提高，因而可使第二吸光層(C曲線)之吸光量與第一吸光層(D曲線)之吸光量相當。
如同以上所述，由於此實例之太陽能電池模組是將兩個太陽能電池單元串聯在一起，因此太陽能電池模組之總輸出電流會受到最小吸光量的太陽能電池單元的限制。而在本實例中，因第二吸光層(C曲線)之吸光量與第一吸光層(D曲線)之吸光量相當，也就是本實例之兩個太陽能電池單元之輸出電流相當，且所述輸出電流高於比較例之最小吸光量的太陽能電池單元的輸出電流。
如圖7所示，A1表示比較例之第二太陽能電池單元(具有第二吸光層)的電壓與電流關係曲線，B1表示比較例之第一太陽能電池單元(具有第一吸光層)的電壓與電流關係曲線，T1表示比較例之太陽能電池模組之整體電壓與電流關係曲線，C1,D1表示本實例之兩太陽能電池單元的電壓與電流關係曲線，T2表示本實例之太陽能電池模組之整體電壓與電流關係曲線。由圖7可知，本實例之兩個第二太陽能電池單元的輸出電流(曲線C1,D1之電流值)相當且高於比較例之第二太陽能電池單元(具有第二吸光層)的輸出電流(曲線A1之電流值)。因此，本實例之太陽能電池模組的總輸出電流(曲線T2之電流值)高於比較例之太陽能電池模組的總輸出電流(曲線T1之電流值)。因而，本發明之實例之太陽能電池模組的總輸出功率(曲線T2之IV面積)高於比較例之太陽能電池模組的總輸出功率(曲線T1之IV面積)。
綜上所述，本發明之堆疊式太陽能電池模組中，因連接層之反射率為10%～60%之間，且第二載子傳輸層與第二吸光層滿足Φ1+Φ2-2π(n1D1+n2D2)/λ=2mπ，Φ1表示第二電極層與第二吸光層之間的反射相差，Φ2表示連接層與第二載子傳輸層之間的反射相位差，λ表示第一吸光層的吸收波長，且m表示0或整數。因而於第二電極層以及連接層之間形成光學共振腔，以提高第二吸光層的光吸收率。如此一來，可以使得外界光線在射入此太陽能電池模組之後能於第一吸光層以及第二吸光層中具有均勻的光吸收率，使得堆疊式太陽能電池模組的總輸出電流以及總輸出功率提高。
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．．．基板
100a．．．表面
102．．．第一電極層
104．．．第一載子傳輸層
106．．．第一吸光層
108．．．連接層
110．．．第二載子傳輸層
112．．．第二吸光層
114．．．第二電極層
114a．．．表面
120．．．輸出單元
120a,120b．．．電極端
L1～L4．．．光線
l1、l2．．．共振光線
X,Y,A,B,C,D,A1,B1,,C1,D1,T1,T2．．．曲線
圖1是根據本發明一實施例之堆疊式太陽能電池模組之剖面示意圖。
圖2根據本發明另一實施例之堆疊式太陽能電池模組之剖面示意圖。
圖3是依照本發明一實施例之堆疊式太陽能電池模組的光吸收波段的曲線圖。
圖4是比較例之太陽能電池模組的光吸收率與光吸收波段的曲線圖。
圖5是比較例之太陽能電池模組的電壓與電流的關係曲線圖。
圖6是本發明之實例之堆疊式太陽能電池模組的光吸收率與光吸收波段的曲線圖。
圖7是本發明之實例之堆疊式太陽能電池模組的電壓與電流的關係曲線圖。
100．．．基板
100a．．．表面
102．．．第一電極層
104．．．第一載子傳輸層
106．．．第一吸光層
108．．．連接層
110．．．第二載子傳輸層
112．．．第二吸光層
114．．．第二電極層
114a．．．表面
120．．．輸出單元
120a,120b．．．電極端
L1～L4．．．光線
l1、l2．．．共振光線

Claims (12)

  1. 一種堆疊式太陽能電池模組，包括：一基板；一第一電極層，位於該基板上；一第一吸光層，位於該第一電極層上；一連接層，位於該第一吸光層上，其中該連接層之反射率為10%~60%之間；一載子傳輸層，位於該連接層上；一第二吸光層，位於該載子傳輸層上；以及一第二電極層，位於該第二吸光層上，其中該載子傳輸層具有一第一折射率n1以及一第一厚度D1，該第二吸光層具有一第二折射率n2以及一第二厚度D2，且該載子傳輸層與該第二吸光層滿足：Φ1+Φ2-2π(n1D1+n2D2)/λ=2mπ Φ1表示該第二電極層與該第二吸光層之間的反射相差，Φ2表示該連接層與該載子傳輸層之間的反射相位差，λ表示該第一吸光層的吸收波長，且m表示0或整數。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊式太陽能電池模組，其中該連接層包括金屬材料。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊式太陽能電池模組，其中該連接層的厚度為5~25nm。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊式太陽能電池模組，其中該第一吸光層以及該第二吸光層分別為一有機吸光材料。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊式太陽能電池模組，其中該第一吸光層以及該第二吸光層其中之一是吸收300~700nm的光，且另一是吸收600~1100nm的光。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊式太陽能電池模組，更包括一另一載子傳輸層，位於該基板與該第一吸光層之間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊式太陽能電池模組，其中該第一電極層包括一透明電極材料。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊式太陽能電池模組，其中該第二電極層包括一反射電極材料。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊式太陽能電池模組，更包括一輸出單元，其具有一第一電極端以及一第二電極端，以分別電性連接該第一電極層以及該第二電極層。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之堆疊式太陽能電池模組，其中該第一電極層與該載子傳輸層是電性連接到該輸出裝置的該第一電極端，且該第二電極層與該連接層是電性連接到該輸出裝置的該第二電極端。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之堆疊式太陽能電池模組，其中該載子傳輸層與該連接層是浮置狀態。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊式太陽能電池模組，其中該基板為一軟性基板。
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