TWI437743B - 太陽能電池模組 - Google Patents

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Description

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光電轉換率不足。因此，如何提高太陽能電池之光吸收率以及光電轉換率已經在積極的發展之中。
本發明提供一種太陽能電池模組，其可提高太陽能電池之光吸收率，進而提高太陽能電池模組整體效能。
本發明提出一種太陽能電池模組，其包括基板、第一太陽能電池以及第二太陽能電池。基板上具有光轉換層，其中光轉換層將300～500nm波長的光線轉換成500～700nm波長的光線。第一太陽能電池位於基板之表面上。第二太陽能電池是位於基板之另一表面上，且第一太陽能電池與第二太陽能電池電性連接。
基於上述，由於本發明在第一太陽能電池以及第二太陽能電池之間設置光轉換層，以將300～500nm波長的光線轉換成500～700nm波長的光線。如此一來，便可以使無法被太陽能電池吸收的光線(300～500nm)轉換成太陽能電池可吸收的光線(500～700nm)，以提高太陽能電池模組之整體效率。
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是依照本發明一實施例之太陽能電池模組的剖面示意圖。請參照圖1，本實施例之太陽能電池模組10包括基板100、第一太陽能電池A以及第二太陽能電池B，特別是，基板100上設置有光轉換層DCL。此外，太陽能電池模組10具有光入射面10a以及光反射面10b。
基板100具有表面100a以及相對於表面100a之另一表面100b。基板100可為硬質基板(例如是玻璃基材、矽基材)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。
根據本實施例，光轉換層DCL是設置於基板100之表面100a上。特別是，光轉換層DCL可將300～500nm波長的光線轉換成500～700nm波長的光線。如圖4所示，光轉換層DCL可將以B曲線分佈之光線轉換成A曲線分佈之光線。上述之光轉換層DCL可包括螢光材料或是磷光材料。
此外，第一太陽能電池A是設置在基板100之表面100a上方，其包括第一電極層110、第一主動層112以及第二電極層114。因此，本實施例之光轉換層DCL是位於第一太陽能電池A與基板100之間。
第一太陽能電池A之第一電極層110位於基板100之第一表面100a上。根據本實施例，第一電極層110包括透明電極材料，較佳的是，第一電極層110包括透明導電層110a以及功函數調整層110b。在此，透明導電層110a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。功函數調整層110b主要是用來使第一電極層110相對於第一主動層112具有適當的功函數，其材質例如是包括碳酸銫(CsCO3 )、氧化鋅(ZnO)或是其他的功函數調整材料。
第一太陽能電池A之第一主動層112覆蓋第一電極層110。第一主動層112吸收第一波長範圍的光線。根據本實施例，第一主動層112為有機吸光材料，且主要是吸收可見光波段的光線或是吸收紅外光波段的光線。倘若第一主動層112是吸收可見光波段的光線，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。倘若第一主動層112是吸收紅外光波段的光線，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。
第一太陽能電池A之第二電極層114覆蓋第一主動層112。根據本實施例，第二電極層114包括透明電極材料，其例如是有機導電材料。一般來說，第二電極層114之材質的選擇也會考慮其功函數能與第一主動層112搭配，因此本實施例之第二電極層114之材料可包括聚(3,4-伸乙二氧基塞吩：聚苯乙烯磺酸(PEDOT：PPS)、氧化銦錫(ITO)或是其他合適的材料。
此外，第二太陽能電池B是設置在基板100之另一表面100b上並與第一太陽能電池A電性連接。第二太陽能電池B包括第三電極層120、第二主動層122以及第四電極層124。
第二太陽能電池B之第三電極層120位於基板100之第二表面100b上。根據本實施例，第三電極層120包括透明電極材料，較佳的是，第三電極層120包括透明導電層120a以及功函數調整層120b。在此，透明導電層120a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。功函數調整層120b主要是用來使第三電極層120相對於第二主動層122具有適當的功函數，其材質例如是包括聚(3,4-伸乙二氧基塞吩：聚苯乙烯磺酸(PEDOT：PPS)、氧化鉬(MoO3)或是其他的功函數調整材料。
第二太陽能電池B之第二主動層122覆蓋第三電極層120。第二主動層122吸收第二波長範圍的光線。根據本實施例，第二主動層122為有機吸光材料，且主要是吸收紅外光波段的光線或是吸收可見光波段的光線。倘若第二主動層122是吸收可見光波段的光線，那麼其材質可包括P3HT：[60]PCBM、MDMO-PPV:[60]PCBM或是其他合適的材料。倘若第二主動層122是吸收紅外光波段的光線，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，本實施例之第二太陽能電池B之第二主動層122與第一太陽能電池A之第一主動層112是吸收不同的波長範圍的光線。如圖2所示，縱軸表示入射光子轉換電子效率(IPCE(%))，且橫軸表示波長。若第一太陽能電池A之第一主動層112是吸收可見光波段的光線(如曲線X)，那麼第二太陽能電池B之第二主動層122是吸收紅外光波段的光線(如曲線Y)。相反地，若第一太陽能電池A之第一主動層112是吸收紅外光波段的光線(如曲線Y)，那麼第二太陽能電池B之第二主動層122是吸收可見光波段的光線(如曲線X)。
另外，第二太陽能電池B之第四電極層124是覆蓋第二主動層122。根據本實施例，第四電極層124包括金屬電極材料，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。
承上所述，在上述之太陽能電池模組10中，第一太陽能電池A之第二電極層114之表面是作為太陽能電池模組10之光入射面10a，且第二太陽能電池B之第四電極層124之表面是作為太陽能電池模組10之光反射面10b。因此，如圖3所示，當外界光線L1從太陽能電池模組10之光入射面10a射入太陽能電池模組10之後，會先通過第一太陽能電池A之第一主動層112，以使第一主動層112吸收光線L1中之第一波長範圍的光線(例如是紅外光波段之光線)。
接著，當光線L1繼續傳遞至光轉換層DCL時，光線L1中300～500nm波長的光線會被轉換成500～700nm波長的光線。如圖4所示，光轉換層DCL可將以B曲線分佈之光線轉換成A曲線分佈之光線。換言之，此時，光線L2中大部分的300～500nm波長的光線(紫外光波段之光線)已經被轉換成500～700nm波長的光線(可見光至紅外光波段之光線)了。而當光線L2在穿過基板100之後，於通過第二太陽能電池B之第二主動層122時，第二主動層122將吸收光線L2之第二波長範圍的光線(例如是可見光波段之光線)。
接著，光線L2傳遞到第四電極層124時會被反射以形成光線L3。而反射的光線L3於通過第二主動層122時，第二主動層122將可再次吸收第二波長範圍(例如可見光波段之光線)。接著，當光線L3於通過基板100並通過第一主動層112時，第一主動層112將可再次吸收第一波長範圍(例如紅外光波段之光線)。
承上所述，由於外界光線L1之第一波長範圍(例如紅外光波段之光線)的光線以及第二波長範圍的光線(例如是可見光波段之光線)可各自被第一主動層112以及第二主動層122吸收。而且，當外界光線L1於通過光轉換層DCL時，外界光線L1之300～500nm波長的光線(無法被主動層吸收的光線)會被轉換成500～700nm波長的光線(能夠被第一主動層及第二主動層吸收的光線)。因此，本實施例將第一太陽能電池A與第二太陽能電池B設置在基板之兩表面，並且在第一太陽能電池A以及第二太陽能電池B之間設置光轉換層DCL，可以有效地提高第一太陽能電池模組之整體效率。
圖5是圖1之太陽能電池模組中之光吸收率與波長的曲線圖。請參照圖5，曲線M表示於太陽能電池模組中有裝設光轉換層時之吸收曲線，曲線N表示於太陽能電池模組中未裝設光轉換層時之吸收曲線。由圖5可知，曲線M相較於曲線N在500～700nm(區域500)的光吸收率較高，其大約可增加85%的量子轉換效率。由此可知，在太陽能電池模組中裝設光轉換層確實可以有效地提高太陽能電池模組之整體效能。
圖6是依照本發明一實施例之太陽能電池模組的剖面示意圖。圖6之實施例與圖1之實施例相似，因此相同的元件以相同的符號表示，且不再重複說明。圖6之實施例與圖1之實施例不同之處在於，光轉換層DCL是設置在基板100之表面100b上。換言之，在此實施例中，光轉換層DCL是位於第二太陽能電池B與基板100之間。
承上所述，在本實施例中，由於第一太陽能電池A與第二太陽能電池B之間設置有光轉換層DCL。因此，當外界光線於通過光轉換層DCL時，外界光線之300～500nm波長的光線(無法被主動層吸收的光線)會被轉換成500～700nm波長的光線(能夠被第一主動層及第二主動層吸收的光線)。因此，本實施例在第一太陽能電池A以及第二太陽能電池B之間設置光轉換層DCL，可以有效地提高第一太陽能電池模組之整體效率。
圖7是依照本發明一實施例之太陽能電池模組的剖面示意圖。圖7之實施例與圖1之實施例相似，因此相同的元件以相同的符號表示，且不再重複說明。圖7之實施例與圖1之實施例不相同之處在於，在基板100之表面100a以及表面100b上各自設置有光轉換層DCL。換言之，在此實施例中，光轉換層DCL是位於第一太陽能電池A與基板100之間以及第二太陽能電池B與基板100之間。
類似地，由於第一太陽能電池A與第二太陽能電池B之間設置有光轉換層DCL。因此，當外界光線於通過光轉換層DCL時，外界光線之300～500nm波長的光線(無法被主動層吸收的光線)會被轉換成500～700nm波長的光線(能夠被第一主動層及第二主動層吸收的光線)。因此，本實施例在第一太陽能電池A以及第二太陽能電池B之間設置光轉換層DCL，可以有效地提高第一太陽能電池模組之整體效率。
在上述圖1、圖6或圖7之實施例中，太陽能電池模組中的第一太陽能電池A與第二太陽能電池B是彼此電性連接。而第一太陽能電池A與第二太陽能電池B之間可以是電性串聯或者是電性並聯，如圖8以及圖9所示。
請參照圖8，此實施例之太陽能電池模組是以圖1之結構為例來說明。在此實施例中，第一太陽能電池A與第二太陽能電池B是串聯在一起的。舉例來說，第一太陽能電池A之第一電極層114是與第二太陽能電池B之第四電極層124電性連接，也就是使第一電極層114與第四電極層124電性連接至輸出單元800之其中一個端點。而第一太陽能電池A之第二電極層110是與第二太陽能電池B之第三電極層120電性連接，也就是使第二電極層110與第三電極層120電性連接至輸出單元800之另一個端點。換言之，第一太陽能電池A與第二太陽能電池B所產生的電能是藉由同一輸出單元800輸出。
承上所述，使第一太陽能電池A之第一電極層114與第二太陽能電池B之第四電極層124電性連接之方式可以採用設置外部電路板(未繪示)之方式來達成。而使第一太陽能電池A之第二電極層110與第二太陽能電池B之第三電極層120電性連接之方式可以採用在基板100中設置導電結構(未繪示)或者是設置外部電路板(未繪示)之方式來達成。
請參照圖9，此實施例之太陽能電池模組也是以圖1之結構為例來說明。在此實施例中，第一太陽能電池A與第二太陽能電池B是並聯在一起的。舉例來說，第一太陽能電池A之第一電極層114與第一太陽能電池A之第二電極層110是電性連接到一個輸出單元900a，而第二太陽能電池B之第四電極層124電性連接與第二太陽能電池B之第三電極層120則是電性連接到另一輸出單元900b。換言之，第一太陽能電池A與第二太陽能電池B所產生的電能是各自由對應輸出單元900a,900b輸出。
雖然上述圖8以及圖9之電性連接方式是以圖1之太陽能電池模組為例來說明。實際上，此領域技術人員於參照圖8以及圖9之說明之後，即可清楚地瞭解圖6以及圖7之陽能電池模組中第一太陽能電池A與第二太陽能電池B之電性連接方式。換言之，在圖6以及圖7之陽能電池模組中，第一太陽能電池A與第二太陽能電池B可以電性串聯或者是電性並聯。
綜上所述，由於本發明在第一太陽能電池以及第二太陽能電池之間設置光轉換層，以將300～500nm波長的光線轉換成500～700nm波長的光線。如此一來，便可以使傳統無法被太陽能電池吸收的光線(300～500nm)轉換成太陽能電池可吸收的光線(500～700nm)，以提高太陽能電池模組之整體效率。
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．．．太陽能電池模組
10a．．．光入射面
10b．．．光反射面
A．．．第一太陽能電池
B．．．第二太陽能電池
100．．．基板
100a．．．第一表面
100b．．．第二表面
110．．．第一電極層
110a．．．透明導電層
110b．．．功函數調整層
112．．．第一主動層
114．．．第二電極層
120．．．第三電極層
120a．．．透明導電層
120b．．．功函數調整層
122．．．第二主動層
124．．．第四電極層
DCL．．．光轉換層
L1~L3．．．光線
X、Y、A、B、M、N．．．曲線
500．．．區域
800、900a、900b．．．輸出單元
圖1是依照本發明一實施例之太陽能電池模組的剖面示意圖。
圖2是依照本發明一實施例之太陽能電池模組的光吸收波段的曲線圖。
圖3是圖1之太陽能電池模組的光吸收行為之示意圖。
圖4是圖1之太陽能電池模組中之光轉換層可使300～500nm波長的光線轉換成500～700nm波長的光線的示意圖。
圖5是圖1之太陽能電池模組中之光吸收率與波長的曲線圖。
圖6與圖7是依照本發明其他實施例之太陽能電池模組的剖面示意圖。
圖8與圖9是太陽能電池模組中第一與第二太陽能電池之電性連接示意圖。
10．．．太陽能電池模組
10a．．．光入射面
10b．．．光反射面
A．．．第一太陽能電池
B．．．第二太陽能電池
100．．．基板
100a．．．第一表面
100b．．．第二表面
110．．．第一電極層
110a．．．透明導電層
110b．．．功函數調整層
112．．．第一主動層
114．．．第二電極層
120．．．第三電極層
120a．．．透明導電層
120b．．．功函數調整層
122．．．第二主動層
124．．．第四電極層
DCL．．．光轉換層

Claims (10)

  1. 一種太陽能電池模組，包括：一基板，該基板上具有一光轉換層，其中該光轉換層將300~500nm波長的光線轉換成500~700nm波長的光線；一第一太陽能電池，位於該基板之一表面上；以及一第二太陽能電池，位於該基板之另一表面上，且該第一太陽能電池與該第二太陽能電池電性連接，其中該光轉換層位於該第一太陽能電池與該基板之間以及該第二太陽能電池與該基板之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池模組，其中該光轉換層包括一螢光材料或是一磷光材料。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池模組，其中該第一太陽能電池與該第二太陽能電池串聯。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池模組，其中該第一太陽能電池與該第二太陽能電池並聯。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池模組，其中該第一太陽能電池包括一第一電極層、一第二電極層以及位於該第一電極層以及該第二電極層之間的一第一主動層。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之太陽能電池模組，其中該第二太陽能電池包括一第三電極層、一第四電極層以及位於該第三電極層以及該第四電極層之間的一第二主動層。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之太陽能電池模組，其中該第一主動層以及該第二主動層分別為一有機吸光材料。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之太陽能電池模組，其中該第一主動層與該第二主動層其中之一是吸收可見光且另一是吸收紅外光。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之太陽能電池模組，其中該第一電極層、該第二電極層以及該第三電極層分別包括一透明電極材料。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之太陽能電池模組，其中該第四電極層包括一反射電極材料。
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