TWI438911B - 具有高、低溫非晶矽本質層的高光電轉換效率太陽能電池 - Google Patents

Description

具有高、低溫非晶矽本質層的高光電轉換效率太陽能電池

本發明是有關於一種太陽電池，且特別是有關於一種具有高、低溫非晶矽本質層的高光電轉換效率(photoelectric conversion efficiency，PCE)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。

本發明提供一種具有高、低溫非晶矽本質層的高光電轉換效率太陽能電池，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。

本發明提出一種具有高、低溫非晶矽本質層的高光電轉換效率太陽能電池，其包括透明基板、第一電極、第二電極、第一n型半導體層、第一p型半導體層、高溫非晶矽本質層(intrinsic layer)、第二n型半導體層、第二p型半導體層、低溫非晶矽本質層以及紅外光轉換層(infrared light conversion layer)。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、高溫非晶矽本質層、第一p型半導體層、第二n型半導體層、低溫非晶矽本質層與第二p型半導體層依序配置於第一電極與第二電極之間，且第一n型半導體層位於高溫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或第二p型半導體層與第一電極之間，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太陽能電池，上述之第一p型半導體層、第二p型半導體層、第一n型半導體層與第二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太陽能電池，上述當紅外光轉換層位於第一n型半導體層與第二電極之間時，還可以於第一電極與第二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太陽能電池，上述當紅外光轉換層位於第二p型半導體層與第一電極之間時，還可以於第二電極與第一n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，或者當太陽光自第一電極側進入太陽能電池時，本發明於第二p型半導體層與第一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具有高、低溫非晶矽本質層的高光電轉換效率太陽能電池之剖面示意圖。在本文中，“高溫非晶矽本質層”是表示以高溫製程所形成的非晶矽本質層，而“低溫非晶矽本質層”是表示以低溫製程所形成的非晶矽本質層。

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、高溫非晶矽本質層108、p型半導體層110、n型半導體層112、低溫非晶矽本質層114、p型半導體層116以及紅外光轉換層118。

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、高溫非晶矽本質層108、p型半導體層110、n型半導體層112、低溫非晶矽本質層114與p型半導體層116依序配置於電極102與電極104之間，且n型半導體層106位於高溫非晶矽本質層108與電極104之間。n型半導體層106、112的材料例如為非晶矽或微晶矽，而n型半導體層106、112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的材料例如為非晶矽或微晶矽，而p型半導體層110、116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)。高溫非晶矽本質層108例如是利用高溫化學氣相沈積製程所形成的非晶矽材料層。低溫非晶矽本質層114例如是利用低溫化學氣相沈積製程所形成的非晶矽材料層。高溫非晶矽本質層108與低溫非晶矽本質層114皆可吸收可見光，且高溫非晶矽本質層108對於綠光與藍綠混光具有較佳的吸收率(對綠光具有最佳的吸收率)，而低溫非晶矽本質層114對於黃光與橙光具有較佳的吸收率。高溫非晶矽本質層108與低溫非晶矽本質層114作為光產生電子-電洞對的主要區域。

紅外光轉換層118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118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120穿過透明基板100而照射至紅外光轉換層118時，紅外光轉換層118可將太陽光120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。

在本實施例中，當太陽光120中的紅外光被紅外光轉換層118轉換為可見光之後，大部分的可見光會先被高溫非晶矽本質層108吸收。此外，未被高溫非晶矽本質層108吸收的可見光隨後會被低溫非晶矽本質層114吸收。也就是說，經紅外光轉換層118所轉換而形成的可見光在進入太陽能電池10之後，幾乎可以被高溫非晶矽本質層108與低溫非晶矽本質層114完全地吸收。與一般的太陽能電池相比，由於在將太陽光120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，增加了照射至高溫非晶矽本質層108與低溫非晶矽本質層114的可見光的量，且可見光幾乎完全地被高溫非晶矽本質層108與低溫非晶矽本質層114吸收，因此太陽能電池10可以具有較高的光電轉換效率。

在一實施例中，由於高溫非晶矽本質層108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118中稀土元素的種類、組成比例等來將太陽光120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10的光電轉換效率。此外，由於低溫非晶矽本質層114對於黃光與橙光具有較佳的吸收率，因此未被高溫非晶矽本質層108吸收的黃光與橙光可以被低溫非晶矽本質層114吸收，因而達到提高光電轉換效率的功效。

特別一提的是，經紅外光轉換層118所轉換成的綠光或藍綠混光經過太陽能電池10之後，未被吸收的部分可以進一步地被利用。舉例來說，經紅外光轉換層118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，由於照射至太陽能電池10的太陽光120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120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116之間配置半透明金屬層122，如圖2所示。半透明金屬層122的材料例如為鋁或過渡金屬。在本實施例中，當太陽光120自透明基板100的方向照射至太陽能電池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122而穿出太陽能電池20。此時，藉由調整半透明金屬層122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122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122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122反射而再次進入高溫非晶矽本質層108與低溫非晶矽本質層114，並被高溫非晶矽本質層108與低溫非晶矽本質層114吸收。

在上述實施例中，太陽光120皆是自透明基板100的方向照射至太陽能電池。在以下實施例中，太陽光120也可以是由相對側照射至太陽能電池。此時，紅外光轉換層118必須配置於電極102與p型半導體層116之間。

圖3為依照本發明再一實施例所繪示的具有高、低溫非晶矽本質層的高光電轉換效率太陽能電池之剖面示意圖。請參照圖3，在本實施例中，太陽能電池30與太陽能電池10的差別在於：在太陽能電池30中，紅外光轉換層118配置於電極102與p型半導體層116之間。當太陽光120自電極102的方向照射太陽能電池30時，紅外光轉換層118會將太陽光120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，然後一部分的可見光先被低溫非晶矽本質層114吸收，而未被低溫非晶矽本質層114吸收的可見光會被高溫非晶矽本質層108吸收，因此同樣可以達到提高光電轉換效率的功效。

當然，在另一實施例中，同樣可以於太陽能電池30中配置半透明金屬層122。如圖4所示，在太陽能電池40中，半透明金屬層122配置於電極104與n型半導體層106之間。因此，太陽能電池40也可以具有與太陽能電池20相同的功效。

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、30、40．．．太陽能電池

100．．．透明基板

102、104．．．電極

106、112．．．n型半導體層

108．．．高溫非晶矽本質層

110、116．．．p型半導體層

114．．．低溫非晶矽本質層

118．．．紅外光轉換層

120．．．太陽光

122．．．半透明金屬層

圖1為依照本發明一實施例所繪示的具有高、低溫非晶矽本質層的高光電轉換效率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具有高、低溫非晶矽本質層的高光電轉換效率太陽能電池之剖面示意圖。

圖3為依照本發明再一實施例所繪示的具有高、低溫非晶矽本質層的高光電轉換效率太陽能電池之剖面示意圖。

圖4為依照本發明又一實施例所繪示的具有高、低溫非晶矽本質層的高光電轉換效率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．．．n型半導體層

108．．．高溫非晶矽本質層

110、116．．．p型半導體層

114．．．低溫非晶矽本質層

118．．．紅外光轉換層

120．．．太陽光

Claims (8)

1. 低溫非晶矽本質層的高光電轉換效率太陽能電池，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、一高溫非晶矽本質層、一第一p型半導體層、一第二n型半導體層、一低溫非晶矽本質層與一第二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型半導體層位於該高溫非晶矽本質層與該第二電極之間；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或該第二p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，當該紅外光轉換層位於該第一n型半導體層與該第二電極之間時，該半透明金屬層係配置於該第一電極與該第二p型半導體層之間，當該紅外光轉換層位於該第二p型半導體層與該第一電極之間時，該半透明金屬層係配置於該第二電極與該第一n型半導體層之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具有高、低溫非晶矽本質層的高光電轉換效率太陽能電池，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項所述之具有高、低溫非晶矽 本質層的高光電轉換效率太陽能電池，其中該稀土元素包括鑭系元素。
4. 如申請專利範圍第1項所述之具有高、低溫非晶矽本質層的高光電轉換效率太陽能電池，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項所述之具有高、低溫非晶矽本質層的高光電轉換效率太陽能電池，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項所述之具有高、低溫非晶矽本質層的高光電轉換效率太陽能電池，其中該第一p型半導體層、該第二p型半導體層、該第一n型半導體層與該第二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項所述之具有高、低溫非晶矽本質層的高光電轉換效率太陽能電池，其中該透明基板的材料包括玻璃。
8. 如申請專利範圍第1項所述之具有高、低溫非晶矽本質層的高光電轉換效率太陽能電池，其中該半透明金屬層的材料包括鋁或過渡金屬。