TWI449199B - 高光電轉換效率的壓合型太陽能電池及其製造方法 - Google Patents

Description

高光電轉換效率的壓合型太陽能電池及其製造方法

本發明是有關於一種太陽電池及其製造方法，且特別是有關於一種高光電轉換效率(photoelectric conversion efficiency，PCE)的壓合型太陽能電池及其製造方法。

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。

矽基太陽能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壓合型太陽能電池的製造方法，其不需改變原有的太陽能電池製程即可快速地製造具有高光電轉換效率的太陽能電池。

本發明另提供一種高光電轉換效率的壓合型太陽能電池，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壓合型太陽能電池的製造方法，此方法是先提供第一透明基板。然後，於第一透明基板上形成第一電極。接著，於第一電極上形成至少一個堆疊半導體結構，其中每一個堆疊半導體結構包括p型半導體層、本質層(intrinsic layer)與n型半導體層，且本質層位於p型半導體層與n型半導體層之間。而後，於堆疊半導體結構上形成第二電極。繼之，提供第二透明基板。隨後，於第二透明基板上形成紅外光轉換層(infrared light conversion layer)，此紅外光轉換層用以將紅外光轉換為可見光。接下來，於紅外光轉換層和/或第二電極上形成黏著層。之後，壓合第一透明基板與第二透明基板。

依照本發明實施例所述之高光電轉換效率的壓合型太陽能電池的製造方法，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高光電轉換效率的壓合型 太陽能電池的製造方法，上述之稀土元素例如為鑭系(La)元素。

依照本發明實施例所述之高光電轉換效率的壓合型太陽能電池的製造方法，上述之可見光例如為綠光或藍綠混光。

本發明另提出一種高光電轉換效率的壓合型太陽能電池，其包括第一透明基板、第二透明基板、第一電極、第二電極、至少一堆疊半導體結構、紅外光轉換層以及黏著層。第二透明基板配置於第一透明基板上。第一電極配置於第一透明基板與第二透明基板之間。第二電極配置於第一電極與第二透明基板之間。堆疊半導體結構配置於第一電極與第二電極之間，其中堆疊半導體結構包括p型半導體層、本質層與n型半導體層，且本質層位於p型半導體層與n型半導體層之間。紅外光轉換層配置於第二透明基板與第二電極之間，用以將紅外光轉換為可見光。黏著層配置於紅外光轉換層與第二電極之間。

依照本發明實施例所述之高光電轉換效率的壓合型太陽能電池，上述之紅外光轉換層的材料例如為稀土元素。

依照本發明實施例所述之高光電轉換效率的壓合型太陽能電池，上述之稀土元素例如為鑭系元素。

依照本發明實施例所述之高光電轉換效率的壓合型太陽能電池，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壓合型太陽能電池，上述之第一電極與第二電極的材料各自例如 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壓合型太陽能電池，上述之p型半導體層、本質層與n型半導體層的材料各自例如為非晶矽或微晶矽。

基於上述，本發明先分別製造具有紅外光轉換層的透明基板與一般熟知的太陽能電池，然後再藉由將黏著層將二者壓合在一起，因此在本發明的壓合型太陽能電池的製程中，不需改變原有的太陽能電池製程，因而不會導致生產成本增加。此外，由於具有紅外光轉換層的透明基板與一般熟知的太陽能電池是分別製造的，因此可視實際需求而在不同的場所製造具有紅外光轉換層的透明基板與一般熟知的太陽能電池。

此外，對於本發明的壓合型太陽能電池來說，當太陽光自第二電極側進入太陽能電池時，紅外光轉換層可將太陽光中的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。另外，由於照射至本發明的壓合型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。再者，若照射至本發明的壓合型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，則本發明的壓合型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1A至圖1C為依照本發明實施例所繪示的高光電轉換效率的壓合型太陽能電池之製造流程剖面圖。首先，請參照圖1A，提供透明基板100。透明基板100的材料例如為玻璃。然後，於透明基板100上形成電極102。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102的形成方法例如為濺鍍法(sputtering)、化學氣相沈積法(chemical vapor deposition，CVD)或蒸鍍法(evaporation)。接著，於電極102上形成堆疊半導體結構104。在本實施例中，堆疊半導體結構104包括p型半導體層104a、本質層104b與n型半導體層104c。詳細地說，堆疊半導體結構104的形成方法例如是先於電極102上形成p型半導體層104a。p型半導體層104a的材料例如為非晶矽或微晶矽，而p型半導體層104a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)。然後，於p型半導體層104a上形成本質層104b。本質層104b作為光產生電子-電洞對的主要區域。本質層104b的材料例如為未經摻雜的非晶矽或微晶矽。之後，於本質層104b上形成n型半導體層104c。n型半導體層104c的材料例如 為非晶矽或微晶矽，而n型半導體層104c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)。在形成堆疊半導體結構104之後，於堆疊半導體結構104上形成電極106。電極106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、氧化鋁鋅、銦鋅氧化物或其他透明導電材料。

在本實施例中，堆疊半導體結構104是由依序形成於電極102上的p型半導體層104a、本質層104b與n型半導體層104c所構成。在其他實施例中，也可以視實際需求，將n型半導體層104c、本質層104b與p型半導體層104a依序形成於電極102上來構成堆疊半導體結構。此外，在本實施例中，電極102與電極106之間僅具有一個堆疊半導體結構，而在其他實施例中，也可以視實際需求而於電極102與電極106之間形成依序堆疊的多個堆疊半導體結構。

此外，上述於透明基板100上形成電極102、堆疊半導體結構104與電極106的步驟即為一般熟知的太陽能電池的製程步驟。也就是說，圖1中的結構即為一般熟知的太陽能電池，其可由現有的設備來製造，不需使用額外的設備，且不需改變目前的製程步驟。

接著，請參照圖1B，提供透明基板108。透明基板108的材料例如為玻璃。然後，於透明基板108上形成紅外光轉換層(infrared light conversion layer)110。紅外光轉 換層110用以將紅外光轉換為可見光。紅外光轉換層110的形成方法例如為濺鍍法、化學氣相沈積法或蒸鍍法。紅外光轉換層110的材料例如為稀土元素，例如鑭系元素。之後，於紅外光轉換層110上形成黏著層112。黏著層112的材料例如為乙烯醋酸乙烯酯(ethylene vinyl acetate，EVA)。

之後，請參照圖1C，以黏著層112朝向電極106的方式壓合透明基板100與透明基板108，以形成壓合型太陽能電池114。

在本實施例中，黏著層112形成於紅外光轉換層110上。當然，在其他實施例中，也可以將黏著層112形成於電極106上，然後再以黏著層112朝向紅外光轉換層110的方式壓合透明基板100與透明基板108，以形成壓合型太陽能電池114。或者，也可以同時於紅外光轉換層110與電極106上形成黏著層112。

如上所述，本發明在製造壓合型太陽能電池114的過程中，先分別製造具有紅外光轉換層110的透明基板108與一般熟知的太陽能電池(如圖1A所示的結構)，然後再藉由將黏著層112將二者壓合在一起。也就是說，在本發明的壓合型太陽能電池的製程中，不需改變原有的太陽能電池製程，因而不會導致生產成本增加。此外，由於圖1B中的具有紅外光轉換層110的透明基板108與圖1A中的太陽能電池是分別製造的，因此亦可視實際需求而在不同的場所製造具有紅外光轉換層110的透明基板108與圖1A 中的太陽能電池。

以下將以圖1C中的壓合型太陽能電池114為例，對本發明的太陽能電池作說明。

請參照圖1C，壓合型太陽能電池114包括透明基板100、透明基板108、電極102、電極106、堆疊半導體結構104、紅外光轉換層110以及黏著層112。透明基板108配置於透明基板100上。電極102配置於透明基板100與透明基板108之間。電極106配置於電極102與透明基板108之間。堆疊半導體結構104配置於電極102與電極106之間。堆疊半導體結構104包括p型半導體層104a、本質層104b與n型半導體層104c，且本質層104b位於p型半導體層104a與n型半導體層之間104c。紅外光轉換層110配置於透明基板108與電極106之間，用以將紅外光轉換為可見光。黏著層112配置於紅外光轉換層110與電極106之間。

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，由於以非晶矽或微晶矽為材料的本質層無法有效地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，對於壓合型太陽能電池114來說，當太陽光穿過透明基板108而照射至紅外光轉換層110時，紅外光轉換層110可將太陽光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。由於本質層104b對於可見光具有較佳 的吸收率，因此當太陽光中的紅外光被紅外光轉換層110轉換為可見光而進入本質層104b時，與一般的太陽能電池相比，增加了照射至本質層104b的可見光的量，因而提升了壓合型太陽能電池114的光電轉換效率。

此外，相對於其他顏色的可見光來說，若壓合型太陽能電池114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110中稀土元素的種類、組成比例等來將太陽光中的紅外光轉換為綠光或藍綠混光，以進一步地提升壓合型太陽能電池114的光電轉換效率。

特別一提的是，經紅外光轉換層110所轉換成的綠光或藍綠混光經過壓合型太陽能電池114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110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壓合型太陽能電池114的未被吸收的可見光混合而產生不同顏色的光。因此，若將壓合型太陽能電池114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，若將壓合型太陽能電池114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，由於照射至壓合型太陽能電池114的太陽光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，使得壓合型太陽能電池114經太陽光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。

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、108‧‧‧透明基板

102、106‧‧‧電極

104‧‧‧堆疊半導體結構

104a‧‧‧p型半導體層

104b‧‧‧本質層

104c‧‧‧n型半導體層

110‧‧‧紅外光轉換層

112‧‧‧黏著層

114‧‧‧壓合型太陽能電池

圖1A至圖1C為依照本發明實施例所繪示的高光電轉換效率的壓合型太陽能電池之製造流程剖面圖。

108‧‧‧透明基板

110‧‧‧紅外光轉換層

112‧‧‧黏著層

Claims (10)

1. 一種高光電轉換效率的壓合型太陽能電池的製造方法，包括：提供一第一透明基板；於該第一透明基板上形成一第一電極；於該第一電極上形成至少一堆疊半導體結構，其中每一堆疊半導體結構包括一p型半導體層、一本質層與一n型半導體層，且該本質層位於該p型半導體層與該n型半導體層之間；於該至少一堆疊半導體結構上形成一第二電極；提供一第二透明基板；於該第二透明基板上形成一紅外光轉換層，該紅外光轉換層用以將紅外光轉換為一可見光；於該紅外光轉換層和/或該第二電極上形成一黏著層；以及以該黏著層將該第二電極直接黏著該紅外光轉換層的方式，壓合該第一透明基板與該第二透明基板。
2. 如申請專利範圍第1項所述之高光電轉換效率的壓合型太陽能電池的製造方法，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項所述之高光電轉換效率的壓合型太陽能電池的製造方法，其中該稀土元素包括鑭系元素。
4. 如申請專利範圍第1項所述之高光電轉換效率的 壓合型太陽能電池的製造方法，其中該可見光包括綠光或藍綠混光。
5. 一種高光電轉換效率的壓合型太陽能電池，包括：一第一透明基板；一第二透明基板，配置於該第一透明基板上；一第一電極，配置於該第一透明基板與該第二透明基板之間；一第二電極，配置於該第一電極與該第二透明基板之間；至少一堆疊半導體結構，配置於該第一電極與該第二電極之間，其中每一堆疊半導體結構包括一p型半導體層、一本質層與一n型半導體層，且該本質層位於該p型半導體層與該n型半導體層之間；一紅外光轉換層，配置於該第二透明基板與該第二電極之間，用以將紅外光轉換為一可見光；以及一黏著層，配置於該紅外光轉換層與該第二電極之間。
6. 如申請專利範圍第5項所述之高光電轉換效率的壓合型太陽能電池，其中該紅外光轉換層的材料包括一稀土元素。
7. 如申請專利範圍第6項所述之高光電轉換效率的壓合型太陽能電池，其中該稀土元素包括鑭系元素。
8. 如申請專利範圍第5項所述之高光電轉換效率的壓合型太陽能電池，其中該可見光包括綠光或藍綠混光。
9. 如申請專利範圍第5項所述之高光電轉換效率的壓合型太陽能電池，其中該第一電極與該第二電極的材料各自包括透明導電氧化物。
10. 如申請專利範圍第5項所述之高光電轉換效率的壓合型太陽能電池，其中該p型半導體層、該本質層與該n型半導體層的材料各自包括非晶矽或微晶矽。