TWI452118B - A solar cell with a fluorescent powder and a method for making the same - Google Patents

A solar cell with a fluorescent powder and a method for making the same Download PDF

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Description

具有螢光粉之太陽能電池與其製作方法
本發明係關於一種太陽能電池，特別是有關於一種具有螢光粉之太陽能電池與其製作方法。
在能源危機與環保問題的雙重訴求下，開發能自產的綠色能源，已成為人類的最重要課題，而太陽能同時具有普遍性、自產性及環保性，為最佳的再生能源之一。太陽能電池直接將太陽能轉換成電能，其運作不產生毒性物質、溫室氣體及噪音，其操作相當安全，亦僅需低廉的維護成本，況且太陽能為取之不盡、用之不竭的理想再生能源，發展太陽能電池應用的相關材料及技術，為解決現今能源及環保問題的最佳方法及策略。
目前太陽能電池的發展大致上分為兩大類，第一類是以矽為基礎材料，第二類就是非矽基礎材料，第二類目前比較多開發為：化合物半導體(如CdTe)、染料敏化(DSSC)或有機電池等。現階段的太陽能電池幾乎以第一類為主要發展，因為以矽為基礎材料的太陽能電池之能量轉換效率(conversion efficiency)較高，其又可以分為：單晶矽、多晶矽、非晶矽、矽薄膜等。目前的太陽能電池市場以單晶及多晶矽的太陽能電池為主，目前市售的單晶矽轉換效率約在20%，至於多晶矽的轉換效率約在17%，這些都離理想目標的轉換效率甚遠，因為實驗室理想的轉換效率分別可達30~40%，該如何提升轉換效率就是一個很重要的發展目標。
在2002年由Trupke等人提出了一個第三代太陽能電池提昇效率探討(非專利文獻1)，其中提到了一項利用上、下轉換螢光粉來提昇轉換效率，如第1圖所示。這是因為以矽為基礎材料的太陽能電池，受限於矽元素本身的能階大小所致，所以只能吸收太陽光中400至1000 nm的光來進行光電轉換，但以一般的太陽光的頻譜來看，太陽光涵蓋的範圍從紫外光(UV)到紅外光(IR)，所以矽材料的吸收光範圍明顯比較狹小。因此，如果可以增加紫外光及紅外光這兩大區塊的利用，應該可以提升很可觀的轉換效率。
一般而言，頻譜或光譜轉換可搭配適當螢光材料，並以下列三種方式實行：上轉換(up conversion，結構如第1(a)圖所示)、下轉換(down conversion，結構如第1(b)圖所示及集中轉換(spectral concentration))。太陽光譜上轉換之原理，主要是將能量小於太陽能電池材料能隙的入射光子，轉變為能量大於能隙之光子，然後經由反射鏡反射所產生的高能光子，供太陽能電池再次吸收而產生電子/電洞對(electron-hole pair)，其最高理論效率為47.6%。而太陽光譜下轉換之原理係將下轉換螢光材料(down converter)製作於太陽能電池表面上，利用能量大於太陽能電池材料能隙二倍以上的一個入射光子，轉變為能量大於能隙的兩個光子，之後供太陽能電池再次吸收而產生兩組電子/電洞對，其最高理論效率為30.9%。第三種選擇則為頻譜集中轉換，其原理主要整合上/下轉換兩者之優點，將入射太陽光之光譜轉換集中於稍大於太陽能電池材料能隙之附近，則能量小於能隙的入射光子被上轉換，亦即能量小於能隙的入射光子被上轉換為高能光子，而能量高於二倍能隙的入射光子被下轉換為低能光子，最終可以有效提升轉換效率，其最高理論效率則決定於上/下轉換材料之種類與兩種結構之耦合。
目前先前技術揭示可用在太陽能電池的上轉換螢光粉，常見的有NaYF4 :Er(非專利文獻2)及NaYF4 :Yb,Er(非專利文獻3)，其可提升太陽能電池的量子效率(quantum efficiency)。先前技術揭示可用在太陽能電池的下轉換螢光粉，如Y2 O3 :Eu3+ 或Y2 O2 S:Eu3+ (非專利文獻4)，其利用與高分子(PE及TPP)結合，塗佈在實驗室型小尺寸的太陽能電池上。
美國專利2007/0295383 A1，揭露將一系列能吸收280至460 nm波長之(Sr,Ba,Eu)2 SiO4 Fx 的奈米與微米級螢光粉，整合於矽太陽電池以有效提升其轉換效率。惟上述先前技術並未明顯提供可有效提升轉換效率之數據，且均只限應用於實驗室型小尺寸的太陽能電池上，缺乏於商業上量產應用之可能。
理論已證實利用光轉換材料(各類型螢光材料)，為提昇太陽能電池之轉換效率的可行方法之一，其主要優點為：方法簡單、成本低廉、較不影響原本太陽能電池的製作，理論上亦可適用於各種不同類型的太陽能電池。是故，可應用於太陽能電池之光轉換材料的尋求及實用化，相信對於太陽能電池的推廣及未來發展，將會具有深遠的影響。因此，全球主要的研究單位，均致力於開發替代性材料及其相關技術的研究，以降低製作成本及提升轉換效率。
因此，如何發明出一種具有螢光粉之太陽能電池，以使可有效提高太陽能電池之光電轉換效率，將是本發明所欲積極揭露之處。
非專利文獻1：T. Trupkea et al.(2002),J. Appl. Phys.,92,3,1668-1674.
非專利文獻2：A. Shalav et al.(2005),Appl. Phys. Lett. 86,013505.
非專利文獻3：A. Shalav et al.(2007),Sol. Energ. Mat. Sol. Cells,91,829-842.
非專利文獻4：P. Chung et al.(2007),J. Vac. Sci. Technol. A,25,1,61-66.
有鑑於上述習知技術之缺憾，發明人有感其未臻於完善，遂竭其心智悉心研究克服，憑其從事該項產業多年之累積經驗，進而研發出一種具有螢光粉之太陽能電池，以期達到提高太陽能電池之光電轉換效率的目的。
本發明之主要目的在提供一種具有螢光粉之太陽能電池，其可有效提高太陽能電池之光電轉換效率。
為達上述目的，本發明之一種具有螢光粉之太陽能電池，包含：一光電轉換層，係用於將光能轉換為電能；一螢光粉層，係設置於該光電轉換層之至少一側，用於增加光電轉換效率；該螢光粉係上轉換螢光粉或下轉換螢光粉，該上轉換螢光粉係選自X2 Mo2 O9 :X或X2 Mo2 O9 :X,X，該下轉換螢光粉係選自JQX(PO4 )2 :X3+ 或JQX(PO4 )2 :X2+ ,X2+ ，其中X代表任一種稀土金屬，J代表鋰、鈉或鉀，而Q代表任一種鹼土金屬。
上述之太陽能電池，其中該上轉換螢光粉係La2 Mo2 O9 :Yb,Er或La2 Mo2 O9 :Yb,Ho。
上述之太陽能電池，其中該下轉換螢光粉係KCaGd(PO4 )2 :Eu3+ 或KSrGd(PO4 )2 :Eu3+ 。
上述之太陽能電池，其中該螢光粉層進一步包含BaMgAl10 O17 :Eu2+ ,Mn2+ 或(Ba,Sr,Mg)2 SiO4 :Eu2+ 。
上述之太陽能電池，其中該螢光粉層進一步包含一高分子塗料，其係選自PMMA(polymethyl methacrylate)、聚醯胺及矽化合物中之一者或其組合。
上述之太陽能電池，其中該光電轉換層係選自P型半導體及N型半導體中之一者或其組合。
上述之太陽能電池，其中該光電轉換層係選自多晶矽、單晶矽、非晶矽及CdTe中之一者或其組合。
上述之太陽能電池，進一步包含一抗反射層，其係設置於該光電轉換層之至少一側、該光電轉換層及該螢光粉層之間或該螢光粉層之至少一側。
上述之太陽能電池，其中該抗反射層係選自氮化矽、氧化矽及氮氧化矽中之一者或其組合。
上述之太陽能電池，其中該螢光粉層係藉由網版印刷、蒸鍍、濺鍍、塗佈、混入鋁漿塗佈或貼合方式所形成。
上述之太陽能電池，其中形成螢光粉層時，須避免形成於太陽能電池之母線上。母線又稱匯流電極(bus bar or bus line)，如第2(a)圖及第2(b)圖分別顯示具有二線及三線之母線的太陽能電池。
上述之太陽能電池，其中該螢光粉層之厚度係1至100微米。
藉此，本發明之一種具有螢光粉之太陽能電池，可有效提高太陽能電池之光電轉換效率。
概言之，本發明之主要目的在於提供一種具有光電轉換層及螢光粉層之太陽能電池，其中該螢光粉層中含有上轉換螢光粉或下轉換螢光粉。
一般而言，上轉換螢光粉之通式為X2 Mo2 O9 :X或X2 Mo2 O9 :X,X，其中X代表任一種稀土金屬，例如La、Gd等等，且上轉換螢光粉中係以一種或兩種的稀土金屬摻雜。
下轉換螢光粉之通式為JQX(PO4 )2 :X3+ 或JQX(PO4 )2 :X2+ ,X2+ ，其中J代表鋰、鈉或鉀，Q代表任一種鹼土金屬，例如Mg、Ca、Sr、Ba，而X之定義同前；此外，下轉換螢光粉中係以一種或兩種的稀土金屬離子摻雜。
為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明，說明如後：合成上轉換螢光粉La 2 Mo 2 O 9 ：Yb,Er及La 2 Mo 2 O 9 ：Yb,Ho
混合La2 O3 、MoO3 、Yb2 O3 及R2 O3 (R=Er,Ho)，以化學計量組成為(1-x-y)：2：x：y之比例，而x=0.09且y=0.01，將混合物溶於5% HCl，經乾燥後獲得一淡黃粉末前趨物。 再將前趨物充分混合研磨後，於900℃加熱8小時後緩慢冷卻，以獲得白色高純度之La2 Mo2 O9 ：Yb,Er及La2 Mo2 O9 ：Yb,Ho。
合成下轉換螢光粉KCaGd(PO 4 ) 2 ：Eu 3+ 及KSrGd(PO 4 ) 2 ：Eu 3+
以化學計量組成之比例，混合(NH4 )2 HPO4 、K2 CO3 、Eu2 O3 、Gd2 O3 及RCO3 (R=Ca,Sr)，且混合NH4 Cl作為助熔劑，之後於800℃加熱6小時且於1200℃加熱6小時後冷卻，以獲得高純度之KCaGd(PO4 )2 ：Eu3+ 及KSrGd(PO4 )2 ：Eu3+ 。
製造具有上轉換螢光粉之太陽能電池
以1：10之重量%混合上轉換螢光粉與PMMA，之後以網版印刷塗佈於一6”×6”多晶矽太陽能板，最後於130℃固化3小時，以完成具有上轉換螢光粉之太陽能電池。其中實施例1係以La2 Mo2 O9 ：Yb,Ho塗佈於太陽能板之入光面，實施例2至3係以La2 Mo2 O9 ：Yb,Er塗佈於太陽能板之入光 面，實施例4係以La2 Mo2 O9 ：Yb,Er塗佈於太陽能板之背光面。分別量測塗佈前與塗佈後之短路電流(Isc)、開放電壓(Voc)及光電轉換效率(η %)，其中光電轉換效率可由下式計算而得：η=FF‧Isc‧Voc/Pin，其中Pin為進入太陽能電池之輻照光能量，FF為填充因子。其實驗結果如表1所示。
由表1可以發現，具有上轉換螢光粉之太陽能電池，可明顯增加光電轉換效率為1.50%至2.71%，且當上轉換螢光粉塗佈於太陽能板之背光面，可獲得最佳之光電轉換效率，而當上轉換螢光粉塗佈於太陽能板之入光面，光電轉換效率並無太大改變，符合先前技術所揭示之理論。
製造具有下轉換螢光粉之太陽能電池
以1：10之重量%混合下轉換螢光粉KCaGd(PO4 )2 ：Eu3+ 與PMMA，之後以網版印刷塗佈於市售之36個6”×6”多晶矽太陽能板的入光面，最後於130℃固化3小時，以完成具有下轉換螢光粉之太陽能電池。分別量測塗佈前與塗佈後之短路電流(Isc)、開放電壓(Voc)及光電轉換效率(η %)，並取其平均值。其實驗結果如表2所示。
由表2可以發現，具有下轉換螢光粉之太陽能電池，可明顯增加光電轉換效率至2.90%，並可於商業上量產應用。
由上述實驗結果可知，本發明之上、下轉換螢光粉，可塗佈於市售具有抗反射層之太陽能板的抗反射層上，亦可塗佈於無抗反射層之太陽能板且具有抗反射層之功效，均可有效增加太陽能電池之光電轉換效率。
如上所述，本發明完全符合專利三要件：新穎性、進步性和產業上的可利用性。以新穎性和進步性而言，本發明係藉著自行合成之上、下轉換螢光粉，可有效達到增加太陽能電池之短路電流及光電轉換效率的功效；就產業上的可利用性而言，利用本發明所衍生的產品，當可充分滿足目前市場的需求。
本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以下文之申請專利範圍所界定者為準。
1‧‧‧矽太陽能板
2‧‧‧上轉換螢光材料
3‧‧‧背反射板
4‧‧‧下轉換螢光材料
第1(a)至第1(b)圖為示意圖，係分別顯示具有上轉換及下轉換螢光材料之太陽能電池結構。
第2(a)至第2(b)圖為示意圖，係分別顯示具有二線母線及三線母線之太陽能電池。
1．．．矽太陽能板
2．．．上轉換螢光材料
3．．．背反射板
4．．．下轉換螢光材料

Claims (11)

  1. 一種具有螢光粉之太陽能電池，包含：一光電轉換層，係用於將光能轉換為電能；一螢光粉層，係設置於該光電轉換層之至少一側，用於增加光電轉換效率；該螢光粉係上轉換螢光粉，該上轉換螢光粉係La2 Mo2 O9 ：Yb,Er或La2 Mo2 O9 ：Yb,Ho。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該螢光粉層進一步包含BaMgAl10 O17 ：Eu2+ ,Mn2+ 或(Ba,Sr,Mg)2 SiO4 ：Eu2+ 。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該螢光粉層進一步包含一高分子塗料，其係選自PMMA、聚醯胺及矽化合物中之一者或其組合。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該光電轉換層係選自P型半導體及N型半導體中之一者或其組合。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該光電轉換層係選自多晶矽、單晶矽、非晶矽及CdTe中之一者或其組合。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，進一步包含一抗反射層，其係設置於該光電轉換層之至少一側、該光電轉換層及該螢光粉層之間或該螢光粉層之至少一側。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之太陽能電池，其中該抗反射層係選自氮化矽、氧化矽及氮氧化矽中之一者或其組合。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該螢光 粉層係藉由網版印刷、蒸鍍、濺鍍、塗佈、混入鋁漿塗佈或貼合方式所形成。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之太陽能電池，其中形成螢光粉層時，須避免形成於太陽能電池之母線上。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該螢光粉層之厚度係1至100微米。
  11. 一種具有螢光粉之太陽能電池的製造方法，其係製造如申請專利範圍第1至10項中任一項之太陽能電池。
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