TWI470821B - A method for producing a color-type flexible thin-film solar cell - Google Patents

A method for producing a color-type flexible thin-film solar cell Download PDF

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Der Jun Jan
Chi Fong Ai
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Description

製作彩色型可撓式薄膜太陽能電池之方法
本發明係有關一種製作彩色型可撓式薄膜太陽能電池之方法，尤指一種提供一重量輕、結構簡單，且可吸收太陽光源中較短波長範圍之光源，如：紫外光，並且利用簡單的控制透明導電膜作為第一電極的製程參數，進而影響其入射及反射光譜及厚度等薄膜特性，使整個元件在可見光區的反射光譜產生變化，以造成肉眼可視之顏色變化。
傳統的太陽能電池，為了降低入射光的反射率及提高其光電轉換效率，成品多半呈現出藍色或深藍色的外顯顏色，此種單一顏色或色調使其於建築材料等相關產業上的應用受到限制。有些太陽能電池的製造者嘗試著生產彩色的太陽能電池，但往往因其轉換效率較傳統太陽能電池為低，故無法進行商業化的量產。為了將薄膜太陽能電池技術應用在建築以及相關產業的多樣化色彩需求中，必須可以控制或賦予太陽能電池成品的外觀及顏色，如此方能滿足產業上對於客製化的需求。但產業界對於薄膜太陽能電池的發電效率的要求也是與日精進，對於產品提高良率亦是不可偏廢，同時也需要將可以產生穩定電流的太陽能電池之有效面積做越來越大的提升，進而降低產品製造成本。因此對於可撓式薄膜太陽能電池的各種相關方面之應用與開發，是能有效降低製造成本，同時也可以大幅對太陽能電池模組做輕量化的應用發展方向。
一般用於可撓式太陽能電池之常用賦予顏色的技術，係為利用有色玻璃當作基材，或於一透明玻璃基材上黏貼色紙，以達到太陽能電池變色的效果。然而這些變色的技術都會造成穿過變色層的光源產生一定程度的衰減，對於太陽能電池而言即為減少入射光的強度，而使光電轉換效率降低。且於可撓式薄膜太陽能電池的應用上，由於其基材大多以不透光的不銹鋼材質為主，入射光穿透各膜層後，經由底部反射再反射回太陽能電池的吸收層，因此若是採用一層有色薄膜的話，勢必會損失入射光的強度，使得發電效率大大的降低，不符合商業生產的成本。
鑒於上述之發明背景中，由於傳統之可撓式薄膜太陽能電池僅具有單調的顏色無法廣泛地使用在建築物上(與建築物整體外觀搭配)，而傳統的可控色彩之可撓式薄膜太陽能電池製造方法，大幅降低了太陽能電池的轉換效率，以致於不適合進行商業化的生產，該問題即為從事此行業者亟欲克服的問題。
基於解決以上所述習知技術的缺失，本發明為一種製作彩色型可撓式薄膜太陽能電池之方法，主要目的為提供一重量輕、結構簡單，且可吸收太陽光源中較短波長範圍之光源，如：紫外光，並且利用簡單的控制透明導電膜作為第一電極的製程參數，進而影響其入射及反射光譜及厚度等薄膜特性，使整個元件在可見光區的反射光譜產生變化，以造成肉眼可視之顏色變化。藉由簡易的更動某一製程參數，便可以得到指定外顯色彩的可撓式薄膜太陽能電池之成品。
本發明之另一目的在於所製造之可撓式彩色型薄膜太陽能電池具有更廣泛的應用領域，可藉由大面積的設置以提昇能量轉換之效率，同時，簡化的製造流程亦可降低生產成本。
為達上述目的，本發明為一種製作彩色型可撓式薄膜太陽能電池之方法，其係包括有下列步驟：將一可撓式基材利用一物理氣相沉積方式沉積之一第二電極及一隔絕層；以化學氣相沉積方式於該背電極金屬上沉積一矽薄膜太陽能電池各層；以及以物理氣相沉積方式沉積形成一第一電極，並通入特定參數之製程氣體，並利用一遮罩形成一特定圖案，並改變其穿透光譜，以形成彩色太陽能電池之結構。
較佳者，該特定圖案係為將複數個太陽能電池複數個第一電極加以並聯，以形成太陽能電池之控制電路。
較佳者，該特定參數之製程氣體係為利用氬氣與氧氣以一特定濃度比例所組成。
較佳者，該矽薄膜太陽能電池各層係包括有一p層矽薄膜、一i層矽薄膜及一n層矽薄膜。
較佳者，該隔絕層係由氧化鋁鋅所構成的。
較佳者，該第二電極係由銀所構成的。
較佳者，該第一電極係由一透明導電金屬層所構成，且該透明導電金屬層係為一銦錫氧化物所構成的。
較佳者，該可撓式基材係為不銹鋼材或聚乙烯對苯二甲酸酯所構成的。
較佳者，該可撓式基材上係可形成複數個太陽能電池。
為進一步對本發明有更深入的說明，乃藉由以下圖示、圖號說明及發明詳細說明，冀能對　貴審查委員於審查工作有所助益。
茲配合下列之圖式說明本發明之詳細結構，及其連結關係，以利於　貴審委做一瞭解。
本發明為一種製造彩色型可撓式薄膜太陽能電池的製程方法，應用此製程方法可有效增加薄膜太陽能電池光電流特性。利用調控製程參數的方式，準確控制作為第一電極之透明導電膜的穿透光譜，使可見光經元件反射出來後呈現出來的多樣化顏色，來迎合產業應用上的要求。對於可撓式薄膜太陽能電池的製程而言，形成抗反射鍍膜及指定色彩的表面薄膜為單一層薄膜，可有效減少鍍膜成本。
本發明所提供色彩調變層設置於抗反射層，毋須犧牲轉換效率或使用複雜製程，即可獲致所需的視覺效果。在某些實驗條件下，該抗反射層可減少反射損失，進而增加太陽功率轉換效率。
請同時參閱圖一、二所示，係為本發明彩色型可撓式矽薄膜太陽能電池之製作流程圖及結構示意圖，其係包括有：11～將一可撓式基材21利用一物理氣相沉積方式沉積之一第二電極22及一隔絕層23，該隔絕層23係由氧化鋁鋅(AZO)所構成的，該第二電極22係由銀(Ag)所構成的，上述該可撓式基材21上係可形成複數個太陽能電池，意即為於一片基材上製作複數個太陽能電池，以節省製程及製造成本；12～以化學氣相沉積方式於該背電極金屬上沉積一矽薄膜太陽能電池各層24，該矽薄膜太陽能電池各層24係包括有一p層矽薄膜(p-type a-Si：H)241、一i層矽薄膜(intrinsic a-Si：H)242及一n層矽薄膜(n-type a-Si：H)243；以及13～以物理氣相沉積方式沉積形成該第一電極25，該第一電極25係由一透明導電金屬層，且該透明導電金屬層係為一銦錫氧化物(Indium Tin Oxide，ITO)所構成的，並通入特定參數之製程氣體，該特定參數之製程氣體係為利用氬氣與氧氣以一特定濃度比例所組成，並利用一遮罩形成一特定圖案(圖中未示)，並改變其穿透光譜，以形成彩色太陽能電池之結構，該特定圖案係為將複數個太陽能電池複數個第一電極加以並聯，以形成太陽能電池之控制電路。
承上述，本發明主要技術內容在於一可撓式基材21上製作薄膜太陽能電池，並調控作為第一電極25之透明導電膜之製程參數以獲得可掌控的可視色彩。其中，可撓式基材21可為可撓式不銹鋼材或聚乙烯對苯二甲酸酯(Polyethylene Terephthalate，PET)等軟性耐溫材質。該薄膜太陽能電池元件結構包含一以物理氣相沉積(PVD)方式沉積之背電極金屬(即為上述第二電極22)及透明導電金屬層(TCO)(即為上述隔絕層23)。接著以化學氣相沉積(PECVD)方式於完成定義之背電極金屬(即為上述第二電極22)上沉積矽薄膜太陽能電池各層24。最後以物理氣相沉積(PVD)方式沉積透明導電金屬層作為此可撓式太陽能電池之第一電極25，並其定義圖形，完成元件製作。
在一較佳實施例，當進行可撓式薄膜太陽能電池之第一電極25透明導電膜的成膜製程時，可選用製程參數為製程氣體氬氣100 sccm再通入氧氣1.5 sccm，以勻速進行20個來回的製程，形成厚度約104 nm的抗反射層，加上薄膜太陽能電池的矽薄膜吸收層以及可撓式基材的不銹鋼基材，綜合呈現出最後的可見電池外觀色彩為深藍色的可撓式薄膜太陽能電池。
在另一較佳實施例中，選用製程參數為製程氣體氬氣100 sccm再通入氧氣2 sccm以及氫氣1 sccm，以勻速進行60個來回的製程，形成厚度約350 nm的透明導電層作為第一電極25，加上薄膜太陽能電池的矽薄膜吸收層以及可撓式基材的不銹鋼基材，綜合呈現出最後的可見電池外觀色彩為紫紅色的可撓式薄膜太陽能電池。
藉由上述圖一、二之揭露，即可瞭解本發明一種製作彩色型可撓式薄膜太陽能電池之方法，主要目的為提供一重量輕、結構簡單，且可吸收太陽光源中較短波長範圍之光源，如：紫外光，並且利用簡單的控制透明導電膜作為第一電極的製程參數，進而影響其入射及反射光譜及厚度等薄膜特性，使整個元件在可見光區的反射光譜產生變化，以造成肉眼可視之顏色變化。藉由簡易的更動某一製程參數，便可以得到指定外顯色彩的可撓式薄膜太陽能電池之成品。另於所製造之可撓式彩色型薄膜太陽能電池具有更廣泛的應用領域，可藉由大面積的設置以提昇能量轉換之效率，同時，簡化的製造流程亦可降低生產成本。上述技術方法於太陽能製造市場皆所未見，且具有一定的商業價值，故提出專利申請以尋求專利權之保護。
綜上所述，本發明之結構特徵及各實施例皆已詳細揭示，而可充分顯示出本發明案在目的及功效上均深賦實施之進步性，極具產業之利用價值，且為目前市面上前所未見之運用，依專利法之精神所述，本發明案完全符合發明專利之要件。
唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以之限定本發明所實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請　貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。
11．．．將一可撓式基材利用一物理氣相沉積方式沉積之一背電極金屬及一透明導電金屬層
12．．．以化學氣相沉積方式於該背電極金屬上沉積一矽薄膜太陽能電池各層
13．．．以物理氣相沉積方式沉積形成一第一電極，並通入特定參數之製程氣體，並利用一遮罩形成一特定圖案，並改變其穿透光譜，以形成彩色太陽能電池之結構
21．．．可撓式基材
22．．．第二電極
23．．．隔絕層
24．．．矽薄膜太陽能電池各層
241．．．p層矽薄膜
242．．．i層矽薄膜
243．．．n層矽薄膜
25．．．第一電極
圖一係為本發明彩色型可撓式矽薄膜太陽能電池之製作流程圖；
圖二係為本發明彩色型可撓式矽薄膜太陽能電池元件結構示意圖。
11．．．將一可撓式基材利用一物理氣相沉積方式沉積之一背電極金屬及一透明導電金屬層
12．．．以化學氣相沉積方式於該背電極金屬上沉積一矽薄膜太陽能電池各層
13．．．以物理氣相積沉方式沉積形成一第一電極，並通入特定參數之製程氣體，並利用一遮罩形成一特定圖案，並改變其穿透光譜，以形成彩色太陽能電池之結構

Claims (8)

  1. 一種製作彩色型可撓式薄膜太陽能電池之方法，其係包括有下列步驟：將一可撓式基材利用一物理氣相沉積方式沉積之一第二電極及一隔絕層；以化學氣相沉積方式於該背電極金屬上沉積一矽薄膜太陽能電池各層；以及以物理氣相沉積方式沉積形成一第一電極，並通入特定參數之製程氣體，並利用一遮罩形成一特定圖案，並改變其穿透光譜，以形成彩色太陽能電池之結構，該特定圖案係為將複數個太陽能電池複數個第一電極加以並聯，以形成太陽能電池之控制電路。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之製作彩色型可撓式薄膜太陽能電池之方法，其中該特定參數之製程氣體係為利用氬氣與氧氣以一特定濃度比例所組成。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之製作彩色型可撓式薄膜太陽能電池之方法，其中該矽薄膜太陽能電池各層係包括有一p層矽薄膜、一i層矽薄膜及一n層矽薄膜。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之製作彩色型可撓式薄膜太陽能電池之方法，其中該隔絕層係由氧化鋁鋅所構成的。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之製作彩色型可撓式薄膜太陽能電池之方法，其中該第二電極係由銀所構成的。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之製作彩色型可撓式薄膜太陽能電池之方法，其中該第一電極係由一透明導電金屬層所構成，且該透明導電金屬層係為一銦錫氧化物所構 成的。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之製作彩色型可撓式薄膜太陽能電池之方法，其中該可撓式基材係為不銹鋼材或聚乙烯對苯二甲酸酯所構成的。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之製作彩色型可撓式薄膜太陽能電池之方法，其中該可撓式基材上係可形成複數個太陽能電池。
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