TWI472042B - 薄膜太陽能電池結構 - Google Patents

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Description

薄膜太陽能電池結構
本發明係關於一種薄膜太陽能電池結構，該結構可使同一道入射光在太陽能電池中進行多次反射並造成多次光-伏轉換，從而產生更多的電能，以提高太陽能電池的轉換效率。
太陽能電池係一將太陽能轉換成電能的設備。若以材料來區分，可以區分為矽、化合物半導體、染料或有機太陽能電池。若以結構來做區分，大致可以區分為結晶型太陽能電池與薄膜太陽能電池。以矽太陽能電池而言，通常單晶矽與多晶矽太陽能電池式屬於結晶型太陽能電池而非晶矽，微晶矽太陽能電池則是屬於薄膜太陽能電池。
傳統太陽能電池所使用的光吸收層、第一導電層與第二導電層為平面的疊構，從第二導電層反射的光離開太陽能電池就無法再利用。有些已知技術提出增加使光停留在光吸收層機率的方法。例如有已知技術利用粗糙的第二導電層改變反射光的角度使部分反射光到了玻璃-空氣介面再全反射回到太陽能電池，但不是所有的光都會全反射。也有些已知技術做出紋路起伏的第一導電層、光吸收層以及第二導電層的疊構(在本文中稱為光-伏轉換結構)，以改變光在光-伏轉換層中的行進路線而增加反射光在玻璃-空氣介面時再反射回光-伏轉換層的比率，但這樣也會增加光在行經第一導電層與光吸收層間介面時的反射損失。而且如上所述，這些已知技術只能增加使光停留在光吸收層機率，仍有部分光會直接離開太陽能電池。
本發明係垂直截面為類似鋸齒狀起伏的非平面薄膜光-伏轉換結構，可使幾乎所有的垂直入射光在非平面結構間形成數次反射，從而造成數次光-伏轉換而產生較多的電能，提升轉換效率。與前段所提到的已知技術的最大不同處在於：第一，本發明之非平面起伏的尺度比光-伏轉換結構的厚度大3倍以上。如此，入射光在經過一次光-伏轉換後幾乎所有剩餘的光會被第二導電層反射至非平面起伏的對面某處並再次進行光-伏轉換，而且會持續反射直到離開非平面起伏的區域。反觀前述已知技術的紋路，其起伏的尺度小於光-伏轉換結構的厚度，主要目的在於以小尺度起伏造成散射的效果，將入射光與被第二導電層反射的光散射成許多不同的行進方向，以增加光在光-伏轉換結構內反覆反射的機率。但是整體而言仍有部分光會直接離開或是只經過一、二次反射就離開光-伏轉換結構。第二，本發明之非平面起伏的傾斜角度較大。基本上所有的非平面太陽能電池都會面臨光在行經第一導電層與光吸收層間介面時會有反射損失增加的問題。因為具有較傾斜的角度，在本發明裡的所謂『反射損失』不會如同在已知技術裡般直接離開太陽能電池，而是反射至非平面起伏的對面某處並再次進行光-伏轉換，如果該『某處』再次出現部分『反射損失』則會持續前述的動作直到最後剩餘的『反射損失』離開非平面起伏的區域。不過由於數次的再利用，最後剩餘的『反射損失』應該可以減到最少。
請參考圖1A的垂直截面圖，本發明係關於一種可用於薄膜太陽能電池(例如矽、化合物半導體、染料敏化太陽能電池...等)，而入射光可以在其非平面光-伏轉換結構間進行數次反射以增加轉換效率的薄膜太陽能電池結構100 ；該電池結構100 包括由至少一層的非平面光吸收層103 、一至少部分透明的第一導電層102 、一可為至少部分透明也可為完全反光的第二導電層104 所疊構而成的光-伏轉換結構以及可選擇性地增加的一保護層101 與一基底105 。其中該第一導電層102 與該光吸收層103 一起形成非平面的起伏，且其在遠離該光吸收層103 的那一側，可以選擇性地增加保護層101 或抗反射的處理；此外，該第一導電層102 在與該光吸收層103 間的介面可以選擇性地增導電的加緩衝層來避免轉換效率受影響，例如CIS/CIGS所使用的緩衝層。該保護層101 可使用玻璃、透明壓克力、透明塑膠或其他透明的材質，其在遠離該第一導電層102 的那一側，可以與該第一導電層102 一起形成非平面的起伏，也可以形成如圖1所顯示的平面，且可以選擇性地增加抗反射的處理。該第二導電層104 在遠離該光吸收層103 的那一側，可以與該光吸收層103 一起形成非平面的起伏，也可以形成如圖1所顯示的平面；而且當該電池結構100 使用基底(substrate)結構的製程(以第二導電層104 為基底或直接以基底105 為基底，開始向上沉積圖1的其他層面)時，可在第二導電層104 在遠離該光吸收層103 的那一側選擇性地增加玻璃、不鏽鋼、壓克力、塑膠或其他材質的基底105 ，如果使用superstrate結構的製程(以保護層101 為基底，開始反向沉積圖1的其他層面)則不必然需要基底105 。若有需要，第二導電層104 與基底105 之間可選擇性地增加一層絕緣薄膜。該光吸收層103 為薄膜太陽能電池進行光-伏轉換，也就是吸收光而產生電能的地方。舉例而言，如果將本發明的結構應用於傳統非晶矽薄膜太陽能電池，該光吸收層103 就是由P型非晶矽薄膜，I型非晶矽薄膜與N型非晶矽薄膜疊構而成。而如果將本發明的結構應用於CIS/CIGS太陽能電池，則該光吸收層103 就是由P型CuInSe2 /Cu(In,Ga)Se2 與N型CuInSe2 /Cu(In,Ga)Se2 薄膜疊構而成。由於上述之結構為習知技術，因此不再贅述。此外，依據本發明之一較佳具體實例，參見圖1A，該非平面光吸收層103 之峰與谷的高度差t 為其厚度d 的3倍以上，且傾斜角度須不小於45度(圖1B所示者為75度)。如此，則入射光在經過一次光-伏轉換後，幾乎所有剩餘的光會被該第二導電層104 反射至非平面起伏的對面某處並再次進行光-伏轉換，而且會持續反射直到離開非平面起伏的區域。
第一導電層102 可以是單一導電材料，也可由數種導電材料形成。此外，第一導電層102 可依需求(例如大面積的太陽能電池需要降低表層電極的串聯電阻)增加由電阻值較低的材質(通常是金屬)所形成的電極(electrode finger and bus)。由於上述之應用為習知技術，因此不再贅述。
第二導電層104 可以是單一導電材料，也可由數種導電材料形成。依據本發明之一較佳具體實例，如果要對轉換效率做最佳化，第二導電層104 必須是完全反光的電極。而如果依使用上的特殊需求，例如建築物上需要透光的太陽能電池時，第二導電層104 就可選用至少部分透明的材質。也就是說，本發明可以依需求來選用不同反射率的第二導電層104 ，而其反射率的範圍可從20%到100%。因為在非平面光-伏轉換結構間進行數次反射是增加轉換效率的主要因素，第二導電層104 不建議採用反射率低於20%的材料，反射率在40%以上是比較好的，最好是在60%以上。
當第二導電層104 為完全反光的電極時，可將進行過光-伏轉換反應而剩餘的入射光反射至薄膜太陽能電池的另一處，再次進行光-伏轉換而產生電能。一道垂直入射光能產生光-伏轉換的次數與該入射光在第二導電層104 上的接觸點之切面與平面的夾角(傾斜角度)有關。當該第二導電層104 與光吸收層103 相鄰那一面的各傾斜面之傾斜角度大於45度時，每一道垂直入射光都可造成數次光-伏轉換而產生較多的電能，提升轉換效率。舉例而言，當傾斜角度為75度時，請參考圖1B，第二導電層104 可將垂直入射光106 進行六次反射，也就是有六次與光吸收層103 反應並產生電能的機會。而當傾斜角度為60度時，每一道垂直入射光可造成三次反射，也就是有三次與光吸收層反應並產生電能的機會。同理，當傾斜角度為45度時，每一道垂直入射光可造成二次反射，也就是有二次與光吸收層反應並產生電能的機會。若傾斜角度小於45度，則部分甚至所有垂直入射光只有一次光吸收層反應並產生電能的機會。因此，傾斜角度小於45度是不被建議的(因製程而導致小比例的波峰與波谷傾斜小於45度是可接受的)；50度(含)以上是比較建議的；最好是在60度(含)以上。此外，如圖1B所顯示的，兩個相對的傾斜面，其傾斜角度相同(75度)；然而，兩個相對的傾斜面也可以採用不相同的角度。兩個相鄰的波谷可以位於不同的水平面上；兩個相鄰的波峰也可以是不同的高度。
有時候依使用上的需求，例如使用在建築物上時，太陽能電池被要求是部分透光的，而第二導電層204 就必須使用至少部分透明的材質。此時，照射在第二導電層204 上的入射光除了會產生反射光外，還會有透射光。比起使用完全反光的第二導電層的狀況，反射光的強度會減弱。但是由於有透射光，請參考圖2的圓圈標示處，這種結構對於較傾斜的入射光(例如206 、207 )卻可提供數次與光吸收層203 反應而產生電能的機會。
當使用數層光吸收層時，可以選擇由數層光譜吸收率涵蓋不同範圍的光吸收層疊構而成，以增加對入射光譜的使用率。而各光吸收層間可以選擇增加導電的緩衝層。
此外，第二導電層與光吸收層相鄰那一面的傾斜角度(亦即該非平面光吸收層103 之傾斜角度)也可以是隨著在該傾斜面上的位置不同而變化的，例如漸變式的。圖3A是漸變式結構的其中一種實施方式，在本發明中稱為漸進式。與大致固定角度的情況相比，因為愈往下角度愈大，入射光線在起始角度與大致固定角度相同的漸進式角度的結構中可以有更多次的反射。圖3B是另一種漸變式的實施方式：垂直截面為sin波或是類似sin波的結構。這種結構有製造上與物性上的好處，而其缺點是在它的波峰和波谷比較平坦，該部分切面的傾斜角度是小於45度的，只有一次光伏轉換的機會。因此須把傾斜角度小於45度的部分，其在水平面之投影佔整體在水平面之投影的比例(如圖3B的網狀部分佔整個起伏週期320 的比例)縮小至50%以下，以減少轉換效率所受的影響。另外，所謂的『隨著在該傾斜面上的位置不同而變化』也可以是分段式傾斜。例如：傾斜面分為數段不同傾斜角度而各段傾斜角度大致固定的分段線性式傾斜，或傾斜面分為數段不同漸變傾斜角度的分段漸變式傾斜，或者是兩者的混合。
當本發明的非平面光吸收層往二維方向延伸就形成重複之錐體、倒立錐體或兩者混合的側面，該錐體可以是水平截面為任何形狀的錐體，例如三角錐、四角錐...或是圓錐體。圖4A是以四角錐體為例的示意圖。從通過錐體尖端的垂直截面4B來看，請參考圖4B，它的光吸收層403 、第一導電層402 以及第二導電層404 與光吸收層403 相鄰的那一面的垂直截面就與結構100 的類似。其光線的反射或穿透特性也與前述的結構100 類似。圖5A是以倒立四角錐體為例的示意圖。圖5B係沿圖5A之重複倒立四角錐體的錐體尖端之垂直截面示意圖。參考圖5B，它的光吸收層503 、第一導電層502 以及第二導電層504 與光吸收層503 相鄰的那一面的垂直截面也是類似電池結構100 。再者，其光線的反射或穿透特性與前述的電池結構100 的類似。圖6A係本發明以四角錐體與倒立四角錐體交錯的結構來實現之示意圖；圖6B係在圖6A之交錯的四角錐體與倒立四角錐體的垂直截面示意圖。如圖6B所示，它的光吸收層603 、第一導電層602 以及第二導電層604 與光吸收層603 相鄰的那一面的垂直截面也是類似電池結構100 。再者，其光線的反射或穿透特性與前述的電池結構100 的類似。圖7A係本發明以四角錐體與倒立四角錐體各取上半部所組合之結構來實現之示意圖；而圖7B係本發明以四角錐體與倒立四角錐體各取下半部所組合之結構來實現之示意圖。同樣地，其光線的反射或穿透特性與前述的電池結構100 的類似。此外，該重複之錐體、倒立錐體或兩者混合也可以是水平截面為不同型狀所組合之錐體、倒立錐體或兩者混合，例如水平截面的圖8中圓形與斜線區域為不同形狀。如同前一段所提到的，錐體或倒立錐體的側面也可以採用隨著在該面上的位置不同而變化的傾斜角度。以圓錐為例，當採用前一段所提到的漸進式角度時，就形成了子彈形的結構。也如同前一段所提到的，相對於大致固定角度的椎體，入射光線在起始角度與大致固定角度相同的漸進式角度的結構中可以有更多次的反射。
 本發明
100．．．薄膜太陽能電池結構
101．．．保護層
102、202、402、502、602．．．第一導電層
103、203、403、503、603．．．光吸收層
104、204、404、504、604．．．第二導電層
105．．．基底
圖1A係根據本發明之一種用於薄膜太陽能電池的結構之垂直截面示意圖。
圖1B係以75度角傾斜為例，垂直入射光在本發明的太陽能電池中進行數次反射的示意圖。為求簡單明瞭，在本圖中省略了光在行經各介面時的折射角度。
圖2係當第二導電層為部分透明材質時，較大角度的入射光可在數處光吸收層反應的示意圖。為求簡單明瞭，在本圖中省略了光在行經各介面時的折射角度。
圖3A係漸進角度式非平面光吸收層示意圖。為求簡單明瞭，只顯示第二導電層(斜線部分)與光吸收層相鄰那一側的垂直截面。
圖3B係波浪型(sin波或是類似sin波)非平面光吸收層示意圖。為求簡單明瞭，只顯示第二導電層(斜線部分)與光吸收層相鄰那一側的垂直截面。
圖4A係本發明以重複四角錐體的結構來實現的示意圖。
圖4B係在圖4A之重複四角錐體的垂直截面示意圖。
圖5A係本發明以重複倒立四角錐體的結構來實現的示意圖。
圖5B係在圖5A之重複倒立四角錐體的垂直截面示意圖。
圖6A係本發明以四角錐體與倒立四角錐體交錯的結構來實現的示意圖。
圖6B係在圖6A之交錯的四角錐體與倒立四角錐體的垂直截面示意圖。
圖7A係本發明以四角錐體與倒立四角錐體各取上半部所組合之結構來實現的示意圖。
圖7B係本發明以四角錐體與倒立四角錐體各取下半部所組合之結構來實現的示意圖。
圖8係本發明以圓錐與另一種錐體混合時的水平截面示意圖。
100．．．薄膜太陽能電池結構
101．．．保護層
102．．．第一導電層
103．．．光吸收層
104．．．第二導電層
105．．．基底

Claims (8)

  1. 一種薄膜太陽能電池結構，包括：至少一層非平面的光吸收層、位於該光吸收層之一側之至少部分透明的一第一導電層、及位於該光吸收層之另一側之第二導電層；其中該非平面光吸收層具有相對的峰與谷，且該峰與該谷的高度差為該非平面光吸收層厚度的3倍以上；該第一導電層與該光吸收層一起形成非平面的起伏；該第二導電層與該光吸收層相鄰的一側，與該光吸收層整體形成非平面的起伏；該非平面光吸收層的各傾斜面之傾斜角度小於45度的部分，其在水平面之投影佔整體在水平面之投影的比例係在50%以下。
  2. 根據專利申請範圍第1項之薄膜太陽能電池結構，其中該非平面光吸收層的各傾斜面之傾斜角度係不小於45度。
  3. 根據專利申請範圍第1項或第2項之薄膜太陽能電池結構，其中該第二導電層之反射率的範圍係為20%以上。
  4. 根據專利申請範圍第1項之薄膜太陽能電池結構，其中該非平面光吸收層為垂直截面呈鋸齒狀之非平面結構；且上述非平面光吸收層各傾斜面的傾斜角度係在整個面都維持大致固定的角度。
  5. 根據專利申請範圍第1項之薄膜太陽能電池結構，其中該非平面光吸收層為垂直截面呈鋸齒狀之非平面結構；且上述非平面光吸收層各傾斜面的傾斜角度係隨著在該傾斜面上的位置不同而變化，該傾斜面的傾斜角度變化係包含漸變式的傾斜、分段線性式的傾斜、分段漸變式的傾斜或分段線性式與分段漸變式的混合。
  6. 根據專利申請範圍第1項之薄膜太陽能電池結構，其中該非平面光吸收層為重複的錐體、倒立錐體或兩者混合之側面所形成的非平面結構；且上述非平面光吸收層各傾斜面的傾斜角度係在整個面都維持大致固定的角度。
  7. 根據專利申請範圍第1項之薄膜太陽能電池結構，其中該非平面光吸收層為重複的錐體、倒立錐體或兩者混合之側面所形成的非平面結構；且上述非平面光吸收層各傾斜面的傾斜角度係隨著在該傾斜面上的位置不同而變化，該傾斜面的傾斜角度變化係包含漸變式的傾斜、分段線性式的傾斜、分段漸變式的傾斜或分段線性式與分段漸變式的混合。
  8. 根據專利申請範圍第1項之薄膜太陽能電池結構，其中該光吸收層係為使用於矽、化合物半導體或染料敏化薄膜太陽能電池的光吸收層。
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US20080289684A1 (en) * 2006-10-09 2008-11-27 Soltaix, Inc. Pyramidal three-dimensional thin-film solar cells
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