TWI479667B - Solar spectrum full band absorption of solar cells - Google Patents

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Description

太陽光光譜全波段吸收之太陽能電池
本發明係有關一種太陽能電池，尤指一種太陽光光譜全波段吸收之太陽能電池。
隨著石油能源的耗盡，各種不同的替代性能源逐漸發展，其中太陽能技術的使用及發展最被受到矚目，其原因在於太陽能為天然能源，具有取之不盡、用之不竭的特點，且其無污染的特點亦符合未來能源的趨勢。太陽能電池之基本概念為結合一P型半導體材料及一N型半導體材料所形成之空乏區進行光能源之吸收，進而轉換為電能源，利用不同材料的組合達到吸收光產生電能的目的，而材料不同及製程環境不同亦會有不同的光電效率。
舉例來說，如Jingbiao Cui及Ursula J.Gibson於The Journal of Physical Chemistry C,2010,114,p6804-6412所提出之”A Simple Two-Step Electrodeposition of Cu2O/ZnO Nanopillar Solar Cells”，其係以氧化亞銅薄膜作為P型半導體之材料，並搭配氧化鋅薄膜為N型半導體材料，在爐管(Furnace)製程的條件下進行太陽能電池的製作，其開路電壓為0.595(volts)，短路電流為6.78(mA/cm2)，填充因子(Fill Factor,FF)為50%，其能量轉換效率(power conversion efficiency,PCE)達到2.01%。但其製程條件必須使用爐管製程，而爐管製程的環境條件嚴苛，造成其製作成本的提高。
另如Alberto Mittiga及其共同作者於Applied Physics Letters 88,163502,2006提出之“Heterojunction solar cell with 2% efficiency based on a Cu2O substratea”，其係同樣利用氧化亞銅薄膜作為P型半導體之材料，並搭配氧化鋅奈米柱(nano pillar)作為N型半導體材料，該N型半導體材料係以溶液方式以電沈積的製程條件下進行，完成製備後之太陽能電池之開路電壓為0.29(volts)，短路電流為8.2(mA/cm2)，填充因子為36%，光電轉換效率為0.88%。由上述結果可知，雖然其利用電沈積製程的方式可以達到較低成本的製作，但其光電轉換效率相對的也較差，如何達到低成本而具有高發光效率的太陽能電池製程或材料，實為所有研發太陽能電池的學者所共同努力的目標。
此外，太陽光並非為單一波長之光線，太陽光之光線成分包含在紅外線至紫外線的光頻譜範圍內，而目前太陽能電池僅有多層膜之材料及結構才能達到太陽光全光譜的吸收，一般太陽能電池材料僅能針對太陽光的部分波段進行吸收，如此一來便浪費了太陽光的其他波段所產生之能量。並且，多層膜結構的太陽能電池製造較為複雜，成本也較高；此外，目前多層膜結構太陽能電池使用之材料多為稀有元素或非環境友善型材料，稀有元素之成本較高，若需要大量製造，其成本問題為一大考量因素，而非環境友善型材料係指有毒物質或會造成環境污染的材料，在環保意識抬頭的現今社會中，實有改進之空間。
本發明之主要目的，在於解決習知技術之太陽能電池製造成 本太高的問題。
本發明之另一目的，在於解決習知技術之太陽光全光譜吸收的太陽能電池必須使用多層膜材料因而製造複雜的問題。為達上述目的，本發明提供一種太陽光光譜全波段吸收之太陽能電池，其包含有一基板、一設置於該基板上之第一電極層、一正型(P type)半導體層、一負型(N type)鈷摻雜層及一第二電極層。該正型半導體層設置於該第一電極層遠離該基板之一側並與該第一電極層連接。該負型鈷摻雜層設置於該正型半導體層遠離該第一電極層之一側並與該正型半導體層連接，該負型鈷摻雜層之材料係為鈷摻雜之二氧化錫(Sn1-XCoXO2)所製成，且與該正型半導體層連接處形成一空乏層，該空乏層係用以吸收光線並激發產生電子電洞對。而該第二電極層設置於該負型鈷摻雜層遠離該第一電極層之一側並與該負型鈷摻雜層連接。需特別說明的是，由實驗分析氧化物之光學特性，得知鈷摻雜之二氧化錫之太陽光光譜吸收波段為700nm至1400nm，而作為正型半導體層之氧化亞銅的吸收波段介於300nm至800nm之間，兩者可結合成功達到太陽光光譜全波段吸收之目的，除此之外，作為正型半導體層之材質亦可選自於由氧化銅(CuO)及氧化鈷(Co3O4)所組成之群組。
由上述說明可知，本發明利用鈷摻雜之二氧化錫作為負型半導體層之材料，而鈷摻雜之二氧化錫可以噴塗技術(Spray Technology)以及熱壓系統的環境下進行太陽能電池的製作，解決習知技術必須於真空環境下或者於爐管環境進行製程所造成之高成本問題，並且本發明之負型鈷摻雜層配合氧化亞銅之正型半導體層亦可達到太陽光全光譜波段吸收的能力。除此之外，本發 明所使用之負型鈷摻雜層可使用低溫製程進行太陽能電池的製作，因此可使用塑膠材料作為太陽能電池的基板，解決了習知技術因為高溫製程而必須使用耐高溫的基板，如玻璃、矽晶片進行製程的問題。
圖1，係本發明一較佳實施例之製程流程示意圖。
圖2，係本發明一較佳實施例之電流電壓示意圖。
圖3，係本發明一較佳實施例之光譜吸收波段示意圖。
有關本發明之詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下：請參閱「圖1」所示，其係本發明一較佳實施例之製程流程示意圖，如圖所示：本發明係為一種太陽光光譜全波段吸收之太陽能電池，其包含有一基板10、一設置於該基板10上之第一電極層20、一正型(P type)半導體層30、一負型(N type)鈷摻雜層40及一第二電極層50。該基板10為選自於由矽晶片、玻璃及塑膠基板所組成之群組。該第一電極層20於本實施例中，其材料係選自於由鉑、鈦及其組合所組成之群組，其具有金屬不透光之特性並且還可反射入射之光線。該正型半導體層30設置於該第一電極層20遠離該基板10之一側並與該第一電極層20連接。該負型鈷摻雜層40設置於該正型半導體層30遠離該第一電極層20之一側並與該正型半導體層30連接，該負型鈷摻雜層40之材料係為鈷摻雜之二氧化錫(Sn1-XCoXO2)所製成，且與該正型半導體層30連接處形成一空乏層，該空乏層係用以吸收光線並激發產生電子電洞對。 而該第二電極層50，其係設置於該負型鈷摻雜層40遠離該第一電極層20之一側並與該負型鈷摻雜層40連接，其中該第二電極層50為於本實施例中為透明電極，該第二電極層50之材質係選自於由氧化鋅鋁(Aluminum-doped Zinc Oxide,AZO)及氧化銦錫(Indium Tin Oxide,ITO)所組成之群組。
需特別說明的是，本發明之該負型鈷摻雜層40的材料係以合成硫酸鈷水合物及氯化錫水合物，並利用調整不同濃度製成鈷摻雜之二氧化錫。且該正型半導體層30之材料係為氧化亞銅(Cu2O)，其中，該正型半導體層30及該負型鈷摻雜層40之結構係為選自於由奈米線、奈米粒子、奈米葉、奈米纖維及其組合所組成之奈米結構。此外，由實驗分析氧化物之光學特性，得知鈷摻雜之二氧化錫之太陽光光譜吸收波段為700nm至1400nm，而正型半導體層30之氧化亞銅的吸收波段介於300nm至800nm之間，兩者可結合成功達到太陽光光譜全波段吸收之目的，除此之外，作為該正型半導體層30之材質亦可選自於由氧化銅(CuO)及氧化鈷(Co3O4)所組成之群組。
由於鈷摻雜之二氧化錫材料不需要真空環境的製程條件，因而可利用溶液製程(solution process)方式合成該正型半導體層30及該負型鈷摻雜層40之奈米結構氧化物，以進行太陽能電池的製作，其製程步驟如下：
S1：進行正型半導體30之製程，於設置有該第一電極層20之基板10上進行正型半導體層30之製作，其係將該基板10進行親水處理後，以噴塗的方式將該正型半導體層30塗佈於該第一電極層20上，除此之外，該正型半導體層30係選自於由噴塗、旋轉塗佈、液滴塗佈(Drop Cast)、轉印(Imprint)及噴墨(Inject) 製程所組成之群組的方式設置於該第一電極層20上。
S2：進行負型鈷摻雜層40之製程，接著再以噴塗的方式將負型鈷摻雜層40塗佈於該正型半導體層30上，其中該負型鈷摻雜層40係以鈷摻雜之二氧化錫製成，而鈷摻雜之二氧化錫係為硫酸鈷水合物及氯化錫水合物混合並以控制濃度的方式調配而成，於本實施例中，其係以噴塗的方式製作，除此之外，該負型鈷摻雜層40更可以選自於由旋轉塗佈、液滴塗佈、轉印及噴墨製程所組成之群組的方式設置於該正型半導體層30上。
S3：第二電極層50之製作，以熱壓系統將該第二電極層50製作於該負型鈷摻雜層40上，完成太陽能電池的製作。請再配合參閱圖2，其係本發明一較佳實施例之電流電壓曲線圖，如圖所示，本發明之太陽能電池再過測試後，可以得到一未照光曲線60及一照光後曲線61，由該照光後曲線61顯示，本發明之太陽能電池之開路電壓為2.33V，短路電流為1.43mA/cm2，而照光後產生之光電流是由開路電壓為0的狀況下，照光後的短路電流減去未照光前的短路電流而得，並且由該未照光曲線60及該照光後曲線61可得知填充因子為36.13%，而能量轉換效率為1.2%。
除此之外，請再參閱圖3所示，如圖所示，本發明之正型半導體層30所使用之氧化亞銅光譜吸收曲線70在短波長之吸收能力較強，而該負型鈷摻雜層40使用濃度為0.075wt%、0.025wt%及0.25wt%的鈷摻雜之二氧化錫吸收曲線71、72、73，而有不同的吸收曲線，因此，針對不同的情況，可選擇使用不同濃度的鈷摻雜之二氧化錫來配合該正型半導體層30。
本發明之太陽光光譜全波段吸收之太陽能電池因為該正型半導體層30及該負型鈷摻雜層40之吸光波段不同，而能有太陽光光 譜全吸收波段之能力。綜上所述，由於本發明利用鈷摻雜之二氧化錫作為負型半導體層之材料，而鈷摻雜之二氧化錫及該正型半導體層30之氧化亞銅可於噴塗技術(Spray Technology)以及熱壓系統的環境下進行太陽能電池的製作，達到低成本與大面積製作等優勢，並且本發明之負型鈷摻雜層40配合氧化亞銅之正型半導體層30亦可達到太陽光光譜全波段吸收的能力，不需要複雜的多層膜結構及製程。
除此之外，本發明所使用之負型半導體層可使用低溫製程進行太陽能電池的製作，因此可使用塑膠材料作為太陽能電池的基板10，解決習知技術因為高溫製程而必須使用耐高溫的基板10，如玻璃、矽晶片進行製程的問題，並且塑膠基板10具有可撓之特性，比硬質的基板10更具有彈性運用的空間。因此本發明極具進步性及符合申請發明專利之要件，爰依法提出申請，祈 鈞局早日賜准專利，實感德便。
以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，當不能限定本發明實施之範圍。即凡依本發明申請範圍所作之均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明之專利涵蓋範圍內。
10‧‧‧基板
20‧‧‧第一電極層
30‧‧‧正型半導體層
40‧‧‧負型鈷摻雜層
50‧‧‧第二電極層

Claims (6)

  1. 一種太陽光光譜全波段吸收之太陽能電池，其包含有：一基板；一設置於該基板上之第一電極層；一正型半導體層，其設置於該第一電極層遠離該基板之一側並與該第一電極層連接；一負型鈷摻雜層，其設置於該正型半導體層遠離該第一電極層之一側並與該正型半導體層連接，該負型鈷摻雜層之材料係濃度為介於0.025wt%至0.25wt%之間的鈷摻雜之二氧化錫所製成，且與該正型半導體層連接處形成一空乏區；及一第二電極層，其係設置於該負型鈷摻雜層遠離該第一電極之一側並與該負型鈷摻雜層連接；其中，該鈷摻雜之二氧化錫具有一從700nm至1400nm的太陽光光譜吸收波段，該正型半導體層具有一從300nm至800nm的太陽光光譜吸收波段，令該太陽能電池具有一介於300nm至1400nm的全光譜吸收波段。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽光光譜全波段吸收之太陽能電池，其中該基板為選自於由矽晶片、玻璃及塑膠基板所組成之群組。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之太陽光光譜全波段吸收之太陽能電池，其中該第一電極層之材料係選自於由鉑、鈦及其組合所組成之群組，且該第二電極層係為透明電極。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之太陽光光譜全波段吸收之太陽能電池，其中該第二電極層之材質係選自於由氧化鋅鋁及氧化銦錫所組成之群組。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之太陽光光譜全波段吸收之太陽能電池，其中該正型半導體層之材質選自於由氧化亞銅(Cu2O)、氧化銅(CuO)及氧化鈷(Co3O4)所組成之群組。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之太陽光光譜全波段吸收之太陽能電池，其中該正型半導體層及該負型鈷摻雜層之結構係為選自於由奈米線、奈米粒子、奈米葉、奈米纖維及其組合所組成之奈米結構。
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