TWI481046B - 太陽能電池 - Google Patents
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Description
本發明涉及一種太陽能電池。
太陽能電池係利用半導體材料的光生伏特原理製成的。根據半導體光電轉換材料種類不同,太陽能電池可分為矽基太陽能電池(請參見太陽能電池及多晶矽的生產,材料與冶金學報,張明傑等,vol6,p33-38(2007))、砷化鎵太陽能電池以及有機薄膜太陽能電池等。
目前,太陽能電池以矽基太陽能電池為主。先前技術中的矽基太陽能電池包括:一背電極、一P型矽層、一N型矽層及一上電極。所述背電極設置於所述P型矽層的一表面。所述N型矽層形成於所述P型矽層的另一表面,作為光電轉換的材料。所述上電極設置於所述N型矽層的表面。所述太陽能電池中P型矽層及N型矽層形成P-N結區。當該太陽能電池在工作時,光從上電極一側直接入射,並經過所述上電極及所述N型矽層到達所述P-N結區,所述P-N結區在光子激發下產生複數電子-電洞對(載子),所述電子-電洞對在靜電勢能作用下分離並分別向所述背電極及上電極移動。如果在所述太陽能電池的背電極與上電極連接外電路中的負載。
然而,上述結構中所述光子需要通過所述上電極及所述N型矽層
之後才到達所述P-N結區,使得一部份入射光線被所述上電極及N型矽層吸收,使所述P-N結區對光的吸收率較低,進而減少了P-N結區激發出的載子的量,降低了太陽能電池的光電轉換效率。並且,上述結構中所述背電極和上電極的材料多為金屬、導電聚合物或銦錫氧化物。該幾種材料的導電性仍有待提高,從而使太陽能電池的光電轉換效率受限。
有鑒於此,提供一種具有較高光電轉換效率的太陽能電池實為必要。
一種太陽能電池,其包括:M個沿一直線連續並排且串聯連接的P-N結單元、M-1個內電極、一第一收集電極以及一第二收集電極,其中M大於等於2,所述M個P-N結單元依次為第一個P-N結單元至第M個P-N結單元,每相鄰兩個P-N結單元之間設置有一內電極,所述第一收集電極及第二收集電極分離設置於串聯連接的所述M個P-N結單元的外側,所述M-1個內電極中至少一個內電極包括一奈米碳管陣列,所述奈米碳管陣列包括大致平行的複數奈米碳管,該複數奈米碳管的兩端分別連接於相鄰的兩個P-N結單元,所述太陽能電池具有一受光端面,該受光端面平行於所述直線。
相較於先前技術,本發明提供的太陽能電池具備以下有益效果:第一,所述太陽能電池工作時,光可直接入射至所述受光端面,由於該受光端面沒有被電極覆蓋,使得光子不必先經過電極、N型矽層後才到達P-N結區,從而減少了電極和N型矽層對光的吸收,提高了P-N結區的光吸收率,相應地,使得P-N結區可激發出更多的電子-空穴對,提高了整個太陽能電池的光電轉換效率;第
二,採用奈米碳管陣列作內電極從而串聯所述M個P-N結單元,奈米碳管陣列中的奈米碳管由該一P-N結單元的第一表面延伸至相鄰的另一P-N結單元的第二表面並接觸,兩個P-N結單元中產生的電流延奈米碳管軸向方向傳導進而串聯兩個P-N結單元,奈米碳管軸向方向上具有良好的導電性,使從而消耗於太陽能電池內部的電流減小,提高了太陽能電池的光電轉換效率;第三,奈米碳管陣列具有良好的穩定性和機械強度,因此採用奈米碳管陣列作為太陽能電池的內電極可提高太陽能電池的使用壽命。
10‧‧‧太陽能電池
11‧‧‧出光端面
12‧‧‧P-N結單元
13‧‧‧透明絕緣層
14‧‧‧內電極
15‧‧‧反射元件
16‧‧‧第一收集電極
17‧‧‧受光端面
18‧‧‧第二收集電極
19‧‧‧減反射層
120‧‧‧P-N結單元預製體
121‧‧‧第一表面
122‧‧‧第一矽層
123‧‧‧第二表面
125‧‧‧接觸面
126‧‧‧第二矽層
130‧‧‧P-N結單元結構體
140‧‧‧奈米碳管陣列
142‧‧‧金屬層
160‧‧‧第一收集電極基材
180‧‧‧第二收集電極基材
1220‧‧‧第一矽層基材
1260‧‧‧第二矽層基材
圖1為本發明第一實施例提供的太陽能電池之主視圖。
圖2為本發明第一實施例提供的太陽能電池之立體結構示意圖。
圖3為本發明第一實施例提供的太陽能電池之局部放大圖。
圖4為本發明第一實施例提供的太陽能電池之局部放大圖。
圖5為本發明第二實施例提供的太陽能電池之製備方法之方法流程圖。
下面將結合附圖及具體實施例對本發明的太陽能電池及其製備方法作進一步的詳細說明。
請參閱圖1及圖2,本發明實施例提供一種太陽能電池10,其包括:M個沿一直線連續並排的P-N結單元12、M-1個內電極14、一第一收集電極16及一第二收集電極18,其中M大於等於2。沿所述直線,所述M個P-N結單元12依次為一第一個P-N結單元至一第M個P-N結單元。該M個P-N結單元12通過M-1個內電極14串聯連接。所
述太陽能電池10具有一受光端面17,該受光端面17平行於所述直線。該受光端面17為該太陽能電池10直接接受外界光線入射的表面。
每個P-N結單元12包括並排且接觸設置的一第一矽層122及一第二矽層126。每個P-N結單元12包括一第一表面121、一第二表面123及一接觸面125。所述第一表面121為第一矽層122遠離第二矽層126的一表面。所述第二表面123為所述第二矽層126遠離第一矽層122的一表面。所述接觸面125為所述第一矽層122及所述第二矽層126相接觸的表面。所述第二表面123與第一表面121相對設置。所述第一表面121、第二表面123及接觸面125彼此間隔且平行設置。所述第一矽層122及所述第二矽層126於接觸面125接觸且形成一P-N結區。所述第一收集電極16設置於所述第一個P-N結單元的第一表面121。所述第二收集電極18設置於所述第M個P-N結單元的第二表面123。所述M-1個內電極14中的至少一內電極為一奈米碳管陣列。本實施例中,所述M-1個內電極14分別為一奈米碳管陣列。所述奈米碳管陣列位於沿所述直線上相鄰的二P-N結單元12之間。所述奈米碳管陣列包括複數大致平行的奈米碳管。所述複數奈米碳管的一端連接於相鄰二P-N結單元12的一P-N結單元的第一表面121,所述複數奈米碳管由該P-N結單元的第一表面121延伸至相鄰的另一P-N結單元的第二表面123並接觸。
所述M個P-N結單元12、M-1個內電極14、第一收集電極16及第二收集電極18沿一直線連續設置成一排構成一整體結構。所述整體結構具體指所述太陽能電池10的上述各層沿所述直線方向連續並排相互接觸設置從而成為一整體。可以理解地,所述M個P-N結單
元12可為並排設置也可為交錯設置。所述M個P-N結單元12並排設置的含義為每個P-N結單元12的受光端面相互連接形成一平面,所述交錯設置的含義為每個P-N結單元12的受光端面間隔設置。若所述M個P-N結單元12交錯設置,則相鄰二P-N結單元12之間的內電極部份暴露,從而使內電極被暴露的部份也可接受太陽光,從而提高太陽能電池的透光性。
所述第一矽層122為一P型矽層或一N型矽層。所述第二矽層126為一P型矽層或一N型矽層。所述第一矽層122與所述第二矽層126的類型相反。當所述第一矽層122為一P型矽層時,所述第二矽層126為一N型矽層。當所述第一矽層122為一N型矽層時,所述第二矽層126為一P型矽層。本實施例中,所述第一矽層122為一P型矽層,所述第二矽層126為一N型矽層。
所述每個第一矽層122具有一與所述第一表面121及所述接觸面125相連的一第一側面(圖未標),所述每個第二矽層126具有一與所述第二表面123及所述接觸面125相連的一第二側面(圖未標),所述第一側面及第二側面共同構成所述太陽能電池10的受光端面17。由於所述P-N結區形成於所述P型矽層及N型矽層的接觸面附近,因此,所述P-N結區通過所述受光端面17同時暴露出所述P型矽層及所述N型矽層。
所述第一矽層122為一層狀結構,該第一矽層122的材料可係單晶矽或多晶矽。所述第一矽層122沿第一表面121到接觸面125方向的厚度為200微米至300微米。所述第一側面與第一表面121及接觸面125之間的夾角可大於0度且小於180度,優選為,該夾角為90度。本實施例中,所述第一側面與第一表面121及接觸面125垂
直,所述第一矽層122為一厚度為200微米的P型單晶矽片。
所述第二矽層126為一層狀結構。該第二矽層126可通過向一矽片注入過量的如磷或者砷等N型摻雜材料製備而成。所述第二矽層126沿着所述接觸面125到第二表面123方向上的厚度為10奈米至1微米。所述第二側面與所述接觸面125及第二表面123之間的夾角可大於0度且小於180度。優選地,該夾角為90度。本實施例中,所述第二側面與所述接觸面125及第所述第二表面123垂直,所述第二矽層126的厚度為50奈米。
在每個P-N結單元12中,所述相互接觸的P型矽層及N型矽層於接觸面125附近形成所述P-N結區。在該P-N結區中,N型矽層中的多餘電子趨向P型矽層,並形成一由N型矽層指向P型矽層的內電場。當所述P-N結區在光的激發下產生複數電子-電洞對時,所述複數電子-電洞對在內電場作用下分離,N型矽層中的電子向所述第二收集電極18移動,P型矽層中的電洞向所述第一收集電極16移動,最終分別被所述第一收集電極16及第二收集電極18收集,形成電流,從而實現所述太陽能電池10中光能到電能的轉換。所述M個P-N結單元12通過M-1個內電極14串聯,形成複數類似於正負極依次連結的串聯電池組,從而實現所述太陽能電池10的電壓為M個P-N結單元的電壓之和。所述串聯連接的含義為使同一電流通過所有相連接器件的聯結方式。
所述太陽能電池10所包括的P-N結單元12的數量不限,可根據實際需要的輸出電壓而設定。該太陽能電池10的工作電壓為一P-N結單元的整數倍。本實施例中,所述太陽能電池10包括100個P-N結單元。
所述第一收集電極16及第二收集電極18的作用為收集太陽能電池10內部產生的電流,並通過太陽能電池10外接的導線(圖未示)將電流導出,輸送給負載。
由於入射光不需要穿過所述第一收集電極16到達P-N結區,所述第一收集電極16可為一連續的面狀結構覆蓋所述第一個P-N結單元的第一表面121的部份或整個表面。當然,第一收集電極16也可為一網格狀或柵格狀結構覆蓋所述第一個P-N結單元的第一表面121的部份表面。所述第一收集電極16的材料為具有導電性的材料,該材料具體可為金屬、導電聚合物、銦錫氧化物及奈米碳管陣列。優選為該第一收集電極16由一連續的具有面狀結構的金屬材料層構成。該金屬材料層覆蓋整個第一個P-N結單元的第一表面121。該金屬材料可為鋁、銅或銀等。該第一收集電極16的厚度不限,優選為50奈米至300奈米。本實施例中,所述第一收集電極16的材料為一厚度約為200奈米的條形鋁箔。
由於入射光不需要穿過所述第二收集電極18到達P-N結區,所述第二收集電極18可為一連續的面狀結構覆蓋第M個P-N結單元的第二表面123的整個表面,也可為一網格狀或柵格狀結構覆蓋所述第M個P-N結單元的第二表面123的部份表面。該第二收集電極18的材料為具有導電性的材料,該材料具體可選自金屬、導電聚合物、銦錫氧化物或奈米碳管陣列。所述第一收集電極16及第二收集電極18的材料可相同或不同。優選為該第二收集電極18由一連續的具有面狀結構的金屬材料層構成,該金屬材料層覆蓋整個所述第M個P-N結單元的第二表面123。所述金屬材料可為鋁、銅或銀等。該第二收集電極18的厚度不限,優選為50奈米至300奈米
。本實施例中,所述第二收集電極18的材料為一厚度約為200奈米的條形鋁箔。
所述第一收集電極16及第二收集電極18可均不透光,從而可避免光線穿過第一收集電極16及第二收集電極18,造成光電轉換效率降低。
所述內電極14的材料除了奈米碳管陣列還可為金屬、導電聚合物或銦錫氧化物。所述金屬包括鋁、銅或銀。所述奈米碳管陣列包括複數奈米碳管。該奈米碳管陣列用於電連接相鄰的二P-N結單元12。奈米碳管陣列的一端與一P-N結單元12中的第一表面接觸,另一端與相鄰的另一P-N結單元12的第二表面接觸。具體地,該奈米碳管陣列中的大多數奈米碳管的一端與一P-N結單元12中的第一表面接觸,另一端與相鄰的另一P-N結單元12的第二表面接觸。所謂“大多數”的含義為,由於製備方法及製備條件的限制,奈米碳管陣列中存在少數奈米碳管的兩端與相鄰的奈米碳管接觸,而不與第一表面及第二表面接觸,或者存在少數奈米碳管的一端與第一表面或第二表面接觸,另一端與相鄰的奈米碳管接觸。
該奈米碳管陣列中的大多數奈米碳管延直線或曲線由一P-N結單元12的第一表面延伸至另一P-N結單元12的第二表面。請參閱圖1,奈米碳管陣列中的奈米碳管延直線由一P-N結單元的第一表面接觸延伸至另一P-N結單元的第二表面。此時奈米碳管陣列中的奈米碳管大致平行。所述“大致”的意思係由於奈米碳管在生長過程中受各種因素的制約,如碳源氣氣流的流動速度不一致,碳源氣的濃度不均勻及催化劑的不平整,不可能也不必使奈米碳管
陣列中的每根奈米碳管完全沿其生長方向排列,即每根奈米碳管完全平行,奈米碳管陣列中的複數奈米碳管的長度也不必完全相等。請參閱圖3,奈米碳管陣列中的奈米碳管呈彎曲狀,奈米碳管沿曲線延伸並連接相鄰的二P-N結單元12。所述奈米碳管陣列中的奈米碳管的彎曲曲線不限,可為弓形、S型或其他形狀。可以理解地,奈米碳管陣列中的奈米碳管的彎曲曲線可相同也可不同。例如,奈米碳管陣列中的一部份奈米碳管朝向一方向彎曲,另一部份奈米碳管朝向另一方向彎曲。本實施例中奈米碳管陣列中的奈米碳管延沿直線由一P-N結單元的N型矽層延伸至另一P-N結單元的P型矽層。
所述奈米碳管陣列由純奈米碳管組成。所謂“純奈米碳管”係奈米碳管未經過任何化學修飾或功能化處理。本實施例中所述奈米碳管陣列為超順排奈米碳管陣列。所述超順排奈米碳管陣列可為單壁奈米碳管陣列、雙壁奈米碳管陣列或多壁奈米碳管陣列。所述奈米碳管陣列中的奈米碳管的長度不限。優選地,所述奈米碳管陣列中的奈米碳管的長度大於1微米。優選地,奈米碳管的長度為100微米至400微米。本實施例中,奈米碳管陣列中的奈米碳管的長度為150微米。由於製備方法及條件的限制,所述第一表面121及第二表面123的表面具有一定的粗糙度。若奈米碳管的長度大於1微米,可避免由於第一表面121及第二表面123具有的微小的凹凸,導致奈米碳管與第一表面121或第二表面123接觸不良,因而影響相鄰二P-N結單元12之間的電連接。
優選地,奈米碳管陣列為開口奈米碳管陣列,開口奈米碳管陣列中的奈米碳管為開口奈米碳管。開口奈米碳管係指奈米碳管之端
口敞開,未被富勒烯球面封閉。相比於端口封閉的奈米碳管,開口奈米碳管的軸向傳導電流的能力更好,由於總內阻變小,即向外界能提供的電流變大,進而提高太陽能電池10的光電轉換效率。
優選地,奈米碳管陣列中的奈米碳管為金屬性奈米碳管。相比於半導體性質的奈米碳管,金屬性奈米碳管的導電能力更好,由於總內阻變小,即向外界能提供的電流變大,進而提高太陽能電池10的光電轉換效率。
請參閱圖4,奈米碳管陣列與相鄰的二P-N結單元12接觸的二端面上可設置有一金屬層142。可選擇地,奈米碳管陣列與相鄰的二P-N結單元12接觸的二端面中的一端面上設置有一金屬層142。優選地,所述金屬層142包括複數金屬顆粒,該複數金屬顆粒分別設置於奈米碳管陣列中的奈米碳管的一端。該金屬層142可減少奈米碳管陣列與P-N結單元12中的P型矽層或N型矽層的接觸電阻,由於總內阻變小,即向外界能提供的電流變大,使太陽能電池10的光電轉換效率提高。
可以理解地,所述至少一內電極14為一奈米碳管陣列複合材料。所述奈米碳管陣列複合材料為一奈米碳管陣列及一導電材料的複合體。所述奈米碳管陣列中的奈米碳管與奈米碳管之間有一定的縫隙。所述導電材料設置於奈米碳管陣列中的奈米碳管之間。所述導電材料可為聚合物導電複合材料或者低熔點金屬材料。
所述聚合物導電複合材料包括一聚合物相變材料及分散於聚合物相變材料中的複數導電顆粒。為所述聚合物相變材料係指在一定溫度(相變點)下能熔融的聚合物,例如,矽橡膠、聚酯、聚氯
乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯、聚丙烯、環氧樹脂、聚甲醛、聚縮醛或石蠟等。將導電顆粒均勻分佈在聚合物相變材料中從而實現聚合物導電複合材料的導電性。所述導電顆粒為玻璃鍍銀、鋁鍍銀或銀等。
所述低熔點金屬包括錫、銅、銦、鉛、銻、金、銀、鉍、鋁及前述各材料的合金或混合物,如錫鉛合金、銦錫合金、錫銀銅合金、金矽合金、金鍺合金等。
通過將奈米碳管陣列與導電材料複合從而可提高奈米碳管陣列複合材料的導電性,以提高內電極的電阻,進而提高太陽能電池10的光電轉換效率。
當該太陽能電池10工作時,也可將第一側面及第二側面作為受光端面17,接受光的入射。由於該受光端面17沒有被第二收集電極18覆蓋,即P-N結區直接暴露出P型矽層及N型矽層,使得光子可直接被所述P-N結區吸收,並不必先經過第二收集電極18、N型矽層後才到達P-N結區,從而減少了第二收集電極18及N型矽層對光的吸收,提高了P-N結區對光的吸收率,相應地,使得P-N結區可激發出更多的電子-電洞對。此外,由於所述第二收集電極18沒有設置在所述受光端面17上,因此無需考慮第二收集電極18阻擋光的影響因素,使得該第二收集電極18可設置成任何形狀,甚至可為一面狀結構覆蓋至所述N型矽層的整個表面,從而增大了整個第二收集電極18的面積,並減小了P-N結區產生的載子擴散至所述第二收集電極18的長度,減少了載子的內部損耗,從而提高了整個太陽能電池10的光電轉換效率。
進一步地,為減少光的反射,使更多的光能被所述P-N結區吸收
,在所述受光端面17可進一步設置一減反射層19。該減反射層19可使光線入射並減少光的反射,且對光的吸收較少,該減反射層19的材料為氮化矽(Si3N4)或二氧化矽(SiO2)等。該減反射層19的厚度可小於150奈米,本實施例中,該減反射層19為900埃(Å)的氮化矽層。
進一步地,P-N結單元12的與所述受光端面17的相對的一出光端面11可形成有一反射元件15。該反射元件15可使由出光端面11出射的光線重新被反射回P-N結區,被P-N結區吸收,進而提高太陽能電池10的光電轉換效率。反射元件15可為一反射層。所述反射層與所述出光端面11相互接觸設置且與所述第一收集電極16及第二收集電極18電絕緣。所述反射層由一連續的具有面狀結構的金屬材料層構成。該金屬材料可為鋁、金、銅及銀中的一種或上述任意組合的合金。該反射層的厚度不限,以盡可能多的反射由出光端面11出射的光為優。優選地,該反射層的厚度大於20微米。本實施例中該反射層的厚度為20微米。
進一步地,由於反射層的材料可為導電材料,因此為了避免反射層與奈米碳管陣列接觸,可於反射層與出光端面11之間形成一透明絕緣層13。所述透明絕緣層13將所述出光端面11整個覆蓋,所述反射層將所述透明絕緣層13整個覆蓋,從而所述反射層與出光端面11相互絕緣。該透明絕緣層13可使該M個P-N結單元12之間僅通過奈米碳管陣列串聯。所述透明絕緣層13包括複數奈米顆粒。所述透明絕緣層13的材料為具有一定化學穩定性的材料,為類金剛石、矽、碳化矽、二氧化矽、氮化硼、氧化鋁及氮化矽等中的一種或複數種。該透明絕緣層13的厚度的不限,只要能保證所述
複數奈米碳管陣列之間絕緣即可。所述透明絕緣層13的厚度為10奈米~100微米。為了減少所述透明絕緣層13對光的吸收,所述透明絕緣層13的厚度優選地為10奈米~50奈米。優選地,該透明絕緣層13的厚度為5奈米至20奈米。本實施例中,該透明絕緣層13的厚度為5奈米。
所述透明絕緣層13可通過物理氣相沈積法(PVD)或化學氣相沈積法(CVD)直接生長或塗覆於所述出光端面11。然後通過真空蒸鍍或磁控濺射等方法於所述透明絕緣層13上形成所述反射層。
所述反射層可通過真空蒸鍍或磁控濺射等方法形成於所述出光端面11,且要確保所述第一收集電極16及第二收集電極18均未被反射層覆蓋。可通過掩模或刻蝕的方法,以使第一收集電極16及第二收集電極18係裸露在所述反射層外。
可以理解,所述反射層與所述出光端面11之間也可不設置絕緣層,即,所述反射層與所述出光端面11間隔一定距離設置且相互絕緣。該距離不限,優選的為1毫米~5厘米。所述反射元件15還包括一基底(圖未示)。所述反射層設置於所述基底的表面。所述基底形狀不限,優選地,所述基底為一板狀體,所述基體的形狀與所述出光端面11的形狀一致。所述基底的材料為玻璃、陶瓷、二氧化矽等絕緣材料。本實施例中,所述基底優選為一陶瓷板。所述反射層可通過真空蒸鍍或磁控濺射等方法形成於所述基底的表面。
所述反射元件15為複數設置於所述出光端面11的微結構。所述微結構設置於所述出光端面11。所述微結構為凹槽或凸起。所述微結構的形狀為V形、圓柱形、半圓球形、金字塔形及削去尖端部
份的金字塔形中的一種或幾種。該微結構在所述出光端面11均勻分佈。進一步地,所述反射元件15還包括一反射材料,該反射材料設置於所述微結構表面。所述反射材料為鋁、金、銅及銀中的一種或上述任意組合的合金。所述反射材料可通過真空蒸鍍或磁控濺射等方法形成於所述微結構表面。
所述反射元件15可實現光束的全反射,以將入射至所述出光端面11的光束反射,使更多的光能被所述P-N結區吸收。通過對出光端面11進行微結構處理,在所述出光端面11形成所述微結構。所述微結構的形成方法不限。
上述整個太陽能電池10的厚度為從受光端面17與出光端面11之間的距離。該太陽能電池10的厚度不限,可根據從所述受光端面17入射的光在所述P型矽層及N型矽層中的透過率而設定。優選為,該厚度為使光透過率為零時的厚度,從而可使整個太陽能電池10有效利用所吸收的光。本實施例中,該太陽能電池10的厚度為50微米至300微米。
本發明提供的太陽能電池10具有以下有益效果:第一,所述太陽能電池10工作時,光可直接入射至所述受光端面17,由於該受光端面17沒有被第一收集電極16或者第二收集電極18覆蓋,使得光子不必先經過電極、N型矽層後才到達P-N結區,從而減少了電極及N型矽層對光的吸收,提高了P-N結區的光吸收率,相應地,使得P-N結區可激發出更多的電子-電洞對,提高了整個太陽能電池10的光電轉換效率;第二,採用奈米碳管陣列作內電極14從而串聯所述M個P-N結單元12,奈米碳管陣列中的奈米碳管由該一P-N結單元的第一表面延伸至相鄰的另一P-N結單元的第二表面並接
觸,相鄰的二P-N結單元中產生的電流延奈米碳管軸向方向傳導進而串聯二P-N結單元,奈米碳管軸向方向上具有良好的導電性,由於總內阻變小,即向外界能提供的電流變大,提高了太陽能電池10的光電轉換效率;第三,奈米碳管陣列具有良好的穩定性及機械強度,因此採用奈米碳管陣列作為太陽能電池的內電極可提高太陽能電池10的使用壽命;第四,奈米碳管陣列中的奈米碳管為開口奈米碳管,開口奈米碳管的軸向傳導電流的能力更好,可進一步提高太陽能電池10的光電轉換效率;第五,奈米碳管陣列中的奈米碳管為金屬性奈米碳管,金屬性奈米碳管的導電能力更好,可進一步提高太陽能電池10的光電轉換效率;第六,奈米碳管陣列的與相鄰的二P-N結單元接觸的表面沈積有金屬層,該金屬層可減少奈米碳管陣列與P-N結單元中的P型矽層或N型矽層的接觸電阻,由於總內阻變小,即向外界能提供的電流變大,使太陽能電池10的光電轉換效率提高;第七,所述太陽能電池10的出光端面上形成有一反射層,該反射層可使由出光端面出射的光線重新被反射回P-N結區,被P-N結區吸收,進而提高太陽能電池的光電轉換效率。
請參閱圖5,本發明第二實施例進一步提供一種所述太陽能電池10的製備方法,包括以下步驟:S100,提供M個P-N結單元預製體120,其中M大於等於2,所述M個P-N結單元預製體120依次為一第一個P-N結單元預製體120至第M個P-N結單元預製體120,每個P-N結單元預製體120包括層疊且接觸設置的一第一矽層基材1220及一第二矽層基材1260,且每個P-N結單元預製體120包括相對的一第一表面121及一第二表面123
,所述第一表面121為第一矽層基材1220遠離第二矽層基材1260的一表面,所述第二表面123為第二矽層基材1260遠離第一矽層基材1220的一表面。
S200,形成一內電極14於所述M個P-N結單元預製體120中的相鄰二P-N結單元預製體120之間,以得到M個P-N結單元結構體130,每個P-N結單元結構體130包括一P-N結單元預製體120及一內電極14,其中,至少一內電極14包括奈米碳管陣列。
S300,將所述M個P-N結單元結構體130由第一個至第M個P-N結單元結構體130依次沿一直線層疊並排並結合,相鄰的二P-N結單元預製體120通過內電極奈米碳管陣列140連接在一起,形成一整體結構體,其中,該整體結構體有一與所述直線平行的直接接受外界光線的受光端面17。
S400,在M個P-N結單元結構體130的所述第一個P-N結單元結構體130的第二表面123形成一第一收集電極基材160,所述第一個P-N結單元預製體的第一表面121形成一第二收集電極基材180,得到太陽能電池母體;及S500,沿在步驟S300中層疊各個層的方向切割所述太陽能電池母體,得到具有直接接受外界光線的一受光端面的複數太陽能電池10,所述受光端面17為切割面或與切割面平行且相對的面。
在所述S100步驟中,所述第一矽層基材1220為一P型矽片或一N型矽片。所述第二矽層基材1260為一P型矽片或一N型矽片。所述第一矽層基材1220與所述第二矽層基材1260的類型相反。當所述第一矽層基材1220為一P型矽片時,所述第二矽層基材1260為一N型
矽片。當所述第一矽層基材1220為一N型矽片時,所述第二矽層基材1260為一P型矽片。本實施例中,所述第一矽層基材1220為一P型矽片,所述第二矽層基材1260為一N型矽片。
該P型矽片的材料可係單晶矽或多晶矽。本實施例中,所述第一矽層基材1220為一P型單晶矽片。所述P型單晶矽片的厚度可為200微米至300微米。所述P型單晶矽片的面積、形狀不限,可根據實際需要選擇。所述第二矽層基材1260可通過向一矽片基材注入過量的如磷或者砷等N型摻雜材料製備而成。所述N型矽層基材的厚度為10奈米至1微米。
在步驟S200中,所述形成內電極14的方法不限,例如,可在M個P-N結單元預製體120中的每個P-N結單元預製體120的第一表面121形成一內電極14,或者可在M個P-N結單元預製體120中的每個P-N結單元預製體120的第二表面123形成一內電極14,再或者,在部份P-N結單元預製體120的第一表面121形成一內電極14,在另一部份P-N結單元預製體120的第二表面123形成一內電極14,只需保證最終形成一內電極14於相鄰的二P-N結單元預製體120之間即可。本實施例中,在上述M個P-N結單元預製體120中的每個P-N結單元預製體120中的第一表面121形成的內電極14均為奈米碳管陣列。
形成奈米碳管陣列140的方法可為化學氣相沈積法。所述奈米碳管陣列140可為超順排奈米碳管陣列或開口奈米碳管陣列。
所述超順排奈米碳管陣列的製備方法包括以下步驟:步驟S202,在所述M個P-N結單元預製體120中的至少一P-N結單元
預製體120的第一表面121形成一催化劑層。該催化劑層的製備可通過熱沈積法、電子束沈積法或濺射法實現。所述催化劑層的材料可選用鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)或其任意組合的合金之一,本實施例中採用鐵為催化劑。
步驟S203,將上述形成有催化劑層的P-N結單元預製體120在700°C至900℃的空氣中退火約30分鐘至90分鐘。
步驟S204,將退火處理過的P-N結單元預製體120置於反應爐中,在保護氣體環境下加熱到500℃至740℃。然後通入碳源氣體反應約5分鐘至30分鐘,生長得到超順排奈米碳管陣列,其高度為100微米至400微米。所述碳源氣可選用乙炔、乙烯、甲烷等碳氫化合物。本實施例中所述碳源氣為乙炔,所述保護氣體為氬氣,所得奈米碳管陣列的高度為150微米。該超順排奈米碳管陣列中的奈米碳管彼此通過凡得瓦力緊密接觸形成陣列。
所述開口奈米碳管陣列的製備方法包括以下步驟:在所述M個P-N結單元預製體120中的至少一P-N結單元預製體120的第一表面121形成一催化劑層;將所述形成有催化劑層的P-N結單元預製體120置於一石英舟內,該石英舟具有一開口;將所述石英舟置於一反應爐內,該反應爐包括一進氣口,使所述石英舟的開口朝向該進氣口;加熱使反應爐的溫度達到一預定溫度,並通入反應氣體利用化學氣相沈積法在基底上生長奈米碳管;待生長結束後,通過一導氣裝置引入載氣氣體到所述石英舟內,以降低該石英舟內的碳源氣濃度,使奈米碳管停止生長得到開口奈米碳管陣列。所述催化劑層可選用催化劑粉末層或催化劑金屬膜層。該催化劑金屬膜層的材料可選用鐵、鈷、鎳及其合金材料等;該催化劑粉末層
的材料可選用金屬鐵粉、金屬鐵網、金屬鎳粉、金屬鎳網及氧化鋁及金屬鐵的粉末混合物等。所述開口奈米碳管陣列的製備方法具體請參見申請人於2005年9月23日申請的,於2009年04月01日公告的第I308132號中華民國公告專利“奈米碳管製備方法”。為節省篇幅,僅引用於此,但上述申請所有技術揭露也應視為本發明申請技術揭露的一部份。
上述生長奈米碳管陣列140結束後,奈米碳管陣列140的一端與P-N結單元預製體120的第一表面121連接,另一端為自由端。化學氣相沈積法生長奈米碳管的機理可分為頂端生長或者底端生長。若生長奈米碳管的機理為底端生長,則生長奈米碳管陣列結束後,會有金屬顆粒形成在奈米碳管與P-N結單元預製體120的第一表面121之間。該金屬顆粒為催化劑殘留形成。若生長奈米碳管的機理為頂端生長,則金屬顆粒會形成在奈米碳管陣列140的自由端。如此,在步驟S300結束後,該金屬顆粒位於奈米碳管陣列140與相鄰的另一P-N結單元12的第二表面123之間。無論係頂端生長或者底端生長的奈米碳管陣列,步驟S300結束後,金屬顆粒均位於奈米碳管陣列與P-N結單元12之間。金屬顆粒會降低奈米碳管陣列140與P-N結單元12之間的接觸電阻,從而降低太陽能電池10的內電阻,提高太陽能電池10的光電轉換效率。本實施例中金屬顆粒形成在奈米碳管陣列140與P-N結單元12的第一表面121之間。
可以理解的,若為底端生長奈米碳管陣列,即金屬顆粒殘留在奈米碳管陣列140與P-N結單元12的第一表面121之間,則在生長奈米碳管陣列140結束後,可於奈米碳管陣列140的自由端形成一金
屬層。該形成金屬層的方法可為真空蒸鍍或磁控濺射。所催化劑殘留形成的複數金屬顆粒也組成一金屬層。如此,在步驟S300結束後,可使奈米碳管陣列140與相鄰的二P-N結單元12之間均形成有金屬層。該金屬層可降低奈米碳管陣列140與相鄰的二P-N結單元之間的接觸電阻,從而降低太陽能電池的內電阻,提高太陽能電池的光電轉換效率。
可以理解地,在形成奈米碳管陣列之後,可將奈米碳管陣列與一導電材料複合形成一奈米碳管複合材料。所述形成奈米碳管複合材料的方法可為蒸鍍法。所述形成奈米碳管複合材料的方法可包括以下步驟:提供一模具,一熔融態的導電材料盛放於所述模具的內部;將形成於P-N結單元預製體120表面的奈米碳管陣列浸潤內導電材料內,使導電材料填充奈米碳管陣列中奈米碳管與奈米碳管之間的間隙;冷卻所述熔融態的導電材料至固態及去除所述模具。
在上述步驟S300中,所述相互層疊的P-N結單元結構體130之間可通過銀膠黏結。具體地,在每個P-N結單元結構體130中的P-N結單元預製體120的第二表面123的四個邊緣點形成銀膠,在層疊P-N結單元結構體130後,相鄰的二P-N結單元結構體130則通過銀膠黏結。另外,可通過一壓合機壓合上述複數相互層疊的P-N結單元結構體130,從而使該M個P-N結單元結構體130黏結在一起。若通過壓合的方式使M個P-N結單元結構體130黏結在一起,請參閱圖4,則位於P-N結單元之間的奈米碳管陣列140在壓力的作用下可能發生彎曲。
在步驟S400中,所述第一收集電極基材160形成於第一P-N結單元
預製體120的第二表面123。該第一個P-N結單元預製體120的第二表面123即為所述複數依序層疊排列的M個P-N結單元結構體130的沿層疊方向上的一個外表面。在步驟S300中,該第一個P-N結單元預製體120的第二表面123未生長有奈米碳管陣列140,因此,第一收集電極基材160可形成於該第一個P-N結單元結構體130的第二表面123。
所述第一收集電極基材160為具有連續平面結構的金屬材料層或奈米碳管陣列,該金屬材料可為鋁、銅、或銀等。該第一收集電極基材160可通過導電黏結劑黏結在該第一個P-N結單元預製體120的第二表面123,也可通過真空蒸鍍、或磁控濺射等方法形成於所述第一個P-N結單元預製體120的第二表面123。本實施例中,所述第一收集電極基材160為條形鋁箔。
由於在步驟S200中於第M個P-N結單元預製體120中的第一表面121生長奈米碳管陣列140,因此,該生長於第M個P-N結單元預製體120的第一表面121的奈米碳管陣列140可作為第二收集電極基材180。所述第一收集電極基材160與所述第二收集電極基材180相對且間隔設置,且所述第一收集電極基材160與所述第二收集電極基材180與所述太陽能電池10的一受光端面17相鄰或相連接。
進一步地,可於該生長於第M個P-N結單元預製體120的第一表面121的奈米碳管陣列140的自由端形成一金屬層。形成該金屬層的方法為真空蒸鍍或磁控濺射。該生長於第M個P-N結單元預製體120的第一表面121的奈米碳管陣列140與金屬層共同作為第二收集電極基材180。所述金屬層覆蓋奈米碳管陣列140的自由端從而起到保護奈米碳管陣列140的作用。
進一步地,所述第二收集電極基材180的製備方法還可包括以下步驟:在步驟S200結束後,去除生長於第M個P-N結單元預製體120的第一表面121生長的奈米碳管陣列140;真空蒸鍍或磁控濺射一金屬層於所述第M個P-N結單元預製體120的第一表面121。該形成於第M個P-N結單元預製體120的第一表面121的金屬層可做為第二收集電極基材180。
進一步地,所述第二收集電極基材180的製備方法包括以下步驟:在步驟S200結束後,沿M個P-N結單元結構體130的層疊的方向,層疊一第M+1個P-N結單元預製體120於第M個P-N結單元結構體130的一側,使第M+1個P-N結單元預製體120的第二表面123與第M個P-N結單元結構體130的奈米碳管陣列140的自由端貼合設置;形成一金屬層於所述第M+1個P-N結單元預製體120的第一表面121。該金屬層可作為第二收集電極18。
在步驟S500中,切割所述複數相互層疊的P-N結單元結構體130的方式及切割方向不限,所述切割方向具體為可穿過每個P-N結單元結構體130,從而形成至少一平面結構,該平面結構的表面平行於該切割方向,優選為沿垂直於第一收集電極基材160及第二收集電極基材180所在平面的方向切割所述M個P-N結單元結構體130。步驟S500結束後,得到複數太陽能電池10。通過該切割方式,可在每個太陽能電池10上形成一由上述複數相互層疊的P型矽層及N型矽層共同構成的直接暴露於太陽光下的受光端面17。每個電池單元的受光端面17為切割面或與切割面平行的面。所述切割面為沿切割方向的切割軌跡形成的一平面。
所述切割後得到的太陽能電池具有M個沿一直線連續並排的P-N結
單元、M-1個內電極、一第一收集電極及一第二收集電極,其中M大於等於2。沿所述直線,所述M個P-N結單元依次為一第一個P-N結單元至一第M個P-N結單元。該M個P-N結單元通過M-1個內電極串聯連接。所述太陽能電池具有一受光端面,該受光端面平行於所述直線。該受光端面為該太陽能電池直接接受外界光線入射的表面。
進一步地,在上述步驟S500之後,可在每個太陽能電池10的受光端面17上採用真空蒸鍍或磁控濺射等方法形成一減反射層19,該減反射層19可使光線入射並減少光的反射,且對光的吸收較少,該減反射層19的材料為氮化矽(Si3N4)或二氧化矽(SiO2)等。該減反射層19的厚度可小於150奈米,本實施例中,該減反射層為900埃(Å)的氮化矽層。
進一步,在上述步驟S500之後,得到複數太陽能電池10,可在每個太陽能電池10的出光端面11的表面通過真空蒸鍍或磁控濺射等方法形成一反射層。進一步,可在太陽能電池的出光端面11及反射層之間過真空蒸鍍或磁控濺射等方法形成一透明絕緣層13。該透明絕緣層13的材料為二氧化矽,金剛石,塑膠或樹脂。所述透明絕緣層13的厚度為5奈米至15奈米。
本發明提供的太陽能電池10的製備方法包括以下步驟:第一,採用化學氣相沈積法生長奈米碳管陣列,生長奈米碳管陣列結束後,金屬顆粒會殘留在奈米碳管陣列與P-N結單元之間,從而降低了P-N結單元與奈米碳管陣列之間的接觸電阻,提高太陽能電池的光電轉換效率;第二,由於奈米碳管陣列直接生長於一P-N結單元的第一表面121,且奈米碳管陣列的自由端直接與相
鄰的另一P-N結單元的第二表面123接觸,因此,P-N結單元中產生的電流該沿奈米碳管陣列中奈米碳管的軸向傳導,極好地利用了奈米碳管的良好的軸嚮導電性能,由於總內阻變小,即向外界能提供的電流變大,提高了光電轉換效率;第三,採用於P-N結單元的表面直接生長奈米碳管陣列作為內電極,使奈米碳管陣列與P-N結單元的表面的結合牢固,從而使太陽能電池10的壽命較長;及第四,採用將複數生長有奈米碳管陣列的P-N結單元層疊之後切割的方法製備得到複數太陽能電池,提高了太陽能電池的製備效率。
本發明第三實施例提供一種太陽能電池之製備方法,其包括以下步驟:步驟a,提供M個P-N結單元預製體,M大於等於2,每個P-N結元預製體包括層疊且接觸設置的一第一矽層基材及一第二矽層基材,所述每個P-N結單元預製體包括相對的一第一表面及一第二表面;步驟b,將所述M個P-N結單元結構體由第一個至第M個P-N結單元結構體沿一直線依次設置;步驟c,形成內電極於所述M個P-N結單元預製體中的相鄰二P-N結單元預製體之間,所述內電極串聯所述相鄰的P-N結單元結構體,使M個P-N結單元預製體串聯設置,所述內電極包括奈米碳管陣列;步驟d,在M個P-N結單元結構體的所述第一個P-N結單元結構體的第二表面形成一第一收集電極基材,所述第一個P-N結單元預製體的第一表面形成一第二收集電極基材,得到太陽能電池母體;及步驟e,沿在步驟b中直線方向切割所述太陽能電池母體,得到具有直接接受外界光線的一受光端面的複數太陽能電池,所述受光端面為切割面或與切割面平行且相對的面。
本發明第三實施例提供的太陽能電池之製備方法與第二實施例提供的太陽能電池之製備方法相似,其區別在於,先將複數P-N結單元預製體依次設置,之後再形成內電極與P-N結單元預製體之間。
綜上所述,本發明確已符合發明專利之要件,遂依法提出專利申請。惟,以上所述者僅為本發明之較佳實施例,自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化,皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10‧‧‧太陽能電池
11‧‧‧出光端面
12‧‧‧P-N結單元
13‧‧‧透明絕緣層
14‧‧‧內電極
15‧‧‧反射元件
16‧‧‧第一收集電極
17‧‧‧受光端面
18‧‧‧第二收集電極
19‧‧‧減反射層
121‧‧‧第一表面
122‧‧‧第一矽層
123‧‧‧第二表面
125‧‧‧接觸面
126‧‧‧第二矽層
Claims (12)
- 一種太陽能電池,其改良在於:其包括M個沿一直線連續並排且串聯連接的P-N結單元、M-1個內電極、一第一收集電極以及一第二收集電極,其中M大於等於2,所述M個P-N結單元依次為第一個P-N結單元至第M個P-N結單元,每相鄰二P-N結單元之間設置有一內電極,所述第一收集電極及第二收集電極分離設置於串聯連接的所述M個P-N結單元的外側,所述M-1個內電極中至少一個內電極包括一奈米碳管陣列,所述奈米碳管陣列包括大致平行的複數奈米碳管,該複數奈米碳管的兩端分別連接於相鄰的二P-N結單元,所述太陽能電池具有一受光端面,該受光端面平行於所述直線。
- 如請求項1所述之太陽能電池,其改良在於,所述奈米碳管陣列中的奈米碳管為開口奈米碳管。
- 如請求項1所述之太陽能電池,其改良在於,所述奈米碳管為金屬性奈米碳管。
- 如請求項1所述之太陽能電池,其改良在於,所述奈米碳管陣列與P-N結單元接觸的端面設置有金屬層。
- 如請求項4所述之太陽能電池,其改良在於,所述金屬層包括複數金屬顆粒,該複數金屬顆粒設置於奈米碳管陣列中的奈米碳管的端部。
- 如請求項1所述之太陽能電池,其改良在於,所述奈米碳管陣列中的奈米碳管的長度為100微米至400微米。
- 如請求項1所述之太陽能電池,其改良在於,所述第一收集電極和所述第二收集電極的材料為金屬或奈米碳管。
- 如請求項1所述之太陽能電池,其改良在於,所述至少一內電極為奈米碳 管陣列。
- 如請求項1所述之太陽能電池,其改良在於,所述至少一內電極為奈米碳管陣列複合材料。
- 如請求項1所述之太陽能電池,其改良在於,所述複數內電極均為奈米碳管陣列。
- 如請求項1所述之太陽能電池,其改良在於,所述M個P-N結單元為交錯設置。
- 一種太陽能電池,其包括:複數P-N結單元沿一直線連續並排且串聯連接;複數內電極,每相鄰二P-N結單元之間設置有一內電極;一第一收集電極以及一第二收集電極,所述第一收集電極及第二收集電極分別設置於串聯連接的所述複數P-N結單元垂直於所述直線的兩端,其改良在於,所述至少一個內電極包括一奈米碳管陣列,所述奈米碳管陣列包括大致平行的複數奈米碳管,該複數奈米碳管的兩端分別連接相鄰的二P-N結單元,所述太陽能電池具有一受光端面,該受光端面平行於所述直線。
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