TWI505486B - 太陽能電池及其模組 - Google Patents

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Description

太陽能電池及其模組
本發明是有關於一種太陽能電池及其模組，特別是指一種矽晶太陽能電池及其模組。
一般太陽能電池通常包含：一可將光能轉換成電能的基板、一設置於該基板之一受光面上的抗反射層，以及一配置於該基板上且可將該基板的電能向外傳輸的電極單元。
目前提升太陽電池之短路電流(Isc)的手段，主要可分為兩方面：(1)增加進入該基板內的光線入射量，以及(2)減少進入該基板內再跑出的光線輸出量。透過上述兩點方式增加光線停留在該基板內的機會，藉此提升該太陽能電池的光吸收率。
就第(1)點來說，通常是改變該基板結構來增加光散射量。在製作上，可對該基板進行粗糙化處理，使該基板的受光面產生凹凸不平的粗糙化結構，接著於該受光面上設置該抗反射層。藉由透過該受光面的粗糙化結構以及該抗反射層之設置，來提升由外界射入該基板的光線的入射量，如此可增進光的利用率而增加該太陽能電池的光 電轉換效率。
就第(2)點來說，然而因為該太陽能電池通常是由晶矽基板所製成，其對於短波長光線的吸收性較佳，對於長波長光線(~800nm以上的波段)的吸收性較差。因此，當光線由外界經由該受光面而射入該基板之後，該基板會吸收短波長光線以轉換成電能，而長波長光線通常未能有效被利用便離開該基板。因此，若能增加長波長光線在該基板內的反射、折射路徑與散射效果，藉以增加該基板吸收長波長光線的機會，則將可提升太陽能電池的光電轉換效率。
因此，本發明之目的，即在提供一種可增加長波長光之利用率而提升光電轉換效率的太陽能電池及其模組。
於是，本發明太陽能電池，包含：一基板、一抗反射層、一鈍化層單元、數個金屬奈米粒子、一第一電極，以及一第二電極。
該基板包括一受光面、一相對於該受光面的背面，以及一配置於該受光面內的射極層。該抗反射層配置於該受光面上，該鈍化層單元配置於該背面上，該鈍化層單元包括至少一第一鈍化層，以及一配置於該第一鈍化層上的第二鈍化層。該數個金屬奈米粒子配置於該鈍化層單元內。該第一電極位於該抗反射層上且穿過該抗反射層而接觸該基板，該第二電極位於該鈍化層單元上且穿過該鈍 化層單元而接觸該基板。
本發明太陽能電池模組，包含：相對設置的一第一板材與一第二板材、數個如前述且排列於該第一板材與該第二板材之間的太陽能電池，以及一位於該第一板材與該第二板材之間並包覆在該數個太陽能電池的周圍的封裝材。
本發明之功效在於：透過將該數個金屬奈米粒子配置於該鈍化層單元內的嶄新結構設置，當長波長光線射入該鈍化層單元而接觸該數個金屬奈米粒子時，利用金屬奈米粒子來達到電漿子效應(Plasmon effect)，亦即利用在金屬與介電物質(或是真空)之間形成的介面附近，以金屬的電荷密度發生集體式電偶極振盪的現象，進而將透過該受光面穿透到該背面之長波長光線(~800nm以上波段)，反射到該基板中，藉以增加長波長光線停留在該太陽能電池內的機會而增進長波長光線的使用率，提升光電轉換效率與短路電流。
11‧‧‧第一板材
12‧‧‧第二板材
13‧‧‧太陽能電池
14‧‧‧封裝材
15‧‧‧焊帶
2‧‧‧基板
21‧‧‧受光面
22‧‧‧背面
23‧‧‧射極層
3‧‧‧抗反射層
4‧‧‧鈍化層單元
41‧‧‧第一鈍化層
42‧‧‧第二鈍化層
43‧‧‧第三鈍化層
5‧‧‧金屬奈米粒子
61‧‧‧第一電極
62‧‧‧第二電極
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是本發明太陽能電池模組之一第一較佳實施例的局部剖視示意圖；圖2是一剖視示意圖，單獨顯示該第一較佳實施例之一太陽能電池；及圖3是一局部剖視示意圖，單獨顯示本發明太陽能電池 模組之一第二較佳實施例之一太陽能電池。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖1、2，本發明太陽能電池模組之一第一較佳實施例包含：相對設置的一第一板材11與一第二板材12、數個排列於該第一板材11與該第二板材12之間的太陽能電池13，以及一位於該第一板材11與該第二板材12之間並包覆在該數個太陽能電池13的周圍的封裝材14。
在本實施例中，該第一板材11與該第二板材12皆由可透光材料製成，例如玻璃或塑膠材質等，不需特別限制。該數個太陽能電池13彼此間可透過焊帶(Ribbon)15電連接。而該封裝材14的材料為乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)或其他可用於太陽能電池模組封裝之相關材料，並不限於本實施例的舉例。由於該數個太陽能電池13的結構都相同，以下僅以其中一個為例進行說明。當然，在一太陽能電池模組中的該數個太陽能電池13的結構不以相同為絕對之必要。
該太陽能電池13包含：一基板2、一抗反射層3、一鈍化層單元4、數個金屬奈米粒子5、一第一電極61，以及一第二電極62。在本實施例中，該太陽能電池13為Passivated Emitter and Rear Contact(簡稱PERC)之電池類型。
本實施例的基板2為p型的晶矽基板，並可為 單晶或多晶矽基板。該基板2包括一受光面21、一相對於該受光面21的背面22，以及一配置於該受光面21處之內的射極層23。該受光面21具有粗糙化結構，藉此降低入射光的反射率。該射極層23配合該受光面21高低起伏之形貌而配置於該受光面21內，並與該基板2形成p-n接面。
本實施例的抗反射層3配合該受光面21高低起伏之形貌，而配置於該受光面21上。該抗反射層3的材料例如氮化矽(SiNx )等，用於提升光線入射量以及降低載子表面複合速率(Surface Recombination Velocity，簡稱SRV)。
本實施例的鈍化層單元4配置於該背面22上，該鈍化層單元4包括至少一配置於該背面22上的第一鈍化層41，以及一配置於該第一鈍化層41相反於該基板2之一側上的第二鈍化層42。該第一鈍化層41與該第二鈍化層42可用於修補、降低該基板2表面或內部的缺陷，並能降低載子表面複合速率，提升光電轉換效率。
就材料而言，該第一鈍化層41與該第二鈍化層42的材料可為氧化鋁(AlOX )、氧化矽(SiOX )或氮化矽(SiNX )，其中氧化矽可包含SiO2 或以其他比例化合的SiOX ，較佳地，該第一鈍化層41的折射率大於該第二鈍化層42的折射率。換句話說，該第一鈍化層41與該第二鈍化層42可以使用不同的材料，或者使用相同材料但折射率不同。
在本實施例來說，該第一鈍化層41的材料具體是使用氧化鋁或氧化矽，而該第二鈍化層42的材料具體是使用氮化矽或氧化矽。此外，該第一鈍化層41與該第二鈍化層42的材料也可皆使用氮化矽，並在製造上透過製程控制使該第一鈍化層41的氮化矽的折射率大於該第二鈍化層42的氮化矽的折射率。
進一步說明的是，該第一鈍化層41的折射率較大而該第二鈍化層42的折射率較小的設計意義在於：當該第一鈍化層41的折射率較大時，該第一鈍化層41可提供較多的氫原子至該基板2的背面22，增加該第一鈍化層41對該背面22的鈍化效果；另一方面，由於反射率越高的鈍化層在製作該第二電極62時，較容易被該第二電極62吃穿失去應有的鈍化保護效用，因此，本實施例使令該第二鈍化層42的折射率較小，此時該第二鈍化層42抵抗該第二電極62侵蝕的能力較佳而不易被該第二電極62吃穿，故可避免該第二電極62侵蝕該第二鈍化層42而接觸該數個金屬奈米粒子5，導致該數個金屬奈米粒子5與同樣為金屬材料的該第二電極62混合，從而使該數個金屬奈米粒子5失去奈米材料的特性之問題，並能維持該鈍化層單元4應有的鈍化保護效用。
本實施例的金屬奈米粒子5配置於該鈍化層單元4內，具體而言，該數個金屬奈米粒子5分別配置於該第一鈍化層41與該第二鈍化層42之間，該等金屬奈米粒子5可以彼此間隔分佈配置，或者數個鄰近成一組而數組 呈島狀間隔分佈配置，或其他配置。在實施上，該數個金屬奈米粒子5可僅摻混或嵌設於該第一鈍化層41的層體中，或者，該數個金屬奈米粒子5也可僅摻混或嵌設於該第二鈍化層42的層體中，此外，該數個金屬奈米粒子5也可同時分別摻混或嵌設於該第一鈍化層41及該第二鈍化層42的層體中。該數個金屬奈米粒子5的材料選自於由金、金合金、銀以及銀合金所組成的群組。
本實施例的第一電極61位於該抗反射層3上，並穿過該抗反射層3而接觸該基板2的受光面21；而本實施例的第二電極62位於該鈍化層單元4上，並穿過該鈍化層單元4而接觸該基板2的背面22。其中，在實施上不需限制該第一電極61與該第二電極62的具體結構。
本發明使用時，當外界光線射向該太陽能電池13時，透過該抗反射層3的設置，以及該抗反射層3配合該受光面21高低起伏的結構，前述兩項設計可降低光反射，使光線有效地射入該基板2內。
接著，當光線進入該基板2內時，短波長的光線會先被利用，而長波長光線(~800nm以上波段)則繼續朝該基板2之背面22傳播，並當長波長光線穿過該第一鈍化層41而接觸該數個金屬奈米粒子5時，長波長光線會與該數個金屬奈米粒子5產生電漿子效應(Plasmonic Effect)，使長波長光線產生共振與擾動等光學現象。
於是，長波長光線會朝該受光面21方向反射回該基板2內，同時配合該第一鈍化層41的折射率大於該第 二鈍化層42的折射率，因此長波長光線會以多方向散射的方式在該基板2內散開地傳播。透過前述作法，確實能增加長波長光線停留在該太陽能電池13內的時間與比例，藉以增加該基板2吸收長波長光線的機會，進而提升該太陽能電池13的光吸收率而提升光電轉換效率與短路電流。
需要注意的是，該數個金屬奈米粒子5必須配置於該鈍化層單元4內，原因如下：若該數個金屬奈米粒子5設置於該鈍化層單元4與該基板2之間時，該鈍化層單元4的第一鈍化層41與該基板2的背面22之間的接觸面積會減少，進而降低該鈍化層單元4的鈍化效果，並導致載子表面複合速率增加而降低該太陽能電池13的光電轉換效率。另一方面，當該數個金屬奈米粒子5配置於該鈍化層單元4與第二電極62之間時，該數個金屬奈米粒子5會與同樣為金屬材料的該第二電極62混合，因而失去奈米材料的特性。
由以上說明可知，本實施例的鈍化層單元4分別形成該第一鈍化層41與該第二鈍化層42，同時將該數個金屬奈米粒子5分別配置於鈍化層單元4內而位於該第一鈍化層41與該第二鈍化層42之間，前述嶄新的結構設置，當長波長光線穿過該第一鈍化層41而接觸該數個金屬奈米粒子5時，利用金屬奈米粒子5來達到電漿子效應，亦即利用在金屬與介電物質(或是真空)之間形成的介面附近，以金屬的電荷密度發生集體式電偶極振盪的現象，進而將透過受光面21穿透到背面22之長波長光線，反射 到該基板2中，藉以增加長波長光線停留在該太陽能電池13內的機會而增進長波長光線的使用率，提升光電轉換效率與短路電流。
由於本實施例可將長波長光線反射回該基板2內，並且長波長光線會以折射或繞射等方式在該基板2內散開地傳播，因此確實可增加長波長光線停留在該太陽能電池13內的機會，藉此增進該太陽能電池13的光吸收率。前述手段不僅創新，亦可增加長波長光線的使用率，同時還可提升該太陽能電池13的光電轉換效率與短路電流。
參閱圖3，本發明太陽能電池模組之一第二較佳實施例，與該第一較佳實施例大致相同，兩者之間的差別在於：該太陽能電池13的鈍化層單元4還包括一配置於該第二鈍化層42相反於該第一鈍化層41之一側的第三鈍化層43。
就材料而言，該第一鈍化層41、該第二鈍化層42與該第三鈍化層43的材料可為氧化鋁、氧化矽或氮化矽；較佳地該第一鈍化層41的折射率大於該第二鈍化層42的折射率，而該第二鈍化層42的折射率大於該第三鈍化層43的折射率。在本實施例來說，該第一鈍化層41的材料具體是使用氧化鋁或氧化矽，而該第二鈍化層42與該第三鈍化層43的材料分別使用折射率不同的氮化矽。
本實施例的金屬奈米粒子5分別配置於該第一鈍化層41與該第二鈍化層42之間以及該第二鈍化層42與 該第三鈍化層43之間，該等金屬奈米粒子5可以彼此間隔分佈配置，或者數個鄰近成一組而數組呈島狀間隔分佈配置。當然在實施上，該數個金屬奈米粒子5也可摻混或嵌設於該第一鈍化層41、該第二鈍化層42及該第三鈍化層43的其中至少一個的層體中。
在本實施例中，透過增設該第三鈍化層43，以及配置於該第三鈍化層43與該第二鈍化層42之間的金屬奈米粒子5，可增強將長波長光線反射回該基板2內的效果，藉以增進長波長光線停留在該太陽能電池13內的機會，此外，該第三鈍化層43的設置也可提升該鈍化層單元4的鈍化效果。由以上說明可知，本實施例透過前述結構，確實能進一步地提升該太陽能電池13的光吸收率、光電轉換效率與短路電流。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
13‧‧‧太陽能電池
2‧‧‧基板
21‧‧‧受光面
22‧‧‧背面
23‧‧‧射極層
3‧‧‧抗反射層
4‧‧‧鈍化層單元
41‧‧‧第一鈍化層
42‧‧‧第二鈍化層
5‧‧‧金屬奈米粒子
61‧‧‧第一電極
62‧‧‧第二電極

Claims (10)

  1. 一種太陽能電池，包含：一基板，包括一受光面、一相對於該受光面的背面，以及一配置於該受光面內的射極層；一抗反射層，配置於該受光面上；一鈍化層單元，配置於該背面上，該鈍化層單元包括至少一第一鈍化層，以及一配置於該第一鈍化層上的第二鈍化層；數個金屬奈米粒子，配置於該鈍化層單元內；一第一電極，位於該抗反射層上且穿過該抗反射層而接觸該基板；及一第二電極，位於該鈍化層單元上且穿過該鈍化層單元而接觸該基板。
  2. 如請求項1所述的太陽能電池，其中，該數個金屬奈米粒子的材料選自於由金、金合金、銀以及銀合金所組成的群組。
  3. 如請求項1所述的太陽能電池，其中，該數個金屬奈米粒子分別配置於該第一鈍化層與該第二鈍化層之間。
  4. 如請求項1所述的太陽能電池，其中，該第一鈍化層的折射率大於該第二鈍化層的折射率。
  5. 如請求項4所述的太陽能電池，其中，該第一鈍化層的材料為氧化鋁、氧化矽或氮化矽；該第二鈍化層的材料為氧化鋁、氧化矽或氮化矽。
  6. 如請求項1所述的太陽能電池，其中，該鈍化層單元還 包括一配置於該第二鈍化層相反於該第一鈍化層之一側的第三鈍化層，該數個金屬奈米粒子分別配置於該第一鈍化層與該第二鈍化層之間以及該第二鈍化層與該第三鈍化層之間。
  7. 如請求項6所述的太陽能電池，其中，該第一鈍化層的折射率大於該第二鈍化層的折射率，該第二鈍化層的折射率大於該第三鈍化層的折射率。
  8. 如請求項7所述的太陽能電池，其中，該第一鈍化層的材料為氧化鋁、氧化矽或氮化矽；該第二鈍化層的材料為氧化鋁、氧化矽或氮化矽；該第三鈍化層的材料為氧化鋁、氧化矽或氮化矽。
  9. 如請求項6所述的太陽能電池，其中，該數個金屬奈米粒子的材料選自於由金、金合金、銀以及銀合金所組成的群組。
  10. 一種太陽能電池模組，包含：相對設置的一第一板材與一第二板材；數個如請求項1至9中任一項所述的太陽能電池，排列於該第一板材與該第二板材之間；及一封裝材，位於該第一板材與該第二板材之間，並包覆在該數個太陽能電池的周圍。
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