TWI514604B - 太陽電池及其製備方法 - Google Patents

Description

太陽電池及其製備方法

本提案係關於一種太陽電池及其製備方法，特別是一種關於具有曲面的薄型太陽電池及其製備方法。

太陽能由於取得容易、污染性低、安全性高，並且幾乎是取之不盡、用之不竭，因而是各界所重視的焦點。在太陽電池的研究、開發等方面，如何降低太陽電池的生產成本以及改善太陽電池的效能，一直是各界所關注的課題。

近年來，隨著太陽電池的相關技術的發展，太陽電池的效能及生產成本也有了大幅改善。然而，隨著相關技術越趨成熟，技術的發展也遇到了瓶頸，而太陽電池的生產成本以及效能難以有進一步的突破。是以，如何進一步改善太陽電池的效能以及降低太陽電池的生產成本已成為各界所重視的課題。

本提案是關於一種太陽電池及其製備方法，藉以改善太陽電池的效能以及降低太陽電池的生產成本。

本提案一實施例所揭露的太陽電池，包含一透明載板、一第一電極、一光電轉換層以及一第二電極。透明載板具有一曲面。光電轉換層透過一 黏著層而貼附於透明載板之曲面。光電轉換層沿著曲面而撓曲。光電轉換層之厚度介於1微米至50微米之間。第一電極夾設於黏著層以及光電轉換層之間。第一電極電性連接於光電轉換層。第二電極設置於光電轉換層相反於第一電極之一側，且第二電極電性連接於光電轉換層以及第一電極。

本提案一實施例所揭露的太陽電池的製備方法，包含以下步驟。於一光電轉換層形成一第一電極。於光電轉換層設有第一電極之一側形成一黏著層。將光電轉換層透過黏著層而轉印至一透明載板之一曲面。於光電轉換層相反於第一電極之一側形成一第二電極。

根據本提案實施例所揭露之太陽電池及其製備方法，由於光電轉換層是透過轉印方法而貼附於透明載板的曲面，因而光電轉換層可以具有較薄的厚度。同時，透過轉印的製程，光電轉換層可沿著曲面撓曲而具有對應的曲面結構。也就是說，本提案之太陽電池的光電轉換層同時具有較薄的厚度(1微米至50微米)以及曲面結構之特徵。由於本提案之太陽電池的光電轉換層的厚度介於1微米至50微米之間，因而在保有良好的光電轉換能力下，還大幅減少了光電轉換層所需使用的材料，而可有效降低太陽電池的生產成本。另一方面，由於本提案之光電轉換層具有曲面結構，因而光電轉換層除了可吸收直接照射於光電轉換層的光線，還可吸收自其他區域所反射的光線，而可達到二次吸收之效果。因此，本提案之光電轉換層可以吸收較大量的光線，而具有較佳之有效集光效率。

以上之關於本提案內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本提案之原理，並且提供本提案之申請專利範圍更進一步之解釋。

9‧‧‧太陽電池陣列

10、10x、10'、10"‧‧‧太陽電池

11‧‧‧透明載板

110‧‧‧曲面

12、12x、12'‧‧‧光電轉換層

121‧‧‧射極層

122‧‧‧基極層

123‧‧‧中性層

13‧‧‧第一電極

14‧‧‧第二電極

15‧‧‧黏著層

16‧‧‧抗反射層

17‧‧‧基板

E‧‧‧端緣

第1A圖為本提案一實施例所揭露之太陽電池之立體示意圖。

第1B圖為第1A圖之太陽電池沿剖切線A-A繪示之剖切示意圖。

第1C圖為本提案另一實施例所揭露之太陽電池之上視圖。

第1D圖為本提案另一實施例所揭露之太陽電池之側視圖。

第1E圖為本提案另一實施例所揭露之太陽電池之剖切示意圖。

第1F圖為光電轉換層的厚度與光電轉換能力之關係圖。

第2A圖為本提案一實施例所揭露之太陽電池的製備方法之流程圖。

第2B圖為本提案另一實施例所揭露之太陽電池的製備方法之流程圖。

第3A圖至第3D圖為分別對應第2A圖中步驟S101至S104之側視圖。

第4A圖為對應第2B圖中步驟S202之側視圖。

第4B圖為根據第2B圖之製備方法所製成之太陽電池之側視圖。

第4C圖為根據本提案另一實施例所揭露之太陽電池的製備方法所製成之太陽電池的側視圖。

第4D圖為根據本提案另一實施例所揭露之太陽電池的製備方法所製成之太陽電池的側視圖。

第5圖為本提案實施例之太陽電池以及比較例之太陽電池之有效集光效率以及入射角度之關係圖。

第6A圖為本提案實施例之太陽電池所組成之太陽電池陣列之示意圖。

第6B圖為第6A圖之太陽電池陣列之集光示意圖。

以下在實施方式中詳細敘述本提案的詳細特徵以及優點，其內容 足以使任何熟習相關技術者了解本提案的技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露的內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技術者可輕易地理解本提案相關的目的及優點。以下的實施例係進一步詳細說明本提案的觀點，但非以任何觀點限制本提案的範疇。

首先，請參閱第1A圖與第1B圖，第1A圖為本提案一實施例所揭露之太陽電池之立體示意圖，第1B圖為第1A圖之太陽電池沿剖切線A-A繪示之剖切示意圖。

太陽電池10包含一透明載板11、一光電轉換層12、一第一電極13以及一第二電極14。透明載板11具有一曲面110。須注意的是，本提案所述之曲面110並不包含曲率為0之平面。

如第1A圖及第1B圖所示，本實施例之曲面110的曲率沿著方向X是保持相同，並且曲面110的底緣在方向Z上是維持於相同的水平面。然而，上述二結構特徵並非用以限定本提案。請參閱第1C圖以及第1D圖，第1C圖為本提案另一實施例所揭露之太陽電池之上視圖，第1D圖為本提案另一實施例所揭露之太陽電池之側視圖。在第1C圖之實施例中，曲面110a的曲率是沿著方向X而變化，因而於第1C圖中，曲面110a的相對二端緣E是沿著方向X而有波浪狀的變化。在第1D圖之實施例中，曲面110b的的底緣沿著方向X是位於相異的水平面，因而於第1D圖中，曲面110b的底緣是沿著方向Z而有波浪狀的變化。

在本實施例中，曲面110為一凸面(如第1B圖所示)，並且曲面110的曲率是介於0.005至0.01(公分^-1 )之間。其中，曲率是指曲面110的曲率半徑的倒數。也就是說，當曲面110的曲率為0.005時，所對應的曲率半徑 為200公分；當曲面110的曲率為0.01時，所對應的曲率半徑為100公分。

光電轉換層12透過一黏著層15而貼附在透明載板11的曲面110，並且光電轉換層12是沿著曲面110而撓曲。是以，光電轉換層12具有對應於曲面110的曲面結構。另一方面，光電轉換層12的厚度介於1微米至50微米之間。因此，相較於一般的太陽能電池而言，本提案之光電轉換層12具有較薄的厚度。

更詳細來說，光電轉換層12包含一射極層121以及一基極層122。射極層121設置於基極層122上，且射極層121與基極層122共同形成一個p-n接面結構(PN junction)。光電轉換層12的射極層121設置在透明載板11的曲面110。射極層121與基極層122例如為單晶矽、多晶矽或者非晶矽。然而，射極層121與基極層122中矽的晶體形式並非用以限定本提案。

須注意的是，本提案之黏著層15係為透明，以避免黏著層遮蔽、降低進入光電轉換層12的光量。

第一電極13例如但不限於為一金屬導線。第一電極13夾設於黏著層15以及光電轉換層12之間，並且第一電極13電性連接於光電轉換層12。

第二電極14設置於光電轉換層12相反於第一電極13之一側(如第1B圖所示)，因而第一電極13與第二電極14是分別位於光電轉換層12的相反兩側。並且，第二電極14電性連接於光電轉換層12以及第一電極13。

在本實施例及部分其他實施例中，太陽電池10還包含一抗反射層16。抗反射層16設置於光電轉換層12，並且抗反射層16是夾設於光電轉換層12以及黏著層15之間。抗反射層16的材料組成可以是氧化銦錫(Indium Tin Oxide，ITO)、氧化鋁(Aluminum Oxide，AlOx)或氮化矽(Silicon Nitride，SiNx)。

請參閱第1E圖，第1E圖為本提案另一實施例所揭露之太陽電池之剖切示意圖。在本實施例與第1B圖之實施例相似，其差異在於，本實施例之太陽電池10x之光電轉換層12x另包含一中性層123，中性層123設置於射極層121與基極層122之間。射極層121、基極層122與中性層123形成一p-i-n結構。中性層123例如是未摻雜的矽薄膜層，但並不以此為限。

請參閱第1F圖，第1F圖為光電轉換層的厚度與光電轉換能力之關係圖，如第1F圖所示，於1微米至50微米之厚度區間內(即本提案實施例之太陽電池10的光電轉換層12的厚度)，光電轉換層12仍具有良好的光電轉換能力。一般太陽電池的光電轉換層的厚度大於160微米，相較之下，本提案之太陽電池10的光電轉換層12具有較薄的厚度，因而在保有良好的光電轉換能力之情形下，同時大幅減少了光電轉換層12所需使用的材料，而可降低太陽電池10的生產成本。另一方面，由於本提案之光電轉換層12具有曲面結構，因而光電轉換層12除了可吸收直接照射於光電轉換層12的光線以外，光電轉換層12的各區域還可吸收自其他區域所反射的光線，而可達到二次吸收的效果。一般的太陽電池由於是平面的，因而無法吸收自其他區域所反射的光線。相較之下，本提案之光電轉換層12可以吸收較大量的光線，而具有較佳之有效集光效率。

以下介紹本提案之太陽電池的製備方法，請參閱第2A圖以及第3A圖至第3D圖，第2A圖為本提案一實施例所揭露之太陽電池的製備方法之流程圖，第3A圖至第3D圖為分別對應第2A圖中步驟S101至S104之側視圖。

首先，於一光電轉換層12'形成一第一電極13(S101)，並且使第一電極13電性連接於光電轉換層12'。其中，光電轉換層12'是設置於一基板 17上(如第3A圖所示)。基板17例如為氧化鋁(如：藍寶石)、氧化矽(如：石英)、碳化矽、矽晶片或氧化物晶體，但並不以此為限。

接著，於光電轉換層12'設有第一電極13之一側(亦即，相反於基板17之一側)形成一黏著層15(S102)(如第3B圖所示)。

然後，將光電轉換層12'透過黏著層15而轉印至一透明載板11之一曲面110，而使得光電轉換層12'脫離基板17(S103)(如第3C圖所示)。由於光電轉換層12'是透過轉印的方法而貼附在透明載板11的曲面110，因而光電轉換層12'會沿著曲面110而撓曲，而使得光電轉換層12'具有對應於曲面110的曲面結構。

在透過轉印以形成光電轉換層的曲面結構之步驟(S103)中，操作溫度係低於300℃。例如，可在室溫(如：25℃)環境下進行轉印。相較於一般的太陽電池，本實施例形成光電轉換層的曲面結構所需的操作溫度較低。

最後，於光電轉換層12'相反於第一電極13之一側形成一第二電極14(S104)(如第3D圖所示)。詳細來說，第二電極14例如是以電鍍之方法而形成於光電轉換層12'上。如第3D圖所示，製備完成之太陽電池10'之第一電極13與第二電極14是分別位於光電轉換層12'的相反兩側。

請參閱第2B圖、第4A圖及第4B圖，第2B圖為本提案另一實施例所揭露之太陽電池的製備方法之流程圖，第4A圖為對應第2B圖中步驟S202之側視圖，第4B圖為根據第2B圖之製備方法所製成之太陽電池之側視圖。

第2B圖之實施例與第2A圖之實施例相似，其差異在於，第2B圖之實施例在形成黏著層15之步驟前，還包含形成一抗反射層16於光電轉換層12'之步驟(S202)。如第4A圖所示，抗反射層16是夾設於光電轉換層12' 以及黏著層15之間。抗反射層16的材料組成例如為氧化銦錫或氧化鋁，但並不以此為限。製備完成之太陽電池10"如第4B圖所示。

請參閱第3A圖、第4C圖及第4D圖，第4C圖為根據本提案另一實施例所揭露之太陽電池的製備方法所製成之太陽電池的側視圖，第4D圖為根據本提案另一實施例所揭露之太陽電池的製備方法所製成之太陽電池的側視圖。如第4C圖所示，本實施例之太陽電池10的光電轉換層12包含一射極層121以及一基極層122。射極層121設置於基極層122上，而射極層121相反於基極層122之一側設置在透明載板11的曲面110。詳細來說，射極層121及一基極層122係以化學氣相沉積之方式(即，磊晶方式)而形成於基板17(如第3A圖所示)。例如，可在200℃之操作溫度下，通入SiH₄ 氣體，以在基板17上形成微晶矽之射極層121、基極層122；也可利用高溫磊晶的方式，例如在1000℃之操作溫度下，通入SiHCl₃ 或SiCl₄ 氣體，以在基板17上形成單晶矽之射極層121、基極層122。如第4D圖所示，在本提案部分其他實施例中，太陽電池10x的光電轉換層12x還包含一中性層123。中性層123設置於射極層121以及基極層122之間。中性層123例如是未摻雜的矽薄膜層，但並不以此為限。

在本提案中，光電轉換層的曲面結構是透過轉印製程而形成。在一般的太陽電池中，光電轉換層的曲面結構是透過高溫、高壓的壓鑄製程而形成。相較之下，本提案之製備方法所需的操作溫度較低，因而可避免太陽電池的元件因為高溫、高壓而損壞。另一方面，以壓鑄製程所製成之太陽電池，還會有內應力殘留於太陽電池內，而造成太陽電池結構上的瑕疵。

此外，本提案是透過磊晶方法以形成光電轉換層，相較於以切割方法形成光電轉換層之製程會有相當的材料損失，本提案可避免這樣的材料損 失。另一方面，本提案透過磊晶方法以形成光電轉換層之方法也不需要晶體生長之程序。由於晶體生長程序需要高溫的操作環境，因而需要消耗相當大量的能源。本提案由於不需要晶體生長之程序，因此還可大幅降低太陽電池的生產成本。同時，本提案是將電池製備與模組封裝之步驟合一，還可以進一步簡化降低太陽電池的製程。

在以下段落中，係分別測試本提案實施例之太陽電池以及比較例之太陽電池。其中，本提案實施例之太陽電池的曲率分別為0.005以及0.01，而比較例之太陽電池的曲率分別為0.25以及0(亦即，平面的光電轉換層)。請參閱第5圖，第5圖為本提案實施例之太陽電池以及比較例之太陽電池之有效集光效率以及入射角度之關係圖。

在第5圖中，實施例一之太陽電池的光電轉換層的曲率為0.005，實施例二之太陽電池的光電轉換層的曲率為0.01，比較例一之太陽電池的光電轉換層的曲率為0(即平面)，比較例二之太陽電池的光電轉換層的曲率為0.25。

如第5圖所示，在入射角度為30至約50度之範圍內，實施例一之太陽電池的有效集光面積相較於比較例一之太陽電池有明顯的改善。當太陽電池的光電轉換層的曲率提升至0.01時(實施例二)，在入射角度為0至約50度之範圍內，實施例二之太陽電池均具有較佳的有效集光面積。然而，當太陽電池的光電轉換層的曲率提升至0.25時(比較例二)，在入射角度為0至90度之範圍內，比較例二的有效集光面積均較比較例一劣勢。也就是說，太陽電池的光電轉換層的曲率與有效集光面積並非呈現簡單的正相關關係。太陽電池的光電轉換層的曲率在0.005至0.01之範圍內，才具有較佳的有效集光面積。

請參閱第6A圖及第6B圖，第6圖A為本提案實施例之太陽電池所組成之太陽電池陣列之示意圖，第6B圖為第6A圖之太陽電池陣列之集光示意圖。如圖所示，可將本提案實施例之太陽電池組成一太陽電池陣列9，而可做為大型的發電模組。在本實施例中，每一太陽電池10除了太陽電池10本身所反射的光線，還可吸收其他太陽電池10所反射的光線，而可進一步提高所吸收的光量，並進一步提高太陽電池陣列9整體之有效集光效率。

雖然本提案之實施例揭露如上所述，然並非用以限定本提案，任何熟習相關技術者，在不脫離本提案之精神和範圍內，舉凡依本提案申請範圍所述之形狀、構造、特徵及精神當可做些許之變更，因此本提案之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧太陽電池

11‧‧‧透明載板

110‧‧‧曲面

12‧‧‧光電轉換層

121‧‧‧射極層

122‧‧‧基極層

13‧‧‧第一電極

14‧‧‧第二電極

15‧‧‧黏著層

16‧‧‧抗反射層

Claims (12)

1. 一種太陽電池，包含：一透明載板，具有一曲面，該透明載板之該曲面的曲率介於0.005至0.01(公分^-1 )之間；一光電轉換層，透過一黏著層而貼附於該透明載板之該曲面，該光電轉換層沿著該曲面而撓曲，該光電轉換層之厚度介於1微米至50微米之間；一第一電極，夾設於該黏著層以及該光電轉換層之間，該第一電極電性連接於該光電轉換層；以及一第二電極，設置於該光電轉換層相反於該第一電極之一側，且該第二電極電性連接於該光電轉換層以及該第一電極。
2. 如請求項1所述之太陽電池，其中該光電轉換層包含一射極層以及一基極層，該射極層設置於該基極層上，該射極層相反於該基極層之一側貼附於該透明載板之該曲面。
3. 如請求項2所述之太陽電池，其中該光電轉換層另包含一中性層，該中性層設置於該射極層以及該基極層之間。
4. 如請求項1所述之太陽電池，另包含一抗反射層，設置於該光電轉換層，該抗反射層夾設於該光電轉換層以及該黏著層之間。
5. 如請求項1所述之太陽電池，其中該曲面為一凸面。
6. 如請求項5所述之太陽電池，其中該透明載板相反於該曲面之一側具有一凹面。
7. 一種太陽電池的製備方法，包含：於一光電轉換層上形成一第一電極； 於該光電轉換層設有該第一電極之一側形成一黏著層；將該光電轉換層透過該黏著層而轉印至一透明載板之一曲面，該透明載板之該曲面的曲率介於0.005至0.01(公分^-1 )之間；以及於該光電轉換層相反於該第一電極之一側形成一第二電極。
8. 如請求項7所述之太陽電池的製備方法，其中於該光電轉換層設有該第一電極之一側形成該黏著層前，另包含形成一抗反射層於該光電轉換層上，該抗反射層夾設於該光電轉換層以及該第一電極之間。
9. 如請求項7所述之太陽電池的製備方法，其中於將該光電轉換層透過該黏著層而轉印至該透明載板之該曲面之步驟的操作溫度低於300℃。
10. 如請求項7所述之太陽電池的製備方法，其中於該光電轉換層形成該第一電極前，該光電轉換層設置於一基板上，該光電轉換層包含一射極層以及一基極層，該射極層設置於該基極層上，該射極層以及該基極層係以化學氣相沉積之方式形成於該基板。
11. 如請求項10所述之太陽電池的製備方法，其中該光電轉換層另包含一中性層，該中性層設置於該射極層以及該基極層之間。
12. 如請求項10所述之太陽電池的製備方法，其中於將該光電轉換層透過該黏著層而轉印至該透明載板之該曲面後，該光電轉換層與該基板相分離。