TWI538238B - 太陽能電池模組與其形成方法 - Google Patents

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Description

太陽能電池模組與其形成方法
本發明係關於太陽能電池模組，更特別包含其電漿子共振結構與其形成方法。
太陽能電池可將太陽光轉換成電力，進而提供無窮無盡的能源。現今以矽為基底的太陽能電池以單晶矽和多晶矽為主。與結晶性矽太陽能電池相比之下，非晶矽薄膜太陽能電池的成本可降低至2到5倍，但非晶矽在能隙附近對於光的吸收效率並不好，所以如何提升其轉換效率便成為重要議題。此外，隨著矽晶片越來越薄(2013年180μm，預估2023年降至100μm)，每減少5μm的厚度，採用此矽晶片之太陽能電池的短路電流Jsc則隨之下降0.02A(效率降低0.05%)。換言之，矽晶片的厚度越薄，採用其之太陽電池的轉換效率越低。綜上所述，目前亟需開發可提升太陽能電池之轉換效率的材料與製程技術。
本發明一實施例提供之太陽能電池模組，包括：太陽能電池裝置，以及電漿子共振結構，位於太陽能電池裝置之上或之中，其中電漿子共振結構包括多個平直金屬線互相平行。
本發明一實施例提供之太陽能電池模組的形成方法，包括：提供太陽能電池裝置；以及形成電漿子共振結構於太陽能電池裝置之上或之中，其中電漿子共振結構包括多個平直金屬線互相平行。
10‧‧‧太陽能電池裝置
11‧‧‧電漿子共振結構
11A‧‧‧金屬線
41、43‧‧‧針筒
42、44‧‧‧針筒泵浦
45‧‧‧針頭
45I‧‧‧內管
45O‧‧‧外管
47‧‧‧線材
47A‧‧‧金屬前驅物線
47B‧‧‧高分子管
101、105‧‧‧基板
103‧‧‧光電轉換元件
103A、103C‧‧‧電極
103B‧‧‧半導體轉換層
第1A與1B圖係本發明實施例中，太陽能電池模組的示意圖。
第2A至2C圖係分叉、曲折、與斷裂的金屬線之示意圖。
第3A至3C圖係本發明實施例中，金屬線的排列上視圖。
第4圖係本發明一實施例中，形成線材之裝置的示意圖。
第5圖係本發明一實施例中，針頭的剖視圖。
第6與7圖係本發明實施例中，線材的示意圖。
如第1A圖所示，本發明一實施例之太陽能電池模組包括太陽能電池裝置10，以及電漿子共振結構11位於其上。太陽能電池裝置10包含基板101與105，以及夾設於兩者之間的光電轉換元件103。在某些太陽能電池裝置10中，光電轉換元件103依序為電極103A、半導體轉換層103B、以及另一電極103C。在上述結構中，太陽光由電極103A進入，照射半導體轉換層103B後產生的電子與電洞分別流向電極103A與103C，即形成電流。為了讓太陽光能進入半導體轉換層103B，電極103A與103C可為透明材質如ITO，或圖案化的不透明材質如金屬。上述半導體轉換層103B可為銅銦鎵硒、銅銦硒、或類似物 之薄膜半導體。在本發明一實施例中，半導體轉換層103B可為單晶矽、多晶矽、非晶矽、或上述之多層結構。在本發明一實施例中，光電轉換元件103為染料太陽能電池(DSSC)結構，其一側之電極上具有吸附染料的氧化鈦粒子，且兩側電極之間夾設電解質。不論採用何種半導體轉換層103B，均可形成電漿子共振結構11於入光側的基板101上。
在本發明一實施例中，電漿子共振結構11係形成於太陽能電池裝置10之中。如第1B圖所示，電漿子共振結構11係形成於電極103A上。在本發明另一實施例中，電漿子共振結構11形成於電極103A與基板101之間(未圖示)。在本發明一實施例中，電漿子共振結構11為導電結構，其可作為電極而不需另外形成電極103A。此時多個金屬線11A之間需電性連接，以達導電需求。
可以理解的是，除了上述兩個電極分別位於光電轉換層之相反兩側上的設計以外，電極也可位於光電轉換層之同一側上，端視需要而定。
上述電漿子共振結構11包括多個平直金屬線11A互相平行。必需注意的是，上述「平直」指的是金屬線11A沒有分叉(見第2A圖)、曲折(zig-zag，見第2B圖)、與斷裂(見第2C圖)等現象。可以理解的是，上述分叉、曲折、與斷裂等現象必然降低電降子共振的效果。在本發明一實施例中，金屬線11A與太陽能電池裝置10的長邊或寬邊平行，且金屬線11A的長度與太陽能電池裝置10的長度或寬度實質上相同，如第3A與3B圖所示。在本發明一實施例中，金屬線11A與太陽能電池裝置 10的長邊之間具有非垂直的夾角，如第3C圖所示。
在本發明一實施例中，太陽能電池裝置10具有走線(bus bar)以電性連接多個太陽能電池單元。上述電漿子共振結構11的所有平直金屬線11A均與上述走線平行，以增加太陽能電池裝置10的轉換效率。舉例來說，若平直金屬線11A與走線交錯甚至垂直，則無法有效提升太陽能電池裝置10的轉換效率。
上述電漿子共振結構11之形成方法可參考申請人早先申請的台灣專利申請號TW102125685。如第4圖所示，將高分子溶液置入針筒41，並將金屬前驅物溶液置入針筒43。針筒41連結至針頭45之外管45O，而針筒43連結至針頭45之內管45I。如第5圖所示，針頭45之外管45O與內管45I之剖面為同心圓。接著施加電壓至針頭45，使金屬前驅物溶液與高分子溶液同時由針頭45噴出，形成線材47於基板101上。如第6圖所示，線材47主要包含金屬前驅物線(metal precursor wire)47A，以及包覆金屬前驅物線47A的高分子管(polymer tube)47B。上述形成線材47之製程即所謂的靜電紡絲法。
在本發明一實施例中，高分子溶液之溶劑為高極性的有機溶劑如甲醇或丙酮，其對應的高分子為聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等羥基化合物。此外，可視情況添加鹽類如四丁基銨磷酸鹽(TBAP)或十六烷基三甲基溴化銨(cetyltrimethylammonium bromide，CTAB)。上述鹽類加入溶液中可增加靜電紡絲時的極化程度，故可降低整體高分子的使用量。
在本發明一實施例中，鹽類之添加量約介於1mg/mL至100mg/mL之間。在本發明另一實施例中，高分子溶液之溶劑為低極性的有機溶劑如四氫呋喃(THF)、甲苯、或氯仿。上述高分子可為聚丙烯腈(Polyacrylonitrile，PAN)、聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol，PVA)、或乙烯醋酸乙烯共聚物(Ethylene Vinyl Alcohol，EVA)。當高分子溶液之溶劑為高極性的有機溶劑時，在形成金屬線後可採用水清洗移除高分子，製程上相對環保。當高分子溶液之溶劑為低極性的有機溶劑時，由於高分子溶液與金屬前驅物溶液不互溶，可形成高品質的金屬線。在本發明一實施例中，高分子溶液中的高分子濃度介於約100mg/mL至200mg/mL之間。
在本發明一實施例中，金屬前驅物溶液包括金屬化合物與還原劑。金屬化合物可為銀化合物(如硝酸銀或氧化銀)、鉑化合物(如氯化鉑或氧化亞鉑)、金化合物(如氯化金或四氯金酸)、或上述之組合。還原劑的種類取決於金屬化合物的種類。舉例來說，當金屬化合物為硝酸銀時，還原劑為乙二醇。當金屬化合物為氧化銀時，還原劑為氨水。當金屬化合物為氯化鉑時，還原劑為聯胺、硼氫化鈉、氫氣、或醇類。當金屬化合物為氯化金時，還原劑為檸檬酸鈉、或維他命C的水溶液。金屬化合物的濃度視金屬化合物的種類而定。舉例來說，硝酸銀的濃度約介於1mg/ml至100mg/ml之間，而氧化銀的濃度約介於1mg/ml至100mg/ml之間。還原劑的濃度則視還原劑種類而定。舉例來說，乙二醇可直接作為高極性有機溶劑，而氨水的濃度約介於1至50wt%之間。
在本發明一實施例中，針頭45之內管45I之直徑約介於0.5mm至2mm之間，端視所需的金屬線之直徑而定。在本發明一實施例中，針頭45之外管45O與內管45I的直徑差距約介於0.01mm至5mm之間。
在本發明一實施例中，施加至針頭45的電壓約介於10kV至12kV之間。在本發明一實施例中，針頭45與基板101之間的距離約介於5cm至50cm之間。藉由施加平行電場至基板101，可控制平直且互相平行之線材47其排列週期(即後續還原形成之平直且互相平行之金屬線11A其排列週期)。在本發明一實施例中，金屬線11A之排列週期介於0.01μm至1000μm之間，以達電漿子共振的效果。若金屬線11A之排列週期過大或過小，將無法產生電漿子共振的效果，而無益於增加太陽能電池裝置的Jsc。
在本發明一實施例中，藉由針筒泵浦42與44控制針筒41與43，進而調整高分子溶液與金屬前驅物的流速。舉例來說，高分子溶液由針頭45噴出的流速約介於0.1mL/hr至5mL/hr之間，而金屬前驅物溶液由針頭45噴出的流速約介於0.01mL/hr至1mL/hr之間。
經上述步驟後，可將線材47置於室溫中的一般大氣下，讓金屬前驅物線47A中的還原劑慢慢還原金屬化合物，即形成金屬線11A如第7圖所示。在本發明一實施例中，可於大氣下回火線材47，以加速上述還原反應。舉例來說，回火溫度可約介於100℃至200℃之間。
接著可視情況採用適當溶劑清洗移除包覆金屬線 11A之高分子管47B。舉例來說，當高分子管47B為PVP時，可採用水清洗移除高分子管47B，以保留金屬線11A。當高分子管47B為PAN時，可採用THF清洗移除高分子管47B。經上述步驟後即得金屬線11A，其直徑約介於1nm至400nm之間，且導電率約介於104S/m至107S/m之間。值得注意的是，上述金屬線11A之長度無上限，可依需要延伸至所需長度，比如實質上等於太陽能電池裝置10之長度或寬度。另一方面，上述清洗移除高分子管47B的步驟並非必要。特別是在電漿子共振結構11形成於太陽能電池裝置10(如染料敏化太陽能電池)中，比如電漿子共振結構11形成於電極上而會接觸電解質時，高分子管47B可避免電解質侵蝕金屬線11A。另一方面，當電漿子共振結構11形成於太陽能電池裝置10上時，也可保留高分子管47B以進一步保護金屬線11A。可以理解的是，若電漿子共振結構11形成於太陽能電池裝置10中並作為電極，則需洗除高分子管47B以達導電效果。
在本發明一實施例中，可將上述針頭45整合至噴塗(spray)機台上。以靜電紡絲法噴塗形成金屬線11A的好處在於更精準的控制金屬線11A的圖案，且不需額外施加電場以進一步簡化製程。
接著在上述含有電漿子共振結構11之基板101上形成光電轉換元件103與基板105，形成方法可為黏合等對組裝方式。在本發明一實施例中，可先完成太陽能電池裝置10後，再於基板101上形成電漿子共振結構11。在本發明一實施例中，可在基板101上先形成電極103A，再依序形成電漿子共振 結構11、半導體轉換層103B、電極103C、與基板105。不論採用何種方式，電漿子共振結構11均形成於入光側之基板101上，或入光側之基板101與半導體轉換層103B之間。
經由上述說明，本技術領域中具有通常知識者自可在上述步驟之前、之中、或之後進行其他額外步驟，或省略部份步驟。舉例來說，在完成上述結構後，可進一步以封裝材料包覆整個太陽能電池模組。在另一實施例中，可先以封裝材料包覆太陽能電池裝置後，再形成上述之電漿子共振裝置於入光側的封裝材料上。此外，可形成額外的導線以電性連接多個太陽能電池裝置，再進行上述封裝置程。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數實施例配合所附圖示，作詳細說明如下：
實施例
以下實施例之針頭，其外管管徑為1.25mm，內管管徑為0.95mm，並以靜電紡絲法噴塗方式形成線材。所有線材與金屬線的直徑均由穿透式電子顯微鏡(TEM，JEOL JEM-2100F)量測。
實施例1
取太陽能電池模組(Sunrise Global Solar Energy Company Ltd.，Sunrise 156x156 Monocrystalline Solar Cell 3 Bus Bars)，量測其短路電流與轉換效率如第1表所示(量測標準為ASTM E927)。
將硝酸銀的乙二醇溶液(30mg/mL)置於連接至針 頭內管的針筒中，並將PVP的甲醇溶液(200mg/mL)置於連接至針頭外管的針筒中。藉由針筒泵浦控制，內管中的銀前驅物溶液流速為0.1mL/hr，而外管中的高分子溶液流速為1mL/hr。經噴塗後，形成兩條平行排列的線材(高分子管包覆銀前驅物線)於太陽能電池模組其入光側的基板上。上述線材彼此平行，且與太陽能電池裝置之走線(bus bar)平行。將上述線材於150℃下回火10分鐘後，以水清洗去除高分子管以得兩條平行銀線(長度為2500nm，直徑為500nm，排列間距為100nm)。上述具有電漿子共振結構於太陽能電池裝置上的短路電流與轉換效率如第1表所示，其量測方法為ASTM E927。
實施例2
取太陽能電池模組(Sunrise Global Solar Energy Company Ltd.，Sunrise 156x156 Monocrystalline Solar Cell 3 Bus Bars)，量測其短路電流與轉換效率如第2表所示(量測標準為ASTM E927)。
將硝酸銀的乙二醇溶液(30mg/mL)置於連接至針頭內管的針筒中，並將PVP的甲醇溶液(200mg/mL)置於連接至針頭外管的針筒中。藉由針筒泵浦控制，內管中的銀前驅物溶液流速為0.1mL/hr，而外管中的高分子溶液流速為1mL/hr。經 噴塗後，形成兩條平行排列的線材(高分子管包覆銀前驅物線)於太陽能電池模組其入光側的基板上。上述線材彼此平行，且與太陽能電池裝置之走線(bus bar)平行。將上述線材於150℃下回火10分鐘後，以水清洗去除高分子管以得兩條平行銀線(長度為50000nm，直徑為500nm，排列間距為100nm)。上述具有電漿子共振結構於太陽能電池裝置上的短路電流與轉換效率如第2表所示，其量測方法為ASTM E927。
實施例3
取太陽能電池模組(Sunrise Global Solar Energy Company Ltd.，Sunrise 156x156 Monocrystalline Solar Cell 3 Bus Bars)，量測其短路電流與轉換效率如第3表所示(量測標準為ASTM E927)。
將硝酸銀的乙二醇溶液(30mg/mL)置於連接至針頭內管的針筒中，並將PVP的甲醇溶液(200mg/mL)置於連接至針頭外管的針筒中。藉由針筒泵浦控制，內管中的銀前驅物溶液流速為0.1mL/hr，而外管中的高分子溶液流速為1mL/hr。經噴塗後，形成兩條平行排列的線材(高分子管包覆銀前驅物線)於太陽能電池模組其入光側的基板上。上述線材彼此平行，且與太陽能電池裝置之走線(bus bar)平行。將上述線材於150℃ 下回火10分鐘後，以水清洗去除高分子管以得兩條平行銀線(長度為125000nm，直徑為500nm，排列間距為100nm)。上述具有電漿子共振結構於太陽能電池裝置上的短路電流與轉換效率如第3表所示，其量測方法為ASTM E927。
實施例4
取太陽能電池模組(Sunrise Global Solar Energy Company Ltd.，Sunrise 156x156 Monocrystalline Solar Cell 3 Bus Bars)，量測其短路電流與轉換效率如第4表所示(量測標準為ASTM E927)。
將硝酸銀的乙二醇溶液(30mg/mL)置於連接至針頭內管的針筒中，並將PVP的甲醇溶液(200mg/mL)置於連接至針頭外管的針筒中。藉由針筒泵浦控制，內管中的銀前驅物溶液流速為0.1mL/hr，而外管中的高分子溶液流速為1mL/hr。經噴塗後，形成4條平行排列的線材(高分子管包覆銀前驅物線)於太陽能電池模組其入光側的基板上。上述線材彼此平行，且與太陽能電池裝置之走線(bus bar)平行。將上述線材於150℃下回火10分鐘後，以水清洗去除高分子管以得4條平行銀線(長度為50000nm，直徑為500nm，排列週期為100nm)。上述具有電漿子共振結構於太陽能電池裝置上的短路電流與轉換效率 如第4表所示，其量測方法為ASTM E927。
實施例5
取太陽能電池模組(Sunrise Global Solar Energy Company Ltd.，Sunrise 156x156 Monocrystalline Solar Cell 3 Bus Bars)，量測其短路電流與轉換效率如第4表所示(量測標準為ASTM E927)。
將硝酸銀的乙二醇溶液(30mg/mL)置於連接至針頭內管的針筒中，並將PVP的甲醇溶液(200mg/mL)置於連接至針頭外管的針筒中。藉由針筒泵浦控制，內管中的銀前驅物溶液流速為0.1mL/hr，而外管中的高分子溶液流速為1mL/hr。經噴塗後，形成6條平行排列的線材(高分子管包覆銀前驅物線)於太陽能電池模組其入光側的基板上。上述線材彼此平行，且與太陽能電池裝置之走線(bus bar)平行。將上述線材於150℃下回火10分鐘後，以水清洗去除高分子管以得6條平行銀線(長度為50000nm，直徑為500nm，排列週期為100nm)。上述具有電漿子共振結構於太陽能電池裝置上的短路電流與轉換效率如第6表所示，其量測方法為ASTM E927。
第5表
實施例6
取太陽能電池模組(Sunrise Global Solar Energy Company Ltd.，Sunrise 156x156 Monocrystalline Solar Cell 3 Bus Bars)，量測其短路電流與轉換效率如第4表所示(量測標準為ASTM E927)。
將硝酸銀的乙二醇溶液(30mg/mL)置於連接至針頭內管的針筒中，並將PVP的甲醇溶液(200mg/mL)置於連接至針頭外管的針筒中。藉由針筒泵浦控制，內管中的銀前驅物溶液流速為0.1mL/hr，而外管中的高分子溶液流速為1mL/hr。經噴塗後，形成8條平行排列的線材(高分子管包覆銀前驅物線)於太陽能電池模組其入光側的基板上。上述線材彼此平行，且與太陽能電池裝置之走線(bus bar)平行。將上述線材於150℃下回火10分鐘後，以水清洗去除高分子管以得8條平行銀線(長度為50000nm，直徑為500nm，排列週期為100nm)。上述具有電漿子共振結構於太陽能電池裝置上的短路電流與轉換效率如第6表所示，其量測方法為ASTM E927。
雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧太陽能電池裝置
11‧‧‧電漿子共振結構
11A‧‧‧金屬線
101、105‧‧‧基板
103‧‧‧光電轉換元件
103A、103C‧‧‧電極
103B‧‧‧半導體轉換層

Claims (18)

  1. 一種太陽能電池模組，包括：一太陽能電池裝置，以及一電漿子共振結構，位於該太陽能電池裝置之上或之中，其中該電漿子共振結構包括多個平直金屬線互相平行，以及多個高分子管各自包覆該些平直金屬線。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池模組，其中該太陽能電池裝置具有一走線，且該走線與該些平直金屬線平行。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池模組，其中該些金屬線的長度與該太陽能電池裝置的長度或寬度實質上相同。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池模組，其中該些金屬線包括銀、鉑、金、或上述之組合。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池模組，其中該些金屬線之直徑介於1nm至400nm之間。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池模組，其中該些金屬線的排列週期介於0.01μm至1000μm之間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池模組，其中該些高分子管包括聚乙烯吡咯烷酮。
  8. 一種太陽能電池模組的形成方法，包括：提供一太陽能電池裝置；以及形成一電漿子共振結構於該太陽能電池裝置之上或之中，其中該電漿子共振結構包括多個平直金屬線互相平行， 其中形成該電漿子共振結構之步驟包括：將一金屬前驅物溶液置入一針頭之內管；將一高分子溶液置入該針頭之一外管，其中該外管包覆該內管；使該金屬前驅物溶液與該高分子溶液同時噴出，形成互相平行的多個平直線材於該太陽能電池裝置的一透明基板上，其中該些平直線材各自包括一高分子管包覆一金屬前驅物線；以及還原該些線材的該金屬前驅物線，以形成該些金屬線，其中該些高分子管包覆該些金屬線。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之太陽能電池模組的形成方法，其中該太陽能電池裝置具有一走線，且該走線與該些平直金屬線平行。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之太陽能電池模組的形成方法，其中該些高分子管包括聚乙烯吡咯烷酮。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之太陽能電池模組的形成方法，其中還原該奈米線材的該金屬前驅物線之步驟包括一回火步驟。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之太陽能電池模組的形成方法，其中該回火步驟之溫度介於100℃至200℃之間。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之太陽能電池模組的形成方法，更包括以一溶劑清洗移除該高分子管。
  14. 如申請專利範圍第8項所述之太陽能電池模組的形成方法，其中該外管與該內管之剖面為同心圓。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之太陽能電池模組的形成方法，其中該內管之直徑介於0.5mm至2mm之間。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之太陽能電池模組的形成方法，其中該外管與該內管的直徑差距介於0.01mm至5mm之間。
  17. 如申請專利範圍第8項所述之太陽能電池模組的形成方法，其中該高分子溶液由針頭噴出的流速介於0.1mL/hr至5mL/hr之間。
  18. 如申請專利範圍第8項所述之太陽能電池模組的形成方法，其中該金屬前驅物溶液由針頭噴出的流速介於0.01mL/hr至1mL/hr之間。
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