TWI572048B - The use of surface plasmon resonance effect of solar cells - Google Patents

Description

利用表面電漿共振效應之太陽能電池

本發明與光電轉換技術有關，特別是指一種利用表面電漿共振效應之太陽能電池。

近年來，由於工業化的結果，大量燃燒石化原料造成溫室效應、全球暖化及氣候變化劇烈的情形，使得全世界的國家都體會到替代性能源的重要性。替代性能源如風力、水力、地熱及太陽能都是相當受到矚目的綠色能源，其中又以太陽能的轉換效率較高且技術發展較為成熟，因此被視為最佳的替代性能源。

因為矽是IC半導體的主要原料，所以對於矽的加工技術已經累積有相當多的經驗，所以相當適合用來製作太陽能電池。然而，由於矽晶太陽能電池的能隙大約為1.1電子伏特，僅能吸收波長約1000奈米以下的近紅外光、可見光及紫外光，至於波長較長的紅外光則是無法完全吸收，短波長的藍紫光只有一小部分的低能量被利用，其他部分都轉變成熱能，由此可知，矽晶太陽能電池無法將所有波長的光線做最適當的利用，造成光電轉換效率難以提升。

為了提升太陽能電池的轉換效率，目前主要的研發方向是結合不同能隙的材料來分段吸收太陽光內不同波段的光線，舉例來說，假如將能隙約為1.7電子伏特的非晶矽與能隙約為1.1電子伏特的微晶矽串聯在一起之後，即可吸收兩種不同波長的光線，如此可以將光電轉換效率從6%~8%提升至10%~12%，另外還有一種高轉換效率的太陽能電池是將高能隙的鎵銦磷、中能隙的鎵銦砷及低能隙的鍺以堆疊方式結合在一起，當這三種不同能隙的材料結合在一起之後，可以吸收從紫外光到紅外光的波段，讓整體的光電轉換效率能夠提升到接近40%，但是這種具有疊層結構的太陽能電池在製作成本上過於昂貴，並沒有辦法廣泛地使用在日常生活當中。

本發明之主要目的在於提供一種利用表面電漿共振效應之太陽能電池，其可接收全波長的可見太陽光進行光電轉換，而且不需要過於昂貴的製造成本。

為了達成上述目的，本發明之太陽能電池包含有一基板、一第一電極、一第二電極，以及一結構體。該第一、第二電極共同設置於該基板之同一表面，而且，該第一、第二電極之間具有一預定間隔，使得該第一、第二電極之間形成一狹縫，該結構體設於該第一電極鄰接於該狹縫之邊緣，用以使該第一電極能夠產生表面電漿共振效應。藉此，當有入射光照射於該結構體之後可以透過該結構體於第一電極上產生表面電漿電子及電位差，使自由電子即可隨著未被反射的光線沿著第一、第二電極之電位差產生流動而發出電流訊號，藉以達到光電轉換的效果。

在本發明之實施例中，該基板之表面設置有一第三電極，該第三電極位於該狹縫內，用以增加該第一、第二電極之間的導通效果。

在本發明之實施例中，該第一、第二電極之間藉由一導線連接在一起，該導線跨設於該狹縫的上方，用以確保該第一、第二電極之間的導通效果。

請先參閱第1及2圖，本發明第1實施例之太陽能電池10包含有一基板20、一第一電極30、一第二電極40，以及一結構體50。

基板20是由絕緣材質所製成且具有一上表面22與一下表面24。

第一電極30由金屬材質所製成，其中又以具有高穩定性的金為最佳材質。在製造時，如第4圖所示，第一電極30以濺鍍方式設置於基板20之上表面22。

第二電極40由金屬材質所製成，其中又以具有高穩定性的金為最佳材質。在製造時，如第4圖所示，第二電極40以濺鍍方式設置於基板20之上表面22，而且，第二電極40與第一電極30之間具有一預定間隔，使得兩者之間形成一狹縫12。

結構體50由金屬材質所製成，其中又以具有高穩定性的金為最佳材質。在製造時，如第4圖所示，結構體50以濺鍍方式設置於第一電極30鄰接狹縫12之邊緣且突出於第一電極30之表面，而且，結構體50具有一粗糙表面52，如第3圖所示，粗糙表面52可以是鋸齒狀、凸點狀或其他幾何形狀，這些形狀的排列方式可以是規則或不規則，在此並不特別加以限定。

由上述結構可知，當有光線照射至第一、第二電極30、40之表面時，藉由結構體50之粗糙表面52的設置，使得未被反射的光線有足夠的能量可以在第一電極30造成表面電漿電子及相對於第二電極40之電位差，讓自由電子沿著第一、第二電極30、40之表面產生流動，進而發出電流訊號。

為了確保可以穩定地輸出電流訊號，請再參閱第4及5圖，本發明之第2實施例提供多數個第三電極60(實際上只要至少一個即可)，第三電極60同樣是以具有高穩定性的金為最佳材質，在製造時，如第7圖所示，在第一、第二電極30、40設置於基板20之上表面22之後，再於基板20之上表面22以濺鍍方式將第三電極60設置於狹縫12內，最後再將結構體50設置於第一電極30鄰接狹縫12之邊緣，如此即可透過第三電極60增加第一、第二電極30、40表面之自由電子的流動效果。

除了設置第三電極60之外，本發明第3實施例提供一種更加穩定的方式，如第8至10圖所示，在完成結構體50的設置之後，使用一導線70將第一、第二電極30、40連接在一起，並且使導線70跨設於狹縫12的上方，藉此，第一、第二電極30、40表面之自由電子即可透過導線70在第一、第二電極30、40之間流動，從第11圖中可以看出第一、第二電極30、40之間在不同的電壓之下所能夠產生的電流。

另外請參閱第12圖，從第12圖中可以明顯看出第一、第二電極30、40在受到不同波長的光線照射下都可以產生電功率(在此所指的電功率為電路中單位時間內所消耗的電能)，另外在受到同樣波長的光線照射下，設置導線70的方式能夠產生最佳的電功率，其次為設置第三電極60的方式。最後如第13圖所示，在實際使用時可以將兩組太陽能電池以串聯(在圖中以+號表示)或並聯(在圖中以//表示)的方式連接在一起，甚至也可以再搭配不同大小的電阻，在各種連接方式當中，以兩組串聯在一起的方式能夠得到最佳的電功率。圖中括號內的電壓及電流值代表當時的開路電壓及短路電流。

綜上所陳，本發明之太陽能電池10利用結構體50即可讓第一電極30產生表面電漿共振效應而在第一、第二電極30、40之間有電流的輸出，若是要增加電流輸出的穩定性，可以再選擇搭配第三電極60或導線70的方式，如此與習用技術相比較之下，本發明可以接收全波長的可見太陽光進行光電轉換，使轉換效率可以有明顯的提升，而且也不需要過於昂貴的製造成本，進而達到本發明之目的。

10太陽能電池                  12狹縫            20基板                           22上表面            24下表面                        30第一電極            40第二電極                     50結構體             60第三電極                    70導線

第1圖為本發明第1實施例之俯視示意圖。 第2圖為本發明第1實施例之側視示意圖， 第3圖為第2圖之局部放大圖。 第4圖為本發明第1實施例之製造流程圖。 第5圖為本發明第2實施例之俯視示意圖。 第6圖為本發明第2實施例之側視示意圖。 第7圖為本發明第2實施例之製造流程圖。 第8圖為本發明第3實施例之俯視示意圖。 第9圖為本發明第3實施例之俯視示意圖。 第10圖為本發明第3實施例之製造流程圖。 第11圖為本發明第3實施例之座標圖，主要顯示電壓與電流之間的關係。 第12圖為本發明之座標圖，主要顯示不同波長的光線與電功率之間的關係。            第13圖為本發明之另一座標圖，主要顯示兩組太陽能電池在串聯及並聯後的特性表現。

12狹縫                                      20基板 22上表面                                   24下表面 30第一電極                                40第二電極 50結構體

Claims (8)

1. 一種利用表面電漿共振效應之太陽能電池，包含有： 一基板，具有一表面； 一第一電極，設於該基板之表面； 一第二電極，設於該基板之表面且與該第一電極之間具有一預定間隔，使得該第一、第二電極之間形成一狹縫；以及       一結構體，設於該第一電極鄰接於該狹縫之邊緣，用以使該第一電極產生表面電漿共振效應。
2. 如請求項1所述之利用表面電漿共振效應之太陽能電池，其中該結構體突出於該第一電極之表面。
3. 如請求項1所述之利用表面電漿共振效應之太陽能電池，更包含有一第三電極，該第三電極設於該基板之表面且位於該狹縫內。
4. 如請求項1所述之利用表面電漿共振效應之太陽能電池，更包含有一導線，該導線連接該第一、第二電極且跨設於該狹縫的上方。
5. 一種如請求項1之太陽能電池之製造方法，包含有下列步驟： 設置一第一電極與一第二電極於一基板之表面，使該第一、第二電極之間形成一狹縫；以及 設置一結構體於該第一電極靠近於該狹縫之邊緣。
6. 如請求項5所述之製造方法，其中步驟b)之結構體突出於該第一電極之表面。
7. 如請求項5所述之製造方法，在步驟a)中，將該第一、第二電極設置於該基板之表面之後，再於該基板之表面設置一位於該狹縫內之第三電極。
8. 如請求項5所述之製造方法，在步驟b)中，將該結構體設置於該第一電極鄰接該狹縫之邊緣之後，再使用一導線連接該第一、第二電極，並使該導線跨設於該狹縫的上方。