TWI575765B - The anti - reflection spectrum of the multi - faceted solar cell increases the structure - Google Patents
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Description
一種多接面太陽能電池,尤其是一種藉由可增加抗反射頻譜範圍的抗反射多層結構而提高電流輸出,配合高能隙的適當材料組合及厚度選擇而提高多接面太陽能電池的開路電壓,而有效提高光電轉換效率。
太陽能是一種永不耗盡且無污染的能源,在面對目前石化能源所面臨的污染與短缺的問題時,一直是各國及各太陽能廠致力研究開發的一項替代能源技術。
太陽能電池(Solar Cell)是一種能量轉換的光電元件,經由太陽光照射後,把光的能量轉換成電能,其中堆疊型太陽能電池或多接面太陽能電池(multi-junction solar cell),多接面太陽能電池用於接收一具有多種波長光的混波光信號以產生一輸出電流,且該多接面太陽能電池包含多個串接的子電池,每一子電池的能隙不同,因此每一子電池可各自感應不同波長的光而產生短路電流Isc,短路電流Isc的大小是相關於所對應波長光強度與自身材料的量子效率,也就是說Isc=光強度×量子效率,又由於該多個子電池是串接,其中之一子電池所產生的最小短路電流將決定該多接面太陽能電池的輸出電流。
參閱第一a圖,習知技術的多接面太陽能電池元件的示意圖,參閱第一b圖,第一a圖的外部量子效率的示意圖。第一a圖所示,多接面太陽能電池1a包含第一子電池11a、緩衝層12a、第一穿隧接面13a、第二子電池14a、第二穿隧接面15a及第三子電池16a,為了減少可見光的反射損失並提升短路電流,在多接面太陽能電池1a上會形成單層或雙層的抗反射層3a、3b,雙層的抗反射層3a、3b的設置雖可減少入射光之可見光在太陽能電池元件的反射,但習知技術的雙層抗反射層3a、3b即使將厚度
及材料最佳化後,比如抗反射層3a以ZnS的材料製成、厚度為63.8nm,抗反射層3a以MgF2的材料製成厚度為118.4nm的材料製成,總電流輸出最多也只能達到15.19ma/cm2,如表一所示,抗反射頻譜也受到侷限,如第一b圖所示。
如表一所示,現有之InGaP/In0.01Ga0.99As/Ge三接面太陽能之短路電流只有15.19mA/cm2,開路電壓只有2.696volt,光電轉換效率為38.99%,其中以Ge材料為主的第一子電池11a產生的電流雖高達25.15mA/cm2,但總電流輸出只有為15.19mA/cm2,且以Ge材料為主的第一子電池11a與InGaA為主的第二子電池14a之間的能隙差距過大,導致開路電壓過低、吸收頻譜無法往短波長平移,造成光電轉換效率下降。
因此非常需要提供一種透過電流匹配以產生最大有效電流、適當地堆疊磊晶材料使太陽能電池的整體能隙更平滑及達到寬闊的抗反射頻譜的多接面太陽能電池,以有效增加多接面太陽能電池的光電轉換效率。
本發明的主要目的在於提供一種多接面太陽能電池之抗反射頻譜增加結構,至少包含複數抗反射層,其中複數抗反射層形成於一多接面太陽能電池之表面上,複數抗反射層形至少包含一第一抗反射層、一第二抗反射層及一第三抗反射層,其中該第一抗反射層為一氟化鎂層(MgF2),該第三抗反射層為一硫化鋅層(ZnS),其中該第二抗反射層為一薄膜,
其中該第二反射層之折射率介於該第一抗反射層與該第三抗反射層之間。
其中,該第二抗反射層的材料至少包括氮化矽(Si3N4)、氧化鋁(Al2O3)、五氧化二鉭(Ta2O5)、二氧化矽(SiO2)及二氧化鈦(TiO2)之至少其中之一。該第一抗反射層31之厚度介於90~130nm之間,該第二抗反射層之厚度介於30~60nm之間,該第三抗反射層之厚度介於10~40nm之間。
本發明的主要特點在於:藉由加入折射率介於氟化鎂層和硫化鋅層之薄膜結構,以增加多接面太陽能電池的抗反射頻譜範圍,特別是在短波長範圍,進而提升多接面太陽能電池的總電流輸出。
本發明的另一目的在於提供一種可增加抗反射頻譜範圍及高開路電壓之多接面太陽能電池,由下至上依序至少包含一基板、一第一p-n接面、一第一緩衝層、一第一穿隧接面、一第二p-n接面、一第二穿隧接面及一第三p-n接面。
該基板系位於該高光電轉換效率多接面太陽能電池之底層,以鍺材料製成;該第一p-n接面位於該基板之上,並以Si1-xGex的材料製成,其中0.9x1;該第一緩衝層位於該第一p-n接面之上,並以GaAs1-yPy的材料製成,其中0y0.09;該第一穿隧接面系位於該第一緩衝層之上;該第二p-n接面系位於該第一穿隧接面之上;該第二穿隧接面系位於該第二p-n接面之上;該第三p-n接面則位於該第二穿隧接面之上。
該第一p-n接面之厚度介於1~2μm之間;該第一緩衝層之厚度介於0.05~0.2μm之間;該第一穿隧接面之厚度介於0.04~0.08μm之間;該第二p-n接面以GaAs1-yPy的材料製成,其中0y0.09,該第二p-n接面之厚度介於2~4μm之間;該第二穿隧接面之厚度介於0.03~0.05μm之間;第三p-n接面之厚度介於1.525~4.625μm之間,並以In1-zGazP的材料製成,其中0.5z0.56。
本發明的另一特點在於,以Si1-xGex的材料作為本發明的底部子電池,由於Si1-xGex的能隙較鍺大,使吸收頻譜往短波長平移,並利用高能隙的適當材料組合及厚度選擇,使開路電壓得以有效提高。
本發明透過同時提高短路電流及開路電壓,使多接面太陽能
電池的光電轉換效率大幅提升。
〔習知〕
1a‧‧‧多接面太陽能電池
11a‧‧‧第一子電池
12a‧‧‧緩衝層
13a‧‧‧第一穿隧接面
14a‧‧‧第二子電池
15a‧‧‧第二穿隧接面
16a‧‧‧第三子電池
3a、3b‧‧‧抗反射層
〔本發明〕
100‧‧‧多接面太陽能電池之抗反射頻譜增加結構
1‧‧‧多接面太陽能電池
3‧‧‧複數抗反射層
31‧‧‧第一抗反射層
32‧‧‧第二抗反射層
33‧‧‧第三抗反射層
11‧‧‧基板
12‧‧‧第一p-n接面
13‧‧‧第一緩衝層
14‧‧‧第一穿隧接面
141‧‧‧第一N型穿隧層
143‧‧‧第一P型穿隧層
15‧‧‧第二緩衝層
16‧‧‧第二p-n接面
17‧‧‧第一窗層
18‧‧‧第二穿隧接面
181‧‧‧第二N型穿隧層
183‧‧‧第二P型穿隧層
19‧‧‧第三緩衝層
20‧‧‧第三p-n接面
21‧‧‧第二窗層
第一a圖為習知技術的多接面太陽能電池元件的示意圖。
第一b圖為第一a圖的外部量子效率的示意圖。
第二圖為本發明多接面太陽能電池之抗反射頻譜增加結構的示意圖。
第二b圖為第二a圖的外部量子效率的示意圖。
第三圖為本發明多接面太陽能電池之抗反射頻譜增加結構的第一較佳實施例示意圖。
第四圖為本發明多接面太陽能電池之抗反射頻譜增加結構的第二較佳實施例示意圖。
第五圖為本發明多接面太陽能電池之抗反射頻譜增加結構的第三實施例示意圖。
以下配合圖式及元件符號對本發明之實施方式做更詳細的說明,俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。
參閱第二a圖,本發明多接面太陽能電池之抗反射頻譜增加結構的示意圖,參閱第二b圖,第二b圖為第二a圖的外部量子效率的示意圖。如第二a圖所示,本發明多接面太陽能電池之抗反射頻譜增加結構100至少包含複數抗反射層3,該等抗反射層3系形成於一多接面太陽能電池1之表面上。
該等抗反射層3至少包含一第一抗反射層31、一第二抗反射層32及一第三抗反射層33,其中該第一抗反射層31為氟化鎂層(MgF 2),該第三抗反射層33為硫化鋅層(ZnS),其中該第二抗反射層32為一薄膜,其中該第二反射層32之折射率介於該第一抗反射層31與該第三抗反射層33之間。
其中,該第二抗反射層32的材料至少包括氮化矽(Si3N4)、氧化鋁(Al2O3)、五氧化二鉭(Ta2O5)、二氧化矽(SiO2)及二氧化鈦(TiO2)之至少其中之一,該第二抗反射層32的材料並不限定於上述的材料,只要
與特性類似於上述材料的材質亦落在本發明的範圍之內。
在本發明的一較佳實施例中,該第一抗反射層31之厚度介於90~130nm之間,該第二抗反射層之厚度介於30~60nm之間,該第三抗反射層之厚度介於10~40nm之間。
該多接面太陽能電池1由下至上依序至少包含一基板11、一第一p-n接面12、一第一緩衝層13、一第一穿隧接面14、一第二p-n接面16、一第二穿隧接面18及一第三p-n接面20。
本發明的特點在於:藉由加入折射率介於氟化鎂層和硫化鋅層之薄膜結構,以增加多接面太陽能電池100的抗反射頻譜範圍,特別是在短波長(300~500nm)的範圍,以由Si3N4材料製成的該第二抗反射層32為例,多接面太陽能電池的100的總電流輸出被提升為15.27mA/cm2,第三p-n接面20的電流則可提升到15.72mA/cm2,光電轉換效率為38.99%,如第二b圖及表二所示。
透過在MgF2層和ZnS層之間加入折射率介於上述兩者之間薄膜結構,因此可增加抗反射頻譜的範圍,而提昇多接面太陽能電池之光電轉換效率。
參閱第三圖,本發明多接面太陽能電池之抗反射頻譜增加結構的第一較佳實施例示意圖。如第三圖所示,該第一穿隧接面14包含一第一N型穿隧層141及一第一P型穿隧層143,該第一N型穿隧層141位於該第一緩衝層13之上並以GaAs1-yPy製成,其中0y0.09,該第一N型穿隧層
141之厚度介於0.03~0.05μm之間;該第一P型穿隧層143位於該第一N型穿隧層141之上並以In1-zGazP製成,其中0.5z0.56,該第一P型穿隧層143之厚度介於0.02~0.04μm之間。
該第二穿隧接面181包含一第二N型穿隧層181及一第二P型穿隧層183,該第二N型穿隧層181位於該第二p-n接面16之上並以Al1-wlnwP製成,其中0.43w0.45,該第二N型穿隧層181之厚度介於0.01~0.03μm之間;該第二P型穿隧層183位於該第二N型穿隧層181之上並以In1-zGazP的材料製成,其中0.5z0.56,該第二P型穿隧層183之厚度介於0.01~0.03μm之間。
參閱第四圖,本發明多接面太陽能電池之抗反射頻譜增加結構的第二較佳實施例示意圖。如第四圖所示,本發明更形成有一第二緩衝層15及一第三緩衝層19,該第二緩衝層15位於該第一穿隧接面14與該第二p-n接面16之間,該第三緩衝層19介於該第二穿隧接面18與該第三p-n接面20之間。
參閱第五圖,本發明多接面太陽能電池之抗反射頻譜增加結構的第三較佳實施例示意圖。如第五圖所示,本發明更形成有一第一窗層17及一第二窗層21,該第一窗層17位於該第二p-n接面16與該第二穿隧接面18之間,該第二窗層21位於該第三p-n接面20之上。
本發明的另一特點在於,利用高能隙的適當材料組合及厚度選擇,使開路電壓得以有效提高。
綜上所述,本發明藉由加入折射率介於氟化鎂層和硫化鋅層之薄膜結構,使多接面太陽能電池的抗反射頻譜範圍變大,進而提升總電流輸出量,配合利用高能隙的適當材料組合及厚度選擇,使開路電壓得以有效提高,而有效提升多接面太陽能電池的光電轉換效率。
以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例,並非企圖據以對本發明做任何形式上之限制,是以,凡有在相同之發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更,皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇。
100‧‧‧多接面太陽能電池之抗反射頻譜增加結構
1‧‧‧多接面太陽能電池
3‧‧‧複數抗反射層
31‧‧‧第一抗反射層
32‧‧‧第二抗反射層
33‧‧‧第三抗反射層
11‧‧‧基板
12‧‧‧第一p-n接面
13‧‧‧第一緩衝層
14‧‧‧第一穿隧接面
16‧‧‧第二p-n接面
18‧‧‧第二穿隧接面
20‧‧‧第三p-n接面
Claims (10)
- 一種多接面太陽能電池之抗反射頻譜增加結構,至少包含:複數抗反射層,形成於一多接面太陽能電池之表面上,至少包含一第一抗反射層、一第二抗反射層及一第三抗反射層,其中該第一抗反射層為一氟化鎂層,該第三抗反射層為一硫化鋅層,其中該第二抗反射層為一薄膜,其中該第二反射層之折射率介於該第一抗反射層與該第三抗反射層之間。
- 依據申請專利範圍第1項所述之多接面太陽能電池之抗反射頻譜增加結構,其中該第二抗反射層的材料至少包括氮化矽、氧化鋁、五氧化二鉭、二氧化矽及二氧化鈦之至少其中之一。
- 依據申請專利範圍第1項所述之多接面太陽能電池之抗反射頻譜增加結構,其中該第一抗反射層之厚度介於90~130nm之間。
- 依據申請專利範圍第1項所述之多接面太陽能電池之抗反射頻譜增加結構,其中該第二抗反射層之厚度介於30~60nm之間。
- 依據申請專利範圍第1項所述之多接面太陽能電池之抗反射頻譜增加結構,其中該第三抗反射層之厚度介於10~40nm之間。
- 依據申請專利範圍第1項所述之多接面太陽能電池之抗反射頻譜增加結構,其中該多接面太陽能電池由下至上依序包含:一基板,位於該多接面太陽能電池之底層,以鍺材料製成;一第一p-n接面,位於該基板之上,以Si1-xGex的材料製成,其中0.9x1,且該第一p-n接面之厚度介於1~2μm之間;一第一緩衝層,位於該第一p-n接面之上,以GaAs1-yPy的材料製成,其中0y0.09,且該第一緩衝層之厚度介於0.05~0.2μm之間;一第一穿隧接面,位於該第一緩衝層之上;一第二p-n接面,位於該第一穿隧接面之上,以GaAs1-yPy的材料製成,其中0y0.09,該第二p-n接面之厚度介於2~4μm之間;一第二穿隧接面,位於該第二p-n接面之上;以及一第三p-n接面,位於該第二穿隧接面之上,該第三p-n接面之厚度介於1.525~4.625μm之間,以In1-zGazP的材料製成,其中0.5z0.56。
- 依據申請專利範圍第6項所述之多接面太陽能電池之抗反射頻譜增加結構,其中該第一穿隧接面之厚度介於0.04~0.08μm之間,該第一穿隧接面 包含一第一N型穿隧層及一第一P型穿隧層,該第一N型穿隧層位於該第一緩衝層之上並以GaAs1-yPy製成,其中0y0.09,該第一N型穿隧層之厚度介於0.03~0.05μm之間;該第一P型穿隧層位於該第一N型穿隧層之上並以In1-zGazP製成,其中0.5z0.56,該第一P型穿隧層之厚度介於0.02~0.04μm之間。
- 依據申請專利範圍第6項所述之多接面太陽能電池之抗反射頻譜增加結構,其中該第二穿隧接面之厚度介於0.03~0.05μm之間,該第二穿隧接面包含一第二N型穿隧層及一第二P型穿隧層,該第二N型穿隧層位於該第二p-n接面之上並以Al1-wlnwP製成,其中0.43w0.45,該第二N型穿隧層之厚度介於0.01~0.03之間;該第二P型穿隧層位於該第二N型穿隧層之上並以In1-zGazP的材料製成,其中0.5z0.56,該第二P型穿隧層之厚度介於0.01~0.03μm之間。
- 依據申請專利範圍第6項所述之多接面太陽能電池之抗反射頻譜增加結構,其中更形成有一第二緩衝層及一第三緩衝層,該第二緩衝層位於該第一穿隧接面與該第二p-n接面之間,該第三緩衝層介於該第二穿隧接面與該第三p-n接面之間。
- 依據申請專利範圍第6項所述之多接面太陽能電池之抗反射頻譜增加結構,其中更形成有一第一窗層及一第二窗層,該第一窗層位於該第二p-n接面與該第二穿隧接面之間,該第二窗層位於該第三p-n接面之上。
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