TWI590483B - 高效率光伏打能量收集裝置 - Google Patents

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Description

高效率光伏打能量收集裝置
本發明係關於能量收集，且更具體言之，本發明係關於單一接面光伏打電池。此外，本發明係關於用於獲取一較高效率之一裝置結構設計及製造此裝置之方法。
物聯網(IoT)係相對最近才提出之概念，藉以將無線自主感測器用於提供諸如短程通信、近接感測及追蹤、情況監測及對周圍環境之自動控制之功能。例如，建立自動化通常需要可彼此無線且自主通信之大量感測器節點。
初級電池(例如，Li硬幣型電池)通常用於為此等感測器供電，但其等目前之弊端係有限之使用壽命及對環境之擔憂。再者，在其中需要大量感測器節點之大型建築中，不期望定期替換電池且因此用於此等感測器節點之電能較佳係藉由可將可再生機械、熱或電磁(光)能量轉換成有用電力之能量收集(EH)裝置提供。此等EH收集裝置可用作用於感測器節點之一獨立能量源或實施於一混合組態中，藉以將EH用於延長一次級電池之壽命。
光伏打裝置代表此等EH裝置之一重要部分且在建立自動應用中顯得尤其重要，此係由於其等能夠在室內人工光源下或室外陽光與室內人工光源之一組合(例如，鄰近一窗戶)下操作。在兩種情況中，可 用電能可取決於感測器相對於進入光之位置及方位而改變達數個數量級，且該可用電能通常比在標準室外條件下之電能低很多。
大多數光伏打能量收集裝置(PVEH)目前係基於非晶矽(a-Si)或晶體矽(c-Si)。a-Si在以上陳述之人工光照條件下提供比c-Si更佳之一效能。該a-Si PV裝置仍受限於在低中度照明(200勒克司至1000勒克司)下之大約15%且在超低光照條件(<<100勒克司)下快速降低。不良超低光照效能係歸因於在超低光照條件下之暗電流及分路電阻分別對斷路電壓及填充因數之較大影響。
在室內人工光照下操作之無線感測器網路可在延長之時間段內經歷超低光照等級(<<100勒克司)，此係由於直接光照中之部分陰影，用於壁裝單元之傾斜接受角或係由於局部環境(例如在電影院、會議中心、酒店等等)之特定需求。不可藉由習知矽(Si)技術成功地解決此等昏暗光照應用。類似地，習知Si PVEH不可經設計而用於照明等級之一廣泛動態範圍中且非晶PVEH之有效操作被限制於低及中度照明(100-1000勒克司)。
因此，目前需要Si PVEH之尺寸與所提供之功能之間之一重大權衡。所提供之功能包含藉由感測器執行之量測類型(例如，溫度、風...)、資料處理能力及所量測之資料之傳輸。
a-Si及c-Si PVEH裝置之另一限制係使用一單一Si PV電池獲取之較小斷路電壓(例如<0.65V)。此意謂著大量PV電池(通常係8個)需要經串聯連接以獲取通常需用於為感測器電子器件供電之3V電壓。圖1B展示用於c-Si之一習知8電池組態，其包括串聯連接且安裝至一非作用PVEH區域2上之8個PV電池7。PV電池具有前外部金屬墊3、金屬網格線5及藉由金屬導線6連接之匯流排電極4。
除了受限之效能，一最終限制係有關於Si PVEH裝置之美感。如可在圖1A及圖1B中所觀察，金屬網格線5通常在裝置中係可見的。對 於a-Si來說，電池互連係藉由單體整合實現的且亦可清楚地看見雷射刻線。此對於其中將考慮PVEH之美感之一些高價值應用來說可係一問題。
已建議燃料敏化太陽電池(DSSC)及有機太陽電池作為PVEH裝置之Si之潛在替代。然而，此等技術受穩定性及效能問題之困擾，在此等技術可對PVEH領域作出一充足影響之前亦需更多之發展。
另一替代係使用高純度砷化鎵(GaAs)晶體作為活性PV材料[「The Opto-Electronic Physics that Broke the Efficiency Limit in Solar Cells」,E.Yablonovitch等人，PVSC 2012]。儘管藉由此等GaAs PVEH裝置獲取之效率高於利用a-Si裝置獲取之效率，但GaAs PVEH裝置仍然不係最適合人工光照應用。首先，相較於標準AM1.5G太陽光譜，諸如螢光(FL)及發光二極體(LED)燈之大多數有效能量類型之人工照明具有一不同光譜。因此，GaAs(1.4eV)之帶隙最適合於室外太陽光譜但不適合於FL及LED人工光譜。據報告，最適合帶隙在FL及LED光譜下轉變至較大值[「Maximum Efficiencies of Indoor Photovoltaic Devices」,Freunek and al.,IEEE Journal of Photovoltaics,2013]。其次，市售GaAs PVEH裝置具有非常類似於呈現於該等裝置之光接收側上之空間及集中器III-V PV裝置(例如，匯流排及金屬前網格線)之一接觸設計。此接觸設計對於典型能量收集應用中可得之低光照等級而言並非最佳化。用於製造此等GaAs PVEH裝置之習知程序亦花費較多且尚不能與更成熟之a-Si技術競爭。金屬網格線或電池中間之網格線之存在亦以類似於使用Si技術之方式影響PVEH之整體美感。
為了成為初級電池之一具有競爭力之替代，PVEH裝置之效能需要在更實際之情況下進一步經改良。PVEH裝置應覆蓋輸入光照等級之一廣泛動態範圍且仍在超低光照等級下傳遞所需之功率。最終，PVEH裝置在其等壽命上與電池應係可競爭的且當其等被整合至一產 品設計中時具有美感吸引力。
本發明之一目的係一種光伏打能量收集(PVEH)裝置，相較於習知裝置，其解決在照明等級之一較廣泛範圍中獲取較高效率之技術問題，同時改良該PVEH裝置之美感。本發明之另一目的係一種用於製造最小化處理花費之該PVEH裝置之方法。
更具體言之，本發明揭示與一環境光源光譜匹配藉以使得PV電池之光接收側擺脫習知前金屬網格線之一高帶隙晶體PVEH。僅藉由位於PV電池之周邊處之一個或數個離散金屬接觸元件提供有效電力提取。
除了保留普通PVEH裝置之優勢，根據本發明之PVEH裝置及方法之傳統優勢包含下列各者：PV電池活性材料之高帶隙及晶體形式增加使用一單一PV電池獲取之斷路電壓，藉此減少PVEH裝置內串聯連接之PV電池之數目且簡化互連方案。
晶體活性材料之高帶隙結合藉由PV電池上之前金屬元件覆蓋之低面積減少暗飽和電流及穿過PV接面之電流洩漏或分路，藉此改良PVEH裝置在超低光照條件下之填充因數及效能。
本發明之一態樣係包括一單一接面光伏打電池之一光伏打能量收集裝置。在例示性實施例中，光伏打電池包含：一光轉換元件，其由一寬帶隙III-V活性材料製成且該活性材料具有1.12eV至2.0eV範圍中之一直接帶隙，且其光譜匹配至一環境光源；一光接收側，其擺脫前金屬接觸網格線；及至少一離散金屬接觸元件，其置於該光接收側且實現從該光轉換元件中提取功率。光轉換元件之活性材料可係由(Al)GaInP化合物製成。光轉換元件之活性材料亦可以一人工螢光、一人工固態光、自然陽光或人工光照與自然陽光之一組合之至少一者 之形式光譜匹配至環境光照。
1‧‧‧光伏打能量收集裝置
2‧‧‧非作用光伏打能量收集裝置區域
3‧‧‧外部金屬墊
4‧‧‧金屬匯流排
5‧‧‧金屬網格線
6‧‧‧金屬線
7‧‧‧光伏打電池
8‧‧‧光伏打能量收集裝置
9‧‧‧電導線
10‧‧‧金屬接觸元件
11‧‧‧光伏打電池
12‧‧‧非作用光伏打能量收集裝置區域
13‧‧‧外部金屬墊
14‧‧‧金屬線
15‧‧‧長形金屬接觸元件
16‧‧‧光源
17‧‧‧天線
18‧‧‧光伏打能量收集裝置
19‧‧‧信號處理單元
20‧‧‧信號調節單元
21‧‧‧功率管理單元
22‧‧‧感測器
23‧‧‧抗反射塗層
24‧‧‧發射極
25‧‧‧基極
26‧‧‧基板
27‧‧‧光學透鏡
28‧‧‧光伏打電池
29‧‧‧光源
30‧‧‧壁
Rshunt‧‧‧面積正規化分路電阻
圖1A係包括3個串聯連接之PV電池之一習知PVEH裝置之一俯視圖，且該等PV電池具有前金屬指及匯流排電極。
圖1B係包括8個串聯連接之PV電池之一習知PVEH裝置之一俯視圖，且該等PV電池具有前金屬指及匯流排電極。
圖2A係根據本發明之包括一單一PV電池之一高效率PVEH裝置(之光接收側)之一俯視圖，其中一單一金屬接觸元件置於該PV電池之一較長邊緣中間且與一外部電導線直接附接。
圖2B係根據本發明之包括一單一PV電池之一高效率PVEH裝置(之光接收側)之一俯視圖，其中一單一金屬接觸元件置於該PV電池之一較長邊緣中間且連接至一外部接觸墊。
圖3A係根據本發明之包括一單一PV電池之一高效率PVEH裝置之一俯視圖，其中多個前金屬接觸元件置於該PV電池之較長邊緣上。
圖3B係根據本發明之包括一單一PV電池之一高效率PVEH裝置之一俯視圖，其中多個前金屬接觸元件置於該PV電池之各邊緣中間。
圖3C係根據本發明之包括一單一PV電池之一高效率PVEH裝置之一俯視圖，其中多個前金屬接觸元件置於該PV電池之各隅角。
圖4A係根據本發明之包括一單一PV電池之一高效率PVEH裝置之一俯視圖，其中一單一金屬接觸元件覆蓋該PV電池之較長邊緣。
圖4B係根據本發明之包括一單一PV電池之一高效率PVEH裝置之一俯視圖，其中前金屬接觸元件覆蓋該等PV電池之整個周邊。
圖5A係根據本發明之包括4個串聯連接之PV電池之一高效率PVEH裝置之一俯視圖，其中一單一金屬接觸元件置於PV電池之外部較長邊緣中間。
圖5B係根據本發明之包括4個串聯連接之PV電池之一高效率 PVEH裝置之一俯視圖，其中多個金屬接觸元件置於該PV電池之同一邊緣上。
圖5C係根據本發明之包括4個串聯連接之PV電池之一高效率PVEH裝置之一俯視圖，其中多個金屬接觸元件置於該PV電池之一不同邊緣上。
圖6A係根據本發明之包括4個串聯連接之PV電池之一高效率PVEH裝置之一俯視圖，其中一單一金屬接觸元件覆蓋PV電池之外部較長邊緣。
圖6B係根據本發明之包括4個串聯連接之PV電池之一高效率PVEH裝置之一俯視圖，其中一單一金屬接觸元件覆蓋PV電池之外部較長邊緣及外部較短邊緣。
圖7展示一GaInP PV電池之外部量子效率對照LED及CCFL輻射度光譜。
圖8展示一GaInP PV電池之關於進入光強度(CFL光譜)之量測資料。
圖9係根據本發明使用一PVEH裝置為一自主無線感測器供電之一示意圖。
圖10係根據本發明之PV電池結構之一截面圖。
圖11係包含用於環境光照之有效收集之一透鏡之一壁裝PVEH裝置之一表示。
圖12展示在低照明(<50μW.cm-2)下一GaInP PVEH裝置對照典型a-Si及c-Si PVEH裝置之實驗IV曲線。
圖13展示在高照明(>2500μW.cm-2)下一GaInP PVEH裝置對照典型a-Si及c-Si PVEH裝置之實驗IV曲線。
圖14展示一GaInP PV電池在各種等級之CCFL照明下之實驗IV曲線。
圖15展示一GaInP PV電池在高光照等級強度下(2000勒克司CCFL)之發射極片電阻之各種值之模擬IV。
圖16展示一GaInP PV電池在高光照等級強度下(2000勒克司CCFL)之特定接觸電阻之各種值之模擬IV。
圖17展示一GaInP PV電池在低光照等級強度下(200勒克司CCFL)之分路電阻之各種值之模擬IV。
本發明之一目的係一光伏打能量收集(PVEH)裝置，相較於習知裝置，其解決在照明等級之一較廣泛範圍中獲取較高效率之技術問題，同時改良該PVEH裝置之美感。本發明之另一目的係用於製造最小化處理花費之該PVEH裝置之一方法。
更具體言之，本發明揭示與一環境光源光譜匹配藉以使得其內之PV電池之光接收側擺脫習知金屬網格線之一高帶隙晶體PVEH裝置。
如在本發明中所使用，下列定義適用：術語「PV電池」係指PVEH裝置之光轉換組件。PVEH裝置可包括一或多個PV電池。
術語「高帶隙」係指高於矽帶隙之帶隙，例如，>1.12eV且高至大約2.0eV。
術語「光譜匹配」係指PVEH光譜回應與環境光源之強度光譜之高迴旋積，例如，環境光源之光譜顯著地佔據比藉由PV電池之帶隙界定之波長範圍更短之波長範圍。
術語「分率功率損失」係指相對於進人光之在最大功率點處之功率損失。
術語「超低光照等級」係指低於25μW/cm2之一光照強度等級(例如，針對如圖7所展示之一典型螢光光譜之<100勒克司)。
術語「低光照等級」係指在25μW/cm2與100μW/cm2之間之一光 照強度等級(例如，針對如圖7所展示之一典型螢光光譜之約100勒克司至400勒克司)。
術語「中度光照等級」係指在100μW/cm2與250μW/cm2之間之一光照強度等級(例如，針對如圖7所展示之一典型螢光光譜之約400勒克司至1000勒克司)。
術語「高光照等級」係指高於250μW/cm2之一光照強度等級(例如，針對如圖7所展示之一典型螢光光譜之>1000勒克司)。
PV電池之效能歸因於串聯電阻、分路電阻及接觸陰影效應而通常受分率功率損失限制。
假定無分路電阻，則由串聯電阻根據下列方程式(Eq.1)影響PV電池之填充因數： 其中FF0係無串聯及分路電阻之電池之最大填充因數，Rseries係面積正規化串聯電阻，且Jmp及Vmp分別係在最大功率點處之電流密度及電壓。
歸因於串聯電阻Pseries之對應分率功率損失係(方程式2)：
歸因於串聯電阻之分率功率損失可進一步分為各種損失(方程式3)：P series =P emitter +P contact(h)+P contact(v) (方程式3)其中Pemitter、Pcontact(h)及Pcontact(v)分別係歸因於發射極中之焦耳熱、沿 著前金屬接觸之水平電阻及在發射極金屬介面處之垂直接觸電阻之分率功率損失。
在如圖1A及圖1B中所展示之一習知金屬網格線接觸設計中，在各PV電池中之分率功率損失Pemitter-gridlines、Pcontact(h)-gridlines及Pcoutact(v)-gridlines係藉由(方程式4、5及6)界定：
其中ρ□係發射極層之片電阻，S係相鄰金屬網格線之間之間距，ρmetal係金屬之電阻率，Jmp及Vmp分別係在最大功率點處之電流密度及電壓。
W、L及h分別係一金屬網格線之寬度、長度及高度。
Rc(g)係前金屬網格線之特定接觸電阻，APV及Ac(g)分別係PV電池及金屬網格線之面積。
除了分路及串聯電阻損失之外，亦存在歸因於由前金屬接觸之陰影之一分率功率損失Pshading(方程式7)： 其中APV及Ac分別係PV電池及前金屬接觸之面積。
歸因於串聯電阻及接觸陰影之分率功率損失之總和Pse-sh應經最 小化以在一給定範圍之環境光照強度Iambient下最佳化各PV電池之效能(方程式8)：P se-sh =P series +P shading (方程式8)
在一習知金屬網格線接觸設計中，當僅考慮金屬網格線時，在最佳化之後獲取之最小Pse-sh通常係5%至8%，且當包含金屬匯流排中之陰影損失時係>15%。
在本發明中，一完全不同之幾何形狀係用於最小化在自超低、低至至少中度光照等級之一廣泛動態範圍下之分率功率損失之總和Pse-sh。
在本發明中，有效電力提取不係藉由金屬網格線提供，而是僅藉由較佳置於PV電池之周邊處之一個或數個離散金屬接觸元件提供。金屬元件可具有任何幾何形狀，但較佳係點接觸、圓形或矩形接觸。
在本發明之一圓形接觸(cc)之實例中，當僅考慮金屬網格線時，歸因於金屬接觸元件之陰影損失Pshading-cc被絕對地減少了高達5%，當考慮習知設計中之金屬匯流排中之陰影損失時，其絕對地減少了高達15%。
在本發明中，在一單一圓形接觸及方形PV電池中之歸因於串聯電阻Pemitter-cc,Pcontact(h)-cc及Pcontact(v)-cc之分率功率損失係(方程式9、10及11)：
P contact(h)-cc ~0 (方程式10)
其中Pemitter-cc、Pcontact(h)-cc及Pcontact(v)-cc分別係在一單一圓形接觸中之歸因於發射極中之焦耳熱、沿著前金屬接觸之水平電阻及在發射極金屬介面處之垂直接觸電阻之分率功率損失。
ρ□係發射極層之片電阻，a係PV電池之長度，rc係圓形接觸元件之半徑，Rc(cc)係前金屬圓形接觸之特定接觸電阻，APV係方形PV電池之面積，Jmp及Vmp分別係在最大功率點處之電流密度及電壓。
可使用標準數值方法解出Pemitter-cc。
在本發明中且根據方程式10，相較於習知金屬網格線設計，已極大地減少歸因於沿著一單一金屬接觸元件Pcontact(h)-cc之水平電阻之分率功率損失。
根據本發明，相較於習知金屬網格線設計，已增加分率功率損失Pemitter-cc及Pcontact(v)-cc，雖然其增加之程度比分率功率損失Pshading-cc及Pcontact(h)-cc減少之程度小。
圖15展示假定2000勒克司CCFL之一高光照等級強度，發射極片電阻對一GaInP PV電池之模擬IV特性之影響。填充因數隨著發射極片電阻從100Ω/□增加至10000Ω/□而明顯地下降。
為了最小化歸因於發射極中之焦耳熱之分率功率損失，發射極片電阻較佳應係<1000Ω/□，且更佳係<100Ω/□。
圖16展示特定接觸電阻(假定單一圓形接觸具有50μm之一半徑rc且一高光照等級強度係2000勒克司CCFL)對一GaInP PV電池之模擬IV特性之影響。填充因數隨著特定接觸電阻從10-4Ω.cm2增加至5.10-2 Ω.cm2而明顯地下降。
為了最小化歸因於沿著金屬接觸元件之垂直電阻之分率功率損失，特定接觸電阻較佳應係<10-2Ω.cm2，且更佳係<10-5Ω.cm2。
在本發明中，因此相較於習知金屬網格線設計，已減少歸因於串聯電阻及接觸陰影之分率損失之總和。
圖12展示一GaInP PV電池對照典型a-Si及c-Si PV電池技術之實驗IV曲線。，相較於a-Si及c-Si PV電池，已明顯地改良根據本發明之GaInP PV電池在超低及低光照等級(例如，<50μW.cm-2)下之填充因數及因此效能。
假定無串聯電阻，分路電阻亦可根據下列方程式(方程式12)影響PV電池之填充因數： 其中FF0係無串聯及分路電阻之電池之最大填充因數，Rshunt係面積正規化分路電阻，Jmp及Vmp分別係在最大功率點處之電流密度及電壓。
歸因於分路電阻Pshunt之對應分率功率損失係(方程式13)： 出現在先前方程式中之用語Jmp藉由方程式(方程式14)直接有關於環境光照之強度等級：J mp =k.I ambient (方程式14)其中Jmp分別係最大功率點處之電流密度及電壓，Iambient係進入PV電池上之環境光照之強度，且k係一比例係數。
歸因於串聯、分路及接觸陰影之功率損失之總和PTotal應經最小化以最佳化PV電池在一給定範圍之環境光照等級下之效能(方程式15)：P Total =P series +P shunt +P shading (方程式15)
在習知矽PV電池中，歸因於串聯電阻、分路電阻及接觸陰影之總體分率功率損失PTotal在低光照等級下係顯著的(>20%)且在超低光照等級下歸因於Pshunt之急劇增加而變得非常大(>50%)。因此限制環境光照等級之動態範圍。
在本發明中，較佳來源於III-V族之諸如(Al)GaInP及類似者之一高帶隙晶體材料係用於PV電池之活性材料。高帶隙晶體材料具有低暗飽和電流且因此可獲取比習知Si材料更高之一分路電阻。
圖17展示假定200勒克司CCFL之一低光照等級強度，一分路電阻對GaInP PV電池之模擬IV特性之影響。填充因數隨著分路電阻從100kΩ.cm2增加至10000kΩ.cm2而明顯地增加。
本發明之活性材料經選擇及處理，使得面積正規化之分路電阻較佳係>500kΩ.cm2，且更佳係>1000kΩ.cm2。
在本發明中，歸因於串聯、分路及陰影之總體分率功率損失PTotal較佳係<20%，更佳係<10%，或更佳係<5%。
為了促進對本發明之瞭解，現將參考本發明之實施例之隨附圖式。
本發明之PVEH裝置可用於為一無線感測器供電，如圖9中描繪。PVEH裝置18將來自一環境光源16之電磁能量轉換成電力。一功率管理單元21直接連接至PVEH裝置18且可包含一初級及/或次級電池元件。PVEH裝置18為感測器22、信號處理單元19及信號調節件20提供功率。與信號處理單元連結之一天線17可用於傳輸從感測器22中取 得之資料。在此實例中，PVEH裝置18可用於將自主功率提供至無線感測器或僅用於延長一電池元件之壽命。
PVEH裝置可係壁裝的，如圖11所展示。在此情況中，一光學透鏡27可用於將傾斜環境光照29重定向至固定於一壁30上之PV電池28上。光學元件27可由環氧樹脂製成且可具有不同形狀，包含但不限制於球形、圓柱形及夫瑞奈透鏡。
第一實施例
本發明之一態樣係一種包括一單接面光伏打電池之光伏打能量收集裝置。在例示性實施例中，光伏打電池包含：一光轉換元件由光譜匹配至一環境光源之一寬帶隙III-V活性材料製成；一光接收側，其擺脫前金屬接觸網格線；及至少一離散金屬接觸元件，其置於該光接收側且實現從該光轉換元件中提取功率。光轉換元件之活性材料可係由(Al)GaInP化合物製成。光轉換元件之活性材料亦可以一人工螢光、一人工固態光、自然陽光或人工光照與自然陽光之一組合之至少一者之形式光譜匹配至環境光照。
圖2A及圖2B展示從上方俯視一高效率PVEH裝置8之一第一實施例之一構造。如本文所使用，該俯視對應於光接收側。PVEH裝置8包括在圖10之剖視圖中描繪其之結構之一單個PV電池11，以及置於PV電池11之光接收側之一邊緣上之一單個前金屬接觸元件10。單個金屬接觸元件可置於PV電池之光接收側之一較長邊緣上。PV電池11可安裝於一非作用PVEH區域12上。
如圖10所展示，PV電池由可係剛性或可撓性之一基板26支撐。剛性基板之實例包含但不限制於諸如砷化鎵、鍺或矽基板之半導體基板。可撓性基板之實例包含但不限制於聚合物及金屬基板。
發射極24與基極25形成一PN接面且由一抗反射塗層(ARC)23覆蓋。
ARC可包括一單個層或數個介電質層且較佳與環境光源光譜匹配，亦增加PV電池之短路電流密度。
例如，ARC可由具有介於40nm與70nm之間之厚度之Si3N4製成。
發射極24與基極25形成構成PV電池之活性材料之一光轉換元件。例如，該發射極可由具有介於40nm與100nm之間之厚度之n型GaInP製成且該基極可由具有介於300nm與1000nm之間之厚度之p型GaInP製成。在此實例中，一AlInP窗及AlGaInP背表面場較佳應分別用於防止發射極層及基極層中之載子(例如，電子及電洞)之重組。
根據本發明，PV電池11之活性材料可包含下列特徵之任何者： 活性材料係一高帶隙晶體材料，較佳係來源於III-V族，諸如(Al)GaInP及類似者。
在圖7中，其繪示GaInP PV電池之實驗外部量子效率對照典型室內LED及CCFL輻射度光譜。PV電池11之活性材料之帶隙較佳係經選擇使得其光譜匹配至環境光譜，如圖7中展示。
環境光源可係諸如一發光二極體(LED)類型光源(例如，白LED、有機LED、聚合物LED)之人工固態光。
環境光源亦可係諸如一冷陰極螢光燈(CCFL)或緊湊型螢光燈(CFL)之人工螢光。
圖7中展示LED及CCFL光譜之一實例。環境光源亦可係自然陽光或自然陽光與人工光照之一組合，該人工光照係如上所描述。
PV電池11之活性材料之帶隙較佳係經選擇使得PV電池11可提供在照明強度之一廣泛範圍中較佳係>0.6V且更佳係>1V之一斷路電壓。如圖8中所描繪，PV電池11維持低至1勒克司CFL強度等級之極佳線性電壓光強度相依性。
此與圖1A中描述之其中PVEH裝置通常需要數個串聯連接之PV電 池7來獲取>1V之一斷路電壓之先前技術形成對比。
活性材料經選擇及處理使得面積正規化之分路電阻較佳係>500kΩ.cm2，且更佳係>1000kΩ.cm2。
如圖2A及圖2B所展示，前金屬接觸元件10係用於有效地從PV電池11中提取電力。PV電池11之活性材料係一高帶隙晶體材料，其帶隙光譜匹配至環境光源。
根據本發明，前金屬接觸元件10可包含下列特徵之任何者：前金屬接觸元件10可具有任何幾何形狀，但較佳應係圓形、矩形、方形或點接觸墊。
前金屬接觸元件10實質上具有較小尺寸且由前金屬接觸元件10覆蓋之總體面積較佳應表示為小於PV電池11之光接收側之總體面積之5%，更佳為<1%或更佳為<0.1%。
此與圖1A中描述之其中PVEH 1之歸因於金屬網格線5及金屬匯流排4之總體陰影通常>>5%之先前技術形成對比。
圖2A及圖2B中之前金屬接觸元件10之最佳尺寸取決於包含(但不限制於)PV電池面積、發射極片電阻、體電阻、特定接觸電阻、金屬厚度及電阻率之各種實體參數。可藉由諸如傳輸線量測(TLM)之標準度量衡技術獲得此等實體參數。
為了將前金屬接觸元件之區域減少至上述規格內，發射極片電阻較佳應為<1000Ω/□，且更佳為<100Ω/□。
為了將前金屬接觸元件之面積減少至上述規格內，特定接觸電阻較佳應為<10-2Ω.cm2、<10-4Ω.cm2且更佳為<10-5Ω.cm2。
在本發明中，歸因於串聯電阻、分路電阻及接觸陰影之總體分率功率損失PTotal較佳係<20%，更佳係<10%，或更佳係<5%。
前金屬接觸元件10之最佳尺寸亦取決於PVEH操作之動態範圍。本發明中之PVEH 8在自超低光照、低光照至至少中度光照等級之一 廣泛動態範圍內獲取低總體分率功率損失。本發明中之PVEH 8在高光照等級下亦較佳獲取低總體分率功率損失。
圖14展示一GaInP PV電池之針對200勒克司、2500勒克司及6000勒克司CCFL光照等級之實驗IV曲線。根據本發明之GaInP PV電池之填充因數及斷路電壓在所有光照等級下分別係大於80%及1.1V，此展示在光照等級之一廣泛範圍內可獲取一低總體分率功率損失。
圖12展示在低照明(例如<50μW.cm-2)下一GaInP PVEH裝置對照典型a-Si及c-Si PV電池技術之實驗IV曲線。相較於a-Si及c-Si PVEH裝置，改良了根據本發明之GaInP PVEH裝置在超低及低光照等級下之填充因數及因此效能。
圖13展示在高照明(例如>2500μW.cm-2)下一GaInP PVEH裝置對照典型a-Si及c-Si PV電池技術之實驗IV曲線。相較於a-Si及c-Si PVEH裝置，亦改良了根據本發明之GaInP PVEH裝置在高光照等級下之填充因數及因此效能。
前金屬接觸元件10可直接連接至一電導線9(圖2A)。電導線9可係一金屬線或一金屬突片，且附接至前金屬接觸元件10之方法包含接合、焊接及類似者。
前金屬接觸元件10亦可連接至位於PV電池11之周邊之外之額外外部金屬墊13(圖2B)。間接連接至前金屬接觸元件10之方法包含與金屬線14之線接合。間接連接方法類似於圖1A中描述之先前技術，藉以透過藉由金屬線6連接至匯流排4之外部金屬墊3提取功率。
在圖2A及圖2B兩者中，非作用PVEH區域12應保持盡可能小。直接連接至一電導線(圖2A)在此實施例中係一較佳之選項，此係由於非作用PVEH區域12可減少至沒有。
間接連接在下列圖式中將表示為預設連接方法。應瞭解，此不係一限制且直接連接亦可用於以下描述之任何實施例中，即使隨後未 在圖式之描述中提及。
較佳使用一非微影法(諸如，絲網印刷或金屬熔融，但不係必要的)圖案化前金屬接觸元件10。
若PV電池11之接觸層係n型GaAs，則前金屬接觸元件10可基於AuGeNi或In基合金。
若PV電池11之接觸層係n型GaAs，則前金屬接觸元件10可係僅基於銦焊料。
第二實施例
在一第二實施例中，如圖3A至3B至3C所描述，PVEH裝置8之PV電池11包括複數個前金屬接觸元件10。
PV電池11及前金屬接觸元件10具有與第一實施例相同之屬性。
前接觸元件10可組態於PV電池11之同一邊緣且較佳係較長邊緣上(圖3A)。
前金屬接觸元件10亦可組態於PV電池11之不同邊緣上(圖3B)。
最後，前金屬接觸元件10可組態於PV電池11之各隅角處(圖3C)。
前金屬接觸元件10之所有此等組態相較於第一實施例減少串聯電阻損失，但增加歸因於前金屬接觸元件10之陰影損失。
前金屬接觸元件10之最佳組態取決於包含(但不限制於)PV電池面積、PV電池片電阻、體電阻、特定接觸電阻、金屬厚度及電阻率之各種實體參數。可藉由諸如傳輸線量測(TLM)之標準度量衡技術獲得此等實體參數。
為了將前金屬接觸元件之面積減少至上述規格內，發射極片電阻較佳應為<1000Ω/□，且更佳為<100Ω/□。
為了將前金屬接觸元件之面積減少至上述規格內，特定接觸電阻較佳應為<10-2Ω.cm2、<10-4Ω.cm2且更佳為<10-5Ω.cm2。
在本發明中，歸因於串聯電阻、分路電阻及接觸陰影之總體分率功率損失PTotal較佳係<20%，更佳係<10%，且更佳係<5%。
第三實施例
在一第三實施例中，前金屬接觸元件可組態為經延長且覆蓋PV電池11之至少一邊緣之一細長金屬接觸元件15。以下描述兩個主要接觸組態：前金屬接觸元件15可僅覆蓋PV電池11之一邊緣(圖4A)。
前金屬接觸元件15可覆蓋PV電池11之整個周邊(圖4B)。
長形前金屬接觸元件15之兩個組態相較於第二實施例進一步減少串聯電阻損失，但相較於非長形前金屬接觸元件10，其等增加了陰影損失。
長形前金屬接觸元件15之最佳組態取決於包含(但不限制於)PV電池面積、PV電池片電阻、體電阻、特定接觸電阻、金屬厚度及電阻率之各種實體參數。可藉由諸如傳輸線量測(TLM)之標準度量衡技術獲得此等實體參數。
為了將前金屬接觸元件之面積減少至上述規格內，發射極片電阻較佳應為<1000Ω/□，且更佳為<100Ω/□。
為了將前金屬接觸元件之面積減少至上述規格內，特定接觸電阻較佳應為<10-2Ω.cm2、<10-4Ω.cm2且更佳為<10-5Ω.cm2。
在本發明中，歸因於串聯電阻、分路電阻及接觸陰影之總體分率功率損失PTotal較佳係<20%，更佳係<10%，且更佳係<5%。
第四實施例
在一第四實施例中，如圖5及圖6所展示，PVEH裝置8包含串聯連接以獲取一較高斷路電壓之複數個PV電池11。各PV電池可由一III-V材料製成。其後之描述中將展示串聯連接之四個PV電池11，且應注意，此組態不係一限制且僅為繪示目的而選擇。熟習此項技術者將瞭 解如何將所描述之例示性實施例應用於諸多不同PV電池及應用於串聯或並聯連接之一不同組態。
藉由本發明中之PVEH 8獲取之斷路電壓範圍之一實例係4V及以上。
此與圖1A中描述之其中PVEH裝置通常需要8個串聯連接之PV電池7來獲取相同範圍之斷路電壓(例如，4V及以上)之先前技術形成對比。
如圖5A中所描述，PVEH裝置8可包括串聯連接之4個PV電池11，其中一單個前金屬接觸元件10置於各PV電池11之光接收側上。前金屬接觸元件10較佳係置於各PV電池11之較長外邊緣中間以最小化PVEH裝置8之中間及可視區域中之陰影損失。
如圖5B中所描述，PVEH裝置8亦可包括串聯連接之4個PV電池11，其中多個前金屬接觸元件10置於PV電池11之光接收側之同一邊緣上。前金屬接觸元件10較佳係置於各PV電池11之較長外邊緣以最小化PVEH裝置8之中間及可視區域中之陰影損失。
如圖5C中所描述，PVEH裝置8亦可包括串聯連接之4個PV電池11，其中多個前金屬接觸元件10置於各PV電池11之光接收側之不同邊緣上。前金屬接觸元件10較佳係置於各PV電池11之外邊緣以最小化PVEH裝置8之中間及可視區域中之陰影損失。
如圖6A中所展示，PVEH裝置8亦可包括串聯連接之4個PV電池11，其中一單個長形前金屬接觸元件15覆蓋各PV電池11之光接收側上之一邊緣。長形前金屬接觸元件15較佳係覆蓋各PV電池11之較長外邊緣以最小化PVEH裝置8之中間及可視區域中之陰影損失。
如圖6B中所展示，PVEH裝置8亦可包括串聯連接之4個PV電池11，其中多個長形前金屬接觸元件15各自覆蓋各PV電池11之光接收側上之一邊緣。長形前金屬接觸元件15較佳係覆蓋各PV電池11之外 邊緣以最小化PVEH裝置8之中間及可視區域中之陰影損失。
如在先前實施例中，在圖5A至圖5C及圖6A至圖6B之實施例中，存在藉由與一金屬線14之線接合而至前金屬接觸元件10或15之一間接連接。
前金屬接觸元件10或15之最佳組態取決於包含(但不限制於)PV電池面積、PV電池片電阻、體電阻、特定接觸電阻、金屬厚度及電阻率之各種實體參數。可藉由諸如傳輸線量測(TLM)之標準度量衡技術獲得此等實體參數。
為了將前金屬接觸元件之面積減少至上述規格內，發射極片電阻較佳應為<1000Ω/□，且更佳為<100Ω/□。
為了將前金屬接觸元件之面積減少至上述規格內，特定接觸電阻較佳應為<10-2Ω.cm2、<10-4Ω.cm2且更佳為<10-5Ω.cm2。
在本發明中，歸因於串聯電阻、分路電阻及接觸陰影之總體分率功率損失PTotal較佳係<20%，更佳係<10%，且更佳係<5%。
根據此描述，本發明之一態樣係一光伏打能量收集裝置。在例示性實施例中，該光伏打能量收集裝置包含一單接面光伏打電池。光伏打電池包括：一光轉換元件，其由光譜匹配至一環境光源之一寬帶隙III-V活性材料製成；一光接收側，其擺脫前金屬接觸網格線；及至少一離散金屬接觸元件，其置於該光接收側且實現從該光轉換元件中提取功率。
在光伏打能量收集裝置之一例示性實施例中，光轉換元件之活性材料係由(Al)GaInP化合物製成。
在光伏打能量收集裝置之一例示性實施例中，光轉換元件之活性材料光譜匹配至一人工螢光、一人工固態光、自然陽光或人工光照與自然陽光之一組合中之至少一者。
在光伏打能量收集裝置之一例示性實施例中，光接收側僅包含 置於光伏打電池之一較長邊緣上之一金屬接觸元件。
在光伏打能量收集裝置之一例示性實施例中，光接收側包含置於光伏打電池之一同一邊緣上之複數個金屬接觸元件。
在光伏打能量收集裝置之一例示性實施例中，光伏打電池之光接收側包含置於光伏打電池之不同邊緣上之複數個金屬接觸元件。
在光伏打能量收集裝置之一例示性實施例中，至少一金屬接觸元件係一點接觸墊、一圓形接觸墊或一矩形接觸墊中之一者。
在光伏打能量收集裝置之一例示性實施例中，由至少一金屬接觸元件覆蓋之一總體面積小於光伏打電池之光接收側之一總體面積之5%。
在光伏打能量收集裝置之一例示性實施例中，使用一低解析度光微影法、一絲網印刷法或一焊接法中之一者圖案化至少一金屬接觸元件。
在光伏打能量收集裝置之一例示性實施例中，至少一金屬接觸元件係由AuGeNi合金或銦中之至少一者製成。
在光伏打能量收集裝置之一例示性實施例中，光伏打能量收集裝置包括由III-V材料製成且經串聯互連以獲取一較高斷路電壓之複數個光伏打電池。
在光伏打能量收集裝置之一例示性實施例中，一面積正規化分路電阻係大於500kΩ.cm2。
在光伏打能量收集裝置之一例示性實施例中，至少一金屬接觸元件之一特定接觸電阻小於10-2Ω.cm2。
在光伏打能量收集裝置之一例示性實施例中，歸因於串聯電阻、分路電阻及接觸陰影之一總體分率功率損失小於20%。
在光伏打能量收集裝置之一例示性實施例中，在超低光照等級下歸因於串聯電阻、分路電阻及接觸陰影之一總體分率功率損失小於 20%。
在光伏打能量收集裝置之一例示性實施例中，在低光照等級下歸因於串聯電阻、分路電阻及接觸陰影之一總體分率功率損失小於20%。
在光伏打能量收集裝置之一例示性實施例中，在中度光照等級下歸因於串聯電阻、分路電阻及接觸陰影之一總體分率功率損失小於20%。
在光伏打能量收集裝置之一例示性實施例中，在高光照等級下歸因於串聯電阻、分路電阻及接觸陰影之一總體分率功率損失小於20%。
在光伏打能量收集裝置之一例示性實施例中，光伏打電池包含與環境光源光譜匹配之一抗反射塗層。
在光伏打能量收集裝置之一例示性實施例中，PV電池包含一球形光學透鏡元件或一夫瑞奈(Fresnel)光學透鏡元件。
根據本發明之一態樣，PV活性材料可由(Al)GaInP III-V半導體化合物製成，但不限制於此。
使用與環境光源光譜匹配之一PV活性材料增加PV電池之短路電流密度，藉此改良PVEH裝置之效能。
根據本發明之另一態樣，環境光源係諸如冷陰極螢光燈(CCFL)或緊湊型螢光燈(CFL)之人工螢光類型光照。
仍根據本發明之另一態樣，環境光源係諸如發光二極體(LED)類型光源(白LED、有機LED、聚合物LED)之人工固態光。
仍根據本發明之另一態樣，環境光源係自然陽光或自然陽光與人工光照之一組合。
使用與環境光源光譜匹配之一單層或雙層抗反射塗層(ARC)亦增加PV電池之短路電流密度。
根據本發明之另一態樣，PVEH模組包括經串聯互連以獲取一較高斷路電壓之數個PV電池。
僅藉由位於PV電池之周邊處之一個或數個離散前金屬接觸元件提供電力提取。
相較於習知前金屬網格線接觸設計，藉由PV電池上之離散前金屬接觸元件覆蓋之低面積減少接觸陰影。
根據本發明之另一態樣，藉由PV電池上之前金屬接觸元件覆蓋之總體面積小於5%。
根據另一態樣，藉由PV電池上之前金屬接觸元件覆蓋之總體面積小於1%。
根據另一態樣，藉由PV電池上之前金屬接觸元件覆蓋之總體面積小於0.1%。
相較於習知前金屬網格線接觸設計，離散前金屬接觸元件與高帶隙晶體活性材料之組合減少總體分率功率損失。
根據本發明之另一態樣，PV電池上之前金屬接觸元件提供歸因於串聯電阻、分路電阻及接觸陰影之小於20%之一總體分率功率損失。
根據本發明之另一態樣，PV電池上之前金屬接觸元件提供歸因於串聯電阻、分路電阻及接觸陰影之小於10%之一總體分率功率損失。
根據另一態樣，PV電池上之前金屬接觸元件提供歸因於串聯電阻、分路電阻及接觸陰影之小於5%之一總體分率功率損失。
根據另一態樣，PV電池上之前金屬接觸元件提供歸因於串聯電阻、分路電阻及接觸陰影之小於1%之一總體分率功率損失。
根據另一態樣，前金屬接觸元件係點接觸墊。
根據另一態樣，前金屬接觸元件係圓形接觸墊。
根據另一態樣，前金屬接觸元件係矩形接觸墊。
根據另一態樣，前金屬接觸元件係長形匯流排。
根據另一態樣，透過接合或焊接至PV電池上之前金屬接觸元件之電線實現從PV電池中提取電力。
根據另一態樣，透過接合至PV電池上之前金屬接觸元件之電突片實現從PV電池中提取電力。
根據另一態樣，僅透過PV電池上一單個前接觸元件實現PV電池之間之電力提取及/或互連。將前金屬接觸元件僅定位於PV電池之光接收側之周邊改良PVEH裝置之色彩一致性及整體美觀。
根據另一態樣，透過置於PV電池區域之外之額外接觸墊實現電力提取及/或互連，此等額外接觸墊之各者電連接至PV電池之前金屬接觸元件。
仍根據另一態樣，前金屬接觸元件置於PV電池之一單個邊緣且較佳係較長邊緣上。
仍根據另一態樣，前金屬接觸元件係置於PV電池之數個邊緣上。
仍根據另一態樣，前金屬接觸元件係置於PV電池之各隅角上。
根據另一態樣，前金屬接觸元件係沿PV電池之光接收側之整個周邊而安置。
可使用比標準高解析度光微影法更具成本效率之處理技術製造PV電池上之離散前金屬接觸元件。
根據另一態樣，前金屬接觸元件由一低解析度光微影法製成。
根據另一態樣，前金屬接觸元件由一非光微影法(例如，絲網印刷、遮光罩沈積、焊接、電鍍或噴墨印刷)製成。
根據另一態樣，前金屬接觸元件之金屬係由AuGeNi合金製成。
根據另一態樣，前金屬接觸元件之金屬係由銦焊料製成。
工業實用性
根據本發明之PVEH裝置可用作為用於低功率感測器及裝置之一再生電源。
8‧‧‧光伏打能量收集裝置
10‧‧‧金屬接觸元件
11‧‧‧光伏打電池
12‧‧‧非作用光伏打能量收集裝置區域
13‧‧‧外部金屬墊
14‧‧‧金屬線

Claims (15)

  1. 一種包括一單接面光伏打電池之光伏打能量收集裝置，其中該光伏打電池包括：一光轉換元件，其由一高帶隙III-V活性材料製成且該活性材料具有介於1.12eV至2.0eV之一範圍中之一直接帶隙且光譜匹配至一環境光源；一光接收側，其擺脫前金屬接觸網格線；及至少一離散金屬接觸元件，其置於該光接收側且實現從該光轉換元件中提取功率。
  2. 如請求項1之光伏打能量收集裝置，其中該光轉換元件之該活性材料係由(Al)GaInP化合物製成。
  3. 如請求項1之光伏打能量收集裝置，其中該光轉換元件之該活性材料光譜匹配至一人工螢光、一人工固態光、自然陽光或人工光照與自然陽光之一組合中之至少一者。
  4. 如請求項1之光伏打能量收集裝置，其中該光接收側僅包含置於該光伏打電池之一較長邊緣上之一金屬接觸元件。
  5. 如請求項1之光伏打能量收集裝置，其中該光接收側包含置於該光伏打電池之一同一邊緣上之複數個金屬接觸元件。
  6. 如請求項1之光伏打能量收集裝置，其中該光伏打電池之該光接收側包含置於該光伏打電池之不同邊緣上之複數個金屬接觸元件。
  7. 如請求項1至6中任一項之光伏打能量收集裝置，其中由該至少一金屬接觸元件覆蓋之一總體面積小於該光伏打電池之該光接收側之一總體面積之5%。
  8. 如請求項7之光伏打能量收集裝置，其中使用一低解析度光微影 法、一絲網印刷法或一焊接法中之一者而圖案化該至少一金屬接觸元件。
  9. 如請求項1至6中任一項之光伏打能量收集裝置，其中至少一金屬接觸元件之一特定接觸電阻小於10-2Ω.cm2。
  10. 如請求項9之光伏打能量收集裝置，其中在低光照等級下歸因於串聯電阻、分路電阻及接觸陰影之一總體分率功率損失小於20%。
  11. 如請求項1至6中任一項之光伏打能量收集裝置，其中該活性材料包括由(Al)GaInP製成之至少一發射極及由(Al)GaInP製成之一基極材料，該發射極之一片電阻不超過1000Ω/□。
  12. 如請求項1至6中任一項之光伏打能量收集裝置，其中該光伏打電池之一面積正規化分路電阻不小於500kΩ.cm2。
  13. 一種包括一單接面光伏打電池之光伏打能量收集裝置，其中該光伏打電池包括：一光轉換元件，其由光譜匹配至一環境光源之(Al)GaInP III-V活性材料製成，且該活性材料具有介於1.12eV至2.0eV之一範圍中之一直接帶隙，且該光伏打電池之一面積正規化分路電阻不小於500kΩ.cm2。
  14. 如請求項13之光伏打能量收集裝置，其中該活性材料至少包括由(Al)GaInP製成之一發射極及由(Al)GaInP製成之一基極材料，該發射極之一片電阻不超過1000Ω/□。
  15. 如請求項14之光伏打能量收集裝置，其中歸因於串聯電阻、分路電阻及接觸陰影之一總體分率功率損失小於20%。
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