TWI390748B

TWI390748B - Light energy of the battery efficiency film

Info

Publication number: TWI390748B
Application number: TW096108130A
Authority: TW
Inventors: Naum Soshchin
Priority date: 2007-03-09
Filing date: 2007-03-09
Publication date: 2013-03-21
Also published as: US20080236667A1; TW200837971A

Description

光能電池之增效轉光膜

本發明係有關於一種光能電池及增效轉光膜，尤指一種可將太陽短波及可見光波段的輻射轉移至黃色和黃橘色波段的增效轉光膜，其所提供的光能電池完全工作時的有效率可達18~18.7%。

借助於單晶矽將太陽輻射的能量進行轉化的自然光能裝置組件的最簡架構如下。該光能電池組件是在單晶矽的基礎上構建起來的，通常是p型導電類型的半導體單晶矽片。這種導電類型是透過在單晶矽中加入硼的混合物實現的。通常氣相銻的混合物在p型矽中擴散會在矽片表面形成p-n類型間的轉化，導電類型由電洞導電變為電子導電，即n型導電。矽片表面n型覆膜的濃度為0.5~3微米。該覆膜通常與金屬電極相接觸(金或其合金)。在矽片背面完全覆蓋上金屬電極或是以銀覆膜形式存在的電極。

以下是光能電池組件工作的物理原理。當該組件被自然光照或人工照明的輻射激活時，被矽材料吸收的光子將生成不平衡的電子電洞對。此時，位於臨近p-n躍遷的p層中的電子向該躍遷的邊界遷移，被其中存在的電引力場吸入到n型區域。另一方面，存在於矽片表面n層的電洞載體(p型載體)部分轉移到矽片內部，即矽片p型區域.這種擴散的結果是n層獲得了額外的負電荷，而p層獲得了額外的正電荷.半導體矽片p層與n層間的勢能接觸差減小，此時外部電路中形成了電壓。該半導體電源的負極是n層，而正極是p層。

矽片在光照條件下發生的光電效應可用伏安特性方程來描述：U=(KT/q)*1n[(I_ph -I)/I_S +I_z ]其中I_S -供給電流，I_ph -光電流從半導體矽片表面每平方厘米面積所能獲得的最大功率I_ph *U=X*I_K3 *U_XX ，其中，X為伏安特性比例係數，I_K3 為短路電流，U_XX 為空載電壓。上述光能電池組件最簡架構的有效工作係數為15~16%，一片半導體矽片光能電池可轉化並獲得高達40W的功率。

該光能電池組件架構的主要缺陷是半導體矽片表面p層與n層濃度的不均勻性.此外，p-n和矽較活躍時的光譜最大值通常無法與太陽輻射的光譜最大值相重合。

下面援引圖表來解釋這種偏差。圖1是習知光能電池的基本架構圖，其中，1是p型單晶矽片，2是n型導電層，3是電極系統，4是外層抗反射覆膜。通常在光能電池矽片外面包上由乙酸乙烯酯或聚碳酸酯類化合物構成的防塵外殼。

根據在中緯度(例如北緯48°)太陽與地平線成45°角時測得的太陽輻射能量光譜圖可以很明顯地觀察出，到達地球表面的太陽輻射能量最高的分波段在290-1060nm間。(需要指出的是，當光能電池在近太空環境中工作時，在其完整的光譜圖中還會出現UV與VUV分波段的短波輻射與波長大於1065 nm的紅外中波輻射；而在地球表面工作時，短波輻射會被大氣中的氧氣吸收，UV中波輻射會被水蒸汽強烈吸收)。

另外值得注意的是，太陽輻射光譜圖中能量的不均衡分佈。太陽輻射能量的最大值出現下藍色波段λ= 470nm處。在可見光的主要波段500~600nm段的太陽輻射較最大值減少了20%，λ=720nm對應的輻射值減少了一半。λ=1000nm=1微米對應的輻射值僅是最大值的1/5。圖2是在與太陽輻射相對應的各分波段測得的光能電池樣品敏感度標準光譜曲線，將太陽輻射能量光譜圖中的數據與圖2中的數據進行比較，可發現下λ=400~470nm太陽輻射最大值區域內單晶矽敏感度的最大值不超過最高敏感度的20%。在光譜的λ=440~880nm波段，單晶矽敏感度曲線急劇上升，即單晶矽光能電池對可見光與近紅外光波段的輻射比較敏感，然而IM125光能電池的敏感度最大值出現在近950~980nm波段。單晶矽光能電池的敏感度最大值位於上述窄波段內是由單晶矽的能帶架構決定的，其禁帶的寬度Eg=1.21ev，對應波長λ=950nm。

透過以上對太陽輻射光譜與單晶矽光能電池光譜敏感度的比較，可得出以下結論：1.太陽輻射峰值與光能電池敏感度最大值對應的波長的間距△λ=500nm，對應的能量間距△E=0.42ev；2.太陽輻射能量較高的380~550nm波段對應的單晶矽的敏感度很低；3.太陽輻射峰值的波長幾乎是單晶矽敏感度最高時輻射的光子的波長的2倍。

這些重要的物理結論決定了現有的單晶矽光能電池的主要缺陷：這種電池的有效係數相當低，理論最大值由單晶矽的光譜敏感度與太陽輻射的積分關係決定，不超過28~30%；2.太陽中波輻射的峰值在λ=470~620nm波段，此時對單晶矽電池的激發作用相當微弱。太陽輻射的光子在被光能電池材料吸收后多餘的能量將會引起聲子輻射，產生hv=500cm^-1 (~0.1ev)的聲子，使光能電池材料溫度升高。在這個過程中矽的禁帶寬度會減小(0.01ev/℃)。同時，單晶矽光能電池敏感度最大值對應的波長向980~1020nm長波段移動，在這個波段水蒸汽對太陽輻射穿透大氣層的過程影響已經相當大；3.λ=2.5~3ev的太陽短波輻射的能量會導致在光能電池材料中產生不可逆轉的缺陷：在波節處產生空位，以及在波節間形成原子，這必然會降低光能電池阻擋層光的效果。

此類偏差造成了電池無法達到上述的15~16%的有效工作係數。單晶矽光能電池的研究者和生產者長期致力於研究克服上述種種缺陷與局限性的方案。Chopr在其專題論文«薄膜光能電池»(世界出版社，1985年，378~379頁)中提出了一種解決方案，被我們作為原型。圖3是上述專題論文中的一幅圖表。這一方案的物理意義在於：在光能電池外表面覆蓋一層單晶紅寶石，它能強化吸收2.3~3.2ev區域的太陽輻射，激發Cr⁺³ 發生d-d躍遷，窄頻帶發光。紅寶石內部Cr⁺³ 的輻射峰值對應的波長λ=695nm。因此太陽的原始輻射向長波段變化，短波波段的輻射完全移至λ=700nm的輻射區域。

在圖3中之“光子能量-吸收光係數”坐標圖中，曲線2表示被激活的Cr⁺³ 吸收光的係數，曲線1表示這種單晶紅寶石在光激發下的發光狀態。圖中還標示出了單晶矽電池在其表面覆蓋有可被激發發光的紅寶石時的載體聚集係數(曲線3)，該係數因紅寶石層的存在與否而變化。可以看出，太陽輻射直接激發的短波輻射區域的載體聚集係數比依靠紅寶石變頻器工作的發光裝置的載體聚集係數高10~20%。上述專題論文的作者因此得出結論：依靠紅寶石變頻器工作的單晶矽光能電池的有效率還可能提升0.5~2%。這是光能電池技術領域取得的實質性的進步，但仍存在以下問題：1.紅寶石Al₂ O₃ ‧Cr被激發發光的光譜與單晶矽光能電池敏感度曲線不能完全重合；2.上述裝置因使用單晶紅寶石，成本很高，誠屬美中不足之處。

為解決上述習知技術之缺點，本發明之主要目的係提供一光能電池及增效轉光膜，其採用了可強化吸收可見光波段近80%輻射的寬頻帶光譜轉化器。

本發明之另一目的在於提供一種光能電池及增效轉光膜，其增效轉光膜輻射出的光譜非窄頻帶的，而是覆蓋了能量集中的λ=530~610nm波段。

本發明之另一目的在於提供一種光能電池及增效轉光膜，其增效轉光膜具有較高的轉化率，光子輻射可達96%。

本發明之另一目的在於提供一種光能電池及增效轉光膜，其增效轉光膜被做成內部填充有無機螢光粉超分散顆粒的聚合薄膜，薄膜與p型單晶矽片的外表面直接接觸。該技術方案最顯著的特徵是可將16%以上的光能轉化成電能。

為達上述之目的，本發明之一種光能電池，其包括：一單晶矽片，用以承載後述之增效轉光膜；以及一增效轉光膜，其被製成一薄聚合層的形式，該聚合層內填充有一無機螢光粉，且與該單晶矽片的外表層相接觸，其可強化吸收一第一特定分段波的自然光輻射，將其再輻射至一第二特定分段波。

其中，該第一特定分段波之波長為300~580 nm；該第二特定分段波之波長為530~610 nm。

為達上述之目的，本發明之一種增效轉光膜，係用於一光能電池中，其係為一由無機粉所製成之聚合物薄膜並可與一單晶矽片的外表層相接觸，其可強化吸收一第一特定分段波的自然光輻射，將其再輻射至一第二特定分段波。

迄今為止，有關光能電池的最大有效率，還未有人發表過同等水準的數據。在單晶矽片和增效轉光膜基礎上構建的光能電池能達到這種技術水準，是由於電池中的增效轉光膜是以聚碳酸酯，或/和聚矽氧烷，或/和聚丙酸酯為基體構成的聚合物，在其內部填充有以Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ主族元素的氧化物為基體的螢光粉顆粒，顆粒具有石榴石類型晶體架構，直徑小於輻射峰值波長，且聚合物中螢光粉顆粒的填充量在0.1~50%之間。

請參照圖4，其繪示本發明之光能電池之結構示意圖。如圖所示，本發明之光能電池包括：一矽片10；以及一增效轉光膜20所組合而成者。

其中，該矽片10例如但不限於為一p型單晶矽片、一p型多晶矽片、一n型單晶矽片或一n型多晶矽片，在本實施例中係以p型單晶矽片為例加以說明，但並不以此為限，且本發明之電池係由不超過120mm的矽片平面組合而成，總量16~20片，構成總電阻小於100 Ω的並聯電路。

該增效轉光膜20係被製成一薄聚合層的形式，該聚合層內填充有一無機螢光粉21，例如但不限於為一無機螢光粉超分散顆粒，且與該單晶矽片10的外表層相接觸，其可強化吸收一第一特定分段波，例如但不限於為300~580 nm之自然光輻射，將其再輻射至一第二特定分段波，例如但不限於為530~610 nm。其中，該增效轉光膜20係為一有機聚合物，其中的平均聚合度為m=100~500，分子質量為10000~20000標準單位。此外，該增效轉光膜20進一步可具有一環氧樹脂(epoxy)(圖未示)材料，以增加其轉光性。

該無機螢光粉21之基體係由鋇和釔的同類鋁酸鹽的固體溶液構成，其化學組成例如但不限於為Ba_α (Y,Gd)_3β Al_2α+5β O_4α+12β ，其中α之取值範圍例如但不限於為α1或α1，β的取值例如但不限於為β或β1。晶格的晶系隨鋇與釔比例關係的改變而變化。當α0.1時，晶格是立方晶系；當α=1，β0.1時，晶格是六方晶系；當α=1，β=1.0時，晶格是單斜晶系。在上述化合物中加入f元素與d元素：Ce，Pr，Eu，Dy，Tb，Sm，Mn，Ti或Fe，它們具有+2~+4間不同的氧化程度，當基體化合物被λ470nm的短波輻射激發時，上述離子會輻射出波長λ=530~610nm的綠橙色光，輻射被總濃度100~300微米的單晶矽片的P層強烈吸收。

其中，該增效轉光膜20係以聚碳酸酯及/或聚矽氧烷，及/或聚丙烯酸酯基為基礎所形成的含氧聚合物，該聚合物中填充有以具有石榴石晶體架構的元素週期表Ⅱ、Ⅲ或Ⅳ主族元素的氧化物為基體的螢光粉顆粒，該顆粒的直徑小於峰值波長(d<d_λmax )，且該聚合物中螢光粉顆粒的含量為0.1~50%。此外，該增效轉光膜20之外表面呈黃橙色，對300~520 nm波段的光的吸收率大於60%。此外，該增效轉光膜20之量子輻射率在75~96%間變化，隨著薄膜濃度在0.1~0.5 mm間優化而增大，該薄膜20對電池接收到的自然光的整體反射率為4~6%。

該增效轉光膜20係由分子質量m=12000標準碳單位的聚碳酸酯薄膜構成，其中該無機螢光粉21體積濃度為30%。

以下是本發明之光能電池的物理本質。首先，選用聚碳酸酯及/和聚矽氧烷，及/和聚丙酸酯作為增效轉光膜20的材料，而不是任意的聚合物，是因為上述聚合物在λ=400~1200 nm寬頻帶內具有相當高的透光性。此外，上述聚合物對太陽短波輻射的損壞閥值較高。

上述增效轉光膜20的主要特點還體現為其組成中包含由Ⅱ，Ⅲ主族元素的氧化物構成的無機螢光粉21顆粒。此外，無機螢光粉21的直徑小於激發他們發光的太陽輻射的波長，從而完全改變了螢光粉顆粒21發生光散射的規律(在這種情況下，Relei光散射定律服從於Mi建立的規律)。要實現發光光譜與太陽原始輻射光譜相重疊，增效轉光膜20中螢光粉顆粒21的填充量應在0.1~50%之間。這種增效轉光膜20的製作方法通常是將聚合物溶解於二氯代甲烷或三氯代乙烯等有機溶劑中，透過澆鑄法製成聚合薄膜。

由於不發生散射或發生微量散射，上述聚合增效轉光膜20在濃度為80~100微米時透光率可達85%(直射時)，在透射的光中會出現黃橙色光。

這種用於光能電池的新型增效轉光膜20之所以具備以上特點，其化學基礎是以鋇和釔的同類鋁酸鹽的固體溶液構成，其化學式為Ba_α (Y,Gd)_3β Al_2α+5β O_4α+12β ，被Ce⁺³ ，Pr⁺³ 單獨或共同激活，這些離子由於其內部發生d-f躍遷而產生輻射。

由本發明之實驗中得出，石榴石架構的螢光粉被Ce⁺³ ，Cr⁺³ 激發發光的最佳亮度對應的螢光粉21填充濃度為1~3%。相對於d-f激活元素的量而言，石榴石類型同晶架構的含量已經相當高。其次，上述化學式提供了可使螢光粉21輻射向長波方向移動的方法。此方法是用Gd離子取代部分Y離子，此時Ce⁺³ ，Pr⁺³ 的輻射向長波方向移動，分別對應530~590nm，600~625nm。每用1%的Gd離子取代1%的Y離子，峰值波長移動1nm。

本發明之物理化學實質如下：首先，本發明之實驗發現，第Ⅱ主族元素的鋁酸鹽與鋁酸釔具有相近的光學特性，如MeAl₂ O₄ (當Me=Mg或Ca時，形成具有MgAl₂ O₄ 尖晶石類型的立方晶系結構的化合物)，或Me₄ Al₇ O₁₅ 類型的化合物。當這些化合物被Ce⁺³ 離子啟動時，具有很強的發光特性，會被λ470nm的光束激發發光。

本發明之實驗還發現，第Ⅱ主族元素的單鋁酸鹽和多鋁酸鹽在與Y₃ Al₅ O₁₂ 石榴石類型鋁酸釔或鈣鈦礦YAlO₃ 類型鋁酸釔形成固體溶液時，其發光特性會增強。這種固體溶液的成分中含有整數數目的MeAl₂ O₄ 類型單鋁酸鹽，例如，單位釔鋁石榴石中可能含有1、2、3或4個單位單鋁酸鹽。然而，也有可能得到含有非整數單位的單鋁酸鹽的固體溶液，如，MeAl₂ O₄ 的數量可以是0.1、0.25、0.4或0.5等。第Ⅱ主族元素的鋁酸鹽與鋁酸釔形成的固體溶液中也可含有少量後者。這種情況下，當α=1，β0.1 時，固體溶液的晶體結構接近六方晶系；而當α0.1，β=1時，晶體結構接近鋁酸釔石榴石典型的立方晶系。此時的晶格參數接近a=12.4Å，大於標準釔鋁石榴石的晶格參數。然而，在具有此參數數值的晶格中Ce⁺³ 離子更易溶解(溶解度可達15%以上，而在標準釔鋁石榴石中Ce₂ O₃ 的平均溶解度不超過3%。

其中，當α1，且β1時，固體溶液的晶格結構疏鬆，屬於單斜晶系(a,b,c,γ角)。

第Ⅱ主族元素的鋁酸鹽與鋁酸釔形成的固體溶液可以很好地溶解體積較大的離子，如Ce⁺³ 。與Ce⁺³ 同屬於輕稀土元素的Pr⁺³ 也易溶解於該固體溶液中。Dy⁺³ ，Tb⁺³ ，Eu⁺³ 等重稀土元素離子及位於輕，重稀土元素交界位置的Sm⁺³ 極易溶解於合成的固體溶液。此時，具有可變價態的Eu⁺² 和Sm⁺² 可能同時存在兩種不同的氧化狀態：+2和+3價態，而Mn⁺² 與Mn⁺⁴ ，Ti⁺³ 與Ti⁺⁴ 以及Fe⁺² 與Fe⁺³ 可能同時或單獨存在於固體溶液的晶格結構中。這時所有上述離子都具有很強的發光性(其中某些離子，如Ti⁺³ ，是重新獲得了這種發光性)。所有上述具有強發光性的離子被激發發光的波段在近紫外波段(Dy⁺³ ，Tb⁺³ ，Mn⁺⁴ ，Ti⁺³ )或可見光光譜中λ=440nm的藍色光波段。

在上述新型化合物中使用多種啟動劑具有以下優點：1.螢光粉發光光譜覆蓋的波段較之前更寬；2.可通過加入少量第二種甚至第三種啟動劑，改變或修正原始發光的顏色；3.可通過選擇不同頻率的激發光，改變螢光粉發光的顏色。

化學計量參數α與β在取值範圍內取任意值，上述優點都有所體現，當對應1m Y₃ Al₅ O₁₂ ，α=0.25和α=0.5時，表現尤為突出。此時，螢光粉基體的晶格呈立方晶系，化合物BaAl₂ O₄ 及Y₃ Al₅ O₁₂ 分別被Eu⁺² 及/或Ce⁺³ 啟動，互相溶解，生成螢光物質。

當化學計量參數α=1且β0.1時，形成化學式為BaY_0.3 Al_2.5 O_5.2 的螢光粉，二價稀土元素離子Eu⁺² 與Sm⁺² 將其啟動，在光譜的藍綠色波段窄頻帶發光，譜線半寬λ_0.5 =60~70nm。此時的螢光粉基體具有斜方系晶體結構，被異質結發出的λ=460 nm的藍色光激發後，發射出色品座標x=0.17~0.22，y=0.45~0.55的強烈的藍綠色光。

除傳統的啟動劑Ce⁺³ 外，若在螢光粉基體中再溶入Ti⁺³ 與Fe⁺³ 可使螢光粉輻射峰值增大125~130nm，此時的色品座標具有橙紅色特徵：x0.40，y0.45。

在螢光粉基體中加入化學計量參數α1的BaAl₂ O₄ ，固體溶液晶體具有斜方晶系結構。此時可以用Gd⁺³ 取代部分Y⁺³ ，螢光粉的輻射峰值會向長波方向移動，從λ=558nm處移至λ570nm波段。發光色品座標之和為Σ(x+y)0.80。這種螢光粉樣品的優勢表現在發出高溫紅色光。

化學計量參數α，β在α/β2範圍內變化會使合成螢光粉本身的顏色加深。當α=1，β=1時，螢光粉呈淺黃色，接近於草黃色，隨著α取值之增大，漸變為金色。該螢光粉吸收輻射的最小值出現在λ=440~480nm波段，對λ560nm波段的光的反射值最大，達到R=90~95%。

前面已經提及，可以用Sr⁺² 或Ca⁺² 取代陽離子亞晶格中的部分Ba⁺² 。此時，螢光粉基體可被Eu⁺² ，Sm⁺² 或Mn⁺² 啟動，在光譜的505~585nm波段產生窄頻帶輻射，△λ=100~110nm。

在本發明中還研究了螢光粉發光的運動特性。當化學計量參數α=1，β0.5時，螢光粉發光的餘暉τ_e =100~150 ns，而當β/α4時，餘暉會減至τ=40~50 ns。

本發明所提出的這種螢光粉有若干合成方案。請參照圖5，其繪示本發明一較佳實施例之螢光粉之製備方法之流程示意圖。如圖所示，本發明之螢光之製備方法包括下列步驟：將氧化物原料與碳酸鹽進行固態燒結(步驟1)；在高溫環境下持續若干小時(步驟2)；以及在還原環境中以高溫進行灼燒階段(步驟3)。

此外，本發明所提出的這種螢光粉其具體成分請詳見表1。

由吸收光譜表明，所有上述原料均能強烈吸收可見光波段的輻射，這是由於混合粉末呈現出黃色，黃橙色。螢光粉顆粒由於具有這種鮮豔的顏色而常用於減小光能電池外表面的反光係數，從而降低了對光能電池外部架構的要求。現代生產工藝中通常在矽片表面覆蓋Si₃ N₄ 薄膜使其表面發光。然而這種操作因技術難度大，成本高而提升了整個光能電池的生產成本。就此而言，使用充分著色的螢光粉降低了光能電池的商業成本。

本發明之增效轉光膜20可由以下兩種不同方法製成：1.將聚合物懸濁液澆鑄在單晶矽片10表面。這種方法製得的增效轉光膜20片層的尺寸與矽片10的幾何尺寸完全重合。聚合物懸浮液中螢光粉顆粒21的濃度為0.5~50%，同時需考慮到，當螢光粉顆粒21濃度較低時，需增大聚合薄膜的濃度；當螢光粉濃度較高時，則可以將聚合薄膜的濃度減小至20~60微米。在這種情況下，增效轉光膜20可吸收60~90%照射在其表面的光，保證較高的發光效率和光子輻射率。光能電池具有這一優點是因為增效轉光膜20外表面呈黃橙色，對300-520nm波段輻射的吸收率大於60%。同時光子輻射率為75~96%，隨著聚合薄膜濃度在0.1~0.5mm間優化而增大，增效轉光膜20對照射在其表面的光的反射率為4~6%。

此外，這種增效轉光膜20還具有以下特點：首先，構成增效轉光膜20的有機聚合物的平均聚合度接近100~500，從而保證了其分子質量接近10000~20000個標準碳單位。當聚合度最小，分子質量最小時製得的聚合薄膜硬度過大，可塑性差；另一方面，增大聚合度會使聚合物的透光性降低而導致光能電池的有效率降低。

此外，本發明在研究過程中發現，增效轉光膜20的最佳製作方案是將聚碳酸酯溶解在CH₂ Cl₂ 中製成20%的溶液，然後澆鑄而成。此時聚碳酸酯的分子質量為12000個標準碳單位。化學組成為Ba_α (Y,Gd)_3β Al_2α+5β O_4α+12β ，平均直徑為0.6微米的螢光粉顆粒21在聚合物中的最佳填充濃度為20%。矽片表面澆鑄而成的增效轉光膜聚合層的濃度為60±5微米。然後將若干覆蓋有增效轉光膜20的單晶矽片10組裝成光能電池。

除了上述澆鑄法外，本發明還嘗試在190℃下高溫擠壓製成聚乙烯材料的增效轉光膜20。用擠壓法製作聚乙烯薄膜的工藝在前述專利文獻中有詳細說明，因此此處不另加描述，需要指明的是薄膜中螢光粉的濃度為18%，具體組成為：低濃度聚乙烯62%，EVA20%，螢光粉18%。聚乙烯薄膜濃度為120±10微米，具有很高的均質性和韌性。透過專用粘合劑將含螢光粉的聚乙烯薄膜粘在矽片表面。

以下是關於光能電池整體架構的描述。通常，電池由一組並聯的矽片構成，一個電池中矽片的數量由單晶矽片10的幾何大小決定。下面表2中列出了本發明中所用的單晶矽片10的規格參數。矽棒橫截面假正方形(四個角缺失的)的面積為125*125±0.5mm，矽片具有標準濃度300±30微米。這種矽片因質量較大(>25克)，而增大了一塊多元光能電池上所需的單晶矽片10的成本。因此在本發明的研究過程中嘗試使用更薄的矽片(濃度1=240±25微米)，這樣矽片的成本可以降低20%。同時，電阻的變動範圍最小(±10%)，更便於裝配電池。通常使用的光能電池的面積為0.25 m² ，由16片單晶矽片組成。少數情況下，為組裝大型儀器需使用由64或144片單晶矽片10構成的電池。

在使用單晶矽片10組裝光能電池的同時，本發明也嘗試性地使用多晶矽製作了光能電池樣品。將多晶矽材料做成薄膜，置於金屬導體底座上。多晶矽就物理特性而言，其內部載流子的活動性要比單晶矽差，然而使用多晶矽可以降低電池的成本。

以下是裝配有增效轉光膜20的光能電池的輸出特性。實驗所用電池均由128片覆蓋有增效轉光膜20的單晶矽片10組成。矽片10各項參數均在標準變動範圍內。電池有效率最大值為18.7%，此時的輸出功率為2.72瓦。有效率最高的樣品的最大輸出電壓為0.620伏，對應的短路電流為5.50安培。與同系列中有效率最高的普通單晶矽電池相比，配有增效轉光膜20的單晶矽電池樣品的最大有效率要高出1.2%，對應的輸出電壓和短路電流都比前者要高。

本發明之實驗中還發現，所有參與實驗的配有增效轉光膜20的單晶矽電池中表現最差的樣品的有效率為15%(普通光能電池的有效率約為13.5%)，此時的輸出電壓為0.600瓦，短路電流為4.70安培。以上實驗結果證明，這種配有增效轉光膜20的光能電池與傳統光能電池相比，具有無可爭議的優點。

本發明之光能電池及增效轉光膜可在太陽輻射能量較高的380~550nm波段提升單晶矽片的轉換效能，因此，可提升光能電池整體之轉換效能，因此較傳統光能電池具有無可爭議的優點。

綜上所述，本發明之光能電池及增效轉光膜其光譜轉化器被做成內部填充有無機螢光粉超分散顆粒的聚合薄膜，薄膜與p型單晶矽片的外表面直接接觸。該技術方案最顯著的特徵是可將16%以上的自然光能轉化成電能，因此，確可改善習知光能電池之缺點。

雖然本發明已以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，當可作少許之更動與潤飾，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。

1‧‧‧p型單晶矽片

2‧‧‧n型導電層

3‧‧‧電極系統

4‧‧‧外層抗反射覆膜

10‧‧‧單晶矽片

20‧‧‧增效轉光膜

21‧‧‧無機螢光粉

圖1為一示意圖，其繪示習知光能電池的基本架構圖。

圖2為一示意圖，其繪示在與太陽輻射相對應的各分波段測得的光能電池樣品敏感度標準光譜曲線。

圖3為一示意圖，其繪示在光能電池外表面覆蓋一層單晶紅寶石時，它能強化吸收2.3~3.2ev區域的太陽輻射之示意圖。

圖4為一示意圖，其繪示本發明之光能電池之結構示意圖。

圖5為一示意圖，其繪示本發明一較佳實施例之螢光之製備方法之流程示意圖。

1‧‧‧p型單晶矽片

20‧‧‧增效轉光膜

21‧‧‧無機螢光粉

Claims

一種光能電池之增效轉光膜，其係為一由無機粉所製成之聚合物薄膜並可與一矽片的外表層相接觸，其可強化吸收一第一特定分段波的自然光輻射，將其再輻射至一第二特定分段波。
如申請專利範圍第1項所述之增效轉光膜，其中該矽片係為一p型單晶矽片、一p型多晶矽片、一n型單晶矽片或一n型多晶矽片。
如申請專利範圍第1項所述之增效轉光膜，其中該無機粉係為一無機螢光粉超分散顆粒。
如申請專利範圍第1項所述之增效轉光膜，其中該第一特定分段波之波長為300~580 nm；該第二特定分段波之波長為530~610 nm。
如申請專利範圍第1項所述之增效轉光膜，其係以聚碳酸酯及/或聚矽氧烷，及/或聚丙烯酸酯基為基礎所形成的含氧聚合物，該聚合物中填充有以具有石榴石晶體架構的元素週期表Ⅱ、Ⅲ或Ⅳ主族元素的氧化物為基體的螢光粉顆粒，該顆粒的直徑小於峰值波長(d<d_λmax )，且該聚合物中螢光粉顆粒的重量濃度為0.1~50%。
如申請專利範圍第1項所述之增效轉光膜，其中該無機螢光粉的基體是由鋇和釔的同類鋁酸鹽的固體溶液構成，其化學式為Ba_α (Y,Gd)_3β Al_2α+5β O_4α+12β ，且其晶格的晶系隨鋇與釔比例關係的改變而變化用，其中α的取值範圍為α1或α1，β的取值為β1或β1。
如申請專利範圍第1項所述之增效轉光膜，其中當α1，且β1時，固體溶液的晶格結構疏鬆，屬於單斜晶系(a,b,c,γ角)。
如申請專利範圍第1項所述之增效轉光膜，其中該聚合層薄膜係為一有機聚合物，其中的平均聚合度為m=100~500。
如申請專利範圍第1項所述之增效轉光膜，其進一步填充有一環氧樹脂。