TWI424575B - A solar cell having an electrode of a micrometer or micrometer or lower conductive line - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種太陽能電池，特別是指一種具有微米級或微米級以下導電線之電極的太陽能電池。
參閱圖1，目前的薄膜太陽能電池1包括一基板11、一形成在該基板11上的下電極層12、一形成在該下電極層12上的光電產生層13，及一設置在該光電產生層13上的上電極層14，該光電產生層13在照光時以光伏特效應激發出電荷載子進而產生光電流，並由該下電極層12與該上電極層14相配合將產生的光電流向外輸出、應用。
由於被激發出的電荷載子皆需要在該光電產生層13中移動一段距離後才能被該上、下電極層12、14「捕捉」而後輸出，而在該光電產生層13內移動的過程中，被激發出的電荷載子很有機會再復合，且移動的距離愈長電荷載子復合的機率就愈高。所以，對目前薄膜太陽能電池1而言，由於基板11、下電極層12、光電產生層13，及上電極層14均成平整膜體態樣，以致於當照光激發出電荷載子時，電荷載子在該光電產生層13中移動的距離相對較長，而有較高的機率再復合，導致實際由上、下電極層12、14配合輸出的光電流遠低於預期。
因此，對薄膜太陽能電池1而言，如何減少電荷載子在該光電產生層13中的移動距離，使電荷載子的復合率降低以提升光電流輸出效率，從而提升太陽能電池整體發電效能，一直是亟待突破的技術瓶頸。
因此，本發明之目的，即在提供一種可以減少電荷載子復合率以提升光電流輸出效率的具有微米級或微米級以下導電線之電極的太陽能電池。
於是，本發明具有微米級或微米級以下導電線之電極的太陽能電池包含一基板、一下電極、一光電產生體，及一上電極。
該下電極以導電材料形成在該基板上，包括一底材，及多數尺度屬微米級或微米級以下的導電線，每一導電線的至少一部分與該底材連接。
該光電產生體自該底材向上形成並包覆該等導電線，在照光時以光伏特效應產生光電流。
該上電極形成在該光電產生體上並可導電，與該下電極彼此配合將光電流向外界輸出。
本發明之功效在於：藉著包括底材及多數導電線的下電極結構，大幅減少電荷載子在光電產生體的移動距離以大幅降低復合機率，提高光電流輸出效率。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之二個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖2，本發明具有微米級或微米級以下導電線之電極的太陽能電池之一第一較佳實施例包含一基板2、一下電極3、一光電產生體4，及一上電極5。
該基板2包括一可透光的基材21，及一形成在該基材21底面上的抗反射層22，該抗反射層22在照光時大幅減少入射光一次反射後即離開的光量，進而增加進入該光電產生體4的入射光量，較佳地，該基材21由透光材料所構成，例如透明導電玻璃(TCO)、鈉玻璃、鉀玻璃、石英等硬質透光材料構成，亦或是例如聚醚亞胺(PET)、聚碳酸脂(PC)、聚萘二甲酸乙二醇脂(PEN)等軟性可撓式透光材料構成，使本實施例所製得的太陽能電池亦可由該基材21底面受光，再配合該抗反射層22增加入射光量，進而增加該光電產生體4的光子吸收效率。
該下電極3以導電材料形成在該基材21之一相反於該抗反射層22之頂面上，並包括一底材31，及多數尺度屬微米級或微米級以下的導電線32，每一導電線32的至少一部分與該底材31連接，在本實施例中，每一導電線32是以一端部與該底材31連接，另一端部形成自由端部。
在本例中，該等導電線32是先在該底材31上形成一經過陽極氧化處理而具有尺度屬微米級或微米級以下之多數孔洞的氧化鋁膜後，再以導電材料於該等孔洞中成型後移除該氧化鋁膜後，將會形成如圖2中所示的，每一導電線32均是向上直立地連接於該底材31。而該導電線32的材類種類是選自銦錫氧化物(Indium Tin Oxide,ITO)、銦鋅氧化物(Indium Zinc Oxide,IZO)、鋁鋅氧化物(Aluminum Znic Oxide,AZO)等透明導電材料，或選自鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、銅(Cu)、銦(In)、錫(Sn)、鋅(Zn)、金(Au)、銀(Ag)、鋁(Al)、錳(Mn)等導電金屬材料構成。
配合參閱圖3，值得一提的是，如果使用化學氣相沉積法(CVD)、物理氣相沉積法(PVD)、電化學電鍍法來成長該等導電線32’，是先在該基板2上形成該底材31後，再自該底材31以向上且有角度地形成該等導電線32’，其中，任一導電線32’，可以是向上且以90度直立地連接該底材31，或者是向上且小於90度歪斜地連接該底材31，並且，由於以化學氣相沉積法(CVD)、物理氣相沉積法(PVD)、電化學電鍍法來成長該等導電線32’時，在該等導電線32’間會同時沉積而形成一層導電薄膜，如圖3所示。
該光電產生體4自該底材31向上形成並包覆該等導電線32，並包括經過摻雜而形成接面結構(P-N junction)的一第一型半導體41與一第二型半導體42，及一介於該第一型半導體41與第二型半導體42間的染料吸收層43，該第一型半導體41與第二型半導體42在照光時相配合以光伏特效應產生光電流，並輔以該染料吸收層43在照光時增加接面結構吸收光子的機率。
要說明的是，該第一型半導體41是選自N型摻雜或P型摻雜的半導體材料所構成，而該第二型半導體42是相對應該第一型半導體41選擇P型摻雜或N型摻雜的半導體材料構成。在本實施例中，該第一型半導體41為一N型材料，該第二型半導體42為一P型材料；另外，當該第一型半導體41為一P型材料，該第二型半導體42為一N型材料時，上述的配合皆可形成接面結構，在照光時相配合以光伏特效應產生光電流。另外，該染料吸收層43是選自有機釕金屬(Ru-bipyridine;N3)系列的金屬錯合物染料、N719染料、N749(Black Dye)染料，或如紫質、香豆素、花青、羅丹明等B系列染料，在本例中，該染料吸收層43是藉由浸泡已調配好的各式染料溶液(酒精及染料)後，取出置於室溫下自然風乾而形成。
此外，由於該光電產生體4自該底材31向上形成並包覆該等導電線32，使該光電產生體4的表面實質是一不平整、具有高低起伏的表面，如此，可大幅增加照光面積進而大幅提升激發出電荷載子的機率。
配合參閱圖4，該上電極5形成在該光電產生體4上並可導電，與該下電極3彼此配合將光電流向外界輸出，在本例中，該上電極5包括一與該光電產生體4電連接的透光導電層51，及一設置於該透光導電層51上供打線而將電流向外界輸出的電極膜52，其中，該透光導電層51為以例如銦錫氧化物、銦鋅氧化物、鋁鋅氧化物、氟錫氧化物等可透光且具導電性材料構成，該電極膜52以例如金、銀、鋁、鋁/鎳等金屬材料構成，較佳地，該電極膜52可為如圖4所示的魚骨式態樣，使光入射時，減少被該不透光的電極膜52阻擋入射的光源，而增加光入射面積，進而提升光電流的產生。
本發明具有微米級或微米級以下導電線之電極的太陽能電池在照光時，藉著下電極3的底材31以平整膜體輔以多數自底材31向上延伸之多數導電線32的立體結構，有效降低被激發產生的電荷載子在該光電產生體4中移動的距離，從而降低移動過程中再複合的機率，達到提升實際由上、下電極3、5配合輸出的光電流，提升整體光電流輸出效能。
參閱圖5，要補充說明的是，本發明具有微米級或微米級以下導電線之電極的太陽能電池，可配合抗反射層、反射層的應用而大幅增加照光時的光吸收率，更進一步地提升整體的光電流輸出效能，在本例中，該基材21為可透光，當該抗反射層22為受光面而且單面收光時，於該光電產生體4與該電極膜52間不需以透明導電材料形成該透光導電層51，而是形成一以金屬材料構成的金屬反射層900，如圖5所示，使部分未被該光電產生體4吸收的光子經該金屬反射層900反射後再進入該光電產生體4中，以增加光利用率。
參閱圖6，而當雙面受光時，則是藉由在該上電極5上形成一層抗反射層901，如圖6所示，以增加光利用率。
參閱圖7、8，在本例中是以該基板2作為受光面而單面或雙面收光，但是亦可以該上電極5作為受光面而單面收光，此時，是在該上電極5上形成一層抗反射層902，並在該可透光的基材21底面是形成一層反射層903，如圖7所示，該基材21與該反射層903構成該基板2’，使經該光電產生體4後未被吸收的光子藉由該反射層903反射再被該光電產生體4吸收，進而增加光利用率；並且，以該上電極5作為受光面而單面收光時，且該基材21’為以例如矽基材、不銹鋼基材、金屬基材(如鉬、鋁、銅等)等不透光基材構成時，該基材21’底面則不需形成如圖7所示的反射層903，如圖8所示。
此外補充說明的是，於該光電產生體4的第一、二型半導體41、42間可以形成一層減少電荷載子復合率以增加光電流產生的緩衝層，該緩衝層是選自硫化鎘(CdS)、三硫化二銦(In2
S3
)、硫化鋅(ZnS)、硒化鋅(ZnSe)、氧化鋅(ZnO)、氧化錳鋅(ZnMgO)、氫氧化鋁(In(OH)3
)、硒化銦(In2
Se3
)，或二氧化錫(SnO2
)等材料而構成一異質接面；或是選自非晶矽(Amorphous silicon,a-Si)、微晶矽(Microcrystalline silicon,μc-Si)、多晶矽(Polycrystalline silicon,poly-Si)等材料構成一同質接面。
參閱圖9，本發明具有微米級或微米級以下導電線之電極的太陽能電池之一第二較佳實施例與該第一較佳實施例相似，其不同處在於該等導電線32”是分別由多數平均粒徑屬微米級或微米級以下之導電粒子33彼此連接形成，而隨機地形成且不規則地分佈，如此該等導電線32”視連接成串的導電粒子33數目，形成長短不一的形態，但每一導電線32”至少有一部分會與該底材31連接。
配合參閱圖10，較佳地，在該等導電粒子33後，先形成一導電膜34，例如使用化學氣相沉積法、物理氣相沉積法、電化學電鍍法等方式，之後該光電產生體4形成於該導電膜34上，該導電膜34使該等導電粒子33彼此間更容易連結而形成該等導電線32”，進而提升整體光電流輸出的效率，其中，該導電膜34是選自銦錫氧化物、銦鋅氧化物或鋁鋅氧化物等材料構成。
要特別說明的是，該等導電線32”是先將該多數平均粒徑屬奈米等級之導電粒子33混入一溶劑中成一溶液後，將該溶液以擇自旋佈、塗佈、噴覆、噴灑(Spray)，或此等之組合的方式在該底材31上形成一塗膜後，再移除溶劑後形成，並且部分的該等導電粒子33與該底材31間會自然形成空隙6，該空隙6在該光電產生體4形成後而與外界隔離，在形成該透光導電層51時不會在該空隙6中形成而造成元件電性異常的缺陷，在本例中，該等導電粒子33可以是選自選自銦錫氧化物、銦鋅氧化物、鋁鋅氧化物等透明導電材料，或選自鐵、鈷、鎳、銅、銦、錫、鋅、金、銀、鋁、錳等導電金屬材料以噴灑方式構成。
綜上所述，本發明具有微米級或微米級以下導電線之電極的太陽能電池與現有的薄膜太陽能電池1相比，本發明藉由在該下電極3的底材31上形成該等導電線32的立體結構，減少該光電產生體4吸收光子後激發出的電荷載子的移動距離，進而減少電荷載子在光電產生體4內的移動途中復合成電子電洞對的機率，從而大幅提昇整體的光電流輸出效能。
再者，由於該光電產生體4的表面實質是一不平整、具有高低起伏之面，與現有的薄膜太陽能電池1相比，增加更多的照光面積而提升光子吸收的機率，使該光電產生體4激發出電荷載子的機率大幅提升，並配合該下電極3的立體結構，從而提昇整體發電效能，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
2‧‧‧基板
2’‧‧‧基板
2”‧‧‧基板
21‧‧‧基材
21’‧‧‧基材
22‧‧‧抗反射層
3‧‧‧下電極
31‧‧‧底材
32‧‧‧導電線
32’‧‧‧導電線
32”‧‧‧導電線
33‧‧‧導電粒子
34‧‧‧導電膜
4‧‧‧光電產生體
41‧‧‧第一型半導體
42‧‧‧第二型半導體
43‧‧‧染料吸收層
5‧‧‧上電極
51‧‧‧透光導電層
52‧‧‧電極膜
900‧‧‧金屬反射層
901‧‧‧抗反射層
902‧‧‧抗反射層
903‧‧‧反射層
904‧‧‧反射層
圖1是一剖視示意圖，說明目前的薄膜太陽能電池；
圖2是一剖視示意圖，說明本發明具有微米級或微米級以下導電線之電極的太陽能電池的一第一較佳實施例；
圖3是一剖視示意圖，說明本發明的該第一較佳實施例中的不同態樣之導電線；
圖4是一俯視圖，輔助說明該第一較佳實施例中的上電極的一實施態樣；
圖5是一剖視示意圖，輔助說明該第一較佳實施例；
圖6是一剖視示意圖，輔助說明該第一較佳實施例；
圖7是一剖視示意圖，輔助說明該第一較佳實施例；
圖8是一剖視示意圖，輔助說明該第一較佳實施例；
圖9是一剖視示意圖，說明本發明具有微米級或微米級以下導電線之電極的太陽能電池的一第二較佳實施例；及
圖10是一剖視示意圖，輔助說明圖9的該第二較佳實施例。
2．．．基板
21．．．基材
22．．．抗反射層
3．．．下電極
31．．．底材
32．．．導電線
4．．．光電產生體
41．．．第一型半導體
42．．．第二型半導體
43．．．染料吸收層
5．．．上電極
51．．．透光導電層
52．．．電極膜
Claims (8)
- 一種具有微米級或微米級以下導電線之電極的太陽能電池，包含：一基板，包括一可透光的基材，及一形成在該基材之表面，且用以在照光時減少光反射而增加光進入的機率的抗反射層；一下電極，以導電材料形成在該相反於該抗反射層的基材上，包括一底材，及多數尺度屬微米級或微米級以下的導電線，每一導電線是一端部連接於該下電極的底材，另一端部形成自由端部；一光電產生體，自該底材向上形成並包覆該等導電線，在照光時以光伏特效應產生光電流，包括經過摻雜而形成接面結構的一第一型半導體與一第二型半導體，及一介於該第一型半導體與第二型半導體間的染料吸收層，該染料吸收層在照光時增加接面結構吸收光子的機率；及一上電極，形成在該光電產生體上並可導電，與該下電極彼此配合將光電流向外界輸出。
- 根據申請專利範圍第1項所述的具有微米級或微米級以下導電線之電極的太陽能電池，其中，該等導電線均是以向上直立地連接於該底材。
- 根據申請專利範圍第2項所述的具有微米級或微米級以下導電線之電極的太陽能電池，其中，該等導電線是先在該底材上形成一經過陽極氧化處理而具有尺度屬微米 級或微米級以下之多數孔洞的氧化鋁膜，再以導電材料於該等孔洞中成型後移除該氧化鋁膜所形成。
- 根據申請專利範圍第1項所述的具有微米級或微米級以下導電線之電極的太陽能電池，其中，該等導電線均是以向上且有角度地連接於該下電極的底材。
- 根據申請專利範圍第1項所述的具有微米級或微米級以下導電線之電極的太陽能電池，其中，該等導電線是分別由多數平均粒徑屬微米級或微米級以下之導電粒子彼此連接形成。
- 根據申請專利範圍第5項所述的具有微米級或微米級以下導電線之電極的太陽能電池，其中，該等導電線是先將該多數平均粒徑屬有微米級或微米級以下之導電粒子混入一溶劑中成一溶液後，將該溶液以擇自旋佈、塗佈、噴覆、噴灑，或此等之組合的方式在該底材上形成一塗膜後，再移除溶劑後形成。
- 根據申請專利範圍第6項所述的具有微米級或微米級以下導電線之電極的太陽能電池，其中，該光電產生體包括經過摻雜而形成接面結構的一第一型半導體與一第二型半導體，及一介於該第一型半導體與第二型半導體間的染料吸收層，該染料吸收層在照光時增加接面結構吸收光子的機率。
- 根據申請專利範圍第7項所述的具有微米級或微米級以下導電線之電極的太陽能電池，其中，該基板包括一可透光的基材，及一形成在該基材之一相反於該下電極之 底面上的抗反射層，該抗反射層在照光時減少光反射而增加光進入該光電產生體的機率。
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| TW99125587A TWI424575B (zh) | 2010-08-02 | 2010-08-02 | A solar cell having an electrode of a micrometer or micrometer or lower conductive line |
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| TW201208086A TW201208086A (en) | 2012-02-16 |
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| TW (1) | TWI424575B (zh) |
Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| US20080135089A1 (en) * | 2006-11-15 | 2008-06-12 | General Electric Company | Graded hybrid amorphous silicon nanowire solar cells |
| US20090000660A1 (en) * | 2007-06-28 | 2009-01-01 | Uchicago Argonne, Llc | Heterojunction photovoltaic assembled with atomic layer deposition |
-
2010
- 2010-08-02 TW TW99125587A patent/TWI424575B/zh not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
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| US20090000660A1 (en) * | 2007-06-28 | 2009-01-01 | Uchicago Argonne, Llc | Heterojunction photovoltaic assembled with atomic layer deposition |
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