TWM563078U - 改進的太陽能電池裝置 - Google Patents

Abstract

一種改進的太陽能電池裝置，包含一導光蓋板、一基體以及至少一光電轉換元件，該導光蓋板可罩設於該基體上方，而光電轉換元件由隔絕材料封裝於該導光蓋板與基體之間的容納空間內；該導光蓋板為一高透光率材質的玻璃板，且在其光入射側的表面上設有複數個彼此相鄰的微米級立體凸起物，該等立體凸起物可呈規律狀或不規律狀排列分布，且該等立體凸起物彼此的間隔介於1µm至20µm之間，而相鄰的立體凸起物在基底相接觸並共同構成一低谷，因此在該導光蓋板表面上呈現該立體凸起物與低谷彼此交替分布的態樣，並令導光蓋板立體凸起物的頂部至導光蓋板低谷的底部之高度差約為0.5µm至10µm；在該導光蓋板表面上還包含一疏水塗層，而該疏水塗層可覆蓋於該立體凸起物與該低谷的表面。

Description

<title lang="zh">改進的太陽能電池裝置</title><technical-field><p>本創作涉及一種太陽能電池裝置的導光蓋板，尤指一種可高效率地捕捉及傳輸光線且表面具備超疏水性的導光蓋板。</p></technical-field><background-art><p>一般太陽能電池的結構，略包含一防護玻璃蓋板、一基體以及一光電轉換元件，該光電轉換元件由隔絕材料封裝於該防護玻璃蓋板下方與基體之間，該光電轉換元件包括依序堆疊設置的第一電極層、n型半導體層、p型半導體層及第二電極層；外部入射光通過該防護玻璃蓋板以及隔絕材料導入的入射光至該光電轉換元件，使該光電轉換元件吸收入射光能透過該p型半導體及n型半導體使其產生電子及電洞，同時分離電子與電洞而形成電壓降，再經由第一電極層和第二電極層傳輸至負載。通常該防護玻璃蓋板具有平坦光滑的上表面，以確保潔淨易清理；然而由於玻璃材料與外界空氣之間的折射率差較大，因此玻璃光滑平整之表面使大約35%至40%部分的入射光被反射、折射，從而導致入射光能無法得到有效利用；此外該防護玻璃蓋板的上表面也容易沾染、堆積塵污雜質，阻絕部分入射光，將嚴重減損光能利用率。</p><p>為減輕光之表面反射以改良光透射特性，習知的太陽能電池的結構有些會在該防護玻璃蓋板的表面上方設置抗反射膜；但是抗反射膜價格昂貴，很難普及應用在相對廉價成本的太陽能電池模組中，且因其須與外界接觸，容易到酸鹼、冷熱及機械性外力等因素損害，導致使用壽命低，更重要的，其表面的抗污性自潔能力差，隨著時間推移在表面容易累積灰塵、油漬及污物，不僅會阻絕部分入射光、減少表面透射率，且其表面須經常清洗，費時費工維護成本極高。</p><p>鑒於前述抗反射膜應用方面的缺失，近年來有些解決方案是藉由仿生物概念的蛾眼結構運用，利用在該防護玻璃蓋板的表面上形成精細且密集之凸起與凹陷的構造，以便形成與蛾眼相仿結構，期盼可達降低反射，提升發電效率；然而，模造或轉印等手段在玻璃板表面上將所欲的結構外加上去，受限於加工技術與成本條件，現今仍難量產出符合所需的微米級蛾眼結構，因此所能提升的抗反射效能有限，且再板體表面的防污、自潔特性亦無重大改善。</p><p>另一方面，有些習知的太陽能電池裝置是將蛾眼結構製作在玻璃蓋板的底表面、封裝材料層或是直接設置在該光電轉換元件的矽晶層上，如此雖可使那些被導入玻璃蓋板之內的入射光減少反射損失而被有效率的轉換成電能使用，但因實務上，外部的太陽光在入射過程中，於通過玻璃蓋板上表面時，已經因反射、折射作用而減損了大量的光能，所以到達前述那些設置在內部的蛾眼結構之處，入射光已經減少許多了，故即使那些入射光被完全使用，整體來說其增益光能利用率的效果也是有限的。</p></background-art><disclosure><p>有鑒於前述問題，本創作主要目的係提供一種改進的太陽能電池裝置，其具有高光能量透過率的導光蓋板，可高效率地捕捉及傳輸光線，減少光能量反射損失，提升整體太陽能電池裝置的光利用率，且該導光蓋板的表面具備超疏水性，有防污及自潔效能，可達大幅降低維護成本之目的。</p><p>為了達成上述創作目的，本創作所提供之改進的太陽能電池裝置，其主要包含一基體、一導光蓋板以及一光電轉換元件，所述導光蓋板可罩設於所述基體上方，所述光電轉換元件由隔絕材料封裝於所述導光蓋板與所述基體之間的容納空間內，所述光電轉換元件為包括依序堆疊設置的第一電極層、n型半導體層、p型半導體層及第二電極層；所述導光蓋板在其光入射側的表面上設有複數個彼此相鄰之微米級的立體凸起物，所述立體凸起物是呈規律狀或不規則狀排列分布，而相鄰的所述立體凸起物在基底相接觸並共同構成一低谷，因此在所述表面上呈現所述立體凸起物與所述低谷彼此交替分布的態樣，據此組成相似於一蛾眼結構(moth-eye structure)從而具有抗反射、高透光率、聚光之效果，且還具有類似蓮花效應(lotus effect)之疏水性，另外再於所述表面塗佈一疏水塗層，更可益增其防污及自潔效能。</p><p>特別是，所述導光蓋板為一玻璃材質的高透光率板體，在所述表面上的所述立體凸起物彼此的間隔介於1µm至20µm之間，以及所述立體凸起物的頂部至所述低谷的底部之高度差約為0.5µm至10µm；所述立體凸起物可為呈錐體、柱體、半球體、島型體、香菇型體或彼等之任何組合的凸起幾何形體等，但實施範圍不以前述形體為限。</p><p>特別是，所述隔絕材料係選自聚乙烯醋酸乙烯酯(EVA)或光學膠(OCA)等，但實施範圍不以前述形體為限。</p><p>特別是，所述疏水塗層是採用疏水性材料塗佈並覆蓋於所述立體凸起物與所述低谷的表面；較佳的，所述疏水塗層的水接觸角(water contact angle)為150°以上，更佳的，所述疏水塗層的水接觸角為160°以上；所述疏水材料係選自於聚四氟乙烯、含氟聚合物、碳氟化合物、含矽氧烷化合物或石蠟等，但實施範圍不以前述形體為限；所述疏水塗層的厚度約為1 nm~100 nm。</p><p><p>緊接於後將列舉較佳的具體實施例繼續說明，以進一步闡明本創作之創新特徵。</p></disclosure><mode-for-invention><p>如後附各圖所示係本創作之較佳實施例；但應理解，所列舉的實施例僅為了便於進一步說明的實施範例，本創作實施方式並不以該說明為限。</p><p>參閱圖1、2所示，太陽能電池裝置500具有一組光電轉換單元，通常，該光電轉換單元包含少一光電轉換元件20，亦可由多個光電轉換元件串聯而成，所述光電轉換元件可以是單晶矽型、多晶矽型、非晶矽型以及薄膜型等種類並不限定；圖2顯示的光電轉換元件的側剖面示意圖，其中，個別的光電轉換元件20具有習知的結構，即大體上是由表面電極201、n型半導體層202、p型半導體層203及背面電極204依序堆疊設置而成，且該光電轉換元件20由聚乙烯醋酸乙烯酯(EVA)材質的隔絕材料40加以封裝，並安裝在一導光蓋板10與一基體30之間的容納空間內，使彼此之間呈無間隙固結成一體，並使該光電轉換元件的表面電極201和背面電極204以適當的方式電連接到一負載單元(未顯示於圖面)。</p><p>該基體30可搭配各種便於架設安裝的結構或裝置而使用，以便於可將整體太陽能電池裝置500組裝於合適的處所進行太陽能發電，例如住家屋頂、桿柱上，空曠場地等地點。</p><p>該導光蓋板10是選用高透光率的玻璃板材，其上表面佈滿許多微米級尺寸大小的凸起狀立錐體101，在這個實施例中，該等微米級立錐體101以沒有特定規律排列方式而均勻佈滿整個導光蓋板10的上表面；詳如圖3所示，個別立錐體101的橫截面積呈向上漸減的構型並在頂部呈一收斂狀凸頂，相鄰的立錐體彼此的間隔D大約是3µm至20µm，而且各個彼此鄰靠的立錐體在其基底部位可彼此相接觸並共同構成一低谷102，個別低谷的橫截面積則呈向下漸縮的倒置立錐體狀造型，該立錐體101的頂部至該低谷102的底部之高度差H約為3µm至6µm；因此，在該導光蓋板10的整個上表面由該等凸起的立錐體101與該等內凹的低谷102彼此交替而分布，據此組成一種相似於蛾眼結構(moth-eye structure)；而在該上表面形成的微米級蛾眼結構，對於那些能夠用來使光伏電池產生電流的光線，亦即波長在400奈米至1000奈米範圍的光線，將可發揮抗反射、提升高光能透射率以及聚光之效果。前述在導光蓋板10上表面的仿真蛾眼結構可應用多種技術手段製成，在這個實施例中是使用蝕刻製程獲得的，其他可行的加工手段亦可製成，例如：模板法、電化學方法、化學氣相沉積法等，但實施範圍不以前述加工手段為限。</p><p>再如圖4所示，本實施例還在前述導光蓋板10的上表面塗佈一疏水塗層103，亦即使該疏水塗層所塗覆的表面包含前述蛾眼結構內的立錐體101與低谷102的表面；該疏水塗層103具有疏水性材料，例如：聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，即鐵弗龍PTFE)；該疏水塗層103的塗佈厚度不能太厚，例如是使用0.1µm的塗層厚度，以免不利影響或減損該蛾眼結構的效能；從另一方面來說，由於原來在導光蓋板10的上表所形成之蛾眼結構本身已經具有類似蓮花效應(lotus effect)之疏水特性，再加上此一疏水塗層103的作用，使該上表面的水接觸角可達160°以上，因此可倍增該上表面的防污及自潔效能。</p><p>本實施例之太陽能電池裝置500運作時，當太陽光照射到該導光蓋板10的上表面時，由於該上表面具有微米級的類似蛾眼結構，所以從各個角度照射到上表面的入射光線都可被高效率地捕捉並向內部傳輸，使入射光線可通過該導光蓋板10的板體以及隔絕材料40導入至該光電轉換元件20，而該光電轉換元件吸收入射光能透過在該p型半導體層203及n型半導體層202使其產生電子及電洞，同時分離電子與電洞而形成電壓降，再經由該表面電極201和背面電極204傳輸至負載。</p><p>而誠如前面所描述的，本創作導光蓋板10上表面之微米級的類似蛾眼結構，由於該低谷102之尺度小於入射的太陽光的波長，所以光波的折射率會在該上表面呈連續性變化(即，漸變折射率)，因此可大幅地降低入射光的反射；本創作導光蓋板10上表面的反射率極低，經實測結果顯示，其全光線透過率(Total light transmittance，T.T)可達95%以上，而在太陽能電池的應用上，該全光線透過率所偵測到的光均能被有效轉化成電能，因此安裝本創作導光蓋板10可讓太陽能電池裝置充分利用太陽光能量來進行發電。</p><p>在其他方面，由於具有蛾眼結構的表面會有皮革狀的高貴質感，所以本創作玻璃材質的導光蓋板10之整體表面會呈現柔和霧面且通透的視覺觀感，因此亦可在背表面施予拓染、襯飾各種不同顏色以彰顯不同質感，亦或是印刷、蝕刻上各種不同花紋、圖案或標誌，以達兼具美化或標示的功能。</p><p>儘管已參考附圖並結合具體實施例完整說明本創作，應注意熟習此項技術人士會明白各種變化及修改。此類變化及修改應理解為包括於由隨附申請專利範圍所定義的本創作之範疇內。</p></mode-for-invention><description-of-drawings><description-of-element><p>10‧‧‧導光蓋板<br></br> 101‧‧‧立錐體<br></br> 102‧‧‧低谷<br></br> 103‧‧‧疏水塗層<br></br> 20‧‧‧光電轉換元件<br></br> 201‧‧‧表面電極<br></br> 202‧‧‧n型半導體層<br></br> 203‧‧‧p型半導體層<br></br> 204‧‧‧背面電極<br></br> 30‧‧‧基體<br></br> 40‧‧‧隔絕材料<br></br> 500‧‧‧太陽能電池裝置<br></br> H‧‧‧高度差<br></br> D‧‧‧間隔</p></description-of-element><p>圖1為本創作太陽能電池裝置的剖面示意圖； 圖2為本創作光電轉換元件的剖面示意圖； 圖3為圖2在的導光蓋板A部之放大顯示的剖面示意圖；以及 圖4為本創作導光蓋板上表面塗佈一疏水塗層的剖面示意圖。</p></description-of-drawings>

Claims (7)

1. 一種改進的太陽能電池裝置，包含一基體、一導光蓋板以及至少一光電轉換元件，所述導光蓋板可罩設於所述基體上方，所述光電轉換元件由隔絕材料封裝於所述導光蓋板與所述基體之間的容納空間內，所述光電轉換元件為包括依序堆疊設置的第一電極層、n型半導體層、p型半導體層及第二電極層，其特徵在於：所述導光蓋板為一高透光率材質的板體，且在其光入射側的表面上設有複數個彼此相鄰的微米級立體凸起物，所述立體凸起物是呈規律狀或不規律狀排列分布，且令所述立體凸起物彼此的間隔介於1 µm至20 µm之間，而相鄰的所述立體凸起物在基底相接觸並共同構成一低谷，因此在所述表面上呈現所述立體凸起物與所述低谷彼此交替分布的態樣，並令所述立體凸起物的頂部至所述低谷的底部之高度差約為0.5 µm至10 µm，在所述表面上還包含一疏水塗層，而所述疏水塗層可覆蓋於所述立體凸起物與所述低谷的表面。
2. 如申請專利範圍第1項所述之改進的太陽能電池裝置，其中，所述立體凸起物可為呈錐體、柱體、半球體、島型體、香菇型體或彼等之任何組合的凸起幾何形體之一。
3. 如申請專利範圍第1項所述之改進的太陽能電池裝置，其中，所述導光蓋板為高透光率的玻璃。
4. 如申請專利範圍第1項所述之改進的太陽能電池裝置，其中，所述隔絕材料為聚乙烯醋酸乙烯酯(EVA)或光學膠(OCA)之一。
5. 如申請專利範圍第1項所述之改進的太陽能電池裝置，其中，所述疏水材料選自於聚四氟乙烯、含氟聚合物、碳氟化合物、含矽氧烷化合物或石蠟之一。
6. 如申請專利範圍第1項所述之改進的太陽能電池裝置，其中，所述疏水塗層的水接觸角為160°以上。
7. 如申請專利範圍第1項所述之改進的太陽能電池裝置，其中，所述疏水塗層的厚度約為1 nm~100 nm。