CN101271931A

CN101271931A - 太阳能电池

Info

Publication number: CN101271931A
Application number: CNA2007100896194A
Authority: CN
Inventors: 陈学礼; 林咏彬; 张国镇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-03-20
Filing date: 2007-03-20
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2027-03-20
Also published as: CN100568538C

Abstract

本发明公开了一种太阳能电池，用于将入射光的光能转换成电能，其特征在于：该太阳能电池包括一个光电转换本体、至少一个第一电极及一个第二电极，光电转换本体包括一接收该入射光的第一面、一相反于该第一面的第二面及至少一位于该第一面的部分反射结构，该入射光中的部分可见光被该部分反射结构反射，该入射光中的另一部分穿过该第一面后被转换成电能，第一电极设在该第一面，第二电极则设在该第二面。

Description

太阳能电池

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池，特别是涉及一种非黑色表面的太阳能电池。

背景技术

现有的太阳能电池为了能有效利用入射光，会尽量使全部的入射光都能穿过太阳能电池的表面，因此，几乎没有可见光会自太阳能电池的表面反射，所以其表面会呈现黑色。则将太阳能电池设置于屋顶或是其它装置时，所看到的景观会是一片黑色，在视觉上单调而并不美观，且就空间利用而言，设置了太阳能电池的空间除了单纯地供太阳能电池摆放外，难再有附加功能或作其它利用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非黑色表面的太阳能电池。

本发明的另一目的在于提供一种彩色表面的太阳能电池。

于是，本发明太阳能电池用于将入射光的光能转换成电能，其特征在于：该太阳能电池包括一个光电转换本体、至少一个第一电极及一个第二电极。

光电转换本体包括一接收该入射光的第一面、一相反于该第一面的第二面及至少一位于该第一面的部分反射结构，该入射光中的部分可见光被该部分反射结构反射，该入射光中的另一部分穿过该第一面后被转换成电能。第一电极设在该第一面，第二电极则设在该第二面。

本发明的部分反射结构可以是多数个呈等间距排列的金字塔形角锥，且两两相邻的金字塔形角锥的顶端的间距为可见光波长的一倍至三倍的其中之一。因此，部分反射结构为周期性结构而形成一绕射光栅(diffraction grating)，由光栅公式(gratingequation)：a(sinθ_m-sinθ_i)＝mλ(a等于两两相邻的金字塔形角锥的顶端的间距(pitch)，λ等于入射光波长，θ_i等于入射光的入射角，θ_m等于入射光的绕射角，m是阶数(order))可得知，当a等于可见光波长的一倍至三倍的其中之一且m等于非零整数时，入射光中的部分可见光会被部分反射结构绕射，也就是不同颜色的可见光会自第一面反射以不同的反射角(在光栅公式中为θ_m)反射出，所以从不同视角看太阳能电池的表面时会看到不同的颜色。

本发明的部分反射结构也可以是至少一层薄膜。薄膜可使某一区段的可见光反射，所以太阳能电池的表面也会有非黑色的颜色。

本发明的有益效果在于：光电转换本体的第一面上设置有部分反射结构，使入射到第一面的入射光中有一部分可见光被部分反射结构反射，则太阳能电池的表面会呈现黑色以外的颜色，而可变化出彩色的表面，进而可排列出彩色的图案。而且，周期性结构或是薄膜均可利用与现有制程兼容的制程形成。

因此，若太阳能电池的表面能有黑色以外的颜色，甚至是多色彩的图案，便可用来装饰供太阳能电池设置的建筑物或对象，甚至可将太阳能电池的表面的彩色图案用于广告看板等使用。

附图说明

图1是一立体示意图，说明本发明太阳能电池的第一较佳实施例。

图2是一立体示意图，说明该第一较佳实施例的部分反射结构也可以是由多数个呈截半蛋形的凸块所构成。

图3是一立体示意图，说明该第一较佳实施例的部分反射结构也可以是蜂巢状结构。

图4是一侧视示意图，说明该第一较佳实施例的部分反射结构为一绕射光栅。

图5是一立体示意图，说明该第一较佳实施例的光电转换本体也可以包括一个第一部分反射结构及一个第二部分反射结构。

图6是一俯视示意图，说明该第一较佳实施例可在第一面上显示V字形与H字形。

图7是一立体示意图，说明该第一较佳实施例也可以在第一面上特定位置设部分反射结构，该第一面其它位置则设有抗反射结构。

图8是一侧视示意图，说明本发明太阳能电池的第二较佳实施例。

图9是一侧视示意图，说明本发明太阳能电池的第三较佳实施例。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：

参阅图1，本发明的第一较佳实施例揭示一个太阳能电池200，用于将入射光的光能转换成电能且制造彩色效果。该太阳能电池200包括一个光电转换本体2、至少一个第一电极31及一个第二电极32。

光电转换本体2的材质为半导体及染料的其中之一，例如单晶硅、多晶硅、非晶硅、硅薄膜、砷化镓(GaAs)及磷化铟(InP)等材料，只要是目前可作为太阳能电池200材料的材质均可。

光电转换本体2包括一接收入射光的第一面21、一相反于第一面21的第二面22及至少一位于第一面21的部分反射结构23，入射光中的部分可见光被部分反射结构23反射，入射光中的另一部分穿过第一面21后被转换成电能。第一电极31设在第一面21，第二电极32则设在第二面22。在本实施例中，太阳能电池200包括多数个相间隔的第一电极31，但是也可以只包括一个第一电极31，而且第一电极31的形状并不以图1中的形状为限。

在本实施例中，部分反射结构23是由多数个金字塔形角锥24呈等间距矩阵排列所构成，该矩阵可以小至1×多数个、大至至少数百×数百个，且每一个角锥24的顶端241与相邻角锥24的顶端241的间距(pitch)为可见光波长的一倍至三倍的其中之一以使部分反射结构23为周期性结构(图1只为示意图，金字塔形角锥24实际上远小于第一、第二电极31、32)。此外，本发明的部分反射结构23不限于由金字塔形角锥24构成，金字塔形角锥24也可以是其它种形状的角锥，或是其它形状的凸块，例如多数个呈截半蛋形的凸块24”以等间距矩阵排列所构成(见图2)，而且，部分反射结构23也可以是其它种周期性结构，且具有「相邻顶端(或相邻底端)间距为可见光波长的一倍至三倍的其中之一」的特性即可。例如矩阵排列的蜂巢状结构24’，且蜂巢状结构24’的每一蜂巢的中央与相邻蜂巢的中央的间距要等于可见光波长的一倍至三倍的其中之一(见图3)。

因此，部分反射结构23为一绕射光栅(diffraction grating)，如图4所示，光栅公式(grating equation)为a(sinθ_m-sinθ_i＝mλ，a等于两两相邻的角锥24的顶端241的间距，λ等于入射光波长，θ_i等于入射光的入射角，θ_m等于入射光的绕射角，m是阶数(order)。

选择间距在可见光波长的一倍至三倍的范围内的理由是：若间距远小于可见光波长(a＜＜λ)，则由光栅公式可得m/(sinθ_m-sinθ_i)＝a/λ≈0，所以入射光中的可见光只会有0阶(m＝0)的反射，也就是所有可见光的反射角均等于入射角，入射光为白光(一般情形即太阳光)则反射光也为白光，所以在第一面上看不到红、橙、黄、绿等颜色。若间距远大于可见光波长(a＞＞λ)，则由光栅公式可得(sinθ_m-sinθ_i)/m＝λ/a≈0，所以当m等于一非零的整数(m＝±1、±2、±3、...)且入射光(白光)等于某一入射角(θ_i)时，不同波长的可见光的绕射角(θ_m)可视为相等，因此，不同波长的可见光几乎是朝同一方向反射而分不开，所以反射光仍是白光，也就是太阳能电池的表面还是没有红、橙、黄、绿等颜色。

但是当间距不是远小于或远大于可见光波长时，理想的范围是间距为可见光波长的一倍至三倍的其中之一，由光栅公式可知，当m等于一非零的整数，入射光中的部分可见光会被部分反射结构23绕射，也就是不同颜色的可见光会自第一面21反射且有不同的反射角(在光栅公式中，λ不同则θ_m不同)，所以从不同视角看太阳能电池200的第一面21时可看到不同的颜色。例如，当间距等于500纳米(nm)且入射光的入射角θ_i等于30度时，1阶绕射(m＝1)的红光(λ＝656纳米)反射角等于-54.29度，绿光(λ＝518.4纳米)反射角等于-32.45度，且蓝光(λ＝486纳米)反射角等于-28.2度。

参阅图1，以部分反射结构23是由多数个金字塔形角锥24构成来说，各角锥24顶端241构成的平面视为顶层，往下为接近底层。该顶层的折射介质中以空气比率最高，往下则空气比率降低，角锥24材质(也就是光电转换本体2的材质)比率提高，因此整个部分反射结构23折射率可视为由上而下地连续变化，且在部分反射结构23中，某一层平面的折射率n₁与其邻接下一层平面的折射率n₂可视为相等(n₁≈n₂)，因此从反射率(R)的公式R＝(n₁-n₂/n₁+n₂)²可知，由金字塔形角锥24所形成的部分反射结构23的反射率可视为等于零。也就是说，大部分的入射光都可穿过第一面21而被转换成电能，只有一部分的可见光会被部分反射结构23反射而使第一面21有非黑色的颜色，所以本发明的太阳能电池200的用光效率只会减少一点点。而且，当金字塔形角锥24愈密时，也就是当金字塔形角锥24的顶端241的间距愈小时，部分反射结构23的折射率的由上而下变化会愈连续，所以部分反射结构23的反射率(R)会愈趋近零。

因此，由于金字塔形角锥24的顶端241的间距愈小则反射率愈小，所以此时可有愈多的入射光穿过第一面21，且一般定义可见光波长的范围是在400纳米至700纳米间，所以两两相邻的角锥24的顶端241的间距介于400纳米至2100纳米间是比较理想的第一实施例，此时几乎所有的入射光都穿过第一面21，但是仍有部分可见光被反射。

而且，部分反射结构23可以用现有的制造方法形成，如非等向性蚀刻、压印、电子束微影法(e-beam lithography)等方法。

进一步而言，当部分反射结构23为单一，也就是该第一面21上只有单一种间距的矩阵排列的金字塔形角锥24(如图1)，则该第一面21在一视角将呈现单一且非黑的颜色(但是该单一颜色会因视角改变而改变)。当部分反射结构23是多数个，也就是该第一面21上有多种不同间距的矩阵排列的角锥24，则该第一面21在一视角即可呈现多颜色。举例来说，请参阅图5，光电转换本体2包括一个第一部分反射结构23 1及一个第二部分反射结构232，第一部分反射结构231的两两相邻的角锥24的顶端241的间距较大，而第二部分反射结构232的两两相邻的角锥24的顶端241的间距较小，则自同一视角看太阳能电池200的第一面21时，由第一、第二部分反射结构231、232反射的可见光波长不同，所以可在第一面21上看到两个区域有不同的颜色，因此，可在第一面21上排列出彩色的图案或文字，像是如图6所示地在第一面21’上看到V字形211与H字形212，且两者的颜色不同，第一面21’的其它部分则呈现黑色。在本实施例中，第、第二部分反射结构231、232的角锥24大小与形状均相同，但是并不以此为限，角锥24的大小与形状也可以不同。

再举例来说，本实施例的使用也可以如图7所示地在第一面21上特定位置设部分反射结构23(在图中是六个等间隔的金字塔形角锥24)，该第一面21其它位置则设有可供入射光穿过的抗反射结构55(图中其它等间距排列的金字塔形角锥25)，所谓抗反射结构55是由矩阵排列间距小于可见光波长的多数个金字塔形角锥25所构成，也就是两两相邻的金字塔形角锥25的顶端251的间距小于可见光波长，则在抗反射结构55处看到的颜色是黑色，若部分反射结构23呈线型则会看到一条有颜色的线，因此，可在第一面21上看到黑底配上一条彩色线的图案。

参阅图8，本发明的第二较佳实施例与该第一较佳实施例的不同在于本实施例的太阳能电池200’部分反射结构63的部分，本实施例的部分反射结构63是由位于第一面61的至少一层薄膜66所构成，薄膜66的材质可用一般常用的光学薄膜材料，例如二氧化硅(SiO₂)、SiN_x、SiO_xN_y、二氧化钛(TiO₂)、三氧化二铝(Al₂O₃)、氟化镁(MgF₂)、硒化锌(ZnSe)、类钻碳(Diamond-like carbon，DLC)、二氧化铪(HfO₂)及二氧化锆(ZrO₂)的其中之一。该薄膜66可使某一区段的可见光反射，所以会看到第一面61上有非黑色的颜色，当视角改变时，所看到的颜色只会有些微的差异。

在本实施例中，部分反射结构63是由二层上下重叠且材质不同的薄膜66构成，借此限制反射光波长的范围，且当薄膜66愈多层时，通常可控制使波长范围愈小。每一层薄膜66的厚度均匀，当各层薄膜66间的厚度比例改变时，被部分反射结构63反射的可见光波长就会改变。本实施例是以一层类钻碳材质的薄膜66及一层多孔硅(porous Si)材质的薄膜66形成部分反射结构63举例说明，且借由控制类钻碳材质的薄膜66的厚度，使波长在450纳米与650纳米间的入射光被部分反射结构63反射，借此第一面61会呈现绿色。另外，本实施例也可以一层氮化硅薄膜66与一层二氧化硅薄膜66为例，厚度为50纳米的二氧化硅薄膜66位于厚度85纳米的氮化硅薄膜66的上方，则部分反射结构63的反射波长范围会改成在420纳米与500纳米间，而使第一面61呈现蓝绿色。

而若第一面61要有黑底配上一条有颜色的线的图案，可改成薄膜66的厚度不均匀以使部分反射结构63的不同厚度处的反射波长不同。

参阅图9，本发明的第三较佳实施例的太阳能电池200”的部分反射结构73主要是由等间距形成于第一面71的多数金字塔形角锥74且金字塔形角锥74表面镀设有至少一层薄膜76而构成，两两相邻角锥74的顶端741的间距为可见光波长的一倍至三倍的其中之一，以使该部分反射结构73为周期性结构。因此，借由控制薄膜76的材质及厚度，使只有特定波长范围的可见光可被反射，辅以控制角锥74间距以呈现特定波长的可见光，双重条件的控制可使反射的效果愈好，且愈精确地控制所欲呈现的颜色。与第一较佳实施例相同的是，本实施例的金字塔形角锥74也可以是其它种形状的角锥，或是其它形状的凸块。

归纳上述，本发明太阳能电池200、200’、200”借由在光电转换本体2的第一面21、61、71上设置部分反射结构23、231、232、63、73，部分反射结构23、231、232、63、73可以是周期性结构或是薄膜66、76，以使入射到第一面21、61、71的入射光中有一部分可见光被部分反射结构23、231、232、63、73反射，因此，第一面21、61、71会呈现黑色以外的颜色。若设置多数个反射不同可见光的部分反射结构23、231、232、63、73则可使太阳能电池200、200’、200”有彩色的表面，进而可排列出彩色的图案。而且，周期性结构或是薄膜66、76均可利用与现有制程兼容的制程形成，所以确实能达成本发明的目的。

Claims

1. 一种太阳能电池，用于将入射光的光能转换成电能，其特征在于：该太阳能电池包括：

一个光电转换本体，包括一接收该入射光的第一面、一相反于该第一面的第二面及至少一位于该第一面的部分反射结构，该入射光中的部分可见光被该部分反射结构反射，该入射光中的另一部分穿过该第一面后被转换成电能；

至少一个第一电极，设在该第一面；及

一个第二电极，设在该第二面。

2. 如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：该部分反射结构是多数个呈等间距排列的凸块，且两两相邻的所述凸块的间距为可见光波长的一倍至三倍的其中之一。

3. 如权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于：每一凸块是一角锥，且两两相邻的所述角锥的顶端的间距为可见光波长的一倍至三倍的其中之一。

4. 如权利要求3所述的太阳能电池，其特征在于：每一凸块是一金字塔形角锥。

5. 如权利要求4所述的太阳能电池，其特征在于：两两相邻的所述金字塔形角锥的顶端的间距介于400纳米至2100纳米间。

6. 如权利要求4所述的太阳能电池，其特征在于：该光电转换本体是包括一个第一部分反射结构及一个第二部分反射结构，该第一部分反射结构的两两相邻的所述金字塔形角锥的顶端的间距与该第二部分反射结构的两两相邻的所述金字塔形角锥的顶端的间距不相等。

7. 如权利要求4所述的太阳能电池，其特征在于：该光电转换本体还包括一个位于该第一面的抗反射结构，该抗反射结构是多数个呈等间距排列的金字塔形角锥，且两两相邻形成该抗反射结构的所述金字塔形角锥的顶端的间距小于可见光波长。

8. 如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：该部分反射结构是一蜂巢状结构，该蜂巢状结构的每一蜂巢的中央与相邻蜂巢的中央的间距为可见光波长的一倍至三倍的其中之一。

9. 如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：该部分反射结构是至少一层薄膜。

10. 如权利要求9所述的太阳能电池，其特征在于：该部分反射结构是多数层上下重叠且材质不同的薄膜。

11. 如权利要求9所述的太阳能电池，其特征在于：该薄膜的厚度不均匀以使该部分反射结构的不同厚度处的反射波长不同。

12. 如权利要求9所述的太阳能电池，其特征在于：该薄膜的材质为二氧化硅、SiN_x、SiO_xN_y、二氧化钛、三氧化二铝、氟化镁、硒化锌、类钻碳、二氧化铪及二氧化锆的其中之一。

13. 如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：该部分反射结构是多数个等间距形成于该第一面的凸块及至少一层设在所述凸块表面的薄膜，两两相邻的所述凸块的间距为可见光波长的一倍至三倍的其中之一。

14. 如权利要求13所述的太阳能电池，其特征在于：每一凸块是一角锥，且两两相邻的所述角锥的顶端的间距为可见光波长的一倍至三倍的其中之一。

15. 如权利要求14所述的太阳能电池，其特征在于：每一凸块是一金字塔形角锥。

16. 如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：该光电转换本体的材质为半导体及染料的其中之一。