CN102214793A - 堆叠式太阳能电池模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种堆叠式太阳能电池模块，其包括基板、位于基板上的第一电极层、位于第一电极层上的第一载流子传输层、位于第一载流子传输层上的第一吸光层、位于第一吸光层上的第二电极层、电连接第一电极层与第二电极层的第一输出单元、位于第二电极层上的第二载流子传输层、位于第二载流子传输层上的第二吸光层、位于第二吸光层上的第三电极层以及电连接第二电极层与第三电极层的第二输出单元。特别是，第二载流子传输层具有第一折射率n1以及第一厚度D1，第二吸光层具有第二折射率n2以及第二厚度D2，且载流子传输层与第二吸光层满足Φ1+Φ2-2π(n1D1+n2D2)/λ＝2mπ，且Φ1表示第二吸光层与第三电极层之间的反射相位差，Φ2表示第二载流子传输层与第二电极层之间的反射相位差，λ表示第二吸光层的光吸收波长，且m表示整数。

Description

堆叠式太阳能电池模块
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池模块，且特别是涉及一种堆叠式有机太阳能电池(organic photovoltaic cell，OPV)模块。
背景技术
近年来环保意识高涨，为了因应石化能源的短缺与减低使用石化能源对环境带来的冲击，替代能源与再生能源的研发便成了热门的议题，其中又以太阳能电池photovoltaic cells)最受瞩目。太阳能电池可将太阳能直接转换成电能，且发电过程中不会产生二氧化碳或氮化物等有害物质，不会对环境造成污染。
一般而言，传统太阳能电池是在基板上形成第一电极层、有源层以及第二电极层。当光束照射至太阳能电池时，有源层受光能的作用可产生自由电子-空穴对，并通过两电极层之间电场使电子与空穴会分别往两电极层移动，而产生电能的存储形态。此时若外加负载电路或电子装置，便可提供电能而使电路或装置进行驱动。
然而，目前太阳能电池最大的问题就是其光吸收率或是电能输出功率有限。因此，如何提高太阳能电池的光吸收率以及输出功率已经在积极的发展之中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种堆叠式太阳能电池模块，其可提高太阳能电池的光吸收率以及输出功率，进而提高太阳能电池模块整体效能。
为达上述目的，本发明提出一种堆叠式太阳能电池模块，其包括基板、位于基板上的第一电极层、位于第一电极层上的第一载流子传输层、位于第一载流子传输层上的第一吸光层、位于第一吸光层上的第二电极层、电连接第一电极层与第二电极层的第一输出单元、位于第二电极层上的第二载流子传输层、位于第二载流子传输层上的第二吸光层、位于第二吸光层上的第三电极层以及电连接第二电极层与第三电极层的第二输出单元。特别是，第二载流子传输层具有第一折射率n1以及第一厚度D1，第二吸光层具有第二折射率n2以及第二厚度D2，且载流子传输层与第二吸光层满足Φ1+Φ2-2π(n1D1+n2D2)/λ＝2mπ，且Φ1表示第二吸光层与第三电极层之间的反射相位差，Φ2表示第二载流子传输层与第二电极层之间的反射相位差，λ表示第二吸光层的光吸收波长，且m表示0或整数。
基于上述，本发明的堆叠式太阳能电池模块中，因第二载流子传输层与第二吸光层满足Φ1+Φ2-2π(n1D1+n2D2)/λ＝2mπ，Φ1表示第二吸光层与第三电极层之间的反射相位差，Φ2表示第二载流子传输层与第二电极层之间的反射相位差，λ表示第二吸光层的光吸收波长，且m表示0或整数。因而能在第三电极层以及第二电极层之间形成光学共振腔，以提高第二吸光层的光吸收率。此外，本发明的堆叠式太阳能电池模块的各太阳能电池单元是各自连接到对应的输出单元。如此一来，可以使得外界光线在射入此太阳能电池模块之后能各自于第一吸光层以及第二吸光层中各自达到最大的光吸收率，即不需考量两太阳能电池单元之间电流匹配的问题，进而使得堆叠式太阳能电池模块的总输出功率提高。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。
附图说明
图1是根据本发明一实施例的堆叠式太阳能电池模块的示意图；
图2是根据本发明一实施例的堆叠式太阳能电池模块的示意图；
图3是依照本发明一实施例的堆叠式太阳能电池模块的光吸收波段的曲线图；
图4是根据本发明一实施例的堆叠式太阳能电池模块的上视示意图；
图5是图4的沿着剖面线I-I’以及II-II’的剖面示意图；
图6是比较例的太阳能电池模块的光吸收率与光吸收波段的曲线图；
图7是根据本发明的实例的太阳能电池模块的光吸收率与光吸收波段的曲线图。
主要元件符号说明
100：基板
100a：表面
102：第一电极层
104：第一载流子传输层
106：第一吸光层
108：第二电极层
110：第二载流子传输层
112：第二吸光层
114：第三电极层
114a：表面
120，130：输出单元
120a，120b，130a，130b：电极端
L1～L4：光线
11，12：共振光线
X，Y，A，B，C，D：曲线
U1，U2：太阳能电池单元
CL1～CL3：导线
具体实施方式
图1是根据本发明一实施例的堆叠式太阳能电池模块的示意图。请参照图1，本实施例的堆叠式太阳能电池模块10包括基板100、第一电极层102、第一载流子传输层104、第一吸光层106、第二电极层108、第二载流子传输层110、第二吸光层112、第三电极层114、第一输出单元120以及第二输出单元130。
基板100可为硬质基板(例如是玻璃基材)或是软性基板(例如是有机聚合物基材)。倘若基板100是采用软性基板，则本实施例的堆叠式太阳能电池模块10可以采用连续滚轮制造程序(roll to roll)来制造。
第一电极层102位于基板100上。根据本实施例，第一电极层102包括透明电极材料，其例如是铟锡氧化物、铟锌氧化物、铝锡氧化物、铝锌氧化物、铟锗锌氧化物或其它合适的金属氧化物。
第一载流子传输层104位于第一电极层102上。第一载流子传输层104主要是用来帮助第一吸光层106所产生的载流子传输至第一电极层102。第一载流子传输层104也可进一步用来使第一电极层102相对于第一吸光层106具有适当的功函数。根据一实施例，第一载流子传输层104的材质例如是包括碳酸铯(Cs2CO3)、聚(3，4-伸乙二氧基塞吩：聚苯乙烯磺酸(PEDOT：PSS)、氧化锌(ZnO)或是其他的载流子传输材料。第一载流子传输层104的厚度例如是20～100nm。
第一吸光层106位于第一载流子传输层104上。第一吸光层106吸收第一波长范围的光线。根据本实施例，第一吸光层106为有机吸光材料，且主要是吸收可见光波段的光线(例如是300～700nm的光)或是吸收红外光波段的光线(例如是吸收600～1100nm的光)。第一吸光层106的厚度例如是介于60到100nm之间。
在此，倘若第一吸光层106是吸收可见光波段的光线(例如是300～700nm的光)，那么其材质可包括聚(3-己基噻吩)：[6，6]苯基-C61-酪酸甲基酯(poly(3-hexylthiophene)：[6，6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester(P3HT：[60]PCBM))、聚[2-甲烷基-5-(30，70-二甲基壬氧)-1，4-伸苯基伸乙烯基]：[6，6]苯基-C61-酪酸甲基酯(poly[2-methoxy-5-(30，70-dimethyloctyloxy)-1，4-phenylenevinylene]：[6，6]-phenyl-C61-butyricacidmethyl ester(MDMO-PPV：[60]PCBM))或是其他合适的材料。
倘若第一吸光层106是吸收红外光波段的光线(例如是吸收600～1100nm的光)，那么其材质可包括聚[2，6-(4，4-双-(2-乙基己基)-4H-)]双噻吩[2，1-b；3，4-b′]环戊烷-alt-4，7-(2，1，3-苯并噻二唑)：[6，6]苯基-C71-酪酸甲基酯(poly[2，6-(4，4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2，1-b；3，4-b′]dithiophene)-alt-4，7-(2，1，3-benzothiadiazole)]：[6，6]-phenyl-C71butyric acid methyl ester(PCPDTBT：[70]PCBM))、聚[4，8-双-取代-苯[1，2-b：4，5-b′]二噻吩]-2，6--diyl-alt-4-取代-thieno[3，4-b]thio-phene-2，6-diyl]：[6，6]苯基-C71-酪酸甲基酯(poly[4，8-bis-substituted-benzo[1，2-b：4，5-b′]dithiophene-2，6-diyl-alt-4-substituted-thieno[3，4-b]thio-phene-2，6-diyl]：[6，6]-phenyl-C71butyric acid methyl ester(PBDTTT：[70]PCBM))或是其他合适的材料。
第二电极层108位于第一吸光层106上。第二电极层108包括金属材料，其例如是银、铝或是其他的金属材料。根据本实施例，第二电极层108的反射率为40％～80％之间，且第二电极层108的厚度为10～25nm。
第二载流子传输层110位于第二电极层108上。第二载流子传输层110主要是用来帮助太阳能电池所产生的载流子传输到电极层。类似地，载流子传输层110也可进一步用来使第二电极层108相对于第二吸光层112具有适当的功函数。根据一实施例，载流子传输层110的材质例如是包括碳酸铯(Cs2CO3)、氧化锌(ZnO)、聚(3，4-伸乙二氧基塞吩：聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)、氧化钼(MoO3)或是其他合适的材料。第二载流子传输层110的厚度可为50～150nm。
第二吸光层112位于第二载流子传输层110上。第二吸光层112吸收第二波长范围的光线。根据本实施例，第二吸光层112为有机吸光材料，且主要是吸收红外光波段的光线(例如是吸收600～1100nm的光)或是吸收可见光波段的光线(例如是300～700nm的光)。倘若第二吸光层112是吸收可见光波段的光线(例如是300～700nm的光)，那么其材质可包括P3HT：[60]PCBM、MDMO-PPV：[60]PCBM或是其他合适的材料。倘若第二吸光层112是吸收红外光波段的光线(例如是吸收600～1100nm的光)，那么其材质可包括PCPDTBT：[70]PCBM)、PBDTTT：[70]PCBM或是其他合适的材料。
值得一提的是，本实施例的第二吸光层112与第一吸光层106是吸收不同的波长范围的光线。如图3所示，纵轴表示入射光子转换电子效率(IPCE(％))，且横轴表示波长。若第一吸光层106是吸收可见光波段的光线(如曲线X)，那么第二吸光层112是吸收红外光波段的光线(如曲线Y)。相反地，若第一吸光层106是吸收红外光波段的光线(如曲线Y)，那么第二吸光层112是吸收可见光波段的光线(如曲线X)。
第三电极层114位于第二吸光层112上。第三电极层114包括反射电极材料，较佳的是具有高导电性以及高反射性的金属材料，例如是铝、银或是其合金。
特别是，在本实施例中，第二载流子传输层110具有第一折射率n1以及第一厚度D1，第二吸光层112具有第二折射率n2以及第二厚度D2，且第二载流子传输层110与第二吸光层112满足：
Φ1+Φ2-2π(n1D1+n2D2)/λ＝2mπ
Φ1：第二吸光层112与第三电极层114之间的反射相位差
Φ2：第二载流子传输层110与第二电极层108之间的反射相位差
λ：第二吸光层112的吸收波长
m：0或整数
承上所述，在上述堆叠式太阳能电池模块中，基板100的表面100a是作为堆叠式太阳能电池模块的光入射面，且第三电极层114的表面114a是作为堆叠式太阳能电池模块的光反射面。因此，当外界光线L1从光入射面100a射入堆叠式太阳能电池模块之后，在通过第一吸光层106时会被吸收第一波长范围的光线。光线L1到达第二电极层108之后，因第二电极层108具有40％～80％的反射率，因此有一部分的光线L2会被反射，被反射的光线L2的第一波长范围的光线可再次通过第一吸光层106而被吸收。而另一部分的光线L3则是通过连接层108而进入第二吸光层112，使得光线L3的第二波长范围的光线被第二吸光层112吸收。另外，光线L3会被第三电极层114反射，使得反射的光线L4可再次通过第二吸光层112，而使光线L4的第二波长范围的光线被第二吸光层112再次被吸收。
值得一提的是，因本实施例的第二载流子传输层110与第二吸光层112满足Φ1+Φ2-2π(n1D1+n2D2)/λ＝2mπ，Φ1表示第二吸光层112与第三电极层114的反射相位差，Φ2表示第二载流子传输110层与第二电极层108的反射相位差，λ表示第二吸光层112的光吸收波长，且m表示0或整数。因此在第二电极层108与第三电极层114之间可形成光学共振腔结构。换言之，当反射光线L4通过第二吸光层112而再度到达第二电极层108时，会再一次被第二电极层108反射回去，因而光线可在第三电极层114以及第二电极层108之间重复反射(如光线11以及12所示)并且重复被第二吸光层112吸收。由于光线可在第三电极层114以及第二电极层108之间重复反射以及重复被第二吸光层112吸收，因此可以提高第二吸光层112对于第二波段范围的吸光量。
根据本实施例，所述堆叠式太阳能电池模块更包括第一输出单元120以及第二输出单元130。第一输出单元120具有第一电极端120a以及第二电极端120b，且第一电极端120a以及第二电极端120b分别电连接第一电极层102以及第二电极层108。第二输出单元130具有第三电极端130a以及第四电极端130b，且第三电极端130a以及第四电极端130b分别电连接第二电极层108以及第三电极层114。
换言之，由第一电极层102、第一吸光层106以及第二电极层108所构成的第一太阳能电池单元U1与由第二电极层108、第二吸光层112以及第三电极层114所构成的第二太阳能电池单元U2是彼此并联。因此，上述第一吸光层106吸光之后所产生的载流子，是通过第一电极层102以及第二电极层108而输出至输出单元120，以使所产生的电能呈存储形态。上述第二吸光层112吸光之后所产生的载流子，是通过第二电极层108以及第三电极层114而输出至输出单元130，以使所产生的电能呈存储形态。所述输出单元120，130可与其他电路或电子装置连接，如此便可提供电能而使所述电路或电子装置进行驱动。
承上所述，本实施例的第一太阳能电池单元U1以及第二太阳能电池单元U2是并联在一起的，因此的堆叠式太阳能电池模块的电极层的连接方式如图2所示。也就是，第一太阳能电池单元U1的第一电极层102是电连接到输出装置120的第一电极端120a(例如是正电极端)，且第二电极层108是电连接到输出装置120的第二电极端120b(例如是负电极端)。第二太阳能电池单元U2的第二电极层108是电连接到输出装置130的第三电极端130a(例如是负电极端)，且第三电极层114是电连接到输出装置130的第四电极端130b(例如是正电极端)。
由于本实施例的第一太阳能电池单元U1以及第二太阳能电池单元U2是各自电连接到对应的输出单元，因此第一及第二太阳能电池单元U1，U2之间不需要考量输出电流匹配的问题。换言之，本实施例仅需要使第一及第二太阳能电池单元U1，U2各自达到最大光吸收率，以使其各自产生最大的输出电流即可。
根据本实施例，分别将太阳能电池模块的第一电极层102、第二电极层108以及第三电极层114电连接到对应的输出装置的电极端的方法，可以采用如图4以及图5所示的设计。
图4是根据本发明一实施例的堆叠式太阳能电池模块的上视示意图。图5是图4的沿着剖面线I-I’以及II-II’的剖面示意图。请参照图4以及图5，本实施例的堆叠式太阳能电池模块包括第一太阳能电池单元U1、第二太阳能电池单元U2、第一导线CL1、第二导线CL2以及第三导线CL3。第一太阳能电池单元U1与第二太阳能电池单元U2是堆叠在一起。
第一导线CL1与第一电极层102连接，以使第一太阳能电池单元U1的第一电极层102与第一输出单元120(第一电极端120a)电连接。第二导线CL2与第二电极层108连接，以使第一太阳能电池单元U1的第二电极层108与第一输出单元120(第二电极端120b)电连接。为了避免第一导线CL1与第二导线CL2之间产生短路，在第一导线CL1与第二导线CL2之间更包括设置一层保护层PV1。
另外，第二导线CL2又与第二太阳能电池单元U2的第二电极层108连接，以使第二太阳能电池单元U2的第二电极层108与第二输出单元130(第三电极端130b)电连接。第三导线CL3与第三电极层114连接，以使第二太阳能电池单元U2的第三电极层114与第二输出单元130(第四电极端130b)电连接。为了避免第二导线CL2与第三导线CL3之间产生短路，在第二导线CL2与第三导线CL3之间更包括设置一层保护层PV2。
根据本实施例，上述第二导线CL2因电连接第一太阳能电池单元U1的第二电极层108以及第二太阳能电池单元U2的第二电极层108，因此第二导线CL2可连接至接地电压。另外，第一导线CL1与第三导线CL3则是各自电连接到第一输出单元120与第二输出单元130。
实例与比较例
为了说明本发明的堆叠式太阳能电池模块相较于传统太阳能电池模块具有较佳的输出电流与输出功率，以下以一个实例以及一个比较例来说明。
此实例的堆叠式太阳能电池模块的结构如图1所示，其中第一电极层102是采用铟锡氧化物，第一载流子传输层104是采用厚度30nm的聚(3，4-伸乙二氧基塞吩：聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)_，第一吸光层106是采用厚度70nm且吸收300～700nm波段的(3-己基噻吩)：[6，6]苯基-C61-酪酸甲基酯(poly(3-hexylthiophene)：[6，6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester(P3HT：[60]PCBM))吸光材料，第二电极层108是采用15nm的银，第二载流子传输层110是采用厚度120nm的氧化锌(ZnO)载流子传输材料，第二吸光层112是采用厚度70nm且吸收600～1100nm波段的PCPDTBT：[70]PCBM吸光材料。特别是，在此实例中，第二载流子传输层110与第二吸光层112满足Φ1+Φ2-2π(n1D1+n2D2)/λ＝2mπ，其中Φ1表示第二吸光层与第三电极层之间的反射相位差，Φ2表示第二载流子传输层与第二电极层之间的反射相位差，λ表示第二吸光层的光吸收波长，且m表示0或整数。此外，此实例的堆叠式太阳能电池模块中的第一太阳能电池单元U1与第二太阳能电池U2是彼此并联。
比较例的太阳能电池模块的结构与上述实例的结构相似，不同之处在于第二载流子传输层110的厚度为30nm，因此第二载流子传输层110与第二吸光层112的厚度与折射率没有满足Φ1+Φ2-2π(n1D1+n2D2)/λ＝2mπ。另外，比较例的太阳能电池模块之中的第一太阳能电池单元U1与第二太阳能电池U2是彼此并联。
图6是比较例的太阳能电池模块的光吸收率与光吸收波段的曲线图。请参照图6，曲线A表示比较例的第一吸光层的光吸收率与光吸收波段的曲线，且曲线B表示比较例的第二吸光层的光吸收率与光吸收波段的曲线。由图6可知，比较例的第二吸光层(B曲线)的吸光量明显小于第一吸光层(A曲线)的吸光量。这主要是因为，比较例的第二太阳能电池单元U2中没有光学共振腔结构，而使得第二吸光层的吸光量明显偏低。
承上所述，由于比较例的第二吸光层(A曲线)的吸光量明显小于第一吸光层(B曲线)的吸光量，因此比较例的太阳能电池模块中的第二太阳能电池单元(具有第二吸光层)的输出电流会明显小于第一太阳能电池单元(具有第一吸光层)的输出电流。
图7是本实例的太阳能电池模块的光吸收率与光吸收波段的曲线图。请参照图7，曲线C表示本实例的第一吸光层的光吸收率与光吸收波段的曲线，且曲线D表示本实例的第二吸光层的光吸收率与光吸收波段的曲线。由图7可知，本实例的第二吸光层(D曲线)的吸光量相较于比较例的第二吸光层(B曲线)的吸光量高。这主要是因为本实例的第二太阳能电池单元U2中具有光学共振腔结构，而使得第二太阳能电池单元U2的第二吸光层的吸光量明显提升。
此外，由于本实例的太阳能电池模块是将两个太阳能电池单元并联在一起，也就是两个太阳能电池单元是各自电连接到各自的输出单元。因此，两个太阳能电池单元之间没有输出电流匹配的问题，也就是两个太阳能电池单元可各自将其输出电流输出。因此，本实施例的太阳能电池模块的总输出电流相较于比较例的太阳能电池模块的总输出功率要来得高。在此，此实例的太阳能电池模块的总输出电流(总输出功率)相较于比较例的太阳能电池模块的总输出电流(总输出功率)来说可提升61％左右。
综上所述，本发明的堆叠式太阳能电池模块中，因载流子传输层与第二吸光层满足Φ1+Φ2-2π(n1D1+n2D2)/λ＝2mπ，Φ1表示第二吸光层与第三电极层之间的反射相位差，Φ2表示第二载流子传输层与第二电极层之间的反射相位差，λ表示第二吸光层的光吸收波长，且m表示0或整数。因而能在第三电极层以及第二电极层之间形成光学共振腔，以提高第二吸光层的光吸收率。此外，本发明的堆叠式太阳能电池模块的各太阳能电池单元是各自连接到对应的输出单元。如此一来，可以使得外界光线在射入此太阳能电池模块之后能各自于第一吸光层以及第二吸光层中各自达到最大的光吸收率，且两太阳能电池单元之间不需考量电流匹配的问题，进而使得堆叠式太阳能电池模块的总输出功率提高。
虽然已结合以上实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (11)

1.一种堆叠式太阳能电池模块，包括：
基板；
第一电极层，位于该基板上；
第一载流子传输层，位于该第一电极层上；
第一吸光层，位于该第一载流子传输层上；
第二电极层，位于该第一吸光层上；
第一输出单元，其电连接该第一电极层以及该第二电极层；
第二载流子传输层，位于该第二电极层上；
第二吸光层，位于该载流子传输层上；以及
第三电极层，位于该第二吸光层上，
第二输出单元，其电连接该第二电极层以及该第三电极层，
其中该第二载流子传输层具有第一折射率n1以及第一厚度D1，该第二吸光层具有第二折射率n2以及第二厚度D2，且该第二载流子传输层与该第二吸光层满足：
Φ1+Φ2-2π(n1D1+n2D2)/λ＝2mπ
Φ1表示第二吸光层与第三电极层的反射相位差，
Φ2表示第二载流子传输层与第二电极层的反射相位差，
λ表示第二吸光层的光吸收波长，且
m表示0或整数。
2.如权利要求1所述的堆叠式太阳能电池模块，其中该第二电极层的反射率为40％～80％之间。
3.如权利要求1所述的堆叠式太阳能电池模块，其中该第二电极层包括金属材料。
4.如权利要求1所述的堆叠式太阳能电池模块，其中该第二电极层的厚度为10～25nm。
5.如权利要求1所述的堆叠式太阳能电池模块，其中该第一吸光层以及该第二吸光层分别为一有机吸光材料。
6.如权利要求1所述的堆叠式太阳能电池模块，其中该第一吸光层以及该第二吸光层其中之一吸收300～700nm的光且另一吸收600～1100nm的光。
7.如权利要求1所述的堆叠式太阳能电池模块，还包括第一载流子传输层，其位于该基板与该第一吸光层之间。
8.如权利要求1所述的堆叠式太阳能电池模块，其中：
该第一输出单元具有第一电极端以及第二电极端，且该第一电极层以及该第二电极层分别电连接至该第一电极端以及该第二电极端；以及
该第二输出单元具有第三电极端以及第四电极端，且该第二电极层以及该第三电极层分别电连接至该第三电极端以及该第四电极端。
9.如权利要求1所述的堆叠式太阳能电池模块，还包括：
第一导线，其与该第一电极层连接，以使该第一电极层与该第一输出单元电连接；
第二导线，其与该第二电极层连接，以使该第二电极层与该第一输出单元以及该第二输出单元电连接：以及
第三导线，其与该第三电极层连接，以使该第三电极层与该第二输出单元电连接。
10.如权利要求1所述的堆叠式太阳能电池模块，其中该第一电极层包括一透明电极材料。
11.如权利要求1所述的堆叠式太阳能电池模块，其中该第三电极层包括一反射电极材料。
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