TW201417311A - 可撓式ｐｖ－ｅｃ二次薄膜太陽能電池及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種可撓式PV-EC二次薄膜太陽能電池及其製造方法，其包含下列步驟：提供一可撓式導電金屬基板，其至少包括一第一面及一第二面，耦接一光伏二極體元件於該可撓式導電金屬基板之第一面上，沉積一第一透明導電金屬電極於該光伏二極體元件之上，沉積一電致變色層於該可撓式導電金屬基板之第二面上，沉積一離子傳導層於該電致變色層上，最後沉積一第二透明導電金屬電極於該離子傳導層之上。其中該可撓式PV-EC二次薄膜太陽能電池可透過電致變色電池模組呈現出之不同顏色，精準判斷電池剩餘電量，甚至可進一步檢測太陽能電池模組是否短路。

Description

可撓式PV-EC二次薄膜太陽能電池及其製造方法
本發明係關於一種薄膜太陽能電池及其製造方法，特別是關於一種可撓式PV-EC二次薄膜太陽能電池及其製造方法。
地球暖化已是近年來眾所矚目的焦點，地球同時也隨著科技的進步而在逐漸污染變化中，導致世界各地天候異象不斷產生，再生環保概念始被重視，開發新的能源替代方式已是一股不可避免的新潮流；其中又以太陽能發電最被廣泛地研究。太陽能電池利用光電效應之原理產生電能，發電過程中不產生二氧化碳，對於減緩地球溫室效應有極大的貢獻；然而在無日照時，太陽能電池便無法正常運作，嚴重影響供電效能，因此便需搭配一組二次電池作為電力儲存使用。當日照充足時，太陽能電池提供電力也同時對二次電池進行充電；日照不足無法供電時則改由二次電池進行放電來提供電力。
近年來，手機功能越來越多工化，相對的耗電量也跟著大增，行動電源扮演著不可或缺的角色，而只需靠太陽光便能供電的太陽能電池自然是行動電源的首選。然而太陽能電池也並非全無缺點，因為日照不足時很有可能使用到一半時突然沒電而中斷操作，也因此多數元件都還會另外配置一條供電電源，但如此將會造成攜帶上的不便。若採用PV-EC結構的可撓式二次薄膜太陽能電池，則不需再 使用額外的電池，重量輕且便於攜帶，真正達到全太陽驅動的目的。
較為常見的二次薄膜電池以鋰離子電池為主，由於固態電解質的鋰離子電池價格太貴，所以目前市場上多數還是以液態電解質形式為主；儘管如此，價格上還是略高於其他二次電池，製程上也有所限制，無法應用於可撓式基板上。此外，液態電解質易有漏液的問題，造成電池壽命並不長久，而充電過程中高熱及電池內部氣體的產生易導致***，具有危險性。
值得一提的是，二次電池在使用上無法知道電池殘存電荷量。雖然早已有監控電池殘存電量的方法，只要按電池上的顏色監控鈕來使化學物質產生顏色變化便可觀看殘存電荷量，但實際上這並不是最佳的監控方法，利用電壓監控的技術很難精準預測殘存電量之值，因為電荷-電壓的關係是呈現S型曲線，只能看出10%~90%的範圍，而且會明顯消耗電池電荷量。
電致變色材料(electrochromic,EC)近年來多用於綠能建築以及顯示上，應用於電池的新觀念也逐漸被提出。複合的電致變色材料包含了兩層電致變色材料電極以及電解質層，體積小重量輕，全固態的電致變色材料可以重複使用上萬次而無漏液、***等危險性，亦無鎘、汞、鉛等有毒物質，故不會汙染環境，不但環保，安全性又高。在不同電壓時會呈現不同顏色外觀，易於目測判讀殘存電量，這是其他二次電池所沒有的特點。
製備電致變色材料薄膜的方式很多種，所得到的薄膜 型態及微結構亦不盡相同，不同的製程條件也會有不同的特性差異，使用濺鍍方式的優點是可以得到具有良好附著性及均勻性的薄膜，製程參數容易調整，以及易達到連續化製作，相較濕式製程，亦可延長元件壽命，因此這是目前被廣為利用的方法。
本揭露提出一種可撓式PV-EC二次薄膜太陽能電池及其製造方法。其係於可撓式導電金屬基板上製造一光伏二極體電池模組及一電致變色電池模組。於日照充足時光伏二極體電池模組發電並對電致變色電池模組進行充電，當日照不足時便改由電致變色電池模組供電；此外，該可撓式PV-EC二次薄膜太陽能電池在沒電與充飽電時會呈現不同顏色狀態，利用顏色來精準判斷電池剩餘電量；同時，電致變色電池模組亦能用以對太陽能電池模組進行即時短路檢測。
在一實施例中，本揭露提供一種可撓式PV-EC二次薄膜太陽能電池及其製造方法，其包括下列步驟：提供一可撓式導電金屬基板，其至少包括一第一面及一第二面；耦接一光伏二極體元件於該可撓式導電金屬基板之第一面上；沉積一第一透明導電金屬電極於該光伏二極體元件之上；沉積一電致變色層於該可撓式導電金屬基板之第二面上；沉積一離子傳導層於該電致變色層上；以及沉積一第二透明導電金屬電極於該離子傳導層上。
在另一實施例中，本揭露提供一種可撓式PV-EC二次 薄膜太陽能電池，其包含：一可撓式導電金屬基板，其至少包括一第一面及一第二面；一光伏二極體元件，位於該可撓式基材之第一面上；一第一透明導電金屬電極，位於該光伏二極體元件之上；一電致變色層，位於該可撓式導電金屬基板之第二面上；一離子傳導層，位於該電致變色層上；以及，一第二透明導電金屬電極，位於該離子傳導層上。
請參閱圖1與圖2所示，其中，圖1為本揭露之一種可撓式PV-EC二次薄膜太陽能電池製造方法實施例流程圖；圖2為根據圖1之流程所製造之可撓式PV-EC二次薄膜太陽能電池示意圖。該製造方法100包括下列步驟：提供一可撓式導電金屬基板210，其至少包括一第一面211及一第二面212；耦接一光伏二極體元件220於該可撓式導電金屬基板210之第一面211上；沉積一第一透明導電金屬電極230於該光伏二極體元件220之上；沉積一電致變色層240於該可撓式導電金屬基板210之第二面212上；沉積一離子傳導層250於該電致變色層240上；以及沉積一第二透明導電金屬電極270於該離子傳導層250上。
首先說明光伏二極體電池模組201之部分。本揭露之可撓式導電金屬基板210為任何可撓式導電金屬基板。於製造該光伏二極體電池模組201時，首先以電漿輔助化學氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)方式於該可撓式導電金屬基板210之第一面211 上，沉積一電子型傳導層221；其次，一樣以電漿輔助化學氣相沉積方式沉積一本質傳導層222於該電子型傳導層221之上；接著，同樣以電漿輔助化學氣相沉積方式沉積一電洞型半導體層223於該本質傳導層222之上；最後，一樣以物理氣相沉積方式(physical vapor deposition,PVD)沉積一第一透明導電金屬層230於該電洞型半導體層223之上。綜合上述流程，完成光伏二極體電池模組201之製作。
接著說明電致變色電池模組202之部分。於製造該電致變色電池模組202時，首先於該可撓式導電金屬基板210之第二面212上，以物理氣相沉積方式沉積一電致變色層240(electrochromic layer,EC)；其次，一樣以物理氣相沉積方式沉積一離子傳導層250於該電致變色層240之上；接著，同樣以物理氣相沉積方式沉積一輔助變色層260(complementary layer)於該離子傳導層250之上；最後，一樣以物理氣相沉積方式沉積一第二透明導電金屬層270於該輔助變色層260之上。綜合上述流程，完成電致變色電池模組202之製作。
透過上述實施例流程圖之步驟說明，包括光伏二極體電池模組201及電致變色電池模組202之製作步驟說明，可以得到如本揭露之圖2的可撓式PV-EC二次薄膜太陽能電池之結構。
接著說明該光伏二極體電池模組201各層別之目的與作用。該可撓式導電金屬基板210具備電極之功能；該電子型傳導層221，其主要組成為n型Si半導體及其合金， 用以作為光伏二極體元件220之電子型傳導層，在本實施例中，其厚度範圍可以介於5nm至100nm之間；該本質傳導層222，其主要組成為Si半導體及其合金，用以作為該光伏二極體元件220之光吸收層，在本實施例中，其厚度可以介於50nm至3000nm之間；該電洞型半導體層223，其主要組成為p型Si半導體及其合金，用以作為該光伏二極體元件220之電洞型傳導層，在本實施例中，其厚度可以介於5nm至100nm之間；該第一透明導電金屬層230，其材質為TCO(transparent conductive oxide)，且其厚度可以介於50nm至3000nm之間。
接著說明電致變色電池模組202之各層別之目的與作用。該電致變色層240係使用還原態著色之電致變色材料作為主要提供顏色變化用之材料，在本實施例中，該材料可為WO3、MoO3、Nb2O5及TiO2，且其厚度可以介於50nm至5000nm之間；該離子傳導層250係使用固態電解質為材料，用以作為該電致變色層240中離子之傳導，在本實施例中該固態電解質材料可為Ta2O5、TiO2、Y2O3、(Ba,Sr)TiO3、Pb(Zr,Ti)O3和ZrO2，且其厚度可以介於10nm至5000nm之間；該輔助變色層260係使用氧化態著色材料與該電致變色層240做搭配以提高該電致變色電池模組202的光學穿透度，同時兼具離子儲存之功用，在本實施例中該材料可為NiOx、Ni(OH)2、IrO2和Co(OH)2，且其厚度可以介於50nm至5000nm之間；該第二透明導電金屬層270，其材質為TCO，且其厚度可以介於50nm至3000nm之間。
整合上述可撓式PV-EC二次薄膜太陽能電池及其製造方法之說明，本揭露之特徵在於採用可撓式導電金屬做為基板，除方便收藏且易於攜帶外，更可省去部分導電金屬層的鍍製，而達到降低成本及簡化製程之功效；另外，全固態電致變色電池模組202製程簡單，大量生產價格便宜且可用於可撓式基板上，電池可重複操作上萬次，無漏液、***等問題，電池壽命長，安全性高；同時，電池在沒電與充飽電時會呈現不同顏色，利用光學密度監測，顏色變化會完全正比於殘存電荷，可精準判斷電池剩餘電量；最後，本揭露之光伏二極體電池模組201及電致變色電池模組202因元件分隔在可撓式導電金屬基板210的兩面，因此不會產生因電致變色電池模組202變色而導致光伏二極體電池模組201無法發電的狀況，甚至可藉由電致變色電池模組202變色與否進行即時太陽能電池模組短路之檢測。
唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，當不能以之限制本發明的範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化及修飾，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範圍，故都應視為本發明的進一步實施狀況。
100‧‧‧可撓式PV-EC二次薄膜太陽能電池製造方法
110/120/130/140/150/160‧‧‧步驟
200‧‧‧可撓式PV-EC二次薄膜太陽能電池
200‧‧‧可撓式PV-EC二次薄膜太陽能電池
201‧‧‧光伏二極體電池模組
202‧‧‧電致變色電池模組
210‧‧‧可撓式導電金屬基板
211‧‧‧可撓式導電金屬基板第一面
212‧‧‧可撓式導電金屬基板第二面
220‧‧‧光伏二極體元件
221‧‧‧電子型傳導層
222‧‧‧本質傳導層
223‧‧‧電洞型傳導層
230‧‧‧第一透明導電金屬電極
240‧‧‧電致變色層
250‧‧‧離子傳導層
260‧‧‧輔助變色層
270‧‧‧第二透明導電金屬電極
圖1根據本發明一實施例之可撓式PV-EC二次薄膜太陽能電池製造方法流程圖。
圖2根據本發明一實施例之可撓式PV-EC二次薄膜太陽 能電池示意圖。
200‧‧‧可撓式PV-EC二次薄膜太陽能電池
201‧‧‧光伏二極體電池模組
202‧‧‧電致變色電池模組
210‧‧‧可撓式導電金屬基板
211‧‧‧可撓式導電金屬基板第一面
212‧‧‧可撓式導電金屬基板第二面
220‧‧‧光伏二極體元件
221‧‧‧電子型傳導層
222‧‧‧本質傳導層
223‧‧‧電洞型傳導層
230‧‧‧第一透明導電金屬電極
240‧‧‧電致變色層
250‧‧‧離子傳導層
260‧‧‧輔助變色層
270‧‧‧第二透明導電金屬電極

Claims (20)

  1. 一種可撓式PV-EC二次薄膜太陽能電池之製造方法，其包含下列步驟：提供一可撓式導電金屬基板，其至少包括一第一面及一第二面；耦接一光伏二極體元件於該可撓式導電金屬基板之第一面上；沉積一第一透明導電金屬電極於該光伏二極體元件之上；沉積一電致變色層於該可撓式導電金屬基板之第二面上；沉積一離子傳導層於該電致變色層上；及沉積一第二透明導電金屬電極於該離子傳導層上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之一種可撓式PV-EC二次薄膜太陽能電池之製造方法，其中該離子傳導層係為固態電解質。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之一種可撓式PV-EC二次薄膜太陽能電池之製造方法，其中在形成該第二透明導電金屬電極於該離子傳導層上之前，更包括有形成一輔助變色層於該離子傳導層上之步驟。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之一種可撓式PV-EC二次薄膜太陽能電池之製造方法，其中該輔助變色層係用以提高光學穿透度。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之一種可撓式PV-EC二次薄膜太陽能電池之製造方法，其中該輔助變色層更用以 儲存離子。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之一種可撓式PV-EC二次薄膜太陽能電池之製造方法，其中該輔助變色層厚度範圍介於50nm至5000nm之間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之一種可撓式PV-EC二次薄膜太陽能電池之製造方法，其中該電致變色層厚度範圍介於50nm至5000nm之間。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之一種可撓式PV-EC二次薄膜太陽能電池之製造方法，其中該離子傳導層厚度範圍介於10nm至5000nm之間。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之一種可撓式PV-EC二次薄膜太陽能電池之製造方法，其中該第一透明導電金屬電極以及該第二透明導電金屬電極厚度範圍分別介於50nm至3000nm之間。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之一種可撓式PV-EC二次薄膜太陽能電池之製造方法，其中形成該光伏二極體元件至少包含有下列步驟：提供一電子型傳導層；沉積一本質傳導層於該電子型傳導層之上；及沉積一電洞型傳導層於該本質傳導層之上。
  11. 一種可撓式PV-EC二次薄膜太陽能電池，其包含：一可撓式導電金屬基板，其至少包括一第一面及一第二面；一光伏二極體元件，位於該可撓式基材之第一面上；一第一透明導電金屬電極，位於該光伏二極體元件之 上；一電致變色層，位於該可撓式導電金屬基板之第二面上；一離子傳導層，位於該電致變色層上；及一第二透明導電金屬電極，位於該離子傳導層上。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之一種可撓式PV-EC二次薄膜太陽能電池，其中該離子傳導層係為固態電解質。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之一種可撓式PV-EC二次薄膜太陽能電池，其中該離子傳導層與該第二透明導電金屬電極間更包括有一輔助變色層。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之一種可撓式PV-EC二次薄膜太陽能電池，其中該輔助變色層係用以提高光學穿透度。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之一種可撓式PV-EC二次薄膜太陽能電池，其中該輔助變色層更用以儲存離子。
  16. 如申請專利範圍第13項所述之一種可撓式PV-EC二次薄膜太陽能電池，其中該輔助變色層厚度範圍介於50nm至5000nm之間。
  17. 如申請專利範圍第11項所述之一種可撓式PV-EC二次薄膜太陽能電池，其中該電致變色層厚度範圍介於50nm至5000nm之間。
  18. 如申請專利範圍第11項所述之一種可撓式PV-EC二次薄膜太陽能電池，其中該離子傳導層厚度範圍介於10nm至5000nm之間。
  19. 如申請專利範圍第11項所述之一種可撓式PV-EC二次 薄膜太陽能電池，其中該第一透明導電金屬電極以及該第二透明導電金屬電極厚度範圍分別介於50nm至3000nm之間。
  20. 如申請專利範圍第11項所述之一種可撓式PV-EC二次薄膜太陽能電池，其中該光伏二極體元件至少包含有一電子型傳導層、一本質傳導層及一電洞型傳導層。
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