TW201417319A - 矽晶太陽能電池及其矽晶太陽能電池模組 - Google Patents

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Abstract

一種太陽能電池，包括第一電極、數個金屬柵狀電極與位於第一電極之內表面和金屬柵狀電極之內表面之間的光電轉換層。所述太陽能電池還包括可電解離的帶電荷膜，位於第一電極的外表面上。

Description

太陽能電池及其太陽能電池模組
本發明是有關於一種太陽能電池技術，且特別是有關於一種太陽能電池及其太陽能電池模組。
太陽能電池的理論效率雖高，但實際的發電效率並不是如此。影響效率的因素有很多，像是太陽能電池本身的串聯及並聯電阻、或是太陽能電池電極對陽光的遮蔽效應、或是反射光沒有被有效捕捉的損失等等。
而太陽能電池內部的電子及電洞的再結合(recombination)則是另一個影響效率的重要因素。具有比太陽能電池的帶隙還要高能量的入射光子的吸收會產生電子電洞對，然後存在於太陽能電池p-n接面的電場作用會將這些載子分離。所述光生少數載子(即電子電洞對中的電子或電洞)會到達p-n接面，並掃過所述接面，變成多數載子。如果太陽能電池是短路的，則光生載子會流過外部電路而完成一個回路。太陽能電池的發電效率會受到電池內的電子與電洞的再結合率影響，導致電荷載子的消耗(depletion)。
一般的矽晶太陽能電池是由矽基極區、矽射極區、p-n接合區、正面電接觸(正面電極)與背面電接觸(背面電極)。近年來，各種高效率矽晶太陽能電池，如異質接合與本質層異質接面(heterojunction with intrinsic thin layer，HIT)、鈍化射極與背電池(passivated emitter and rear cell，PERC)、射極鈍化以及背面局部擴散(passivated emitter and rear locally diffused cell，PERL)等太陽能電池都被開發來改善再結合損失。
介電質鈍化是一種普遍使用在太陽能電池表面來減少載子再結合的方法。鈍化材料包括任何合適的材料，這種材料不是帶有正電荷就是帶有負電荷。使用與半導體射極或基極層持相反極性(polarity)的電荷，能產生抑制少數載子移動過太陽電子的電場，藉以降低載子再結合。兩種已知的表面鈍化方法是化學鈍化方式(chemical passivation)與場效應鈍化方式(field-effect passivation)。
其中，化學表面鈍化方式包含利用熱氧化製程將介電材料沉積在電池的n型或p型半導體的表面上形成一鈍化層，而熱氧化製程屬較高製程溫度(1000℃)的表面鈍化技術之一。熱氧化製程可通過介電層與半導體層之間的化學鍵合獲得良好的介面鈍化品質，並因此降低半導體層與介電層的介面的缺陷密度。藉此降低半導體表面的電子與電洞的再結合概率。但是其高溫條件造成載子壽命退化以及n+/p介面摻雜的再分配。電漿化學氣相沉積(PECVD)方法是一種可用來取代熱氧化的方法，這種製程中將電 漿激發在~400℃的較低製程溫度，並利用通過的氫氣修復太陽能電池的一些不穩定的缺陷。
場效應鈍化方式採用介電材料以抑制少數載子的再結合。介電層的表面鈍化性能在很大程度上取決於在介電層中的固定電荷和半導體的摻雜濃度。對於n型半導體，氮化矽具有正電荷會引起介電層/半導體介面的多數載子(電子)積累，導致能帶向下彎曲。從矽晶太陽能電池表面的少數載子(電洞)則被屏蔽。
其他型態的場效應鈍化方式是於p型半導體背面形成重摻雜p+區作為屏障(barrier)，阻止多數載子(電子)移到背面接觸。在太陽能電池背面有重摻雜區的背面場(back surface field，BSF)是這種鈍化的其中一種方法。形成在高、低摻雜區介面的電場會引起屏障，阻止少數載子移到第一電極。但要製作p+區則需要一些額外的受體型雜質摻雜，這意味著需要額外的技術步驟和更高的成本。
從結構來看，通過化學鈍化方式與場效應鈍化方式形成的介電鈍化層是直接與太陽能電池的半導體光電轉換層接觸。
相較於上述介電質鈍化方式，所謂的“介電質”在太陽能電池可靠度方面有不同意義。高分子聚合物封裝材料(polymer encapsulant)是一種已知材料，用來提供導電層(如電極層)的電性絕緣性鈍化層。這種高分子聚合物封裝材料同時附著在太陽能電池的正極和負極，以提供太陽能電池耐用並對環境的危害持久保護的效果。
目前有數種可用的高分子聚合物封裝材料，包括乙烯-醋酸乙烯共聚物(ethylene vinyl acetate，EVA)、聚乙烯醇縮丁醛(polyvinyl butyral，PVB)、聚二甲基矽氧烷(polydimethyl siloxane，PDMS)、熱塑性聚烯烴(TPO)、熱塑性聚氨酯彈性體(thermoplastic polyurethane，TPU)、三元乙丙橡膠(ethylene propylene diene monomer，EPDM)和離子聚合物(ionomer)。根據肯普(Kempe)的研究，發表在第37屆IEEE太陽能專家會議(2011年)的“應用於太陽能電池的聚合物選擇的科學問題概述(Overview of scientific issues involved in selection of polymers for PV applications)”，EVA、TPU與聚烯烴的體積電阻率是E14歐姆/平方的程度，而矽膠、離子聚合物和EPDM的電阻是比EVA約大100倍。高分子聚合物封裝材料的電阻率與電絕緣性有關。
值得一提的是，離子聚合物是一種帶電荷的共聚物，同時含有電中性重複單元和一部分可電解離的離子性基團，所述可電解離的離子性基團能共價鍵合到聚合物主鏈(backbone)上。在這類的聚合物中，離子締合物的主要貢獻是材料的熱塑性性能。在熔融溫度以下，由於離子性基團的吸引，這種聚合物會對齊以形成物理交聯。然而，在升高的溫度下，這種離子相互作用會消失，聚合物鏈將自由移動。這種熱可逆熱塑性行為使離子聚合物在高溫下容易加工，且室溫下為高模量(modulus)，從而使離子高分子聚合物適於太陽能電池封裝材料的應用。
本發明提供一種太陽能電池，具有可電解離的帶電荷膜(ionizable charged film)作為鈍化層。
本發明提供一種太陽能電池模組，其中的太陽能電池具有可電解離的帶電荷膜，以減少載子再結合的問題，進而提升電池效率。
本發明提出一種太陽能電池，包括第一電極、數個金屬柵狀電極與位於第一電極的內表面和數個金屬柵狀電極(metal grid electrodes)的內表面之間的光電轉換層。所述太陽能電池還包括可電解離的帶電荷膜，位於第一電極的外表面上。
在本發明的一實施例中，上述太陽能電池還包括在所述金屬柵狀電極以外的光電轉換層上的抗反射層(anti-reflection layer)。
在本發明的一實施例中，上述第一電極為背電極(back electrode)。
在本發明的一實施例中，上述光電轉換層包括半導體基極區、半導體射極區與p-n接合區，其中p-n接合區位於半導體基極區和半導體射極區之間。
在本發明的一實施例中，上述可電解離的帶電荷膜的極性不同於與第一電極接觸的半導體基極區或半導體射極區的多數載子(majority carrier)的極性。
在本發明的一實施例中，上述可電解離的帶電荷膜包括 無機帶電荷的薄膜或有機帶電荷的薄膜。
在本發明的一實施例中，上述無機帶電荷的薄膜的材料包括：鋰磷氧氮(lithium phosphorus oxynitride，LIPON)、過氯酸鋰(LiClO4)、三氟甲基磺酸鋰(LiCF3SO3)或四氟硼酸鋰(LiBF4)。
在本發明的一實施例中，上述有機帶電荷的薄膜包括帶負電荷高分子聚合物薄膜或帶正電荷高分子聚合物薄膜。
在本發明的一實施例中，上述帶負電荷高分子聚合物薄膜的材料包括：聚(苯乙烯磺酸)(poly(styrene sulfonate acid)，PSSA)、聚丙烯酸(poly(acrylic acid)，PAA)、聚馬來酸(polymaleic acid，PMA)或聚全氟磺酸(poly(perfluorosulfonic acid)，PFSA)。
在本發明的一實施例中，上述帶正電荷高分子聚合物薄膜的材料包括：聚二烯丙基二甲基氯化銨(polydiallyldimethylammonium chloride，PDDA)、聚(丙烯胺鹽酸鹽)(poly(allylamine hydrochloride)，PAH)、多聚賴氨酸(poly-L-lysine，PLL)或聚乙烯亞胺(polyethyleneimine，PEI)。
在本發明的一實施例中，上述可電解離的帶電荷膜為單層膜或多層膜結構。
在本發明的一實施例中，上述可電解離的帶電荷膜的離子導電率(ionic conductivity)在10-3S/cm到10-6S/cm之間。
本發明的太陽能電池模組至少包括數個太陽能電池和封裝層。每個太陽能電池包括第一電極、數個金屬柵狀電極與位於第一電極的內表面和金屬柵狀電極的內表面之間的光電轉換層。 所述太陽能電池還包括可電解離的帶電荷膜，位於第一電極的外表面上。封裝層可黏附在可電解離的帶電荷膜上。
在本發明的另一實施例中，上述的光電轉換層包括半導體基極區、半導體射極區與p-n接合區，其中p-n接合區位於半導體基極區和半導體射極區之間。
在本發明的另一實施例中，上述可電解離的帶電荷膜的極性不同於與第一電極接觸的半導體基極區或半導體射極區的多數載子的極性。
在本發明的另一實施例中，上述可電解離的帶電荷膜包括無機帶電荷的薄膜或有機帶電荷的薄膜。
在本發明的另一實施例中，上述可電解離的帶電荷膜為單層膜或多層膜結構。
在本發明的另一實施例中，上述可電解離的帶電荷膜的離子導電率在10-3S/cm到10-6S/cm之間。
在本發明的另一實施例中，上述太陽能電池還包括在所述金屬柵狀電極以外的光電轉換層上的抗反射層。
在本發明的另一實施例中，上述封裝層黏附在金屬柵狀電極與抗反射層上。
在本發明的一實施例中，上述第一電極為背電極。
基於上述，本發明的鈍化結構中，直接在太陽能電池的電極上沉積帶電荷的材料。在所述可電解離的帶電荷膜中累積的電荷能引起能帶彎曲，從而在太陽能電池單元上有效地產生場效 應表面鈍化。另外，和已知的真空半導體製程相比，本發明的技術在生產方面相對便宜和容易，而不會造成嚴重的環境問題。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100、200‧‧‧太陽能電池
102、202、406、708、902‧‧‧第一電極
102a、202a、406a、708a、706a‧‧‧外表面
102b、202b‧‧‧內表面
104、204、404、602、704、900‧‧‧可電解離的帶電荷膜
106、210、408、706‧‧‧第二電極
108、410、710‧‧‧光電轉換層
112、206‧‧‧半導體基極區
114、208‧‧‧半導體射極區
116‧‧‧p-n接合區
118、214、500‧‧‧封裝層
212‧‧‧抗反射層
300a‧‧‧空間電荷寬度
300b‧‧‧電洞位障
400‧‧‧透明基板
402、702‧‧‧薄膜太陽能電池
412‧‧‧透明導電氧化物層
414‧‧‧金屬電極
600‧‧‧電絕緣層
800‧‧‧金屬接觸線
p1、p2、p3‧‧‧間隔
圖1是依照本發明的第一實施例的一種太陽能電池的示意圖。
圖2是依照本發明的第二實施例的一種太陽能電池的示意圖。
圖3是圖2的太陽能電池與第一電極的介面的能帶示意圖。
圖4是依照本發明的第三實施例的一種太陽能電池的示意圖。
圖5是依照本發明的第四實施例的一種太陽能電池模組的示意圖。
圖6是依照本發明的第五實施例的一種太陽能電池模組的示意圖。
圖7是依照本發明的第六實施例的一種太陽能電池的示意圖。
圖8是依照本發明的第七實施例的一種太陽能電池的示意圖。
圖9是實驗2的具有可電解離的帶電荷膜的矽晶太陽能電池的掃瞄式電子顯微(SEM)相片。
圖10顯示實驗2中具有和不具可電解離的帶電荷膜的矽晶太陽能電池的交流阻抗(AC impedance)曲線圖。
圖11顯示實驗2中具有和不具可電解離的帶電荷膜的矽晶太陽能電池的逆向偏壓(reverse bias)暗電流(dark current)曲線圖。
圖12顯示實驗3中具有和不具可電解離的帶電荷膜的矽晶太陽能電池的交流阻抗曲線圖。
圖13顯示實驗3中具有和不具可電解離的帶電荷膜的矽晶太陽能電池的逆向偏壓暗電流曲線圖。
圖14顯示實驗4中具有和不具可電解離的帶電荷膜的CIGS薄膜太陽能電池的波德圖(Bode plot)。
圖15顯示實驗5中具有和不具可電解離的帶電荷膜的CIGS薄膜太陽能電池的電容-電壓(C-V)曲線圖。
圖1是依照本發明的第一實施例的一種太陽能電池的示意圖。
在圖1中顯示有太陽能電池100，其至少包括有外表面102a和內表面102b的第一電極102、有外表面和內表面的第二電極106、位於第一電極102的內表面102b和第二電極106的內表面之間的光電轉換層108。所述太陽能電池100還包括可電解離的 帶電荷膜(ionizable charged film)104位於第一電極102的外表面102a和第二電極106的外表面中的至少一面上。光電轉換層108可包括半導體基極區112、半導體射極區114與p-n接合區116，其中p-n接合區116位於半導體基極區112和半導體射極區114之間。
本實施例的太陽能電池100包括矽晶太陽能電池、非晶矽薄膜太陽能電池、非晶與微晶矽薄膜太陽能電池、銅銦鎵硒太陽能電池、或碲化鎘太陽能電池。
請參照圖1，第一電極102和第二電極106可以是太陽能電池100的正極與負極，或者是負極與正極。可電解離的帶電荷膜104在所述第一電極102上提供電荷控制。另一可電解離的帶電荷膜(未顯示)也可以被設置在第二電極106上，用來操控第二電極106上的電荷分佈。
可電解離的帶電荷膜104由相同數量的陽離子(帶正電離子)與陰離子(帶負電離子)構成。例如可電解離的帶電荷膜104包括有機或無機帶電荷的薄膜。
可電解離的帶電荷膜104在接觸電極時會形成雙電層(electric double layer)。可電解離的帶電荷膜會在靠近帶正電電極處產生陰離子或在靠近帶負電電極處產生陽離子。
可電解離的帶電荷膜104可以只與太陽能電池的負極或正極電性接觸，或者分別都與太陽能電池的負極和正極接觸。但是，由於可電解離的帶電荷膜104的離子導電率，沉積在兩側電 極上的可電解離的帶電荷膜彼此不可接觸。意外的連接負極和正極將導致元件短路。可電解離的帶電荷膜104的電的極性與半導體(即半導體基極區112或半導體射極區114)的多數載子的極性相反。
上述無機帶電荷的薄膜的材料包括：鋰磷氧氮(lithium phosphorus oxynitride，LIPON)、過氯酸鋰(LiClO4)、三氟甲基磺酸鋰(LiCF3SO3)或四氟硼酸鋰(LiBF4)。上述有機帶電荷的薄膜的材料包括聚電解質。
當有機帶電荷的薄膜溶解在極性溶劑中的情況下，這種帶電荷的聚合物可以分解成具有固定電荷及相反極性的移動離子的聚合物主鏈，在聚合物主鏈上留下正或負電荷，並釋放其反離子於所述溶液中。可電解離的離子性基團的比例決定帶電荷的聚合物的離子導電率。
上述帶負電荷高分子聚合物薄膜的例子包括聚(苯乙烯磺酸)(poly(styrene sulfonate acid)，PSSA)、聚丙烯酸(poly(acrylic acid)，PAA)、聚馬來酸(polymaleic acid，PMA)或聚全氟磺酸(poly(perfluorosulfonic acid)，PFSA)。上述帶正電荷高分子聚合物薄膜的例子包括聚二烯丙基二甲基氯化銨(polydiallyldimethylammonium chloride，PDDA)、聚(丙烯胺鹽酸鹽)(poly(allylamine hydrochloride)，PAH)、多聚賴氨酸(poly-L-lysine，PLL)或聚乙烯亞胺(polyethyleneimine，PEI)。
在實際應用中，太陽能電池100通常是電性連接並被封 裝為一個模組(module)。以下聚合物是可用於太陽能電池模組疊層製程的封裝層118，包括乙烯-醋酸乙烯共聚物(ethylene vinyl acetate，EVA)、聚乙烯醇縮丁醛(polyvinyl butyral，PVB)、聚二甲基矽氧烷(polydimethyl siloxane，PDMS)、熱塑性聚烯烴(TPO)、熱塑性聚氨酯彈性體(thermoplastic polyurethane，TPU)、三元乙丙橡膠(ethylene propylene diene monomer，EPDM)、或離子聚合物(ionomer)。封裝層118可黏附在可電解離的帶電荷膜104上與第二電極106上，或可同時接觸不同極性的電極。在第一實施例中，因為可電解離的帶電荷膜104預先配置在太陽能電池100的第一電極102上，所以封裝層118是接著疊合到可電解離的帶電荷膜104上。另外，如果在第二電極106的外表面選擇性地設置可電解離的帶電荷膜104，封裝層118可附著在設置在第二電極106的外表面的可電解離的帶電荷膜104上。
圖2是依照本發明的第二實施例的一種太陽能電池的示意圖。
在圖2中顯示太陽能電池200包括第一電極202和可電解離的帶電荷膜204。可電解離的帶電荷膜204位於第一電極202的外表面202a。在第二實施例中是用矽晶太陽能電池作為太陽能電池200的例子，所以第一電極202是背電極(即金屬電極)，光會自太陽能電池200的正面進入，但並不限於此。在這裡的第一電極202是指位於相對於入射光的方向的相反側的電極。由於可電解離的帶電荷膜204被設置在第一電極202的外表面202a，可電 解離的帶電荷膜204可以在後端(back-end)模組的生產階段製作。可電解離的帶電荷膜204的極性基本上取決於和第一電極202的內表面202b接觸的半導體基極區206的導電類型(p型或n型)。可電解離的帶電膜204的極性是相反於多數載子(majority carrier)的半導體基區連接的第一電極202的內表面202b的。在這種情況下，當半導體基極區的極性是p型半導體層，因此可電解離的帶電荷膜204是帶負電荷。例如，在圖2的矽晶太陽能電池中，光電轉換層內的半導體基極區206是與第一電極202的內表面202b接觸的p型半導體層，光電轉換層內的半導體射極區208(例如，n型半導體射極層)則設置在所述p型半導體層(206)上。可電解離的帶電荷膜204會對來自太陽能電池200的背面側的少數電荷載子(電子)引起電場相斥，並降低在矽晶太陽能電池的後表面的再結合損失。所述可電解離的帶電荷膜204可以是單層膜或多層膜結構。
請參照圖2，由於矽晶太陽能電池是作為說明第二實施例的太陽能電池200的一個例子，所以第二電極(例如數個金屬柵狀電極)210可以被佈置在太陽能電池200的前面，用以有效地傳輸太陽能電池的輸出功率到一個外部負載。此外，抗反射層212可被設置在所述第二電極210以外的半導體射極區208上，用以捕捉入射太陽能電池200的前面的太陽光。
在第二實施例中，由於可電解離的帶電荷膜204是帶負電荷，這層膜204可以影響與第一電極202接觸的半導體基極區 206的能帶隙。
圖3是用來解釋矽晶太陽能電池上的可電解離的帶電荷膜204的合理鈍化系統。對於矽晶太陽能電池中作為第一電極202的金屬(如鋁膏)，電子會從金屬流到p型半導體層(例如圖2的半導體基極區206)的價帶(valence band)中的空穴態(empty states)，導致向上的頻帶隨化學勢與該金屬的費米能階達到平衡而彎曲。此平衡條件導致耗盡電洞的區域形成，而且電洞的位障(potential barrier)也會增加達到與金屬的界面平行，如圖3所示。當負極性的可電解離的帶電荷膜沉積在金屬電極的外表面上，可電解離的帶電荷膜的電荷會誘發金屬電極和所述p型半導體層之間的介面上的負電荷。電洞會被吸往所述介面，導致空間電荷寬度300a的降低和電洞位障300b的降低。因此，如果金屬電極是第一電極，移動到太陽能電池的背面的少數載子(minority carrier)(電子)的量將減少，就是減少載子再結合並增加提取電洞的可能性，從而提高整個元件的特性。
在第二實施例中，可電解離的帶電荷膜204由相同數量的陽離子(帶正電離子)與陰離子(帶負電離子)構成。可電解離的帶電荷膜204的成分中包括有機離子或無機離子。鋰磷氧氮(LIPON)、過氯酸鋰(LiClO4)、三氟甲基磺酸鋰(LiCF3SO3)或四氟硼酸鋰(LiBF4)是一些無機離子的例子。有機可電解離的帶電荷膜包括聚電解質，這種聚合物可溶解於溶液中，在聚合物主鏈留下電荷並釋放反離子，所述聚合物不是含有帶正電荷的陽離子聚合 物就是含有帶負電荷的陰離子聚合物。陰離子聚合物的例子包括聚(苯乙烯磺酸)(SSA)、聚丙烯酸(PAA)、聚馬來酸(PMA)或聚全氟磺酸(PFSA)。陽離子聚合物的例子包括聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDDA)、聚(丙烯胺鹽酸鹽)(PAH)、多聚賴氨酸(PLL)或聚乙烯亞胺(PEI)。
另外，太陽能電池200可被封裝為一個模組。例如，以下聚合物可用於太陽能電池模組疊層製程的封裝層214，如乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)、聚二甲基矽氧烷(PDMS)、熱塑性聚烯烴(TPO)、熱塑性聚氨酯彈性體(TPU)、三元乙丙橡膠(EPDM)、或離子聚合物。封裝層214黏附在太陽能電池200中的可電解離的帶電荷膜204、金屬柵狀電極210與抗反射層212上，並同時接觸不同極性的電極。在第二實施例中，因為可電解離的帶電荷膜204預先配置在太陽能電池200的第一電極202上，所以封裝層214是接著疊合到可電解離的帶電荷膜204上。
圖4是依照本發明的第三實施例的一種太陽能電池的示意圖。
第三實施例的薄膜太陽能電池可以是非晶矽(a-Si)薄膜太陽能電池、或非晶與微晶矽(a-Si/mc-Si)串聯式薄膜太陽能電池。如圖4所示，薄膜太陽能電池402和可電解離的帶電荷膜404形成在透明基板400上。薄膜太陽能電池402具有第一電極406，可電解離的帶電荷膜404形成在第一電極406的外表面406a上。第三實施例的薄膜太陽能電池402是以基板背光(substrate)的薄膜 太陽能電池為例。薄膜太陽能電池402包括順序地堆疊在基板400上的第二電極(例如，透明導電氧化物層)408、光電轉換層410和第一電極(即負極層)406。第二電極408是指到面對入射光的電極。第一電極406包括透明導電氧化物層412和金屬電極414。金屬電極414是可選的，對於一個透視型(see-through)非晶薄膜太陽能電池來說，是省略金屬電極的，因此可電解離的帶電荷膜404也可以直接接觸所述透明導電氧化物層412。可電解離的帶電荷膜404可參照第一或第二實施例來選擇，故不再贅述。
圖5是依照本發明的第四實施例的一種太陽能電池模組的示意圖。
第四實施例的薄膜太陽能電池可以是非晶矽(a-Si)薄膜太陽能電池、非晶與微晶矽(a-Si/mc-Si)串聯式薄膜太陽能電池、或非晶與非晶矽(a-Si/a-Si)串聯式薄膜太陽能電池。圖5是第四實施例的單石積體(monolithic integrated)薄膜太陽能電池模組的剖面示意圖，其為具有可電解離的帶電荷膜作為介電鈍化層的一種基板向光(superstrate)的薄膜太陽能電池，其中使用與第三實施例相同的附圖標記表示相同或相似的元件。
單石積體薄膜太陽能電池模組的形成是由透明基板400上的數個以p1間隔分隔的第二電極408(即正極層)、數個以p3間隔分隔的第一電極406(即負極層)和以p2間隔分隔在第二電極408和第一電極406之間的數個光電轉換層410所構成。第二電極408例如透明導電氧化物層，第一電極406例如包含透明導 電氧化物層412和金屬電極414。一個薄膜太陽能電池的第二電極408會接觸另一個薄膜太陽能電池的第一電極406，所以能使數個薄膜太陽能電池之間串聯起來。在第四實施例中，數個可電解離的帶電荷膜404與第一電極406接觸。可電解離的帶電荷膜404可以參考第一至第三實施例來選擇，故不再贅述。另外還有一層封裝層500黏附在可電解離的帶電荷膜404上並包覆所有的薄膜太陽能電池402。
圖6是依照本發明的第五實施例的一種太陽能電池模組的示意圖，其中使用與第四實施例相同的附圖標記表示相同或相似的元件。
第五實施例的薄膜太陽能電池模組和第四實施例的薄膜太陽能電池模組類似，只有p3的間隔是用電絕緣層600覆蓋這點不同。在第五實施例中，可電解離的帶電荷膜602是一連續層並依次同時接觸數個負極層406。
圖7是依照本發明的第六實施例的一種薄膜太陽能電池的示意圖。
如圖7所示，薄膜太陽能電池702和可電解離的帶電荷膜704是形成在透明基板700上。薄膜太陽能電池702具有第二電極706和第一電極708。可電解離的帶電荷膜704不僅對位於第一電極708的外表面708a上，也設置在第二電極706的外表面706a上。第六實施例的薄膜太陽能電池702是以基板背光的薄膜太陽能電池為例，譬如銅銦鎵硒(CIGS)太陽能電池、或碲化鎘(CdTe) 太陽能電池。薄膜太陽能電池702包括在基板700上依次層疊的第一電極(即正極層)708、光電轉換層710和透明第二電極(即負極層)706。光電轉換層710包括CIGS/CdS或CdTe/CdS的異質接合。可電解離的帶電荷膜704可以參考第一或第二實施例來選擇，故不再贅述。
圖8是依照本發明的第七實施例的一種太陽能電池的示意圖，其中使用與第六實施例相同的附圖標記表示相同或相似的元件。
第七實施例的薄膜太陽能電池模組和第六實施例的薄膜太陽能電池類似，只有在透明第二電極706(即負極層)上面有數條金屬接觸線800。可電解離的帶電荷膜704則是位在第二電極706的外表面上並同時覆蓋第二電極706和金屬接觸線800。
下列實驗用來驗證本發明的功效。在下列實驗中是用矽晶(Si)太陽能電池、非晶矽(a-Si)薄膜太陽能電池和CIGS薄膜太陽能電池作為例子。
實驗1a
多種高分子聚合物封裝材料的體積電阻率(volume resistivity)的測量是用ASTM D257-07進行。高分子聚合物封裝材料包括：乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)、和離子聚合物。經測量EVA、PVB和沙林(Surlyn)離子聚合物的體積電阻率分別為：1.86E14 Ohm.cm、3.13E12 Ohm.cm和2.54E17 Ohm.cm。這個結果顯示杜邦的沙林(Surlyn)離子聚合物具有最高體 積電阻率。
實驗1b：可電解離的帶電荷膜的離子導電率測量
帶正電荷的聚電解質：聚(丙烯胺鹽酸鹽)(PAH)與帶負電荷的聚電解質：聚(苯乙烯磺酸酯)(poly(styrene sulfonate)，PSS)被用來作為可電解離的帶電荷膜。這些帶電荷薄膜中的離子成分的濃度為20mol%-85mol%之間。聚電解質薄膜的離子導電率是用電化學阻抗頻譜分析(electrochemical impedance spectroscopy，EIS)方法測量，其中可電解離的帶電荷膜被夾在兩片鉑箔之間，以12.9mS/cm的氯化鈉標準溶液(“熱電”(Thermo Electron))校準。測得的PSS和PAH的離子電導率為10-3S/cm到10-6S/cm之間。
實驗2到6驗證可電解離的帶電荷膜在多種不同太陽能電池中作為介電鈍化層的有效性。
實驗2：在矽晶太陽能電池中的介電鈍化 製作可電解離的帶電荷膜
首先，將陰離子型聚電解質溶於水形成帶電荷高分子聚合物水溶液。在本實驗中是使用聚(苯乙烯磺酸)(PSSA)為材料。 將重量4g的PSSA溶在10cc的純水，PSSA溶液可電解離成PSS-帶負電荷聚合物以及H+帶正電荷反離子(counter ion)。
製作具有可電解離的帶電荷膜作為鈍化層的矽晶太陽能電池
之後，將PSSA溶液直接塗佈在6吋的如圖2所示的矽 晶太陽能電池的網印鋁的第一電極上。然後乾燥PSSA溶液得到位在第一電極上的帶負電荷的薄膜。在這個實驗中，網印鋁電極是作為第一電極。圖9是根據本實驗中具有作為鈍化層的可電解離的帶電荷膜的太陽能電池的掃描型電子顯微鏡(SEM)照片。這個SEM照片顯示可電解離的帶電荷膜900的厚度為9微米，鋁膏第一電極902位於可電解離的帶電荷膜900下方。在塗佈過程中有一部分的可電解離的帶電荷膜會滲入第一電極。
測量
為了瞭解帶電荷薄膜對矽晶太陽能電池的鈍化機制，事先測量未塗佈帶電荷高分子聚合物水溶液的太陽能電池的交流阻抗頻譜(AC impedance spectroscopy)、逆向偏壓(reverse bias)暗電流(dark current)和電流電壓(I-V)測試。同時測量此一太陽能電池的IV值。交流阻抗譜和逆向偏壓暗電流測量是在黑暗的條件下進行的，通過連接矽晶太陽能電池的正極和負極端到帶狀導線(ribbons)(即焊接頭到匯流排)。太陽能電池的正極連接到相對於負極的陽極端。
然後，在塗佈可電解離的帶電荷膜之後測量交流阻抗、暗電流和I-V測試，以分析可電解離的帶電荷膜在太陽能電池的性能上的效果。所有這些實驗是控制在室溫進行。
I-V測試的結果顯示矽晶太陽能電池的開路電壓(VOC)、短路電流(ISC)和填充因子(FF)在塗佈帶電荷薄膜後均有提高。Isc增加1.23%，由8.580A提高到8.685A；Voc增加0.96%， 由0.625V提高到0.631V；FF增加3.05%，由77.42%提高到79.78%。最大輸出功率(Pmax)也增加3.13%，由4.15W提高到4.28W。
交流阻抗的結果顯示在圖10。在圖10中，有帶電荷薄膜作為鈍化層的太陽能電池的串聯電阻(Rs)降低，而相同太陽能電池的並聯電阻(Rsh)增加。此結果顯示出帶電荷薄膜能夠減少矽晶太陽能電池漏電流。
相同的結果可由測量矽晶太陽能電池的逆向偏壓暗電流獲得。圖11表明在較大的逆向偏壓-10V下當矽晶太陽能電池塗佈帶電荷薄膜後，測得的暗電流減少23.85%。暗電流主要是由於少數載子的再結合損失。具有帶電荷薄膜的矽晶太陽能電池的較低暗電流錶示在電池內的再結合損失獲得改善。
實驗3：在非晶矽薄膜太陽能電池的鈍化
製作一個具有可電解離的帶電荷膜作為介電鈍化膜的透視型非晶矽太陽能電池。
在去離子水中的20wt%陽離子聚電解質：聚(丙烯胺鹽酸鹽)(PAH)，直接旋塗在如圖5所示的a-Si薄膜太陽能電池模組的背電極ZnO透明導電氧化物(TCO)層上。在a-Si薄膜太陽能電池上的帶電荷薄膜的效果，是對塗上帶正電荷的聚電解質之前與之後進行的交流阻抗譜與反偏壓暗電流測試來進行研究。太陽能電池的正極連接相對於負極的陽極端。所有的測量都是在黑暗條件下控制在室溫進行的。
交流阻抗分析顯示在圖12，奈奎斯特圖(Nyquist plot)顯示有可電解離的帶電荷膜作為鈍化層的太陽能電池的串聯電阻(Rs)降低，同時並聯電阻(Rsh)增加。此結果顯示在塗佈製程後能得到較低的Rs和較高的Rsh。根據公式Cp=1/(2×π×f×Z”max)和公式lifetime(壽命)=Rsh×Cp，可以計算出非晶矽薄膜太陽能電池的使用壽命。在這裡Cp是指在太陽能電池的電容，f是測量自Z”max的頻率。結果顯示和沒有塗佈層的相比，有可電解離的帶電荷膜的太陽能電池的壽命增加2.48倍。
圖13顯示在反偏壓-10V下進行暗電流測量的結果。結果顯示在非晶矽太陽能電池塗佈可電解離的帶電荷膜後，暗電流減少65%。
實驗4：在CIGS薄膜太陽能電池的鈍化
製作一個具有可電解離的帶電荷膜作為介電鈍化膜的CIGS薄膜太陽能電池。
在去離子水中的20wt%陽離子聚電解質：聚(丙烯胺鹽酸鹽)(PAH)，直接旋塗在CIGS薄膜太陽能電池的第二電極ZnO透明導電氧化物上。
圖14的波德圖(Bode plot)顯示在塗佈製程前後的CIGS薄膜太陽能電池的相角(phase angle)變化。具有可電解離的帶電荷膜的太陽能電池的相角的頂端往較低的頻率移動，結果顯示這種太陽能電池的壽命增加了2.3倍。
實驗5：離子聚合物對CIGS太陽能電池的電容-電壓 (C-V)曲線的效果
圖15顯示在CIGS太陽能電池上塗佈一層離子聚合物之前和之後的C-V曲線圖(在100Hz頻率進行測量)。觀察到的CV曲線沒有顯著的變化，這表示這種類型的帶電荷聚合物(Surlyn離子聚合物)是一種絕緣體。和可電解離的帶電荷膜相比，離子聚合物層不會引起電極的表面上任何電場的電荷。因此，上述離子聚合物對太陽能電池沒有介電鈍化效果。
綜上所述，本發明提出的鈍化結構是將帶電荷的材料以塗佈的方式直接沉積在太陽能電池的電極上。由於可電解離的帶電荷膜內的累積電荷會造成能帶彎曲，因此能在太陽能電池有效形成場效應表面鈍化。而且，本發明的技術相較於已知的真空半導體製程便宜、易於製造，而不會造成嚴重的環境問題。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
200‧‧‧太陽能電池
202‧‧‧第一電極
202a‧‧‧外表面
202b‧‧‧內表面
204‧‧‧可電解離的帶電荷膜
210‧‧‧第二電極
206‧‧‧半導體基極區
208‧‧‧半導體射極區
214‧‧‧封裝層
212‧‧‧抗反射層

Claims (21)

  1. 一種太陽能電池，至少包括：第一電極，包括外表面和內表面；數個金屬柵狀電極，包括外表面和內表面；光電轉換層，位於該第一電極的該內表面和各該金屬柵狀電極的該內表面之間；以及可電解離的帶電荷膜，位於該第一電極的該外表面上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中該光電轉換層包括半導體基極區、半導體射極區與p-n接合區，其中該p-n接合區位於該半導體基極區和該半導體射極區之間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，更包括一抗反射層，位在該些金屬柵狀電極以外的該光電轉換層上。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中該第一電極為背電極。
  5. 如申請專利範圍第2項所述的太陽能電池，其中該可電解離的帶電荷膜的極性不同於與該第一電極接觸的該半導體基極區或該半導體射極區的多數載子的極性。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中該可電解離的帶電荷膜包括無機帶電荷的薄膜或有機帶電荷的薄膜。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的太陽能電池，其中該無機帶電荷的薄膜的材料包括：鋰磷氧氮、過氯酸鋰、三氟甲基磺酸鋰或四氟硼酸鋰。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的太陽能電池，其中該有機帶電荷的薄膜包括帶負電荷高分子聚合物薄膜或帶正電荷高分子聚合物薄膜。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的太陽能電池，其中該帶負電荷高分子聚合物薄膜的材料包括：聚(苯乙烯磺酸)、聚丙烯酸、聚馬來酸或聚全氟磺酸。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的太陽能電池，其中該帶正電荷高分子聚合物薄膜的材料包括：聚二烯丙基二甲基氯化銨、聚(丙烯胺鹽酸鹽)、多聚賴氨酸或聚乙烯亞胺。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中該可電解離的帶電荷膜為單層膜或多層膜結構。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中該可電解離的帶電荷膜的離子導電率在10-3S/cm到10-6S/cm之間。
  13. 一種太陽能電池模組，至少包括：數個太陽能電池，每個所述太陽能電池包括：第一電極，包括外表面和內表面；數個金屬柵狀電極，包括外表面和內表面；光電轉換層，位於該第一電極的該內表面和各該金屬柵狀電極的該內表面之間；以及可電解離的帶電荷膜，位於該第一電極的該外表面上；以及封裝層，黏附在該可電解離的帶電荷膜上。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的太陽能電池模組，其中該光電轉換層包括半導體基極區、半導體射極區與p-n接合區，其中該p-n接合區位於該半導體基極區和該半導體射極區之間。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的太陽能電池模組，其中該可電解離的帶電荷膜的極性不同於與該第一電極接觸的該半導體基極區或該半導體射極區的多數載子的極性。
  16. 如申請專利範圍第13項所述的太陽能電池模組，其中該可電解離的帶電荷膜包括無機帶電荷的薄膜或有機帶電荷的薄膜。
  17. 如申請專利範圍第13項所述的太陽能電池模組，其中該可電解離的帶電荷膜為單層膜或多層膜結構。
  18. 如申請專利範圍第13項所述的太陽能電池模組，其中該可電解離的帶電荷膜的離子導電率在10-3S/cm到10-6S/cm之間。
  19. 如申請專利範圍第13項所述的太陽能電池模組，其中該第一電極為背電極。
  20. 如申請專利範圍第13項所述的太陽能電池模組，更包括一抗反射層，位在該些金屬柵狀電極以外的該光電轉換層上。
  21. 如申請專利範圍第20項所述的太陽能電池模組，其中該封裝層黏附在該些金屬柵狀電極與該抗反射層上。
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