TWI389325B - 一種疊合型太陽能電池及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種太陽能電池元件及其製造方法，特別是關於一種具有串聯/並聯結構之有機疊合型太陽能電池元件及其製造方法。
隨著能源高成本與溫室效應等環境問題備受重視的時代來臨，解決能源問題已成為當務之急。其中，由於太陽能電池藉由幾乎無限的太陽能來供電，不需要補充化石燃料，因此已被應用於衛星、太空及行動通信上了。鑒於節能、有效利用資源及防止環境污染之需求日益增加，因此，太陽能電池已成為一種附有吸引力的能量產生裝置。
於1954年美國貝爾實驗室以矽為原料研發出第一個無機太陽能電池，已引起極大的關注，其能根據光電效應將太陽輻射轉換成電能。但是，常見之太陽能電池係於矽(Si)晶圓上製造太陽能電池。然而，將矽晶圓製作成太陽能電池而非其他半導體產品，因為製造成本過高，相較於習知發電方法(例如，化石燃料燃燒發電廠)，一點都不符合發電成本。尤其是單晶矽之製作成本尤其昂貴，雖然多晶矽與非晶矽太陽能電池與單晶矽之太陽能電池相比成本較低且製程較容易，但是，依舊難以普及應用於日常生活中。
近年來，以高分子等有機材料製作的太陽能電池，越來越受到學術界與工業界的重視。高分子太陽能電池(polymer solar cells)以具有類似塑膠特性的高分子材料所製成，其重量輕且具有極佳的可撓性(flexibility)，並且耐摔、耐衝擊、低成本，也可製作在軟性塑膠基板或薄金屬基板上，同時可以旋轉塗佈(spin-coating)或是刮刀塗佈(doctor-blading)等低成本的方式製作。由於具有這些優點，高分子太陽能電池已成為備受矚目的新世代太陽能電池。
此外，有機高分子太陽能電池之結構演進，由單層結構、雙層(heterojunction)結構至目前廣泛被研究的材料混合之塊材異質接面(bulk heterojunction)結構。這些結構演變都是為了要得到可以用最低之花費成本來製造具有更高能量轉換功率之太陽能電池元件。然，要提高單一太陽能電池結構之太陽能電池元件的能量轉換功率之效果仍然有限，因此，便出現了將數個子太陽能電池進行串聯/並聯方式進行疊合以製造太陽能電池元件，以提高太陽能電池之能量轉換功率。
傳統上，太陽能電池元件以串聯/並聯方式疊合複數個太陽能子電池之製造方法，多以逐層堆疊的方式來製造。在此，請參閱第一圖，係為習知之以串聯方式疊合複數個太陽能子電池以製成之太陽能電池元件之結構圖。其中，太陽能電池元件100係由一第一太陽能子電池10與一第二太陽能子電池20所組成。太陽能電池元件100係包含一具有透明導電氧化物之玻璃基板101，並於具有透明導電氧化物之玻璃基板101上形成第一太陽能子電池10，接著，再於第一太陽能子電池10上形成一銀(Ag)層107，此銀層107係用來提供一電子電洞再結合之用。並於銀層107上方再形成第二太陽能子電池20。其中，第一太陽能子電池10與第二太陽能子電池20係為相同之結構，分別由一第一異質材料層(103,109)以及一第二異質材料層(105,111)所組成之異質介面所構成。最後，再於第二太陽能子電池20上形成一激子(exciton)阻斷層113以及一銀電極115。
製造上述之太陽能電池元件100的方法，傳統上，都是先提供具有透明導電氧化物之玻璃基板101後，在將第一異質材料層103、第二異質材料層105、銀層107、第一異質材料層109、第二異質材料層111、激子阻斷層113以及銀電極115依序形成於具有透明導電氧化物之玻璃基板101上方。然，如此製造太陽能電池元件100時，多半需要在真空環境下進行，因而無法降低製造成本。
再者，有機高分子太陽能電池多以容易製程來實現其大面積之效果，然，以溶液製程製作多層元件，則會產生溶液互溶的問題。所謂的互溶問題則為當第一層高分子層旋轉塗佈成膜之後，在塗佈第二層時，會將已經成膜好的第一層溶解掉，造成膜與膜之間介面不清楚，而且整體的膜厚也會比預期的少很多，而大大的影響到多層元件的品質。
而且，近年來的電子產品的體積越來越小，所搭配之電池亦需要盡可能的將體積縮小，而上述之藉由串聯/並聯的方式疊合製成的太陽能電池結構，若要增加能量轉換功率則需要增加所疊合的太陽能子電池之數量，而增加太陽能子電池的數量，則無法有效的縮小太陽能電池元件的厚度。
此外，上述將複數個太陽能子電池串聯/並聯的方法，即為將各個太陽能子電池從其基板上方不斷的向上堆疊，因此，當進行將越多個太陽能子電池進行疊合時，則所製成之太陽能電池元件必然具有相當的厚度。再者，當所疊合之太陽能子電池越多時，其結構中層與層之間所產生的問題將會更多，為了要將所聯結之各個太陽能子電池能有效的電性連結，而需增加電極的佈局等等；或者是所疊合之太陽能電池元件的能量轉換功率並不如預期等等的情況發生。
因此，極需一種可以有效的藉由串聯/並聯之方式疊合複數個太陽能子電池的方法，且所製造出來的疊合式太陽能電池元件必須有效的增加其能量轉換功率並要能確保電池之品質。此外，所述的方法更需具備可有效的降低製造成本並薄型化太陽能電池之結構。
本發明之一目的係為提供一具有高能量轉換功率且薄型化之太陽能電池元件。
本發明之另一目的係為提供一種可製造出具有高能量轉換功率且薄型化之太陽能電池元件之方法。
本發明之再一目的係為提供不需在真空環境下即可進行以串聯/並聯之方式疊合複數個太陽能子電池來製造太陽能電池元件之方法，以有效的降低太陽能電池元件之製造成本。
本發明之再另一目的係為解決習知上以串聯/並聯之方式疊合複數個太陽能子電池來製造太陽能電池元件之方法所造成太陽能電池元件的結構中發生各層間彼此互溶的問題。
為了達成上述之目的，本發明係提供一種疊合型太陽能電池元件之製造方法，其步驟包含：提供一頂部反式太陽能電池，具有複數個反式太陽能子電池；提供一底部正向太陽能電池，具有對應於複數個反式太陽能子電池之複數個正向太陽能子電池；以及將頂部反式太陽能電池與底部正向太陽能電池進行壓合製程，其中，壓合製程過程中設置一中間層於底部正向太陽能電池及頂部反式太陽能電池之中間並設置一防逆流之保護裝置用以防止逆流現象發生，其中間層係包含複數個導電接點，且複數個反式太陽能子電池與複數個正向太陽能子電池係為位置錯開一距離，壓合製程後反式太陽能子電池與正向太陽能子電池則為一太陽能子電池，且複數個太陽能子電池彼此藉由複數個導電接點達成了串連/並聯之電性聯結。
此外，本發明係又揭露一種疊合型太陽能電池元件，其結構包含：一頂部反式太陽能電池，係具有複數個反式太陽能子電池；一中間層，具有複數個導電接點並連接於頂部反式太陽能電池；以及一底部正向太陽能電池，係具有複數個正向太陽能子電池並連接於此中間層；其中反式太陽能子電池與正向太陽能子電池係為一太陽能子電池，且導電接點係以連接一太陽能子電池之底部太陽能子電池與另一相鄰之太陽能子電池之頂部太陽能子電池以達成串聯/並聯複數個太陽能子電池之結構。
本發明之一優點係為不需於真空環境下即可製造具有串聯/並聯複數個太陽能子電池之疊合型太陽能電池，且製造方法簡單易達成，更可有效的達到降低成本之功效，並解決傳統上疊合型太陽能電池於製造過程中所造成層與層之間產生互溶現象之問題。
本發明之另一優點係為提供一具有串聯/並聯複數個太陽能子電池之疊合型太陽能電池，且疊合型太陽能係可有效的達到薄型化之效果並可達到增加能量轉換效率之功效。
這些優點可從以下較佳實施例之敘述並伴隨後附圖式及申請專利範圍將使讀者得以清楚了解本發明。
本發明將以較佳之實施例及觀點加以詳細敘述，而此類敘述係解釋本發明之結構及程序，只用以說明而非用以限制本發明之申請專利範圍。因此，除說明書中之較佳實施例之外，本發明亦可廣泛實行於其他實施例。
現將描述本發明之細節，其包括本發明之實施例。參考附圖及以下描述，相同參考標號用於識別相同或功能上類似之元件，且期望以高度簡化之圖解方式說明實施例之主要特徵。此外，附圖並未描繪實際實施例之每一特徵，所描繪之圖式元件係皆為相對尺寸而非按比例繪製。
本發明係揭露一種具有串聯/並聯結構之疊合型太陽能電池及其製造方式。首先，先介紹本發明之實施例中之具有串聯/並聯結構之疊合型太陽能電池之製造方法。請參閱第二圖和第三圖並搭配第四圖中之本發明之實施例之具有串聯/並聯結構之疊合型太陽能電池之製造方法流程圖來說明：首先，請參閱第四圖之製造方法流程圖中之步驟411，係為提供一頂部反式太陽能電池，具有複數個反式太陽能子電池。請參照第二圖，係為本發明之疊合型太陽能電池之製造方法之示意圖，其中，提供一頂部反式太陽能電池200，此頂部反式太陽能電池係包含一基板201，並於基板201上形成複數個反式太陽能子電池203。於本發明之一實施例中，此頂部反式太陽能電池200具有的反式太陽能子電池203共為三個，分別為第一反式太陽能子電池2031、第二反式太陽能子電池2032以及第三反式太陽能子電池2033。然，本實施例僅針對於本發明之具體技術特徵作一詳細之說明，而非用以限制，對於本領域中具有通常知識者而言，反式太陽能子電池203的數量之增加或減少係為與本發明相同之技術，仍應涵蓋於本發明之範疇中。於本發明之一些實施例中，基板201係可為任何應用於太陽能電池之基板，例如，玻璃基板或軟性基板等。於本發明之另一些實施例中，基板201係包含為一具有透明導電物薄膜之玻璃基板或軟性機板，且此透明導電物薄膜係作為此頂部反式太陽能電池之陰極。於本實施例中，基板201係包含一具有氧化銦錫(indium tin oxide，簡稱ITO)薄膜之玻璃基板，且氧化銦錫薄膜係作為此頂部反式太陽能電池之陰極。
接著，請參閱第四圖中之步驟413，係為提供一底部正向太陽能電池，係具有對應於複數個反式太陽能子電池之複數個正向太陽能子電池。請搭配參閱第二圖，其中，提供一底部正向太陽能電池300，底部正向太陽能電池係包含一基板301，並於基板301上形成複數個正向太陽能子電池303。於本實施例中，正向太陽能子電池303的數量對應於所述的反式太陽能子電池203的數量，同為三個，係分別為第一正向太陽能子電池3031、第二正向太陽能子電池3032以及第三正向太陽能子電池3033。然，對於本領域中具有通常知識者而言，正向太陽能子電池303的數量增加或減少係為與本發明相同之技術，仍應涵蓋於本發明之範疇中。於本發明之一些實施例中，基板301係可為任何應用於太陽能電池之基板，例如，玻璃基板或軟性基板等。本發明之另一些實施例中，基板301係包含為一具有透明導電氧化物之玻璃基板或軟性基板，且此透明導電氧化物係作為底部正向太陽能電池之陽極。於本實施例中，基板301係包含一具有氧化銦錫薄膜之玻璃基板，且此氧化銦錫薄膜係作為底部正向太陽能電池之陽極。
最後，請參閱第四圖中之步驟415，係為將頂部反式太陽能電池與底部正向太陽能電池進行壓合，且複數個反式太陽能子電池與複數個正向太陽能子電池係為位置錯開一距離。請搭配參閱第二圖，其中在進行將頂部反式太陽能電池200與底部正向太陽能電池300進行壓合之前，於頂部反式太陽能電池200與底部正向太陽能電池300之間設置一中間層400，且中間層400係包含複數個導電接點(410,420)。於本實施例中，頂部反式太陽能電池200係具有三個反式太陽能子電池203，並分別為第一反式太陽能子電池2031、第二反式太陽能子電池2032以及第三反式太陽能子電池2033；而底部正向太陽能電池300係具有對應於三個反式太陽能子電池203之三個正向太陽能子電池303，係分別為第一正向太陽能子電池3031、第二正向太陽能子電池3032以及第三正向太陽能子電池3033；因此，對應於三個反式太陽能子電池203以及三個正向太陽能子電池303，中間層亦可分為第一中間層401、第二中間層402以及第三中間層403，且於第一中間層401與第二中間層402之間具有一第一導電接點410以及於第二中間層402與第三中間層403之間具有一第二導電接點420。
此外，於連接的製程中，同時製作了一防逆流的保護裝置，係用以防止不必要的逆流發生，此不必要的逆流主要係指由少數子電池意外短路所造成的現象，而此種短路將會大幅地影響到元件的效率。於本實施例中，此防逆流的保護裝置係包含為一防逆流二極體。
且於壓合過程時，反式太陽能子電池203與正向太陽能子電池303係設置為位置錯開一距離，也就是說，複數個反式太陽能子電池203以及複數個正向太陽能子電池303並非以對齊的方式來進行壓合，而是彼此間具有一距離的位置錯開方式來進行壓合。並以第二圖所示之實施例來進行說明，於壓合過程中，第一反式太陽能子電池2031與第一正向太陽能子電池3031係設置為位置錯開一距離的方式來進行壓合，而重合之部分則設置於第一中間層401，以此類推，第二反式太陽能子電池2032與第二正向太陽能子電池3032亦為位置錯開一距離之方式進行壓合。因此，此距離使第一正向太陽能子電池3031與第二反式太陽能子電池2032具有重疊之區域，而第一導電接點410則設置於此重疊之區域，並以連接第一正向太陽能子電池3031以及第二反式太陽能子電池2032，並以此類推。於本發明之一些實施例中，所述的壓合過程係包含利用滾輪壓合之方式來達成，例如利用卷軸式製程(roll-to-roll process)來進行壓合製程。
接著，請參閱第三圖，係顯示於壓合完成後所製造而成之本發明之疊合型太陽能電池元件，其中，第一反式太陽能子電池2031、第一中間層401以及第一正向太陽能子電池3031係形成為第一太陽能子電池，而第二反式太陽能子電池2032、第二中間層402以及第二正向太陽能子電池3032係形成為第二太陽能子電池，以及第三反式太陽能子電池2033、第三中間層403以及第三正向太陽能子電池3033係形成為第三太陽能子電池。並且，第一導電接點410係設置於第一正向太陽能子電池3031以及第二反式太陽能子電池2032之重合區域，並達成電性連接第一正向太陽能子電池3031以及第二反式太陽能子電池2032；同理，第二導電接點420係設置於第二正向太陽能子電池3032以及第三反式太陽能子電池2033之重合區域，並達成電性連接第二正向太陽能子電池3032以及第三反式太陽能子電池2033。如此，則藉由第一導電接點410以及第二導電接點420來達成第一太陽能子電池電性連接第二太陽能子電池以及第二太陽能子電池電性連接第三太陽能子電池，並達到串聯/並聯第一太陽能子電池、第二太陽能子電池以及第三太陽能子電池之目的。
於本實施例中，所述之頂部反式太陽能電池200與底部正向太陽能電池300係為分開製作。請參照第五圖，係顯示本實施例中之頂部反式太陽能電池之結構示意圖，在此，所顯示之頂部反式太陽能電池之結構示意圖僅顯示單一反式太陽能子電池於其中來進行說明，但，本發明並不限於此。其中，頂部反式太陽能電池係包含一基板201，並於基板201上形成反式太陽能子電池203。反式太陽能子電池203之結構更包含一電洞阻絕層(hole blocking layer，簡稱HBL)213或稱為電子選擇層(electron selective layer)、一主動層(active layer)215或稱為吸光層、一稱為電子阻擋層(electron blocking layer，簡稱EBL)217或電洞選擇層(hole selective layer)以及上電極219。
其中，基板201係可使用任何應用於太陽能電池之基材。於本發明之一些實施例中，基板201係可包含為玻璃基板或是軟性基板。於本發明之另一些實施例中，基板201係包含為一具有透明導電氧化物薄膜之玻璃基板或軟性基板，且此透明導電氧化物薄膜係為頂部反式太陽能電池之陰極。於本實施例中，基板201係包含為一具有氧化銦錫薄膜之玻璃基板，且氧化銦錫薄膜係為頂部反式太陽能電池之陰極。電洞阻絕層213係用以阻擋電洞。於一些實施例中，電洞阻絕層213係包含為氧化鋅(ZnO)或碳酸銫(Cs2
CO3
)等氧化物，但並不限於此。於本實施例中，電洞阻絕層213係包含為碳酸銫層。
主動層215係用以吸收光線，係為一施體(donor)/受體(acceptor)界面。當太陽能電池元件照光之後，所吸收之光子會轉換成為激子，激子產生之後則會擴散至施體/受體界面，當激子在施體/受體界面受到異質接面的能帶差距影響時，則會分離成為電子和電洞，而電子往陰極方向傳輸、電洞往陽極方向傳輸。於本發明的一些實施例中，此主動層215之施體的材料係包含為聚3-己基噻吩(poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)，以下簡稱為P3HT)等相關噻吩類衍生物與聚乙炔(polyacetylene)、聚異苯并噻吩(polyisothianaphthene，簡稱PITN)、聚噻吩(polythiophene)、聚吡咯(polypyrrol，簡稱PPr)、聚芴(polyfluorene，簡稱PF)、聚對苯烯(poly(p-phenylene)，簡稱PPP)或聚苯基乙烯(poly(phenylene vinylene)，簡稱PPV)之衍生物。於本發明之一些實施例中，此主動層215之受體的材料係包含為一種富勒烯(fullerene)之相關衍生物。於本發明之另一些實施例中，此主動層215之受體的材料係包含為碳六十(C60)或其衍生物，由於碳六十(C60)係為富勒烯小分子的一種，用以作為受體具有較高的電子親和力、透明以及良好的導電性等多項優點。於本實施例中，此受體係包含為一碳六十(C60)之衍生物1-(3-methoxycarbonyl)propyl-1-phenyl[6,6]C61(以下簡稱PCBM)。
電子阻擋層217係為電洞傳輸層之用。於一些實施例中，電子阻擋層217可包含為五氧化二釩(V2O5)、三氧化二鉬(MoO3)、聚(3,4-伸乙二氧噻吩)(poly(3,4-ethylenedioxythiopene，以下簡稱為PEDOT)或聚(3,4-伸乙二氧噻吩)：異丙醇(以下簡稱為PEDOT：IPA)等，但不以此為限。與本實施例中，電子阻擋層217係包含為PEDOT：IPA。
上電極219係為頂部反式太陽能電池之陽極。於本發明之一些實施例中，該上電極219係包含為一具有高功函數之金屬材料與其他導電透明氧化物。於本實施例中，上電極219係包含為一銀(Ag)金屬。
再來，請參照第六圖，係顯示本實施例之底部正向太陽能電池之結構示意圖。在此，所顯示之底部正向太陽能電池之結構示意圖僅顯示單一正向太陽能子電池於其中來進行說明，但，本發明並不限於此。其中，底部正向太陽能電池300係包含一基底301並於此基底301上形成正向太陽能子電池303，所述之正向太陽能子電池303係包含一電洞傳輸層313、一主動層315以及一上電極317。
其中，基板301係與基板201同樣為可使用任何應用於太陽能電池之基材。於本發明之一些實施例中，基板301係可包含為玻璃基板或是軟性基板。於本發明之另一些實施例中，基板301係包含為一具有透明導電氧化物薄膜之玻璃基板或軟性基板，且此透明導電氧化物薄膜係作為此頂部反式太陽能電池之陽極。於本實施例中，基板301係包含為一具有氧化銦錫薄膜之玻璃基板，且此氧化銦錫薄膜係為頂部反式太陽能電池之陽極。在此，使用氧化銦錫薄膜作為陽極係由於氧化銦錫具有良好的導電度、良好的化學及熱穩定度，且在可見光區透光性佳等多項優點之故。
電洞傳輸層313係用以傳輸電洞至陽極。於一些實施例中，電洞傳輸層313之材料係包含為五氧化二釩、三氧化二鉬、PEDOT或PEDOT：IPA等，但不以此為限。於本實施例中，電洞傳輸層313之材料係包含為PEDOT。
主動層315與主動層215相同，係為一施體/受體界面。於本發明之一些實施例中，主動層315之施體的材料係包含聚3-己基噻吩(P3HT)等相關噻吩類衍生物與聚乙炔、聚異苯并噻吩(PITN)、聚噻吩、聚吡咯(PPr)、聚芴(PF)、聚對苯烯(PPP)或聚苯基乙烯(PPV)之衍生物。於本發明之一些實施例中，此主動層315之受體的材料係包含為一種富勒烯之相關衍生物。於本實施例中，主動層315之施體的材料係包含為P3HT，而受體的材料係包含為PCBM。
上電極317係為該正向太陽能電池之陰極，於一些實施例中，該上電極317係包含為低功函數之金屬材料與其它導電透明氧化物。主要原因為利用高功函數的陽極和低功函數的陰極可讓該太陽能電池之內建電場較大以幫助載子傳輸。於本實施例中，該上電極317係包含為一銅(Cu)金屬層。
在本發明之一些實施例中，中間層400的材料係包含為具雙載子傳導特性之金屬或半導體材料，用以串接頂部反式太陽能電池200以及底部正向太陽能電池300。於本發明之另一些實施例中，中間層400的材料係包含為銀(Ag)金屬材料或金(Au)金屬材料。於本實施例中，中間層400係使用銀(Ag)金屬材料。再者，於本實施例中，導電接點(410,420)係包含為銀(Ag)金屬接點，以達成本發明之複數個太陽能子電池彼此串聯/並聯之功效。
接著，說明本發明之疊合型太陽能電池元件之優勢及功效。原則上，對於太陽能電池元件進行量測時，會對太陽能電池元件之電性量測並繪製其電流-電壓(I-V)特性曲線圖。請參照第七圖以及第八圖，第七圖係顯示本發明之一實施例之疊合型太陽能電池所測量之暗電流(dark current)之電流-電壓特性曲線圖，於本實施例中，係使用單一正向太陽能子電池所製成之正向太陽能電池元件與單一反式太陽能子電池所製成之反式太陽能電池元件進行疊合而成之一疊合型太陽能電池元件來作為例子進行量測，而，第八圖係顯示對於上述之實施例之疊合型太陽能電池之兩側分別照光所測量之電流-電壓特性曲線圖。
在此，對於太陽能電池元件之電流-電壓特性曲線圖作一簡單的說明。藉由繪製太陽能電池元件所量測出之電流-電壓特性曲線圖可得出，於逆偏壓(reverse bias)時，電流趨近於一定值；而在順偏壓(forward bias)時，隨著電壓增加到一電壓值，則太陽能電池元件會被啟動(turn on)，而產生光電流(photocurrent)。且，對於太陽能電池元件進行測量之重要參數包含有開路電壓(open-circuit voltage，表示為Voc
)以及短路電流(short-circuit current，表示為Isc
)，其中，開路電壓定義為當外加負載為無限大時，所量測之電壓值；而短路電流定義為當外加負載為零時，所量測之電流值。這兩項參數皆可由上述之太陽能電池之電流-電壓特性曲線圖中所得出。
接著，請參照第七圖，係為本發明之一實施例之疊合型太陽能電池元件所量測之暗電流之電流-電壓曲線圖。其中，暗電流係定義為當太陽能電池元件未受光照射之狀態下，所量測流經過太陽能電池元件之電流值。因此，外加順偏壓時，一開始所量測到之暗電流之電流密度維持為零，而當順偏壓值達到約1.15~1.2伏特(volt)時，可以由圖中圈起來之區域得出元件被啟動，並產生光電流。
第八圖係上述實施例之疊合型太陽能電池元件受到光照射之後所量測之電流-電壓特性曲線圖。其中，特性曲線1係為光由疊合型太陽能電池之頂部反式太陽能電池側所照射而量測之電流-電壓特性曲線圖，以及特性曲線2係為光由疊合型太陽能電池之底部正向太陽能電池側所照射而量測之電流-電壓特性曲線圖。由圖中可得出，與量測暗電流時相似，當外加順偏壓值達到約1.15~1.2伏特時，可以由圖中圈起來之區域得出元件啟動並產生光電流，由於此時經照光後所產生之電子電洞對，藉由內建電場將其分離並各自漂移至陰陽極所收集，因此，此時所量測到之光電流即為短路電流(Isc
)，且外加偏壓值則等同為開路電壓(Voc
)。而且，特性曲線1與特性曲線2幾乎重疊，可得知太陽能電池元件不論由哪一側進行光照皆可得到良好之電性特性。
再者，現存之疊合式太陽能電池元件於量測其開路電壓(Voc
)皆介於約0.4~0.8伏特之間，因此，可以由第七圖與第八圖中清楚的看見本發明所製造之疊合型太陽能電池元件所得出之開路電壓高於現存之疊合式太陽能電池元件。經由運算之後，亦可得出本發明之疊合型太陽能電池可達到高能量轉換功率。
因此，本發明之疊合型太陽能電池元件可有效的在不需增加太陽能電池元件之疊合層而達到對串聯/並聯多個太陽能子電池之目的，以控制疊合型太陽能電池元件之厚度可達到薄型化之需求，且，利用將多個太陽能子電池進行串聯/並聯之連結以使疊合型太陽能電池元件之開路電壓以及能量轉換功率有效的提高。再者，本發明之疊合型太陽能電池元件之製造方法簡單且易實施，以先分開製造頂部反式太陽能電池以及底部正向太陽能電池，再將頂部反式太陽能電池和該底部正向太陽能電池進行壓合，則不需經過多層溶液塗佈之過程，更無須經過真空環境即可製程，因此，可有效的降低生產成品。且製作方法簡單，亦可輕易達到大量生產之成效。
上述敘述係為本發明之較佳實施例。此領域之技藝者應得以領會其係用以說明本發明而非用以限定本發明所主張之專利權利範圍。其專利保護範圍當視後附之申請專利範圍及其等同領域而定。凡熟悉此領域之技藝者，在不脫離本專利精神或範圍內，所作之更動或潤飾，均屬於本發明所揭示精神下所完成之等效改變或設計，且應包含在下述之申請專利範圍內。
100．．．太陽能電池元件
101．．．具有透明導電氧化物之玻璃基板
103,109．．．第一異質材料層
105,111．．．第二異質材料層
107．．．銀層
113．．．激子阻斷層
115．．．銀電極
10．．．第一太陽能子電池
20．．．第二太陽能子電池
200．．．頂部反式太陽能電池
300．．．底部正向太陽能電池
201,301．．．基板
203．．．反式太陽能子電池
2031．．．第一反式太陽能子電池
2032．．．第二反式太陽能子電池
2033．．．第三反式太陽能子電池
213．．．電洞阻絕層
215．．．主動層
217．．．電子阻擋層
219．．．上電極
303．．．正向太陽能子電池
3031．．．第一正向太陽能子電池
3032．．．第二正向太陽能子電池
3033．．．第三正向太陽能子電池
313．．．電洞傳輸層
315．．．主動層
317．．．上電極
400．．．中間層
401．．．第一中間層
402．．．第二中間層
403．．．第三中間層
410．．．第一導電接點
420．．．第二導電接點
411．．．提供一頂部反式太陽能電池，具有複數個反式太陽能子電池
413．．．提供一底部正向太陽能電池，具有對應於複數個反式太陽能子電池之複數個正向太陽能子電池
415．．．將頂部反式太陽能電池與底部正向太陽能電池進行壓合，且複數個反式太陽能電池與複數個正向太陽能子電池係為位置錯開一距離
1．．．特性曲線1
2．．．特性曲線2
第一圖係顯示傳統上以串聯/並聯方式疊合太陽能子電池之太陽能電池元件之結構示意圖。
第二圖係顯示本發明之一實施例之疊合型太陽能電池之製造方法之示意圖。
第三圖係顯示本發明之一實施例之疊合型太陽能電池之結構示意圖。
第四圖係顯示本發明之一實施例之疊合型太陽能電池之製造方法之流程圖。
第五圖係顯示本發明之一實施例之疊合型太陽能電池之頂部反式太陽能電池之結構示意圖。
第六圖係顯示本發明之一實施例之疊合型太陽能電池之底部正向太陽能電池之結構示意圖。
第七圖係顯示本發明之一實施例之單一正向太陽能電池與單一反式太陽能電池所製成之疊合型太陽能電池之暗電流量測結果之示意圖。
第八圖係顯示本發明之一實施例之單一正向太陽能電池與單一反式太陽能電池所製成之疊合型太陽能電池於光照後光電流量測結果之示意圖。
200．．．頂部反式太陽能電池
300．．．底部正向太陽能電池
201,301．．．基板
203．．．反式太陽能子電池
2031．．．第一反式太陽能子電池
2032．．．第二反式太陽能子電池
2033．．．第三反式太陽能子電池
303．．．正向太陽能子電池
3031．．．第一正向太陽能子電池
3032．．．第二正向太陽能子電池
3033．．．第三正向太陽能子電池
400．．．中間層
401．．．第一中間層
402．．．第二中間層
403．．．第三中間層
410．．．第一導電接點
420．．．第二導電接點
Claims (48)
- 一種疊合型太陽能電池元件，其包含：一頂部反式太陽能電池，係具有複數個反式太陽能子電池；一中間層，具有複數個導電接點並連接於該頂部反式太陽能電池；以及一底部正向太陽能電池，係具有複數個正向太陽能子電池並連接於該中間層；其中一太陽能子電池係包含由該反式太陽能子電池與該正向太陽能子電池所構成，且該導電接點係以連接一太陽能子電池之底部太陽能子電池與另一相鄰之太陽能子電池之頂部太陽能子電池以達成串連/並聯該複數個太陽能子電池之結構。
- 如申請專利範圍第1項所述之疊合型太陽能電池元件，其中該頂部反式太陽能電池更包含一基板，用以形成該複數個反式太陽能子電池。
- 如申請專利範圍第2項所述之疊合型太陽能電池元件，其中該基板係可為玻璃基板或軟性基板。
- 如申請專利範圍第2項所述之疊合型太陽能電池元件，其中該基板係包含為一具有透明導電氧化物薄膜之玻璃基板或軟性基板。
- 如申請專利範圍第4項所述之疊合型太陽能電池元件，其中該透明導電氧化物薄膜係為該頂部反式太陽能電池之陰極。
- 如申請專利範圍第1項所述之疊合型太陽能電池元件，其中該反式太陽能子電池更包含：一電洞阻絕層；一主動層，係連接該電洞阻絕層；一電子阻擋層，係連接於該主動層；以及一上電極，係連接於該電子阻擋層。
- 如申請專利範圍第6項所述之疊合型太陽能電池元件，其中該電洞阻絕層之材料係包含為氧化鋅或碳酸銫等氧化物。
- 如申請專利範圍第6項所述之疊合型太陽能電池元件，其中該主動層可為一施體/受體界面。
- 如申請專利範圍第8項所述之疊合型太陽能電池元件，其中該施體之材料係包含為聚3-己基噻吩等相關噻吩類衍生物與聚乙炔、聚異苯并噻吩、聚噻吩、聚吡咯、聚芴、聚對苯烯或聚苯基乙烯之衍生物。
- 如申請專利範圍第8項所述之疊合型太陽能電池元件，其中該受體之材料係包含為一富勒烯之相關衍生物。
- 如申請專利範圍第6項所述之疊合型太陽能電池元件，其中該電子阻擋層之材料係可包含為五氧化二釩、三氧化二鉬、聚(3,4-伸乙二氧噻吩)或聚(3,4-伸乙二氧噻吩)：異丙醇。
- 如申請專利範圍第6項所述之疊合型太陽能電池元件，其中該上電極係為該頂部反式太陽能電池之陽極。
- 如申請專利範圍第6項所述之疊合型太陽能電池元件，其中該上電極之材料係包含為一高功函數之金屬材料與其他導電透明氧化物。
- 如申請專利範圍第1項所述之疊合型太陽能電池元件，其中該中間層之材料係包含為具雙載子傳導特性之金屬或半導體材料。
- 如申請專利範圍第1項所述之疊合型太陽能電池元件，其中該導電接點之材料係包含為銀或其他金屬材料。
- 如申請專利範圍第1項所述之疊合型太陽能電池元件，其中底部正向太陽能電池更包含一基板，用以形成該複數個正向太陽能子電池。
- 如申請專利範圍第16項所述之疊合型太陽能電池元件，其中該基板係可為玻璃基板或軟性基板。
- 如申請專利範圍第17項所述之疊合型太陽能電池元件，其中該基板係包含為一具有透明導電氧化物薄膜之玻璃基板或軟性基板。
- 如申請專利範圍第18項所述之疊合型太陽能電池元件，其中該透明導電氧化物薄膜係為該底部正向太陽能電池之陽極。
- 如申請專利範圍第1項所述之疊合型太陽能電池元件，其中該正向太陽能子電池更包含：一電洞傳輸層；一主動層，係連接於該電洞傳輸層；以及一上電極層，係連接於該主動層。
- 如申請專利範圍第20項所述之疊合型太陽能電池元件，其中該電洞傳輸層之材料係包含為五氧化二釩、三氧化二鉬、聚(3,4-伸乙二氧噻吩)或聚(3,4-伸乙二氧噻吩)：異丙醇。
- 如申請專利範圍第20項所述之疊合型太陽能電池元件，其中該主動層可為一施體/受體界面。
- 如申請專利範圍第22項所述之疊合型太陽能電池元件，其中該施體之材料係包含為聚3-己基噻吩等相關噻吩類衍生物與聚乙炔、聚異苯并噻吩、聚噻吩、聚吡咯、聚芴、聚對苯烯或聚苯基乙烯之衍生物。
- 如申請專利範圍第20項所述之疊合型太陽能電池元件，其中該受體之材料係包含為一富勒烯小分子材料。
- 如申請專利範圍第20項所述之疊合型太陽能電池元件，其中該上電極係包含為一低功函數之金屬材料與其他導電透明氧化物。
- 如申請專利範圍第1項所述疊合型太陽能電池元件，其中該疊合型太陽能電池元件之開路電壓係介於約1.15~1.2伏特之間。
- 一種疊合型太陽能電池元件之製造方法，其步驟包含：提供一頂部反式太陽能電池，具有複數個反式太陽能子電池；提供一底部正向太陽能電池，具有對應於該複數個反式太陽能子電池之複數個正向太陽能子電池；以及將該頂部反式太陽子電池與該底部正向太陽能電池進行壓合製程；其中，壓合製程過程中設置一中間層於該底部正向太陽能電池及該頂部反式太陽能電池之中間並設置一防逆流的保護裝置以防止逆流現象發生，其中該中間層係包含複數個導電接點，且該複數個反式太陽能子電池與該複數個正向太陽能子電池係為位置錯開一距離，壓合製程後該反式太陽能子電池與該正向太陽能子電池則為一太陽能子電池，且該複數個太陽能子電池彼此藉由該複數個導電接點達成了串聯/並聯之電性聯結。
- 如申請專利範圍第27項所述之疊合型太陽能電池元件之製造方法，其中該頂部反式太陽能電池更包含一基板，用以形成該複數個反式太陽能子電池。
- 如申請專利範圍第28項所述之疊合型太陽能電池元件之製造方法，其中該反式太陽能子電池更包含：一電洞阻絕層，係形成於該基板上；一主動層，係連接該電洞阻絕層；一電子阻擋層，係連接於該主動層；以及一上電極，係連接於該電子阻擋層。
- 如申請專利範圍第28項所述之疊合型太陽能電池元件之製造方法，其中該基板係包含為一具有透明導電氧化物薄膜之軟性基板。
- 如申請專利範圍第30項所述之疊合型太陽能電池元件之製造方法，其中該透明導電氧化物薄膜係為該頂部反式太陽能電池之陰極。
- 如申請專利範圍第29項所述之疊合型太陽能電池元件之製造方法，其中該電洞阻絕層之材料係包含為氧化鋅或碳酸銫等氧化物。
- 如申請專利範圍第29項所述之疊合型太陽能電池元件之製造方法，其中該主動層可為一施體/受體界面。
- 如申請專利範圍第33項所述之疊合型太陽能電池元件之製造方法，其中該施體之材料係包含為聚3-己基噻吩等相關噻吩類衍生物與聚乙炔、聚異苯并噻吩、聚噻吩、聚吡咯、聚芴、聚對苯烯或聚苯基乙烯之衍生物；以及該受體之材料係包含為一富勒烯之相關衍生物。
- 如申請專利範圍第29項所述之疊合型太陽能電池元件之製造方法，其中該電子阻擋層之材料係可包含為五氧化二釩、三氧化二鉬、聚(3,4-伸乙二氧噻吩)或聚(3,4-伸乙二氧噻吩)：異丙醇。
- 如申請專利範圍第29項所述之疊合型太陽能電池元件之製造方法，其中該上電極係為該頂部反式太陽能電池之陽極。
- 如申請專利範圍第29項所述之疊合型太陽能電池元件之製造方法，其中該上電極之材料係包含為一高功函數之金屬材料與其他導電透明氧化物。
- 如申請專利範圍第27項所述之疊合型太陽能電池元件之製造方法，其中該壓合製程係包含利用卷軸式製程來達成。
- 如申請專利範圍第27項所述之疊合型太陽能電池元件之製造方法，其中該中間層之材料係包含為具雙載子傳導特性之金屬或半導體材料。
- 如申請專利範圍第27項所述之疊合型太陽能電池元件之製造方法，其中該導電接點之材料係包含為銀(Ag)或其他金屬材料。
- 如申請專利範圍第27項所述之疊合型太陽能電池元件之製造方法，其中底部正向太陽能電池更包含一基板，用以形成該複數個正向太陽能子電池。
- 如申請專利範圍第41項所述之疊合型太陽能電池元件之製造方法，其中該正向太陽能子電池更包含：一電洞傳輸層；一主動層，係連接於該電洞傳輸層；以及一上電極層，係連接於該主動層。
- 如申請專利範圍第41項所述之疊合型太陽能電池元件之製造方法，其中該基板係包含為一具有透明導電氧化物薄膜之軟性基板。
- 如申請專利範圍第43項所述之疊合型太陽能電池元件之製造方法，其中該透明導電氧化物薄膜係為該底部正向太陽能電池之陽極。
- 如申請專利範圍第42項所述之疊合型太陽能電池元件之製造方法，其中該電洞傳輸層之材料係包含為五氧化二釩、三氧化二鉬、聚(3,4-伸乙二氧噻吩)或聚(3,4-伸乙二氧噻吩)：異丙醇。
- 如申請專利範圍第42項所述之疊合型太陽能電池元件之製造方法，其中該主動層可為一施體/受體界面。
- 如申請專利範圍第46項所述之疊合型太陽能電池元件之製造方法，其中該施體之材料係包含為聚3-己基噻吩等相關噻吩類衍生物與聚乙炔、聚異苯并噻吩、聚噻吩、聚吡咯、聚芴、聚對苯烯或聚苯基乙烯之衍生物；以及該受體之材料係包含為一富勒烯之相關衍生物。
- 如申請專利範圍第42項所述之疊合型太陽能電池元件之製造方法，其中該上電極係包含為一低功函數之金屬材料與其他導電透明氧化物。
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