TWI500169B - A solar type solar cell with a high efficiency current collecting structure and a converging type solar cell module - Google Patents

A solar type solar cell with a high efficiency current collecting structure and a converging type solar cell module Download PDF

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Description

具高效能電流收集結構之聚光型太陽能電池及應用其之聚光型太陽能電池模組
一種具高效能電流收集結構之聚光型太陽能電池，尤其是一種有關應用於聚光型太陽能電池模組之太陽能電池的高效能電流收集結構，藉由減少降低光生自由電子與光生電洞的再結合率，而有效增加聚光型太陽能電池模組的光電轉換效率。
太陽能是一種永不耗盡且無污染的能源，在面對目前石化能源所面臨的污染與短缺的問題時，一直是各國及各大太陽能廠致力研究開發的一項替代能源技術。由於太陽能面板(solar panel)具有光伏電池(photovoltaic cell,PV cell)，使得太陽能面板能直接將光能轉換成電能。然而，如何充分地利用太陽光使其具有較佳的光電轉換效率則為目前相當重要的研究課題。
而太陽能技術中又以聚光型太陽能電池(CPV；Concentrated Photovoltaic)為最受矚目一項太陽能電池技術，因聚光型太陽能電池擁有比傳統的電池板和薄膜太陽能電池更好的光電轉換效率，且聚光型太陽能電池的製作成本比傳統的電池板和薄膜太陽能還低，具有良好的發展前景。
目前的聚光型太陽能電池依聚光強度可概分成低聚光光伏(LCPV)、中聚光光伏(MCPV)及高聚光光伏(HCPV)等三種。而聚光型太陽能電池模組通常由聚光型太陽能電池(Concentrator Photovoltaic)、聚光透鏡比如菲涅爾透鏡(Fresnel Lenes)以及日光追蹤器(Sun Tracker)等構成。
為達到CPV高聚光高效能的應用，聚光倍率已由早期500倍往1000倍甚至未來1500~2000倍發展，目前國內外廠商生產的太陽能電池都遇到轉換效率隨聚光倍率增加而下降的問題，主要原因為當聚光倍率高達1000倍以上，必須在光與電之間取得平衡(trade-off)，也就是必須在增 加太陽能集光面積與避免電子複合消失之間取得最佳平衡，才能突破目前隨聚光倍率增加導致轉換效率降低之瓶頸。
聚光型太陽能電池是利用聚光透鏡將陽光聚焦於聚光型太陽能電池上，而將光能轉換電能。請參考台灣發明專利申請號098114063的專利申請案，其係關於一種聚光型光電電池，其包括：一前板，光可經由該前板進入太陽能電池中以產生電流；以及一金屬前板電極結構。電極結構包含複數條金屬柵線設置在前板上，以將該電流耦接(流入或流出)至該前板；以及，一或多個金屬匯流排連接該些柵線，以便將電流耦接至外部接線。每一匯流排為徑向地延長，並且從電池周圍延伸至中心區域。每一匯流排包括一焊接墊區域，用以與一外部接線耦合，焊接墊區域設置於匯流排的周邊端(peripheral end)。前板可為半導體材料的前表面，在該前表面上配置匯流排及柵線結構。
另外，砷化鎵多接面太陽能電池在吸收某波長光子後，當此光子之能量大於多重接合(multi-junction)中某一能階(band gap)，電子將可以往外躍遷成為自由電子(free electron)。而產生之自由電子必須避開與電洞的再結合(recombination)，才能到達最近金屬柵線(gridline metal)而成為有效的電能。
習知聚光型太陽能電池，其利用具有一或多個徑向延長的匯流排延伸入電池的中心區域，以從柵線收集電流，習知技術僅適用於聚光倍率500間的光學透鏡，對於聚光倍率超過1000倍以上的聚光透鏡，其從柵線收集電流的效果並無隨之提高，反而發生當聚光倍率增加轉換效率卻變低的問題，造成此問題的原因是，雖然太陽能電池中受光而生的光生自由電子的數量會隨聚光倍率的增加而呈現倍數性增加的趨勢，但是大多數增加後的光生自由電子在到達導體柵線前就又與光生電洞再結合，實際上能夠進入導體柵線而成為光電流的光生自由電子其實相當有限，導致光電轉換效率無法因而提升，嚴重限制聚光型太陽能電池模組的發展性及競爭力。
因此本發明提出一種高效能電流收集結構，可以在增加太陽能集光面積與避免電子複合消失之間取得最佳平衡，亦即於光與電之間取得平衡(trade-off)，而克服目前隨聚光倍率增加導致轉換效率降低之瓶頸並加以突破；其中本發明提出在一單位面積下，透過於增加受光面積、降低自由電子至導電柵線(gridline metal)的距離與模組聚光倍率三者之間取得適當平衡，而降低太陽能電池因吸收某波長光子後自由電子的再結合(recombination)率，使自由電子到達最近的導電柵線成為有效的電能，以此高效能電流收集結構製作之高效能聚光型太陽能電池(HCPV solar cell)組裝成高效能聚光型太陽能電池模組，在戶外1000倍的追日實測效率從30%提升到34%，大幅提升約4%。
本發明提供一種具高效能電流收集結構之聚光型太陽能電池，具有一電流收集結構，系形成於一太陽能電池之一入光面上，其中太陽光經一聚光透鏡而照射於該入光面上，而於該太陽能電池內部產生光生自由電子，該聚光透鏡的聚光倍率至少超過1000倍以上，該電流收集結構包含複數條導電柵線，配置在該入光面上，用以接收自該太陽能電池內部；以及兩匯流排，分離地配置於該入光面上並相互對應，該複數條導電柵線配置於該兩匯流排之間，且與該兩匯流排構成電氣連接，以接收該太陽能電池內部所產生的光生自由電子與自該複數條導電柵線傳來的光生自由電子。其中該複數條導電柵線之任相鄰兩導電柵線具有一柵線間距，該柵線間距的寬度至少為120um以下，且該複數條導電柵線覆蓋該入光面之總面積為25.5%以下，藉此完成本發明的具高效能電流收集結構之聚光型太陽能電池。
本發明並提供一種應用此具高效能電流收集結構之聚光型太陽能電池的聚光型太陽能電池模組，藉以提升聚光型太陽能電池模組的光電轉換效率。
本發明利用減少光生自由電子轉移至該等導電柵線的距離及有效利用受光面積的方法下，而大幅降低光生自由電子與光生電洞再結合的機率，確保大部份的光生自由電子都能進入該等導電柵線內成為可利用的光電流，因此特別適用於高效能聚光型太陽能模組或高效能聚光型太 陽能系統中，使高效能聚光型太陽能模組或高效能聚光型太陽能系統的光電轉換效率因而提升4%，進而增強聚光型太陽能電池的發展性及競爭力。
1‧‧‧電流收集結構
11‧‧‧導電柵線
13‧‧‧匯流排
100‧‧‧太陽能電池
101‧‧‧入光面
第一圖為本發明具高效能電流收集結構之聚光型太陽能電池的示意圖。
第二圖為本發明太陽能電池之有效受光面與導電柵線間距之關係曲線。
第三圖為本發明於戶外中未使用二次光學元件所測得的填充因子與柵線間距之關係曲線。
第四圖為本發明於戶外中未使用二次光學元件所測得的轉換效率。
第五圖為未使用及使用有本發明具高效能電流收集結構之聚光型太陽 能電池的HCPV模組在聚光倍率為1000倍時於戶外中的實測效率變化圖。
以下配合圖式及元件符號對本發明之實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。
參閱第一圖，本發明具高效能電流收集結構之聚光型太陽能電池的示意圖。本發明具高效能電流收集結構之聚光型太陽能電池1用以提高太陽能電池之光電轉換效率，而適用於高效能聚光型太陽能模組或系統中。如第一圖所示，本發明具高效能電流收集結構之聚光型太陽能電池具有一電流收集結構1，系形成於一太陽能電池100之一入光面101上，其中太陽光經一聚光透鏡(圖面未顯示)而照射於該入光面101上，而於該太陽能電池100內部產生光生自由電子，其中該聚光透鏡的聚光倍率至少超過1000倍以上。
其中，該太陽能電池包括砷化鎵基材、鍺基材或其他適當材質的基材；該太陽能電池包括一III-V半導體材料接面。
該電流收集結構1包含複數條導電柵線11及兩匯流排13。其中該複數條導電柵線11配置在該入光面101上，用以接收光生自由電子。
該兩匯流排13分離地配置於該入光面101上並相互對應，該複數條導電柵線11配置於該兩匯流排13之間，且與該兩匯流排13構成電氣連接，而該兩匯流排13則接收從該太陽能電池內部產生的光生自由電子與從該複數條導電柵線11傳來的光生自由電子。
其中該複數條導電柵線11之任相鄰兩導電柵線具有一柵線間距D，該柵線間距D的寬度至少為120um以下，且該複數條導電柵線覆蓋該入光面之總面積為25.5%以下。
參閱第二圖，本發明太陽能電池之有效受光面與導電柵線間距之關係曲線。較佳的，當該聚光透鏡的聚光倍率為1000倍的太陽光時，該柵線間距的寬度範圍須於90~120um之間，且該複數條導電柵線11只覆蓋該入光面22%~24%的面積。當該聚光透鏡的聚光倍率為1500倍的太陽光時，該間距的寬度範圍須於80~105um之間，且該複數條導電柵線只覆蓋該入光面23%~25%的面積。而當該聚光透鏡的聚光倍率為2000倍的太陽光時，該間距的寬度範圍須於70~95um之間，且該複數條導電柵線只覆蓋該入光面23.5%~25.5%的面積。
參閱第三圖，本發明於戶外中未使用二次光學元件所測得的填充因子與柵線間距之關係曲線。如第三圖所示，當聚光倍率為500倍的太陽光，填充因子(Filling factor,FF)受該柵線間距D的影響相當有限，因此為了增加有效受光面積，會以較寬的柵線間距D設置該複數條導電柵線11，已獲得更大的有效受光面積。但是當聚光倍率大於1000倍的太陽光時，填充因子的最大值會往該柵線間距D越窄的方向偏移。眾所周知的是，增加有效受光面積能夠增加光電流強度，而提高太陽能電池的光電轉換效率，然而此實驗結果卻顯示了以往大家認定的事實並不完全為真，尤其對於用於高聚光倍率及超高聚光倍率的太陽能電池模組來說，有效受光面積越大不代表能帶來更高的轉換效率。
參閱第四圖，本發明於戶外中未使用二次光學元件所測得的轉換效率。為直接測試本發明具高效能電流收集結構之聚光型太陽能電池本身的轉換效率，故未在太陽能電池上加裝二次光學元件(secondary optical element,SOE)，因此會有第三圖中隨著聚光倍率愈高，但光電轉換效率愈 低的正常情況發生。第四圖中值得注意的是，隨著聚光倍率增加，光電轉換效率的最高值往該柵線間距D愈小的方向偏移，且聚光倍率愈高越會受到該柵線間距D的影響。此實驗結果呼應了前段說明，對於用於高聚光倍率及超高聚光倍率的太陽能電池來說，有效受光面積越大並不會帶來更高的光電轉換效率。
參閱第五圖，未使用及使用有本發明具高效能電流收集結構之聚光型太陽能電池的HCPV模組在聚光倍率為1000倍時於戶外中的實測效率變化圖。第五圖所示的模組1與模組2是使用習知電極導線佈線結構所組裝的太陽能模組，模組3至模組7則是利用本發明具高效能電流收集結構之聚光型太陽能電池而組裝的太陽能模組，上述所有的太陽能模組中皆裝設有二次光學元件(secondary optical element,SOE)及日光追蹤器(sun tracker)，其中模組1與模組2在戶外實測下所測得的轉換效率約在30%左右。而在相同條件中，模組3至模組7所測得的轉換效率約在34%左右。
本發明的特點在於，透過適當控制導電柵線的柵線間距與有效受光面積，而減少光生自由電子轉移至該等導電柵線的距離，而大幅降低光生自由電子與光生電洞再結合的機率，確保大部份的光生自由電子都能進入該等導電柵線內成為可利用的光電流。
因此透過本發明之具高效能電流收集結構之聚光型太陽能電池，可有效降低光生自由電子與光生電洞的再結合(Recombination)的機率，尤其適用於會大量產生的光生自由電子的新世代高效能聚光型太陽能模組中，因此特別適用於高效能聚光型太陽能模組或高效能聚光型太陽能系統中，並達成提高光電轉換效率的目的，進而增強聚光型太陽能電池的發展性及競爭力。
藉此，得以將本發明之具高效能電流收集結構之聚光型太陽能電池應用於之聚光型太陽能電池模組中，藉以提升聚光型太陽能電池模組的光電轉換效率。
以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇。
1‧‧‧電流收集結構
11‧‧‧導電柵線
13‧‧‧匯流排
100‧‧‧太陽能電池
101‧‧‧入光面

Claims (10)

  1. 一種具高效能電流收集結構之聚光型太陽能電池，具有一電流收集結構，係形成於一太陽能電池之一入光面上，其中太陽光經一聚光透鏡而照射於該入光面上，而於該太陽能電池內部產生光生自由電子，該聚光透鏡的聚光倍率至少超過1000倍以上，該電流收集結構包含；複數條導電柵線，配置在該入光面上，用以接收自該太陽能電池內部所產生的光生自由電子；以及兩匯流排，分離地配置於該入光面上並相互對應，該複數條導電柵線配置於該兩匯流排之間，且與該兩匯流排構成電氣連接，以接收該太陽能電池內部所產生的光生自由電子與自該複數條導電柵線傳來的光生自由電子；其中該複數條導電柵線之任相鄰兩導電柵線具有一柵線間距，該柵線間距的寬度至少為120um以下，且該複數條導電柵線覆蓋該入光面之總面積為25.5%以下。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具高效能電流收集結構之聚光型太陽能電池，其中當該聚光透鏡的聚光倍率為1000倍的太陽光時，該柵線間距的寬度範圍須於90~120um之間，且該複數條導電柵線只覆蓋該入光面之總面積的22%~24%。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之具高效能電流收集結構之聚光型太陽能電池，其中當該聚光透鏡的聚光倍率為1500倍的太陽光時，該柵線間距的寬度範圍須於80~105um之間，且該複數條導電柵線只覆蓋該入光面之總面積的23%~25%。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之具高效能電流收集結構之聚光型太陽能電池，其中當該聚光透鏡的聚光倍率為2000倍的太陽光時，該柵線間距的寬度範圍須於70~95um之間，且該複數條導電柵線只覆蓋該入光面之總面積的23.5%~25.5%。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之具高效能電流收集結構之聚光型太陽能電池，其中該太陽能電池包括砷化鎵基材和鍺基材之其中之一。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之具高效能電流收集結構之聚光型太陽能電池，其中該太陽能電池包括一III-V半導體材料接面。
  7. 一種應用有具高效能電流收集結構之聚光型太陽能電池之聚光型太陽能 電池模組，藉以提升聚光型太陽能電池模組的光電轉換效率，其中太陽光經一聚光透鏡而照射於該入光面上，而於該太陽能電池內部產生光生自由電子，該聚光透鏡的聚光倍率至少超過1000倍以上，該具高效能電流收集結構之聚光型太陽能電池包含；複數條導電柵線，配置在該入光面上，用以接收自該太陽能電池內部所產生的光生自由電子；以及兩匯流排，分離地配置於該入光面上並相互對應，該複數條導電柵線配置於該兩匯流排之間，且與該兩匯流排構成電氣連接，以接收該太陽能電池內部所產生的光生自由電子與自該複數條導電柵線傳來的光生自由電子；其中該複數條導電柵線之任相鄰兩導電柵線具有一柵線間距，該柵線間距的寬度至少為120um以下，且該複數條導電柵線覆蓋該入光面之總面積為25.5%以下。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之具高效能電流收集結構之聚光型太陽能電池，其中當該聚光透鏡的聚光倍率為1000倍的太陽光時，該柵線間距的寬度範圍須於90~120um之間，且該複數條導電柵線只覆蓋該入光面之總面積的22%~24%。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之具高效能電流收集結構之聚光型太陽能電池，其中當該聚光透鏡的聚光倍率為1500倍的太陽光時，該柵線間距的寬度範圍須於85~105um之間，且該複數條導電柵線只覆蓋該入光面之總面積的23%~25%。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之具高效能電流收集結構之聚光型太陽能電池，其中當該聚光透鏡的聚光倍率為2000倍的太陽光時，該柵線間距的寬度範圍須於70~95um之間，且該複數條導電柵線只覆蓋該入光面之總面積的23.5%~25.5%。
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