TWM616740U

TWM616740U - 光伏電池結構

Info

Publication number: TWM616740U
Application number: TW110202671U
Authority: TW
Inventors: 張裕洋; 黃松建; 陳耀宗; 劉修銘
Original assignee: 位元奈米科技股份有限公司
Priority date: 2021-03-12
Filing date: 2021-03-12
Publication date: 2021-09-11
Also published as: CN214705932U

Abstract

一種光伏電池結構，包括：一透明導電基板、一第一載子傳遞層、一主動層、一第一蝕刻槽、一第二蝕刻槽、一第一絕緣層、一第二絕緣層、一第二載子傳遞層、一上導電層及一第三蝕刻槽。其中，將上下導電層、第一載子傳遞層、第二載子傳遞層及主動層可以結合厚膜層(1um以上)與薄膜層(1um以下)結構結合作業，以提供電性串接的理想線路及可以提升光伏電池的生產製作良率，並可以提升光伏電池的光電轉換效率。

Description

光伏電池結構

本創作係有關一種光伏電池，尤指一種關於電極結構改良之光伏電池結構。

太陽能電池的研究是再生能源中受眾人期待的一個方向。雖然現今已商業化的多數產品是以矽為其主要材料，不過使用高分子材料所開發之有機太陽能電池因其製程簡單、造價便宜、材質輕盈、可撓曲等特性而受到業界與學術界的矚目。

目前在製備有機太陽能電池時，其都是透過塗佈(Coating)為製備太陽能電池薄膜之技術手段，其優點在於能夠使得該薄膜具有較佳之平整性與均勻性。而進一步可以R2R製程即是一種具有潛力用以大面積製備有機太陽能電池的技術，其在產業界已有配合，R2R製程即可良好地配合其運作，得以在較低成本之下生產這些具有可塑性、重量輕、耐衝擊等優點。

太陽能電池之光電轉換裝置在結構上有很多種，其中一種稱為光伏電池的光電轉換裝置，如有機光伏電池(Organic PhotoVoltaics，OPV)或者是鈣鈦礦太陽能電池(Perovskite solar cell)，主要係可以利用電子傳遞層ETL、主動層(在有機光伏電池(Organic PhotoVoltaics，OPV)中吸光層稱為BHJ layer(bulk-heterojunction layer)，在鈣鈦礦太陽能電池(Perovskite solar cell中就稱為Perovskite layer))、電洞傳遞HTL及電極導線ITO的結合達成光電轉換及電子傳遞的效果，其結構如圖1、2示的有機光伏電池，該光伏電池100a(如圖1)包含有一基板 101a，該基板101a上具有一下導電層102a，該下導電層102a上具有一光伏層103a提供光電轉換機制，經由上、下導電層104a、102a構成電性迴路，其中所謂的光伏層103a係以電子傳遞層1031a、主動層1032a、電洞傳遞層1033a所構成，或者如圖2的電洞傳遞層1033a、主動層1032a、電子傳遞層1031a，於光伏層103a上具有一上導電層104a，藉由與上、下導電層104a、102a的結合達成光電轉換及電子傳遞的效果。

近年來尤其在材質上以有機-無機混成之光伏(photovoltaic)領域引起廣泛關注，因為有機-無機混成之光伏元件具有簡便溶液加工性及優異的光電性能。過去幾年研究發現，除具有顯著的半導體特性，包括強大的大範圍光捕獲能力、載子擴散長度長及可調的能隙，使其成為出色的光伏材料。顯見光伏太陽能電池低成本及輕量化優勢愈來越顯著，並具備巨大的商業化潛力。

其中為提升光伏電池之加工便利性，及提升光伏元件之光電轉換效率，本創作人進一步在結構上的設計改良，以提供光伏元件製作的量產性提升。請參閱本創作人先前提出之台灣專利第M545367號專利光伏裝置，該等結構係於各該電極層、載子傳遞層及主動層製作後再進行蝕刻及塗佈方式進行線路製作，該各載子傳遞層與主動層膜層厚度較大可以大於10um以上，因此容許表層進行塗佈絕緣材料及導電層之材料作業。隨著技術的進展及光電轉換效率要求的提高，部分膜層厚度如部分載子層與電極層厚度可以達1um以下，材質可以提升效率外，厚度降低也可以有效提高光透過率，不過前述塗佈方式技術已不利於對於薄層結構厚度的作業需求，表層塗佈作業會造成薄層結構破壞產生不良，良率降低。

因此，本創作提供一種新穎的光伏電池結構，將上下導電層、第一載子傳遞層、第二載子傳遞層及主動層可以結合厚膜層(1um以上)與薄膜層(1um以下)結構結合作業，以提供電性串接的理想線路及可以提升光伏電池的生產製作良率，並可以提升光伏電池的光電轉換效率。

為了達到上述之目的，本創作提供一種光伏電池結構，包括：一透明導電基板、一第一載子傳遞層、一主動層、一第一蝕刻槽、一第二蝕刻槽、一第一絕緣層、一第二絕緣層、一第二載子傳遞層、一上導電層及一第三蝕刻槽。其中，該透明導電基板包含有一透明基板及一下導電層，該下導電層設於該透明基板一側面上。該第一載子傳遞層係設於該下導電層的一側面上。該主動層係設於該第一載子傳遞層的一側面上。該第一蝕刻槽係以複數條的X軸縱向及Y軸橫向的相互垂直貫穿該主動層、該第一載子傳遞層及該下導電層至該透明基板的表面，以形成複數個光伏單元。該第二蝕刻槽係以複數條的X軸縱向的貫穿該主動層及該第一載子傳遞層至該下導電層的表面，該些第二蝕刻槽以平行鄰接間隔配於該第一蝕刻槽之一側，以區隔該第一載子傳遞層與該主動層之縱向溝槽。該第一絕緣層係設於該些第一蝕刻槽中。該第二絕緣層係設於該主動層的表面上，並鄰接設於該些第二蝕刻槽一側保持平行的位於該光伏單元的表面上。該第二載子傳遞層係以Y軸橫向連續設置於該些光伏單元的表面，並覆蓋於部分之X軸縱向的該些第一蝕刻槽與X軸縱向的該些第一絕緣層與該些第二蝕刻槽與該些第二絕緣層之表面，且相鄰的該第二載子傳遞層間以Y軸橫向的該些第一蝕刻槽及Y軸橫向的該些第一絕緣層保持間隔。該上導電層係以設置於該第二載子傳遞層的表面上，並覆蓋於部分的X軸縱向的該些第一蝕刻槽與X軸縱向的該些第一絕緣層與該些第二蝕刻槽與該些第二絕緣層之表面，該上導電層經由該些第二蝕刻槽與該下導電層電性連接，相鄰的上導電層間以Y軸橫向的該些第一蝕刻槽及Y軸橫向之該些第一絕緣層保持間隔。該第三蝕刻槽，係設於該些光伏單元上，並貫穿該上導電層及該第二載子傳遞層，使該第二絕緣層表面露出，形成該上導電層部分斷路，並構成該些光伏單元的電性串接。

在本創作之一實施例中，該些第一蝕刻槽、該些第二蝕刻槽及該些第三蝕刻槽的寬距為5μm-200μm。

在本創作之一實施例中，該第一絕緣層設於該些第一蝕刻槽，並覆蓋於該些縱向的該些第一蝕刻槽的槽口周緣的該主動層表面上，使該些縱向的該第一絕緣層斷面形成一T形。

在本創作之一實施例中，該第一絕緣層及該第二絕緣層為UV膠、環氧樹脂或藍膠。

在本創作之一實施例中，該第一絕緣層及該第二絕緣層的厚度為500nm-20μm。

在本創作之一實施例中，該上導電層及該下導電層以塗佈、濺鍍或蒸鍍製成。

在本創作之一實施例中，該下導電層與該上導電層為金屬或金屬氧化物。

在本創作之一實施例中，該下導電層與該上導電層為金屬氧化物、金屬和金屬氧化物的多層組合。

在本創作之一實施例中，該下導電層透光率為70%-95%。

在本創作之一實施例中，該下導電層厚度為5nm-1μm。

在本創作之一實施例中，該上導電層厚度為5nm-500nm。

在本創作之一實施例中，該上導電層及該下導電層以一引線與外部電性連接，該引線可經印刷製作為一排線接線區而成。

在本創作之一實施例中，該第一載子傳遞層為電子傳遞層或電洞傳遞層。

在本創作之一實施例中，該第二載子傳遞層為電洞傳遞層或電子傳遞層。

在本創作之一實施例中，該第一載子傳遞層厚度為1μm-100μm。

在本創作之一實施例中，該主動層厚度為1μm-100μm。

在本創作之一實施例中，該第二載子傳遞層厚度為1nm-500nm。

在本創作之一實施例中，該第一載子傳遞層以塗佈方式製作。

在本創作之一實施例中，該第二載子傳遞層以蒸鍍方式製作。

在本創作之一實施例中，該透明基板任一側或兩側設置一緩衝層，以增加該透明基板之強度或與該下導電層之附著力。

在本創作之一實施例中，該緩衝層為壓克力、環氧樹脂、二氧化矽或以上兩種材料之組合。

在本創作之一實施例中，該透明基板為透光塑料或透光玻璃基板。

在本創作之一實施例中，該透光塑料為酚醛樹脂、聚醯胺、聚醯亞胺、聚氨酯、聚乙烯、聚乙烯對苯二甲酸酯、壓克力塑料。

在本創作之一實施例中，該透明基板的厚度為10μm-500μm。

在本創作之一實施例中，該光伏電池結構的上下貼附有封裝結構，該封裝結構包含有一上蓋板、一下蓋板及一設於該上蓋板及該下蓋板之間的封裝膠。

在本創作之一實施例中，該上蓋板及該下蓋板的厚度為50μm-500μm。

在本創作之一實施例中，該封裝結構為透明塑料或玻璃基板。

習知：

100a:光伏電池改良結構

101a:基板

102a:下導電層

103a:光伏層

1031a:電子傳遞層

1032a:主動層

1033a:電洞傳遞

104a:上導電層

本創作：

10:光伏層

1:透明導電基板

11:透明基板

12:下導電層

2:第一載子傳遞層

3:主動層

4:第一絕緣層

5:第二絕緣層

6:第二載子傳遞層

7:上導電層

20:第一蝕刻槽

30:第二蝕刻槽

40:第三蝕刻槽

50:封裝結構

501:上蓋板

502:下蓋板

503:封裝膠

圖1，為傳統的光伏電池改良結構示意圖；圖2，為傳統的另一光伏電池改良結構示意圖；圖3a，本創作之光伏電池的光伏層側視示意圖；圖3b，係在圖3a俯視示意圖；圖4a，係在圖3a的光伏層及透明導電基板進行第一蝕刻槽、第二蝕刻槽的切割側視示意圖；圖4b，係在圖4a的俯視示意圖；圖5a，係在圖4a的第一蝕刻槽及主動層上製作第一絕緣層及一第二絕緣層的側視示意圖；圖5b，係在圖5a的俯視示意圖；圖6a，係在圖5a在每一光伏單元的主動層上製作第二載子傳遞層及上導電層的側視示意圖；圖6b，係在圖6a的俯視示意圖；圖7a，係在圖6a的上導電層上製作第三蝕刻槽側視示意圖；圖7b，係在圖7a的俯視示意圖；圖8，係本創作之另一實施例之光伏電池結構示意圖。

茲有關本創作之技術內容及詳細說明，現配合圖式說明如下：請參閱圖3a、3b，係本創作之光伏電池的光伏層側視及圖3a的俯視示意圖。如圖所示：本創作光伏電池結構，即光伏層10，包含有：一透明導電基板1、第一載子傳遞層2、一主動層3。其中，該透明導電基板1包含有一透明基板11及一設於該透明基板11一側面的下導電層12。其中該透明基板11任一側或兩側更可設置一緩衝層(圖中未示)以增加該透明基板11之強度或與該下導電層12之附著力；該緩衝層為壓克力、環氧樹脂、二氧化矽或以上兩種材料之組合；該透明基板11為透光塑料或透光玻璃基板，其中該透光塑料為酚醛樹脂(phenol novolac，PN)、聚醯胺(Polyamide，PA)、聚醯亞胺(Polyimide，PI)、聚氨酯(Polyurethanes，PU)、聚乙烯(Polyethylene，PE)、聚乙烯對苯二甲酸酯(Polyethylene Terephthalate，PET)、壓克力塑料等。在本圖式中，該透明基板11的厚度為10μm-500μm。另，該下導電層12係可經塗佈、濺鍍或蒸鍍製成，該下導電層12為金屬或金屬氧化物，或是金屬氧化物、金屬和金屬氧化物的多層組合，且該下導電層12透光率可以是70%-95%，該下導電層12的厚度為5nm-1μm。在本圖式中，該下導電層12以利用一引線與外部電性連接，該引線可經印刷製作為一排線接線區(圖中未示)而成。又，該第一載子傳遞層2以塗佈方式製作的設於該下導電層12之一側表面上，該第一載子傳遞層2為電子傳遞層或電洞傳遞層；在本圖式中，該第一載子傳遞層2厚度為1μm-100μm。該主動層3以塗佈方式製作設於該第一載子傳遞層2的一側表面上；在本圖式中，該主動層3厚度為1μm-100μm。

請參閱圖4a、4b，係在圖3a的光伏層及透明導電基板進行第一蝕刻槽、第二蝕刻槽的切割側視及圖4a的俯視示意圖。如圖所示：本創作以一特定雷射能量不破壞透明基板11方式，進行複數條相互垂直的X軸縱向及Y軸橫向的第一蝕刻槽(線)20之雷射蝕刻，該第一蝕刻槽20以貫穿該主動層3、該第一載子傳遞層2及該下導電層12至該透明基板11的表面，以形成各該光伏單元，每一個光伏單元由該主動層3、該第一載子傳遞層2及該下導電層12組成。在本圖式中，該些第一蝕刻槽20的寬距為5μm-200μm。

再以一特定雷射能量不破壞該下導電層12方式，進行複數條的X軸縱向的第二蝕刻槽(線)30之雷射蝕刻，該第二蝕刻槽30以貫穿該主動層3及該第一載子傳遞層2至該下導電層12的表面，該些第二蝕刻槽30以平行鄰接間隔配於該第一蝕刻槽20之一側，用以區隔該第一載子傳遞層2與該主動層3之縱向溝槽。本圖式中，該些第二蝕刻槽30的寬距為5μm-200μm。

請參閱圖5a、5b，係在圖4a的第一蝕刻槽及主動層上製作第一絕緣層及第二絕緣層的側視及圖5a的俯視示意圖。如圖所示：本創作於該些X軸縱向及Y軸橫向的第一蝕刻槽20上填充有一第一絕緣層4，經塗佈後除了填充於該些第一蝕刻槽20內部後，也覆蓋於該些縱向的第一蝕刻槽20的槽口周緣的主動層3表面上，使該些縱向的第一絕緣層4斷面形成一T形。在本圖式中，該些第一絕緣層4為UV膠、環氧樹脂或藍膠，其厚度為500nm-20μm。

另，第二絕緣層5，係以UV膠、環氧樹脂或藍膠等材料以線狀塗佈於該主動層3的表面上，並鄰接設於該些第二蝕刻槽30一側保持平行的位於該光伏單元上表面。在本圖式中，該些第二絕緣層5厚度為500nm-20μm。

請參閱圖6a、6b，係在圖5a在每一光伏單元的主動層上製作第二載子傳遞層及上導電層的側視及圖6a的俯視示意圖。如圖所示：本創作接著以蒸鍍方式依序於主動層3之上表面蒸鍍第二載子傳遞層6與上導電層7，其中該第二載子傳遞層6與上導電層7蒸鍍作業可以分別設置遮罩，該第二載子傳遞層6以Y軸橫向連續設置於些該光伏單元的表面，並覆蓋於部分之X軸縱向的該些第一蝕刻槽20與X軸縱向的該些第一絕緣層4與該些第二蝕刻槽30與該些第二絕緣層5之表面，相鄰的第二載子傳遞層6間以Y軸橫向第一蝕刻槽20及Y軸橫向之第一絕緣層4保持間隔。在本圖式中，該第二載子傳遞層6為電洞傳遞層或電子傳遞層，其厚度為1nm-500nm。

接著，再以塗佈、濺鍍或蒸鍍於光伏層10上塗覆一上導電層7，該上導電層7對應該第二載子傳遞層6之相同位置設置於該第二載子傳遞層6的表面上，並覆蓋於部分之X軸縱向的該些第一蝕刻槽20與X軸縱向的該些第一絕緣層4與該些第二蝕刻槽30與該些第二絕緣層5之表面，其中該上導電層7可以經由該些第二蝕刻槽30與該下導電層12電性連接，相鄰的上導電層7間以Y軸橫向的該些第一蝕刻槽20及Y軸橫向之該些第一絕緣層4保持間隔；且該上導電層7以利用一引線(圖中未示)與外部電性連接，該引線可經印刷製作為一排線接線區(圖中未示)而成。本圖式中，該上導電層7為金屬或金屬氧化物，或是金屬氧化物、金屬和金屬氧化物的多層組合；該上導電層7厚度為5nm-500nm。

圖7a、7b，係在圖6a的上導電層上製作第三蝕刻槽側視及圖7a的俯視示意圖。如圖所示：本創作接著於該上導電層7的上表面對應該第二絕緣層5的位置，以雷射進行第三蝕刻槽(線)40之蝕刻，蝕刻以貫穿該上導電層及該第二載子傳遞層，並確保該第二絕緣層5表面露出，以使該上導電層7部分斷路，並構成光伏單元的電性串接。在本圖式中，該第三蝕刻槽(線)40的寬距為5μm-200μm。

如此完成沿X軸向串接之光伏單元結構。串接之光伏單元結構可依各該產品元件需求再進一步裁切使用。據此，本創作可以結合塗佈厚膜之第一載子傳遞層2與主動層3及蒸鍍薄膜之第二載子傳遞層6之結合製作，製程作業中之第一蝕刻槽20與第二蝕刻槽30雷射可以再主動層3製作後進行，接再以第一、二絕緣層4、5塗覆作業進行絕緣保護，良率大大提升，且之後以圖騰化蒸鍍該第二載子傳遞層6與上導電層作業上更簡易，降低元件串接產生開路或短路之不良風險，利於量產之應用，提供增加光利用率之光伏電池結構。

請參閱圖8，係本創作之另一實施例之光伏電池結構示意圖。如圖所示：本創作於光伏電池結構的上下貼附有封裝結構50，該封裝結構50包含有一上蓋板501、一下蓋板502及一設於上、下蓋板501、502之間的封裝膠503，該上、下蓋板501、502為透明塑料或玻璃基板材料，其厚度為50μm-500μm進行封裝，以構成光伏電池元件。在本圖式中，該封裝結構50為透明塑料或玻璃基板。

惟以上所述僅為本創作之較佳實施例，非意欲侷限本創作的專利保護範圍，故舉凡運用本創作說明書或圖式內容所為的等效變化，均同理皆包含於本創作的權利保護範圍內，合予陳明。