CN101499492B - 透明型太阳能电池模块 - Google Patents
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Abstract
一种透明型太阳能电池模块，其包括透明型太阳能电池与光学滤光膜。该透明型太阳能电池包括透明基板、透明型太阳能电池部。透明型太阳能电池部，位于透明基板的第一表面上。光学滤光膜，位于透明型太阳能电池上。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种透明型太阳能电池模块。
【背景技术】
太阳能是一种具有取之不竭且无污染的能源，在解决目前石化能源所面临的污染与短缺的问题时，一直是最受瞩目的焦点。其中，透明型太阳能电池(solar cell)可直接将太阳能转换为电能，是目前相当重要的研究课题。
早期的透明型太阳能电池通常是设置在屋顶上，但，在地窄人稠的都市中，顶楼面积有限，装设面积不大。而建筑物的立面的玻璃帷幕墙的面积大且无法规的限制，是透明型太阳能电池模块可以利用的区域。
结合建筑物的太阳能电池(building integrated photovoltaic，BIPV)通常必须具有良好的透明性。而透明型薄膜太阳能电池(thin film solar cell ofsee-through type)在这些应用中具有节能和美观等优点，且符合人类居住的需求。
目前，一些专利已披露关于透明型薄膜太阳能电池及其制造方法的相关技术。
美国专利第4,795,500号(US4795500)提出一种太阳能电池元件(“PHOTOVOLATIC DEVICE”)。此太阳能电池元件包括第一透明基板、透明导电层、光电转换层、背电极以及光致抗蚀剂(photoresist)。此太阳能电池元件在背电极与光电转换层以及透明导电层中均会形成孔洞，以达到透明的目的。黄光制程所使用的光致抗蚀剂并不需要去除，其可造成彩色的效果，减少背电极的金属光泽。
美国专利第4,663,495号(US4663495)提出一种透明太阳能电池模块(“TRANSPARENT PHOTOVOLATIC MODULE”)。太阳能电池模块的上下电极都使用透明导电氧化物，使其可双面照光，而没有被吸收的光还可以穿透，形成透明型太阳能模块。
美国专利第6,858,461号(US6,858,461B2)提出一种部分透明太阳能电池模块(“PARTIALLY TRANSPARENT PHOTOVOLATIC MODULES”)。在此太阳能电池模块中，会利用激光切割(laser scribing)方式移除部分金属电极与光电转换层，而形成至少一条沟槽(groove)，以使太阳能电池模块可达到部分透明的目的。
其它相关的专利如美国专利第4,623,601号、美国专利第6,180,871号等。
目前的非晶硅薄膜透明型太阳能电池或是染料敏化透明型太阳能电池虽可得到电力，但是，由于薄膜或染料只会吸收特定波段的光，导致薄膜有红色或是黄色等颜色产生。虽然，应用在玻璃帷幕时，建筑外墙不失美观，但却会使得室内色调改变，无法符合需求。因此，如何能够不改变室内色调，将会是未来BIPV应用在玻璃帷幕的重要课题。
另一方面，高透光(See-through type)型产品虽可增加10％的穿透率，却会牺牲30％的效率，其每瓦的发电成本约增加30％。况且，透明型产品必需使用化学气相沉积制程并增加激光制程不仅制造的成本高，而且有炫光的问题，不适合眼睛近看或久看。
【发明内容】
本发明提供一种透明型太阳能电池模块可以改善太阳光谱失真的问题。
本发明提供一种透明型太阳能电池模块可以调整室内的色度图、显色性(color rendering)与色温。
本发明提供一种透明型太阳能电池模块可作BIPV应用。
本发明提出一种透明型太阳能电池模块，其包括透明型太阳能电池与光学滤光膜。透明型太阳能电池包括透明基板与透明型太阳能电池部。透明型太阳能电池部位于透明基板的第一表面之上。光学滤光膜，则位于透明型太阳能电池上。
依照本发明实施例所述，在上述透明型太阳能电池模块中，光学滤光膜位于透明基板的第二表面上。
依照本发明实施例所述，上述的透明型太阳能电池模块还包括至少一层抗反射层，位于光学滤光膜与该透明基板之间，或透明基板与该透明型太阳能电池部之间，或光学滤光膜与透明基板之间以及透明基板与透明型太阳能电池部之间均设置抗反射层。
依照本发明实施例所述，上述的透明型太阳能电池模块中，光学滤光膜位于透明基板的第一表面与透明型太阳能电池部之间。
依照本发明实施例所述，上述的透明型太阳能电池模块还包括至少一层抗反射层，位于透明基板的第二表面上，或位于透明基板与该光学滤光膜之间，或光学滤光膜与透明型太阳能电池部之间，或是透明基板与该光学滤光膜之间和光学滤光膜与透明型太阳能电池部之间择一以及透明基板的第二表面上均设置抗反射层。
依照本发明实施例所述，上述的透明型太阳能电池模块中，透明型太阳能电池部位于光学滤光膜与透明基板之间。
依照本发明实施例所述，上述的透明型太阳能电池模块还包括至少一层抗反射层，位于透明基板的第二表面上，或位于该透明基板与该透明型太阳能电池部之间，或该透明基板的该第二表面上以及该透明基板与该透明型太阳能电池部之间均设置抗反射层。
依照本发明实施例所述，上述的透明型太阳能电池模块还包括另一透明基板，使透明型太阳能电池部位于透明基板与另一透明基板之间。
依照本发明实施例所述，上述的透明型太阳能电池模块还包括绝缘层，位于透明型太阳能电池部与另一透明基板之间。
依照本发明实施例所述，上述的透明型太阳能电池模块中，光学滤光膜将透明型太阳能电池模块的透射光谱的色度图(CIE)限制在CIE(0.10，0.75)和CIE(0.25，0.60)所构成的矩形区域内。
依照本发明实施例所述，上述的透明型太阳能电池模块中，光学滤光膜可将透明型太阳能电池模块的透射光谱的显色性(Ra)调整至大于75。
依照本发明实施例所述，上述的透明型太阳能电池模块中，光学滤光膜将透明型太阳能电池模块的透射光谱的色温(CT)调整至开氏1000度至10000度。
依照本发明实施例所述，上述的透明型太阳能电池模块中，光学滤光膜为折射率n高于1.9与折射率n低于1.9的薄膜构成的堆叠膜。
依照本发明实施例所述，上述的透明型太阳能电池模块中，透明基板为硬式基板或柔性基板。
依照本发明实施例所述，上述的透明型太阳能电池模块中，硬式基板包括玻璃基板。
依照本发明实施例所述，上述的透明型太阳能电池模块中，柔性基板包括塑料基板。
依照本发明实施例所述，上述的透明型太阳能电池模块中，透明型太阳能电池部包括第一电极、第二电极与光电转换层。
依照本发明实施例所述，上述的透明型太阳能电池模块中，透明型太阳能电池部为硅薄膜透明型太阳能电池部、染料敏化透明(DSSC)型太阳能电池部、铜铟镓硒(CIGS)型太阳能电池部、铜铟硒(CIS)型太阳能电池部、碲化镉(CdTe)型太阳能电池部、或有机透明型太阳能电池部。
本发明的透明型太阳能电池可以改善太阳光谱失真的问题。
本发明的透明型太阳能电池可以调整室内的色度图、显色性与色温。
本发明的透明型太阳能电池可作BIPV应用。
为使本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举多个实施例，并配合附图，作详细说明如下。
【附图说明】
图1至图3分别是依照本发明各实施例所绘示的一种透明型太阳能电池模块的剖面示意图。
【主要附图标记说明】
300A、300B、300B’、300C：透明型太阳能电池模块
10、40：透明基板
10a、10b、40a、40b：表面
20：绝缘层
30：光学滤光膜
50、70：电极
60：光电转换层
80：透明型太阳能电池部
90、92：抗反射层
100：透明基板模块
200：透明型太阳能电池
400：太阳光
【具体实施方式】
本发明的透明型太阳能电池模块中的太阳能电池配置有光学滤光膜，可以改善透明型太阳能电池模块的光电转换层仅吸收特定波段的光，造成室内色调改变的问题，达到控制透明型太阳能电池的透射光谱的色度图(CIE)、显色性(Ra)以及色温(CT)的目的。以下例举多个实施例来说明透明型太阳能电池模块中光学滤光膜的位置关系，然而，本发明并不以此为限。
图1至3分别是依照本发实施例所绘示的透明型太阳能电池模块的剖面示意图。
请参照图1至3，本发明的透明型太阳能电池模块均包括透明基板模块100、透明型太阳能电池200与光学滤光膜30。更具体地说，透明基板模块100包括透明基板10。透明型太阳能电池200包括透明基板40与透明型太阳能电池部80。透明型太阳能电池部80则依序包括电极50、光电转换层60以及电极70。电极50设置于透明基板40上；光电转换层60位于电极50以及电极70之间；电极70与绝缘层20接触，使得透明型太阳能电池200封装于透明基板模块100的透明基板10的表面10b上。而光学滤光膜30位于透明型太阳能电池200上。也就是说，光学滤光膜30可以位于透明基板40上，透明基板40与透明型太阳能电池部80之间，或是位于透明型太阳能电池部80上。为清楚起见，各附图中透明基板模块100、透明型太阳能电池200以及绝缘层20均以间隔一距离来表示。以下将依照光学滤光膜30在透明型太阳能电池200的位置的不同来进行详细说明。
实施例一
请参照图1，太阳能电池模块300A中，透明型太阳能电池200的透明基板40的表面40a上方依序配置太阳能电池部80的电极50、光电转换层60以及电极70。透明基板40的表面40b上则配置光学滤光膜30。
由于透明基板40的表面40b上设有光学滤光膜30，因此，当太阳光400从透明基板40的第二表面40b入射前，会先经过光学滤光膜30，过滤掉部分波段的光线，另一部分波段的光线在透明型太阳能电池部80被吸收并产生电能；此外，另一部分波段的光线则通过透明型太阳能电池部80，并经由绝缘层20，最后再通过透明基板模块100，以使得最终在透明基板10的表面10a侧(室内)的光线的色调调整至特定的范围内。
在一实施例中，为增加长波长光线的反射，增进元件的效率，在透明基板40的表面40b上还包括抗反射层90，使其位于光学滤光膜30与透明基板40之间。在另一实施例中，透明基板40的表面40a上还包括抗反射层92，使其位于透明基板40与太阳能电池部80的电极50之间。在又一实施例中，在透明基板40的表面40b以及40a上分别具有抗反射层90与抗反射层92。
实施例二
请参照图2A与2B，透明型太阳能电池模块300B与300B’的组成构件与实施例一相同，其差异在于透明型太阳能电池200中的光学滤光膜30配置的位置不同。在此实施例中，光学滤光膜30是位于太阳能电池部80的电极50与透明基板40的表面40a之间。由于透明基板40与电极50之间设有光学滤光膜30，因此，当太阳光400从透明基板40的表面40b入射之后，会先经过光学滤光膜30，过滤掉部分波段的光线，另一部分波段的光线在透明型太阳能电池部80被吸收并产生电能；又另一部分波段的光线则通过透明型太阳能电池部80，并经由绝缘层20，最后再通过透明基板模块100，以使得最终在透明基板10的表面10a侧(室内)的光线的色调调整至特定的范围内。
同样地，为增加长波长光线的反射，以增进元件的效率，也可以在透明基板的两个表面40b、40a上分别设置抗反射层90、92，或同时设置90与92。更详细地说，抗反射层90设置在透明基板40的表面40b上；抗反射层92设置在透明基板40的表面40a上，使得抗反射层92位于光学滤光膜30与透明基板40之间，如图2A所示。或者，抗反射层90设置在透明基板40的表面40b上；抗反射层92设置在光学滤光膜30与太阳能电池部80之间，如图2B所示。
实施例3
请参照图3，透明型太阳能电池模块300C的组成构件与实施例一相同，其差异点在于透明型太阳能电池200中的光学滤光膜30配置的位置不同。在此实施例中，光学滤光膜30是位于太阳能电池部80的电极70未设置光电转换层60的表面上，使得光学滤光膜30位于太阳能电池部80与绝缘层20之间。
由于太阳能电池部80的电极70上设有光学滤光膜30，因此，当太阳光400从透明基板40的第二表面40b入射后，一部分波段的光线在透明型太阳能电池部80被吸收并产生电能；另一部分波段的光线，则通过透明型太阳能电池部80，再经由光学滤光膜30过滤部分波段的光线，然后再通过绝缘层20与透明基板模块100，以使得最终在透明基板10的表面10a侧(室内)的光线的色调调整至特定的范围内。
同样地，为增加长波长光线的反射，以增进元件的效率，也可以在透明基板的两个表面40b、40a上分别设置抗反射层90、92，或同时设置90与92。更详细地说，抗反射层90可以设置在透明基板40的表面40b上；抗反射层92可以是设置在透明基板40的表面40a上，使得抗反射层92位于透明基板40与太阳能电池部80的电极50之间。
上述的透明型太阳能电池200为染料敏化透明型太阳能电池、硅薄膜透明型太阳能电池、铜铟镓硒(CIGS)型太阳能电池模块、铜铟硒(CIS)型太阳能电池模块或有机透明型太阳能电池。
上述光电转换层60的材质例如是染料、非结晶硅、微结晶硅或其合金比如是硅化锗(SiGe)、硫化镉(CdS)、铜铟镓二硒(CuInGaSe2，CIGS)、铜铟二硒(CuInSe2，CIS)、碲化镉(CdTe)、有机材料或上述材料堆叠的多层结构。
上述透明型太阳能电池部80的电极50、电极70以及光电转换层60的形状、结构并无特别的限制，光电转换层60可以是单接面或双接面，或是更多接面。
上述电极50与电极70的材质可以相同或相异，例如是透明导电氧化物(transparent conductive oxide，TCO)，比如是氧化铟锡(indium tin oxide，ITO)、掺氟氧化锡(fluorine doped tin oxide，FTO)、掺铝氧化锌(aluminiumdoped zinc oxide，AZO)、掺镓氧化锌(gallium doped zinc oxide，GZO)或其组合。
上述透明基板40可以是硬式基板或柔性基板。硬式基板例如是作为建筑物的帷幕玻璃基板。柔性基板例如是塑料基板。
上述透明基板10可以是硬式基板或柔性基板。硬式基板例如是作为建筑物的帷幕玻璃基板。柔性基板例如是塑料基板。透明基板10可以与透明基板40相同或相异。
绝缘层20的材质例如是乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(ethylene vinyl acetate，EVA)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)或具有相似性质的材料。
光学滤光膜30可将透明型太阳能电池200的透射光谱的色度图限制在CIE(0.10，0.75)和CIE(0.25，0.60)所构成的矩形区域内；显色性调整至大于75；色温调整至开氏1000度至10000度。光学滤光膜30例如是由多层折射率n大于1.9的高折射率膜层与多层折射率n小于1.9的低折射率膜层相互层叠所形成的堆叠膜。高折射率膜层例如是CeO2、Cr2O3、Gd2O3、HfO2、In2O3、ITO、La2O3、Nb2O5、Nd2O3、PbO、SnO2、Ta2O5、TiO2、V2O5、WO3、ZrO2、ZnO、ZnS、ZnSe。低折射率膜层例如是AlF3、Al2O3、BaF2、BiF3、CaF2、CeF3、GdF3、LiF、MgF2、NaF、Na3AlF6、Na5Al3F14、NdF3、SiO2、Si2O3。
抗反射层90与抗反射层92的材质可以相同或相异。抗反射层90与抗反射层92的材质可以反射长波长的光线，提高元件的效率。例如是由多层折射率n大于1.9的高折射率膜层与多层折射率n小于1.9的低折射率膜层相互层叠所形成的堆叠膜。高折射率膜层例如是CeO2、Cr2O3、Gd2O3、HfO2、In2O3、ITO、La2O3、Nb2O5、Nd2O3、PbO、SnO2、Ta2O5、TiO2、V2O5、WO3、ZrO2、ZnO、ZnS、ZnSe。低折射率膜层例如是AlF3、Al2O3、BaF2、BiF3、CaF2、CeF3、GdF3、LiF、MgF2、NaF、Na3AlF6、Na5Al3F14、NdF3、SiO2、Si2O3。
以下将说明以计算机来模拟实验本发明的含有抗反射层以及光学滤光膜的太阳能电池的结果。
太阳能电池的结构依序为第一抗反射层/透明基板/第二抗反射层/前电极/光电转换层/背电极。其中，第一抗反射层由104纳米的MgF2/23纳米的TiO2/17纳米的MgF2/96纳米的TiO2/13纳米的MgF2/29纳米的TiO2/38纳米的MgF2/11纳米的TiO2所构成。透明基板为玻璃。第二抗反射层为50纳米的TiO2。前电极为厚度20纳米的掺铝氧化锌。光电转换层为300纳米的非晶硅。背电极为80纳米的掺铝氧化锌。其结果显示短路电流密度JSC＝10.15mA/cm2，相比之下，无第一抗反射层与第二抗反射层的太阳能电池的短路电流密度JSC＝9.86mA/cm2，本发明的太阳能电池中增设抗反射层确实可以提高其短路电流密度。
另一个模拟实验的太阳能电池的结构为第一抗反射层/透明基板/第二抗反射层/前电极/光电转换层/背电极/光学滤光膜。第一抗反射层、透明基板、第二抗反射层、前电极、光电转换层以及背电极的条件同上。光学滤光膜则是以7层堆叠的TiO2以及SiO2所构成。其结果显示短路电流密度JSC＝11.50mA/cm2，相比之下，无第一抗反射层、第二抗反射层以及光电转换层的太阳能电池的短路电流密度JSC＝9.86mA/cm2，本发明的太阳能电池增加抗反射层以及光电转换层进一步可以大幅提高其短路电流密度。
本发明的透明型太阳能电池模块增设了光学滤光膜可以改善太阳光谱失真的问题，而且可以调整室内的色度图、显色性与色温，作BIPV应用，达到与建筑物结合的目的。
虽然本发明已以实施例披露如上，然其并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应可作任意更动与润饰，因此，本发明的保护范围应以所附权利要求书所限定的范围为准。
Claims (15)
1.一种透明型太阳能电池模块，包括：
透明型太阳能电池，包括：
透明基板，具有第一表面与第二表面；
透明型太阳能电池部，位于该透明基板的该第一表面之上；以及
光学滤光膜，位于该透明型太阳能电池上；
其中该光学滤光膜将该透明型太阳能电池模块的透射光谱的色度图限制在CIE(0.10，0.75)和CIE(0.25，0.60)所构成的矩形区域内；显色性调整至大于75；色温调整至开氏1000度至10000度。
2.如权利要求1所述的透明型太阳能电池模块，其中该光学滤光膜位于该透明基板的第二表面上。
3.如权利要求1所述的透明型太阳能电池模块，还包括至少一层抗反射层，位于该光学滤光膜与该透明基板之间，或该透明基板与该透明型太阳能电池部之间，或该光学滤光膜与该透明基板之间以及该透明基板与该透明型太阳能电池部之间均设置抗反射层。
4.如权利要求1所述的透明型太阳能电池模块，其中该光学滤光膜位于该透明基板的第一表面与该透明型太阳能电池部之间。
5.如权利要求4所述的透明型太阳能电池模块，还包括至少一层抗反射层，位于该透明基板的第二表面上，或位于该透明基板与该光学滤光膜之间，或该光学滤光膜与该透明型太阳能电池部之间，或该透明基板与该光学滤光膜之间和该光学滤光膜与该透明型太阳能电池部之间择一以及该透明基板的第二表面上均设置抗反射层。
6.如权利要求1所述的透明型太阳能电池模块，其中该透明型太阳能电池部位于该光学滤光膜与该透明基板之间。
7.如权利要求1所述的透明型太阳能电池模块，还包括至少一层抗反射层，位于该透明基板的第二表面上，或位于该透明基板与该透明型太阳能电池部之间，或该透明基板的该第二表面上以及该透明基板与该透明型太阳能电池部之间均设置抗反射层。
8.如权利要求1所述的透明型太阳能电池模块，还包括另一透明基板，使该透明型太阳能电池部位于该透明基板与该另一透明基板之间。
9.如权利要求1所述的透明型太阳能电池模块，还包括绝缘层，位于该透明型太阳能电池部与该另一透明基板之间。
10.如权利要求1所述的透明型太阳能电池模块，其中该光学滤光膜为折射率n大于1.9与折射率n低于1.9的薄膜构成的堆叠膜。
11.如权利要求1所述的透明型太阳能电池模块，其中该透明基板为硬式基板或柔性基板。
12.如权利要求11所述的透明型太阳能电池模块，其中该硬式基板包括玻璃基板。
13.如权利要求11所述的透明型太阳能电池模块，其中该柔性基板包括塑料基板。
14.如权利要求1所述的透明型太阳能电池模块，其中该透明型太阳能电池部包括第一电极、第二电极和光电转换层。
15.如权利要求1所述的透明型太阳能电池模块，其中该透明型太阳能电池部为硅薄膜透明型太阳能电池部、染料敏化透明型太阳能电池部、铜铟镓硒型太阳能电池部、铜铟硒型太阳能电池部、碲化镉型太阳能电池部、或有机透明型太阳能电池部。
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