CN103000703A - 太阳能模块 - Google Patents
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Abstract
本发明揭露一种太阳能模块，其包含依次层叠的第一透光基板、光电转换元件和第二透光基板，所述太阳能模块具有透光结构，所述光电转换元件的外侧或所述第二透光基板的外侧设有用于吸收入射光线的吸收层。
Description
技术领域
本发明是有关一种太阳能模块(solar module)，且特别是有关一种透光型的太阳能模块。
背景技术
已知具有各种透光结构的太阳能模块。图1绘示已知的一种透光型太阳能模块110使用时的示意图。如图所示，设置于大楼外墙的太阳能模块110包含第一透光基板112、第一电极层113、光电转换层114、第二电极层116与第二透光基板118。其中，第一电极层113、光电转换层114与第二电极层116构成光电转换元件，它们层叠于第一透光基板112与第二透光基板118之间。入射光线140从室外120进入第一透光基板112后，太阳能模块110可通过光电转换层114吸收光能，且第二电极层116可以将入射光线140未被光电转换层114吸收的光线反射至光电转换层114再次吸收。另一方面，第一透光基板112与第二透光基板118之间具有多个透光孔119可让部分入射光线140进入室内130并穿出第二透光基板118形成出射光线150。如此一来，位于室内130的使用者可以通过透光孔119看到室外120的景象。
图2绘示图1的已知太阳能模块110在另一环境使用时的示意图。如图所示，当室内130具有光源160时，第二透光基板118会有入射光线162进入，且入射光线162至第二电极层116后会被反射而形成反射光线164穿出第二透光基板118。如此一来，使用者会于第二透光基板118同时看到出射光线150与反射光线164，当出射光线150与反射光线164的光功率对比越低时(例如室内130较亮)，使用者会于第二透光基板118看到较清楚的室内130镜像与模糊的室外120景象，甚至如照镜子一般而失去设置透光孔119的意义。
也就是说，反射光线164的光功率大小会影响使用者观看室外120景象的清晰度。
发明内容
本发明的一目的为提供一种太阳能模块，让室内的光线对室外景象的清晰度影响降低，而发挥透光结构的功能。
根据本发明一实施方式，一种太阳能模块包含依次层叠的第一透光基板、光电转换元件和第二透光基板，所述太阳能模块具有透光结构，所述光电转换元件的外侧或所述第二透光基板的外侧设有用于吸收光线的吸收层。
在本发明一实施方式中，其中所述光电转换元件包括依次层叠的第一电极层、光电转换层和第二电极层。
在本发明一实施方式中，其中所述太阳能模块为透光型薄膜太阳能模块，所述透光结构为穿透所述光电转换元件的多个透光孔或多排透光沟槽，所述透光结构穿透该吸收层。
在本发明一实施方式中，其中所述太阳能模块为透光型晶体硅太阳能模块，所述光电转换元件包括多个太阳电池片，所述透光结构由各太阳电池片之间的间隙构成。
在本发明一实施方式中，其中所述吸收层的材料为氮化钛、氮化铌或黑硅。
在本发明一实施方式中，其中所述第二透光基板的外侧形成有抗反射层，所述抗反射层为透光抗反射涂层。
在本发明一实施方式中，其中所述抗反射层的材料为MgF2、SiO2、Si3N4、ZnS或TiO2。
在本发明一实施方式中，其中所述第二透光基板的外侧设置的吸收层上形成有与所述透光结构对应的透光部。
在本发明一实施方式中，其中所述吸收层的材料为氮化钛(titaniumnitride)、氮化铌(niobium nitride)或黑硅(black silicon)。
在本发明一实施方式中，所述光电转换层为单晶硅光电转换层、多晶硅光电转换层、结合非晶硅和微晶硅的多结光电转换层或结合非晶硅和非晶硅锗(a-Si/a-SiGe)的多结光电转换层。
在本发明上述实施方式中，第一透光基板靠近室外，且第二透光基板靠近室内。由于太阳能模块具有透光结构，因此位于室内的使用者可看到室外的景象。当室内具有光源时，第二透光基板虽会有入射光线进入，但太阳能模块的吸收层位于光电转换元件与第二透光基板之间或第二透光基板外表面上，因此可以降低第二透光基板入射光线的反射率。也就是说，第二透光基板入射光线仅由第二透光基板反射而不会由光电转换元件反射。
如此一来，由于第二透光基板入射光线的反射率会降低，让使用者不易于太阳能模块背面看到使用者自己与室内的环境(例如桌或椅)的镜像，因此当使用者观看室外的景象时可以呈现较清晰的景象。另一方面，制造者更可选择性地于第二透光基板外侧(靠近室内的一侧)设置抗反射层，让第二透光基板入射光线几乎不会由第二透光基板反射，而可进一步降低太阳能模块入射光线的反射率。
与已知太阳能模块相较，此太阳能模块可以通过吸收层与抗反射层来降低第二透光基板入射光线的反射率，让室内的光线对室外景象的清晰度影响降低，而发挥透光结构的功能。
附图说明
图1绘示已知太阳能模块使用时的示意图；
图2绘示图1的已知太阳能模块在另一环境使用时的示意图；
图3A绘示根据本发明一实施方式的太阳能模块使用时的示意图；
图3B绘示图3A的光电转换层的另一种结构设计；
图3C绘示图3A的光电转换层的又一种结构设计；
图4绘示根据本发明另一实施方式的太阳能模块使用时的示意图；
图5绘示根据本发明又一实施方式的太阳能模块使用时的示意图。
【主要组件符号说明】
110：太阳能模块 112：第一透光基板
113：第一电极层 114：光电转换层
116：第二电极层 118：第二透光基板
119：透光孔 120：室外
130：室内 140：入射光线
150：出射光线 160：光源
162：入射光线 164：反射光线
210：太阳能模块 211：第二吸收层
212：第一透光基板 213：第一电极层
214：光电转换层 2141：光电转换材料
2142：光电转换材料 2143：氧化物
2144：导电层 2145：导电层
2146：导电层 2147：导电层
2148：绝缘层 215：抗反射层
216：第二电极层 217：吸收层
218：第二透光基板 219：透光结构
220：室外 222：透光部
230：室内 240：入射光线
250：出射光线 260：光源
262：入射光线 264：反射光线
具体实施方式
以下将以附图揭露本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化附图起见，一些已知惯用的结构与组件在附图中将以简单示意的方式绘示。
图3A绘示根据本发明一实施方式的太阳能模块210使用时的示意图。如图所示，太阳能模块210包含依次层叠的第一透光基板212、第一电极层213、光电转换层214、第二电极层216以及第二透光基板218。在本实施方式中，第二透光基板218的内侧(面对第二电极层216的一侧)形成有用于吸收光线的吸收层217。
另外，太阳能模块100具有穿透第一电极层213、光电转换层214、第二电极层216与吸收层217的透光结构219。第一电极层213、光电转换层214和第二电极层216构成所谓的光电转换元件。
其中，第一电极层213位于第一透光基板212上且接触光电转换层214。第二电极层216位于光电转换层214与吸收层217之间。吸收层217位于第二电极层216与第二透光基板218之间，用以阻隔第二电极层216对第二透光基板入射光线262反射，而降低第二透光基板入射光线262的反射率。
上述第一透光基板212靠近室外220，且第二透光基板218靠近室内230。此外，透光结构219位于第一透光基板212与第二透光基板218之间。透光结构219彼此大致平行地排列于第一透光基板212与第二透光基板218之间，且透光结构219的两端部分别大致垂直于第一透光基板212与第二透光基板218。对于位于室内230的使用者来说，这样的设置方式具有较佳的透光效果，使得室外220的入射光线240较易通过透光结构219穿出第二透光基板218并形成出射光线250。由上述可知，此太阳能模块210适合应用于大楼的外墙而可供位于室内230的使用者观看室外220的景象，具有类似纱窗的透光效果。本文中所有的“大致”意指制造上的误差。此外，透光结构219可以为多个透光孔或多排透光沟槽。
在本实施方式中，吸收层217的主要特性为低反射率且低穿透率，简而言之，就是要有高吸收率，这个高吸收率可以包含具有高吸光率的黑色物体或具有低反射率且低穿透率的柱状结构，且吸收层217的材质可以包含氮化钛、氮化铌或黑硅，黑硅例如为具有柱状结构的黑色硅材料。
具体而言，由于太阳能模块210具有透光结构219，因此位于室内230的使用者可看到室外220的景象。当室内230具有光源260时，第二透光基板218虽会有入射光线262进入，但太阳能模块210的吸收层217位于第二电极层216与第二透光基板218之间，因此可以阻隔第二电极层216对第二透光基板入射光线262反射，而降低第二透光基板入射光线262的反射率。也就是说，当吸收层217的反射率趋近零时，第二透光基板入射光线262仅由第二透光基板218反射而不会由第二电极层216反射。
如此一来，第二透光基板入射光线262的反射率会降低，使用者不易于第二透光基板218看到使用者自己与室内230的环境(例如桌或椅)镜像，当观看室外220的景象时可以呈现较清晰的景象。
举例来说，室外220的入射光线240具有光功率200瓦，入射光线240经由透光结构219通过第二透光基板218的出射光线250具有20瓦的光功率。此时室内230具有光源260，使得第二透光基板入射光线262具有100瓦的光功率。然而，因太阳能模块210具有吸收层217，因此第二透光基板入射光线262仅由第二透光基板218反射而不会由第二电极层216反射，使第二透光基板入射光线262的反射光线264仅具有4瓦的光功率。如此一来，可以定义一对比率等于出射光线250与反射光线264的光功率的比值，因此在本实施方式中的对比率为5，室内230的使用者观看室外220的景象时不易受光源260影响清晰度。
与图2已知太阳能模块110相较，由于已知太阳能模块110的第二透光基板入射光线162除了由第二透光基板118反射外还会由第二电极层116反射，使第二透光基板入射光线162的反射光线164可能具有90瓦的光功率。同样地，对比率为出射光线150与反射光线164的光功率的比值，因此已知太阳能模块110的对比率为0.22，室内130的使用者观看室外120的景象时易受光源160影响清晰度。
在本实施方式中，第一透光基板212与第二透光基板218可以为透明或半透明的基板，例如透光率50％至100％的基板。此外，第一透光基板212可以为玻璃或聚合物薄膜，例如DuPontTM Teflon的薄膜、DuPontTM Teonex的聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜(polyethylene naphthalate；PEN)、DuPontTM Melinex的ST聚酯薄膜和透明的聚亚酰胺(transparent polyimide)。太阳能模块，俗称太阳能电池，可以有多种不同的材料与组成，它可以单晶硅或是多晶硅的太阳能组件，也可以是薄膜太阳能组件，薄膜太阳能组件一般包含下列这种结构：第一电极层213是透明导电层，其材料可以为透明导电氧化物(transparentconductive oxide；TCO)或是其他的非氧化物，像是纳米碳管(carbon nanotube)或是有机导电高分子薄膜(organic conducting polymer)。
光电转换层214的材料可以包含非晶硅(amorphous silicon)、硫化镉(cadmium diselenide；CdS)、碲化镉(cadmium telluride；CdTe)、铟硒化铜(copperindium selenide；CIS)或铜铟镓硒(copper indium gallium diselenide；CIGS)。详细地说，光电转换层214的组成结构可以是单结的结构，也就是单一种材料作为光电转换层，也可以是双结(例如A-Si/μc-Si Tandem)或是多结(例如A-Si/A-SiGe/A-SiGe Multi-junction)的结构，也就是由数种相同或是不同的材料叠加成为光电转换层。单结的结构例如非晶硅光电转换层。在双结的结构设计上，有可能会在两种光电转换材料2141/2142中间加上一层氧化物2143，如图3B所示，也有可能加上数层透明导电层2144/2145/2146/2147来将两种光电转换材料2141/2142的导电电路分开并以绝缘层2148居中隔绝，以形成非串联的结构，如图3C所示。其中，透明导电层2144可以与第一电极层216材料相同且形成为一体；透明导电层2145/2147可以与第一电极层216材料相同且形成为一体。光电转换层214可通过化学气相沉积(chemical vapor deposition；CVD)、物理气相沉积(physical vapor deposition；PVD)或溅镀的方式形成于第一透光基板212上。另一方面，第二电极层216的材质可以为透明导电氧化物(transparent conductive oxide；TCO)电极层或其他例如银、钛或铝的金属电极层。
应了解到，在以下叙述中，已经在上述实施方式中叙述过各组件间的连接关系与组件的材料将不再重复赘述，仅就太阳能模块210增加的结构加以补充并详细说明。
图4绘示根据本发明另一实施方式的太阳能模块210使用时的示意图。如图所示，太阳能模块210包含第一透光基板212、第二透光基板218、光电转换层214、第二电极层216、吸收层217与透光结构219。与上述实施方式不同的地方在于太阳能模块210还包含第二抗反射层215位于第二透光基板218的外侧(靠近室内230的一侧)，也就是位于第二透光基板218上背对吸收层217的一侧。其中抗反射层215可以为透光抗反射涂层。抗反射层215的材料可以为MgF2、SiO2、Si3N4、ZnS或TiO2。在本实施方式中的太阳能模块210因具有抗反射层而可以更降低第二透光基板入射光线262的反射率。
具体而言，室外220的入射光线240具有光功率200瓦，入射光线240经由透光结构219通过第二透光基板218的出射光线250具有20瓦的光功率。此时室内230具有光源260，使得第二透光基板入射光线262具有100瓦的光功率。然而，因太阳能模块210具有吸收层217与抗反射层215，因此第二透光基板入射光线262几乎不会由第二透光基板218反射，使第二透光基板入射光线262的反射光线264仅具有1瓦的光功率。如此一来，对比率等于出射光线250与反射光线264的光功率的比值，因此在本实施方式中的对比率为20，室内230的使用者观看室外220的景象时更不易受光源260影响清晰度。
在以上叙述中，已知图2的已知太阳能模块110的对比率为0.22，因此具有吸收层217与抗反射层215的太阳能模块210其对比率约为已知太阳能模块110的90倍。
图5绘示根据本发明又一实施方式的太阳能模块210使用时的示意图。如图所示，太阳能模块210包含第一透光基板212、第一电极层213、光电转换层214、第二电极层216、第二透光基板218与透光结构219。与上述实施方式不同的地方在于太阳能模块210不具有吸收层217与抗反射层215，但第二透光基板218的外侧(靠近室内230的一侧)设有第二吸收层211。第二吸收层211与吸收层217两者结构和发挥的作用一致，其中，“第二”仅是为了称谓上的方便。也就是说，第二吸收层211位于第二透光基板218上背对第二电极层216的一侧。此外，第二吸收层211设有与透光结构219对应的透光部222。在图5所示的实施例中，透光结构219为多个透光孔，该透光部222相应地为透光孔。第二吸收层211可以为高吸光率的黑色物体或具有低反射率的柱状结构，且第二吸收层211的材质可以包含氮化钛、氮化铌或黑硅，黑硅例如为具有柱状结构的黑色硅材料。
具体而言，室外220的入射光线240具有光功率200瓦，入射光线240经由透光结构219与透光部222进入室内230的出射光线250具有20瓦的光功率。此时室内230具有光源260，使得第二透光基板入射光线262具有100瓦的光功率。然而，由于太阳能模块210具有抗反射层211，第二透光基板入射光线262会被第二吸收层211阻挡而几乎不会由第二透光基板218反射，因此第二透光基板入射光线262的反射光线264仅具有0.5瓦的光功率。如此一来，对比率等于出射光线250与反射光线264的光功率的比值，因此在本实施方式中的对比率为40，室内230的使用者观看室外220的景象时更不易受光源260影响清晰度。
本发明的太阳能模块可以为透光型薄膜太阳能模块，如上所述。然而，本发明的太阳能模块也可以为透光型晶体硅太阳能模块。在本发明的太阳能模块为透光型晶体硅太阳能模块的情况下，所述光电转换元件包括多个太阳电池片，所述透光结构由各太阳电池片之间的间隙构成，如中国专利文献CN101533873A中附图1所示的结构那样。
本发明上述实施方式与先前技术相较，至少具有以下优点：
(1)当室内具有光源时，第二透光基板虽会有入射光线进入，但太阳能模块具有位于光电转换元件的外侧(例如第二电极层与第二透光基板之间)的吸收层，因此可以阻隔第二电极层对第二透光基板入射光线反射。
(2)制造者可选择性地于第二透光基板背对吸收层的一侧(靠近室内的一侧即外侧)设置抗反射层，便可再降低第二透光基板入射光线的反射率。
(3)此太阳能模块可以藉由吸收层与抗反射层来降低第二透光基板入射光线的反射率，让室内的光线对室外景象的清晰度影响降低。
(4)此太阳能模块可以单独藉由位于第二透光基板外侧的第二吸收层来降低第二透光基板入射光线的反射率，让室内的光线对室外景象的清晰度影响降低。
虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种太阳能模块，其特征在于，包含依次层叠的第一透光基板、光电转换元件和第二透光基板，所述太阳能模块具有透光结构，所述光电转换元件的外侧或所述第二透光基板的外侧设有用于吸收光线的吸收层。
2.根据权利要求1所述的太阳能模块，其特征在于，所述光电转换元件包括依次层叠的第一电极层、光电转换层和第二电极层。
3.根据权利要求2所述的太阳能模块，其特征在于，所述太阳能模块为透光型薄膜太阳能模块，所述透光结构为穿透所述光电转换元件的多个透光孔或多排透光沟槽，所述透光结构穿透该吸收层。
4.根据权利要求1所述的太阳能模块，其特征在于，所述太阳能模块为透光型晶体硅太阳能模块，所述光电转换元件包括多个太阳电池片，所述透光结构由各太阳电池片之间的间隙构成。
5.根据权利要求3或4所述的太阳能模块，其特征在于，所述吸收层的材料为氮化钛、氮化铌或黑硅。
6.根据权利要求5所述的太阳能模块，其特征在于，所述第二透光基板的外侧形成有抗反射层，所述抗反射层为透光抗反射涂层。
7.根据权利要求6所述的太阳能模块，其特征在于，所述抗反射层的材料为MgF2、SiO2、Si3N4、ZnS或TiO2。
8.根据权利要求1所述的太阳能模块，其特征在于，所述第二透光基板的外侧设置的吸收层上形成有与所述透光结构对应的透光部。
9.根据权利要求8所述的太阳能模块，其特征在于，所述吸收层的材料为氮化钛、氮化铌或黑硅。
10.根据权利要求1所述的太阳能模块，其特征在于，所述光电转换层为单晶硅光电转换层、多晶硅光电转换层、结合非晶硅和微晶硅的多结光电转换层、或结合非晶硅和非晶硅锗的多结光电转换层。
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