[发明专利]太阳能电池元件及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种多接面太阳能电池元件，尤其是涉及一种具有良好应力平衡的多接面太阳能电池元件。

背景技术

伴随着经济发展的脚步，为了提高商品的产量及获得更高的利润，旧有以人力为主的生产工序逐渐被机器所取代。在工业革命后，电力逐渐成为主要动力，而电力的来源，亦即能源的取得，也因此被视为国际间主要的研究课题。相对于石油、煤、核能等污染性能源，太阳能是一种无污染的能源，可提供地表平均每平方公尺约180瓦特的能量，且没有能源被垄断的问题，已成为未来最有发展潜力的能源之一。

自从第一个太阳能电池于1954年诞生于美国的贝尔实验室后，各种不同太阳能电池的结构纷纷被披露。其中，依据不同的材料主要可分为硅基太阳能电池、多接面半导体太阳能电池、色素敏化染料太阳能电池、及有机导电高分子太阳能电池等。请参照图1，以目前较普及的一种硅基太阳能电池元件1为例，其结构包括第一电极12、硅基板17、p型硅半导体层14、n型硅半导体层15、以及第二电极16。太阳光10照射太阳能电池元件1并提供p型硅半导体层14及n型硅半导体层15大于硅半导体层能隙(band gap)的能量，硅半导体层内原子吸收能量后，产生自由的载流子(电子/空穴)，其中，产生的电子往n型硅半导体层15移动，产生的空穴往p型硅半导体层14移动，p型硅半导体层14及n型硅半导体层15交接的p-n接面处因正负不同电性的电荷堆积而产生电位差。因电位差的趋使，累积于n型硅半导体层15的电子透过第一电极12流出外部线路(图未示)进入第二电极16，即可于外部线路产生电流。此时，如果在外部线路接上一个负载(图未示)，即可收集产生的电流，储存电能。在此，p型硅半导体层14及n型硅半导体层15的组合可吸收特定波长范围的光线并产生电流，称之为光电转换层11。

图2为地球表面太阳能辐射的光谱。根据光谱显示，太阳光于地表的分布波长除了可见光之外，在红外光及紫外光区域也有分布。然而，根据上述的太阳能电池原理，在传统单一半导体结构的太阳能电池中，只有相等或大于半导体层材料能隙的太阳光能量才可被吸收转换。以硅为例，其能隙约为1.12eV，仅能吸收太阳光谱部分红外线范围的波长。此外，再考量电池内部结构的损耗，会产生电池转换效率过低的问题。

为了改善上述的问题，一种多接面串叠的太阳能电池结构(multi-junctiontandem solar cell)已经研究开发并且成为目前转换效率最高的太阳能电池结构之一。

请参照图3，其为一种多接面串叠的太阳能电池元件，内部包含有锗/砷化镓铟/磷化镓铟系列(Ge/Ga_1-yIn_yAs/Ga_1-xIn_xP)三个光电转换层p-n接面的结构。多接面太阳能电池元件3由包括第一电极32、锗基板35、锗系列组成的第一光电转换层31、砷化镓铟系列组成的第二光电转换层33、磷化镓铟系列组成的第三光电转换层34、以及第二电极36串叠而成。其中，每一个光电转换层分别由p型半导体层及n型半导体层组合构成p-n接面，即：第一锗光电转换层31由p型锗层311(p-Ge)及n型锗层312(n-Ge)组合构成第一p-n接面；第二砷化镓铟光电转换层33由p型砷化镓铟层331(p-Ga_1-yIn_yAs)及n型砷化镓铟层332(n-Ga_1-yIn_yAs)组合构成第二p-n接面；第三磷化镓铟光电转换层34由p型磷化镓铟层341(p-Ga_1-xIn_xP)及n型磷化镓铟层342(n-Ga_1-xIn_xP)组合构成第三p-n接面。当太阳光30照射时，为了使太阳光的能量可以被上述多层的光电转换层重复吸收利用，最靠近太阳光位置的光电转换层优选地为具有较大半导体能隙的光电转换层，接着再逐渐递减所配置的光电转换层能隙。即，磷化镓铟光电转换层34的能隙大于砷化镓铟光电转换层33的能隙，而砷化镓铟光电转换层33的能隙又大于锗光电转换层31的能隙。

此外，第一光电转换层31与第二光电转换层33之间具有第一隧穿接面(Tunnel junction)38，第二光电转换层33与第三光电转换层34之间亦具有第二隧穿接面39。隧穿接面存在于光电转换层之间，用以调整两个相邻光电转换层结构之间的阻值，减少电荷聚集于两个光电转换层的任一侧，使光电转换层之间具有较一致的电流。