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TWI718353B - 鈣鈦礦太陽能電池與堆疊型太陽能電池 - Google Patents

鈣鈦礦太陽能電池與堆疊型太陽能電池 Download PDF

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TWI718353B
TWI718353B TW106143699A TW106143699A TWI718353B TW I718353 B TWI718353 B TW I718353B TW 106143699 A TW106143699 A TW 106143699A TW 106143699 A TW106143699 A TW 106143699A TW I718353 B TWI718353 B TW I718353B
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許弘儒
王凱正
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財團法人工業技術研究院
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Abstract

一種鈣鈦礦太陽能電池與堆疊型太陽能電池。所述鈣鈦礦太陽能電池包括鈣鈦礦光吸收層、第一電極與第二電極。第一電極位於鈣鈦礦光吸收層的第一表面，第二電極則位於鈣鈦礦光吸收層的第二表面。所述第一電極包括摻雜金屬的氧化鉬透明電極，其中所述摻雜金屬為鈮(Nb)或錳(Mn)。

Description

鈣鈦礦太陽能電池與堆疊型太陽能電池
本發明是有關於一種鈣鈦礦太陽能電池與堆疊型太陽能電池。
近年來因環境污染而導致的全球氣候溫度異常，因此永續潔淨之能源需求問題迅速受到全球各國高度重視。其中太陽能無疑是最大無碳能源的供給來源，而太陽能電池為一種可直接將太陽光能轉換為電能的光電轉換元件。
利用半穿透式的鈣鈦礦太陽能電池結合矽太陽能電池的堆疊型太陽能電池技術，可達到接近40%的理論效率。然而，這種半穿透式的鈣鈦礦太陽能電池最大問題為透明導電層的光吸收太大，導致穿透至下電池的光減少，導致整體堆疊型太陽能電池效率不佳。
本發明的鈣鈦礦太陽能電池，包括具有第一表面與第二表面的鈣鈦礦光吸收層、位於鈣鈦礦光吸收層的第一表面的第一電極以及位於鈣鈦礦光吸收層的第二表面的第二電極。所述第一電極包括摻雜金屬的氧化鉬透明電極，其中摻雜的金屬為鈮(Nb)或錳(Mn)。
本發明的堆疊型太陽能電池包括第一太陽能電池與第二太陽能電池。第一太陽能電池具有一受光面以及一與受光面相對的非受光面，且第一太陽能電池為上述的鈣鈦礦太陽能電池。第二太陽能電池則位於第一太陽能電池的非受光面。
基於上述，本發明利用摻雜鈮或錳的氧化鉬取代傳統的透明導電氧化物(如ITO、AZO等)，能改善光的穿透率，讓更多長波長的光穿透至下方的第二太陽能電池，提升堆疊型太陽能電池的整體效率。
為讓本發明的上述特徵能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
下文將參照繪示有實施例的圖式，以便完整地描述本發明的實施例。然而，本發明還可使用許多不同的形式來實現，不應該被視為受限於所述的實施例。
圖式顯示出實施例中的結構及/或材料的一般性特徵，然而這些圖式不應被解釋為界定或限制實施例所涵蓋的範圍或性質。舉例來說，為了清楚起見，膜層、區域及/或結構的相對厚度及位置可能縮小或放大。另外，在各圖式中使用相似或相同的元件符號表示相似或相同的元件或特徵。因此，圖式中的相同元件符號代表相同的元件並且將省略其贅述。
應理解的是，當構件被稱為「接觸」另一構件時，其可以是直接接觸至其他元件，或者可能存在中間構件。反之，當構件被稱為「直接接觸」至另一構件時，將不存在中間構件。
再者，雖然本文可使用用語「第一」、「第二」等來描述不同的構件、區域、膜層及/或區塊，但是應理解這些構件、區域、膜層及/或區塊並不限於這些用語。因此，以下所討論之第一構件、區域、膜層或區塊可以被稱為第二構件、區域、膜層或區塊，而不違背實施例的教示。
此外，空間相對用語(諸如「在…下方」、「下」、「上」或類似用語)在本文中是用來簡單地描述一構件與另一構件的關係。應理解的是，空間相對用語還可涵蓋圖式中所繪製的方向性以外之使用或操作中的構件的不同方向性。舉例來說，若圖式中的裝置反轉，則描述為在其他構件「下」或「下方」的構件將轉向為其他元件之「上」。圖1是依照本發明的第一實施例的一種鈣鈦礦太陽能電池的立體示意圖。
請參照圖1，第一實施例的鈣鈦礦太陽能電池100可設置於基板10上，所述基板10並無限制，可列舉為玻璃基板或可撓式塑膠基板。而鈣鈦礦太陽能電池100基本上包括鈣鈦礦光吸收層102、第一電極104與第二電極106，其中第一電極104位於鈣鈦礦光吸收層102的第一表面102a，第二電極106位於鈣鈦礦光吸收層102的第二表面102b。在本實施例中，第一電極104包括摻雜金屬的氧化鉬透明電極，其中摻雜金屬為鈮(Nb)或錳(Mn)，且金屬的摻雜量例如在0.5%~10%之間。如以摻雜鈮為例，摻雜量約為在0.5%~10%之間；如以摻雜錳為例，摻雜量則約在0.5%~10%之間。由於鈮比鉬(Mo)多一個電洞，而錳比鉬則多一個電子，可以增加氧化鉬(MoO3 )內的載子濃度，改善其導電性，使其同時具備電子阻擋層及導電薄膜的功用，因此本實施例中的第一電極104能取代已知的電子阻擋層加透明導電層的多層結構，並藉此改善光的穿透率。上述第一電極104的製作不限於但可列舉有以下方法：(1)濺鍍法：濺鍍MoO3 :Nb或MoO3 :Mn的靶材沉積摻雜鈮或錳的氧化鉬薄膜；(2)反應性濺鍍法：通入氧氣，針對Mo摻雜Nb(Mo:Nb)靶材或Mo摻雜Mn(Mo:Mn)靶材進行反應性濺鍍，以在基板上沉積摻雜鈮或錳的氧化鉬薄膜；(3)蒸鍍法：利用蒸鍍的方式(如熱蒸鍍或電子槍蒸鍍)，加熱MoO3 :Nb的粉末或MoO3 :Mn的粉末，使其沉積在基板上面。經由上述各種方法沉積完後，可利用後退火的方式，加熱所沉積的雜鈮或錳的氧化鉬薄膜，來改善薄膜的結晶性跟導電性。
在圖1中，鈣鈦礦光吸收層102例如AMX3 ，其中M代表Ge2+ 、Sn2+ 或Pb2+ ；A代表甲基銨(methylammonium)、乙基銨(ethylammonium)或甲脒(formamidinium)；X代表F- 、Cl- 、Br- 或I- 。第二電極106則可為金屬電極(如鉬電極)或透明導電電極，透明導電電極如透明導電氧化物(TCO)，可以包含ITO、FTO、AZO、IZO、奈米銀線(Ag NW)或石墨烯(graphene)。在另一實施例中，第二電極106也可與第一電極104相同，包括摻雜金屬(鈮或錳)的氧化鉬透明電極，其中的金屬摻雜量可依需求變更。
在第一實施例中，於鈣鈦礦光吸收層102的第二表面102b與第二電極106之間還設置了電子傳輸層(ETL)108，其可列舉但不限於：PC61 BM/BCP、PC61 BM/TiOx、PC61 BM/LiF、PC61 BM/PFN、PC61 BM/C60 /BCP、PC61 BM/ZnO、ZnO、Al2 O3 或TiOx。
在第一實施例中，於鈣鈦礦光吸收層102的第一表面102a與第一電極104之間還設置了電洞傳輸層(HTL)110，其可列舉但不限於：PEDOT:PSS（poly(3,4-ethylenedioxythiophene)：polystyrene sulfonate）、PEDOT:PSS/Poly-TPD（poly(3,4-ethylenedioxythiophene) : polystyrene sulfonate/ Poly(N,N'-bis-4-butylphenyl-N,N'-bisphenyl)benzidine）、PEDOT:PSS/PCDTBT（poly(3,4-ethylenedioxythiophene) : polystyrene sulfonate/Poly[N-9′-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt- 5,5-(4′,7′-di-2-thienyl-2′,1′,3′-benzothiadiazole)]）、PTAA（Poly[bis(4-phenyl)(2,5,6-trimethylphenyl)amine]）、NiOx、NiOx:Cu或Spiro-OMeTAD（2,2′,7,7′-tetrakis(N,N-di-p- methoxyphenyl-amine)9,9′-spirobifluorene）。
圖2是依照本發明的第二實施例的一種鈣鈦礦太陽能電池的立體示意圖，其中使用與第一實施例相同的元件符號來代表相同的構件。
在圖2中，位於基板20上的鈣鈦礦太陽能電池200與第一實施例的鈣鈦礦太陽能電池100同樣包含鈣鈦礦光吸收層102、第一電極104、第二電極106和電子傳輸層108，然而在鈣鈦礦光吸收層102的第一表面102a與第一電極104之間改為MoS2 電洞傳輸層202。由於第一電極104包括摻雜金屬的氧化鉬(MoO3 )薄膜與作為電洞傳輸層的MoS2 二維材料結合，因MoS2 二維材料具有優良的電洞取出率，可加速將鈣鈦礦光吸收層102內的電子電洞分離，提高電池元件的電流，且由於MoS2 為無機材料，有機會改善既有鈣鈦礦太陽能電池內常用的電洞傳輸材料劣化的問題，進而改善鈣鈦礦太陽能電池材料的穩定性及壽命。
在第二實施例中，所述MoS2 電洞傳輸層202可為單層膜或多層膜組成。MoS2 電洞傳輸層202若為單層膜，其厚度約0.7nm左右；MoS2 電洞傳輸層202若為多層膜，則厚度可為數nm至 150 nm左右且各層厚度約0.7nm左右。所述基板20則無限制，可列舉為玻璃基板或可撓式塑膠基板。
圖3是依照本發明的第三實施例的一種堆疊型太陽能電池的立體示意圖，其中使用與第一實施例相同的元件符號來代表相同的構件。
請參照圖3，第三實施例的堆疊型太陽能電池300包括第一太陽能電池302與第二太陽能電池304。第一太陽能電池302具有一受光面302a以及與受光面302a相對的非受光面302b，且第一太陽能電池302是以上實施例中所述的鈣鈦礦太陽能電池，其可包括鈣鈦礦光吸收層102、第一電極104、第二電極106、電子傳輸層108和電洞傳輸層110；但本發明並不限於此，第一太陽能電池302中可省略電子傳輸層108以及/或是電洞傳輸層110，或者電洞傳輸層110可用第二實施例中的MoS2 電洞傳輸層替代。而且，基板30可設於受光面302a，例如玻璃基板或可撓式塑膠基板。
至於第二太陽能電池304是位於第一太陽能電池302的非受光面302b，其中第二太陽能電池304例如矽基太陽能電池、矽薄膜太陽能電池、III-V族半導體太陽能電池、II-VI族半導體太陽能電池或有機半導體太陽能電池。在本實施例中，第一太陽能電池302的第一電極104與第二太陽能電池304直接接觸，所以第三實施例的堆疊型太陽能電池300可藉由電性匹配而成為2T(二端，two terminal)堆疊型太陽能電池。
圖4是依照本發明的第四實施例的一種堆疊型太陽能電池的立體示意圖，其中使用與第三實施例相同的元件符號來代表相同的構件。
在圖4中，第四實施例的堆疊型太陽能電池400為4T(四端，two terminal)堆疊型太陽能電池，所以在第一太陽能電池302與第二太陽能電池402之間有中間層404，使第一太陽能電池302與第二太陽能電池402彼此隔離，因此第一太陽能電池302與第二太陽能電池402不需電性匹配。中間層404例如OCA（Optical ClearAdhhesive）光學膠、矽膠(Silicone)、EVA(聚乙烯醋酸乙烯酯)等透明膠材。第二太陽能電池402例如矽基太陽能電池、矽薄膜太陽能電池、III-V族半導體太陽能電池、II-VI族半導體太陽能電池或有機半導體太陽能電池。第二太陽能電池402基本包括光吸收層406、前電極408與背電極410，所以堆疊型太陽能電池400分別從第一電極104、第二電極106、前電極408與背電極410這四個端點接線路。
圖5是依照本發明的第五實施例的一種堆疊型太陽能電池的立體示意圖，其中使用與第一實施例相同的元件符號來代表相同的構件。
請參照圖5，第五實施例的堆疊型太陽能電池500包括第一太陽能電池502與第二太陽能電池504。第一太陽能電池502具有一受光面502a以及與受光面502a相對的非受光面502b，第二太陽能電池504位於第一太陽能電池502的非受光面502b。在本實施例中，第一太陽能電池502的第二電極106與第二太陽能電池504直接接觸，所以第一電極104(摻雜金屬的氧化鉬透明電極)是接近其受光面502a。上述第一太陽能電池502包括鈣鈦礦光吸收層102、第一電極104、第二電極106、電子傳輸層108和電洞傳輸層110；但本發明並不限於此，第一太陽能電池502中的電子傳輸層108以及/或是電洞傳輸層110可省略，或者用第二實施例中的MoS2 電洞傳輸層替代電洞傳輸層110。而基板50可設於受光面502a，例如玻璃基板或可撓式塑膠基板。上述第二太陽能電池504例如矽基太陽能電池、矽薄膜太陽能電池、III-V族半導體太陽能電池、II-VI族半導體太陽能電池或有機半導體太陽能電池。第一太陽能電池502與第二太陽能電池504可藉由電性匹配而成為2T堆疊型太陽能電池。
圖6是依照本發明的第六實施例的一種堆疊型太陽能電池的立體示意圖，其中使用與第五實施例相同的元件符號來代表相同的構件。
在圖6中，第六實施例的堆疊型太陽能電池600為4T堆疊型太陽能電池，所以在第一太陽能電池502與第二太陽能電池602之間有中間層604，以電性隔離第一太陽能電池502與第二太陽能電池602，因此第一太陽能電池502與第二太陽能電池602不需電性匹配。所述第二太陽能電池602例如矽基太陽能電池、矽薄膜太陽能電池、III-V族半導體太陽能電池、II-VI族半導體太陽能電池或有機半導體太陽能電池。第二太陽能電池602基本包括光吸收層606、前電極608與背電極610，所以堆疊型太陽能電池600分別從第一電極104、第二電極106、前電極608與背電極610這四個端點接線路。
以下列舉實驗來驗證本發明之摻雜金屬的氧化鉬透明電極的特性，但本發明並不侷限於以下的實驗
〈實驗例1〉
首先，使用兩個靶材(一個Mo靶材、一個Mn靶材)，通入氧氣利用反應性濺鍍的方式，先在基板上沉積氧化鉬薄膜，再停止供氧以便沉積錳薄膜，然後重新通入氧氣而沉積另一氧化鉬薄膜。沉積完成後利用後退火的方式，以100°C~300°C加熱所沉積的三層薄膜，而得到厚度約50nm~70nm的摻雜錳的氧化鉬薄膜，其中錳的摻雜量為0.5%~10%。
〈實驗例2〉
採用實驗例1的方式，但Mn靶材改為Nb靶材，製作出厚度約50nm~70nm的摻雜鈮的氧化鉬薄膜，其中鈮的摻雜量為0.5%~10%。
〈對照例1〉
以濺鍍法形成厚度50nm~70nm的ITO(氧化銦錫)。
〈對照例2〉
以濺鍍法形成厚度50nm~70nm的AZO(氧化鋅鋁)。
〈對照例3〉
以濺鍍法形成厚度50nm~70nm的氧化鉬薄膜與厚度50nm~70nm的ITO。
〈對照例4〉
以濺鍍法形成厚度50nm~70nm的氧化鉬薄膜與厚度50nm~70nm 的AZO。
對以上實驗例與對照例進行紫外/可見光(UV-visible)實驗量測，結果顯示於圖7。
由圖7結果可知，實驗例1~2於長波長(800nm~1200 nm)的光學穿透率比既有的對照例3~4還高，所以實驗例1~2的摻雜錳或鈮的氧化鉬薄膜如應用於堆疊型太陽能電池的上電池(鈣鈦礦太陽能電池)時，應可讓更多長波長的光穿透至下電池，提升堆疊型太陽能電池的效率。
綜上所述，本發明藉由摻雜Nb或Mn的氧化鉬，取代傳統透明導電膜，使其同時具備電子阻擋層及導電薄膜的功用，因此能改善光的穿透率。當上述摻雜Nb或Mn的氧化鉬應用於堆疊型太陽能電池，還能讓更多長波長的光穿透至下方的太陽能電池，提升堆疊型太陽能電池的整體效率。另外，上述摻雜Nb或Mn的氧化鉬如搭配作為電洞傳輸層(HTL)的MoS2 二維材料，還可加速將鈣鈦礦光吸收層內的電子電洞分離，提高電池元件的電流，且上述各層均為無機材料，能改善常用的電洞傳輸材料劣化的問題，進而改善鈣鈦礦太陽能電池材料的穩定性及壽命。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
10、20、30、50‧‧‧基板100、200‧‧‧鈣鈦礦太陽能電池102‧‧‧鈣鈦礦光吸收層102a‧‧‧第一表面102b‧‧‧第二表面104‧‧‧第一電極106‧‧‧第二電極108‧‧‧電子傳輸層110‧‧‧電洞傳輸層202‧‧‧MoS2電洞傳輸層300、400、500、600‧‧‧堆疊型太陽能電池302、502‧‧‧第一太陽能電池302a、502a‧‧‧受光面302b、502b‧‧‧非受光面304、402、504、602‧‧‧第二太陽能電池404、604‧‧‧中間層406、606‧‧‧光吸收層408、608‧‧‧前電極410、610‧‧‧背電極
圖1是依照本發明的第一實施例的一種鈣鈦礦太陽能電池的立體示意圖。 圖2是依照本發明的第二實施例的一種鈣鈦礦太陽能電池的立體示意圖。 圖3是依照本發明的第三實施例的一種堆疊型太陽能電池的立體示意圖。 圖4是依照本發明的第四實施例的一種堆疊型太陽能電池的立體示意圖。 圖5是依照本發明的第五實施例的一種堆疊型太陽能電池的立體示意圖。 圖6是依照本發明的第六實施例的一種堆疊型太陽能電池的立體示意圖。 圖7是實驗例與對照例的光學特性曲線圖。
10‧‧‧基板
100‧‧‧鈣鈦礦太陽能電池
102‧‧‧鈣鈦礦光吸收層
102a‧‧‧第一表面
102b‧‧‧第二表面
104‧‧‧第一電極
106‧‧‧第二電極
108‧‧‧電子傳輸層
110‧‧‧電洞傳輸層

Claims (14)

  1. 一種鈣鈦礦太陽能電池，包括：鈣鈦礦光吸收層，具有第一表面與第二表面；以及第一電極，位於該鈣鈦礦光吸收層的該第一表面，該第一電極包括摻雜金屬的氧化鉬透明電極，其中該摻雜金屬為鈮(Nb)；以及第二電極，位於該鈣鈦礦光吸收層的該第二表面。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的鈣鈦礦太陽能電池，其中該金屬的摻雜量為0.5%~10%。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的鈣鈦礦太陽能電池，其中該第二電極包括金屬電極或透明導電氧化物(TCO)。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的鈣鈦礦太陽能電池，其中該鈣鈦礦光吸收層為AMX3，其中M為Ge2+、Sn2+或Pb2+；A為甲基銨(methylammonium)、乙基銨(ethylammonium)或甲脒(formamidinium)；X為F-、Cl-、Br-或I-。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的鈣鈦礦太陽能電池，更包括電子傳輸層(ETL)，位於該鈣鈦礦光吸收層的該第二表面與該第二電極之間。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的鈣鈦礦太陽能電池，其中該電子傳輸層(ETL)包括PC61BM/BCP、PC61BM/TiOx、PC61BM/LiF、PC61BM/PFN、PC61BM/C60/BCP、PC61BM/ZnO、ZnO、Al2O3或TiOx。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的鈣鈦礦太陽能電池，更包括電洞傳輸層(HTL)，位於該鈣鈦礦光吸收層的該第一表面與該第一電極之間。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的鈣鈦礦太陽能電池，其中該電洞傳輸層包括MoS2。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的鈣鈦礦太陽能電池，其中該電洞傳輸層包括PEDOT：PSS、PEDOT：PSS/Poly-TPD、PEDOT：PSS/PCDTBT、PTAA、NiOx、NiOx：Cu或Spiro-OMeTAD。
  10. 一種堆疊型太陽能電池，包括：第一太陽能電池，具有一受光面以及一與該受光面相對的非受光面，且該第一太陽能電池是如申請專利範圍第1~9項中任一項所述的鈣鈦礦太陽能電池；以及第二太陽能電池，位於該第一太陽能電池的該非受光面。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的堆疊型太陽能電池，其中該第二太陽能電池包括矽基太陽能電池、矽薄膜太陽能電池、III-V族半導體太陽能電池、II-VI族半導體太陽能電池或有機半導體太陽能電池。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的堆疊型太陽能電池，其中該第一太陽能電池的該第一電極與該第二太陽能電池接觸。
  13. 如申請專利範圍第10項所述的堆疊型太陽能電池，其中該第一太陽能電池的該第二電極與該第二太陽能電池接觸。
  14. 如申請專利範圍第10項所述的堆疊型太陽能電池，更包括中間層，位於該第一太陽能電池與該第二太陽能電池之間。
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