具有无线充电的太阳能电池结构的制作方法

本发明是有关于一种无线充电设备，且特别是有关于一种具有无线充电的太阳能电池结构。

背景技术：

近年来随着小型化3C电子产品技术的演进，例如:手机、平板计算机、智能眼镜、穿戴装置…等等可携式产品，已经逐渐融入人们的日常生活之中，而且带给人们无限的便利。在所有电子产品中，维持产品运作的电力能源为最关键的零组件。然而，随着电子产品使用时间的增长，电力将逐渐耗损，这将限缩产品的使用范围及便利。且随着行动穿戴装置的兴起，如何能够提升电力续航力及缩小整体机构设计，将是未来可携式电子产品所面临的最大的问题。

目前市售的3C电子装置系统中，能源采集技术可大致区分为太阳能电池技术及无线充电技术。太阳能电池可利用太阳光及环境光源进行能源采集，然而在无太阳光的环境下工作效率却非常差；电磁感应技术利用电磁波转换电能的特性进行能源采集，却只能在近距离的环境下利用电感耦合获得能量；毫米波无线充电技术虽可将无电充电的感应距离拉长，但获取的能源为三种技术中最少。

技术实现要素：

本发明提供一种同时具备太阳能及无线充电功能的太阳能电池结构，能整合多种不同充电模式，达到提升电力续航力且缩小整体元件设计的效果。

本发明的具有无线充电的太阳能电池结构，包括基板以及至少一薄膜太阳能电池，设置于基板的表面上，其中薄膜太阳能电池具有环绕式线圈结构。

在本发明的一实施例中，上述薄膜太阳能电池的数量为两个，且两个薄膜太阳能电池的电极之间具有电信号连接部。

在本发明的一实施例中，上述薄膜太阳能电池的数量为三个，且相邻的两个薄膜太阳能电池的电极之间具有电信号连接部。

在本发明的一实施例中，上述无线充电之太阳能电池结构还可包括储能装置，与薄膜太阳能电池的电极相连，以储存电能。

在本发明的一实施例中，还包括另一环绕式线圈结构设置在基板的第二表面上。

在本发明的一实施例中，上述无线充电的太阳能电池结构还可包括L-C匹配电路，与上述另一环绕式线圈结构连接。

在本发明的一实施例中，上述无线充电的太阳能电池结构还可包括覆盖上述薄膜太阳能电池的封装层，而上述另一环绕式线圈结构设置在封装层上。

在本发明的一实施例中，上述基板包括玻璃、软性基板、介电材料基板或金属基板等。

在本发明的一实施例中，上述薄膜太阳能电池包括背电极、形成于背电极上的光吸收层与形成于光吸收层上的透明电极层，其中背电极形成于基板上，且因该薄膜太阳能电池具有环绕式线圈结构，因此背电极为环绕式线圈结构。

在本发明的一实施例中，上述背电极的材料包括钼、铜、铝、氧化锡氟(FTO)、氧化锌铝(AZO)或氧化铟锡(ITO)。

在本发明的一实施例中，上述薄膜太阳能电池包括CIGS薄膜太阳能电池、CdTe薄膜太阳能电池、硅(α-Si)薄膜太阳能电池、钙钛矿(perovskite)薄膜太阳能电池或染料敏化太阳能电池(DSSC)。

在本发明的一实施例中，上述透明电极层的材料包括AZO、ITO或FTO。

在本发明的一实施例中，上述薄膜太阳能电池还可包括位于光吸收层与透明电极层之间的一层缓冲层。所述缓冲层可做为n型层(n-type layer)。

在本发明的一实施例中，上述缓冲层的材料包括CdS、非晶硅(α-Si)、TiO₂、ZnS、ZnSe、MgZnO或In₂S₃。

在本发明的一实施例中，上述薄膜太阳能电池还可包括一金属导线设置在透明电极层上。

基于上述，本发明通过薄膜太阳能电池中同样为环绕式线圈结构的电极，可作为电磁感应线圈或毫米波无线电波接收辐射体，并在照光时做为薄膜太阳能电池传导电流用。

附图说明

图1A是依照本发明的一实施例的一种具有无线充电的太阳能电池结构的示意图。

图1B是图1A的电流传输部分的示意图。

图2A至图2C是图1A中的电极的多种变形例的示意图。

图3是本发明的实施例的另一种具有无线充电的太阳能电池结构的剖面示意图。

图4A和图4B是本发明的其他实施例的具有无线充电的太阳能电池结构的剖面示意图。

图5是实验例1的电极结构示意图。

图6是实验例1的电极结构所流通的交流电流的频率与阻抗的关系曲线图。

图7A是实验例1的电极结构所得到的表面电场分布图。

图7B是实验例1的电极结构所得到的表面磁场分布图。

图8是实验例2的电极结构示意图。

图9是实验例2的电极结构所流通的交流电流的频率与阻抗的关系曲线图。

图10是实验例2的反射损失的曲线图。

图11是实验例2的电极结构所得到的感应电场3D场型图。

附图标记说明

100：基板

100a：第一表面

100b：第二表面

102：薄膜太阳能电池

104：背电极

106：光吸收层

108：透明电极层

110：缓冲层

112：金属导线

114、116：储能装置/便携设备

200：线圈

202：电信号连接部

300、402：环绕式线圈结构

400：封装层

404：介电层

S：间距

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1A是依照本发明的一实施例的一种具有无线充电的太阳能电池结构的示意图。

请参照图1A，本实施例的无线充电的太阳能电池结构包括基板100以及一薄膜太阳能电池102。薄膜太阳能电池102具有环绕式线圈结构，并设置于基板100的第一表面100a上。所谓的“环绕式线圈结构”是指具有环绕的形状且有两末端的电流连接结构。而本实施例的薄膜太阳能电池102的细部构造并无特定限制，譬如含有背电极104、形成于背电极104上的光吸收层106与形成于光吸收层106上的透明电极层108等，并可于光吸收层106与透明电极层108之间设置缓冲层110。此外，在透明电极层108上可设置金属导线(又称Grid)112，来收集电流。由于薄膜太阳能电池102具有环绕式线圈结构，所以其中的各层也都可以是环绕式线圈结构；也就是说，背电极104和金属导线112同样呈现环绕式线圈结构，故可作为无线充电的磁感应电极；抑或通过在基板100的第一表面100a设计适合频段的环绕式线圈结构作为背电极104，能形成吸收磁场耦合能量，并 以基板100作为电磁波行走的材料。薄膜太阳能电池102的线与线之间的间距S大于30μm；较佳是介于30μm～100μm。

在本实施例中，上述基板100例如玻璃、软性基板(如PI或其他适合的材料)、介电材料基板或金属基板等；背电极104的材料例如钼、铜、铝、氧化锡氟(FTO)、氧化锌铝(AZO)或氧化铟锡(ITO)；透明电极层108的材料例如AZO、ITO或FTO；缓冲层110可作为n型层(n-type layer)，其材料包括CdS、非晶硅(α-Si)、TiO₂、ZnS、ZnSe、MgZnO或In₂S₃。而薄膜太阳能电池102可为CIGS薄膜太阳能电池、CdTe薄膜太阳能电池、硅(α-Si)薄膜太阳能电池、染料敏化太阳能电池或钙钛矿(perovskite)薄膜太阳能电池。

本实施例中的薄膜太阳能电池102，如以CIGS薄膜太阳能电池为例，可根据以下工艺制作，但本发明并不限于此。首先，以钠玻璃当作基板，再沈积一层钼(Mo)金属做为背电极使用；接着在Mo电极上溅镀沉积CIG金属预制层(precursors)，再通入H₂Se与H₂S气体进行硒化后硫化工艺，经高温反应完成后便可形成p型Cu(Ga,In)Se₂的光吸收层。在光吸收层上则是利用化学水浴沈积法(chemical bath deposition，CBD)来沉积n型硫化镉(CdS)层作为n型缓冲层，接着溅镀沉积纯质氧化锌(i-ZnO)与铝重掺杂氧化锌(ZnO:Al)层作为透明电极层(或称为TCO)。最上层则溅镀镍/铝(Ni/Al)金层导线作为Grid。之后利用激光划线的方式，即可形成环绕式线圈结构的薄膜太阳能电池。

图1B是图1A的简化图，其中省略大部分的构件，而保留背电极104与金属导线(又称grid)112来说明照光与不照光的操作。当图1A的薄膜太阳能电池102不照光时，可接受外部供电设备(未绘示)进行无线充电，而对储能装置/便携设备114充电或储能；而当图1A的薄膜太阳能电池102照光发电，则可通过连接到储能装置/便携设备116进行充电或储能。图1B中分别与薄膜太阳能电池的两电极(背电极104与金属导线112)相连的线路可依需求增加或减少。另外，储能装置114或116所储存的电能也可供外部设备进行毫米波充电。

图2A至图2C是图1A中的电极的数种变形例的示意图。

在图2A中的线圈200代表的是一个图1A的薄膜太阳能电池102的 背电极，其可利用磁共振(resonant magnetic induction)或磁感应的方式进行充电。详细而言，可透过外部供电设备(未示出)的感应线圈产生的电磁场利用磁共振或磁通量感应的方式，在线圈200中产生感应电动势。也就是说，通过磁共振或磁偶合的方式在供电线圈与线圈200中产生电感感应的相互作用。因此，电力从自供电线圈侧馈送至线圈200侧。使用线圈200及L-C匹配电路(未示出)的LC共振操作，将电磁波能量转换成感应电流。接着，根据通过线圈200接收的电力(AC电力)执行充电操作。

在图2B中有两个线圈200，即具有两个图1A的薄膜太阳能电池102，且两个线圈200之间具有电信号连接部202，其可利用接收毫米波(millimeter-wave)的方式进行充电。详细而言，电信号连接部202可作为信号接收点，当外部供电设备(未绘示)产生无线信号(频率是30GHz到300GHz的毫米波)时，线圈200会接收上述无线信号，并输入到阻抗匹配电路，并根据来自阻抗匹配电路的电力而产生电流，从而执行充电操作。由线圈200所接收的无线信号的频率除了30GHz到300GHz的毫米波，也可以是300GHz至3THz的次毫米波、3GHz至30GHz的微波、300MHz至3GHz的超高频波、30MHz至300MHz的特高频波、3MHz至30MHz的高频波、300kHz至3MHz的中频波、30kHz至300kHz的低频波或3kHz至30kHz的特低频波。

在图2C中有三个线圈200，即具有三个图1A的薄膜太阳能电池102，且相邻的两个线圈200之间具有电信号连接部202，所以图2C的装置能具有图2A和图2B的充电模式。

图3是本发明的实施例的另一种具有无线充电的太阳能电池结构的剖面示意图，其中使用与图1A中相同的元件符号来代表相同的元件。

在图3中，无线充电的太阳能电池结构除了基板100以及薄膜太阳能电池102，更包括另一环绕式线圈结构300，设置在基板100上，并与薄膜太阳能电池102位在基板的相对的表面100b上并与L-C匹配电路(未绘示)做电性连接，以执行无线充电。

上述环绕式线圈结构300可在完成薄膜太阳能电池102制作后，将通过模拟所得到的优化L-C等效电路设计结构做成掩膜，利用溅镀的方式将不同金属材料(如Cu、Al…等)透过掩膜，将等效电路图形沉积于基板100 背面做成所需的环绕式线圈结构并结合外部的L-C匹配电路。

图4A和图4B是本发明的其他实施例的具有无线充电的太阳能电池结构的剖面示意图，其中使用与图1A中相同的元件符号来代表相同的元件。

在图4A中，基板100上有一层封装层400覆盖薄膜太阳能电池102，而环绕式线圈结构402设置在封装层400上，且环绕式线圈结构402的制作与图3的环绕式线圈结构300一样，可利用溅镀的方式将不同金属材料透过掩膜形成在封装层400上，并搭配L-C等效电路设计，产生感应电流。

在图4B中，基板100上同样有封装层400覆盖薄膜太阳能电池102，但与图4A不同的是在封装层400上有一介电层402(如玻璃)，而环绕式线圈结构402是设置在介电层404上。

以下实际制作环绕式线圈结构的电极且验证其功能。

实验例1

首先制作测试用电极结构(即薄膜太阳能电池的背电极)，如图5所示是环绕式线圈结构，参数如下：

圈数：3段(segments)；

天线长度：32mm；

天线宽度：32mm；

(电极)宽度：5mm；

(电极)间距：0.1mm

(电极)厚度：0.035mm；

基板厚度：1mm；

基板的介电常数(permittivity)：4.4。

图6是实验例1的电极结构所流通的交流电流的频率与阻抗的关系曲线图。由图6可得到在13.56MHz时电磁场感应线圈特性阻抗，其中f＝13.56MHz；Z＝0.13+j4.16，求出L＝0.05μH。

另外，根据实验例1的电极结构所得到的表面电场分布(如图7A)与表面磁场分布(如图7B)的结果，也可得到图5的环绕式线圈结构具有感应磁场，能通过磁共振充电。

实验例2

实验例2同样是对薄膜太阳能电池的背电极所作的测量，其结构如图8所示，是由两个图5的测试电极构成，且电极之间具有电信号连接部，可作为信号接收点。至于图8中各个环绕式线圈结构的参数与实验例1的相同。

图9是实验例2的电极结构所流通的交流电流的频率与阻抗的关系曲线图。图10是实验例2的反射损失的曲线图。由图9和图10可得到在2.45GHz时毫米波无线电波接收辐射体的特性阻抗与反射损失特性。

至于根据实验例2的电极结构所得到的感应电场3D场型(如图11)的结果，也可得到图7的环绕式线圈结构能进行毫米波充电。

综上所述，本发明可同时将电磁感应与毫米波共振接收辐射体的结构及工艺整合进入薄膜太阳能电池内，并搭配基板作为电磁波能量耦合传导所需的介电层材料。因此，本发明能结合目前无线充电感应线圈、毫米波共振接收辐射体及太阳能电池工艺，达到降低成本的诉求，且可以达到无时无刻进行多种能源采集型态的太阳能电池结构，适用于便携设备的充电设备。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。