CN101268608A - 具有传导性阻挡层和箔基底的光生伏打器件 - Google Patents

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B·博尔曼
J·R·希茨
S·考
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Abstract

提供在箔基底上形成吸收剂层的方法与器件。在一个实施方案中,制造光生伏打器件的方法可由下述步骤组成:提供由至少一种导电铝箔基底组成的基底,至少一层导电扩散阻挡层,和在该扩散阻挡层上的至少一层导电电极层。扩散阻挡层可防止在铝箔基底和电极层之间的化学相互作用。可在基底上形成吸收剂层。在一个实施方案中,吸收剂层可以是非硅的吸收剂层。在另一实施方案中,吸收剂层可以是无定形硅(掺杂或未掺杂)吸收剂层。任选地,吸收剂层可以基于有机和/或无机材料。

Description

具有传导性阻挡层和箔基底的光生伏打器件
技术领域
本发明涉及光生伏打器件和更具体地涉及用于光生伏打器件的吸收剂层的制造。
背景技术
使用含有诸如IB、IIIA和VIA族元素的合金,例如铜与铟和/或镓或铝和砷和/或硫的合金制造的吸收剂层,制造有效的光生伏打器件,例如太阳能电池。前述元素一种常见的结合是铜-铟-镓-二硒化物(CIGS)和所得器件常常称为CIGS太阳能电池。可在基底上沉积CIGS吸收剂层。希望在铝箔基底上制造这种吸收剂层,因为铝箔相对便宜、轻质且具有柔性。遗憾的是,沉积CIGS吸收剂层目前的技术与使用铝箔作为基底不兼容。
典型的沉积技术包括蒸发、溅射、化学气相沉积和类似技术。典型地在高温下和长时间地进行这些沉积工艺。这两个因素可导致对在其上发生沉积的基底的损坏。这种损坏可直接来自于当暴露于热下时基底材料的改变,和/或来自于沉积工艺中的热驱动的非所需的化学反应。因此,为了制造CIGS太阳能电池,典型地要求非常坚固的基底材料。这些局限排除了铝和铝箔为基础的箔的使用。
替代的沉积方法是溶液基印刷CIGS前体材料到基底上。在例如公布的PCT申请WO2002/084708和共同转让的美国专利申请10/782017中公开了溶液基印刷技术的实例,在此将这两篇专利引入供参考。这一沉积方法的优点包括相对较低的沉积温度和快速的沉积过程。这两个优点起到使在其上形成沉积物的基底热诱导的损害潜在可能性最小化的作用。
尽管在制造CIGS太阳能电池中溶液沉积是相对低温的步骤,但它不是唯一的步骤。除了沉积以外,在制造CIGS太阳能电池中的关键步骤是硒化CIGS吸收剂层并退火。硒化诱导硒进入CIG或CI吸收剂层本体内,在此该元素掺入到膜内,同时退火提供具有合适结晶结构的吸收剂层。在现有技术中,通过在H2Se或Se蒸汽存在下加热基底,并在高温下保持这一新生的吸收剂层长的时间段,从而进行硒化和退火。
尽管使用Al作为太阳能电池器件的基底是理想的,因为这种基底兼有低成本和轻质的性质,但使CIGS吸收剂层有效地退火的常规技术还加热基底到高温,从而导致对Al基底的损坏。一旦长时间段地长期暴露于热和/或含硒化合物下,存在导致Al基底降解的数个因素。首先,长期加热,在Mo涂布的Al基底内的离散层可熔融并形成器件的金属间静合触点,这会降低Mo层打算的电子功效。第二,Mo层的界面形态在加热过程中改变,这可通过在Mo层表面上产生的成核图案的变化,负面影响随后的CIGS晶粒生长。第三,长期加热,Al可能迁移到CIGS吸收剂层内,从而干扰半导体的功能。第四,在长期加热过程中,典型地存在于Al箔内的杂质(例如,Si、Fe、Mn、Ti、Zn和V)可能沿着移动的Al迁移,扩散到太阳能电池内,这可能干扰电池的电子和光电子功能。第五,当在相对高温下,Se暴露于Al下相对长时间时,可形成不稳定的硒化铝。在潮湿的空气中,硒化铝可与水蒸气反应,形成氧化铝和硒化氢。硒化氢是高度有毒的气体,它的自由形成可产生安全危险。由于所有这些原因,因此高温沉积、退火和硒化对于由铝或铝合金制造的基底来说是不实际的。
由于存在高温长期沉积和退火步骤,不可能有效地在铝基底(例如由Al和/或Al基合金组成的柔性箔)上制造CIGS太阳能电池,和反而必须在由更加坚固(和更加昂贵)的材料制造的重质基底,例如不锈钢、钛或钼箔、玻璃基底,或金属或金属氧化物涂布的玻璃上制造。因此,即使基于铝箔的CIGS太阳能电池比不锈钢、钛或钼箔、玻璃基底,或金属或金属氧化物涂布的玻璃基体轻质、具有柔性和便宜,但目前的实践不允许铝箔用作基底。
因此,本领域需要在铝基底上制造太阳能电池的方法。
发明内容
本发明的实施方案解决了以上列出的至少一些缺点。本发明提供以高产量方式在箔基底上成本有效地制造的光生伏打器件。光生伏打器件的薄且柔性的性质也可允许卷曲它们或者折叠成较小形式的倍率以供容易运输,而且也便于流水线制造。也可设计本发明的实施方案降低在制造工艺中所使用的原料量。还应当理解,可采用本发明的实施方案,与各种材料的吸收剂层一起使用且不是仅仅限于CIGS吸收剂层。通过本发明的各种实施方案,将满足此处所述的这些和其他目的中的至少一些。
在本发明的一个实施方案中,制造光生伏打器件的方法可由下述步骤组成:提供具有至少一种导电金属箔基底、至少一层导电扩散阻挡层和在该扩散阻挡层上的至少一层导电电极层的基底。尽管不限于下述,但箔基底可以是铝箔基底。导电扩散阻挡层可防止在铝箔基底和电极层之间的化学相互作用。该方法可包括在基底上形成吸收剂层。在一个实施方案中,吸收剂层可以是非硅的吸收剂层。在另一实施方案中,吸收剂层可以是无定形的硅(掺杂或未掺杂)的吸收剂层。任选地,吸收剂层可基于有机和/或无机材料。
对于此处所述的任何实施方案来说,也可采用下述。形成步骤可由首先形成新生的吸收剂层组成。新生的吸收剂层可反应形成致密的膜。在一些实施方案中,致密的膜是吸收剂层。在其他实施方案中,致密的膜是在另一步中形成所需吸收剂层的过程。可加热新生的吸收剂层,形成致密膜。应当理解,扩散阻挡层抑制在加热过程中在箔基底内的铝和在电极层内的金属的相互扩散。扩散阻挡层可包括一种或更多种下述材料:铬、钒、钨、玻璃和/或氮化物,氮化钽、氮化钨、氮化钛、氮化锆、氮化铪,和硅的氮化物、氧化物或碳化物。电极层可由钼组成。或者,电极层可由铜、银、铝和铌组成。
在本发明的另一实施方案中,提供光生伏打器件,所述光生伏打器件具有由至少一种导电铝箔基底、至少一层导电扩散阻挡层和在该扩散阻挡层上的至少一层导电电极层组成的基底,其中扩散阻挡层防止铝箔基底和电极层之间的化学相互作用。该器件可包括在基底上形成的吸收剂层。在一个实施方案中,吸收剂层可以是非硅的吸收剂层。任选地,吸收剂层可基于有机和/或无机材料。
在本发明的再一实施方案中,形成光生伏打器件的吸收剂层的方法包括提供具有至少一种导电金属化的聚合物箔基底、至少一层导电扩散阻挡层和在该扩散阻挡层上的至少一层导电背电极层的基底。扩散阻挡层防止金属化的聚合物箔基底和背电极层之间的化学相互作用。该方法可包括在基底上形成吸收剂层。在一个实施方案中,吸收剂层可以是非硅的吸收剂层。在另一实施方案中,吸收剂层可以是无定形硅(掺杂或未掺杂)的吸收剂层。任选地,吸收剂层可基于有机和/或无机材料。箔基底可含有选自由下述组成的组中的聚合物:聚酯、聚萘二甲酸乙二酯、聚醚酰亚胺。聚醚砜、聚醚醚酮、聚酰亚胺和/或上述的结合物。金属化聚合物箔基底所使用的金属可以是铝,或铝与一种或更多种金属的合金。
在本发明再进一步的实施方案中,提供光生伏打器件,它由具有至少一种导电的铝箔基底、至少一层导电扩散阻挡层和在该扩散阻挡层上的至少一层导电背电极层的基底组成,其中扩散阻挡层防止铝箔基底和背电极层之间的化学相互作用。该器件可包括在基底上形成的吸收剂层。在一个实施方案中,吸收剂层可以是非硅的吸收剂层。在另一实施方案中,吸收剂层可以是无定形硅(掺杂或未掺杂)的吸收剂层。任选地吸收剂层可基于无机和/或有机材料。
对于此处所述的任何实施方案来说,也可采用下述,吸收剂层可包括选自下述中的一种或更多种无机材料:氧化钛(TiO2)、纳米晶体TiO2、氧化锌(ZnO)、氧化铜(CuO或Cu2O或CuxOy)、氧化锆、氧化镧、氧化铌、氧化锡、氧化铟、氧化锡铟(ITO)、氧化钒、氧化钼、氧化钨、氧化锶、氧化钙/钛和其他氧化物、钛酸钠、铌酸钾、硒化镉(CdSe)、硫化镉(CdS)、硫化铜(Cu2S)、碲化镉(CdTe)、硒化镉-碲(CdTeSe)、硒化铟铜(CuInSe2)、氧化镉(CdOx)、CuI、CuSCN、半导体材料、第IB族元素、第IIIA族元素、第VIA族元素或上述的任何结合物。
任选地,本申请所公开的任何光生伏打器件可包括在吸收剂层内的有机材料。吸收剂层可包括选自下述中的一种或更多种有机材料:共轭聚合物,聚(亚苯基)及其衍生物、聚(亚苯基亚乙烯基)(PPV)及其衍生物(例如,聚(2-甲氧基-5-(2-乙基-己氧基)-1,4-亚苯基亚乙烯基(MEH-PPV)))、聚(对亚苯基-亚乙烯基)、(PPV))、PPV共聚物、聚(噻吩)及其衍生物(例如聚(3-辛基噻吩-2,5-二基)、区域规则、聚(3-辛基噻吩-2,5-二基)、区域无规、聚(3-己基噻吩-2,5-二基)、区域规则、聚(3-己基噻吩-2,5-二基)、区域无规)、聚(亚噻吩基亚乙烯基)及其衍生物,和聚(异硫茚)及其衍生物、2,2`,7,7`-四(N,N-二对甲氧基苯基胺)-9,9`-螺双芴(螺-Me OTAD)、有机金属聚合物,含有苝单元的聚合物、聚(squaraines)及其衍生物,和盘状(discotic)液晶、有机颜料或染料、钌基染料、液体碘化物/三碘化物电解质、具有连接芳族基团的偶氮生色团(-N=N-)的偶氮染料、酞菁,其中包括不含金属的酞菁;(HPc)、苝、苝衍生物、酞菁铜(CuPc)、酞菁锌(ZnPc、naphthalocyanine、squaraines、部花青和它们各自的衍生物、聚(硅烷)、聚(germinate)、2,9-二(戊-3-基)-蒽[2,1,9-def:6,5,10-d`e`f`]二异喹啉-1,3,8,10-四酮和2,9-双(1-己基-庚-1-基)-蒽[2,1,9-def:6,5,10-d`e`f`]二异喹啉-1,3,8,10-四酮和并五苯、并五苯衍生物和/或并五苯前体,N-型梯状聚合物,例如聚(苯并咪唑基苯并菲咯啉梯)(BBL)或上述的任何结合物。
对于此处所述的任何实施方案来说,也可如下所述。吸收剂层可包括选自由下述组成的组中的一种或更多种材料:低聚物材料、微晶硅、在有机基体内分散的无机纳米棒、在有机基体内分散的无机四锥体、量子点(quantum dot)材料、离子传导性聚合物凝胶、含离子液体的溶胶-凝胶纳米复合材料、离子导体、低分子量的有机空穴导体、C60和/或其他小分子,或上述的结合物。吸收剂层可由下述中的一种或更多种组成:具有孔隙被有机材料填充的无机多孔模板的纳米结构层(掺杂或未掺杂)、聚合物/共混物电池结构、微晶硅电池结构,或上述的结合物。
任选地,光生伏打器件模件可在以下所述的高效电池结构中使用本申请中公开的任何一种光生伏打器件。光生伏打器件模件可包括光生伏打器件、绝缘体层和传导性底板,其中绝缘体层夹在基底和底板之间。可布置透明的传导层,以便吸收剂层位于基底和透明传导层之间。可在透明传导层和底板之间布置一个或更多个电接点,以确定传导路径,其中通过透明传导层、吸收剂层、基底和绝缘层形成电接点。电接点可与吸收剂层、基底和绝缘层电隔离。电接点和底板的连接允许底板携带电流。由于底板携带电流从一个器件模件到另一个中,因此在器件顶侧上的图案轨迹不需要包含现有技术为此目的而使用的厚的总线(busses)。图案轨迹反而需要仅仅提供充分导电的“指状元件(finger)”携带电流到电接点上。在不存在总线的情况下,较大部分的吸收剂层被暴露,这将提高效率。另外,不具有总线的轨迹图案在美学上可更加吸引人。
在本发明的另一实施方案中,光电器件模件由起始基底、绝缘体层和传导性底板组成,所述起始基底具有由柔性导体本体制成的底电极,其中绝缘体层夹在底电极和底板之间。该模件也可包括有源层和透明传导层,其布置使得有源层在底电极和透明传导层之间。该模件也可包括在透明传导层和底板之间的一个或更多个电接点,其中通过透明传导层、有源层、柔性导体本体和绝缘层形成电接点,其中电接点与有源层、底电极和绝缘层电隔离。
对于此处的任何实施方案来说,可如下所述。柔性导体本体可以是第一金属箔。第一金属箔可以是铝箔。第一金属箔的厚度可以是约1微米至约200微米。第一金属箔的厚度可以是约25微米至约50微米。底板可以是传导格栅。绝缘层可以是第一金属箔的阳极化表面。底板可以是第二金属箔。绝缘层可层合在第一和第二金属箔之间。绝缘层可由塑料箔制成。塑料箔的厚度可以是约1微米至约200微米。塑料箔的厚度可以是约10微米至约50微米。第二金属箔的厚度可以是1微米至约200微米。第二金属箔的厚度可以是约25微米至约50微米。绝缘层可以是第一和/或第二金属箔的阳极化表面。在透明传导层和底板之间的一个或更多个电接点可包括:通过第一器件模件的透明传导层、有源层、柔性导体本体和绝缘层形成的通路;通路的绝缘材料涂层侧壁,以便通过透明传导层、有源层、柔性导体本体和绝缘层形成到达底板的通道;和由导电材料制成的插头,所述导电材料至少基本上填充通道并使得透明传导层和底板之间电接触。通路的直径可以是约0.1毫米至约1.5毫米。通路的直径可以是约0.5毫米至约1毫米。绝缘材料的厚度沿着通路侧壁可以是约1微米至约200微米。绝缘材料的厚度沿着通路侧壁可以是约10微米至约100微米。插头的直径可以是约5微米至约500微米。插头的直径可以是约25微米至约100微米。相邻通路之间的间距可以是约0.2厘米至约2厘米。
任选地对于此处的任何实施方案来说,也可如下所述。可在具有插头的电接点内,在透明传导层上布置一个或更多个传导轨迹。一个或更多个传导轨迹可电连接彼此相邻的两个或更多个电接点。传导轨迹可形成一种图案,在所述图案内,轨迹从一个或更多个电接点处径向向外。传导轨迹可伸出,形成“转折点(watershed)”图案。一个或更多个电接点可包括围绕一部分透明传导层、有源层和底电极的闭环沟槽。一个或更多个电接点可进一步包括在闭环沟槽内布置的绝缘材料。一个或更多个电接点包括通过第一器件模件的透明传导层、有源层和底电极形成到达绝缘层、透明传导层的沟槽隔离部分、有源层和底电极和通过沟槽接合的隔离部分形成的闭环沟槽;布置在该闭环沟槽内的电绝缘材料;在隔离部分的透明传导层和隔离部分的底电极之间的电接点;在透明传导层的一个或更多部分上布置的一个或更多个传导指状元件,其中这一个或更多个部分包括隔离部分;和使在传导指状元件与隔离部分的底电极之间电接触;和通过在隔离部分的底电极和底板之间的绝缘层的电接点。可通过经透明传导层和有源层形成到达底电极的隔离沟槽,其中隔离沟槽包围闭环的沟槽。可使用绝缘载体基底,其中底板固定到载体基底上。可包括由聚合物覆盖膜材料制成的结构膜基底,其中所述载体基底固定到结构膜上。聚合物覆盖膜材料可以是热塑性聚烯烃(TPO)或乙烯丙烯二烯单体(EPDM)。有源层可以是光生伏打有源层。光生伏打有源层可基于下述中的一种或更多种:基于含诸如第IB、IIIA和VIA族元素的材料、硅(掺杂或未掺杂)、微晶或多晶硅(掺杂或未掺杂)、无定形硅(掺杂或未掺杂)、CdTe、CdSe、格里泽尔(Graetzel)电池结构的吸收剂层,具有孔隙被有机材料(掺杂或未掺杂)填充的无机多孔模板的纳米结构层、聚合物/共混物电池结构、低聚物吸收剂、有机染料、C60和/或其他小分子、微晶硅电池结构、在有机基体内分散的无机材料的随机分布的纳米棒和/或四锥体,量子点基电池,或上述的结合物。有源层可以是发光器件有源层。该发光器件有源层可以是发光二极管有源层。该有机发光二极管有源层是发光的聚合物基有源层。该器件模件的长度为约1厘米至约30厘米和宽度为约1厘米至约30厘米。
在本发明的另一实施方案中,系列互连的光电器件模件的阵列可由第一器件模件和第二器件模件组成,其中每一器件模件包括具有由柔性导体本体制成的底电极的起始基底,绝缘层和传导底板,其中绝缘层夹在底电极和底板之间;和有源层和透明传导层,以便使得有源层在底电极和透明传导层之间;和在透明传导层和底板之间的一个或更多个电接点,其中通过经透明传导层、有源层。柔性导体本体和绝缘层形成电接点,其中电接点与有源层、底电极和绝缘层电隔离。
在本发明再进一步的实施方案中,提供制造光电器件模件的方法。该方法由形成具有由柔性本体导体制成的底电极的起始基底,绝缘层和传导底板组成,其中绝缘层夹在底电极和底板之间;形成有源层和透明传导层,以便有源层在底电极和透明传导层之间;通过透明传导层、有源层、柔性导体本体和绝缘层,在透明传导层和底板之间形成一个或更多个电接点,和电隔离电接点与有源层、底电极和绝缘层。
对于此处的任何实施方案来说,也可如下所述。形成起始基底可包括在第一和第二金属箔之间层压塑料箔。第一和第二金属箔中的至少一种可以是铝箔。两个或更多个器件模件可如上所述形成。还包括在两个或更多个器件模件的阵列中测试两个或更多个器件模件的一个或更多个性能特征和使用满足一个或更多个性能特征的可接受标准的一个或更多个器件模件的步骤。
通过参考说明书的其余部分和附图,本发明的性质和优点的进一步的理解将变得显而易见。
附图说明
可通过结合附图,考虑下述详细说明,容易地理解本发明的教导,其中:
图1是阐述根据本发明实施方案的吸收剂层的制造的截面示意图。
图2A是根据本发明实施方案的光电器件阵列的一部分的垂直截面示意图。
图2B是图2A阵列的平面示意图。
图2C-2D是对于图1A-1B所示类型的光电器件来说,阐述替代的轨迹图案的平面示意图。
图3是阐述根据本发明实施方案的光电器件阵列的制造的序列示意图。
图4是阐述根据本发明替代实施方案的光电器件阵列的制造的部件分解示意图。
图5A是根据本发明另一替代实施方案的光电器件阵列制造的部件分解示意图。
图5B是阐述图4A阵列的一部分的截面示意图。
图6A-6I是阐述根据本发明实施方案的电接点形成的截面示意图。
具体实施方式
尽管下述详细说明包含许多关于本发明目的的细节,但本领域的任何普通技术人员会理解下述细节的许多变化和替代是在本发明的范围之内。因此,在没有损害一般原则的情况下,和在没有对要求保护的发明强加限制的情况下,列出以下所述的本发明的例举实施方案。
本发明的实施方案使得可在铝箔基底上制造CIGS吸收剂层。根据本发明的实施方案,可通过从环境温度快速加热到介于约200℃至约600℃的平台温度范围,使通过溶液沉积在铝基底上形成的含有第IB和IIIA族元素的新生吸收剂层退火。在该平台范围内维持该温度约2分钟至约30分钟,和随后降温。或者,可调制退火温度,在没有维持在特定平台温度下,而是在一个温度范围内波动。
图1描述了部分制造的光生伏打器件10,和快速加热单元20,该器件通常包括铝箔基底12、任选的基极14和新生的吸收剂层16。铝箔基底12的厚度可以是约5微米-100微米或更大并具有任何合适的宽度与长度。铝箔基底12可由铝或铝基合金制成。或者,可通过金属化聚合物箔基底,制造铝箔基底12,其中聚合物选自聚酯、聚萘二甲酸乙二酯、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚醚醚酮、聚酰亚胺和/或上述的结合物。作为实例,基底12可以是适合于在整卷生产(roll-to-roll)体系中加工的铝箔的长片形式。基极14由与新生吸收剂层16的加工兼容的导电材料制成。作为实例,基极14可以是钼层,例如其厚度为约0.1-25微米和更优选厚度为约0.1-5微米。可通过溅射或蒸发,或者通过化学气相沉积(CVD)基极、原子层沉积(ALD)、溶胶-凝胶涂布、电镀和类似方法沉积基极层。可在铝箔基底的一个和/或两个侧面上施加诸如钼之类的材料或其他材料的层。
铝和钼可以且确实常常相互扩散到彼此内,且对器件10具有有害的电子和/或光电影响。为了抑制这种相互扩散,可在铝箔基底12和钼基极14之间掺入中间界面层13。界面层可由任何各种材料制成,其中包括,但不限于,铬、钒、钨和玻璃,或者诸如氮化物(其中包括氮化钽、氮化钨、氮化钛和氮化硅)、氧化物和/或碳化物之类的化合物。任选地,适于扩散阻挡层所选的材料可以导电。这一层的厚度范围可以是10纳米-50纳米,和更优选10纳米-30纳米。任选地,界面层12可以在箔基底顶侧上的基极14之间和/或在箔基底的底侧上的层之间。任选地,类似于层13的材料的另一层15也可施加到铝箔基底12的背侧上。该材料可以是与层13相同的材料或者它可以是选自层13所列的材料组中的另一材料。层15可提供基底12的背侧保护质量。
新生的吸收剂层16可包括含有第IB、IIIA和(任选地)VIA族元素的材料。优选地,吸收剂层铜(Cu)是第I B族元素,镓(Ga)和/或铟(In)和/或铝可以是第IIIA族元素,和硒(Se)和/或硫(S)作为第VIA族元素。第VIA族元素当它最初溶液沉积或者在随后加工过程中由新生的吸收剂层16形成最后的吸收剂层时可以掺入到新生吸收剂层16内。当沉积时,新生吸收剂层16的厚度可以是约1000纳米。随后快速热加工和掺入第VIA族元素可改变所得吸收剂层的形态,结果它增加厚度(例如在某些情况下到新生层厚度的约2倍)。
在铝箔基底12上制造吸收剂层相对简单直接。第一,在基底12上或者直接在铝上或者在最上层,例如电极14上沉积新生的吸收剂层。作为实例,和在没有损害一般原则的情况下,可以以含纳米颗粒的溶液基前体材料的膜形式沉积新生吸收剂层,所述纳米颗粒包括第IB、IIIA和(任选地)VIA族中的一种或更多种元素。在例如标题为“SOLUTION-BASED FABRICATION OF PHOTOVOLTAIC CELL(光生伏打电池的溶液基制造方法)”的共同转让的美国专利申请10/782017以及标题为“METHOD OF FORMING SEMICONDUCTOR COMPOUND FILM FORFABRICATION OF ELECTRONIC DEVICE AND FILM PRODUCED BY SAME(形成半导体化合物膜以供制造电子器件的方法和通过该方法生产的膜)”的专利合作条约(PCT)申请公开WO 02/084708中公开了这种溶液基印刷技术的这种膜的实例,这两篇的公开内容在此通过参考引入。
或者,可通过按序的原子层沉积反应或者形成这些层常用的任何其他的常规方法,形成新生的吸收剂层16。在例如标题为“FORMATIONOF CIGS ABSORBER LAYER MATERIALS USING ATOMIC LAYER DEPOSITIONAND HIGH THROUGHPUT SURFACE TREATMENT ON COILED FLEXIBLESUBSTRATES(使用原子层沉积和高通过量的表面处理,在盘旋的柔性基底上形成CIGS吸收剂层材料)”的共同转让的共同待审的申请序列号No.10/943685中公开了IB-IIIA-VIA吸收剂层的原子层沉积(律师档案号NSL-035),在此通过参考将其引入。
然后采用加热单元20,通过从环境温度急骤加热新生的吸收剂层16和/或基底12到介于约200℃至约600℃的平均平台温度范围内,使新生的吸收剂层16退火。加热单元20优选提供充足的热量,在例如约5℃/秒至约150℃/秒下快速升高新生的吸收剂层16和/或基底12(或其显著大部分)的温度。作为实例,加热单元20可包括一个或更多个红外(IR)灯,红外灯将提供充足的辐射热。作为实例,各自在离基底12的表面约1/8``-约1``处在约500瓦的额定功率下的8盏红外(IR)灯(例如4盏在基底上方和4盏在下方,所有灯均朝向基底)可提供充足的辐射热,在4``的管状炉内加工约25平方厘米/小时的基底面积。可按照控制的方式,例如在约10℃/秒的平均猛增速度下猛升灯的温度。本领域的技术人员能设计可用作加热单元20的其他类型和结构的热源。例如,在整卷生产(roll-to-roll)生产线中,可沿着加工区域的长度,通过相隔1``使用红外(IR)灯进行加热和其他加工,其中红外(IR)灯在基底的上方和下方均相同地布置,和其中在基底上方与下方的这两类红外(IR)灯均朝向基底。或者。可或者仅仅在基底12上方或者仅仅在基底12下方,和/或以从腔室侧到基底12侧潜热增加的结构布置红外(IR)灯。
吸收剂层16和/或基底12维持在平均的平台温度范围内约2分钟至约30分钟。例如,通过减少来自加热单元20的热量到合适的水平,可维持温度在所需范围内。在红外(IR)灯的实例中,可通过简单地关闭灯,减少热量。或者,可积极地冷却灯。随后例如通过进一步降低或者关闭来自加热单元20的热量供应,降低吸收剂层16和/或基底12的温度到合适的水平。
在本发明的一些实施方案中,或者在退火步骤之前或者之中,可将第VIA族元素,例如硒或硫掺入到吸收剂层内。或者,可连续地进行两个或更多个离散或连续的退火步骤,其中第VIA族元素,例如硒或硫在第二或随后的阶段中掺入。例如,在急骤加热或快速热加工(RTP)之前或之中,可将新生的吸收剂层16暴露于H2Se气体、H2S气体或Se蒸汽下。在这一实施方案中,相对短暂的暴露使得铝基底较好地耐受这些气体和蒸汽的存在,特别是在高热水平下。
一旦使新生的吸收剂层16退火,则可形成额外的层,以完成器件10。例如,窗层典型地用作吸收剂层的交界层(junction partner)。作为实例,交界层(junction partner)可包括硫化镉(CdS)、硫化锌(ZnS)或硒化锌(ZnSe)或这些中的两种或更多种的某种结合。可例如通过化学浴沉积、化学表面沉积或喷洒热解,沉积这些材料层成约50纳米-约100纳米的厚度。另外,可在窗层上通过溅射、气相沉积、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、电化学原子层外延生长等形成透明电极,如传导性氧化物层。
本发明的实施方案通过快速热加工在铝基底上沉积或者在其他情况下形成的新生的CIGS吸收剂层,克服了与现有技术有关的缺点。铝基底比常规的基底便宜得多且比较轻质。因此,当与常规的硅基太阳能电池相比时,基于铝基底的太阳能电池可具有以每瓦较低的成本产生的电量和远远短得多的能量补偿(payback)时间段。此外,铝基底提供柔性的形状因子,这允许在太阳能电池的制造过程中高产量的整卷生产(roll-to-roll)印刷以及在太阳模件和体系的安装过程中更快及比较容易的安装过程。
本发明的实施方案使得可在铝基底上制造轻质和便宜的光生伏打器件。急骤加热/快速热加工新生的吸收剂层16便于合适地退火和掺入第VIA族元素且没有损坏或破坏铝箔基底12。平台温度范围足够低于铝的熔点(约660℃),以避免损坏或破坏铝箔基底。使用铝箔基底可大大地降低在这种基底上制造的光生伏打器件,例如太阳能电池的材料成本,从而降低每瓦的成本。可通过以整卷生产(roll-to-roll)的方式加工铝箔基底,实现规模经济,且当铝箔基底经历一系列的沉积退火和其他加工阶段时,在基底上将累积光生伏打器件的各层。
尽管为了实施例的目的描述了CIGS太阳能电池,但本领域的技术人员将意识到本发明的实施方案可应用到几乎任何类型的太阳能电池结构上。例如,层16可以是由下述制造的吸收剂层:有机低聚物或聚合物(对于有机太阳能电池来说),双层或互穿层或无机和有机材料(对于混杂的有机/无机太阳能电池来说),在液体或凝胶基电解质内染料敏化的氧化钛纳米颗粒(对于其中用电荷转移染料的单层涂布由尺寸为数纳米的二氧化钛颗粒组成的光学透明膜,敏化膜以供光采集的Graetzel电池来说),铜-铟-镓-硒(对于CIGS太阳能电池来说),CdSe、CdTe和/或上述的结合物,其中有源材料以数种形式中的任何一种存在,其中包括但不限于,本体材料、微米级颗粒、纳米颗粒或量子点。另外,其他可能的吸收剂层可基于无定形硅(掺杂或未掺杂)、具有孔隙被有机半导体材料填充的无机多孔半导体模板的纳米结构层(参见例如美国专利申请公布US2005-0121068A1,在此通过参考引入)、聚合物/共混电池结构、有机染料、和/或C60和/或其他小分子,微晶硅电池结构、在有机基体内分散的无机材料的随机分布的纳米棒和/或四脚锥体,量子点基电池,或上述的结合物。可在柔性基底上制造这些类型电池中的许多。
应当理解,P型层可以是或者有机或者无机的。或者,N-型层可以是或者有机或者无机的。可能的结合可导致具有无机N型层的无机P型层,具有有机N型层的无机P型层,具有无机N型层的有机P型层或具有有机N型层的有机P型层。
作为非限定性实例,P型和/或N型层的合适无机材料包括金属氧化物,例如氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO)、氧化铜(CuO或Cu2O或CuxOy)、氧化锆、氧化镧、氧化铌、氧化锡、氧化铟、氧化锡铟(ITO)、氧化钒、氧化钼、氧化钨、氧化锶、氧化钙/钛和其他氧化物、钛酸钠、铌酸钾、硒化镉(CdSe)、硫化镉(CdS)、硫化铜(例如Cu2S)、碲化镉(CdTe)、硒化镉-碲(CdTeSe)、硒化铟铜(CuInSe2)、氧化镉(CdOx),即通常半导体材料,以及这些材料中的两种或更多种的共混物或合金。
作为非限定性实例,P型和/或N型层的合适有机材料包括共轭聚合物,例如聚(亚苯基)及其衍生物、聚(亚苯基亚乙烯基)及其衍生物(例如,聚(2-甲氧基-5-(2-乙基-己氧基)-1,4-亚苯基亚乙烯基(MEH-PPV)))、聚(对亚苯基-亚乙烯基)、(PPV))、PPV共聚物、聚(噻吩)及其衍生物(例如聚(3-辛基噻吩-2,5-二基)、区域规则、聚(3-辛基噻吩-2,5-二基)、区域无规、聚(3-己基噻吩-2,5-二基)、区域规则、聚(3-己基噻吩-2,5-二基)、区域无规)、聚(亚噻吩基亚乙烯基)及其衍生物,和聚(异硫茚)及其衍生物。其他合适的聚合物包括有机金属聚合物、含苝单元的聚合物、聚(squaraines)及其衍生物,和盘状液晶。其他合适的有机材料包括有机颜料或染料、具有连接芳族基团的偶氮生色团(-N=N-)的偶氮染料、酞菁,其中包括不含金属的酞菁;(HPc)、苝、苝衍生物、酞菁铜(CuPc)、酞菁锌(ZnPc、naphthalocyanine、squaraines、部花青和它们各自的衍生物、聚(硅烷)、聚(germinate)、2,9-二(戊-3-基)-蒽[2,1,9-def:6,5,10-d`e`f`]二异喹啉-1,3,8,10-四酮和2,9-双(1-己基庚-1-基)-蒽[2,1,9-def:6,5,10-d`e`f`]二异喹啉-1,3,8,10四酮和并五苯、并五苯衍生物和/或并五苯前体,N-型梯状聚合物,例如聚(苯并咪唑基苯并菲咯啉梯)(BBL)或上述的任何结合物。
适合于与本发明一起使用的一种有机太阳能电池是格里泽尔(Graetzel)电池,它由使用液体电解质的染料敏化的纳米晶体TiO2基太阳能电池组成(奥瑞甘(O`Regan)等人,“ALow-cost,High-efficiency solar cell based on dye-sensitizedcolloidal TiO2 Films(基于染料敏化的胶态TiO2膜的低成本高效率的太阳能电池)”,自然(Nature),第353卷,第737-740页,1991年10月24日,在此为了所有目的将其全部引入)。染料敏化的太阳能电池(DSSC)分解(disaggregate)光吸收和电荷分离工艺。化学吸附到半导体表面上的钌基染料的单层将吸收光。在通过光子激发之后,染料将电子注入到由半导体、TiO2(氧化钛)组成的纳米粒状糊剂(past)内,在氧化钛内部的电场允许在所述纳米粒状糊剂上提取电子。在平行的工艺中,正电荷从染料转移到液体碘化物/三碘化物基氧化还原媒介上,所述媒介允许空穴通过溶液转移到对电极上,之后氧化还原媒介变回为其还原状态,从而关闭电路。
在替代的实施方案中,液体碘化物/三碘化物电解质可用显示出充足的空穴传输性用于有效的器件功能的固态材料替代。这些方法包括:(1)施加离子传导聚合物凝胶(王(Wang)等人,2003),(2)含有离子液体的溶胶-凝胶纳米复合材料(斯塔扎托司(Stathatos)等人,2003),(3)离子导体(曹(Cao)等人,1995),(4)无机p型半导体,例如Cu I或CuSCN(坦内康尼(Tennakone)等人,1995;奥瑞甘(O`Regan)和施瓦兹(Schwartz),1998;奥瑞甘(O`Rega n)等人,2003),和(5)低分子量的有机空穴导体,例如2,2`,7,7`-四(N,N-二对甲氧基苯基胺)-9,9`-螺双芴(螺-Me OTAD)(科吕格(
Figure A20068003495500261
)等人,2001)。
高效电池结构
应当理解,图1和上述段落中所示制造的器件可适合于在图2A所示的以下详述的高效电池结构中使用。图2A示出了根据本发明实施方案的光电器件的阵列100。在一些实施方案中,它可被视为在光电器件的阵列100内的串联互连。阵列100包括第一器件模件101和第二器件模件111。器件模件101、111可以是光生伏打器件,例如太阳能电池或发光器件,例如发光二极管。在优选的实施方案中,器件模件101、111是太阳能电池。第一和第二器件模件101、111固定到绝缘载体基底103上,所述绝缘载体基底103可由例如厚度为约50微米的塑料材料,例如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)制成。载体基底103本身可固定到较厚的结构膜105上,所述较厚的结构膜105例如由聚合物覆盖膜材料,例如热塑性聚烯烃(TPO)或乙烯丙烯二烯单体(EPDM)制成,以促进在户外位置,例如屋顶上安装阵列100。
作为非限定性实例,可从长得多的含有层压在一起的数层的片材中切割出长度可以是约4英寸和宽度可以是12英寸的器件模件101、111。每一器件模件101、111通常包括与底电极104、114和在底电极104、114与传导底板108、118之间的绝缘层106、116接触的器件层102、112。应当理解在本发明的一些实施方案中,底板108、118可描述为底侧顶电极108、118。用于基底S1、S2的底电极104、114、绝缘层106、116和底板108、118将支持器件层102、112。
与其中通过在绝缘基底上沉积薄的金属层形成基底的现有技术的电池相反,本发明的实施方案使用基于柔性导体材料本体,例如箔的基底S1、S2。尽管本体材料,例如箔比现有技术的真空沉积的金属层厚,但它们也可能比较便宜,更加容易获得且更加容易操作。优选地,至少底电极104、114由金属箔,例如铝箔制造。或者,可使用铜、不锈钢、钛、钼或其他合适的金属箔。作为实例,底电极104、114和底板108、118可由厚度为约1微米-约200微米,优选约25微米-约100微米的铝箔制造;绝缘层106、116可由厚度为约1微米-约200微米,优选厚度为约10微米-约50微米的塑料箔材料,例如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)制造。在一个实施方案中,底电极104、114、绝缘层106、116和底板108、118尤其一起层压,形成起始基底S1、S2。尽管箔可用于底电极104、114和底板108、118二者,但也可在作为底板的绝缘层106、116的背面上使用网状格栅。可使用传导油墨或油漆,在绝缘层106、116的背面上印刷这种格栅。合适的传导油漆或油墨的一个实例尤其是获自米兰,密歇根州(Midland Michigan),DowCorning Corporation的Dow
Figure A20068003495500271
PI-2000 Highly ConductiveSilver Ink。Dow
Figure A20068003495500272
是米兰,密歇根州(Midland Michigan),Dow Corning Corporation的注册商标。此外,可通过底电极104、114或底板108、118或二者所使用的箔的表面阳极化,或者通过本领域已知的喷涂、涂布或印刷技术,施加绝缘涂层,形成绝缘层106、116。
器件层102、112通常包括在透明传导层109和底电极104之间布置的有源层107。作为实例,器件层102、112的厚度可以是约2微米。至少第一器件101包括在透明传导层109和底板108之间的一个或更多个电接点120。通过透明传导层109、有源层107、底电极104和绝缘层106,形成电接点120。电接点120在透明传导层109和底板108之间提供导电路径。电接点120电隔离有源层107、底电极104和绝缘层106。
接点120各自可包括通过有源层107、透明传导层109、底电极104和绝缘层106形成的通路。每一通路的直径可以是约0.1毫米-约1.5毫米,优选0.5毫米-约1毫米。可通过穿孔或者钻孔,例如通过机械、激光或电子束钻孔,或者通过这些技术的结合,形成通路。绝缘材料122涂布通路侧壁,以便通过绝缘材料122形成到达底板108的通道。绝缘材料122的厚度可以是约1微米-约200微米,优选约10微米至约200微米。
绝缘材料122应当优选厚度为至少10微米,以确保完全覆盖在其后部的暴露的传导表面。可通过各种印刷技术,其中包括例如喷墨印刷或通过环形喷嘴分配,形成绝缘材料122。由导电材料制成的活塞124至少部分填充通道并使得在透明传导层109和底板108之间电接触。可类似地印刷导电材料。合适的材料和方法例如是焊料的喷墨印刷(Microfab,Inc.普兰诺,得克萨斯州(Plano,Texas)称其为“焊料喷射”,该公司销售可用于这一目的的设备)。也可使用在电子包装领域中已知的传导粘合剂材料的印刷方法,条件是随后时间允许除去溶剂和固化。活塞124的直径可以是约5微米至约500微米,优选约25至约100微米。
作为非限定性实例,在其他实施方案中,器件层102、112的厚度可以是约2微米,底电极104、114可由厚度为约100微米的铝箔制造;绝缘层106、116可由厚度为约25微米的塑料材料,例如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)制造;和背侧顶电极108、118可由厚度为约25微米的铝箔制造。器件层102、112可包括置于透明传导层109和底电极104之间的有源层107。在这一实施方案中,至少第一器件101包括在透明传导层109和背侧顶电极108之间的一个或更多个电接点120。通过透明传导层109、有源层107、底电极104和绝缘层106形成电接点120。电接点120在透明传导层109和背侧顶电极108之间提供导电路径。电接点120电隔离有源层107、底电极104和绝缘层106。
可通过使用其他界面形成技术,例如超声焊接,辅助在传导活塞124和基底108之间形成良好的接合点。有用的技术的一个实例是形成金按键凸起(stud-bump),正例如J.Jay威玛(Wimer)在国际半导体(Semiconductor International),2003年10月1日的“3-D ChipScale with Lead-Free Processes(具有无铅工艺的3-D芯片等级)”中所述,在此通过参考引入。可在按键凸起顶部上印刷普通的焊料或传导油墨或粘合剂。
在形成通路中,重要的是避免顶电极109和底电极104短路连接。因此,可通过激光消融除去在深度数微米和宽度数微米的通路的凸缘附近的小体积的材料,有利地补充机械切割技术,例如钻入或穿孔。或者,可使用化学蚀刻法除去直径略大于通路的透明导体,可例如通过在合适的位置内使用喷墨印刷或模版印刷方法,印刷数滴蚀刻剂,局部蚀刻。
避免短路的进一步的方法牵涉在沉积透明传导层109之前,在有源层107的顶部上沉积绝缘材料薄层。这一绝缘层优选厚度为数微米,且范围可以是1-100微米。由于它仅仅在其中形成通路的区域上(和略超出通路的边界上)沉积,因此它的存在没有干扰光电器件的操作。在本发明的一些实施方案中,该层的结构可类似于卡尔皮切乐(KarlPichler)于2004年3月25日提交的美国专利申请序列号No.10/810072中所述的,在此通过参考引入。当空穴钻入或者穿孔通过这一结构时,可在透明传导层109与底电极104之间存在一层绝缘体,与这些层和机械切割方法的精度相比,所述绝缘体层可以相对较厚,结果不可能发生短路。
这一层的材料可以是任何常规的绝缘体,优选可数码(例如喷墨)印刷的那种。热塑性聚合物,例如Nylon PA6(熔点223℃)、缩醛(熔点165℃)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)(结构类似于聚对苯二甲酸乙二酯(PET),但丁基替代乙基)(熔点217℃)和聚丙烯(熔点165℃)是实例,这些实例决不是有用的材料的穷举。这些材料也可用于绝缘层122。尽管喷墨印刷是形成绝缘体岛的理想的方式,但印刷或沉积的其他方法(其中包括常规的照相平版印刷法)也在本发明的范围内。
在形成通路中,有用的是在至少两个最初分离的元件中制造光电器件,其中一个由绝缘层106、底电极104和在其上的层102组成,和第二个由底板108组成。然后在通过复合结构106/104/102形成通路之后,但在填充通路之前,一起层压这两个元件。在这一层压和通路形成之后,将底板108层压到复合材料上,并如上所述填充通路。
尽管喷墨印刷的焊料或传导性粘合剂包括形成传导通路活塞124用的有用材料,但也可通过机械方式形成这一活塞。因此,例如合适直径的线材可置于通路内,强制与底板108接触,并在所需的高度处切割形成活塞124,其方式类似于形成金的按键凸起。或者,这一尺寸的预成形的针(pin)可通过自动臂置于空穴内。这种针或线材可保持在原地,和在放置针之前,它们与基底的电连接通过印刷非常薄的传导粘合剂层来辅助或确保。按照这一方式,消除了传导粘合剂厚的活塞长的干燥时间的问题。针可具有在其上轻微地穿孔到底板108内的尖端或锯齿,从而进一步辅助接触。这种针可提供已经存在的绝缘,正如在绝缘线材或涂布线材中的情况一样(例如通过蒸汽沉积或氧化)。在施加绝缘材料之前,它们可置于通路内,从而使得比较容易引入这一材料。
若针由合适地硬的金属制造,且具有略呈锥形的尖端,则在穿孔步骤过程中可使用它形成通路。与使用冲头或钻头不同的是,针插入到复合材料106/104/102内,其深度使得尖端穿透底部;然后当基底108层压到这一复合材料上时,尖端轻微地穿透它,并形成良好的接触。例如可通过机械压力或者通过针恰好适配到其内的管道导引的空气压力,将这些针注入到未穿孔的基底内。
可在与导电材料124电接触的透明传导层109上布置例如由Al、Ni或Ag制造的一个或更多个传导轨迹126。正如图2B所示,轨迹126可互连多个接点120,以降低总的片材电阻。作为实例,接点120可彼此隔开约1厘米,且轨迹126与其最靠近的各近邻接触相连,或者在一些情况下,与包围它的透明导体相连。优选地,选择轨迹126的数量、宽度和间距,以便接点120和轨迹126覆盖器件模件101表面不到约1%。轨迹126的宽度可以是约1微米至约200微米,优选约5微米至约50微米。可通过中心到中心距离为约0.1毫米至约10毫米,优选约0.5毫米至约2毫米,隔开轨迹126。较宽的线要求较大的间隔距离,以便避免过度的遮蔽损失。可使用轨迹126的各种图案或取向,只要该线彼此大致等距离即可(例如在2倍系数内)。图2C描述了轨迹126从接点120扇形散开的替代图案。在图2D所示的另一替代的图案中,轨迹126形成“转折点”图案,其中较薄的轨迹126从较厚的轨迹分支,所述较厚的轨迹从接点120处辐射状排列。在图2E所示的再一替代图案中,轨迹126从接点120处形成矩形图案。与每一接点相连的轨迹126的数量可以大于或小于图2E所示的数量。一些实施方案可具有1或更多,2或更多,3或更多等数量。在图2B、图2C、图2D和图2E所示的实施例中描述的轨迹图案用于阐述目的,和不限制可在本发明的实施方案中使用的可能轨迹图案。注意由于传导底板108、118从一个器件模件携带电流到下一个,因此传导轨迹126可包括“指状元件”,同时避免厚的“总线”。这将降低由于总线导致的阴影量以及还提供器件阵列100美学上更加令人愉悦的外观。
由在相对厚、高度导电的柔性导体本体底电极104、114和底板108、118制成的基底S1、S2上制造器件模件101、111并通过透明传导层109、有源层130、底电极104、114和绝缘层106、116形成绝缘的电接点120允许器件模件101、111相对地大。因此,与现有技术的阵列相比,阵列100可由要求较少串联互连点的数个器件模件制成。例如,器件模件101、111可以是约1厘米至约30厘米长和约1至约30厘米宽。也可视需要制造较小的电池(例如小于1厘米长和/或1厘米宽)。
注意由于底板108、118携带电流从一个器件模件到下一个,因此轨迹126的图案不需要含有现有技术中用于这一目的所使用的厚的总线。相反,轨迹126的图案需要仅仅提供足够导电的“指状元件”以携带电流到接点120。在不存在总线的情况下,暴露较大部分的有源层102、112,这将提高效率。另外,不具有总线的轨迹126的图案在美学上可以更加令人愉悦。
可通过削减第二器件模件111的底板118和绝缘层116,暴露一部分底电极114,从而进行在第一器件模件101的底板108和第二器件模件111的底电极114之间的电连接。图2B示出了尤其削减底板118和绝缘层116的一种方式的实例。具体地说,可在绝缘层116的边缘内形成槽口(notch)117。在底板118内,槽口117与类似但略大的槽口119一起校准。槽口117、119的校准暴露第二器件模件111的一部分底电极114。
可按照许多不同的方式,使在第一器件模件101的底板108和第二器件模件111的底电极114的暴露部分之间电接触。例如,如图2A所示,可在载体基底103的一部分上,在与槽口117、119一起校准的图案内布置薄的传导层128。
薄的传导层可以是例如传导(填充)的聚合物或银油墨。传导层可以极薄,例如厚度为约1微米。测定薄的传导层128的最小厚度的一般标准是在这一层内耗散的部分功率p=(J/V)ρ(L0 2/d),为小于或等于约10-5,其中J是电流密度,V是电压,L0是薄的传导层128的长度(大致为在第一和第二器件模件之间的间隙宽度),和ρ与d分别是薄的传导层128的电阻率和厚度。作为许多实例,对于许多应用来说,(J/V)为约0.06A/Vcm2。若L=400微米=0.04厘米,则p为约等于10-4(ρ/d)。因此,即使电阻率ρ为约10-5Ωcm(它小于本体良导体的约10倍),d可以是约1微米(10-4厘米)厚。因此,几乎任何可行厚度的甚至相对电阻大的聚合物导体将会起作用。
第一器件模件101可固定到载体基底103上,以便底板108与薄的传导层128电接触,同时使一部分薄的传导层128暴露。然后可在薄的传导层128的暴露部分和第二器件模件111的底电极114的暴露部分之间电接触。例如,在与底电极114的暴露部分一起校准的位置处,导电材料129的凸起(例如更多的导电粘合剂)可置于薄的传导层128上。导电材料129的凸起足够高,以便当第二器件模件111固定到载体基底上时,以至与底电极114的暴露部分接触。可选择槽口117、119的尺寸,以便基本上不具有下述可能性:薄的传导层128非所需地接触第二器件模件111的底板118。例如,可相对于绝缘层116削减底电极114的边缘,削减量CB1为约400微米。可相对于绝缘层116,削减底板118,其中削减量CB2显著大于CB1
器件层102、112优选是可大规模,例如在整卷生产(roll-to-roll)加工体系内制造的类型。存在可在器件层102、112中使用的大量不同类型的器件结构。作为实例,且在没有损害一般原则的情况下,图2A的插图示出了在器件层102内CIGS有源层107和相关层的结构。作为实例,有源层107可包括基于含第IB、IIIA和VIA族元素的材料的吸收剂层130。优选地,吸收剂层130包括铜(Cu)作为第IB族元素,镓(Ga)和/或铟(In)和/或铝作为第IIIA族元素和硒(Se)和/或硫(S)作为第VIA族元素。在2001年7月31日授予埃巴斯帕彻(Eberspacher)等人的美国专利US6268014和2004年11月4日公布的布伦特巴索尔(Bulent Basol)的美国专利申请公布No.US 2004-0219730A1中公开了这种材料(有时称为CIGS材料)的实例,这两篇在此通过参考引入。窗层132典型地用作在吸收剂层130和透明传导层109之间的交界层(junction partner)。作为实例,窗层132可包括硫化镉(CdS)、硫化锌(ZnS)或硒化锌(ZnSe)或这些中的两种或更多种的某种接合。可例如通过化学浴沉积或者化学表面沉积,沉积这些材料层到约50纳米-约100纳米的厚度。可在底电极104和吸收剂层130之间布置不同于底电极的金属层134,抑制金属从底电极104扩散。例如,若底电极104由铝制成,则层134可以是钼层。这可辅助携带电荷并提供某种保护质量。另外,也可在层134和铝层104之间施加类似于层13的材料的另一层135。该材料可以与层13相同,或者它可以是选自层13中所列材料组中的另一材料。任选地,另一层137还施加到层104的其他侧上。该材料可以与层135相同,或者它可以是选自层13所列的材料组中的另一材料。可在此处所述的任何实施方案上,例如,但不限于在图5和图6的那些上,在箔周围施加类似于层135和/或137的保护层。
尽管作为实例的目的描述了CIGS太阳能电池,但本领域的技术人员会意识到可将串联互连技术的实施方案应用到几乎任何类型的太阳能电池结构上。这种太阳能电池的实例包括,但不限于,基于无定形硅的电池、格里泽尔(Graetzel)电池结构(其中用电荷转移染料的单层涂布由尺寸为数纳米的二氧化钛颗粒组成的光学透明膜,使膜敏化以供光的采集)、具有孔隙被有机半导体材料填充的无机多孔半导体模板的纳米结构层(参见例如美国专利申请公布US2005-0121068A1,在此通过参考引入)、聚合物/共混电池结构、有机染料和/或C60分子和/或其他小分子、微晶硅电池结构、在有机基体内分散的无机材料的无规分布的纳米棒和/或四脚锥体、量子点基电池或上述的结合物。此外,此处所述的串联互连技术的实施方案可与不同于太阳能电池的光电器件一起使用。
或者,光电器件101、111可以是发光器件,例如有机发光二极管(OLED)。OLED的实例包括发光聚合物(LEP)基器件。在这一情况下,有源层107可包括聚(3,4)亚乙基二氧基噻吩:聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)层,它可例如通过网纹涂布或类似方法并烘烤以除去水,在底电极104、114上沉积到典型地50至200纳米的厚度。PEDOT:PSS获自拜尔公司(Bayer Corporation),勒沃库森(Leverkusen),德国。然后可(例如通过网纹涂布)在PEDOT:PSS层上沉积聚芴基LEP到约60-70纳米的厚度。合适的聚芴基LEP获自陶氏化学公司(DowChemicals Company)。
透明传导层109可以是例如透明传导氧化物(TCO),例如氧化锌(ZnO)或铝掺杂的氧化锌(ZnO:Al),它可使用任何各种设备沉积,其中包括,但不限于溅射、蒸发、化学浴沉积(CBD)、电镀、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)和类似方法。或者,透明传导层109可包括透明传导聚合物层,例如掺杂PEDOT(聚-3,4-亚乙基二氧基噻吩)的透明传导层,它可使用旋涂、浸涂或喷涂和类似方法沉积。PSS:PEDOT是一种基于通过二醚桥连的杂环噻吩环的掺杂传导聚合物。用聚(苯乙烯磺酸盐)(PSS)掺杂的PEDOT的水分散体以商品名
Figure A20068003495500341
P获自H.C.Starck纽顿,马萨诸塞州(Newton,Massachussetts)。
Figure A20068003495500342
是拜尔公司(BayerAktiengesellschaft)(下文称为Bayer),勒沃库森(Leverkusen),德国的注册商标。除了其传导性能以外,PSS:PEDOT还可用作平面化层,所述平面化层可改进器件的性能。在使用PEDOT中潜在的缺点是典型的涂层的酸性特征,酸性特征可充当PEDOT可借此化学进攻太阳能电池内的其他材料、与其他材料反应或者在其他情况下降解其他材料的源头。可通过阴离子交换工序,除去PEDOT内的酸性组分。非酸性的PEDOT可商购获得。或者,类似的材料可购自威特里积,科罗拉多州(Wheat Ridge,Colorado)的TDA材料,例如OligotrontTM和AedotronTM
可用可固化的聚合物环氧树脂,例如聚硅氧烷填充在第一器件模件101和第二器件模件111之间的间隙。任选的包封剂层(未示出)可覆盖阵列100,以提供环境耐抗性,例如避免暴露于水或空气下。包封剂也可吸收紫外光,保护底层。合适的包封剂材料的实例包括一层或更多层的氟聚合物,例如THV(例如,Dyneon的THV220氟化三元共聚物,四氟乙烯、六氟丙烯和偏氟乙烯的氟代热塑性聚合物),(杜邦公司(DuPont)),Tefdel,乙烯乙酸乙烯酯(EVA)、热塑性塑料,聚酰亚胺,聚酰胺,塑料和玻璃的纳米层压复合材料(例如阻挡膜,例如在布赖恩塞加(Brian Sager)和马丁罗斯切森(MartinRoscheisen)的标题为“INORGANIC/ORGANIC HYBRID NANOLAMINATEBARRIES FILM(无机/有机混杂的纳米层压体阻挡膜)”的共同转让的共同待审的美国专利申请公布US2005-0095422A1中所述的那些,在此通过参考引入),和上述的结合物。
根据本发明的实施方案,存在许多不同的制造互连器件的方法。例如,图3示出了一种这样的方法。在这一方法中,在连续的器件片材202上制造器件,所述连续的器件片材202包括在底电极和透明传导层之间的有源层,例如与以上相对于图2A-2B中所述的一样。器件片材202还构图有接点203,如图2A所示的接点120。接点203可通过以上所述的传导轨迹(未示出)电连接。绝缘层204和底板206也以连续片材形式制造。在图3所示的实施例中,削减绝缘层204,如形成槽口205,校准所述槽口205与底板层206内的类似槽口207。在底板层206内的槽口大于在绝缘层204内的槽口。一起层压器件片材202、绝缘层204和底板层,形成在器件片材202和底板206之间具有绝缘层204的层压体208。然后沿着横断槽口205、207的虚线,将层压体208切割成两个或更多个器件模件A、B。然后在载体基底211上布置传导性粘合剂210(例如传导性聚合物或银油墨)的图案。将模件粘合到载体基底211上。传导性粘合剂210的较大区域212与模件A的底板206电接触。传导性粘合剂210的指状元件214从该较大区域212中突出。指状元件214与模件B的槽口205、207一起校准。可将额外的传导性粘合剂置于指状元件214上,通过槽口205、207促进与模件B的底电极电接触。优选地,在底板206内,指状元件214窄于槽口207,以便传导粘合剂210没有与模件B的底板206非所需地电接触。
在图3所示的实施方案中,在切割成单独的模件之前,一起层压器件片材、绝缘层和底板。在替代的实施方案中,可首先切割各层,然后组装成模件(例如通过层压)。例如,如图4所示,可分别由预切割的器件层302A、302B、绝缘层304A、304B,和底板306A、306B,分别层压第一和第二器件模件A`、B`。每一器件层302A、302B包括在透明传导层和底电极之间的有源层。至少一层器件层302A包括以上所述类型的电接点303A(和任选的传导轨迹)。
在这一实施例中,通过简单地使模件B中的底板层306B短于绝缘层304B,削减模件B中的底板层306B,以便绝缘层304B伸出底板层306B边缘之外。类似地,可通过使绝缘层304B短于器件层302B,或者更具体地短于器件层302B的底电极,从而削减绝缘层304B。在预切割之后,一起层压各层,形成模件A`、B`,将该模件固定到载体基底308上,并使得在模件A`的底板306A和模件B`的器件层302B中底电极之间电连接。在图4所示的实施例中,通过具有突出部分312的传导性粘合剂310进行连接,所述突出部分312与底电极接触,同时避免与模件B`的底板306B非所需地接触。
图5A-5B描述了在图4所述的方法上的变通方案,它减少了传导性粘合剂的使用。由预切割的器件层402A、402B、绝缘层404A、404B和底板层406A、406B组装第一和第二器件模件A``、B``,并将第一和第二器件模件A``、B``固定到载体基底408上。绝缘的电接点403A使得通过图5B所示的器件层402A、底电极405A和绝缘层406A进行电接触。相对于以上对图4所述的器件层402B,削减模件B``中绝缘层404B和底板406B的正面边缘。然而,为了有助于电接触,模件A``中底板406A的背面边缘延伸超出器件层402A和绝缘层404A的背面边缘。结果,模件B``中器件层402B叠加在模件A``中的底板406A上。在底板406A的暴露部分407A上的传导性粘合剂412的脊线使得与图5B所示的器件层402B的底电极405B的暴露部分电接触。
在以上所述的方法的优选实施方案中,可例如如上所述制造单独的模件,然后针对产率而分类。例如,可针对一个或更多个性能特征,例如光电效率、开路电压、短路电流、占空因数等,测试两个或更多个器件模件。可在阵列中使用满足或超过性能特征的可接受标准的器件模件,同时无法满足可接受标准的那些可以弃置。可接受的标准的实例包括光电效率或开路电压的阈值或可接受的范围。通过单独地分类器件模件并将它们形成为阵列,可获得比通过整体式制造器件阵列高的产率。
在讨论透明传导层与底板之间的电接点120中,形成通路,用绝缘材料涂布该通路并用传导性材料填充。在替代的实施方案中,可使用一部分底电极作为电接点的一部分,进行在透明传导层和底板之间的连接。图6A-6H示出了可以如何实施它的实例。具体地说,人们可以采用透明传导层502(例如,Al:ZnO,I:ZnO)、有源层504(例如CIGS)、底电极506(例如100微米的Al)、绝缘层508(例如50微米的PET)和底板510(例如25微米的Al)直接着手制造结构500(如图6A所示)。优选地,底板510为使用绝缘粘合剂作为绝缘层508,层压到底电极506上的薄的铝胶带形式。这可大大地简化制造并降低材料成本。
可在图6B所示的一个或更多个位置处,在底电极506和底板之间进行电连接512。例如,可通过绝缘层508,例如使用激光焊接,形成点焊。这一方法因在单一步骤内使得电连接,从而是具有吸引力的。或者,可通过钻探盲孔穿过底板510和绝缘层508到达底电极,并用导电材料,例如焊料或传导性粘合剂填充该盲孔的方法,形成电连接512。
如图6C所示,然后在电连接512的周围的闭环(例如圆环)内形成沟槽514。闭环沟槽514切割穿过透明传导层502、有源层504和底电极506到达底板510。沟槽514隔离一部分底电极506、有源层504和透明传导层502与结构500的其余部分。诸如激光切削之类的技术可用于形成沟槽514。若采用一种激光束,激光焊接形成电连接512,和第二激光束形成沟槽514,则可从结构500的相对侧起,相对于彼此预校准这两个激光束。在采用预校准的两个激光器的情况下,可在单一步骤内形成电连接512和沟槽514,从而提高总的加工速度。
形成隔离沟槽的方法可在透明传导层502和底电极506之间引起电路短路511、517。为了电隔离在沟槽514的外侧壁513上形成的非所需的短路511,通过透明传导层和有源层形成到达底电极506的隔离沟槽516,如图6D所示。隔离沟槽516包围闭环沟槽514并电隔离在沟槽的外侧壁513上的短路511与结构500的其余部分。激光刻划方法可形成隔离沟槽516。被刻划的不那么厚的材料降低因形成隔离沟槽516导致的非所需的短路电路的可能性。
在透明传导层502和底电极506之间的所有短路电路并非全部是非所需的。沿着沟槽514的内壁515的短路517可提供连于电接点512一部分所需的电子路径。若存在足量所需的短路,则可如图6E-6F所示完成电接点。首先绝缘材料518例如以“环形(donut)”图案形式沉积在具有图6E所示的中间空穴的闭环沟槽514和隔离沟槽516内。接下来,在结构500的一部分(其中包括被沟槽514包围的隔离部分和非隔离部分,如图6F所示)上沉积导电指状元件520。可沉积绝缘材料518,其方式应可提供适合于形成传导性指状元件520的充足的平面表面。然后在沟槽514外侧的非隔离部分内的透明传导层502和底板510之间,通过指状元件520、在隔离部分内的透明传导层、在沟槽514的内壁上的电短路517、在沟槽514内部的一部分底电极506和电接点512,使得电接触。
或者,若短路517没有提供充足的电接点,则钻探和填充方法可提供在指状元件520和底电极506的隔离部分之间的电接触。在图6G-6I所示的替代实施方案中,可能的情况是,绝缘材料518`当如图6G所示沉积时,它覆盖隔离部分。可例如通过激光切削或机械工艺,例如钻探或穿孔,除去覆盖隔离部分的绝缘材料518`,以及相应部分的透明传导层502和有源层504,通过图6H所示的开口519,暴露底电极506。导电材料使得通过开口519,与暴露的底电极506接触,并完成所需的电接触,正如图6I所示。
注意,相对于图6A-6I来说,存在以上所述技术的数种变通方案。例如,在一些实施方案中,可希望在形成闭环沟槽并用绝缘材料填充之后,制造电连接512。形成电接点的以上所述的方法存在数个优点。简化了工艺步骤。比较容易沉积绝缘层且不用担心覆盖底板。该方法提供平面表面以供沉积指状元件520、520`。可在底电极506和底板510之间通过激光焊接,制造可靠的电接点。此外,可在没有危及100%产率的情况下,隔离电路短路。
本发明的实施方案有助于相对低成本地制造大规模阵列的串联连接的光电器件。可串联连接较大的器件,这是由于在底板和透明传导层之间通过贯穿器件模件各层的接点连接导致的片材电阻下降所致。传导性轨迹可进一步降低片材电阻。可采用较少的连接点,排列较大的器件。
尽管为了阐述目的,此处所述的实例仅仅示出了串联连接的两件光电器件模件,但要理解,根据本发明的实施方案可如此连接三个或更多个这样的器件模件。
可用可固化的聚合物,例如环氧或硅氧烷树脂填充在第一器件模件101和第二器件模件111之间的间隙。任选的包封剂层(未示出)可覆盖阵列100,以提供环境耐抗性,例如避免暴露于水或空气下。包封剂也可吸收紫外光,保护底层。合适的包封剂材料的实例包括一层或更多层氟聚合物,例如THV(例如,Dyneon的THV 220氟化三元共聚物,四氟乙烯、六氟丙烯和偏氟乙烯的氟化热热塑性聚合物)、
Figure A20068003495500391
(杜邦公司(DuPont))、Tefdel、乙烯乙酸乙烯酯(EVA)、热塑性塑料、聚酰亚胺、聚酰胺、塑料和玻璃的纳米复合材料(例如阻挡膜,例如布赖恩塞加(Brian Sager)和马丁罗斯切森(Martin Roscheisen)的标题为“INORGANIC/ORGANIC HYBRID NANOLAMINATE BARRIES FILM(无机/有机混杂的纳米层压体阻挡膜)”的共同转让共同待审的美国专利申请公布US2005-0095422A1中所述的那些,在此通过参考引入),和上述的结合物。
另外,此处可在一个范围格式(range format)内列出浓度、用量和其他数据。要理解,仅仅为了便利和简单起见使用这一范围格式,和应当灵活地解释为包括不仅作为范围的极限明确地援引的数值,而且包括在该范围内涉及的所有单个的数值或子范围,就如同每一数值和子范围明确地援引一样。例如,约1纳米-约200纳米的厚度范围应当解释为包括不仅明确地援引的极限约1纳米和约200纳米,而且包括单独的数值,例如,但不限于,2纳米、3纳米、4纳米,和子范围,例如10纳米-50纳米、20纳米-100纳米,等...。
在本申请的申请日之前,仅仅为了其公开内容而提供此处讨论或援引的公布专利。不应当解释为允许借助之前的发明,不授予本发明权利比这些公布专利早的日期。此外,所提供的公布日期可不同于实际的公布数据,实际的公布数据可能需要单独地加以证实。此处提及的所有公布专利在此通过参考引入,以记载并描述与援引公布专利有关的结构和/或方法。具体地,下述申请在此通过参考引入:2004年9月18日提交的标题为“Formation of CIGS Absorber Layers on FoilSubstrates(在箔基底上形成CIGS吸收剂层)”的美国专利申请序列号No.10/943685;2005年1月20日提交的标题为“SeriesInterconnected Opteoelectronic Device Module Assembly(串联互连的光电器件模件组件)”的美国专利申请序列号11/039053;2005年8月16日提交的标题为“Optoelectronic Architecture HavingCompound Conducting Substrate(具有化合物传导基底的光电结构)”的美国专利申请序列号11/039053;和2004年2月2日提交的标题为“Photovoltaic Devices Fabricated from Insulating Templatewith Conductive Coating(由具有传导涂层的绝缘模板制造的光生伏打器件)”的美国专利申请序列号10/771250。
尽管以上是本发明优选实施方案的完整说明,但可使用各种替代方案、改性和等价方案。因此,应当不是参考上述说明决定本发明的范围,而是应当参考所附的权利要求以及它们完全等价的范围来决定本发明的范围。在以下的权利要求中,不定冠词“一个”或“一种(a,an)”是指一个或更多个紧跟在该冠词之后的物品数量,除非另有说明。所附权利要求不应当解释为包括设备加功能的限定,除非这种限定使用措辞“用于...的设备”明确地援引在给定的权利要求内。

Claims (54)

1.一种方法,它包括:
提供基底;和
在基底上形成吸收剂层。
2.一种方法,它包括:
提供由至少一种导电铝箔基底组成的基底、至少一层导电扩散阻挡层和在该扩散阻挡层上的至少一层导电的电极层,其中扩散阻挡层防止铝箔基底和电极层之间的化学相互作用;和
在基底上形成吸收剂层。
3.权利要求2的方法,其中吸收剂层包括非硅的吸收剂层。
4.权利要求2的方法,其中吸收剂层包括无定形硅的吸收剂层。
5.权利要求2的方法,其中吸收剂层包括选自由下述组成的组中的一种或更多种无机材料:氧化钛(TiO2)、纳米晶体TiO2、氧化锌(ZnO)、氧化铜(CuO或Cu2O或CuxOy)、氧化锆、氧化镧、氧化铌、氧化锡、氧化铟、氧化锡铟(ITO)、氧化钒、氧化钼、氧化钨、氧化锶、氧化钙/钛和其他氧化物、钛酸钠、铌酸钾、硒化镉(CdSe)、硫化镉(CdS)、硫化铜(Cu2S)、碲化镉(CdTe)、硒化镉-碲(CdTeSe)、硒化铟铜(CuInSe2)、氧化镉(CdOx)、CuI、CuSCN、半导体材料或上述的任何结合物。
6.权利要求2的方法,其中吸收剂层包括选自由下述组成的组中的一种或更多种有机材料:共轭聚合物,聚(亚苯基)及其衍生物、聚(亚苯基亚乙烯基)及其衍生物(例如,聚(2-甲氧基-5-(2-乙基-己氧基)-1,4-亚苯基亚乙烯基(MEH-PPV)、聚(对亚苯基-亚乙烯基)、(PPV))、PPV共聚物、聚(噻吩)及其衍生物(例如聚(3-辛基噻吩-2,5-二基)、区域规则、聚(3-辛基噻吩-2,5-二基)、区域无规、聚(3-己基噻吩-2,5-二基)、区域规则、聚(3-己基噻吩-2,5-二基)、区域无规)、聚(亚噻吩基亚乙烯基)及其衍生物,和聚(异硫茚)及其衍生物、2,2`,7,7`-四(N,N-二对甲氧基苯基胺)-9,9`-螺双芴(螺-Me OTAD)、有机金属聚合物,含有苝单元的聚合物、聚(squara ines)及其衍生物,和盘状液晶、有机颜料或染料、钌基染料、液体碘化物/三碘化物电解质、具有连接芳族基团的偶氮生色团(-N=N-)的偶氮染料、酞菁,其中包括不含金属的酞菁;(HPc)、苝、苝衍生物、酞菁铜(CuPc)、酞菁锌(ZnPc)、naphthalocyanine、squaraines、部花青和它们各自的衍生物、聚(硅烷)、聚(germinate)、2,9-二(戊-3-基)-蒽[2,1,9-def:6,5,10-d`e`f`]二异喹啉-1,3,8,10-四酮和2,9-双(1-己基-庚-1-基)-蒽[2,1,9-def:6,5,10-d`e`f`]二异喹啉-1,3,8,10-四酮和并五苯、并五苯衍生物和/或并五苯前体,N-型梯状聚合物、聚(苯并咪唑基苯并菲咯啉梯)(BBL)或上述的任何结合物。
7.权利要求2的方法,其中吸收剂层包括选自由下述组成的组中的一种或更多种材料:低聚物材料、微晶硅、在有机基体内分散的无机纳米棒、在有机基体内分散的无机四脚锥体、量子点(quantum dot)材料、离子传导性聚合物凝胶、含离子液体的溶胶-凝胶纳米复合材料、离子导体、低分子量的有机空穴导体、C60和/或其他小分子,或上述的结合物。
8.权利要求2的方法,其中吸收剂层包括下述中的一种:具有孔隙被有机材料填充的无机多孔模板的纳米结构层(掺杂或未掺杂)、聚合物/共混物电池结构、微晶硅电池结构,或上述的结合物。
9.权利要求2的方法,其中形成步骤包括首先形成新生的吸收剂层。
10.权利要求3的方法,它进一步包括使新生的吸收剂层反应,形成致密膜。
11.权利要求2的方法,它进一步包括加热新生的吸收剂层,形成致密膜。
12.权利要求2的方法,其中扩散阻挡层抑制在加热过程中箔基底内的铝和电极层内的金属相互扩散。
13.权利要求2的方法,其中扩散阻挡层包括下述中的一种或更多种:铬、钒、钨、玻璃、氮化物,氮化钽、氮化钨、氮化钛、氮化锆、氮化铪,硅的氮化物、氧化物或碳化物,或上述的结合物。
14.权利要求2的方法,它进一步包括第二扩散阻挡层耦合到基底上。
15.权利要求14的方法,其中第二扩散阻挡层包括下述中的一种或更多种:铬、钒、钨、玻璃、氮化物,氮化钽、氮化钨、氮化钛、氮化锆、氮化铪,硅的氮化物、氧化物或碳化物,或上述的结合物。
16.权利要求2的方法,其中电极层包括钼。
17.权利要求2的方法,其中电极层包括铜、银、铝和铌。
18.一种光生伏打器件,它包括:
箔基底;和
在基底上的吸收剂层。
19.一种光生伏打器件,它包括:
由至少一种导电铝箔基底组成的基底、至少一层导电扩散阻挡层和在该扩散阻挡层上的至少一层导电的电极层,其中扩散阻挡层防止铝箔基底和电极层之间的化学相互作用;和在基底上的吸收剂层。
20.权利要求19的器件,其中吸收剂层包括非硅的吸收剂层。
21.权利要求19的器件,其中吸收剂层包括无定形硅的吸收剂层。
22.权利要求19的器件,其中吸收剂层包括选自由下述组成的组中的一种或更多种无机材料:氧化钛(TiO2)、纳米晶体TiO2、氧化锌(ZnO)、氧化铜(CuO或Cu2O或CuxOy)、氧化锆、氧化镧、氧化铌、氧化锡、氧化铟、氧化锡铟(ITO)、氧化钒、氧化钼、氧化钨、氧化锶、氧化钙/钛和其他氧化物、钛酸钠、铌酸钾、硒化镉(CdSe)、硫化镉(CdS)、硫化铜(Cu2S)、碲化镉(CdTe)、硒化镉-碲(CdTeSe)、硒化铟铜(CuInSe2)、氧化镉(CdOx)、CuI、CuSCN、半导体材料或上述的任何结合物。
23.权利要求19的器件,其中吸收剂层包括选自由下述组成的组中的一种或更多种有机材料:共轭聚合物,聚(亚苯基)及其衍生物、聚(亚苯基亚乙烯基)及其衍生物(例如,聚(2-甲氧基-5-(2-乙基-己氧基)-1,4-亚苯基亚乙烯基(MEH-PPV)、聚(对亚苯基-亚乙烯基)、(PPV))、PPV共聚物、聚(噻吩)及其衍生物(例如聚(3-辛基噻吩-2,5-二基)、区域规则、聚(3-辛基噻吩-2,5-二基)、区域无规、聚(3-己基噻吩-2,5-二基)、区域规则、聚(3-己基噻吩-2,5-二基)、区域无规)、聚(亚噻吩基亚乙烯基)及其衍生物,和聚(异硫茚)及其衍生物、2,2`,7,7`-四(N,N-二对甲氧基苯基胺)-9,9`-螺双芴(螺-Me OTAD)、有机金属聚合物,含有苝单元的聚合物、聚(squaraines)及其衍生物,和盘状液晶、有机颜料或染料、钌基染料、液体碘化物/三碘化物电解质、具有连接芳族基团的偶氮生色团(-N=N-)的偶氮染料、酞菁,其中包括不含金属的酞菁;(HPc)、苝、苝衍生物、酞菁铜(CuPc)、酞菁锌(ZnPc)、naphthalocyanine、squaraines、部花青和它们各自的衍生物、聚(硅烷)、聚(germinate)、2,9-二(戊-3-基)-蒽[2,1,9-def:6,5,10-d`e`f`]二异喹啉-1,3,8,10-四酮和2,9-双(1-己基-庚-1-基)-蒽[2,1,9-def:6,5,10-d`e`f`]二异喹啉-1,3,8,10-四酮和并五苯、并五苯衍生物和/或并五苯前体,N-型梯状聚合物、聚(苯并咪唑基苯并菲咯啉梯)(BBL)或上述的任何结合物。
24.权利要求19的器件,其中吸收剂层包括选自由下述组成的组中的一种或更多种材料:低聚物材料、微晶硅、在有机基体内分散的无机纳米棒、在有机基体内分散的无机四脚锥体、量子点(quantum dot)材料、离子传导性聚合物凝胶、含离子液体的溶胶-凝胶纳米复合材料、离子导体、低分子量的有机空穴导体、C60和/或其他小分子,或上述的结合物。
25.权利要求19的器件,其中吸收剂层由下述中的一种构成:具有孔隙被有机材料填充的无机多孔模板的纳米结构层(掺杂或未掺杂)、聚合物/共混物电池结构、微晶硅电池结构,或上述的结合物。
26.权利要求19的器件,它进一步包括耦合到基底上的第二扩散阻挡层。
27.权利要求19的器件,其中扩散阻挡层包括下述中的一种或更多种:铬、钒、钨、玻璃、氮化物,氮化钽、氮化钨、氮化钛、氮化锆、氮化铪,硅的氮化物、氧化物或碳化物,或上述的结合物。
28.权利要求26的器件,其中第二扩散阻挡层包括下述中的一种或更多种:铬、钒、钨、玻璃、氮化物,氮化钽、氮化钨、氮化钛、氮化锆、氮化铪,硅的氮化物、氧化物或碳化物,或上述的结合物。
29.一种光生伏打器件模件,它包括权利要求19的器件并进一步包括:
绝缘体层和传导底板,其中绝缘体层夹在基底和底板之间;
透明传导层,其布置使得吸收剂层在基底和透明传导层之间;和
在透明传导层和底板之间的一个或更多个电接点,其中通过透明传导层、吸收剂层、基底和绝缘层形成电接点,其中电接点与吸收剂层、基底和绝缘层电隔离。
30.形成光生伏打器件中吸收剂层的方法,该方法包括下述步骤:
提供由至少一种导电金属化聚合物箔基底组成的基底、至少一层导电扩散阻挡层和在该扩散阻挡层上的至少一层导电背电极层,其中扩散阻挡层防止金属化的聚合物箔基底和背电极层之间的化学相互作用;和
在基底上形成吸收剂层。
31.权利要求30的方法,其中吸收剂层包括非硅的吸收剂层。
32.权利要求30的方法,其中吸收剂层包括无定形硅的吸收剂层。
33.权利要求30的方法,其中吸收剂层包括选自由下述组成的组中的一种或更多种无机材料:氧化钛(TiO2)、纳米晶体TiO2、氧化锌(ZnO)、氧化铜(CuO或Cu2O或CuxOy)、氧化锆、氧化镧、氧化铌、氧化锡、氧化铟、氧化锡铟(ITO)、氧化钒、氧化钼、氧化钨、氧化锶、氧化钙/钛和其他氧化物、钛酸钠、铌酸钾、硒化镉(CdSe)、硫化镉(CdS)、硫化铜(Cu2S)、碲化镉(CdTe)、硒化镉-碲(CdTeSe)、硒化铟铜(CuInSe2)、氧化镉(CdOx)、CuI、CuSCN、半导体材料或上述的任何结合物。
34.权利要求30的方法,其中吸收剂层包括选自由下述组成的组中的一种或更多种有机材料:共轭聚合物,聚(亚苯基)及其衍生物、聚(亚苯基亚乙烯基)及其衍生物(例如,聚(2-甲氧基-5-(2-乙基-己氧基)-1,4-亚苯基亚乙烯基(MEH-PPV)、聚(对亚苯基-亚乙烯基)、(PPV))、PPV共聚物、聚(噻吩)及其衍生物(例如聚(3-辛基噻吩-2,5-二基)、区域规则、聚(3-辛基噻吩-2,5-二基)、区域无规、聚(3-己基噻吩-2,5-二基)、区域规则、聚(3-己基噻吩-2,5-二基)、区域无规)、聚(亚噻吩基亚乙烯基)及其衍生物,和聚(异硫茚)及其衍生物、2,2`,7,7`-四(N,N-二对甲氧基苯基胺)-9,9`-螺双芴(螺-Me OTAD)、有机金属聚合物,含有苝单元的聚合物、聚(squaraines)及其衍生物,和盘状液晶、有机颜料或染料、钌基染料、液体碘化物/三碘化物电解质、具有连接芳族基团的偶氮生色团(-N=N-)的偶氮染料、酞菁,其中包括不含金属的酞菁;(HPc)、苝、苝衍生物、酞菁铜(CuPc)、酞菁锌(ZnPc、naphthalocyanine、squaraines、部花青和它们各自的衍生物、聚(硅烷)、聚(germinate)、2,9-二(戊-3-基)-蒽[2,1,9-def:6,5,10-d`e`f`]二异喹啉-1,3,8,10-四酮和2,9-双(1-己基-庚-1-基)-蒽[2,1,9-def:6,5,10-d`e`f`]二异喹啉-1,3,8,10-四酮和并五苯、并五苯衍生物和/或并五苯前体,N-型梯状聚合物、聚(苯并咪唑基苯并菲咯啉梯)(BBL)或上述的任何结合物。
35.权利要求30的方法,其中吸收剂层包括选自由下述组成的组中的一种或更多种材料:低聚物材料、微晶硅、在有机基体内分散的无机纳米棒、在有机基体内分散的无机四脚锥体、量子点(quantum dot)材料、离子传导性聚合物凝胶、含离子液体的溶胶-凝胶纳米复合材料、离子导体、低分子量的有机空穴导体、C60和/或其他小分子,或上述的结合物。
36.权利要求30的方法,其中吸收剂层包括下述中的一种:具有孔隙被有机材料填充的无机多孔模板的纳米结构层(掺杂或未掺杂)、聚合物/共混物电池结构、微晶硅电池结构,或上述的结合物。
37.权利要求30的方法,其中箔基底是选自聚酯、聚萘二甲酸乙二酯(naphtalate)、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚醚醚酮、聚酰亚胺和/或上述的结合物中的聚合物。
38.权利要求30的方法,其中金属化聚合物箔基底所使用的金属是铝或铝与一种或更多种金属的合金。
39.权利要求30的方法,其中形成步骤包括首先形成新生的吸收剂层。
40.权利要求39的方法,它进一步包括使新生的吸收剂层反应形成致密膜。
41.权利要求30的方法,它进一步包括将第二扩散阻挡层耦合到基底上。
42.权利要求30的方法,其中扩散阻挡层包括下述中的一种或更多种:铬、钒、钨、玻璃、氮化物,氮化钽、氮化钨、氮化钛、氮化锆、氮化铪,硅的氮化物、氧化物或碳化物,或上述的结合物。
43.权利要求41的方法,其中第二扩散阻挡层包括下述中的一种或更多种:铬、钒、钨、玻璃、氮化物,氮化钽、氮化钨、氮化钛、氮化锆、氮化铪,硅的氮化物、氧化物或碳化物,或上述的结合物。
44.一种光生伏打器件,它包括:
由至少一种导电铝箔基底组成的基底、至少一层导电扩散阻挡层和在该扩散阻挡层上的至少一层导电背电极层,其中扩散阻挡层防止铝箔基底和背电极层之间的化学相互作用;和
在基底上的吸收剂层。
45.权利要求44的器件,其中吸收剂层包括非硅的吸收剂层。
46.权利要求44的器件,其中吸收剂层包括无定形硅的吸收剂层。
47.权利要求44的器件,其中吸收剂层包括选自由下述组成的组中的一种或更多种无机材料:氧化钛(TiO2)、纳米晶体TiO2、氧化锌(ZnO)、氧化铜(CuO或Cu2O或CuxOy)、氧化锆、氧化镧、氧化铌、氧化锡、氧化铟、氧化锡铟(ITO)、氧化钒、氧化钼、氧化钨、氧化锶、氧化钙/钛和其他氧化物、钛酸钠、铌酸钾、硒化镉(CdSe)、硫化镉(CdS)、硫化铜(Cu2S)、碲化镉(CdTe)、硒化镉-碲(CdTeSe)、硒化铟铜(CuInSe2)、氧化镉(CdOx)、CuI、CuSCN、半导体材料或上述的任何结合物。
48.权利要求44的器件,其中吸收剂层包括选自由下述组成的组中的一种或更多种有机材料:共轭聚合物,聚(亚苯基)及其衍生物、聚(亚苯基亚乙烯基)及其衍生物(例如,聚(2-甲氧基-5-(2-乙基-己氧基)-1,4-亚苯基亚乙烯基(MEH-PPV)、聚(对亚苯基-亚乙烯基)、(PPV))、PPV共聚物、聚(噻吩)及其衍生物(例如聚(3-辛基噻吩-2,5-二基)、区域规则、聚(3-辛基噻吩-2,5-二基)、区域无规、聚(3-己基噻吩-2,5-二基)、区域规则、聚(3-己基噻吩-2,5-二基)、区域无规)、聚(亚噻吩基亚乙烯基)及其衍生物,和聚(异硫茚)及其衍生物、2,2`,7,7`-四(N,N-二对甲氧基苯基胺)-9,9`-螺双芴(螺-Me OTAD)、有机金属聚合物,含有苝单元的聚合物、聚(squaraines)及其衍生物,和盘状液晶、有机颜料或染料、钌基染料、液体碘化物/三碘化物电解质、具有连接芳族基团的偶氮生色团(-N=N-)的偶氮染料、酞菁,其中包括不含金属的酞菁;(HPc)、苝、苝衍生物、酞菁铜(CuPc)、酞菁锌(ZnPc)、naphthalocyanine、squaraines、部花青和它们各自的衍生物、聚(硅烷)、聚(germinate)、2,9-二(戊-3-基)-蒽[2,1,9-def:6,5,10-d`e`f`]二异喹啉-1,3,8,10-四酮和2,9-双(1-己基-庚-1-基)-蒽[2,1,9-def:6,5,10-d`e`f`]二异喹啉-1,3,8,10-四酮和并五苯、并五苯衍生物和/或并五苯前体,N-型梯状聚合物、聚(苯并咪唑基苯并菲咯啉梯)(BBL)或上述的任何结合物。
49.权利要求44的器件,其中吸收剂层包括选自由下述组成的组中的一种或更多种材料:低聚物材料、微晶硅、在有机基体内分散的无机纳米棒、在有机基体内分散的无机四脚锥体、量子点(quantum dot)材料、离子传导性聚合物凝胶、含离子液体的溶胶-凝胶纳米复合材料、离子导体、低分子量的有机空穴导体、C60和/或其他小分子,或上述的结合物。
50.权利要求44的器件,其中吸收剂层包括下述中的一种:具有孔隙被有机材料填充的无机多孔模板的纳米结构层(掺杂或未掺杂)、聚合物/共混物电池结构、微晶硅电池结构,或上述的结合物。
51.权利要求44的器件,它进一步包括耦合到基底上的第二扩散阻挡层。
52.权利要求44的器件,其中扩散阻挡层包括下述中的一种或更多种:铬、钒、钨、玻璃、氮化物,氮化钽、氮化钨、氮化钛、氮化锆、氮化铪,硅的氮化物、氧化物或碳化物,或上述的结合物。
53.权利要求51的器件,其中第二扩散阻挡层包括下述中的一种或更多种:铬、钒、钨、玻璃、氮化物,氮化钽、氮化钨、氮化钛、氮化锆、氮化铪,硅的氮化物、氧化物或碳化物,或上述的结合物。
54.一种光生伏打器件模件,它包括权利要求36的器件,和进一步包括:
绝缘体层和传导底板,其中绝缘体层夹在基底和底板之间;
透明传导层,其布置使得吸收剂层在基底和透明传导层之间;和
在透明传导层和底板之间的一个或更多个电接点,其中通过透明传导层、、吸收剂层、基底和绝缘层形成电接点,其中电接点与吸收剂层、基底和绝缘层电隔离。
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