CN101375415A - 串联太阳能电池的生产方法以及实施该方法的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种生产串联太阳能电池的方法和装置，所述方法包括以下步骤：将基体引入到至少一个沉积室内，在沉积室内将至少一个材料层沉积到基体上或者沉积到已经涂覆的材料层上去，其中，在沉积室内将基体施加于向沉积装置的方向拱曲的支承面上，其中所述的基体是柔性的并处于机械预应力下或者相应于支承面拱曲并利用至少一个绷紧的线材对所涂覆的层进行结构化，所述的线材以规定的力贴着施加于拱曲的支承面上的基体放置并且相对于沉积装置遮掩已经涂覆的材料层或基体，并如此地对待涂覆的材料层进行结构化。
Description
本发明涉及一种生产串联太阳能电池的方法，其中所述的方法包括将基体引入到至少一个沉积室内以及在沉积室内将至少一个材料层沉积到基体上或者沉积到已经涂覆的材料层上去的步骤。
尤其，但不仅仅基于非晶硅的薄层太阳能电池由一系列的单层，即基体以及涂覆于其上的背接触层(Rueckkontaktschicht)，有源层，包含可能的缓冲层或其他必要的层和前接触层(Frontkontaktschicht)构成。各单层在涂覆了所需的各层之后，例如利用激光或机械方式进行结构化，以在各层内获得分区(Unterteilung)，并接着涂覆下一层。后续层同样也必须进行结构化。以此方式，对于每个经沉积的层进行用于结构化的后续过程。
除了必需的额外方法成本之外，结构化过程也具有各种缺点。例如，结构化过程会由于机械割划而在层中形成碎片和裂纹。留置的碎片可能会形成对电池的阻抗或者可能会招致前接触和背接触之间短路。
在利用激光进行的结构化过程中，由于热作用而可能会使得单层相互出现熔合。这种熔合会在截面边缘导致短路或者在前接触层和背接触层之间导致并联电阻。另外也已知，太阳能电池的串接以简单的方式进行，方法是将包含基体的电池隔开并接着通过采用具有导电能力的粘合剂或焊剂的交叠粘合而将电池组的前接触与背接触重新连接。但在这种结构化中，基体必须是导电的。根据粘合剂和粘结的质量不同，会产生额外的阻抗。
此外，前述方法只能有限地适用于以连续或准连续方法进行生产。特别是，各层必须在沉积后续层之前进行结构化。但是当沉积工序发生中断时，就会存在着表面上的各单层与环境空气反应的危险。
另一种将连接的太阳能电池，特别是串联的薄层太阳能模块结构化的方法公开于DE 196 51 655 C2中，其中推荐使至少分别相邻于第一半导体层的电池在其邻接区域内过渡为一个共同区段，所述区段由转换成第一半导体层的绝缘材料组成。
但是，这种结构且特别是以这种方式进行的连接不适于连续或准连续的生产方法。
准连续用于生产太阳能电池的连续或准连续方法公开于美国专利US-PS 4,677,738B1以及US-PS 6,258,408B1中。
由前述的现有技术出发，本发明的任务在于提供一种生产集成连接的太阳能电池模块(Solarmodulen)的方法以及装置，避免迄今已来的方法的电缺陷，同时提供一种简便的生产方法。
本发明通过一种类型适当的方法来解决上述任务，在该方法中，在沉积室内将基体施加于向沉积装置的方向而拱曲的支承面上，其中所述的基体处于机械预应力下或者相应于支承面拱曲并利用绷紧的线材(Draehte)对所涂覆的层进行结构化，所述的线材以规定的力贴着施加于拱曲的支承面上的基体放置并且遮掩已经涂覆的材料层或基体并如此地对待涂覆的材料层进行结构化。
所谓基体指的是例如一种贴着向沉积装置的方向弯曲的弯曲平面放置的柔性基体。同时，线材贴着基体与沉积装置之间该弯曲的支承面，其中，经由与拱曲支承面接触的绷紧的线材可以在基体上施加规定的力，并在预定的结构化区域上给出可靠的支架(Auflage)。这里所述的拱曲面优选设计成中心轴对称的并特别设置在沉积区域内。
或者，所述基体也可以是根据支承面的拱曲而已经经过预拱。在这种情况下也可以例如采用金属基体。
由于基体薄膜的拱形支架和由此而可确定的力设定和线材的牵引—所述的线材以该力置于支承面上—所以在涂覆位于其下的层时通过遮盖实现结构化。以此方式可以避免材料到达线材的下方。通过所述的线材，在涂覆层时就能遮掩其下的材料幅面(Materialbahn)或其下的基体。这里特别有益的是不必设置额外的单独的结构化步骤。结构化过程同时随着沉积而在一个过程中进行。所述的层在其沉积之后既不历经机械的也不历经热的作用或者负荷。以此方式实现一种连续化的、固定的过程，但也可以实现一种准连续化的过程，所述过程能实现成本低廉地生产节省成本、简易和柔性的基体上的太阳能电池模块。
这里所述的线材的走向可以沿着拱曲方向(Woelbungsrichtung)，并且这是特别优选的。而在固定方法中，线材也可以具有各个任意的其他方向，这些方向与拱曲方向呈≥0°至<90°的角度。
由于省去了后续的机械和热处理过程，相应的太阳能电池获得了良好的电学、光学和机械性能。前接触和背接触之间可以不形成并联电阻。单电池的背接触之间并接阻抗的形成则反作用于基体上遮掩线材的摩擦力。
特别可以采用等离子增强化学气相沉积法(PECVD)来沉积层。
该方法可以是固定地，但也可以是连续或准连续方式操作的。并且，在连续或准连续操作方式中，基体的运动方向同时也是绷紧线材的拉伸方向。由此，线材以理想的方式自动定位。
连续或准连续的过程也提供了以下优点，即由于基体是连续运动穿过沉积室所以只会出现一维的层差。所述层差可以只在宽度上，也即横贯于拉伸方向上出现。在拉伸方向上若沉积参数恒定则不会出现层差。
以上述方式可以在基体上制得集成连接的薄层电池。接着薄层的生长阶段之后的结构化步骤可以省去。可以制造的太阳能电池的宽度取决于涂覆设备的宽度。可以涂覆的基体的长度不受设备的限制。并且，沉积室可以在其尺寸方面匹配所要涂覆的层。
根据第一优选实施方式可以推荐，将线材通过张紧装置引导并特别在连续的方法实施过程中使其沿着或逆着基体运动的方向运动。如此，可以实现在沉积区域发生的沉积材料对线材的覆盖并不限制线材的可利用性。倘若线材反向于基体运动方向展开，则在待沉积的层上持续提供新的线材。由此，可以随后在例如腐蚀槽中或经由等离子清除而以机械或化学方式处理线材以重复利用。
其中可以设计，基体经过滚动牵引装置(Rollenfuehrungen)引导并绷紧。经由这种滚动牵引装置可以特别简单地实现良好地转向并同时绷紧柔性的材料。此外，这种方法原则上也是现有技术中已知的，其中在连续的方法过程中，初始基体和最终经涂覆的基体的卷绕和展开都可以在卷绕辊上进行。
同样也可以设计，使得线材经由相应的滚动牵引装置而绷紧。
特别有益的是相继依次设置多个沉积室，使得基体能依次穿过沉积室并在每个沉积室内在基体上或在位于其下的层上沉积层。并且可以设计，使所有的或仅只一个的其它沉积室配备相应的结构化装置。这种在线处理过程(Inlineprozesse)在生产中也是特别有益的。
由此，各单层可以直接在生产中结构化，并且在在线处理过程中依次层叠沉积。其中可以设计，在各个室内设置遮掩线材使其相对于已经形成的遮掩线错位，从而实现串联。其中所述的错位总是沿着相同方向进行。
作为基体可特别采用薄膜以及织物材料。
作为线材则可采用金属线材，但也可以采用其它的塑料纤维或织物纤维，碳纤维等，其中，待沉积的材料不会粘附其上的那些材料是特别优选的。
待沉积的层特别指的是前接触层和背接触层以及位于其间的有源层，其可特别由n-层，i-层和p-层构成。
也可以制得所谓的堆积电池，例如串接电池(Tandemzellen)或T型连接电池(Triplezellen)。
有源层可以由硅，但也可以由碲化镉，CIS，CIGS等组成。
本发明还包括一种用于实施前述方法的装置，所述装置包含至少一个沉积室且在沉积室内设置有涂覆装置，以及包含至少具有用于结构化在沉积室内待沉积到基体上的材料层的线材的结构化单元，其中，在沉积室内设置朝向涂覆装置的方向拱曲的支承面并且所述基体为处于机械预应力下的柔性的或相应于支承面拱曲的基体，而且基体可放置于支承面上并且线材可以规定的力并且与支承面的拱曲方向呈≥0°至<90°的角度贴着基体放置。
本发明的其它优点和特征由本申请文件的其余内容以及以下的本发明实施例的说明给出。
附图为:
图1两个集成连接的薄层太阳能电池的层序列；
图2本发明的装置和
图3连续制备柔性薄层太阳能电池模块的装置以及方法。
图1所示为包括一个基本上四层结构的集成连接的太阳能电池的构造。太阳能电池的基础在此是一个柔性基体层1，其可以例如由薄膜或织物材料构成。在该基体层上首先沉积一个所谓的背接触层，其优选是三层的并且层序列可以是铬/铝/氧化锌。也可采用氧化锡或ITO代替氧化锌。在此必须对背接触层进行构造，使得其并不贯通地涂覆于基体上，而是将相互连接的不同太阳能电池10a和10b的背接触层2a和2b相互分开。为此，如后续所要说明的那样，在本发明中利用线材进行遮掩并因此在横贯传输方向的分开的区段内进行涂覆。此时在该背接触层2a，2b上涂覆有源层，该层特别优选可由硅构成并含有p-n-层以及任选的绝缘层。各层也可以分别涂覆。
在此，不同太阳能电池模块的有源层3a或3b必须同样地相互分开。此外，有源层3a和3b也不可以遮蔽住整个背接触层。在背接触层2b朝向背接触层2a以便后续通过前接触4a实现接触的区域中，它们一定不能为有源层3b所覆盖。作为最后的层涂覆前接触层4a，其覆盖了电池之间的间隙，所述间隙是由于在背接触之间但也是在有源层之间进行结构化而形成的，并与下一个电池的背接触层2b产生了搭接，从而实现了太阳能电池10a和10b的串联。前接触层4在此是透明的并且优选由氧化锌(ZnO)、氧化锡(SnO2)或ITO组成。
在此很重要的一点是，必须要在沉积有源层3之前结构化背接触层2，因为有源层3同时起到分隔和绝缘背接触2a与前接触4a的作用，为此有源层3延伸入区域3i中直达基体1，从而实现两个接触层2，4彼此全面绝缘。
图2所示为在所谓的辊到辊(Roll-to-Roll)过程中进行的相应的方法。这里，将柔性基体1放置于展开辊11a上，如图3中所示，并且将其从该展开辊11a引入到第一沉积室12a内。该第一室如图2的放大图所示，其起到沉积背接触层2的作用。基体1经由滚筒13a和13b而受到预应力并且通过凸面的朝向沉积装置14a方向拱曲的支承面15a绷紧和引导。在由用于沉积层材料的电极所限定出的沉积区域16a中，将用于背接触层2的层材料涂覆于基体1上。为了进行图1中所示的所需的背接触层结构化过程，平行于箭头17标记的基体1的传送方向设置线材导板18a，利用该导板的走向沿着输送方向17的绷紧的线材以规定的力挤压在基体1的薄膜上并由此在线材下形成遮掩，从而在该区域内没有在基体1的这个区域上涂覆背接触层的待沉积的层材料基体。并且，根据预定的横贯于传送方向17分布的太阳能电池10的数目设计相应的线材21数目，所述线材进行遮掩并由此而将各个太阳能电池10的背接触层2彼此分开。
其中设计，为绷紧线材21同样采用辊19，其对线材21进行转向和绷紧以及将其卷绕，因为线材是逆着传送方向17沿着箭头20的方向而传送的，从而总是在沉积区内提供其上并不存在由于将材料涂覆于基体1上而有材料沉积的新线材21。一旦线材21经过使用，新的线材21就会露出而旧的线材21就会导入到清洁和重复利用环节中。
图3所示为涂覆基体1的完整过程，所述基体由展开辊11a所提供并总共穿过五个室12a至12e，然后重新卷绕到卷绕辊11b上。于是，在卷绕辊11b上就是完全相互串联的集成连接的太阳能电池10。其中，在每个沉积室12a至12e内，基体1经由设置在沉积区域之前的辊13a以及设置在沉积区域之后的13b而绷紧和引导。另一个辊13c则可用来在各个室之间转向。整个过程是一个封闭的过程，在隔绝环境空气的条件下进行。
在每个沉积室12a至12e内都设置有沉积装置14a至14e，其中在第一沉积室12a内涂覆背接触层，在第二沉积室内涂覆n-层，在第三沉积室内涂覆i-层和在第四室内涂覆p-层。第五室则用于涂覆前接触层。在每个室12中，还要设计结构化过程。其中，在沉积了背接触2之后分别将遮掩线材21相对于那些在沉积半导体层3之后设置的线材错位，从而一方面确保背接触层2借助于有源层3而与前接触层4绝缘，另一方面也在涂覆前接触层4之后保证太阳能电池10a的前接触层4a不会与后一个太阳能电池10b的前接触层4b接触。只有在沉积室12b至12d内涂覆三个构成有源层的层时的遮掩线材21才基本上没有错位地彼此运动。但在此也可以设计相互间有略微的交错。这时，在每种情况下沿着相同的方向使各个沉积室12之间有交错，因为这样就实现了串联。
经由朝着沉积装置方向拱曲的对称拱曲的支承面15a使得用于结构化的线材以理想的方式实现了定位，同时，基体1与拱曲面15之间的滑动摩擦也有利于定位并且避免了背接触层2之间的并接阻抗。
以前述方式可以特别简单而成本低廉地提供一种所谓的辊到辊过程，但也是一种非连续性方法，以此方法可以制得集成连接的薄层太阳能电池。
Claims (11)
1.一种用于生产串联太阳能电池的方法，所述方法包括以下步骤：
将基体引入到至少一个沉积室内，
在沉积室内将至少一个材料层沉积到基体上或者沉积到已经涂覆的材料层上去，
其特征在于，
在沉积室内将基体施加于向沉积装置的方向拱曲的支承面上，其中所述的基体是柔性的并处于机械预应力下或者相应于支承面拱曲，并
利用至少一个绷紧的线材对所涂覆的层进行结构化，所述的线材以规定的力贴着施加于拱曲的支承面上的基体放置并且相对于沉积装置遮掩已经涂覆的材料层或基体并如此地对待涂覆的材料层进行结构化。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述方法连续或准连续地进行。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，所述线材通过张紧装置引导并特别地在连续或准连续方法中沿着或逆着基体运动方向而运动。
4.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，所述至少一个线材的走向与支承面的拱曲方向呈≥0°至<90°的角度。
5.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，所述基体经由滚动牵引装置引导和绷紧。
6.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，所述线材经由滚动牵引装置绷紧。
7.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，相继依次设置多个沉积室并在每个沉积室内沉积一个层。
8.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，所述基体由薄膜-或织物材料幅面构成。
9.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，涂覆三个层，即背接触层、有源层以及前接触层。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述有源层含有一个或多个电荷分离的结，特别是pn-结或pin-结。
11.一种特别用于实施根据前述权利要求中任一项的方法的装置，所述装置包含至少一个沉积室(12)且在沉积室(12)内设置有涂覆装置，和至少具有用于结构化在沉积室(12)内待沉积到基体(1)上去的材料层(2，3，4)的线材(13)的结构化单元(18)，其中，在沉积室(12)内设置朝向涂覆装置(14)的方向拱曲的支承面(15)并且所述基体(1)为处于机械预应力下的柔性的或相应于支承面(15)拱曲的基体(1)，而且基体(1)可放置于支承面上并且线材(13)可以规定的力并且与支承面(15)的拱曲方向呈≥0°至<90°的角度贴着基体(1)放置。
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