CN101459183A - 一种太阳能光伏模块及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能光伏模块及其制造方法，该太阳能光伏模块包括在共享基板上以串联方式互连且间隔的光伏太阳能电池的阵列，每一电池包括在上述基板上的第一电极、在该第一电极上的活性光伏膜、第二电极，上述电极中的至少一个为透光且其中该阵列的第n个太阳能电池的第二电极经由光伏膜的一部分而连接至后继电池，亦即该阵列第(n+1)个电池的第一电极，光伏膜的该部分比光伏膜的其余部分具有实质上较高的导电性。本发明利用在所欲的电接触的区域经由在该所欲区域的膜中掺杂杂质以大幅增加连续光吸收光伏膜的导电性而达成。
Description
技术领域
本发明关于大面积光伏(photovoltaic，PV)太阳能模块及制造该模块的方法。
背景技术
大部分太阳能电池的单一电池电压太低而无法直接合用于或有效率地用在许多应用上。举例而言，铜-铟-镓-二硒化物(CuInxGa1-xSe2，或缩写为CIGS)材料的单一电池电压，视CIGS材料(太阳能电池的吸收体)的组成而定，位在0.5至0.8伏特(volts)之间。
相较于传统以结晶硅晶圆为基材的PV模块制程，薄膜光伏(PV)制程技术的一大优点为用于在同一基板上大面积制造太阳能电池时，能整体整合(monolithic integration)个别太阳能电池，而不需仰赖用于大面积结晶硅PV模块的工业生产中麻烦且费力的电池连接(如串联及/或并联)。
在PV模块的制造上，个别电池以串联方式连接以得到适用于不同应用的高电压。通常，视以串联方式互连的电池数目而定，PV模块的输出电压范围可位于10至100伏特之间。
图1A和图1B说明利用移除半导体膜以产生分别串联连接电池的阵列所制成的非晶硅(a-Si:H)PV模块的传统串接结构。该互连通常发生在将第一电池的如氧化锡的前透明导电层10(前触点)互连至邻接电池的如铝的背导电层12的制程中。这些层分别封装在两片玻璃14及16间。为使第n+1个电池的随后沉积的背触点膜直接与毗连的第n个电池的前触点接触，毗接至且位于模块的导电层10和12间的半导体Si膜18(p-i-n层)，利用例如激光划线(laserscribe)的方式切割以外露SnO2前触点10。以此方法，该阵列的个个电池以串联方式连接以增加模块的输出电压。通常，该模块通过乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)的密封层19密封以隔绝空气，该密封层19亦用以黏结前玻璃基板14和背玻璃基板16。
另一利用CIGS PV膜的传统装置模块显示于图2。在这些装置中，光从背对架板21之侧落在装置上，其目的是连接透明导电的氧化物(TCO)，例如连接第n个电池的氧化锌(ZnO)的前电极20到第n+1个电池的钼(Mo)背电极22。每个电池的串接通常使用激光或机械方法以移除不同薄膜材料的窄线而分开不同薄膜及不同电池所产生。在传统结构玻璃/Mo/CIGS/缓冲物/ZnO的CIGS PV装置中，三道划线步骤分别在位置A23，位置B25，及位置C27上进行(参见图2的图示)，以在Mo层22、CIGS膜24、及CIGS/缓冲物/ZnO层20中产生分隔线。第一及最后划线步骤用以在相同的基板上产生不同的(电性分隔)电池，同时第二划线步骤(用于移除CIGS膜以外露Mo膜)是使毗连电池得以串联形式电性连接(太阳能电池的整体整合)的关键程序。
此外，该ZnO前触点(及TCO薄膜，一般包含用于以非晶硅(a-Si)为基材的PV模块的SnO2)于传统上是利用例如激光烧蚀(laser ablation)及机械刮除(mechanical scratch)的划线技术而分隔。此方法会损坏CIGS半导体薄膜，且在“切割”沟槽中的材料可能会劣化。剩留在分隔槽中的残材经常会造成降低该等PV装置输出功率的短路。上述的缓冲物(buffer，未图示)虽非必要，但一般而言为较佳之层。该缓冲层可包括高阻抗ZnO(HR ZnO)或如n型CdS的n型半导体的极薄膜，以由该极薄膜与p型CIGS吸收体膜形成接合点。其它有用的缓冲材料包含ZnS及CdZnS。还有其余材料在较后引用的参考文献中提出。缓冲层在导电性ZnO沉积前沉积至光吸收层之上。为简要起见，在此处所述的图示中，“TCO”一词意指包含ZnO以及缓冲层及ZnO的层积。
一般对这些现有技术及他们关于以串连的膜的机械及/或化学移除的缺点的讨论来说，请参见例如美国专利第6459032号及第6380477号。传统的切割方法例如教示于美国专利第5131954号、第4892592号及第6288325号。此外，在美国专利第4724011号及第4517403号，描述有另一个不需移除半导体薄膜的串接结构。这些方法不外乎是依赖使用激光或局部加热使薄膜短路(并非可预测的或稳健的制程)或是后沉积物理处理的一些性质。上述引用专利所教示内容系以参考文献并入本文中。William N.Shafarman及Lars Stolt于“Handbook of Photovoltaic Science and Engineering”中，由AntonioLugue及Steven Hegedus，John Wiley & Sons Ltd，England(2003)编辑的最新综述文章“Cu(InGa)Se2 Solar Cells”，page 567，Chapter 13，亦以参考文献并入本文中。这些参考文献教示广为知悉且用于所属领域中制造CIGS太阳能装置的方法和这些装置的特性。如在后文参考及并入本文中所提出的，术语“CIGS”亦包含其中一些可由硫置换硒的化合物。
特别于CIGS半导体装置的情况下，并不直接使用激光移除材料。该材料熔化且再填满由激光烧蚀形成的槽(沟)，而不会留下必须制造良好的电接触的干净Mo表面。再者，目前使用的机械切割的传统技术(依赖刀的锋刃切穿层状物)对CIGS膜而言不是稳健制程，因为切割的质量对很多参数过于敏感，例如Mo膜的形貌、Mo膜的表面组成物(MoSex在CIGS长成的高温期间形成)、CIGS膜的特性(包含黏着强度)及与刀顶端有关的基板移动的平滑度，以及对刀的压力等等。前ZnO及背Mo间的互连经常呈现大电阻(劣等触点)。此外，由于需保持一些安全系数，移除膜经常导致太阳能电池的活性区域过度的损失。因此，在前及后触点间产生高质量的互连路径极度需要更简单的替代方法。
至于ZnO前触点，用于形成互连的机械切割既慢、亦难处理、又不十分完善，且需要在设备上的高资金投资(例如：高度准确运动的切割台，以确保平板运动的一致性及准确性)，并且难以在不会损坏底下层状物的情况下，调整用于理想隔离质量的切割深度。我们早已指出通常伴随切割技术而由残材引起的短路问题。
发明内容
本发明公开了一种太阳能光伏模块，包括在共享基板上以串联方式互连的光伏太阳能电池的阵列，每一电池包括前电极及与上述前电极隔开的背电极，以及在上述前电极及背电极间的光吸收光伏膜，上述前电极为透光，且其中，该阵列的第n个太阳能电池的前电极位在后继电池的背电极的上方并通过该光伏膜的一部分而连接至该后继电池，亦即该阵列的第(n+1)个电池的背电极，该光伏膜的该部分已被改质成比该光伏膜的其余部分具有实质上较高的导电性。
该光吸收光伏膜可为CIGS层。
该光伏膜的该高导电性部分通过沿着隔开的窄带掺杂连续的光伏膜而形成，其中，该第n个电池的前电极位在后继第n+1个电池的背电极上。
该掺杂物可为硒化铜。
本发明还公开了一种光伏模块，包括在基板上以串联方式互连的薄膜CIGS光伏太阳能电池的阵列，该阵列的电池包括：
金属背电极，在上述基板上，一电池的背电极与邻接电池的背电极隔开；
光吸收CIGS光伏膜，该膜设置在该阵列中的该电池的背电极上及该些背电极间的空间上；以及
TCO前电极层，其系于上述CIGS膜上，一电池的该TCO层位于邻接电池的该背电极上，且其中，在一电池的该TCO层与该邻接电池的背电极间的该CIGS膜已被掺杂物改质而在毗连电池间形成狭窄导电串联互连带。
该TCO层包含至少一薄缓冲物。
该背电极为钼，该TCO层包括氧化锌及该导电互连掺杂物包括硒化铜，该模块还包括玻璃盖板及密封层。
本发明还公开了一种制造太阳能光伏模块的方法，该模块包括以串联方式互连的太阳能电池的阵列，该方法包括下述步骤：
在具有隔开的第一电极的基板上沉积连续且高电阻的光吸收光伏层以及以掺杂剂沿着窄导电带掺杂上述光伏层而沿着上述窄带形成穿透上述光伏层的导电通路，之后在具有上述导电带的上述光伏层上形成隔开的第二电极，以便在上述的阵列中的一电池的该第一电极与邻接电池的该第二电极间提供串联方式的互连。
在沉积光吸收光伏膜之前，可将呈窄带的掺杂物涂覆于毗连该阵列的该隔开的第一电极边缘处，藉以在沉积上述光伏膜期间形成上述膜中的导电带。
该光伏膜包括CIGS，以及该掺杂物为选自下列群组的成员：Cu、Ag、In、Tl、Ga、K、Cs或它们各自的硒化物、碲化物、硫化物或碘化物。
该掺杂物可为硒化铜。
该阵列的第一电极为在玻璃基板上的钼膜，而该阵列的第二电极为TCO薄膜。
该TCO层包括ZnO及缓冲层。
该具阻抗的连续光吸收光伏膜沉积于上述的第一电极上及与该电极的间隔上，且接着，掺杂物的窄带在上述的PV膜的上沉积，之后对该阵列进行热处理使该掺杂物扩散到上述的光伏膜，以便在其中产生上述的窄导电通路。
该光伏膜包括CIGS，以及该掺杂物为选自下列群组的成员：Cu、Ag、In、Tl、Ga、K、Cs及它们各自的硒化物、碲化物、硫化物和碘化物。
该掺杂物可为硒化铜。
该阵列的第一电极为在玻璃基板上的钼膜，而该阵列的第二电极为TCO电极。
该TCO层包括ZnO及缓冲层。
该缓冲层包括硫化铜。
该缓冲层包括硫化铜。
本发明利用大幅增加在正常光吸收PV膜所欲电接触区域的导电性而达成，且不会显著影响平坦基板的厚度或侧构形。于此处，并非移除如目前经PV膜组制造商实作的活性光吸收膜窄带，且在适当处留下膜而完成该互连，而是改变它的导电性，以便制成从一电池的第一电极连接至邻接电池的第二电极的有效的串联互连。导电性变化系藉由于光吸收层并入适当的掺杂物(或合金元素)而完成，该掺杂物可大幅地降低在接触区域中的活性半导体层的电阻(电阻性)以便在掺杂区中使该区域实质上能导电。
附图说明
图1A及1B显示了现有技术具有以串联方式连接的PV太阳能电池的非晶硅(a-Si:H)PV模块阵列的剖视图；
图2显示现有技术具有以串联方式连接的太阳能电池的阵列的未经封装的CIGS PV板的前剖视图；
图3至7描述逐步形成本发明的太阳能PV模块的一个具体实施例的前剖视图，其中，该导电通路使用于CIGS的前沉积的窄掺杂物带而形成；
图8至13描述逐步形成本发明的太阳能PV模块的另一个具体实施例的前剖视图，其中，该导电通路经将窄掺杂物带涂覆到随后藉加热扩散该掺杂物至该CIGS膜而形成的活性膜表面的手段所形成。
其中，附图标记：
10 前透明导电层 12 背导电层
14，16 玻璃 18 半导体硅膜
19 密封层 20 前电极
21 架板 22 背电极
23 位置A 24 CIGS膜
25 位置B 27 位置C
30 钼膜 32 基板
34 钼膜分隔线 36 掺杂物
38 CIGS膜 40 导电通路
42 透明导电电极层、TCO层 44 TCO电池分隔线
60 钼Mo背电极 62 钼分隔线
64 玻璃基板 66 CIGS膜
68 掺杂物线 70 高导电度狭窄互连通路
72 TCO膜、前电极 74 分隔线
具体实施方式
本发明将就CIGS PV(photovoltaic，PV)太阳能模块方面来描述。但是，对所属领域的技术人员来说，除了CIGS以外，能被用在本发明的实作中的光吸收光伏膜为显而易知。再者，如此处所用的“TCO”一词将包括任何适合的透明导电膜，该透明导电膜包含有那些包含例如引用在Shafarman & Stolt参考文献中所教示的缓冲层的层状物。
一般而言，根据本发明，太阳能电模块包括在基板上形成以串联方式互连薄膜PV太阳能电池的阵列。该阵列的每一电池包括与邻接电池的背电极隔开的背电极、与一电池的背电极接触且至少部分延伸至邻接电池的背电极的光吸收PV膜、在该PV膜的上的TCO前电极，该PV膜小部分位在邻接电池背电极的小部分上，每一电池的TCO前电极及背电极分别地与邻接电池的前电极及背电极隔开，且其中，改质(modify)位于一电池的TCO层及邻接电池的背电极间的正常高电阻PV膜，以便在邻接电池间形成导电串接。
本发明的主要实施例为CIGS膜可能在其沉积后的适当位置留下，但会在电池互连的区域中改变其导电性，以便在第一电极(例如ZnO透明电极)及邻接电池的第二电极(例如Mo电极)间制造有效的互连。导电性变化可以通过在互连区域的CIGS膜中并入一种或多种适合的掺杂物或合金元素而达成。通常，该掺杂物改变该CIGS膜的片电阻(sheet resistance)从约105Ohm/Square至10Ohm/Square以下。在CIGS膜中用于降低该片电阻的可能的掺杂物为金属，例如Cu、Ag、In、Au、Tl、Ga、K和Cs或其化合物例如硒化物、碲化物、硫化物或碘化物。一般来说，相较于如Cu2Se的掺杂物，控制及限制金属掺杂物的横向扩散是较为困难的，因而控制该阵列的互联机的宽度。欲用的掺杂物的用量亦即该掺杂物层的厚度及其宽度则依CIGS吸收层的厚度而定。
如实施例，对1.5微米厚CIGS膜而言，具有约0.5微米厚而呈窄带的掺杂物化合物应该足够形成低电阻互连路径。当呈窄带的Cu2Se掺杂物层在形成CIGS之前沉积时，由于在形成该CIGS的温度(通常为500℃至600℃)，故在CIGS层形成后不需进一步的热处理，该掺杂物易扩散到CIGS以形成仅含少量增宽的窄掺杂物线的低电阻互连。但是，当掺杂物层在现有CIGS层之上沉积时，阵列必须进行热处理以使掺杂物扩散至CIGS层而形成导电通路。加热至约300℃持续二分之一小时便足够。
此发明的两个具体实施例以相关附图说明。在第一具体实施例(图3至7)中，在如玻璃的基板32上形成图案化的钼膜30作为模块的背电极。在毗连的Mo膜间的空间34形成电池分隔线。呈薄窄带的“掺杂物”材料36沉积在毗连Mo膜分隔线34的Mo膜30上。合适的掺杂物包含但不限定于Cu2Se、Cu2S及含银的合金。当沉积连续的CIGS膜38时，掺杂物36扩散到该CIGS膜38以形成包括掺杂的CIGS或合金的CIGS的局部导电通路40。在CIGS半导体膜38形成期间，当形成导电通路作为自然程序的部分时，此制程不需发生特定的后沉积处理。此为本发明的具体实施例的较佳方法。在沉积CIGS膜之后，在阵列的上形成透明导电电极层42(含或不含缓冲层)，例如ZnO或CdS/HRZnO/ZnO。然后通过该TCO层提供TCO电池分隔线44。只要该分隔线44延伸穿过TCO层42，该些分隔线44亦可以或可以不延伸穿过或部分延伸穿过CIGS膜38(比较图6及图7)。导电互连在阵列中的毗连电池间形成串联连接。
图8至13说明形成本发明的新颖PV模块的第二具体实施例。根据此具体实施例，以在所欲的位置用后沉积方式修改CIGS膜的导电性而完成。此处，于玻璃基板64上提供经Mo分隔线62分开的Mo背电极60。在阵列的上沉积连续的CIGS膜66为所属领域技术人员所周知的。在CIGS膜66形成之后，窄掺杂物线68沉积在毗连Mo分隔线62处位于Mo电极60上的CIGS膜66上。样品随后的处理(热或激光或热压处理)导致掺杂物扩散到CIGS主体，以在所欲的位置产生高导电度狭窄互连通路70。TCO膜72沉积在CIGS膜66之上。然后在TCO膜72中形成分隔线74，以便提供阵列的电池的前电极72。一电池的TCO电极72不论是否有移除任何CIGS膜，皆与邻接电池的Mo背电极60产生良好电接触。如先前所示，该TCO膜可为导电的氧化物，例如ZnO或ZnSnO且可并入薄缓冲层，例如HR ZnO及/或CdS。再者，在前电极的隔离期间，于下方的CIGS膜全部、部分或没有被移除。
应注意前述提及的两个具体实施例中，掺杂物没有大量横向扩散，此横向扩散将导致互连导线不必要的加宽，且会在不同活性CIGS材料中产生死角。
在所属领域的技术人员所周知的任何方法可用在所欲的位置上沉积材料。该些方法包含网版印刷、激光加热、以印刷头定义界线、通过罩幕蒸镀等等。更甚者，若TCO层通过罩幕沉积，而使每一电池的TCO层与邻接电池的TCO层分隔开来，随后将不需隔离步骤而使CIGS层(包含导电带)能保持为连续层。
Claims (16)
1.一种太阳能光伏模块，包括在共享基板上以串联方式互连的光伏太阳能电池的阵列，每一电池包括前电极及与上述前电极隔开的背电极，以及在上述前电极及背电极间的光吸收光伏膜，上述前电极为透光，且其中，该阵列的第n个太阳能电池的前电极位在后继电池的背电极的上方并通过该光伏膜的一部分而连接至该后继电池，亦即该阵列的第(n+1)个电池的背电极，该光伏膜的该部分已被改质成比该光伏膜的其余部分具有实质上较高的导电性。
2.如权利要求1所述的太阳能光伏模块，其特征在于，该光吸收光伏膜为CIGS层。
3.如权利要求2所述的太阳能光伏模块，其特征在于，该光伏膜的该高导电性部分通过沿着隔开的窄带掺杂连续的光伏膜而形成，其中，该第n个电池的前电极位在后继第n+1个电池的背电极上。
4.如权利要求3所述的太阳能光伏模块，其特征在于，该掺杂物为硒化铜。
5.一种光伏模块，包括在基板上以串联方式互连的薄膜CIGS光伏太阳能电池的阵列，其特征在于，该阵列的电池包括：
金属背电极，在上述基板上，一电池的背电极与邻接电池的背电极隔开：
光吸收CIGS光伏膜，该膜设置在该阵列中的该电池的背电极上及该些背电极间的空间上；以及
TCO前电极层，其系于上述CIGS膜上，一电池的该TCO层位于邻接电池的该背电极上，且其中，在一电池的该TCO层与该邻接电池的背电极间的该CIGS膜已被掺杂物改质而在毗连电池间形成狭窄导电串联互连带。
6.如权利要求5所述的光伏模块，其特征在于，该TCO层包含至少一薄缓冲物。
7.如权利要求6所述的光伏模块，其特征在于，该背电极为钼，该TCO层包括氧化锌及该导电互连掺杂物包括硒化铜，该模块还包括玻璃盖板及密封层。
8.一种制造太阳能光伏模块的方法，该模块包括以串联方式互连的太阳能电池的阵列，其特征在于，该方法包括下述步骤：
在具有隔开的第一电极的基板上沉积连续且高电阻的光吸收光伏层以及以掺杂剂沿着窄导电带掺杂上述光伏层而沿着上述窄带形成穿透上述光伏层的导电通路，之后在具有上述导电带的上述光伏层上形成隔开的第二电极，以便在上述的阵列中的一电池的该第一电极与邻接电池的该第二电极间提供串联方式的互连。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在沉积光吸收光伏膜之前，将呈窄带的掺杂物涂覆于毗连该阵列的该隔开的第一电极边缘处，藉以在沉积上述光伏膜期间形成上述膜中的导电带。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，该光伏膜包括CIGS，以及该掺杂物为选自下列群组的成员：Cu、Ag、In、Tl、Ga、K、Cs或它们各自的硒化物、碲化物、硫化物或碘化物。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，该掺杂物为硒化铜，该阵列的第一电极为在玻璃基板上的钼膜，而该阵列的第二电极为TCO薄膜。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该TCO层包括ZnO及包括硫化铜的缓冲层。
13.如权利要求8所述的方法，其特征在于，该具阻抗的连续光吸收光伏膜沉积于上述的第一电极上及与该电极的间隔上，且接着，掺杂物的窄带在上述的PV膜的上沉积，之后对该阵列进行热处理使该掺杂物扩散到上述的光伏膜，以便在其中产生上述的窄导电通路。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，该光伏膜包括CIGS，以及该掺杂物为选自下列群组的成员：Cu、Ag、In、Tl、Ga、K、Cs或它们各自的硒化物、碲化物、硫化物或碘化物。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该掺杂物为硒化铜，该阵列的第一电极为在玻璃基板上的钼膜，而该阵列的第二电极为TCO电极。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，该TCO层包括ZnO及包括硫化铜的缓冲层。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20090617 |