CN102356476A - 串联光伏电池及使用三个玻璃基板构造的方法 - Google Patents

串联光伏电池及使用三个玻璃基板构造的方法 Download PDF

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霍华德·W·H·李
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Abstract

一种串联光伏电池装置，包括被构造用于基本上独立操作上部电池的下部电池。所述下部电池具有下部玻璃基板材料和覆盖所述玻璃材料的由反射材料制成的下部电极层、覆盖所述下部电极层的下部吸收剂层，且包括覆盖所述下部吸收剂层的下部窗口层、覆盖所述下部窗口层的下部透明导电氧化物层以及覆盖所述下部透明导电氧化物层的包含乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的光耦合材料。所述上部电池具有中间玻璃基板材料、第一上部透明导体层、上部p型吸收剂层；上部n型窗口层；覆盖所述n型窗口层的第二上部透明导电氧化物层、覆盖所述上部透明导电氧化物层的包含乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的光耦合材料以及上部玻璃材料。

Description

串联光伏电池及使用三个玻璃基板构造的方法
相关申请的引用
本申请要求下述的优先权：
·由发明人Chester A Farris III，Howard W.H.Lee和Robert Wieting在2010年3月12日提交的题为“TANDEM PHOTOVOLTAIC CELL ANDMETHOD USING THREE GLASS SUBSTRATE CONFIGURATION(串联光伏电池及使用三个玻璃基板构造的方法)”的美国专利申请号12/723,455；以及
·由发明人Chester A Farris III，Howard W.H.Lee和Robert Wieting共同转让的在2009年3月16日提交的题为“TANDEM PHOTOVOLTAICCELL AND METHOD USING THREE GLASS SUBSTRATECONFIGURATION(串联光伏电池及使用三个玻璃基板构造的方法)”的美国临时专利申请号61/160,515。
申请号12/723,455通过参考并入且要求申请号61/160,515的优先权。出于所有目的，通过参考将申请号12/723,455和61/160,515并入本文中。
技术领域
本发明通常涉及光伏材料及制造方法。更特别地，本发明提供了用于制造高效率多结薄膜光伏电池的方法和结构。仅举例来说，本发明的方法和材料包括由铜铟二硫化物(铜铟二硫，二硫化铟铜，copper indiumdisulfide)物质、铜锡硫化物、二硫化铁或用于多结电池的其他物质制成的吸收剂材料。
背景技术
从一开始，人类就已经不断挑战以寻找利用能量的方式。能量以诸如石化产品、水电、核、风、生物质、太阳能的形式，以及更原始的形式如木材和煤出现。在上个世纪中，现代文明已经依赖于石化能量作为重要的能源。石化能量包括天然气和石油。天然气包括更轻的形式如丁烷和丙烷，其通常用于为住宅供暖且用作用于烹饪的燃料。天然气还包括通常用于运输目的的汽油、柴油和喷气燃料。在一些地方，也可以将石油化学产品的较重形式用于为住宅供暖。不幸地，基于在行星地球上可获得的量，石化燃料的供应有限且基本固定。另外，随着更多的人以增长的量使用石油产品，其快速地变为稀缺资源，随着时间的推移，这最终将变得枯竭。
更近地，已经期望环境清洁且可再生的能源。清洁能源的实例是水电力(水力发电)。水电力来自由水坝如内华达州的胡佛水坝(Hoover Dam)产生的水流驱动的发电机。将产生的电能用于对加利福尼亚州的洛杉矶的大部分城市供电。清洁且可再生的能源还包括风、波、生物质等。即，风车将风能转换为更有用形式的能量如电。还有的其他种类的清洁能源包括太阳能。在整个本发明背景且更特别地在下面可以发现太阳能的具体细节。
太阳能技术通常将来自太阳的电磁辐射转换为其他有用形式的能量。这些其他形式的能量包括热能和电能。对于电能应用，经常使用太阳能电池。尽管太阳能在环境上是清洁的并且已在一定程度上是成功的，但是在遍及全世界广泛使用其之前，仍然有许多限制有待解决。例如，一种类型的太阳能电池使用来源于半导体材料锭的结晶材料。这些结晶材料可用于制造包括光伏和光电二极管装置的光电装置，其将电磁辐射转换为电能。然而，结晶材料通常昂贵且难以大规模制备。另外，由这种结晶材料制成的装置通常具有较低的能量转换效率。其他种类的太阳能电池使用“薄膜”技术以形成待用于将电磁辐射转换为电能的感光材料的薄膜。在制造太阳能电池中使用薄膜技术时存在类似的限制。即，效率通常较低。另外，膜可靠性通常较差且不能在常规环境应用中长时间使用。通常，薄膜难以互相机械地结合。在整个本说明书中并且更特别地在下面可以发现这些常规技术的这些和其他限制。
根据上述可以看出，期望用于制造光伏材料和所得到的装置的改进的技术。
发明内容
根据本发明的实施方式，提供了一种用于形成用于光伏应用的薄膜半导体材料的方法和结构。更特别地，本发明提供了一种用于制造高效率多结薄膜光伏电池的方法和结构。仅举例来说，本发明的方法和材料包括由铜铟二硫化物物质、铜锡硫化物、二硫化铁或用于多结电池的其他材料制成的吸收剂材料。
在一个具体实施方式中，本发明提供了一种串联光伏电池装置。所述装置包括被构造用于基本上独立操作上部电池的下部电池。在一个优选的实施方式中，所述下部电池具有下部玻璃基板材料和覆盖所述玻璃材料的由反射材料制成的下部电极层。所述下部电池还具有覆盖所述下部电极层的下部吸收剂层。在一个优选的实施方式中，由半导体材料制成的吸收剂层具有在Eg＝0.7eV至1eV范围内，但是可以稍微更大如1.05eV及更大的第一带隙能量。所述下部电池包括覆盖所述下部吸收剂层的下部窗口层、覆盖所述下部窗口层的下部透明导电氧化物层以及覆盖所述下部透明导电氧化物层的包含第一乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(聚乙烯醋酸乙烯酯，ethylene vinyl acetate)的第一光耦合材料。在一个具体实施方式中，所述装置还具有耦接(连接，耦合，couple)至所述下部电池的上部电池。所述上部电池包含具有厚度、下表面和上表面的中间玻璃基板材料。在一个具体实施方式中，所述厚度是约1.1毫米及更小。所述下表面覆盖所述光耦合材料。所述上部电池还具有覆盖所述中间玻璃基板材料的上表面的第一上部透明导体层以及覆盖所述第一上部透明导体层的上部p型吸收剂层。
在一个优选的实施方式中，所述p型导体层由具有在Eg＝1.5eV至1.9eV范围内的第二带隙能量的半导体材料制成。所述上部电池还具有覆盖所述上部p型吸收剂层的上部n型窗口层。所述上部电池具有覆盖所述上部n型窗口层的第二上部透明导电氧化物层。所述上部电池具有覆盖所述第二上部透明导电氧化物层的包含第一乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的第二光耦合材料。所述上部电池具有覆盖所述上部透明导电氧化物层的上部玻璃材料和夹在它们之间的所述第二光耦合材料。更具体地，所述上部玻璃材料覆盖所述第二光耦合材料，所述第二光耦合材料自身覆盖所述上部透明电极。在一个具体实施方式中，所述装置具有设置在所述下部玻璃基板材料和所述中间玻璃基板材料的下表面之间的第一封边材料。举例来说，所述第一封边材料可以是由Tru Seal Technologies，Inc.制成的产品，但也可以是其他材料。在一个具体实施方式中，所述装置具有设置在所述上部玻璃材料和所述中间玻璃基板材料的上表面之间的第二封边材料。再次举例来说，所述第二封边材料可以是由Tru Seal Technologies制成的产品，但也可以是其他材料。这种产品的一个实例称作DurasealTM，其是由TruSeal Technologies，Inc.制备的提供优异热效率的节省成本的体系。
通过本发明的方式可以获得许多益处。例如，本发明能够使用可商购获得的原料来形成覆盖合适基板构件的半导体支承材料(半导体承载材料，semiconductor bearing material)的薄膜。可以对半导体支承材料的薄膜进行进一步处理以形成具有期望特性如原子化学计量、杂质浓度、载流子浓度、掺杂及其他的半导体薄膜材料。在一个具体实施方式中，上部电池与下部电池独立构造且通过中间玻璃层而耦接在一起。在一个优选的实施方式中，上部电池构造使用可以被结合或改变的优选电极层而发生。在一个具体实施方式中，本发明的上部和下部太阳能电池可以被独立地制造，并随后使用在“Multi-Junction Solar Module and Method for CurrentMatching Between a Plurality of First Photovoltaic Devices and Second(多结太阳能模块以及用于多个第一光伏器件和第二光伏器件之间的电流匹配的方法)”中所描述的技术而电子构造，其中Lee，Howard W.H.和Farris，III，ChesterA.是发明人，且作为共同转让的在2008年8月27日提交的美国临时专利申请号61/092,383而列出，由此通过参考将其并入本文中。另外，根据一个具体实施方式，本发明的方法使用比其他薄膜光伏材料的毒性相对更低的环境友好材料。取决于实施方式，可以获得一种或多种益处。将在整个本说明书中并且特别是在下面对这些和其他益处进行更详细地描述。
仅举例来说，本发明的方法和材料包括由铜铟二硫化物物质、铜锡硫化物、二硫化铁或用于单结电池或多结电池的其他材料制成的吸收剂材料。根据一个具体实施方式，也可以使用其他材料。
附图说明
图1是根据本发明的实施方式使用三个玻璃层的四端子多结光伏电池的简图；
图2是根据本发明实施方式的多结光伏电池的横截面视图的简图；
图3是示出了根据本发明具体实施方式的选择性滤光法的简图；
图4是示出了根据本发明实施方式的串联电池的简图；以及
图5是根据本发明实施方式的20×20cm串联电池结构中对于上部电池和下部电池两者的示例性太阳能电池IV特性图。
具体实施方式
根据本发明的实施方式，提供了用于形成用于光伏应用的薄膜半导体材料的方法和结构。更特别地，本发明提供了用于制造高效率多结薄膜光伏电池的方法和结构。仅举例来说，本发明的方法和材料包括由铜铟二硫化物物质、铜锡硫化物、二硫化铁或用于多结电池的其他材料制成的吸收剂材料。
图1是根据本发明实施方式的四端子多结光伏电池的简图100。所述图仅是示例性的且不应不适当地限制本文中的权利要求书的范围。本领域普通技术人员会认识到其他变型、修改和替换。如同所示的，本发明提供了多结光伏电池装置100。所述装置包括下部电池103和上部电池101，所述上部电池101可操作地耦接至所述下部电池且通过玻璃基板125而互相机械地耦接，所述玻璃基板125是玻璃或其他合适材料的薄层。在一个具体实施方式中，术语下部和上部并不是限制性的而是应当由本领域普通技术人员通过平常的含意来解释。通常，所述上部电池比所述下部电池更接近于电磁辐射源，所述下部电池接收穿过所述上部电池之后的电磁辐射。另外，每个电池单独制造，然后互相耦接，这导致制造更加容易等。当然，还可以有其他变型、修改和替换。
在一个具体实施方式中，所述下部电池包括下部玻璃基板材料119，例如透明玻璃、钠钙玻璃、或者其他透光性基板或可能不透明的其他基板。所述下部电池还包括覆盖所述玻璃材料的由反射材料制成的下部电极层。在一个具体实施方式中，所述下部电极层可以是铝材料、金材料、银材料、钼、它们的组合等。当然，可以有其他变型、修改和替换。
所述下部电池包括覆盖所述下部电极层的下部吸收剂层。在一个优选的实施方式中，所述下部吸收剂层由铜铟二硒化物或铜铟镓二硒化物等制成。如所示的，吸收剂和电极层由附图标记117示出。在一个具体实施方式中，所述吸收剂层由具有在Eg＝0.7eV至1eV范围内，但是可以稍微大于1eV的第一带隙能量的第一半导体材料等制成。在一个具体实施方式中，所述下部电池包括覆盖所述下部吸收剂层的下部窗口层以及覆盖所述下部窗口层的下部透明导电氧化物层115。在一个具体实施方式中，所述下部窗口层可以是硫化镉或其他合适材料。在一个优选的实施方式中，所述下部窗口层是n-型硫化镉且所述下部透明导电氧化物层是氧化锌，但也可以是其他。当然，存在其他变型、修改和替换。
在一个具体实施方式中，所述下部电池具有覆盖所述下部透明导电氧化物层的第一光耦合材料。在一个具体实施方式中，所述光耦合材料可以是通常称作EVA的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、通常称作PVA的聚醋酸乙烯酯等。所述耦合材料使用合适的厚度施加且在所述下部透明导电氧化物层和下面将更详细描述的覆盖层之间提供机械支持和光耦合。当然，存在其他变型、修改和替换。
在一个具体实施方式中，所述上部电池通过中间玻璃基板材料耦接至所述下部电池。在一个具体实施方式中，所述中间玻璃基板材料具有厚度、下表面和上表面。在一个优选的实施方式中，所述厚度为约1.1毫米或更小。所述下表面覆盖所述光耦合材料。在一个具体实施方式中，所述中间玻璃基板材料可以是1毫米或更小的低铁玻璃。当然，可以有其他变型、修改和替换。
在一个具体实施方式中，所述上部电池具有覆盖所述中间玻璃材料的上表面的第一上部透明导体层。在一个具体实施方式中，所述上部透明导体层可以是氧化锌、ZnO:Al(AZO)等。在一个具体实施方式中，上部透明导体可以是p+型透明导体层。在一个具体实施方式中，所述上部电池是覆盖所述下部透明导电氧化物层的p+型透明导体层109。在一个优选的实施方式中，所述p+型透明导体层的特征在于，穿过在至少约700nm至约630nm波长范围内的电磁辐射且滤除在约490nm至约450nm波长范围内的电磁辐射。当然，可以有其他变型、修改和替换。
在一个具体实施方式中，所述上部电池还具有覆盖所述第一上部透明导体层的上部p型吸收剂层。在一个优选的实施方式中，所述p型吸收剂层由第二半导体材料制成，所述第二半导体材料的特征在于在Eg＝1.5eV至1.9eV范围内的第二带隙能量，但也可以是其他。所述上部电池还具有覆盖所述上部p型吸收剂层的上部n型窗口层。再次参考图1，窗口和吸收剂由附图标记107示出。所述上部电池还具有覆盖所述上部n-型窗口层的第二上部透明导电氧化物层105以及覆盖所述上部透明导电氧化物层的上部玻璃材料。在一个具体实施方式中，第二上部透明导电层是ZnO:Al或其他合适材料。根据一个具体实施方式，所述上部玻璃层是具有约2毫米及更大厚度的低铁无色透明玻璃。当然，可以有其他变型、修改和替换。
在一个具体实施方式中，所述装置具有设置在所述下部玻璃基板材料和所述中间玻璃基板材料的下表面之间的第一封边材料。例如，所述第一封边材料可以是由Tru Seal Technologies，Inc.制成的产品，但也可以是其他材料。在一个具体实施方式中，所述装置具有设置在所述上部玻璃材料和所述中间玻璃基板材料的上表面之间的第二封边材料。再次举例来说，所述第二封边材料可以是由Tru Seal Technologies，Inc.制成的产品，但也可以是其他材料。当然，可以有其他变型、修改和替换。
在一个具体实施方式中，所述多结光伏电池包括四个端子。所述四个端子由附图标记111、113、121和123限定。可替换地，所述多结光伏电池还可以包括三个端子，其共享优选最接近于所述上部电池和所述下部电池之间的界面区域的共用电极。在其他实施方式中，取决于应用，所述多结电池尤其是还可以包括两个端子。在2007年11月11日提交的美国临时专利申请号60/988,414(其被共同转让并由此通过参考将其并入本文中)中提供了其他电池构造的实例。当然，可以有其他变型、修改和替换。另外，对每个电池进行构造以提供在“Multi-Junction Solar Module and Methodfor Current Matching Between a Plurality of First Photovoltaic Devices andSecond”中描述的匹配电流，其中Lee，Howard W.H.和Farris，III，ChesterA.是发明人，且作为在2008年8月27日提交的美国临时专利申请号61/092,383而列出，其被共同转让并由此通过参考将其并入本文中。在整个本说明书中且更特别地在下面可以发现所述四端子电池的进一步细节。
图2是根据本发明实施方式的多结光伏电池的横截面视图200的简图。所述图仅是示例性的且不应不适当地限制本文中的权利要求书的范围。本领域普通技术人员会认识到其他变型、修改和替换。如所示的，本发明提供了多结光伏电池装置200。所述装置包括下部电池230和上部电池220，所述上部电池220可操作地耦接至所述下部电池且使用玻璃薄层而机械耦接。在一个具体实施方式中，术语下部和上部并不是限制性的而是应当由本领域普通技术人员通过平常的含意来解释。通常，所述上部电池比所述下部电池更接近于电磁辐射源，所述下部电池接收穿过所述上部电池之后的电磁辐射。当然，可以有其他变型、修改和替换。
在一个具体实施方式中，所述下部电池包括下部玻璃基板材料219，例如透明玻璃、钠钙玻璃、或者其他透光性基板或可能不透明的其他基板。所述玻璃材料或基板也可以被其他材料如聚合物材料、金属材料或半导体材料，或者它们的任意组合代替。另外，取决于实施方式，所述基板可以是刚性的、柔性的或者任何形状和/或形式。当然，可以有其他变型、修改和替换。
在一个具体实施方式中，所述下部电池还包括覆盖所述玻璃材料的由反射材料制成的下部电极层217。根据一个具体实施方式，所述反射材料可以是单一均质材料、复合材料或层状结构。在一个具体实施方式中，所述下部电极层由选自铝、银、金、钼、铜、其他金属的材料和/或导电介质膜(介电膜，conductive dielectric film)等制成。所述下部反射层将穿过一个或多个电池的电磁辐射反射回至所述一个或多个电池用于产生通过所述一个或多个电池的电流。当然，可以有其他变型、修改和替换。
如所示的，所述下部电池包括覆盖所述下部电极层的下部吸收剂层215。在一个具体实施方式中，所述吸收剂层由具有在Eg＝0.7eV至1eV范围内，但是可以稍微大于1eV或其他的带隙能量的半导体材料制成。在一个具体实施方式中，所述下部吸收剂层由选自Cu2SnS3、FeS2和CuInSe2的半导体材料制成。所述下部吸收剂层包括范围从约第一确定量到第二确定量的厚度，但也可以是其他。取决于实施方式，所述下部电池的光伏吸收剂(吸收体)可以使用铜铟镓硒化物(CIGS)或铜铟镓硫硒化物(CIGSS)形成，所述铜铟镓硒化物(CIGS)是铜、铟、镓和硒的化合物。当然，可以有其他变型、修改和替换。
在一个具体实施方式中，所述下部吸收剂材料包含铜铟硒化物(“CIS”)和铜镓硒化物，其具有化学式CuInxGa(1-x)Se2，其中x值可以从1(纯铜铟硒化物)到0(纯铜镓硒化物)变化。在一个具体实施方式中，所述CIGS材料的特征在于带隙随x从约1.0eV至约1.7eV而变化，但也可以是其他，尽管带隙能量优选在约0.7eV至约1.1eV之间。在一个具体实施方式中，所述CIGS结构可以包括在美国专利号4,611,091和4,612,411(由此通过参考将其并入本文中)中描述的那些以及其他结构。当然，可以有其他变型、修改和替换。
在一个具体实施方式中，所述下部电池包括覆盖所述下部吸收剂层的下部窗口层以及覆盖所述下部窗口层的下部透明导电氧化物层215。在一个具体实施方式中，所述下部窗口层由选自硫化镉、镉锌硫化物的材料或其他合适材料制成。在其他实施方式中，其他n-型化合物半导体层包括但不限于n-型II-VI族化合物半导体如硒化锌、硒化镉，但也可以是其他。当然，可以有其他变型、修改和替换。所述透明导体氧化物层是铟锡氧化物(氧化铟锡)或其他合适材料。
在一个优选的实施方式中，所述下部电池具有覆盖所述透明导电氧化物层的第一光耦合材料。在一个具体实施方式中，所述光耦合材料可以是通常称作EVA的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、通常称作PVA的聚醋酸乙烯酯等。当然，可以有其他变型、修改和替换。
在一个具体实施方式中，所述上部电池通过中间玻璃基板材料231耦接至所述下部电池。在一个优选的实施方式中，使包括上部电池的所述中间玻璃独立(stand alone)并通过光耦合材料如EVA等耦接至所述下部电池。在一个具体实施方式中，所述中间玻璃基板材料具有厚度、下表面和上表面。在一个优选的实施方式中，所述厚度为约1.1毫米或更小。所述下表面覆盖所述光耦合材料。在一个具体实施方式中，所述中间玻璃基板材料可以是1毫米或更小的低铁玻璃。当然，可以有其他变型、修改和替换。
在一个具体实施方式中，所述上部电池包括覆盖所述中间玻璃基板材料的透明导体层，所述透明导体层可以是p+型透明导体层209。在一个具体实施方式中，所述透明导体层尤其可以是ITO、AZO或TFO。在一个具体实施方式中，所述透明导体层覆盖所述中间玻璃基板而形成。当然，可以有其他变型、修改和替换。
在一个具体实施方式中，所述p+型透明导体层的特征在于，穿过在至少从约700nm至约630nm波长范围内的电磁辐射且滤除在约490nm至约450nm波长范围内的电磁辐射。在一个优选的实施方式中，所述p+型透明导体层包含ZnTe物质，包括ZnTe结晶材料或多晶材料。在一个或多个实施方式中，所述p+型透明导体层尤其掺杂有选自Cu、Cr、Mg、O、Al或N、组合的至少一种或多种物质。在一个优选的实施方式中，所述p+型透明导体层的特征在于选择性地使红光通过且滤除具有约400nm至约450nm波长范围的蓝光。另外，在一个优选的实施方式中，所述p+型透明导体层的特征在于，带隙能量在Eg＝1.5eV至1.9eV的范围内，或者带隙与所述上部p型吸收剂层相似。当然，可以有其他变型、修改和替换。
在一个具体实施方式中，所述上部电池具有覆盖所述p+型透明导体层的上部p型吸收剂层207。在一个优选的实施方式中，由半导体材料制成的所述p型吸收剂层具有在Eg＝1.5eV至1.9eV范围内的带隙能量，但也可以是其他。在一个具体实施方式中，所述上部p型吸收剂层选自CuInS2、Cu(In，Al)S2、Cu(In，Ga)S2或其他合适材料。所述吸收剂层使用合适技术如在2008年6月5日提交的美国序列号61/059,253(其被共同转让并由此通过参考将其并入本文中)中所述的那些制造。当然，可以有其他变型、修改和替换。
返回参考图2，所述上部电池还具有覆盖所述上部p型吸收剂层的上部n型窗口层205。在一个具体实施方式中，所述n型窗口层选自硫化镉(CdS)、硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、氧化锌(ZnO)、锌镁氧化物(ZnMgO)或其他并且为了导电性可以掺杂有杂质，例如n+型。根据一个具体实施方式，所述上部电池还具有覆盖所述上部n型窗口层的上部透明导电氧化物层203。所述透明氧化物可以是铟锡氧化物和其他合适材料。例如，TCO可以选自由In2O3:Sn(ITO)、ZnO:Al(AZO)、SnO2:F(TFO)组成的组，并且也可以是其他材料。
在一个具体实施方式中，所述上部电池还包括覆盖所述上部透明导电氧化物层的防护玻璃(覆盖玻璃，cover glass)201或上部玻璃材料。所述上部玻璃材料为机械冲击和刚性提供了合适的支撑。所述上部玻璃可以是透明玻璃或其他。在一个具体实施方式中，第二耦合材料将所述防护玻璃耦接至所述上部透明导电层。在一个优选的实施方式中，所述耦合材料是EVA，但也可以是其他材料。当然，可以有其他变型、修改和替换。
在一个具体实施方式中，所述多结光伏电池以四端子构造包括耦接至下部电池230的上部电池220。可替换地，如所提到的，所述多结光伏电池还可以包括三个端子，所述三个端子共享优选最接近于所述上部电池和所述下部电池之间的界面区域的共用电极。在其他实施方式中，取决于应用，所述多结电池尤其是还可以包括两个端子。当然，可以有其他变型、修改和替换。可以在整个本说明书中并且更特别地在下面发现所述四端子电池的进一步细节。
图3是示出了根据本发明具体实施方式的选择性滤光法的简图。所述图仅是示例性的且不应当不适当地限制本文中权利要求书的范围。本领域普通技术人员会认识到其他变型、修改和替换。如所示出的是使用多结光伏电池，如在本说明书中所描述的那些多结光伏电池的方法。在一个具体实施方式中，所述方法包括穿过可操作地耦接至下部电池的上部电池照射太阳光。如所示的，所述照射通常包括对应于蓝光301和红光303的波长，包括微小的或其他变型。在一个具体实施方式中，所述上部电池包括覆盖下部透明导电氧化物层的p+型透明导体层。所述p+型导体层还耦接至p-型吸收剂层且还具有与所述吸收剂层基本相似的带隙，从而有效地延长所述吸收剂层。如所示的，所述方法选择性地使来自太阳光的在至少从约700nm至约630nm波长范围内的电磁辐射穿过所述p+型透明导体层。在一个优选的实施方式中，所述p+型导体层还滤除或阻挡在约490nm至约450nm波长范围内的电磁辐射通过所述p+型透明导体层。取决于实施方式，所述方法还包括其他变型。
在一个优选的实施方式中，本发明的多结电池具有改进的效率。例如，根据一个具体实施方式，本发明的多结电池具有由CuInS2制成的上部电池，其具有约12.5％及更大或10％及更大的效率。在一个具体实施方式中，所述多结电池具有15％或更大或者18％或更大的总效率。所述效率通常被称为“功率效率”，其通过电功率输出/光功率输入测得。当然，也可以有其他变型、修改和替换。
图4是示出了根据本发明实施方式的串联电池装置400的简图。所述图仅是示例性的且不应当不适当地限制本文中权利要求书的范围。本领域普通技术人员会认识到其他变型、修改和替换。如所示的，根据一个具体实施方式，所述装置包括上部电池和下部电池。根据一个具体实施方式，所述装置包括三个玻璃层，所述三个玻璃层包括防护玻璃405、中间玻璃408和下部玻璃基板404，在所述中间玻璃和下部电池以及防护玻璃和上部电池之间使用耦接层将它们耦接在一起。在一个优选的实施方式中，所述电池的每个边缘都使用封边带(edge tape)等密封。
在一个具体实施方式中，所述装置具有设置在所述下部玻璃基板材料和所述中间玻璃基板材料的下表面之间的第一封边材料403。举例来说，所述第一封边材料可以是由Tru Seal Technologies，Inc.制成的产品，但也可以是其他材料。在一个具体实施方式中，所述装置具有设置在所述上部玻璃材料和所述中间玻璃基板材料的上表面之间的第二封边材料401。再次举例来说，所述第二封边材料可以是由Tru Seal Technologies，Inc.制成的产品，但也可以是其他材料。当然，可以有其他变型、修改和替换。
图5是根据本发明实施方式的20×20cm串联电池结构中对于上部电池和下部电池两者的示例性太阳能电池IV特性图。所述图仅是一个实例，其不应当不适当地限制本文中的权利要求书。本领域技术人员会认识到其他变型、修改和替换。在该实例中，曲线510是由以串联结构的上部电池推导出的IV特性曲线，所述串联结构包括铜铟二硫化物薄膜光伏吸收剂。将所述上部电池的电流密度对偏压作图。所述曲线与y轴相交的短路电流值为约21.5mA/cm2且与零电流线相交的偏压为约0.8V。特别地，与所述上部电池相关的所述吸收剂层的厚度为约1.5μm且其能量带隙为约1.55eV。基于标准式，可以估计电池转换效率η：
η = J SC · V OC · FF P in ( AM 1.5 )
其中JSC是电池的短路电流密度，VOC是所施加的开路偏压，FF是所谓的填充因子，其定义为最大功率点除以开路电压(VOC)和短路电流(JSC)的比率。对于该装置的填充因子是0.67。在标准试验条件[即，指定如下的STC：25℃的温度和具有大气质量(气体物质，air mass)1.5(AM 1.5)光谱的1000W/m2的照射度]下的输入光照射度(Pin，以W/m2计)和太阳能电池的表面积(以m2计)。因此，对于由根据本发明实施方式的方法制备的上部电池，能够准确估计11.2％的效率。
如图5中所示，曲线520是以相同串联结构的下部电池的IV特性曲线。所述下部电池包括薄膜光伏吸收剂，所述薄膜光伏吸收剂包含具有约1.05eV能量带隙的铜铟(镓)二硒化物材料。所述下部电池层叠在所述上部电池下方，在它们之间具有中间玻璃基板。在特性测量期间，所述下部电池仅被构造为接收透过所述上部电池的光，其主要是太阳光谱的红色带。所述曲线与y轴相交的短路电流值为约6.5mA/cm2且与零电流线相交的偏压为约0.45V。对于该装置的填充因子是0.8。相似地，对于以上述串联结构的这种特别的下部电池，可以推导出为约2.3％的效率值。因此，所述串联结构电池具有约13.5％的有效功率效率。当然，可以有其他变型、修改和替换。
尽管已经根据具体实施方式对上文进行了说明，但是可以有其他修改、替换和变型。应当理解，本文中所述的实例和实施方式仅出于说明性目的且对于本领域技术人员来说，会根据其提出各种修改或改变并将其包含在本申请的精神和范围以及所附权利要求书的范围内。

Claims (19)

1.一种串联光伏电池装置，包括：
被构造用于基本上独立操作上部电池的下部电池，所述下部电池包括：
下部玻璃基板材料；
覆盖所述玻璃材料的由反射材料制成的下部电极层；
覆盖所述下部电极层的下部吸收剂层，所述吸收剂层由具有在0.7eV至1.1eV范围内的第一带隙能量(Eg)的第一半导体材料制成；
覆盖所述下部吸收剂层的下部窗口层；
覆盖所述下部窗口层的下部透明导电氧化物层；
覆盖所述下部透明导电氧化物层的包含第一乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的第一光耦合材料；
与所述下部电池耦接的所述上部电池，所述上部电池包括：
中间玻璃基板材料，所述中间玻璃基板材料包括厚度、下表面和上表面，所述厚度为约1.1毫米及更小，所述下表面覆盖所述光耦合材料；
覆盖所述中间玻璃基板材料的所述上表面的第一上部透明导体层；
覆盖所述第一上部透明导体层的上部p型吸收剂层，所述p型导体层由具有在1.5eV至1.9eV范围内的第二带隙能量(Eg)的第二半导体材料制成；
覆盖所述上部p型吸收剂层的上部n型窗口层；
覆盖所述上部n型窗口层的第二上部透明导电氧化物层；
覆盖所述第二上部透明导电氧化物层的包含第一乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的第二光耦合材料；以及
覆盖所述上部透明导电氧化物层的上部玻璃材料；
设置在所述下部玻璃基板材料和所述中间玻璃基板材料的所述下表面之间的第一封边材料；以及
设置在所述上部玻璃材料和所述中间玻璃基板材料的所述上表面之间的第二封边材料。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述下部吸收剂层由选自Cu2SnS3、FeS2、CuInGaSe2、或CuInSe2的半导体材料制成。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述下部吸收剂层包括范围从约第一预定量至第二预定量的厚度。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述下部电极层、所述下部透明导体层、所述第一上部透明导体层和所述第二上部透明导电氧化物层分别是第一电极、第二电极、第三电极和第四电极。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述底部电池被构造为吸收在红色波长范围内的电磁辐射。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述下部玻璃基板材料选自浮法玻璃或钠钙玻璃。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述下部电极层由选自铝、银、金或钼的材料制成。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述下部窗口层由选自n-型材料的材料制成。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述下部透明导电氧化物层选自透明的氧化铟或氧化锌。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一上部透明导体层包括选自含锌物质或ZnO:Al(AZO)的p+型透明导体层。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一上部透明导体层包括含有ZnTe物质或ZnO:Al(AZO)的p+型透明导体层。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述第一上部透明导体层包括掺杂有选自Cu、Cr、Mg、O、Al、或N的至少一种或多种物质的p+型透明导体层。
13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述中间玻璃材料包含低铁玻璃。
14.根据权利要求1所述的装置，其中，所述中间玻璃材料包括1毫米及更小的厚度。
15.根据权利要求1所述的装置，其中，所述上部p型吸收剂层选自CuInS2、Cu(In，Al)S2、或Cu(In，Ga)S2。
16.根据权利要求1所述的装置，其中，所述上部n型窗口层选自硫化镉(CdS)、硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、氧化锌(ZnO)、或锌镁氧化物(ZnMgO)。
17.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第二上部透明导电氧化物层选自In2O3:Sn(ITO)、ZnO:Al(AZO)、ZnO:B、或SnO2:F(TFO)。
18.根据权利要求1所述的装置，其中，所述上部玻璃材料包含具有2毫米及更大厚度的低铁无色透明玻璃。
19.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一封边材料包括第一封边带，而所述第二封边材料包括第二封边带。
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