CN103038885B - 在会聚的太阳辐射通量下使用的光伏组件 - Google Patents

在会聚的太阳辐射通量下使用的光伏组件 Download PDF

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Abstract

根据一个方面，本发明涉及光伏组件（10），其包含：一组适合于制造光伏器件的层，包括至少一个由导电材料制成的形成背面电接触点的第一层（101）、由作为在太阳光谱范围内的吸收剂的材料制成的第二层（102）、及由透明导电材料制成的形成正面电接触点的第三层（106）；位于所述背面电接触点与所述正面电接触点之间的电绝缘层（103，103A），其含有多个孔径，每个孔径确定其中所述组的层的所述层堆叠以形成光伏微电池的区域（100）；及由导电材料制成的层（104），其与所述由透明导电材料制成的第三层（106）电接触，形成与所述第三层（106）的正面电接触点，并以如下方式结构化，形成每个所形成的所述光伏微电池的外围电接触点，所述光伏微电池通过背面电接触点和正面电接触点平行地电连接。

Description

在会聚的太阳辐射通量下使用的光伏组件
技术领域
本发明涉及在会聚的太阳辐射通量下使用的光伏组件及其制造方法，尤其是涉及薄膜光伏电池领域。
背景技术
在太阳能电池领域，大量研究的焦点目前在于基于薄膜的技术，而薄膜对于传统使用的晶体硅是不利的。这一工业趋势主要是由于这些厚度小于20μm、典型地厚度小于5μm的薄膜的太阳光吸收系数要比晶体硅高几个量级，而且它们是直接由气相和液相制成的因此不需要锯切。因此，薄膜光伏模块可以利用比晶体光伏电池薄100倍的薄膜制成。因此，预期的成本更低，原材料的易得性增大，模块的制造方法更简单。目前正在开发的主要技术是多晶硫属元素化物技术，尤其是CdTe技术，和称作黄铜矿的技术，其是基于化合物CuInSe2或其变体Cu(In,Ga)(S,Se)2，还称作CIGS，以及非晶和微晶硅技术。
薄膜太阳能电池，其尤其是基于黄铜矿材料例如Cu(In,Ga)Se2或CdTe，目前在一个太阳照度(即1000W/m2)下分别获得20％和16.5％的实验室效率。然而，用于制造太阳能电池的材料有时受限于其易得性(例如铟或碲)。在开发具有几个GW的量级的能力的光伏发电站的过程中，关于原材料的易得性的问题可能会变成一个主要的限制。
目前，会聚的光伏(CPV)技术正在进行开发；该技术使用在会聚的太阳辐射通量下的光伏电池。光线的会聚能够提高电池的转化效率，因此对于给定的发电量，可以节省的原材料的比例大于所采用的光线会聚。这在薄膜技术中是特别重要的。在会聚的情况下的试验表明，若使正面收集栅最优化，在低度会聚的情况下(14太阳，即由地球接收的来自太阳的平均光功率的14倍)可以获得21.5％的效率(例如参见J.Ward等人的“Cu(In,Ga)Se2Thin film concentrator Solar Cells”，Progress inPhotovoltaics 10,41-46,2002)。超出该会聚，无论正面收集栅的设计如何，该正面收集栅额外地遮蔽电池(多达16％被遮蔽)，对于有待改善的效率而言，由于收集层的阻挡导致消散效应变得过大。因此，目前迅猛发展的光伏会聚仍然被限制在成本非常高的III-V族半导体的单结或多结电池。
发明内容
本发明的一个目的是制造在非常高度的会聚的情况下工作的光伏电池，大幅减少正面层的阻挡的负面效应。为此，开发了创新的建筑，尤其是能够制造在其周围接触的微电池的阵列，从而能够省略掉收集栅的使用。该建筑与现有的太阳能电池技术尤其是薄膜技术相容，能够大幅节省稀有的化学元素的使用(铟、碲、镓)。
根据第一方面，本发明涉及光伏组件，其包含：
-一组适合于制造光伏器件的层，其包括至少一个由导电材料制成的形成背面电接触点的第一层、由作为在太阳光谱范围内的吸收剂的材料制成的第二层、及由透明导电材料制成的形成正面电接触点的第三层；
-位于所述背面电接触点与所述正面电接触点之间的电绝缘层，其含有多个孔径，每个孔径确定其中所述组的层的所述层堆叠以形成光伏微电池的区域；及
-由导电材料制成的层，其与所述由透明导电材料制成的第三层电接触，形成与所述第三层的正面电接触点，并以如下方式结构化，形成每个所形成的所述光伏微电池的外围电接触点，所述微电池通过背面电接触点和正面电接触点平行地电连接。
例如，形成由导电材料制成的层的与所述由透明导电材料制成的第三层电接触的所述导电材料是选自以下组中的金属：铝、钼、铜、镍、金、银、碳和碳衍生物、铂、钽和钛。
根据一个实施方案，背面接触点的由导电材料制成的第一层是透明的，背面接触点额外包含由导电材料制成的与所述由透明导电材料制成的层电接触的层，其以如下方式结构化，形成所述光伏微电池的外围电接触点。
根据另一个实施方案，绝缘层包含由绝缘材料制成的层，其以如下方式结构化，形成多个孔径。
根据另一个实施方案，根据第一方面的光伏组件额外包含由绝缘材料制成的第二层，所述层位于所述背面电接触点与所述正面电接触点之间，并以如下方式结构化，形成多个孔径，其位于由绝缘材料制成的第一层中的所述孔径中心并且具有相等或更小的尺寸。
例如，所述绝缘材料选自氧化物，例如二氧化硅或氧化铝，氮化物，例如氮化硅，以及硫化物，例如硫化锌。
替代性地，绝缘层包含绝缘气体，例如空气。
根据本发明的一个优选的实施方案，光伏微电池的截面的至少一个尺寸小于1mm，优选小于100μm。
根据另一个实施方案，至少一部分光伏微电池具有圆形截面，其面积小于10-2cm2，优选小于10-4cm2。
根据另一个实施方案，根据第一方面的光伏组件包含至少一个光伏微电池，其具有条带状伸长的截面，其较小的尺寸小于1mm，优选小于100μm。
根据另一个实施方案，由吸收剂材料制成的层是非连续的，并且在光伏微电池的位置上形成。
根据本发明的另一个优选的实施方案，光伏组件是薄层组件，形成电池的每一层的厚度小于约20μm，优选小于5μm。
例如，吸收剂材料属于选自以下组中的族：CIGS族、CdTe族、硅族和III-V族半导体族。
根据第二方面，本发明涉及根据第一方面的光伏组件的阵列，其中所述光伏组件以串联方式电连接，一个光伏组件的正面接触点与相邻光伏组件的背面接触点电连接。
根据第三方面，本发明涉及光伏模块，其包含一个根据第一方面的光伏组件或根据第二方面的光伏组件的阵列，并且额外包含会聚太阳光的系统，该系统适合于将全部或部分的入射光聚焦于每个所述光伏微电池。
根据一个实施方案，根据第三方面的光伏模块额外包含用于将入射光的波长转化成为由位于所述背面接触点的由透明导电材料制成的第一层下方的吸收剂材料吸收的光谱带的元件，背面电接触点包含由透明导电材料制成的层和由导电材料制成的层，后述的层以如下方式结构化，形成所述光伏微电池的外围电接触点。
根据第四方面，本发明涉及用于制造根据第一方面的光伏组件的方法，该方法包括在基底上沉积所述层而形成组件。
根据一个实施方案，制造方法包括：
-在基底上沉积所述由导电材料制成的第一层，从而形成背面电接触点；
-沉积由对于光伏器件非活性的材料优选电绝缘体制成的层，所述非活性层结构化以形成多个孔径；
-在所述孔径内选择性沉积吸收剂材料，从而形成所述由吸收剂材料制成的第二层，所述层是非连续的；
-沉积所述由导电材料制成的层，所述层以如下方式结构化，形成的孔径的尺寸小于或等于所述非活性层中的孔径的尺寸；及
-沉积与所述由导电材料制成的层电接触的所述由透明导电材料制成的第三层，该层结构化以形成正面电接触点。
根据另一个实施方案，制造方法包括：
-在基底上沉积所述由导电材料制成的第一层，从而形成背面电接触点；
-沉积所述由吸收剂材料制成的第二层，所述层是非连续的并且包含多个孔径；
-在所述孔径中选择性沉积对于光伏器件非活性的材料，优选电绝缘体，从而形成非连续的非活性层，其具有位于吸收剂材料的位置上的孔径；
-沉积所述由导电材料制成的层，该层以如下方式结构化，形成的孔径的尺寸小于或等于所述非活性层中的孔径的尺寸；及
-沉积所述由透明导电材料制成的第三层，该层与所述由导电材料制成的层电接触，该层结构化以形成正面电接触点。
根据另一个实施方案，制造方法包括：
-在基底上沉积所述由导电材料制成的第一层，从而形成背面电接触点，所述第二层由吸收剂材料制成；
-沉积阻挡层，其结构化以形成一个或多个垫，垫的形状确定每个光伏微电池的形状；
-在所述阻挡层上沉积由绝缘材料制成的层和由导电材料制成的层；及
-去除阻挡物以获得所述由绝缘材料制成的结构化的层和所述由导电材料制成的结构化的层，及沉积所述由透明导电材料制成的第三层，该层与所述由导电材料制成的结构化的层电接触，从而形成正面电接触点。
根据另一个实施方案，制造方法包括：
-在透明基底上沉积所述由透明导电材料制成的第三层，从而形成正面电接触点；
-沉积阻挡层，其结构化以形成多个垫，垫的形状确定每个光伏微电池的形状；
-在所述阻挡层上沉积由导电材料制成的层和由绝缘材料制成的层；
-去除阻挡物以获得所述由绝缘材料制成的结构化的层和所述由导电材料制成的结构化的层，及沉积由吸收剂材料制成的层；及
-沉积所述由导电材料制成的第一层，以形成背面电接触点。
有利地，选择性地形成所述由吸收剂材料制成的层，并且形成非连续的层。
附图说明
下面描述本发明的其他优点和特征，通过以下附图加以图示：
-图1A至1C是显示不同实施方案中的根据本发明的微电池的原理的示意图；
-图2是显示两个岛的串联连接的示意图，每个岛均包含根据本发明的微电池的阵列；
-图3A至3D是显示一组层的示意图，这些层用于形成不同实施方案中的根据本发明的电池；
-图4A至4D是显示分别在CIGS、CdTe、非晶硅和晶体硅结点的情况下的根据本发明的电池的实施方案的示意图；
-图5A至5F是显示根据一个实施方案的示意图，该方法用于制造在CIGS型结点的情况下的根据本发明的微电池的岛；
-图6是显示根据本发明的一个实施方案的太阳能电池所评估的效率作为入射功率的函数的曲线；
-图7是显示根据图6中所示的实施方案的太阳能电池所评估的效率作为该电池的活性区域的面积的函数的曲线；及
-图8A和8B是根据本发明的方法的实施方案制成的微电池的显微照片。
具体实施方式
图1A至1C是显示光伏模块的原理的示意图，其具有根据本发明的不同实施方案的光伏电池。这些示意图是以图示的方式给出，所示的尺寸并不对应于电池的实际比例。
这些实施方案显示了光伏组件10，其形成光伏微电池的岛或阵列，或者具有暴露于入射太阳光的表面107的活性光伏区域100，其具有给定的尺寸和形状，从而使暴露的表面的至少一个尺寸小于几百微米，优选小于约100μm。该微电池与会聚太阳光的系统(在图中以显微透镜11作为代表)相连接，其会聚全部或部分的入射在微电池100的每个表面107上的太阳光(光通量由附图标记12表示)。
每个微电池包括一组适合于制造光伏器件的层，其尤其是具有由作为在可见光谱或近红外光谱(太阳光谱范围)内或者在部分的太阳光谱内的吸收剂的材料制成的层102；形成背面电接触点的导电材料的层101；及透明导电材料的层106，其覆盖暴露的表面107，形成正面电接触点，层106还称作窗口层。取决于所期望制造的光伏器件的特性，可以提供一个或多个额外的层105，例如由半导体制成的层或与由吸收剂材料制成的层102的界面层，其有利于形成结点。在图1A、1B和1C中，正面电接触点由层104、106形成，下面将详细地加以描述。在图1A至1C中的实施方案中，微电池100通过正面电接触点(106和/或104)和背面电接触点101平行地连接，正面和背面接触点对于所有的微电池而言是共同的。
根据一个实施方案，用于会聚光线的系统允许将具有适合于所述微电池的吸收剂材料的吸收范围的光谱的光线聚焦在每个微电池上。
岛10包含位于背面电接触点与正面电接触点之间的电绝缘层103。绝缘层103是非连续的，从而形成一个或多个孔径，其确定岛10的微电池或活性光伏区域100的形状和尺寸。在这些孔径上方，暗电流密度实际上是可以忽略的。在孔径中，结点由半导体层的组形成。正面和背面电接触点允许收集光生电荷载流子。因此，通过选择微电池的尺寸(其截面由在绝缘层中形成的孔径确定)，从而使微电池的截面的至少一个尺寸小于几百微米，申请人发现，可以借助正面电接触点收集在每个微电池中的光生电荷载流子，而由于透明导电层的阻挡造成的对此接触点的贡献的损失是有限的。由此形成的阵列形成太阳能电池，其适合于在会聚的太阳辐射通量下的应用，不要求使用收集栅。申请人发现，借助这一新型结构，在以针对电池的超过40,000个太阳照度会聚的情况下，可以实现30％的理论效率，其中在不进行会聚的情况下的效率为20％，大幅超过目前在现有技术的实施方案中所预期的会聚极限。
在图1A至1C中，微电池100例如具有圆形截面，其面积优选小于10-2cm2，甚至小于10-4cm2，低至10-8cm2或更小，从而能够迅速收集电荷载流子。面积的下限值与技术上的考虑相关，并且与在吸收剂材料的层中的光生载流子的迁移率和寿命特性相关。
绝缘体可以是由电绝缘材料形成的贯穿有孔径的层，例如氧化物，如二氧化硅(SiO2)或氧化铝(Al2O3)，氮化物，如氮化硅(Si3N4)，硫化物，如硫化锌(ZnS)，或者与用于制造电池的方法相容的任何其他绝缘材料，例如聚合物。绝缘体还可以是气体层，例如空气层，气体例如包含在多孔或微孔材料中，或者具有泡沫的形状，取决于用于制造组件的工艺技术。于是将诸如空气的气体的层在如下区域内中断，其中层，包括通过多孔材料形成的层，堆叠形成活性光伏区域。例如可以设想，在硅基光伏电池中，使用由再结晶的多孔硅制成的层，其中在退火期间形成的空气泡形成非连续的绝缘层，硅形成活性光电导层。
截面确定暴露于入射光的活性光伏区域的表面107，用于会聚光线的系统11必须加以修正以将入射光聚焦在微电池的暴露的表面上。例如，在具有圆形截面的微电池的情况下，可以使用具有显微透镜的网络的系统，或者任何其他已知的用于使光线聚焦的系统。将用于会聚光线的系统裁减至光照区域的尺寸，并且其本身的体积小于传统电池所用的会聚系统。其额外的优点在于，使用更少的材料以制造用于会聚光线的系统。
微电池的截面可以采用不同的形状。例如可以设想，伸长的形状的截面，例如条带，其具有非常小的横向尺寸，通常小于一个毫米，优选小于一百微米，甚至小至几个微米或更小。于是，可以通过沿着条带的较小尺寸的正面接触点收集在结点处的光生电荷载流子，再一次允许对通过正面接触点的由透明导电材料制成的层形成的窗口层的阻挡效应加以限制。在此情况下，对用于会聚光线的系统加以修正，从而根据岛的结构将一条或多条光线聚焦在一个或多个条带上。若该岛包含多个条带，则这些条带可以通过背面接触点和正面接触点平行地电连接。可以设想其他的形状，例如伸长的螺旋形等，条件是保持截面的一个尺寸是小的，通常小于几百微米，以收集电荷载流子。特别地，取决于所用的材料，尺寸可以最优化，尤其是使侧向电重组(lateral electrical recombination)的影响最小化。
通过由透明导电材料制成的层106或窗口层收集在由暴露的表面107所划界的活性区域中的层102中产生的电荷载流子，首先在垂直于这些层的平面的方向上，然后朝向微电池外围。该层必须充分透明，从而允许尽可能多的太阳光射入活性光伏区域100内。因此具有特定的阻挡率，可能导致损失，但是其效应被微电池的尺寸加以限制。
申请人发现，通过连接窗口层、由导电材料制成的与窗口层106电接触的层104、这两层的组合体，于是形成正面接触点，从而大幅改善外围电荷载流子的收集。由导电材料制成的层104例如取决于所堆叠的层的特性由金属制成，例如金、银、铝、钼、铜或镍，或者由掺杂半导体制成，例如ZnO:Al，其充分用铝掺杂，以获得所期望的电导率。类似于绝缘层103，由导电材料制成的层104是非连续的，贯穿有孔径，该孔径可以基本上重叠在绝缘层的孔径上，从而不干扰微电池100的光伏功能。在活性区域中的活性层102中的光生电荷载流子是借助窗口层106在垂直于这些层的平面的方向上收集，然后朝向微电池的外围通过导电层104进行收集，其由此形成微电池的外围接触点。
形成微电池的外围接触点的层104可以完全地覆盖微电池之间的区域，或者可以如下方式结构化，具有与每个微电池的外围接触区域和在所述未重叠的外围接触区域之间的电连接区域。
因为电池10的活性光伏区域通过绝缘层中的一个或多个孔径的尺寸加以设定，从而形成微电池，所以可以限制形成光伏器件的层中的材料的量，尤其是吸收材料的量。因此，在图1B的实施方案中，吸收剂层102是非连续的，并且被限制在位于活性区域107中的区域内。其余的结构可以填充有在结点的观点上呈现非活性的层108，该层可以是绝缘体，由与层103相同的材料制成。有利地，包含吸收剂材料的区域稍微大于由绝缘层103中的孔径所限定的活性光伏区域(通常为几个微米)，因此能够忽略可能与材料本身或者与制造方法相关的表面缺陷对于光伏微电池的影响。
图1C显示了一个实施方案，其中由导电材料制成的层101是透明的，并且形成背面接触点，如同正面接触点(104A，106)，来自由诸如金属的导电材料制成的层101和层104B，层104B与层104A相似地以如下方式结构化，形成活性光伏区域的外围电接触点。这一改变的方案的优点在于，提供具有透明窗口层的背面接触点，因此形成双面电池，这是通过外围收集电荷载流子及限制由于透明窗口层即使在会聚的情况下的阻挡导致的损失而实现的。这适用于各种不同的应用，例如制造多结点，其中两个或更多个光伏电池彼此重叠。或者，根据另一个实施方案，允许光伏电池与位于背面接触点的窗口层下方的用于转化光线的器件相连接，该器件将在第一次通过电池时不被吸收的光线(例如在近红外范围内的光线)朝向电池背面反射，该具有改变的波长的光线(例如朝向可见光范围迁移，或者更一般而言迁移至更加容易被吸收剂材料吸收的光谱范围，使用“上变频(up conversion)”材料)。
图1C显示了另一个实施方案，其中提供由绝缘材料制成的第二层103B，其以基本上与由绝缘材料制成的具有一个或多个孔径的第一层103A相同的方式结构化，这些孔径位于由绝缘材料制成的层103A的一个或多个孔径中心并且具有相等或更小的尺寸。该第二层例如可以具有会聚光线至活性光伏体积内的效应。
根据一个图2中所示的实施方案，多个岛(10A，10B)可以电连接，以形成更大的光伏电池。这些岛例如在共同的基底109上形成。在图2中，每个岛显示单个微电池100，但是当然每个岛可以包含多个微电池。在此实施方案中，如同在图1A和1B中所示的情况，正面电接触点包含由导电材料制成的层(104A，104B)和在此实施方案中覆盖所有的岛的窗口层(106A，106B)。在此实施方案中，这些岛例如借助第一岛10A的窗口层106A以串联方式连接，其与第二岛10B的背面电接触点101B电接触。应当理解，图2是显示运行原理的示意图。在层102A的电导率高的情况下，需要例如通过使绝缘层103A延伸至使这些岛连接的水平从而对层106A绝缘。
图3A-3D示出各种实施方案的示意图，其表示用于形成本发明的电池的层的连续。其中示出用于制备薄层微电池的几种架构。在这一技术中，光伏器件包括通过n-和p-掺杂半导体层形成的连接，电绝缘层103插入所述层之间。在这些实施方案中，形成所述连接的层为层102(由吸收材料制成的层)、112(表示一个或多个界面层)和106(其形成透明窗口层)。绝缘层的结构使得可以产生控制面积的盘301，其中未沉积这种层。绝缘层允许限定圆形光伏电池，因为p-n或n-p半导体连接仅在所述盘中形成。导电层104，例如由金属制成，类似于绝缘层的方式架构(包含圆形孔302)，排列为与窗口层106电接触从而与所述窗口层形成前端接触(除了在图3D的实施方案中，其中层106单独形成前端接触)。在窗口层106沉积之前，导电层104沉积在绝缘层103(图3B)上，或者其沉积在窗口层上(图3A)。界面层112可以在绝缘层之前(图3A、3B)或者之后(图3C)沉积，如果界面层足够薄，则会维持金属层与窗口层之间的电接触。具有非常低的横向电导率的界面层(例如，在CIGS电池的情况下，本征CdS和ZnO)的存在使得可以确保，光学角度的连接与电学角度的连接是类似的。因此，电活性部分被入射光正确地激发，同时最小化由于充电载体与连接的暗电流的复合引起的损失。
如下文所述，还可以通过称为“上至下(top to bottom)”的方法，调节这种几何结构为在玻璃基底109上产生的superstrate电池(图3D)的情况，然后翻转以允许入射光通过对应于基底的侧进入。
如上文所述，例如由金属制成的导电层104使得可以产生微电池的外周上的环状接触，并且对所有微电池都相同，这种接触可以直接用作电池的前端电接触，从而最小化接触电阻，同时避免遮蔽电池，因为不需要收集栅。将由一个或多个孔构成的绝缘材料制成的层103插入形成光伏器件的层的组是限定微电池的有利方式，因为这种解决方案不要求层的组的机械刻蚀，其是不可避免的缺陷来源。
图4A-4D分别示出使用CIGS、CdTe和硅技术的本发明的电池的4种实施方案。在这些实施方案的每一个中，未示出全部的光伏电池，仅示出微电池中层的组。再次地，这些是示意图，其中尺寸并不对应电池的实际大小。
图4A示出适合于利用CIGS型异质连接形成光伏微电池的层的组。术语“CIGS”在此处以其最广泛的含义理解以表示包括CuInSe2或其合金或衍生物之一在内的材料家族，其中铜可以部分地由银取代，铟可以部分地由铝或镓取代，并且硒可以部分地由硫或碲取代。上文的材料性质通过示例给出，并且可以由本领域技术人员已知的任何其他材料取代以获得功能性光伏器件。在图4A所示的实施方案中，层的组包括例如由玻璃制成的基底109，该基底的厚度通常为几毫米；并且包括由例如钼的导电材料制成的层101，以形成后部接触。这种层的厚度为约1微米。层102为由吸收半导体材料制成的层，在这一实施方案中为Cu(In,Ga)Se2二硒铜铟镓)。其厚度为例如2或3μm。层110和111为界面层，分别由n-掺杂的CdS(硫化镉)和iZnO(本征氧化锌)制成，厚度通常为几十纳米，例如50nm。通常，界面层允许当吸收材料(此处为CIGS)层存在时的电缺陷，并且由透明导电材料制成的层使得直接接触钝化，这些缺陷可能严重地限制电池的效力。可以使用其他材料来形成界面层，例如硫化锌衍生物(Zn,Mg)(O,S)或硫化铟In2S3。层的组包含层103，其由诸如SiO2(硅石)的电绝缘材料制成，结构使得形成孔以允许限定一个或多个活性光伏区域。其厚度为数百纳米，例如400nm。层104为导电材料制成的层，例如金属层，其确保微电池的外周接触。其结构与绝缘层103相同。其厚度为数百纳米，例如300nm。其例如由金、铜、铝、铂或镍制成。其还可以由高度铝掺杂的ZnO:Al制成。最后，层106，例如由n-掺杂的ZnO:Al(铝掺杂的氧化锌)制成，形成前端窗口层，并且也有助于连接。其厚度也为数百纳米，例如400nm。制备结构4A的方法的实施方案通过图5A-5F更详细地描述。
图4B示出适合于利用CdTe型异质连接形成光伏微电池的层的组。术语“CIGS”在此处以其最广泛的含义理解以表示包括CdTe或其合金或衍生物之一在内的材料家族，其中镉可以部分地由锌或汞取代，并且碲可以部分地由硒取代。再次地，上文的材料性质通过示例给出。层的组包含层101，其由导电材料制成，例如金或镍/银合金，其形成后部接触。这种层的厚度为约1微米。层102为吸收材料制成的层，在这一实施方案中为p-掺杂的CdTe(碲化镉)。其厚度为几微米，例如6μm。由n-掺杂的CdS制成的界面层113排列在CdTe层与绝缘层103之间。其厚度为约100纳米。层的组包含层103，其由电绝缘材料制成，例如SiO2，结构使得形成孔以允许限定一个或多个活性光伏区域。其厚度为数百纳米，例如400nm。随后是窗口层106，其由透明导电材料制成，例如ITO(铟锡氧化物)，或者由n-掺杂的SnO2(二氧化锡)制成，厚度为数百纳米，例如400nm，并且由金属材料制成的层104确保微电池的外周接触，例如由金制成，并且结构与绝缘层103相同，厚度为数百纳米，例如400nm。在这一实施方案中，制备方法为“上至下”的方法，并且基底109置于电池的侧面以接受入射的太阳光。
图4C示出适合于利用包含非晶硅和/或多形微晶体、晶体和纳米晶体硅的硅薄层的家族形成光伏微电池的层的组。在图4C的实施方案中，由层114、115和116形成连接，其分别由p-掺杂的非晶硅、本征非晶硅和n-掺杂的非晶硅制成，这些层一起吸收可见光，三层的总厚度为约2μm。形成连接的层排列在后部电接触101(金属层，例如由铝或因制成)与构造的绝缘层103(例如由SiO2制成)之间，并且厚度为约数百纳米，例如400nm。前端金属层104的结构类似于绝缘层并且厚度基本相同，并且在后者上排列，在这个前端金属层104上有透明导电擦了制成的窗口层106，例如SnO2，后一层的厚度也为数百纳米。再次地，在这一实施方案中，使用上至下的方法，基底置于电池的暴露于入射光的侧面。
也可以使用其他家族的吸收材料以制备本发明的薄层光伏电池。例如可以使用III-V半导体如GaAs(砷化镓)、InP(磷化铟)和GaSb(锑化镓)。在任何情况下，用于形成光伏器件的层的性质根据所述器件调整。
最后的实施方案(图4D)示出利用晶体硅的本发明的实施方式。尽管本发明对于薄层技术特别有利，但是其还可用于传统的晶体-硅技术。在这种情况下，分别由p-(硼)掺杂的晶体硅和n-(磷)掺杂的晶体硅制成的层117和118形成排列在后部金属接触101与绝缘层103之间的连接。该连接的厚度总共为数百微米，通常为250μm，这使得这一实施方案比薄层实施方案较不吸引人，并且限制微电池大小的可能减小(通常，此处最小的大小为约500μm，以限制横向复合的影响)。如在前述实施方案中，连接覆盖有构造的绝缘层103、由导电材料制成的层104以相同方式构造以及例如由SnO2制成的窗口层106。层103、104、106的厚度为数百纳米，例如400nm。基底由于形成连接的层的厚度而不是必需的。也可以在这一实施方案中提供防反射层119，更通常地，在所有实施方案中提供。
图5A-5F示出根据本发明的一实施方案，用图4A所示类型的CIGS连接制备光伏电池的方法的步骤。
在第一步骤(图5A)中，通过连续地在基底(未显示)上沉积由导电材料(例如钼)制成的层101、CIGS层102以及分别由CdS和iZnO制成的界面层110、111来产生基础结构。还示出基础结构的部分顶视图。在第二步骤(图5B)中，沉积例如由直径调整为期望制备的微电池大小的圆形垫50组成的抗蚀剂层。利用例如已知的光刻方法产生抗蚀剂垫，包括将样品用抗蚀剂层涂覆，通过掩膜暴露所述抗蚀剂，然后将所述样品在选择性地溶解所述抗蚀剂的显影剂中浸泡。如果光致抗蚀剂用作正抗蚀剂，则暴露的部分会溶于显影剂中，并且未暴露的部分是不溶的。如果光致抗蚀剂用作负抗蚀剂，则未暴露的部分会溶解，并且暴露的部分是不溶的。无关地，用于制备电池的抗蚀剂可以是正或负的。随后，沉积绝缘层103(图5C)，然后沉积由导电材料制成的层104。然后，将抗蚀剂溶解(图5E)以获得层103和104，其由相同结构的绝缘和导电材料制成，并且构造有暴露连接的上层的表面的圆形孔(通常称为“提离(lift-off)”)。然后，沉积由透明导电材料(例如ZnO:Al)制成的层106(图5F)。为了允许串联以这种方式形成的岛状物(island)中的两个(如图2所示)，以部分地暴露由导电材料制成的层101。
图5A-5F示出称为“下至上(bottom to top)”方法的适合于CIGS型连接的实施方案，“下至上”方法是在相对于暴露于入射光的侧从最低层至最高层，连续地在基底上沉积层的方法。在CdTe-1或非晶-硅型连接的情况下(图4B，4C)，“下至上”方法是优选的，其中首先将更接近暴露于入射光侧的层沉积在基底上(通常为玻璃基底)，然后在使用时翻转电池。是否使用上至下方法的选择具体地取决于使用的材料粘附至基底的程度，以及与由吸收材料制成的层“接触”的难度。因此，上至下方法可以包括：将由透明导电材料制成的层106沉积在透明基底109上以形成前端电接触；沉积构造的抗蚀剂层以形成一个或多个垫，其形状限定一个或多个活性光伏区域的形状；将由绝缘材料制成的层103沉积在所述抗蚀剂层上，提离所述抗蚀剂层；沉积由吸收材料制成的层102；以及，最后将导电层沉积在光导电层上以形成后部接触。当通过由透明导电材料制成的层106以及由导电材料制成的构造层104形成前端接触时，可以将由导电材料制成的层104沉积在抗蚀剂层上，然后在所述抗蚀剂溶解之前沉积绝缘层103。如图4B的实施方案所述，如果选择将由透明导电材料制成的层106插入由导电材料制成的层104与绝缘层103之间，可以沉积抗蚀剂垫，沉积导电材料，溶解抗蚀剂，沉积由导电透明材料制成的层106，再次沉积抗蚀剂，沉积绝缘层然后溶解抗蚀剂。
而且，为了制备图1B中所示类型的光伏电池，可以考虑几种制备方法。
根据第一实施方案，在基底(图1B未显示)上沉积由导电材料制成的层101，以形成后部电接触，然后沉积有利地由绝缘材料制成的无活性层108，这个层构造为形成一个或多个孔。然后选择性地在一个或多个孔中沉积吸收材料从而形成由吸收材料制成的层102，这个层是不连续的。利用合适的方法进行选择性沉积，例如电沉积或印刷，例如喷墨印刷或丝网印刷。然后沉积由透明导电材料制成的层106以形成前端电接触。这个步骤之前可以沉积一个或多个界面层和/或由绝缘材料制成的构造层103，如果无活性层108不是绝缘或者不是充分绝缘的，并且沉积由导电材料制成的构造层104，其与透明导电层106形成前端电接触。
在第二实施方案中，将由吸收材料制成的层102沉积在由导电材料制成的层101上，所述吸收层是不连续的，以形成一个或多个孔，然后选择性地将无活性材料如绝缘材料沉积在一个或多个孔中以形成无活性层108。在这一实施方案中，例如通过喷墨印刷沉积由吸收材料制成的层。如上文，然后沉积由透明导电材料制成的层106以形成前端电接触，这一步骤之前任选地沉积由绝缘材料制成的构造层103，沉积一个或多个界面层以及沉积由导电材料制成的构造层104。
根据一变体，吸收材料的选择性沉积通过沉积利用已知技术获得的材料颗粒实现，例如高温冶金合成方法，或者通过从中间基底上的初级气相沉积产生粉末实现。因此，在本发明的语境中，可以制备大小为一至几微米的CIGS颗粒并直接沉积在基底上。或者，可以利用常规技术(例如共蒸发或真空喷镀)，以实心板的形式预先堆积用于形成光伏连接的所有或一些层，然后将大小适合期望制备的微电池的多个层堆积的部分选择性地沉积在基底上。
根据另一变体，吸收材料的选择性沉积通过使用物理或化学蒸汽沉积方法实现。为此，可以使用掩膜，所述掩膜直接置于基底之前，其中产生孔以允许选择性沉积吸收层，以及任选存在的在及地上形成连接的其他活性层。在这种情况下可以使用的方法的实例为共蒸发和喷镀方法。
借助获得的吸收材料层的不连续形式，这些实施方案中的任一种使得可以限制制备光伏电池所需的吸收材料的量，并因此大大地节约所用的稀有化学元素的量。
因此，本发明的电池可以利用仅涉及沉积和构造电中性层和导电层的方法制备。这两种层可以非常容易地由廉价和环境无害的材料构成(例如，SiO2作为绝缘体并且铝作为导体)。所用的沉积技术(喷镀)是非常常见的，并且特别地是无害的。例如，所用的技术是微电子工业(UV光刻)中所用的技术，其毒性风险是有限的，因此可以容易地实施。因此，基于微电子工业的技能，放大至工业规模是可以遇见的。
通过上文所述的本申请人的光伏电池的理论效率进行的模拟表现出很好的结果。所用的模型基于太阳能电池的电分析，其具有给定薄层电阻的电阻式前层(窗口层)。这个模型的以下等式例如描述于N.C.Wyeth等人的Solid-State Electronics 20,629-634(1977)或U.Malm等人的Progress in Photovoltaics,16,113-121(2008)。利用电接触方法而不使用收集栅，本申请人研究了例如上述架构中的光会聚和微电池大小对于具有圆形截面的组合效果。
该模型完全基于对以下等式的解：
∂ 2 ψ / ∂ r 2 + 1 / r × ∂ ψ / ∂ r + R [ ] ( J p h - J 0 ( exp ( q ψ / n k T ) - 1 ) - ψ / R s h ) = 0
其中ψ为距离电池中心的一定距离r的电势，R[]为前窗口层的薄层电阻，Jph为光电流密度，J0为暗电流密度，Rsh为漏泄电阻，n为二极管的理想因子，k为玻耳兹曼常数，并且q为电子电荷。
在外周接触的条件下，允许求解该等式的边界条件为：
ψ(a)＝V，其中a为电池的半径，并且V为后者上施加的电压；以及
因为对称的原因在电池中信没有电流。
图6示出作为入射功率密度的函数，对于确保微电池的外周接触的窗口层的各种薄膜电阻计算的效率曲线(或者太阳照度为单位的会聚因子)。为了进行这一模拟，考虑半径为18μm的圆形截面的微电池(即，面积为10-5cm2)，并使用基于CIGS的参考电池(没有光会聚)的电参数，即短路电流Jsc＝35.5mA/cm2，二极管理论因子n＝1.14，并且暗电流J0＝2.1×10-9mA/cm2(参数，例如通过I.Repins等人的33rd IEEEPhotovoltaic Specialists Conference,2008,1-6(2008)或I.Repins等人的Progress in Photovoltaics 16,235-239(2008)评价)。
对于以下计算效率：分别的薄层电阻Rsh的三个值10、100和1000Ω/□，10-4-104W/cm2变化的发光功率，即太阳照度为单位的会聚因子在10-3-105变化(一太阳照度对应于1000W/m2，即10-1W/cm2)。因此，对于1000Ω/□的薄层电阻，效率随会聚因子增加至高达约5000太阳照度，在该值之上薄层电阻效果降低效率。对于低于100Ω/□的薄层电阻，电阻不再是计算电池的理论效率中的主要限制因素，并且通过达到约50,000太阳照度的会聚因子实现约30％的效率。
值得注意的是，可以用具有更好的透明度的窗口层(即使电阻更高)进行工作，这允许产生更大的光电流。特别地，例如在薄层电池的特定情况下，使用前端透明导电氧化物必然导致透明度与导电性之间的折衷。特别地，窗口层的电导率越高，其越不透明。释放窗口层的电导率的本发明电池的几何结构(因为电阻效果是可以忽略的)允许使用非常透明的层(即使后者是更电阻性的)。预期约10％的光电流(即光入射在电池上产生的电流)的增加，因为窗口层会吸收更少的入射光，因此电池的吸收部分会接受更多的光。
图7示出在上文的相同计算条件下，对于10欧姆层电阻，作为活性光伏区域的面积的函数的微电池的效率，该效率对于最优会聚因子的值给出，高于该值则效率降低。最优会聚因子的这些值对4微电池大小给出。因此，对于截面为10-1cm2的电池，在16太阳照度的会聚下，效率计算为22％。对于截面为10-2cm2的电池，在200太阳照度的会聚下，效率计算为24。对于截面为10-3cm2的电池，在2000太阳照度的会聚下，效率为27％，并且对于截面为10-5cm2的电池，在46,200太阳照度的会聚下，效率计算为31％。对于截面小于4.5×10-5cm2的微电池，最优会聚因子高于46,200，这表明薄层电阻不再是微电池性能的限制因素。
从这些结果明显可知，本发明的光伏电池的新架构特别地允许限制窗口层的电阻的影响，并因此允许使用高的多的会聚，这些会聚与更高的转换效率相关。获得几个优势。利用会聚通量下的微电池特别地允许减少产生能量所用的原材料的量。高于或等于光会聚的材料节省因子是可能的。每克所用原材料产生的能量可以倍增一百或甚至几百倍，这取决于所用的光会聚。对于易得性受限的材料如铟，这是非常重要的。而且，在光会聚下，可以使用平均质量的材料而性能不明显降低性能，因为已知使用会聚通量饱和材料中的电缺陷。因此，这些缺陷的饱和使得可以中和它们对电池性能的影响。因此，利用材料可以获得非常高的效率，所述材料不会聚时会保持低于标准。这意味着，例如，成本不高的材料可以适合于在会聚下使用。
而且，本发明使用已经尝试和测试的微电子技术来限定微电池，因此其适合于许多现有的光伏技术，即使在目前，最有前景的应用预期在薄层电池领域中。
本申请人利用本发明的所述方法的一实施方案制备了原型微电池。图8A和8B示出基于CIGS的微电池的顶视显微图，分别用光学显微镜(图8A)和扫描电镜(SEM)(图8B)拍摄。利用参照图5A-5F所述的方法制备微电池，圆截面的直径在10μm-500μm变化。图8A和8B所示的微电池为直径为35μm的微电池。在这些显微图中，参考106表示沉积在层104上的由ZnO:Al制成的窗口层，并且参考107表示对应于活性光伏区域的暴露面积。通过这些电池，本申请人观察到非常有前景的初始结果，其表现出微电池的大小在会聚下对性能的有益效果，即使在最高测试密度下(100倍于之前文献中的描述，参见例如J.Ward等人的文章，见上文)材料也不降解。特别地，在微电池中获得等同于3000太阳照度的会聚的电流密度(电流密度高于100A/cm2)。
尽管通过某些具体实施方案进行了描述，但是本发明的光伏电池及制备所述电池的方法包括对本领域技术人员明显的各种修饰、改进和变体，应当理解，这些各种修饰、改进和变体构成所附权利要求限定本发明的范围的一部分。

Claims (21)

1.薄层光伏组件(10)，其包含：
-基底(109)；
-一组适合于制造光伏器件的层(101，102，105，106)，包括至少一个由导电材料制成的形成背面电接触的第一层(101)、由作为在太阳光谱范围内的吸收剂的吸收剂材料制成的第二层(102)、及由透明导电材料制成的形成正面电接触的第三层(106)；
-位于所述背面电接触与所述正面电接触之间的由电绝缘材料制成的电绝缘层(103，103A)，其结构化而形成多个孔径，其中所述组的层的所述层堆叠以形成光伏微电池，其中在所述电绝缘层中形成的每个孔径确定所述光伏微电池之一的截面的形状和尺寸；及
-由导电材料制成的层(104)，其与由透明导电材料制成的所述第三层(106)电接触，与所述第三层(106)形成正面电接触，并以如下方式结构化，形成每个所形成的所述光伏微电池的外围电接触，所述光伏微电池通过背面电接触和正面电接触平行地电连接；
-形成所述组件的每个层的厚度小于20μm，并且是通过在基底(109)上沉积而获得的。
2.根据权利要求1的光伏组件，其中与由透明导电材料制成的所述第三层(106)电接触的所述由导电材料制成的层(104)的所述导电材料选自以下组中：铝、钼、铜、镍、金、银、碳和碳衍生物、铂、钽和钛。
3.根据权利要求1或2的光伏组件，其中形成背面电接触的由导电材料制成的所述第一层(101)是透明的，其额外包含与由透明导电材料制成的所述第一层(101)电接触的由导电材料制成的层(104B)以与所述第一层(101)形成背面电接触，并以如下方式结构化，形成所述光伏微电池的外围电接触。
4.根据权利要求1或2的光伏组件，其包含由电绝缘材料制成的电绝缘第二层(103B)，所述电绝缘第二层位于所述背面电接触与所述正面电接触之间，并且以如下方式结构化，形成孔径，该孔径位于由电绝缘材料制成的所述电绝缘层中的所述孔径中心并且具有相等或更小的尺寸。
5.根据权利要求1或2的光伏组件，其中所述电绝缘材料选自以下组中：氧化物、氮化物及硫化物。
6.根据权利要求1或2的光伏组件，其中每个所述光伏微电池的截面的至少一个尺寸小于1mm。
7.根据权利要求1或2的光伏组件，其中至少一部分的所形成的光伏微电池具有面积小于10-2cm2的圆形截面。
8.根据权利要求1或2的光伏组件，其中至少一个所形成的光伏微电池具有条带状伸长的截面，其较小尺寸小于1mm。
9.根据权利要求1或2的光伏组件，其中由吸收剂材料制成的所述第二层是非连续的，并且在所述光伏微电池的位置上形成。
10.根据根据权利要求9的光伏组件，其额外包含对于光伏器件呈现非活性的非活性层，该非活性层包含孔径，孔径的位置位于所述吸收剂材料选择性所处的位置。
11.根据权利要求1或2的光伏组件，其中形成所述组件的每个层的厚度小于5μm。
12.根据权利要求1或2的光伏组件，其中所述吸收剂材料属于选自以下组中的族：CIGS族、CdTe族、硅族和III-V族半导体族。
13.根据前述权利要求之一的光伏组件的阵列，其中所述光伏组件以串联方式电连接，一个光伏组件的正面电接触与相邻光伏组件的背面电接触电连接。
14.光伏模块，其包含根据权利要求1至12之一的光伏组件或者根据权利要求13的光伏组件的阵列，并且额外地包含用于会聚太阳光的系统(11)，该系统适合于将全部或部分的入射光(12)聚焦于一个或多个光伏组件的每个所述的光伏微电池。
15.根据权利要求14的光伏模块，其中由导电材料制成的形成背面电接触的第一层(101)是透明的，所述光伏模块额外地包含：
-由导电材料制成的层，其与由透明导电材料制成的所述第一层电接触，从而与所述第一层形成背面电接触，并以如下方式结构化，形成所述光伏微电池的外围电接触，及
-用于将入射光的波长转化成为由吸收剂材料吸收的光谱带的元件，其位于形成背面电接触的由透明导电材料制成的所述第一层(101)下方。
16.用于制造根据权利要求1的薄层光伏组件的方法，其包括：
-在基底(109)上沉积由导电材料制成的所述第一层(101)，从而形成背面电接触；
-沉积由对于光伏器件呈现非活性的电绝缘材料制成的非活性层(108)，所述非活性层结构化以形成多个孔径；
-在所述孔径内选择性沉积吸收剂材料，从而形成由吸收剂材料制成的所述第二层(102)，所述第二层是非连续的；
-沉积所述由导电材料制成的层(104)，所述由导电材料制成的层(104)以如下方式结构化，其形成的孔径的尺寸小于或等于所述非活性层中的孔径的尺寸；及
-沉积由透明导电材料制成的所述第三层(106)，从而形成光伏微电池的正面电接触，该第三层(106)与所述由导电材料制成的层(104)电接触。
17.用于制造根据权利要求1的薄层光伏组件的方法，其包括：
-在基底(109)上沉积由导电材料制成的所述第一层(101)，从而形成背面电接触；
-沉积由吸收剂材料制成的所述第二层(102)，所述第二层是非连续的并且包含多个孔径；
-在所述孔径中选择性沉积对于光伏器件呈现非活性的电绝缘材料，从而形成非连续的非活性层(108)，其具有位于吸收剂材料的位置上的孔径；
-沉积所述由导电材料制成的层(104)，该由导电材料制成的层(104)以如下方式结构化，其形成的孔径的尺寸小于或等于所述非活性层中的孔径的尺寸；及
-沉积由透明导电材料制成的所述第三层(106)，该第三层(106)与所述由导电材料制成的层(104)电接触，从而形成正面电接触。
18.根据权利要求16或17的用于制造薄层光伏组件的方法，其额外包括沉积由电绝缘材料制成的电绝缘层(103)，该电绝缘层(103)以如下方式结构化，其形成的孔径的尺寸小于或等于所述非活性层(108)中的孔径的尺寸。
19.用于制造根据权利要求1的薄层光伏组件的方法，其包括：
-在基底(109)上沉积由导电材料制成的所述第一层(101)，从而形成背面电接触，及沉积由吸收剂材料制成的所述第二层(102)；
-沉积阻挡层，其结构化以形成多个垫，垫的形状确定每个所述光伏微电池的形状；
-在所述阻挡层上沉积由电绝缘材料制成的电绝缘层(103)和由导电材料制成的层(104)；及
-去除阻挡层以获得结构化的所述由电绝缘材料制成的电绝缘层(103)和结构化的所述由导电材料制成的层(104)，及沉积由透明导电材料制成的所述第三层(106)，该第三层(106)与结构化的所述由导电材料制成的层电接触，从而形成正面电接触。
20.根据权利要求19的用于制造薄层光伏组件的方法，其中选择性沉积由吸收剂材料制成的所述第二层(102)，并形成非连续的层。
21.用于制造根据权利要求1的薄层光伏组件的方法，其包括：
-在透明基底(109)上沉积由透明导电材料制成的所述第三层(106)，从而形成正面电接触；
-沉积阻挡层，其结构化以形成多个垫，垫的形状确定每个所述光伏微电池的形状；
-在所述阻挡层上沉积由导电材料制成的层(104)和由电绝缘材料制成的电绝缘层(103)；
-去除阻挡层以获得结构化的所述由电绝缘材料制成的电绝缘层(103)和结构化的所述由导电材料制成的层(104)，及沉积由吸收剂材料制成的所述第二层(102)；及
-沉积由导电材料制成的所述第一层(101)，以形成背面电接触。
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