CN104185903A - 垂直堆叠的光伏和热太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明通过按照利用薄膜半导体的堆叠形式垂直排列的光伏模块提供了一种新颖的光伏太阳能电池系统，该薄膜半导体从有机和无机薄膜半导体中选择。堆叠电池可以是按照平面方式制造、然后按照有角度形式垂直地定向(也称为倾斜)以使光捕获方面最大的电池。使用堆叠配置系统允许使用透明材料或半透明金属。通过使设备具有斜面或用不同的折射率材料来覆盖该设备的末端，使光被向回反射。层叠的电池之间的接触可串行地或并行地完成。本发明使用集中器体系结构，其中光被引导到包含用于吸收从而减少热能产生的热流体通道的电池中。

Description

垂直堆叠的光伏和热太阳能电池
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年12月21日提交的题为“Vertically StackedPhotovoltaic and Thermal Solar Cell(垂直堆叠的光伏和热太阳能电池)”的美国临时专利申请S/N61/288,632的优先权，该申请通过引用结合于此。
政府赞助
美国政府具有本发明的已付许可，并且在有限的情况下有权要求专利权人在如美国能源部颁发的批准号DE-FG36-08G088008的条款所规定的合理条款下许可其它人。
背景技术
本发明涉及一种新型的光伏(PV)太阳能电池系统，该系统结合集中器技术和冷却剂方法以使来自利用有机薄膜和/或无机薄膜半导体以堆叠形式垂直排列的光伏(PV)模块的电和热输出最大。
相关技术描述
目前国际上致力于实现包括有机光伏(OPV)设备和III-V半导体无机光伏(IPV)(例如但不限于铜铟镓硒化合物(CIGS))的薄膜设备的更高性能。目标是制造可以按照有效但廉价的方式产生电力的模块。
迄今为止，对于无机光伏(IPV)电池，由III-V半导体化合物制成的薄膜太阳能电池呈现领先的能量转换效率。在2008年，国家可再生能源实验室(NREL)的团队在铜铟镓硒化合物(CIGS)太阳能电池中实现了19.9％的效率。除了潜在的高效率，Ill-V半导体化合物材料相比于硅太阳能电池还具有优点，包括：元素组分的带隙可调性、直接带隙能量的光子吸收更高以及热降解更小。现有技术表明可通过多重堆叠不同带隙能量的光伏材料以形成所谓的多结或串接电池来实现效率提高。串接电池的理念是利用通过III-V半导体化合物的组分实现的带隙能量和晶格常数的可调性以从太阳光光谱更宽且更有效地吸收光子能量。迄今为止，已通过由NREL、Boeing-Spectrolab和Fraunhofer独立开发的三结InGaP/GaAs/Ge电池实现了约为40％的最高效率。
制造三结InGaP/GaAs/Ge电池的最近进展显示出接近理论极限的远大前景(在AM1.5D、1000太阳下效率为50.1％)。然而，这些电池的制造非常复杂。例如，串联的单片三结电池具有超过15个半导体层。通过采用有机金属化学气相沉积(MOCVD)的外延生长来沉积每个层，这倾向于需要这些堆叠的半导体材料之间精确的晶格匹配。虽然当前正在进行由NREL发起的开发下一代制造技术以制造42％高效的III-V三结串接集中器太阳能电池的努力，但是这些电池的大量生产将倾向于需要控制大面积的外延生长。因此，制造三结InGaP/GaAs/Ge电池仍然面临技术上的挑战。而且，制造这些串接电池的成本可能达不到峰值为1$/瓦的商业上可行的目标。
最近，基于美国国防高级研究计划局(DARPA)计划的合作团队报告了一种新颖的电池模块设计，其中通过分色滤色器分离阳光并将其独立地置于具有不同的带隙能量的电池中。在这种体系结构中，每个电池将接收太阳光谱的一部分，该部分被最有效地吸收并转化为电力。该体系结构避免了单片设备的子电池之间的电流匹配问题和上层子电池中的自由载流子吸收损耗。他们已采用适当的滤波器独立地测试三个电池(两个双结和一个单结)以模拟每个电池的光谱入射，并通过简单地总计三个电池的效率报告了42.7％的效率。这表明通过对电池模块的正确的光学设计，每个单独电池的设计可更简单地制造而不牺牲总效率。
对于有机光伏电池，多数努力集中于产生允许有效分离光生激子的聚合物-纳米颗粒混合物。基于这些“体异质结”混合物的设备体系结构产生入射光到电力的超过5％的转化。它们主要基于散布有C60(富勒烯)偶联物的聚噻吩宿主。困难来自于：混合物的不同的宿主材料、可用分散相或纳米相可能不具有适当的电子结构或可能不能形成支持有效的谐振电荷转移的正确界面。低吸收范围以及随之而来的降低的填充因数的附加因素导致更低的功率转换效率。
在模块形式中，标准设备性能中的限制可包括IPV或OPV周围的温度升高的影响，并且升高的温度对太阳能电池的效率和寿命有不利影响。光伏设备的众所周知的问题为电池组件的由于暴露在阳光下所导致的温度升高引起的热降级。随着时间的推移，热降级倾向于影响电池的寿命。而且在以漫射光为主或将直射阳光散射成漫射形式的天气模式的区域中采集光还会产生其他问题。
构建成功的光伏电池仍然存在基本问题，这些基本问题取决于有源介质以及甚至电极和集中器的使用而影响某些或全部薄膜太阳能电池。这些问题可包括电荷载流子输运，因为具有晶体缺陷限制的聚合物、聚合物复合材料和一些无机薄膜能够将一些或所有谐振光转化为电荷载流子(电子和空穴或激子)，它们的载流子输运是糟糕的。关于电荷载流子输运，具有晶体缺陷限制的聚合物、聚合物复合材料和一些无机薄膜能够将一些或所有谐振光转化为电荷载流子(电子和空穴或激子)，它们的载流子输运是糟糕的。其原因在有机物中显现，因为在聚合物复合材料内所产生的激子在被重新结合前仅可行进非常短的距离，通常约10到20nm。其次，基于有机物的光伏设备具有较差的迁移率和导电性。例如CdTe：CdSe的无机电池遭受晶体结构中出现的缺陷，导致电荷载流子输运中的限制。因此，聚合物复合材料光伏设备可仅由超薄半导体膜(通常小于150nm)制成。理想地，如果光能够被完全地吸收，则20nm的薄膜将足够，但是这在控制针孔(pin-holing)效应时是有问题的。分色法挑战的另一问题是透明度，由于糟糕的载流子输运性质因此必须具有非常薄的膜，但是大量的光因透明度而损失掉。虽然可解决使激子从设备中离开的问题，但是没有足够的材料来防止光通过。最终，该问题为氧化和水，氧化和水可影响基于有机和某些无机的薄膜设备，这些设备需要严格控制的实验室条件以使聚合物复合材料中的氧和水污染物最少，氧和水污染物随着时间推移使设备性能劣化。
此外还存在电极材料的基本问题。尽管电极材料随时间的成本和有限的不稳定性，使用诸如T0和IT0之类的透明电极已成为现有的薄膜设备中的主要电极材料。众所周知，如果电极材料太薄(如它们的导电性变得糟糕)或太厚(如它们的透明度大大降低)，则它们的性能将受到损害。
发明内容
根据一些实施例中，本发明提供一种新颖的光伏太阳能电池系统，该系统组合集中器技术和冷却剂方法，以使来自按照利用薄膜半导体的堆叠形式垂直排列的光伏模块的电和热输出最大，该薄膜半导体从有机和无机薄膜半导体中选择。
根据一些实施例中，本发明的目的是克服现有光伏设备中一般遇到的效率和制造限制，该光伏设备可以是有机或无机太阳能电池。更具体地，根据一些实施例中，本发明解决了构建成功的光伏电池存在的基本问题，这些基本问题取决于有源介质以及甚至电极和集中器的使用而影响某些或全部薄膜太阳能电池。
基于这些原理，根据本发明的一些实施例描述的堆叠电池是按照平面方式制造、然后按照成角度(本申请中也使用术语倾斜)的形式垂直定向的电池，以使光捕获方面最大。
使用如本申请中描述的堆叠配置系统允许使用多种电极材料。具体而言，使用如本申请中描述的堆叠配置系统允许使用透明电极或诸如但不限于Au、Ag(包括银浆料)之类的半透明。光捕获可通过来回反射直到大量的谐振光被吸收为止来控制。在这样的情况下，不需要直接的透明度，因为包含了长度尺寸，该长度尺寸允许光传播更远，从而使它能被吸收。光传输至最末端，而且通过使设备的末端为斜面或用不同折射率材料覆盖该设备的末端、或者替代地使用反射性表面，可使光通过该设备被向回反射。
本申请中描述的设备还解决了热降级。根据一些实施例，本发明通过在基础衬底上设置热流体入口，该热流体入口收集并耗散来自其它电池组件的热，解决了该问题。这也可利用集中器体系结构来实现，其中光被引导进入电池中，该电池包含用于吸收从而减少热能产生的热流体通道(使用诸如水之类的透明流体)。光集中可通过使用菲涅耳透镜、抛物面反射镜或此类结构的衍生物来实现。使用诸如但不限于菲涅耳透镜之类的集中器太阳能电池和透镜机构解决了在以漫射光为主或将直射阳光散射成漫射形式的天气模式的区域中采集光的问题。堆叠的电池之间的接触可串行地或并行地完成。
附图说明
图1示出了垂直的多个堆叠光伏设备；
图2A示出了基本透镜系统；
图2B示出了具有热部件的基本透镜系统；
图3示出了复杂透镜系统；
图4A示出了杆和板压力系统；
图4B示出了杆和螺栓压力系统；
图5示出了有机光伏(OPV)电池设计；
图6示出了具有热通道的OPV电池设计；
图7示出了无机光伏(IPV)电池设计；
图8示出了具有热通道的IPV电池设计；
图9示出了复杂电池设计；
图10示出了一种倾斜类型的复杂电池设计；
图11示出了另一种倾斜类型的复杂电池设计；
图12示出了又一种倾斜类型的复杂电池设计；
图13示出了具有热通道的复杂电池设计；以及
图14示出了另一具有热通道的复杂电池设计；
图15示出了用于制造OPV堆叠的串接电池的过程；
图16示出了通过图15的过程制造的OPV堆叠的串接电池的侧视图。
图17为示出了通过堆叠的光伏电池的光的简化光线图；
图18为示出了通过堆叠的双光伏(PV)电池的光的简化光线图；
图19A示出了在具有光伏(PV)设备的衬底上沉积的金属条；
图19B示出了图19A中所示的具有沉积的金属条的堆叠的光伏(PV)设备的侧视图；
图19C示出了在图19B中所示的暴露的金属条上施加的导电带；
图19D示出了在具有光伏(PV)设备的弹性衬底上沉积的金属条；
图19E示出了在不损坏连接的情况下弯曲图19D所示的弹性衬底；
图19F示出了图19E中所示的光伏(PV)设备的堆叠；以及
图19G示出了在图19F中所示的暴露的金属条上施加的导电带。
优选实施例的描述
在多个实施例中，本申请中描述了堆叠光伏设备。堆叠光伏设备包括平坦衬底、涂敷平面衬底的第一电极层、沉积在第一电极层上的连续的半导体(有源材料-AM)层、以及沉积在连续AM层上的第二电极层。第一电极层对电磁辐射至少部分透明。连续的AM层与第一电极层电接触。第二电极层与连续的AM层电接触。连续的AM层吸收电磁辐射并且将电磁辐射转化为电功率(产生的电压和电流)。连续的AM层包括至少一种半导电材料，但一般而言包括以异质结层形式的两种半导体材料，但不同有源材料的那些连续线被连续地设置。所形成的设备(如图1中所示)然后按照一系列堆叠与其他平面结构组合，其中设备相对于入射光垂直而不是平行地安装。以这种方式，光被引导向下通过不同的层直至谐振光被吸收并转化为电功率。
图1示出了垂直的多重堆叠光伏设备100，示出了光输入110、全反射Al120、薄膜有机半导体(OSC130)、半反射Au140、衬底150、以及半反射Al160。图1描绘了针对垂直堆叠的串接有机光伏(OPV)电池设计的半透明路径系统的示例。
衬底滑块由非晶硅玻璃、石英玻璃、包含荧光纳米颗粒或微粒以及/或包含反斯托克斯(anti-stokes)颗粒的掺杂玻璃制成，但不限于此。替代地，衬底可由聚合物制成，该聚合物还可包含具有嵌入式染料/分子的反斯托克斯颗粒以将所吸收的光从红外光转变至可见光，或可包含将UV光转化之可见光或近IR的UV荧光染料。
最初的半导体层一般包含宿主p型聚合物(聚噻吩、聚咔唑、聚苯并噻二唑以及它们的共聚物)和n型半导体(例如但不限于PCBM(C60或C70版本)或苝酰亚胺衍生物)。第二层可包含吸收太阳光谱的另一部分的另一聚合物(p或n型)和量子点或量子杆(例如，但不限于，例如Cu2S，CdS，CdSe，PbS或PbSe的低带隙纳米颗粒)。第三层包括吸收太阳光谱的另一部分的另一聚合物(p或n型)和量子点或量子杆。每个附加层的目的在于吸收其他层没有吸收的更多的太阳光谱。
使用金属层作为提供“高功函”电极的另一选择的目的在于代替透明电极铟锡氧化物(ITO)。例如Au，Ag，Co，Ni，Pt，Pd和Mo之类的元素是可用作电极的高功函金属的示例。然而，这些电极在定义上必须并且需要是半透明的。该透明度必须为10％-70％透明度范围。诸如Al之类的对电极可以为半透明或全反射。
透镜系统(如图2A和2B所示)还可用于增加光的强度和/或吸收漫射或低强度光。透镜可包括凸透镜、菲涅耳透镜、或光学组合以增加入射PV设备的光的强度和/或偏转更多入射光(漫射或直射光)。
图2A示出了透镜系统200A，示出了透镜210A和承载盒220A。图2A示出了基本透镜设计，其中透镜210A可以是设置在承载盒210B顶部的菲涅耳透镜，承载盒210B包含集中器。
图2B示出了具有热部件的透镜系统200B，示出了透镜210B、承载盒200B、以及热流体冷却剂出口230。图2B示出了基本透镜设计，其中透镜210B可以是设置在承载盒210B顶部的菲涅耳透镜，承载盒210B包含集中器和热部件。
替代地，可使用的新透镜系统为用于将直射或漫射光偏转到设备中的贝尔透镜系统。如图3所示，系统包含将光通过透镜系统聚焦到凹透镜上的菲涅耳透镜，该凹透镜然后使光变宽以入射更多的设备。它还降低了透镜的作用以防止高强度的光入射半导体层，高强度的光入射具有使有源层降级并因此降低透镜作用的效果。
图3示出了复杂透镜系统300，示出了菲涅耳透镜310、承载盒320、以及中央冷却剂通道330。图3描绘了顶部具有菲涅耳透镜310的复杂透镜设计的示例，该菲涅耳透镜通过透镜系统将光聚焦到凹透镜上，该凹透镜然后使光变宽以入射更多光伏(PV)设备和中央冷却剂通道330。
堆叠通过压力作用机械地连接在一起(图4)。
堆叠粘合在一起，其中胶粘物为薄膜。
图4A示出了杆和板压力系统400A，示出堆叠构造410A、紧固件420A、杆430A、以及板440A。图4A描绘以堆叠构造410A的滑块的示例，其中滑块通过机械压力系统(但不限于这些方法)物理结合。
图4B示出杆和螺栓压力系统400B、堆叠构造410B、紧固件420B以及杆430B。图4B描绘以堆叠构造410B的滑块的另一示例，其中滑块是通过机械压力系统(但不限于这些方法)物理结合。
图5示出有机光伏(OPV)电池设计500，示出了衬底510、ITO520、PEDOT：PSS530、OSC540、LiF550、Al560以及有机光伏电池570。图5描绘垂直定向并倾斜的标准有机光伏(OPV)电池设计。所构想的图5中所示的设计在没有热通道时使用。
图6示出具有热通道的OPV电池设计600，示出了电极610、第一有机有源层620、热通道630、隔离件640、衬底650、以及第二有机有源层660。图6描绘具有热通道630的串接有机光伏(OPV)电池设计600，包括：1)电极610，其中一个电极为高功函金属以而第二电极为低功函材料，以允许肖特基构造；2)第一有机有源层620；3)热通道630，可以为管流以带走热量；4)两个不同有源层620和640之间的隔离件640；5)衬底650；以及6)第二有机有源层660。
图7示出了无机光伏(IPV)电池设计700，示出了衬底710、Mo720、Cu(InGa)Se2730、CdS740、ZnO750、ZnO：Al760、以及无机光伏电池770。图7描绘以最佳吸收的角度线性对准的无机光伏(IPV)堆叠的电池770。虽然这里未示出，但也可部分地使用半透明电极，例如Au或Ag。所构想的图7中所示的设计在没有热通道时使用。
图8示出具有热通道的IPV电池设计800，示出了衬底810、热通道820、Mo830、Cu(InGa)Se2840、CdS850、ZnO860、ZnO：Al870、以及无机光伏电池880。图8描绘具有热通道820的无机光伏(IPV)电池880的简单铜铟镓硒化合物(CIGS)示例。
图9示出复杂电池设计形成过程900，示出了电池910、金属电极920、半导体有源层930、金属电极940、衬底层950、以及复杂电池设计960。除了有源层为pn结之外，金属电极920和940具有不同的功函。在通过箭头示出的从电池910形成复杂电池设计960的过程中，电池910垂直倾斜以使得复杂设计960垂直定向。图9描绘以平面方式制造的典型电池910，其中金属电极920为上电极，半导体有源层930为有源光伏(PV)层，金属电极940为下电极，以及衬底层950为衬底。对于有机光伏(OPV)电池，电极具有不同的功函。例如，Au，AG Pt为高功函金属的示例，以及Al，Ca，Mg为低功函金属的示例。此外，只要保持功函因数，还可使用合金。对于无机光伏(IPV)电池，根据是否形成肖特基或p-n类型的电池，金属电极可具有相同的功函。所构想的图9中所示的设计在没有热通道时使用。
图10示出倾斜的复杂电池设计1000，示出了金属电极1010、半导体有源层1020、金属电极1030、衬底层1040、来自顶部的光输入1050、以及堆叠1060。具体而言，图10示出了倾斜的堆叠1060，以使得光进入并然后通过不同层反射以到达有源光伏(PV)层1040。所构想的图10中所示的设计在没有热通道时使用。
图11示出了另一倾斜的复杂电池设计1100，金属电极110、半导体有源层1120、金属电极1130、衬底层1140、以及堆叠1150。设备倾斜以允许最佳光输入和捕获。图11描绘一种设计，其中金属电极1110为上电极，半导体有源层1120为有源光伏(PV)层，金属电极1130为下电极以及衬底层1140为衬底，并且它们1100、1120、1130和1140都垂直于平面垂直堆叠但以角度倾斜，其中角关系通过有源SC层的折射率和/或光管理来确定。所构想的图11中所示的设计在没有热通道时使用。
图12示出了又一倾斜的复杂电池设计1200、第一电池顶部倾斜1210、第二电池顶部倾斜1220、以及第三电池顶部倾斜1230。暴露在光下的电池顶部倾斜从而以最佳的方式捕获光。图12描绘示例性排列1210、1220和1230，示出了堆叠可以多种不同方式排列。图12示出了根据是否使用透镜系统的在倾斜之前的堆叠。所构想的图12中所示的设计在没有热通道时使用。
图13示出具有热通道的复杂电池设计1300，电极1310、第一有机有源层1320、热通道1330、隔离件1340、衬底1350、第二有机有源层1360、以及光伏电池1370。图13描绘具有多个有机光伏(OPV)电池1370和热通道1330的串接设计1300(由于图示的原因示出未倾斜)。
图14示出具有热通道的另一复杂电池设计1400，示出了电极1410、有机有源层1420、热通道1430、衬底1450、以及光伏电池1460。图14描绘具有多个无机光伏(IPV)电池1460和热通道1430的串接设计1400(由于图示的原因示出未倾斜)。
用于制造无机光伏(IPV)堆叠的串接电池的过程：
用于制造IPV堆叠的串接电池的过程通常涉及七个步骤。
步骤1、基底
使用基底作为制造过程的基础。该基底的尺寸通常为从mm2到m2的范围，这取决于所使用的制造沉积技术的限制。用于基底的材料可以是但不限于玻璃、金属薄片或塑料薄片。该基底作为最终堆叠电池的结构支承。它也可被剥离以允许最终堆叠电池独立。
步骤2、衬底沉积
将透明衬底沉积在基底之上。该衬底的尺寸为从mm2到m2的范围，且该衬底的厚度通常为几μm到mm的范围，这取决于所使用的沉积技术的限制。用于衬底的材料可以是无机的，诸如但不限于非晶硅玻璃、石英玻璃、经掺杂玻璃或金属氧化物的薄片。无机衬底的沉积是利用通常使用的用于无机物的沉积技术来实现的，诸如蒸镀、溅射和原子层沉积。为了特殊需要，也可向衬底添加功能掺杂剂。例如，可使用反斯托克斯(IR荧光)色素作为衬底中的掺杂剂。这些色素被IR能量激活，并在光敏聚合物层通常吸收的较短波长下在可见区域内发光。另选地，UV荧光染料也可用于将UV光转换成可见光或近IR光。可将无机/有机颗粒(SiO2和金属氧化物纳米颗粒)、纤维(金属氧化物纳米纤维和碳纳米管)和小片(粘土)用于密封、结构增强或作为阻燃剂。
步骤3、下接触沉积
将下接触沉积在衬底之上。下接触的尺寸典型为从几mm2到m2的范围，而且该接触的厚度通常为几纳米到数百纳米的范围。可通过蒸镀或溅射来沉积高功函金属(诸如但不限于Au、Ag、Co、Ni、Pt、Pd或Mo)。半透明层是优选的，不过对于某些体系结构而言它不是必需的。
步骤4、III-V半导体光吸收器沉积
在下接触之上沉积诸如但不限于CIGS的III-V半导体光吸收器。吸收器层的尺寸典型为从几mm2到m2的范围，而且该层的厚度通常为几μm到若干μm的范围。外延生长气相沉积过程是优选的，以达到所得的IPV的高效率。通过改变生长过程期间的每个元素的馈料速率来调谐半导体层的带隙。
步骤5、缓冲层沉积
将诸如但不限于Cds的缓冲层沉积在吸收器层之上。缓冲层的尺寸典型为从mm2到m2的范围，而且该层的厚度通常为几nm到数百nm的范围。通过化学浴沉积(CBD)在吸收器层之上生长缓冲层，以实现优选的晶格结构，以减少空间电荷区中的电荷重新结合。另选地，可通过“湿”法(旋涂、喷涂、浸涂、刀片刮涂、喷墨印刷以及丝网印刷)来沉积CdS前体纳米颗粒，随后进行原位烧结以形成最终的缓冲层。
步骤6、窗口层沉积
将诸如但不限于ZnO的窗口层沉积在缓冲层之上。窗口层的尺寸典型为从几mm2到m2的范围，而且该层的厚度通常为几纳米到数百纳米的范围。通过RF溅射进行的绝缘的ZnO和导电的Al2O3掺杂的ZnO的双层生长是优选的，以增强少数载流子(电子)的有效扩散长度。通过“湿”法(旋涂、喷涂、浸涂、刀片刮涂、喷墨印刷以及丝网印刷)沉积ZnO和Al2O3掺杂的ZnO前体纳米颗粒然后进行原位烧结可以是另选方案。
步骤7、上接触沉积
将上接触沉积在窗口层之上。上接触的尺寸典型为从几mm2到m2的范围，而且该接触的厚度通常为几纳米到数百纳米的范围。通过蒸镀或溅射沉积低功函金属(Al、Ca或Mg)或金属合金。
步骤8、重复步骤2-7
为了制造最终的IPV堆叠的电池，重复步骤2到7多次以达到所需的堆叠大小。
用于制造有机光伏堆叠的串接电池的过程：
用于制造有机PV堆叠的串接电池的过程被设计为采用用于制造有机PV电池的现有技术。本发明的整个制造过程包括如图15中所示的六个步骤。
图15示出制造过程1500，示出基底1510、通过包括衬底沉积的第一步骤从基底1510形成的第一中间物1520(10μm塑料)、通过包括下接触沉积的第二步骤从第一中间物1520形成的第二中间物1530(100nm Au)、通过包括载流层沉积的第三步骤从第二中间物1530形成的第三中间物1540(50nm PEDOT：PSS)、通过包括有源聚合物层沉积的第四步骤从第三中间物形成的第四中间物1550(有源层A、B、C)、通过包括上接触沉积的第五步骤从第四中间物1550形成的第五中间物1560(100nm Al)、通过包括衬底沉积的第六步骤形成的第六中间物1570(10μm塑料)、通过包括重复步骤2-6(即第二到第六步骤)的第七步骤从第六中间物1570形成的第七中间物1580、以及通过包括添加阳极和阴极连接的步骤从第七中间物1580形成的有机光伏电池1590。图15描绘用于制造有机光伏(OPV)堆叠的串接电池1590的过程。
图16示出在图15的过程中制造的有机PV堆叠的串接电池1590的侧视图1600。
步骤1、基底
使用基底作为制造过程的基础。该基底的尺寸通常为几mm2到m2，这取决于在制造过程中使用的沉积技术的限制。用于基底的材料是但不限于玻璃、金属薄片或塑料薄片。该基底作为最终堆叠电池的结构支承。另选地，它也可被剥离以允许最终堆叠电池独立。
步骤2、衬底沉积
将透明衬底沉积在基底之上。该衬底的尺寸典型地为从几mm2到m2的范围，且该衬底的厚度通常为几μm到mm的范围，这取决于所使用的沉积技术的限制。用于衬底的材料可以是无机的，诸如但不限于非晶硅玻璃、石英玻璃、经掺杂玻璃或金属氧化物的薄片。无机衬底的沉积是利用通常使用的用于无机物的沉积技术来实现的，诸如蒸镀、溅射和原子层沉积。另选地，有机材料也可用于该衬底，诸如但不限于乙烯聚合物、聚酯、聚酰亚胺、聚氨酯、聚脲、纤维素以及环氧树脂。有机衬底的沉积是通过通常使用的沉积技术(诸如旋涂、喷涂、浸涂、刀片刮涂、喷墨印刷、丝网印刷以及蒸镀)以通常的聚合物来实现的。
此外，为了特殊需要，也可向衬底添加功能掺杂剂。
例如，可使用反斯托克斯(IR荧光)色素作为衬底中的掺杂剂。这些色素被IR能量激活，并在光敏聚合物层通常吸收的较短波长下在可见区域内发光。另选地，UV荧光染料也可用于将UV光转换成可见光或近IR光。可将无机/有机颗粒(SiO2和金属氧化物纳米颗粒)、纤维(诸如金属氧化物纳米纤维和碳纳米管)和小片(粘土)用于密封、结构增强或作为阻燃剂。
步骤3、下接触沉积
将下接触沉积在衬底之上。下接触的尺寸典型为从几mm2到m2的范围，而且该接触的厚度通常为几纳米到数百纳米的范围。可通过蒸镀、溅射或喷墨印刷金属纳米颗粒然后进行退火，来沉积半透明的高功函金属(诸如但不限于Au，Ag，Co，Ni，Pt，Pd或Mo)、金属氧化物(诸如ITO)或有机导体(诸如但不限于碳纳米管、石墨烯、聚合物)。
步骤4、载流层沉积
将载流层沉积在下接触之上。载流层的尺寸典型为从几mm2到m2的范围，而且该接触的厚度通常为几纳米到数百纳米的范围。对于常规的有机太阳能电池体系结构，沉积电荷载流层(PEDOT：PSS)。对于倒置的体系结构，沉积电子载流层(氧化锌纳米颗粒或纳米杆)。载流层的沉积通过诸如旋涂、喷涂、浸涂、刀片刮涂、喷墨印刷、丝网印刷之类的常见聚合物沉积技术来实现。可能需要退火步骤以改善载流子传导。
步骤5、有源聚合物层沉积
将光敏的聚合物层或串接层沉积在载流层之上。载流层的尺寸典型为从几mm2到m2的范围，而且该接触的厚度通常为几纳米到数百纳米的范围。用于有机光伏堆叠的串接电池的可能的有源成分如下：P3HT/PCBM混合物(光谱覆盖范围400-600nm)、Cu2S量子点/CdS纳米杆(600-800nm)以及PbS或PbSe量子点(800-1200nm)，可使用的聚合物是聚噻吩以及具有合适的带隙、光谱以及输运条件的其它聚合物偶联系统，诸如P3HT或P3OT。本发明的设计允许使用吸收光谱与太阳光谱的吸收光谱相匹配的任何适当的材料。单个光敏聚合物层的沉积是通过通常使用的聚合物沉积技术(诸如旋涂、喷涂、浸涂、刀片刮涂、喷墨印刷、丝网印刷)来实现的。两个或更多个光敏聚合物层的沉积是通过喷墨印刷和丝网印刷来实现的。可能需要退火步骤以形成经优化的体异质结，以获得改善的太阳能电池效率。
步骤6、上接触沉积
将上接触沉积在有源层之上。上接触的尺寸典型为从几mm2到m2的范围，而且该接触的厚度通常为几纳米到数百纳米的范围。通过蒸镀或溅射来沉积低功函金属(诸如但不限于Al、Ca或Mg)、金属合金或MgIn合金。对于反转或倒置的体系结构，可通过蒸镀、溅射或喷墨印刷金属纳米颗粒然后进行退火，来沉积高功函金属(诸如但不限于Au，Ag，Co，Ni，Pt，Pd或Mo)、金属氧化物或有机导体(诸如但不限于碳纳米管、石墨烯、聚合物)。可能需要退火步骤以形成经优化的聚合物/接触界面，以获得改善的太阳能电池效率。
步骤7、重复步骤2-6
为了制造最终的OPV堆叠的电池(图16)，重复步骤2到6多次以达到所需的堆叠大小。
效率与入射光的入射角的依赖关系
为了使有源层对光的吸收最大，光必须以特定的最优角度(θ0)进入该设备，该特定最优角度由相应层厚度确定。利用该“捕获”几何结构，由于入射光不得不传播通过有源层的最大路径长度，光将被更大程度地吸收。该原理适用于堆叠电池的阵列，其中堆叠电池的定向使得来自太阳的正入射光将实际上以最优角度进入堆叠阵列。
图17是简化的光线图，示出通过堆叠的光伏电池的光，示出入射光1710、入射角(θ0)、阴极1720、衬底1730、阳极1740、载流层1750、光敏层1760、镜面化表面1770、第一堆叠层1780以及第二堆叠层1790。入射光1710可以是太阳光。该图示出了入射光通过该设备传播的路径。一旦未经吸收的光到达每个堆叠1780和1790的底部，它就入射在镜面化的表面上。然后它沿着每个相应的堆叠1780和1790向回反射，以进一步被吸收。在其第二次沿着每个相应的堆叠1780和1790通过时，它再次通过有源层1760多次。该光捕获过程迫使入射光等效地通过比常规的平坦面板体系结构下可能具有的光敏层“厚得多”的光敏层传播。这样的配置解决了平坦面板固有的光损失。
为了转换更多的入射光能量，必须如上所述地使用超过一个光敏层。对该堆叠的稍微修改允许使用两个(如图18所示的双层)、三个(三层)、或甚至四个(四层)或更多的电池光敏层体系结构。
图18是简化的光线图，示出通过堆叠的双光伏(PV)电池的光，示出入射光1810、角(θ0)、阴极1820、衬底1830、阳极1840、载流层1850、双光敏层1860、镜面化表面1870、第一堆叠层1880以及第二堆叠层1890。双光敏层1060包含第一光敏层、隔离件以及第二光敏层。入射光1810可以是太阳光。图18示出入射光通过“双”有源层材料设备传播的路径。一旦未经吸收的光到达每个堆叠1880和1890的底部，它就入射在镜面化表面1870上。然后它沿着每个相应的堆叠1880和1890向回反射，以进一步被吸收。在其第二次沿着每个相应的堆叠1880和1890通过时，它再次通过有源层1860多次。
堆叠接触
1.为了堆叠由玻璃或非弹性衬底制成的光伏电池：
两个金属条可如图19A所示那样沉积。图19A示出沉积在具有光伏(PV)设备的衬底上的金属条，示出光伏电池1900A、玻璃1910、金属条1920、阴极(例如铝)1930、光敏层1940、阳极(例如铟锡氧化物)1950。金属条1020连接阴极1930。两个金属条与PV设备建立并联连接。一个金属条连接PV设备的阴极(例如Al)。另一个金属条沉积为部分地叠加在阳极(例如ITO)上。该沉积也在衬底的侧面上进行，以扩展阴极和阳极。
然后该衬底如图19B所示那样堆叠。图19B示出图19A的光伏(PV)电池的堆叠1900B的侧视图，示出玻璃1910和金属条1920。
为了连接所有玻璃滑块的电极，可如图19C所示的方式那样使用导电带。图19C示出施加在如图19B所示的暴露金属条上的导电带，示出了带有导电带的堆叠1900C、玻璃1910、金属条1920以及导电带1960。
导电带可以是：利用导电环氧树脂粘接至堆叠侧面的金属带。替代地，可使用在加热时得到均匀层的导电纳米颗粒油墨或金属膏。
2.为了堆叠由弹性衬底制成的PV电池：
沉积两个金属条。一个条连接像素设备的阴极。另一个条被沉积为部分地覆盖阳极(图19D)。图19D示出沉积在具有光伏(PV)设备的弹性衬底1915上的金属条1920，示出光伏电池1900D、弹性衬底1915、金属条1920、阴极1930、光敏层1940以及阳极1950。弹性衬底在侧面弯曲，而不损伤金属条(图19E)。
图19E示出弹性衬底1915弯曲而不损伤连接，示出弯曲的光伏电池1900E、弹性衬底1915、金属条1920、阴极1930、光敏层1940以及阳极1950。
当这样的衬底被彼此堆叠时，它将获得如图19F所示的结构。图19F示出如图19E所示的光伏(PV)设备的堆叠，示出堆叠1900F、弹性衬底1915、金属条1920、阴极1930、光敏层1940以及阳极1950。连接每个衬底上的像素设备的阴极和阳极的金属条中的每一个的一部分暴露。
导电带(之前已提及)用于连接金属条的暴露部分，如图19G所示。图19G示出施加在图19F中所示的暴露金属条1920上的导电带1960，示出具有导电带的堆叠1900G、弹性衬底1915、金属条1920、阴极1930、光敏层1940以及阳极1950。
热太阳能电池
本申请中描述的设备还解决了光伏设备的众所周知的致命问题，即电池组件由于暴露在阳光下所导致的温度升高引起的热降级。随着时间流逝，热降级会成为影响电池寿命的大问题。本发明通过在基础衬底上设置热流体入口(如图2B、3、6、8、13和14所示)，该热流体入口收集并耗散来自其它电池组件的热，解决了该问题。这也可利用集中器体系结构来实现，其中光被引导进入电池中，该电池包含用于吸收从而减少热能产生的热流体通道(使用诸如水之类的透明流体)。光集中可通过使用菲涅耳透镜、抛物面反射镜或此类结构的衍生物(如图2B和3所示)来实现。接触可串行或并行地进行，而且接触的示例如图19E、19F以及19G所示。

Claims (21)

1.一种适于接收入射光的光伏设备，包括：
多个光伏电池，
其中每个电池包括：
第一导电层；以及
毗邻第一导电层的光敏层；
毗邻光敏层的第二导电层；以及
其中多个光伏电池基本垂直地堆叠，其中垂直是入射光的方向。
2.如权利要求1所述的光伏设备，其特征在于，所述第一和第二导电层中的一个或多个包括从透明和半透明材料中选择的材料。
3.如权利要求1所述的光伏设备，其特征在于，所述光敏层包括薄膜。
4.如权利要求1所述的光伏设备，其特征在于，所述光敏层包括有机材料。
5.如权利要求1所述的光伏设备，其特征在于，所述光敏层包括无机材料。
6.如权利要求1所述的光伏设备，其特征在于，还包括毗邻第一和第二导电层中的一个层的衬底层。
7.如权利要求3所述的光伏设备，其特征在于，所述衬底层包括穿过其中的通道。
8.如权利要求1所述的光伏设备，其特征在于，每个光伏电池包括第一和第二末端，第一末端离入射光更近，而且其中所述光伏设备包括毗邻第二末端延伸的反射性表面。
9.如权利要求1所述的光伏设备，其特征在于，每个光伏电池包括第一和第二末端，第一末端离入射光更近，而且其中所述光伏设备包括设置在入射光与第一末端之间的透镜系统。
10.如权利要求1所述的光伏设备，其特征在于，多个光伏电池从由入射光限定的垂直轴倾斜。
11.一种适于接收入射光的光伏设备，包括：
多个光伏电池，每个光伏电池包括第一末端和第二末端，第一末端离入射光更近，
其中每个电池包括：
第一导电层；
毗邻第一导电层的光敏层；
毗邻光敏层的第二导电层；以及
毗邻第一和第二导电层中的一个导电层的衬底，其中所述衬底包括
穿过其中的通道；以及
其中所述多个光伏电池基本垂直地堆叠，其中垂直是入射光的方向，而且其中所述多个光伏电池从由入射光限定的垂直轴倾斜；
毗邻第二末端的反射性表面；以及
设置在入射光与第一末端之间的透镜系统。
12.一种用于制造适于接收入射光的光伏设备的方法，包括：
形成基本平坦平板配置的第一光伏电池；
形成基本平坦平板配置的第二光伏电池；
堆叠第一和第二光伏电池；以及
将所述光伏电池中的每一个重新定向为基本垂直，其中垂直是入射光的方向。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，形成第一光伏电池包括：
提供第一导电层；
毗邻第一导电层层叠第一光敏层；以及
毗邻第二光敏层层叠第二导电层。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，形成第一光伏电池还包括：提供毗邻第一和第二导电层中的一个层的第一衬底。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，形成第一光伏电池还包括：形成穿过第一衬底的通道。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，形成第二光伏电池包括：
提供第三导电层；
毗邻第三导电层层叠第二光敏层；以及
毗邻第二光敏层层叠第四导电层。
17.如权利要求13所述的方法，其特征在于，形成第二光伏电池还包括：提供毗邻第三和第四导电层中的一个层的第二衬底。
18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，形成第一光伏电池还包括：形成穿过第二衬底的通道。
19.如权利要求12所述的方法，其特征在于，将所述光伏电池中的每一个重新定向为基本垂直包括：使所述光伏电池从由入射光限定的垂直轴倾斜。
20.如权利要求12所述的方法，其特征在于，每个光伏电池包括第一和第二末端，第一末端离入射光更近，而且其中所述方法包括提供毗邻第一末端延伸的反射性表面。
21.如权利要求12所述的方法，其特征在于，每个光伏电池包括第一和第二末端，第一末端离入射光更近，而且其中所述方法包括提供设置在入射光与第二末端之间的透镜系统。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108183118A (zh) * 2017-12-08 2018-06-19 电子科技大学 一种垂直结构有机太阳能电池及制备方法

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130240019A1 (en) * 2012-03-14 2013-09-19 Ppg Industries Ohio, Inc. Coating-encapsulated photovoltaic modules and methods of making same
CN102610683B (zh) * 2012-03-31 2015-09-23 浙江中控太阳能技术有限公司 一种基于薄膜光伏的发电反射镜
EP2893568A4 (en) * 2012-08-13 2016-07-06 Univ Toledo BACK COVER FOR PHOTOVOLTAIC CELLS
AT513296A1 (de) * 2012-08-17 2014-03-15 Rene Dipl Ing Dolinsek Solarmodul
US10535791B2 (en) 2014-12-03 2020-01-14 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University 2-terminal metal halide semiconductor/C-silicon multijunction solar cell with tunnel junction
US9887664B2 (en) * 2015-03-04 2018-02-06 David Lawrence Hammers Solar panel module with increased volume of solar production
US9812867B2 (en) * 2015-06-12 2017-11-07 Black Night Enterprises, Inc. Capacitor enhanced multi-element photovoltaic cell
US10522774B2 (en) 2015-10-22 2019-12-31 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Solar cell comprising an oxide-nanoparticle buffer layer and method of fabrication
US20170194101A1 (en) * 2015-12-31 2017-07-06 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University HALIDE DOUBLE PEROVSKITE Cs2AgBiBr6 SOLAR-CELL ABSORBER HAVING LONG CARRIER LIFETIMES
CN109196678B (zh) * 2016-05-09 2022-07-15 株式会社钟化 层叠型光电转换装置和其制造方法
JP6471120B2 (ja) * 2016-06-27 2019-02-13 シャープ株式会社 光電変換素子およびそれを備えた光電変換装置
US11296244B2 (en) 2016-09-20 2022-04-05 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Solar cell comprising a metal-oxide buffer layer and method of fabrication
US11271123B2 (en) 2017-03-27 2022-03-08 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Alloyed halide double perovskites as solar-cell absorbers
US10923680B2 (en) 2018-10-11 2021-02-16 The Boeing Company Multifunctional composite panels and methods for the same
US10658534B2 (en) * 2019-01-31 2020-05-19 Jinjie Gu Bi-facial photovoltaic power generation module
GR1010214B (el) * 2021-02-16 2022-03-24 Κωνσταντινος Χρηστου Προυσκας Ηλιακος συλλεκτης ευκαμπτων φωτοβολταϊκων λεπτων υμενιων για αποδοτικοτερα και μακροβιοτερα φωτοβολταϊκα ηλιακα κυτταρα
DE102022121760A1 (de) 2022-08-29 2024-02-29 Cariad Se Solarstromerzeugungsvorrichtung und Kraftfahrzeug mit einer solchen Solarstromerzeugungsvorrichtung

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4082570A (en) * 1976-02-09 1978-04-04 Semicon, Inc. High intensity solar energy converter
US5071490A (en) * 1988-03-18 1991-12-10 Sharp Kabushiki Kaisha Tandem stacked amorphous solar cell device
US20030047207A1 (en) * 2001-09-11 2003-03-13 Eric Aylaian Solar cell having a three-dimensional array of photovoltaic cells enclosed within an enclosure having reflective surfaces
US20040211458A1 (en) * 2003-04-28 2004-10-28 General Electric Company Tandem photovoltaic cell stacks
US20050051205A1 (en) * 2003-09-05 2005-03-10 Mook William H. Solar based electrical energy generation with spectral cooling
US20080302357A1 (en) * 2007-06-05 2008-12-11 Denault Roger Solar photovoltaic collector hybrid

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4332973A (en) * 1974-11-08 1982-06-01 Sater Bernard L High intensity solar cell
US4140142A (en) 1977-04-06 1979-02-20 Dormidontov Anatoly A Semiconductor photoelectric generator
US4638111A (en) * 1985-06-04 1987-01-20 Atlantic Richfield Company Thin film solar cell module
JPH0766439A (ja) * 1993-08-30 1995-03-10 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 有機太陽電池装置
JPH11243224A (ja) * 1997-12-26 1999-09-07 Canon Inc 光起電力素子モジュール及びその製造方法並びに非接触処理方法
JPH11214049A (ja) * 1998-01-28 1999-08-06 Toshihiko Masuzawa 太陽電池
JP3174549B2 (ja) 1998-02-26 2001-06-11 株式会社日立製作所 太陽光発電装置及び太陽光発電モジュール並びに太陽光発電システムの設置方法
DE10017610C2 (de) 2000-03-30 2002-10-31 Hahn Meitner Inst Berlin Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls mit integriert serienverschalteten Dünnschicht-Solarzellen und Verwendung davon
US7217882B2 (en) * 2002-05-24 2007-05-15 Cornell Research Foundation, Inc. Broad spectrum solar cell
US7902453B2 (en) 2005-07-27 2011-03-08 Rensselaer Polytechnic Institute Edge illumination photovoltaic devices and methods of making same
WO2007029750A1 (ja) * 2005-09-06 2007-03-15 Kyoto University 有機薄膜光電変換素子及びその製造方法
US20070119497A1 (en) * 2005-11-29 2007-05-31 Nitto Denko Corporation Photoelectromotive force apparatus and manufacturing method thereof
KR100842265B1 (ko) 2006-11-21 2008-06-30 한국전자통신연구원 수직 적층형 염료감응 태양전지 모듈의 제조 방법
JP5048380B2 (ja) * 2007-04-09 2012-10-17 信越化学工業株式会社 単結晶シリコン太陽電池の製造方法
JP2011511464A (ja) 2008-02-03 2011-04-07 ンリテン エナジー コーポレイション 薄膜光起電力デバイスおよび関連製造方法
EP2258007A2 (en) * 2008-02-21 2010-12-08 Konarka Technologies, Inc. Tandem photovoltaic cells

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4082570A (en) * 1976-02-09 1978-04-04 Semicon, Inc. High intensity solar energy converter
US5071490A (en) * 1988-03-18 1991-12-10 Sharp Kabushiki Kaisha Tandem stacked amorphous solar cell device
US20030047207A1 (en) * 2001-09-11 2003-03-13 Eric Aylaian Solar cell having a three-dimensional array of photovoltaic cells enclosed within an enclosure having reflective surfaces
US20040211458A1 (en) * 2003-04-28 2004-10-28 General Electric Company Tandem photovoltaic cell stacks
US20050051205A1 (en) * 2003-09-05 2005-03-10 Mook William H. Solar based electrical energy generation with spectral cooling
US20080302357A1 (en) * 2007-06-05 2008-12-11 Denault Roger Solar photovoltaic collector hybrid

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108183118A (zh) * 2017-12-08 2018-06-19 电子科技大学 一种垂直结构有机太阳能电池及制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
NZ601330A (en) 2015-05-29
AU2010336525A1 (en) 2012-08-09
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EP2517257A1 (en) 2012-10-31
US10170650B2 (en) 2019-01-01

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