CN105830225A - 形成薄膜太阳能电池组件的方法及薄膜太阳能电池组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及形成薄膜太阳能电池组件的方法和由此形成的薄膜太阳能电池组件。该方法包括的步骤有在基体(2)上形成多个电气互联的薄膜太阳能电池(1)的复合层结构(100)，所述复合层结构包括后接触层(10)、光伏活性层(11)和前接触层(13)；以及在形成所述前接触层(13)之前或者之后，将导电材料通过掩膜(4)沉积在所述前接触层下方或者上方从而形成导电栅(3)，方式是使所述基体(2)和所述掩膜(4)相对所述导电材料的沉积源(5)移动。

Description

形成薄膜太阳能电池组件的方法及薄膜太阳能电池组件
技术领域
本发明涉及生产薄膜太阳能电池组件的方法及薄膜太阳能电池组件。
背景技术
薄膜太阳能电池组件通常包括位于基体上的多个电气互联的薄膜太阳电池的复合层结构，该复合层结构包括后接触层、光伏活性层和前接触层。光伏活性层或者光伏吸收体能够特别为由铜铟镓(di)硒(CIGS)制造的吸收体。前接触层必须是透明的从而允许入射光到达吸收体并且因此由透明氧化物制造，例如ZnO。为了提高前接触层的横向电导率，金属集电栅能够被放置在透明氧化物上。US2010243046A公开了一种基于硫族化合物的光伏装置，该光伏装置具有硫族化合物吸收体、透明导电氧化物层和金属集电栅。
集电栅通常由具有良好导电性的材料制造，例如铜或者铝，但也能够采用其它金属，例如在US2010243046A中所描述的。此类金属集电栅遮蔽太阳能电池的活性层，因此降低了它的效率。栅线宽度能够被降低从而降低遮蔽效果。然而，这也将会降低栅线的电导。
发明内容
本发明的目的是提供具有更好的前侧接触电导同时具有更高的转化效率的太阳能电池组件，和生产此类太阳能电池的方法。
本发明的目的是通过提供具有权利要求1中的特征的方法和具有权利要求7中的特征的薄膜太阳能电池组件实现的。本发明的实施例的优点为下面的权利要求的主题。
本发明基于的构思是为通常透明的前接触层提供导电栅，借此将导电栅的栅线设计为起到光汇集结构的方式。这意味着入射到栅线上的光线以以下方式反射：反射光在组件分界面处的进一步内部反射将它导回至组件表面，优选到达组件表面没有栅线的位置。为了实现此目的，通过相对导电材料的沉积源移动基体和掩膜使得导电材料经过掩膜沉积，多个电气互联薄膜太阳能电池形成在基体上。掩膜相对基体是静止的并且优选与基体接触。
导电栅能够形成在前接触层的顶面上，即，前接触层的远离基体的表面，或者沉积在前接触层的下方，即，前接触层面向基体的表面。在两种实例中，优选导电栅与前接触层电接触从而提高它的导电率。
采用此方法，所生产的薄膜太阳能电池组件包括位于基体上的多个电气互联的薄膜太阳能电池的复合层结构，进一步包括位于前接触层底面或者顶面的导电栅。导电栅由导电材料制造并且具有至少一条狭长的栅线或者导线，其在垂直于它的长度方向并且垂直于基体表面的横截面上具有一个表面轮廓，该表面轮廓具有顶截面和位于顶截面侧翼的侧截面。导线还需要具有反射性，至少对于太阳能电池组件所设计针对的入射光来说。由于基体相对于沉积源移动同时掩膜相对基体处于固定位置，导线的横截面表面轮廓所具有的形状使得一个或者两个侧截面上的任意切线与所述复合层结构位于导电栅下方的层表面一起形成一个最大角度(α)，该最大角度小于80°,小于70°，或者小于60°。
通常，当产生导电栅时，重点在于努力获得具有垂直或者大致垂直边缘的栅线。即，栅线的表面轮廓的前缘(也被称为左侧截面或者左斜坡)和/或后缘(也被称为右侧截面或者右斜坡)处的切线被制造为与导电栅下方的层表面成90°角。通过在顶截面的一侧或者两侧获得具有小于80°、70°或者60°的切角斜坡侧截面，而不是类似的垂直侧，相应的侧截面能够为入射光提供反射面使得反射光能够被反射回至组件的分界面处的组件表面并且在这些多次反射后到达光伏活性层。有优势的是，掩膜，沉积源和基体与掩膜相对沉积源的移动被设计以确保一个或者两个侧截面处的所述最大角度小于50°、小于40°或者小于30°。
如前所述，复合层结构包括后接触层、光伏活性层，和前接触层。前接触层是入射光碰撞的层并且因此应当是透明的。优选前接触层由透明导电氧化物(TCO)制造，例如金属氧化物。后接触层并不必须要求透明；因此它能够由金属制造，例如钼。位于前和后侧接触层之间的光伏活性层，有时也被称为光汇集层，优选形成PN结。优选为硫族化合物吸收体并且特别能够由铜铟镓(di)硒(CIGS)制造。所述复合层结构能够被置于基体上且后接触层面向基体。后接触层优选直接位于基体上。在此情况下基体能够是不透明的或者透明的，例如由玻璃制造。可选择地，复合层结构能够被置于基体上且前接触面面向基体，在此情况下其被成为覆盖物。
在此，太阳能电池组件的远离入射光侧的层被视为下方，例如后接触层，同时入射光首先撞击的层，例如前接触层被视为上方。相应地，每一层的顶和底被限定为面向组件的入射光侧或者相反侧的层。由于导线或者线能够形成在前接触层的顶侧或者底侧，所述复合层结构位于导线下方的层表面起到基准面的作用，基于该基准面测量表面轮廓的切线的所述角度，如果导线被置于前接触层的顶面则该层表面能够是前接触层，或者在导线被置于前接触层下方的情况下该层表面能够是前接触层下方的层，特别是活性层或者可选的缓冲层。根据一些优选实施例，能够在前接触层的顶面上提供导线并且在前接触层下方提供另外的导线。
在一个优选实施例中，导电栅是以基本平行于导线的方式沉积。导电栅能够具有第一组平行导线和垂直于第一组的第二组平行导线。然而，类似的第二组平行导线并非是形成导电栅必须的。
在一个优选实施例中，导电材料通过具有朝向为纵向方向的狭长开口的掩膜沉积。换言之，掩膜具有朝向为纵向方向的平行狭缝。此类狭长开口导致导线被沉积到前接触层上或者前接触层下方的层上，它们沿着相同的纵向方向延伸。
沉积源优选沿着沉积源轴线为狭长形。这意味着它沿着沉积源轴线的延展要大于它垂直于沉积源轴线的延展。沉积源能够特别地由沿着沉积源轴线分布的多个点源形成，例如多于10个或者15个此类点源。此类点源的一个示例是送丝式蒸发器，在此蒸发材料线材被持续送至条形或者船形加热器。可选择地，沉积源能够由沿着所述沉积源轴线的线源形成。
基体和掩膜相对于沉积源的移动优选被引导垂直于沉积源轴线从而通过相对沉积源移动基体，基本上基体的所有部分在沉积源下方或者上方通过。
相对移动能够通过相对于静止的沉积源移动基体和掩膜实现，或者通过相对于静止的基体移动沉积源实现，或者通过同时移动基体和沉积源实现。在所有情况中，基体能够通过沉积源上方或者下方，由此按照沉积装置如何放置在地面上而定义上方或者下方。
在一个优选实施例中，基体和掩膜在平行于或者垂直于掩膜的狭长开口的纵向方向上在沉积源上方或者下方移动。此移动与基体和掩膜相对于沉积源的相对移动相适应。当移动是平行于狭长开口的纵向方向时，则由于沉积而通过掩膜形成的导线会沿着它们的纵向方向或者沿着它们的长度生成。换言之，一些或者(取决于沉积源的尺寸)所有导线同时沉积，随着沉积过程的发生而在长度方向上成长。另一方面，如果移动是垂直于狭长开口的纵向方向，则由于沉积而通过掩膜形成的导线被顺序地一个接一个地沉积，随着沉积源从掩膜的一个开口移动到另一个。
在一个优选实施例中，掩膜的狭长开口具有垂直于纵向方向的小于100μm，或者30μm至70μm之间的宽度。开口的深度，即一个长度，沿着该长度开口的宽度恒定并且该长度是垂直于基体表面测量的，优选位于50μm至200μm之间或者50μm至150μm之间，更加优选的是大约100μm。优选的是，掩膜本身更厚，从而获得刚性结构，同时具有开口宽度的开口直接位于基体上，掩膜在相对侧具有凹陷，其具有大于0.5mm或者1mm的宽度。上述掩膜开口的深度因此等于掩膜在凹陷区域的厚度。
在一个优选实施例中，所述复合层结构的形成方式使得所属基体上的互联薄膜太阳能电池通过分割线分割，由此导线被形成为它们平行于分割线。在此实施例中，太阳能电池是窄长板形式，它们的光伏活性层通过分割线而相互独立并且通过串联的前和后接触层而连接到一起。每一个太阳能电池组件能够由多于50或者100个板状太阳能电池组成，优选150个板状太阳能电池。
导线的轮廓的顶截面能够形成高地并且基本为平的。在一个优选实施例中所述顶截面和/或所述一个或者两个侧截面为曲线。优选地，所述导线具有大致为钟形曲线形状的横截面。
可选择地或者另外地，至少一个侧截面或者它的一部分为直线。两个侧截面的每一个均能够形成直线。在此实施例中，导线能够具有大致V形形状，三角形横截面。换言之，两个侧截面包括两个从导线下方的表面开始上升并且相较于导线的顶端的斜坡。优选地，如果一个或者两个侧截面为直线，它或它们能够相对于下表面形成一个角度，其具有上述80°、70°、60°、50°、40°，或者30°的最大值。正如接下来进一步阐明的，31°的斜角能够对应导线的具有高宽比为3：10的三角形横截面。
在一个优选实施例中，所述导线具有沿着所述横截面的60μm至130μm之间,或者80μm至100μm之间的宽度。宽度优选指的是半高全宽(FWHM)。
在一个优选实施例中，所属导电栅为金属栅。即，导线能够由金属例如铝、银或者铜形成。
在一个优选实施例中，导电栅包括沿着所述纵向方向朝向的平行狭长导线。导线能够以1mm至5mm之间的间隙而相互间隔，优选为1.5mm至4mm之间，更优选为2mm至3mm之间。如果在所述基体上互联的薄膜太阳能电池被分割线分割，则导线优选基本平行于分割线。
附图说明
接下来将结合附图对本发明的一些具体实施例进行进一步详细描述，其中：
图1示出了薄膜太阳能电池组件的复合层结构的横截面；
图2示出了具有导电栅的薄膜太阳能电池组件的复合层结构的横截面；
图3示出了根据一个实施例的导线的表面轮廓；
图4示出了用于通过掩膜沉积导线的设备的示意性横截面视图；
图5示出了根据另一个实施例的导线的表面轮廓；
图6示出了用于沉积导线的掩膜的横截面；
图7示出了根据形成薄膜太阳能电池组件的方法的一个实施例的掩膜视图，此时掩膜和基体通过沉积源；
图8示出了根据形成薄膜太阳能电池组件的方法的一个不同实施例的掩膜视图，此时掩膜和基体通过沉积源。
附图标记：
1薄膜太阳能电池
10后接触层
11光伏活性层
12缓冲层(可选)
13前接触层
14层表面
100复合层结构
2基体
3导电栅
31导(栅)线
32表面轮廓
321顶截面
322左侧截面(左斜坡)
323右侧截面(右斜坡)
4掩膜
41狭长开口
42开口凹陷
5沉积源
51材料束
6切线
7移动方向
具体实施方式
图1为薄膜太阳能电池1的复合层结构的示意性横截面。基体2被示出，其上具有复合层结构。复合层结构包括位于基体2上的后接触层10，远离基体2的前接触层13和夹于两个接触层10，13之间的光伏活性层11。在光伏活性层11上还存在缓冲层12，这是可选的。
图2示出了类似于图1的结构而区别在于此太阳能电池1包括具有导电栅线31的导电栅3，图2中可见四根导电栅线的横截面。在此，导电栅3位于层表面14上，该层表面14位前接触层13的光线入射面。在未示出的其它实施例中，导电栅3能够位于前接触层13的下方，因此层表面14能够是前接触层13与缓冲层12之间或者在没有缓冲层12的情况下是前接触层13与光伏活性层11之间的分界面。
图2中的导线31被示出为具有弯曲的表面轮廓32，这在图3中被更详细地示出。轮廓32包括顶截面321和侧翼的两个侧截面322，323，即左斜坡322和右斜坡323。轮廓32是对称的，因此左斜坡322或者左侧截面322为右斜坡323或者右侧截面323的镜像。在侧截面的某一高度处的切线6因此相对于导线3所在的层表面14具有相同但反向的角度。图3中示出了左侧截面322的一根切线6。切线6沿着整个轮廓32所具有的最大角度小于或者等于α，在此α为80°或者更小，取决于实施例。
垂直于层表面14并且因此垂直于基体(图3中未示出)入射到达导线3的光将同样垂直或者基本垂直地被反射回，如果光是在轮廓的顶截面321入射的话。然而，如果入射光冲击任一侧截面322，323，它将被成一角度地反射。当从下方到达组件的分界面时，反射光将被再次反射，例如由于内反射，并且撞击层表面14的没有导线3的位置。
图4示出了用于沉积导线3的设备。复合层结构100包括覆盖有掩膜4的基体2，掩膜4具有开口41，开口41在垂直于附图所在平面的方向上是狭长的。在此仅示出了复合层结构100和掩膜4的一段，因此仅一个开口41可见。沉积源5例如蒸发器被置于复合层结构100下方，在被掩膜4覆盖的一侧。沉积源5在垂直于附图所在平面的方向上也是狭长的，并且因此平行于开口41的纵向方向。然而沉积源5是静止的，复合层结构100与掩膜4一起在沉积层5上移动，在图4的布置中平行于附图平面从左至右。
沉积源5形成将被沉积到层表面14上以形成导线31的材料的材料束51。不同的材料束51以不同角度通过开口41到达层表面14处。在复合层结构100在沉积源5上面移动期间，导线31被构建出。导线31的形成取决于沉积源5的参数和开口41的宽高比以及掩膜与沉积源之间的距离。
图5中所示出的导线3的轮廓32具有直线侧截面322，323。在此，导线3的高度被定义为h，它处于几μm的区间，优选位于1至10μm之间，而宽度定义为w。高度h与宽度w之间的比例优选为1：10至5：10之间，更优选大约3：10。对于大约3μm的高度，对应的是大约10μm的宽度。在此特别实施例中，宽度W并未被限定为FWHM，而是构成导线3的横截面的三角形下方的宽度。
图6中示出了掩膜4的横截面。正如图4中所示，掩膜4具有开口41，开口41在沿着垂直于附图所在平面延伸的纵向方向上是狭长形。掩膜4本身需要具有最小厚度以足够强壮且易于处理。因此，能够允许某种程度上开口41具有非常小的深度。在开口41的后面具有更宽的凹陷42。仅开口41会对导线3的形成和尺寸产生影响，而凹陷42具有的宽度和深度使得它不会影响到沉积过程。
图7和图8中示出了两个不同的沉积情况。它们全部以覆盖复合层结构(图7和图8种不可见)的掩膜4的仰视图的形式示出，因此可见狭长开口41。箭头7表明了基体2和掩膜4的移动方向。在右侧，示意性展示了沉积源5。在两种情况中，垂直于运动方向7的沉积源5的长度足够大以覆盖基体2和掩膜4的垂直于移动方向上的全部尺寸，同时沉积源5的宽度，即它沿运动方向7的延展相对于它的长度较窄。
在图7中，基体2和掩膜4在方向7上移动，方向7垂直于掩膜4中的狭长开口41的纵向方向。因此，由于沉积源5的尺寸和设计，一个导线31接着另一个形成在复合层结构100上，同时基体2和掩膜4在沉积层5上方移动。图8中所示出的情况不同，在此基体2和掩膜4在方向7上移动，方向7平行于掩膜4中的狭长开口的纵向方向。在此，所有导线31被同时沉积，沿它们的长度构建，同时基体2和掩膜4在沉积源5上方移动。在图8的示例中可以说相对于每一个掩膜开口41成不同角度的材料束51在沉积过程期间对于所有开口41在所有时间都是存在的，而在图7中材料束51到达每一个开口41处的角度随着时间而改变，因为基体4与沉积源5相互相对移动。

Claims (14)

1.形成薄膜太阳能电池组件的方法，包括以下步骤：
-在基体(2)上形成多个电气互联的薄膜太阳能电池(1)的复合层结构(100)，所述复合层结构包括后接触层(10)、光伏活性层(11)和前接触层(13)；以及
-在形成所述前接触层之前或者之后，将导电材料通过掩膜(4)沉积在所述前接触层(13)下方或者上方从而形成导电栅(3)，方式是使所述基体(2)和所述掩膜(4)相对所述导电材料的沉积源(5)移动。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，是以基本平行的导线(31)的形式沉积所述导电栅。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，沿着纵向方向通过具有狭长开口(41)的所述掩膜(4)沉积所述导电材料。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基体和所述掩膜在所述沉积源(5)的下方或者上方移动，方向平行或者垂直于所述掩膜的所述狭长开口(41)的纵向方向。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述掩膜(4)的所述狭长开口的垂直于所述纵向方向的宽度小于100μm，或者在30μm至70μm之间。
6.根据权利要求2至5中的任一项所述的方法，其特征在于，所述复合层结构(100)被形成为所述基体(2)上的所述互联薄膜太阳能电池被分割线分割，因此所述导线(31)形成为平行于所述分割线。
7.包括位于基体(2)上的多个电气互联的薄膜太阳能电池(1)的复合层结构的薄膜太阳能电池组件，所述复合层结构包括后接触层(10)、光伏活性层(11)、前接触层(13)和位于所述前接触层(13)下方或者上方的由导电材料制造的导电栅(3)，其特征在于，所述导电栅(3)的狭长导线(31)在垂直于它的纵向方向的横截面内具有表面轮廓(32)，表面轮廓(32)具有顶截面(321)和位于所述顶截面(321)侧翼的两个侧截面(322，323)，由此一个或者两个所述侧截面(322，323)的任意切线(5)与所述复合层结构位于所述导线(3)下方的层表面(14)一起形成一个最大角度(α)，该最大角度小于80°,小于70°,或者小于60°
8.根据权利要求7所述的薄膜太阳能电池组件，其特征在于，所述顶截面(321)和/或所述一个或者两个侧截面(322，323)为曲线。
9.根据权利要求7或8所述的薄膜太阳能电池组件，其特征在于，所述导线(31)具有大致为钟形曲线的横截面。
10.根据权利要求7所述的薄膜太阳能电池组件，其特征在于，所述导线(31)具有大致为V形的横截面。
11.根据权利要求7至10中的任一项所述的薄膜太阳能电池组件，其特征在于，所述导线沿着所述横截面的宽度为60μm至130μm之间，或者80μm至100μm之间。
12.根据权利要求7至11中的任一项所述的薄膜太阳能电池组件，其特征在于，所述导电栅(3)为金属栅。
13.根据权利要求7至12中的任一项所述的薄膜太阳能电池组件，其特征在于，所述导电栅(3)包括沿着所述纵向方向朝向的平行的狭长导线(31)。
14.根据权利要求13所述的薄膜太阳能电池组件，其特征在于，所述基体(2)上的互联薄膜太阳能电池被分割线分割，因此所述导线(31)大致平行于所述分割线。
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