CN106298998A - 一种叠层并联的太阳能电池组件、制作方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种叠层并联的太阳能电池组件，包括由下至上依次机械层叠的N层电池层，所述N层电池层并联连接且工作电压相同，其中各层电池层的带隙由下至上依次变大，用于吸收不同波段的光，其中N为正整数，且N大于等于2。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，具体涉及一种叠层并联的太阳能电池组件、制作方法及装置。
背景技术
太阳能是取之不尽用之不竭的绿色能源，将太阳能转化为电能，是人类早就向往并正在实现的伟大目标。而这种转化有多种形式，目前主要有热电转换和光伏转换，两者在全球范围内快速推广和应用，尤其是后者。
光伏转换是通过太阳能电池进行的，即通过半导体材料吸收大于其带隙宽度的太阳光，再通过pn结将光生电子-空穴对分开、载流子浓度差驱动输运、欧姆接触电极收集，最终形成电功率(电流电压)对负载做功。太阳能电池是由半导体pn结构成，其产品主要有单晶硅和多晶硅体太阳能电池、也有碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池、铜钢镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池，但绝大部分光伏市场被晶硅太阳能电池所占据，其商用主导地位在近十年不可动摇。然而，光伏发电离平价上网还有相当的距离。因此，继续提高太阳能电池效率，继续降低电池的制造成本，则是行业发展的永恒主题。
就半导体单个pn结而言，其光电转换效率的增长总是有限的。根据Shockley-Queisser限制理论，一个光子只能形成一个电子-空穴对，其最高理论效率仅30％。而迄今为止晶体硅太阳能电池的最高效率已达25.6％，继续提高效率的范围非常有限。若再要提高效率，只有依靠多个与太阳光谱匹配的不同带隙pn结叠加进行。目前最好的是以锗材料为衬底，制备锗pn结，其带隙约0.66eV，可吸收0.885μm～1.88μm的长波长太阳光；在其上外延生长GaAs-pn结，其带隙约1.4eV，可吸收0.66μm～0.885μm的太阳光；继续外延GaInP-pn结，其带隙约1.8eV，可吸收≤0.66μm的短波长太阳光；三个结之间通过隧道结连接，其总的电池效率达到39％。
以往的叠层电池都是以隧道结连接的pn结串联形式，它要求每个pn结所产生的电流必须一致。这对太阳光谱始终一致的云层上部空间而言是可行的，只要调配好叠层各部分光吸收就可以自始至终地有效工作了。然而，在云层遮挡下的地面则大为不同，由于地面所获得的太阳光谱是随云层有无、云层厚度的变化而变化的，叠层电池中每层所获得的光辐照是随天气的变化而变化，因此，每层所输出的电流也与该波段太阳光强有直接关系；又由于串联叠层电池的电流输出受分层电池最小电流的制约，因此，电池总体效率远小于最初设计。从而进入了一个怪圈，即要想提高太阳能电池效率就必须进行叠层，而叠层电池的技术特长在地面因受气候影响而无法发挥，该问题长期困扰着地面光伏产业，急需一种不受地面气候影响的高效率叠层太阳能电池组件。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种叠层并联的太阳能电池组件、制作方法及装置。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种叠层并联的太阳能电池组件，包括由下至上依次机械层叠的N层电池层，所述N层电池层并联连接且工作电压相同，其中各层电池层的带隙由下至上依次变大，用于吸收不同波段的光，其中N为正整数，且N大于等于2。
根据本发明的另一个方面，提供了一种制作方法，用于制作太阳能电池组件，包括：分别制作所述N层电池层；将所述N层电池层机械层叠且并联。
根据本发明的另一个方面，提供了一种太阳能电池装置，太阳能电池组件和最大功率点跟踪模块，其接收端连接叠层并联的太阳能电池组件的输出端，其输出端连接后级电网，用于电能输出。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
(1)、多个太阳能电池层机械叠置并联，在标准太阳光辐照下每个电池层的工作电压被设计成一致，电池层之间并联，电压不变，电流相加，与地面天气变化无关；
(2)、多层太阳能电池采用不同材质，用于吸收太阳光的不同波段，提高电池效率。
(3)、多层太阳能电池之间设置EVA材料，使不同层电池单元之间没有载流子流动，达到非电接触的绝缘状态。
附图说明
图1为本发明实施例中叠层并联的太阳能电池组件结构示意图；
图2为图1中上层电池层结构示意图；
图3为图1中中层电池层结构示意图；
图4为图1中下层电池层结构示意图；
图5为图1中叠层并联的太阳能电池组件的制作流程图；
图6为本发明实施例叠层并联的太阳能电池装置结构示意图。
具体实施方式
本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明实施例提供一种叠层并联的太阳能电池组件，该太阳能电池组件是由多个电池层机械叠加并联组成，如图1所示，处于迎光面的电池层为上层电池层1，处于背光面的电池层为下层电池层3，中间的电池层为中层电池层2。每层电池材料的带宽不同，每个电池层吸收一个特定波段(短波、中波和长波)的能量；每个电池层是由多个同类电池单元串联或串并联构成，各电池层的电池单元之间没有面积和位置的对应关系，且处于电隔离状态；在标准太阳光辐照下每个电池层的工作电压被设计成一致，电池层之间并联，电压不变，电流相加，从而构成与地面天气变化无关的叠层并联方式。
具体的，本实施例中，上层电池层1电池材料的带
隙＞中层电池层2电池材料的带隙＞下层电池层3电池材料的带隙，即上层电池层1吸收太阳光中的短波段光谱能量，中层电池层2吸收太阳光中的中波段光谱能量，下层电池层3吸收太阳光中的长波段光谱能量。
各层电池层之间填充绝缘层材料，优选EVA材料，使得不同电池层的电池单元之间没有载流子流动，达到非电接触的绝缘状态。
上层电池层1为宽带隙半导体薄膜太阳能电池层，可以采用铜铟镓硒、钙钛矿等太阳能电池，如图2所示，包括玻璃衬底10，及设置在玻璃衬底10上的多个串联的上层电池单元11及覆盖于上层电池单元11上的绝缘介质膜15，每个上层电池单元11均包括依次层叠设置的下透明电极112、分离载流子的pn结113、上透明电极114，其中下透明电极112形成于玻璃衬底10上，且与相邻上层电池单元11的上透明电极114电性连接，来形成多个上层电池单元11之间的串联，通过条形串联方式来提高开路电压，该上层电池层吸收太阳光谱中的短波段光谱。
中层电池层2选用多片晶硅太阳能电池组成，可以采用常规的多晶硅或单晶硅双面透光太阳电池，彼此之间为串联(如60片、72片)或串并联(如10×6片、12×6片)的形式连接，该层电池层主要吸收太阳光谱中的中段。其结构如图3所示，包括Si-pn结、上下介质膜21、22及上下栅线电极23、24。
下层电池层3为窄带隙半导体薄膜太阳电池，可以采用多晶锗薄膜太阳能电池。如图4所示，包括玻璃衬底30，及设置在玻璃衬底30上的多个串联的下层电池单元31及覆盖于下层电池单元31上的绝缘介质膜35，每个下层电池单元31均包括依次层叠设置的下透明电极312、分离载流子的pn结313、上透明电极314，其中下透明电极312形成于玻璃衬底30上，且与相邻下层电池单元31的上透明电极314电性连接，来形成多个上层电池单元31之间的串联，通过条形串联方式来提高开路电压。该下层电池层主要吸收太阳光谱中的长波段。
本实施例中，由于上层电池层1电池材料的带
隙＞中层电池层2电池材料的带隙＞下层电池层3电池材料的带隙，且每个电池层的工作电压被设计成一致，因此上层电池单元个数<中层电池单元个数<下层电池单元个数，每一个电池单元对应一个pn结，在同等面积下，上层单个pn结面积＞中层单个pn结面积＞下层单个pn结面积。
本实施例中，上层电池层1的玻璃衬底10和下层电池层3的玻璃衬底30构成形成的叠层并联的太阳能电池组件的相对两外侧面，即玻璃衬底10构成叠层并联的太阳能电池组件的迎光面4，玻璃衬底30构成叠层并联的太阳能电池组件的背光面5。pn结113选用CdS/CIGS-pn结，pn结313选用Ge-pn结，透明导电材料可以为ITO，AZO等，绝缘介质膜可以为SiO2、SiN、Al2O3等。
需要注意的是，尽管本实施例给出了三层电池层机械叠加来形成太阳能电池组件，但本发明的保护范围并不限于此，本发明可以采用N层电池层机械叠加，N≥2，N为正整数，各层电池层带隙不同，用于吸收不同波段的光，提高太阳能电池组的电池效率，各层电池层并联，且依据带隙宽窄依次层叠，带隙越宽越靠近迎光面。
本发明所述的机械叠加是多个太阳能电池层各自完成制备和电路连接后再进行的叠加，而不是连续沉积在一个衬底上的串联叠层电池，机械叠层既有利于电池层的分别制备，又有利于叠加电池层的电隔离。
本发明中各层并联式是整个太阳能电池组件分层并联，因此，电池层与电池层之间电池单元必须进行电隔离。
本发明实施例还提供制作上述多层并联的太阳能电池组件方法，包括以下步骤，如图5所示：
步骤A：制作上层电池层；
首先，在玻璃衬底10上，沉积下透明电极层，采用激光切割来形成多个相互分离的下透明电极112，再者，采用热沉积方法沉积铜铟镓硒(CIGS)，采用水浴法沉积硫化镉(CdS)，用于形成半导体薄膜层，采用激光切割来阻断半导体薄膜层形成对应设置于下透明电极112上的多个pn结113，然后，采用磁控溅射方法制备上透明电极层，采用激光切割来阻断上透明电极层，形成对应设置于pn结113上的多个上透明电极114，所述相应的下透明电极112、pn结113及上透明电极114形成上层电池单元，一上层电池单元11的下透明电极112且与相邻上层电池单元11的上透明电极114电性连接，形成电池单元串联，最后沉积绝缘介质膜15，用于电隔离。
步骤B：制作中层电池层；
首先，在硅衬底20正面扩散磷(P)或硼(B)，形成pn结，具体在P型硅衬底正面扩散磷(P)，或者在N型硅衬底正面扩散硼(B)，形成pn结后，在正反两面均沉积上层介质膜21和下层介质膜22，以钝化表面态；在正反两面均采用栅线丝网印刷制备金属材质的上层栅线电极23和下层栅线电极24，烘烤和烧结，使金属渗透过介质膜与硅形成欧姆接触，形成单片的硅晶电池单元。采用传统焊带方式进行串焊，形成60片串联或72片串联，或者是每串10片的6串并联(10×6)、或每串12片的5串并联(12×5)。这种双面栅线电极使大部分长波长光能够在非电极区域通过中层电池。
步骤C：制作下层电池层；
首先，在玻璃衬底30上，沉积下透明电极层，采用激光切割来形成多个相互分离的下透明电极312，再者，采用磁控溅射方法沉积锗(Ge)，用于形成半导体薄膜层，采用激光切割来阻断半导体薄膜层3形成对应设置于下透明电极312上的多个pn结313，然后，采用磁控溅射方法制备上透明电极层，采用激光切割来阻断上透明电极层，形成对应设置于pn结313上的多个上透明电极314，所述相应的下透明电极312、pn结313及上透明电极314形成上层电池单元，一上层电池单元的下透明电极312且与相邻上层电池单元的上透明电极314电性连接，形成窄带隙电池单元串联，最后沉积绝缘介质膜35，用于电隔离。
步骤D：将三层电池层叠置并联；
将下层电池层3、中层电池层2、上层电池层1依次机械叠置，相邻两层之间采用聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物(EVA)材料填充，三层电池层的输出端口并联，形成叠层并联的太阳能电池组件。上层电池层1的玻璃衬底10和下层电池层3的玻璃衬底30构成形成的叠层并联的太阳能电池组件的相对两外侧面。
本实施例中，步骤A、B、C之间的顺序可以调换，或者步骤A、B、C中的任两者或三者可以同时制作。
本发明实施例还提供了一种叠层并联的太阳能电池装置，如图6所示，包括上述的叠层并联的太阳能电池组件及最大功率点跟踪(MPPT)模块。
最大功率点跟踪(MPPT)模块为图6虚线框所示，其接收端连接叠层并联的太阳能电池组件的输出端，输出端连接后级电网。最大功率点跟踪(MPPT)模块包括采样电路、控制电路、升压电路三个部分，采样电路接收叠层并联的太阳能电池组件的输出电压，并对该输出电压进行采样，输出采样信号，控制电路接收采样电路输出的采样信号，并依据采样信号输出对升压电路的控制信号，升压电路根据所述控制信号对太阳能电池组件输出的电压进行升压后，传输至后级电网，用于提供最大电能输出。
应注意，附图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。
实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)采用刻蚀工艺代替各层电池层制作过程中的激光切割。
(2)采用离子注入工艺代替硅电池制作过程的扩散。
(3)采用Al2O3薄膜、SiO2薄膜代替电池SiN钝化膜。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种叠层并联的太阳能电池组件，其特征在于，包括由下至上依次机械层叠的N层电池层，所述N层电池层并联连接且工作电压相同，其中各层电池层的带隙由下至上依次变大，用于吸收不同波段的光，其中N为正整数，且N大于等于2。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池组件，其特征在于：相邻电池层之间设置绝缘层。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池组件，其特征在于：所述绝缘层采用EVA材料。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池组件，其特征在于：N＝3，下层电池层(3)、中层电池层(2)、上层电池层(1)由下至上依次机械层叠。
5.根据权利要求4所述的太阳能电池组件，其特征在于：
所述上层电池层(1)为薄膜电池层，包括第一玻璃衬底(10)及形成于其上的多个串联的上层电池单元(11)；
所述中层电池层(2)为晶硅电池层，包括多个采用焊带方式串联或串并联的晶硅电池单元；
所述上层电池层(3)为薄膜电池层，包括第二玻璃衬底(30)及形成于其上的多个串联的上层电池单元(31)；
所述第一玻璃衬底(10)外表面为所述太阳能电池组件的迎光面(4)，所述第二玻璃衬底(30)外表面为所述太阳能电池组件的背光面(5)。
6.根据权利要求5所述的太阳能电池组件，其特征在于：
所述上层电池单元(11)包括依次层叠设置的第一下透明电极(112)、第一pn结(113)及第一上透明电极(114)，所述第一pn结(113)为CdS/CIGS-pn结。
7.根据权利要求5所述的太阳能电池组件，其特征在于，所述中层电池单元包括：
硅衬底(20)，通过扩散磷或硼，形成第二pn结；
上层介质膜(21)和下层介质膜(22)，分别沉积在硅衬底(20)两侧；
上层栅线电极(23)和下层栅线电极(24)分别设置于上层介质膜(21)和下层介质膜(22)上，并通过烧结分别穿过上层介质膜(21)和下层介质膜(22)与所述第二pn结形成欧姆接触。
8.根据权利要求5所述的太阳能电池组件，其特征在于：
所述下层电池单元(31)包括依次层叠设置的第二下透明电极(312)、第三pn结(313)及第二上透明电极(314)，所述第三结(113)为Ge-pn结。
9.一种制作方法，用于制作权利要求1至8中任一所述的太阳能电池组件，其特征在于，包括：
步骤J：分别制作所述N层电池层；
步骤K：将所述N层电池层机械层叠且并联。
10.一种太阳能电池装置，包括权利要求1至8中任一所述的太阳能电池组件，其特征在于，还包括：
最大功率点跟踪模块，其接收端连接叠层并联的太阳能电池组件的输出端，其输出端连接后级电网，用于电能输出。
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