CN110165004B - 光伏发电和存储设备及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种光伏发电和存储(PPGS)设备，包括：导电的衬底；布置在所述衬底的第一侧上的太阳能电池元，所述太阳能电池元包括布置在一阳极和一阴极之间的吸收层；和印制在所述衬底的相对的第二侧上的固态电池，所述电池包括布置在一阳极和一阴极之间的电解质层。形成PPGS设备的方法包括：在导电片的第一表面上形成包括太阳能电池元p‑n结的半导体材料堆叠；以及在所述导电片的至少一部分的相对的第二表面上印制固态电池。

Description

光伏发电和存储设备及其制造方法
技术领域
本发明总体涉及光伏发电和存储设备、包括多个这样的设备的阵列，及其制造方法。
背景技术
光伏电池元(例如，太阳能电池元)当前正作为“绿色”能源而得以发展。然而，太阳能电池元的根本问题是由此产生的电力的间歇性。因此，太阳能发电系统通常需要二次能源(例如，与电网的连接)，以在夜晚和低太阳辐射期间提供能量。此外，在峰值发电期间，太阳能系统可以产生与本地消耗相比更多的电力，需要公用设备将过剩的电力分配给电网。
发明内容
根据本发明的多种实施例，提供了光伏发电和存储(PPGS)设备，包括：导电的衬底；布置在所述衬底的第一侧上的太阳能电池元，所述太阳能电池元包括布置在一阳极和一阴极之间的吸收层；以及印制在所述衬底的相对的第二侧上的固态电池。所述电池包括布置在一阳极和一阴极之间的电解质层。
根据本发明的多种实施例，提供了制作光伏发电和存储(PPGS)阵列的方法，所述方法包括：在导电片的第一表面上形成包括太阳能电池元p-n结的半导体材料堆叠；以及在所述导电片的至少一部分的相对的第二表面上印制固态电池。
附图说明
图1是根据本发明的多种实施例的光伏发电和存储设备100的竖直截面图。
图2A是示出了设备100的附加部件的俯视图，图2B是沿图2A的线I-I的竖直截面图，而图2C是沿图2A的线II-II的竖直截面图。
图3A是根据本发明的多种实施例的、被电连接的光伏存储设备100A和100B，而图3B是沿图3A的线III-III的截面图。
图4A是阵列110的仰视图，该阵列包括电连接的且平铺布置的设备100，图4B是沿图4A的线IV-IV的截面图，而图4C和图4D是相应部件的电连接示意图和电路示意图，示出了图4A的阵列110的电连接。
图5示出了示例性的装置1000，用于在图1所示的衬底12上形成太阳能电池元10。
图6A至图6D示出了根据本发明的多种实施例的用于形成固态电池的丝网方法。
图7A至图7D示出了根据本发明的多种实施例的用于形成固态电池的喷墨印制方法。
具体实施方式
附图没有按比例绘制。可以在示出某一元件的单个示例的情况下再现该元件的多个示例，除非以其他方式明确地描述或清楚地表明元件的再现不存在。使用例如“第一”、“第二”和“第三”的序数词仅是为了分辨相似的元件，并且在本申请的说明书和权利要求书中可以使用不同的序数词。正如在此使用的，位于第二元件“上”的第一元件可以位于第二元件的表面的外侧上或者第二元件的内侧上。正如在此使用的，如果在第一元件的表面和第二元件的表面之间存在直接的物理接触，则第一元件“直接位于第二元件上”。正如在此使用的，如果某一元件的结构件内在地能够执行某一功能(由于其物理和/或电学特性)，则该元件被“配置为”执行该功能。
将会理解的是，当提到一元件或一层在另一元件或另一层“上”或“连接至”另一元件或另一层时，其可以直接在所述另一元件或另一层上或直接连接至所述另一元件或另一层，或者，可以存在中间元件或中间层。相反，当提到一元件“直接”在另一元件或另一层“上”或“直接连接至”另一元件或另一层时，不存在中间元件或中间层。将会理解的是，为了公开的目的，“X、Y和Z中的至少一个”可以解释为仅有X、仅有Y、仅有Z，或者两个或更多个项目X、Y和Z的任意组合(例如，XYZ、XYY、YZ、ZZ)。
在本文中，范围可以表达为从“大约”一个特定值和/或到“大约”另一个特定值。当表达这样的范围时，示例包括从一个特定值和/或到另一个特定值。类似地，当数值被表达为近似值时(通过使用先行词“大约”)，将会理解的是，该特定值形成了另一方面。在一些实施例中，值“大约X”可以包括+/-1％X的值。进一步将会理解的是，每个范围的端点对于另一端点是重要的，也是独立于另一端点的。在本文中，某一元素的“基本全部”可以指该元素的量在该元素的总量的98％至100％之间。此外，当提到一部件几乎不含某一元素时，该部件可以完全不含该元素，或者可以包括微量(例如，1％或少)的该元素。
“薄膜”光伏材料是指多晶或非晶光伏材料，其在提供结构支撑的衬底上沉积成一层。薄膜光伏材料与具有更高制造成本的单晶半导体材料不同。提供高转换效率的那些薄膜光伏材料包括含硫族元素的化合物半导体材料，例如铜铟镓硒(“CIGS”)。
薄膜光伏电池元(也称为光伏电池元)可以使用卷对卷涂层系统基于溅射、蒸发或者化学气相沉积(CVD)技术来制造。将薄箔衬底(例如箔片衬底)以线性带状的形式从卷供给经过一系列独立的真空室或者单个被分割的真空室，在真空室，该衬底接收所需的层以形成薄膜光伏电池元。在这样的系统中，具有有限长度的箔可以在卷上供应。新的卷的端部可以联接至先前的卷的端部，以提供连续供给的箔层。
通过将产生的过剩电力进行存储，电池可帮助降低太阳能系统对电网的依赖。然而，向太阳能电池元系统(例如，屋顶太阳能板系统)添加电池将显著增加系统和安装的成本。此外，独立电池单元还可能有大的占用空间，这将进一步使系统安装复杂化。在本发明的多种实施例中，电池层被印在太阳能电池元衬底的背侧，以减小电池占用空间并减少系统安装成本。
图1是根据本发明的多种实施例的光伏发电和存储设备100的竖直截面图。参照图1，设备100包括布置在衬底12的彼此相对的第一侧和第二侧的太阳能电池元(cell)10和电池(battery)30。在一些实施例中，太阳能电池元10可以完全覆盖衬底的第一侧。太阳能电池元10可以包括第一电极2(例如，阳极或正电极)、p掺杂半导体层3、n掺杂半导体层4、第二电极5(例如，阴极或负电极)，以及可选的抗反射(AR)层。阳极2、阴极5、p掺杂半导体层3、n掺杂半导体层4以及可选的AR层可以是多种薄膜(形成光伏结构)的堆叠的形式。
衬底12可以由柔性的导电材料形成，例如，金属或金属合金箔。衬底12可以由铝、钛或金属合金(例如，不锈钢)形成。衬底12可以通过切割金属片(web)衬底而形成，正如下文详细的讨论，所述金属片衬底被供应经过包括一个或多个处理模块的系统。衬底12可以包括电池元10的阳极电极2的一部分。因此，电池元10的阳极2可以被称为背电极。可替换地，导电衬底12可以是导电的或绝缘的聚合物箔。依然可替换地，衬底12可以是聚合物箔和金属箔的堆叠。衬底12的厚度可以在100微米到2毫米的范围内，尽管也可以采用更小和更大的厚度。
阳极2可以包括任意适宜的导电层或层的堆叠。例如，阳极2可以包括金属层，其例如可以是钼。可替换地，可以使用钼和钠的堆叠和/或掺氧的钼层，正如美国专利8,134,069中所描述的，该专利通过引用以其整体合并于此。阳极2可以具有从500纳米到1微米范围的厚度，尽管也可以采用更小和更大的厚度。阳极2可直接与衬底12的第一表面(即，顶表面)物理接触。
p掺杂半导体层3可以包括p型掺钠的铜铟镓硒(CIGS)，其起到半导体吸收层的作用。p掺杂半导体层3的厚度可以在1微米到5微米的范围内，尽管可以使用更小和更大的厚度。
n掺杂半导体层4包括n掺杂半导体材料，例如CdS、ZnS、ZnSe或者其他的金属硫化物或金属硒化物。n掺杂半导体层4的厚度通常小于p掺杂半导体层3的厚度，并且可以在50纳米到100纳米的范围内，尽管可以使用更小和更大的厚度。p掺杂半导体层3与n掺杂半导体层4之间的结是p-n结。n掺杂半导体层4可以是对太阳辐射的至少一部分实质上透明的材料。n掺杂半导体层4也被称为缓冲层。其他半导体材料(例如，GaAs、硅、CdTe等)也可以用于p掺杂或n掺杂半导体层3、4。
阴极5可以由一层或多层透明的导电材料形成。示例性的透明的导电材料包括ZnO、氧化铟锡(ITO)、掺Al的ZnO(“AZO”)，或者较高电阻率的AZO和较低电阻率的ZnO、ITO和/或AZO层的组合或堆叠。
可选的AR层可以减少光伏电池元10的顶表面所反射的光的量，所述顶表面位于衬底12的相对侧上。在一个实施例中，AR层可以是直接沉积在第二电极5的顶表面上的涂层。可替换地或者附加地，在最终产品中，透明的玻璃罩或聚合物层可以布置在光伏电池元上，而抗反射涂层可以形成在所述透明的玻璃罩的任一侧或者两侧上。隔离介电层28可以布置在衬底12的第二侧(即，背侧)上。
根据本发明的多种实施例，电池30可以是柔性的且可再充电的固态电池。在一些实施例中，电池30可以是锌基固态电池。电池30可以通过将层印在衬底12的与其第一侧相对的第二侧上而形成(太阳能电池元10布置在衬底12的第一侧上)。特别地，电池30可以布置在隔离介电层28上，隔离介电层28位于衬底12的第二侧上。电池30可以覆盖衬底12的第二侧的一部分，使得衬底12的一部分保持在电池30的边界之外。
电池30可以包括第一电极层32(例如，阳极或负电极)、电解质层34和第二电极层36(例如，阴极或正电极)。电池30还可以包括布置在电极36上的集流器38。
电解质层34可以是无水凝胶电解质层，其联接至阳极32和阴极36，使得电解质层34将阳极32和阴极36物理隔离。阳极32可以电连接至一相邻电池30的阴极36。电解质层34可以包括一种成分，所述成分被配置为，通过促进阳极32和阴极36之间多价离子的传输而在阳极32和阴极36之间提供离子流通。
在一些实施例中，电解质层34可以是凝胶电解质，包括在其中具有液态电解质的聚合物网络。液态电解质可以包括溶解在离子性液体中的一种或多种电解质盐。电解质盐可以被配置为，提供有待运送经过电解质凝胶的二价或多价离子。
聚合物网络可以包括选自以下内容的一种或多种聚合物：聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯六氟磷酸盐(PVDF-HFP)、聚乙烯醇(PVA)、聚氧化乙烯(PEO)、聚丙烯腈(PAN)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、环氧衍生物，以及硅的衍生物。
液体电解质可以包括一类称为离子性液体的材料。离子性液体可以具有低电导率(<5mS/cm)、大的电化学稳定窗口(>1V)、溶解电解质盐的能力，以及与所需的处理方法相容的粘度。一个示例性的离子性液体包括1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲烷磺酸盐(C9H15F3N2O3S)。
离子液体可以包括阳离子，例如，咪唑鎓变体、吡咯烷鎓变体，铵盐变体、吡啶鎓变体、哌啶鎓变体、鏻变体和锍变体，以及阴离子，例如，氯化物、四氟硼酸盐(BF4 -)、三氟乙酸盐(CF3CO2 -)、三氟甲磺酸盐(CF3SO3 -)、六氟磷酸盐(PF6 -)、双(三氟甲基磺酰基)酰胺(NTf2 -)、双(氟磺酰基)酰亚胺(N(SO2F)2 -)。在一些实施例中，离子性液体包括选自由以下内容构成的组：锌离子(Zn2+)、铝(Al3+)、镁(Mg2+)和钇(Y2+)。
液体电解质可具有大于1mS/cm的离子电导率，离子电导率优选地在2mS/cm至3.5mS/cm之间，更优选地在2.3mS/cm至2.7mS/cm之间。在一些实施例中，液体电解质具有在离子性液体中0.2M至0.75M之间的电解质盐浓度，其优选地在0.4M至0.75M之间，更优选地在0.45M至0.65M之间。聚合物凝胶中的离子性液体电解质浓度可以定义为聚合物凝胶中的离子性液体电解质的重量百分比。在一个实施例中，离子性液体电解质与聚合物的优选的重量百分比大于20％，优选地在25％至90％之间，更优选地在40％至85％之间。
阳极32可以包括金属，其在与离子性液体电解质发生氧化反应时放出多价离子。例如，锌金属与离子性液体电解质发生氧化反应后形成二价锌离子。阳极32还可以包括铝、镁、钇及它们的组合，等等。阳极金属成分还可以包括多个形态特征(例如，锌薄片和球形颗粒和纳米粒子)，以增加电化学容量。
在多种实施例中，阴极36包括金属氧化物作为主要成分。例如，阴极36可以包括五氧化二钒(V2O5)颗粒、二氧化锰(MnO2)颗粒、氧化钴(CoOx)颗粒、氧化铅(PbOx)颗粒等等。在其他实施例中，阴极36具有任何金属氧化物颗粒作为重要成分，其能够吸收和释放来自阴极36的离子。集流器38可以包括导电材料，例如金属或碳。
图2A是示出了设备100的附加部件的俯视图。图2B是沿图2A的线I-I的竖直截面图，而图2C是沿图2A的线II-II的竖直截面图。
参照图2A至图2C，设备100可以包括互连件25，其包括导线24、第一介电层22和/或第二介电层26，以将太阳能电池元10以串联方式电连接至相邻的太阳能电池元，正如下文详细讨论的。第一介电层22可以布置在线24的上表面上，第二介电层26可以布置在导线24的下表面上。设备100还可以包括布置在电池30和衬底12之间的第三(即，隔离)介电层28，以及覆盖电池30的下表面的第四(即，覆盖)介电层29。介电层22、26、28、29可以由介电材料形成，例如聚合物等。在一些实施例中，介电层22、26、28、29中的一个或多个可以是基本透明的。在一个实施例中，介电层22和26可以是基本透明的，而介电层28和29可以是不透明的，因为它们位于衬底12的背侧。在一些实施例中，介电层22、26、28、29中的一个或多个可以由柔性材料形成，例如，透明的聚合物膜、透明的非聚合物膜、透明的低聚物膜，或者它们的组合。
线24可以是以连续蜿蜒的样式布置在太阳能电池元10的上表面上的线，从而降低了线24和阴极5(见图1)之间的接触电阻。然而，线24不限于任何特定的样式。例如，能够以之字形样式或任意其他适宜的样式来进行布线，配置成增加线24和太阳能电池元10之间的接触面积。线24的一部分24A延伸超过太阳能电池元10的边缘，并且布置在第二介电层26上。第二介电层26的边缘可以附接到太阳能电池元10的上表面的边缘。第二介电层26可在每一侧上、在与光伏电池元10接触的区域具有粘合涂层。在另一实施例中，介电层22、26可以包括压敏粘合剂(PSA)片材。
在与其局部长度方向垂直的平面上，线24可以具有非长方形且基本均一的截面形状。例如，线24可以具有基本圆形的截面形状或椭圆的截面形状。线24的厚度(其被定义为所述非长方形且基本均一的截面形状的最大尺寸)可以在30微米到3毫米的范围内。在一个实施例中，线24的厚度可以在60微米到1.5毫米的范围内。在一个实施例中，线24的厚度可以在120微米到750微米的范围内。在所述非长方形且基本均一的截面形状是圆形的情况下，最大的横向尺寸可以是之字形导线24的直径。可替换地，线24可以具有长方形的截面形状。在其他实施例中，线24以外的导体(例如，导电迹线或带)可以用来代替导线24。
图3A是根据本发明的多种实施例的、被电连接的光伏存储设备100A和100B。图3B是沿图3A的线III-III的截面图。设备100A、100B与图1至图2C的设备100相似，因此不作详细描述。
参照图3A和3B，设备100A、100B以“平铺”(例如，“铺瓦片”)方式布置，其中，设备100A的太阳能电池元10通过互连件25电连接至设备100B的太阳能电池元10。特别地，互连件25的线24的第一部分电连接至设备100A的太阳能电池元10的阴极。互连件25可包括第一介电层22，所述第一介电层22被配置为将线24的第一部分粘合至设备100A的太阳能电池元。
线24的第二部分从设备100A延伸，并且接触设备100B的导电衬底12的下表面。特别地，线24的第二部分经由衬底12电连接至设备100B的太阳能电池元10的阳极。互连件25可包括第二介电层26，所述第二介电层26被配置为将线24的第二部分粘合至衬底12的底表面。据此，互连件25以串联方式将太阳能电池元10物理连接且电连接。如图3A和3B所示，互连件25的柔性允许互连件被弯曲，以连接相邻的设备100A、100B，使得相邻的互连件25部分重叠，太阳能电池元10和衬底12被布置在其间。
互连件25的配置可以有变化，因此不限于上述配置。其他的互连件配置可见美国专利申请15/189,818，该申请通过引用以其整体合并于此。为清晰起见，设备100A、100B被示出为横向间隔开。然而设备100A、100B可以按照铺瓦片的方式横向重叠，使得设备100B的衬底12的底表面的边缘与设备100A的太阳能电池元10的顶表面的边缘重叠。
图4A是阵列110的仰视图，该阵列包括根据本发明的多个实施例的、电连接的且平铺布置的设备100。图4B是沿图4A的线IV-IV的截面图，而图4C和图4D是相应部件的电连接示意图和电路示意图，示出了图4A的阵列110的电连接。
参照图4A至图4D，阵列包括一个平铺在另一个之上(铺瓦片)的多个设备100。设备100通过连接件25以串联方式电连接，如上所述(见图3A和图3B)。阵列110还包括电连接至每个设备100的太阳能电池元10的第一母线40。特别地，第一母线40可以布置在第三介电层28上，并且可以在阵列110的边界周围延伸，以连接其中一个太阳能电池元10的阴极和/或相应的互连件25。据此，第一母线40可以操作为太阳能电池元10的负端子。
阵列110可以包括第二母线(例如，线)42，经过第三介电层28中形成的开口28A，第二母线42电连接至衬底12的底表面。如上所述，每个衬底12可以电连接至相应的太阳能电池元10的阳极。据此，第二母线42可作为设备100的串联连接的太阳能电池元10的正端子。
阵列110还可包括第三母线(例如，线)44、第四母线(例如，线)46和第五母线(例如，线)48。特别地，第三母线44中的每一个可以电连接相邻电池30的阳极32和阴极36或集流器38，使得电池30串联连接成电池串。因此，第三母线44起到电池互连件的作用。第四母线46可与其中一个电池30的阴极36或集流器38电接触，并可操作为串联连接的电池30的正端子。第五母线48可在阵列110的边缘周围延伸，以便与阵列110端部的第一个设备100的电池30和太阳能电池元10的负电极电连接。特别地，第五母线48可以将电池30的阳极32电连接至第一个设备100的太阳能电池元10的阴极5。如此，第五母线48可以操作为串联连接的电池30的负端子。在一个实施例中，第五母线48可以电连接至第一母线40，使得第一母线40可以操作为电池30和太阳能电池元10的负端子。
第四(即，覆盖)介电层29可以被配置为覆盖(例如，封装)第三介电层28、电池30和母线40、42和44。在一些实施例中，阵列110可以包括被配置为封装第一介电层22的第五介电层31。第五介电层31可以由如上所述的透明的、柔性的介电材料形成。
阵列110还可以包括控制单元50，控制单元50被配置为控制从阵列110到阻性负载RL的电流流动，且控制电池30的充电。特别地，如图4C所示，控制单元50可包括被配置为控制流经母线40、42、44的电流的第一开关52、第二开关54、第三开关56。第一开关52可被配置为控制流经太阳能电池元10的电流。第二开关54可被配置为控制流向阻性负载RL的电流，而第三开关56可被配置为控制流经电池30的电流。
根据负载RL是否被应用到阵列110及太阳能电池元10产生的电量，控制单元50可具有多种操作模式。例如，当太阳能电池元10正由于暴露于阳光而发电并且负载RL被应用于阵列110时，控制单元50可具有第一操作模式。特别地，在第一模式中，控制单元50可被配置为断开第三开关56且闭合第一和第二开关52、54，从而将太阳能电池元10所发的电提供至负载RL且并不向电池30充电。
当太阳能电池元10正在发电并且负载RL没有被应用于阵列110时，控制单元50可具有第二操作模式。特别地，在第二模式中，控制单元50可闭合第一和第三开关52、56且断开第二开关54，从而电力被提供至电池30并存储在电池30中，并且没有电力被应用于负载RL。
当太阳能电池元10没有发电并且负载RL被应用于阵列110时，控制单元50可具有第三操作模式。特别地，在第三模式中，控制单元50可闭合第二和第三开关54、56且断开第一开关52，从而存储在电池30中的电力被应用于负载RL。
在一些实施例中，阵列110可以包括二极管(未示出)，以防止电流沿着第一母线40流回太阳能电池元10。通常，控制单元50被配置为，当电池元上的电压降到阈值电压以下时将第一开关52和/或第三开关56断开，从而将太阳能电池元10与电池30断开，以防止电池30向太阳能电池元10放电。
太阳能电池元的形成
图5示出了用于在图1所示的衬底12上形成太阳能电池元10的示例性装置1000。参照图5，装置1000包括顺次连接的输入单元101、第一处理模块200、第二处理模块300、第三处理模块400、第四处理模块500和输出单元800，以使片箔衬底层形式的导电片衬底13连续流经所述装置。模块101、200、300、400、500可以包括：在2016年4月5日授权的美国专利9303316中描述的模块或者任何其他适宜的模块，所述专利通过引用的形式以其整体合并于此。第一、第二、第三和第四处理模块200、300、400、500可以分别通过第一、第二、第三和第四真空泵280、380、480、580而处于真空态。第一、第二、第三和第四真空泵280、380、480、580可以为第一、第二、第三和第四处理模块200、300、400、500中的每一个分别提供适宜水平的基础压力，该基础压力可在1.0×10-9Torr至1.0×10-2Torr的范围内，优选地在1.0×10-9Torr至1.0×10-5Torr的范围内。
处理模块200、300、400、500中的每一相邻对通过使用真空连接单元99而互连，所述真空连接单元99可以包括真空管，以及可选的隔离阀，该隔离阀能够在没有片衬底13时实现隔离。可以使用密封连接单元97将输入单元101连接至第一处理模块200。可以使用另一密封连接单元97将最后的处理模块(例如，第四处理模块500)连接至输出单元800。
片衬底13可以是金属的或聚合物片箔，其作为片(web)而被供应至处理模块200、300、400、500的系统，用于在其上沉积材料层，以形成光伏电池元10。片衬底13可以从入口侧(即，输入模块101处)被供应，连续地移动经过装置1000而不停顿，且在出口侧(即，输出模块800处)离开装置1000。采取片的形式的片衬底13可以被提供到设置于输入模块101中的输入线轴111上。
通过输入侧辊子120、输出侧辊子820以及处理模块200、300、400、500中的其他辊子(未示出)、真空连接单元99或密封连接单元97或其他设备，片衬底13(以金属或聚合物片箔的形式实现)移动经过整个装置1000。可以使用额外的引导辊。一些辊子120、820可以弯曲，以使片13展开，一些辊子可以移动，以使所述片转向，一些辊子可以向伺服控制器提供片张力反馈，而其他辊子可以仅仅是惰轮，以使所述片在所需位置运行。
输入模块101可以被配置为，通过使多个箔结合(通过焊接、钉住或其他适宜的方法)而实现片衬底13的连续供应。可以在多个输入卷轴111上设置片衬底13的卷。结合设备130可以设置为，将片衬底13的每个卷的末端结合至片衬底13的下一卷的始端。在一个实施例中，结合设备130可以是焊接机或装订机。当结合设备130将片衬底13的两个卷结合时，累积设备(未示出)可用于将片衬底13连续供应到装置1000中，正如美国专利7,516,164中所描述的。
在一个实施例中，输入模块101可以执行预处理步骤。例如，可以在输入模块101中，在片衬底13上执行预清洁处理。在一个实施例中，片衬底13可经过加热器阵列(未示出)，所述加热器阵列被配置为提供热量，所述热量至少足以去除吸附在片衬底13的表面上的水。在一个实施例中，片衬底13可以经过被配置成圆柱形旋转磁控管的辊子。在这种情况下，随着片衬底13在辊子/磁控管周围经过，片衬底13的前表面可以通过DC、AC或RF溅射而被连续清洁。从片衬底13溅射的材料可以在一次性护罩上被捕获。可选地，另一辊子/磁控管可用于清洁片衬底13的背表面。在一个实施例中，片衬底的前表面和/或背表面的溅射清洁可利用线性离子枪而非磁控管来执行。可替换地或者附加地，清洁处理可以在将片衬底13的卷加载到输入模块101中之前执行。在一个实施例中，可在输入模块101中执行电晕辉光释放处理而不引入电偏压。
输出模块800可包括将片衬底13(包括沉积在其上的光伏层2、3、4、5)缠绕的输出卷轴810。接着，带涂层的片衬底13可以被切割，以形成布置在导电衬底12上的一个个太阳能电池元10。或者，片衬底13可以在输出模块800中被切割成导电衬底(例如，衬底片材)12而未被缠绕在卷轴810上。
输入卷轴111和可选的输出卷轴810可由反馈信号主动驱动和控制，以保持片衬底13在整个装置1000中有恒定的张力。在一个实施例中，输入模块101和输出模块800可以一直保持在空气环境中，而处理模块200、300、400、500在层沉积过程中保持真空。片衬底13在可选的水处理模块890(位于输出模块800中)中用去离子水进行处理，正如美国专利公开文件2017/0317227所描述的那样。在一个实施例中，水处理模块890包含去离子水喷洒设备860，其被配置为，向透明的导电氧化层5的物理暴露表面喷洒去离子水。
正如下文的详细描述，随着片衬底13相继经过第一、第二、第三和第四处理模块200、300、400和500，第一、第二、第三和第四处理模块200、300、400和500中的每一个可以沉积各自的材料层，以形成光伏电池元10(如图1所示)。
第一处理模块200包括第一溅射靶210，第一溅射靶包括第一电极2的材料，例如，图1所示的光伏电池元10的电极2。第一加热器270可以设置为，将片衬底13加热到理想温度，以用于第一电极2的沉积。在一个实施例中，可以在第一处理模块中使用多个第一溅射源210和多个第一加热器270。在一个实施例中，至少一个第一溅射靶210可以安装在双圆柱形旋转磁控管或平面磁控溅射源或RF溅射源上。在一个实施例中，至少一个第一溅射靶210可包括钼靶、钼-钠靶和/或钼-钠-氧靶，正如美国专利8,134,069中所描述的，该专利通过引用以其整体合并于此。
片衬底13的在其上沉积第一电极2的部分被移入第二处理模块300。p掺杂的含硫族元素化合物半导体材料进行沉积，形成p掺杂半导体层3，例如，掺钠的CIGS吸收层。在一个实施例中，可以在包括氩和含硫族元素的气体的溅射环境中，使用无功交流电(AC)磁控溅射以减小的压力来沉积p掺杂的含硫族元素化合物半导体材料。在一个实施例中，可以在第二处理模块300中设置多个金属组分靶310(包括p掺杂的含硫族元素化合物半导体材料的金属组分)。
正如在此使用的，含硫族元素化合物半导体材料的“金属组分”是指含硫族元素化合物半导体材料的非硫族元素组分。例如，在铜铟镓硒(CIGS)材料中，金属组分包括铜、铟和镓。金属组分靶310可以包括待沉积的含硫族元素化合物半导体材料中的全部非金属材料的合金。例如，如果含硫族元素化合物半导体材料是CIGS材料，则金属组分靶310可包括铜、铟和镓的合金。可以使用两个以上的靶310。
可在第二处理模块300上设置至少一个含硫族元素的气体源320(例如，硒蒸发器)以及至少一个气体分配歧管322，以将含硫族元素的气体提供到第二处理模块300中。含硫族元素的气体提供硫族元素原子，硫族元素原子被合并到所沉积的含硫族元素化合物半导体材料中。
一般来说，第二处理模块300可设有多组含硫族元素化合物半导体材料的沉积单元。根据需要，可以沿片衬底13的路径设置很多含硫族元素化合物半导体材料的沉积单元，以获得p掺杂的含硫族元素化合物半导体材料的理想厚度。第二真空泵380的数量可以与沉积单元的数量相同或者可以不同。第二加热器370的数量可以与沉积单元的数量相同或者不同。
含硫族元素的气体源320包括用于含硫族元素的气体的源材料。对含硫族元素的气体的种类的选择使得待沉积的目标含硫族元素化合物半导体材料能够沉积。例如，如果要为p掺杂半导体层3沉积CIGS材料，则可以从例如硒化氢(H2Se)和硒蒸气中选择含硫族元素的气体。在含硫族元素的气体是硒化氢的情况下，含硫族元素的气体源320可以是硒化氢的缸体。在含硫族元素的气体是硒蒸气的情况下，含硫族元素的气体源320可以是能够加热产生硒蒸气的泻流室。每个第二加热器370可以是辐射加热器，其将片衬底13的温度保持在沉积温度，该温度可以在400℃至800℃的范围，例如500℃至700℃的范围，这对于CIGS沉积是优选的。
在含硫族元素化合物半导体材料沉积的过程中，硫族元素的合并决定了p掺杂半导体层3中的含硫族元素化合物半导体材料的特性和质量。当含硫族元素的气体在蒸发温度下以气相供应时，来自含硫族元素的气体的硫族元素原子可以通过吸收和接下来的体扩散而被合并到已沉积的薄膜中。这个过程称为硫化，其中发生复杂的相互作用，以形成含硫族元素化合物半导体材料。通过控制硫族元素原子的量相对于从金属组分靶310沉积的非硫族元素原子(例如，在CIGS材料的情况下是铜原子、铟原子和镓原子)的量的缺失程度，引起p掺杂的半导体层3中的p型掺杂。
在一个实施例中，每个金属组分靶310具有各自的磁控管(未明确示出)，从而以各自的成分沉积含硫族元素化合物半导体材料。在一个实施例中，金属组分靶310的成分可以沿片衬底13的路径渐变，使得可以在第二处理模块300中沉积分级的(graded)含硫族元素化合物半导体材料。例如，如果CIGS材料沉积为p掺杂半导体层3的含硫族元素化合物半导体材料，则所沉积的CIGS材料的镓原子百分比可随着片衬底13经过第二处理模块300而增加。在这种情况下，光伏电池元10的p掺杂半导体层3中的p掺杂CIGS材料可以被分级，使得p掺杂CIGS材料的带隙随着与界面相距的距离而增加，所述界面是第一电极2和p掺杂半导体层3之间的界面。
在一个实施例中，金属组分靶310的总数可以在3到20之间。在一示例中，所沉积的含硫族元素化合物半导体材料的成分可以被分级，使得p掺杂CIGS材料的带隙随着与界面相距的距离逐渐地或者阶跃地改变，所述界面是第一电极2和p掺杂半导体层3之间的界面。
尽管本发明是参照在第二处理模块300中使用金属组分靶310而描述的，但是本文明确构思了这样的实施例：金属组分靶310中的每一个或一个子组被一对两个溅射源(例如，铜靶和铟-镓合金靶)代替，或者被一组三个溅射靶(例如，铜靶、铟靶和镓靶)代替。
根据本发明的一方面，在片衬底13中或者片衬底13上方提供含钠的材料。在一个实施例中，可以通过使用含钠的金属(例如，钠钼合金)来在第一处理模块200中沉积第一电极2，通过提供包含钠作为杂质的片衬底13，和/或通过在沉积过程中将钠提供到层3中(通过将钠包括在靶310中和/或通过将含钠蒸气提供到模块300中)而将钠引入所沉积的含硫族元素化合物半导体材料。
片衬底13上沉积第一电极2和p掺杂半导体层3的部分接着行进到第三处理模块400中。在第三处理模块400中沉积n掺杂半导体材料，以形成图1的光伏电池元10中所示的n掺杂半导体层4。第三处理模块400可以包括，例如第三溅射靶410(例如，CdS靶)和磁控管(未明确示出)。第三溅射靶410可以包括，例如，旋转AC磁控管、RF磁控管或平面磁控管。加热器470可以位于模块400中。
接着，n型半导体层4(例如，n型CdS窗口层)在p型吸收层3上方沉积，以形成p-n结。钠原子从片衬底13和/或第一电极2扩散到所沉积的半导体材料中，以形成包括钠(原子浓度大于1×1019/cm3)的材料堆叠3、4。特别地，第一电极2或片衬底13中提供的钠可以在含硫族元素化合物半导体材料的沉积过程中扩散到所沉积的含硫族元素化合物半导体材料中。所沉积的含硫族元素化合物半导体材料中的钠的浓度可以在1.0×1019/cm3到5×1020/cm3的范围内。钠原子趋于在含硫族元素化合物半导体材料的生长表面附近以高浓度积聚，由此引起钠原子随着沉积过程的进行而向前行进。
因此，包括p-n结的材料堆叠3、4在片衬底13上形成。在一个实施例中，材料堆叠3、4可包括p掺杂的金属硫族化物半导体层(作为p掺杂半导体层3)和n掺杂的金属硫族化物半导体层(作为n掺杂半导体层4)的堆叠。在一个实施例中，p掺杂的金属硫族化物半导体层可以包括铜铟镓硒(CIGS)，而n掺杂的金属硫族化物半导体层可以包括选自金属硒化物、金属硫化物(例如CdS)和它们的合金的材料。材料堆叠3、4可以包括原子浓度大于1×1019/cm3(例如1×1020/cm3)的钠。
片衬底13上沉积了第一电极2、p掺杂半导体层3和n掺杂半导体层4的部分接着来到第四处理模块500中。透明的导电氧化物材料在第四处理模块500中沉积，以形成包括透明的导电层5的第二电极，如图1的光伏电池元10中所示。第四处理模块500可以包括，例如第四溅射靶510、加热器570和磁控管(未明确示出)。第四溅射靶510可以包括例如ZnO、AZO或ITO靶和旋转AC磁控管、RF磁控管或平面磁控管。透明的导电氧化物层5沉积在包括p-n结的材料堆叠3、4上。在一个实施例中，透明的导电氧化层5可以包括选自掺锡氧化铟、掺铝氧化锌和氧化锌的材料。在一个实施例中，透明的导电氧化层5可具有60nm到1,800nm范围内的厚度。
接着，片衬底13来到输出模块800中。在一个实施例中，通过如图5所示的喷洒，去离子水可以被应用于透明的导电氧化物层5的物理暴露表面。可以使用被配置为喷洒流体(例如，去离子水)的至少一个喷洒设备860，在透明的导电氧化物层5(位于被处理的片衬底13的前表面上方)的物理暴露表面上执行喷洒操作。喷洒设备860可以包括一个或多个喷嘴或喷头(例如一组或多组喷嘴)，其将水喷洒到片衬底13上方的层5上。可以利用重力将去离子水保持在透明的导电氧化物层5的表面上。例如，片衬底13可以是倾斜的，使得去离子水停留在透明的导电氧化物层5的表面上。
可以调节多个输出侧辊子820的位置，来将喷洒的去离子水保持在透明的导电氧化物层5的表面上。去离子水箱850可以用作即将供应到至少一个喷洒设备860的去离子水的容器。可替换地，连接至离子交换树脂或电极电离装置的水管可用来代替去离子水箱850，以将去离子水供应到喷洒设备860(例如，喷嘴或喷头)。
可以使用至少一个干燥器870来去除透明的导电氧化物层5的表面上残余的去离子水。干燥器870可以包括风扇或吹风机，其被配置为将过滤的空气(或惰性气体，例如氮气)吹向透明的导电氧化物层5的表面。在一个实施例中，来自所述至少一个干燥器870的过滤空气的方向可以指向为：例如，通过将气流向下和/或向外(远离片衬底13的中心)，与重力一同作用，使残余的去离子水从透明的导电氧化物层5的前表面离开。可替换地，干燥器870可以包括加热器，除了风扇或吹风机之外，或者作为风扇或吹风机的替代，所述加热器将水蒸发。片衬底13接着可以被缠绕到输出卷轴810上。
在一个实施例中，去离子水可以长时间应用于透明的导电氧化物层的物理暴露表面，以允许钠原子从透明的导电氧化物层5的块体内(即，内部)的体扩散，以到达层5的外表面。钠在透明的导电氧化物层5、p掺杂半导体层3和n掺杂半导体层4内是快速扩散体。在一个实施例中，去离子水可以应用于透明的导电氧化层的物理暴露表面，持续5秒至10分钟的时间。在一个实施例中，去离子水可以应用于透明的导电氧化层的物理暴露表面，持续20秒至3分钟的时间。
在一个实施例中，去离子水在高温下应用，该温度大于50摄氏度。在一个实施例中，去离子水在高温下应用，该温度在50摄氏度至100摄氏度之间。在一个实施例中，去离子水在高温下应用，该温度在60摄氏度至95摄氏度之间。在一个实施例中，去离子水在高温下应用，该温度在70摄氏度至80摄氏度之间。在一个实施例中，可以使用流体加热器874(例如，阻性加热器)和/或衬底加热器872来将流体(例如，从喷洒设备860提供的水)和/或片衬底13的温度保持在50摄氏度至100摄氏度之间的高温。流体加热器可以邻近水箱850和/或邻近喷洒设备860，以在移动的片衬底13上方将来自水箱850且经过喷洒设备860的流体加热。或者，可以省略水处理模块890和/或输出单元800可以包括片切割器，所述片切割器被配置为将片衬底13切割成衬底12片材。
本发明的另一方面涉及使光伏电池元经历热退火步骤，该步骤可在水处理步骤之前或之后应用，甚至可以代替水处理步骤。该退火步骤可以使得电池元中的钠浓度的进一步降低。此外，热退火步骤使得自由载流子浓度显著降低，这是限定太阳能电池元性能的重要因素。
尽管溅射被描述为对于沉积所有的太阳能电池元层来说优选的方法，但是一些层可以通过MBE、CVD、蒸发、电镀等方法沉积。
电池的形成
当太阳能电池元材料层在片衬底13的第一表面上形成之后，电池30可以在片衬底13的至少一部分的相对的第二表面上形成。电池30可以在片衬底13被切割之前在片衬底13的第二表面上形成，或者电池可以在切割自片衬底13的片材(例如，图1所示的衬底12片材，或者包括多个相连衬底12片材的片材)的第二表面上形成。因此，电池30可以在切割片衬底13之前或之后形成，而太阳能电池元10优选地在将片衬底13切割成片材之前在片衬底13上形成。
在一个实施例中，电池30可通过丝网印制、凹印、移印、喷墨印制、柔性涂覆、喷涂、超声喷涂或狭缝式涂覆而印制在片衬底13上。然而，本发明不限于任何特定类型的印制方法。
根据多种实施例，印制可以包括将油墨打印(例如，分配、压制或喷洒)，用于制造一层或多层电池30。可以将理想的材料混合在一起，以形成例如溶液、悬浮液、熔体或浆料，它们可在印制过程中被用作“油墨”。每一层可以使用不同的油墨而形成。
图6A至图6D示出了根据本发明的多种实施例的在片衬底13上形成电池30的丝网印制方法。尽管电池30被描述为在片衬底13上形成，然而本发明不限于此。例如，方法可以包括在切割自片衬底13的片材(例如，图1所示的衬底12，或者包括多个相连衬底12的片材)上形成电池30。
参照图6A，方法包括在片衬底13的第二表面(例如，底表面)(覆盖有介电盖层28)上方布置丝网60。片衬底13具有相对的第一表面，太阳能电池元10在其上形成。可以使用涂刷器62将集流器油墨33应用到丝网60，使得集流器油墨33的层经过掩膜60中相应的开口沉积在片衬底13上。可以对集流器油墨33的层进行干燥，以形成集流器38。
参照图6B，方法包括在片衬底13的第二表面上方布置丝网60。可以使用涂刷器62将阴极油墨35应用于丝网60，使得阴极油墨35层在相应的集流器38上形成。接着可以对阴极油墨35层进行干燥，以形成一个或多个阴极层36。
参照图6C，方法包括在片衬底13的第二表面上方布置丝网60。可以使用涂刷器62将电解质油墨37应用于丝网60，使得电解质油墨37层在相应的阴极层36上形成。接着可以对电解质油墨37层进行干燥，以形成一个或多个电解质34。
参照图6D，方法可选地还包括在片衬底13的第二表面上方布置丝网60。可以使用涂刷器62将阳极油墨39应用于丝网60，使得阴极油墨39层在相应的电解质34上形成。可以对阳极油墨39层进行干燥，以形成一个或多个阳极32。接着可以将片衬底13切割成带，以形成图1所示的设备100。
图7A至图7D示出了根据本发明的多种实施例的在片衬底13上形成电池30的喷墨印制方法。尽管电池30被描述为在片衬底13上形成，然而本发明不限于此。例如，方法可以包括在切割自片衬底13的片材(例如，图1所示的衬底12，或者包括多个相连衬底12的片材)上形成电池30。
参照图7A，方法包括使用喷墨印制头64在片衬底13的第二表面(例如，底表面)(覆盖有介电盖层28)上方沉积集流器油墨。片衬底13具有相对的第一表面，太阳能电池元10在其上形成。印制头64可以连接至油墨容器66，其可以包含集流器油墨和用于形成电池30的层的其他油墨。集流器油墨可以应用至片衬底13的多个离散区域。可以对集流器油墨进行干燥，以在位于片衬底13的背侧上的介电盖层28上方形成一个或多个集流器38。
参照图7B，方法可以包括使用喷墨印制头64在片衬底13上沉积阴极油墨以及对阴极油墨进行干燥，使得一个或多个阴极层36在一个或多个先前形成的相应的集流器38上形成。
参照图7C和图7D，方法可以被重复，以在阴极层36上形成一个或多个电解质层34，并且在电解质层34上形成一个或多个阳极层32。接着可以将片衬底13切割成带，以形成图1所示的设备100。
在可替换的实施例中，形成电池30的阳极层32和阴极层36的顺序可以颠倒，以在电池的侧面在片衬底13上形成阳极层32(例如，首先在片衬底13上方形成阳极层32，接着在阳极层32上形成电解质层34，接着在电解质层34上形成阴极层36)。
PPGS阵列的形成
接着，互连件25可以应用于每个PPGS设备100的太阳能电池元10。可以通过将设备100堆叠或平铺而将设备100以串联方式彼此电连接，如上所述，互连件25将相邻的设备100物理连接且电连接，以形成光伏发电和存储模块。
母线40、42、44、46、48可以在平铺的设备100上形成，以形成阵列110。例如，介电层可以包括开口，母线可以通过这些开口而电连接至设备100的相应部分。例如，介电层28可以包括使衬底12的背侧暴露的开口28A。开口28A可以通过切割或刻蚀介电层28而形成。
母线40、42、44、46、48可以使用导电性油墨而形成。所述导电性油墨可以使用多种沉积方法进行沉积，例如喷墨印制、丝网印制、柔性印制、狭缝式涂覆等。作为导电性油墨的替代方式，母线40、42、44、46、48可以使用箔模切、冷箔或热箔印制方法而经由箔连接件(例如，铝、不锈钢、镍箔等)形成。母线40、42、46可以连接至控制单元50，以完成PPGS阵列110。
要理解的是，本发明不限于以上描述的且在此示出的实施例和示例，而是包括落在所附权利要求的范围内的任何和全部变型。例如，不是所有的方法步骤都需要按照所示出的和声称的精确顺序执行，而是可以按照可以正确形成本发明的实施例的光伏电池元的任何顺序执行，这在权利要求书和说明书中是显而易见的。

Claims (11)

1.一种光伏发电和存储PPGS阵列，包括：平铺的PPGS设备的阵列，所述PPGS设备包括导电衬底；布置在所述衬底的第一侧上的太阳能电池元，所述太阳能电池元包括布置在一阳极和一阴极之间的吸收层；以及印制在所述衬底的相对的第二侧上的固态电池，所述电池包括布置在一阳极和一阴极之间的电解质层；互连件，其将所述PPGS设备的太阳能电池元以串联方式电连接；第一母线，其电连接至第一个PPGS设备的太阳能电池元的阴极；第二母线，其经由最后一个PPGS设备的衬底而电连接至最后一个PPGS设备的太阳能电池元的阳极；第三母线，其将相邻的固态电池以串联方式电连接；第四母线，其电连接至最后一个PPGS设备的固态电池的阴极；第五母线，其将第一个PPGS设备的太阳能电池元的阴极和第一个PPGS设备的固态电池的阳极电连接；以及控制单元，其电连接至所述第二母线和第四母线且被配置为，对是否将太阳能电池元所发的电存储在固态电池中或者是否将太阳能电池元所发的电应用于电连接至第一母线的负载进行控制，并且所述控制单元被配置为，对是否将存储在固态电池中的电力应用于所述负载进行控制。
2.根据权利要求1所述的PPGS阵列，其中每个互连件包括：导电的线，其具有第一部分和第二部分，所述第一部分布置在太阳能电池元的阴极上，所述第二部分从所述太阳能电池元延伸超过所述衬底的边缘；布置在所述线的第一部分的介电层；以及布置在所述线的第二部分上的介电层。
3.根据权利要求1所述的PPGS阵列，其中所述第一母线起到作为所述太阳能电池元和所述固态电池的电端子的作用。
4.根据权利要求1所述的PPGS阵列，还包括布置在所述PPGS设备的固态电池与衬底之间的介电层。
5.根据权利要求4所述的PPGS阵列，还包括至少部分地覆盖所述固态电池、所述第一母线、所述第二母线和所述第三母线的介电层。
6.一种制作光伏发电和存储(PPGS)阵列的方法，所述方法包括：在导电衬底的第一表面上形成包括太阳能电池元p-n结的半导体材料堆叠；以及在所述衬底的至少一部分的相对的第二表面上印制固态电池；分割所述衬底，以形成PPGS设备，每个PPGS设备包括一太阳能电池元，还包括所述固态电池中的一个，所述太阳能电池元以及所述固态电池中的一个布置在一衬底的相对两侧上；将一互连件附接至所述PPGS设备中的每一个，每个互连件包括一导线，所述导线具有第一部分和第二部分，所述第一部分电连接至所述太阳能电池元，所述第二部分从所述太阳能电池元延伸超过所述衬底的边缘；将所述PPGS设备组装成阵列，使得所述太阳能电池元通过所述互连件以串联方式电连接；在所述阵列上形成第一母线，使得所述第一母线作为所述太阳能电池元的负端子；在所述阵列上形成第二母线，使得所述第二母线作为所述太阳能电池元的正端子；在所述阵列上形成第三母线，使得所述第三母线将所述固态电池以串联方式电连接；在所述阵列上形成第四母线，使得所述第四母线作为所述固态电池的正端子；在所述阵列上形成第五母线，使得所述第五母线将所述固态电池电连接至所述第一母线，从而所述第一母线作为所述固态电池和所述太阳能电池元的负端子；将所述第二母线和所述第四母线电连接至控制单元，所述控制单元被配置为，选择性地对是否将太阳能电池元所发的电存储在固态电池中或者是否将太阳能电池元所发的电应用于电连接至所述第一母线的负载进行控制，并且所述控制单元被配置为，对是否将存储在固态电池中的电力应用于所述负载进行控制。
7.根据权利要求6所述的方法，其中印制包括丝网印制、凹印、移印、喷墨印制、柔性涂覆、超声喷涂、狭缝式涂覆，或者它们的任意组合。
8.根据权利要求7所述的方法，其中印制包括丝网印制或者喷墨印制。
9.根据权利要求6所述的方法，还包括：在所述导电的衬底的第二表面上形成第一介电层；以及在所述固态电池、所述第一母线、所述第二母线和所述第三母线上形成第二介电层。
10.根据权利要求9所述的方法，其中：所述第二母线经过在所述第一介电层中形成的开口而接触所述衬底中的至少一个；并且所述第一母线和所述第五母线在所述阵列的边缘周围延伸，以接触所述互连件中的一个。
11.根据权利要求6所述的方法，还包括：在印制之前将所述衬底切割成片材；以及在所述片材的第二表面上印制所述固态电池。
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