CN1241039A - 光伏元件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了低阴影、高能量转换效率、高尺寸自由度、和长时间使用时高可靠性的光伏元件,该光伏元件包括:具有产生光电动势的第一半导体结层的光伏层32;提供在光伏层的光入射一侧的电流收集电极34;并联的旁路二极管,其中旁路二极管形成在电流收集电极下面,旁路二极管层38具有区别于光伏层的第一半导体结层的第二半导体结层。

Description

光伏元件及其制备方法

本发明涉及具有极好性能和高可靠性的光伏元件、以及光伏元件的制备方法。更具体地，涉及有极好性能和通过在电流收集电极下面形成旁略二极管使能量转换效率上有降低了损耗的光伏元件及其制备方法。

与单晶或多晶型太阳能电池相比，采用非晶半导体的薄膜型太阳能电池被认为很有前途，因为它有形成大面积太阳能电池的能力、可以使半导体的薄膜厚度变薄、可以在任何基片上淀积薄膜等优点。

例如可以在基片上堆叠p、i、和n型薄非晶硅层来形成非晶硅型太阳能电池。另外，为了提高能量转换效率，有通常所谓的双或三电池结构，其中将两个或多个上述pin结构串联叠置。在上述半导体的光入射一侧和背面形成一对电极，即上电极和下电极。在非晶硅型太阳能电池中，由于半导体本身通常有高的方块电阻，所以需要覆盖半导体整个面积的透明上电极，它通常由SnO₂或ITO等透明导电薄膜构成。这种透明导电薄膜还起抗反射薄膜的作用。在上述上电极之上，还有电流收集栅电极，为了不妨碍光的进入也就是光的辐照，它形成为梳状图形，为了从栅电极收集电流形成汇流条。

作为电源，单太阳能电池(光伏元件)不能提供足够的输出电压。为此需要串联或并联多个太阳能电池。如上述串联多个电池(元件)的最大困难是，在由于例如部分电池被建筑物或聚集的雪等遮住了阳光，从而没有电力产生时，即使组件中其他电池还产生电力，但是这些正常工作的电池产生的总电压反向加到被遮住的电池上，使整个串联的电池组件不再产生电力。当这种反向电压超过元件的承受电压时，将导致其损坏。为了防止电力产生装置中的这种问题或元件的损坏，对每个串联的元件都需要并联一个二极管，二极管的方向和元件的半导体结的方向相反。这种二极管通常称为旁路二极管。

在太阳能电池中用旁路二极管例如在日本专利申请特许公开5-152596中已经公开了，其中，模压封装的二极管并联于每个太阳能电池上。图9是利用这种旁路二极管的太阳能电池组件的例子的示意图。图9示出了连接到旁路二极管的太阳能电池组件91，包括太阳能电池92、旁路二极管93、引线94、串联各太阳能电池92的引线95、玻璃板96、封装树脂97、背面塑料材料98。用普通轴向二极管时，二极管93的直径约3mm，封装树脂97必须有相应的厚度。

由于在太阳能电池上附设单独的二极管会因二极管的厚度而增加太阳能电池组件的厚度，同时由于引线工作使工艺复杂，所以在已有技术中还提出了在构成太阳能电池的半导体中引入二极管的方法。例如在日本专利4-42974中公开了这种方法，其中作为太阳能电池的pn结与作为旁路二极管的pn结以彼此并联的方式形成在同一基片上。

但是，对于具有旁路二极管的常规光伏元件，(1)在采用形成于上述基片上的非晶半导体薄膜的光伏元件中，没有公开过在同一基片上形成旁路二极管的方法，(2)构型和制备方法需要掩模工艺，很复杂且在尺寸上缺少灵活性，(3)旁路二极管的面积使光伏元件的有效面积减小，换句话说，由于旁路二极管而需要增加太阳能电池的面积。

考虑到上述常规技术中的问题，本发明的目的是提供一种光伏元件及其制备方法，该元件不需要复杂的工艺，通过在同一基片上淀积光伏元件部分和旁路二极管部分，并在这些部分施加用薄膜形成方法形成的半导体，因此旁路二极管部分不减小光伏元件的有效面积，有高的尺寸灵活性。

为实现上述目的，本发明提供的光伏元件包括：有第一半导体结层用于产生光电动势的光伏层，在光伏层的光入射一侧上设置的电流收集电极，和并联的旁路二极管，其中旁路二极管形成在电流收集电极下面作为旁路二极管层；它具有区别于光伏层的第一半导体结层的第二半导体结层。

本发明提供的制备光伏元件的方法包括：在导电基片或其上形成有导电薄膜的基片上，在多个位置以预定间隔形成具有产生光电动势的第一半导体结层的光伏层的步骤；在基片上多个部位的光伏层之间形成具有第二半导体结层的旁路二极管层的步骤，该半导体结层的正向与第一半导体结层相反；和形成电流收集电极，以连接光伏层和旁路二极管的步骤。

由于旁路二极管层形成在电流收集电极之下，如具有淀积在基片上的pin或pn半导体结的光伏层和旁路二极管层可以容易在同一基片上形成膜而形成。因此元件的表面可以平整化，可以不需要在使用分离元件的常规技术中采用的连接旁路二极管的步骤。而且制造工艺简化，提高了可靠性和成品率。另外，旁路二极管也不会牺牲光伏层的有效面积。

图1是本发明光伏元件的等效电路的示意图；

图2是本发明实施例的光伏元件的半导体层构成的例子的剖面示意图；

图3A、3B和3C是表示本发明光伏元件的三种不同构成的剖面示意图；

图4A和4B分别是示于图3A、3B和3C中的整个光伏元件的平面图和剖面图；

图5是表示本发明例3的光伏元件构成的剖面示意图；

图6A和6B是表示制备本发明例3的光伏元件的方法的示意图；

图7A和7B是在图6A和6B的制备方法中使用的部分制备装置的示意图；

图8A和8B是根据本发明例4通过分割得到光伏元件的方法示意图；

图9是常规光伏元件的串联构成的剖面示意图。

在本实施例中，形成光伏元件的半导体材料可以是晶体或非晶，但是最好能在基片上形成薄半导体薄膜。通常用一般的真空薄膜形成工艺形成这些半导体薄膜，但是也可以用液相工艺来得到类似效果。光伏层和旁路二极管层可以在上述薄膜形成工艺中同时形成，但是也可以在不同的薄膜形成装置中分别形成。当基片很长时，可以采用双卷盘(roll-to-roll)工艺进行薄膜形成。从生产率考虑，最好使用在依次淀积半导体层的工艺中同时将基片传送穿过多个薄膜形成室的工艺。也可以用间层(leaf-by-leaf)工艺，即片式(sheet-by-sheet)工艺，在传送半导体基片的过程中顺序淀积半导体层。该工艺也很好。

在该实施例中，第一和第二半导体结层的每个结的正向彼此相反。具体地，形成作为第二半导体结层的旁路二极管层，使之具有pn或pin结，其正向和作为第一半导体结层的光伏层正向相反，由此与光伏层并联，使各层的表面维持同一高度，为了改变形成在基片上的半导体薄膜，可以使用掩模。具体说，用等离子体CVD真空工艺形成非晶半导体时，可以在部分真空室中，例如在将形成电流收集电极的基片的宽度方向，放置覆盖基片的板，以防止在该覆盖区域形成薄膜。

本实施例的光伏元件是通过在同一基片上形成光伏层和旁路二极管层来制备的，但是旁路二极管层必须与光伏层并联，且形成使旁路二极管的表面与光伏层在同一水平。各层的半导体结的正向必须被此相反。图1是光伏元件和旁路二极管的连接的等效电路。图1示出了光伏层的二极管部件11、光伏层的DC电源部件12、和旁路二极管层13。通过在同一基片上形成光伏层的一个极和旁路二极管层的一个极，并用金属电极将其他极相连得到上述结构。具体地，光伏层和旁路二极管层都连接到光入射端的作为金属电极的电流收集电极上。

上述构成示于图2中，图2是本实施例光伏元件的半导体层的构成例子的剖面图。如图2所示，半导体层21设置在基片22上，其上还提供具有一定间隔的线性电流收集电极25。电流收集电极25是在光入射端。半导体层21有旁路二极管23和光伏层24。旁路二极管23和光伏层24交替相邻排列。电流收集电极25刚好形成在旁路二极管层23上，不至于阻碍入射光。而且，电流收集电极25连接到旁路二极管层23，电流收集电极25的各端连接到光伏层24。旁路二极管23包括依次从光转换端到基片22端的多个特性不同的半导体层231和232。图2示出一个例子，其中旁路二极管层有p型层和n型层两层结构。和旁路二极管层23类似，光伏层24包括多个特性不同的半导体层241和242，作为一个例子，光伏层包括p型层和n型层。半导体层231和241特性不同，换句话说，当一个半导体层为p型层时，另一个半导体层为n型层。同样，半导体层232和242特性也不同。

在双卷盘传送或片式传送方法中，光伏层和旁路二极管层在同一基片上彼此横向相邻，并彼此并联为长度基本相同带状。通过形成长度方向的长度基本相同的互相平行的带状的层，然后沿带状的长端方向分割大光伏元件，就可以得到具有任何宽度的、包括所需数量的带状光伏层和带状旁路二极管层的小光伏元件。

除了图2所示的外，可以通过用相同材料同时形成至少一个构成第一半导体结层的半导体层、和至少一个构成第二半导体结层的半导体层，由此制备本实施例的光伏元件。例如，当各第一和第二半导体结层为包括本征层的pin结层时，本征层可以在两个半导体结层上连续延伸。此时，尽管在第一和第二半导体结层中淀积pin结各层的顺序不同，但是给第一和第二半导体结层提供的本征层(i型层)是一样的。可以在形成具有pin结的第一和第二半导体结层时，用相同材料同时形成两个结层的i型层来得到该构成。形成i型层后，可以将形成于两个结层上各i型层上的层的表面调制到相同水平。

作为光伏层的第一半导体结层可以有由三个堆叠半导体层构成的三电池结构，每层有一个pin结或pn结，作为旁路二极管层的第二半导体结层可以为由单个半导体层构成的单电池结构，所说半导体层具有pin结或pn结。这种构成可以简化制造工艺。例如，当第一半导体结层由三个堆叠pin结构成时，旁路二极管层可以在形成底部pin结的p型层、中间pin结的i型层、和顶部pin结的n型层时形成。即，构成第一半导体结层的九层中的第三、第五和第七层分别与构成第二半导体结层的第一、第二、和第三层用相同材料同时形成。换句话说，构成第一半导体结层的九层中的第三层与构成第二半导体结层的第一层用相同材料同时形成；构成第一半导体结层的九层中的第五层与构成第二半导体结层的第二层用相同材料同时形成；构成第一半导体结层的九层中的第七层与构成第二半导体结层的第三层用相同材料同时形成。

[第一半导体层]

构成第一半导体结层的半导体层可以包括非晶硅、微晶硅或多晶硅等薄半导体。本发明应用于pin型非晶硅太阳能电池时，构成i型层的半导体材料可以包括所谓的IV族或VI族合金型非晶或微晶半导体，如α-Si：H、α-Si：F、α-Si：H：F、α-SiGe：H、α-SiGe：F、α-SiGe：H：F、α-SiC：H、α-SiC：F或α-SiC：H：F。构成p型或n型层的半导体材料可以通过给构成i型半导体层的上述半导体材料掺杂价电子控制物质来得到。关于用于得到p型半导体的价电子控制物质，可以用含元素周期表中III族元素的化合物。III族元素包括B、Al、Ga、和In。关于用于得到n型半导体的价电子控制物质，可以用含元素周期表中V族元素的化合物。V族元素包括P、N、As、和Sb。

非晶或微晶硅半导体层可以用已知方法形成，如蒸发、溅射、等离子体CVD、微波等离子体CVD、VHFCVD、ECR、热CVD或LPCVD。在工业上，主要用RF等离子体CVD，其中用RF等离子体分解源材料，然后淀积在基片上。RF等离子体CVD工艺的缺点是源材料气体的分解效率低到约10％，淀积速率低到1至10埃/秒，为了克服这些缺点，考虑使用微波CVD和VHF等离子体CVD。作为进行上述薄膜形成的装置，根据需要可以使用已知的批量或连续型薄膜形成装置。本发明的光伏元件还适合于所谓的串联型电池，其中堆叠两个或多个半导体结，以提高光谱灵敏度或增加输出电压。

为了单独形成光伏层和旁路二极管层，可以使用淀积阻挡板(掩模)以防止真空室的薄膜淀积。此时，可以使用片式传送装置。而且，按n、i和p的顺序形成光伏层的第一半导体结层，按p、i和n的顺序形成旁路层的第二半导体结层。

接着，制备构成具有本实施例光伏元件的太阳能电池的部件。该太阳能电池的结构示于图4A和4B中，但将在以后对图4A和4B进行描述。

[基片]

尽管在本发明中基片不是关键，但是在具有合适形状和大小的基片上形成薄半导体薄膜可以得到有利的构型。例如，当基片由金属构成时，基片不仅可以用作如半导体层和电极层等薄膜的机械支撑，而且还可以作为电极(第一电极)。基片可以由导电或绝缘材料构成，但是当基片为绝缘材料构成时，基片的表面要进行导电处理才能用作电极。这种片需要有能承受形成半导体层和电极层的加热温度的耐热特性。在双卷盘膜形成工艺中，还需要有连续的长形状，为了能在拉力下缠绕，还需要有尺寸稳定性，不会伸长。

满足上述要求的基片材料中，优选的导电基片包括：Fe、Ni、Cr、Al、Mo、Au、Nb、Ta、V、Ti、Pt、Pb、或Ti等金属，或它们的合金如黄铜、不锈钢等，或它们的复合材料等构成的薄板，碳片或镀锌钢板。特别优选的是不锈钢，因为它有很多特点，如好的耐热特性，能承受薄膜形成时的加热温度，例如即使在只有如0.15mm的小厚度时，仍有高的机械强度，适于如双卷盘系统等连续薄膜形成。基片材料中，优选的绝缘基片包括：耐热树脂薄膜或片，如聚酯、聚乙烯、聚碳酸酯、乙酸纤维素、聚丙烯、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、环氧树脂；或这些树脂材料与玻璃纤维、碳纤维或硼纤维的复合材料；玻璃或陶瓷材料。最优选的是玻璃或聚酰亚胺基片。

[上电极]

在光伏层的光入射端可以有上电极。该上电极在本发明中不关键，但是当第一半导体结层由如非晶硅等高阻材料构成时，使用上电极来降低方块电阻。在使用包括微晶的结晶材料时，方块电阻很低，不必使用上电极。上电极起收集第一半导体结层产生的电动势的作用，与基片端的第一电极作为一对电极。当使用高方块电阻的半导体材料如非晶硅时，优选方块电阻最好不要超过300Ω/□，需要上电极收集平行于基片方向的电流。上电极的厚度必须设计得有足够低的电阻和满意的透明度，有时根据光的干涉条件，设计厚度来减小要传送的光的反射。为了例如用ITO作上电极减小550nm光的反射，优选厚度约为700埃。另外，上述上电极(第二电极)置于光的入射端，最好有至少85％的光透过率，以使从太阳或白荧光灯来的光能被半导体层充分吸收。有这些特性的优选材料的例子包括：SnO₂、In₂O₃、ZnO、CdO、CdSnO₄和ITO(In₂O₃+SnO₂)等金属氧化物。可以用已知的方法如蒸发、溅射或反应溅射等来形成上电极(第二电极)。

[电流收集电极]

各电流收集电极以一定间隔设置在光接收端。而且电流收集电极在上(第二)电极上形成为梳状，形成为低电阻电极以提高光伏元件的能量转换效率，因为直接从高方块电阻的第二电极进行电流收集会由于高串联电阻导致低的能量转换效率。设计电流收集电极的宽度和间隔以减小电流收集的电阻和阴影损耗。电流收集电极需要有低的电阻率，不对光伏元件构成串联电阻。电阻率最好在10^-2到10^-6Ωcm。电流收集电极由Ti、Cr、Mo、W、Al、Ag、Ni、Cu、Sn、Pt、或Cu、或其合金或焊料构成。也可以印刷所谓的导电膏来形成电流收集电极，导电膏由按合适比例与聚合物粘合剂和用于粘合剂的溶剂混合的上述金属材料的粉末构成，也可以电镀上述金属材料、或放置上述金属材料的引线来形成电流收集电极。

可以用溅射、电阻加热或CVD、同时使用所需形状的掩模，按所需的形状和在所需的位置，形成梳状电流收集电极。也可以使用在整个表面蒸发金属、用腐蚀对得到的金属层进行构图的方法，或者直接用光CVD形成电流收集电极的图形的方法，或形成电流收集电极的负图形然后电镀的方法，或丝网印刷导电膏的方法。上述丝网印刷方法包括通过用有所需形状的丝网在聚酯或不锈钢网上印刷导电膏，可以提供最小宽度为50微米的电流收集电极。印刷可以很好地在市售丝网印刷机上进行。将印刷导电膏的丝网在于燥炉中加热，以交联粘合剂并蒸发溶剂。干燥炉可以是热空气炉或红外炉。

也可以用金属引线形成电流收集电极。此时，最好使用如Ti、Cr、Mo、W、Al、Ag、Ni、Cu、Sn、Pt、或Cu等金属引线，直径最好在50微米到200微米。可以用导电粘合剂将金属引线粘合到第二电极来提供电流收集电极。金属引线可以预先覆盖上导电粘合剂。电流收集电极可以直接提供在旁路二极管层上。此时，上电极必须连接到光伏层和电流收集电极。

[汇流条]

在本发明中，如果需要可以用汇流条。汇流条作为一个电极用来将电流收集电极中的电流收集到一端。汇流条可以由Ag、Pt、Cu等金属或其合金来构成。可以由引线、箔片或者与电流收集电极中所用的类似导电膏来形成汇流条。箔片状汇流条例如可以由如铜箔、或镀锡铜箔构成，还可以涂敷粘合剂。还可以用导电粘合剂固定金属引线、或粘合铜箔来形成汇流条。或者按与形成电流收集电极相似的方式来形成。

[第二半导体结层]

旁路二极管层中的第二半导体结层由淀积在上述基片上的薄半导体层构成，至少有一个上述pn或pin结，且几乎用和第一半导体结层相同的材料和方法来形成。第二半导体结层可以和第一半导体结层同时形成，也可以分别形成。例如，当光伏元件被挡住光时，旁路二极管起旁路其他串联的光伏元件所产生的工作电流的作用，需要它能在光伏元件的工作点旁路工作电流。为此，旁路二极管的工作电流和工作电压取决于光伏元件的具体要求。例如可以增加或减小旁路二极管层的面积或半导体层中的杂质浓度来增大或减小旁路二极管的工作电流。

下面我们说明本发明的例子，但是应该明白本发明并不限于这些例子。

[例子1]

图3A到3C表示根据本发明例子具有旁路二极管的三种不同光伏元件的旁路二极管部分的示意剖面图。如这些图中所示，每个光伏元件30包括：具有产生光电动势的半导体结层的光伏层32，提供在旁路二极管层38上的电流收集电极34。旁路二极管层38由不同于光伏层32中的第一半导体结层的第二半导体结层构成。

在图3A所示的元件中，光伏层32和旁路二极管层38的每个半导体结层形成为具有一个pin结。在光接收表面端还提供有上电极33。旁路二极管层38的本征层36和光伏层32的本征层35分别形成。在图3B所示的元件中，光伏层32和旁路二极管层38的每个半导体结层形成为具有用薄膜形成的一个pn结，由于该薄膜有小的方块电阻，所以没有上电极。在图3C所示的元件中，光伏层32的本征层和旁路二极管层38的本征层37同时形成，以便连续置于整个半导体结层上。图4A和4B分别是光接收表面端看的平面图、及具有图3A到3C所示构型的整个光伏元件的剖面图。图4B是沿电流收集电极44的剖面图。

按下面的方式制备图3A所示的光伏元件。首先，将充分减薄和清洗过的SUS430BA(0.2mm厚)基片31放入RF等离子体CVD装置中，该装置图中未示出，然后按顺序淀积n型、i型、和p型层，由此得到光伏层32的半导体结层。在此操作中，将基片31用1mm宽彼此间有5mm的间隔的条状聚酰亚胺粘合带掩蔽，以防止在这样掩蔽的区域形成半导体结层。即光伏层32的半导体结层形成在彼此间隔1mm的多个位置。

然后将其上形成有半导体结层的基片31放入电阻加热型蒸发装置中，该装置图中未示出，在1×10^-4Torr的内部压力下电阻加热进行In-Sn合金的蒸发，同时引入氧气淀积厚700埃的透明ITO上电极33，它也有抗反射的效果，由此完成光伏层32。

然后从基片31上去除上述掩模，转而掩蔽光伏层32，使用上述CVD薄膜形成装置按顺序淀积p型、i型和n型层，从而完成旁路二极管38。形成具有p型、i型和n型层的旁路二极管层38使旁路二极管层的表面与邻近它的光伏层32的表面在同一高度。另外，在旁路二极管38上形成上电极33，使形成在旁路二极管层33上的上电极38的表面与形成在光伏层32上的上电极表面等高。

随后腐蚀上电极33的外围，形成暴露半导体的区域47。再将绝缘带45粘合在基片31的一端。

然后将直径100微米、涂敷有将碳黑散布于尿烷树脂构成的导电树脂的铜引线放置在旁路二极管38上，使之与上电极33接触，在1kg/cm²的压力和200℃的温度下加热10分钟使它固定在上电极33和绝缘带45上，由此完成电流收集电极34。

然后将100微米厚的铜箔构成的汇流条46粘合在电流收集电极44上，与绝缘带45重叠，由此完成图3A所示的具有旁路二极管的光伏元件。

按此方式制备10例该光伏元件。

然后，如下所述将这些样品进行树脂密封(封装)。首先，在基片31上下放置EVA树脂。此时，旁路二极管层和光伏层都被EVA树脂覆盖。光入射端的EVA树脂有250微米厚。另外，在光入射端堆叠氟树脂薄膜，使与EVA树脂重叠，同时在背面堆叠金属板，使与EVA树脂重叠。然后将堆叠部件在真空层压机中150℃下进行层压60分钟，以进行热压。

然后，根据JIS C8935定义的非晶太阳能电池组件的输出测量方法，对每个封装的样品进行初始特性的测量。用模拟太阳光源(SPIRE公司生产，此后称为模拟太阳)测量太阳能电池的特性，首先确定能量转换效率，模拟太阳的光量在AM1.5的全部太阳光谱下为100mW/cm²。所得到的特性有很小的波动，阴影损耗为4.5％。

然后根据JIS C8938定义的非晶太阳能电池组件的环境和持久性测量中的温度-湿度循环测试A-2对样品进行可靠性测量。具体地，将样品置于温度和湿度可控的恒定温度/湿度容器中，在-40℃到+85℃(85％的相对湿度)的温度范围进行10次循环试验。测试后观察，样品有满意的外观，层压材料没有剥落或鼓泡。

如前面解释过的，本例的光伏元件是将旁路二极管部分和光伏层集成在一起来制备的，旁路二极管层38在电流收集电极34下面。由此可以降低阴影损耗，使整个光伏元件平整，由此可以用薄一些的层叠材料并得到满意的可靠性。

[比较例1]

为了比较，按基本与例子1中相同的方式制备图9所示的具有普通旁路二极管93的光伏元件82。具体地，用与例子1相同的方法进行到在基片(图中未示出)上形成上电极(图中未示出)，然后在其上形成电流收集电极和汇流条，得到光伏元件92。

然后将二极管93连接到光伏元件92上，按与例1相同的方式层压(封装)，得到太阳能电池组件91。在此操作中，层压材料厚度改变为250微米、500微米、1mm、和3mm。厚度不大于1mm时填充不足，厚度3mm时有满意效果。

上述结果表明：和使用常规光伏元件92相比，例子1的旁路二极管的光伏元件可以制备成较薄的太阳能电池组件，由此可以减少层压材料的量。

[例子2]

在该例子中，制备由串联光伏元件40形成的光伏元件组件(未示出)，光伏元件40具有图4A和4B所示构型的旁路二极管。具体地，首先制备10个具有图4A和4B所示构型的旁路二极管的光伏元件。每个光伏元件的汇流条46通过互联器连接到相邻光伏元件的基片41上，重复进行这种连接得到串联的10个光伏元件。

然后按下面方法将串联的光伏元件进行封装。具体是在每个基片41的上下、即在光入射端及其背面堆叠EVA树脂。光入射端的EVA树脂250微米厚。在光入射端再堆叠氟树脂薄膜，同时在背面堆叠金属板。然后将堆叠部件在真空层压机中150℃下进行层压60分钟。

根据JIS C8935定义的非晶太阳能电池组件的输出测量方法，对每个封装的连接的元件进行初始特性的测量。具体地，用模拟太阳光源(SPIRE公司生产，此后称为模拟太阳)测量太阳能电池的特性，首先得到能量转换效率，模拟太阳的光量在AM1.5的全部太阳光谱下为10mW/cm²。所得到的特性令人满意，几乎没有波动。

然后根据JIS C8938定义的非晶太阳能电池组件的环境和持久性测试中的热点测试A-1进行可靠性测量。具体地，先将样品在模拟太阳下用100mW/cm²的光辐照，同时将串联的含10个光伏元件的组件(10个光伏元件串联)中的一个光伏元件遮住。在这种条件下坚持10分钟后，按和材料初始特性一样的测量方法，用模拟器测量太阳能电池的特性，和初始转换效率相比没有观察到明显的退化。

上述结果表明：包括本例子光伏元件的太阳能电池有满意的特性，可以避免由于部分阴影导致的热点损坏，且有高的可靠性。

[比较例2]

为了比较，按基本与例子1相同的方式制备没有旁路二极管的常规光伏元件。更具体地，首先按与例子1相同的方法进行到在基片上制备上电极。然后将有粘合材料的绝缘层粘合到基片的两边，按与例子1相同的方法形成电流收集电极。然后堆叠铜箔构成的汇流条，以便完成光伏元件。

然后串联10个这样制备的光伏元件，按与例子1相同的方法密封串联的光伏元件。

按例子1相同的过程对封装的光伏元件进行初始特性测量，按例子2的相同方式进行可靠性评估。试验结果表明：能量转换效率降低约7.5％。分析能量转换效率降低的原因，将之归结为遮挡区域光伏元件的旁路，这是由于遮挡光伏元件的反偏所致。

[例子3]

图5是本发明例子3的光伏元件的剖面图。如图5所示，光伏元件50中的光伏层52有三电池结构，其中半导体结层包括三个堆叠的半导体层，每半导体层有一个pin结。另一方面，旁路二极管53有单电池结构，其中半导体结层是包含一个具有pin结的半导体层。光伏层52和旁路二极管层53形成为在同一个基片51上横向邻近，其中各半导体结层的正向彼此相反。光伏层52和旁路二极管层53连接到光入射端的电流收集二极管54上。类似地，可以形成包括具有pn结三电池结构的光伏层52、和具有pn结单电池结构的旁路二极管53的光伏元件。

图6A、6B、7A和7B示出用三电池薄膜形成装置60按双卷盘方法形成光伏元件50的方法。图6A是用双卷盘工艺的薄膜形成装置的示意剖面图。如图6A所示，按顺序排列了薄膜形成室62到70。其中，室62、65和68用来形成n型层，室63、66和69用来形成i型层，室64、67和70用来形成p型层，从而得到三电池。图7A和7B是基片通过有掩模(挡板)的室时的平面和剖面图。除了形成底层的p型层、中间层的i型层、和顶层的n型层的室64、66和68外，每个室72提供有挡板73，以阻挡等离子体，如图7B所示，由此防止在部分基片51上形成薄膜。根据多个电流收集电极54来定位挡板73，其宽度基本等于电流收集电极54的宽度。通过使用上述结构，底层的p型层、中间层的i型层、和顶层的n型层形成在部分基片51上，由此在基片上完成旁路二极管层53，同时在基片上形成光伏层52的半导体结层。换句话说，构成光伏层52的半导体结层的九层半导体层中的第三、第五和第七层用相同的材料与构成旁路二极管层53的半导体结层的三层半导体层中的第一、第二、和第三层同时形成。

用上述装置按下面方式形成图5所示的光伏元件。首先如图6A所示，将长箔状SUS430基片51放在薄膜形成装置的传送室61中，以固定的速度传送到另一端的缠绕室71中，如图6B所示在传送过程中，光伏层52和旁路二极管层53形成在基片51上。用图中未示出的另一真空室在光伏层52上形成上电极。薄膜形成后，将长基片51切成20cm长的片。然后，和例子1一样，腐蚀去掉每个分割基片的外围的上电极，由此形成电流收集电极和汇流条。

和例子1一样封装10个所得的光伏元件50，得到10个光伏元件的样品。

按例子1相同的方法对所得的样品进行初始特性的测量。样品有满意的转换效率8.5±1.5％，阴影损耗小到4.5％，几乎没有波动。

[例子4]

在该例子中，制备具有图8A所示旁路二极管构型的光伏元件80，然后分割该光伏元件得到有任意宽度的分离光伏元件，如图8B中的光伏元件90。

首先进行例子1的工艺直到形成上电极83，去掉要分割部分和基片外围的上电极83，形成暴露半导体层的区域87。然后按与例子1一样的方法固定电流收集电极84。再用银膏固定电流收集电极84和汇流条89，完成具有图8A构型的旁路二极管的光伏元件80。

然后将所制备的光伏元件80进行转换效率的测量。再沿腐蚀线将光伏元件分割成4片，由此得到图8B所示的光伏元件90。将这些光伏元件进行转换效率的测量。

比较光伏元件80和90的转换效率发现：分割前后转换效率没有什么变化，由此表明没有因分割造成损伤。这样就可以得到带有可分割成任意宽度的旁路二极管的光伏元件。

如前所说，能通过薄膜形成在电流收集电极下面形成包括第二半导体结的旁路二极管层的本发明可以提供高转换效率、低阴影损耗的光伏元件，且不需复杂工艺。

另外，由于光伏层和旁路二极管层形成为长度基本相同的平行带状，光伏元件可以分割成任意宽度的光伏元件。

而且，由于构成第一半导体结层的本征层和构成第二半导体结层的本征层连续形成，可以用简化的方式制备光伏元件。

另外，由于第一半导体结层有三电池结构，该结构由三个堆叠半导体层构成，每个半导体层包括一个pn或pin结，且第二半导体结层有单电池结构，所以，可以用简单的方法制备光伏元件。

Claims (10)

1.一种光伏元件，包括：具有产生光电动势的第一半导体结层的光伏层，在光伏层的光入射一侧上设置的电流收集电极，并联的旁路二极管，其中旁路二极管形成在电流收集电极下面，旁路二极管层具有别于光伏层的第一半导体结层的第二半导体结层。

2.如权利要求1的光伏元件，其特征为：光伏层和旁路二极管层形成为长度基本相同的平行带状。

3.如权利要求1的光伏元件，其特征为：每个第一和第二半导体结层包括连续延伸在两个半导体结层上的本征层。

4.如权利要求1的光伏元件，其特征为：光伏元件层有三电池结构，其半导体结层由三个堆叠半导体层构成，每个半导体层包括一个pin或pn结，而旁路二极管层有单电池结构，其半导体结层由一个含pin或pn结的半导体层构成。

5.如权利要求1的光伏元件，其特征为：光伏层和旁路二极管层形成为在同一基片上彼此横向相邻。

6.如权利要求1的光伏元件，其特征为：第一和第二半导体结层的半导体结的正向彼此相反，光伏层和旁路二极管层连接到光入射一侧的电流收集电极上。

7.一种光伏元件的制备方法，包括以下步骤：在导电基片或其上有导电薄膜的基片上按预定间隔在多个位置处形成具有用来产生光电动势的第一半导体结层的光伏层；在基片上多个光伏层位置之间形成具有第二半导体结层的旁路二极管层，第二半导体结层的正向与第一半导体结层的正向相反；在旁路二极管层上形成电流收集电极，以便与光伏层及旁路二极管层连接。

8.如权利要求7的光伏元件的制备方法，其特征为：在形成光伏层和旁路二极管层时，构成第一半导体结层的至少一个半导体层和构成第二半导体结层的至少一个半导体层用相同材料同时形成。

9.如权利要求8的光伏元件的制备方法，其特征为：每个第一和第二半导体结层形成为有一个pin结，两个结层的每个i型层用相同材料同时形成。

10.如权利要求8的光伏元件的制备方法，其特征为：第一半导体结层形成有三个堆叠的半导体层，每个半导体层包括一个pin结，同时第二半导体结层形成为一个包含pin结的半导体层，其中，构成第一半导体结层的九层半导体层中的第三、第五和第七半导体层分别和构成第二半导体结层的三层半导体层中的第一、第二和第三半导体层用相同材料同时形成。

Images