CN1452790A - 彩色太阳能电池单元 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳能电池单元，包括背面电极、光生伏打(PV)层、以及可选的正面电极，太阳能电池单元的部分表面不产生任何能量，其中在太阳能电池单元的至少部分不产生能量的部分上存在彩色材料，而太阳能电池单元的至少部分能量产生部分没有彩色材料，彩色材料的颜色与太阳能电池单元的颜色不同。如果需要，太阳能电池单元的至少部分不产生能量的部分上提供有掩饰材料。本发明可以选择太阳能电池的颜色效果和/或装饰太阳能电池单元，而另一方面，不影响太阳能电池单元的电输出。
Description
技术领域
本发明涉及彩色太阳能电池单元及其制造工艺。
背景技术
太阳能电池单元可以将光转变成电，提供了一种比方说由矿物燃料或原子能产生电的令人感兴趣的备选品。
太阳能电池单元通常包括一个或多个光生伏打(PV)层，例如由与背面电极(单元背面)接触的半导体材料组成。对于薄膜太阳能电池，例如非晶硅电池，其中电功能层的叠层小于约20μm厚，优选小于10μm，更优选小于5μm厚，太阳能电池单元的正面(即，入射光侧)提供有正面电极。正面电极透明，能使入射光达到半导体材料，其中入射辐射转变成电能。对于基于晶片的太阳能电池，通常基于晶体硅，可选地基于GaAs，由于基于晶片的材料具有比薄膜材料更高的电导率，因此通常不需要透明正面电极。
由一层或多层光生伏打层的性质、正面电极的性质(如果有的话)、抗反射层(如果有的话)的性质、 (程度最小)背面电极的性质决定了太阳能电池单元的自然色，通常为蓝黑或红褐色。
当太阳能电池单元合并入建筑内时，经常希望能够选择太阳能电池单元产生的颜色效果(impression)或在太阳能电池单元上提供装饰，以便能更好地将太阳能电池单元结合到建筑的现有建筑设计内，或者，另一方面，能够使用太阳能电池单元的颜色或设计用于美学的目的。
在现有技术中有多种方法形成彩色太阳能电池单元。
通过给太阳能电池单元提供具有透明彩色材料的顶层可以得到颜色。提供有彩色顶层的太阳能电池系统例如介绍在US5,807,440，US6,049,035以及JP02094575中。然而，使用透明彩色顶层具有颜色不是很亮的不足之处，是由于在这种情况中，顶层的透明度将减少到太阳能电池单元中的入射光量由此输出量降低到不能接受的低级别的程度。此外，甚至使用不具有很亮颜色的顶层会降低太阳能电池单元输出。
也可以选择一层或多层的厚度以便通过干涉得到需要的颜色。不必说，当使用光干扰时会减少太阳能电池单元的有效电输出。此外，通过不同层的厚度产生颜色的不足之处是：获得希望颜色需要的厚度不一定与产生能量的最大可能厚度类似。
由此需要具有一种太阳能电池单元，一方面，能够选择太阳能电池的颜色效果和/或装饰太阳能电池单元，而另一方面，不影响太阳能电池单元的电输出。本发明的目的在于提供这种太阳能电池单元。
发明内容
本发明利用了太阳能电池单元表面的一些部分不产生任何能量的实际情况。通过在太阳能电池单元的至少部分非能量产生部分上提供彩色材料并使太阳能电池单元的至少部分能量产生部分没有彩色材料，太阳能电池单元提供有颜色或设计，同时太阳能电池单元的输出不受影响。
本发明的目的是将常规太阳能电池的蓝黑或红褐色颜色效果转变成不同的颜色效果。因此，装饰太阳能电池单元采用的颜色可以与太阳能电池自身的颜色不同。合适颜色的例子为白色、黄色、橙色、粉红色、红色、淡蓝色、绿色、紫色等。显然也可以使用这些颜色的组合。
由此本发明涉及一种太阳能电池单元，包括背面电极、光生伏打(PV)层、以及可选的正面电极，太阳能电池单元的部分表面不产生任何能量，该太阳能电池单元的特征在于在太阳能电池单元的至少部分不产生能量的部分上存在彩色材料，而太阳能电池单元的至少部分能量产生部分没有彩色材料，将彩色材料的颜色选择得与太阳能电池单元的光产生部分的颜色不同。
具体实施方式
应该注意在本领域中都知道在太阳能电池单元的不产生能量部分上提供覆盖层。这在EP0986109，JP08312089以及JP08243310中进行了介绍。然而，在这些参考文件中，将覆盖层的颜色选择得与太阳能电池单元的能量产生部分的颜色一致，以掩饰太阳能电池单元的不产生能量部分。这与本发明要解决的问题不同，本发明的目的在于改变太阳能电池单元产生的颜色效果或提供带有装饰的太阳能电池单元同时不降低它的输出。
太阳能电池单元的光产生部分和提供有彩色材料的那部分太阳能电池单元之间的颜色差异可以用dEab的方式表示，定义如下：
dEab＝(dL2+da2+db2)1/2
其中dL、da以及db分别为提供有彩色材料的部分和太阳能电池单元的光产生部分之间的亮度、兰色和红色上的差异。L、a和b值可以使用D65光源根据CIELAB规程确定。根据本发明用于太阳能电池系统的dEab值通常在约10以上，优选在12以上，更优选在约20和100之间。如果使用不止一种颜色，那么通常这些颜色中的至少一种将满足用于dEab值的以上要求。
如下面更详细说明的，彩色材料可以为施加在太阳能电池单元顶部上单独的彩色层的形式。然而，也可以合并到太阳能电池单元的不产生能量部分的结构内。对于下面要讨论的掩饰材料也同样适用。
通常，部分有源太阳能电池表面不产生能量有两个原因，即，存在串联连接和/或存在集电栅(grid)，对于本说明书的用途还包括汇流条。虽然这两种现象都在本领域中众所周知，为方便起见，下面进行简要说明。
太阳能电池的最大电压由入射光的强度和电池的组分，特别是半导体材料的性质决定。当太阳能电池的表面积增加时，产生更多的电流，但电压保持不变。为了增加电压，太阳能电池单元通常被分为各个单独的电池，然后串联连接。对于基于晶片的太阳能电池单元，借助布线通过连接各电池完成。对于薄膜太阳能电池，通常建立整体(monolithic)串联连接，即借助公共载体使各电池保持连接的串联连接。通常通过在不同的有源层中提供槽并在一个电池的正面电极和其它电池的背面电极之间建立导电接触建立整体串联连接。对于整体串联连接，串联连接的位置通常肉眼可以看见为太阳能电池单元上的薄线。薄膜太阳能电池单元仅在背面电极、光生伏打层以及正面电极都存在并且不短路的那些位置处产生能量。在由于例如串联连接不存在的三层中一层的位置处，或者各层短路的位置处，没有产生能量。
为了改善来自太阳能电池单元的电流收集，太阳能电池单元经常提供有栅。对于基于晶片的太阳能电池单元，栅施加在PV层上；对于薄膜太阳能电池单元，它提供在正面电极上和/或，如果背电极由较差导电性的TCO制成以得到(半)透明太阳能电池单元，那么不太常见地它提供在背电极上。
栅是导电材料的线图形，以能够容易流出电极中产生的电流载流子(电子或“空穴”)的方式施加。通常借助印刷技术施加栅，一般它是银色或黑色。在太阳能电池单元的正面被栅覆盖的那些位置处，入射光不能到达光生伏打层，所以基本上没有电流产生。为方便起见，应该注意由于边缘效应，栅下的那部分太阳能电池单元会产生一些电流。在本说明书的内容中，整个栅(如果存在)被认为属于已提供有彩色材料的太阳能电池单元的不产生能量部分。
对于基于晶片的太阳能电池单元，部分太阳能电池单元不会产生任何能量的事实是由于存在栅。对于薄膜太阳能电池单元，存在栅和存在整体串联连接能确保部分太阳能电池单元不产生任何能量。
优选，至少50％，更优选至少85％，最优选至少90％的太阳能电池单元的能量产生部分没有(专门提供的)彩色材料。更优选，太阳能电池单元的能量产生部分基本上没有彩色材料。在本说明书内容中的属于“基本上没有”意味着除了制造期间不能避免的那些量之外，太阳能电池单元的能量产生部分没有彩色材料。
根据本发明的太阳能电池单元包括多个具体实施例。
根据本发明的太阳能电池单元的第一实施例为一种基于晶片的太阳能电池单元，包括背面电极和提供有栅的PV层，其中至少部分栅提供有彩色材料。如前面所指出的，通常借助布线连接不同的电池串联连接基于晶片的太阳能电池单元。虽然可以原则上提供具有彩色材料的这种布线，但通常对解决本发明的问题没有太大帮助，是由于一方面，布线经常隐蔽在太阳能电池单元的背面，另一方面，晶片经常很大，所以获得这种宽间距的串联连接，为它们提供彩色材料总体上对太阳能电池单元的彩色效果贡献很小。如果非常需要，那么如下面将讨论的，布线可以提供有掩饰材料。
根据本发明的太阳能电池单元的第二实施例为一种薄膜太阳能电池单元，包括背面电极、PV层、以及由TCO制成的正面电极，栅提供在TCO层上，其中至少部分栅提供有彩色材料。
根据本发明的第三实施例为一种膜太阳能电池单元，包括背面电极、PV层、以及由TCO制成的正面电极，整体串联连接提供在太阳能电池单元上，其中由于串联连接没有产生任何能量的太阳能电池单元的至少一部分表面提供有彩色材料。
根据本发明的第四实施例为以上讨论的第二和第三实施例的组合，包括薄膜太阳能电池单元，薄膜太阳能电池单元具有背面电极、PV层、以及由TCO制成的正面电极，栅提供在TCO层上，其中至少部分栅提供有彩色材料，以及提供有整体串联连接的太阳能电池单元，其中由于串联连接没有产生任何能量的太阳能电池单元的至少一部分提供有彩色材料。
根据本发明的第五实施例为一种(半)透明薄膜太阳能电池单元，其中背面电极由透明导电氧化物(TCO)组成，背面电极提供有栅，其中至少部分栅提供有彩色材料。栅也存在于(半)透明薄膜太阳能电池单元的TCO正面电极之上，至少部分栅提供有彩色材料。太阳能电池单元也提供有整体串联连接，其中由于串联连接没有产生任何能量的太阳能电池单元的至少一部分提供有彩色材料。在这种情况中，彩色材料提供在太阳能电池单元的任何一面或两面上。
多少太阳能电池单元的不产生能量部分用彩色材料覆盖取决于打算获得的效果、彩色材料的颜色强度、所需要的彩色效果的强度或者太阳能电池单元的装饰、不产生能量的太阳能电池单元的百分比、以及太阳能电池单元表面上太阳能电池单元的不产生能量部分的分布。
通常，如果如下面所讨论的不存在掩饰材料，那么至少20％的太阳能电池单元的不产生能量部分提供有彩色材料，优选至少50％，更优选至少80％。
根据本发明的太阳能电池单元的具体实施例为一种太阳能电池单元，其中太阳能电池单元的不产生能量部分的一部分提供有彩色材料，太阳能电池单元的不产生能量部分的其它部分提供有掩饰材料。掩饰材料为一种材料，将它的颜色选择得适合于太阳能电池单元的颜色，同样适合于太阳能电池单元的不产生能量部分的掩饰部分。掩饰材料的dEab通常在约5以下，优选在约2以下，更优选在约0.3以下。使用彩色材料和掩饰材料的组合可以用相似背景上的颜色设计来装饰太阳能电池单元。直观设计的例子为图案、字母、图形、条形、矩形和方形。在本实施例中，通常10-90％的太阳能电池单元的不产生能量部分提供有彩色材料，而90-10％的太阳能电池单元的不产生能量部分提供有掩饰材料。虽然不是必须的，但优选在本实施例中太阳能电池单元的基本上所有的不产生能量部分提供有彩色材料或掩饰材料。
将彩色材料和掩饰材料(如果可施加的话)施加在太阳能电池单元的各种可能方式对本领域中的技术人员来说是显而易见的。通常有两种方式，即施加材料作为隔离层或将它引入到太阳能电池单元的不产生能量部分的结构中。
如果施加材料作为隔离层，那么合适的方式包括蒸发或印刷/写入。优选，此时借助已知的印刷工艺施加彩色材料和掩饰材料(如果可施加的话)。合适的印刷工艺包括丝网印制、喷墨工艺等。使用技术人员公知的合适颜料和染料制成彩色材料和掩饰材料(如果可施加的话)。
也可以将颜料或染料引入到太阳能电池单元的不产生能量部分中使用的材料内。对此的更特定实施例是将颜料或染料引入到施加栅使用的导电膏内和/或引入到整体串联连接使用的导电或绝缘膏内。以此方式可以将颜色或掩饰很容易地引入到太阳能电池单元的制造中。然而，由于颜料通常不导电，因此其内存在颜料会影响导电膏的导电性。优选此时借助隔离层施加颜色或掩饰。
本发明可以在刚性玻璃载体上借助成批生产例如太阳能电池单元制造太阳能电池单元。此外，本发明可以借助连续的工艺制造太阳能电池工艺，更具体地，用例如WO98/13882或WO99/49483中介绍的辊-辊(roll-to-roll)工艺中制造的柔性薄膜太阳能电池单元，其公开的内容作为参考引入，对于制造柔性太阳能电池单元的工艺以及在所述单元中使用的材料。
彩色材料和掩饰材料(如果可施加的话)可以在单独的制造步骤中施加在太阳能电池单元上，但施加也可以与太阳能电池单元的制造结合。由于提供彩色材料和掩饰材料(如果可施加的话)的位置需要精确地确定，因此通常优选将彩色材料和掩饰材料(如果可施加的话)的施加结合到太阳能电池单元的制造内。
在薄膜太阳能电池单元中建立整体串联连接的方式对本发明不是很关键。许多合适的方式对技术人员来说是公知的。由此可以首先提供完整的太阳能电池单元，包括正面电极、光生伏打层、以及载体上的背电极，然后将材料分成独立的电池并建立串联连接。此外，分成独立电池并形成串联连接的不同步骤可以结合到太阳能电池单元的制造步骤内。由此，可以首先在载体上形成背面电极、例如借助激光形成槽划分背面电极、形成光生伏打层、在背面电极中形成槽或与槽相邻的成行的孔划分光生伏打层、形成正面电极、并例如借助激光将正面电极分成槽，与光生伏打层中的划分相邻。以此方式建立串联连接。此外，通过施加一些层同时利用掩模可以制成划分。
如上所述，太阳能电池单元包括背面电极、光生伏打层、和正面电极、以及经常使用的载体。对于本发明载体、背面电极、光生伏打层、以及正面电极的性质不是很关键。以下介绍仅为示例的目的。
载体(如果存在的话)可以是任何公知的载体。当载体存在于正电极的一面上，应该能透过太阳光谱的相应部分。载体可以由例如玻璃、或透明聚合物制成。当载体位于背电极一面上时，载体可以是透明或者不透明，取决于太阳能电池单元的直观用途。合适的材料包括刚性材料，例如玻璃或适合于辊-辊工艺中使用的柔性材料，例如聚合物膜或金属箔。
正面电极通常是透明的导电氧化物(TCO)。合适的TCO包括氧化铟锡、氧化锌、铝-、氟-、或掺硼氧化锌、硫化镉、氧化镉、氧化锡以及掺F的SnO2。
光生伏打层可以包括技术人员熟知的每种合适的系统，例如非晶硅(a-Si：H)、微晶硅、多晶硅、非晶碳化硅(a-SiC)、和a-SiC：H、非晶硅-锗(a-SiGe)和a-SiGe：H、a-SiSn：H、CIS(二硒化铜铟，CuInSe2)、碲化镉、Cu(In，Ga)Se、ZnSe/CIS、ZnO/CIS、Mo/CIS/ZnO以及对燃料敏感的电池。此外，可以使用以上所述材料的多结单元。
根据太阳能电池单元的用途也可以用做反射体的背面电极可以由例如铝、银、钼、或者它们的组合组成，可选地在金属层和光有源半导体之间具有如ZnO的介质材料的中间层。在(半)透明太阳能电池单元中，介绍用于正面电极的TCO用在背面电极中。
如果需要，太阳能电池单元可以包括额外的公知部件例如密封剂以保护单元不受环境影响。
Claims (14)
1.一种太阳能电池单元，包括背面电极、光生伏打(PV)层、以及可选的正面电极，太阳能电池单元的部分表面不产生任何能量，所述太阳能电池单元的特征在于在太阳能电池单元的至少部分不产生能量的部分上提供有彩色材料，而太阳能电池单元的至少部分能量产生部分没有彩色材料，彩色材料的颜色与太阳能电池单元的颜色不同。
2.根据权利要求1的太阳能电池单元，其中至少20％，优选至少50％，更优选至少80％的太阳能电池单元的不产生能量部分提供有彩色材料。
3.根据权利要求1的太阳能电池单元，其中太阳能电池单元的部分不产生能量部分提供有彩色材料，太阳能电池单元的部分不产生能量部分提供有掩饰材料，掩饰材料的颜色与太阳能电池单元的能量产生部分的颜色相适应。
4.根据权利要求3的太阳能电池单元，其中10-90％的太阳能电池单元的不产生能量部分提供有彩色材料，10-90％的太阳能电池单元的不产生能量部分提供有掩饰材料。
5.根据权利要求4的太阳能电池单元，其中太阳能电池单元的基本上所有的不产生能量部分提供有彩色材料或掩饰材料。
6.根据以上任何一个权利要求的太阳能电池单元，其中将彩色材料的颜色选择得使提供有彩色材料的部分太阳能电池单元和太阳能电池单元的能量产生部分之间的dEab至少约10，优选约12，更优选在约20和100之间，其中选择掩饰材料的颜色，如果有的话，使提供有掩饰材料的部分太阳能电池单元和太阳能电池单元的能量产生部分之间的dEab约5以下，优选约2以下，更优选约0.3以下。
7.根据以上任何一个权利要求的太阳能电池单元，其中太阳能电池单元的能量产生部分基本上没有彩色材料。
8.根据以上任何一个权利要求的太阳能电池单元，其中太阳能电池单元提供有栅，至少部分栅提供有彩色材料。
9.根据以上任何一个权利要求的太阳能电池单元，其中太阳能电池单元为薄膜太阳能电池单元，包括具有整体串联连接的各个电池，其中由于串联连接产生的太阳能电池单元的至少部分不产生能量部分提供有彩色材料。
10.根据以上任何一个权利要求的太阳能电池单元，其中彩色材料包括两种或多种颜色。
11.一种制造根据以上任何一个权利要求的太阳能电池单元的工艺，其中太阳能电池单元，包括背面电极、光生伏打(PV)层、以及可选的正面电极，太阳能电池单元的部分表面不产生任何能量，太阳能电池单元的至少部分不产生能量的部分上提供有彩色材料和可选的掩饰材料，而太阳能电池单元的至少部分能量产生部分没有彩色材料。
12.根据权利要求10的太阳能电池单元的制造工艺，其中借助印刷技术施加彩色材料和/或可施加的掩饰材料。
13.根据权利要求10的太阳能电池单元的制造工艺，其中在辊-辊工艺中施加彩色材料和/或可施加的掩饰材料。
14.根据权利要求10-12中任何一个的太阳能电池单元的制造工艺，其中彩色材料和/或可施加的掩饰材料的施加结合到太阳能电池单元的制造中。
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