CN202363460U - 弱光型薄膜太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种弱光型薄膜太阳能电池，解决因光电转换层的缺陷造成的电池输出性能下降的技术问题，提高产品的电性能和合格率，属于太阳能电池技术领域。设计的新型薄膜太阳能电池包括在基板上顺序层叠的前电极层、光电转换层、背电极层和背漆保护层，前电极层和背电极层均设有纵横交错的第一和第二隔离沟道，光电转换层上具有多条平行排列且敷设电池单元节串联连接线的刻划槽；前电极层和背电极层的端部分别有未刻除的导电膜，形成电池单元节的并联连接线。本实用新型减小了某个单元子电池的缺陷对整个单元电池的电性能输出的影响，提高了整个弱光型薄膜太阳能电池的输出电性能和产品合格率。

Description

弱光型薄膜太阳能电池

技术领域

本实用新型涉及一种薄膜太阳能电池，尤其是一种低成本、高性能的弱光型薄膜太阳能电池，属于薄膜太阳能电池技术领域。 

背景技术

薄膜太阳能电池结构一般采用在基板上顺序层叠沉积的制造方法，因此可制造出单体尺寸很大的薄膜太阳能电池，而为了获得高电压，一般在电池内部形成串联的结构来达到一定的电压，但由于薄膜太阳能电池大面积沉积时不可避免地会出现随机的局部区域的缺陷，如沉积时转换层之间的短路问题，该缺陷会造成电池电性能的整体下降。为了减少这种缺陷对整块电池的性能影响，采用将整块电池进行分区后再通过焊带将每个区域并联的方法，如美国专利US20060196536《THIN FILM SOLAR CELL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF》（以上简称对比文件1）采用相互正交的第一开口槽7和第二开口槽（8a、12和8b）将前电极层、光电转换层以及背电极层分成多个区域，端部的前电极、光电转换层和背电极都刻穿形成槽8a和槽12，防止电池短路，电池单元节之间由光电转换层的隔离沟道6实现内部串联，串联后的电池单元通过边缘的焊带并联。中国专利200980137203.2《集成薄膜太阳能电池及其制造方法》（以下简称对比文件2），该集成薄膜太阳能电池在传统的内部串联的薄膜太阳能电池结构的基础上，通过激光刻划方法对前电极层、光电转换层以及背电极层刻划出与串联刻划沟道垂直的并联刻划沟道，对串联刻划沟道形成的单元电池再进行分割成单元子电池的分区办法，这种分区办法有效地解决了只有串联刻划沟道时因某一局部缺陷造成的所在串联的单元电池整节电池的失效，但由于该技术仍然采用激光刻划的方法，在刻划背电极的并联刻划沟道时不可避免地要同时刻划掉光电转换层。众所周知，在薄膜太阳能电池生产行业，激光刻槽工艺过程中，激光加工前电极和背电极电极材料的过程中所产生的导电粉尘颗粒，极易落到激光刻槽内，使前电极和背电极在刻槽处通过落到刻槽内的导电粉尘颗粒形成短路或微短路。对比文件1和2只适合强光型薄膜太阳能电池的生产，对于在弱光照下使用、甚至是在室内灯光下使用的弱光型薄膜太阳能电池来说，此种工艺方法并不适用，原因如下：电池光电转换层的厚度只有0.4-3μm，而激光刻槽宽度达到了80μm-300μm，虽然槽宽可以避免相邻前电极和前电极之间、背电极和背电极之间的短路，但激光加工过程形成的导电粉尘颗粒最大直径可达10μm，如此大的导电颗粒足以跨过厚度只有0.4-3μm的光电转换层，使电池前电极与背电极在激光刻槽处形成短路或微短路；另外，激光加工造成的背电极刻槽边缘毛刺也极易跨过光电转换层和前电极层形成短路或微短路，造成漏电现象。改善的激光设备和激光加工工艺对微短路现象的贡献只体现在减轻微短路现象和减轻因微短路现象造成的电池输出功率下降问题，但并不能完全消除微短路现象和因微短路现象造成的电池输出功率下降问题。这种下降问题，对于大尺寸功率在10W以上的薄膜电池组件来说，由于组件自身的等效内阻较小，只有几欧姆到几十欧姆，激光刻槽处因激光加工工艺造成的旁路电阻为几千欧到几十千欧，相对于薄膜太阳能电池的内阻来说，电池漏电导致电池功率下降幅度只有1‰到1%。因此，可以认为激光刻槽工艺导致的刻槽处微短路基本不会影响大尺寸薄膜太阳能电池的功率输出。但对于小尺寸，特别是在室内弱光条件下使用的微瓦级的薄膜电池来说，自身的等效内阻是几十千欧姆到几百千欧姆，激光刻槽处因激光加工工艺造成电池漏电导致电池功率下降幅度就会达到甚至超过50%，因此，激光刻槽工艺导致的刻槽处微短路对弱光型薄膜太阳能电池的输出功率大小存在严重影响，激光刻槽加工工艺不适合用于弱光型薄膜太阳能电池生产工艺中，也就是说，对比文件1和2不适合用于弱光型薄膜太阳能电池的生产。 

实用新型内容

针对以上存在的问题，本实用新型设计一种适合弱光条件下使用的薄膜太阳能电池及其制造方法，解决因光电转换层的缺陷造成的电池输出性能下降的技术问题，提高产品的电性能和合格率，使电池具有更好的耐候性和稳定性。 

为了实现以上任务，本实用新型采用的技术方案是： 

设计一种弱光型薄膜太阳能电池，包括在基板上顺序层叠的前电极层、光电转换层、背电极层和背漆保护层，其特征在于所述前电极层和背电极层均设有纵横交错的第一和第二隔离沟道，光电转换层上具有多条平行排列且敷设串联连接线的刻划槽；前电极层和背电极层的端部分别有未刻除的导电膜，形成电池单元节的并联连接线。

太阳能电池由前电极层、光电转换层和背电极层的第一隔离沟道分成多个内部串联的电池单元节，每个电池单元节由前电极层和背电极层上的第二隔离沟道分成多个单元子电池，且每个电池单元节的光电转换层为完整的发电单元。前电极层和背电极层的第一隔离沟道与光电转换层的刻划槽平行排列，且在平行刻划槽的方向上分别贯穿前电极层和背电极层。光电转换层是具有至少一个PN结的薄膜电池层。薄膜电池层是同质或异质结。 

前电极层的第二隔离沟道未贯穿正电极引出端处的导电膜层，背电极层的第二隔离沟道未贯穿负电极引出端处的导电膜层，在电池两端形成电池单元节的并联连接线。 

背电极层的第二隔离沟道位于前电极层的第二隔离沟道的正上方。 

前电极层的第二隔离沟道未贯穿正电极引出端与电池边缘之间的距离大于光电转换层相应位置的刻划槽与电池边缘之间的距离。 

前电极层和背电极层的第二隔离沟道与光电转换层的刻划槽垂直。 

弱光型薄膜太阳能电池的光电转换层具有多个同质或异质PN结。太阳能电池可以是硅基薄膜太阳能电池或其它薄膜太阳能电池。 

本实用新型所述第二隔离沟道与电池单元节串联方向相平行，第一隔离沟道与电池单元节串联方向相垂直，光电转换层的刻划槽也与电池单元节串联方向相垂直。 

第一隔离沟道将太阳能电池分成若干个电池单元节，第二隔离沟道进一步将每个电池单元节分成若干个单元子电池。 

本实用新型产生的积极效果： 

1. 由于光电转换层在背电极第一隔离沟道和第二隔离沟道处未被激光去除，使得单元子电池在背电极第一隔离沟道和第二隔离沟道处的前电极层和背电极层完全由夹在两者之间的光电转换层分隔开，消除了背电极第一隔离沟道和第二隔离沟道处的前电极层和背电极层短路漏电现象，同时由于前电极层和背电极层的第二隔离沟道未完全贯通，边缘连在一起，通过边缘的连接使得单元子电池在内部就并联起来，不需要焊接导电带将单元子电池一个个连接。

2.把单元电池分隔成几个单元子电池内部并联，使得缺陷只存在于某个单元子电池内，减小了某个单元子电池的缺陷对整个单元电池的电性能输出的影响，避免因任意一个内部区域出现缺陷造成短路或漏电进而造成整个单元电池的短路或漏电，影响整个弱光型薄膜太阳能电池的电性能输出的现象，提高了整个弱光型薄膜太阳能电池的输出电性能，提高了电池在弱光照条件下的光电转换率，提高了产品合格率；单元子电池面积越大，电性能输出的改善越明显，弱光照条件下的光电转换率提高越明显，合格率的提高越明显； 

3.单元电池中每个单元子电池的背电极被第二隔离沟道和第一隔离沟道（原来的相邻单元子电池的背电极隔离沟道）完全分隔，相邻单元子电池的背电极完全独立，在电池后部封装时，丝印上的环氧树脂等保护层将覆盖整个背电极和背电极隔离沟道，这样就相当于把每一个单元子电池都独立封装起来，提高了单元子电池的稳定性和耐候性；当薄膜太阳能电池背电极材料是导电碳浆时，因导电碳浆和硅基薄膜层的结合力相对较弱，而封装保护层材料（如环氧树脂）和硅基薄膜层的结合力相对较强，新设计增大了封装保护层材料和硅基薄膜层直接结合的面积，提高了单元子电池背电极同硅基薄膜层的附着力，同时把单元子电池的导电碳浆背电极完全密封，提高了单元子电池的结构稳定性和耐候性。

4. 前电极和背电极层上有纵横交错的隔离沟道，而光电转换层上只有用于敷设串联连接线的隔离沟道，增大了电池的有效面积。 

附图说明

图1：本实用新型的结构局部剖开示意图。 

图2：图1中A-A的剖面示意图。 

图3：图1中B-B的剖面示意图。 

图4：前电极层2的结构示意图。 

图5：光电转换层3的结构示意图。 

图6：背电极层4的结构示意图。 

图7：背漆保护层5的结构示意图。 

图8：实施例一的结构示意图。 

图9：实施例二的结构示意图。 

图中：1、透明基片，2、前电极层，3、光电转换层，4、背电极层，5、背漆保护层，6、可焊电极。 

具体实施方式

如附图所示，弱光型薄膜太阳能电池结构为：在透明基片1上依序层叠为前电极层2、光电转换层3、背电极层4和背漆保护层5，在背漆保护层5上有电极引出孔5a，在电极引出孔5a上有可焊电极6，在前电极层2有一条以上宽度为0.1mm~0.5mm的第一隔离沟道2a和第二隔离沟道2b，第一隔离沟道2a纵向贯穿电池，第二隔离沟道2b从负电极侧的单元电池2-2边缘开始，但不刻穿正电极侧的单元电池2-1。在光电转换层3有一条以上的宽度为0.1mm~0.5mm的第一隔离沟道3a，第一隔离沟道3a纵向贯穿电池，光电转换层3的纵向凸棱3c和横向凸棱3d填满前电极层2的第一隔离沟道2c和第二隔离沟道2d。在电池的背电极层4有一条以上宽度为0.1mm~0.5mm的第一隔离沟道4a和第二隔离沟道4b，第一隔离沟道4a贯穿纵向，第二隔离沟道4b不贯穿正电极侧第一单元电池4-1，从第二单元电池开始，直到负电极侧的单元电池4-2，但不贯穿单元电池4-2，背电极层4的凸棱4c填满光电转换层3的第一隔离沟道3a，背漆保护层5的纵向凸棱5c和横向凸棱填满背电极层4的第一隔离沟道4a和第二隔离沟道4b。 

实施例1： 

一种弱光型薄膜太阳能电池，结构依次为透明基片、前电极层（透明导电膜）、光电转换层、背电极层（可以是碳浆或银浆等导电浆料或金属导电膜）、背漆保护层及电极，其前电极层、光电转换层、背电极层通过隔离沟道进行相互垂直的横向和/或纵向的分区成多个单元子电池，纵向分区形成单元子电池内部的串联，横向分区形成单元子电池内部的并联，前电极层和背电极层进行横向和第一隔离沟道分区，光电转换层进行第一隔离沟道分区，并都由上一层材料的凸棱填满下一层的隔离沟道。

前电极层、光电转换层、背电极层的第一隔离沟道相互错开，前电极层和背电极层的第二隔离沟道位置中心重叠。第一隔离沟道贯穿整个电池纵向。 

前电极层第二隔离沟道一头贯穿，而正电极引出的一头不贯穿，其端点位置短于光电转换层的相对应位置最边缘第一条第一隔离沟道。 

背电极层第二隔离沟道一头从前电极相对应位置的最边缘第一条第一隔离沟道开始，而另一端负电极引出端不贯穿，其端点位置稍短于最边缘。 

生产外形尺寸为110mm×14.4mm单元节数为4节、节间距为26.9mm、的弱光型单结非晶硅太阳能电池。透明基片1为厚度1.1mm的超白玻璃，前电极层2为ITO，光电转换层3为单结非晶硅，背电极层4为碳浆，背漆保护层5为环氧树脂，可焊电极6为铜浆。 

制造方法及步骤如下： 

1. 在透明基片1磁控溅射沉积ITO前电极层2；

2. 前电极层2图形的制作：采用耐酸油墨掩膜化学刻蚀技术，把前电极层2刻蚀成具有三条宽度为0.3mm的第一隔离沟道2a和两条宽度为0.3mm第二隔离沟道2b的前电极图形，ITO小块间相互绝缘； 

    3. 沉积单结非晶硅-光电转换层3：将已腐蚀好前电极图形的衬底，经超声清洗烘干后，装入镀非晶硅膜的专用夹具，推入预热烘箱预热，达到工艺温度恒温1.5小时后，将夹具从预热烘箱内取出，推入非晶硅沉积系统反应真空室，采用等离子化学气相沉积（PECVD）的方法，在衬底上依次沉积P型非晶硅掺杂层、I本征非晶硅层和N型非晶硅掺杂层，制作出电池的非晶硅光电转换层3；

    4. 激光刻划非晶硅层-光电转换层3：采用端泵绿光激光器，在沉积好非晶硅的衬底玻璃基片上，在电池左边正极端相应位置、平行于每条ITO第一隔离沟道2a且向左间隔0.1mm的位置，刻除非晶硅-光电转换层3，形成四条宽度为0.12mm的电池内部相邻单元电池的前电极层2和背电极层4相互串联用的第一隔离沟道3a。

5. 碳浆背电极层4的制作：采用丝网印刷导电碳浆技术，在已刻蚀完串联第一隔离沟道3a的光电转换层3上，制作出电池背电极层4，在电池碳浆背电极层4上，平行于每条第一隔离沟道3a且向左间隔0.1mm的位置，各有一条宽度为0.3mm的第一隔离沟道4a，共四条；在和每条ITO第二隔离沟道2b完全重合的位置，各有一条宽度为0.3mm的碳浆第二隔离沟道4b，共两条；丝印好碳浆背电极层的基片，推入固化烘箱烘烤固化。 

6. 背漆保护层5的制作：采用丝网印刷技术，在已制作好碳浆背电极层4的衬底上丝印上绝缘、阻焊、耐湿、耐酸碱厚度为60μm的树脂保护层-背漆保护层5，推入固化烘箱烘烤固化。 

   7.字符制作：采用丝网印刷技术，在已丝印好背漆保护层5的衬底上的相应位置，丝印上公司商标、电池型号和正负电极标识等标示用字符，并固化。 

8.铜浆可焊电极6制作：采用丝网印刷技术，在已丝印好字符的衬底上电极引出孔5a的相应位置，丝印上铜浆可焊电极6，并推入烘箱烘干固化。 

   9.切割分粒：采用高精度程控玻璃切割机，按设计排版110mm×14.4mm阵列间距，把衬底上的成品电池切割成110mm×14.4mm的矩形电池。 

至此，外形尺寸为110mm×14.4mm的节间距为26.9mm的4单元节、背电极为碳浆的弱光型单结非晶硅太阳能电池制作完成。电性能、外观检测合格后入库。 

采用对比文件2（200980137203.2）的方法制造一批同本实施例一样的110mm×15mm节间距为26.9mm的4单元节太阳能电池，在荧光灯200Lux照度分别测试本实用新型专利产品和对比文件2的产品，对比分析结果见表1，本实用新型的产品合格率高达91.20%，平均工作电压为1.87V；而对比文件2的产品合格率仅为23.89%，平均工作电压只有1.35V，达不到合格标准。因此，对比文件2不适合生产弱光电池。 

表1.  110mm×14.4mm弱光电池荧光灯200Lux 

 

产品类型	样品数(Pcs)	合格数(Pcs)	合格率(Pcs)	平均开路电压(V)	平均短路电流(uA)	平均工作电压(V)	平均工作电流(uA)	模拟检测负载 (kΩ)	工作电压合格标准(V)
										本实用新型的产品	3888	3546	91.20%	2.33	66.1	1.87	53.4	35	≥1.5
对比文件2的产品	3888	929	23.89%	2.12	51.6	1.35	38.6	35	≥1.5

实施例2：

生产外形尺寸为130mm×28mm单元节数为6节、节间距为21.1mm的弱光型双结非晶硅太阳能电池。透明基板1为厚度1.1mm的超白玻璃，前电极层2为ITO，光电转换层3为双结非晶硅，背电极层4为铝膜，背漆保护层5为环氧树脂，可焊电极6为铜浆。

制造方法及步骤如下： 

1. 在透明基板1磁控溅射沉积ITO前电极层2；

2.前电极2图形制作：采用红外光激光器，把前电极层2刻蚀成具有五条宽度为0.07mm的第一隔离沟道2a和五条宽度为0.07mm第二隔离沟道2b的前电极图形，ITO小块间相互绝缘;

   2、沉积双结非晶硅层-光电转换层3：将已刻好前电极图形的衬底经超声清洗烘干后，装入镀非晶硅膜的专用夹具，推入预热烘箱预热，达到工艺温度恒温2小时后，将夹具从预热烘箱内取出，推入非晶硅沉积系统反应真空室，采用等离子化学气相沉积（PECVD）的方法，在衬底上依次沉积顶电池P型非晶硅掺杂层、顶电池I本征非晶硅层、顶电池N型非晶硅掺杂层、底电池P型非晶硅掺杂层、底电池I本征非晶硅层、底电池N型非晶硅掺杂层，形成“P-I-N- P-I-N”双结非晶硅薄膜结构，制作出电池的光电转换层3；  

   3、激光刻划非晶硅层-光电转换层3：采用波长为532nm的端泵绿光激光器，在沉积好非晶硅的衬底玻璃基片上，在电池左边正极端相应位置、平行于每条ITO第一隔离沟道2a且向左间隔0.2mm的位置，刻除非晶硅-光电转换层3，形成六条宽度为0.1mm的电池内部相邻单元电池的前电极层2和背电极层4相互串联用的第一隔离沟道3a。

   4、铝背电极的制作：采用PVD磁控溅射镀铝技术，在已刻蚀完串联的第一隔离沟道3a的光电转换层3上，镀上4000-6000埃的铝膜作为电池背电极；通过掩膜化学腐蚀铝膜的工艺，制作出电池背电极层4，在电池铝背电极层4上，平行于每条第一隔离沟道3a且向左间隔0.2mm的位置，各有一条宽度为0.3mm的第一隔离沟道4a，共六条；在和每条ITO第二隔离沟道2b中心重合的位置，各有一条宽度为0.3mm的铝背电极第二隔离沟道4b，共五条； 

5、背漆保护层5的制作：同实施例1；

    6、字符制作：同实施例1；

7、可焊铜浆电极制作：同实施例1；

8、切割分粒：采用高精度程控玻璃切割机，按设计排版130mm×28mm阵列间距，把衬底上的成品电池切割成130mm×28mm的矩形电池。

至此，外形尺寸为130mm×28mm、单元节数为6节、节间距为21.1mm、背电极为金属铝膜的弱光型双结非晶硅太阳能电池制作完成。电性能、外观检测合格后入库。 

Claims (9)

1.一种弱光型薄膜太阳能电池，包括在基板上顺序层叠的前电极层、光电转换层、背电极层和背漆保护层，其特征在于所述前电极层和背电极层均设有纵横交错的第一和第二隔离沟道，光电转换层上具有多条平行排列且敷设电池单元节串联连接线的刻划槽；前电极层和背电极层的端部分别有未刻除的导电膜，形成电池单元节的并联连接线。

2.根据权利要求1所述的弱光型薄膜太阳能电池，其特征在于太阳能电池由前电极层、光电转换层和背电极层的第一隔离沟道分成多个内部串联的电池单元节，每个电池单元节由前电极层和背电极层上的第二隔离沟道分成多个单元子电池，且每个电池单元节的光电转换层为完整的发电单元。

3.根据权利要求1所述的弱光型薄膜太阳能电池，其特征在于所述前电极层和背电极层的第一隔离沟道与光电转换层的刻划槽平行排列，且在平行于刻划槽的方向上分别贯穿前电极层和背电极层。

4.根据权利要求1所述的弱光型薄膜太阳能电池，其特征在于所述前电极层的第二隔离沟道未贯穿正电极引出端处的导电膜层，背电极层的第二隔离沟道未贯穿负电极引出端处的导电膜层，在电池两端形成电池单元节的并联连接线。

5.根据权利要求1或4所述的弱光型薄膜太阳能电池，其特征在于所述背电极层的第二隔离沟道位于前电极层的第二隔离沟道的正上方。

6.根据权利要求3所述的弱光型薄膜太阳能电池，其特征在于所述前电极层的第二隔离沟道未贯穿正电极引出端与电池边缘之间的距离大于光电转换层相应位置的刻划槽与电池边缘之间的距离。

7.根据权利要求5所述的弱光型薄膜太阳能电池，其特征在于所述前电极层和背电极层的第二隔离沟道与光电转换层的刻划槽垂直。

8.根据权利要求1所述的弱光型薄膜太阳能电池，其特征在于所述光电转换层是具有至少一个PN结的薄膜电池层。

9.根据权利要求8所述的弱光型薄膜太阳能电池，其特征在于所述薄膜电池层是同质或异质结。

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