CN202423306U - 高效能cis/cigs基串联光伏模块的结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高效能CIS/CIGS基串联光伏模块的结构，具体提供一种串联薄膜光伏模块，包括具有包含能带隙范围为1.0～1.2eV的p+型吸收体的第一PV结的底部器件，夹于第一透明电极和下部反射性电极之间。这种串联模块也包括机械耦合于所述底部器件的顶部器件。顶部器件是具有由透明导电性氧化物电极包夹的第二PV结的双面器件。所述第二PV结包括设计具有能带隙1.7～2.0eV的第二p+型吸收体。串联薄膜光伏模块构造为具有用于接收太阳辐射的顶部器件的覆板。所述串联薄膜光伏模块构造为在顶部器件将高能电磁辐射转化成电流，而在底部器件将低能电磁辐射转化成电流，综合转化效率为18％或更高。

Description

高效能CIS/CIGS基串联光伏模块的结构

相关申请的引用

本申请要求享有2010年8月23日提交的美国临时专利申请No.61/376,229的优先权，其共同受让并结合于本文中以便用于所有目的的参考。

技术领域

本实用新型总体上涉及薄膜光伏模块和制作方法。更具体而言，本实用新型提供用于制作高效能光伏模块的结构和方法。仅仅以举例的方式，本实用新型提供了大尺寸高效能的多结CIS/CIGS基薄膜光伏串联电池，例如，165cm×65cm或更高而综合转化效率为18％或更高。

背景技术

所取能量的形式如石化、水电、核能、风能、生物质、太阳能，以及更原始的形式如木材和煤。在过去的世纪，现代文明已经依赖于石化能作为作为重要的能源。石化能包括天然气(gas)和石油(oil)。石化产品的更重形式也能够在某些地方用于家用加热。不幸的是，石化燃料的供给是有限的并且基于地球上可用量基本上是固定的。另外，随着更多人使用石油产品，使用量增加，其将迅速变成稀缺资源。

更近来，能源的环境清洁和可再生能源已经成为所需。清洁能源的实例是水电能。水电能来自通过水坝产生的水流驱动的发电机。清洁的且可再生能源还包括风能、潮汐能、生物质能等。另一类型的清洁能源是太阳能。

一般地，太阳能技术将来自太阳的电磁辐射转化成其它有用形式的热能和电能。对于电能应用，经常使用太阳能电池。尽管太阳能是环境清洁的并且已经一定程度上是成功的，但是在其于世界范围内广泛使用之前还有许多限制仍待解决。作为一个实例，一种类型的太阳能电池使用晶体材料，这种材料源自半导体锭。这些晶体材料能够用于制作包括将电磁辐射转换成电能的光伏和光电二极管器件的光电器件。然而，晶体材料经常价格昂贵并难以大规模制造。另外，由晶体材料制成的器件通常具有低的能量转化效能。其它类型的太阳能电池使用“薄膜”技术而形成光敏材料的薄膜，用于将电磁辐射转化成电能。在制作太阳能电池中使用薄膜技术存在类似局限。另外，膜可靠性通常较差并且不能在传统环境应用中适用于超长时间。经常，薄膜难以机械地相互集成。

由以上可以看出，用于制作光伏材料和所得器件的改进技术仍是所需的。

实用新型内容

根据本实用新型的实施方式，提供了用于形成高效率光伏模块的结构和方法。在一个具体实施方式中，本实用新型提供了薄膜光伏模块。这种模块包括形成于具有长度约2英尺以及更大而宽度约5英尺以及更大的基底上的底部器件。这种底部器件包括形成而覆盖所述基底的第一电极材料和形成而覆盖所述金属材料的具有能带隙约1eV～1.2eV的第一光伏结。该底部器件进一步包含形成覆盖所述第一光伏结的第二电极材料。这种薄膜光伏模块另外包括形成于覆板(superstrate)之上的独立于该底部器件的顶部器件。这个顶部器件包括形成而位于所述覆板之下的第三电极材料以及形成而位于所述第三电极材料之下的能带隙约1.7eV～2.0eV的第二光伏结。这个顶部器件进一步包括形成而位于第二光伏结之下的第四电极材料。此外，该薄膜光伏模块包含设计用于将顶部器件层压至该底部器件而形成串联器件的耦合(coupling)材料。该串联器件将来自太阳光谱的电磁能量转化成电流，转化效率为18％以及更大。

该底部器件能够构造成低电流的串联器件而该顶部器件是以该覆板作为盖子的双面顶电流的串联器件。该串联器件在底部器件中转化太阳辐射中红外至红光光谱的低能光子，而在顶部器件两侧转化太阳辐射中UV至绿光光谱的高能光子。

在另一个具体实施方式中，本实用新型也提供了串联光伏模块。这种串联光伏模块包括独立地形成于与第一基底具有基本上相同长度和宽度的第二基底上的顶部器件。该顶部器件包括形成而覆盖该第二基底的第二透明电极材料和形成而覆盖该第二透明电极材料的能带隙约1.7eV～2.0eV的第二吸收体材料。这个顶部器件进一步包括形成而覆盖所述第二吸收体材料的第二发射体材料和形成而覆盖该第二发射体材料的第三透明电极材料。此外，串联光伏模块包括夹在顶部器件和底部器件之间的耦合材料和设置覆盖顶部器件的玻璃罩。该玻璃罩构造为面向太阳光辐照，该顶部器件构造为至少将第一部分太阳光谱转化成第一电流并传送第二部分太阳光谱，而该底部器件构造为将第二部分太阳光谱转化成第二电流，综合转化效率为18％以及更大。

在可替换的实施方式中，本实用新型提供了制作高效率薄膜光伏模块的方法。该方法包括提供具有长度约2英尺以及更大而宽度约5英尺以及更大的尺寸的第一基底和具有基本上相同尺寸和形状的第二基底。该方法进一步包括在所述第一基底上形成底部器件。该底部器件至少包含具有能带隙约1eV～1.2eV的第一薄膜光伏吸收体。该底部器件具有透明的上部电极和反射性的下部电极，并构造为吸收小于约2.2eV的电磁辐射能量。另外，该方法包括在第二基底上形成顶部器件。该顶部器件至少包含具有能带隙约1.7eV～2.0eV的第二薄膜光伏吸收体。该顶部器件具有双面特性，该第二薄膜光伏吸收体夹于两层透明电极层之间。该顶部器件构造为吸收大于约2.2eV的电磁辐射能量。此外，该方法包括利用顶部器件和底部器件之间的耦合材料将顶部器件层压至底部器件。另外，该方法包括用玻璃罩耦合顶部器件以便由顶部器件和底部器件形成串联器件，串联器件具有15％或更高的综合光伏效率。

许多益处通过本实用新型的方式能够实现。例如，本实用新型在机械地将顶部器件和底部器件耦合到一起而形成层压的薄膜光伏模块之前，采用去耦工艺而形成每一个顶部器件和底部器件。顶部器件和底部器件都具有可商购获得的起始基底材料而形成薄膜金属或半导体支撑材料并适合在特定化学环境中高温退火。用于顶部器件或底部器件的这种薄膜半导体支撑材料能够独立地进行加工而形成具有所需特性，如原子化学计量、杂质浓度、载体浓度、掺杂、能带隙以及其他特性的半导体膜材料。因此，每一器件的工艺过程能够更容易进行优化并且不太复杂。例如，顶部器件包括具有(支撑物)能带隙优选1.8eV～1.9eV范围的半导体光伏吸收体材料，而底部器件包含另一种具有能带隙优选1.0eV～1.2eV范围的半导体薄膜吸收体材料。另外，本实用新型的结构和方法使用至少部分地光学透明的耦合材料而将顶部器件粘合至底部器件以形成具有串联电池结构的模块。因此，当太阳光照射在顶部器件上时，部分太阳光谱中的光子被顶部器件吸收并转化成电流，而至少另一部分太阳光谱的光子也能够传输通过该耦合材料而被底部器件吸收并转化成电流。其它优点包括采用比其它薄膜光伏材料相对低毒的环境友好材料和用于调节改善的吸收体热处理并且随后保持合理的光学透明度的耐高温透明导电材料。根据这个实施方式，能够实现一个或更多个益处。这些和其它益处在整个说明书而尤其在以下内容中将会更加详细地描述。

仅以举例的方式，本实用新型方法和材料包括由二硫化铜铟物质、硫化铜锡、二硫化铁或其他物质制成的吸收体材料，用于单结电池或多结电池。

附图说明

图1是举例说明用于形成薄膜光伏模块的串联电池结构的示意图；

图2是举例说明用于薄膜光伏模块的串联电池结构的示意图；

图3是举例说明太阳光谱和被串联模块的顶部器件和底部器件捕获的对应谱带的图；

图4是透明导电性氧化物电极材料样品的示例性透光率的图；

图5是举例说明20cm×20cm顶部器件样品的记录效率的示例性IV特性图；

图6是举例说明20cm×20cm底部器件样品的记录效率的示例性IV特性图；

图7是举例说明面板尺寸165cm×65cm的层压样品模块的俯视图的示意图；以及

图8是举例说明面板尺寸165cm×65cm的模块的光伏电流效率生产分布的示意图。

具体实施方式

根据本实用新型的实施方式，提供了用于形成高效率光伏模块的结构和方法。更具体而言，本实用新型提供了具有165cm×65cm或更大尺寸的高效率CIS/CIGS基薄膜光伏面板和综合电流效率为18％或更高的多结串联电池。这种多结串联电池通过将至少顶部器件和底部器件进行耦合而制成，每一个器件包含由二硒化铜铟或二硫化铜铟或与镓混合的那些以及其它分别具有优化的化学计量和能带隙的材料制成的薄膜半导体吸收体材料。可以使用本实用新型的实施方式而包括含有硫化亚铁、硫化镉、硒化锌等，以及金属氧化物如氧化锌、氧化铁、氧化铜等的其它类型的半导体薄膜或多层。

图1是举例说明根据本实用新型用于形成具有串联电池的薄膜光伏模块的优选串联电池结构的示意图。这种串联电池结构包括下部电池10和上部电池20，其可操作地耦合于下部电池并经由层压材料相互机械地耦合。在一个具体实施方式中，术语下部和上部并不是意指限制性的。一般而言，上部电池，或顶部电池，比下部电池或底部电池更靠近电磁辐射源。上部电池接收电磁(或简单地就是太阳光)辐射，同时下部电池接收通过上部电池之后的太阳光部分光谱。另外，顶部电池是双面电池，其能够吸收从底部电池和相关表面反射的光。优选上部电池和下部电池独立地制作并随后相互耦合。在一个可替换的实施方式中，本实用新型提供了通过将在去耦工艺过程中形成的两个器件机械地耦合而制作光伏模块的方法，这种去耦工艺过程导致工艺步骤进一步简单化，并对于大规模制作的工艺优化便利，等。

在另一实施方式中，图1中的每一电池构造为在基底上形成所有的薄膜材料。这种电池结构基本上包括由两个电极材料包夹的光伏结。底部电池包括电极101和102之间的结1，同时顶部电池包括电极201和202之间的结2。在一个实施方式中，下部电极101能够由覆盖基底的反射性材料制成。在一个具体实施方式中，下部电极层能够是铝材料、金材料、银材料、钼，及其组合，等等。其它电极，102、201、202能够由光学透明或部分透明的材料制成。典型地，会使用透明导电性材料如透明导电性氧化物(TeO)。基底能够是光学透明实心材料，但是在一些实施方式中，也会使用非透明材料。例如，基底能够是玻璃、石英(quartz)、熔融氧化硅，或塑料，或金属，或箔，或半导体，或其它复合材料。在一个实施方式中，使用了低成本窗(钠钙(soda lime))玻璃。在另一实施方式中，图1中的顶部电池能够相关于玻璃覆板，所有薄膜材料都基于这种玻璃覆板上而形成。这种玻璃覆板，以其纯字面(plain)意义，即设置于模块顶部作为玻璃罩而面向太阳光或任何其它环境材料。一般而言，钢化玻璃适用于这种顶部器件的玻璃覆板。

在一个具体实施方式中，串联光伏模块包括四个端子T1至T4。可替换地，这种串联光伏模块也能够包括三个端子，其中之一共享最靠近上部电池和下部电池之间的界面区域的共有电极。在其它实施方式中，多结电池也能够包括其中的两个端子，这依据应用情况而定。当形成串联电池结构时，顶部电池的两个端子能够耦合于根据应用不同而是电性串联或并联的底部电池两端子。其它电池构造的实例提供于2009年7月30日提交的题为“Multi-junction Solar Module and Method for Current Matching Betweena Plurality of First Photovoltaic Devices and Second Photovoltaic Devices”的美国专利申请No.12/512,978中，共同受让并结合于本文中作为参考。

在一个具体实施方式中，覆盖底部电池中的下部电极层的结1包括薄膜半导体吸收体材料和覆盖该吸收体材料的发射体材料。在一个优选的实施方式中，这种薄膜半导体吸收体材料由二硒化铜铟或二硒化铜铟镓(CIGS)制成，但是能够是其它物质，例如Cu₂SnS₃、和FeS₂或其它金属元素，或铜铟镓硫硒化物(CIGSS)的材料，这要取决于实施方式。在一个具体实施方式中，这种吸收体材料按照合适的化学计量比率和某些特定掺杂水平而混合有几种元素材料，并适当地热处理以具有Eg＝1.0～1.2eV范围的所需能带隙。在一个具体实施方式中，发射体材料，也称之为窗口层，在吸收体层处理工艺过程之后形成而覆盖吸收体层。另外，电极102包括形成而覆盖窗口层的透明导电性氧化物层。在一个具体实施方式中，窗口层能够是硫化镉或其它合适的材料。在一个优选的实施方式中，下部电池的窗口层是n-型硫化镉而电极102是包含氧化锌或掺杂铝的氧化锌的透明导电性氧化物，但是也能够是其它材料。

在一个备选实施方式中，图1中的顶部电池相关于玻璃覆板，该玻璃覆板也起到作为用于串联电池模块的玻璃罩的作用。玻璃覆板一般采用钢化玻璃。基于该覆板，光伏结(结2)夹于两电极材料，电极202和201之间。在一个优选的实施方式中，这种结2包括薄膜半导体吸收体材料和覆盖该吸收体材料的发射体材料。发射体材料是耦合于位于覆板之下的电极202的n-型半导体材料。薄膜半导体吸收体材料覆盖电极201。在一个优选实施方式中，薄膜半导体吸收体材料是具有能带隙范围Eg＝1.7～2.0eV的p-型半导体层。在一个优选的实施方式中，能带隙为1.8eV至1.9eV。在一个具体实施方式中，上部p-型吸收体层选自CuInS₂、Cu(In，AI)S₂、Cu(In，Ga)S₂或其它合适的材料。吸收体层采用合适的技术制成，如描述于2008年6月5日提交的美国序列号No.61/059,253中的那些，该专利共同受让，并结合于本文中作为参考。

在一个具体实施方式中，电极201和电极202二者都由透明导电性氧化物(TCO)材料制成。在一个具体实施方式中，TCO层能够是这样的材料如In₂O₃:Sn(ITO)、ZnO:Al(AZO)、SnO₂:F(TFO)，但也能是其它材料。在另一具体实施方式中，电极201能够是处于与下部电池耦合最近位置的p+型透明导电层。在一个优选实施方式中，这种p+型透明导电层具有优异的电导率，特征在于薄层电阻(sheet resistance)小于等于约10欧姆/平方厘米。另外，p+型透明导电层也具有能够传输至少在波长范围约700～约630nm(红，红外)的电磁辐射并滤掉波长范围约490～约450nm(绿，蓝，UV)范围内的电磁辐射的所需透光率性质。例如，电极202使用了构造为耐温度至少高达600℃的TCO材料。

在一个优选的实施方式中，这种串联电池结构包括将上部电池粘合至下部电池的层压材料。这种层压材料首先是至少部分对太阳光透明并能够形成这两层材料之间强力粘合的光学耦合材料。其次，它应该是具有良好电绝缘性质的介电质。这种层压材料能够是乙烯醋酸乙烯酯，通常称之为EVA，聚醋酸乙烯酯，通常称之为PVA，等等。在一个具体实施方式中，这种层压材料在该串联电池结构中将电极102与电极201粘合。在一个可替换的实施方式中，电极201形成而覆盖中间玻璃基底，而这种层压材料将电极102粘合至该中间玻璃基底的下侧。

图2是举例说明根据本实用新型的实施方式用于薄膜光伏模块的串联电池结构的示意图。如所示，本实用新型提供了一种多结串联光伏模块200。该模块包括底部器件230和顶部器件220。底部器件230构建于玻璃基底1的顶部上。顶部器件220独立地构建于玻璃基底2的顶部而随后可操作地经由耦合于玻璃基底2的底面的耦合材料而机械地耦合至底部器件230。

在一个具体实施方式中，底部器件230采用了由选自，例如，透明玻璃、钠钙玻璃和其它光学透明基底或其它不透明基底的材料制成的玻璃基底1。这种玻璃材料也能够被其它如聚合物材料、金属材料或半导体材料或其任意组合的材料代替。另外，所述基底能够是刚性的、柔性的、或任何形状和/或形式，这要取决于实施方式。在一个或多个实施方式中，玻璃基底1能够具有5cm×5cm、20cm×20cm、或大至65cm×165cm、或更大的尺寸。

在一个具体实施方式中，底部器件230包括由形成电接触的导体材料制成的下部电极层217。其也具有作为覆盖玻璃基底1的反射性材料的光学性质。根据一个具体实施方式，下部电极层217能够是单种均一材料、复合材料，或分层结构。在一个具体实施方式中，下部电极层217由选自铝、银、金、钼、铜、其它金属，和/或导电性电介质膜等的材料制成。下部电极层将穿过该一个或多个电池的电磁辐射反射回该一个或多个电池，用于经由该一个或多个电池产生电流。

另外，如所示，底部器件230包括覆盖下部电极层217的下部吸收体层215。在一个具体实施方式中，吸收体层215由具有能带隙范围Eg＝1.0～1.2eV的薄膜半导体材料制成。在一个具体实施方式中，下部吸收体层215由选自Cu₂SnS₃、FeS₂和CuInSe₂的半导体材料制成。下部吸收体层215包含范围为约第一预定量至第二预定量的厚度，但是能够是其它的。根据该实施方式，底部器件230的光伏吸收体能够采用硒化铜铟(CIS)化合物材料、或硒化铜铟镓(CIGS)化合物材料、或硫硒化铜铟镓(CIGSS)化合物材料而形成。

在一个具体实施方式中，下部吸收体材料包括硒化铜铟(“CIS”)和硒化铜镓，化学式为CuIn_xGa_(1-x)Se₂，其中x的值能够由1(纯硒化铜铟)至0(纯硒化铜镓)变化。在一个具体实施方式中，CIS/CIGS/CIGSS基薄膜吸收体材料的特征在于能带隙范围以x为约1.0e V至约1.7e V而变化，但是可以是其它值，然而该能带隙优选为约1.0至约1.2eV。在一个具体实施方式中，CIS/CIGS/CIGSS结构能够包括描述于美国专利No.4,611,091和4,612,411中的那些，其结合于本文中作为参考，以及其它结构。

在一个具体实施方式中，底部器件230进一步包括覆盖下部吸收体层215的下部窗口层或发射体213，以及覆盖下部窗口层213的下部透明导电氧化物层211。在一个具体实施方式中，下部窗口层213由选自硫化镉、硫化镉锌、或其它合适材料的材料制成。在其它实施方式中，其它n-型化合物半导体材料包括，但不限于，n-型II-VI族化合物半导体如硒化锌、硒化镉，但是能够是其它材料。下部透明导体氧化物层211是氧化铟锡或其它合适材料，其至少部分地传输太阳光谱(穿过一个或多个顶部器件)进入下部吸收体材料215而在其中转化成电流。在一个优选的实施方式中，在下部透明导体氧化物层211之上，可施加光学耦合材料以耦合顶部器件220。在一个具体实施方式中，这种光学耦合材料能够是乙烯醋酸乙烯酯，通常称之为EVA，聚醋酸乙烯酯，通常称之为PVA，等等。

再参照图2，这种串联光伏模块200的顶部器件220经由其上独立地形成顶部器件的玻璃基底2而耦合于底部器件230。在一个优选实施方式中，玻璃基底2即所谓的具有一定厚度、下表面和上表面的中间玻璃。上表面用于形成顶部器件220而下表面经由光学耦合材料，如EVA等耦合于下部透明导电氧化物层211。在一个具体实施方式中，这种中间玻璃基底材料能够是低铁玻璃，具有几个毫米或更低的厚度。玻璃基底2能够具有5cm×5cm、20cm×20cm、或大至65cm×165cm、或更大的尺寸。

正如图2中所示，顶部器件220包括形成而覆盖玻璃基底2的透明导体(TC)层209。在一个具体实施方式中，这种透明导体层209能够具有采用选自ITO、AZO和TFO等的材料的p+型电特性。在一个优选的实施方式中，p+型透明导体层特征在于薄层电阻小于或等于约10欧姆/平方厘米，而对于主要太阳光谱的透光率为90％以及更大。在另一优选实施方式中，这种p+型透明导体层209特征在于传输至少波长范围约700～约630nm的电磁辐射而滤掉波长范围约490～约450nm的电磁辐射。在一个具体实施方式中，这种p+型透明导体层209包含ZnTe物质，包含ZnTe晶体材料或多晶材料。在一个或多个实施方式中，这种p+型透明导体层209掺杂有至少一种或多种选自Cu、Cr、Mg、O、Al或N，及其组合等等的物种。在一个优选实施方式中，这种p+型透明导体层209特征在于选择性地容许红光通过而滤掉具有波长范围约400nm～约450nm的蓝光。此外，在一个优选实施方式中，这种p+型透明导体层209特征在于能带隙范围为Eg＝1.7～2.0eV，或能带隙类似于覆盖这种p+型透明导体层209的上部吸收体层的能带隙。

在一个具体实施方式中，顶部器件220具有覆盖p+型透明导体层209的上部p-型吸收体层207。在一个优选的实施方式中，这种p-型吸收体层由具有能带隙范围Eg＝1.7～2.0eV的薄膜半导体材料制成，但是也可以是其它材料。在一个优选的实施方式中，能带隙为1.8eV～1.9eV。在一个具体实施方式中，这种上部p-型吸收体层能够选自CuInS₂、Cu(In，Al)S₂、Cu(In，Ga)S₂或其它合适金属复合材料。类似于形成下部吸收体层215，这种上部吸收体层207采用合适的技术独立加工处理，如描述于2008年6月5日提交的美国序列号No.61/059,253中的那些技术，其共同受让，而结合于本文中作为参考。

返回参照图2，顶部器件220进一步包括覆盖这种上部p-型吸收体层207的上部n-型窗口层205。在一个具体实施方式中，这种n-型窗口层是选自硫化镉(CdS)、硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、氧化锌(ZnO)、氧化锌镁(ZnMgO)等的发射体材料，并可以为了特性电导率掺杂杂质，例如，n+型。根据一个具体实施方式，顶部器件220也具有覆盖这种上部n-型窗口层的上部透明导电性氧化物层203。这种透明导电性氧化物(TCO)层203能够由氧化铟锡和其它合适材料制成。例如，TCO材料能够选自由In₂O₃:Sn(ITO)、ZnO:Al(AZO)、SnO₂:F(TFO)组成的组，也能够使其它材料。

在一个具体实施方式中，这种串联光伏模块还包括顶部玻璃以罩住顶部器件220的上部透明导电性氧化物层203。顶部玻璃为机械冲击和刚度提供了合适的支撑。顶部玻璃能够可选地对接收太阳光是透明的。在一个具体实施方式中，顶部玻璃经由耦合材料机械耦合于顶部器件220。在优选的实施方式中，耦合材料可以是EVA，但也可以是其它材料。

图3是举例说明根据本实用新型一个实施方式的太阳光谱和被多结串联模块的顶部器件和底部器件捕获的对应谱带的图。如所示，该图的半个顶部提供了被认为是由光伏模块利用而转化成电流的太阳光辐射强度的整个谱图的图。依据光子能量，该谱带范围为从低于1eV至高于3.5eV。然而，传统的单结光伏电池仅仅能够捕获有限范围约1.8eV～约2.7eV的中间部分光谱。这种限制部分地是由于光伏吸收体材料自身所致而部分地是由于电池设计缺陷所致。根据本实用新型的一个或多个实施方式，具有多结串联电池结构的模块300包括耦合于底部器件320的至少一个顶部器件310。

顶部器件310包括具有所需能带隙范围为约1.6～1.9eV或更宽并由具有类似能带隙和合适透光率和电导率的透明导体氧化物电极包夹的第一特定薄膜吸收体材料。该顶部器件310具有基于优选吸收太阳光谱的“蓝光”谱带301而同时滤掉太阳光谱的“红光”的谱带303的第一吸收体(+发射体)的第一光伏结。滤掉的红光谱带303绝大部分容许通过顶部器件310。另外，耦合的底部器件320构造为包括具有范围约0.7～1.2eV的所需能带隙的第二薄膜光伏吸收体，和覆盖该吸收体的透明窗口层以及覆盖该窗口层的透明电极层。底部器件320提供了基于第二吸收体和发射体的另一光伏结，以捕获红谱带光并转化成电流。每一器件，310或320，具有输出电流的两个端子。根据应用不同，该模块能够构造为具有4-端子的模块、或3-端子模块、或2-端子模块，用于增强模块的总转化效率。因此，具有根据本实用新型实施方式的串联电池结构的多结模块能够捕获更宽范围的光，并提供了用于形成具有基本上高转化效率的光伏模块的方法。

根据一个或多个实施方式，本实用新型提供了采用串联电池结构制作高效率薄膜光伏模块的方法。具体而言，两个或多个电池能够相互耦合并构造成捕获更宽范围的光谱以转化成电流。另外，这些实施方式包括独立地形成顶部器件和底部器件，以使每一器件具有能够更加容易优化而自身实现高转化效率的更简单工艺步骤。顶部器件或底部器件，除了一些材料选择和工艺条件之外，都具有基本上类似的工艺，而使制作设备和材料清单都能够简化而显著降低成本。关于以能带隙、原子化学计量、杂质浓度、载体浓度和掺杂等考虑要素形成顶部器件或底部器件的制作方法的更多细节在发明人Howard W.H.Lee共同转让于Stion Corporation的题为“Method and Structure for Thin Film Tandem Photovoltaic Cell”的美国专利申请No.12/562,086中找到，为了所有目的其全文结合于本文中作为参考。

在一个具体实施方式中，图2也举例说明了用于制作具有串联电池结构的高效率薄膜光伏模块的方法。该方法包括提供具有长度约2英尺以及更大×宽度约5英尺以及更大的尺寸的第一基底，以及具有基本上相同尺寸和形状的第二基底。另外，该方法包括在所述第一基底上形成底部器件。该底部器件包含具有能带隙约1eV～1.2eV的至少一个第一薄膜光伏吸收体。该第一薄膜光伏吸收体能够采用两步工艺方法通过按照预选定的化学计量溅射材料复合膜并在预选定的化学环境和从400～约600℃的编程温度曲线中热处理该膜而形成。该方法进一步包括形成覆盖所形成的第一吸收体的窗口发射体层和形成作为电池电接触的下部或上部电极材料。另外，该方法包括在所述第二基底上形成顶部器件。该顶部器件至少包含具有能带隙约1.7eV～1.9eV的第二薄膜光伏吸收体。该第二薄膜光伏吸收体，除了一些膜材料或掺杂材料被别的替代以便实现该串联电池所需的特征光学/电学性质之外，能够采用类似于第一吸收体的工艺方法形成。该方法进一步包括经由已经预选择以具有所需光学透明性质和电绝缘性质的耦合材料将该顶部器件层压于底部器件。另外，该方法包括用玻璃罩封盖顶部器件并在顶部器件和底部器件的周边和耦合界面某些区域加入密封材料。在一个具体实施方式中，第二基底是透明的并构造为容许照射到该玻璃罩上的至少部分太阳光传送通过耦合材料而至底部器件，并由第一薄膜光伏吸收体吸收。在一个具体的串联结构化光伏模块中，顶部器件构造为主要吸收绿或蓝或UV光谱中的高能光子而同时容许红或红外光谱通过，而底部器件构造为吸收红光或红外光谱而使较宽的太阳光谱用于转化成电流。顶部器件耦合至底部器件的串联结构化光伏模块能够具有18％或更高的综合光伏效率。

在另一个具体实施方式中，这种串联电池结构包括利用一个或多个类型的透明导体氧化物(TCO)材料用于为每一顶部器件和底部器件形成下部电极或上部电极。在TCO基电极的方面，光学透光特性是关注的一个要素。图4是根据本实用新型一个实施方式的透明导电性氧化物材料样品的示例性透光率图。如所示，TCO对于主要范围的太阳光具有90％的透光率而在波长1200nm处甚至具有约60％。在一个实施方式中，TCO能够选自由In₂O₃:Sn(ITO)、ZnO:Al(AZO)、SnO₂:F(TFO)组成的组中，也可使用其它材料。在一个具体实施方式中，TCO层经过图案化而最大化薄膜光伏器件的效率。电极层的厚度能够处于约100nm至2微米的范围，但也可是其它范围。在一个具体实施方式中，电极层根据一个具体实施方式优选特征在于电阻率小于约10欧姆/cm²。形成TCO层的方法能够使用许多技术，包括金属-有机化学气相沉积或化学浴沉积。采用这些方法形成的TCO层能够具有仅仅约6欧姆/cm²的薄层电阻。另外，在吸收体/发射体工艺之前制成至少一个TCO电极，如此形成的TCO电极应该是耐受高温的。在一个实施方式中，图1和图2中描述的顶部器件中使用的TCO电极能够耐受温度高达600℃，而不会导致其光学电学性质缺陷。当然，还能够存在其它变化、修改和替代。

图5是举例说明由根据本实用新型一个实施方式的20cm×20cm顶部器件样品测定的记录效率的示例性太阳能电池IV特性图。在该实施例中，顶部器件包含二硫化铜铟薄膜光伏电池。该电池电流密度对偏置电压作图。这种薄膜光伏电池和实验结果的进一步细节描述于2009年6月3日提交的共同受让的PCT申请No.：PCT/US09/46161中，而将其结合于本文中作为参考。该曲线与y轴相交，短路电流值为约34.5mA/cm²，并相较于零电流线，偏置电压约0.57V。具体而言，这种有关该器件的吸收体层厚度约1.5μm而能带隙约1.8eV。基于标准公式，电池转化效率η能够进行估算：

$\mathrm{\η}=\frac{J_{\mathrm{SC}}\·V_{\mathrm{OC}}\·\mathrm{FF}}{P_{\mathrm{in}}\left(\mathrm{AM}1.5\right)}$

其中J_SC是电池短路电流密度，V_OC是施加的开路偏置电压，FF就是所谓的填充因子，定义为最大功率点被开路电压(V_OC)和短路电流(J_SC)除的比率。该器件的填充因子为0.68。入射光通量密度(P_in，以W/m²计)在标准测试条件下[即，STC为指定温度为25℃并且空气质量1.5(AM1.5)谱时辐射为1000W/m²]和太阳能电池的表面积(以m²计)。因此，对于这种由根据本实用新型实施方式的方法制成的具体器件能够精确地估算效率为13.4％。

图6是举例说明根据本实用新型一个实施方式的20cm×20cm底部器件样品测定的记录效率的示例性IV特性图。在该图中，太阳能电池产生的电流和功率相对于根据本实用新型实施方式生产的底部器件的偏置电压作图。如所示，短路电流密度J_SC为约33.9mA/cm²而开路电压测定为0.55V。该器件的填充因子为约0.66。这就得到效率为约12.3％。在该实施例中，吸收体层通过二硒化铜铟镓材料形成并具有约1.05eV的能带隙。加工基于CIGS/CIGSS光伏吸收体材料的底部器件的其它改进已经导致该器件效率提高至约15％。当顶部器件耦合于底部器件而形成串联器件时，面向具有充足强度的全谱太阳光的顶部器件(尽管其构造为主要吸收UV至绿光范围的光而同时容许红光至红外范围的光通过)能够基本上按照上述全效率工作。但是底部器件仅仅能够接收穿过部分强度降低的光谱，因此，底部器件的有效效率贡献是该串联器件的较小部分，综合转化效率超过18％或更高。

在一个可替换的实施方式中，用于制作高效率光伏模块的方法包括层压包含在底部器件上方耦合的顶部器件的串联模块。图7是举例说明根据本实用新型一个实施方式的面板尺寸165cm×65cm的层压样品模块俯视图的示意图。如所示，层压模块从顶部通过顶部玻璃罩观看，能够看见多条电池线图案。模块具有的尺寸长度约165cm而宽度65cm。层压完全是顶部器件机械堆叠于下面底部器件上的全单片集成。因此，不需要传统1×1电池的紧线、跳格、丝网印刷、电池分选和组装或测试的工艺。电池线图案化已经在具体层(下部电极层、吸收体层、和上部电极层等)每一形成步骤期间完成。这就消除了传统型Si基模块在该模块组装期间所用的互联或点焊联接(joint)。该面板的尺寸和其它包装细节对于应用特定PV工程能够易于常规化。例如，在串联光伏面板上，顶部器件能够与底部器件电性串联耦合，以提供更高的电池电压水平，或它们电性并联耦合，以使通过底部器件转化的第一电流增加到由顶部器件转化的第二电流中。所有这些优点有助于实现比传统薄膜模块或多晶硅电池基模块显著更好的模块可靠性和薄膜串联模块生产变化的更窄分布。

图8是举例说明根据本实用新型一个实施方式的面板尺寸165cm×65cm的模块的光伏电流效率生产分布的示意图。如图8中所示，电流功率效率柱状图是为具有面板尺寸165cm×65cm的串联薄膜光伏模块生产进行绘图的。效率柱状图的窄生产分布表明，按照这些平板尺寸制作该薄膜模块的工艺方法一直恒定具有约90％的产率。工业标准设备适用于加工具有最低材料成本的顶部器件或底部器件(比传统的晶体硅基模块更低)，包括具有高可靠性的单片集成。该工艺方法已经证明是高度可适用于5cm×5cm、20cm×20cm、至65cm×165cm模块尺寸。对于每个(顶部或底部)器件的工艺方法相比于传统薄膜模块已经相当简化，部分地是由于对每一器件处理的四个主要层代替了8～10个层。作为一直逐步稳定改善的面板(平板)加工一致性以及进一步独立优化单个(顶部或底部)器件加工的其它方面，这种串联模块的面板电流功率效率按照已经构建的标准工艺方法将会如预期地改进(如虚线柱状图所示)。这种根据本实用新型一个或多个实施方式制成的多结串联薄膜光伏模块的能量转化效率在AM1.5G下预期超过15％以及甚至18％或更高。

尽管以上内容已经更具具体实施方式进行了举例说明，但是还能够具有其它修改、替代和变化。应该理解到，本文中描述的实施例和实施方式都是仅仅出于举例说明之目的而本领域的技术人员将会对其提出稍微的各种修改或变化而都包括在本实用新型的精神和权限和附加权利要求的范围内。

Claims (25)

1.一种薄膜光伏模块，包括：

底部器件，形成于具有长度5英尺以及更大而宽度2英尺以及更大的基底上，所述底部器件包含：形成而覆盖所述基底的第一电极材料；具有能带隙1eV至1.2eV的形成而覆盖所述金属材料的第一光伏结；以及形成而覆盖所述第一光伏结的第二电极材料；

顶部器件，其形成于覆板之上并独立于所述底部器件，所述顶部器件包含：形成而位于所述覆板之下的第三电极材料；具有能带隙1.7eV至2.0eV的形成而位于所述第三电极材料之下的第二光伏结；以及形成而位于所述第二光伏结之下的第四电极材料；以及耦合材料，其构造为将所述顶部器件层压于所述底部器件以形成串联器件；

其中，所述串联器件将来自太阳光谱的电磁能量转化成电流，且转化效率为18％以及更大。

2.根据权利要求1所述的薄膜光伏模块，其中，所述底部器件构造为低电流串联器件，而所述顶部器件为以所述覆板作为盖子的双面顶电流串联器件。

3.根据权利要求2所述的薄膜光伏模块，其中，所述串联器件构造为在所述底部器件中转化太阳辐射中的红外至红光光谱的低能光子，并从所述顶部器件的两侧转化太阳辐射中的UV至绿光光谱的高能光子。

4.根据权利要求1所述的薄膜光伏模块，其中，所述第一电极材料是铝材料、金材料、银材料、钼，或透明导体氧化物。 

5.根据权利要求1所述的薄膜光伏模块，其中，所述第二电极材料是透明导体氧化物材料，特征在于对于波长范围700nm至630nm的透光率为至少90％。

6.根据权利要求1所述的薄膜光伏模块，其中，所述第三电极材料是p-型透明导体氧化物材料，特征在于能带隙范围为1.7至2.0eV，在可见光谱中透光率为90％以及更大，而薄层电阻小于或等于10欧姆/平方厘米。

7.根据权利要求1所述的薄膜光伏模块，其中，所述第三电极材料是耐受温度至少达600℃的TCO材料。

8.根据权利要求1所述的薄膜光伏模块，其中，所述第四电极材料是p-型透明导体氧化物材料，特征在于能带隙范围为1.7至2.0eV，在红光带90％的透光率，而在蓝光带90％的反射率，并且薄层电阻小于或等于10欧姆/平方厘米。

9.根据权利要求1所述的薄膜光伏模块，其中，所述第四电极材料是p-型透明导体氧化物材料，特征在于能带隙范围为1.7至2.0eV，至少对于波长范围630-750nm的红光带90％的透光率，而至少波长范围450-500nm的蓝光带90％的反射率，并且薄层电阻小于或等于10欧姆/平方厘米。

10.根据权利要求1所述的薄膜光伏模块，其中，所述耦合材料是乙烯乙酸乙烯酯或聚乙酸乙烯酯。

11.根据权利要求1所述的薄膜光伏模块，其中，所述顶部器件和所述底部器件每一个都包含多个与所述覆板或基底的长度对齐的带状电池图案。

12.根据权利要求1所述的薄膜光伏模块，其中，所述覆板是钢化玻璃。 

13.一种串联光伏模块，包含：

底部器件，其形成于具有长度5英尺以及更大而宽度2英尺以及更大的第一基底之上，所述底部器件包含：形成而覆盖所述基底的金属材料；具有能带隙1eV至1.2eV的形成而覆盖所述金属材料的第一吸收体材料；形成而覆盖所述第一吸收体材料的第一发射体材料；以及形成而覆盖所述第一发射体材料的第一透明电极材料；

顶部器件，其独立地形成于与所述第一基底具有基本上相同长度和宽度的第二基底之上，所述顶部器件包含：形成而覆盖所述第二基底的第二透明电极材料；具有能带隙1.7eV至2.0eV的形成而覆盖所述第二透明电极材料的第二吸收体材料；形成而覆盖所述第二吸收体材料的第二发射体材料；以及形成而覆盖所述第二发射体材料的第三透明电极材料；

耦合材料，其夹在所述顶部器件和所述底部器件之间；以及

玻璃罩，设置覆盖所述顶部器件；

其中，所述玻璃罩构造为面向太阳光辐照，所述顶部器件构造为至少将第一部分太阳光谱转化成第一电流并传送第二部分太阳光谱，而所述底部器件构造为将第二部分太阳光谱转化成第二电流，综合转化效率为18％以及更大。

14.根据权利要求13所述的串联光伏模块，其中，所述第二基底是用于经由覆盖所述第一透明电极材料的所述耦合材料将所述顶部器件耦合于所述底部器件的中间玻璃。

15.根据权利要求13所述的串联光伏模块，其中，所述第一太阳光谱包括能量范围为2.2eV至3.2eV的高能光子，而所述第二部分太阳光谱包含能量范围为1.2eV至2.2eV的低能光子。 

16.根据权利要求13所述的串联光伏模块，其中，所述金属材料是铝材料、金材料、银材料、钼、或透明导体氧化物，用于以在可见光谱中的反射光性质形成电接触。

17.根据权利要求13所述的串联光伏模块，其中，所述第一透明电极材料是透明导体氧化物材料，特征在于至少对于波长范围750nm至630nm的透光率为90％，而薄层电阻小于或等于10欧姆/平方厘米。

18.根据权利要求13所述的串联光伏模块，其中，所述第二基底是具有厚度几个毫米或更低的低铁玻璃。

19.根据权利要求13所述的串联光伏模块，其中，所述第二透明电极材料是p-型透明导体氧化物材料，特征在于能带隙范围为1.7至2.0eV，在红光带90％的透光率，而在蓝光带90％的反射率，并且薄层电阻小于或等于10欧姆/平方厘米。

20.根据权利要求19所述的串联光伏模块，其中，所述红光带在波长范围630nm至750nm以及更大，而所述蓝光带在波长范围450nm至500nm以及更大。

21.根据权利要求13所述的串联光伏模块，其中，所述第二透明电极材料是耐受温度高达至少600℃的TCO材料。

22.根据权利要求13所述的串联光伏模块，其中，所述第三透明电极材料是p-型透明导体氧化物材料，特征在于能带隙范围为1.7至2.0eV，在可见光谱中透光率为90％以及更大，而薄层电阻小于或等于10欧姆/平方厘米。

23.根据权利要求13所述的串联光伏模块，其中，所述耦合材料是乙烯乙酸乙烯酯或聚乙酸乙烯酯。 

24.根据权利要求13所述的串联光伏模块，其中，所述顶部器件和所述底部器件每一个都包含多个与所述第一基底或所述第二基底的长度对齐的带状电池图案。

25.根据权利要求13所述的串联光伏模块，其中，所述玻璃罩是钢化玻璃。 

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