基于印刷的多结、多端光伏装置制造方法及图纸

公开了多结光伏装置以及制作多结光伏装置的方法。多结光伏装置包括：具有第一界面表面的第一光伏p‑n结结构；具有第二界面表面的第二光伏p‑n结结构；以及设置在该第一界面表面和该第二界面表面之间的可选界面层；其中，光伏p‑n结结构和可选层设置为堆叠的多层几何结构。在一种实施例中，该可选界面层包括硫属化物介电层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】对相关申请的交叉引用本申请要求对2014年1月16日提交的美国临时专利申请号61/928,364的权益，其以与本文一致的程度通过引用合并至本文。联邦资助研究或开发的相关声明不适用。
技术介绍
为了增加电池效率，大型研究活动力求实现已知光伏(PV)电池的效率极限，并详细论述半导体p-n结的材料和几何结构。在一个太阳照射下，单结(SJ)电池具有～33.4％的理论效率极限，这主要是由于对整个太阳光谱的低效使用。为了最优化SJ电池的效率，可以实施带光谱分裂可选元件的多个分离的SJ电池，以利用较多的太阳光谱，但在实践中，制造、对准和光照管理的复杂性阻碍了这种系统的使用。将多个结(即，子电池)合并为单块堆叠体的装置(称为多结(MJ)电池)沿着正交于电池的接收表面的路径以光谱方式将日光分裂进入具有不同带隙的子电池。目前的MJ电池提供约44％的绝对效率，但进一步提高需要解决以下挑战：实现复杂堆叠体的晶格匹配生长或变质外延生长，以及维持来自串联子电池中每个电池的电流匹配输出，因为整体电流由子电池中最小的电流决定。分开生长的SJ或MJ材料的机械堆叠展现出良好探索MJ装置的途径。该过程涉及物理晶片结合，随后通过例如蚀刻或抛光消除顶部和/或底部晶片。用于结合的一个选项使用直接、高温晶片熔合技术。然而，产生的导电界面保留了电流匹配的要求。维持该要求具有挑战性，这是因为，由于地球太阳光谱的变化，MJ装置中子电池的数目增加。替选的结合方法使用具有双面、多层抗反射涂层和多端连接的较厚、绝缘有机粘合剂。此时，绝缘体的存在消除了电流匹配的要求，但产生的MJ电池遭受界面反射、较差的热流特性，以及在较高辐照度集中度下通常不利的热机械界面应力。因此，这些结合策略目前均未提供用于制造电池或可行的多堆叠操作的现实手段。许多专利和出版物都公开了多结光伏装置，包括：美国专利申请公开号2014/0261628和2012/0115262，以及Lumb等人，“DevelopmentofInGaAssolarcellsfor>44％efficienttransfer-printedmulti-junctions”，PhotovoltaicSpecialistConference，(2014)。
技术实现思路
本专利技术提供具有多p-n结和对应端的装置，包括用于将太阳能转换为电力的多结、多端光伏装置。在一些实施例中，多结、多端装置通过印刷(诸如干式接触转移印刷)以堆叠构造与单结(1J)装置或另一多结装置结合，以促进从电磁光谱吸收较宽范围的波长，从而提高整体装置效率。在一些实施例中，在子电池之间设置非有机绝缘材料(诸如空气或无机绝缘体)，以消除电池之间电流匹配的需要。当非有机绝缘材料为较好的热导体时，可以减少热机械界面应力，从而提高MJ电池相对于通过有机粘合剂粘接的电池的机械稳定性。在一方面，多结光伏装置包括：第一光伏p-n结结构，特征在于厚度和侧向尺寸，该第一光伏p-n结结构具有第一界面表面；第二光伏p-n结结构，特征在于厚度和侧向尺寸，该第二光伏p-n结结构具有第二界面表面；以及设置在该第一界面表面和该第二界面表面之间的界面层，该界面层包括硫属化物介电层；其中，该第一光伏p-n结结构、界面层和第二光伏p-n结结构设置为堆叠的多层几何结构。在一种实施例中，多结光伏装置的特征在于，入射太阳辐射的转换效率大于或等于43％，或者大于或等于45％，或者大于或等于47％，或者大于或等于49％。在一种实施例中，第一光伏p-n结结构和/或第二光伏p-n结结构的侧向尺寸各自分别小于或等于3000微米，或者小于或等于1500微米，或者小于或等于800微米。例如，第一光伏p-n结结构、第二光伏p-n结结构或者它们二者的侧向尺寸分别选自800微米至3000微米的范围，或者800微米至1500微米的范围，或者800微米至1000微米的范围。第一界面表面和第二界面表面之间的界面层实现重要的物理性质、光学性质、热性质和/或电性质。例如，界面层可以包括：电绝缘层，其特征在于，电阻大于或等于100000Ωcm2；折射率匹配层，其特征在于，折射率在第一界面表面和第二界面表面处的折射率的30％以内；导热层，其特征在于，导热率大于或等于0.5W/m/K；可选透明层，其特征在于，对于具有波长选自800nm至1800nm的范围的光，透射率等于或大于90％；以及/或者静电稳定层，其特征在于，电击穿阈值电压等于或大于15V。可以使用溶胶凝胶工艺、旋涂工艺、喷涂工艺或它们的组合设置在第一界面表面和第二界面表面之间的界面层通常具有选自下述范围的厚度：50nm至5微米，或100nm至2微米、200nm至1微米、400nm至1微米，或500nm至1微米。在一种实施例中，界面层包括硒化物、硫化物或碲化物成分。在一种实施例中，界面层为硒化物，诸如硒化物玻璃。在特别实施例中，界面层包括As2Se3。在一种实施例中，第一光伏p-n结结构、第二光伏p-n结结构或者它们二者分别包括外延生长的多层结构。然而，第一光伏p-n结结构不外延生长在第二光伏p-n结结构的顶部，并且第二光伏p-n结结构不外延生长在第一光伏p-n结结构的顶部。第一光伏p-n结结构和第二光伏p-n结结构各自可以具有选自下述范围的厚度：1微米至250微米，或2微米至200微米，或3微米至150微米，或4微米至100微米，或5微米至75微米，或10微米至50微米。在一种实施例中，第一光伏p-n结结构包括1-4个p-n结，并且第二光伏p-n结结构包括1-3个p-n结，使得第一和第二光伏p-n结结构可以包括相同的p-n结数目或不包括相同的p-n结数目。在一种实施例中，第一光伏p-n结结构包括2个或更多个p-n结，可选地包括3个或更多个p-n结，并且第二光伏p-n结结构包括2个或更多个p-n结，可选地包括3个或更多个p-n结。第一光伏p-n结结构和第二光伏p-n结结构可以包括具有不同p-n结数量、不同成分、不同堆叠结构、不同物理性质、光学性质、热性质或电性质、不同厚度和/或不同侧向尺寸的不同多结结构。例如，第一光伏p-n结结构可以具有与第二光伏p-n结结构不同的成分。例如，第一光伏p-n结结构可以具有选自由下述组成的组中的成分：InGaP/GaAs/InGaAsNSb；AlGaAs；InGaAlP以及这些的组合，并且第二光伏p-n结结构可以具有选自由下述组成的组中的成分：扩散结Ge电池；InGaAs；InGaAsP；AlGaInAs以及这些的组合。在另一示例中，第一光伏p-n结结构和第二光伏p-n结结构吸收不同波长的电磁辐射。在一种实施例中，第一光伏p-n结结构吸收具有选自300nm至1250nm范围的波长的电磁辐射，并且第二光伏p-n结结构吸收具有选自850nm至1800nm范围的波长的电磁辐射。在一种实施例中，多结光伏装置还包括与第一光伏p-n结结构或第二光伏p-n结结构电接触的一个或多个额外电子部件。上述一个或多个额外电子部件可以选自由下述组成的组：电极、介电层或者这些的任意组合。在一种实施例中，多结光伏装置还包括设置在第一界面表面或第二界面表面的凹陷区域中的一个或多个电触点。在一种实施例中，多结光伏装置还包括与第一光伏p-n结结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多结光伏装置，包括：第一光伏p‑n结结构，特征在于厚度和侧向尺寸，所述第一光伏p‑n结结构具有第一界面表面；第二光伏p‑n结结构，特征在于厚度和侧向尺寸，所述第二光伏p‑n结结构具有第二界面表面；以及设置在所述第一界面表面和所述第二界面表面之间的界面层，所述界面层包括硫属化物介电层；其中，所述第一光伏p‑n结结构、所述界面层和所述第二光伏p‑n结结构设置为堆叠的多层几何结构。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.01.16 US 61/928,3641.一种多结光伏装置，包括：第一光伏p-n结结构，特征在于厚度和侧向尺寸，所述第一光伏p-n结结构具有第一界面表面；第二光伏p-n结结构，特征在于厚度和侧向尺寸，所述第二光伏p-n结结构具有第二界面表面；以及设置在所述第一界面表面和所述第二界面表面之间的界面层，所述界面层包括硫属化物介电层；其中，所述第一光伏p-n结结构、所述界面层和所述第二光伏p-n结结构设置为堆叠的多层几何结构。2.根据权利要求1的装置，其中，所述第一光伏p-n结结构的所述侧向尺寸和所述第二光伏p-n结结构的所述侧向尺寸各自分别小于或等于3000微米。3.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述第一光伏p-n结结构的所述侧向尺寸、所述第二光伏p-n结结构的所述侧向尺寸或者它们二者分别选自800微米至3000微米的范围。4.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述多结光伏装置的特征在于，入射太阳辐射的转换效率大于或等于43％。5.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述界面层是使用溶胶凝胶工艺、旋涂工艺、喷涂工艺或它们的组合设置的。6.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述界面层包括特征在于电阻大于或等于100,000Ωcm2的电绝缘层。7.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述界面层包括折射率匹配层，所述折射率匹配层的特征在于，折射率在所述第一界面表面和所述第二界面表面处的折射率的30％以内。8.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述界面层包括特征在于热导率大于或等于0.5W/m/K的导热层。9.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述界面层包括光学透明层，所述光学透明层的特征在于，对具有选自800nm至1800nm范围的波长的光而言，透光率等于或大于90％。10.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述界面层包括特征在于电击穿阈值电压等于或大于15V的静电稳定层。11.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述界面层具有选自50nm至5微米范围的厚度。12.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述界面层包括硒化物、硫化物或碲化物成分。13.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述界面层包括As2Se3。14.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述第一光伏p-n结结构、所述第二光伏p-n结结构或者它们二者分别包括外延生长的多层结构。15.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述第一光伏p-n结结构不是外延生长在所述第二光伏p-n结结构的顶部，并且所述第二光伏p-n结结构不是外延生长在所述第一光伏p-n结结构的顶部。16.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述第一光伏p-n结结构包括1-4个p-n结，并且所述第二光伏p-n结结构包括1-3个p-n结。17.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述第一光伏p-n结结构和所述第二光伏p-n结结构包括不同的多结结构。18.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述第一光伏p-n结结构具有与所述第二光伏p-n结结构不同的成分。19.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述第一光伏p-n结结构具有选自由下述组成的组中的成分：InGaP/GaAs/InGaAsNSb、AlGaAs、InGaAlP以及这些的组合。20.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述第二光伏p-n结结构具有选自由下述组成的组中的成分：扩散结Ge电池、InGaAs、InGaAsP、AlGaInAs以及这些的组合。21.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述第一光伏p-n结结构和所述第二光伏p-n结结构各自具有选自1微米至250微米范围的厚度。22.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述第一光伏p-n结结构和所述第二光伏p-n结结构吸收不同波长的电磁辐射。23.根据前述权利要求中任一项的装置，其中，所述第一光伏p-n结结构吸收具有选自300nm至1250nm范围的波长的电磁辐射，并且所述第二光伏p-n结结构吸收具有选自850nm至1800nm范围的波长的电磁辐射。24.根据前述权利要求中任一项的装置，还包括与所述第一光伏p-n结结构或所述第二光伏p-n结结构电接触的一个或多个额外电子部件，所述一个或多个额外电子部件选自由下述组成的组：电极、介电层或者这些的任意组合。25.根据前述权利要求中任一项的装置，还包括设置在所述第一界面表面或所述第二界面表面的凹陷区域中的一个或多个电触点。26.根据前述权利要求中任一项的装置，还包括与所述第一光伏p-n结结构或所述第二光伏p-n结结构光通信的一个或多个额外光学部件，所述一个或多个额外光学部件选自由下述组成的组：防反射涂层、集中器、滤光器、窗口或者这些的任意组合。27.根据前述权利要求中任一项的装置，还包括所述第一界面表面或所述第二界面表面上的一个或多个抗反射涂层。28.一种用于制作多结光伏装置的方法，所述方法包括下述步骤：设置第一光伏p-n结结构，所述第一光伏p-n结结构的特征在于厚度和侧向尺寸，所述第一光伏p-n结结构具有第一界面表面；设置第二光伏p-n结结构，所述第二光伏p-n结结构的特征在于厚度和侧向尺寸，所述第二光伏p-n结结构具有第二界面表面；在所述第一界面表面和所述第二界面表面之间设置界面层，所述界面层包括硫属化物介电层；以及使所述第一光伏p-n结结构的所述第一界面表面或者设置在其上的所述界面层与所述第二光伏p-n结结构的所述第二界面表面或者设置在其上的所述界面层接触，从而制作具有堆叠的多层几何结构的所述多结光伏装置。29.根据权利要求28的方法，其中，所述第一光伏p-n结结构的所述侧向尺寸和所述第二光伏p-n结结构的所述侧向尺寸各自分别小于或等于3000微米。30.根据权利要求28-29中任一项的方法，其中，所述第一光伏p-n结结构的所述侧向尺寸、所述第二光伏p-n结结构的所述侧向尺寸或者它们二者分别选自800微米至3000微米的范围。31.根据权利要求28-30中任一项的方法，其中，所述多结光伏装置的特征在于，入射太阳辐射的转换效率大于或等于43％。32.根据权利要求28-31中任一项的方法，其中，设置第一光伏p-n结结构的所述步骤包括：通过在母基底上的外延生长制造所述第一光伏p-n结结构，其中，所述第一光伏p-n结结构通过牺牲层连接至所述母基底；以及至少部分地移除所述牺牲层。33.根据权利要求28-32中任一项的方法，其中，所述接触步骤通过选自由下述组成的组中的组装技术执行：干式转移印刷、溶液印刷、取放式组装和静电转移。34.根据权利要求28-33中任一项的方法，其中，所述接触步骤还包括：使所述第一光伏p-n结结构的转移表面与共形转移装置的接触表面接触，其中，所述第一光伏p-n结结构附接至所述接触表面；以及使附接至所述接触表面的所述第一光伏p-n结结构与所述第二光伏p-n结结构接触。35.根据权利要求34的方法，还包括使所述第一光伏p-n结结构和所述共形转移装置分离，从而将所述第一光伏p-n结结构转移至所述第二光伏p-n结结构上。36.根据权利要求34-35中任一项的方法，还包括下述步骤：移动具有附接至所述接触表面的所述第一光伏p-n结结构的所述共形转移装置，从而将所述第一光伏p-n结结构从母基底释放；其中，所述释放包括将所述第一光伏p-n结结构连接至所述母晶片的一个或多个对准维持元件的破裂或脱离。37.根据权利要求36的方法，其中，在与所述共形转移装置的所述接触表面接触的过程中，所述第一光伏p-n结结构被设置在由所述一个或多个对准维持元件维持的选定方向上。38.根据权利要求34-37中任一项的方法，还包括：使第一组额外光伏p-n结结构的转移表面与共形转移装置的所述接触表面接触，其中，所述第一组额外光伏p-n结结构附接至所述接触表面；以及使附接至所述接触表面的所述额外光伏p-n结结构与第二组光伏p-n结结构接触；其中，并行执行所述第一组额外光伏p-n结结构的接触。39.根据权利要求34-38中任一项的方法，其中，所述共形转移装置包括弹性印模。40.根据权利要求34-39中任一项的方法，其中，所述共形转移装置具有选自0.2MPa至50MPa范围的杨氏模量。41.根据权利要求34-40中任一项的方法，其中，所述共形转移装置具有选自1×10-7Nm至1×10-5Nm范围的抗弯刚度。42.根据权利要求28-41中任一项的方法，其中，使用溶胶凝胶工艺、旋涂工艺、喷涂工艺或它们的组合设置所述界面层。43.根据权利要求28-42中任一项的方法，其中，所述界面层包括特征在于电阻大于或等于100,000Ωcm2的电绝缘层。44.根据权利要求28-43中任一项的方法，其中，所述界面层包括折射率匹配层，所述折射率匹配层的特征在于，折射率在所述第一界面表面和所述第二界面表面处的折射率的30％以内。45.根据权利要求28-44中任一项的方法，其中，所述界面层包括特征在于热导率大于或等于0.5W/m/K的导热层。46.根据权利要求28-45中任一项的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰·A·罗杰斯，沈星，克里斯托弗·A·鲍尔，马修·梅特尔，斯科特·伯勒斯，
申请(专利权)人：伊利诺斯州大学信托董事会，森普留斯公司，
类型：发明
国别省市：美国;US