壳体中的细长光伏电池制造技术

本发明专利技术提供了一种太阳电池单元，包括太阳电池以及环绕所述圆柱形太阳电池设置的透明壳体。该太阳电池包括衬底，其中所述衬底的至少一部分是刚性且非平面的。背电极环绕设置在所述衬底上。半导体结层环绕设置在所述背电极上。透明导电层环绕设置在所述半导体结上。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本申请涉及用于将太阳能转换为电能的太阳电池組件，具体涉及改进的 太阳电池组件。
技术介绍
太阳电池通常被制造为具有4-6 cm2量级或更大聚光表面积的分离物理撑衬底或面板上，使得其聚光表面提供类似于单一大聚光表面的聚光表面。 此外，因为每个电池自身仅产生少量电力，故通过将电池阵列以串联及/或并 联矩阵互连来实现所需的电压及/或电流。图1中示出了常规现有技术的太阳电池结构。因为不同层的厚度变化范 围较大，仅示意性地将其示出。此外，图1为高度示意性，由此其表示厚 膜太阳电池及薄膜太阳电池两者的特征。 一般而言，因为需要吸收器 层的厚膜来吸收足够量的光，故使用间接能带隙材料来吸收光的太阳电池通 常被设置作为厚膜太阳电池。因为仅需要直接能带隙材料的薄层来吸收足够量的光，故使用直接能带隙材料来吸收光的太阳电池通常被设置作为 薄膜太阳电池。在图1的顶部的箭头示出了电池上直接太阳照明源。层102是衬底。玻 璃或金属是普通衬底。在薄膜太阳电池中，衬底102可以是聚合物基材、金属或玻璃。在一些情况下，存在附涂衬底102的包裹层(未示出)。层104是 用于太阳电池的后方电端子。层106是半导体吸收器层。后方电端子104与吸收器层106欧姆接触。 在很多但并非全部情况下，吸收器层106是p型半导体。吸收器层106足够 厚以吸收光。层108是半导体结匹配器(junction partner),其与半导体吸收器 层106—起，完成形成p-n结。p-n结是可在太阳电池中常见类型的结。在p-n结基太阳电池中，当半导体吸收器层106是p型掺杂材料时，结匹配器108 就是n型掺杂材料。相反地，当半导体吸收器层106是n型掺杂材料时，结 匹配器108是p型掺杂材料。通常，结匹配器108比吸收器层106薄的多。 例如，在一些情况下，结匹配器108具有约0.05微米的厚度。结匹配器108 对太阳辐射高度透明。因为其使光向下穿过到达吸收器层106,故还公知结 匹配器108为窗层(window layer)。在常规厚膜太阳电池中，吸收器层106及窗层108可由相同半导体材料 制成，但具有不同载体类型(掺杂)及/或载体浓度，以使得两层具有不同的p 型及n型特性。在其中铜铟镓硒(CIGS)是吸收器层106的薄膜太阳电池中， 使用CdS来形成结匹配器108已经制成高效电池。可用于结匹配器108的其 它材料包括但不限于In2Se3 、 In2S3 、 ZnS 、 ZnSe 、 CdlnS 、 CdZnS 、 ZnIn2Se4、 ZrikMgxO、 CdS、 Sn02、 ZnO、 Zr02以及掺杂ZnO。层110是对电极，其完成整个电池。因为结匹配器108通常阻抗过大而难以被用于将电流从结引离，故对电极110用于此目的。因此，对电极110 应当导电性高并对光透明。对电极110实际上可以是在层108上印刷的金属梳状结构，而非形成独立的层。对电极110通常是透明导电氧化物(TCO)， 诸如掺杂氧化锌(例如，铝掺杂氧化锌、镓掺杂氧化锌、硼掺杂氧化锌)、铟 锡氧化物(ITO)、氧化锡(Sn02)、或者铟锌氧化物。但是，即使当存在TCO 层时，因为TCO的阻抗过大而难以在较大的太阳电池中有效地引离电流， 故在常规太阳电池中通常需要母线网络114来实现该功能。缩短了距离电荷 载体的网络114必须在TCO层内移动以到达金属端子，由此减小阻抗损耗。 金属母线(也被称为柵极线)可由任何合适的导电金属(例如银、钢或铝)制成。 在网络114的设计中，在导电性更高但会阻挡更多光线的厚柵极线与导电性 较差但阻挡更少光线的薄栅极线之间实现设计平衡。金属母线优选地被设置 为梳状设置以允许光线通过TCO层110。母线网络114与TCO层110—起 組合作为单冶金单元发挥作用，与第一欧姆端子有效地交互以形成集电电 路。在授权给Sverdmp等人的美国专利号6，548,751(通过引用将其完整结合 在本说明书中)中，组合银母线网络与铟锡氧化物层一起起单一透明ITO/Ag 层的作用。可选的增透涂层112允许大量额外的光进入电池。如图1所示，取决于 电池的用途，可将其直接沉积在顶部导体上。可替代地或额外地，可使增透 涂层112沉积在遮掩顶电极110的独立盖玻璃上。理想地，增透涂层在发生 光电吸收的光谱范围上将电池的反射减小至极为接近零，并且同时增大在其 它光谱范围中的反射以减少热量。授权给Aguilera等人的美国专利号 6，107，564(通过引用将其完整结合在本说明书中)描述了业内公知的典型的增 透涂层。太阳电池通常仅产生低电压。例如，硅基太阳电池产生约0.6伏特(V)的电压。因此，太阳电池串联或并联互连以实现更大电压。当串联连接时，在 电流保持相同的同时，各个电池的电压相加在一起。因此，相较于并联设置 的类似的太阳电池，串联设置的太阳电池减小了通过该电池的电流量，由此改进了效率。如图1所示，利用互连构件116来实现串联的太阳电池设置。 通常而言，互连构件116使一个太阳电池的第一电极与相邻的太阳电池的对 电极电连通。如上所述以及如图1所示，常规太阳电池通常为板状形式。尽管当其较 小时上述电池的效能较高，但因为难以使在较大平板太阳电池中形成结的半 导体膜均匀，故上述太阳电池的效能较低。此外，在较大的平板太阳电池 中，发生针孔以及类似瑕疯的几率增大。这些特征会导致结上的分流 (shunt)。现有技术中的太阳电池设计存在^f艮多问题。现将讨论现有技术太阳电池 设计以及各个设计中的 一 些缺陷。如图2A所示，授权给Asia等人的美国专利号6,762,359 B2公开了具有 p-型层12以及n-型层14的太阳电池210。第一电极32设置在太阳电池的一 侧。电极32与太阳电池210的n-型层14电接触。电极60位于太阳电池的相 反一侧。电极60与太阳电池的n-型层电接触。透光层200及202形成装置 210的一侧，而层62形成另 一侧。电极32与60被绝缘体40及50分离。在 一些情况下，太阳电池呈管状而非图2所示的球状。尽管装置210起作用， 但并不令人满意。电极60不得不穿透吸收器12以完成电接触。这导致吸收 器面积的静损耗，降低了太阳电池的效能。此外，相对于其它太阳电池设 计，这样的结难于制造。如图2B所示，授权给Mlavsky的美国专利号3,976,508公开了管状太阳 电池，其包括n型导电圆柱形硅管2，其外表面经过渗硼处理以形成p导电 型区域4及p-n结6。圆柱管的内表面设置有粘着金属导电膜8形式的第一 电极，其与管形成欧姆接触。如美国专利号2984775、 3046324及3005862中 所公开，膜8覆盖管的整个内表面并由具有相对较高导电性的选择金属或金 属合金(例如，金、镍、铝、或铜等)构成。外表面设置有栅格形式的第二电 极，其由多个周向延伸的导体10构成，上述导体10通过一个或更多纵向延 伸导体12互连。中空管的外表面的相对两端设置有两个周向延伸端子导体 14及16,其拉截纵向延伸导体12。周向延伸导体10与纵向延伸导体12间 隔开以使得管的外表面区域18暴露于太阳辐射。导体12、 14及16比周向延 伸导体10更宽，因为其要传输比任一后者更大的电流。这些导本文档来自技高网...

【技术保护点】
太阳电池单元，包括：　（Ａ）太阳电池，所述太阳电池包括：　衬底，其中所述衬底的至少一部分是刚性且非平面的；　环绕设置在所述衬底上的背电极；　环绕设置在所述背电极上的半导体结层；以及　环绕设置在所述半导体结上的透 明导电层；以及　（Ｂ）环绕设置在所述圆柱形太阳电池上的透明壳体。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2006-3-18 11/378,8471. 太阳电池单元，包括(A)太阳电池，所述太阳电池包括衬底，其中所述衬底的至少一部分是刚性且非平面的；环绕设置在所述衬底上的背电极；环绕设置在所述背电极上的半导体结层；以及环绕设置在所述半导体结上的透明导电层；以及(B)环绕设置在所述圆柱形太阳电池上的透明壳体。2. 根据权利要求1所述的太阳电池单元，其中，所述透明壳体由塑料或 玻璃制成。3. 根据权利要求1所述的太阳电池单元，其中，所述透明壳体包括铝硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、二色性玻璃、锗/半导体玻璃、玻璃陶瓷、硅酸盐 /熔融二氧化硅玻璃、钠钙玻璃、石英玻璃、硫属化物/硫化物玻璃、氟玻璃、火石Jf皮璃、或者cereated玻璃。4. 根据权利要求1所述的太阳电池单元，其中，所述透明壳体包括聚氨 脂聚合物、丙烯酸聚合物、含氟聚合物、硅、硅胶、环氧化物、聚酰胺、或 者聚蹄烃。5. 根据权利要求1所述的太阳电池单元，其中，所述透明壳体包括聚甲 基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、乙烯-醋酸乙烯(EVA)、全 氟烷氧基氟碳(PFA)、尼龙、交联聚乙烯(PEX)、聚丙烯(PP)、聚乙烯对苯二甲酸乙二醇(PETG)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氯乙烯(PVC)、或者聚偏氟乙蜂 (PVDF)。6. 根据权利要求1-5中任一项所述的太阳电池单元，其中，所述衬底包 括塑料或玻璃。7. 根据权利要求1-5中任一项所述的太阳电池单元，其中，所述衬底包 括金属或金属合金。8. 根据权利要求1-5中任一项所述的太阳电池单元，其中，所述衬底包 4舌钠钓3皮璃。9. 根据权利要求1-5中任一项所述的太阳电池单元，其中，所述衬底包 括铝硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、二色性玻璃、锗/半导体玻璃、玻璃陶究、 硅酸盐/熔融二氧化硅、石英玻璃、硫属化物/疏化物玻璃、氟玻璃、玻璃基 酚、火石玻璃、或者cereated玻璃。10. 根据权利要求1-5中任一项所述的太阳电池单元，其中，所述衬底呈 管状并且流体通过所述衬底。11. 根据权利要求IO所述的太阳电池单元，其中，所述流体是水、空 气、氮、或氦。12. ;f艮据权利要求1-11中任一项所述的太阳电池单元，其中，所述衬底 具有中空芯。13. 根据权利要求1-12中任一项所述的太阳电池单元，其中，所述背电 极由铝、钼、钩、钒、铑、铌、铬、钽、钛、钢、镍、辆、银、金、其合 金、或者其任意组合制成。14. 根据权利要求1-12中任一项所述的太阳电池单元，其中，所述背电极由铟锡氧化物、氮化钛、氧化锡、氟掺杂氧化锡、掺杂氧化锌、铝掺杂氧 化锌、镓掺杂氧化锌、硼掺杂氧化锌、铟-氧化锌、金属-碳黑填充氧化物、 石墨-碳黑填充氧化物、碳黑-碳黑填充氧化物、超导碳黑填充氧化物、环氧 化物、导电玻璃、或者导电塑料制成。15. 根据权利要求1-14中任一项所述的太阳电池单元，其中，所述半导 体结包括同质结、异质结、导质面结、掩埋同质结、p-i-n结、或者串联结。16. 根据权利要求1-15中任一项所述的太阳电池单元，其中，所述透明 导电层包括碳纳米管、氧化锡、氟掺杂氧化锡、铟锡氧化物(ITO)、掺杂氧化 锌、铝掺杂氧化锌、镓掺杂氧化锌、硼掺杂氧化锌、铟-氧化锌、或者其任意 組合。17. 根据权利要求1-14或16中任一项所述的太阳电池单元，其中，所述 半导体结包括吸收器层及结匹配层，其中所述结匹配层环绕设置在所述吸收 器层上。18. 根据权利要求17所述的太阳电池单元，其中，所述吸收器层是铜-铟-镓-硒，并且所述结匹配层是In2Se3、 In2S3、 ZnS 、 ZnSe 、 CdlnS 、 CdZnS、 ZnIn2Se4、 Zn,.xMgxO、 CdS、 Sn02、 ZnO、 Zr02或者掺杂ZnO。19. 根据权利要求17所述的太阳电池单元，其中，所述吸收器层的厚度 介于0.5 |im至2.0 jam之间。20. 根据权利要求17所述的太阳电池单元，其中，在所述吸收器层中 Cu/(In+Ga)的組成比率介于0.7至0.95之间。21. 根据权利要求17所述的太阳电池单元，其中，在所述吸收器层中 Cu/(In+Ga)的組成比率介于0.2至0.4之间。22. 根据权利要求17所述的太阳电池单元，其中，所述吸收器层包括具 有<110>定向结晶的CIGS。23. 根据权利要求17所述的太阳电池单元，其中，所述吸收器层包括具 有<112>定向结晶的CIGS。24. 根据权利要求17所述的太阳电池单元，其中，所述吸收器层包括随 机定向的CIGS。25. 根据权利要求1-24中任一项所述的太阳电池单元，其中，所述太阳 电池还包括环绕设置在所述半导体结上的本征层，并且其中所述透明导电层 设置在所述本征层上。26. 根据权利要求25所述的太阳电池单元，其中，所述本征层包括未掺杂的透明氧化物。27. 根据权利要求25所述的太阳电池单元，其中，所述本征层包括未掺 杂的氧化锌。28. 根据权利要求1-27中任一项所述的太阳电池单元，还包括环绕设置 在所述透明导电层上的填充体层，其中所述透明壳体环绕设置在所述填充体 层上，由此环绕地密封所述圓柱形太阳电池。29. 根据权利要求28所述的太阳电池单元，其中，所述填充体层包括乙 雄-醋酸乙烯(EVA)、硅、硅胶、环氧化物、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、 RTV 硅橡胶、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、热塑聚氨酯(TPU)、聚碳酸酯、丙烯酸、含 氟聚合物、或者聚氨脂。30. 根据权利要求28所述的太阳电池单元，其中，所述填充体层具有低 于1x106cP的粘性。31. 根据权利要求28所述的太阳电池单元，其中，所述填充体层具有大 于500x 10—6厂C的热膨胀系数。32. 根据权利要求28所述的太阳电池单元，其中，所述填充体层由与电 介质胶混合的硅油形成。33. 根据权利要求28所述的太阳电池单元，其中，所述硅油是聚二甲基硅氧烷聚合物液体，并且所述电介质胶是第一硅弹性体与第二硅弹性体的混 合物。34. 根据权利要求28所述的太阳电池单元，其中，所述填充体层由X% 重量的聚二甲基硅氧烷聚合物液体、YQ/o重量的第一硅弹性体、以及Z。/。重量 的第二硅弹性体形成，其中X、 Y及Z总和为IOO。35. 根据权利要求34所述的太阳电池单元，其中，所述聚二甲基硅氧烷聚合物液体具有(CH3)3SiO[SiO(CH3)2]nSi(CH3)3的化学式，其中n是被选择使得聚合物液体具有落入介于50厘斯托克与100,000厘斯托克之间的范围内的 平均体粘度的整数范围。36. 根据权利要求34所述的太阳电池单元，其中，所述第一硅弹性体包 括至少百分之六十重量的二甲基乙歸基端二甲基硅氧烷，以及百分之3至7 重量的硅酸盐。37. 根据权利要求34所述的太阳电池单元，其中，所述第二硅弹性体包 括(i)至少百分之六十重量的二甲基乙烯基端二曱基硅氧烷；(ii)百分之十至 三十重量的氢端二甲基硅氧烷；以及(iii)百分之3至7重量的三甲基硅。38. 根据权利要求34所述的太阳电池单元，其中，X介于30至90之 间；Y介于2至20之间；Z介于2至20之间。39. 根据权利要求1-38中任一项所述的太阳电池单元，还包括环绕设置在所述透明导电层上的阻水层，其中所述透明壳体环绕设置在所述阻水层 上，由此环绕地密封所述圓柱形太阳电池。40. 根据权利要求39所述的太阳电池单元，其中，所述阻水层包括纯净 硅、SiN、 SiOxNy、 SiOx或A1203 ，其中x及y是整数。41. 根据权利要求1所述的太阳电池单元，还包括 环绕设置在所述透明导电层上的阻水层；以及环绕设置在所述阻水层上的填充体层，其中，所述透明壳体环绕设置在 所述填充体层上，由此环绕地密封所述圆柱形太阳电池。42. 根据权利要求1所述的太阳电池单元，还包括 环绕设置在所述透明导电层上的填充体层；以及环绕设置在所述阻水层上的阻水层，其中，所述透明壳体环绕设置在所 述阻水层上，由此环绕地密封所述圆柱形太阳电池。43. 根据权利要求1-42中任一项所述的太阳电池单元，还包括环绕设置 在所述透明壳体上的增透涂层。44. 根据权利要求43所述的太阳电池单元，其中，所述增透涂层包括 MgF2、氮化硅、氮化钛、 一氧化硅、或者氮氧化硅。45. 根据权利要求1-44中任一项所述的太阳电池单元，其中，所述太阳 电池呈圆柱形并具有圆柱轴，并且其中，所述太阳电池还包括至少一个电扭_覆盖在所述透明导电层上。46. 根据权利要求45所述的太阳电池单元，其中，所述至少一个电极带 包括在所述透明导电层上间隔安置的多个电极带，由此所述多个电极带沿所 述太阳电池的所述圆柱轴彼此平行或大致平行行进。47. 根据权利要求46所述的太阳电池单元，其中，所述多个电极带中的 电极带在所述透明导电层的表面上等间隔安置。48. 根据权利要求46所述的太阳电池单元，其中，所述多个电极带中的 电极带在所述透明导电层的表面上非等间隔安置。49. 根据权利要求1-48中任一项所述的太阳电池单元，其中，所述衬底 具有20GPa或更大的杨氏模数。50. 根据权利要求1-48中任一项所述的太阳电池单元，其中，所述衬底 具有40GPa或更大的杨氏模数。51. 根据权利要求1-48中任一项所述的太阳电池单元，其中，所述衬底 具有70GPa或更大的杨氏模数。52. 根据权利要求1-48中任一项所述的太阳电池单元，其中，所述衬底 由线性材料制成。53. 根据权利要求1-48中任一项所述的太阳电池单元，其中，所述衬底的全部或 一 部分是刚性管或刚性实心棒。54. 根据权利要求1-48中任一项所述的太阳电池单元，其中，所述衬底 的全部或一部分的特征在于具有环形剖面、卵形剖面、三角形剖面、五角形 剖面、六角形剖面、具有至少一个弓形部分的剖面、或者具有至少一个弯曲 部分的剖面。55. 根据权利要求1-54中任一项所述的太阳电池单元，其中，所述衬底的第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：本雅明布勒，克里斯汀M葛罗内特，拉特逊莫拉德，马库斯E贝克，
申请(专利权)人：索林塔有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]