CN202307897U - 一种新型叠层薄膜太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型叠层薄膜太阳能电池，包含：集成若干个串联在一起的光电单元，每个光电单元由若干个由第一导电极、第一光电转换单元、第二光电转换单元、第二导电极、功能性薄膜组成的子电池串联的子光电转换单元并联组成，功能性薄膜根据需要可以选择透明导电极或者透明导电极与绝缘薄膜的组合。上下层子电池中，每个并联电路上串联的子电池数量由上下层光电转换单元的开路电压比值确定。通过划线在各薄膜层上设置绝缘沟道及导电沟道，从而实现上述电路连接。同时，在每一光电转换单元上方的导电极上设置绝缘沟道时，绝缘沟道需要穿透光电转换层。这样可以避免光伏死区形成，增加光电流输出。本实用新型最大程度地提高了叠层太阳能电池的转化效率，使叠层薄膜太阳能电池的优势更加突出。

Description

一种新型叠层薄膜太阳能电池

技术领域

本实用新型涉及一种新型叠层薄膜太阳能电池，尤其是一种叠层薄膜太阳能电池。 

背景技术

薄膜太阳能电池由于具有低成本及弱光效应等优点，在太阳能电池领域占有一席之地，在近些年来得到较快发展。由于单层薄膜太阳能电池由于材料及工艺本身的限制作用，其转化效率比较低，产业界开发了各种同型或者异型叠层薄膜太阳能电池，提高了光电转化效率。如非晶硅叠层、非晶硅/非晶锗硅叠层、非晶硅/微晶硅叠层，CIGS叠层等。这些叠层结构拓宽了光谱响应范围，提高了光吸收效率。然而，由于现有的叠层结构相当于上下子电池直接串联，由于子电流不匹配，使相当一部分的光电流变成了内耗，使叠层太阳能电池在转化效率上的提高受到极大限制。虽然在生产工艺上，通常都会注意控制各子电流的厚度来解决匹配问题，但始终达不到理想要求。 

专利号为200720172723.5的《一种叠层太阳能电池》公开了一种试图解决如图1所示的这种问题的技术方案，通过在两个叠层光电转换子电池中间加一层透明导电极，通过刻线与镀膜相结合，使上下两层太阳能子电池形成并联结构，然后各并联结构再串联，从而解决子电流不匹配的问题。然而，这种方案解决了电流的匹配问题，却产生了电压的匹配问题，如果叠层太阳能电池上下两个子电池材质不同，其电压也不相同，这种并联结构必然导致因电压的不匹配损失部分功率。达不到提高输出功率的效果。另外，由于在划线时部分光电转换层单元形成死区，由于半导体薄膜横向内阻远大于竖向内阻，造成此部分死区光电转换单元不但对输出功率没有贡献，而且由于其内阻作用，反而消耗掉部分光生电流，造成输出功率下降。 

发明内容

发明目的：本实用新型的目的在于解决各种叠层薄膜太阳能电池的电压和电流匹配问题，以最大限度降低光生电流的内耗，提高输出功率从而提高太阳能电池的转化效率。 

技术方案：将叠层太阳能电池的上层和下层分别做成若干光电子单元，每个子单元由若干子太阳能电池串联，上下层中，子太阳能电池的个数之比由其开路电压的最小比值确定。然后每个上层子单元与一个下层子单元并联成一个大的光电单元，再将各个光电单元通过透明电极联接起来组成输出电路。由于这种联接方式确保了并联电路电压相同，串联电路电流相同，确保光生电流没有因为电流和电压不匹配产生的内耗，因此增大了输出功率，提高了太阳能电池的转化效率。 

X_上∶Y_下＝V_oc下∶V_oc上           (1) 

具体方案如下： 

在底层绝缘衬底，第一导电极、第一光电转换单元与第二光电转换单元、第二导电极之间增设功能性膜层，使第一光电转换单元和第二光电转换单元分离开来，不直接串联； 

在各层薄膜上设置导电沟道和绝缘沟道，使各子电池单元形成串联电路电流相同，并联电路电压相同的集成光电单元。 

当第一、第二光电转换单元开路电压相同时，功能性薄膜是第三透明导电极薄膜； 

在各导电极与光电转换单元上设置的导电沟道与绝缘沟道的宽度小于0.1mm，之间的距离在0.1mm-0.3mm之间。 

在第一光电转换单元之后的第三透明导电极层和第二光电转换单元之后的第二导电极上设置绝缘沟道时，绝缘沟道需要穿透光电转换单元，避免形成光伏死区。 

当第一、第二光电转换单元开路电压不相同时，功能性膜层由第三透明导电极、中间绝缘层、第四透明导电极组成； 

在各层薄膜上设置导电沟道或者绝缘沟道，使各子电池单元形成串联电路电压相同、并联电路电流相同的集成电路。 

在各导电极与光电转换单元上设置的导电沟道与绝缘沟道的宽度小于0.1mm，之间的距离在0.1mm-0.3mm之间。 

在第一光电转换单元之后的第三透明导电极层和第二光电转换单元之后的第二导电极上设置绝缘沟道时，绝缘沟道需要穿透光电转换单元，避免形成光伏死区。 

方案所述光电转换单元可以为非晶硅薄膜、非晶碳硅薄膜、非晶锗硅薄膜、单晶硅薄膜、多晶硅薄膜、微晶硅薄膜、纳米硅薄膜、CIS、CIGS、CdTe、非晶HgCdTe等薄膜光电转换单元中的任意一种或者几种。 

方案所述导电极、透明导电极皆可以由AZO、ITO、FTO中的一种或者几种组成，以形成可双面吸光、透光性良好的薄膜太阳能电池。 

方案所述绝缘层可以是SiO₂膜层，也可以是SiN₄膜层，也可以是由这两种薄膜组成的复合膜层或者其它符合功能要求的薄膜材料。 

作为一个优选方案，所述光电转换单元由一个非晶硅PIN结和一个微晶硅NIP结组成。其上下层子电池个数由其开路电压比值确定。 

作为另一个优选方案，所述光电转换单元由一个非晶硅PIN结和一个非晶锗硅NIP结组成，其上下层子电池个数由其开路电压比值确定。 

作为另一个优选方案，所述光电转换单元由一个非晶硅PIN结和一个非晶碳硅NIP结组成，其上下单元内子电池个数由其开路电压比值确定。 

作为另一个优选方案，所述光电转换单元由一个非晶硅PIN和一个非晶硅NIP结组成，由于此时上下光电转换单元开路电压相同，上下光电转换单元可直接并联，上下层之间可以由一个光电透明导电极通过如下图刻线结构解决上述技术问题。同时，作为该特例中的光电转换单元，其上下层可以同时为带隙结构相同的碲化镉PN结或者CIGS电池PN结。 

同时，其上下层光电转换单元也可以是上述各光电转换单元的组合，具体电路结构由上下层开路电压之比确定。 

有益成果 

本实用新型通过在叠层太阳能电池第一、第二转换单元之间增设功能性薄膜层，利用公式1进行计算，确定上下层中串联的子电池个数。然后利用激光划线，在上下层间设置导电沟道及绝缘沟道，使上下层中一定数量的子电池先串联成相同电压，然后再并联成一个较大的光电转换单元，同时使这种较大的子电池单元组合相串联。这样避免了光电损失，可以增大输出功率，从而提高太阳能电池的转化效率。 

同时，在对光电转换单元的上层透明导电极进行刻线时，将光电转换单元也一并刻透，这样避免了形成光伏死区消耗光生电流，进一步提高了太阳能电池的转化效率。 

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做更进一步的具体说明，本实用新型的上述和/或其它方面的优点将会变得更加清楚 

附图1为叠层太阳能电池两种等效电路 

附图2为上下层开路电压相同时的电路连接 

附图3为上下层开路电压不相同时的电路连接 

附图4为光电转换单元为PIN结构，上下层开路电压比为1/2的叠层太阳能电池 

具体实施方式

将叠层太阳能电池的上层和下层分别做成若干光电子单元，每个子单元内由若干子太阳能电池串联，上下层子单元内子太阳能电池的个数之比由其开路电压的最小比值确定。然后每个上层子单元与一个下层子单元并联成一个大的光电单元，再将各个光电单元通过透明电极联接起来组成输出电路。由于这种联接方式确保了并联电路电压相同，串联电路电流相同，确保光生电流没有因为电流和电压不匹配产生的内耗，因此增大了输出功率，提高了太阳能电池的转化效率。 

X_上∶Y_下＝V_oc下∶V_oc上        (1) 

其等效电路图如图1所示，图a为上下开路电压相同时的等效电路，图b为开路电压比值为2∶1时的等效电路。当开路电压比值为其它数值时，1和2的数量可以根据开路电压的比值数量确定。 

实现这个技术方案的具体方法是在叠层太阳能电池两个光电转换单元间增加两层透明导电极和一层绝缘膜层，形成底层绝缘衬底、第一导电极、第一光电转换单元、第三透明导电极、中间绝缘膜层、第四透明导电极、第二光电转换单元、第二导电极结构，通过对各层进行激光刻线设置导电沟道和绝缘沟道来确保形成如技术方案所述的电路结构。开路电压为1∶1时可以视为特例，在第一、第二光电转换单元间只需要增加第三透明导电极， 

当所述光电转换单元由一个非晶硅/微晶硅PIN和一个非晶硅/微晶硅NIP结组成，由于此时上下光电转换单元开路电压相同，上下光电转换单元可直接并联，上下层之间可以由一个光电透明导电极通过如下图刻线结构解决上述技术问题。同时，作为该特例中的光电转换单元，其上下层可以同时为带隙结构相同的碲化镉PN结或者CIGS电池PN结 

如下图2所示，为上下层开路电压相同时的薄膜太阳能电池结构图，衬底8上设一层透明导电极7，在透明导电极7层设绝缘沟道701，沟道宽度小于0.1mm。在7层上方设光电转换单元6，其中光电转换单元的最下层将同时充满绝缘沟道701。在光电转换单元6上设导电沟道601，沟道宽度小于0.1mm，在6上方设置透明导电极5，同时透明导电极将充满沟道601。在5层设绝缘沟道501，沟道宽度小于0.1mm，在5上面设置开路电压与6相同的光电转换单元4，同时在4层设导电沟道401，沟道宽度小于0.1mm。在4上设透明导电极3，同时透明导电极充满沟道401，在透明导电极3上设绝缘沟道301，沟道宽度小于0.1mm，此绝缘沟道同时穿透光电转换层4。 

此外，若衬底为受光面，在透明导电极3上需设一层结构与3相同的金属电极。若衬底不是受光面，则在透明导电极7下方设一层结构与7相同的金属导电极或者直接以结构与7相同的金属导电极代替7。 

当上下层开路电压不相同时，薄膜太阳能电池结构如图3所示，在衬底8上设透明导电极9，同时在9层设绝缘沟道901，沟道宽度小于0.1mm。在9层上设下层光电转换单元10，同时使光电转换薄膜充满901，在10层设导电沟道1001，沟道宽度小于0.1mm。在10层上方设透明导电极11，同时设绝缘沟道1101，此绝缘沟道贯穿光电转换单元10，沟道宽度小于0.1mm。然后在11上设绝缘膜层12，同时设导电沟道1201，沟道宽度小于0.1mm。使绝缘膜充满沟道1101。在12上设透明导电极13，同时设绝缘沟道1301，沟道宽度小于0.1mm，同时在导电沟道1201内充满透明导电薄膜。在13上设光电转换单元14，同时设导电沟道1401，沟道宽度小于0.1mm，同时在1301内充满光电转换薄膜。在14上设透明导电层15，同时设绝缘沟道1501，沟道宽度小于0.1mm，绝缘沟道贯穿光电转换单元14。 

此外，若衬底为受光面，在透明导电极3上需设一层结构与3相同的金属电极。若衬底不是受光面，则在透明导电极7下方设一层结构与7相同的金属导电极或者直接以结构与7相同的金属导电极代替7。 

实施例一：本实施例公开了一种具体结构为上层为PIN，下层为NIP的微晶硅叠层太阳能电池，首先在超白玻璃衬底上设一层透明ITO，以激光刻线方式在ITO间设宽度为0.05mm的绝缘沟道。在ITO上依次设微晶硅P、I、N层，同时使P层微晶硅充满绝缘沟道。以激光刻线方式在NIP结上设导电沟道，绝缘沟道与导电沟道的间距为0.1mm，导电沟道宽度为0.05mm。在NIP微晶硅结上再设一层ITO，同时使导电极材料充满导电沟道，依激光划线方式在ITO上设绝缘沟道，绝缘沟道与导电沟道的间距为0.1mm，导电沟道宽度为0.05mm。在ITO上依次设N、I、P层，形成PIN结，同时使N层材料充满绝缘沟道，以激光划线方式在PIN结间设导电沟道，导电沟道与绝缘沟道的间距为0.1mm，导电沟道宽度为0.05mm。在PIN结上设ITO与铝金属复合导电层，并以激光划线方式在复合导电极间设置绝缘沟道，绝缘沟道与下层导电沟道的间距为0.1mm，绝缘沟道宽度为0.05mm，绝缘沟道穿透光电转换PIN层。 

实施例二：本实施例公开了一种具体结构为上层为非晶碳硅PIN结、下层为微晶硅PIN结的叠层薄膜结构，上下开路电压比值为2∶1的叠层太阳能电池结构，如附图四所示。在超白玻璃衬底8上设透明导电极16，以划线方式在导电极间设绝缘沟道1601，绝缘沟道宽度为0.02mm.在透明导电极薄膜上依次设P、I、N膜层17、18、19，同时使P层薄膜填充绝缘沟道。以划线方式在NIP微晶硅薄膜间设导电沟道1901，导电沟道与绝缘沟道间间隔为0.05mm，导电沟道宽度为0.02mm。然后在NIP层上设置透明导电极20，以划线方式在透明导电极间设置绝缘沟道2001，绝缘沟道与导电沟道间距离为0.05mm，绝缘沟道宽度为0.02mm，同时绝缘沟道穿透NIP层。在透明导电极上设SiO₂绝缘膜层21，同时以划线方式设导电沟道2101，导电沟道与绝缘沟道间间隔为0.05mm，导电沟道宽度为0.02mm。同时绝缘膜层充满2001。在绝缘膜层上设透明导电极层22，使透明导电极填充2101导电沟道，同时以划线方式设绝缘沟道2201，绝缘沟道与导电沟道间距离为0.05mm，绝缘沟道宽度为0.02mm。然后在透明导电极层22上设N、I、P非晶碳硅层23、24、25，同时使N层薄膜填充绝缘沟道。以划线方式在PIN非晶碳硅薄膜间设导电沟道2501，导电沟道与绝缘沟道间间隔为0.05mm，导电沟道宽度为0.02mm。在P层上设ITO与铝金属复合导电层26，并以激光划线方式在复合导电极间设置绝缘沟道2601，绝缘沟道与下层导电沟道的间距为0.1mm，绝缘沟道宽度为0.05mm，绝缘沟道穿透光电转换PIN层。 

本实用新型提供了一种新型叠层薄膜太阳能电池结构的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。 

Claims (7)

1.一种新型叠层薄膜太阳能电池，包括底层绝缘衬底，第一导电极、第一光电转换单元、第二光电转换单元，第二导电极，其特征在于，

在叠层光电转换单元之间增设功能性膜层，使第一光电转换单元和第二光电转换单元分离开来，不直接串联；

在各层薄膜上设置导电沟道和绝缘沟道，使第一、第二光电转换单元形成串联电路电流相同，并联电路电压相同的集成光电单元。

所述各层使用的导电极皆设为透明导电极，以形成透光性良好，可双面受光的结构。

2.如权利要求1所述的一种新型叠层薄膜太阳能电池，当第一、第二光电转换单元开路电压相同时，其特征在于，电池组成部分如下

底层绝缘衬底，第一导电极，第一光电转换单元、第三透明导电极、第二光电转换单元，第二导电极，其中第三透明导电极是用来分开第一、第二光电转换单元的功能性膜层；

在各层薄膜上设置导电沟道或者绝缘沟道，使上下层各个子电池并联形成输出电流相同的子电池单元，各子电池单元串联形成输出电路。

3.如权利要求2所述的一种新型叠层薄膜太阳能电池，其特征在于导电沟道与绝缘沟道的宽度小于0.1mm，之间的距离在0.1mm-0.3mm之间。

4.如权利要求2所述的一种新型叠层薄膜太阳能电池，其特征在于在光电转换单元之后的导电极层设置穿透光电转换单元的绝缘沟道，避免形成光伏死区。

5.如权利要求1所述的一种新型叠层薄膜太阳能电池，当第一、第二光电转换单元开路电压不相同时，其特征在于，电池组成部分如下

底层绝缘衬底，第一导电极，第一光电转换单元，第三透明导电极、中间绝缘层、第四透明导电极、第二光电转换单元、第二导电极，其中第三透明导电极、中间绝缘层、第四透明导电极是用来分开第一光电转换单元和第二光电转换单元的功能性膜层；

在各层薄膜上设置导电沟道或者绝缘沟道，使各层形成串联电路电压相同、并联电路电流相同的集成电路。

6.如权利要求5所述的一种新型叠层薄膜太阳能电池，其特征在于，导电沟道与绝缘沟道的宽度小于0.1mm，之间的距离在0.1mm-0.3mm之间。

7.如权利要求5所述的一种新型叠层薄膜太阳能电池，其特征在于在光电转换单元之后的导电极层设置穿透光电转换单元的绝缘沟道，避免形成光伏死区。 

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