CN203218290U - 薄膜太阳能电池板 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种薄膜太阳能电池板及其制备方法。所述薄膜太阳能电池板包括衬底、位于所述衬底上的第一电极、位于所述第一电极上的光电转换层、位于所述光电转换层上的第二电极和设置于所述第二电极上的栅电极，所述衬底为超薄玻璃衬底，所述超薄玻璃衬底的厚度为0.1-1mm，所述超薄玻璃衬底具有可弯曲性，其最小弯曲半径可达10cm以下，所述第一电极在形成过程中连续设置在所述衬底上。本实用新型提高了薄膜太阳能电池板的透光性，并使得其可方便的用于制作弯曲的太阳能电池组件。

Description

薄膜太阳能电池板

技术领域

本实用新型涉及太阳能光伏产品领域，尤其涉及一种薄膜太阳能电池板。

背景技术

薄膜太阳能电池从实用新型到大规模商业化经历了一个漫长的发展过程。1976年第一块非晶硅薄膜太阳能电池由美国无线电公司(RadioCorporation of America，简称RCA)研发成功，进入了上世纪90年代中期以后，随着半导体制备设备和制备工艺的不断进步，高效叠层硅基薄膜太阳电池实现了大规模商业化生产，其光吸收材料由最初的非晶硅同质结构发展到由非晶硅、多晶硅和单晶硅组合而成的异质结结构。除了硅基的薄膜太阳能电池，近年来基于硫化镉、砷化镓、铜铟镓锡等无机半导体化合物，和基于聚噻吩、富勒烯衍生物等有机材料的薄膜太阳能电池也正在蓬勃发展之中，并有着广阔的应用前景。

与晶硅太阳能电池相比，薄膜太阳能电池有外观漂亮、生产自动化程度高、可弯曲、可透明等多种优势，因而除了大规模并网和独立发电应用，薄膜太阳能电池更适宜于制作各种小型的灵活的光伏应用产品。随着产业化进程的推进和成本的不断下降，薄膜太阳能电池产品的应用层出不穷，日益广泛，并逐渐深入到人们日常生活的各个方面。例如在用于汽车的太阳能电池领域，自从20世纪90年代以来都有持续不断的专利申请，如公开号为US5602457美国专利提供了一项技术，将太阳能电池设置于汽车的挡风玻璃之内，用于给车内的蓄电池充电；公开号为EP 0393437的欧洲专利提供了另一项技术，为汽车安装了一套太阳能辅助电力***，用以驱动车内的空调***工作，降低阳光曝晒时车内的温度。然而上述专利公开的技术均是利用传统的制备晶硅电池的方法，将玻璃衬底上的电池进行绝缘分割，工艺较为复杂，与汽车本体的结合程度也不高。

薄膜太阳能电池的衬底可以根据具体需求选择玻璃、聚合物、陶瓷和石墨中的任何一种，其中玻璃为透明衬底，透光性好，可用于制造透明的薄膜太阳能电池，而聚合物为柔性衬底，容易弯曲和折叠，一般用于制造可弯曲的薄膜太阳能电池。当薄膜太阳能电池作为光伏应用产品用于汽车或建筑一体化结构等常见物体时，一方面要求其具有良好的透光性以保证车厢内或室内的照明亮度，另一方面又要求其有良好的弯曲性能，以便和弯曲的结构面如汽车天窗和建筑物玻璃紧密贴合。为满足这两方面的需求，薄膜太阳能电池的衬底必须是既透明又可弯曲的。

聚合物衬底大都不同时具有透光性和耐高温性，即无法经受200℃以上的工艺温度，而现有的薄膜太阳能电池技术选用的玻璃衬底的厚度一般大于3mm，不具有可弯曲性，无法直接用于加工制作可弯曲的太阳能电池。另外，现有的薄膜太阳能电池制造设备和工艺绝大多数都是建立在平面衬底上的，如平板浮法玻璃等，这使得直接制造具有一定弯曲弧度的薄膜太阳能电池存在很大的困难。如果要通过在弯曲衬底上进行均匀镀膜来加工制造薄膜太阳能电池，则需要对镀膜设备和工艺做较大的改动，这不仅会使成本大幅度提高，而且由于不同弯曲结构面具有不同的形状和弯曲弧度，导致所述设备和工艺对不同产品的适应程度也有很大的局限性。基于上述原因，薄膜太阳能电池在可弯曲产品领域的应用一直没有得到很好的发展。

发明内容

现有的薄膜太阳能电池板所使用的玻璃衬底较厚，不具有可弯曲性，使得所述薄膜太阳能电池板不能用于弯曲的太阳能电池组件。

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种薄膜太阳能电池板，所述薄膜太阳能电池板的衬底具有较高的可弯曲性和光透射率，使得所述薄膜太阳能电池能够方便的用于制作弯曲的太阳能电池组件且具有较好的透光性；

一种薄膜太阳能电池板，所述薄膜太阳能电池板包括衬底、位于所述衬底上的第一电极、位于所述第一电极上的光电转换层、位于所述光电转换层上的第二电极，还包括栅电极，所述衬底为超薄玻璃衬底，所述超薄玻璃衬底的厚度为0.1-1mm，所述超薄玻璃衬底具有可弯曲性，其最小弯曲半径可达10cm以下，所述第一电极在形成过程中连续设置在所述衬底上。

本实用新型所公开的薄膜太阳能电池板的有益效果在于：所述厚度为0.1-1mm的超薄玻璃衬底具有增加透光率的效果，提高了所述薄膜太阳能电池板的透光性；所述超薄玻璃衬底的可弯曲性较好，能够方便的用于制作弯曲的太阳能电池组件；通过增加透光率还提高了所述光电转换层的吸收率，使得所述薄膜太阳能电池板的效率比现有的薄膜太阳能电池高1-2％；与聚合物衬底相比，所述超薄玻璃衬底还具有耐高温，隔绝环境侵蚀性能好的优点；所述第一电极连续设置在所述衬底上，相对于传统的在衬底上用绝缘物质分割出多个电池块而言，工艺简单，在应用于弯曲组件时，能与弯曲结构紧密结合形成均匀连续的一体结构，较为美观。

优选的，所述超薄玻璃衬底的弯曲半径大于30cm，所述超薄玻璃衬底的厚度为0.35-1mm。其有益效果在于，在能够达到一定弯曲表面所需的弯曲半径的情况下，应尽可能选用较厚的超薄玻璃做衬底以增加所述薄膜太阳能电池板的强度。

可选的，所述第一电极为全透明薄膜，所述第二电极为非全透明薄膜。

优选的，所述第一、第二透明电极的透光性相等，且均为全透明薄膜。

优选的，所述第一、第二电极的材料均为透明导电氧化物，所述透明导电氧化物包括氧化锌、氧化锡、氧化铟锡和石墨烯中的一种。

优选的，所述光电转换层包括非晶硅、微晶硅、多晶硅和单晶硅薄膜中的一种或多种，所述非晶硅、多晶硅或单晶硅薄膜形成包含一个p-n或p-i-n结的单结结构，或包含多个p-n或p-i-n结的多结结构。

优选的，所述光电转换层包括碲化镉薄膜、铜铟镓锡薄膜和有机半导体薄膜中的一种或多种。

优选的，所述薄膜太阳能电池板用于汽车、船舶或各种建筑一体化结构中。

优选的，所述薄膜太阳能电池板用于汽车天窗，所述薄膜太阳能电池板的所述栅电极与汽车电源及其负载通过导线相连，所述负载包括车厢内的风扇、照明灯、电子娱乐***。

优选的，所述薄膜太阳能电池板用于汽车天窗，所述衬底的弯曲半径大于1m。

优选的，所述汽车天窗包括汽车天窗玻璃，所述汽车天窗玻璃具有朝向车内的下表面以及朝向车外的上表面，所述薄膜太阳能电池板贴合在所述汽车天窗玻璃的上表面上，所述光电转换层包括P型层、N型层，所述P型层紧邻所述第一电极设置。优选的，所述汽车天窗包括汽车天窗玻璃，所述汽车天窗玻璃具有朝向车内的下表面以及朝向车外的上表面，所述薄膜太阳能电池板贴合在所述汽车天窗玻璃的下表面上，所述光电转换层包括P型层、N型层，所述N型层紧邻所述第一电极设置。其有益效果在于，由于非晶硅薄膜中电子的迁移率大于空穴的迁移率，在包含P-I-N结的所述光电转换层中，将所述P型层设置于接受太阳光照射的一面，所述P型层中产生的电子将跨越I层运动更远的距离而被电极收集，而空穴可以直接被紧邻P型层的电极所收集，提高了空穴的收集率，从而提高了电池的光电转换效率。

优选的，所述薄膜太阳能电池板用于船舶或建筑一体化结构，所述衬底的弯曲半径大于30cm。

附图说明

图1为本实用新型所公开的薄膜太阳能电池板优选的实施例的结构示意图。

图2为不同厚度的超薄玻璃衬底的光吸收率与光波长的变化关系图。

图3为两种较薄的超薄玻璃衬底的弯曲应力与弯曲半径的变化关系图。

图4为多种厚度的超薄玻璃衬底的弯曲应力与弯曲半径的变化关系图。

图5为本实用新型所公开的薄膜太阳能电池板用于汽车天窗时的一种优选的实施方式的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本实用新型进行详细描述，但这些实施方式并不限制本实用新型，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本实用新型的保护范围内。

图1为本实用新型所提供的薄膜太阳能电池板的优选的实施例的示意图。参照图1，所述薄膜太阳能电池板包括衬底10、位于衬底上的第一电极20、位于所述第一电极上的光电转换层30、位于所述光电转换层30上的第二电极40，还包括所述第二电极上的栅电极50。所述衬底10为超薄玻璃衬底，所述超薄玻璃衬底的厚度为0.1-1mm，所述超薄玻璃衬底具有可弯曲性，其最小弯曲半径可达10cm以下。所述第一电极20在其中形成过程中连续设置在所述衬底10上。如图1所示的本实用新型优选的实施例，光电转换层30包括非晶硅p型层31、非晶硅本征层32和非晶硅n型层33，第一电极20和第二电极40均由氧化锌材料制成。

所述衬底10选用美国康宁公司(Corning Incorporated)的多款超薄玻璃产品，如莲花玻璃(Lotus Glass)，柳条玻璃(Willow Glass)，和猩猩玻璃(Gorilla Glass)。图2给出了超薄玻璃的光透射率和光波长的关系。参照图2，三种厚度分别为0.05mm，0.1mm和0.2mm的超薄玻璃的光透射率随光波长的变化关系是相同的，在光波长为200nm到350nm的波段内，透射率随着波长的增大而迅速增大；当光波长大于350nm的可见光波段时，透射率的增大变慢，并逐渐饱和为一个大于90％的常数。但在上述200-350nm的光波段内，对于特定的波长，所述超薄玻璃的厚度越小其透射率越大。在现有的薄膜太阳能电池技术中，一般选用厚度为3.2mm的玻璃做衬底，由上述结论可知，其对短波长光的透射率远小于超薄玻璃，导致薄膜电池的透光性较差。因此选用超薄玻璃做衬底具有增加光透射率的效果。另外，选用越薄的玻璃做衬底，所述光电转换层对短波段光的吸收率也越高，从而可以使薄膜太阳能电池的效率提高1-2％。

图3显示了两种厚度的超薄玻璃的弯曲应力与其弯曲半径的关系。参照图3，厚度为0.2mm的超薄玻璃其对应于任何弯曲半径的弯曲应力均大于厚度为0.1mm的超薄玻璃。因此玻璃的厚度越小，对应于同一弯曲半径其弯曲应力就越小，当对其做弯曲加工时就越容易，也越不容易发生破裂。对应于0.1mm的超薄玻璃，在弯曲半径为10-30cm的较大范围内，弯曲应力趋近于0，只有当弯曲半径小于10cm，接近5cm时，弯曲应力才有了显著上升。将最小弯曲半径定义为在一定加工条件下，玻璃在达到一特定的阈值应力时的弯曲半径，则最小半径越小，玻璃的可弯曲性越好。如果用最小弯曲半径来表征超薄玻璃弯曲性的优良程度，由图3可知，所述0.1mm的超薄玻璃具有最优的弯曲性能，其最小弯曲半径可达10cm以下。

因此选用超薄玻璃做衬底10的另一功效是可以方便的将平面的薄膜太阳能电池板加工成具有一定弧度的弯曲电池组件，而厚度较小的超薄玻璃可弯曲性好，从而可以制成弯曲半径较小的太阳能组件。具体选用何种厚度的超薄玻璃，取决于最终的弯曲电池组件的曲率，曲率越大，则应选用最小弯曲半径更小的超薄玻璃做衬底。

但是在实际应用中，选用的超薄玻璃厚度越小，其强度也越小，很容易在外界压力或雨水冲刷下发生破损。同时在制造过程中也容易破碎，降低生产良率，增加成本。因此，在满足实际弯曲度需求的前提下，应尽可能选择更厚的玻璃做衬底，以增强所述衬底10的强度。在一般的光伏产品应用中，如船舶和建筑的弯曲表面，其弯曲半径最小为30cm，对于汽车天窗则大于1m。

一般的，超薄玻璃弯曲时表面的弯曲张应力与其厚度的关系为：

$\mathrm{\σ}=E\frac{t}{2R},$

其中σ为最大表面弯曲张应力，t为超薄玻璃的厚度，R为弯曲半径，E为玻璃的杨氏模量。图4给出了更多种厚度的超薄玻璃的弯曲应力和弯曲半径的关系。参照图4，厚度在1mm以下的超薄玻璃的可弯曲性都非常好。在弯曲半径为30cm时，厚度为0.5mm的超薄玻璃的最大表面弯曲张应力约为60MPa，厚度为0.3mm的超薄玻璃的约为30MPa。若选用0.35mm的超薄玻璃，根据上述公式，代入玻璃的杨氏模量90GPa，可知其最大表面弯曲张应力为52.5MPa。虽然玻璃的本征强度约达200MPa，但在实际应用中要求超薄玻璃的最大表面弯曲张应力在50MPa附近，以防止因表面缺陷造成的破碎。因此，厚度为0.35mm的超薄玻璃可以满足这种要求。

在本实用新型优选的实施例中，所述超薄玻璃衬底的弯曲半径大于30cm，因此所述超薄玻璃衬底的厚度为0.35-1mm。在对衬底的强度有特殊要求时，还可以选用康宁公司的猩猩玻璃等经过化学钢化处理的超薄玻璃做衬底。

相对于聚合物衬底，所述超薄玻璃衬底还具有耐高温，隔绝环境侵蚀性能好的优点。

第一电极20连续设置在衬底10上，相对于传统的在衬底上用绝缘物质分割出多个电池块而言，工艺简单，在应用于弯曲组件时，能够与弯曲结构紧密结合为一体，较为美观。

第一电极20与第二电极40的透光性相等，且均为全透明薄膜。全透性薄膜使得更多的阳光能透过汽车天窗或建筑物玻璃，有助于提高车厢内或室内的照明亮度。

在本实用新型的其他实施例中，位于衬底10之上的第一电极20为全透明薄膜，位于光电转换层之上的第二电极40为非全透明薄膜。使用非全透明薄膜做第二电极40有助于将透过光电转换层的光反射回光电转换层中，提高了光吸收率，进而提高了电池效率。

第一电极20与第二电极40的材料均为透明导电氧化物，如图1所示的本实用新型的一种优选的实施例中，第一电极20与第二电极40均为氧化锌薄膜，在本实用新型的其他优选的实施例中，所述第一、第二电极还包括氧化锌，氧化锡或石墨烯中的一种。

光电转换层30包括非晶硅、微晶硅、多晶硅和单晶硅薄膜中的一种或多种，所述非晶硅、微晶硅、多晶硅或单晶硅薄膜形成包含一个p-n或p-i-n结的单结结构，或包含多个p-n或p-i-n结的多结结构。

在本实用新型其他优选的实施例中，所述光电转换层包括碲化镉薄膜、铜铟镓锡薄膜和有机半导体薄膜中的一种或多种。

所述薄膜太阳能电池板用于汽车、船舶或各种建筑一体化结构中。

在本实用新型一类优选的实施例中，所述薄膜太阳能电池板用于汽车天窗，所述栅电极与汽车电源及其负载通过导线相连，所述负载包括车厢内的风扇、照明灯、电子娱乐***。所述衬底的弯曲半径大于1m，因而可以选用较厚的，如厚度为1mm的超薄玻璃做衬底。

图5为本实用新型所公开的薄膜太阳能电池板用于汽车天窗时的一种优选的实施方式的示意图，参照图5，所述汽车天窗包括：所述薄膜太阳能电池板和汽车天窗玻璃300。所述薄膜太阳能电池板包括超薄玻璃衬底100和位于所述超薄玻璃衬底上的薄膜电池组200，所述薄膜电池组200由所述第一电极、所述光电转换层和所述第二电极构成。所述光电转换层包括P型层31、N型层33，在本实用新型的某些优选的实施方式中，所述光电转换层还包括位于所述P型层31、N型层33之间的I型层32。

所述汽车天窗玻璃300具有朝向车内的下表面320以及朝向车外的上表面310，所述薄膜太阳能电池板可以贴合在所述汽车天窗玻璃300的上表面310上，也可以贴合在所述汽车天窗玻璃300的下表面320上。参照图5和图1，当所述薄膜太阳能电池板贴合在所述汽车天窗玻璃300的上表面310时，所述P型层31紧邻所述第一电极20设置。当所述薄膜太阳能电池板贴合在所述汽车天窗玻璃300的下表面320时，所述N型层33紧邻所述第一电极20设置。这样使得所述P型层31始终朝着太阳光的方向。由于非晶硅薄膜中电子的迁移率大于空穴的迁移率，电子的寿命也大于空穴的寿命，P型层31中产生的电子能通过漂移和扩散运动穿过I层从而被电极收集；但如果n型层33接受光照产生载流子，n型层33中产生的空穴由于迁移率和寿命较小，很容易在穿过I层的时候被复合而被损失掉。因此所述P型层31始终朝着太阳光的方向有利于提高载流子的收集率，进而提高太阳能电池板的光能量转换效率。

在本实用新型其他优选的实施方式中，所述薄膜太阳能电池板用于船舶或建筑一体化结构时，所述衬底的弯曲半径大于30cm。如上所述，此种情况下可选用厚度大于0.35mm的超薄玻璃作为衬底。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (13)

1.一种薄膜太阳能电池板，包括衬底、位于所述衬底上的第一电极、位于所述第一电极上的光电转换层、位于所述光电转换层上的第二电极，其特征在于，还包括栅电极，所述衬底为超薄玻璃衬底，所述超薄玻璃衬底的厚度为0.1-1mm，所述超薄玻璃衬底具有可弯曲性，其最小弯曲半径可达10cm以下，所述第一电极在形成过程中连续设置在所述衬底上。

2.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池板，其特征在于，所述超薄玻璃衬底的弯曲半径大于30cm，所述超薄玻璃衬底的厚度为0.35-1mm。

3.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池板，其特征在于，所述第一电极为全透明薄膜，所述第二电极为非全透明薄膜。

4.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池板，其特征在于，所述第一、第二电极的透光性相等，且均为全透明薄膜。

5.如权利要求2至4中任一项所述的薄膜太阳能电池板，其特征在于，所述第一、第二电极的材料均为透明导电氧化物，所述透明导电氧化物包括氧化锌、氧化锡、氧化铟锡和石墨烯中的一种。

6.如权利要求5所述的薄膜太阳能电池板，其特征在于，所述光电转换层包括非晶硅、微晶硅、多晶硅和单晶硅薄膜中的一种或多种，所述非晶硅、微晶硅、多晶硅或单晶硅薄膜形成包含一个p-n或p-i-n结的单结结构，或包含多个p-n或p-i-n结的多结结构。

7.如权利要求5所述的薄膜太阳能电池板，其特征在于，所述光电转换层包括碲化镉薄膜、铜铟镓锡薄膜和有机半导体薄膜中的一种或多种。

8.如权利要求7所述的薄膜太阳能电池板，其特征在于，所述薄膜太阳能电池用于汽车、船舶或各种建筑一体化结构中。

9.如权利要求8所述的薄膜太阳能电池板，其特征在于，所述薄膜太阳能电池板用于汽车天窗，所述栅电极与汽车电源***及其负载通过导线相连，所述负载包括车厢内的风扇、照明灯和电子娱乐***。

10.如权利要求8所述的薄膜太阳能电池板，其特征在于，所述薄膜太阳能电池板用于汽车天窗，所述衬底的弯曲半径大于1m。

11.如权利要求10所述的薄膜太阳能电池板，其特征在于，所述汽车天窗包括汽车天窗玻璃，所述汽车天窗玻璃具有朝向车内的下表面以及朝向车外的上表面，所述薄膜太阳能电池板应贴合在所述汽车天窗玻璃的上表面上，所述光电转换层包括P型层、N型层，所述P型层紧邻所述第一电极设置。

12.如权利要求10所述的薄膜太阳能电池板，其特征在于，所述汽车天窗包括汽车天窗玻璃，所述汽车天窗玻璃具有朝向车内的下表面以及朝向车外的上表面，所述薄膜太阳能电池板应贴合在所述汽车天窗玻璃的下表面上，所述光电转换层包括P型层、N型层，所述N型层紧邻所述第一电极设置。

13.如权利要求8所述的薄膜太阳能电池板，其特征在于，所述薄膜太阳能电池板用于船舶或建筑一体化结构，所述衬底的弯曲半径大于30cm。

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