CN219591399U - 叠层太阳能电池组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型给出一种叠层太阳能电池组件，由多个电池单元组成，每个电池单元包括顶层子电池和底层子电池，底层子电池为晶硅电池，顶层子电池的光学禁带宽度大于底层子电池，顶层子电池在纵向上对应着n个底层子电池，所述n大于等于2。本实用新型的叠层太阳能电池组件可以更加全面高效地利用太阳光谱中的短波、中波和长波的波长范围的光子，从而实现高的电池转换效率和组件发电量。其结构可以更为充分、有效地利用顶层电池(以及中间电池)的“有源区”的面积来进行光伏发电，从而能帮助叠层电池中的顶层电池、中间电池、和底层子电池之间实现光生电流匹配，进而有效地提升叠层太阳能电池组件的光电转换效率和发电功率。

Description

叠层太阳能电池组件

技术领域

本实用新型涉及到一种叠层太阳能电池组件，属于太阳能电池技术领域。

背景技术

随着人类在太阳能电池领域研究的不断深入，单结太阳能电池(比如晶硅电池，以及碲化镉、铜铟镓硒、钙钛矿等薄膜电池)的光电转换效率不断提升、并逼近Shockley-Queisser(简称S-Q)理论极限。通过采用不同光学禁带宽度的材料构成的叠层太阳能电池结构设计，可以全面拓宽电池对太阳光谱吸收利用的波段范围，从而可以使电池效率突破S-Q理论极限，在1个太阳下的叠层电池的理论极限可以达到69％，因此叠层电池的产业化备受关注，是未来工业化太阳能电池的最具潜力的技术路线。目前，各类叠层太阳能电池的制备工艺流程也都比较复杂，制备成本高，采用工业化技术制备的叠层电池的光电转换效率仍和使用实验室技术制备的叠层电池的光电转换效率有比较大的差距，无法满足产业化的生产成本需求。因此这就需要进一步提高其产业化条件下的光电转换效率，降低其制备工艺成本，才能推进其进一步实现工业化。

在通常情况下，对于以晶硅电池为底层电池的叠层电池来说，综合考虑到顶层的薄膜电池为大面积制备以及底层晶硅电池为小面积制备的这两个特性，每一个叠层电池的单元面积都要受到晶硅电池小的单元面积的这个特点而制约；也就是说，对常规的叠层电池来说，顶层电池和底层晶硅电池的面积往往都是一致的、相等的，如图1所示，在每个单元面积的顶层电池，在纵向方向上对应其下方也是1个单元面积的底层晶硅电池。特别提示：图1给出的是由两个子电池(也即底层晶硅电池和顶层电池)串联构成的叠层电池组件；如果是由三个或者三个以上的子电池串联组成的叠层电池，就是在本图的基础上增加中间电池即可。其中，1是底层晶硅电池，2是中间连接层，3是宽禁带吸收层的顶层电池，4是背面封装层，5是正面封装层。由于在晶硅电池的封装中，它们之间都需要按照一定的间距分布来排布，在这种情况下，底层晶硅电池之间的间隙对应的顶层电池也无法利用，从而无法充分利用顶层的薄膜电池大面积制备的特性，电池的光电转换效率受到制约。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种叠层太阳能电池组件。

本实用新型采用的技术方案为：

一种叠层太阳能电池组件，由多个电池单元组成，每个电池单元包括顶层子电池和底层子电池，所述底层子电池为晶硅电池，所述顶层子电池的光学禁带宽度大于底层子电池，其特征在于所述顶层子电池在纵向上对应着n个底层子电池，所述n大于等于2。

优选的，每个叠层太阳能电池组件的多个电池单元封装在同一封装结构中。

优选的，所述封装结构包括设置在底层子电池背面的基底封装层，以及顶层子电池表面的正面封装层。

优选的，所述顶层子电池与底层子电池之间通过中间连接层连接。

优选的，所述中间连接层所用材料为透明导电氧化物。

优选的，还包括设置于底层子电池与顶层子电池之间的中间子电池，中间子电池的光学禁带宽度介于顶层子电池与底层子电池之间。

优选的，所述顶层子电池的E_g为1.5-2.0eV；中间子电池的E_g为1.35-1.6eV且小于顶层子电池的E_g；底层子电池的E_g为1.12eV。

优选的，n的取值为10≥n≥2。

优选的，所述封装结构包括设置在底层子电池背面的底层基底封装层、底层子电池表面的底层正面封装层，以及顶层子电池背面的顶层基底封装层、顶层子电池表面的顶层正面封装层。

优选的，所述叠层太阳能电池组件为柔性叠层太阳能电池组件。

对于包括顶层子电池和底层子电池的双叠层电池，顶层电池是光学禁带宽度(E_g)较宽的电池，主要是利用太阳光谱中的高能量(短波长)和中等能量(中波长)的光子。底层子电池是禁带宽度较窄的晶硅电池(E_g＝1.12eV)，主要利用太阳光谱的中低能量的中等波段和长波段的光子。在每1个顶层电池的单元面积下的纵向方向上(也就是与电池水平面相垂直的方向)，对应着2个或大于2个单元面积的底层晶硅电池。

对于包括顶层子电池、中间子电池和底层子电池的三叠层电池，中间电池的禁带宽度大小是介于顶层电池和底层晶硅电池之间的，主要利用中等能量(中波长)的太阳能光子。在设计方面，各个子电池吸收层的E_g要合理设计，以能够更加全面高效地利用太阳光谱中的短波、中波和长波范围的光子。每1个顶层电池和中间电池的单元面积下的纵向方向上，对应着2个或大于2个的单元面积的底层晶硅电池。

所述叠层太阳能电池的光生载流子引出方式非常灵活：可以采用由顶层子电池的前表面和底层子电池的后表面各自引出电极端子，来引出光生载流子，此时顶层子电池和底层子电池之间需要设置中间连接层，封装结构包括设置在底层子电池背面的基底封装层，以及顶层子电池表面的正面封装层；也可以是每一层的子电池的前后表面都各自引出电极端子，来引出光生载流子，此时无须设置中间连接层，每个子电池自身要进行前后表面封装。

关于顶层电池和中间电池的类型、结构、材料选择和制备工艺：

顶层电池主要是利用太阳光谱中的高能量(短波长)和中等能量(中波长)的光子，因此其吸收层材料的禁带宽度的设计上要能够实现这点。典型地，顶层电池吸收层的E_g一般在1.5-2.0eV，也不限于此。满足如上所述的禁带宽度要求的顶层电池的具体类型和结构均不限。中间电池主要是主要利用中等能量(中波长)的太阳能光子，其吸收层的禁带宽度大小要介于顶层电池和底层晶硅电池之间。典型地，中间电池的吸收层的E_g一般在1.35-1.6eV，也不限于此。满足如上所述禁带宽度要求的中间电池的具体类型和结构均不限。

对于顶层电池和中间电池的结构和类型选择，典型地，它们可以是薄膜太阳能电池，比如钙钛矿电池、铜铟镓硒电池、铜锌锡硫电池、碲化镉电池等，也可以是有机太阳能电池，等等。通常情况下，薄膜太阳能电池和有机太阳能电池的吸收层的禁带宽度都可以通过调整吸收层薄膜材料的组分来调整。

顶层电池和中间电池的具体结构，一般由吸收层、电子传输层、空穴传输层、界面钝化层(也称界面修饰层)、光学减反膜、引出光生载流子的电极等组成。顶层电池和中间电池的制备工艺，在能够合理制备出所述叠层太阳能电池组件的基础上，具体的材料选择和制备工艺不限。由于顶层电池和中间电池通常可以采用薄膜太阳能电池，因此其制备工艺具备大面积制备的特征。

关于底层晶硅电池的类型和结构

底层电池采用晶硅电池，禁带宽度是1.12eV，主要利用太阳光谱的中低能量的中等波段和长波段的光子。硅材料衬底可以选择单晶硅或多晶硅，衬底掺杂类型可以是n型(掺磷)或者p型(掺硼或镓)。

晶硅电池组件的具体结构不限，可以采用PERC(passivated emitter and rearcell)电池、钝化接触TOPCon(Tunnel oxide and passivated contact)电池，硅异质结(HJT)电池等；也可以采用背接触(Interdigited back contact，简称IBC)电池，或者MWT(Metal Wrap Through)或EWT(Emitter Wrap Through)电池。

晶硅电池的面积尺寸不限，可以采用目前工业化流行的156mm、182mm或210mm边长，也可以将上述面积尺寸切割成更小面积(可以依据应用场景而定)，比如二分之一片，三分之一片，……，n分之一片等。

关于中间连接层性能要求、材料选择和制备工艺

所述叠层太阳能电池，在某些情况下还需要中间连接层，用于连接各层子电池。所述中间连接层，要能够在各层子电池之间实现良好的光学耦合和电学耦合，并需要根据各层子电池的具体结构来选择与之相适合的中间连接层材料。在此基础上，中间连接层的具体材料和制备工艺均不限。

关于柔性叠层太阳能电池组件

所述叠层太阳能电池组件可以制备成刚性组件，也可以制备成柔性组件，这需要在叠层电池的衬底、叠层电池前后表面的封装材料等选择适合于柔性电池组件的材料、以及相应于此的制备方法。由于底层电池采用晶硅电池，相应地，底层晶硅电池的背面封装需要采用与之相适合的柔性封装材料和柔性封装工艺。

从原理上来说，本实用新型所述的叠层电池结构，相当于是底层的n个(n大于或等于2)单元面积的晶硅电池之间并联，然后再与1个顶层电池(或者当是三结以上的叠层电池时，也包括1个中间电池)形成串联。对于上述的n值(也即底层的n个单元面积的晶硅电池)，n大于或者等于2，n的取值要依据底层晶硅电池的单元面积来具体地灵活地确定：如果底层晶硅电池的单元面积是常规的工业化晶硅电池的面积，n一般取值小一些，比如n＝2是比较好的选择；如果底层晶硅电池的单元面积是常规工业化晶硅电池完成制备后再切割成更小的小片电池(比如二分之一片，三分之一片，……，N分之一片)，n可以取值更大些。

以两结的叠层电池为例(由三个或者三个以上子电池构成的叠层电池也是同理)，来说明本实用新型给出的叠层电池结构在光伏发电中的优势。所述叠层电池结构，非常适用于在两结的叠层太阳能电池中，顶层电池的光生电流密度略小于底层电池的光生电流密度的情况。这是由于，在串联型叠层电池的光伏发电工作中，整个叠层电池的短路电流取决于顶层电池和底层电池中更小的那个；也就是说，电池光电转换效率从某种程度上是高度地受限于光生电流更小的那个子电池。因此，为使叠层电池的光电转换效率更高，往往希望顶层电池和底层电池的电流匹配是相互匹配的(也即希望它们各自的光生电流尽可能相等)。

在通常情况下，对于晶硅电池为底层电池的叠层电池来说，综合考虑到顶层的薄膜电池具有大面积制备特性以及底层晶硅电池是小面积制备的这两个方面，每一个叠层电池的单元面积都要受到晶硅电池小的单元面积的这个特点而制约；也就是说，对常规的叠层电池来说，顶层电池和底层晶硅电池的面积往往都是一致的、相等的。由于在晶硅电池的封装中，它们之间都需要按照一定的间距分布来排布，那么，如果相邻的每2个晶硅电池之间的这部分面积，其在纵向上对应的顶层电池的同样这部分区域是能够加以利用的(也即这部分区域存在顶层电池)，这样就能够充分地利用这部分区域面积的顶层电池的有源区来用于光伏发电：这相当于是在一定程度上提升了顶层电池的光生电流(光生电流＝光生电流密度乘以电池面积)，这样就更加有利于实现叠层电池的顶层和底层电池形成良好的电流匹配(当顶层电池的电流密度略小于底层晶硅电池的情况下)，从而使得整个叠层电池和组件获得更高的电池光电转换效率和发电功率。而且，由于能够更为充分地利用了更多的顶层电池的有源区面积，也相当于降低了叠层电池的制备成本。

在每个电池单元内，底层晶硅电池的表面、四个侧边、以及每2个晶硅电池相邻的中间区域也会覆盖上所述的大面积的中间连接层材料和顶层电池(以及中间子电池)的薄膜材料，使得每个电池单元内的每2个晶硅电池相邻的中间区域的顶层电池(中间子电池)能够被得以利用进行光伏发电。

在叠层电池中，相比较于底层晶硅电池(E_g＝1.12eV)，顶层薄膜电池由于E_g较宽，因此顶层电池光生电流密度小于底层晶硅电池光生电流密度的情况可能是会经常发生的。所以，本实用新型给出的叠层电池结构设计具有比较强的实用性。

由于相比于薄膜电池的大面积制备特性，晶硅电池的面积会小的非常多，常规的叠层电池在制备完成后都需要使得顶层薄膜电池的面积和底层晶硅电池的面积相等；也就是说，顶层薄膜电池的制备没有办法发挥其大面积制备的特性(从而具有制备成本低的优势)，这就使得叠层电池制备成本很高。采用本实用新型的叠层电池结构，在制备工艺方法上可以充分发挥出顶层薄膜电池的大面积制备特性，而且如前所述-本实用新型给出的叠层电池结构也能够发挥出顶层薄膜电池的大面积的优势特点，因此这不仅能够使得叠层电池的制备工艺方法有了更为灵活、更为多样性的选择，也能够大幅度降低叠层电池的生产制备成本，更有利于叠层电池的产业化。

本实用新型的有益效果如下：

1)所述叠层太阳能电池组件，可以更加全面高效地利用太阳光谱中的短波、中波和长波的波长范围的光子，从而实现高的电池转换效率和组件发电量。

2)所述叠层太阳能电池组件的结构，可以更为充分、有效地利用顶层电池(以及中间电池)的“有源区”的面积来进行光伏发电，从而能帮助叠层电池中的顶层电池、中间电池、和底层子电池之间实现光生电流匹配，进而有效地提升叠层太阳能电池组件的光电转换效率和发电功率。

3)在叠层电池中，相比较于底层晶硅电池(E_g＝1.12eV)，顶层薄膜电池由于E_g较宽，因此顶层电池光生电流密度小于底层晶硅电池光生电流密度的情况可能是会经常发生的。所以，本实用新型给出的叠层电池结构设计具有比较强的实用性。

4)顶层电池、中间电池的结构和类型可以灵活选择，其吸收层的禁带宽度可以根据应用场景的需求设计成最优化的禁带宽度，然后可以通过选择合适的顶层电池和中间电池的吸收层材料来实现这种禁带宽度设计，从而能够灵活、稳定、高效地适用于不同的应用环境(包括气候、地理和环境等因素)。

5)所述叠层太阳能电池组件可以根据应用场景的需要灵活地选择不同类型的端子结构设计，从而能够灵活适用于不同的应用场景。

6)所述叠层太阳能电池组件可以制备成柔性，柔性的弧度曲率可以根据具体应用场景来灵活设计，从而拓展了高效叠层太阳能电池的应用场景，使应用更加广泛和灵活。

7)所述叠层太阳能电池组件结构简明，也更能够发挥出顶层薄膜电池的大面积的优势特点，因此这不仅能够使得叠层电池组件的制备工艺方法有了更为灵活、更为多样性的选择，也能大幅度降低叠层电池组件的生产制备成本，更有利于叠层电池的产业化。

附图说明

图1为常规的叠层太阳能电池组件结构示意图。

图2为本实用新型给出的由两个子电池(也即底层晶硅电池和顶层电池)串联构成的叠层太阳能电池组件的结构示意图。

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

具体实施方式

实施例1

如图2所示，本叠层太阳能电池组件，由多个电池单元组成，每个电池单元包括底层子电池和顶层子电池，所述顶层子电池与底层子电池之间通过中间连接层连接，所述底层子电池为晶硅电池，所述顶层子电池的光学禁带宽度大于底层子电池，所述顶层子电池在纵向上对应着n个底层子电池，所述n等于2。每个叠层太阳能电池组件的多个电池单元封装在同一封装结构中，其中的封装结构包括设置在底层子电池背面的基底封装层，以及顶层子电池表面的正面封装层。

图2中，1是底层晶硅电池，2是中间连接层，3是宽禁带吸收层的顶层电池，4是背面封装层，5是正面封装层。沉积在底层晶硅电池侧边的顶层电池和中间连接层未示出。特别提示：1)图中给出的是通过整个叠层电池组件的正面来引出一种光生载流子，背面再引出另外一种光生载流子，此时需要中间连接层来使得底层晶硅电池和顶层电池之间形成光学耦合和电学耦合。如果是每个子电池的前后表面都分别引出光生载流子的串联型叠层电池，对应的就是每个子电池自身要进行前后表面封装，同时不需要中间连接层即可。2)图中给出的是每个单元面积的顶层电池，在纵向方向上对应其下方是2个单元面积的底层晶硅电池，也即n＝2的情形；对于n大于2的情形，其下方就是n个单元面积的底层晶硅电池。3)所述叠层电池也可以是柔性电池。4)由三个以上子电池串联组成的叠层电池组件示意图是类似的，此处略。

实施例2

本叠层太阳能电池组件，由多个电池单元组成，每个电池单元包括底层子电池、中间子电池、顶层子电池，所述顶层子电池与中间子电池之间、中间子电池与底层子电池之间通过中间连接层连接，所述底层子电池为晶硅电池，所述顶层子电池的光学禁带宽度>中间子电池的光学禁带宽度>底层子电池的光学禁带宽度，所述顶层子电池在纵向上对应着n个底层子电池，所述n等于2。每个叠层太阳能电池组件的多个电池单元封装在同一封装结构中，其中的封装结构包括设置在底层子电池背面的基底封装层，以及顶层子电池表面的正面封装层。

具体设计中，n也可以大于2。

底层子电池、中间子电池、顶层子电池也可以在前后表面都各自引出电极端子，来引出光生载流子，此时每个子电池自身要进行前后表面封装。

最后需要说明的是，尽管以上结合附图对本实用新型的实施方案进行了描述，但本实用新型并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的和指导性的，用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本实用新型的原理和权利要求所保护的范围的情况下，在具体实施方式和应用范围上还可以做出很多种形式的变更、改进和等效实施，这些也均应视为本实用新型保护范围。

Claims (10)

1.一种叠层太阳能电池组件，由多个电池单元组成，每个电池单元包括顶层子电池和底层子电池，所述底层子电池为晶硅电池，所述顶层子电池的光学禁带宽度大于底层子电池，其特征在于所述顶层子电池在纵向上对应着n个底层子电池，所述n大于等于2。

2.根据权利要求1所述的叠层太阳能电池组件，其特征在于：每个叠层太阳能电池组件的多个电池单元封装在同一封装结构中。

3.根据权利要求2所述的叠层太阳能电池组件，其特征在于：所述封装结构包括设置在底层子电池背面的基底封装层，以及顶层子电池表面的正面封装层。

4.根据权利要求3所述的叠层太阳能电池组件，其特征在于：所述顶层子电池与底层子电池之间通过中间连接层连接。

5.根据权利要求4所述的叠层太阳能电池组件，其特征在于：所述中间连接层所用材料为透明导电氧化物。

6.根据权利要求1所述的叠层太阳能电池组件，其特征在于：还包括设置于底层子电池与顶层子电池之间的中间子电池，中间子电池的光学禁带宽度介于顶层子电池与底层子电池之间。

7.根据权利要求6所述的叠层太阳能电池组件，其特征在于：所述顶层子电池的E_g为1.5-2.0eV；中间子电池的E_g为1.35-1.6eV且小于顶层子电池的E_g；底层子电池的E_g为1.12eV。

8.根据权利要求1所述的叠层太阳能电池组件，其特征在于：n的取值为10≥n≥2。

9.根据权利要求2所述的叠层太阳能电池组件，其特征在于：所述封装结构包括设置在底层子电池背面的底层基底封装层、底层子电池表面的底层正面封装层，以及顶层子电池背面的顶层基底封装层、顶层子电池表面的顶层正面封装层。

10.根据权利要求1所述的叠层太阳能电池组件，其特征在于：所述叠层太阳能电池组件为柔性叠层太阳能电池组件。