光陷獲光伏裝置的製作方法

2023-05-10 18:25:01

專利名稱：光陷獲光伏裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種包括支承基底和有源層的薄膜型光伏裝置。本發明還涉及一種制 造光伏裝置的方法，所述光伏裝置包括支承基底和無定形材料有源層。
背景技術：
光伏裝置通常用於將光能轉換為電能。光伏裝置包括由光吸收材料組成的有源 層，光吸收材料在受到光照射時產生電荷載體。現在光伏裝置中常見的有源層為矽(Si)。 但是，可以為各種材料，例如砷化鎵(GaAs)、碲化鎘(CdTe)或者聯硒化銅銦鎵(GIGS)。在 有源層中產生的電荷與將導電的導電接觸隔開。由於有源層的薄脆性通常通過例如由玻璃 製成的透明蓋板保護其不受外部影響。從現有技術已知有源層和蓋板都反射一部分入射至 光伏裝置的光。特別是有源層的高折射係數對矽而言造成可達入射光30%的大反射損失。 因為所反射的光不能轉換為電能所以這些反射損失造成光伏裝置效率大大下降。為減小這些反射損失，可在光吸收材料或者所謂的有源層頂部施加抗反射塗層。 抗反射塗層由透明材料的單個1/4波層組成，其折射係數介於有源層和蓋板的折射係數之 間。儘管這樣理論上在中心波長上產生零反射並且在中心附近更寬範圍的波長上反射減 小，但是這些層的處理和材料成本較高。而且形成塗層的處理技術(例如化學氣相沉積) 非常複雜、精細和耗時。從現有技術已知覆蓋層光接收側上的表面結構可用於減小蓋板的反射損 矢。 這 裡，V-形(G. A. Landis, 21st IEEE photovoltaic specialistconference, 1304-1307(1990))或者WO 03/046617所公開的錐形結構用於由玻璃製成的蓋板的光接 收側以減小所述板的反射損失從而增強其透射。CH 693771A5公開了蓋板兩側都為三角 形表面的錐面結構以及錐體結構，以減小所述板的反射損耗並從而增加其透射。所述結構 應用於覆蓋層的兩個表面以防止顛倒安裝覆蓋層的負面效果。所述結構可通過例如澆注 或者壓制施加於玻璃板。但是，根據模型研究(U. Blieske等人，WorldConference on Photovoltaic Energy Conversion, 188-191 (2003))，當以所述板為光伏裝置的蓋板時，所 述裝置的最大效率可僅僅提高6%，其減小反射損失大約30%。實踐中所述結果更少並可 僅僅獲得3%。儘管所述結構減小了有源層的一些反射損失，但是其明顯減小了蓋板的反射 損失。因此，總的反射損失的減小和光伏裝置效率的提高為低。在未公開的歐洲專利申請EP07 021 458中給出了通過紋理化蓋板的光接收表面 側而減小有源層反射損失的更好的方法。這裡表面浮雕結構陣列被施加於和有源層光學接 觸的蓋板。所述陣列的單個結構的特徵在於底部和單個頂點並且被至少三個η邊形表面連 接，其中η等於4或者更高。該特殊結構不僅減小了玻璃蓋的反射損失而且很大程度上減 小了蓋板下的有源層的反射損失。儘管所述方法產生了節省成本和有效抗反射的塗層，但 是位於光伏裝置外部的浮雕結構對汙垢敏感。另一種減小反射損失的方法為結構化有源層的表面。可通過直接結構化所述材料 本身而實現這一點。已知幾種方法例如噴沙、研磨、陰離子氧化、濺射蝕刻實現這樣的結構。
3US 4 626 613公開了直接結構化有源層的雷射輔助過程。US 5 702 538公開了直接結構 化有源層的光刻紋理化。JP10163513 A公開了通過蝕刻劑直接蝕刻有源層。通過以錐體、 V形、立方體形狀或者隨機結構結構化有源層，可通過在對光提供進入面板的更多機會的表 面上的多次反射減小有源層上的反射損失。如果初始不是由有源層吸收，進入槽形區域的 光將被反射至所述槽的另一個表面從而增強吸收。所述效果減小了有源層表面上的反射損 失從而常常被稱作抗反射效應。其次，所述結構在一些情形可部分陷獲有源層未吸收以及 基底表面反射的光。因此，有源層吸收光的機率增加。儘管結構化所述有源層可明顯改善 光伏電池的效率，但是生產方法非常複雜、有毒且極其昂貴。直接結構化有源層的替代選擇為表面結構化基底，即其上隨後沉積有源層的覆蓋 層。所述方法可用於利用例如如無定形矽的有源層的薄膜太陽能電池。在所述情形中，通 過分別向透明蓋板頂部施加前電極、有源層和後電極製造太陽能電池。為減小有源層的反 射損失，通過在沉積有源層之前的溼蝕刻隨機紋理化前電極。除了隨機紋理化的表面以外，還可表面結構化覆蓋層以使覆蓋層具有其上隨後沉 積有源層的限定和重複表面結構。DE 4 201 126涉及一種具有用於電能轉換的半導體薄膜 元件的光伏裝置。所述有源層即半導體薄膜元件可以為無定形矽。所述裝置的蓋板在其後 表面即其上沉積有源層的表面上具有形狀為鋸齒形態的限定和重複表面結構從而產生鋸 齒形態有源層。鋸齒形態的效果為未吸收光的多次內反射。從上文可得出存在若干減小光伏裝置反射損失的技術的結論。這些技術包括結構 化有源層或者在所述層頂部施加抗反射層。但是這些技術是複雜而昂貴的。可選地，可對 有源層或者蓋板施加另外的透明結構層。儘管這些技術節省成本，但是其性能較不有效。

發明內容
因此本發明的目標在於通過增強光伏裝置有源層的太陽能吸收特性改進其效率 以及提供一種進一步減小有源層反射損失的光伏裝置。通過包括有源層的薄膜型光伏裝置實現所述目標，其中有源層為限定和重複幾何 結構的陣列形狀，其特徵在於所述幾何結構包括被至少三個η邊形表面連接的底部和單個 頂點，其中η等於4或者更高。所述頂點被定義為單獨幾何光學浮雕結構的上部。所述頂點為和底部相對的單獨 幾何光學浮雕結構的單個最遠的點。所述頂點為以垂直於底部的直線測量的和底部距離最 遠的點。薄膜光伏裝置被定義為其有源層沉積在支承基底上的任意光伏裝置。根據本發 明的薄膜材料的有源層可以為任何本身或者組合任何其它層在受到光照射時產生電荷載 體的層。這些材料例如可為碲化鎘(CdTe)、硒化銅銦(CIS)、砷化鎵(GaAs)、聯硒化銅銦鎵 (GIGS)、聯硒化銅銦(CID)、納米晶體矽、微晶矽、光吸收染料(例如釕金屬有機染料或者聚 合物)、以及小分子化合物(如聚亞苯基亞乙烯、銅酞菁、碳富勒烯)。優選地根據本發明的 有源層包括無定形材料。更優選地所述有源層包括無定形矽。儘管所述有源層可僅僅包括一個單獨的幾何結構但是優選有源層包括限定和重 復幾何結構即浮雕結構的陣列。陣列將被理解為元件的集合或者組，在該情形下為相互相 鄰或者設置為行和列的單獨的幾何結構。優選地所述陣列包括至少4個幾何浮雕結構。
優選地每個幾何結構的底部為m邊形，並且每個幾何結構包括至少m+1個表面，其 中所述底部不認為是那些表面的其中一個。當通過圓形描述所述浮雕結構的η邊形底部時，其中所述多邊形底部的邊沿處於 所述圓的圓周線上，所述圓的直徑D優選小於30mm，更優選小於IOmm並且最優選小於3mm。結構的高度取決於所述底部的直徑D並且優選介於0. 1 * D和2 * D之間。在本發明的優選實施例中，有源層包括限定和重複的幾何結構的陣列，其中相鄰 的幾何結構相互毗鄰。所述結構可放置得使得所有結構的取向相同、相互交替或者隨機。這些對根據本發明的浮雕結構的設定要求在V-型、錐體、立方體或者完全隨機的 結構中得不到滿足。根據本發明的幾何結構陣列與現有技術已知的光伏裝置的有源層中的 任何浮雕結構不同，即與V-型、錐體、立方體或者隨機結構不同。當認為無限長時，V形結構 每個定義僅僅包括平行表面。有限長度的V形結構具有4邊形底部和沿著所述槽長度方向 的2個其它表面。錐體結構每個定義包括將所述m邊形底部連至所述頂點的m個三角形。 當所述立方體結構的其中一個表面為底部時，立方體結構不包括單個頂點。當所述立方體 結構在其中一個角上傾斜而具有單個頂點時，所述立方體結構不能顯示限定所述底部的表 面。這些幾何結構不能滿足根據本發明的任意要求。意外的是，可示出，這樣的有源層增強了有源層的太陽能吸收特性並因此改進了 光伏裝置的效率，所述有源層具有限定和重複的幾何結構的陣列形狀，並且其特徵在於，所 述幾何結構包括由至少三個η邊形表面連接的底部和單個頂點，且其中η等於4或者更高。根據本發明的幾何結構陣列應當處於所述有源層的兩個主要表面側至少其中一 個上。在本發明的優選實施例中，所述幾何結構陣列處於有源層的兩個主表面側上。處於 有源層外緣上的表面不受表面結構化的影響。在本發明的優選實施例中，光伏裝置包括具有兩個與有源層主面平行的主表面側 的支承基底，其特徵在於和有源層相鄰的表面側的形狀為有源層形狀或者有源層的逆向形 狀。逆向形狀被理解為對應初始形狀或者和初始形狀匹配的形狀。如果選擇自底向上策略 用於製造光伏裝置，其上沉積有源層的支承基底被用作光伏裝置非光接收側的背板。在這 種情形下，所述結構應當優選與有源層的光接收側所期望的幾何結構形狀相同。如果選擇自頂向下策略建造根據本發明的光伏裝置，則透明蓋板被用作光伏裝置 光接收側上的支承基底。在此情形中所述結構優選為有源層所期望的幾何結構的逆向形 狀。在本發明的另一個優選實施例中，所述光伏裝置因此包括具有兩個主表面側即光 接收側和與有源層相鄰的表面側的透明蓋板，其特徵在於和有源層相鄰的表面側的形狀與 有源層的形狀相逆。逆向形狀被理解為對應初始形狀或者和初始形狀匹配的形狀。除了所述兩個主表面側以外，所述透明蓋板在其外緣上例如在矩形板的情況下不 結構化四個側面的表面。透明材料被理解為在400-1200nm範圍內線性吸收小於0. 2mm 1的材料。包括和有源層形狀相逆的幾何結構的透明蓋板可由本領域技術人員已知的任何 透明材料製成。例如如聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚對苯二甲酸乙二酯 (PET)、聚丙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚環氧乙烷(PEO)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚丙 烯醯胺(PAA)、聚乙烯醇(PVA)、聚芳醯胺(PA)、聚氟乙烯(PVF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙酸乙烯酯(PVAc)、聚乙烯醇(PVA)、或者乙基乙烯基乙酸酯(EVA)的聚合物，或者如玻璃的無 機材料或者其任意組合。根據本發明的光伏裝置的透明蓋板，具有兩個主表面側，即光接收側和與有源層 相鄰的表面側，其特徵在於光接收表面側也包括限定和重複的幾何結構的陣列。這些處於 透明蓋的光接收表面側上的限定和重複的幾何結構可為V-形槽或者錐體結構。更優選地， 處於透明覆蓋層光接收表面側上的幾何結構包括由至少三個η邊形表面連接的底部和單 個頂點，其中η等於4或者更高。如果包括和有源層的形狀相逆的幾何結構的透明蓋板中具有發光染料，則可進一 步改進光伏裝置的效率。所述發光染料通過將所述層未有效利用的波長轉換為更有效利用的波長改進光 伏裝置的光譜響應。但是發光染料的發光分子所發射的部分光不能被現有技術光伏裝置的有源層利 用，因為其被所述層反射。因此發光染料在實踐中僅僅可提高現有技術光伏裝置的效率約 2% (H. J. Hovel 等人，Solar energy materials, 2，19—29 (1979))。當組合根據本發明的光伏裝置與現有技術已知的發光染料時，意外地是發生協同 效果，其中除了從簡單增加發光染料的發光分子所期望的以外，還可改進光伏裝置的光譜 響應。當對包含和根據本發明的有源層形狀相逆的幾何結構的透明蓋板添加發光分子 時，和未結構化的表面相比，光伏裝置的光譜響應得到改進。包括所述結構的透明蓋板通過 減小發光的反射損失增強了光伏裝置有源層的光接收表面上發光分子所發射的光的吸收。 發光分子優選分布在板內，但是還可出現於包含幾何結構陣列的透明蓋板和光伏裝置的有 源層的光接收表面之間的分離層中。可利用的發光分子例如可發出螢光或者磷光，並且所述分子可為下轉換發光和上 轉換發光。優選的分子發出螢光並且例如可為以下任何物質perelyne、香豆素、玫瑰精、萘 醯亞胺、苯並咕噸、吖啶、金胺、苯基蒽酮、花青、1，2_ 二苯乙烯、紅熒烯、冷光素或其衍生物。包含發光分子的發光染料因此優選為有機染料。但是發光染料還可為無機染料。 優選地發光染料用作UV吸收體以穩定構成透明蓋板的聚合物。發光染料可包括若干發光染料的混合物。發光染料的濃度優選介於每m2蓋板表 面和每mm蓋板厚度0. 001和50克染料之間。可通過對具有有源層所期望的逆向結構的板或者層施加有源層包括的無定形材 料而製造幾何結構陣列形狀的有源層。例如可通過如下的不同方法施加有源層灌注、濺射 塗敷、化學增強氣相沉積、等離子體增強化學氣相沉積或者物理氣相沉積。在本發明的一些實施例中，在有源層和浮雕板之間可設置至少一個附加特徵和/ 或層。所述層例如可為釋放層、導電層、抗反射層、導電軌、防汙層或者防霧層。在製造根據本發明的光伏裝置的優選過程中，具有有源層逆向結構的板或層如果 由透明材料製成則可用作光伏裝置的蓋板。在所述實施例中，在隨後的步驟中不去除有源 層。這樣的製造其中有源層為限定和重複幾何結構陣列形狀的光伏裝置的過程包括如下步 驟提供具有兩個主表面側即光接收表面側和將施加有源層的表面側的透明蓋板，使將在 其上施加有源層的表面側具有和有源層的限定與重複幾何結構相逆的形狀，以及在透明蓋板的所述表面側施加有源層，其特徵在於所述幾何結構包括通過至少三個η邊形表面連接 的底部和單個頂點，其中η等於4或者更高。


通過下面的附圖更詳細地描述本發明圖1 圖示示出了現有技術已知的薄膜光伏裝置，其具有a)具有隨機結構的有源 層和b)具有ν-形槽的有源層；圖2 根據本發明的單獨幾何結構的透視視圖；圖3 單獨幾何結構的a)俯視圖，b)側視圖0°，c)側視圖60° ；圖4 :a、b、c——圖示示出了一部分具有相互相鄰的結構的幾何光學浮雕結構的陣 列。
具體實施例方式圖1示出了具有結構化有源層的現有技術薄膜光伏裝置。為減小有源層的反射損 失，可如圖la)所示隨機紋理化前電極。代替隨機紋理化的表面，還可表面結構化有源層從 而覆蓋層接收其上隨後沉積有源層的限定和重複表面結構。圖lb)中示出了具有帶ν-形 槽的有源層的光伏裝置。圖2以透視圖示出了根據本發明的單獨幾何結構實例。但是所述實例並非限制 本發明的範圍。這裡所述幾何結構包括3個將六邊形底部直接連至單個頂點的正方形表 面，而所述結構一共包括9個其它表面。所述結構與現有技術已知的光伏裝置有源層中的 任何幾何結構例如V形、錐體或者隨機結構不同。V形結構具有4邊的多邊形底部和4個 其它表面，即2個沿著槽的長度方向，2個沿著邊沿。當認為無限長時，V形結構每個限定 (definition)僅僅包括平行的表面。錐體結構每個限定包括將m邊形底部連至所述頂點的 m個三角形。圖2中描述的結構均不滿足這樣的要求。圖3以a)俯視圖、b)側視圖0°和c)側視圖60°示出了圖2的單獨幾何結構。在本發明的優選實施例中，所述有源層包括幾何結構陣列。圖4以俯視圖示出了 一部分具有相互相鄰的結構的幾何結構陣列。圖4a示出有源層的幾何結構被設置為使得 所有結構的取向相互相同。圖4b示出幾何結構被設置為所述結構的取向相互交替。圖4c 示出幾何結構被設置為使得所有結構的取向相互之間隨機。為進一步降低有源層的反射損 失，單獨幾何結構的頂點可從有源層伸出或者其可向內指向有源層。為解釋而非限制本發明的範圍，下面給出本發明的實例比較實例1 進行了光線追跡研究，其中以不經歷表面結構化過程的基本均勻的有源層模擬所 述反射損失。所模擬的有源層由具有矽光學特性的薄層組成(在λ = 500nm下η = 4. 295，吸 收係數889/mm)。通過將光源置於所模擬的有源層上模擬有源層的光反射損失。所述光源發射全部 1000條射線，其總強度為1000W，波長為500nm。通過比較入射光的強度與有源層所吸收的光量確定反射損失。從入射光和吸收光的差計算反射光的量。在下面的表格中示出了校準光源發出的光或者光源發出的光具有 Iambertian分布時的反射損失。從下面的表格所示出的結果可觀測到反射了大量的光，並因此可得出如下結論， 即通過所述層的反射損失大大減小了包括非結構化有源層的光伏裝置的效率。比較實例2進行了光線追跡研究，其中以從現有技術已知的V-槽結構化有源層模擬所述反 射損失。對模擬的設置與比較實例1類似。所模擬的有源層由具有矽光學特性的薄層組成(在λ = 500nm下η = 4. 295，吸 收係數889/mm)。V槽陣列的單個結構的幾何形狀由長/寬比為20的底部組成並且頂角為 90°。所述陣列由10個單獨結構組成。從下面的表格所示出的結果可觀測到有源層的V槽結構減小了所述層的反射損失。比較實例3進行了光線追跡研究，其中模擬了從現有技術已知的逆向錐體結構化層的反射損 失。對模擬的設置與比較實例1類似。所模擬的有源層由具有矽光學特性的薄層組成(在λ = 500nm下η = 4. 295，吸 收係數889/mm)。陣列逆向錐體結構化層的單個結構的幾何形狀由長/寬比為1的底部組 成並且頂角為90°。所述陣列由10X10個單獨結構組成。從下面的表格所示出的結果可觀測到逆向錐體結構化層減小了所述層的反射損失。實例 1進行了光線追跡研究，其中模擬了有源層的反射損失，所述有源層具有根據本發 明的限定和重複幾何結構的陣列形狀。所模擬的有源層由具有矽光學特性的薄層組成(在λ = 500nm下η = 4. 295，吸 收係數889/mm)。其中成形有源層的限定和重複幾何結構的陣列的單獨結構幾何形狀與圖 2和3中所描述的幾何形狀相同。所述陣列由15X15個單獨結構組成並且根據圖4c形成。通過將光源置於所模擬的有源層上模擬有源層的光反射損失。所述光源發射全部 1000條射線，其總強度為1000W，波長為500nm。通過比較入射光的強度與有源層所吸收的光量確定反射損失。從入射光和吸收光 的差計算反射光的量。在下面的表格中示出了校準光源發出的光或者光源發出的光具有 Iambertian分布時的反射損失。當比較下面的表格所給出的這些結果與從比較實例1、2和3已知的結果時，可得 出下面的結論，即根據本發明結構化的有源層的反射損失最低。基於所述原理的光伏裝置 的效率因此將改進。
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權利要求
一種薄膜型光伏裝置，包括有源層，其中所述有源層為限定和重複的幾何結構的陣列的形狀，其特徵在於，所述幾何結構包括被至少三個n邊形表面連接的底部和單個頂點，其中n等於4或者更高。
2.根據權利要求1的光伏裝置，其特徵在於，每個幾何結構的底部為m邊形，以及每個 幾何結構包括至少m+1個表面。
3.根據權利要求1或2的光伏裝置，其特徵在於，所述有源層包括相鄰幾何結構相互毗 鄰的限定和重複的幾何結構的陣列。
4.根據權利要求1至3任一項的光伏裝置，其特徵在於，所述有源層包括幾何光學浮雕 結構的陣列，所述浮雕結構彼此具有相同的取向、相互交替的取向或者隨機取向。
5.根據權利要求1至4任一項的光伏裝置，其特徵在於所述有源層包括無定形材料。
6.根據權利要求1的光伏裝置，其特徵在於所述有源層包括無定形矽。
7.根據權利要求1至6任一項的光伏裝置，其特徵在於所述光伏裝置還包括有源層的 支承基底，所述支承基底具有兩個與所述有源層的主面平行的主表面側，並且與所述有源 層相鄰的所述表面側的形狀為所述有源層的形狀或者所述有源層的逆向形狀。
8.根據權利要求7的光伏裝置，其特徵在於，所述透明蓋板為所述有源層的支承基底， 所述透明蓋板具有兩個主表面側，即光接收側和與所述有源層相鄰的表面側，並且和有源 層相鄰的表面側的形狀與所述有源層的形狀相逆。
9.根據權利要求8的光伏裝置，其特徵在於，所述透明蓋板中具有發光染料。
10.根據權利要求8或者9的光伏裝置，其特徵在於，所述光接收表面側包括限定和重 復的幾何結構的陣列。
11.根據權利要求10的光伏裝置，其特徵在於，所述光接收表面側的所述幾何結構包 括被至少三個η邊形表面連接的底部和單個頂點，其中η等於4或者更高。1
12.一種製造光伏裝置的方法，所述光伏裝置中的有源層為限定和重複的幾何結構的 陣列的形狀，所述方法包括如下步驟提供具有兩個主表面側的支承基底，其與所述有源層的主平面平行，使在其上將施加有源層的所述表面側成形為所述有源層的限定和重複的幾何結構的 形狀或相逆形狀，在支承基底的該表面側施加所述有源層，其特徵在於，所述幾何結構包括通過至少三個η邊形表面連接的底部和單個頂點，其 中η等於4或者更高。
13.根據權利要求12的製造光伏裝置的方法，其特徵在於，通過物理或者化學氣相沉 積施加所述有源層。
14.根據權利要求12和13的製造光伏裝置的方法，其特徵在於，所述光伏裝置包括透 明蓋板，以及所述透明蓋板為所述有源層的支承基底。
全文摘要
一種包括無定形材料有源層的光伏裝置，其中有源層為限定和重複幾何結構陣列形狀，其特徵在於所述幾何結構包括被至少三個n邊形表面連接的底部和單個頂點，其中n等於4或者更高。
文檔編號H01L31/0392GK101971355SQ200980108389
公開日2011年2月9日 申請日期2009年3月4日 優先權日2008年3月10日
發明者B·斯萊格爾 申請人:光子有限公司