专利名称：用于确定光伏器件的参数的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于确定具有至少一个多结太阳能电池的光伏器件的参数的方法。本发明的主题还包括为实施该方法的参比电池和/或光伏参比模块。
背景技术：
一般来说，薄膜太阳能电池具有层序p-i-n，即ρ导电层或ρ层、本征层或i层，以及η导电层或η层，其中在整个i层上产生电场。对于包括两个、三个或多个具有层序p-i-n的子电池的多结太阳能电池来说，其中所述子电池一个设于另一个之上且电学地和光学地串联，各自的i层可包括具有相同或不同带隙的材料。通过针对特定的波长范围进行优化，能够提高效率。在研发范围内且为了对太阳能电池进行产品控制，使用了太阳模拟器，例如氙闪光灯，以便在标准测试条件下测定所照射的太阳能电池的关于电池效率或模块输出方面的 IV特性。优选使用具有与参比太阳光谱相一致的辐射光谱的太阳模拟器。然而，即使是在太阳模拟器的根据IEC60904-9的最高精度等级A中，在规定波长范围中也允许高达25%的
光谱偏差。通过已标定的参比电池，可以测定太阳模拟器的光的光谱范围，并且由此例如可以控制太阳能电池的生产。对于薄膜太阳能电池和模块来说，经常采用由有色玻璃过滤的晶体太阳能电池作为参比电池。有色玻璃过滤器的目的是使参比电池的光谱灵敏度或量子效率与待测太阳能电池和/或待测模块的量子效率尽可能地相匹配。由于适当的有色玻璃过滤器的范围是有限的，因此参比电池与测试对象的光谱灵敏度的匹配并不完美。这导致了测试对象和参比电池之间的光谱不匹配，其要求借助光谱不匹配因素来对测试对象的参数进行大量的校正。为此，需要有例如在IEC 60904-3中规定的太阳参比辐照度的光谱分布、在测试期间入射光的光谱辐照度分布，以及参比电池和测试对象的光谱灵敏度。因此，可以足够精确地检测相关的参数、特别是单个太阳能电池(单结器件)的性能，虽然这需要相当大的努力。然而，多结太阳能电池(多结器件)的电学测定比单个太阳能电池的电学测定困难得多，这是由于无法电接入到子电池，并且因此仅可通过作为电学单元和光学单元的两种连接来测定多电池。尽管在DIN EN 60904-7中说明了也可将光谱不匹配因素的等式用于多结太阳能电池，然而对于多结太阳能电池来说该不匹配实质上是不可能的。当标定多结太阳能池时， 必须使用多个光源作为太阳模拟器，以将参比电池和多结电池的各自子电池之间的光谱不匹配考虑进来。该标定是耗时的重复性过程，这是由于当调整部分光源的辐照密度时光谱累计分布会发生变化，因此通常必须进行不匹配因素的重新计算。 作为替代，对于η个部分光源彼此独立的情况，可以使用具有η个等式的等式线性系统的复杂性较低的解决方法。但是，这要求部分光源的光谱分布在强度变化时不变，这仅对于一级近似中的很小变化是允许的。另一缺点是过滤参比太阳能电池的仅有几平方厘米的小尺寸。由于局部光谱和密度的不均一性，大面积的太阳模拟器只能用这种小面积的参比电池通过相当大的与测量和时间相关的努力来标定。特别是在光伏薄膜模块的生产中， 这种努力是不希望有的。
发明内容
因此，本发明的技术问题是提供一种方法以及一种参比电池和一种参比模块，以便精确地确定多结太阳能电池和具有多结太阳能电池的光伏模块的参数，特别是后者的性能。根据本发明，这通过如下所述的确定待测光伏器件的参数的方法方法来实现。其中，光伏器件具有至少一个包括至少两个子电池的多结太阳能电池，其中子电池一个设于另一个之上且电学地和光学地串联连接，各子电池均具有P导电层、本征层以及η导电层。 其中，为待测光伏器件的至少一个多结太阳能电池的至少两个子电池的各子电池生产包括至少两个子电池的参比电池，其中各参比电池的一个子电池与待测光伏器件的至少一个多结太阳能电池的至少两个子电池中的一个子电池相一致，而各参比电池的至少一个其他子电池具有至少一个与待测光伏器件的至少一个多结太阳能电池的至少一个其他子电池的本征层相一致但通过掺杂转化成导电层的层；测定参比电池的光谱灵敏度；以及为了确定至少一个多结太阳能电池的参数，在相同的条件下通过根据参比电池标定的太阳模拟器来测定参比电池的参数和至少一个多结太阳能电池的参数。本发明还提供了一种用于实施上述方法的参比电池，该参比电池包括至少两个子电池，其中参比电池的一个子电池与待测光伏器件的至少一个多结太阳能电池的至少两个子电池的一个子电池相一致，而各参比电池中的至少一个其他子电池具有至少一个与待测光伏器件的至少一个多结太阳能电池的至少一个其他子电池的本征层相一致但通过掺杂转化成导电层的层。本发明还提供了一种用于实施上述方法的参比模块，该参比模块具有多个单个电池，各单个电池包括具有至少两个子电池的多结太阳电池，子电池一个设于另一个之上且电学地和光学地串联连接，其中各单个电池包括至少两个子电池，并且该至少两个子电池中的一个具有至少一个导电层。本发明还提供了一种用于实施上述方法的参比模块，其中各单个电池的一个子电池与待测光伏器件的多结太阳能电池的至少两个子电池中的一个子电池相一致，而该单个电池的至少一个其他子电池具有至少一个与待测光伏器件的多结太阳能电池的至少一个其他子电池的本征层相一致但通过掺杂转化成导电层的层。在下文中还描述了根据本发明的有利实施方案。为了确定光伏器件的参数，该光伏器件具有至少一个包括至少两个子电池的多结太阳能电池，其中子电池一个设于另一个之上且彼此电学和光学地串联，并且每个子电池均具有P层、i层和η层，为根据本发明的该多结太阳能电池的每个子电池生产了参比电池。 每个参比电池包括与多结太阳能电池相同数量、因此为至少两个的子电池。每个参比电池的至少两个子电池中的一个与多结太阳能电池的至少两个子电池中的一个相一致，特别是关于参比电池的位置、材料和层厚度，以及优选是掺杂状况、光学带隙、带隙等级、结晶度(特别是拉曼结晶度)、缺陷密度和缓冲层。这意味着，每个参比电池的至少两个子电池中的一个具有与多结太阳能电池的至少两个子电池中的一个相同的在参比电池的层状子电池中的位置。在多结太阳能电池是双重电池或串联电池的情况中，相应地生产两个参比电池， 其中一个参比电池中的底部电池与串联电池的底部电池相一致，而另一个参比电池中的顶部电池与串联电池的顶部电池相一致。此外，每个参比电池的至少两个子电池中的一个包括与多结太阳能电池的至少两个子电池中的一个相同的材料，因此具有相同的半导体材料和相同的掺杂剂，包括掺杂浓度。此外，每个参比电池的至少两个子电池中的一个的层厚度，即ρ层、i层和η层的层厚度与多结太阳能电池的一个子电池中的相同。此外，参比电池的至少两个子电池中的一个的所有其他特征，特别是光学带隙、带隙等级、结晶度(特别是拉曼结晶度)、缺陷密度和缓冲层优选地与多结太阳能电池的至少两个子电池中的一个的相应特征相同。也就是说，在多结太阳能电池是串联电池的情况中，生产了两个参比电池，其中一个参比电池包括底部电池而另一个参比电池包括顶部电池，它们的组成材料和所具有的层厚度与串联电池的底部电池和/或顶部电池相同，并且优选地，所述一个参比电池的底部电池和另一个参比电池的顶部电池的光学带隙、带隙等级、结晶度(特别是拉曼结晶度)与串联电池的底部电池和/或顶部电池也完全相一致。相反，每个参比电池的至少一个其他子电池具有至少一个与多结太阳能电池的至少一个其他子电池的i层相一致的层，但是它通过掺杂转化为导电层。参比电池的通过掺杂转化成导电层的所述其他子电池或每个其他子电池(对于具有多于两个子电池的多结太阳能电池来说)是光伏惰性的。这意味着，根据本发明，为多结太阳能电池的每个子电池生产参比电池，在这种情况下，所述多结太阳能电池的至少一个其他子电池的本征层通过掺杂转化成导电层，其中不能对参比电池的所述至少一个其他子电池的P导电层或η导电层或P导电层和η导电层实施掺杂。因此，每个参比电池包括具有p-i-n结构的第一子电池和至少一个光伏惰性的子电池，该子电池包括导电层，但其半导体材料和所具有的层厚度与多结太阳能电池的所述至少一个其他子电池相同。然而优选地是，参比电池的至少一个其他子电池包括通过i层的掺杂而转化成导电层的层，以及多结太阳能电池的至少一个其他子电池的P导电层和/或η导电层，其中尤其是在参比电池的该其他子电池包括通过i层的掺杂转化成导电层的层以及多结太阳能电池的至少一个其他子电池的P导电层及η导电层的情况下，参比电池允许特别精确地确定多结太阳能电池的参数，特别是其性能。也就是说，对于双重或串联太阳能电池来说，优选地通过掺杂将所述其他子电池的本征层转化成导电层而为两个子电池中的每一个生产参比电池，其中对于具有多于两个子层的多结太阳能电池来说，通过对多结太阳能电池的其他子电池的本征层进行掺杂、即将其转化成导电层来为每个子电池生产参比电池。因此，通过太阳模拟器来测定所生产的参比电池的量子效率或光谱灵敏度。此外， 在相同的条件下通过太阳模拟器来测定参比电池的参数和多结太阳能电池的参数。通过比较多结太阳能电池的参数和参比电池的参数，尤其能够确定多结太阳能电池的性能。根据本发明，参比电池针对某一子电池的光谱灵敏度大体上同样适用于多结太阳能电池中的所述子电池的光谱灵敏度。根据本发明的方法特别适用于确定硅薄膜多结太阳能电池的参数。硅薄膜多结太阳能电池的至少一个子电池的ρ层和/或η层可与碳、氧和/或氮合金化以提高带隙。为了掺杂子电池的P层，例如可使用硼，为了掺杂η层可使用磷。对于多结电池的生产，优选可使用化学气相沉积，特别是等离子增强的PECVD方法。通过分馏处理等离子体中的含硅气体来生产各个子电池的层。通常使用硅烷或乙硅烷作为沉积气体。除了(未掺杂的)i层，还沉积经掺杂的P层和η层，即通常由乙硼烷或三甲基硼与沉积气体的混合物来沉积光通过其而落入到各个子电池的i层上的P层，以及由磷化氢与沉积气体的混合物来沉积η层。子电池的i层可由具有相同带隙的硅材料组成，例如排除了具有不同带隙的非晶硅或硅材料，例如多结太阳能电池的一个或多个子电池中的非晶硅和该子电池或其他子电池中的微晶硅，或者一个或多个子电池中的非晶硅和该子电池或其他子电池中的非晶锗化硅(Si-Ge合金)。根据本发明，在串联太阳能电池中，作为单个电池的底部或顶部电池的光学灵敏度或量子效率几乎可完美地再现，因此可用作参比电池和/或大面积的参比模块。串联电池中的该子电池的量子效率是在多于十个层厚在约5到3000nm之间的单层的非光滑表面上的薄膜系统中的光学相互作用的复杂结果。因此，使用根据现有技术的光学过滤器来再现该量子效率是徒劳的。根据本发明，多结太阳能电池的其他子电池的通常未掺杂的本征层，即在上述例子的串联太阳能电池中的顶部电池的通常未掺杂的本征层，被η掺杂或ρ掺杂到使得后者的暗电导率为至少10_5S/cm，特别是至少为10_4S/cm。这同样适用于底部电池的i层。根据本发明的方法特别可用于多结太阳能电池和光伏模块的性能确定。根据标准测试条件，可以应用例如1000W/m2的太阳模拟器对多结太阳能电池和/或模块的层的辐照度，例如25°C的太阳能电池的恒定温度，例如AM 1.5G的光谱，以及在相对于法线为48°的入射角下的全球太阳辐射光谱。当通过太阳模拟器来测定所照射的太阳能电池的IV特征时，所述性能产生于最大操作点处的电流和电压的乘积。根据本发明，在串联太阳能电池中生产两个参比电池，其具有与串联太阳能电池相同的层序，但是对于参比电池而言，通过掺杂将其顶部电池和/或底部电池的i层转化成导电层，以形成用于底部电池和/或顶部电池的参比电池。接着，确定两个参比电池以及底部和顶部电池的光谱灵敏度，其与性能待确定的串联太阳能电池的底部和顶部电池的光谱灵敏度相匹配。对于例如AM 1.5G的太阳参比光谱，可以基于所确定的光谱灵敏度来测定或计算两个参比电池的性能。典型地，可在计量院如德国联邦物理和计量研究院(Physikalisch-Technische Bundesanstalt ；PTB)或经认定的测试实验室如弗劳恩霍夫太阳能系统研究所(ISE)中实施该标定程序。为了确定待测串联太阳能电池的参数和性能，使用了光谱可调的太阳模拟器，其具有不必与参比太阳光谱相匹配的辐射光谱。但是在标定程序期间，要调整太阳模拟器的辐射光谱，以使串联电池中两个参比电池的性能与所确定的性能相匹配。为此，可通过太阳模拟器产生来自两个或多个具有不同辐射频率光谱的光源的混合光，其中如有必要可通过过滤器额外地修正该混合光。用于产生混合光的太阳模拟器例如可包括具有不同辐射光谱的氙灯、金属卤素灯等，并且例如可以是闪光灯模拟器。出于该原因，这样调整后的太阳模拟器可显著地偏离太阳参比光谱，也就是说，太阳模拟器因此可与B级或C级或更下级的光谱精确等级相匹配。此外，对于根据本发明的方法，不必测定太阳模拟器的辐射光谱。因此，用于例如串联太阳能电池的顶部电池和/或底部电池的两个参比电池的性能与例如AM 1. 5G的参比太阳光谱中的串联太阳能电池的性能相一致。可通过太阳模拟器的距离和/或其性能来将辐照度设置在例如1000W/m2。在相同的条件下，通过太阳模拟器来测定待测太阳能电池的性能。因此，可以高精度地确定待测串联或多结太阳能电池的性能相对于参比电池的整体性能的性能偏离(5%并显著更小)。根据本发明，能够以相同地精度测定光伏模块的性能，所述光伏模块包括多个彼此串联的单个电池，并且如有必要其与接触片、线缆、背部封装等一起形成了备用模块。为此，为多结太阳能电池的各子电池生产参比模块，其中多结太阳能电池包括串联连接的模块的单个电池。单个参比模块彼此不同，这是因为模块的多结太阳能电池的一个不同的子电池具有层序p-i-n，而在模块的多结太阳能电池的其他子电池中，i层转化成导电层并且因此被短路。因此，根据本发明的方法也适合于相同构造的具有任意尺寸和设计的大面积模块。此外，本发明特别适合于在工艺改进和/或模块生产范围内的用于工艺控制的评估和监测方法。
在下文中将基于附图并通过实施例来对本发明进行详细描述。图1到3显示了串联太阳能电池的和/或用于串联太阳能电池的底部电池和/或顶部电池的参比电池的结构示意图；图4显示了根据图2的参比电池的底部电池以及待测串联太阳能的底部电池和顶部电池的光谱灵敏度；和图5显示了用于底部电池的本发明参比电池的IV特征曲线和以表格形式列出的参数。
具体实施例方式根据图1，串联太阳能电池包括透明且导电的前电极层TC0、光线落在其上的第一子电池或顶部电池1、第二子电池或底部电池2，以及背电极或反射层3。顶部电池1和底部电池2均构造为p-i-n电池，即它们各自在其正面即光射入侧上具有P层pl、p2，并且在其背侧上具有η层nl、n2。在每个子电池1、2的ρ层pl、p2和η 层nl、n2之间设有本征层或i层il、i2。ρ层pi、p2和η层nl、n2以及顶部电池1的i层il均由非晶硅组成。底部电池 2的i层i2例如由微晶硅组成。背电极和反射层3包括数个堆积金属层Mel、Me2和Me3， 例如 Cu (Mel)、Ag (Me2)禾口 NiV (Me3)。根据图2，为了确定根据图1的串联太阳能电池的底部电池2的参数，参比电池Rb 具有与根据图1的串联太阳能电池相同的层序，其差异在于，顶部电池1的i层il转化成导电层11，即被短路。根据图3，为了确定根据图1的串联太阳能电池的顶部电池1的参数，参比电池Rt 也具有与根据图1的串联太阳能电池相同的层序，其差异在于，底部电池2的i层i2转化成导电层12，即被短路。图4的曲线4显示了根据图1的串联太阳能电池的底部电池2的光谱灵敏度或量子效率，曲线5显示了根据图2的参比电池Rb的底部电池2的光谱灵敏度或量子效率，所述参比电池Rb具有与根据图1的串联太阳能电池相同的i层i2。显然，根据图1的串联太阳能电池的底部电池2的光谱灵敏度与参比电池Rb的底部电池2的光谱灵敏度几乎完全一致。这意味着，如果在相同的条件下通过由参比电池Rb和Rt标定的太阳模拟器来检测根据图1构造的待测串联太阳能电池的参数以及参比电池Rb和Rt的参数，那么就可以高精度地确定待测串联太阳能电池的参数以及由此特别是该串联太阳能电池的性能，而不必使用光谱不匹配因素。类似地，这同样适用于待测串联太阳能电池的顶部电池1相对于参比电池Rt的光谱灵敏度，图4的曲线6显示了根据图1的串联太阳能电池的顶部电池1的光谱灵敏度。作为比较，图4的虚线曲线7显示了由根据现有技术所使用的由有色玻璃过滤的参比电池的光谱灵敏度。根据图2和3，参比电池Rb和Rt各自具有顶部电池1和/或底部电池2，其中，顶部电池1和/或底部电池2的本征层已转化成导电的和光伏惰性的层11和/或12，但是存在与根据图1的串联电池相同的P导电层Pl和/或P2以及η导电层nl和/或n2。然而，在本征层已转化成导电层11和/或12的情况下，也可以略去参比电池Rb 的顶部电池1中的P导电层Pl和η导电层nl以及参比电池Rt中的ρ导电层p2和η导电层π2，而不会显著影响多结太阳能电池的参数、特别是其性能的精确确定。然而在此情况下，层11和/或12具有与根据图1的串联电池的子电池1和/或2相同的层厚度。也就是说，由参比电池的Rb和/或Rt的子电池1和/或2所组成的整个半导体层已被掺杂而形成导电层11、12。因此，导电层11和/或12具有与根据图1的串联电池的子电池1和/ 或2相同的层厚度。
权利要求
1.一种确定待测光伏器件的参数的方法，所述光伏器件具有至少一个包括至少两个子电池(1, 的多结太阳能电池，其中所述子电池一个设于另一个之上且电学地和光学地串联连接，各子电池均具有P导电层(pl，p2)、本征层(il，i2)以及η导电层(nl，n2)，其中，为所述待测光伏器件的至少一个多结太阳能电池的至少两个子电池(1，2)的各子电池(1，2)生产包括至少两个子电池(1，2)的参比电池(Rb，Rt)，其中各参比电池(Rb， Rt)的一个子电池0，1)与所述待测光伏器件的至少一个多结太阳能电池的至少两个子电池(1，2)中的一个子电池(2，1)相一致，而各参比电池(Rb，Rt)的至少一个其他子电池(1， 2)具有至少一个与所述待测光伏器件的至少一个多结太阳能电池的至少一个其他子电池 (1,2)的本征层(il， 2)相一致但通过掺杂转化成导电层的层(11，12)，测定所述参比电池(Rb，Rt)的光谱灵敏度，和为了确定所述至少一个多结太阳能电池的参数，在相同的条件下通过根据参比电池 (Rb,Rt)标定的太阳模拟器来测定所述参比电池(Rb，Rt)的参数和所述至少一个多结太阳能电池的参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参比电池(Rb，Rt)的所述至少一个其他子电池(1，2)包括通过本征层(il， 2)的掺杂转化成导电层(11，12)的层，以及所述待测光伏器件的至少一个多结太阳能电池的至少一个其他子电池(1，2)的ρ导电层(pl，p2) 和/或η导电层(nl，n2)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，确定硅多结太阳能电池的参数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述硅多结太阳能电池的本征层(il，i2) 由具有相同或不同带隙的硅材料组成。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过掺杂转化成导电层(11， 12)的所述本征层(il， 2)的暗电导率为至少10_5S/cm。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用具有偏离于参比太阳光谱的辐射光谱的太阳模拟器。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，确定对于参比电池和至少一个多结太阳能电池的性能确定所需要的参数。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光伏器件包括具有多个单个电池的光伏模块。
9.一种用于实施根据权利要求1到7中任一项所述的方法的参比电池，其特征在于， 所述参比电池包括至少两个子电池(1，2)，其中所述参比电池(Rb，Rt)的一个子电池(2，1) 与待测光伏器件的至少一个多结太阳能电池的至少两个子电池(1，2)中的一个子电池(2， 1)相一致，而各参比电池(Rb，Rt)中的至少一个其他子电池(1, 具有至少一个与待测光伏器件的至少一个多结太阳能电池的至少一个其他子电池(1，2)的本征层(il，i2)相一致但通过掺杂转化成导电层的层(11，12)。
10.根据权利要求9所述的参比电池，其特征在于，所述参比电池(Rb，Rt)的至少一个其他子电池(2，1)与待测光伏器件的至少一个多结太阳能电池的至少两个子电池(1，2)中的一个子电池(2，1)相一致，并且参比电池(Rb，Rt)的至少两个子电池(2，1)中的所述一个子电池的至少一个导电层(11，12)与待测光伏器件的一个多结太阳能电池的至少一个其他子电池(1, 的本征层(il， 2)相一致，但是通过掺杂而转化成导电层(11，12)。
11.根据权利要求9所述的参比电池，其特征在于，所述参比电池(Rb，Rt)的至少一个其他子电池(1，2)包括通过本征层(il， 2)的掺杂转化成导电层(11，12)的层，以及多结太阳能电池的至少一个其他子电池(1，2)的ρ导电层(pl，p2)和/或η导电层(nl，n2)。
12.一种用于实施根据权利要求8所述的方法的参比模块，其特征在于，所述参比模块具有多个单个电池，各单个电池包括具有至少两个子电池的多结太阳电池，所述子电池一个设于另一个之上且电学地和光学地串联连接，其中各单个电池包括至少两个子电池，并且所述至少两个子电池中的一个具有至少一个导电层(11，12)。
13.一种用于实施根据权利要求8所述的方法的参比模块，其特征在于，各单个电池的一个子电池与待测光伏器件的多结太阳能电池的至少两个子电池中的一个子电池相一致， 而所述单个电池的至少一个其他子电池具有至少一个与所述待测光伏器件的多结太阳能电池的至少一个其他子电池的本征层相一致但通过掺杂转化成导电层的层。
14.根据权利要求13所述的参比模块，其特征在于，多结太阳能电池的单个电池的至少一个其他子电池包括通过本征层的掺杂转化成导电层的层，以及多结太阳能电池的单个电池的至少一个其他子电池的P导电层和/或η导电层。
全文摘要
本发明涉及确定待测光伏器件的参数的方法，该光伏器件具有至少一个包括至少两个子电池的至少一个多结太阳能电池，子电池一个设于另一个之上且电学和光学地串联，各子电池具有p导电层、本征层和n导电层，该方法包括为各子电池制造至少一个参比电池。各参比电池的子电池与至少一个多结太阳能电池的至少两个子电池中的一个子电池一致。相反，各参比电池的至少一个其他子电池具有至少一个与多结太阳能电池的至少一个其他子电池的i层相一致但通过掺杂转化成导电层的层。检测参比电池的光谱灵敏度。为确定多结太阳能电池的参数，在相同条件下通过由参比电池标定的太阳模拟器来测定参比电池和至少一个多结太阳能电池的参数。
文档编号G01R31/26GK102435926SQ20111025404
公开日2012年5月2日 申请日期2011年8月31日 优先权日2010年8月31日
发明者安德里亚斯·海斯劳尔, 皮特·莱希纳 申请人:肖特太阳能股份公司