专利名称：光生伏打器件及其制造方法
技术领域：
该申请一般涉及光生伏打(photovoltaic)器件和制造光生伏打器件的方法。
背景随着全球经济的发展，对能量的需求也不断上升。结果，传统矿物燃料的价格不断升高。但是，矿物燃料使用的增加具有对环境造成有害影响、理论上供应有限之类的缺点。
政府和能源工业正在寻找替代能源，用来满足未来能源供应的要求。但是，替代能源比传统矿物燃料源每千瓦时的成本更高。一种这样的替代能源是太阳能。在典型的太阳能系统中，光生伏打器件吸收太阳光，产生电能。典型的光生伏打器件已经使用聚合物叠层或玻璃来保护光电池的活性面。但是，典型的聚合物叠层和玻璃具有较差的机械性能，或者具有较差的老化性能。例如，玻璃在碰撞或磨擦时会发生机械损害。如乙烯乙酸乙烯酯(EVA)之类的聚合物叠层会劣化、光学透明度下降，并且产生腐蚀性副产物。机械故障和化学降解都会缩短光电池的寿命，减少由光电池产生的电量，提高光生伏打器件寿命内每千瓦时的成本。因此，希望得到改进的光生伏打器件。
概述在一个特定的实施方式中，本文涉及一种光生伏打器件，该器件包括光生伏打层、第一含氟聚合物层和第二含氟聚合物层。第一含氟聚合物层覆盖光生伏打层的活性面。第二含氟聚合物层覆盖第一聚合物层。第二含氟聚合物层的熔点大于135℃，第一含氟聚合物层的熔点小于135℃。
在另一个示例性实施方式中，本文涉及一种制造光生伏打器件的方法。该方法包括加热第一聚合物层，并施加第一聚合物层以覆盖光生伏打层。第一聚合物层包括至少两个共挤出的含氟聚合物层。将第一聚合物膜至少加热到至少两个共挤出含氟聚合物层的第一层的熔点。
在另一个示例性实施方式中，本文涉及一种光生伏打器件，该器件包括光生伏打层和第一聚合物层。第一聚合物层覆盖光生伏打层，且包括至少两个共挤出含氟聚合物层。
附图简要说明
图1和图2说明光生伏打器件的示例性实施方式。
图3说明制造光生伏打器件的示例性方法。
图4说明用于制造光生伏打器件的示例性设备。
发明详述在一个实施方式中，提供一种光生伏打器件，该器件包括光生伏打层和第一聚合物层。第一聚合物层覆盖光生伏打层，且包括至少两个共挤出的含氟聚合物层。第一聚合物膜覆盖光生伏打层的活性表面。在另一个实施方式中，第一聚合物膜覆盖光生伏打层的背面。在各种情况中，覆盖的膜或层一般与下层直接接触，尽管另选的实施方式中在覆盖层和下层之间具有中介层。
光生伏打器件可通过以下步骤制造将第一聚合物至少加热到两个共挤出的含氟聚合物层的较低熔点，然后通过例如挤压或轧制施加(apply)所述层，以覆盖光生伏打层。例如，可通过连续工艺将第一聚合物膜热轧到光生伏打层上。在另一个例子中，可通过间歇或半连续工艺将第一聚合物层压制到光生伏打层上，下文中将详细描述。
至少两个共挤出的含氟聚合物层的第一和第二含氟聚合物可分别由氟化单体形成的聚合物和共聚物形成。共聚物包括接枝共聚物、交替共聚物、无规共聚物和嵌段共聚物。示例性的含氟聚合物可以由包括以下物质的单体形成四氟乙烯(TFE)、六氟丙烯(HFP)、全氟丙基或全氟甲基乙烯基醚、三氟氯乙烯(CTFE)、偏二氟乙烯(VF2或VDF)和氟乙烯(VF)。所述含氟聚合物可包括含有一种或多种上述单体的聚合物、聚合物混合物和共聚物，例如氟代乙烯丙烯(FEP)、乙烯-四氟乙烯(ETFE)、聚四氟乙烯-全氟丙基醚(PFA)、聚四氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚(MFA)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、乙烯-三氟氯乙烯(ECTFE)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、以及四氟乙烯-六氟丙烯-偏二氟乙烯(THV)。在另外的示例性实施方式中，含氟聚合物可以是烯烃单体与氟代单体的共聚物，例如购自Daikin America，Inc.的DaikinTMEFEP。
一般地，至少两个共挤出的含氟聚合物层中的每一层都主要由各自的含氟聚合物形成，这样，在聚合物混合物的情况中，非氟化聚合物的含量限制在小于聚合物总量的15重量％，例如小于10重量％，小于5重量％或小于2重量％。在某些实施方式中，至少两个共挤出层的聚合物含量基本上是100％含氟聚合物。在一些实施方式中，所述层基本上分别由所述含氟聚合物组成。在本文中，短语“基本上由……组成”用来描述含氟聚合物的时候，表示排除了影响含氟聚合物的基本特性和新颖特性的非氟化聚合物的存在，但是在聚合物层中可以使用通常应用的处理试剂和添加剂，例如抗氧化剂、填料、UV剂、染料和抗老化剂。
在一个
具体实施例方式
中，所述第一和第二含氟聚合物可以是由单体TFE、HFP和VDF形成的共聚物，例如THV共聚物。所述THV共聚物可包括DyneonTMTHV 220、DyneonTMTHV 2030GX、DyneonTMTHV 500G、DyneonTMTHV X815G或DyneonTMTHV X610G。例如，所述共聚物可包含约20-70重量％的VDF单体，例如约35-65重量％的VDF单体。所述共聚物可包含约15-80重量％的TFE单体，例如约20-55重量％的TFE单体。另外，共聚物可包含约15-75重量％的HFP单体，例如约20-65重量％。在一个实施方式中，较低熔点的共聚物包含至少50重量％的VDF单体，例如约55重量％的VDF单体，或约60重量％的VDF单体。在另一个实施方式中，较高熔点的共聚物包含不超过约50重量％的VDF单体，例如不超过大约45重量％的VDF单体，或不超过大约40重量％的VDF单体。
图1显示了光生伏打器件的示例性实施方式。光生伏打器件102包括一个或多个被保护膜106和108包围的光生伏打层104。光生伏打层104包括活性表面110和背面112。当工作时，光生伏打层104可接收通过活性表面110的电磁辐射，并使用器件如在一个或多个光生伏打层104中形成的半导体器件，将电磁辐射转化为电势。一般来说，穿过保护膜108传送或传递到背面112的光或电磁辐射不会导致产生明显的电势。
聚合物膜106和108的厚度至少约为2密耳。例如，聚合物膜106和108的厚度至少约为3密耳，至少约为5密耳，或者更大。在一个示例性实施方式中，聚合物膜如膜106和108包括共挤出的含氟聚合物层。
一个或多个光生伏打层104可由硬质基材或软质基材形成。例如，硬质基材包括晶体硅。软质基材包括金属基材，诸如钛、无定形硅基材和聚合物基材。使用如半导体加工技术和印刷技术之类的技术在基片上形成光敏器件，诸如电子器件。这些光敏器件可使用导电互连连接，例如金属性互连和/或半导体互连。举例来说，金属性互连包括金、银、钛或铜互连。另外，光生伏打层104可以包括或不包括在活性表面112上的硬涂布层，该层在其它处理过程中用于保护一个或多个光生伏打层。
如图1的示例性实施方式中所描述的，保护膜106可以覆盖一个或多个光生伏打层104的活性表面110，而保护膜108可位于一个或多个光生伏打层的背面112之下。在此特定实施方式中，膜106包括两个共挤出的层114和116。这些共挤出层可由如PVDF、ETFE或THV之类的含氟聚合物形成。
在一个特征中，层114的熔点比层116的熔点至少约高10℃。例如，含氟聚合物层114的熔点比含氟聚合物层116的熔点至少约高25℃，至少约高40℃，至少约高60℃，或者至少约高100℃。
此外，含氟聚合物层114的熔点大于135℃，含氟聚合物层116的熔点小于135℃。例如，含氟聚合物层114的熔点至少约为165℃，至少约为180℃，或者至少约为220℃。含氟聚合物层116的熔点不超过约135℃，不超过约120℃，或者不超过约115℃。
另外，氟聚合物层114的氟化百分数大于含氟聚合物层116的氟化百分数。例如，含氟聚合物层114比含氟聚合物层116包含的氟原子数目多。另外或另选地，含氟聚合物层114比含氟聚合物层116包含更高百分含量的氟化碳。
在一个特定的实施方式中，含氟聚合物层114和含氟聚合物层116由THV共聚物形成。例如，含氟聚合物层114比含氟聚合物层116具有更高百分含量的HFP。在另一个示例性实施方式中，含氟聚合物层114比含氟聚合物层116具有更高百分含量的TFE。在另一个示例性实施方式中，含氟聚合物层114比含氟聚合物层116具有更低百分含量的VDF。
在一个实施方式中，层114由THV嵌段共聚物如DyneonTMTHV 500G、DyneonTMTHV X815G或DyneonTMTHV X610G形成，而层116由DyneonTMTHV 220或PVDF形成。例如，聚合物膜106可由THV层114和PVDF层116形成。在其它示例性实施方式中，层114可由PVDF、THV、ETFE、EFEP或PCTFE形成，而层116可由PVDF或THV形成。
聚合物膜106覆盖一个或多个光生伏打层104的活性表面110。为了便于光透射到活性表面，聚合物膜106的光学透明度一般为至少约85％的光可以透过。例如，聚合物膜106的光学透明度为可见光谱(例如约100纳米至约1000纳米或约380纳米至770纳米)中至少约85％的光可以透过。在其它实施方式中，聚合物膜106的光学透明度可以允许至少约90％、例如至少约92％或者甚至至少约95％的光透过。透明度甚至可以更高，例如至少约98％或至少约99％的光可以透过。可通过例如BYK-GardnerHaze-Gard Plus测量光学透明度。
聚合物膜108可具有两个层118和120。在一个示例性实施方式中，含氟聚合物膜108包含与含氟聚合物膜106相同的材料。在另一个实施方式中，聚合物膜108具有与聚合物膜106不同的结构，可以层压或粘合到一个或多个光生伏打层104的背面112上。
在另一个实施方式中，可以增加其它层来覆盖聚合物膜106或置于聚合物膜108之下。在一个示例性实施方式中，可以层压或粘合其它含氟聚合物膜如ETFE膜，以覆盖聚合物膜106。在另一个示例性实施方式中，可以层压PCTFE膜，以覆盖聚合物膜106或位于聚合物膜108之下。
图2说明光生伏打器件的另一个实施方式。在光生伏打器件202中，聚合物膜206和208被层压或粘合到光生伏打层204上。光生伏打层204包括活性表面210和背面212。一个或多个光生伏打层204与上述一个或多个光生伏打层具有类似的结构。
聚合物膜206包括聚合物层214、216、218和220。聚合物膜206可以是共挤出膜，包括至少两个共挤出的含氟聚合物层。例如，层218和220、层216和220、层214和218、或两个或多个层的不同组合可包括含氟聚合物层。
在一个特定的实施方式中，层218和220是熔点差值至少约为10℃的含氟聚合物层。例如，层218的熔点至少高出约25℃，至少高出约40℃，至少高出约60℃，或至少高出约100℃。含氟聚合物层218的熔点可以大于135℃，含氟聚合物220的熔点可以小于135℃。例如，含氟聚合物层218的熔点至少约为160℃，至少约为180℃，或者至少约为220℃。含氟聚合物层220的熔点不超过约135℃，例如不超过约125℃，不超过约120℃，或者不超过约115℃。
在一个示例性实施方式中，聚合物膜206由包含含氟聚合物如DyneonTMTHV 220、DyneonTMTHV 2030GX或PVDF的层220形成。层218由THV共聚物如DyneonTMTHV 500G、DyneonTMTHV X815G或DyneonTMTHV X610G形成。层216可由含氟聚合物如PCTFE形成，而层214可由含氟聚合物如ETFE或DaikinTMEFEP形成。
光生伏打器件202可包括层压或粘合在一个或多个光生伏打层204的背面212上的聚合物膜208。聚合物膜208可包括至少两个共挤出的含氟聚合物层，诸如层228和226、228和224、226和222、或两个或多个这些层的组合。所述至少两个共挤出的含氟聚合物层所包含的一个层的熔点高于另一个层。例如，层226的熔点高于层228。同样地，聚合物膜208具有与聚合物膜206类似的结构。
覆盖一个或多个光生伏打层的聚合物膜可提供光学透明度，例如可见光谱中至少约85％的光可以透过。例如，聚合物膜的光学透明度为至少95％的光透过。
可通过图3所示的方法形成聚合物器件。方法300包括加热聚合物膜，如步骤302所示。可将聚合物膜加热到至少约为第一含氟聚合物层的熔点而又小于第二含氟聚合物层的熔点的温度。如步骤304所示，将聚合物膜施加到光生伏打层上。在冷却后，将聚合物膜粘合或层压到光生伏打层上。这种方法可使用在光生伏打器件的连续工艺中。
图4描述了一种示例性连续工艺，例如热轧。提供包含至少两个含氟聚合物层的聚合物膜404的滚轮。在热滚轮406处加热膜404，通过滚轮408压制到一个或多个光生伏打层410上。在另一个实施方式中，重复该过程，以层压聚合物层或光生伏打层410的第二面。
在另选的实施方式中，可以将聚合物膜施加到光生伏打层上，然后加热到至少约为熔点最低的含氟聚合物层的熔点的温度。该另选的方法可以光生伏打器件的间歇或半间歇工艺使用。
在另一个示例性实施方式中，聚合物膜由氟化聚合物形成，并且通常不含有氯化含氟聚合物。某些实施方式明确地排除了氯化含氟聚合物。在另一个示例性实施方式中，膜的光学透明度为超过95％的光透过，例如超过96％的光透过。
实施例多层聚合物膜的示例性实施方式，该膜包括熔点低于第二含氟聚合物层的第一含氟聚合物层。含氟聚合物层如实施例1中所述是共挤出的。
实施例1在3/4英寸的Brabender挤出机上，以8rpm的转速对熔点为224℃的含氟聚合物DyneonTMTHV X815G进行处理。Brabender挤出机的区域温度为220℃、270℃、260℃和260℃。使用熔点为116℃的含氟聚合物DyneonTMTHV 220G形成两个另外的层。这两个层中的一个层在1英寸的Killion挤出机上，在12rpm下进行处理。Killion挤出机的区域温度为120℃、170℃、220℃和220℃。这两个层中的另一个层在3/4英寸的Brabender挤出机上，在8rpm下进行处理，Brabender挤出机的区域温度为120℃、170℃、220℃和220℃。挤出机给温度保持在240℃的ABC-型分流器(feedblock)和温度保持在230℃的模头进料。
制备了厚度为2密耳和5密耳的示例性膜，它们有效地包括两个层，DyneonTMTHV X815G层和DyneonTMTHV 220G层，其层厚度比(THV815∶THV 220)为20∶80。可以将膜加热到135℃的温度，并施加到光生伏打层上，其中DyneonTMTHV 220G层比DyneonTMTHVX815G层更接近于光生伏打层。
上述内容被认为是示例性而非限制性的，所附权利要求书中将包括本发明真正范围内的全部修改、改进和其它实施方式。因此，在法律许可的最大范围内，本发明的范围由以下权利要求书以及它们的等价内容最宽泛的许可释义所决定，不应受到以上详述的约束或限制。
权利要求
1.一种光生伏打器件，其包括光生伏打层；第一含氟聚合物层，该层覆盖光生伏打层的活性面，且熔点小于135℃；第二含氟聚合物层，该层覆盖第一含氟聚合物层，且熔点大于135℃。
2.如权利要求1所述的光生伏打器件，其特征在于，所述第一含氟聚合物层与光生伏打层的活性面直接接触。
3.如权利要求1所述的光生伏打器件，其特征在于，所述第一含氟聚合物层和所述第二含氟聚合物层是共挤出的。
4.如权利要求1所述的光生伏打器件，其特征在于，所述第一含氟聚合物层和所述第二含氟聚合物层的光透明度为至少85％的光能够透过。
5.如权利要求1所述的光生伏打器件，其特征在于，所述第二含氟聚合物层的熔点比所述第一含氟聚合物层的熔点至少约高10℃。
6.如权利要求1所述的光生伏打器件，其特征在于，所述第二含氟聚合物层的熔点比所述第一含氟聚合物层的熔点至少约高25℃。
7.如权利要求1所述的光生伏打器件，其特征在于，所述第二含氟聚合物层的熔点比所述第一含氟聚合物层的熔点至少约高40℃。
8.如权利要求1所述的光生伏打器件，其特征在于，所述第二含氟聚合物层的熔点比所述第一含氟聚合物层的熔点至少约高60℃。
9.如权利要求1所述的光生伏打器件，其特征在于，所述第二含氟聚合物层的熔点约大于160℃。
10.如权利要求1所述的光生伏打器件，其特征在于，所述第二含氟聚合物层的熔点约大于180℃。
11.如权利要求1所述的光生伏打器件，其特征在于，所述第二含氟聚合物层的熔点约大于220℃。
12.如权利要求1所述的光生伏打器件，其特征在于，所述第二含氟聚合物层具有比第一含氟聚合物层高的氟化百分数。
13.如权利要求1所述的光生伏打器件，其特征在于，所述第一含氟聚合物层包含THV共聚物。
14.如权利要求1所述的光生伏打器件，其特征在于，所述第二含氟聚合物层包含THV共聚物。
15.如权利要求1所述的光生伏打器件，它还包括覆盖所述第二含氟聚合物层的第三含氟聚合物层。
16.如权利要求15所述的光生伏打器件，其特征在于，所述第三含氟聚合物层包含ETFE、EFEP或PCTFE。
17.如权利要求1所述的光生伏打器件，还包括位于光生伏打层之下的第三含氟聚合物层。
18.如权利要求1所述的光生伏打器件，其特征在于，所述第一和第二含氟聚合物层主要由各自的第一和第二含氟聚合物组成。
19.如权利要求1所述的光生伏打器件，其特征在于，所述第一和第二含氟聚合物不含有氯化含氟聚合物。
20.一种制造光生伏打器件的方法，所述方法包括将包含至少两个共挤出的含氟聚合物层的第一聚合物膜至少加热到所述至少两个共挤出的含氟聚合物层中的第一层的熔点；以及施加所述聚合物膜，以覆盖光生伏打层。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，施加聚合物膜包括热轧。
22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述第一聚合物膜的光学透明度为至少85％的光能够透过。
23.如权利要求20所述的方法，其特征在于，加热所述第一聚合物膜包括将所述第一聚合物膜加热到小于所述至少两个共挤出的含氟聚合物层的第二层的熔点的温度。
24.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述至少两个共挤出的含氟聚合物层的第一层的熔点比所述至少两个共挤出的含氟聚合物层的第二层的熔点至少约低10℃。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，施加所述第一层使之比所述第二层更近地覆盖光生伏打层。
26.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述至少两个共挤出的含氟聚合物层的第一层的熔点小于135℃，所述至少两个共挤出的含氟聚合物层的第二层的熔点大于135℃。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，加热所述第一聚合物膜包括将所述第一聚合物膜加热到至少约135℃。
28.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述至少两个共挤出的含氟聚合物层中的第一层比所述至少两个共挤出的含氟聚合物层中的第二层具有更低的氟化百分数。
29.如权利要求20所述的方法，还包括施加覆盖第一聚合物膜的第二聚合物膜，所述第二聚合物膜含有含氟聚合物。
30.如权利要求20所述的方法，还包括施加第二聚合物膜，该膜位于光生伏打层之下。
31.一种光生伏打器件，其包括光生伏打层；第一聚合物膜，该膜覆盖所述光生伏打层，所述聚合物膜包含至少两个共挤出的含氟聚合物层。
32.如权利要求31所述的光生伏打器件，其特征在于，所述第一聚合物膜的光学透明度为至少85％的光能够透过。
33.如权利要求31所述的光生伏打器件，其特征在于，所述第一聚合物膜与光生伏打层直接接触。
34.如权利要求31所述的光生伏打器件，其特征在于，所述至少两个共挤出的含氟聚合物层的第一层的熔点比所述至少两个共挤出的含氟聚合物层的第二层的熔点低至少约10℃。
35.如权利要求34所述的光生伏打器件，其特征在于，所述第一层比第二层更接近光生伏打层，从而使所述第二层位于所述第一层和光生伏打层上面。
36.如权利要求31所述的光生伏打器件，其特征在于，所述至少两个共挤出的含氟聚合物层中的第一层的熔点小于135℃，所述至少两个共挤出的含氟聚合物层中的第二层的熔点大于135℃。
37.如权利要求31所述的光生伏打器件，其特征在于，所述至少两个共挤出的含氟聚合物层中的第一层比所述至少两个共挤出的含氟聚合物层中的第二层具有更低的氟化百分数。
38.如权利要求31所述的光生伏打器件，其特征在于，所述至少两个共挤出的含氟聚合物层的各层都主要由含氟聚合物组成。
39.如权利要求31所述的光生伏打器件，其特征在于，所述至少两个共挤出的含氟聚合物层的各层不含有氯化含氟聚合物。
全文摘要
本文涉及一种光生伏打器件，该器件包括光生伏打层、第一含氟聚合物层和第二含氟聚合物层。第一含氟聚合物层覆盖光电层的活性面。第二含氟聚合物层覆盖所述第一聚合物层。所述第二含氟聚合物层的熔点大于135℃，所述第一含氟聚合物层的熔点小于135℃。
文档编号H01L31/048GK1965413SQ200580018107
公开日2007年5月16日 申请日期2005年6月1日 优先权日2004年6月4日
发明者K·G·赫茨勒, A·图卡希斯基, B·M·弗里德曼, P·W·奥蒂兹 申请人:圣戈本操作塑料有限公司