光学串叠型光伏电池面板的制作方法

专利名称：光学串叠型光伏电池面板的制作方法
技术领域：
本发明涉及光伏型能量转换装置(ECD)，更具体地涉及例如ECD型电池的光伏电 池，其由上面安装有光伏电池阵列的面板的叠层(stack)组成。
定义 电磁辐射到电能转换装置(EREECD):与电磁(光学)辐射反应而产生电能的装置
光学辐射到电能转换装置(OREECD):与光学电磁辐射反应而产生电能的装置。此 类装置可以是辐射吸收装置，例如光探测器/计数器、光伏电池(太阳能电池)或辐射驱动 电解电池。 光电能量装置(OED):通过电子装置与光学辐射反应而产生电能的装置。
光伏电池将入射在其表面上的在紫外线至红外线辐射范围内的光或其它辐射能
量转换成功率/电压/电流形式的电能的电装置(例如半导体)，其具有两个电极，通常为
具有上电极和电极性相反的下电极的二极管。光伏电池产生流过所述电极的直流电。如本
文所采用的，术语光伏电池泛指将辐射能转换为电能的电池，包括如上文所定义的EREECD、
OREECD 、和0ED。 太阳能电池将入射在其表面上的光转换为电能的电光伏装置(例如半导体)，其 具有两个电极，通常为具有上电极和电极性相反的下电极的二极管。太阳能电池产生流过 所述电极的直流电。如本文所采用的，术语太阳能电池泛指将辐射能转换为电能的电池。
面板在由玻璃、石英、金属或其它材料形成的衬底上形成的结构，其上面安装有 多个太阳能电池，该结构可以包括电输入和输出装置。
TCO(透明导电氧化物)光学透明导电体。 叠层相互堆叠地安装的面板的层叠，其被布置为使阳光入射在最上面的面板上 且阳光的一部分滤出或透至下层面板。 太阳光谱作为入射光子的波长的函数可用的太阳能的量，其中每个光子的能量 是被单位为微米的波长除的1. 24伏。
光谱响应在入射光子的波长下由太阳能电池产生的电流的量。 电并联太阳能电池的上电极和下电极与其它太阳能电池的上电极和下电极连接 而产生相加的太阳能电池电流。 电串联太阳能电池的上电极连接到另一太阳能电池的下电极以使电池所产生的 电压加在一起。 光学串联使入射在例如半导体的一个装置上的光被该装置部分吸收且其余光传 递至其它装置(例如半导体)的布置。 串叠型太阳能电池其中某些入射光被较高层电池吸收且未被吸收的部分被向下 传递至较低层电池的太阳能电池叠层。 带隙或能带隙半导体装置的特征能量分布，其确定半导体装置的电性能、电流和
电压输出，其特别包括半导体的价带与导带之间的差。 p/n结由p型半导体与n型半导体之间的连接形成的二极管。
隧道结被如此高度地掺杂以至于表现出欧姆电特性而不是二极管特性的p/n结。 接触栅格连接在一起以便将由具有低电阻的太阳能电池产生的电流聚集在一起并允许入射阳光到达作为半导体装置的太阳能电池的表面的大部分的金属线。
负载需要电源的使用电力的装置，例如电器、加热器、电视等。
底座(base):太阳能电池的主体，位于半导体中的结边界之下。 旁路二极管被设置为跨越一组太阳能电池以使过多的电流分流并因此而防止对在该组中的其它电池仍被照亮的同时变得避光的电池造成损坏的二极管。
背景技术：
使用具有不同带隙的多种太阳能电池制造串叠型太阳能转换装置的目的在于使太阳能电池在转换接近于其带隙的光子能时比其在转换比其带隙高得多的光子能时更加高效。通过将太阳光谱再分为多个部分并使用被优化为在适当的光谱部分内将太阳能转换为电能的多个太阳能电池，总体效率得到相当可观的提高。 某些类型的串叠型太阳能电池在本领域中众所周知。最常见的种类是单体形式，其中在第一半导体中形成p/n结，后面是通过外延而生长的隧道结，通过外延还生长更高带隙半导体的第二结。如果需要，还通过外延来生长第二隧道结和甚至更高带隙半导体的第三p/n结。位于其串叠型叠层中的其它半导体p/n结之上的每个半导体p/n结吸收比其带隙更大的光子能的光并将在该带隙之下的光子能的光的其余部分透射到位于其下面的半导体p/n结。隧道结的目的是充当低电阻"欧姆"接点以串联地连接单独的p/n结，促使每个电池的电压相互加在一起。由于结被串联，所以叠层中的每个p/n结太阳能电池所产生的电流必须是相同的，或者将会损失功率和能量转换效率。

发明内容
没有一种现有技术包括这样的步骤，S卩，连接串叠型结构的单独面板上的太阳能电池，以便叠层中的每个面板具有基本相同的电压或电流输出，允许面板串联地连接而将电压加在一起或并联地连接而将电流加在一起，由此，成品串叠型能量转换装置只具有两个电极( 一个是通常连接到电气"地"的输出电极，且另一个是输出电极)，以便该能量转换装置可以连接到单个负载。 依照本发明，一种光伏装置包括光伏电池的叠层，例如光伏(例如太阳能)能量转换装置(ECD)电池，其中每个叠层由多个光伏面板组成，每个光伏面板具有安装在其上面的例如太阳能电池等光伏电池阵列，以便当辐射(太阳)能入射在最上面的面板上时，辐射(太阳)能光谱的一部分被吸收，从而产生电能。堆叠面板的每个连续面板接收未被上面板吸收的辐射(太阳)能的部分。透射到叠层中的下层光伏电池的面板的能量被吸收，从而产生电能。 在本发明的一方面，叠层中的较高面板安装有具有较高能带隙的光伏(太阳能)电池，且叠层中的下面较低的后续面板安装有具有较低能带隙的光伏(太阳能)电池。光伏(太阳能)电池被串联和并联地电连接，使得每个面板产生期望的电压和电流输出，且面板被电连接在一起，使得转换为有用电的入射太阳能的量大于任何一个面板单独产生的量。
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依照本发明，提供了一种光伏(太阳)能转换装置，其包括从上面板到下面板以层级形式堆叠的至少两个面板的垂直叠层，每个面板包括具有与垂直面板叠层中的光伏(太阳能)电池的其它面板不同的能带隙的光伏(太阳能)电池的匹配阵列。所述垂直叠层中的每个面板被布置为所述面板之一具有位于所述层级中的带有较高能带隙的光伏(太阳能)电池且在所述叠层中在包含具有较低能带隙的光伏(太阳能)电池的其它所述面板之上。装置的顶面被配置为接收入射在最上层面板上的辐射(太阳)會^。 每个上面板吸收具有比其能带隙大的太阳光子能的一部分阳光，且每个上层面板使具有少于较大光伏(太阳)光子能的光子能的太阳光子透射到在层级中较低且在叠层中位于较低位置的其余面板之一。优选地，每个面板中的光伏(太阳能)电池被串联电连接；且面板被并联连接。或者，优选的是每个面板中的光伏(太阳能)电池被并联电连接且面板被串联连接。优选地，以串联电布置连接的每个面板上的太阳能电池的数目等于每个面板的期望输出电压除以每个面板上的每个光伏(太阳能)电池的工作电压。还优选的是两个面板的叠层在上面板上安装有GaAs光伏(太阳能)电池，且在下面板上安装有硅太阳能电池。 在另一个实施例中，上面板安装有选自GaAs、 GalnP、 GaAsP、非晶硅、CdTe、和CdZnTe的组的光伏(太阳能)电池；且下面板安装有选自由晶体硅、多晶硅、铜铟镓二硒、锗、氮化镓铟、和氮化镓铟砷组成的组的光伏(太阳能)电池。 还优选的是三个所述面板的叠层具有从上到下依次布置的上面板、中面板和下面板；上面板安装有其能带隙大于1. 7电子伏特的光伏(太阳能)电池，下面板安装有其能带隙小于1. 1电子伏特的光伏(太阳能)电池，且中面板安装有其带隙在安装在上面板与下面板上的电池的带隙之间的光伏(太阳能)电池。优选地，每个面板中的光伏(太阳能)电池被并置且被介电间隔件分开；或对接在一起。 依照本发明的另一方面，一种光伏(太阳)能转换装置包括至少两个面板，所述至少两个面板被布置为用于指引要入射在叠层中的最上层面板上的光伏(太阳)能，所述叠层的每个面板包含具有不同能带隙的光伏(太阳能)电池阵列。所述面板被布置成垂直叠层，具有较高能带隙光伏(太阳能)电池的面板位于具有较低能带隙光伏(太阳能)电池的面板之上；每个面板被配置为吸收具有大于其能带隙的光伏(太阳)光子能的一部分阳光，且被配置为使具有低于其能带隙的能量的光伏(太阳)光子透射到叠层中较低的面板。
优选地，每个面板中的光伏(太阳能)电池被串联电连接且面板被并联连接；或者每个面板中的光伏(太阳能)电池被并联电连接且面板被串联连接。优选地，以并联电布置连接的每个面板上的光伏(太阳能)电池的数目等于每个面板的期望输出电流除以每个面板上的每个太阳能电池的工作电流。 上面板和坚固(solid)的最下层面板的透明性使得透过较上层面板的一部分光可以被较下层面板向上反射回去而得到附加功率输出和较低损耗。此类向上反射的益处取决于穿透每个面板的光的量和较下层面板的反射特性。 优选的是两个面板的叠层在上面板上安装有GaAs光伏(太阳能)电池且在下面板上安装有硅太阳能电池。或者，上面板安装有选自GaAs、GalnP、GaAsP、非晶硅、CdTe、和CdZnTe的组的太阳能电池；且下面板安装有选自晶体硅、多晶硅、铜铟镓二硒、锗、氮化镓铟、或氮化镓铟砷的组的光伏(太阳能)电池。
依照本发明的又一方面，叠层中的三个光伏(太阳能)电池面板包括从上到下依次布置的上面板、中面板和下面板。上面板安装有其能带隙大于约1. 7电子伏特的太阳能电池。下面板安装有其能带隙小于约1. 1电子伏特的太阳能电池。中面板安装有具有在安装在上面板与下面板上的电池的带隙之间的带隙的太阳能电池。优选地，将一组光伏(太阳能)电池指定为一个单元且每个单元包括保护性旁路二极管。优选地，每个面板中的光伏(太阳能)电池被介电间隔件分开；或者每个面板中的光伏(太阳能)电池被对接在一起。 通过连同附图一起提供的以下详细说明和随附权利要求，本发明及其目的和特征将变得更加易于理解。


图l示出依照本发明的由太阳能电池的两个堆叠面板组成的串叠型能量转换(TEC)装置。 图2示出依照本发明的由太阳能电池的三个堆叠面板组成的串叠型能量转换(TEC)装置。 图3A示出依照本发明的具有上下太阳能电池面板的串叠型能量转换(TEC)装置，其中每个面板上的太阳能电池被串联地电连接且面板被并联地连接。图3B是图3A所示的TEC太阳能电池装置的电示意性电路图。 图4A示出依照本发明的具有上下太阳能电池面板的串叠型能量转换(TEC)太阳能电池的替代布置，其中每个面板上的太阳能电池被并联而不是串联地电连接且面板被串联连接。每个面板上的太阳能电池被介电间隔件相互间隔开。图4B是图4A所示的TEC太阳能装置的电电路图。 图4C是图4A的TEC太阳能电池装置的修改，每个面板的太阳能电池相互对接，且面板被串联地连接。图4D是图4C所示的TEC太阳能装置的电路图，其与图4B相同，因为电连接未改变。 图4E是图4C的TEC太阳能电池装置的修改，每个面板的太阳能电池相互对接且面板被并联地连接。图4F示出显示面板的并联电连接的图4E的TEC太阳能电池装置的电路图。 图5A示出依照本发明的串叠型能量转换(TEC)太阳能电池装置，其中交替的p/n和n/p种类的太阳能电池以电串联的方式连接。图5B是图5A的TEC太阳能电池装置的电路图。 随后的详细说明参照附图来解释本发明的优选实施例以及优点和特征。
具体实施例方式
串叠型太阳能面板 图1示出由两个太阳能电池面板(作为光伏电池面板的实例)的串叠型布置的叠层ST1组成的串叠型能量转换(TEC)太阳能电池装置IO，所述两个太阳能电池面板包括具有三个上太阳能电池12的上太阳能电池面板11和具有下太阳能电池14的下太阳能电池面板15。如所示，下太阳能电池面板15位于上太阳能电池面板11之下，但如果从下面供应电磁能，则可以将该结构倒转。上太阳能电池面板11包括透明顶部衬底13，该透明顶部衬底13具有上面安装有透明导电氧化物(TC0)焊盘(pad)18的顶面。TC0焊盘18的顶面上平行地并排并置有作为二极管的三个宽的上太阳能电池12，这三个太阳能电池12之间具有窄间隔。 为了图解的方便起见，只示出三个上太阳能电池12，但可能采用更多上太阳能电池。上太阳能电池12产生直流电，其中导电电极、S卩阳极和在其相对表面上的阴极被配置用于电路中的连接。在每个上太阳能电池12的顶面上有上电极，且在每个上太阳能电池12的底面上有下电极。 与所有二极管的情况一样，如本领域的技术人员所透彻理解的那样，太阳能电池(二极管)的上电极和下电极具有相反的极性。例如，所有上电极可以是具有负极性的阴极，且在该情况下，所有下电极将是具有正极性的阳极，或者根据将其连接在电路中的方式而相反。上太阳能电池12之间的窄间隔的宽度被最小化，以便即使有、也只有很少的光在它们之间通过。TCO层18由允许未被若干上太阳能电池12的组吸收的光从中透射的材料形成。然后，未被上太阳能电池12吸收的光又将透过透明顶部衬底13并向下透射到下太阳能电池面板15上。 特别地，透明TCO层18可以由诸如氧化铟锡、氧化锡、氧化锌等导电材料组成。太阳能电池12的下电极被结合到TCO层18，即与其进行电和机械接触；并且TCO层18可以用作下电极以实现在其上面的诸如TCO层18的暴露末端9等位置处的电连接。
下太阳能电池面板15包括具有顶面的底部衬底16，所述顶面具有平行地并置形成的若干下太阳能电池14(为了图解的方便起见只示出四个)，在底部导电衬底16的顶面上所述下太阳能电池14之间有窄间隔。为了图解的方便起见，只示出四个下太阳能电池14，但可能采用更多下太阳能电池。比上太阳能电池12窄的四个下太阳能电池14也是在其顶面和底面上具有上电极和下电极的二极管，所述上电极和下电极具有相反的极性。
例如，如上文对于上太阳能电池面板11所描述的，优选的是所有上电极可以具有负极性且所有下电极可以具有正极性或相反，且这是可以取决于将其连接在电路中的方式而改变的，正如本领域的技术人员所透彻理解的那样。导电的底部衬底16不必是透明的，且可以由诸如金属等可以用作下电极的导电材料组成以实现在其上面的诸如底部衬底16的暴露末端19等位置处的电连接。 可以是光、阳光、或来自太阳或其它能量源的其它辐射能的辐射能17被示为被向下引导而入射在包括上太阳能电池12的顶面的叠层ST1上。具有在上太阳能电池12的带隙之上的光子能的大部分太阳光谱被由此吸收并由此转换成电能。 具有低于上太阳能电池12的带隙的光子能的那部分太阳光谱被向下透过上太阳能电池12、TC0层18和透明顶部衬底13到达下太阳能电池面板15的顶面上和安装在其上面的下太阳能电池14上，在那里，具有在下电池14的带隙之上的能量的那部分太阳光谱被转换为电能。上太阳能电池12与下太阳能电池14之间的间隔具有最小宽度，以便对于最小的电池面积收集最大量的阳光；否则，上太阳能电池12与下太阳能电池14之间的间隔将形成效率损失。 为了图解的方便起见，在上太阳能电池面板11上只示出三个上太阳能电池12，且在下太阳能电池面板15上只示出四个下太阳能电池14。实际上，太阳能电池面板11和15
8中的每一个上的电池的数目由面板的期望电压输出除以其上面的各个电池的输出电压而确定。 多个串叠型太阳面板 图2示出由分别具有安装在其上的三组太阳能电池12、22、和24的多个(三个)太阳能电池面板11、21和23的另一叠层ST2组成的串叠型能量转换(TEC)太阳能电池装置20，所述太阳能电池12、22、和24是二极管。如本领域的技术人员所透彻理解的那样，太阳能电池12、22、和24是具有在其顶面上形成的上电极和在其底面上形成的下电极的二极管。所述上电极和下电极通常将具有相反的极性。例如，所有上电极可以具有负极性，且所有下电极可以具有正极性，或者相反但却一致。 上面板11和中面板21由上部和中部太阳能电池面板11和21的底部上的透明顶部衬底13和透明中间衬底13'组成，所述上部和中部太阳能电池面板11和21具有分别在其顶面上形成的上TCO层18和中间TC0层18'。上TCO层18可以用作下电极以实现在其上面的其诸如暴露末端9等位置处的电连接。同样地，中间TCO层18'可以用作下电极以实现在其上面的诸如其暴露末端9'等位置处的电连接。 如图1所示，在上面板11的TCO层18的顶面上安装有例如三个的若干上太阳能电池12，其下电极被结合到中间TCO层18，即与其进行电和机械接触。存在更多的通常较小的中间、中部太阳能电池22 ，其在中部太阳能电池22的中部面板21的中间TCO层18'的顶面上形成，为了图解的方便起见，只将其示为四个电池。 在太阳能电池24的底部面板23的导电衬底16'的顶面上形成有更多的下太阳能电池24，只将其示为七个(为了图解的方便起见)。与图1的情况一样，底部衬底16'不必是透明的，且可以由诸如金属等可以用作下电极的导电材料形成以实现在其上面的诸如底部衬底16'的暴露末端19'等位置处的电连接。与图1 一样，阳光、光、或其它辐射能17入射在上面板11的上太阳能电池12和TC0层18的暴露顶面上。 图1和2所示的太阳能电池在下面板上尺寸减小以便得到从每个面板输出的相同净电压，这是并联地连接面板的要求。如果面板被串联地连接，其中电流输出而不是电压输出必须相同，则不需要对装置尺寸的此要求。 具有高于上面板11的上太阳能电池12的带隙的光子能的光、阳光或其它辐射能源17中的大部分太阳光谱被上太阳能电池12吸收并转换为电能。然而，具有在上电池12的带隙之下的光子能的那部分太阳光谱透过上太阳能电池12、TC0层18和透明顶部衬底13向下到达面板21，在那里，具有在中部太阳能电池22的带隙之上的能量的那部分太阳光谱被转换为电能。 在中部面板21中的中部太阳能电池22的带隙之上的那部分太阳光谱被太阳能电池22吸收。其余能量、即具有在中部太阳能电池22的带隙之下的光子能的那部分太阳光谱透过中间TCO层18'和透明中部衬底13'向下达到底部面板23上的底部电池24，在那里，由此吸收的太阳能被转换为电能。 每个面板上的太阳能电池不必全部具有相同的尺寸。所需的是以电串联、并联、或串联与并联组合的方式连接每个面板上的电池，以便获得期望的输出。还可以在单个面板上使用不同的带隙太阳能电池，如果通过这样做而获得特殊优点的话；但是通常，理想的是在每个单独的面板上安装具有相同带隙的太阳能电池。
具有不同带隙的太阳能电池材料 —系列的材料可用于用作每个面板的太阳能电池。例如，图1中的上面板11可以安装有这样的电池，该电池的带隙等于或超过1.4电子伏特(eV)，诸如非晶硅(aSi)、砷化镓(GaAs)、碲锌镉(CdZnTe)、磷化镓铟(GalnP)、或碲化镉(CdTe)，而下面板可以安装有这样的电池，其带隙为1. leV或以下，诸如硅(Si)、锗(Ge)、砷化铟镓(InGaAs)、氮化镓铟(GalnN)、氮化镓铟砷(GalnAsN)、或铜铟镓二硒(CICS)。可以采用具有在优选范围内的带隙的其它材料。 对于图2的上电池12，优选地诸如等于或大于1. 7eV的较高带隙的材料，诸如aSi、磷化镓铟(GalnP)、磷化铝镓(AlGaP)、砷化镓铝(GaAlAs)和磷化镓砷(GaAsP)，其中可以由半导体合金的组成来调节带隙。 对于中面板21，可以用半导体来制成中部太阳能电池22，所述半导体的带隙在1. 7eV以下，但在1. 0eV以上，诸如硅(Si)、砷化镓(GaAs)、砷化镓铟(GalnAs) 、 CIGS、以及氮化镓铟砷(GalnAsN)。 对于下面板23，可以用半导体来制成太阳能电池，所述半导体具有在1. leV以下的带隙，诸如GalnAs、硅锗(SiGe) 、 Ge、锑化镓、以及这些材料的合金，其中由合金组成来确定带隙。 与图1 一样，由面板期望电压输出和单个电池的电压输出来确定面板11 、21 、和23上的电池12、22、和24的数目。 具有串联地连接在单独TC0焊盘上的太阳能电池的TEC太阳能电池面板
图3A示出包括由上面板25和下面板31组成的两个太阳能电池面板的叠层ST3的串叠型能量转换(TEC)太阳能电池装置30的另一实施例，其中上面板25上的太阳能电池被电串联成第一组，且下面板31上的太阳能电池被电串联成第二组。图3B是图3A所示的TEC太阳能电池装置30的电示意性电路图。 在图3A中，上面板25包含在两个TC0焊盘26A和26B的顶面上形成的作为二极管的两个太阳能电池27A和27B，所述两个TC0焊盘26A和26B又并排地在透明介质衬底37上形成。TC0焊盘26A和26B被用作电极以实现从太阳能电池27A和27B的底部电极到电路中的下一元件的电连接。导电互连28将TCO层26A连接到右侧太阳能电池27B的顶部电极，以便以电串联的方式连接上面板25上的两个太阳能电池27A和27B。特别地，左侧太阳能电池27A的底部电极通过直接接触与左侧TCO层26A的顶面相连，所述左侧TCO层26A连接到互连28，互连28又连接到右侧太阳能电池27B的顶部电极。
简而言之，在上面板25上，左侧太阳能电池27A的底部通过左侧TCO层26A连接到相邻的右侧太阳能电池27B的顶部，左侧TCO层26A连接到互连28以便串联地连接的电池的电压加在一起。端子T1通过电线34连接到连接器A1，连接器A1通过直接接触连接到左侧太阳能电池27A的顶部电极。右侧太阳能电池27B的底部电极通过与右侧TCO焊盘26B的顶面的直接接触连接到连接器Bl，连接器Bl又通过电线36连接到右外部端子T2。
在图3A中，下面板31包含一组四个太阳能电池33A、33B、33C和33D，其中的每一个在一组四个TC0焊盘32A、32B、32C、和32D中的相应一个的顶面上形成，所述一组四个TCO焊盘32A、32B、32C、和32D又在底部衬底38上形成。太阳能电池33A、33B、33C和33D以类似于上面板25上的上述连接的方式通过TCO焊盘32A、32B、32C、和32D和一组导电互
10连35A、35B、和35而电串联地连接。在下面板31中，电池33A、33B、和33C各自的底部从左到右分别通过相应的TC0焊盘32A、32B、或32C及相应的导电互连35A、35B、或35C连接到右侧的相邻太阳能电池33B、33C和33D的顶部，以便串联地连接的电池的电压也加在一起。
面板25和31的左侧电极Al和A2通过电线34连接在一起，电线34将面板25和31均连接到端子Tl。面板25和31的右侧电极Bl和B2通过线36连接在一起并连接到端子T2，线36将面板25和31并联地连接，使两个面板TEC太阳能电池装置30成为双端子装置，因为面板25和31被并联地连接且每个面板的电压相同。这通过使串联地连接的电池的数目等于期望电压输出除以每个面板上的太阳能电池的电压输出来实现。
例如，如果期望电压输出为16伏，如果面板25上的太阳能电池27具有1伏的输出，则十六个电池通过互连28串联地连接，同时如果下面板31上的电池33具有0. 5伏的输出，则三十二个电池33被串联地连接。例如，太阳能电池27A/27B可以是具有1伏输出的GaAs且电池33可以是具有0. 5伏输出的Si。 就串联地连接的电池的数目是总期望输出电压除以每个面板上的太阳能电池的输出电压的意义而言，用相同的原理来构造诸如图2所示那些的三个或更多面板能量转换装置。为了本发明的目的，在每个面板上串联地连接以产生所述期望总输出电压的一组电池可以称为"单元"。每个单元具有相同的电压输出且面板可以包含多个单元。单元可以在每个面板上并联地连接以获得更多的电流输出。 如图3B的电示意性电路图所示，TEC太阳能电池装置30还可以并入用于太阳能电池27A/27B的上面板的上旁路二极管Dl和用于太阳能电池33A/33B/33C/33D的下面板的下旁路二极管D2，以便在一组电池被遮蔽而其余电池仍暴露于阳光的情况下保护TEC太阳能电池装置30。 在面板上具有被介电间隔件分开的太阳能电池的串联地连接的太阳能电池面板
图4A示出包括上面板41和下面板51的叠层ST4的TEC太阳能电池装置40A的替代布置，在所述上面板41中包括一组上太阳能电池43且在所述下面板51中包括一组下太阳能电池53，所述太阳能电池被并联电连接而不是串联电连接。端子T3通过电线54连接到连接器A3，连接器A3通过直接接触连接到上面板41中的左侧太阳能电池43的顶部电极。右侧太阳能电池53的底部电极通过与导电衬底15的顶面的直接接触连接到连接器A6，连接器A6又通过电线59连接到端子T6。 图4B是图4A所示的TEC太阳能装置40A的电示意性电路图。上面板41和下面板51可以以电串联的方式连接。在这种情况下，需要使每个面板供应的电流相同。上面板41和下面板51在成品的能量转换装置中串联地连接而不是并联地连接，且两个面板、即上面板41和下面板51的电压输出加在一起。 在图4A中，上面板41包括被介电间隔件47分开的上太阳能电池43 (是二极管)且下面板51包括被介电间隔件57分开的下太阳能电池53 (也是二极管)。与图1 一样，上面板41的上太阳能电池43具有其安装在TC0层39上的下电极，TC0层39在顶部透明衬底13的顶面上形成，以便低于上太阳能电池43的带隙的能量的阳光将透射到下面板51和下太阳能电池53。在上面板41上，TC0导电层39提供到上太阳能电池43的背面的下电极的电连接，将它们连接在一起。 类似地，在下面板51上，上面安装有下 阳能电池53的导电衬底15将下太阳能电池53的背面的下电极电连接在一起。如图4B分别指示的那样，上太阳能电池43的正面 的上电极和下太阳能电池53的正面的上电极分别通过上连接器45和下连接器55并联电 连接。鉴于到A3的每个末端处的上电极的连接点与上连接器45和下连接器55之间的机 械间隔(mechanical spacing)，太阳能电池43和53的上电极被示为具有到上电极的双重 连接。 在面板上具有对接在一起的电池的串联电连接的太阳能电池面板 图4C和4D示出图4A和4B的替代布置，其中已省略介电间隔件47和57以便将
面板41和51上的太阳能电池对接在一起，但结构和电路是相同的。如图4C所示，已从图
4C所示的本发明的实施例中省略了图4A中的叠层ST4中的将单独电池43和53分别与相
邻电池隔离的可选介电间隔件47和57。与图4A相对照，在图4C中，叠层ST5包括分别相
互对接的太阳能电池43和53的替代并联连接。图4D所示的电路图与图4B相同，因为电
连接未改变。 在图4A和4C的上面板41中，连接器45将上面板41中的太阳能电池43的上电 极电连接在一起。底部上的TC0导电层39将上面板41中的上太阳能电池43的下电极连 接在一起。因此，太阳能电池43并联地连接在左上太阳能电池43上的连接器A3与TC0导 电层39的右侧末端的顶面上的连接器A4之间。 在下面板51中，提供下太阳能电池53的顶部上的下连接器55和下面板51的底
部上的导电衬底15是为了将下面板中的下太阳能电池53并联地一起连接在左上太阳能电
池53上的连接器A5与下衬底16的右侧末端的顶面上的连接器A6之间。 提供上面板41的连接器A3和A4及下面板51的连接器A5和A6是为了将上面板
41与下面板51串联或并联地连接在一起。例如，如图4A、4B、4C和4D所示，连接器A4和
A5可以连接在一起以将面板置于电串联状态，其中在连接器A3和A6两端呈现太阳能电池
装置40A的输出电压。那些组合确定哪些是能量转换装置的外部连接电极、即输出电极。 每个面板必须具有相同的电流输出以便以电串联的方式连接面板。每个面板上需
要并联地连接的电池的数目是总输出电流除以每个电池的电流输出。例如，如果每个面板
意图提供六(6)安培的输出电流，则如果每个电池输出0.5安培，则十二 (12)个电池被并
联地连接，且如果每个电池输出0.4安培，则十五(15)个电池被并联地连接。 在面板上具有对接在一起的电池的并联地连接的太阳能电池面板 或者，如本领域的技术人员将透彻地理解的那样，作为图4C和4D的修改图4E和
4F将通过线58A连接在一起的连接器A3和A5及通过线58B连接在一起的连接器A4和A6
示为将面板41和51并联电连接。 可以将输出期望电流的并联连接的太阳能电池的每个此类组视为一个单元。面板 可以包含多个单元，其中的每一个单元具有相同的电流输出。每个面板上的单元可以被串 联地连接以便在基本恒定的电流下将电压加在一起，或进一步并联地连接以便在基本恒定 的电压下获得更大电流。每个单元还可以并入旁路二极管以便在一组电池被遮蔽阳光、而 其它电池仍暴露于阳光的情况下保护该单元。 具有在物理上倒转且串联地连接的相邻太阳能电池的太阳能电池面板 图5A示出依照本发明的串叠型能量转换(TEC)太阳能电池装置，其中交替的p/n
和n/p种类的太阳能电池以电串联的方式连接。图5B示出图5A所示的TEC太阳能电池装置的电路图。图5A示出面板60上的一组太阳能电池63A、64A、63B、64B、63C和64C的交替 串联连接，所述面板60包括作为二极管的第一组p-n太阳能电池63A、63B、和63C和颠倒、 即在物理上倒转的第二组n-p太阳能电池64A、64B、和64C，所述太阳能电池也是二极管，在 一组三个TC0焊盘62A、62B和62C上形成。 太阳能电池63A、64A、63B、64B、63C和64C被并置在衬底61的顶面上，所述衬底61 在其下面存在其它太阳能电池面板(为了图解的方便起见未示出)的情况下将是透明的。 连续并置的第一组太阳能电池63A、63B、63C和第二组太阳能电池64A、64B、64C从p/n结交 替至n/p结、至p/n结、至n/p结等等，因为其极性被从上到下颠倒。换言之，面板60由具 有P型顶面和n型底座的若干太阳能电池63A、63B、和63C等组成，太阳能电池63A、63B、和 63C与具有n型顶面和p型底座的太阳能电池64A、64B、64C并置。 导电TCO焊盘62A、 62B、和62C将相邻电池的电压加在一起，且连接电极65A和65B 将位于TCO焊盘62A和62B上的相邻电池对64A和63B与位于TCO焊盘62B和62C上的相 邻电池对64B和63C的电压相加。 为了到面板60的外部连接而提供的外部电极66和67分别连接到电池63A和电 池64C。电池63A的阳极连接到外部电极66且电池63A的阴极连接并结合到TCO层62A。 电池64A的阳极连接并结合到TCO层62A，且电池64A的阴极连接到所述连接电极65A。依 次地，电池63B的阳极连接到所述连接电极65A且电池63B的阴极连接到并结合到TCO层 62B。电池64B的阳极连接到并结合到TCO层62B且电池64B的阴极连接到所述连接电极 65B。依次地，电池63C的阳极连接到所述连接电极65B且电池63C的阴极连接并结合到 TCO层62C。电池64C的阳极连接并结合到TCO层62C且电池64B的阴极连接到外部电极 67。图5B示出如上文详细地描述的外部电极66与67之间的装置的连接。
面板叠层中的每个面板、诸如图5A所示的面板60包含许多串联地连接的电池，所 述电池的数目等于面板的期望总输出电压除以每个电池的输出电压。 例如，面板60可以包含每个在基本上恒定的电流下输出1伏的十六电池组，且第 二面板可以包含每个在基本上恒定的电流下输出0. 5伏的三十二电池组。串联地连接以获 得期望电压输出的一组此类电池表示一个单元。面板可以包含为了获得更高电压输出而串 联地连接或为了获得更高电流输出而并联地连接或以串联和并联组合的方式连接的多个 单元。每个单元或单元组可以并入旁路二极管以便针对局部避光而保护该单元。还可以将 旁路二极管用于单元内的电池组以针对局部避光而保护该电池组。 由被相互并联地连接的面板组成从而具有相同的电压输出的串叠型能量转换 (TEC)装置相比于需要相等电流输出的串联地连接的面板具有优点。由于入射太阳光谱在 一天中和在一年中变化，所以一组串联连接的面板的电流输出随着光谱的变化而线性地改 变，而并联连接的面板的电压输出随着光谱的变化而以对数形式改变，使得并联面板连接 对于此类太阳光谱变化的敏感度比串联面板连接低。 对于本领域的技术人员来说清楚的是可以实现每个面板上的太阳能电池和面板 本身的串联和并联连接的组合以获得期望的电压和电流输出结果。 本发明的显著特征在于将太阳能电池面板置于光学串联，使得每个面板吸收一部 分入射太阳光谱并透射其余部分，随后以电串联的方式连接面板(其中每个面板必定输出 相同的电流)以将其电压输出相加或以电并联的方式连接面板(其中每个面板必定输出相
13同的电压输出)以将其电流输出相加。 单独地制造每个面板并在制造工艺结束时将其组合的附加益处是可以单独地制 造每个太阳能电池并因此使用优化工艺，而且将每种材料可能需要诸如温度、厚度、表面涂 层(如果有的话)类型等不同工艺条件考虑在内。然后将优化的太阳能电池面板组合以实 现串叠型方法的高性能/效率。 虽然本发明前述说明明确地描述了本发明的示例性特定实施例，但本领域的技术 人员应认识到可以用在随附权利要求的精神和范围内的修改来实施本发明，即在不脱离本 发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节方面进行修改。在本发明的范围内的以上 公开的装置和方法的修改对于本领域的技术人员来说将是易于理解的。 因此，尽管本发明已经联系其上述示例性实施例进行了公开，但是应该理解可以 进行改变以提供其它实施例，所述其它实施例可以落入本发明的精神和范围内，并且所有 这些改变落入本发明的范围内，本发明包括由所附权利要求限定的主题。
权利要求
一种太阳能转换装置，包括从上面板到下面板以层级形式堆叠的至少两个面板的垂直叠层，所述面板中的每一个包括太阳能电池的匹配阵列，具有与面板的所述垂直叠层中的其它太阳能电池面板不同的能带隙；其中所述垂直叠层中的所述面板的每一个被布置为所述面板之一具有位于所述层级中的带有较高能带隙的太阳能电池且在所述叠层中在包含具有较低能带隙的太阳能电池的其它所述面板之上；提供了被配置为接收入射在所述最上层面板上的太阳能的所述装置的顶面；以及每个所述上面板吸收具有大于其所述能带隙的较大太阳光子能的一部分阳光，且每个所述上面板使具有低于所述较大太阳光子能的光子能的太阳光子透射到在所述层级中较低且在所述叠层中位于较低位置的其余所述面板之一。
2. 权利要求l的能量转换装置，其中，每个所述面板中的所述太阳能电池被串联电连 接且所述面板被并联地连接。
3. 权利要求l的能量转换装置，其中，每个所述面板中的所述太阳能电池被并联电连 接且所述面板被串联地连接。
4. 权利要求2的能量转换装置，其中，以并联电布置连接的所述面板中的每个上的太 阳能电池的数目等于每个所述面板的期望输出电压除以每个所述面板上的每个所述太阳 能电池的工作电压。
5. 权利要求4的能量转换装置，包括两个面板的叠层，其中GaAs太阳能电池被安装在 上面板上且硅太阳能电池被安装在下层所述面板上。
6. 权利要求4的能量转换装置，其中所述上面板安装有选自GaAs、 GalnP、 GaAsP、非晶硅、CdTe、和CdZnTe的组的太阳能电 池；以及所述下面板安装有选自由晶体硅、多晶硅、铜铟镓二硒、锗、氮化镓铟、和氮化镓铟砷组 成的组的太阳能电池。
7. 权利要求4的能量转换装置，包括三个所述面板的叠层，包括从上到下依次布置的上面板、中面板和下面板； 所述上面板安装有其能带隙大于1. 7电子伏特的太阳能电池； 所述下面板安装有其能带隙小于1. 1电子伏特的太阳能电池；以及 所述中面板安装有其带隙在安装在所述上面板与所述下面板上的所述电池的带隙之 间的太阳能电池。
8. 权利要求l的能量转换装置，其中，每个所述面板中的所述太阳能电池被介电间隔 件分开。
9. 权利要求8的能量转换装置，其中，一组所述太阳能电池被指定为一个单元，且每个 单元包括保护性旁路二极管。
10. 权利要求1的能量转换装置，其中每个所述面板中的所述太阳能电池被并置且对 接在一起或被介电间隔件分开。
11. 一种太阳能转换装置，包括被布置为用于指引要入射在叠层中的最上层面板上的太阳能的至少两个面板；所述面板中的每一个包含具有不同能带隙的太阳能电池阵列；所述面板被布置成垂直的所述叠层，具有较高能带隙太阳能电池的所述面板位于具有 较低能带隙太阳能电池的所述面板之上；所述面板中的每一个被配置为吸收具有大于其能带隙的太阳光子能的一部分阳光，且 被配置为使具有低于其能带隙的能量的太阳光子透射到所述叠层中较低的所述面板。
12. 权利要求ll的能量转换装置，其中，每个所述面板中的所述太阳能电池被串联电 连接且所述面板被并联连接。
13. 权利要求ll的能量转换装置，其中，每个所述面板中的所述太阳能电池被并联电 连接且所述面板被串联连接。
14. 权利要求13的能量转换装置，其中，以并联电布置连接的每个所述面板上的太阳 能电池的数目等于每个所述面板的期望输出电流除以每个所述面板上的每 个所述太阳能 电池的工作电流。
15. 权利要求12的能量转换装置，其中，以并联电布置连接的每个所述面板上的太阳 能电池的数目等于每个所述面板的期望输出电压除以每个所述面板上的每个所述太阳能 电池的工作电压。
16. 权利要求11的能量转换装置，包括两个面板的叠层，其中GaAs太阳能电池被安装 在上面板上且硅太阳能电池被安装在下层所述面板上。
17. 权利要求11的能量转换装置，包括安装有选自GaAs、GalnP、GaAsP、非晶硅、CdTe、 和CdZnTe的组的太阳能电池的上面板和安装有选自晶体硅、多晶硅、铜铟镓二硒、锗、氮化 镓铟、或氮化镓铟砷的组的太阳能电池的下层所述面板。
18. 权利要求11的能量转换装置，包括三个所述面板的叠层，包括从上到下依次布置的上面板、中面板和下面板； 所述上面板安装有其能带隙大于1. 7电子伏特的太阳能电池； 所述下面板安装有其能带隙小于1. 1电子伏特的太阳能电池；以及 所述中面板安装有其带隙在安装在所述上面板与所述下面板上的所述电池的带隙之 间的太阳能电池。
19. 权利要求ll的能量转换装置，其中，一组所述太阳能电池被指定为一个单元，且每 个单元包括保护性旁路二极管。
20. 权利要求11的能量转换装置，每个所述面板中的所述太阳能电池被并置且被介电 间隔件分开；或对接在一起。
全文摘要
本发明涉及光学串叠型光伏电池面板。一种太阳能转换装置包括从上面板到下面板以层级形式堆叠的至少两个面板的垂直叠层，面板中的每一个包括太阳能电池的匹配阵列，具有与面板的垂直叠层中的其它太阳能电池面板不同的能带隙。垂直叠层中的面板的每一个可以被布置为面板之一具有位于层级中的带有较高能带隙的太阳能电池且在叠层中在包含具有较低能带隙的太阳能电池的其它面板之上。装置的顶面被配置为接收入射在最上层面板上的太阳能。每个上面板吸收具有大于其能带隙的较大太阳光子能的一部分阳光，且每个上面板使具有低于较大太阳光子能的光子能的太阳光子透射到在层级中较低且在叠层中位于较低位置的其余面板之一。
文档编号H01L31/042GK101714582SQ20091020444
公开日2010年5月26日 申请日期2009年9月29日 优先权日2008年10月1日
发明者H·J·豪威尔 申请人:国际商业机器公司