专利名称：管状光伏器件和制造方法
技术领域：
本发明涉及管状光伏器件及其制造方法。
背景技术：
大家都意识到创新的太阳能技术是解决世界能源问题的最好办法。提高太阳能转换效率是许多人努力提高太阳能技术的目标。众所周知太阳光的入射角是变化的而它的变化会影响光伏器件的转换率。现有技术平板太阳能模组只能从有限的入射角范围内有效地采光，因此只能采集到一定百分比的现场太阳光。然而依照这个发明的管状太阳能模组可以从一大系列的角度范围内采光。从而使转换率得到了提高。在2008年光伏专家会议上， M. D. Archbold和Halliday发表的文章-新颖的管型状碲化铬/硫化铬器件，刊登在2008 年5月11-16日，PVSC' 08 IEEE第33期上，其内容在此以引入方式并入本文，披露了管状光伏器件在其衬底内面有一薄膜叠层，见图1A。现有技术的另一缺点是某些现有技术的管状电池要用第二根管子来达到封装作用。封装是用来保护薄膜免受环境恶化的必要措施。Buller等人的美国专利第 7，235，736BI号，其内容在此以引入方式并入本文，披露了管状太阳能电池在其由第二根管子来封装的衬管的外表面有一薄膜叠层。由于其结构原因，在此披露的器件除去了对第二根封装管的需要。现有技术在平板或衬管内面形成薄膜的镀膜方法一直都在努力地提高薄膜的质量和均勻度。已经出现了各种各样的电极配置和电极结构，但没有一个可以令人满意地在管状衬底内表面镀上一层器件级薄膜。Keshner等人的美国专利出版号第2007/0048456A1 号，其内容在此以引入方式并入本文，披露了一种衬底处理系统，它包括一个沉积室和多个管状电极线性地排在沉积室内以划分与之相邻的等离子区域。Matsuda等人的美国专利第 6189485B1号，其内容在此以引入方式并入本文，披露了一种在一个平面基板的前方空间由电子激励产生的等离子，并由等离子体增强化学气象沉积法在此基板上镀一层非晶硅薄膜。一个由多个管状电极组成的电极区通过多个气体排放口提供材料气体，并且这些管状电极又通过多个气体抽吸口把气体排到外面。德国专利号第DE102004020185(A1)号，其内容在此以引入方式并入本文，披露了在瓶子的内部镀上反扩散层的技术。Miljevic, V.在1986年1月15日期刊J. Appl. Phus. 59 (2)发表的文章“空心阳极放电的光学特性"，其内容在此以引入方式并入本文，披露了一种凹形阴极。Anders等人的美国专利第6，137，231号，其内容在此以引入方式并入本文，披露了一种用于等离子沉积的限制性辉光放射沉积室。
发明内容
在此披露的是一种光伏器件，由一根衬管，一层镀在该衬管内壁的透明导体，一层镀在该透明导体上的半导体结，和一层镀在该半导体结上的背电极构成。在本发明的一个实施方案中此光伏器件的终端至少镀有一个密封圈。在此实施方案中此密封圈上套有一个密封盖，因此整个器件就被紧密地密封起来。在本发明的一个实施方案中此器件由多个由划线槽隔开的光伏电池元件组成。在本发明的一个实施方案中该多个光伏电池元件的每一个单元尺寸可以相同或不同。在本发明的一个实施方案中此划线槽非正角正交地环绕着圆管。在本发明的一个实施方案中其背电极是透明的。在本发明的一个实施方案中此光伏器件内部可放置第二个器件，该第二个器件可以选择是一组光伏器件或一组蓄电池。置于内部的光伏器件可以由一个相似的或不同的能够吸收相同或不同波长光的器件组成。在本发明的一个实施方案中在此管状器件外表面的一部分有一层反射面。这层反射面可能覆盖全部或部分器件。这层反射面可以由应用各种方法镀上的任何合适的涂料层或其他薄膜组成。在本发明的一个实施方案中所披露的一种形成薄膜的方法，是由通过使用一个或多个电极在圆管内产生一个等离子体，在此所形成的等离子体被均勻地涂在了圆管内壁。 在本发明的一个实施方案中使用偶数个等距离地分布、勻称地围绕着圆管中心轴排列开来的电极来产生等离子。在本发明的一个实施方案中等离子在相邻的电极之间产生。在本发明的一个实施方案中圆管在镀膜时旋转。在本发明的一个实施方案中使用奇数个等距离地分布、勻称地围绕着圆管中心轴排列开来的电极来产生等离子。在本发明的一个实施方案中这些等离子产生在圆管中心。在本发明的一个实施方案中这些等离子在圆管内旋转。在本发明的一个实施方案中工艺气体由一个空心电极或一个空心绝缘体来传送。在本发明的另一个实施方案中此电极含有一屏蔽层以防止等离子进入空心圆管的中心部位。在本发明的另一个实施方案中披露了一种含有一个空心圆管中心部位的电极，至少有两个放气室通过气体进气孔和该空心圆管的中心部位相通，该放气室有一个为与阳极相接而设计的放气室出入口，该放气室有一个凹形表面，当气体通过该气体进气孔和通过该放气室出入口时，由此产生了等离子。在本发明的另一个实施方案中此电极由四个放气室组成。
图IA和IB是现有技术管状光伏器件的剖析图。图2A和2B是本发明的一个实施方案中所述的含有封闭圈和紧密封闭盖的管状光伏器件的侧视图和各自相应的剖析图，圈和盖没有在图2B标示出来。图3A和:3B是图解与圆管中心轴正交的划线槽将管状光伏器件划分为电池元件的侧视图和相应的剖析图。图4是图解非正角正交的划线槽将管状光伏器件划分为电池元件的侧视图。图5是图4的相应剖析图。图6A和6B是一种光伏器件的侧视图和剖视图，其用于分割光伏电池元件的曲线状划线槽提高了电池元件的长宽比以减少串联电阻。
图7显示了长宽比的增加与划线槽正弦频率的曲线关系。图8A和8B为封装后的光伏器件的侧视图和剖视图。图9为在终端用封装圈和封装盖封装后的管状光伏器件的侧视图。图10为管状光伏器件的加工示意图。图IlA和图IlB分别为在半导体薄膜层刻线后部分加工的管状光伏器件的侧视图和剖视图。图12显示了管状光伏器件的剖视图。其中包括衬管、透明导体层、半导体层、背电极层和刻穿背电极以及半导体层的划线槽。图13显示了用具有密封性能的封装圈与封装盖封装后的管状光伏器件。图14显示了用以同时加工多个光伏管的平台。图15显示了一套用于加工管状光伏器件的工艺与装置包括其多区域气体分布系统。通过独立地调整各个区域的排气比例，此系统可以将气体在衬管内沿轴向均勻分布以达到均勻沉积薄膜的效果。图16显示了一套用于加工管状光伏器件的工艺与装置。其中分布在衬管内的偶数数目的电极用以在衬管内壁沉积薄膜。图17显示了一套用于加工管状光伏器件的工艺与装置。其中分布在衬管内的奇数数目的电极用以在衬管内壁沉积薄膜。图18显示了一套用于在衬管内镀膜的工艺与装置，包含有一套新颖的用以在管内产生等离子体的电极排列结构。图19显示了一套用于在衬管内镀膜的工艺与装置，包含有一个新颖的用以在管内产生等离子体的具有凹形外表面的中空负极。图20显示了一套用于在衬管内镀膜的工艺与装置，其利用在衬管内预先安装的密封装置来抑制加工过程中的气体向管外扩散。图21显示了一套用于在衬管内镀膜的工艺与装置，其利用磁控管来实现管内物理气相沉积工艺。图22显示了一个加载腔体与加工腔体垂直叠放的独立系统立体示意图。图23显示了在一个工业机器人周围放置多个独立加工系统的布置结构图。图M为立体剖视图，显示了具有一共享缓冲腔体的集群式衬管内壁薄膜沉积系统。图25为一水平放置集群式共享平台示意图。图沈为一台衬管内壁镀膜装置示意图。图27为一衬管运送系统的立体示意图。此系统用以在独立配置系统中在加工腔体与加载腔体之间传送衬管、或者在共享式配置系统中在共享缓冲腔体与加工腔体之间传送衬管。图观为一衬管运送系统的立体示意图。此系统用以在独立配置系统中在加工腔体与加载腔体之间传送衬管、或者在共享式配置系统中在共享缓冲腔体与加工腔体之间传送衬管。图四显示了在加工腔体中的衬管夹持与旋转装置。
具体实施例方式现在将对此发明的一些具体实施方案作出详细的阐述，包括发明者认为实现该发明的最佳方式。这些具体实施方案的例子在附图中给予描述。介绍这些具体实施例只是用来解释本发明，应理解为其本意并不是将本发明局限于所描述的这些具体实施例。相反地， 它旨在包括包含在本发明所附权利要求中所定义的基本精神和范围内的各种替代，改装以及相似性。在下面的说明中，将对许多具体细节进行详细阐述以便透彻解释本发明。本发明可以不实施某些或所有这些具体细节。在本文说明和所附权利要求中，单数形式的“一” 和“这个”包括了复数参考，除非文意另有明确规定。除非另有规定，此处使用的所有技术和科学术语含义相同于本发明所属领域一般技术人员所普遍理解的含义。“光电器件”指包含有一个或多个元件的能够将光子转换为电能的器件。使用此术语并不意味着此器件中所有的元素都具有光电转换的作用，但是那些用于并声称为“光电器件”的元素通过合适的连接和总线线路有能力将光子转换为电能。本发明中的光电器件并不限于管状基板，而包括所有的非平面基板。“层”指一单层膜或薄膜，或者是一个或者多个膜和/或薄膜的合并体。在不偏离本发明定义的范围内，在此“层”和“薄膜”可以互换使用。“形成一层膜”指任何形成一层薄膜的沉积方式或工艺。“电池元件”指可以将太阳能转换为电能的光电器件中的一部分。本发明光电器件中的电池元件之间可以具有相同或者不同的尺寸、材料、薄膜、划线槽以及长宽比。“密封”指一种视为接近地、合理地、或者完全地不透气的封闭或状态。“围饶”在这里指“环绕圆周的”。本发明并不限于意味着围绕整个圆周，但那是首选的实施例。“管状”在这里指中空并且一端或者多端开口。本发明并不限于柱状或者圆状，而是包含本发明定义范围内的任何形状。具有抽象外形形状的各种管子包含在本发明所定义的范围之内。虽然本发明认为圆周完整的圆管更优，即不断裂的基板。然而本发明所涵盖的光电器件可以包括由半圆或半周和/或凹形的圆管组成。“凹形”在这里指像球体内表面的曲线形状。弯曲度或曲率可沿着放电腔表面而变化。在此披露的制造管状器件工艺的另外一个优点在于薄膜可以在封闭圈安装到圆管上之后进行沉积，该封闭圈的安装通常需要400°C以上的温度。薄膜沉积通常倾向于温度在低于300°C以下进行，低于250°C情况下更好，温度在100°C至200°C之间最好。本发明在较低温度下用密封盖封装圆管，倾向于温度低于250°C，低于200°C更好，温度在20°C至 100°C之间最好。众所周知越长的光子路径可以提高光的吸收率，因而提高了光电转换效率。然而由于众所周知的“光致衰减”特性，氢化非晶硅(a_Si:H)薄膜受到其厚度的限制而无法进一步提高光子途径。这是为什么氢化非晶硅遭遇低效率的原因之一。在此披露的圆管形状通过在不增加薄膜厚度的情况下延长了光子途径来纠正了现有技术的这个问题。同时由于管状结构使表面积增加了 3倍，因此对大约占日光25%的散射光能够更充分的被吸收。本发明中圆管的固有双面特性，圆管之间的陷光和所提议的透明薄膜叠层都进一步提高了转换效率。
现有技术中平板太阳能组件的封装是通过层压和切边的技术将两层玻璃黏合在一起从而延缓对电池薄膜有害的水汽从四周进入。现有管状器件技术中需要在内管外套第 ニ个外管以起到保护作用。两个管之间又加入了液体光耦合剂(例如硅油)以尽可能的吸收光能。本发明不需要制造平板太阳能组件所需的层压和切边エ艺。本发明也排除了其他现有管状技术中对第二个玻璃管和液体光耦合剂的需求。这大大地减少了本发明中占整个器件总成本的主要部分的原材料成本。图IA说明了ー个现有技术管状光伏电池的结构100A。基板101的内壁有ー层透明导电膜102，紧接着是ー层半导体结薄膜103。背电极105覆盖在半导体结薄膜103上。 本领域技术人员很容易就知道一层吸光薄膜和一层窗ロ薄膜(没有在这个附图中显示)结合可形成p-n结或n-p结并在此把它称为半导体结薄膜。图IB说明了另ー个现有技术管状光伏器件100B。基板101有一层外表薄膜，该薄膜由ー层背电极105覆盖，紧接着是ー层半导体结薄膜103。ー层透明导电膜102覆盖在半导体结薄膜103上。为了防止薄膜层暴露在周围环境中，使用了一根管套106。在实际实施中ー种液体光耦合剂被用来填充透明管套106与透明导电膜102之间的缝隙107。图2说明了本发明ー种实施方案中所述的管状光伏器件的剖视图。管状光伏器件 200的内壁或内向表面上有ー层透明导电薄膜202，紧接着是ー层半导体结薄膜203和背电极205。半导体结203由一层吸光薄膜(未显示)和一层窗ロ薄膜(未显示)结合形成一层结。基板201为透明或基本透明材料，可以包括铝硅酸盐玻璃、硼硅玻璃、双氯玻璃、锗/ 半导体玻璃、玻璃陶瓷、硅酸盐/石英玻璃、钠钙玻璃、石英玻璃、硫系玻璃、氟化玻璃、玻璃基酚醛、燧石玻璃以及透明塑料等等。透明导电薄膜202可包括碳纳米管、单层石墨烯、氧化錫、SnOx (氟搀杂或无氟搀杂)氧化锡铜、搀杂氧化锌(例如铝搀杂、铜搀杂、镓搀杂、硼搀杂或几种元素的混合搀杂)。透明导电薄膜202可以为ρ搀杂或η搀杂。例如，在实施方案中当半导体结层203为ρ搀杂吋，透明导电膜可以为ρ搀杂。透明导电膜202最好由非常低电阻及具有合适光学透明度(最好大于90%)的材料构成。透明导电膜202最好具有特定结构以最大化地充分吸收光。半导体结层203可以为光电同质结、异质结、异面结、埋同质结、p-i-n结、双节、或者三节等等，材料可以为直接带隙(比如碲化镉)或者间接带隙(比如晶体硅)。比如，半导体材料可以由非晶硅单节、非晶硅/微晶硅双节，和/或者碲化镉/硫化镉异质结构成。背电极205可以用低电阻材料以可忽略的损失来传导光电池产生的电流。背电极 205可包含一种导电材料如铝、钼、钨、钒、铑、铌、铬、钽、钛、钢、镍、钼、银、金及其合金，或者其任何结合物。在某些实施方案中，背电极205可以由半透明或全透明导电氧化物构成，比如氧化铜锡，铝搀杂氧化锌、镓搀杂氧化锌或者硼搀杂氧化锌或者氧化铜锌。除了在此所披露的适合于各层薄膜的材料及其他用以制造此器件的材料和方法外，未在此披露部分在美国专利第7，235，736号中披露，其内容在此以引入方式并入本文。图3A说明了本发明ー种实施方案中所述的管状光伏器件的侧视图。管状光伏器件300包含了衬管301，其内表面上镀了ー层透明导电膜302。为了更清楚地描述其底层的具体细节图中衬管301的ー些部分被去除。划线槽307a，307b，307c按特定刻于透明导电膜302上用以划分电池元件308a，308b，与308c。图是图3A中光伏器件的局部剖视图。 图3B描绘的是ー个平面基板；这只是为了清楚显示而己，本发明并不局限与此。图加显示了衬管301上由划线槽307a，307b及307c分割的电池元件308a，308b和308c。图4说明了本发明ー种实施方案中所述的管状光伏器件的侧视图。管状光伏器件 400包含了衬管401，其内表面上镀了ー层透明导电膜402。为了更清楚地描述其底层的具体细节图中衬管401的ー些部分被去除。划线槽407a，407b，407c刻于透明导电膜402上用以划分电池元件408a，408b,与408c。划线槽407a，407b，及407c之间相互独立，尺寸大小可以相同或不同，并且可部分或完全地绕管延伸，在一个实施例中划线槽非正角正交地沿中轴线环绕着圆管。划线槽与管子中轴线的夹角可为0至60度之间，5至50度之间较好， 30至45度之间更好。45度为最好。图5是图4中光伏器件的局部剖视图。图5描绘的是 ー个平面基板；这只是为了清楚显示而己，本发明并不局限与此。图5显示了镀在衬管501 上由划线槽507a, 507b及507c分割的电池元件508a, 508b和508c。划线槽507a, 507b和 507c可単独或同时垂直地或按预先确定的角度沿中轴线环绕着圆管。图6A和6B显示了ー个管状光伏器件的侧视图和相应的剖视图，其电池元件有不同的长宽比。管状光伏器件600包含了衬管601，其内表面上镀了ー层透明导电膜602。为了更清楚地描述其底层的具体细节图中衬管601的ー些部分被去除。划线槽607a，607b， 607c刻于透明导电膜602上用以划分电池元件608a，608b,与608c。划线槽607a，607b，及 607c之间相互独立，尺寸大小可以相同或不同，并且可部分或完全地绕管延伸并具有正弦或接近正弦曲线的形状。图6B是图6A中光伏器件的局部剖视图。图6B描绘的是ー个平面基板601 ；这只是为了清楚显示而己，本发明并不局限与此。图6B显示了镀在衬管601上由划线槽607a，607b及607c分割的电池元件608a，608b和608c。为了减少透明导电膜的薄膜电阻，电池元件608a的长宽比需要増大，也就是说， 电池元件608a的周长与电池元件608a的宽度比例需要増大。増大此长宽比降低了电池元件的总体串联电阻从而提高了填充率和器件的转换效率。通过对划线槽进行特定划割电池元件前后导电层的长宽比将得以提高。这样就降低了欧姆损失或者由电阻产生的损失，并同时提高了转换效率。例如，普通划割的长宽比=2 π R/30，假设管直径为60mm，电池元件宽度为30mm，那么其普通划割的长宽比=6.3。当45度倾斜划割时；长宽比=2. 8 π R/30 =8. 8，这样长宽比就提高了 40 %。对于正弦曲线状的划割，长宽比的提高将取决于正弦曲线的频率及幅度。划线槽607a，607b，及607c之间相互独立，尺寸大小可以相同或不同，可以为任何沿着划线槽长度其宽度不断变化的几何形状。图7显示了正弦曲线形状的划线槽与垂直划线槽相比所帯来的长宽比的增加随划线槽正弦频率变化的曲线关系图。可以看到如果正弦频率增加5倍电池元件的长宽比增加了 2. 5倍。图8A显示了本发明ー种实施方案中所述的管状光伏器件的侧视图。管状光伏器件800包含了衬管801，其内表面上镀了ー层透明导电膜802。为了更清楚地描述其底层的具体细节图中衬管801的ー些部分被去除。半导体结层803沉积在透明导电膜上。背电极 805镀在半导体结层803上。封装层806覆盖在背电极805上。有了封装层806，就可以不需要采用气密性封装。图8B是图8A中光伏器件的局部剖视图。图8B描绘的是ー个平面基板801 ；这只是为了清楚显示而己，本发明并不局限与此。衬管801的内表面上镀了ー层透明导电膜802。为了更清楚地描述其底层的具体细节图中衬管801的ー些部分被去除。 半导体结层803沉积在透明导电膜上。背电极805镀在半导体结层803上。封装层806覆盖在背电极805上。图9显示了ー个管状光伏器件900的侧视图，封装圈910安装在它的终端。光伏器件900最好采用密闭性封装以阻止氧气或水汽进入而对光伏薄膜层造成损害。在本发明的一个优选实施方案中，通过焊接或其他方式将封装盖911安装在封装圈910上使其密闭性地封装了衬管901。封装圈可由任何合适的材料构成，最好使用金属或金属合金。封装盖 911可以在真空环境下装接到封装圈上，这样封装后的光伏器件900的内部可以保持真空状态。另ー种方法是在器件内部填充某种气体比如氩气或者其它惰性气体和/或氮气，或者任何其它合适的气体及其混合体，来产生内部正压以防止有害元素接触到薄膜叠层。任何合适的材料都可以用来做密闭性封装，但是在封装过程中衬管的温度最好保持在200°C 以下，IOO0C以下更好，室温最为理想。图10显示了管状光伏器件的制造示意图1013。在此制造方法中生产设备按照其功能放置。激光划线设备和测量设备因为要求特殊防震底座所以设置于特定区域，而其他较耐用设备则可安放在一般区域。在每ー个エ艺阶段内，同功能多个设备并行运作，所以即使某个设备出故障或停机维修，整个エ艺流程也不会停滞。如图示环形封装圈1010安接在衬管1001的一端或两端。封装圈可以有两种颜色用以识别衬管的两端这样在生产过程中就可以正确地安装衬管。在其中ー个封装圈上还可以刻上条码进行质量跟踪。在衬管1001的内壁通过低压化学气相沉积设备1014周向沉积ー层透明导电薄膜。这层透明导电薄膜的标准厚度在700纳米至1000纳米之间， 取决于所采用的材料。这层透明导电膜可以通过各种各样的エ艺技术来沉积。如物理溅射、低压化学气相沉积法(LPCVD)、常压化学气相沉积(APCVD)等等，但不仅仅只限于这些例子。激光划线设备1015在透明导电膜上刻划线槽以将器件分隔成光伏电池元件。这些划线槽可以不完全环绕管内壁ー圈；但最好完全环绕管内壁一圈以将透明导电膜分隔成各自独立、互不相连的単元。每个独立的単元即作为其相应光伏电池元件的前导电膜。划线槽的底部会把在它下面的衬管暴露出来。为了最大限度地提高光电转换效率，在保证隔开的透明导电膜之间互相绝缘的基础上这些划线槽应保持尽量小的宽度。脉冲准分子激光和Q开关YAG激光烧灼可以用来刻划透明导电膜。实例披露在由S. Kiyama, T. Matsuoka, Y. Hirano,M. Osumi，Y. Kuwano 等发表在 JSPE，11,2069(1990)上的论文“Laser patterning of integrated type a-Si solar cell submodules,，，,其内容在此以弓|入万式并入本文。 这些划线槽的标准宽度为25微米到50微米之间。半导体结层可以在流程1016阶段沉积，可以为光电同质结、异质结、异面结、埋同质结、p-i-n结、双结、或者三结等等。在本发明的某些实施例中，单节非晶硅薄膜可以周向沉积在透明导电膜表面。等离子体化学气相沉积法是沉积这样的半导体结层的最好エ艺。 在本发明的另ー个实施例中，可以通过沉积高转换率的碲化镉/硫化镉异质结来形成这样的半导体结层。结合图10与图IlA和IlB可以更彻底地明白本发明的制造过程。管状光伏器件 1100包含有一层半导体结层1103，通过在流程1017刻划线槽1118a, 1118b和1118c纹案将此半导体结层分隔为光伏电池元件。这些划线槽可以环绕整个衬管一圏，因此把半导体结层分隔为各自独立、互不相连的単元。划线槽的底部会把在它下面的透明导电膜暴露出来。 在流程1017刻上的划线槽1118a，1118b和1118c的纹案最好与刻在透明导电膜上的划线槽纹案平行或基本上平行。在典型应用中，不同波长的Nd-YAG激光用来刻划半导体结层， 所刻的划线槽与透明导电膜上的划线槽保持25微米至50微米的距离，这样划线槽1118a， 1118b和1118c各自与透明导电膜上的划线槽相接近但不重叠。电池元件以单片集成方式相连，相邻电池元件以串联方式相连。在流程1019阶段采用合适的エ艺过程将ー层背电极沉积在刻划好的半导体结层上，如物理气相沉积法或低压化学气相沉积法。在本发明的一个实施方案中，先通过低压化学气相沉积或者物理气相沉积エ艺将铝搀杂氧化锌薄膜周向沉积在半导体结层上，然后将ー层金属膜比如铝或者银沉积在这层铝搀杂氧化锌薄膜上。在另ー个实施方案中，只有 ー层透明导电薄膜沉积在半导体结层上，没有了不透明的金属薄膜层光伏管成了半透明状态，这样衬管1001不面向太阳的部分也能吸收到光而产生电能。在另ー个实施方案中，透明导电膜被用来作为背电极以形成TCO/半导体结层/TCO的光伏模组。这个半导体结层只收集到一部分的太阳光谱。所以可以将另外一个光伏模组套放在这个光伏模组里来收集剩余的太阳光谱。在另ー个实施方案中，可以在表面上涂抹ー层白色漆或其他反射膜，最好涂抹在圆管的外表面上，这样圆管未面向太阳的部分可以把光反射回光伏器件中并被吸收。然后背电极和半导体结层在流程1020阶段刻划线槽。背电极上的划线槽最好与半导体结层上的划线槽平行或基本上平行并保持25微米至50微米的距离。在流程1122 阶段，可能引起半导体结层短路的材料缺陷和/或短路点被去除棹。总线配置和光伏管封装分別在流程1023和流程IOM完成。图12显示了一个光伏器件1200的剖面图，此光伏器件包含背电极1205、半导体结层1203以及刻划在背电极1205与半导体结层1203的划线槽1221a和1221b。在典型应用中，用来刻划半导体结层的Nd-YAG激光可以用来刻划这些薄膜层。管状光伏器件的电池元件末端可以用来连接外部电路，连接点的接触电阻应保持最低。图13说明了管状光伏器件1300，封装圈1310安装在衬管1301上，然后安装上封装盖1311以达到密闭封装。光伏器件的薄膜层最好通过密闭性封装器件的方法与外界环境中的气体隔绝开来。在背电极上可以选择性地镀上ー层钝化膜。也可以选择性地将电カ存储装置安插在衬管内以形成一种太阳能发电和存储集成器件。图14说明了ー个加工腔体1420，它可以用来在衬管内壁周向沉积薄膜。图示是腔体1420剖视图的一半。衬管1401a和1401b通过插槽1422加载至腔体1420。エ艺设备 1423可以为常压化学气相沉积APCVDエ艺设备、低压化学气相沉积LPCVDエ艺设备或等离子体增强化学气相沉积PECVDエ艺设备。也可以为磁控管エ艺设备。在沉积エ艺过程中， 衬管1401a和/或1401b和/或エ艺设备1423可以随意旋转以获得均勻的薄膜沉积。图15说明了在衬管1501内壁完成沉积高质量薄膜的エ艺过程。一层或者多层光伏器件薄膜可以通过常压化学气相沉积(APCVD)方法来沉积。氧化锡(SnO2)透明薄膜就可以通过APCVD来沉积。原料气态四氯化锡(SnCl4)首先被加热至沸点，气体温度达到大约 500 600°C时在常压下被输入衬管内。空气中的氧气与四氯化锡(SnCl4)反应形成氧化锡(SnO2)沉积在衬管1501的内壁。为取得均勻沉积薄膜的效果保持化学前体物四氯化锡 (SnCl4)在衬管内的均勻分布极为重要。化学前体物15M通过多区域配气系统1525在衬管
11内环绕中轴线均勻的分布开来。fl、f2和f3在图中代表化学前体物的流动。每个配气区域对化学前体物的流量进行独立控制，同时衬管在沉积エ艺过程中可以连续地旋转或做任何适当的间歇旋转以达到沉积薄膜的均勻性。另外还可以通过低压化学气相沉积法(LPCVD) 在衬管内沉积ー层或者多层薄膜。比如一层绒面ZnO透明导电薄膜就可以通过LPCVD在衬管1501内壁沉积。在应用这个沉积エ艺中，衬管1501的温度保持在150°C左右。本发明包含了等离子体增强化学气相沉积法在内的所有用以沉积均勻性优良的薄膜的エ艺方法。在一个实施方案中，沉积过程中的等离子体被限制在衬管内并且圆管要旋转，最好是连续性地旋转。在另ー个实施方案中，在沉积过程中将原料气体控制在衬管内能更充分地利用气体从而降低原材料和维修成本，也降低了对污气处理系统的要求。图16说明了制造管状光伏器件1630的エ艺过程，偶数数目多个电极1641a， 1641b，1641c及1641d在衬管1601内环形放置用以在衬管内壁沉积薄膜。通过对偶数数目多个电极1641a，1641b，1641c以及1641d施加相邻180度相位差的射频电源，产生的等离子体使薄膜更容易沉积在衬管内壁。在沉积过程中衬管可以连续性旋转以获得均勻的薄膜。如图中电极1641a所示，电极1641a，1641b，1641c及1641d上开有多个开孔。エ艺气体混合物可通过带有这些开孔的电极棒1641a，1641b，1641c及1641d输送到衬管1601内， 射频电源施加在每ー根电极棒1641a，1641b，1641c及1641d上并加以调试以使相邻电极间有180度的相位差。图中虽然只显示4根电极棒，但是本发明包含任何可利用的偶数数目的电极棒。这些电极棒可以是中空或者半中空，只要它们能够向衬管内输送足够量的エ艺气体。通过圆对称分布偶数数目的电极棒以及电极棒的变换极性，大部分的等离子体1650a， 1650b, 1650c和1650d应产生在相邻电极棒之间。在沉积过程中衬管将连续旋转以获得均勻的薄膜。图17说明了本发明的另ー个实施方案，其中带有如开孔1742的奇数数目的电极棒1741a，1741b和1741c围绕中心轴勻称地分布于衬管1701内。图中虽然只显示3根电极棒，但其他任何奇数数目的电极都可以用来在衬管内产生旋转等离子体。エ艺气体混合物可通过带有如开孔1742的电极棒1741a，1741b及1741c输送到衬管1701内，射频电源施加在每ー根电极棒1741a，1741b及1741c上并加以调试以使相邻电极间有120度的相位差。通过圆对称分布奇数数目电极棒1741a，1741b及1741c以及相邻两电极间120度相位差的射频电源，在衬管1701中心部位产生了高密度旋转等离子体1750。这些从中央向四周扩散的高密度等离子体在衬管1701内壁沉积形成优质薄膜。图18说明了由偶数数目电极1841a，1841b，1841c及1841d沿着带有开孔1843a， 1843b，1843c及1843d的中空绝缘体1845圆对称分布来沉积薄膜1832的エ艺过程。可选择性采用的金属屏蔽层1855可以防止等离子体进入中空绝缘体1845。如本发明所述エ艺气体可以通过中空绝缘体上的开孔1843a，1843b，1843c及1843d输入衬管1801内。射频电源施加在每ー根电极1841a，1841b，1841c及1841d上并加以调试以使相邻电极间有180度的相位差。可选择性采用的金属屏蔽层1855可以防止在中空绝缘体内产生等离子体。虽然图中只显示4个电极，但在实际应用中，本发明包含使用任何偶数数目的各种形状的电极。 通过圆对称分布任何偶数数目的电极以及电极的变换极性，等离子体1850a，1850b，1850c 及1850d将在中空绝缘体1845外面的相邻电极之间产生。图19说明了本发明所阐述的ー种利用多腔体中空负极1942在衬管1901内壁沉积ー层和/或多层薄膜的エ艺过程。中空负极1942外围为绝缘层1945和正极外套1947。 エ艺气体通过中空负极1942的中心1946及中空负极的开孔1944a，1944b，1944c及1944d 输入。这些エ艺气体是流动的井分别通过气体释放腔体1948a，1948b，1948c及1948d的开孔1943a，1943b，1943c及1943d流出，在负极1942与正极外套1947之间的气压梯度与电カ 梯度驱动下，这些エ艺气体以超声速速度分別形成等离子体1950a，1950b，1950c及1950d 的喷射气流。最好正极外套1947只通过负极开孔1943a，1943b，1943c及1943d与气体接触。负极1949a，1949b，1949c及1949d的面积与正极分别通过负极开孔1943a，1943b，1943c 及1943d暴露的面积之比非常大，这样在负极开孔1943a，1943b，1943c及1943d的周围产生了很强的电位梯度，电位梯度与气压梯度相结合从而产生了等离子体增强化学沉积法所需要的超声速等离子体喷射气流。中空负极1942有四个气体释放腔体1948a，1948b，1948c 和1948d，这些腔体形成于绝缘体1945与凹形负极1949a，1949b，1949c和1949d之间。本发明包含了任何数目的具有凹形表面的气体释放腔体都适合于等离子体增强化学气相沉积。本发明认为最好使用4个这样的气体释放腔体。图20说明了由ー个带有开孔的中空管电极2042与一正极外套2047耦合组成的用于在衬管2001内壁沉积薄膜的设备及其エ艺。可选择性采用的正极外套2047与预先安装在衬管2001上的封装圈2010紧密结合，这样从衬管内流出的エ艺混合气体就不会渗透到衬管2001与正极外罩2047之间的缝隙内。通过在中空管电极2042上施加负偏置电压， 电容耦合等离子体2050会在衬管2001内壁圆周向均勻地产生从而获得优质的薄膜。在本发明的另ー个实施方案中(没有在此图示说明)，衬管2001可以独自旋转或者与中空管电极2042 —起旋转。二者可以同一方向旋转或者不同方向旋转。物理气相沉积法(PVD或者溅射)被普遍用来沉积光伏器件中的透明导电膜。铝掺杂氧化锌，金属膜，氮化硅等都由物理气相沉积法形成。为了加快沉积速度，磁控管物理溅射在现有技术中被普遍利用。磁控管物理溅射利用磁场将电子限制在具有负偏置电压的靶材附近的区域内，靶材由沉积薄膜所需要的材料构成。限制在此区域内的电子团有助于保持高密度的等离子体从而提高溅射靶材释放出更多所需要的材料。图21说明了利用磁控管溅射法在衬管2101内部进行薄膜沉积的ー种新方法。永磁体2161a，2161b及2161c分布在磁控管外罩2162内部，这样就在靶材2163的表面可产生大约500高斯的磁流，靶材2163被装接在磁控管外罩2162上。靶材安装方法没有在图 21中显示出来。靶材2163可由任何适用于磁控管溅射エ艺的材料构成，包括铝掺杂氧化锌、氧化锌、铝、银和/或金等等。磁控管的冷却管2164埋在磁控管外罩2162里面并与外界相通，这样冷却介质(比如水)能在冷却管外罩2162内循环。エ艺气体比如氩气通过开ロ 2165输入衬管2101内部，此开ロ可以是ー根在管身适当打有小孔的圆管。磁控管外罩2162上是负偏置电压，可施加射频电源或不加施加射频电源。一个正极导线或者导体柱 2166可以从靠近靶材那ー边的位置插入衬管2101内。衬管2101在沉积过程中可以旋转从而获得均勻的薄膜沉积。图22显示了本发明的ー个独立操作加工平台2276及其エ艺，它可以用来通过 LPCVD,PECVD和PVD等エ艺过程在衬管2201a和2201b内壁进行薄膜沉积。这套装置包括两个垂直叠放的腔体，加载腔体2271和エ艺腔体2272。两个腔体之间是矩形插板阀2273， 它让ェ艺腔体2272 —直保持在适合于沉积ェ艺的真空状态。可选择性采用的ェ艺加热器和衬管旋转装置没有在图中显示出来。エ艺装置2274(图中只显示ー个)与衬管2201a和 2201b安装在同一轴线上。衬管操作系统2275将衬管垂直地通过矩形插板阀2273载入或者卸出エ艺腔体2272。多个衬管2201a可以由ー个エ业机器手通过加载腔体2271边上的大气间阀(图中没有显示)载入/载出加载腔体2271，也可以通过一个衬管管架来完成，衬管装卸后管架必须从加载腔体中挪出。典型的操作程序如下1)关闭矩形插板阀22732)让加载腔体2271通气3)打开加载腔体的闸阀4)将已经加工好的衬管从加载腔体2271里的衬管操作系统2275上卸出5)将未加工的衬管加载到加载腔体中的衬管操作系统2275上6)关闭加载腔体的闸阀7)将加载腔体抽真空至一定的压カ8)打开矩形插板阀22739)将衬管降至エ艺腔体2272中，衬管与加工装置2274同轴10)图中未显示的夹持与旋转装置将衬管保持在垂直位置并与加工装置同轴11)衬管操作系统2275退回至加载腔体中12)关闭矩形插板阀227313)当沉积エ艺完成后，打开矩形插板阀227314)将衬管操作系统2275降至エ艺腔体并夹持住加工好的衬管15)夹持与旋转装置松开所夹住的衬管16)衬管操作系统2275退回至加载腔体2271中17)关闭矩形插板阀2273图23显示了多个独立操作的加工平台2376分布在エ业机器手2374周围。衬管加载区域2378和预加热腔体2379提供了有效的运作。エ业机器手周围的独立操作平台、 加载区域2378以及预加热区域2379的具体数目可根据最高生产效率进行优化设计。图M说明了一套带有缓冲腔体M80的设备，以减少抽真空时间。在应用中加工腔体内基准压カ很低，大约在10-6torr左右，所以有必要通过缓冲腔体减少抽真空时间的方法将加工腔体和加载腔体分开。如图中所示共享缓冲腔体M80放置在加工腔体M81和加载腔体M82之上。在每ー个腔体和共享缓冲腔体M80之间都有ー个矩形插板阀(图中没有显示)。加载腔体边上的大气间阀在图中没有显示。在共享缓冲腔体M80内部有ー个旋转传送带对83，它由ー个或多个衬管操作系统M85組成。每个衬管操作系统M85有独立的驱动系统用来在加载/卸载时将衬管垂直上下传送。衬管通过加载腔体M82在加工腔体和外部环境之间进出。加工腔体M81和共享缓冲腔体M80保持在一定的真空状态。图25显示了ー个真空机器手中心2584，用以减少加工腔体抽真空时间。在本实施方案中，安装在机器手中心2584里的真空机器手2585在围绕着它的不同加工腔体之间运输衬管2501。根据需要加载腔体2582也可以用来做预热腔体。在此系统加工装置2586 以及衬管2501都可以水平放置。图26显示了一个在衬管沈01内壁沉积薄膜的衬管加工系统沈84。这个系统沈84 由ー个加工腔体2688、一个气体分配板2689、ー个供电系统沈90和一个控制器沈91组成。薄膜沉积的整个エ艺过程主要在衬管沈01内进行，尤其是等离子体增强化学气相沉积 (PECVD)和物理气相沉积法(PVD)的エ艺。但是在低压化学气相沉积(LPCVD)过程中，可以在衬管外部包裹ー层额外的保护层以防止化学反应前薄膜沉积在衬管的外壁。采用不同的加工エ艺法，所用的加工装置沈93不同，供电系统沈90也不同。在本发明的一个实施方案中，具负偏置电压的射频电源供电系统2690用于等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)的加工エ艺。在本发明的另ー个实施方案中，负偏置电压的直流电源、直流脉冲电源或者低频交流电源的供电系统2690用于物理气相沉积法(PVD)的加工エ艺。在物理气相沉积(PVD) エ艺中加热器2694不是必需的，但是在低压化学气相沉积(LPCVD)和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)エ艺中必须使用加热器沈94来维持衬管的温度。图27显示了本发明所述的エ业机器手，它将衬管2701从管架上移出并在独立操作系统内的加载腔体和エ艺腔体之间传送。它含有衬管操作平台2795，这个平台在エ艺腔体和加载腔体之间垂直地运送成排的衬管2701。衬管2701的两端有预先安装的封装圈 2710。衬管夹持器2797通过开或关来夹持或放开玻璃衬管。图观显示了本发明中一个在エ艺过程中用以夹持并旋转衬管的设备观01。衬管支撑基座观98安装在驱动齿轮/轮盘观99上。エ艺气体和电源从驱动齿轮观99和支撑基座观98的中空部分穿过。多余气体通过支撑基座观98和顶部支撑体观48上的开孔观47 流出。顶部支撑体可以打开或关闭将衬管加载迸/卸载出エ艺腔体观88。衬管的一般操作順序如下1.衬管顶部支撑体观48处于开启位置2.衬管操作系统将衬管降至加工腔体中。衬管的底部搁在支撑基座观98上。3.顶部支撑体观48关闭并将衬管观01往下压在支撑基座观98上。4.衬管操作系统上的夹持器打开，衬管操作系统褪出加工腔体。5.在沉积过程中，驱动齿轮观99保持旋转以使衬管2801上获得均勻的薄膜沉积。图四显示了本发明的一个用于等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的设备，它含有多个射频管状电极四73，并通过射频管状电极上的开孔输送气体混合物。由于射频电源的高频率，此管状电极为薄壁不锈钢管以用于输送射频电源。陶瓷绝缘体四74用来作为射频管状电极结合器的外套(图中未显示)，射频电源以及エ艺气体由此输入射频管状电极中。支撑基座四98将支撑住衬管的一端。驱动齿轮四99使衬管四01在正常沉积过程中保持旋转。
权利要求
1.一个光伏器件，其特征在于，包含有衬管，沉积在所述衬管上的透明导电膜， 沉积在所述透明导电膜上的半导体结，以及沉积在所述半导体结上的背电极。
2.权利要求1所述的光伏器件，其特征在于，还包含至少一个封装圈，所述封装圈安装在所述光伏器件的一端。
3.权利要求2所述的光伏器件，其特征在于，还包含附接在所述封装圈上的封装盖，
4.权利要求1所述的光伏器件，其特征在于，其中所述光伏器件包含多个由一系列划线槽分开的光伏电池元件。
5.权利要求4所述的光伏器件，其特征在于，其中每一个所述光伏电池元件的尺寸相同或不同，并具有与所述光伏器件的中轴线成小于 60度的划线槽。
6.权利要求4所述的光伏器件，其特征在于，其中 所述划线槽非垂直角度地环绕圆管。
7.权利要求1所述的光伏器件，其特征在于，其中 所述背电极是透明的。
8.权利要求1所述的光伏器件，其特征在于，还包含被放置于所述光伏器件内的第二器件，所述第二器件可以为光伏器件或者电池。
9.权利要求1所述的光伏器件，其特征在于，还包含 在管状光伏器件的部分表面上的反射性表面。
10.一种形成薄膜的方法，其特征在于，包含 使用一个或者多个电极在圆管内产生等离子体，其中， 所述等离子体被用来均勻地在所述圆管内部沉积薄膜。
11.权利要求10所述的方法，其特征在于，其中所述等离子体由等距离勻称地环绕所述圆管中心轴线分布的偶数数目的电极产生。
12.权利要求10所述的方法，其特征在于，其中 所述等离子体在相邻的电极之间产生。
13.权利要求10所述的方法，其特征在于，其中 所述圆管在薄膜沉积过程中旋转。
14.权利要求10所述的方法，其特征在于，其中所述等离子体由等距离勻称地环绕所述圆管中心轴线分布的奇数数目的电极产生。
15.权利要求11所述的方法，其特征在于，其中 所述等离子体产生在所述圆管的中心位置。
16.权利要求12所述的方法，其特征在于，其中 所述等离子体在所述圆管内周向旋转。
17.权利要求10所述的方法，其特征在于，其中工艺气体通过中空电极或者中空绝缘体被输入。
18.权利要求17所述的方法，其特征在于，其中所述中空电极包含屏蔽外罩以将等离子体屏蔽于所述中空绝缘体之外。
19.电极，其特征在于，包含有 中空管状中心部分，通过气体输入孔与所述中空管状中心部分相连的至少两个气体释放腔体， 所述气体释放腔体具有与正极相连的气体释放开口，并且所述气体释放腔体具有凹形表面，其中，当气体通过所述气体输入孔和所述气体释放腔体开口被输入时，产生等离子体。
20.权利要求19所述的电极，其特征在于，其中 所述电极包含4个腔体。
全文摘要
本发明披露了一个可以从不同角度吸收光能的管状光伏器件。此管状光伏器件通过在其一端安装封闭圈和密封盖进行封装。本发明同时披露了新颖的用以在衬管内壁沉积薄膜的镀膜电极和工艺过程。
文档编号H01L31/00GK102598286SQ201080035356
公开日2012年7月18日 申请日期2010年9月3日 优先权日2009年9月6日
发明者张晗钟, 李建 申请人:张晗钟, 李建