柔性衬底材料和制造电子薄膜器件的方法与流程

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柔性衬底材料和制造电子薄膜器件的方法与制造工艺

有机电子薄膜器件(诸如,有机光伏模块和有机发光二极管)包括厚度范围从几纳米到几百纳米的薄膜有机层和无机层的堆叠。卷对卷制造被认为是最经济的生产技术,并且卷通常包括在处理期间可以由各种功能层涂覆的衬底。带有一个或多个这种涂覆的功能层的这一衬底在本领域中通常被称为“网状物”。一个挑战是在卷对卷制程期间在不破坏任何已建立的层的情况下处理网状物,这是因为对任何已建立的层的破坏将造成器件性能和产量的降低。

在卷对卷制造中最常见的缺陷是由在网状物运输期间涂覆层与辊子的接触(其也被认为是与辊子的正面接触)导致的。网状物的背面与涂覆的面的接触发生在重绕(rewinding)之后,并且在衬底背面上的任何自由颗粒也可导致在卷起(wind up)过程期间压入层中且破坏该层。这种破坏可以经由‘拾取’缺陷而造成器件性能降低,在‘拾取’缺陷中,嵌入的颗粒与其他表面的粘附导致层破坏,或者嵌入的颗粒在薄膜层中可以导致短路。通过对辊子的相对运动或者滑动或者在网状物的卷起或者退绕(unwind)期间导致的擦伤可以进一步降低器件性能。“剥落”可以是相对于粘附于涂覆的面过度地粘附于辊子表面或者网状物的背面的结果,并且可以由于干燥不足而加剧。

通常设想使用卷对卷(R2R)沉积过程来建立完整的器件结构。在理想的场景中,所有层按顺序沉积在一条R2R线上。以这种方式可以避免在最终涂覆之前的网状物的退绕和重绕。如果在这个过程中避免了正面接触,那么预期到低缺陷率。这个一体机将会要求以相同的速度进行处理(除非利用昂贵的、仍具有有限容量的储匣)。然而,不同的过程具有不同的最优速度和速度约束。感兴趣的示例性卷对卷进程是:环境涂层湿法涂覆技术(如凹版涂覆、槽模涂覆、凹版印刷、喷墨印刷、网版印刷、柔性版印刷和喷涂)和真空涂覆技术(如热蒸发或电子束蒸发以及溅射涂覆)。用于湿法膜沉积的过程速度经常受限于干燥沉积的层所需的时间以及烘干机的长度。真空沉积过程经常被优化以用于高沉积率和因此的高速度。通常供应例如已在网状物上沉积的下电极(然而存在完全地湿式涂覆的和/或印刷的电极选择)。

在分离的机器上的处理要求每当转变到新过程时将网状物重绕和退绕。标准类型的机器经常不提供避免在涂覆的面和辊子表面之间接触的网状物路径。

对几个机器的顺序处理的明显优点是对于每个过程以最优速度进行处理以及可用的机器资源的利用。

为了降低在这种卷对卷制程中缺陷的发生,现有技术方法已采用多个互补策略。这些策略包括改善生产环境的洁净度;通过使用气体搅拌条(air turner bar)来减少和/或避免与辊子的正面接触;使用边缘滚花(edge knurl)修改网状物的边缘;通过例如使用低粘附辊子来改变辊子的表面性质;以及通过显著修改材料性质,诸如膜的厚度,超出其而被视为在性质和材料成本方面的最优,以提高它们的鲁棒性。

总之,对于减少或者避免通过正面接触生成缺陷的现有技术状态的策略依赖于下列各项中的任意一项:(a)对材料性质的修改,这可以消极地影响器件的电气性质;(b)对卷对卷机器的修改,这需要相当大的成本、时间,并且减少了机器对于不同的网状物尺寸或者第三方器材的使用的通用性;以及(c)对于网状物边缘的修改,这不可扩展,因为这受限于特定网状物的宽度。

因此,需要改善的解决方案,其使由在机器中的辊子上的运输期间以及经由卷绕和重绕正面接触网状物造成的器件的电性能的缺陷的发生或者影响最小化。本发明因此寻求提供在卷对卷制程中制造电子薄膜器件的方法和柔性衬底材料,其克服了或者至少减少了以上提到的现有技术的问题中的一些问题。

根据本发明的第一方面,提供了一种柔性衬底材料,该柔性衬底材料具有对置的正面和背面并且在X-Y平面中延伸,正面被设置有第一电极层且还设置有至少一个薄膜,以形成至少一个薄膜器件堆叠;薄膜器件堆叠在垂直于X-Y平面的Z方向上从X-Y平面延伸到距离T;衬底材料具有被应用于在衬底材料的面、第一电极层和至少一个薄膜中的至少一者的至少一个保护性结构;至少一个保护性结构从X-Y平面在Z方向上延伸到距离S,距离S大于距离T。

有利地,柔性衬底材料可以具有多个分立的薄膜器件堆叠;相邻的薄膜器件堆叠具有在其之间的电互连区,并且其中至少一个保护性结构至少部分位于电互连区中。因为电互连区是非活性区域,其不具有或者具有减少的载流子生成(太阳能器件)或者光子生成(LED)或者电荷储存(蓄电池),所以将至少一个保护性结构至少部分地定位在电互连区中减少了在器件性能上的额外损耗。

柔性衬底材料还具有在薄膜器件堆叠的顶部上沉积的顶部电极;其中,薄膜器件堆叠被布置成电气地串联连接,并且每个电互连区均包括用于沉积传导材料以用于提供在第一膜堆叠的顶部电极和相邻的薄膜堆叠的第一电极之间的互连的区域。这个布置产生了在光伏模块的情况下实现有用的工作电压和电流所需要的单片串联互连的结构。

有利地,至少一个保护性结构可以位于在第一电极的一部分的上方并且在顶部电极的一部分的下面。在不存在覆盖第一电极的一部分的保护性结构的情况下,薄膜器件堆叠将会经历在其顶部电极和第一电极之间的短路。

有利地,每个均由不同材料形成的两个保护性结构可被沉积在柔性衬底材料的电互连区中。更有利地,该结构之一可包括液体、油脂或者蜡。油脂或者蜡具有防止金属电极乃至其他材料沉积在它们的表面的上方的性质。

柔性衬底材料的薄膜器件堆叠可以可选地或者另外地被布置成电气地并联连接,并且每个电互连区均包括在相邻的薄膜器件堆叠之间的间隙,并且在电互连区中的至少一些包含在第一电极和输出端子之间形成互连的导电材料。这个导电材料从第一电极的较小区域捕获电流/向第一电极的较小区域递送电流,并因此允许具有通过导电材料的小遮蔽损耗的权衡的有效提取/递送。

有利地,至少一个保护性结构可被沉积在导电材料的至少一部分的上方。更有利地,至少一个保护性结构由导电材料形成。保护性部分(通常是电介质)和传导部分在高度上的比率可变化,使得传导部分对高度做出主要贡献,而在这个情况下,保护性电介质的相对薄的覆盖物的目的是提供电隔离。

有利地,至少一个保护性结构可被沉积为材料的连续的珠(bead)。可选地或者另外地,至少一个保护性结构可被沉积为分立单元,或者被沉积为材料的间断的珠。为了提供保护性作用,保护性结构在平面(X-Y定位)中的尺寸和位置很重要。保护性作用通过在薄膜器件堆叠(在保护性结构之间的区域)和对柔性衬底材料进行挤压的表面(例如,在卷对卷制程中的机器辊子)之间产生具有减少的压力或优选地不接触的间隙或者区域来实现。

更有利地,距离S与距离T的比率是至少10:1。

根据本发明的第一方面的另一个实施例,至少一个保护性结构可以被应用于柔性衬底材料的背面。有利地,至少一个保护性结构可被应用于柔性衬底材料,以便至少部分地位于在柔性衬底材料的正面上的电互连区之下。保护性结构的目的是在柔性衬底材料被卷起时保护薄膜器件堆叠的活性区域。通过将保护性结构定位在衬底材料的未涂覆的表面(背面)上,使得它们接合在具有薄膜涂层(正面)的表面上的电互连区,有可能避免或者至少降低对于电分流来说关键的区域中的缺陷。

根据本发明的第二方面,提供了一种在卷对卷制程中制造电子薄膜器件的方法,该方法包括:提供具有对置的正面和背面的柔性衬底材料,其中,第一电极层在正面上;将至少一个薄膜沉积在第一电极层上,以形成至少两个薄膜器件堆叠;提供在相邻的薄膜器件堆叠之间的电互连区;以及将至少一个保护性结构至少部分地沉积在电互连区中。

在根据第二方面的方法中,柔性衬底材料在X-Y平面中延伸,并且沉积至少一个薄膜造成薄膜器件堆叠在垂直于X-Y平面的Z方向上从X-Y平面延伸到距离T;并且沉积至少一个保护性结构造成至少一个保护性结构在Z方向上从X-Y平面延伸到距离S,距离S大于距离T。

根据本发明的又一个方面,提供了一种衬底材料,该衬底材料在X-Y平面中延伸,并且被涂覆了第一电极层且还被涂覆了一个或多个薄膜以形成薄膜器件堆叠;薄膜器件堆叠在垂直于X-Y平面的Z方向上从X-Y平面延伸到距离T;至少一个间隔器元件在Z方向上从X-Y平面延伸,间隔器元件或者从衬底表面直接延伸、或者被沉积在第一电极层上或者被沉积在形成薄膜器件堆叠的薄膜中的任何薄膜上;在存在间隔器元件时,间隔器元件在Z方向上从X-Y平面延伸到距离S,距离S大于距离T。

本发明提供了具有保护其免受破坏的间隔器结构的薄膜电子器件架构。可以在薄膜电子器件的生产的各个阶段提供对薄膜电子器件的保护。例如,可以在涂覆的膜在卷对卷机器中运输期间、在膜的退绕和重绕过程期间、在网状物的缠绕状态下以及在任何层压过程期间给予保护。

为了提供保护性作用,间隔器结构在平面(X-Y定位)中的尺寸和位置以及材料很重要。同样重要的是间隔器在Z方向上的厚度大于薄膜堆叠的厚度(Z-取向)。

根据本发明的另一个方面,提供了衬底材料,该衬底材料具有多个分立的薄膜器件堆叠;薄膜器件堆叠具有在相邻的薄膜器件堆叠之间的电互连区,并且其中间隔器结构至少部分位于电互连区中。

根据本发明的另一个方面,提供了还具有在薄膜器件堆叠的顶部上沉积的顶部电极的衬底材料;薄膜堆叠被布置成电气地串联连接,并且电互连区包括用于沉积传导材料以用于提供在相邻的薄膜堆叠的顶部电极和第一电极之间的互连的间隙。

间隔器结构优选地包括主要位于在两个相邻的薄膜元件堆叠之间的所谓的电互连区中的电介质结构,其也可以被称作电池元件。

对于高性能和同质的外表来说,用于在光伏模块的情况下的光吸收并且用于发光膜的光发射的区域的高利用率是重要的。薄膜器件的各段的串联互连被称为单片互连。这是通过如在图A1(其是通过邻近的太阳能电池元件的串联互连的横截面的示意图)中示出的将各个膜的适当地图案化来实现的。为了简化,仅显示了底部电极、光敏层和顶部电极。

优选地,本发明提供了这样的衬底材料:其中,电互连区由在图案化的特征P1、P2和P3中的一个或多个提供;其中,P1提供了在相邻的薄膜器件堆叠之间的第一电极的电气分离,P2提供了用于在相邻的薄膜堆叠的顶部和第一电极之间的电互连的间隙,并且P3提供了顶部电极的电气分离。

优选地,本发明提供了这样的衬底材料:其中,薄膜元件堆叠是串联连接的,并且电互连区包括提供在相邻的薄膜元件堆叠的顶部和第一电极之间的互连的沉积的传导材料。

在其中实现了邻近的电池元件的互连的区通过在图A1中分别由参考数字24、26和28来表示的被叫做P1、P2和P3的三个图案化的特征或者区来表征。通常,P1提供了底部电极的分离,P2提供了在邻近的电池的顶部电极和底部电极之间的电互连,并且P3提供了顶部电极的分离。P1和P2分别暴露了衬底或者下面的势垒和底部电极。

在本发明的另一个实施例中,互连区被限定为在P1和P3图案化的特征的外边界之间的区域。

在本发明的另一个实施例中,间隔器结构位于在第一电极的一部分的上方,并且在存在的情况下位于顶部电极的一部分的下面。

在本文描述的一个实施例中,可以通过按顺序涂覆来建立薄膜层,并且随后通过所涂覆的层来产生通道或者图案,以暴露层并且形成电互连区。间隔器结构可以部分地沉积在该区中。以这种方式,可以在已知的P1、P2和P3暴露的表面的周围产生电互连区。

可以使用产生在光伏模块的情况下实现有用的工作电压和电流所需的单片串联互连结构的激光划片过程来形成P1和P2图案特征。这一图案化允许在一个单片衬底上将大的太阳能电池模块分成更小的串联互连的电池的阵列。P3图案化特征提供了顶部电极的分离。

在本发明的另一个实施例中,提供了这样的衬底材料:其中,薄膜堆叠是串联连接的,并且电互连区包括提供在相邻的薄膜堆叠的顶部和第一电极之间的互连的沉积的传导材料。

在本发明的另一个实施例中,具有两个结构,每个由在互连区中沉积的不同材料形成,所述结构之一是间隔器结构。在其中具有两个结构的本发明的另一个更具体的实施例中,两个结构之一是间隔器,结构中的另一个包括液体、油脂或者蜡。

优选地,对以上描述的串联互连的替代地或者潜在地额外的方法是并联互连方法。这是通过提供电流捕获装置(更常规地被称为汇流排)来实现的。这些汇流排从透明电极的较小区域捕获电流/向透明电极的较小区域递送电流,并因此允许具有通过汇流排的小遮蔽损耗的权衡的有效提取/递送。图A2是并联连接的横截面的示意图。在较小的区域有效地并联连接时(然而小区域物理上不与电极结构分离),传导格栅线从底部电极收集电流。因此,由传导格栅线分离的器件隔间被有效地并联连接。互连区通过由电流捕获特征覆盖的区域限定。

在本发明的另一个实施例中,提供了这样的衬底材料:其中,薄膜堆叠被布置成并联连接,并且电互连区包括在相邻的薄膜堆叠之间的间隙,以用于在其中接收形成在第一电极和输出端子之间的互连的导电间隔器元件。

优选地,对于特别是并联连接的器件堆叠,本发明提供了其中电互连区被限定为在传导材料和透明电极之间的界面区域的衬底材料。

根据本发明的另一个方面,传导材料是传导格栅线或者汇流排。

在专利申请WO 2012/004589中,使用作为对激光划片过程的替代的线状物示出了将物品图案化的方法。

根据本发明的另一个方面,具有包括沿着X-Y平面间隔的薄膜堆叠的衬底材料,该薄膜堆叠具有一个或多个薄膜层,薄膜堆叠具有在相邻的薄膜堆叠之间的电互连区,其中,间隔器元件至少部分位于电互连区中。

在本文描述的另一个实施例中,可以通过印刷来建立薄膜层,并且通道或者图案作为印刷架构的结果而产生。在这个示例中,印刷的优选形式是喷墨印刷。

本发明的优点是其中期望的顶部电极是在间隔器结构被沉积之后产生的真空沉积的金属电极。在间隔器结构沉积之前,薄膜元件堆叠可以包括沉积的顶部界面层,其另外可以是传导层。这一组合的界面和传导层的示例是PEDOT:PSS(聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚(苯乙烯磺酸)。

根据本发明的另一个方面,在卷对卷制程中制造薄膜电子器件的方法包括:提供衬底;沉积一个或多个薄膜层,以产生薄膜器件堆叠;提供在薄膜器件堆叠之间的电互连区;以及将间隔器元件至少部分地沉积在薄膜器件堆叠之间的电互连区中。

顶部电极可以由各种材料形成或者通过不同的方法沉积。通常使用的电极是丝网印刷或凹版印刷的银膏。可以从纳米颗粒墨水沉积更薄的电极。沉积方法是凹版印刷、柔性(flex)印刷或喷墨印刷。喷涂也已被成功证明。也可以采用真空过程用于顶部电极的沉积以及用于界面材料的沉积。示例性的真空沉积过程是热蒸发、溅射镀膜、CVD(化学蒸汽沉积)等。经常以与用于有机功能层的涂覆速度不同的速度来进行这些以上列出的电极沉积的过程。

在实际环境中,将顶部金属电极沉积的步骤发生在将网状物绕成卷以及将网状物运输到适合用于顶部金属电极的沉积的装置的步骤之后。另外,优选地,当间隔器结构被沉积时,薄膜元件堆叠包括薄膜层,其包括诸如光伏(PV)层或者形成LED或OLED的层的活性层。间隔器结构优选地具有大于相邻的薄膜器件堆叠的所有薄膜层的z轴高度。在光伏器件的情况下,电流生成层可以包括有机半导体层。在这个领域中,在薄膜元件堆叠包括作为活性层的一部分的至少一个有机半导体层的情况下,随后,所得到的器件被叫做有机半导体器件,尽管存在无机层。

本发明提供了用于网状物结合间隔器结构的架构。在薄膜太阳能模块的情况下,例如模块可以包括具有大于1微米的平面外尺寸的Z轴间隔器结构。

根据本发明的另一方面,提供了在其中间隔器元件被沉积在第一电极上的衬底材料。

根据本发明的另一个方面,提供了衬底材料,其中,间隔器元件被沉积在传导材料的至少一部分的上方。

本发明提供了薄膜电子器件架构,其具有保护其免受破坏的内置的间隔器结构。保护性作用通过在薄膜(在间隔器结构之间的区域)和挤压网状物的表面(例如,在卷起期间或者处于卷起状态的网状物的背面或机器辊子)之间产生减少的压力或优选地无接触的间隙或者区域来实现。这将会降低通过在薄膜结构和相反的表面之间陷入的颗粒、嵌入薄膜堆叠中的颗粒、在(多个)涂覆的薄膜和表面之间的粗糙的表面或者强粘附所导致的刻痕、擦伤、拾取(pick-off)而造成的破坏的可能性。

在本发明的另一个实施例中,提供了这样的衬底材料:其中,间隔器元件位于薄膜之间并且在薄膜器件堆叠的非活性区域中。

根据本发明的另一个方面,提供了这样的衬底材料:其中,间隔器元件沉积在传导材料和在薄膜元件堆叠的非活性区域中的薄膜层中。

根据本发明的另一方面,提供了在其中间隔器元件被沉积为材料的连续的珠的衬底材料。

可选地,衬底材料包括导电材料的间隔器元件。

可选地,衬底材料包括被沉积为点的形状或类似形状的分立单元的、或者被沉积为材料的间断的珠的间隔器元件。

两种类型的互连概念已与光电薄膜器件有关,串联互连和并联互连。用于串联和并联互连的互连区被限定为:

对于电池元件的串联互连,互连区由P1和P3分离特征的外边界(也就是如在图A1中显示的在P3分离特征28的左手边缘和P1分离特征24的右手边缘之间的区域)限定。

对于并联互连,互连的区/区域被限定为由电流捕获线、汇流排或者格栅覆盖的区域,也就是在图A2中显示的通过传导格栅19覆盖的互连区30。

间隔器结构优选被包含在两个相邻的电池元件之间的电互连区中。这个区通过被叫做P1、P2和P3的三个图案化的特征或者区来表征。

通常,P1提供了底部电极的分离,P2提供了在邻近的电池的顶部电极和底部电极之间的电互连,并且P3提供了顶部电极的分离。P1和P2分别暴露了衬底或者下面的势垒层和底部电极。区域P1和P2不对在光伏电池中生成电流或者在发光器件中发光做出贡献,并且因此冗余的空间使得该区成为要将间隔器结构沉积在其之内的区域的有利选择。区域P1和P2为表面界面提供了对于间隔器良好的粘附。间隔器结构可以完全地或者部分地覆盖P1或P2特征或区以及邻近的区域。

考虑下列性质来选择间隔器结构的尺寸:在处理期间存在的颗粒的大小和贡献、在位于电池互连区中的邻近的电池元件之间的距离-最优的距离主要由透明电极的传导性确定。更大的电池间隔将造成网状物在拉力下的更大的弯曲,并且因此需要更大的z轴结构高度以避免破坏。在互连之间的距离的通常的值是大约5至15mm。可以发现其中需要较高电压的较小的距离,并且可以发现用于高传导性电极(例如,通过格栅结构促进的电极)或者低光强度应用的几厘米的较大距离。当考虑间隔器尺寸需要的时候其他重要的性质包括基础材料或者合成物的厚度和弹性模量、在卷对卷处理期间的网状物拉力以及正面辊子的表面粗糙度。

根据本发明的另一个方面,间隔器结构的高度优选为大于通常的颗粒的直径,并且大约是1微米至500微米,并且更优选地在10微米至200微米之间。

在本发明的另一个示例中,衬底由可被卷起的并且适合用于卷对卷生产线上的柔性材料制成。已经发现当涂覆的衬底以这一方式被卷起的时候,在涂覆的表面上的活性层可以相对容易地通过处理在表面上的自由颗粒或者许多其他原因破坏。

为了降低对活性区域破坏的风险,另一个选择是将保护间隔器元件放置在衬底的未涂覆的面上。这种间隔器元件可以保护薄膜涂层不受在卷起以及退绕期间由邻近的层在一起磨损或者摩擦导致的破坏。然而,也已发现当间隔器被不正确地放置的时候,间隔器自身可以破坏涂覆的薄膜。

优选地,在本发明的另一个实施例中,具有一种在X-Y平面中延伸的衬底材料,该衬底材料在第一表面上被涂覆了一个或多个膜,以形成具有厚度并且在垂直于X-Y平面的Z方向上远离X-Y平面地延伸的薄膜元件堆叠,第二表面具有在其上的至少一个间隔器元件,间隔器元件在垂直于X-Y平面的Z方向上远离X-Y平面地延伸到大于薄膜元件的厚度的距离,间隔器元件被放置在衬底上,使得当衬底材料被卷到卷上的时候,间隔器元件接合在第一表面上的薄膜层之间形成的互连区。

有利地,在衬底的第二表面上的间隔器元件随后接合在衬底的涂覆的第一表面上的非活性区域,降低了对薄膜元件的活性区域的破坏的风险。

在非活性的第二表面上的间隔器的定位和图案化可被调整以确保对膜的破坏的风险最小。

优选地,衬底由柔性材料制成。

根据本发明的另一个方面,提供了这样的衬底材料,其中,互连区是在衬底的上方在x-y平面中延伸的、并且在垂直于X-Y平面的z方向上延伸且远离衬底的三维区。

附图简述

现在将参考附图通过示例的方式更全面地描述本发明的实施方式,其中:

图A1是通过邻近的太阳能电池元件的串联互连的横截面的示意图。

图A2是其中传导性格栅线从底部电极捕获电流的并联连接的横截面的示意图。

图1是根据本发明的第一实施例的被包含在光伏模块中的间隔器结构的示意图;

图2是根据本发明的第二实施例的在光伏电池的上方沉积的间隔器结构的示意图;

图3是根据本发明的第三实施例的在光伏电池的上方沉积的间隔器结构的示意图;

图4是根据本发明的第四实施例的在光伏电池的上方沉积的间隔器结构的示意图;

图5是根据本发明的第五实施例的在光伏电池的上方沉积的间隔器结构的示意图;

图6是根据本发明的第六实施例的在光伏电池的上方沉积的间隔器结构的示意图;

图7是根据本发明的第七实施例的在光伏电池的上方沉积的间隔器结构的示意图;

图8是根据本发明的第八实施例的在光伏电池的上方沉积的间隔器结构的示意图;图9是根据本发明的第九实施例的在光伏电池的上方沉积的双间隔器结构的示意图;

图10是作为分立的点或者段而被沉积的间隔器结构的顶视图的示意图;

图11A至11G是显示最终的器件堆叠的示意性制造过程的示意图;

图12是具有增强的器件性能特性的间隔器结构的示意图;

图13是示出代表性比例尺的邻近器件堆叠的间隔器结构的示意图;

图14是示出代表性比例尺的邻近器件的间隔器结构的示意图;

图15A:显示沉积在第一电极上的间隔器结构;

图15B:显示在底部电极的间隙中(部分地或者完全地)沉积在衬底上的间隔器结构;

图16A:显示在薄膜堆叠的顶部上沉积的间隔器结构;

图16B:显示在薄膜器件堆叠的间隙中沉积在底部电极的顶部上的间隔器结构。

图16C:显示在由薄膜器件堆叠覆盖的底部电极的顶部上的间隔器结构。

图16D:显示被夹在两个薄膜器件堆叠之间的间隔器结构。

图16E:显示在互连区外面沉积的间隔器结构。

图17:显示用于并联互连的间隔器结构配置;

图18:显示用于并联互连的另一个间隔器结构配置;

图19:显示用于并联互连的又一个间隔器结构配置;

图20:显示用于并联互连的间隔器结构的一般定位;

图21:显示用于串联互连的间隔器结构配置;

图22:显示了用于串联互连的不同的间隔器结构配置;

图23:显示将在互连区中接合的薄膜涂层的相反侧面上的间隔器结构;以及

图24:显示包括具有位于衬底在涂覆的薄膜的相反的侧面上的间隔器元件的涂覆的薄膜的卷起的网状物的横截面。

在以下附图描述中,相同的参考数字应被用于标识相同的部件。

图A1描绘了通过邻近的太阳能电池元件的串联互连的横截面。为了简化,仅显示了衬底材料10、底部电极12、光敏层14和顶部电极18。P1特征24表示在邻近的电池之间的底部电极12的分离,P2特征26表示在邻近的电池之间的顶部电极和底部电极之间的互连。被显示为28的特征P3表示在邻近的电池之间的顶部电极的分离。互连区30由P1特征和P3特征的外边界限定。

图A2描绘了并联连接的横截面。传导格栅线19电连接于底部电极12。因此,由传导格栅线分离的器件隔间实际上并联连接。互连区30通过由电流捕获特征覆盖的区域限定。

参考图1至9,太阳能模块8的截面包括由塑性材料(诸如,聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET))形成的衬底10。太阳能电池11A沉积在衬底10的上方,并且包括底部电极12、光敏层14、界面层16和顶部电极18。入射光通常将在由线22指示的总体方向上落在衬底10上。

在图1至图9中,间隔器结构20被沉积在与太阳能电池带11A、11B邻近的沉积特征中,并且在X-Y平面中基本上沿着太阳能模块的长度延伸。因此,在图1至图9中,间隔器结构20的沉积特征可以是以材料的连续的珠的形式基本连续的,或者以材料的间断的珠的形式间断的。在图10中,显示由点(而不是连续的珠)形成的间隔器结构。

底部电极12是透明层或者不透明的。不透明的电极的示例是薄的铬(粘附增强)、铝(薄层传导率)和铬层(界面层)的夹层。透明的底部电极12也可以包括铟锡氧化物或者涂覆有特定氧化物、提供欧姆接触的一些其他的金属氧化物/金属/金属氧化物的层系统。这种特定接触可以由通过真空处理或者作为来自溶液的溶胶凝胶或者纳米颗粒而沉积的(掺杂的或者本征的)TiOx或者ZnOx形成。

光敏层14可以是共轭聚合物和富勒烯衍生物的混合物,诸如,聚3-己基噻吩(P3HT)和[6,6]-苯基C61-丁酸甲酯(PCBM)的混合物。P3HT(在这个光敏合成物中的主吸收剂)具有大约2.1eV的带隙,并且吸收多达大约650nm的波长。可选地,光敏层14可以包括两种共轭聚合物(一种共轭聚合物代表给体,并且一种聚合物代表受体)的混合物,或者分别具有给体和受体的特性的两种或者更多种分子种类的组合。

其他合适的光敏层14可以包括:基于对亚苯基乙烯基的5共轭聚合物,诸如,(聚(2-甲氧基-5((3′,7′-二甲基辛基)氧基)-1,4-亚苯基乙烯基)(MDMO-PPV,);基于芴的共轭聚合物,例如,2,1,3-含苯并噻二唑的PF,聚(9,9-二辛基芴-2,7-二基-alt-4,7-双(3-己基噻吩-5-yl)-2,1,3-苯并噻二唑-2’,”2-二基))。其他合适的光敏层14可包括CH3NH3Pbl3-xClx钙钛矿或者无铅的变体,例如,甲基铵锡三碘化物(CH3NH3SnX3)。

界面层16包括空穴捕获化合物,诸如,聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸盐)((PEDOT)-PSS)或者聚苯胺-聚(苯乙烯磺酸盐)(聚苯胺)。可选的空穴捕获化合物包括金属氧化物,诸如,MoO3、NiO或者V2O5。

顶部电极18沉积在界面层16的上方,并且可以包括真空沉积的金属电极。合适的金属包括银、铝、铜和金、或者其合金或者组合。

可选地,顶部电极可以基于特别的金属或者其前体。顶部电极也可以以金属纳米颗粒或者纳米线(例如,银纳米线)的形式从溶液中被沉积。与如PEDOT:PSS的传导填充剂组合的后者将允许实现半透明电极。半透明顶部电极可以通过真空沉积的薄金属层实现,经常被夹在金属氧化物层之间。通过涂覆和印刷技术可以实现这些层的沉积。在不透明的底部电极或者完全透明的器件的情况下,顶部电极足够透明以允许光透射。

参考图1,第一P1图案化特征24提供了底部电极12在相邻的太阳能电池11A和112B之间的分离。第二P2图案化特征26提供了将要由用于在相邻的太阳能电池11A和11B的顶部电极18和底部电极12之间电互连的传导材料填充的暴露的空间。如可以从图1中看见的,通过顶部电极18的沉积,提供了在太阳能电池11A的顶部电极18和太阳能电池11B的底部电极12之间的电互连。第三P3图案化特征28提供了顶部电极18的分离。

在图1中,间隔器结构20被部分地沉积在底部电极12上的、并且接触底部电极12的第二P2图案化特征26内,并且覆盖光敏层14和界面层16的一部分。间隔器结构20通常将包括电介质材料。间隔器结构20也可以包括如以下描述的光学功能。

参考图2,间隔器结构20被部分地沉积在底部电极12上的、并且接触底部电极12的第二P2图案化特征26内,并且覆盖光敏层14和界面层16的一部分。衬底10已被暴露,使得顶部电极18在提供了在太阳能电池11A的顶部电极18和太阳能电池11B的底部电极12之间的电互连的同时接触衬底10的暴露的空间。

图1和图2共同之处在于提供了两个相邻的电池的顶部电极18的分离的第三P3图案化特征28位于电介质间隔器20的、与电互连相对的侧面上。

参考图3,间隔器结构20被部分地沉积在底部电极12上的、并且接触底部电极12的第二P2图案化特征26内,并且覆盖光敏层14和界面层16的一部分。提供了顶部电极18的分离的第三P3图案化特征28位于电介质间隔器20的顶部上。

参考图4,间隔器结构20被部分地沉积在底部电极12上的、并且接触底部电极12的第二P2图案化特征26内,并且覆盖光敏层14和界面层16的一部分。提供了顶部电极18的分离的第三P3图案化特征28从间隔器结构20的遮蔽效应或者掩蔽效应中形成。间隔器结构20的三维结构提供了底切,该底切阻止在电极沉积期间材料沉积在顶部电极18的整个层的上方。

参考图5,间隔器结构20被完全地沉积全部在底部电极12上的、并且接触底部电极12的第二P2图案化特征26内。间隔器结构20并不覆盖光敏层14和界面层16的一部分。提供了顶部电极18的分离的第三P3图案化特征28位于电介质间隔器20的、与电互连相对的侧面上。

参考图6至图9,器件架构基于实现在光敏层14和界面层16的沉积之后第一P1图案化特征24提供在相邻的太阳能电池11A和11B之间的底部电极12的分离。在这种情况下,P1图案化特征24通过整个分层的堆叠而实现。

参考图6,间隔器结构20沉积在通过第一图案化特征24暴露的衬底10上,并且部分地覆盖太阳能电池11A的所有层的边缘。在不存在间隔器结构20覆盖底部电极12的暴露的边缘的情况下,(一旦顶部电极18沉积),太阳能电池11A将会经历在其顶部电极18和底部电极12之间的短路。顶部电极18沉积在间隔器结构20的整个上表面的上方,并且填充第二P2图案化特征26。在第三P3图案化特征28处发生在顶部电极18中的缺口。

参考图7,间隔器结构20部分沉积在通过第一图案化特征24暴露的衬底10上,并且部分地覆盖太阳能电池11A的所有层的边缘。在不存在间隔器结构20覆盖底部电极12的暴露的边缘的情况下,太阳能电池11A将会经历在其顶部电极18和底部电极12之间的短路。顶部电极18沉积在间隔器结构20的整个上表面的上方,并且部分地终止于第二P2图案化特征26内。

参考图8,间隔器结构20部分沉积在通过(未显示的)第一图案化特征24暴露的衬底10上,并且部分地覆盖太阳能电池11A的所有层的边缘。在不存在间隔器结构20覆盖底部电极12的暴露的边缘的情况下,太阳能电池11A将会经历在其顶部电极18和底部电极12之间的短路。顶部电极18沉积在间隔器结构20的整个上表面的上方,并且完全地填充第二图案化特征26,延伸以覆盖相邻的太阳能电池11B的界面层16。正因如此,第三P3图案化特征28提供了顶部电极18的分离。

参考图9,显示了双间隔器结构20A、20B。第一间隔器结构20A部分沉积在通过第一图案化特征24暴露的衬底10上,并且部分地覆盖太阳能电池11A的所有层的边缘。在不存在第一间隔器结构20A覆盖底部电极12暴露的边缘的情况下,太阳能电池11A将会经历在其顶部电极18和底部电极12之间的短路。第二间隔器结构20B与第一间隔器结构20A间隔开,并且第二间隔器结构20B沉积在底部电极12上,并且部分地在相邻的太阳能电池11B的光敏层14和界面层16的边缘区域的上方。顶部电极18沉积在第一间隔器结构20A的整个上表面的上方,并且沉积在第二图案化特征26的上方,向着相邻的太阳能电池11B的顶部电极18延伸。第二间隔器结构20B起作用,以形成顶部电极的P3图案化特征28的分离。

使用两个不同的间隔器结构的优点在于这些间隔器结构可以由不同的材料制成。间隔器结构20A的材料提供了电介质性质,使得其电隔离电池11A的暴露的边缘。间隔器结构20B提供了顶部电极的隔离(P3)。这可以通过由间隔器结构的大接触角导致的遮蔽效应、通过对于多孔且粗糙的表面的微观遮蔽效应或者通过另一种材料实现。在这些情况下,可以由任意一个或者两个间隔器结构来实现间隔器功能。这个配置的另一个变型是电介质间隔器结构20A与代替结构20B沉积的油路结合。

油路的目的是防止在真空金属化期间在这个区域中沉积金属(这类过程是已知的),并且由此形成分离P3。在这个配置中,间隔器结构防止油路(在金属化之前)在卷起期间接触辊子和/或网状物的背面。用于结构20B的可选的材料是油脂或者蜡,其具有将会防止金属电极乃至其他材料沉积在特别的表面的上方的性质。

原则上,要保护的第二结构可以由任何材料制成,但是有利的材料设置将会是在最终的电极沉积期间防止电极沉积的那一个。在最终的电极经由热蒸发步骤被沉积时,基于例如硅或者聚苯醚的低蒸汽压力的油、或者低蒸汽压力的油脂或者蜡形成的薄结构将会是有利的。优选的油的示例将会是由Conquest West供应的基于硅的扩散泵油704或者来自Edwards High Vacuum的Santovac 5TM,它是基于聚苯醚的产品。合适的油脂的示例将会是ApiezonTM油脂L、M、N、或者T,它们是基于碳氢化合物的,并且它们中的一些包含蜡。合适的蜡的示例将会是ApiezonTMW乃至是固体石蜡,这取决于工艺温度和蒸汽压力容限。另一个选择将会是部分或者完全地未固化的UV固化的化合物,诸如Dupont 5018。这些材料可以通过适合于选定的特别的封闭材料的任何已知的技术来沉积,诸如,在材料显示形成特性的优良特征的温度处的无接触印刷(例如,热喷墨)、柔版印刷(特别是油)或者喷嘴分配(特别是更黏的材料)。在一些实例中,可以要求向合成物添加湿润剂。

另外,其可以有益于将显示出高等级粗糙度的材料合并到要保护的特征中,使得在最终的电极沉积期间,防止在该结构上形成显著的电荷渗透网络。这个材料的示例是云母,云母可以作为非常细小的薄片而存在,诸如,在由Imerys Performance Minerals生产的MKTTM中所发现的。

图10显示了用于间隔器结构的可选布置。图10A是侧视图并且类似于所有其他先前的图。图10C是图10A的间隔器布置的平面图。线A和B显示了在图10A和10B中显示的侧视图的位置。间隔器元件20被显示为点线的圆圈,指示间隔器在这个示例中是圆形的或者滴形的。作为替代方案,间隔器可以是在该图案内适配的任何其他实用形状,诸如,椭圆形的或者长划线类型的图案。

图11A至11G示出根据本发明的实施例用于制造太阳能模块8的顺序。虽然在图11G处示出的最终的图案化的器件堆叠与在图1处示出的器件堆叠一致,但是沉积和制造的总体原则可应用于在图1至图9处示出的器件中的任何器件。在本文档中使用的表述“器件堆叠”旨在指被建立以产生薄膜元件堆叠的一个或多个薄膜层,薄膜元件堆叠将造成可操作的器件成为光吸收器件或者发光器件。

因此,参考图11A,提供了衬底10,其具有在衬底10上沉积的底部电极12。底部电极12被图案化,具有穿过底部电极12形成的P1图案化特征24,从而通过暴露在下面的衬底10来产生在相邻的底部电极12之间的电隔离。

图11B显示图案化的底部电极12,其具有沉积在图案化的底部电极12和暴露的衬底10的上方的活性层14。虽然活性层14被显示为单个层14,但是其可以包括如上结合图1描述的层的堆叠。转到图11D(没有图11C),在衬底10上的图案化的底部电极12由活性层14涂覆,其转而包括界面层16。界面层16包括空穴捕获化合物,诸如,聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸盐)((PEDOT)-PSS)或者聚苯胺-聚(苯乙烯磺酸盐)(聚苯胺)。可选的空穴捕获化合物包括金属氧化物,诸如MoO3、NiO、或者V2O5

参考图11D,第二P2图案化特征26被产生成接触底部电极12,并且覆盖光敏层14和界面层16的一部分。图11E示出在底部电极12上的、并且接触底部电极12的第二P2图案化特征26内部分沉积的间隔器结构20,并且间隔器结构20覆盖光敏层14和界面层16的一部分。如以上结合图所述,间隔器结构20可以是电介质材料,然而其他材料也可以被单独使用或者与电介质结合地使用。

参考图11F,蒸发的顶部金属电极层18沉积在间隔器结构20的上方。在实际环境中,这一沉积过程将会发生在远离被用于建立为了运输而要求卷起网状物的器件堆叠的卷对卷装置的地点或者装备处。图11G示出了最终的图案化的器件堆叠,其具有提供了顶部电极18的分离的第三P3图案化特征28。

图12显示在其中间隔器材料能够透射光的可选的实施例。在这个示例中,入射光22穿过衬底10和该结构的其他层,以在内部被反射性的顶部电极18反射回到界面层16和光敏层14中。在一些情况下,顶部的界面层提供了一定等级的薄层传导率,该薄层传导率足够使在由间隔器结构20覆盖的光敏区域中生成的电流将对由电池生成的总电流做出贡献。另外,间隔器结构20在光敏层14的区域外面的区域上冲击的一部分入射光将反射回到光敏区域14上,并因此对光电流做出贡献。结果,用于光捕获的有效区域增加了。间隔器材料20的光学性质被选定为使得其显示在太阳能电池的光敏材料的活跃的光谱范围中的高透射。将荧光染料包含到间隔器材料中可以额外地促进在这些结构中捕获光以及将其调低到更可能在邻近的电池元件中被吸收并且随后变换成电能的更低的波长。通过包含含氟聚合物,可以提供对辊子表面具有低粘附的间隔器结构20。顶部电极18沉积在间隔器结构20上,并且接触间隔器结构20。

合适的间隔器材料的示例是:

热熔性胶粘剂

隆起的化合物

电介质材料

UV固化电介质材料,诸如

Dupont 5018(TM)

传导材料:Dupont PV412TM丝网印刷膏。

间隔器材料可以经由喷墨、阀门喷射、分配喷嘴、旋转丝网和在本领域已知的其他沉积技术被沉积,诸如,ToneJetTM、电子摄像印刷和其中沉积在特定的衬底所要求的厚度范围中并且材料的性质和特征间隔适当的其他沉积技术。

参考图13,并且试图提供在间隔器结构20和器件堆叠之间的比例的一些实际参考,具有大约10um的高度的间隔器结构20被显示为部分沉积在互连区图案化特征内,其提供了P1图案化特征24形式的间隙,以及作为P2图案化特征26的结果的在底部电极12上暴露的空间。P2图案化特征26可以是1-500um,并且在这个示例中是大约25um。器件堆叠在高度上(箭头1)不大于大约1微米(所以图仍然没有完全按照比例)。如可以在图13中容易看见的,间隔器结构20使器件堆叠变矮小,并且在P3图案化特征28的后电极图案化之前,间隔器结构20由顶部电极18涂覆,P3图案化特征的可能位置由朝下的箭头指示,并且其将会提供在邻近的电池之间的顶部电极18中所需要的缺口。在这个情况下,间隔器结构20也提供了避免在顶部电极沉积期间顶部电极18与在左手侧器件堆叠上的底部电极12短路的装置。

参考图14,大约20微米(实线)高度和50微米以上(虚线)的尺寸的间隔器结构20被示出为更接近在间隔器结构20和器件堆叠之间真实的相对比例的示例。图14的间隔器结构20被显示为部分地沉积在包括P1和P2图案化特征24和26的互连区内,这提供了在底部电极12中的间隙以及在底部电极12上的暴露的空间。P2图案化特征26延伸了大于25微米,并且器件堆叠在高度上经常小于1微米,其中通常是300-500纳米。在图14中描绘的邻近的器件堆叠的活性区域(2)之间的距离大于75微米,然而更窄的特征的间隔和间隙是可能的,这取决于采用的图案化技术。

间隔器结构的主要目的是防止发生对沉积在衬底材料的顶部上的膜的破坏。在第一示例中,间隔器结构没有由第一电极覆盖。这可以通过如在图15a中显示的将间隔器结构沉积在第一电极上或者如在图15B中显示地部分地或者完全地在电极旁边(沉积进入在第一电极中产生的间隙中)来实现。在其中有利的是间隔器由第一电极覆盖的可选的示例中,覆盖间隔器结构的第一电极的一部分必须或者不与主要覆盖衬底的主要的第一(底部)电极电接触,或者不与第二(顶部)电极的主要的平面区域电接触。为了避免在第一电极和顶部电极之间通过它们直接接触而产生短路,这是必需的。这可以在层电极沉积或者随后的例如对顶部电极进行减少图案化期间通过例如遮蔽效应来实现。

多个薄膜层可以如在图16A中显示地存在于衬底和间隔器结构20之间。优选的定位取决于在特定过程中该层的稳定性、过程顺序以及通过重绕和退绕网状物以及间隔器结构与薄膜堆叠的粘附造成的任何中断。

图16B显示其中薄膜涂层被中断并且间隔器结构直接固定于第一电极的示例。在这个情况下,重要的是间隔器结构21覆盖最初暴露的底部电极。在图16C中,在涂覆薄膜之前,间隔器结构21被沉积在底部电极上。这可能有在薄膜涂层中的厚度变化的缺点,然而,在间隔器结构的区域中的层的部分移除并没有造成在顶部电极沉积之后的电分流的产生。如果粘附允许,间隔器结构21可沉积于在底部电极上方并且在顶部电极下方的任何层上。这在图16D中被描绘。在图16E中显示间隔器结构沉积在互连区外部。缺点是降低了活性区域的大小。

如在图17中显示的,对于并联互连的实例,部分移除在间隔器结构的沉积区中的一个或多个涂覆的层也是可行的。间隔器结构20通过传导特征19和电介质盖21的组合形成。间隔器结构的电介质部件与传导部件在高度上的比率可以变化。图18说明了在这个实施方式中导体如何对间隔器结构的高度做出主要贡献,而在这个情况下,相对薄的电介质覆盖层21的目的是提供电隔离。

多个薄膜层可以部分地或者完全地覆盖间隔器结构20以及在薄膜堆叠中的其他层。如在图19中显示的,原则上,除了底部电极之外的包括界面层16、(多个)光敏(或者复合)层14、金属层18的整个堆叠可被定位在间隔器结构20的上方。这个配置的缺点可以是通过间隔器结构诱导的表面效应导致的、其中它们由溶液被涂覆的层的不均匀的厚度分布引起的。通过真空处理或者大气水汽处理(例如,空间ALD(原子层沉积)、CVD)沉积的薄膜层受影响较小。因此,优选的实施方式是其中间隔器结构在最终溶液处理器件堆叠的层之后被施加的实施方式。

图20显示用于并联互连的间隔器结构20的总体定位。导体19与底部电极12接触。间隔器元件20可以位于薄膜堆叠的任何垂直位置。最合适的位置由层的粘附以及在卷对卷制程中的处理条件确定。优选的配置是其中仅有(可选地包括界面层或者层16并且包括不同的金属组合的)最终的顶部电极覆盖间隔器结构和薄膜堆叠的配置。

间隔器结构优选地包括主要位于在两个相邻的薄膜元件堆叠之间的所谓的电互连区中的电介质或者电荷传导结构,薄膜元件堆叠也可以被称作电池元件。在图21中显示了基于传导的间隔器结构20的示例。在这个情况下,通过主要由传导材料(诸如,例如,碳黑或者金属负载膏)制成的传导的间隔器元件促进邻近的电池元件的串联互连。

并非总是需要产生通道,特别是在间隔器结构到所涂覆的薄膜的粘附足够牢固的时候。在图22中显示了示例。电介质间隔器结构20沉积在薄膜系统14和16的层的顶部。电介质间隔器结构20也由顶部注入层16涂覆。当考虑到处理顺序时,假如间隔器到下面的薄膜的粘附足够并且顶部界面层的同质性可被适当地保持(例如,如果顶部界面层通过真空过程沉积),这个结构可以是有利的。

参考图23,间隔器结构20位于衬底10的不具有任何薄膜涂层或者器件堆叠的、并且在电互连区30对面的一侧上。如在图23中指示的,间隔器元件不需要覆盖衬底在形成互连区的完整区域的上方的表面。横截面图示显示在卷对卷制造的太阳能模块的横向方向上进行的切割。间隔器结构的目的是在网状物被卷起时保护薄膜器件的活性区域。通过将在衬底的未涂覆的表面上放置使得它们在互连区中接合的间隔器结构20定位在具有薄膜涂层的表面上,有可能避免或者至少降低对于电分流来说关键的区域中的缺陷。图24显示了通过卷起的网状物的截面的横截面。

在本发明的一个示例中,间隔器并非由底部电极覆盖。这可以通过首先在底部电极沉积之后将间隔器元件沉积,并且其次在最终的顶部电极的沉积之前将间隔器元件沉积来实现。在将间隔器结构沉积之前,薄膜元件堆叠可包括沉积的顶部界面层。这一优选的界面层是PEDOT:PSS。界面层的其他示例是WoOx、MoOx、NiOx、ZnO、TiOx。可选地,界面层也可通过真空沉积来成绩,随后是金属电极的真空沉积。

间隔器的存在应当尽可能不突出,并且理想的是应当不影响器件的性能和区域使用。因此,间隔器结构优选被包含在两个相邻的电池元件之间的电互连区中。在两个P1和P3电池互连区之间的区通常并不以显著的方式对在光伏电池中的电流的生成或者在发光器件中发光做出贡献,并且可被认作多余的空间。因此,这个区域被用于间隔器结构的一体化。区P1和P2特别地提供用于间隔器结构的具有优良粘附性的表面界面。间隔器结构可以完全地或者部分地覆盖P1或P2特征或区以及邻近的区域(P3)。

如本领域技术人员将认识到的,间隔器结构的优选的高度范围是行距与衬底柔性的函数,然而高度超出100微米的间隔器结构也满足很多情况。

因此,包括在衬底上沉积的多个串联连接的光伏电池的光敏模块使用薄膜器件技术来制造。至少具有底部电极层、光伏材料主体以及在光敏材料主体上支撑的顶部电极层的衬底被图案化,从而限定多个单独的、空间分离的光伏电池和多个类似地空间分离的连接区。连接区被图案化,以使每个连接区均包括在底部电极材料中的一部分,并且连接区被配置使得在连接区的每段中的底部电极材料被暴露并且与特定电池的底部电极部分进行电通信。每个电池的顶部电极被放置成与毗邻的电池的底部电极经由在适当的连接区中的电极层进行电通信。以这种方式,建立了在电池之间的串联互连。电端子可以固定于模块,并且已完成的模块可被封装在保护性材料的主体中。

示例1;对于通过涂覆的膜与辊子接触以及在卷起期间导致的有机光伏电池的生产产量的影响被实验研究。使用卷对卷和单页送入式过程的组合,制造了一系列有机光伏电池,其由承载透明电极、随后是界面层、光敏层、PEDOT:PSS界面层的125um的衬底组成。为了完成器件,通过热蒸发将金属电极沉积。在卷对卷机器上的每个涂覆步骤之后,样品被采集,并且通过其中避免正面接触的手动薄层涂覆过程来继续制造。这能够实现经历正面接触(卷对卷沉积的)的过程步骤以及没有经历正面接触步骤(通过单页送入的)的过程步骤的分别评估。在这个实验中的产量由具有高于0.3%的电力转换(大约1.5cm2的测试电池区域)的器件的百分比限定。对于第一界面层随后是光敏层的涂覆以及退绕,测量的产量高于95%。在涂覆以及重绕PEDOT:PSS界面层之后,产量降到58%。在重复的退绕和重绕之后,观察到进一步降到25%。这个实验证明特别是最终的PEDOT:PSS界面层在正面接触辊子表面期间以及卷起期间倾向于有缺陷。

示例2;在实验性的设置中使用机器辊子精确地模仿具有朝向辊子表面的涂覆层的网状物的运输,来研究本发明的间隔器结构的保护性作用。准备了使用与包含1.5cm2OPV的测试电池的以上的示例1相同的材料所准备的测试涂层堆叠,其中的一些具有应所用的125um高的保护性特征,保护性特征是在PEDOT:PSS沉积之后由在互连区域中使用分配喷嘴沉积并且采用UV灯固化的UV固化电介质材料(Dupont 5018A)形成。样品被安装在代表性涂覆机器的辊子上,并且在顶部电极沉积之前在辊子的上方应用200N/m的网状物拉力重复地滚动几百次。采用根据图1的样品结构进行实验(辊子测试)。样品随后具有通过热蒸发施加的金属(银)电极,并且使用太阳能模拟器被测量,并且IV测量装置被用于提取太阳能电池的参数,实现了在100mJ/cm2处的太阳能电池效率测量。这个测试的结果是在辊子测试之后不可观察到太阳能电池性能的显著改变。在两个情况下(预辊子测试和后辊子测试),实现了高于50%的(电流电压曲线的)电填充因数,这给予对于通过电分流流动的低寄生电流的指示。对于具有施加的保护性结构(间隔器)的器件,测量出100%的产量,并且没有观察到表面的破坏。不具有被应用的间隔器结构的比较测试器件显示了大量的表面破坏,并且具有低于40%的填充因数和对应的低产量(小于50%)。

将认识到,虽然仅详细描述了本发明的一个特定实施例,但是本领域技术人员可以在不偏离本发明的范围的情况下做出各种修改和改进。

发明的条款

1.一种衬底材料,其在X-Y平面中延伸,并且被涂覆了第一电极层且还被涂覆了一个或多个薄膜以形成薄膜器件堆叠;薄膜器件堆叠在垂直于X-Y平面的Z方向上从X-Y平面延伸到距离T;至少一个间隔器元件在Z方向上从X-Y平面延伸,该间隔器元件或者从衬底的表面直接延伸、或者被沉积在第一电极层上或者被沉积在形成薄膜器件堆叠的薄膜中的任何薄膜上;间隔器元件在存在的情况下在Z方向上从X-Y平面延伸到距离S,距离S大于距离T。

2.根据条款1所述的衬底材料,其中,衬底材料具有多个分立的薄膜器件堆叠;薄膜器件堆叠在相邻的薄膜器件堆叠之间具有电互连区,并且其中间隔器元件至少部分地位于电互连区中。

3.根据条款1或2所述的衬底材料,还具有在薄膜器件堆叠的顶部上沉积的顶部电极;薄膜堆叠被布置成电气地串联连接,并且电互连区包括用于沉积用于提供在相邻的薄膜堆叠的顶部和第一电极之间的互连的传导材料的区域。

4.根据条款1或2或3所述的衬底材料,其中,电互连区由图案化特征P1、P2和P3中的一个或多个提供;其中,P1提供了在相邻的薄膜器件堆叠之间的第一电极的电分离,P2提供了用于在相邻的薄膜堆叠的顶部和第一电极之间的电互连的区域,并且P3提供了顶部电极的电分离。

5.根据条款4所述的衬底材料,其中,互连区被限定为P1和P3图案化特征的外边界。

6.根据在前述条款中的任意一个条款所述的衬底材料,其中,间隔器结构如果存在的情况下位于第一电极的一部分的上方并且在顶部电极的一部分的下面。

7.根据任意前述条款所述的衬底材料,其中,每个均由不同材料形成的两个结构被沉积在互连区中,所述结构中的一个是间隔器元件。

8.根据条款7所述的衬底材料,其中,结构之一包括液体、油脂或者蜡。

9.根据条款1或2所述的衬底材料,其中,薄膜堆叠被布置成并联连接,并且电互连区包括相邻的薄膜堆叠之间的间隙,以用于在其中接收形成在第一电极和输出端子之间的互连的导电间隔器元件。

10.根据条款9所述的衬底材料,其中,电互连区被限定为在传导材料和透明电极之间的界面区域。

11.根据条款9或10所述的衬底材料,其中,传导材料是传导格栅线或者汇流排。

12.根据条款9至11中的任意条款所述的衬底材料,其中,间隔器元件被沉积在第一电极上。

13.根据条款9至12中的任意条款所述的衬底材料,其中,间隔器元件被沉积在传导材料的至少一部分的上方。

14.根据条款13所述的衬底材料,其中,间隔器元件位于薄膜之间并且在薄膜器件堆叠的非活性区域中。

15.根据条款13所述的衬底材料,其中,间隔器元件沉积在传导材料上,并且薄膜层沉积在薄膜堆叠的非活性区域的至少一部分中。

16.根据任意前述条款所述的衬底材料,其中,薄膜堆叠是连续的直列式条带。

17.根据条款16所述的衬底材料,其中,间隔器元件被沉积在与相邻的条带邻近的图案化特征中。

18.根据条款1至7或者9至17中的任意条款所述的衬底材料,其中,间隔器元件被沉积为材料的连续的珠。

19.根据条款9至12、14、17或18中的任意一个条款所述的衬底材料,其中,间隔器元件是导电材料。

20.根据条款16或17所述的衬底材料,其中,间隔器元件被沉积在分立单元中,或者被沉积为材料的间断的珠。

21.根据任意前述条款所述的衬底材料,其中,多个薄膜器件堆叠形成太阳能模块,并且间隔器元件的沉积基本上沿着太阳能模块的长度延伸。

22.根据任意前述条款所述的衬底材料,其中,薄膜器件堆叠包括光敏层。

23.根据条款22所述的衬底材料,其中,薄膜器件堆叠是光伏电池。

24.根据任意前述条款所述的衬底材料,其中,薄膜器件堆叠具有在间隔器元件上方真空沉积的顶部电极。

25.根据条款24所述的衬底材料,其中,顶部电极是金属电极。

26.根据任意前述条款所述的衬底材料,其中,间隔器元件在Z方向上具有的厚度大于1微米或者优选地在从1微米到500微米的范围中;更优选地在10微米到300微米之间的范围中;甚至更优选地在从25微米到150微米的范围中。

27.根据任意前述条款所述的衬底材料,其中,薄膜器件堆叠在Z方向上具有50纳米直到5微米的厚度,优选地是150纳米到3微米,更优选地是300纳米到1.5微米。

28.根据任意前述条款所述的衬底材料,其中,互连区是在衬底的上方的X-Y平面中延伸的、并且在Z方向上远离衬底延伸的三维区域。

29.一种由根据任意前述条款所述的涂覆的衬底材料形成的电子薄膜器件。

30.根据条款29所述的电子薄膜器件,其中,该器件是太阳能模块。

31.一种在卷对卷制程中制造薄膜电子器件的方法,该方法包括:提供衬底;沉积一个或多个薄膜层以在衬底上产生一个或多个薄膜器件堆叠;提供在薄膜器件堆叠之间的电互连区;并且将间隔器元件至少部分地沉积在薄膜器件堆叠之间的电互连区中。

32.一种在X-Y平面中延伸的衬底材料,该衬底材料在第一表面上被涂覆了一个或多个膜,以形成具有厚度T的并且在垂直于X-Y平面的Z方向上且远离所述X-Y平面地延伸的薄膜器件堆叠,第二表面具有在其上的至少一个间隔器元件,该间隔器元件在垂直于X-Y平面的Z方向上远离X-Y平面地延伸到大于距离T的距离S,该间隔器元件被定位在衬底上,使得当衬底材料被卷到卷上时,间隔器元件接合在第一表面上的薄膜层之间形成的互连区。

33.根据条款32所述的衬底材料,并且衬底材料具有处于与在薄膜堆叠中的非活性区域接合的图案中的多个间隔器元件。

34.根据任意前述条款所述的衬底材料,其中,衬底是柔性的。

35.根据条款34所述的衬底材料,其中,衬底可被卷到卷上。

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