专利名称：具有改进的太阳能电池互连性的薄膜太阳能模块及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种具有改进的太阳能电池互连性的薄膜太阳能模块，并且涉及其制造方法。具体而言，本发明涉及一种包含多个互相连接的太阳能电池的薄膜太阳能模块，其中该薄膜太阳能模块或太阳能电池包括一个基底、一个第一电极层、一个半导体层以及一个第二电极层。
背景技术：
近年来，将太阳能直接转换成电能的太阳能模块的广泛使用程度已经得到了大幅度的提高。在包含单独的、串联连接或并联连接的太阳能电池的一个太阳能模块中，由于日光对其中一个半导体层中的半导体材料的影响而实现的载流子的分离、及其它们的随后导出是通过安排在该半导体材料上的电极而实现的。在这种情况下，半导体层中使用的半导体材料的量一直都是比较大的。然而，这导致了在提供适量的、足够纯的半导体材料上的问题，并且导致了由使用大量半导体材料而造成的相对较高的费用。因此，在所谓的薄膜太阳能模块的开发中进行了越来越多的工作，其中半导体层是相对较薄的。这种层是例如由非晶硅组成。因为要求极少的材料，所以这种薄膜太阳能模块是比较便宜的。使用薄膜太阳能模块的一个问题是，能量效率在目前为止都不是足够的，也就是说没有充分利用入射的太阳辐射。EP 0 749 161 Bl披露了一种整体的薄膜太阳能电池，它具有多个串联连接的元件单元，包括一个基底；多个由透明导电氧化物组成的第一电极层，这些第一电极层被细分为多个区域并且形成在该基底上；多个叠层，它们各自具有一个半导体层和一个层叠到半导体层上并由透明金属氧化物组成的第一导电层，这些叠层如下地安排在第一电极层上，使得这些叠层中的每一个都被形成在两个相邻的第一电极上并且在这两个第一电极之一上具有一个连接开口，其中第一导电层不是形成在连接开口中；以及多个由金属材料组成的第二电极层，这些第二电极层被安排在每一个叠层上，其状态是使得这些第二电极层通过该连接开口而电连接到这些第一电极层之一上从而将嵌入在第二电极层与另一个第一电极层之间的一个区域形成为一个元件单元。在这些已知的太阳能模块中，不能用于利用入射的太阳辐射的这个区域(“死区”) 是相对较大的。
发明内容
在此背景下，本发明的目的是提供一种允许更有效地利用入射的太阳辐射的太阳能模块。根据本发明，这个目的是通过具有相应的独立权利要求的特征的一种薄膜太阳能模块以及一种生产薄膜太阳能模块的方法而实现的。根据本发明的薄膜太阳能模块的优选实施方案在对应的从属权利要求中详述。即便在本文中没有明确地提及，但根据本发明的薄膜太阳能模块的优选实施方案与根据本发明的方法的优选实施方案相对应，并且反之亦然。因此，本发明的主题是一种包含多个互相连接的太阳能电池的薄膜太阳能模块， 该太阳能模块包括处于所述顺序下的以下各层(a) 一个基底；(b) 一个第一电极层；(c) 一个半导体层；以及(d) 一个第二电极层；其中在第一电极层中安排了至少一个第一非线性凹陷，并且在第二电极层和半导体层中安排了一个第二非线性凹陷，其中该第一非线性凹陷在该基底上的一个第一突出部以及第二非线性凹陷在该基底上的一个第二突出部在至少两个突出点处相交或相接触，该薄膜太阳能模块具有至少一个处于岛形式的接触区域，该接触区域在一个相对基底而言垂直的方向上延伸穿过层(a)至(d)并且在一个平行于基底的方向上被该第一突出部和第二突出部所限定，并且其中一个第三凹陷位于该岛形式的接触区域之内的半导体层中，该第三凹陷填充有一种导电材料，并且其中一个第四凹陷在至少两个岛形式的接触区域之间延伸穿过第一电极层、半导体层和第二电极层。如在文本中所使用的，表述“薄膜太阳能模块”具体是指半导体层比基底更薄的一种薄膜太阳能模块。在这种薄膜太阳能模块中，第一突出部和第二突出部可以共同具有多个点或区段。然而，在根据本发明的薄膜太阳能模块中，第一突出部和第二突出部优选在两个且仅两个突出点处相交或相接触。第一非线性凹陷和第二非线性凹陷可以具有不同的形状。举例而言，第一非线性凹陷和/或第二非线性凹陷可以由在一个凹陷相交点处相交或相接触的两个线性区域组成。然而，还有可能的是该第一和第二非线性凹陷是由具有标准的曲率半径、或沿曲线而变的曲率半径的一个或多个曲线组成。此外，对于第一非线性凹陷和第二非线性凹陷，线性和弯曲的区段的任何所希望的组合都是可能的。因此，这些岛形式的接触区域、特别是它们在基底上的突出部，可以具有非常不同的形状。在根据本发明的薄膜太阳能模块的一个优选实施方案中，第一非线性凹陷和/或第二非线性凹陷由在一个凹陷相交点处相交或相接触的两个线性区域组成。根据本发明，该薄膜太阳能模块中的岛形式的接触区域的面积是不受限制的。一般而言，在平行于基底的方向上，该接触区域具有在从0. 01到3mm2范围内的面积。该第四凹陷优选被安排在相邻的岛形式的接触区域的两个突出点之间。具体而言，在这种情况下，该第四凹陷在同一个岛形式的接触区域的两个突出点的连线方向上延伸。在薄膜太阳能模块的一个优选实施方案中，安排了彼此平行的多个第四凹陷。优选地，第四凹陷是线性的。这具体是指，第四凹陷在基底上的一个突出部呈直线。此外优选的是，第四凹陷将两个相邻的岛形式的接触区域的这些突出点相连接。
在根据本发明的薄膜太阳能模块的另一个优选实施方案中，与该第二电极层不同的一个第三导电层被安排在半导体层与第二电极层之间。该第三导电层的材料优选是由一种金属氧化物材料(例如Sn02、Zn0或ΙΤ0)组成的一种透明导电材料。类似地可以使用由这些材料构成的叠层。第一电极层和第二电极层可以由相同或不同的导电材料形成。这些导电材料的选择是不受限制的；有可能使用无机材料(特别是金属)，以及有机材料(特别是导电聚合物)二者。优选地，至少该第一电极层是透明的。在根据本发明的薄膜太阳能模块的优选实施方案中，氧化锡(SnO2)、氧化锌(ZnO) 或铟锡氧化物(ITO)适合用作第一和/或第二电极层的透明导电材料。举例而言，铝(Al)、银(Ag)或铬(Cr)适合用作第一和/或第二电极层的金属材料。根据本发明，该半导体层的材料是不受限制的，只要它可以用于在薄膜太阳能模块中将太阳能转换成电能。半导体层的主要材料不仅可以是非晶硅氢化物，而且还可以是非晶硅、多晶或微晶硅、或其组合。此外，硅可以用碳化硅、硅-锗、锗、III-V化合物(例如 GaAs.InP及由其衍生的合金和化合物)、II-VI化合物(例如CdTe或Cdr^e2)、或I-III-VI 化合物、或类似物所替代。此外，它可以用这些化合物的组合来替代。一般而言，在根据本发明的薄膜太阳能模块中，多个太阳能电池串联地或并联地连接在单个基底上。根据本发明，薄膜太阳能模块的表面是不受限制的。本发明的主题还有一种用于制造根据本发明的薄膜太阳能模块的方法，该方法包括以下步骤(al)在一个基底上形成一个第一电极层；(bl)在该第一电极层中制造一个第一非线性凹陷；(Cl)在该第一电极层上形成一个半导体层；(dl)在该半导体层中制造一个第三凹陷；(el)形成一个第二电极层，该第二电极层填充了该第三凹陷；(fl)在该半导体层和该第二电极层中制造一个第二非线性凹陷；并且(gl)制造一个在至少两个岛形式的接触区域之间延伸穿过该第一电极层、该半导体层和该第二电极层的第四凹陷。在根据本发明的方法中，在步骤(al)中优选在基底上形成一个透明的第一电极层。此外，优选的是在步骤(Cl)中在该第一电极层上形成一个填充了该第一非线性凹陷的半导体层。优选地，在根据本发明的方法中用激光来制造第一、第二、第三和/或第四凹陷。一般而言，所希望的薄膜太阳能模块是通过借助适当的沉积技术(如CVD技术、溅射技术、或类似技术)来重复地沉积多个单独的层而制造的、并且通过例如蚀刻或激光辐射进行结构化。根据本发明的薄膜太阳能模块及其制造方法具有很多优点。根据本发明的薄膜太阳能模块设计简单并能以简单且因此经济的方式进行制造。由于可观地更大比例的表面区域可以用于将太阳能转成为电能，所以根据本发明的薄膜太阳能模块具有大幅度提高的效率。此外，本发明使得有可能制造出对凹陷位置的准确性要求更低的薄膜太阳能模块。
在下文中将参考根据本发明的薄膜太阳能模块的一个优选实施方案来详细解释本发明，该实施方案展示在图1和图2中并且并非旨在是限制性的。图1示意性地展示了根据本发明的薄膜太阳能模块的一个平面图。图2示意性地展示了穿过图1所示薄膜太阳能模块的一个截面。
具体实施例方式图1展示了具有多个串联连接的太阳能电池2的种个薄膜太阳能模块1。薄膜太阳能模块1具有多个岛形式的接触区域11，并且在每个接触区域中两个太阳能电池2彼此相连。这些岛形式的接触区域(虽然在图1中无法更详细看出)在一个相对基底而言垂直的方向上延伸越过这些层基底3(例如玻璃基底)、第一电极层、半导体层、以及第二电极层。在一个平行于基底3的方向上，岛形式的接触区域11由第一电极层中的一个非线性凹陷(未示出)的一个第一突出部9、以及半导体层中的一个第二非线性凹陷(未示出)的一个第二突出部10所限定。在半导体层中(没有更详细地示出)，一个第三凹陷12位于岛形式的接触区域11中，并且这个第三凹陷12填充有一种导电材料。在此处示出的实施方案中，一个第四凹陷20在相邻的岛形式的接触区域11的突出点14与15之间线性地延伸。在此处所示的岛形式的接触区域中，第一非线性凹陷7和/或第二非线性凹陷8 由在一个凹陷相交点13处相交的两个线性区域16、17、18、19组成。在这种情况下，在凹陷相交点13处相交的这些线性区域仅略微延伸到凹陷相交点13之后。如图1所示的岛形式的接触区域展示了薄膜太阳能模块表面的、不能用于将太阳能转换到电能的部分，即所谓的“死区”。图1展示出，本发明使得有可能实现死区的大规模减小(“死区减少”)。图2示意性地展示了在一个凹陷20的方向上穿过图1所示薄膜太阳能模块的一个截面。薄膜太阳能模块1包含多个串联连接的太阳能电池2，其中的两个在各自情况下在接触区域11中相互连接。在这个截面视图中无法看到接触区域11的岛结构。岛形式的接触区域11在一个相对基底3而言垂直的方向上延伸越过基底3、一个第一电极层4、一个半导体层5以及一个第二电极层6。在一个平行于基底3的方向上，岛形式的接触区域11 由第一电极层4中的一个非线性凹陷7的一个第一突出部(在此未示出)以及半导体层5 中的一个第二非线性凹陷8的一个第二突出部(在此未示出)所限定。一个第三凹陷12 位于半导体层5中、在岛形式的接触区域11之内，并且这个第三凹陷12填充有一种导电材料。在图2示出的实施方案中，一个第四凹陷20在相邻的岛形式的接触区域的突出点(在这个图示中无法看到)之间线性地延伸。在图2所示的截面视图中，第四凹陷20位于与第三凹陷12相同的方向上。因此，这种结构化使得在薄膜太阳能模块1中在多个第一电极层4上安排了多个半导体层5，它们在基底3上被细分为多个区域，使得每个半导体层5被形成在两个相邻的第一电极层4上并且在这些第一电极层4之一上具有一个第一非线性凹陷7。在图2所展示的实施方案中，在每个半导体层5上的除第一非线性凹陷7之外的一个区域中形成了一个第三导电层21。然而，也可以省略该第三导电层21。在图2所示的实施方案中，一个第二电极层6被安排在每个第三导电层21上，使得第二电极层6通过第一非线性凹陷7电连接到这两个第一电极层4之一上，因此将嵌入在第二电极层6与另一个第一电极层4之间的一个区域形成为一个太阳能电池2。以上描述的薄膜太阳能模块可以根据本发明通过一种在下文详细描述的优选方法来制造。将由一种透明导电材料如Sn02、ZnO或ITO制造的一个透明导电层作为第一电极层4而沉积在基底3(玻璃基底幻上。之后将第一电极层4熔化，以便使用一种非线性引导的激光借助激光雕刻技术来造成多个生成电流的区域。其结果是形成了多个第一非线性凹陷7。在此处所示的实施方案中，非线性地引导激光是通过首先在一个第一方向上、然后在一个与第一方向不同的第二方向上线性地引导激光。在薄膜太阳能模块1中，第一电极层4的表面电阻具有一个例如在从5到30欧姆范围内的值。之后清洁该第一电极层4，以便除去第一电极层的那些被激光雕刻所熔化的组份。然后例如使用等离子体CVD技术将具有销钉结构的非晶硅氢化物层作为半导体层5沉积在这些第一电极层4的整个表面上，这些第一电极层与这些产生电流的区域相对应地形成。举例而言，该非晶硅氢化物层可以如下制造将基底3放置在10_5托(近似 1.33X 10 )或更低的高真空室中，之后在140到200°C的基底温度下引入硅烷(SiH4)、 二硼烷( )以及甲烷作为成膜气体。举例而言，将反应压力设定为1.0托，并且将ρ-传导的非晶硅氢化物-碳化物通过RF放电以5到20nm的层厚度进行沉积。此后，仅将硅烷引入该室中，反应压力设定为0. 2到0. 7托，并且将i-传导的非晶硅氢化物通过RF放电以 300nm的层厚度进行沉积。此外，将硅烷(SiH4)、磷化氢(PH3)和氢气H2引入该室中，以便制造由η-传导的微晶硅构成的薄膜。反应压力设定为约1.0托，并且将η-传导的微晶硅通过RF放电以10到20nm的厚度进行沉积。之后将一个第三导电层21借助溅射技术来沉积到这个或这些半导体层5上，而不进行之前的清洁过程。具体而言，将半导体层5被沉积到其上的基底3传送到一个溅射室中，其中设定有最大压力为1X10—6托的高真空。将氩气(Ar)作为溅射气体引入到该溅射室中，随后将掺杂有氧化铝Al2O3的ZnO在1到5X 10_3托的压力下通过RF放电以80到 IOOnm厚度进行沉积。之后在岛形式的接触区域11之内通过激光雕刻技术使半导体层5和第三导电层 21熔融并制造第三凹陷12，以便以此方式在第一电极层3中制造出与已经形成的第一非线性凹陷7相邻的多个第三凹陷12。在已经于第三凹陷12上进行清洁过程而去除该激光雕刻所熔化并分离的组分之后，如已经说明的，借助溅射技术或真空气相沉积技术将一种金属(如Al、Ag、Cr或类似物)作为第二电极层6沉积到第三导电层21上。最后，通过激光雕刻技术将两个接触区域11之间的第一电极层4、第二电极层6、 第三导电层21以及半导体层4 (在这种情况下是一个η-传导的微晶硅层)去除，因此形成了第四凹陷20，在图2中展示的截面视图中这些第四凹陷位于这些第三凹陷12之上。在图1示出的平面图中，这些第四凹陷20在相邻的岛形式的接触区域11的两个突出点14、15之间延伸。该第二电极层6以此方式被细分为多个产生电流的区域。这最终在基底3上产生了多个太阳能电池2，这些太阳能电池各自由嵌入到第一电极层4与第二电极层6之间的一个区域组成、并且彼此串联地连接。 之后清洁这些太阳能电池2，以便去除由激光雕刻所熔化并分离的残留物。可以在该薄膜太阳能模块上施加一个适当的钝化层，例如该钝化层由环氧树脂构成。
权利要求
1.一种包含多个相互连接的太阳能电池O)的薄膜太阳能模块(1)，包括处于所述顺序下的以下各层(a)一个基底(3)；(b)一个第一电极层⑷；(c)一个半导体层(5)；以及(d)一个第二电极层(6)； 其特征在于在该第一电极层(4)中安排了至少一个第一非线性凹陷(7)，并且在该第二电极层(6) 和该半导体层(5)中安排了一个第二非线性凹陷(8)，其中该第一非线性凹陷(7)在该基底 (3)上的一个第一突出部(9)与该第二非线性凹陷(8)在该基底C3)上的一个第二突出部(10)在至少两个突出点(14，15)处相交或相接触，该薄膜太阳能模块(1)具有至少一个岛形式的接触区域(11)，该接触区域在一个相对该基底(3)而言垂直的方向上延伸穿过这些层(a)至(d) (3,4,5,6)并且在一个平行于该基底C3)的方向上被该第一突出部(9)和该第二突出部(10)所限定，并且其中一个第三凹陷(12)位于该岛形式的接触区域(11)之内的半导体层(5)中，该第三凹陷(12)填充有一种导电材料，并且其中一个第四凹陷00)在至少两个岛形式的接触区域(11)之间延伸穿过该第一电极层G)、该半导体层(5)以及该第二电极层(6)。
2.如权利要求1所述的薄膜太阳能模块(1)，其特征在于，该第一突出部(9)和该第二突出部(10)在两个且仅两个突出点(14,1 处相交或相接触。
3.如权利要求1或2所述的薄膜太阳能模块(1)，其特征在于，该第一非线性凹陷(7) 和/或该第二非线性凹陷(8)由在一个凹陷相交点(1 处相交或相接触的两个线性区域 (16，17，18，19)组成。
4.如权利要求1至3中任何一项所述的薄膜太阳能模块(1)，其特征在于，该接触区域(11)在一个平行于该基底(3)的方向上具有在从0.01到3mm2范围内的面积。
5.如权利要求1至4中任何一项所述的薄膜太阳能模块(1)，其特征在于，该第四凹陷 (20)被安排在相邻的岛形式的接触区域(11)的两个突出点(14，15)之间。
6.如权利要求1至5中任何一项所述的薄膜太阳能模块(1)，其特征在于，多个第四凹陷00)是彼此平行地安排的。
7.如权利要求1至6中任何一项所述的薄膜太阳能模块(1)，其特征在于，该第四凹陷 (20)是线性的。
8.如权利要求7所述的薄膜太阳能模块(1)，其特征在于，该第四凹陷00)连接了两个相邻的岛形式的接触区域(11)的这些突出点(14，15)。
9.如权利要求1至8中任何一项所述的薄膜太阳能模块(1)，其特征在于，一个与第二电极层(6)不同的第三导电层被安排在该半导体层(5)与该第二电极层(6)之间。
10.如权利要求1至9中任何一项所述的薄膜太阳能模块(1)，其特征在于，该第一电极层(4)是透明的。
11.一种用于制造如权利要求1至9中任何一项所述的薄膜太阳能模块(1)的方法，包括以下步骤(al)在一个基底C3)上形成一个第一电极层；(bl)在该第一电极层中制造一个第一非线性凹陷(7)； (cl)在该第一电极层(4)上形成一个半导体层(5)； (dl)在该半导体层(5)中制造一个第三凹陷(12)； (el)形成一个第二电极层G)，该第二电极层填充了该第三凹陷(12)； (Π)在该半导体层( 和该第二电极层(6)中制造一个第二非线性凹陷(8)；并且 (gl)制造一个在至少两个岛形式的接触区域(11)之间延伸穿过该第一电极层、该半导体层(5)和该第二电极层(6)的第四凹陷00)。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，在步骤(al)中在该基底C3)上形成一个透明的第一电极层G)。
13.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，在步骤(cl)中在该第一电极层上形成一个填充了该第一非线性凹陷(7)的半导体层(5)。
14.如权利要求11至13中任何一项所述的方法，其特征在于，使用激光来制造该第一凹陷(7)、第二凹陷(8)、第三凹陷(12)和/或第四凹陷00)。
全文摘要
本发明涉及一种包含多个互相连接的太阳能电池2的薄层太阳能模块1，该薄层太阳能模块按所给的顺序包括以下各层(a)一个基底3；(b)一个第一电极层4；(c)一个半导体层5；以及(d)一个第二电极层6；其中至少一个非线性凹陷7被布置在第一电极层4中，并且一个第二非线性凹陷8被布置在第二电极层6和半导体层5中，其中该第一非线性凹陷7在该基底3上的一个第一突出部9与该第二非线性凹陷8在该基底3上的一个第二突出部10在至少两个突出点14、15处彼此相交或相接触，该薄层太阳能模块1具有至少一个岛形的接触区域11，该接触区域在一个垂直于基底3的方向上延伸穿过这些层(a)至(d)3、4、5、6并且在一个平行于基底3的方向上被该第一突出部9和该第二突出部10所限定，并且其中一个第三凹陷12存在于该岛形的接触区域11之内的半导体层5中并且填充有一种导电材料，并且其中一个第四凹陷20在至少两个岛形的接触区域11之间延伸穿过该第一电极层4、该半导体层5以及该第二电极层6。本发明还涉及用于制造所述薄层太阳能模块的一种方法。
文档编号H01L27/142GK102473711SQ201080033036
公开日2012年5月23日 申请日期2010年7月20日 优先权日2009年7月20日
发明者维克多·弗杜戈 申请人:Q-电池公司