专利名称：薄膜太阳能电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及被配置成通过使用太阳光来产生电力的太阳能电池，更具体地涉及具有多个单元太阳能电池(単元电池)串联连接的结构的薄膜太阳能电池。
背景技术：
近年来，集中关注的是作为解决全球环境问题的手段的太阳能电池。具体地，从降低太阳能电池的成本的观点来看，已关注到的是具有包含非晶硅、微晶硅、诸如CdTe (締化镉)或CIGS (铜-铟-镓-硒)之类的化合物、或者有机材料的光电转换层的太阳能电池，因为这种光电转换层可由厚度为数百nm至数数量级的薄膜构成，并且因此与常规太阳能电池相比，该太阳能电池可显著地減少要使用的材料量。这种太阳能电池被称为“薄膜太阳能电池”。薄膜太阳能电池的ー个优点在于，与常规晶体硅太阳能电池不同，薄膜太阳能电池可在各种基板上形成。 由于单个太阳能电池产生的电压低，因此采用通过串联连接多个单元太阳能电池(単元电池)来增大所产生电压的结构是通用的。在薄膜太阳能电池的情况下，单元电池的串联连接结构通常通过在单个基板上形成电极层和光电转换层、并且通过激光图案形成等将由此形成的这些层分成多个单元电池来实现。例如，专利文献I描述了具有通过在片状(膜状)基板上形成多个单元电池、并且通过使用贯穿片状(膜状)基板的集电孔和连接孔串联连接这些单元电池来构造的结构的薄膜太阳能电池。这种太阳能电池结构被称为“SCAF(通过膜上形成的孔的串联连接)结构”。图10是示出具有SCAF结构的常规薄膜太阳能电池的平面图，并且图11是示出逐步制造具有SCAF结构的常规薄膜太阳能电池的方法的截面图(对应于在图10的线Y-Y上取得的截面图)。在图11中，在薄膜太阳能电池用光照射来产生电力时呈现相同电位的电极层赋予相同的阴影线。如图10和11所示,薄膜太阳能电池70包括绝缘基板71,该绝缘基板71具有在其上通过顺序地层叠第一电极层72、光电转换层73和第二电极层74来形成光电转换部75的正面、以及在其上通过顺序地层叠第三电极层76和第四电极层77来形成背电极层78的背面。在该示例中，第一电极层72和光电转换层73层叠在绝缘基板71的正面的同一区域上，而第三电极层76和第四电极层77层叠在绝缘基板71的背面的同一区域上。在图10中，绝缘基板71的正面的横向两端区域各自形成有包括具有第一电极层72和光电转换层73的双层结构的部分，而除双层结构部分以外的中心区域全部形成有包括通过在光电转换层73上层叠第二电极层74而具有第一电极层72、光电转换层73和第二电极层74的三层结构的光电转换部75。绝缘基板71的正面和背面中各层的叠层各自通过线性去除而分成多个区段，从而在绝缘基板71上形成各自具有光电转换部75和背电极层78的多个单元电池(UC)。在姆一单兀电池(UC)中，第二电极层74和背电极层78 (包括第三电极层76和第四电极层77)通过集电孔79彼此电连接。在两个相邻单元电池(由UCn和UCn+1表示)中，一个单元电池(UCn)的第一电极层72的延长部通过连接孔80电连接到另ー单元电池(UCn+1)的背电极层78的延长部。參考图11，将对逐步制造常规薄膜太阳能电池的方法进行描述。最初,如图11(a)所示,在绝缘基板71的多个预定位置形成多个连接孔80。绝缘基板71的可用材料的示例包括聚酰亚胺膜、聚萘ニ甲酸こニ酯(PEN)膜、聚醚砜(PES)膜、聚对苯ニ甲酸こニ酯(PET)膜、以及芳族聚酰胺膜。每ー连接孔80形成为直径在Imm数量级的圆形。连接孔80可通过诸如冲压之类的机械手段形成。随后，如图11 (b)所示，在绝缘基板71的正面形成第一电极层72，之后在绝缘基板71的背面形成第三电极层76。此时，第一电极层72和第三电极层76在每ー连接孔80的内周上彼此重叠以在其间提供电连续性。随后，如图11(c)所示，在绝缘基板71上形成多个集电孔79。与连接孔80—祥，集电孔79各自形成为直径在Imm数量级的圆形，并且可通过诸如冲压之类的机械手段形 成。随后，如图11(d)所示，在第一电极层72上形成光电转换层73。光电转换层73是可由例如非晶硅(a-Si)膜构成的薄膜半导体层。随后，如图11(e)所示，在光电转换层73上形成第二电极层74。第二电极层74是可由例如氧化铟锡(ITO)膜构成的透明电极层。在形成第二电极层74期间，连接孔80及其周边区域用掩模等覆盖以防止在其上沉积第二电极层74。随后，如图11(f)所示，在绝缘基板71的背面形成的第三电极层76上形成第四电极层77。第四电极层77是可由例如金属膜构成的低电阻导电层。此时，第二电极层74和第四电极层77在每ー集电孔79的内周上彼此重叠以在其间提供电连续性。通过以上所述的エ艺步骤，在绝缘基板71的正面形成包括第一电极层72、光电转换层73和第二电极层74的叠层的光电转换部75，而在绝缘基板71的背面形成包括第三电极层76和第四电极层77的叠层的背电极层78。随后，如图11(g)所示，线性地去除绝缘基板71的正面的各层的叠层以形成第一线状去除部81，同时线性地去除绝缘基板71的背面的各层的叠层以形成第二线状去除部82。以此方式，在绝缘基板71上形成各自具有层叠在绝缘基板71的正面的光电转换部75、以及层叠在绝缘基板71的背面的背电极层78的多个单元电池(UC)。如上所述，每ー単元电池(UC)中的第二电极层74和第四电极层77 (S卩，背电极层78 )通过集电孔79彼此电连接，并且两个相邻单元电池(UCn和UCn+1)中的ー个单元电池(UCn)的第一电极层72的延长部通过连接孔80电连接到另ー单元电池(UCn+1)的第三电极层76 (S卩，背电极层78)的延长部。当通过用光照射薄膜太阳能电池70在每ー单元电池(UC)的光电转换层73中产生载流子(电子和正空穴)吋，Pn结中的电场使得一种类型的载流子流向第二电极层(S卩，透明电极层)74。由于第二电极层74通过每ー集电孔79的内周具有与第四电极层77 (BP,背电极层78)的电连续性，因此已流入第二电极层74的载流子通过集电孔79向绝缘基板71的背面移动。由于光电转换层73实质上被视为绝缘层，因此第一电极层72和第二电极层74实质上彼此绝缘。已移动到绝缘基板71的背面的载流子直接移动到每一连接孔80。在形成有连接孔80的区域中没有第二电极层74，并且因此第一电极层72和第三电极层76(即，背电极层78)通过每ー连接孔80的内周在其间具有电连续性。因此，载流子移动以通过连接孔80再次到达绝缘基板71的正面。此后，载流子在绝缘基板71的正面向相邻单元电池(UC)的光电转换层73移动。由此，具有SCAF结构的常规薄膜太阳能电池70具有多个单元电池(UC)通过集电孔79和连接孔80串联连接的结构。专利文献I :日本专利申请特开No.HlO-233517在以上所述的常规薄膜太阳能电池中，每ー单元电池具有作为透明电极层的第二电极层、以及通过集电孔彼此电连接的背电极层，并且因此高电阻透明电极层的耗电(即，集电损耗)减小到特定程度。然而，对如何在上述常规薄膜太阳能电池中设置集电孔还完全没有进行研究。为此，在単元光电转换部中产生的载流子必须在高电阻透明电极层中移动直至每ー集电孔的距离长到足以使集电损耗仍然较大。由于考虑到集电孔的设置对薄膜太阳能电池的输出特性产生影响，因此期望尽可能地优化该设置。
发明内容
鉴于这些挑战已作出本发明。因此，本发明的目的在于，提供具有包括串联连接的多个单元太阳能电池的结构的薄膜太阳能电池，与常规薄膜太阳能电池相比，该薄膜太阳能电池允许通过优化集电孔的设置来改进其转换效率。根据本发明的一方面的薄膜太阳能电池包括多个单元太阳能电池，每ー单元太阳能电池具有其中第一电极层、光电转换层和透明的第二电极层顺序地层叠在绝缘基板的正面的光电转换部、以及层叠在绝缘基板的背面的背电极层，这些単元太阳能电池被排列成在相邻的两个单元太阳能电池之间限定第一重叠区，在第一重叠区中第一电极层的未形成两个相邻单元太阳能电池中的一个单元太阳能电池的光电转换部的部分、以及另一単元太阳能电池的背电极层的一部分隔着绝缘基板彼此相対，并且多个单元太阳能电池串联连接成在每ー单元太阳能电池中，第二电极层和背电极层通过贯穿绝缘基板的多个集电孔彼此电连接，并且两个相邻単元太阳能电池之一的第一电极层和两个相邻单元太阳能电池的另ー个的背电极层通过贯穿第一重叠区中的绝缘基板的至少ー个连接孔彼此电连接，其中多个集电孔按以下方式设置集电孔分布在其中构成每一単元太阳能电池的光电转换部和背电极层隔着绝缘基板彼此相対的第二重叠区中，而彼此最接近地设置的那些集电孔彼此之间的间隔相等。根据本发明的发明人作出的研究可以确认，与具有任何其他集电孔设置的薄膜太阳能电池相比，具有其中多个集电孔分布在目标区(即，允许集电孔设置在其中的区域)、而彼此最接近地设置的那些集电孔彼此之间的间隔相等的集电孔设置的薄膜太阳能电池产生更高的输出电力。因此，根据本发明的薄膜太阳能电池允许通过优化集电孔设置来改进其输出特性(转换效率)。
图I是示意性地示出根据本发明一个实施例的薄膜太阳能电池的构造的平面图；图2是在图I的线X-X上取得的截面图；图3是示出集电孔的栅格形状设置的视图4是示出在开ロ率为2%时集电孔的行数和薄膜太阳能电池的输出电力(Pmax)之间的关系的不图；图5是示出在开ロ率为4%时集电孔的行数和薄膜太阳能电池的输出电力(Pmax)之间的关系的不图；图6是示出在开ロ率为1%时集电孔的行数和薄膜太阳能电池的输出电力(Pmax)之间的关系的不图；图7是示出集电孔直径和薄膜太阳能电池的输出电力(Pmax)之间的关系的示图；图8是示意性地示出集电孔的交错形状设置的视图；图9是示出以交错形状设置的集电孔的行数和薄膜太阳能电池的输出电力(Pmax)之间的关系的示图； 图10是常规薄膜太阳能电池的平面图；以及图11是对应于在图7的线Y-Y上取得的截面图的示出逐步制造常规薄膜太阳能电池的方法的视图。用于实现本发明的最佳模式在下文中，将參考附图描述本发明的各个实施例。图I是示意性地示出根据本发明一个实施例的薄膜太阳能电池10的构造的平面图，而图2是在图I的线X-X上取得的截面图。根据本发明的薄膜太阳能电池10具有SCAF结构，并且具有与图10和11所示的常规薄膜太阳能电池70基本相同的构造。简言之，薄膜太阳能电池10包括柔性绝缘基板11。绝缘基板11具有在其上通过顺序地层叠第一电极层12、光电转换层13和第二电极层14来形成光电转换部15的正面、以及在其上通过顺序地层叠第三电极层16和第四电极层17来形成背电极层18的背面。绝缘基板11的正面和背面的各层的叠层各自通过例如激光图案形成エ艺线性地去除而分成多个区段，从而在绝缘基板11上形成多个单元太阳能电池(単元电池uc)，这些单元太阳能电池各自具有层叠在绝缘基板11的正面的光电转换部15、以及层叠在绝缘基板11的背面的背电极层18。绝缘基板11的正面各层的叠层的被线性去除的部分(由实线指示)是第一线状去除部21，而绝缘基板11的背面各层的叠层的被线性去除的部分(由虚线指示)是第二线状去除部22。稍后将描述第一和第二线状去除部21和22的形状。在每ー单元电池(UC)中，第二电极层14和第四电极层17通过多个集电孔19彼此电连接。两个相邻单元电池(UCn和UCn+1)中的ー个单元电池(UCn)的第一电极层12的延长部通过连接孔20电连接到另ー单元电池(UCn+1)的第三电极层16的延长部。根据本发明的该配置的薄膜太阳能电池10还实现多个单元电池(UC)串联连接的结构。每ー单元电池(UC)的第一电极层12的延长部是指在该基板的正面上形成的第一电极层12未形成光电转换部15的那个区域(即，未形成三层结构的区域)、或者其一部分，而每ー单元电池(UC)的第三电极层16的延长部是指在该基板的背面形成的第三电极层16中除与光电转换部15相对应的区域之外的那个区域、或者其一部分。ー个单元电池(UCn)的第一电极层12和另ー单元电池(UCn+1)的第三电极层16之间通过连接孔20的电连接可以其他方式如下地表示。这些单元电池排列成在相邻的两个单元电池之间限定第一重叠区，在第一重叠区中第一电极层12的未形成两个相邻单元电池之一的光电转换部15的部分、以及另一单元电池的第三电极层16的部分隔着绝缘基板11彼此相对(在下文中将称为“第一重叠部”)，同时两个相邻单元电池的第一电极层12和另ー单元电池的第三电极层16通过贯穿第一重叠区中的绝缘基板11的连接孔20彼此电连接。进ー步的描述涉及上述薄膜太阳能电池10的组件。例如，绝缘基板11是塑料基板。这种塑料基板的可用材料的示例包括聚酰亚胺膜、聚萘ニ甲酸こニ酯(PEN)膜、聚醚砜(PES)膜、聚对苯ニ甲酸こニ酯(PET)膜、以及芳族聚酰胺膜。绝缘基板11的厚度为例如50 ym，该厚度不限于此。在绝缘基板不需要柔性的情况下，可使用玻璃基板等。第一和第三电极层12和16各自是通过溅射エ艺形成的厚度为例如数百nm的银(Ag)层。虽然未示出，但是第一电极层12的表面可施加有用于通过散射入射光来増加光电转换层13处光的吸收的纹理形状。尽管本实施例使用银(Ag)电极作为第一电极层12， 但不限于该特征。例如，第一电极层12可包括通过在银(Ag)电极的表面上沉积耐受等离子体的ニ氧化钛(TiO2)而形成的层叠膜、ニ氧化锡(SnO2)膜、氧化锌(ZnO)膜、或者类似的膜。替换地，可形成最佳纹理形状的材料可用于形成第一电极层12。根据本发明，光电转换层13是具有包括非晶娃(a-Si)层和非晶娃-锗(a-SiGe)层的双层串列结构的薄膜半导体层。然而，不限于该特征。光电转换层13的其他可用材料包括非晶硅碳化物(a-SiC)、非晶硅氧化物(a-SiO)、非晶硅氮化物(a-SiN)、微晶硅(U c-Si)、微晶硅-锗(u c-SiGe)、微晶硅碳化物(ii c-SiC)、微晶硅氧化物(ii c_SiO)、微晶硅氮化物(U c-SiN)、或者类似的材料。还可使用化合物材料和有机材料。形成光电转换层13的每ー层可通过等离子体化学气相沉积(等离子体CVD)、溅射、气相沉积、催化化学气相沉积(Cat-CVD )、光化学气相沉积(光CVD )、或者类似的エ艺来形成。第二电极层14是本实施例用作透明电极层的通过溅射沉积的氧化铟锡(ITO)膜。然而，不限于这种氧化铟锡膜，而可使用ニ氧化锡(SnO2)膜、氧化锌(ZnO)膜、或者类似的膜。第四电极层17是包括金属膜的低电阻导电膜。本实施例使用通过溅射而沉积的镍(Ni)膜作为第四电极层17。然而，不限于这种镍膜，而第四电极层17可通过使用除镍以外的材料来形成。集电孔19按以下方式设置集电孔分布在其中构成每一单元电池(UC)的光电转换部15和背电极层18隔着绝缘基板11彼此相対的整个重叠区上(在下文中将称为“第二重叠区”)。在上述第一重叠区中设置连接孔20，并且每一单元电池(UC)设置有六个连接孔20 (每ー横向两端侧有三个连接孔)。集电孔19和连接孔20通过诸如冲压之类的机械手段形成。在本实施例中，集电孔19和连接孔20两者都形成为圆形。然而，集电孔19和连接孔20可在形状、尺寸和数量方面适当地改变以满足薄膜太阳能电池10的规格等。稍后将描述根据本发明的集电孔19的设置(即，分布设置)。制造根据本发明的薄膜太阳能电池10的方法与制造图10所示的常规薄膜太阳能电池的方法(參见图11)基本相同，并且为此，省略其描述。将对薄膜太阳能电池10的ー些特征进行描述，与常规薄膜太阳能电池(參见图10)相比，这些特征是本实施例的特性。在此，描述具体涉及特征A :第一和第二线状去除部的形状；以及特征B :集电孔的分布设置。
特征A:第一和第二线状去除部的形状如图10所示，常规薄膜太阳能电池70形成有直线延伸的第一和第二线状去除部81和82。在各个第一线状去除部81和相邻的第二线状去除部82之间在平面图中限定的区域a和b中的区域a中设置各个连接孔80。如果在区域a中设置集电孔79，则第二电极层74和背电极层78 (包括第三和第四电极层76和77)通过集电孔79在其间提供电连续性、而第一电极层73和背电极层78通过连接孔80在其间提供电连续性，从而在第一电极层73和第二电极层74之间提供电连续性，由此导致泄漏发生。为此，有必要将集电孔79设置在与设置有连接孔80的区域a不同的区域b中。因此，允许集电孔79设置在常规薄膜太阳能电池70中的区域不限于区域b和単元光电转换部75彼此重叠的区域C。在此情况下，在光电转换部75的位于除区域c以外的区域(即，接近区域a的区域)的部分产生的载流子必须在高电阻的第二电极层74中移动直至集电孔79的距离长到足以导致大的集电损耗。相反，在根据本发明的薄膜太阳能电池10中，每ー第二线状去除部22形成为具有如图I所示的弯曲部22a，而每ー第一线状去除部21形成为如在常规薄膜太阳能电池中直 线延伸。具体地，根据本发明的每ー第二线状去除部22具有弯曲结构，在图I的每ー横向相对侧，形成为具有两个90°弯曲的弯曲结构。提供该特征是为了与常规薄膜太阳能电池的第二重叠区相比扩展允许集电孔19设置在其中的第二重叠区、同时确保第一重叠区用于设置连接孔20。即，每ー第二线状去除部22在平面图中弯曲(以具有弯曲部22a)，从而包围其中形成每ー单元电池(UC)的背电极层18、以及相应光电转换部15的全部或主要部分隔着绝缘基板11彼此相対的区域、以及确保第一重叠区用于在图I的横向两侧的每ー侧设置连接孔20。换句话说，每ー单元电池(UC)的背电极层18具有将第一重叠区(S卩，用于在其中设置连接孔20的区域)限定于接近每ー相邻单元电池的ー侧的弯曲部。更具体地，背电极层18向相邻的单元电池部分地突出以具有将第一重叠区(S卩，用于在其中设置连接孔20的区域)限定于图I的横向两侧的突出部18a。在每ー单元电池(UC)中，允许集电孔19在其中设置的第二重叠区是图I的区域A，即光电转换部15的全部或主要部分。为此，根据本发明的薄膜太阳能电池10使得允许集电孔19在其中设置的区域大于常规薄膜太阳能电池的区域，由此允许期望数量的集电孔19在每ー单元光电转换部(即，第二电极层14)中的期望位置设置以满足太阳能电池制造条件等。该特征可缩短在每ー单元光电转换部产生的载流子必须在高电阻的第二电极层74中移动的距离，由此有可能减小集电损耗。每ー第二线状去除部22的形状不限于本实施例中的形状。例如，每ー第二线状去除部22可不以直角弯曲，而在倾斜方向上弯曲，或者可具有可折叠的曲线。如在本实施例中所使用的“弯曲部”是指包括这些形状、以及在本实施例中所述的形状。每ー第一线状去除部21具有弯曲部、而每ー第二线状去除部22形成为直线延伸也是可能的。替换地，第一和第二线状去除部21和22两者都可具有弯曲部。简言之，在每ー单元电池(UC)中，第一和第二线状去除部21和22中的至少ー个形成为具有弯曲部，从而光电转换部15的全部或主要部分用作允许集电孔19设置在其中的第二重叠区。因此，在每ー单元电池(UC)中，第一电极层12和背电极层18中的至少ー个形成为具有弯曲部，从而光电转换部15的全部或主要部分隔着绝缘基板11与背电极层18相对(或重叠)。当每ー第一线状去除部21或每ー第二线状去除部22具有弯曲部时，弯曲部优选位于在连接孔20周围的没有第二电极层14的区域内。如本文中所使用的“没有第二电极层14的区域”是指包括绝缘基板11的正面上未形成第二电极层14的区域、以及绝缘基板11的背面上与前一区域相对应的区域。当每ー第一线状去除部21具有弯曲部时，感兴趣的区域是前一区域，而当每一第二线状去除部22具有弯曲部时，感兴趣的区域是后一区域。通过使每一第一线状去除部21的弯曲部或每ー第二线状去除部22的弯曲部定位于没有第ニ电极层14的区域中，可扩展允许集电孔19设置在其中的区域(即，第二重叠区)。在本实施例中，线性地去除绝缘基板11的正面和背面上各层的叠 层以形成第一和第二线状去除部21和22，由此形成各自具有层叠在绝缘基板11的正面的光电转换部15、以及层叠在绝缘基板11的背面的背电极层18的多个单元电池(UC)。不限于该特征。例如，通过使用掩模在绝缘基板11的正面和背面上层叠这些层，可在绝缘基板11上形成多个单元电池。在此情况下，其中掩模已防止这些层层叠的区域对应于第一线状去除部21和22。特征B :集电孔的分布设置为了研究集电孔的最佳设置，通过考虑面积损耗和集电损耗来实现对薄膜太阳能电池的输出特性的仿真。如本文中所使用的“面积损耗”是指与由集电孔的存在引起的电カ产生面积的减小相对应的所产生电流的减小(即，与集电孔的总面积相对应的减小)。如本文中所使用的“集电损耗”是指当光电转换部产生的载流子在第二电极层(即，透明电极层)中移动和/或当载流子穿过集电孔时发生的电カ损耗。考虑对集电损耗产生特定影响的因素包括集电孔的设置和尺寸、第二电极层的薄层电阻等。仿真使用有限元法来实现。通过分析每ー网格区域中的电流来计算电压降，从而导出薄膜太阳能电池的电流-电压特性(IV特性)。允许集电孔设置在其中的区域是构成每ー单元电池的光电转换部和背电极层隔着绝缘基板彼此相对、且对应于图I中的区域A (矩形区域)的第二重叠区。在一些情形下，通过使用各自具有SCAF结构的实际制造的薄膜太阳能电池来检查这些特性。最初，对设置在区域A中的集电孔的行数进行研究。具体地，薄膜太阳能电池的输出电力通过在使集电孔的总开ロ面积与单元光电转换部(即，电カ产生区)的总面积的比率保持恒定的同时改变集电孔的行数来彼此进行比较(在下文中将称为“开ロ率”)。在以下描述中，沿区域A的长边的方向被称为“X方向”，而沿区域A的短边的方向被称为“Y方向”。如上所述的“行数”等于在Y方向上排列的集电孔
的数量。当开ロ率恒定时，面积损耗保持基本相同，并且因此薄膜太阳能电池之间的输出电カ差(即，转换效率的差值)取决于如何设置集电孔。在当前的研究中，薄膜太阳能电池的输出电力通过改变所使用的具有三个开ロ率(1%、2%和4%)的集电孔的行数来彼此进行比较。通过在使每ー集电孔的直径固定在Imm的同时调节集电孔的数量来实现每ー开ロ率。在当前的研究中，在如下情形下计算薄膜太阳能电池的输出电力(Pmax):允许集电孔在其中设置的区域A (矩形区域)的尺寸=195.6mm(X)X26.8(Y)mm，并且第二电极层的薄层电阻=20 Q ,50 Q 和 100Q。具体地，根据以下エ艺步骤(I)至(4)在区域A中设置多个集电孔，并且在集电孔处于不同设置的情况下计算薄膜太阳能电池的输出电力(Pmax)。在步骤(I)中，确定集电孔的行数n，并且区域A在Y方向上分成(n+1)个区域。例如，当要设置五行集电孔时，得到26. 8/(5+1)=4. 47。因此，在Y方向上以4. 47mm的间隔绘制与区域A的长边平行的五条分割线(在下文中将称为“第一分割线”)，从而将区域A分成六个区域。由此，在区域A中形成各自尺寸为195. 6mm X 4. 47mm的六个矩形区域。在步骤(2)中，确定形成每一行的集电孔的数量。在此，集电孔的总数根据开ロ率来确定，并且形成每一行的集电孔的数量通过由此确定的总数除以行数n来确定。例如，当在开ロ率设为2%的情况下设置五行集电孔吋，2%的开ロ率对应于在区域A中形成的约130个集电孔(Immcj5)，并且因此形成每一行的集电孔的数量为130/5=26。在当前的研究中，当通过将集电孔的总数除以行数n获取的值不是整数时，调节集电孔的整数以获取最接近所计算值的整数。在步骤(3)中，区域A在X方向上分成{在步骤(2)中确定的构成每一行的集电孔的数量+1}。例如，当在开ロ率设为2%的情况下设置五行集电孔吋，得到195. 6/ (26+1)=7. 24。因此，在X方向上以7. 24mm的间隔绘制与区域A的短边平行的26条分割线(在下文中将称为“第二分割线”)，从而将区域A分成27个区域。因此，区域A通过第一和第二分割线分成栅格形状，从而在区域A中形成尺寸各自为7. 24mm X 4. 47mm的162(=6 X 27)个矩形区域。在步骤(4)中，集电孔设置为其各自的中心与第一分割线和第二分割线的交点(即，栅格点)相对应。通过步骤(I)至(4)，集电孔在区域A中以栅格形状设置，这些集电孔的数量实现预定开ロ率。通过该设置，预定数量的集电孔分布在区域A中、或者遍布区域A设置，而由此设置的多个集电孔在X方向上以及在Y方向上彼此之间的间隔相等。注意，从通过步骤(I)至(3)的分割得到的区域与在有限元法中所使用的网格区域不同。图3是示意性地示出多个集电孔以栅格形状设置(行数=4)的视图。在图3所示的栅格形状设置中，调节所有集电孔在X方向上的位置，以使在X方向上从单元光电转换部的相对两端的每一端到最接近的那些集电孔的距离(L2)是在X方向上彼此最接近的那些集电孔之间的距离(LI)的约1/2。图4示出在开ロ率为2%时集电孔的行数和所计算的薄膜太阳能电池的输出电力(Pmax)之间的关系。归ー化图4中的输出电力(Pmax)，从而在集电孔的行数=4且第二电极层的薄层电阻=50 Q的情形下取1.0的值。如从图4可见，在2%开ロ率的情况下，当集电孔的行数为3至4吋，薄膜太阳能电池的输出电力(Pmax)在任一个薄层电阻处都取为最高值。此外，薄膜太阳能电池的输出电カ随着第二电极层的薄层电阻増大而减小。图5示出在开ロ率为4%时集电孔的行数和所计算的薄膜太阳能电池的输出电力(Pmax)之间的关系。与在图4中ー样，归ー化图5中的输出电力(Pmax)，从而在开ロ率=2%、集电孔的行数=4、且第二电极层的薄层电阻=50 Q的情形下取1.0的值。如从图5可见，在4%的开ロ率的情况下，当集电孔的行数为5至6吋，输出电力(Pmax)在任一个薄层电阻处都取最高值，并且因此与2%的开ロ率的情况相比(參见图3)，薄膜太阳能电池产生最高输出电力(Pmax)的集电孔的行数増加。同样如在图中可见，与2%的开ロ率的情况相比，薄膜太阳能电池的输出电カ随着第二电极层的薄层电阻的变化而变化的范围减小。图6示出在开ロ率为1%时集电孔的行数和所计算的薄膜太阳能电池的输出电力(Pmax)之间的关系。与图4和5中一样,归一化图6中的输出电カ(Pmax),从而在开ロ率=2%、集电孔的行数=4、且第二电极层的薄层电阻=50 Q的情形下取1.0的值。如从图6可见，在1%开ロ率的情况下，当集电孔的行数为2至3吋，输出电力(Pmax)在任一个薄层电阻处都取最高值，并且因此与2%的开ロ率的情况相比(參见图4)，薄膜太阳能电池产生最高输出电力(Pmax)的集电孔的行数減少。同样如图可见，与2%的开ロ率的情况相比，薄膜太阳能电池的输出电カ随着第二电极层的薄层电阻的变化而变化的范围増大。从图4至6可确认，开ロ率增大，薄膜太阳能电池产生最高输出电力(Pmax)时的集电孔的行数向更高行数变动，同时薄膜太阳能电池的输出电カ随着第二电极层的薄层电阻的变化而变化的范围减小。 针对集电孔之间的间隔，可确认的是在薄膜太阳能电池在每ー开ロ率产生最高输出电力(Pmax)的集电孔行数的情况下，X方向上排列的集电孔之间的间隔与Y方向上排列的集电孔之间的间隔基本相等。这意味着当多个集电孔设置成集电孔遍布区域A地分布、而X方向上排列的集电孔之间的间隔和Y方向上排列的集电孔之间的间隔彼此基本相等(即，在图3中L1=L3)时，薄膜太阳能电池的输出电力(Pmax)在任一个开ロ率下都变成最闻。換言之，虽然集电孔的最佳行数根据开ロ率(S卩，集电孔的数量)而不同，但是所有情况都共享的特征在于，在任一个开ロ率，多个集电孔优选按以下方式设置集电孔分布在构成每一单元电池的単元光电转换部和単元背电极部彼此重叠的重叠区中、而彼此最接近的那些集电孔彼此之间的间隔相等。如下地考虑薄膜太阳能电池的输出电力随着薄层电阻的变化而变化的范围。随着开ロ率増大，设置在区域A中的集电孔的数量増加，并且因此集电孔之间的间隔变得相对较小。这使得每ー集电孔的集电面积减小，从而薄膜太阳能电池的输出电カ变得不易受第ニ电极层的薄层电阻影响。因此，在增大开ロ率的情况下，输出电カ随着第二电极层的薄层电阻的变化而变化的范围减小。然而，在从20Q到100Q的薄层电阻范围内，如从图4至6可见，薄膜太阳能电池产生最高输出电力(Pmax)的集电孔的行数在每ー开ロ率下保持基本相同。由此，可以说，在任ー个薄层电阻下，多个集电孔优选按以下方式设置集电孔分布在构成每一单元电池的单元光电转换部和单元背电极部彼此重叠的重叠区中、而彼此最接近的那些集电孔彼此之间的间隔相等。薄层电阻的范围为从20Q到100Q的这种第二电极层通常用于实际的薄膜太阳能电池。虽然图4至6示出第二电极层的薄层电阻的范围为从20Q IlJ 100 Q的情況，但是对集电孔设置的计算使用落在该薄层电阻范围以外的其他电阻值来进行，并且由此针对输出电カ呈现最高值(Pmax)的集电孔的设置，确认该计算以获取与当前研究基本相同的結果。由此，不管开ロ率(集电孔的数量)和第二电极层的薄层电阻如何，优选多个集电孔按以下方式设置集电孔分布在区域A中(即，允许集电孔设置在其中的区域)，而彼此最接近的那些集电孔彼此之间的间隔相等。这种设置使薄膜太阳能电池的转换效率能够得以改进。薄膜太阳能电池在ー些上述情形下根据实际制造，并且随后在这些薄膜太阳能电池之间进行关于输出特性的比较。从该比较中确认，获取与上述仿真的结果基本相同的结果。根据在图4至6之间的比较，当在从1%至4%的开ロ率范围内开ロ率为2%时，薄膜太阳能电池产生最高输出电力(Pmax)。因此，还可以说，优选根据本实施例的薄膜太阳能电池10的开ロ率约为2%，其规格与进行当前研究的薄膜太阳能电池的规格基本相同。然而，最佳开ロ率可根据第二电极层的薄层电阻以及类似的因素而变化。为此，优选在与当前研究中所使用情形不同的变化情形(例如，薄层电阻)下进行与当前研究类似的研究之后确立开ロ率。
接着，对集电孔直径进行研究。具体地，通过改变集电孔直径，在薄膜太阳能电池的输出电力之间进行比较。仿真使用在2%的开ロ率下设置行数为4 (图4)的集电孔来进行。图7示出每ー集电孔的直径和薄膜太阳能电池的输出电力(Pmax)之间的关系。与图4至6中一祥，归ー化图7中的输出电力(Pmax)，从而在开ロ率=2%、集电孔的行数=4、且第二电极层的薄层电阻=50 Q的情形下取1.0的值。如从图7可见，当集电孔直径为I. Omm时,薄膜太阳能电池的输出电力(Pmax)取最高值。面积损耗随着每一集电孔变大而增加，而集电孔的电阻随着每一集电孔变小(即，随着每一集电孔的周长变短)而増大。可根据在集电孔直径大于1_时面积损耗的影响变得显著(这导致输出电力(Pmax)减小)、而在集电孔直径小于Imm时集电孔处的电阻损耗变得显著(这导致输出电カ(Pmax)减小)的事实来考虑。在图7中，当集电孔直径落入从0. 6mm到I. Omm的范围内时,可以说薄膜太阳能电池的输出电力(Pmax)足够高(Pmax不小于0. 99)。另ー方面，当集电孔直径大于Imm时,薄膜太阳能电池的输出电力随着集电孔直径的变化而变化的范围变大因此，还优选对于根据本实施例的薄膜太阳能电池10,集电孔直径被设成落入从0. 6mm到I. Omm (优选I. Omm)的范围内，其规格与进行当前研究的薄膜太阳能电池基本相同。同时，第二电极层(S卩，透明电极层)和第四电极层在每ー集电孔的内周上彼此重叠以在其间提供电连续性。由于第二电极层本质上具有高电阻，因此考虑第四电极层的薄层电阻比集电孔的电阻变化显著。因此，即使在集电孔直径保持相同时，如果第四电极层的材料或厚度变化，则集电孔处的电阻也变化。虽然根据当前的研究集电孔处的电阻(Immcj5)约为0. 8Q，但是有可能在集电孔处的电阻通过例如改变第四电极层的材料、或者増加第四电极层的膜厚来减小时，最佳集电孔直径向较低值变动。也有可能最佳集电孔直径向更低值变动，因为每ー集电孔收集的电流的量随着集电孔的数量増加而减小，并且因此集电孔处的电阻损耗相对降低。即使在这种情况下，也不考虑最佳集电孔直径变得远远超出从0. 6到Imm的上述范围。然而，进行与当前研究类似的研究以发现较小的最佳集电孔直径。通过使用不同的集电孔直径对上述集电孔设置法进行研究。因此，确认集电孔直径对集电孔的最佳设置不产生影响，因为当多个集电孔设置成集电孔分布在区域A中、而彼此最接近的那些集电孔彼此之间的间隔相等时，在任ー个集电孔直径下，薄膜太阳能电池的输出电カ(Pmax)都取最高值。根据实际制造薄膜太阳能电池，并且随后进行实验以供在这些薄膜太阳能电池之间进行关于集电孔直径的比较。从该实验中确认，获取与上述仿真的结果基本相同的結果。作为各集电孔的上述设置(S卩，栅格形状的设置)的变体，对多个集电孔的交错设置进行研究。具体地，与进行每一上述研究(图4至7)的栅格形状设置的集电孔相比，集电孔以交错的设置排列，在该交错设置中，构成每一偶数行(或每一奇数行)的集电孔在X方向上按以下方式移位形成每ー偶数行(或奇数行)的每ー集电孔都置于由构成一部分奇数行的四个集电孔的最小四边形的重心上。图8是示意性地示出多个集电孔的交错设置(行数=4)的视图。在图8所示的交错设置中，在X方向上调节所有集电孔的位置，以使X方向上彼此最接近的那些集电孔之间的距离(L4)与X方向上从单元光电转换部的两端的每一端(S卩，电カ产生区)到最接近的那些集电孔的距离(L5或L6)基本相等。 图9示出以交错设置排列的集电孔的行数和薄膜太阳能电池的输出电カ(Pmax)之间的关系。图9只摘录集电孔直径为Imm且第二电极层的薄层电阻为50Q的情況。与图4至7中ー样，归一化图9中的输出电力(Pmax )，从而在开ロ率=2%、集电孔的行数=4、且第二电极层的薄层电阻=50 Q的情形下取1.0的值。确认的是根据任一行数，通过将集电孔的设置从栅格形状设置变成交错设置来增加薄膜太阳能电池的输出电力(Pmax)，如从图9可见。与栅格形状设置的情况下一祥，还确认的是根据薄膜太阳能电池的输出电力(Pmax)在每ー开ロ率设定为最高值的集电孔的行数，彼此最接近的那些集电孔彼此的间隔基本相等(图8中的L7)。根据实际制造薄膜太阳能电池，并且随后对集电孔的交错设置进行实验以供在这些薄膜太阳能电池之间进行比较。根据该实验确认，获取与上述仿真的结果基本相同的結果。通过以上所述的研究确认，优选设置是薄膜太阳能电池的至少多个集电孔均匀地分布在构成每一单元电池的单元光电转换部和单元背电极部彼此重叠的重叠区中。更具体地，多个集电孔以栅格形状或交错形状按彼此最接近的那些集电孔彼此之间的间隔相等的方式设置。多个集电孔是以栅格形状设置还是以交错形状设置可适当地选择来满足集电孔的数量、或允许集电孔在其中设置的区域的尺寸和形状。在考虑集电损耗的情况下，可以说更优选集电孔按以下方式设置从单元光电转换部的两端的每一端到最接近的那些集电孔的距离小于或等于彼此最接近的那些集电孔之间的间隔。尽管对在尺寸为195. 6mm X26. 8mm的允许集电孔设置在其中的区域(即，矩形区域A)中设置集电孔的方法进行了以上研究，但即使当允许集电孔设置在其中的区域在形状或尺寸方面与以上研究中的区域不同时，也可通过上述一系列研究来找到集电孔的具体最佳设置。虽然集电孔的最佳行数和最佳开ロ率(即，集电孔的最佳数量)随着允许集电孔设置在其中的区域的形状或尺寸的变化而变化，但是可根据上述研究考虑到可通过其中多个集电孔分布在允许集电孔设置在其中的第二重叠区(即，矩形区域A)中、而彼此最接近的那些集电孔彼此之间的间隔相等的设置来改进转换效率的效果保持相同。在具有SCAF结构的薄膜太阳能电池中，允许集电孔设置在其中的区域的形状或尺寸的变化不仅包括形状或尺寸的简单变化，而且包括关于连接孔及其周边区域(即，掩模区域)的变化、以及第一线状去除部的形状和第二线状去除部的形状的变化。由于具有SCAF结构的薄膜太阳能电池具有允许集电孔设置在其中的区域(该区域可由此根据连接孔的存在性、以及第一和第二线状去除部的存在性来改变)，因此集电孔的最佳设置必须通过考虑到这些情形而进行的仿真来确定。毋庸赘言，优选在考虑了由连接孔的存在性引起的面积损耗、以及连接孔处的电阻损耗的情况下确立连接孔的尺寸和数量。尽管以上描述已涉及具有在单个绝缘基板上形成的多个单元电池的薄膜太阳能电池，但不限于该排列。例如，与在当绝缘基板上形成多个单元电池的排列不同，在多个绝缘基板上形成多个单元电池的替换设置是可能的。这意味着本发明的范围涵盖具有多个单元电池串联连接的结构的任意薄膜太阳能电池。附图标记说明10薄膜太阳能电池、11绝缘基板、12第一电极层、13光电转换层、14第二电极层(透明电极层)、15光电转换部、16第三电极层、17第四电极层、18背电极层、18a突出部、19集电孔、20连接孔、21第一线状去除部、22第二线状去除部、22a弯曲部、UC单元电池(単元 太阳能电池)。
权利要求
1.ー种薄膜太阳能电池，所述薄膜太阳能电池包括多个单元太阳能电池，每ー单元太阳能电池具有其中第一电极层、光电转换层和透明的第二电极层顺序地层叠在绝缘基板的正面的光电转换部、以及层叠在所述绝缘基板的背面的背电极层， 所述单元太阳能电池被排列成在相邻的两个单元太阳能电池之间限定第一重叠区，在所述第一重叠区中第一电极层的未形成所述两个相邻单元太阳能电池中的ー个单元太阳能电池的光电转换部的部分、以及另一単元太阳能电池的背电极层的一部分隔着所述绝缘基板彼此相対,并且 所述多个単元太阳能电池串联连接成在每ー单元太阳能电池中，所述第二电极层和所述背电极层通过贯穿所述绝缘基板的多个集电孔彼此电连接，并且所述两个相邻单元太阳能电池之一的第一电极层和所述两个相邻单元太阳能电池的另ー个的背电极层通过贯穿所述第一重叠区中的绝缘基板的至少ー个连接孔彼此电连接， 其中所述多个集电孔按以下方式设置集电孔分布在其中构成每一単元太阳能电池的 所述光电转换部和所述背电极层隔着所述绝缘基板彼此相対的第二重叠区中，而彼此最接近地设置的那些集电孔彼此之间的间隔相等。
2.如权利要求I所述的薄膜太阳能电池，其特征在干，每ー单元太阳能电池中的第一电极层和背电极层中的至少ー个具有限定相邻单元太阳能电池侧的所述第一重叠区的弯 曲部，同时所述光电转换部的全部或主要部分隔着所述绝缘基板与相应的背电极层相対。
全文摘要
公开了具有多个单元太阳能电池串联连接的结构的薄膜太阳能电池。在薄膜太阳能电池中，通过在每一单元太阳能电池中适当地设置集电孔来改进转换效率。在薄膜太阳能电池(10)中，形成各自具有层叠在绝缘基板(11)的正面上的光电转换部(15)、以及层叠在绝缘基板(11)的背面上的后电极层(18)的多个单元太阳能电池(UC)，并且这些单元太阳能电池(UC)经由集电孔(19)和连接孔(20)串联连接。集电孔(19)分布在重叠区(A)中，在该重叠区(A)中构成每一单元太阳能电池(UC)的光电转换部(15)和后电极层(18)隔着绝缘基板(11)面向彼此，以使最接近的集电孔(19)之间的间隔相等。
文档编号H01L31/04GK102770964SQ20108006329
公开日2012年11月7日 申请日期2010年5月21日 优先权日2010年5月21日
发明者下泽慎, 增田颂之 申请人:富士电机株式会社