专利名称：光伏器件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及光伏器件。更具体地，本发明涉及包含设计成提高器件捕获并且转换光的能力(其在常规设计中经常损失光)的工程材料的器件。
背景技术：
光伏器件领域中的主要焦点中的一个是提高能量转换效率(从电磁能到电能或反之亦然)。这些器件常常由于光的损失而遭受降低的性能。因此，这些器件的光学设计中的研究包括光收集和俘获、光谱匹配吸收以及升频/降频光能转换。具体地，光伏器件的某些区域典型地没有光伏活性材料，即，能够吸收光并将其转换为电的材料。从而按今天的标准即使是相对高效的器件可包括光伏无活性区-未能获取光用于能量转换的区。因此，在本领域内仍需要具有提高的效率的光伏器件，该提高的效率包括捕获并转换光伏无活性区典型地损失的光中的至少一些的能力。
发明内容
提供本发明的实施例来满足这些和其他需求。一个实施例是物品。该物品包括光伏活性区和光伏无活性区。填充物材料设置在该无活性区中；该填充物材料包括反射材料， 其配置成使入射到填充物材料上的光的至少50%散射。另一个实施例是包括光伏活性区和光伏无活性区的物品。填充物材料设置在该无活性区中；该填充物材料包括波长转换材料。本文描述了其他实施例，其中上文描述的并设置在无活性区中的填充物材料包括反射材料和波长转换材料两者。
当下列详细说明参照附图阅读时，本发明的这些和其他特征、方面和优势将变得更好理解，其中图1-4是根据本发明的实施例的各种光伏器件的示意图。
具体实施例方式如下文详细论述的，本发明的实施例包括具有光伏活性区和光伏无活性区的物品。光伏活性区(如本文使用的那个术语)表示包括展现众所周知的光伏效应的材料的物品的区域，即当其暴露于电磁辐射(典型地是可见波长和可见波长附近中的辐射)时形成电压(“光电压”)和/或相应的电流(“光电流”)。光伏无活性区(如本文使用的那个术语)表示缺乏这样的材料的物品的区域，或者处于使得该区域缺乏获得入射光并因此在任何实际程度上不直接用于产生电流的物品的区域。本发明的实施例进一步包括设置在物品的无活性区或多个无活性区中的填充物材料。该填充物材料可具有使无活性区在提高该物品(典型地为光伏器件)收集光并将其转换成电流的能力方面有用的某些特性。例如，该填充物材料可以包括反射材料，其将入射到无活性区上的光中的至少一些重新定向到活性区，其中另外未使用的光可应用于发电。 在另一个实施例中，该填充物材料可包括波长转换材料，其吸收某些波长的入射光，并且作为回应，发射不同波长的光。可调整材料的吸收和发射使得发射处于很适合由物品的活性区中的光伏材料用于高效转换的光谱的一部分中。在一个实施例中，该填充物材料包括反射材料和波长转换材料两者。此外，在一些实施例中，该填充物材料(不管填充物包括反射材料、波长转换材料或是其两者)进一步包括可钝化活性区中的相邻界面材料的材料， 其可减少与电子-空穴复合相关的无效。简言之，本发明的实施例包括设置在另外的无活性区中的填充物材料，这与不包括这样的填充物材料的器件相比可提高入射光的整体利用率，从而提高光伏器件效率。如在本文中在说明书和权利要求书中使用的近似语言可应用于修饰任何定量表示，其可以获准地改变而不引起它与之有关的基本功能中的变化。因此，由例如“大约”等术语或多个术语修饰的值不限于规定的精确值。在一些实例中，该近似语言可对应于用于测量该值的仪器的精确度。在下列说明书和权利要求书中，单数形式“一”和“该”包括复数个指代物，除非上下文清楚地另外指明。从而在实施例描述为包括“一”对象的地方，应该理解实施例包括描述的对象的至少一个。如本文使用的，术语“可”和“可以是”指示在一组情况内发生的可能性；具有规定的性质、特性或功能；和/或通过表达与修饰的另一动词关联的能力、性能或可能性中的一个或多个来修饰该动词。因此，“可”和“可以是”的使用指示所修饰的术语对于指示的性能、功能或使用是明显适当的、有能力的或合适的，但考虑在一些情况下该修饰的术语可能有时不是适当的、有能力的或合适的。例如，在一些情况下，可以预期事件或性能，而在其他情况下该事件或性能不能出现，该区别由术语“可”和“可以是”正确表达。如本文使用的术语“透明的”意思是材料的层允许入射太阳辐射的大部分通过。该大部分可以是该入射太阳辐射的至少大约80%。参照图1，本发明的一个实施例是物品10。物品10可以是光伏电池，例如单结或多结光伏电池，或者可以是包括多个电池的光伏模块。物品10包括光伏活性区20。活性区20典型地包括展现光伏效应的吸收体材料，并且基于电池使用的吸收体材料来命名一种类型的电池，这在本领域内是常见的。因此，光伏电池的非限制性示例包括非晶硅电池、 晶体硅电池、混合/异质结非晶和晶体硅电池、非晶硅/微晶硅叠层薄膜电池(micromorph tandem silicon thin film cell)、碲化镉(CdTe)薄膜电池、Cu (In，Ga，Al) (Se，S)2(也称为“CIGS”)薄膜电池、铜-锌-锡-硫化物(CZTQ薄膜电池、金属硫化物薄膜电池、金属磷化物薄膜电池、GaAs电池、多结基于III-V的太阳能电池或固态有机/聚合物太阳能电池。物品10进一步包括光伏无活性区30。无活性区30缺乏吸收体材料和/或缺乏获得入射光，并从而不直接参与将入射光转换成电能。光伏电池中的无活性区的一些示例包括激光划线，一般例如在单片集成的薄膜光伏模块中使用来形成单独的光伏电池；电池和模块的边缘，其常常缺少吸收体层；以及例如硅基模块或不是单片集成的其它模块中的电池之间的间隙。无活性区30的另外的实施例是通常在硅基太阳能电池中使用的前接触栅格。该栅格一般由例如细导线或其它导体等电流载体构成，该电流载体在相邻区域上产生阴影，从而减少用于发电的可用有效面积。在常规的光伏技术中，这样的无活性区典型地用具有很少或没有实质性光学功能的绝缘材料填充或覆盖(如果有的话)。从而这样的区域代表器件效率中的纯损失。然而， 在本发明的实施例中，填充物材料40设置在无活性区30中，并且该填充物材料40具有可有助于提高物品10的效率的一个或多个功能。在无活性区30包括例如前接触栅格部件 (未示出)等表面的地方，填充物材料可设置在例如其中填充物材料40覆盖在导体或其它前接触栅格部件之上的表面上。从而，尽管本文的示例和讨论中的许多描述了其中填充物材料40填充在空隙中的实施例，将意识到这些说明不是限制性的，并且在填充物40描述为设置在无活性区30 “中”的情况，预想并且包括其中填充物材料40设置在类似栅格导体的表面上的实施例。在一个实施例中，填充物材料40包括反射材料。该反射材料配置成经过选择组成和/或结构来使入射到填充物材料40上的光的至少50%散射，并且在某些实施例中是至少 80%。一般，反射材料没有特定方向性地散射入射光，但反射的光的至少一部分被引导到活性区20上，作为另外的可用于转换成能量的光。在一个实施例中，该反射材料包括设置在基质中的多个散射中心。一般，这些散射中心在基质中以足够高的浓度存在，足以达到特定应用所需要的反射率水平。在一些实施例中，该浓度在约10体积百分比至约75体积百分比的范围中，并且在某些实施例中在约50体积百分比至约70体积百分比的范围中。在一些实施例中，散射中心包括多个空洞。在一些实施例中，空洞具有高达1微米的中等尺寸，并且在特定实施例中，材料中的中等空洞尺寸高达500纳米。在一些实施例中，该散射中心包括微粒。该微粒可以是中空的、多孔的、或固体的， 并且可以包括多种形状中的任何形状，例如，但不限于，球形、扁豆状、杆状和板状。在一些实施例中，多数微粒具有高达10微米的中等尺寸，并且在特定实施例中，该中等尺寸在从约200纳米至约1000纳米的范围中。在一些实施例中，该微粒包含例如氧化物等无机材料。 合适的氧化物的示例包括，但不限于，下列材料中的一个或多个的氧化物钛、铝、硅、铪、锆以及包括前述中的至少一个的组合。由分布在基质中的微粒和/或空洞构成的材料的反射性质在很大部分上由这些散射中心和基质材料之间的界面特性控制。具体地，基质的折射率和构成散射中心的材料的折射率之间的差对入射光遇到界面时的行为如何有着显著影响。一般，反射有利于折射率中的更大的差。从而，在一些实施例中，基质的折射率和散射中心的折射率之间的差为至少0. 01，并且在特定实施例中，该差为至少0. 5。从而基质材料和散射中心材料的选择是相互依赖的。基质材料的示例包括，但不限于，玻璃、聚合物、或混合有机-无机材料。该最后种类的材料无限制地包括分散在聚合物中的气相二氧化硅纳米微粒，或者一般由硅氧烷或硅倍半氧烷(silsesquioxane)化学物质制成、具有例如甲基和/或苯基等残余有机物含量的旋涂玻璃型材料。
在某些实施例中，填充物材料40包括波长转换材料。在一些实施例中，除上文描述的反射材料中的任何反射材料之外，还存在波长转换材料。在备选实施例中，填充物材料 40包含波长转换材料而没有另外添加上文的反射材料。波长转换材料可吸收特定波长或者特定范围的波长的辐射而不散射该辐射。该材料可以吸收从UV到可见光、到近红外、到红外的辐射，并且如果吸收的辐射有足够的能量来激发该材料，则该材料会发射不同波长的辐射，从而将吸收的辐射转换成可用辐射。如本文使用的术语“可用辐射”指特定波长或者特定范围的波长的光子，其以期望的内部和外部量子效率参与物品10的光伏活性区20的能量转换。即，在该发射光谱范围中收集电子-空穴对的概率是高的(相对于活性区20，本文中称作光谱的“高效区”)，通常大于约50%， 并且常常大于约70%。从而，该波长转换材料发射可以由器件的吸收体材料吸收来产生电子-空穴对的这样的光子。反过来，参照活性区20，如本文使用的光谱的“低效区”指前面提到的概率低于50%并且常常低于20%的波长。将注意的是，尽管“高效区”和“低效区” 在本文中参照物品10的活性区20使用，该“高效区”和“低效区”取决于吸收体材料的特性和吸收体材料与物品10中的其它层的组合特性两者，并且从而这些区域对于给定的吸收体材料可以很好地随整体器件设计和材料选择而变化。然而，本领域技术人员可容易地对给定的电池设计确定高效和低效的光谱区域，并且应用如本文使用的信息。波长转换材料具有“激发区”，其定义为其中波长转换材料吸收入射辐射的至少 5 %的电磁频谱的那部分。此外，响应于在该激发区内吸收辐射，波长转换材料根据发射光谱发射辐射。落入该发射光谱内的波长在本文中称为波长转换材料的“发射区”。在一些实施例中，波长转换材料的激发区与活性区20的低效区重叠，即，波长转换材料的激发区与活性区20共用一些公共波长。在某些实施例中，波长材料的发射区与活性区20的高效区重叠。在特定实施例中，这些条件都被满足，使得波长转换材料吸收不容易被活性区20转换为电的至少一些波长，并且发射更容易被活性区20转换的至少一些波长。作为上文的示例，活性区20中的吸收体材料可以是CdTe，使用该材料的太阳能器件的典型配置通常对小于约500nm的波长具有相对低的电子_空穴收集效率，而对于从约 500nm至SOOnm的波长具有相对高的电子_空穴收集效率。从而，在一些实施例中，波长转换材料具有包括(但不限于)小于约600nm的一个或多个波长的光(例如具有小于约500nm 的波长的光)的激发区，以及包括(但不限于)从约500nm(并且在某些示例中，从约550nm) 至约850nm的一个或多个波长的光的发射区。在一些实施例中，波长转换材料包括其中设置微粒的基质材料。典型地，尽管严格上波长转换功能这种设置不是必须的，然而这些微粒具有波长转换功能。在一些实施例中， 这些微粒具有量子限制材料，例如量子点、纳米管或纳米线。然而，可使用较大的微粒，这取决于微粒的组成。在某些实施例中，这些微粒具有高达10微米的中等尺寸，并且在特定实施例中这些微粒的中等尺寸在从约200纳米至约1000纳米的范围中。一般，微粒的尺寸和组成被选择成减小激发区中的反射率并提高吸收，使得可用入射辐射可以被吸收并作为可用辐射再次发射。这些微粒可具有如先前对反射材料描述的形状。此外，典型地控制基质中微粒的加载(典型地在溶液中高达约60%的重量加载)以提供期望的发射水平，同时保持填充物材料40的物理性质以允许实际操作并在物品10的制造工艺中使用。在一些实施例中，波长转换材料包括发光磷光体型材料。这样的材料的示例包括某些氧化物、氟化物、磷化物和氧氮化物。此外，可包括某些发光离子作为掺杂物，这些发光离子包括例如为铒、钐、锰、铈、或铕等离子。在本发明实施例中使用的波长转换材料包括“升频转换材料”(吸收低能光子并发射较高能量的光子的材料)和“降频转换材料”(吸收高能光子并发射较低能量的光子的材料)。升频转换材料的示例包括可对其添加镧掺杂物的掺镧氟化物，例如NaYF4和Na (Gd， Y) F40降频转换材料包括在共有的美国专利申请号12/894，901 ； 12/894, 916和12/894，926 中描述的材料，其的每个通过引用结合于此。在特定实施例中，波长转换材料包括用钐离子掺杂的氟化钡铝，或者用铬离子掺杂的氧化铝。在特定实施例中，存在多个无活性区，并且升频转换材料可设置在一个无活性区中，降频转换材料设置在另一个区中。在一些具有多于一个无活性区的实施例中，设置在无活性区的至少一个中的填充物材料进一步包括升频转换材料，并且设置在无活性区的至少一个中的填充物材料进一步包括降频转换材料。例如，在图2中图示的实施例中，器件200 包括上无活性区210和下无活性区220。上无活性区210比下无活性区220较靠近入射辐射230，并且介入层240可吸收较高能量波长，同时允许较低能量波长通过。从而，在该示例中，在上区域210 (其中较可能得到较高能量的光子)中对于降频转换的需求较高，而在下区域220(其中较低能量的光子可能占主导地位)中对于升频转换的需求较高。从而上区域210可包括含有降频转换材料的填充物材料，而下区域220可包括含有升频转换材料的填充物材料。当然，不同的电池设计可要求升频转换和降频转换材料的不同放置，并且在任何给定的无活性区210、220中可采用升频和降频转换材料的各种混合物。图3图示典型的单片集成薄膜太阳能模块300，其包括透明顶板305、前接触层 310(例如透明导电氧化物或“TC0”层)、光伏材料320(典型地包括由多层形成的半导体结， 例如碲化镉吸收体层和“硫化镉窗口层”)和背接触层330(典型地为金属或其它导体)。一般这样的配置包括三个不同类型的划线。第一划线340(在本领域中一般称为“P1”)使前接触310图案化，第二划线350(在本领域中一般称为“P2”)使光伏材料320图案化，并且第三划线(在本领域中一般称为“P3”)使背接触330图案化。P1、P2和P3在模块中形成无活性区，如先前描述的，并且这些划线中的任何一个或者组合可包括填充物材料40(图 1)来提高性能。在某些实施例中，填充物材料40设置在Pl和P3中，而P2填充有导电材料，例如背接触金属。图4图示典型的衬底配置模块400，其一般包括衬底410、背接触420、光伏材料 430和前接触440。在这里，Pl划线450使背接触420图案化，P2划线460使光伏材料430 图案化，并且P3划线470使前接触440图案化。再者，P1，P2和P3中的任何一个或组合可包括填充物材料40 (图1)，并且在某些实施例中，器件400包括至少P3划线470中的填充物材料40 (图1)。在某些实施例中，填充物材料40设置在Pl和P2划线之上的区域中的前接触440的顶部上。用于波长转换的基质材料可从上文对于用于反射材料的基质材料描述的相同类型的材料中选择玻璃，聚合物，或混合有机-无机材料，例如分散在聚合物中的气相二氧化硅纳米微粒或者一般由硅氧烷或硅倍半氧烷化学物制成、具有例如甲基和/或苯基等残余有机物含量的旋涂玻璃型材料。在一些实施例中，在填充物材料40包括反射和波长转换材料两者的情况下，采用其中设置散射中心和波长转换微粒的基质材料。在其他实施例中，填充物材料40包括分别是反射材料和波长转换材料的离散区域，例如层，在这样的实施例中，当然各个区域的基质材料可彼此相同或不同。在某些实施例中，填充物材料40包括扩散反射层50(图1)，例如设置在上层60后面(S卩，在首先接收入射光的侧的相反侧上)来帮助传入的和转换的辐射反射进入活性区20和/或上层60的白漆层。填充物材料40的上层60典型地包括波长转换材料。如上文论述的，填充物材料40可进一步包括钝化剂。钝化剂是去除吸收体材料中 (典型地在界面区域)的位点的材料，这些位点促进电子-空穴复合并由此降低物品10的整体光伏效率。促进复合的位点包括各种瑕疵，例如材料表面处的悬空化学键、位错和其它晶体缺陷。钝化剂移到这些位置并与悬空键结合，由此减少其中可发生不期望复合的位置的数量。钝化剂的示例包括某些硫化物和商化物化合物，例如硫化铵和氯化镉。该剂可按重量以从约5至约100%范围中的浓度包括在填充物材料40中。在一些实施例中，由填充物材料40产生的光子通过用光激发载流子填充俘获态来提供刻划的侧壁的另外的钝化。这样的表面处的缺陷饱和可导致漏电流减小，以及少数载体寿命、开路电压和例如物品10等器件的填充系数的提高。填充物材料40可以通过本领域中已知的各种技术制造并且设置在物品10的无活性区30上。例如，包括微粒和基质材料(或者基质材料的前驱体)的浆料可形成并使用喷墨打印、丝网印刷、微喷打印或常用于在期望的区域中设置这样的材料的其它工艺施加到无活性区30。例如热处理等固化工艺可用于去除例如水或者非水溶剂等液基载体；该处理还可应用于将前驱体材料转换成例如玻璃或聚合物等最终形式。示例下面的描述意在进一步说明本发明的某些实施例，并且不应该理解为限制先前描述的各种实施例的范围。使用碲化镉吸收体材料制造太阳能光电器件。在一些实例中，通过采用图案化的湿法蚀刻以形成光伏无活性区来形成由无活性区分隔的活性区台面，并且在其他示例中， 通过机械划线从无活性区中去除活性材料形成了光伏无活性区。使用作为波长转换(在该示例中，降频转换)材料的掺杂有钐离子的氟化钡铝以及旋涂玻璃基质来形成各种填充物材料。氟化物材料采用微粒形式，在一个实例中其具有约1微米的平均粒径，并且在另一个示例中具有约5微米的平均粒径。测试氟化物微粒的三个不同浓度按重量22%、40%和 60 %。微粒与旋涂玻璃前驱体溶液混合，将混合物涂覆到器件的无活性区并且通过在80摄氏度下加热4小时来固化。在控制退火效应后，对于包含填充物材料的器件的功率转换效率测量显示了对于台面器件的平均相对增益为效率方面5.6%、短路电流密度(Jsc)方面 2.8%,以及对于划线器件效率方面3. 8 %、Jsc方面2. 6 %。尽管本文仅图示和描述本发明的某些特征，本领域内技术人员将想到许多修改和改变。因此，要理解附上的权利要求意在涵盖所有这样的修改和改变，它们落入本发明的真正精神内。部件列表10 物品300 单片集成薄膜太阳能模块20 光伏活性区305 透明顶板
30 光伏无活性区310前接触层40 填充物材料320光伏材料50 扩散反射层330背接触层60 上层340第一划线200 器件350第二划线210上无活性区400第三划线衬底配置模块220下无活性区410衬底230入射辐射似0背接触430 光伏材料450Pl划线440 前接触460P2划线470 P3 划线
权利要求
1.一种物品(10)，其包括 光伏活性区00)；以及光伏无活性区(30)；其中所述物品(10)进一步包括设置在所述无活性区(30)中的填充物材料(40)，所述填充物材料GO)包括配置成使入射到所述填充物材料GO)上的光的至少50%散射的反射材料。
2.如权利要求1所述的物品(10)，其中所述反射材料包括设置在基质中的多个散射中心。
3.如权利要求2所述的物品(10)，其中所述散射中心包括多个微粒。
4.如权利要求3所述的物品(10)，其中所述微粒包括钛、铝、硅、铪、锆或包括前述中至少一个的组合的氧化物。
5.如权利要求2所述的物品(10)，其中基质的折射率和所述散射中心的折射率之间的差为至少0.5。
6.如权利要求1所述的物品(10)，其中所述填充物材料00)进一步包括钝化剂。
7.如权利要求1所述的物品(10)，其中所述填充物材料00)进一步包括波长转换材料。
8.如权利要求7所述的物品(10)，其中所述波长转换材料包括基质材料中的多个微粒。
9.如权利要求7所述的物品(10)，其中所述波长转换材料包括氧化物、氟化物、磷化物或氧氮化物。
10.如权利要求7所述的物品(10)，其中所述波长转换材料包括掺杂材料，其包括从由铒、钐、锰、铈和铕构成的组中选择的发光掺杂物。
11.如权利要求7所述的物品(10)，其中所述波长转换材料具有与所述活性区O0)的低效区重叠的激发区。
12.如权利要求7所述的物品(10)，其中所述波长转换材料具有与所述活性区O0)的高效区重叠的发射区。
13.如权利要求7所述的物品(10)，其中所述活性区O0)包括碲化镉，并且其中所述波长转换材料具有包括小于约600nm的一个或多个波长的光的激发区，和包括从约500nm 至约850nm范围中的一个或多个波长的光的发射区。
14.如权利要求1所述的物品(10)，其中所述无活性区(30)包括从由划线、边缘和光伏电池间的间隙构成的组中选择的至少一个区域。
15.一种物品(10)，其包括 光伏活性区O0)；以及光伏无活性区(30)；其中所述物品(10)进一步包括设置在所述无活性区(30)中的填充物材料(40)，所述填充物材料G0)包括波长转换材料。
16.如权利要求15所述的物品(10)，其中所述波长转换材料包括基质材料中的多个微粒。
17.如权利要求15所述的物品(10)，其中所述波长转换材料包括氧化物、氟化物、磷化物或氧氮化物。
18.如权利要求15所述的物品(10)，其中所述波长转换材料包括掺杂材料，其包括从由铒、钐、锰、铈和铕构成的组中选择的发光掺杂物。
19.如权利要求15所述的物品(10)，其中所述波长转换材料具有与所述活性区00) 的低效区重叠的激发区。
20.如权利要求15所述的物品(10)，其中所述波长转换材料具有与所述活性区00) 的高效区重叠的发射区。
21.如权利要求15所述的物品(10)，其中所述活性区00)包括碲化镉，并且其中所述波长转换材料具有包括小于约600nm的一个或多个波长的光的激发区，和包括从约500nm 至约850nm范围中的一个或多个波长的光的发射区。
22.如权利要求15所述的物品(10)，其中所述填充物材料00)进一步包括钝化剂。
23.一种物品(10)，其包括包括碲化镉的光伏活性区O0)；以及光伏无活性区(30)；其中所述物品(10)进一步包括设置在所述无活性区(30)中的填充物材料(40)，所述填充物材料GO)包括波长转换材料，其具有包括小于约600nm波长的光的激发区，和包括从约500nm至约850nm范围中的波长的光的发射区。
全文摘要
本发明涉及光伏器件及其制造方法。提供例如太阳能电池或模块等物品(10)。在一个实施例中，该物品(10)包括光伏活性区(20)和光伏无活性区(30)。填充物材料(40)设置在该无活性区(30)中；该填充物材料(40)包括配置成使入射到该填充物材料(40)上的光的至少50％散射的反射材料。另一个实施例是包括光伏活性区(20)和光伏无活性区(30)的物品(10)。填充物材料(40)设置在该无活性区(30)中；该填充物材料(40)包括波长转换材料。本文描述了其他实施例，其中上面描述的并且设置在该无活性区(30)中的填充物材料(40)包括反射材料和波长转换材料。
文档编号H01L31/18GK102544153SQ201110462318
公开日2012年7月4日 申请日期2011年11月30日 优先权日2010年11月30日
发明者A·F·哈弗森, A·M·斯里瓦斯塔瓦, L·察卡拉科斯, O·萨利马, 魏庆雨 申请人:通用电气公司