制造薄膜太阳能电池阵列的方法

制造薄膜太阳能电池阵列的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种制造薄膜太阳能电池阵列的方法，其中，多个单个的薄膜太阳能电池被应用到基板上。从而各个薄膜太阳能电池在一些区域中上下叠置地沉积，使得由两个单个的薄膜太阳能电池形成的一对产生重叠区；在该重叠区中，存在形成所述对的两个薄膜太阳能电池的串联连接。另外，薄膜太阳能电池阵列具有过渡区，在该过渡区，应用到第一太阳能电池上的薄膜太阳能电池转换成位于下方的层。
【背景技术】
[0002]在按比例放大太阳能电池、有机发光二极管和蓄电池的过程中，存在的问题是电流随着表面积成比例地增加。由于电阻功率损耗随着电流以二次方的方式增加，由此产生了对于各个电池的尺寸的明确限制。该问题通常通过以下方式进行解决:
[0003]1.使用高度导电的条形导体(通常是银)，以及
[0004]2.串联电池元件以形成模块。
[0005]在后一种情况下，在增加模块表面积时电流保持恒定且电压随着模块的尺寸成比例增加。然而，有效表面积以及效率的巨大损耗与此相关。
[0006]对于小表面的应用，问题经常包括在小表面积上实现足够高的电压。对于常规连接而言，这必定导致非常高的相对表面积损失以及效率损耗。该问题可通过将多个部分透明的太阳能电池/oLED/蓄电池叠置，以实现较高的电压和较低的电流密度来解决，由此需要更少的电池带。然而，问题在于所有的子单元必须传输/消耗相同的电流。然而，例如，对于太阳能电池，这只能够通过调节适于特定的光谱的层厚度来确保。
[0007]对于薄膜太阳能电池而言，一般来讲，制成单片式串联以避免在透明电极中由太阳能电池的各个层引起的电阻功率损耗，所述各个层在各个条带中周期性布置，特定的层具有限定的重叠以将一个条带的正极电连接至相邻的条带的负极，而不会在一个条带的两极之间产生的短路。类似的方法也可对于大表面的oLED或蓄电池进行。这些连接区域不提供任何电流/亮度，从而显示表面积损失和功率损耗/效率损失。因为各个层必须至少部分地在涂覆其他层之前被构造，因此该连接对于重复精度或对齐准确性具有高的要求。对于该连接，需要至少三倍、更可能五倍的最小结构尺寸或公差。堆叠体包括的层越多，该问题变得越关键。
[0008]另一可能性是制造各个电池元件，所述触点中的一个在后侧导向，且这些电池元件彼此固定连接，木瓦样的，具有小的重叠(DE 102008049056, DE 10020784)。因此，显著地减小表面积损失。由此带来的缺点是高的定位精度需求、通常小型各个元件的相对复杂化处理以及所产生的极其不均匀的形貌，由此导致更加复杂的封装以及产生机械弱化点。
[0009]在图1中描述了现有技术中已知的薄膜太阳能电池的常规阵列。关于附图标记的含义以及所使用的术语，参照进一步给出的图1ff的定义。示出了在X-方向上相邻应用的多个薄膜太阳能电池1、11。各个薄膜太阳能电池因而分别具有后侧电极1、在Z-方向上应用在后侧电极I上的光敏层2以及在光敏层上应用的第二电极和/或转换层3。在图1中示意性示出的该薄膜太阳能电池的全部组件，即电极1、光敏层2以及转换层3，从而能够配置在一个层中，然而它们也可由多个层(例如，导电层和载流子-选择层)构成，同样多个层是可能的。例如，同样地，光敏层2可具有内部结构(例如，上下叠置的两个或更多个层或者由两种或更多种材料制成的互穿网)。例如，同样可能的是电极可包括转换层。部分的太阳能电池还可分别为多个太阳能电池(多结太阳能电池)。对于根据图1的现有技术中已知的薄膜太阳能电池以及利用根据本发明的方法制造的薄膜太阳能电池的随后示出的全部实施方式，对于薄膜太阳能电池的各个组件存在该大量的可能性。
[0010]在图1所示的薄膜太阳能电池阵列的情况下，电流的产生局限于表面区，在该表面区中，全部的三个层(后侧电极、光敏层以及第二电极和/或转换层)上下叠置设置。各个太阳能电池的各个层由此台阶式配置(在图1中，分别在左侧示出的各个太阳能电池I和太阳能电池II的情况下)，以避免太阳能电池的电短路。在一个区域L中，实现了各个太阳能电池模块I和模块II的串联，其中，第一太阳能电池I的上电极和/或转换层31与第二薄膜太阳能电池II的后侧电极I11接触。在现有技术中，这种串联连接被称作“单片式串联连接”。可检测到，在区域L中没有配置太阳能电池，这是因为在该区域中，形成一个相应的太阳能电池的三个层1、2、3并未上下设置。在区域L中配置的薄膜太阳能电池阵列的表面区因此不能够用于电流产生。

【发明内容】

[0011]由此开始，因此，本发明的目的在于指出一种用于制造改进的薄膜太阳能电池阵列的方法，利用该方法，可实现较高的电流量，并且，利用该方法，能够解决现有技术中已知的机械问题。本发明的关键是一种通过以合适的空间和时间顺序将功能层直接沉积/结构化来制造木瓦样结构的方法，该结构迄今为止仅通过预制造、切割和上下叠置地机械定位已经可以获得。出于该目的，必要的是制造各个功能层的分离的区域。这可通过结构化的沉积直接实现或者通过全表面沉积(伴随有后续选择性的或部分选择性去除，例如通过激光成型或机械去除)而间接实现。
[0012]该目的通过本发明权利要求1的特征而实现。各个从属权利要求从而代表有利的发展。
[0013]因此，本发明涉及一种用于制造薄膜太阳能电池阵列的方法，所述薄膜太阳能电池阵列包括涂覆在基板S上的多个薄膜太阳能电池(I，II，III，…)，所述薄膜太阳能电池分别包括朝向所述基板S定向的至少一个第一后侧电极(I1，I11，I111，...)和第二电极和/或转换层(3^3^3111-)以及设置在所述后侧电极(I1，I11，I111，...)和所述第二电极和/或所述转换层(3^3^3111,…)之间的光敏层O1，〗11，〗111，…)，所述薄膜太阳能电池阵列:
[0014]a)具有至少一个重叠区B，在该重叠区中，相应地一个第一薄膜太阳能电池(I, II，…)和一个第二薄膜太阳能电池(II，III，…)设置在两个层(n，n+1,…)中且叠置地成对(1-11，11-111，…)设置，在第一层(η…)中的相应的第一薄膜太阳能电池(I，II，…)的一个区域和相应的第二薄膜太阳能电池(II，III，...)的一个区域彼此连接且串联电连接，所述第二薄膜太阳能电池I1、III…设置在位于所述相应的第一薄膜太阳能电池(I, II,…)的上方的层(n+L...)中的所述相应的第一薄膜太阳能电池(I，II，…)的远离所述基板S而定向的一侧上，和
[0015]b)具有至少一个过渡区A，在该过渡区中，相应的第一薄膜太阳能电池和相应的第二薄膜太阳能电池的对(1-11，11-111，…)中仅有所述相应的第二薄膜太阳能电池(II，III...)被配置，所述相应的第二薄膜太阳能电池(II，III，…)的配置在位于所述第一层上方的所述层(n+L...)中的所述后侧电极(1πη+1，1ΠΙη+1…)、所述光敏层(2πη+1，2πιη+1…)和所述第二电极和/或所述转换层(S11lriJ111nV)被转换成在所述第一层(η…)中配置的相应的一个后侧电极(lnn，I1111/-)、光敏层(2πη，2Ιπη，...)和第二电极和/或转换层(3πη，3ΠΙη，…)。
[0016]因此，根据本发明制造的薄膜太阳能电池阵列包括多个薄膜太阳能电池，所述薄膜太阳能电池分别具有后侧电极、光敏层和第二电极和/或转换层。薄膜太阳能电池的这些基本组件随后也称作“层”或“活性层”。
[0017]术语“基板”表示载体，至少由第一电极、光敏层和第二电极组成的太阳能电池的堆叠体应用在载体上。这包括薄膜光伏领域已知的基板和覆盖板的配置。在薄膜太阳能电池阵列的活性层应用在覆盖板的情况下，上述的后侧电极I从而代表前侧电极或前部电极，同时在这种情况下第二电极3应被定义为后侧电极。然而，由于薄膜太阳能电池阵列的基于覆盖板的结构的基本构造原理未发生变化，因此，基于覆盖板的薄膜太阳能电池阵列的术语随后被使用，然而，它可明确地强调，这些构造原理可同样被应用且转移到基于覆盖板的薄膜太阳能电池。基于覆盖板的薄膜太阳能电池因此同样被根据本发明的概念所包括。
[0018]根据本发明，现提供了各个薄膜太阳能电池，其形成薄膜太阳能电池阵列且相对于彼此偏移设置，两个薄膜太阳能电池成对地叠置设置或沉积在重叠区中。在该重叠区，实现了相应的一个对的这两个薄膜太阳能电池的串联连接。
[0019]另外，根据本发明提供了至少一个过渡区存在于薄膜太阳能电池阵列中。在该过渡区，实现了在两个太阳能电池的一对中在另一太阳能电池上方设置的或层压的太阳能电池转换成位于下方的层。因此，在该过渡区，第一太阳能电池和第二太阳能电池的对中仅有第二太阳能电池被配置。在本发明的含义中，术语“层压”或者“在…上层压的”等从而与“沉积”或“沉积的”同义使用。
[0020]因此，根据先前描述的原理，目前在位于下方的层中配置的太阳能电池可串联连接至另外的太阳能电池，使得可获得串联连接的多个太阳能电池的迭代布置。
[0021]由此，特别优选的是，单片式连接的太阳能电池的单片式连接的区域(区域L，参见图1)，如在现有技术中已知的，可被完全用于产生能量，因为，在该区域中(这对应于根据本发明的过渡区Α，由于薄膜太阳能电池模块的各个层的活性堆叠体也在此存在，故活性的太阳能电池同样存在。由于薄膜太阳能电池阵列内的非活性区域引起的表面积损失，从而可完全避免。
[0022]所提出的方法允许制造特别狭窄的部分太阳能电池，且可尤其利用可能的非常小的连接间距，尽管存在显著的结构尺寸和公差。因此，活性层的条带宽度可与最小可能的结构尺寸或对齐准确性具有相同的数量级。由于较小的表面积损失和较小的间距，如果必要的话，效率可被显著地增大。该方法还允许使用具有特别低的导电性的透明电极。因此，可实现了在透明度和因此效率上的增加，或者尤其可使用经济型材料。另外，通过在非常小的表面区域上重叠多个太阳能电池，可实现非常高的电压。
[0023]另外，具有相同的或相似的投资可增加生产率，这是因为不是随后的切割和层压装置，而是使用另外的沉积源。
[0024]对于根据本发明的方法而言，在基板S上，通过在所述基板S上相应地同时的或连续的沉积至少一个朝向所述基板S定向的第一后侧电极(I1，I11, I111,…)、设置在上方的至少一个光敏层(21，211，2111，…)、以及设置在上方的至少一个第二电极和/或转换层(3^3^3111,…)，同时地或连续地制造多个薄膜太阳能电池(I，II，III，…)，通过第一薄膜太阳能电池(I，II，…)和第二薄膜太阳能电池(II，In，…)的各个对ι-π，π-πι)的相应的第二薄膜太阳能电池(II，III，…)部分地沉积在所述相应的第一薄膜太阳能电池上方定位的层(η+1，η+2，…)中、以及在所述区域B中的所述相应的第一薄膜太阳能电池(I，II，…)和第二薄膜太阳能电池(II，III，…)串联电连接，则至少两个薄膜太阳能电池(I，II，III，…)在至少一个重叠区B中成对地1-11、I1-1II制造在叠置的至少两个层(η，η+1，…)中，以及第一薄膜太阳能电池(I，II，…)和第二薄膜太阳能电池(II，III，…)的各个对的所述相应的第二薄膜太阳能电池(II，III，…)，相对于第一薄膜太阳能电池(I，II，…)和第二薄膜太阳能电池(II，III，…)的各个对的所述相应的第一薄膜太阳能电池(1，11，…)偏移沉积，使得过渡区A被配置，其中，第一薄膜太阳能电池(I，II，…)和第二薄膜太阳能电池(II，III，…)的各个对的所述相应的第二薄膜太阳能电池的所述后侧电极(I11，I111，...)、设置在上方的所述光敏层(2Π，2ΠΙ，…)以及设置在上方的所述第二电极和/或所述转换层(3Π，3ΙΠ，…)从位于所述相应的第一薄膜太阳能电池上方的层(η+1，η+2，…)转换成位于下方的层η、n+1。
[0025]根据本发明的方法能够制造先前描述的薄膜太阳能电池阵列，其中，成对的两个薄膜太阳能电池在重叠区彼此串联连接，且上下叠置应用，在过渡区，第一薄膜太阳能电池和第二薄膜太阳能电池的对中的相应的第二薄膜太阳能电池从位于第一太阳能电池上方的层转换成位于下方的层。根据本发明的方法，太阳能电池可沉积在两个层中，也可以通过反复制造各个薄膜太阳能电池沉积在大于两个的层中。另外，还可以串联连接成对的多个薄膜太阳能电池(在X-方向)，使得产生相邻设置的且串联连接的大量的薄膜太阳能电池。
[0026]如果第一薄膜太阳能电池(I，II，…)和第二薄膜太阳能电池(II，III，…)的多个对(1-11，I1-1II…)被迭代设置，则在成对连接的薄膜太阳能电池(1-11，11-111，…)中存在多个重叠区(B1-11，B11-111，...)、以及第一薄膜太阳能电池(I，II，…)和第二薄膜太阳能电池(II，III，…)的所述多个对(1-11，I1-1II…)的相应的第二薄膜太阳能电池(II，III，…)的多个过渡区(Α^Α11，…)，是优选的。
[0027]该优选的实施方式提供了多个薄膜太阳能电池相对于彼此偏移的设置，且相对于彼此成对地串联连接。例如，第一太阳能电池I与第二太阳能电池II可借助重叠区B彼此串联连接，从而第一太阳能电池I和第二太阳能电池II形成对。另外，第二太阳能电池II与第三太阳能电池III可同样借助重叠区B彼此串联连接，从而第二太阳能电池II与第三太阳能电池III同样形成对。薄膜太阳能电池的相应对1-11，I1-1II从而分别具有过渡区，过渡区配置在所述相应对的相应第二太阳能电池中，即，对于太阳能电池的对1-1I而言，配置在太阳能电池II中，以及对于太阳能电池的对I1-1II而言，配置在太阳能电池III中。在该过渡区中，相应对的第二太阳能电池转换成位于下方的层。
[0028]因而，各个太阳能电池配置在至少两个层中。
[0029]例如，提供了多个薄膜太阳能电池设置在两个层n、n+1中，相应的第一薄膜太阳能电池和相应的第二薄膜太阳能电池的对(1-11，11-111，…)中的相应的第二薄膜太阳能电池(Π，ΠΙ，…)具有过渡区(A^A11，…)，在该过渡区，在第二层n+1中配置的相应的第二薄膜太阳能电池(ΙΙ，ΙΠ，…)的后侧电极(lnn+1，lmn+1，…)、光敏层(2πη+1，2Ιπη+1，…)和第二电极和/或转换层(3nn+1，3mn+