薄层半透明光伏单电池的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及基于薄层光伏单电池并且同时用于产生电以及通过透明性而看到与 光伏电池相关联的图像的半透明光伏设备的领域。
【背景技术】
[0002] 通过薄层或小的厚度，所理解的是任何性质（有机、无机）的光伏层，其中吸收体的 厚度被包括在自数十纳米(在有机光伏材料的情况下）至数十微米(在某些无机光伏材料的 情况下）的幅度中。
[0003] 这样的模块开始在整整一系列的商业应用中显露出其用处，尤其是在用于诸如便 携式电话、触摸平板、计算机屏幕或配备有半透明光伏屏幕的其它设备之类的电子设备的 光伏屏幕的领域中，所述光伏屏幕即这样一种屏幕：其对于位于其前方的观察者而言让图 像显现而同时穿过不透明的光伏活性区而采集入射光的一部分以用于将其变换成用于为 配备有这样的屏幕的设备供电的电能。
[0004] 如这在专利US2012/236540中所描述的，为了同样好地改善其在透明性方面以及 在光伏转换效率方面的性能，这样的屏幕优选地但并非必要地与光学器件相关联，所述光 学器件例如以叠合在图像显示系统以及半透明光伏模块上的透镜网的形式。
[0005] 然而薄层光伏模块一般由串联的多个光伏电池组成。这样的模块尤其在文献 EP0500451-B1中被描述。该模块设计具有以下优点：增加模块端子上的电压并且减小由模 块的电极所引导的电流以及减小尤其在位于电池的前面上的透明电极处的电阻性损耗。但 是该设计同样已知一些缺陷。如此，光伏电池的串联通过对组成薄层光伏模块的不同的层 的蚀刻方法来进行。第一蚀刻，通常称为P1，是对透明电极的蚀刻，所述透明电极同样称为 前电极，其沉积在透明基板上。称为P2的第二蚀刻是对光伏吸收体层的蚀刻，所述光伏吸 收体层还称为吸收体，因为其吸收入射光子。第三蚀刻，称为P3,是对金属电极(所述金属电 极还称为后电极）和/或光伏吸收体层的蚀刻。光伏模块的该设计在其在配备有大尺寸的 粗糙屏幕的设备中的使用的范围中不存在特别的问题。相反，一旦从观察者的观点来看需 要设备的屏幕的图像品质的感知是完美的，这是例如对于所谓智能的便携式电话(英语中 为" smartphone"（智能电话)）的情况，与已知半透明光伏模块的设计相关的多个缺陷显现 出来。
[0006] 与蚀刻的错位相关的缺陷 通过平面视图，例如从处于模块对面的观察者的观点而言，蚀刻P1、P2、P3相对于彼此 轻微错位。由于蚀刻技术的有限精度以及为了不使它们叠合所取的容差，该错位可能或多 或少是重大的。
[0007] 因此，对于两个相邻电池的每个串联，约为0. 3mm的光伏材料的宽度在光伏转换 方面变得无效，这减小屏幕的总体转换效率。例如对于智能电话的典型尺寸(假设大约 40 X 70=2800mm2)，光伏活性表面的损失可以从5%至10%，即多达280mm2。该损失因此是不 可忽视的，并且减小此外通过采用光伏半透明屏幕所能获得的优点。
[0008] 与电池的荫蔽相关的缺陷: 将光伏电池串联的另一后果是在使用如此连接的电池的模块的荫蔽下的感光性。事实 上，如果电池之一处于比其它电池的照明更小的照明下(在例如所承受的阴影或荫蔽的情 况下)，在荫蔽下的该电池的电产出的降低将影响所有其它电池，因为电流在串联连接的所 有电池中将以相同的方式降低。以相同的方式，如果由于例如光伏材料的沉积或掺杂的同 质性缺陷所引起的电池之一与其它电池相比性能不太好，则正是该欠缺的电池将造成其它 电池的损失并且降低光伏模块在其总体上的性能。
[0009] 与蚀刻线的可见件相关的缺陷: 透明电极的蚀刻诱发被背光屏幕所发射的光穿过的区的光学指数的局部改变。结果， 存在该区中通过的光线的局部偏离，并且即使材料本身是透明的，观察者也感知到蚀刻线， 这产生不合期望的光学效应。
[0010] 此外，在某些光学配置中，存在于光伏材料区上的蚀刻区将可能也被看到。在堆叠 的接连两层之间的指数的改变可能在每个蚀刻区中也是可见的，要么直接看见，要么通过 在某些角度下的反射。
[0011] 考虑到屏幕产业所一般要求的光学品质，其旨在约为90%或更多的透明率，由于 光伏电池的串联所引起的蚀刻线的可见性因此同样要避免。
【发明内容】
[0012] 发明目的 本发明的一般目的因此在于提出一种没有前述缺陷的半透明光伏单电池的结构，以及 制造所述单电池的方法。
[0013] 特别地，本发明的目的在于提出一种被适配用于使能其在电子设备、尤其是便携 式电话的屏幕中的满意集成的半透明光伏单电池的结构。该结构于是应当解决在所显示的 图像的品质、因此的对于光的提高的透明性要求(大约80-90%)以及不受荫蔽问题影响的在 等效于1日照（AM 1.5G)的照明下大于2mW/cm2的电产出品质之间的矛盾。
[0014] 发明主题 为了达成所确定的目标，本发明的主题是一种光伏单电池，使用这样的单电池的装置， 以及制造这样的单电池的方法，诸如在权利要求中所限定的那样。特别地，本发明的第一主 题是对于光半透明的光伏单电池，其包括被透明区分隔开的多个光伏活性区， -所述光伏活性区由被布置在对于光透明的基板上的薄层的堆叠形成，所述薄层至少 由以下各项构成：透明电极、吸收体层以及金属电极； -并且所述透明区是至少被布置在金属电极中以及吸收体层中的开口，用于让最大量 的光通过； 其特征在于此外包括导电收集栅格（8)，所述栅格被布置成要么与前电极（2)接触以 用于降低透明电极（2)的电阻，要么与吸收体（3)接触以用于促进由所述单电池所生成的 电流的收集。
[0015] 本发明的第一原理在于针对转换的活性区的整体，通过单电池来取代多个光伏电 池的串联。将光伏单电池称为唯一的光伏电池，其包括连成一片的薄层并且包括至少两个 导电层，即透明电极和金属电极，以及能形成光伏二极管的半导体中间层。如在详细的描述 中将看到的，该布置用于至少部分地解决以上提及的三个问题。
[0016] 然而，基于单电池的该设计产生可能在电气方面造成损失的新问题。事实上，透明 电极的串联电阻限制由单电池所产生的电流。为了解决该寄生效应，本发明预备恢复后部 接触，如将与附图相关联地描述的那样。本发明预备改善由吸收体层所产生的电能的收集， 这通过添加收集线或收集栅格，其比通常使用的透明电极的组成材料更导电。
[0017] 根据保持在本发明的范围中的某些实施例，透明电极由石墨烯或金属纳米结构构 成，或还由透明导体氧化物(诸如Sn02、ΙΤΟ、IZO、AZO、BZO、GZ0或ZnO)构成。金属电极由 诸如铝（A1)、镍（Ni)、金（Au)、银（Ag)、铜（Cu)、钼（Mo)、铬（Cr)、钛（Ti)或钯（Pd)之类的 金属形成。吸收体层由一种或多种无机和/或有机的半导体材料组成，例如基于非晶或微 晶硅、GaAs (砷化镓)、CdTe (碲化镉)、CIGS (铜-铟-镓-硒）或基于聚合物。其可以涉及 p-i-n或p-n型的结，或还涉及串列式架构，也就是说包括优选地吸收光谱的不同部分的材 料的多层。其可以被设计用于将可见光和/或紫外光和/或红外光转换成电。有利地，半 导体材料的选择被实现用于最大化所针对的照度条件中的光子的捕获。
[0018] 光伏活性区可以是任何形状的并且具有的尺寸使得人眼不能辨别它们。为此，光 伏区的宽度优选地小于200微米。在特定的实施例中，光伏活性区或透明区被组织成基本 几何结构、线性几何结构、圆形几何结构或多边形几何结构的网。
[0019] 优选地，为了确保在光伏单电池处的良好透明度，所述光伏单电池包括被布置在 金属电极和吸收体的层中的透明区，以使得位于基板前方的观察者可以看到在光伏电池的 后方显示的图像，这些透明区被配置用于使得在它们之间存在光伏活性区。光伏单电池的 透明性是被不透明的光伏活性区所占据的表面分数的函数。在有利的实施例中，除了金属 电极和吸收体层之外，透明区还被布置在透明电极中，以便增加在透明区处光的透射，因为 通过减少界面的数目，使得界面处的光学反射现象最小化。
[0020] 以该方式，与具有类似尺寸的已知光伏模块的差异在于，没有小尺寸的单独电池 的串联，所述小尺寸典型地在宽度上大约小于1厘米。此外，单电池使得能够避免将最终可 见并且因此不利于与光伏模块相关联的图像的视觉品质的光伏电池层的大部分蚀刻。
[0021] 相反，根据本发明的单电池形成基本上具有光伏模块或相关联的图像的尺寸的同 质区，该图像可以是任意的。例如，其可以涉及背光屏幕的有源图像，如在移动电话、触摸平 板、或具有背光图像的其它设备的情况中那样。但是，其也可以涉及单纯无源的反射图像， 如在电子标签、双稳态屏幕(如在英语中所谓"e-paper"的电子纸张的情况中那样)、或甚至 是承载了印刷图像的简单纸片的情况中那样。
[0022] 单电池的收集栅格是导电的并且优选地是金属的以用于促进在吸收体层中生成 的并且通过单电池的透明电极输送的电荷的收集。该收集栅格因此使得能够减小透明电极 的电阻，所述电阻限制单电池的电学性能。
[0023] 该收集栅格可以以多种方式实现。根据第一实施例，某些光伏活性区由两个相邻 光伏活性区之间的透明电极上所布置的收集栅格取代(参见图8)，收集栅格的整体通过收 集总线来电连接。
[0024] 根据另一有利实施例，光伏活性区由比透明电极窄的吸收体层和金属电极构成， 并且收集栅格由布置在透明电极上的、位于与吸收体层相对处