光伏装置及其制造方法
【专利摘要】一种光伏装置及其制造方法。光伏装置包括：至少第一和第二下层光伏电池；至少第一上层光伏电池；图案化导电层的至少一个导电形状，将包括第一上层光伏电池和第一下层光伏电池的堆与第二下层光伏电池串联耦合；导电黏合剂，将第一上层光伏电池粘附至第一下层光伏电池，第一上层光伏电池设置成接收光，第一下层光伏电池设置为接收穿透第一上层光伏电池的光，导电黏合剂能够传输至少部分光，使第一上层光伏电池与第一下层光伏电池串联地电耦合；以及电池串，包括串联地电耦合的多个I?III?VI电池而不包括III?V电池，电池串与所述堆并联耦合，多个I?III?VI电池中的至少一个与第一下层光伏电池和第二下层光伏电池相邻；其中，第一上层光伏电池不具有单晶衬底。
【专利说明】光伏装置及其制造方法
[0001]相关申请
[0002]本申请要求于2010年12月13日提交的第12/967,005号美国专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
[0003]本装置涉及混合堆叠结光伏装置。
【背景技术】
[0004]光伏结依赖于光子能量。通常，仅当到达光子至少具有特殊的最小能量时，光子才被吸收以及电子-空穴对形成，其中该最小能量大体上对应于光伏装置的光子-吸收层的能量带隙。
[0005]光子吸收层的能隙还与结的最大生成电压输出有关，带隙越大，输出电压就越大并且从每个捕获光子吸收的能量就越大。
[0006]具有比用于形成电子-空穴的最小能量更大的能量的光子往往与单电子-空穴对在吸收体产生热能，处于典型的光能时，其不形成额外的电子-空穴对，也不提高电压输出。
[0007]因此光伏结倾向于作为光学低通滤波器，其对具有比与吸收层相关联的最小能量更小的能量的光子是透明的;在典型的单结装置中，这些光子携带的任何能量都被浪费。
[0008]堆叠结光伏装置可利用低带隙吸收体层吸收更低能的光子，并利用高的带隙材料捕获更多在高能光子中可得到的能量。这样，堆叠结装置理论上可比单结装置捕获在太阳光中可得到的更大比例的能量。
[0009]虽然堆叠结光伏装置在本领域中是已知的，但是现有装置制造昂贵并且通常不整体地集成到多堆模块式阵列中。已经通过上层光伏电池附接在下层电池之上制出了堆叠结装置，其中，上层光伏电池具有自身的独立金属互连和衬底(上层光伏电池制造在该衬底上)，并且下层电池也具有自己的互连和衬底，黏合剂或粘合剂可用于使上层电池保持至下层电池。还通过将额外的薄膜半导体层沉积在下层光伏电池上以形成覆盖下层光伏电池的上层光伏电池来制成堆叠结装置，这种装置在上层电池与下层电池之间没有黏合剂或粘合剂。
[0010]光伏装置(如一些基于1-1I1-VI半导体的装置，包括一些CIGS(铜-铟-镓-砸化物)电池)已成功地制造在柔性金属或聚合物衬底而不是常规的刚性衬底上。这种电池与常规刚性的衬底(如硅或锗晶元或玻璃)上的电池相比在重量方面具有优势，并可更好地抵抗来自一些危险的损坏。
[0011 ] Niles，IL的Microlink Devices已研发出在外延分离晶片上的基于镓-砷化物(GaAs)的光伏装置；参看在4〃外延剥离(ELO)晶片上的轻质低成本GaAs太阳能电池，R.Tatavarti等人，第33次IEEE光电专家会议，2009(Tatavarti)。通过将基于II1-V半导体的光伏电池的薄膜沉积在铝砷化镓(AlGaAs)释放层上制造这种装置，其中该铝砷化镓(AlGaAs)释放层处于刚性的可再次使用衬底上。然后AlGaAs层被刻蚀掉以使电池从衬底释放。尽管卷绕在35mm芯杆周围，所生成的柔性电池被报告为良好地起作用。
[0012]薄柔性光伏装置可粘附至刚性或柔性衬底以使用在标准屋顶应用中。然而，这种柔性装置还可粘附至柔性衬底并利用柔性材料封装，该柔性材料不但比能够使用在固定应用或屋顶应用中的大多数刚性光电组件重量更轻，而且还可折叠或卷绕用于携带。便携式光伏装置的市场存在于探险级别的徒步旅行者、露营者、露营车用户以及军队之间。这种装置可由军事组织使用，以用于在现场给使用在被照明的瞄准器、无线电、计算机、以及电子地图装置、导航设备、传感器、灯、以及其他装置中的电池充电。
【发明内容】
[0013]光伏(PV)装置至少具有一个位于衬底上的下层PV电池，该电池具有金属背接触、1-1I1-VI吸收体、异质结相伴层以及透明导体层。上层PV电池粘附至下层PV电池，从而电气地串联以形成堆。上层PV电池具有II1-V吸收体和结层，电池通过透明导电粘合剂或低温焊锡粘附，该透明导电粘合剂具有导电性纳米结构的填充物。上层PV电池没有衬底。在一个实施方式中，至少具有图案化导体的一个形状，其接触上层电池的顶部和下层电池的背接触部以将它们串联耦合起来。在一个实施方式中，图案化导体图案形状使电流从下层电池的过量面积流向上层电池，在可替代性实施方式中，图案化导体的形状耦合不处于串联的上层电池之下的1-1I1-VI电池，串联的电池与至少一个堆并联。在一个实施方式，黏合剂为包括导电性纳米结构的聚合粘合剂。在一个实施方式中，II1-V吸收体生长在单晶衬底上。描述了用于形成该装置的方法。在一个实施方式中，上层PV电池为柔性薄膜单晶的电池，其从制造衬底“剥离(lifted off)”。在一个实施方式中，下层PV电池形成在柔性衬底上。
[0014]在一个实施方式中，具有图案化导电材料层(如薄膜金属或导电性墨水)的形状，上层电池和下层电池接触以将上层电池与下层电池串联联接起来。
[0015]描述了一种用于形成该装置的方法，其中至少一部分II1-V上层电池制造在晶态衬底上，然后在粘合至单独制造的1-1I1-VI下层电池之前，上层电池从衬底剥离。在剥离之后，附加层添加至上层电池，并在附接至下层电池之后增加附加薄膜层以通过使多个堆串联电耦合而使该装置集成，其中每个堆至少具有一个II1-V电池和一个1-1I1-VI电池。在多个实施方式中，进行划线以准许附加层分离电池并实现串联联接电池所需要的电接触。
【附图说明】
[0016]图1是串联多结装置的竖直放大的剖视图，该串联多结装置具有位于1-1I1-VI电池之上的II1-V电池，该图示出了互连层；
[0017]图2是用于制造图1的串联多结装置的过程的流程图；
[0018]图2A是用于形成1-1I1-VI下层电池的过程的流程图；
[0019]图2B是用于形成II1-V上层电池的过程的流程图；
[0020]图2C是用于形成II1-V上层电池的可替代性过程的流程图；
[0021]图3是模块的俯视平面图，示出了II1-V电池处于1-1I1-VI电池上以及如图1所示的上图案化金属互连；
[0022]图3A是图3的模块的示意图；
[0023]图3B是使用图1的装置的可替代性模块的示意图；
[0024]图4是图3的模块的一部分的详细示图；
[0025]图5是可替代性串联多结装置的竖直放大的剖视图，该装置具有位于1-1I1-VI结之上的II1-V结，该图示出了互连层。
[0026]图6是可替代性串联多结光伏装置的竖直放大的剖视图，该光伏装置具有位于1-1I1-VI结之上的II1-V结，该图示出了互连层；
[0027]图7是可替代性串联多结装置的竖直放大的剖视图，该装置具有三个图案化导电层；
[0028]图8是使用图6的装置的模块的示意图。
【具体实施方式】
[0029]某些II1-V光伏装置(如由GaAs、AlGaAs、GaAsP或InGaP制成的光伏装置)具有带隙，使得用于光子吸收的最小能量明显大于在某些1-1I1-VI材料(如CIGS和相似材料)中用于光子吸收的最小能量。因此，假定在界面层和导体层中没有损失，由这些材料制成并具有位于1-1I1-VI结之上的II1-V结的串联多结光伏装置将在II1-V结中吸收高能光子和在1-1I1-VI下层结中吸收穿过II1-V层的某些较低能量的光子。
[0030]处理CIGS(铜-铟-镓-联砸化物)和相关1-1I1-VI半导体(如CIS(铜-铟-砸化物)、AIGS(银-铟-镓-砸化物))经常需要一个或多个高温处理步骤以形成1-1I1-VI半导体合金和使1-1I1-VI半导体合金退火，并且高温处理步骤是在包括大量砸蒸汽的气体中执行的。类似地，GaAs及相关化合物如铝-砷化镓(AlGaAs)和铟砷化镓-磷化物(InGaAsP)还需要高温处理步骤来退火、掺杂及形成II1-V半导体合金，并且这些步骤通常是在包括大量砷蒸汽(或砷化合物，如砷化三氢)的气体中执行的。通常提供这些气体以防止相对易挥发元素(如砸、硫以及砷)的蒸发，并避免损耗半导体中的这些元素。但是，这些高温处理步骤可能与串联多结装置中的其他材料不相容一一如果GaAs装置在CIGS装置之上形成和退火，砷可能污染或掺杂至下方的CIGS装置，并且如果CIGS装置在GaAs装置之上形成和退火，砸可能污染或掺杂至下方的GaAs装置。除了污染问题，可期望的是在具有相似原子间距的晶种(seedcrystal)上生长GaAs和相关II1-V层，这是因为这种层在多晶或非晶层上提供改进的性能。此外，1-1I1-VI多晶装置通常没有被设计成承受基于II1-V的晶态上层电池沉积的高处理温度。
[0031]但是，CIGS和GaAs装置在较低温处理条件(如蒸发金属涂覆)下是稳定的。
[0032]参照图1和图2，轻质柔性的多结光伏装置100(图1)这样形成:通过单独地制造(202)下层柔性1-1I1-VI光伏结和模块，以及制造(204)上层II1-V光伏结，将这两个结与位于柔性衬底102上的1-1I1-VI光伏结106之上的II1-V结104粘合(206)在一起，然后通过(208)将被堆叠装置与附加层互连来形成多个被堆叠结装置。
[0033]参照图1和图2A，通过将金属的背接触层110沉积(205)在柔性聚酰亚胺衬底102上来制造(202)光伏装置100的下层结或下层电池。在【具体实施方式】中，金属的背接触层110主要包括钼。在背接触层110之上可应用(252)可选的中间层(图1中未示出)。通过在升高的温度处沉积和反应所应用的元素来形成1-1I1-VI吸收体，1-1I1-VI吸收体层112(如CIGS层，或具有CIT、CIGS和AIGS的子层的吸收体)形成(254)在背接触层110或可选的中间层上。沉积(256)异质结相伴层114或发射层(如硫化镉(CdS)层)以形成结来收集形成在吸收体层112中的载流子，并应用(258)透明导体层116(如铟锡氧化物(ITO)层)以便于收集光电流。在某些实施方式中，第二异质结相伴层或缓冲层可应用在第一异质结相伴层114与透明导体层116之间。衬底102以及层110、112、114、116形成下层结106，并且在具体的实施方式中由与之前在本
【申请人】的待决且拥有的第12/899,446号美国申请中所公开处理步骤相似的处理步骤形成，该申请的内容通过弓I用并入本文。
[0034]在可替代实施方式中，1-1I1-VI吸收体层为多晶合金，其具有选自铜、银和金的一种或多种IB族元素;选自镓、铟和铝的一种或多种IIIa族元素；以及选自氧、硫、砸和碲的一种或多种VIa族元素。本文中论述的特别有利的实施方式包括选自铜和银的一种或多种IB族元素;选自镓、铟和铝的一种或多种IIIa族元素；以及选自砸和碲的一种或多种VIa元素；1-1I1-VI吸收体层的示例包括CIGS、AIGS、ACIGS(银-铜-铟-镓-砸化物)、CIS(铜-铟-砸化物)、CIT(铜-铟-碲化物)、CIGT(铜-铟-镓-碲化物)、CIGAT(铜-铟-镓-铝-碲化物)以及CIGAS(铜-铟-镓-铝-砸化物)。在具有这些材料的一些【具体实施方式】中，氧还可以存在于一定百分比的格点中，其中在该格点中期望有砸和碲。
[0035]在特定实施方式中，1-1I1-VI吸收体层选自低带隙合金(如可能的CIGT、CIT或CIS)。在可替代实施方式中，吸收体层为渐变的(graded)吸收体层，其具有从在其底部主要地为铜渐变成在其顶部附近主要为银的I元素组合物、和/或在其底部附近主要为碲渐变成在其顶部附近主要为砸的VI元素组合物。
[0036]光伏装置100的上部部分包括与下部部分的层单独形成的层，在【具体实施方式】中，这些层通过与由Tatavarti公开的过程类似的逆生长过程而形成。
[0037]参照图1和图2B，AlGaAs牺牲释放层(因为在组装前被移除所以图1中未示出)在可再次使用的刚性GaAs或锗(Ge)衬底(因为在组装前被移除所以图1中未示出)上外延生长(270)成单晶并且通过该衬底来结晶。N型单晶半导体结层122生长(272)在AlGaAs层上并通过该AlGaAs层进行结晶。II1-V半导体的单晶吸收体层124外延生长(274)在结层122之上并通过该结层进行结晶。
[0038]在堆叠的多结光伏装置中，上吸收体在下吸收体层所处位置处遮盖下吸收体层；具体地上吸收体作为低通滤波器，吸收比穿透到下吸收体的光波长更短的光。由上吸收体形成的低通滤波器的有效截止波长是上吸收体带隙的函数。在白光下，相比于穿过具有更小带隙的吸收体，更大比例的光子穿过具有大带隙的上吸收体层。每个吸收体层中所产生的光电流大致上与在该层中被吸收的光子成比例。如果上层结与下层结串联地电耦合以形成两结两端式装置，期望的是上吸收体中诱生的光电流与下吸收体中诱生的光电流近似相同以优化输出。多结光伏装置的设计可通过选择上吸收体的带隙(因此选择截止波长)来稍微调节，使得在典型的照明下，上层结与下层结的光电流相匹配。例如，AlGaAs往往具有比GaAs更高的带隙。
[0039]在【具体实施方式】中，II1-V半导体为来自InGaAsP材料系统的单结装置，其具有设计为与从1-1I1-VI下层电池产生的总电流相配的带隙。在该实施方式中，1-1I1-VI下层电池包括位于基于II1-V的上层电池之下和不位于基于II1-V的上层电池之下的区域。在示出该概念的使用的实施方式中，没有被覆盖的下层电池区域使得较低带隙的II1-V上层电池(如具有GaAs吸收体的电池)使用在两端的、电流相配的配置中。在另一实施方式中，上II1-V半导体为具有来自InGaAsP材料系统的两个结的双结装置;在【具体实施方式】中，上II1-V装置为双结装置，其具有位于GaAs中等带隙电池之上的InGaP上层电池;如本文中所述，该双结装置放置在1-1I1-VI下层电池之上。
[0040]界面层(未示出)和透明导体层126(如ITO层)沉积(276)在吸收体层之上。参照图1和图2，可选的牺牲下操作层(因为在组装之间被移除所以图1中未示出)可应用(210)在导体层126之上。操作层通常为金属或聚合材料层，这些材料在另外的处理和/或组装步骤期间被添加到被完全或部分制造的电池中以使电池机械地加厚和加强;在装置组装和/或处理的之后阶段，操作层可被移除。操作层可作为粘性带、或压滚、喷涂、刷到装置上的溶解的树脂或漆，并允许在装置上变硬。
[0041]在各种实施方式中，除本文中参考1-1I1-VI下层电池和II1-V上层电池示出和描述的之外，还可包括附加层或子层(如发射层和缓冲层)。此外，单独的层(如1-1I1-VI吸收体层)可沉积或生长成一系列子层以制造具有渐变组合物的层，该渐变组合物提供改进的性能。在【具体实施方式】中，例如，1-1I1-VI吸收体层可沉积为一系列子层，使得最终吸收体层具有I族成分，其在下表面处主要为铜逐渐变为在其上表面处主要为银。类似地，II1-V上层电池结和吸收体层可应用为一系列轻度掺杂材料和重度掺杂材料，以在这些层内制造N和N+和/或P和P+子层，从而增强光伏结性能和改进与导体层的欧姆接触。
[0042]在可替代性实施方式中，II1-V吸收体层为晶态合金，其具有选自镓、铟和铝的一种或多种IIIa族元素;选自氮、磷、砷、锑和铋的一种或多种Va族元素。本文中论述的特别有利的实施方式包括选自镓、铟和铝的一种或多种IIIa族元素；以及选自磷和砷的一种或多种Va族元素；II1-V吸收体层的示例包括GaAs、GaInP和AllnP。在这些材料的一些【具体实施方式】中，氮还可以一定比例存在于砷或磷被期望的格点中。在可替代性实施方式中，II1-V吸收体层包括大量的氮，并且可以是氮化镓或氮化铟。
[0043]然后AlGaAs牺牲释放层通过刻蚀而被溶解(212)以从衬底释放上层电池104，然后上层电池从衬底剥离(214)。透明的上导体层120然后被应用(216)在上层电池104的顶部，处于结层122之上，结层122先前与释放层邻近。然后条纹化(218)任何下操作层。因此上层电池没有单独的衬底，并且附接至上层电池的任何操作层不是衬底，因为在吸收体层和上层电池结的形成过程中其不存在。
[0044]在可替代性实施方式中，如图2C所示，上层电池以从下到上的方式而不是相反地以参照图2B描述的从上到下的方式制备。在该实施方式中，单晶AlGaAs牺牲释放层外延生长(270)在单晶衬底上。在该层生长后，吸收体层124生长(280)在释放层上。然后，单晶II1-V结层122生长(282)在吸收体层124上以形成光电二极管。然后，透明上导体层120(可以为ΙΤ0)和任何必要的界面层或阻隔层(未示出)沉积在结层上。然后上操作层(因为完成前已移除所以未示出)应用到电池上来加强电池以允许操作。在该实施方式中，没有使用下操作层。然后移除释放层，并且电池与可再次使用的单晶衬底剥离。然后增加(289)上层电池下接触层126并处理继续图2的步骤(206)，即将上层电池粘合至下层电池。在一个实施方式中，在将上层电池粘合到下层电池之前，可以增加额外的图案化金属层406(图7)。
[0045]然后上层电池104利用透明导电聚合粘合剂128(黏合剂)层粘合(206)至下层电池106。在一个实施方式中，粘合剂128为透明硅树脂，其具有导电性纳米结构的填充剂。在【具体实施方式】中，纳米结构为银纳米线。在可替代性实施方式中，纳米结构为碳纳米管。在另一实施方式中，纳米结构优选适于增强垂直电导和使侧向或面内光学吸收或反射横截面最小化，以避免穿过上层电池104到达下层电池106的长波长、低能量的光的过度阴影。在纳米结构的纳米线的情况下，长度可显著大于宽度，具有10以上的长度-比-宽度的长宽比。
[0046]粘合剂128提供了用于电流从位于上层电池106顶部的透明导体层116到透明导体层126的路径，其中透明导体层126形成与II1-V吸收体层124的背侧接触。在可替代性实施方式(未示出)中，图案化导电金属图案的第一网格被应用至上层电池的底部，第二网格被应用至下层电池的顶部(232)，第一网格和第二网格可具有相同的图案以使阴影最小化，并且这些网格在一个边缘处通过薄箔彼此连接，该薄箔粘合至每个网格的母线(busbar)以在上层电池与下层电池之间形成可闭合的铰接(hinge)。然后不导电的粘合层应用到下层电池的上表面上，并且上层电池被折在下层电池上。在该可替代性实施方式中，粘合剂不需要是导电的，并且网格图案还可与位于上层电池顶部上的上网格相配(310)以进一步最小化阴影。在该可替代性实施方式中，利用激光划线(220)、图案化绝缘体层130的应用以及用于互连电池排的上导电层138的应用，来继续进行处理。
[0047]然后，执行(220)第一分离激光划线以分离电池排(如分离第一电池排134与第二电池排136)，并增加透明图案化绝缘体层130以通过互连导体层138来防止上层电池的短路;该分离激光划线132切透装置除衬底之外的所有层，包括切透背接触层110。靠近或邻近于分离激光划线来执行(222)第二接触激光划线，然而该激光划线仅切透位于下层电池106的钼背接触层110之上的层。
[0048]绝缘体层130被图案化以提供通过互连层130防止电池短路的绝缘体材料的形状345，形状345(图4A)可覆盖部分上层电池边缘、下层电池边缘、以及下层电池的上导体层118，其处于图案化的导体层138的形状之下，在该处接触是不期望的。绝缘体层130的形状可通过绝缘墨水的丝网印刷、化学气相淀积然后是掩模和刻蚀、墨喷式印刷、或通过光伏电池和集成电路领域中公知的另一合适的应用方法来应用。在图案化导体层138的形状与位于下方的导体层(如上层电池透明导体120层、下层电池的背接触110层、或下层电池的上透明导体层116)的接触是期望的位置处，绝缘体层130被图案化以不存在。
[0049]在一些实施方式中，图案化导体层138的形状可通过化学气相淀积或适当金属的蒸发来应用作薄膜;然后，不期望的部分可通过光刻或刻蚀移除以留下期望的形状，如装置上的形状310、346。在可替代性实施方式中，图案化导体层138的形状310、346通过丝网印刷或高度导电墨水(如粘合剂中具有高含量银的墨水)的墨喷式印刷来施加。
[0050]如上所述，1-1I1-VI电池形成为连续结构，该连续结构然后通过划线被分成各个电池，该各个电池为每个电池排的电池-如下层1-1I1-VI电池302、304。类似地，电池层在接触区域中被选择性地除去以暴露背接触层110，从而允许图案化导电层的形状到达并接触背接触层。在可替代性实施方式中，下层1-1I1-VI电池的分割和背接触层110的暴露是利用激光划线之外的其他技术执行的。在一些实施方式中，这些其他技术选自集成电路和光伏装置制造领域中公知的其他图案化技术，如光刻和刻蚀;这种分割通常是在不切或割下方柔性衬底102的情况下执行的。
[0051]然后应用(224)和图案化导电顶层138，使得图案化的导体层138仅覆盖混合装置100的总表面面积的小部分，并且用来收集来自第一电池排134的上层电池104的电流并将电流提供给第二电池排136的下层电池106的背接触层110。因此图案化导体层138用来将第二电池排的电池与第一电池排的电池串联地电联接。
[0052]然后，将透明保护层(如硅聚合物层，为简明起见图1中未示出)应用(226)在整个装置上以保护装置，包括保护图案化导电层138的形状。
[0053]在另一可替代性实施方式中，在将下层电池制造202在透明导体116上之后，电流扩散导电层被应用(232)和图案化。该电流扩散导电层用来减少从下层电池收集电流的透明导体层116的有效电阻；该层优选被图案化为网格，该网格仅覆盖一部分下层电池、与图案相配、并且与位于上层电池之上的网格对准。
[0054]在又一可替代性实施方式中，在应用(216)上接触透明导体层120之后，第二上操作层被增加234到上层电池上。如果被使用，在上层电池粘合至下层电池之后，该上操作层被条纹化236。
[0055]图2的过程用来制造具有多排的混合光电模块300(图3，图4是图3的一部分的详细示图，图3A是具有4排的模块的一部分的电学示意图)。每排具有大的下1-1I1-VI光伏电池302、304，其与一组并联连接的上层II1-V电池306串联地电耦合。图3的实施方式使用来自圆形替代晶元的半圆形电池306，以避免浪费这种较昂贵的材料;半圆形II1-V电池不能覆盖相对于II1-V电池具有“过量面积”的模块的显著可用1-1I1-VI电池面积。利用形成在图案化的导体层138中的正电接头307和负电接头308，电池排被串联地电耦合起来。正电接头307和负电接头308通常粘合至能够用于将模块300连接至负载的线。
[0056]图3和图3A的模块将利用一个图案化导电层138进行说明。该导体层为用来从每排的上层II1-V电池收集电流的网格310。在一个实施方式中，网格310覆盖每个电池306的百分之五或更少。网格310延伸至划线接头312，在划线接头312处网格310接触下金属层110以将II1-V电池306的排302的上层连接至相邻1-1I1-VI电池排304的下层。由薄粘合剂层和薄的无衬底的被剥离II1-V上层电池装置堆104所允许的薄台阶高度，来使得沉积的图案化导电层形状138的一部分的电气连续性，其中该形状138在由上层电池的厚度形成的台阶之上将上网格310连接至下接触层110。图1是沿图4的线A-A的图4的一部分的放大剖视图。图案化导电层还形成有助于从上部收集电流的扩散网格形状314，或不由II1-V上层电池覆盖的每个下层1-1I1-VI电池的“多余面积”，并且以最小电阻将该电流传导至位于上层II1-V电池306下方的一部分透明导电层116。这样允许处于整个1-1I1-VI电池上表面之上的近似恒压的层116、314，并且在没有II1-V电池覆盖的下层电池(1-1I1-VI装置)区域向下层电池提供额外的电流以允许与II1-V上层电池相配的更好的电流。模块输出308处的输出电压来源于串联的四个堆或排，其中每个堆(排)具有与两个并联II1-V电池306串联的一个1-1I1-VI电池。该过程可用于制造这样的模块，该模块具有处于堆(排)中的多个并联的II1-V电池和串联联接的任何数目的堆(排)。
[0057]众所周知，为了堆叠的异质光伏装置的最高效率，如图3和图3A所示，其中堆中每个电池的电流通过串联连接而被迫相等，由下层1-1I1-VI电池制造的处于最高功率的光电流应与由每个堆中上层II1-V电池制造的处于最高功率的光电流近似相等，并且串联连接的每个堆(排)的光电流还必须相配。在一个实施方式中，处于最高功率的光电流的匹配通过参考到达光子的给定光谱分布的设计而实现。在一个实施方式中，具体使用的II1-V材料被选择，并且处于下方且互连的1-1I1-VI电池区域的尺寸被确定，使得希望到达1-1I1-VI电池的光子将产生与在II1-V电池中产生的电流近似相同的处于最高功率的光电流。
[0058]在图5所述的实施方式348中，在模块的每排中需要过量的1-1I1-VI电池区域，以提供用于具体上层电池的相配电流，但是在该实施方式中位于1-1I1-VI电池顶部和上层II1-V电池底部上的透明导体层116、126具有足够高的电阻率以引起潜在的输出功率损失。在该实施方式中，可增加额外的图案化导电层350(其被图案化以阻挡下层1-1I1-VI电池的小比例的表面面积，如百分之五)，以从下层电池106的没有由II1-V上层电池覆盖的区域收集电流，以及提供额外的电流以有助于使II1-V上层电池104的最高功率电流相配。可以使用处于该层350上的图案化的导体来替代扩散网格314的导体或与其并联使用。图5上的大多数层与图1的层类似，并且与图1的具有相同附图标记的层相同，这里为了简化起见，不再重复其描述。
[0059]在可替代性实施方式中，其中每排中有更大的总1-1I1-VI电池区域可用，该总1-1I1-VI电池区域大于提供与希望由上层II1-V电池制造的光电流近似相配的光电流所需要的区域，该模块被设计成通过将过量的1-1I1-VI分成多个较小的光伏电池330(图3B)来利用过量的1-1I1-VI电池区域。这些小1-1I1-VI电池330、340、342、344利用上图案化导电层346串联耦合，使得适当的小电池串联地电联接并且并联联接至与一个或多个上述1-1I1-VI和II1-V光伏电池堆相配的电压。因为这些1-1I1-VI电池具有比上层II1-V电池更小的带隙，所以每个这种电池通常具有比上层II1-V电池更低的最高功率点电压。这样，串联联接成串的小1-1I1-VI电池的总数大于一个或多个1-1I1-VI和II1-VI电池堆中电池的数目，其中该成串的小1-1I1-VI电池与1-1I1-VI和II1-VI电池堆并联连接。在图4A中，三个1-1I1-VI电池与具有一个1-1I1-VI电池和一个II1-V电池的一个堆并联;在可替代性实施方式中，具有N个1-1I1-VI电池330的串可与M个堆并联连接，其中每个堆具有一个1-1I1-VI电池和一个II1-V电池。图3B示出了N= 12和M = 4。在模块中串和堆的总体布置为串并联式以实现合适的输出电平。
[0060]在一些可替代性实施方式中，没有由II1-V上层电池覆盖的一些1-1I1-VI下层电池区域用于电流匹配，并且提供扩散网格形状314以使电流从这些部分流向堆的上层电池。并且剩余的1-1I1-VI电池区域被分成小1-1I1-VI电池，小1-1I1-VI电池被耦合到与图4A类似串联串中并与堆并联。这些可替代性实施方式允许设计者通过利用所有可用的1-1I1-VI电池区域来优化功率生成，并且在每个堆中仅提供足够的下层1-1I1-VI电池区域以与通过上方的II1-V上层电池制造的光电流相配。
[0061 ] 在另一可替代性实施方式358中，在制造第一上层电池104之后可制造230第二上层电池360，在如图6所示的三结多层光伏装置中，第一上层电池104变成中间电池而第二上层电池360变成上层电池。第二上层电池350具有II1-V吸收体层352和N型结层354 JI1-V吸收体层352具有比第一上层电池104的II1-V吸收体层124更高的带隙和用于吸收的更高的最小光子能量。该能量差是通过使用与下层电池104所不同的上层电池360的II1-V材料而实现的。
[0062]在【具体实施方式】中，上部II1-V吸收体层352为InGaP，下部II1-V吸收体层122为GaAs，而下部1-1I1-VI吸收体层112选自CIT或CIS，或者为包括CIAS或CIGS转变到CIS的渐变吸收体层。
[0063]在又一实施方式400中，如图7所示，额外的图案化导电层402(被图案化以阻挡少于下层1-1I1-VI电池的表面面积的小比例(如百分之五))用来从下层电池106(包括由II1-V上层电池覆盖和没有由II1-V上层电池覆盖的区域)收集电流和将该电流带到II1-V上层电池104之下。该额外的图案化导电层402类似于图5的图案化的导电层350，但可以是金属。此外，导电层402上可镀有低温焊锡404。在制造204过程中，第二额外的图案化导电层406应用在上层电池之上，以当上层电池104位于下层电池106之上时其位于透明导体层126之下，其中该第二额外的图案化导电层406被图案化以阻挡少于下层1-1I1-VI电池的表面面积的小比例(如百分之五)并与额外的图案化导电层404对准以使得更多的(如果不是所有)额外图案化导电层404的部分覆盖金属层406。然后将在【具体实施方式】中具有100到200°C的熔点的低温焊锡被回流以将上层电池与下层电池粘合起来并使电流从下层电池转移到上层电池。在可替代性实施方式中，导电粘合剂可用于将额外的导电层的形状粘合起来以使电流从上层电池转移到下层电池。
[0064]因为所有层都是薄的，所以整个混合多结光伏装置是柔性的并可卷起来用于运输和存储。
[0065]在可替代性实施方式中，可使用矩形上层电池306来替代所示的半圆形电池，只要能够完全在上层电池306之下或具有不处于电池306之下的过量区域可提供电流相配的下层电池，以允许更好的电流相配和每单位重量具有更高功率(瓦/公斤)的模块或更高效的模块。
[0066]在可替代性实施方式中，上层电池104实施新近开发的量子点技术。除上层电池104的制造以外，其余步骤与本文所述相同。
[0067]在II1-V电池应用在1-1I1-VI电池上之后，1-1I1-VI电池被分开，包括绝缘形状的应用，如上所述，可应用覆盖的图案化金属或其他图案化导电材料以提供将电池电气互连的形状，以及应用保护层，组件通过切成各个模块被划分，并增加连接以将每个模块连接至系统的外部电路。
[0068]在不背离本发明范围的情况下，可对上述方法和系统做出改变。因此，应注意到，以上描述中包括的或附图中示出的所有内容应该解释为说明性的而非限制性的。权利要求旨在涵盖本文中描述的所有一般的特征和特殊的特征，以及由于语言的原因可能被认为落在其外的本发明和系统的范围的所有声明。
【主权项】
1.一种光伏(PV)装置，包括: 至少第一下层光伏电池和第二下层光伏电池，每个下层光伏电池包括: 衬底， 金属的背接触层， 1-1I1-VI半导体吸收体层， 异质结相伴层，以及 透明导体层； 至少第一上层光伏电池，包括: I11-V半导体吸收体层， 半导体结层，以及 上透明导体层； 图案化导电层的至少一个导电形状，所述形状应用在所述第一上层光伏电池的所述上透明导体层上并与所述第一上层光伏电池的所述上透明导体层相接触，所述形状与第一和第二下层光伏电池的所述透明导体层分离，并且所述形状耦合至所述第二下层光伏电池的所述背接触层，所述形状用于将堆与所述第二下层光伏电池串联耦合，所述堆包括所述第一上层光伏电池和所述第一下层光伏电池； 导电黏合剂，将所述第一上层光伏电池粘附至所述第一下层光伏电池，所述第一上层光伏电池设置成接收光，所述第一下层光伏电池设置为接收穿透所述第一上层光伏电池的光，所述导电黏合剂能够传输至少部分光，所述导电黏合剂使所述第一上层光伏电池与所述第一下层光伏电池串联地电耦合;以及 电池串，所述电池串包括串联地电耦合的多个1-1I1-VI电池而不包括II1-V电池，其中所述电池串与所述堆并联耦合，所述电池串的所述多个1-1I1-VI电池中的至少一个与所述第一下层光伏电池和所述第二下层光伏电池相邻； 其中，所述第一上层光伏电池不具有单晶衬底。2.根据权利要求1所述的光伏装置，其中，所述图案化导电层的所述至少一个导电形状将上层光伏电池和下层光伏电池的多个堆串联地电耦合。3.根据权利要求1所述的光伏装置，其中，所述第一下层光伏电池和所述第二下层光伏电池的每一个中的所述1-1I1-VI半导体吸收体层包括银和铜中的至少一种，包括铟和镓中的至少一种，以及包括砸和碲中的至少一种。4.根据权利要求3所述的光伏装置，其中，所述第一下层光伏电池和所述第二下层光伏电池的每一个中的所述1-1I1-VI半导体吸收体层为铜-铟-镓-联砸化物。5.根据权利要求1所述的光伏装置，其中，所述第一上层光伏电池的所述II1-V半导体吸收体层为单晶的。6.根据权利要求1所述的光伏装置，其中，所述黏合剂为具有导电填充物的透明聚合材料，所述导电填充物包括银纳米线或碳纳米管中的至少一种。7.根据权利要求3所述的光伏装置，其中，所述第一上层光伏电池的所述II1-V半导体吸收体层包括:镓、铟和铝中的至少一种，以及砷和磷中的至少一种。8.根据权利要求7所述的光伏装置，其中，所述第一上层光伏电池的所述II1-V半导体吸收体层包括:铟、镓和磷。9.根据权利要求3所述的光伏装置，还包括第二上层光伏电池，所述第二上层光伏电池包括: 第二II1-V半导体吸收体层；以及 第二半导体结层。10.—种光伏(PV)装置，包括: 至少第一下层光伏电池和第二下层光伏电池，每个下层光伏电池包括: 衬底， 金属的背接触层， 1-1I1-VI半导体吸收体层， 异质结相伴层，以及 透明导体层； 至少第一上层光伏电池，包括: I11-V半导体吸收体层， 半导体结层，以及 上透明导体层； 在所述第一下层光伏电池的所述透明导体层与所述第一上层光伏电池的所述II1-V半导体吸收体层之间提供电导通的层，从而所述第一下层光伏电池与所述第一上层光伏电池串联耦合成为堆；以及 图案化导体层的至少一个形状，在所述第二下层光伏电池的所述金属的背接触层与所述第一上层光伏电池的所述上透明导体层之间提供电接触； 其中，所述第一上层光伏电池没有单晶衬底；以及 其中，所述第一上层光伏电池有意地没有覆盖所述第一下层光伏电池的大部分，并且至少一些没有被覆盖的区域有助于所述装置的光生电流。11.根据权利要求10所述的光伏装置，还包括所述图案化导电层的至少一个附加形状，所述附加形状提供与所述第一下层光伏电池中没有被所述第一上层光伏电池覆盖的部分的透明导体层的接触，相对于流过所述第一下层光伏电池的透明导体层的电流，所述附加形状为流至所述第一上层光伏电池提供减小的电阻。12.根据权利要求11所述的光伏装置，其中，所述图案化导体层包括金属。13.根据权利要求11所述的装置，其中，在所述第一下层光伏电池的所述透明导体层与所述第一上层光伏电池的所述II1-V半导体吸收体层之间提供电导通的所述层还包括导电粘合剂，所述粘合剂将所述第一上层光伏电池粘附至所述第一下层光伏电池，所述粘合剂能够传输至少部分光。14.根据权利要求13所述的光伏装置，还包括: 至少一个电池串，所述电池串包括串联地电耦合的多个1-1I1-VI电池而不包括II1-V电池，其中所述电池串与至少一个堆并联耦合。15.根据权利要求11所述的装置，其中，在所述第一下层光伏电池的所述透明导体层与所述第一上层光伏电池的所述II1-V半导体吸收体层之间提供电导通的所述层包括低温焊锡层。16.根据权利要求15所述的光伏装置，还包括: 至少一个电池串，所述电池串包括串联地电耦合的多个1-1I1-VI电池而不包括II1-V电池，其中所述电池串与至少一个堆并联耦合。17.根据权利要求11所述的光伏装置，其中，所述第一下层光伏电池和所述第二下层光伏电池的每一个中的所述1-1I1-VI半导体吸收体层包括银和铜中至少一种，包括铟和镓中至少一种，以及包括砸和碲中至少一种。18.根据权利要求11所述的光伏装置，其中，所述第一上层光伏电池的所述II1-V半导体吸收体层包括:镓、铟和铝中至少一种，以及砷和磷中至少一种。19.一种光伏(PV)装置，包括: 至少第一下层光伏电池和第二下层光伏电池，每个下层光伏电池包括: 衬底， 金属的背接触层， 1-1I1-VI半导体吸收体层， 异质结相伴层， 透明导体层，以及 图案化上导电层； 至少第一上层光伏电池，包括: 下图案化导电层， I11-V半导体吸收体层， 半导体结层，以及 上透明导体层； 黏合剂，将所述第一下层光伏电池的所述图案化上导电层电耦合至所述第一上层光伏电池的所述下图案化导电层；以及 至少一个导电形状，位于图案化导电层上，所述形状应用在所述第一上层光伏电池的所述上透明导体层上并与所述第一上层光伏电池的所述上透明导体层相接触，所述形状与所述第一下层光伏电池和所述第二下层光伏电池的所述透明导体层分离，并且所述形状耦合至所述第二下层光伏电池的所述背接触层，所述形状用于将包括所述第一上层光伏电池和所述第一下层光伏电池的堆与所述第二下层光伏电池串联耦合； 其中，所述第一上层光伏电池没有单晶衬底，并且所述第一上层光伏电池的所述下图案化导电层电耦合至所述第一下层光伏电池的所述图案化上导电层。20.根据权利要求19所述的光伏装置，其中，位于图案化导电层上的所述至少一个导电形状将上层光伏电池和下层光伏电池的多个堆串联耦合。21.根据权利要求19所述的光伏装置，其中，所述第一下层光伏电池和所述第二下层光伏电池的每一个中的所述1-1I1-VI半导体吸收体层包括银和铜中至少一种，包括铟和镓中至少一种，以及包括砸和碲中至少一种。22.根据权利要求21所述的光伏装置，其中，所述第一上层光伏电池的所述II1-V半导体吸收体层包括:镓、铟和铝中至少一种，以及砷和磷中至少一种。23.根据权利要求22所述的光伏装置，其中，第一上层光伏电池的所述II1-V半导体吸收体层包括:铟、镓和磷。24.根据权利要求23所述的光伏装置，其中，所述黏合剂为焊锡，所述第一上层光伏电池的所述下图案化导电层和所述第一下层光伏电池的所述图案化上导电层为薄膜金属层，所述焊锡用来将所述第一上层光伏电池的所述下图案化导电层电连接至所述第一下层光伏电池的所述图案化上导电层。25.根据权利要求19所述的光伏装置，其中，所述第一下层光伏电池的所述图案化上导电层通过金属箔铰合件耦合至所述第一上层光伏电池的所述下图案化导电层。26.根据权利要求19所述的光伏装置，还包括第二上层光伏电池，所述第二上层光伏电池包括: 第二II1-V半导体吸收体层；以及 第二半导体结层。27.—种制造光伏(PV)装置的方法，包括: 在柔性衬底上制造包括1-1I1-VI太阳能吸收体层的光伏电池层，并在所述柔性衬底上将所述光伏电池层分成第一光伏电池和第三光伏电池； 制造具有II1-V太阳能吸收体层的第四光伏电池和第二光伏电池，所述II1-V太阳能吸收体层具有第一带隙，所述第二光伏电池和所述第四光伏电池制造在晶态衬底上，所述晶态衬底晶种生长在所述第二光伏电池和所述第四光伏电池中； 从所述第二光伏电池和所述第四光伏电池移除所述晶态衬底； 将所述第二光伏电池粘合在所述第一光伏电池上以形成第一堆，所述第一光伏电池和所述第二光伏电池串联地电耦合并定位成使得未被所述第二光伏电池吸收的至少部分入射光能够到达所述第一光伏电池； 将所述第四光伏电池粘合在所述第三光伏电池上以形成第二堆，所述第三光伏电池和所述第四光伏电池串联地电耦合并定位成使得未被所述第四光伏电池吸收的至少部分入射光能够到达所述第三光伏电池；以及 应用具有将所述装置的电池互连的至少一个形状的图案化导电层，使得至少所述第一堆和所述第二堆串联地电耦合； 其中，所述图案化导电层上的第二形状仅与所述第一光伏电池的上透明导体层相接触并且用于减小用于电流的电阻，所述电流从所述第一光伏电池的没有被所述第二光伏电池覆盖的部分流至所述第一光伏电池的所述透明导体层的被所述第二光伏电池覆盖的部分。28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述图案化导电层上的至少一个形状至少耦合至所述第二光伏电池的上透明导体层，其中，通过激光划线来划分所述光伏电池层，以使所述第一光伏电池与所述第三光伏电池分离，所述第一光伏电池和所述第三光伏电池具有1-1I1-VI太阳能吸收体层并形成在所述柔性衬底上，所述划线使得所述至少一个形状接触所述第三光伏电池的背接触金属层，从而将所述第一光伏电池、所述第二光伏电池和所述第三光伏电池串联地电耦合。29.根据权利要求28所述的方法，其中，通过在所述第一光伏电池与所述第二光伏电池之间应用透明聚合粘合剂来执行将所述第二光伏电池粘合到所述第一光伏电池上的步骤，所述透明聚合粘合剂包括导电填充物，其中通过所述导电填充物来实现所述第一光伏电池与所述第二光伏电池之间的电导通。30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述导电填充物包括选自银纳米线和碳纳米管的纳米结构。31.根据权利要求28所述的方法，其中，通过在第一图案化金属层与第二图案化金属层之间应用焊锡来执行将所述第二光伏电池粘合到所述第一光伏电池上的步骤，所述第一图案化金属层具有与所述第一光伏电池相接触的形状，所述第二图案化金属层具有与所述第二光伏电池相接触的形状。32.根据权利要求28所述的方法，其中，将所述第二光伏电池粘合到所述第一光伏电池上的步骤包括应用第一附加图案化导电层和第二附加图案化导电层，所述第一附加图案化导电层与所述第一光伏电池相接触，所述第二附加图案化导电层与所述第二光伏电池相接触，将所述第一附加图案化导电层与所述第二附加图案化导电层电耦合，以及在所述第一光伏电池与所述第二光伏电池之间应用透明粘合剂。33.根据权利要求28所述的方法，其中，粘合步骤还包括: 应用第一附加图案化导电层和第二附加图案化导电层，所述第一附加图案化导电层与所述第一光伏电池相接触，所述第二附加图案化导电层与所述第二光伏电池相接触，以及 在所述第一光伏电池与所述第二光伏电池之间应用聚合粘合剂，所述聚合粘合剂包括导电填充物； 其中，通过所述导电填充物形成所述第一光伏电池与所述第二光伏电池之间的电导通。34.如权利要求27所述的方法，还包括: 制造具有II1-V太阳能吸收体层的第五光伏电池，所述II1-V太阳能吸收体层具有第二带隙，所述第五光伏电池处于所述第二光伏电池之上，所述第五光伏电池在将所述晶态衬底从所述第二光伏电池移除之前被制造； 其中，所述第二带隙与所述第一带隙不同，以及 其中，所述第一堆包括所述第一光伏电池、所述第二光伏电池、以及所述第五光伏电池。35.根据权利要求34所述的方法，其中，所述图案化导电层的至少一个形状至少耦合至所述第五光伏电池的上透明导体，所述方法还包括: 划线以将所述第一光伏电池与所述第三光伏电池分开，所述第一光伏电池和所述第三光伏电池具有1-1I1-VI太阳能吸收体层且形成在所述柔性衬底上，所述划线使所述图案化导电层的所述至少一个形状接触所述第三光伏电池的背接触金属层，从而将所述第一光伏电池、所述第二光伏电池、所述第五光伏电池、所述第四光伏电池、以及所述第三光伏电池串联地电親合。36.根据权利要求34所述的方法，其中，通过在所述第一光伏电池与所述第二光伏电池之间应用透明聚合粘合剂来执行将所述第二光伏电池粘合到所述第一光伏电池上的步骤，所述透明聚合粘合剂包括导电填充物，并且通过所述导电性填充物实现所述第一光伏电池与所述第二光伏电池之间的电导通。37.根据权利要求34所述的方法，其中，通过在第一金属层与第二金属层之间应用焊锡来执行将所述第二光伏电池粘合到所述第一光伏电池上的步骤，所述第一金属层与所述第一光伏电池相接触，所述第二金属层与所述第二光伏电池相接触。38.根据权利要求34所述的方法，其中，将所述第二光伏电池粘合到所述第一光伏电池上的步骤包括应用第一附加图案化导电层和第二附加图案化导电层，所述第一附加图案化导电层与所述第一光伏电池相接触，所述第二附加图案化导电层与所述第二光伏电池相接触，将所述第一附加图案化导电层与所述第二附加图案化导电层电耦合，以及在所述第一光伏电池与所述第二光伏电池之间应用透明粘合剂。39.根据权利要求28所述的方法，还包括:划线以将光伏电池层的包括所述1-1I1-VI太阳能吸收体层的、没有被所述第二光伏电池和所述第四光伏电池覆盖的部分分成多个未被覆盖的电池，其中，所述图案化导电层上的至少一个附加形状用于将所述多个未被覆盖的电池电耦合成具有未被覆盖的电池的串联串，并将所述具有未被覆盖的电池的串联串至少与所述第一堆并联联接。
【文档编号】H01L31/043GK106098834SQ201610416638
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2011年12月13日 公开号201610416638.2, CN 106098834 A, CN 106098834A, CN 201610416638, CN-A-106098834, CN106098834 A, CN106098834A, CN201610416638, CN201610416638.2
【发明人】劳伦斯·M·伍兹, 约瑟夫·H·阿姆斯特朗
【申请人】阿森特太阳能技术公司