[发明专利]在活跃光吸收层有导电通路的光伏器件

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池技术，特别涉及到大面积薄膜光伏太阳能器件及其制作方法。

背景技术

大多数单结太阳能电池的电压太低，在很多情况下电压或效能不足，不能直接应用。例如，单结铜-铟-镓-硒(CuIn_xGa_1-xSe₂，简称CIGS)材料电池的电压在0.5-0.8伏范围内，具体取决于CIGS材料(太阳能电池吸收层)的构成。与传统的基于晶体硅片的光伏模块生产程序相比，薄膜光伏加工技术明显的优点是，单结太阳能电池的单片集成可以使用生产大面积太阳能电池时使用的衬底(基板)。从而避免了工业生产大面积晶体硅光伏模块时繁琐费力的电池连接(串联或并联)过程。

生产光伏模块时，单结电池的串联可得到适合不同应用的高电压。一般说来，光伏模块的输出功率在10-100伏范围内，具体取决于串联的电池数量。图1a和图1b显示的是在一个氢化非晶硅光伏模块中用传统方法串联的电池序列。其中，串联的电池之间是通过切除半导体薄膜连接起来的。电池的连接通常是在模块生产过程中，把首个电池的前透明导电膜层10(前接触层)，如氧化锡，连接到相邻电池的后导电层12之上，如铝。这两个膜层分别被封装在两个玻璃片14和16之间。膜层10和12之间的半导体硅薄膜18(p-i-n层)被激光划线切除，以暴露出氧化硅的前接触层10，让随后沉积的n+1结电池的后接触层直接与临近的第n结电池的前接触层相连。这样，一排单结电池串联起来，能够增强模块的输出电压。一般说来，模块需要被密封剂19，如醋酸乙烯脂盐(EVA)，封装起来，密封剂也把前后玻璃衬底14和16粘合到一起。

图2显示了另一种传统的含有CIGS光伏薄膜的器件。在这种器件中，光照射在器件正对支撑膜片21的一面，从而把第n结电池的透明导电氧化物(TCO)，如氧化锌，制成的前电极20连接在n+1结电池的钼制后电极22之上。在单结电池和各种薄膜的隔离区用激光划线或机械加工程序移除一窄条不同材料的薄膜，从而使各个电池相联。在传统的玻璃/钼/CIGS/缓冲层/氧化锌结构的CIGS光伏器件中，要用到三个激光或机械划线步骤，分别在A、B、C的位置(如图2所示)。目的是在钼层22、CIGS层24和CIGS/缓冲层/ZnO层20上划出隔离线。第一步和最后一步的目的是在同一衬底上划分出独立的(分离的)电池。第二步(移除CIGS薄膜以暴露出钼层)是最关键的一步，它使相邻的电池串联到一起。

同样，氧化锌前接触层(类似非晶硅薄膜光伏模块中通常使用的TCO氧化锡)一般也是通过激光切除或机械勾划等方式隔离的。这种方式会损害CIGS半导体薄膜，使切口处的材料变得低劣。同时，切口处的残留物经常导致短路，降低光伏器件的输出功率。上面提到的缓冲层(图中没有涉及)可有可无，但最好选用。它可以包含一个非常薄的高电阻氧化锌膜，或者一个n型半导体，如n型CdS，从而和p型CIGS吸收层连接起来。其它缓冲层材料包括ZnS和CdZnS，还有一些会在以后引用的参考中提到。缓冲层是在导电的氧化锌膜层沉积之前沉积在光吸收层之上的。为了便于表达，图中所用的TCO包含氧化锌和氧化锌与缓冲层的叠合。

关于机械和/或化学手段切除薄膜以制作串联电池的背景技术及其缺陷，请参照美国专利号为6459032和6380477的两个专利。美国专利号为5131954、4892592和6288325的专利讲述了传统的划线方法。在美国专利好为4724011和4517403的专利中，讲述了一种不经切除半导体薄膜而得到串联电池的方案。这些方法依靠缩短薄膜(不可预知不稳健的程序)或者是激光划线及局部加热方法进行某种后沉积物理处理。在此涉及上面引用的专利方法，同时还引用最近William N.Shafarman和Lars Stolt所著的“Handbook of Photovoltaic Science andEngineering”一书中第13章第567页的综合回顾性文章“Cu(InGa)Se₂Solar Cells”，该书由Antonio Lugue和Steven Hegedus校订，John Wiley&Sons Ltd，，2003年在英国出版。这些参考讲述了先前和已知技术中应用的制作CIGS太阳能器件的方法以及这些器件的性能。在参考中，CIGS还包括一种合成物，其中某些硒可被替换成硫(硫磺)。