[发明专利]集成电化学和太阳能电池

说明书

相关申请的交叉参考

本申请主张2007年9月7日提交的、名称为Integrated Solar Cell and Solid-State Battery(集成太阳能电池和固态蓄电池)的共同拥有的美 国临时专利申请序号60/970645的优先权，且本申请涉及所述美国临时 专利申请，该临时专利申请通过参考并入本文中。

技术领域

本发明总体上涉及太阳能电池和薄膜蓄电池(battery)，特别地涉及 集成电化学和太阳能电池的改进设计和制造所述电池的方法。

背景技术

在过去数十年中，薄膜蓄电池、特别是使用锂的蓄电池领域已经 取得了巨大进步。另外，近来常规发电价格的升高使注意力集中在替 代能源。特别地，光电太阳能电池已经显著改进且已经降低了其成本。 同时，化石燃料的价格已经升至预计一定点位，预计到2010年太阳能 发电将与并网发电(grid power)成本相当。目前，以沉积在大玻璃衬底 上的无定形和微晶硅薄膜为基础的第二代太阳能电池提供了最大的希 望，在几年内实现与并网发电的成本相等。

光电装置的局限性在于，它们仅在被辐照时才能提供电能。这要 求必须在其它时间运行的装置具有替代能源。在不能方便地接入电力 网出口的移动电子器件、汽车等的情况下，备用电源的最简单形式是 电化学电池或蓄电池。电化学电池提供了能量容量、功率密度和经济 性的优异组合。一些电池设计能够再充电多次，即所谓的二次蓄电池。 目前，薄膜锂蓄电池在能量密度、功率密度和循环寿命方面提供了最 佳性能。与第二代太阳能电池类似，它们也使用薄膜沉积技术来制造。

关于围绕着光电池/薄膜蓄电池组合的设计和制造的问题，许多个 人已经提前进行了尝试以提供方案和改进措施。例如，在1984年，授 予Eazwa等人美国专利4481265，所述专利描述了“光电池-储存蓄电 池装置”。该专利公开了一种绝缘衬底，在一个侧面上具有光电池且 在相反侧面上具有蓄电池，尽管发明人还描述了如何将两种装置并入 到同一表面上。所述装置的说明书描述了使用液体电解质的蓄电池， 但是他们的权利要求书包括了含无机膜电解质的蓄电池。在1984年， 当时现有技术的固态蓄电池提供了比具有液体电解质的蓄电池差得远 的性能。留给读者来确定如何制造全固态装置以及使用何种材料。所 描述的总体制造方法复杂且粗糙。

在1988年，授予Little的美国专利4740431号描述了更加细致和 实用的制造集成太阳能电池和蓄电池的方法。该发明人公开了一种方 法，由此通过使用半导体工业中的先进技术在衬底上沉积薄膜和对薄 膜构图而单独沉积太阳能电池和蓄电池。在那时，以硫化锂为基础的 玻璃看起来是最有希望用于全固态蓄电池的固态电解质。

然而，在1994年，Bates等人描述了一种较好的以锂磷氧氮化物 (LiPON)为基础的固态电解质，并被授予美国专利5338625号。除了公 开了新型薄膜固态电解质材料之外，作者要求保护一种薄膜蓄电池， 他们将其称作薄膜微型蓄电池并使用薄膜沉积方法来沉积。在该关键 发现之后，向寻求改进薄膜微型蓄电池各个方面的许多发明人授予了 专利。

Bates公开的薄膜微型蓄电池存在至少两个主要缺点(也适用于 Little描述的蓄电池)，这源于完全由沉积在衬底上的薄膜来制造所述蓄 电池的事实，所述衬底不具有电化学活性。第一，所公开的薄膜蓄电 池的每单位面积容量非常低，因为电极非常薄。第二，与由块状材料 制造的电池相比制造成本非常高，因为需要昂贵的真空沉积设备。

Hobson和Snyder在美国专利5445906(1995年公告)中提出了一种 解决容量差的问题的创新方式，由此在网式涂布机中将膜沉积在大面 积的挠性衬底上。然后，将衬底卷绕成紧的螺旋形，由此实现每单位 体积的大容量。然而，网式涂布机的使用进一步增加了制造成本，且 使用紧密卷绕的螺旋形蓄电池不易与大的平面薄膜太阳能电池集成。