[发明专利]用于具有多堆叠异质半导体结的混合光伏装置的设备和方法

说明书

相关申请

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

本装置涉及混合堆叠结光伏装置。

背景技术

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。

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。

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。

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。

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。

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。

光伏装置（如一些基于I-III-VI半导体的装置，包括一些CIGS（铜-铟-镓-硒化物）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。

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III-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。

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

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、I-III-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III-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I-III-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，III-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。