專利名稱：薄膜太陽能電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及被配置成通過使用太陽光來產(chǎn)生電力的太陽能電池，更具體地涉及具有多個單元太陽能電池(単元電池)串聯(lián)連接的結構的薄膜太陽能電池。
背景技術：
近年來，集中關注的是作為解決全球環(huán)境問題的手段的太陽能電池。具體地，從降低太陽能電池的成本的觀點來看，已關注到的是具有包含非晶硅、微晶硅、諸如CdTe (締化鎘)或CIGS (銅-銦-鎵-硒)之類的化合物、或者有機材料的光電轉換層的太陽能電池，因為這種光電轉換層可由厚度為數(shù)百nm至數(shù)數(shù)量級的薄膜構成，并且因此與常規(guī)太陽能電池相比，該太陽能電池可顯著地減少要使用的材料量。這種太陽能電池被稱為“薄膜太陽能電池”。薄膜太陽能電池的ー個優(yōu)點在于，與常規(guī)晶體硅太陽能電池不同，薄膜太陽能電池可在各種基板上形成。 由于單個太陽能電池產(chǎn)生的電壓低，因此采用通過串聯(lián)連接多個單元太陽能電池(単元電池)來增大所產(chǎn)生電壓的結構是通用的。在薄膜太陽能電池的情況下，單元電池的串聯(lián)連接結構通常通過在單個基板上形成電極層和光電轉換層、并且通過激光圖案形成等將由此形成的這些層分成多個單元電池來實現(xiàn)。例如，專利文獻I描述了具有通過在片狀(膜狀)基板上形成多個單元電池、并且通過使用貫穿片狀(膜狀)基板的集電孔和連接孔串聯(lián)連接這些單元電池來構造的結構的薄膜太陽能電池。這種太陽能電池結構被稱為“SCAF(通過膜上形成的孔的串聯(lián)連接)結構”。圖10是示出具有SCAF結構的常規(guī)薄膜太陽能電池的平面圖，并且圖11是示出逐步制造具有SCAF結構的常規(guī)薄膜太陽能電池的方法的截面圖(對應于在圖10的線Y-Y上取得的截面圖)。在圖11中，在薄膜太陽能電池用光照射來產(chǎn)生電力時呈現(xiàn)相同電位的電極層賦予相同的陰影線。如圖10和11所示,薄膜太陽能電池70包括絕緣基板71,該絕緣基板71具有在其上通過順序地層疊第一電極層72、光電轉換層73和第二電極層74來形成光電轉換部75的正面、以及在其上通過順序地層疊第三電極層76和第四電極層77來形成背電極層78的背面。在該示例中，第一電極層72和光電轉換層73層疊在絕緣基板71的正面的同一區(qū)域上，而第三電極層76和第四電極層77層疊在絕緣基板71的背面的同一區(qū)域上。在圖10中，絕緣基板71的正面的橫向兩端區(qū)域各自形成有包括具有第一電極層72和光電轉換層73的雙層結構的部分，而除雙層結構部分以外的中心區(qū)域全部形成有包括通過在光電轉換層73上層疊第二電極層74而具有第一電極層72、光電轉換層73和第二電極層74的三層結構的光電轉換部75。絕緣基板71的正面和背面中各層的疊層各自通過線性去除而分成多個區(qū)段，從而在絕緣基板71上形成各自具有光電轉換部75和背電極層78的多個單元電池(UC)。在姆一單兀電池(UC)中，第二電極層74和背電極層78 (包括第三電極層76和第四電極層77)通過集電孔79彼此電連接。在兩個相鄰單元電池(由UCn和UCn+1表示)中，一個單元電池(UCn)的第一電極層72的延長部通過連接孔80電連接到另ー單元電池(UCn+1)的背電極層78的延長部。參考圖11，將對逐步制造常規(guī)薄膜太陽能電池的方法進行描述。最初,如圖11(a)所示,在絕緣基板71的多個預定位置形成多個連接孔80。絕緣基板71的可用材料的示例包括聚酰亞胺膜、聚萘ニ甲酸こニ酯(PEN)膜、聚醚砜(PES)膜、聚對苯ニ甲酸こニ酯(PET)膜、以及芳族聚酰胺膜。每ー連接孔80形成為直徑在Imm數(shù)量級的圓形。連接孔80可通過諸如沖壓之類的機械手段形成。隨后，如圖11 (b)所示，在絕緣基板71的正面形成第一電極層72，之后在絕緣基板71的背面形成第三電極層76。此時，第一電極層72和第三電極層76在每ー連接孔80的內周上彼此重疊以在其間提供電連續(xù)性。隨后，如圖11(c)所示，在絕緣基板71上形成多個集電孔79。與連接孔80—祥，集電孔79各自形成為直徑在Imm數(shù)量級的圓形，并且可通過諸如沖壓之類的機械手段形 成。隨后，如圖11(d)所示，在第一電極層72上形成光電轉換層73。光電轉換層73是可由例如非晶硅(a-Si)膜構成的薄膜半導體層。隨后，如圖11(e)所示，在光電轉換層73上形成第二電極層74。第二電極層74是可由例如氧化銦錫(ITO)膜構成的透明電極層。在形成第二電極層74期間，連接孔80及其周邊區(qū)域用掩模等覆蓋以防止在其上沉積第二電極層74。隨后，如圖11(f)所示，在絕緣基板71的背面形成的第三電極層76上形成第四電極層77。第四電極層77是可由例如金屬膜構成的低電阻導電層。此時，第二電極層74和第四電極層77在每ー集電孔79的內周上彼此重疊以在其間提供電連續(xù)性。通過以上所述的エ藝步驟，在絕緣基板71的正面形成包括第一電極層72、光電轉換層73和第二電極層74的疊層的光電轉換部75，而在絕緣基板71的背面形成包括第三電極層76和第四電極層77的疊層的背電極層78。隨后，如圖11(g)所示，線性地去除絕緣基板71的正面的各層的疊層以形成第一線狀去除部81，同時線性地去除絕緣基板71的背面的各層的疊層以形成第二線狀去除部82。以此方式，在絕緣基板71上形成各自具有層疊在絕緣基板71的正面的光電轉換部75、以及層疊在絕緣基板71的背面的背電極層78的多個單元電池(UC)。如上所述，每ー単元電池(UC)中的第二電極層74和第四電極層77 (S卩，背電極層78 )通過集電孔79彼此電連接，并且兩個相鄰單元電池(UCn和UCn+1)中的ー個單元電池(UCn)的第一電極層72的延長部通過連接孔80電連接到另ー單元電池(UCn+1)的第三電極層76 (S卩，背電極層78)的延長部。當通過用光照射薄膜太陽能電池70在每ー單元電池(UC)的光電轉換層73中產(chǎn)生載流子(電子和正空穴)吋，Pn結中的電場使得一種類型的載流子流向第二電極層(S卩，透明電極層)74。由于第二電極層74通過每ー集電孔79的內周具有與第四電極層77 (BP,背電極層78)的電連續(xù)性，因此已流入第二電極層74的載流子通過集電孔79向絕緣基板71的背面移動。由于光電轉換層73實質上被視為絕緣層，因此第一電極層72和第二電極層74實質上彼此絕緣。已移動到絕緣基板71的背面的載流子直接移動到每一連接孔80。在形成有連接孔80的區(qū)域中沒有第二電極層74，并且因此第一電極層72和第三電極層76(即，背電極層78)通過每ー連接孔80的內周在其間具有電連續(xù)性。因此，載流子移動以通過連接孔80再次到達絕緣基板71的正面。此后，載流子在絕緣基板71的正面向相鄰單元電池(UC)的光電轉換層73移動。由此，具有SCAF結構的常規(guī)薄膜太陽能電池70具有多個單元電池(UC)通過集電孔79和連接孔80串聯(lián)連接的結構。專利文獻I :日本專利申請?zhí)亻_No.HlO-233517在以上所述的常規(guī)薄膜太陽能電池中，每ー單元電池具有作為透明電極層的第二電極層、以及通過集電孔彼此電連接的背電極層，并且因此高電阻透明電極層的耗電(即，集電損耗)減小到特定程度。然而，對如何在上述常規(guī)薄膜太陽能電池中設置集電孔還完全沒有進行研究。為此，在単元光電轉換部中產(chǎn)生的載流子必須在高電阻透明電極層中移動直至每ー集電孔的距離長到足以使集電損耗仍然較大。由于考慮到集電孔的設置對薄膜太陽能電池的輸出特性產(chǎn)生影響，因此期望盡可能地優(yōu)化該設置。

發(fā)明內容
鑒于這些挑戰(zhàn)已作出本發(fā)明。因此，本發(fā)明的目的在于，提供具有包括串聯(lián)連接的多個單元太陽能電池的結構的薄膜太陽能電池，與常規(guī)薄膜太陽能電池相比，該薄膜太陽能電池允許通過優(yōu)化集電孔的設置來改進其轉換效率。根據(jù)本發(fā)明的一方面的薄膜太陽能電池包括多個單元太陽能電池，每ー單元太陽能電池具有其中第一電極層、光電轉換層和透明的第二電極層順序地層疊在絕緣基板的正面的光電轉換部、以及層疊在絕緣基板的背面的背電極層，這些単元太陽能電池被排列成在相鄰的兩個單元太陽能電池之間限定第一重疊區(qū)，在第一重疊區(qū)中第一電極層的未形成兩個相鄰單元太陽能電池中的一個單元太陽能電池的光電轉換部的部分、以及另一単元太陽能電池的背電極層的一部分隔著絕緣基板彼此相対，并且多個單元太陽能電池串聯(lián)連接成在每ー單元太陽能電池中，第二電極層和背電極層通過貫穿絕緣基板的多個集電孔彼此電連接，并且兩個相鄰単元太陽能電池之一的第一電極層和兩個相鄰單元太陽能電池的另ー個的背電極層通過貫穿第一重疊區(qū)中的絕緣基板的至少ー個連接孔彼此電連接，其中多個集電孔按以下方式設置集電孔分布在其中構成每一単元太陽能電池的光電轉換部和背電極層隔著絕緣基板彼此相対的第二重疊區(qū)中，而彼此最接近地設置的那些集電孔彼此之間的間隔相等。根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明人作出的研究可以確認，與具有任何其他集電孔設置的薄膜太陽能電池相比，具有其中多個集電孔分布在目標區(qū)(即，允許集電孔設置在其中的區(qū)域)、而彼此最接近地設置的那些集電孔彼此之間的間隔相等的集電孔設置的薄膜太陽能電池產(chǎn)生更高的輸出電力。因此，根據(jù)本發(fā)明的薄膜太陽能電池允許通過優(yōu)化集電孔設置來改進其輸出特性(轉換效率)。


圖I是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的薄膜太陽能電池的構造的平面圖；圖2是在圖I的線X-X上取得的截面圖；圖3是示出集電孔的柵格形狀設置的視圖4是示出在開ロ率為2%時集電孔的行數(shù)和薄膜太陽能電池的輸出電力(Pmax)之間的關系的不圖；圖5是示出在開ロ率為4%時集電孔的行數(shù)和薄膜太陽能電池的輸出電力(Pmax)之間的關系的不圖；圖6是示出在開ロ率為1%時集電孔的行數(shù)和薄膜太陽能電池的輸出電力(Pmax)之間的關系的不圖；圖7是示出集電孔直徑和薄膜太陽能電池的輸出電力(Pmax)之間的關系的示圖；圖8是示意性地示出集電孔的交錯形狀設置的視圖；圖9是示出以交錯形狀設置的集電孔的行數(shù)和薄膜太陽能電池的輸出電力(Pmax)之間的關系的示圖； 圖10是常規(guī)薄膜太陽能電池的平面圖；以及圖11是對應于在圖7的線Y-Y上取得的截面圖的示出逐步制造常規(guī)薄膜太陽能電池的方法的視圖。用于實現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的各個實施例。圖I是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的薄膜太陽能電池10的構造的平面圖，而圖2是在圖I的線X-X上取得的截面圖。根據(jù)本發(fā)明的薄膜太陽能電池10具有SCAF結構，并且具有與圖10和11所示的常規(guī)薄膜太陽能電池70基本相同的構造。簡言之，薄膜太陽能電池10包括柔性絕緣基板11。絕緣基板11具有在其上通過順序地層疊第一電極層12、光電轉換層13和第二電極層14來形成光電轉換部15的正面、以及在其上通過順序地層疊第三電極層16和第四電極層17來形成背電極層18的背面。絕緣基板11的正面和背面的各層的疊層各自通過例如激光圖案形成エ藝線性地去除而分成多個區(qū)段，從而在絕緣基板11上形成多個單元太陽能電池(単元電池uc)，這些單元太陽能電池各自具有層疊在絕緣基板11的正面的光電轉換部15、以及層疊在絕緣基板11的背面的背電極層18。絕緣基板11的正面各層的疊層的被線性去除的部分(由實線指示)是第一線狀去除部21，而絕緣基板11的背面各層的疊層的被線性去除的部分(由虛線指示)是第二線狀去除部22。稍后將描述第一和第二線狀去除部21和22的形狀。在每ー單元電池(UC)中，第二電極層14和第四電極層17通過多個集電孔19彼此電連接。兩個相鄰單元電池(UCn和UCn+1)中的ー個單元電池(UCn)的第一電極層12的延長部通過連接孔20電連接到另ー單元電池(UCn+1)的第三電極層16的延長部。根據(jù)本發(fā)明的該配置的薄膜太陽能電池10還實現(xiàn)多個單元電池(UC)串聯(lián)連接的結構。每ー單元電池(UC)的第一電極層12的延長部是指在該基板的正面上形成的第一電極層12未形成光電轉換部15的那個區(qū)域(即，未形成三層結構的區(qū)域)、或者其一部分，而每ー單元電池(UC)的第三電極層16的延長部是指在該基板的背面形成的第三電極層16中除與光電轉換部15相對應的區(qū)域之外的那個區(qū)域、或者其一部分。ー個單元電池(UCn)的第一電極層12和另ー單元電池(UCn+1)的第三電極層16之間通過連接孔20的電連接可以其他方式如下地表示。這些單元電池排列成在相鄰的兩個單元電池之間限定第一重疊區(qū)，在第一重疊區(qū)中第一電極層12的未形成兩個相鄰單元電池之一的光電轉換部15的部分、以及另一單元電池的第三電極層16的部分隔著絕緣基板11彼此相對(在下文中將稱為“第一重疊部”)，同時兩個相鄰單元電池的第一電極層12和另ー單元電池的第三電極層16通過貫穿第一重疊區(qū)中的絕緣基板11的連接孔20彼此電連接。進ー步的描述涉及上述薄膜太陽能電池10的組件。例如，絕緣基板11是塑料基板。這種塑料基板的可用材料的示例包括聚酰亞胺膜、聚萘ニ甲酸こニ酯(PEN)膜、聚醚砜(PES)膜、聚對苯ニ甲酸こニ酯(PET)膜、以及芳族聚酰胺膜。絕緣基板11的厚度為例如50 ym，該厚度不限于此。在絕緣基板不需要柔性的情況下，可使用玻璃基板等。第一和第三電極層12和16各自是通過濺射エ藝形成的厚度為例如數(shù)百nm的銀(Ag)層。雖然未示出，但是第一電極層12的表面可施加有用于通過散射入射光來増加光電轉換層13處光的吸收的紋理形狀。盡管本實施例使用銀(Ag)電極作為第一電極層12， 但不限于該特征。例如，第一電極層12可包括通過在銀(Ag)電極的表面上沉積耐受等離子體的ニ氧化鈦(TiO2)而形成的層疊膜、ニ氧化錫(SnO2)膜、氧化鋅(ZnO)膜、或者類似的膜。替換地，可形成最佳紋理形狀的材料可用于形成第一電極層12。根據(jù)本發(fā)明，光電轉換層13是具有包括非晶娃(a-Si)層和非晶娃-鍺(a-SiGe)層的雙層串列結構的薄膜半導體層。然而，不限于該特征。光電轉換層13的其他可用材料包括非晶硅碳化物(a-SiC)、非晶硅氧化物(a-SiO)、非晶硅氮化物(a-SiN)、微晶硅(U c-Si)、微晶硅-鍺(u c-SiGe)、微晶硅碳化物(ii c-SiC)、微晶硅氧化物(ii c_SiO)、微晶硅氮化物(U c-SiN)、或者類似的材料。還可使用化合物材料和有機材料。形成光電轉換層13的每ー層可通過等離子體化學氣相沉積(等離子體CVD)、濺射、氣相沉積、催化化學氣相沉積(Cat-CVD )、光化學氣相沉積(光CVD )、或者類似的エ藝來形成。第二電極層14是本實施例用作透明電極層的通過濺射沉積的氧化銦錫(ITO)膜。然而，不限于這種氧化銦錫膜，而可使用ニ氧化錫(SnO2)膜、氧化鋅(ZnO)膜、或者類似的膜。第四電極層17是包括金屬膜的低電阻導電膜。本實施例使用通過濺射而沉積的鎳(Ni)膜作為第四電極層17。然而，不限于這種鎳膜，而第四電極層17可通過使用除鎳以外的材料來形成。集電孔19按以下方式設置集電孔分布在其中構成每一單元電池(UC)的光電轉換部15和背電極層18隔著絕緣基板11彼此相対的整個重疊區(qū)上(在下文中將稱為“第二重疊區(qū)”)。在上述第一重疊區(qū)中設置連接孔20，并且每一單元電池(UC)設置有六個連接孔20 (每ー橫向兩端側有三個連接孔)。集電孔19和連接孔20通過諸如沖壓之類的機械手段形成。在本實施例中，集電孔19和連接孔20兩者都形成為圓形。然而，集電孔19和連接孔20可在形狀、尺寸和數(shù)量方面適當?shù)馗淖円詽M足薄膜太陽能電池10的規(guī)格等。稍后將描述根據(jù)本發(fā)明的集電孔19的設置(即，分布設置)。制造根據(jù)本發(fā)明的薄膜太陽能電池10的方法與制造圖10所示的常規(guī)薄膜太陽能電池的方法(參見圖11)基本相同，并且為此，省略其描述。將對薄膜太陽能電池10的ー些特征進行描述，與常規(guī)薄膜太陽能電池(參見圖10)相比，這些特征是本實施例的特性。在此，描述具體涉及特征A :第一和第二線狀去除部的形狀；以及特征B :集電孔的分布設置。
特征A:第一和第二線狀去除部的形狀如圖10所示，常規(guī)薄膜太陽能電池70形成有直線延伸的第一和第二線狀去除部81和82。在各個第一線狀去除部81和相鄰的第二線狀去除部82之間在平面圖中限定的區(qū)域a和b中的區(qū)域a中設置各個連接孔80。如果在區(qū)域a中設置集電孔79，則第二電極層74和背電極層78 (包括第三和第四電極層76和77)通過集電孔79在其間提供電連續(xù)性、而第一電極層73和背電極層78通過連接孔80在其間提供電連續(xù)性，從而在第一電極層73和第二電極層74之間提供電連續(xù)性，由此導致泄漏發(fā)生。為此，有必要將集電孔79設置在與設置有連接孔80的區(qū)域a不同的區(qū)域b中。因此，允許集電孔79設置在常規(guī)薄膜太陽能電池70中的區(qū)域不限于區(qū)域b和単元光電轉換部75彼此重疊的區(qū)域C。在此情況下，在光電轉換部75的位于除區(qū)域c以外的區(qū)域(即，接近區(qū)域a的區(qū)域)的部分產(chǎn)生的載流子必須在高電阻的第二電極層74中移動直至集電孔79的距離長到足以導致大的集電損耗。相反，在根據(jù)本發(fā)明的薄膜太陽能電池10中，每ー第二線狀去除部22形成為具有如圖I所示的彎曲部22a，而每ー第一線狀去除部21形成為如在常規(guī)薄膜太陽能電池中直 線延伸。具體地，根據(jù)本發(fā)明的每ー第二線狀去除部22具有彎曲結構，在圖I的每ー橫向相對側，形成為具有兩個90°彎曲的彎曲結構。提供該特征是為了與常規(guī)薄膜太陽能電池的第二重疊區(qū)相比擴展允許集電孔19設置在其中的第二重疊區(qū)、同時確保第一重疊區(qū)用于設置連接孔20。即，每ー第二線狀去除部22在平面圖中彎曲(以具有彎曲部22a)，從而包圍其中形成每ー單元電池(UC)的背電極層18、以及相應光電轉換部15的全部或主要部分隔著絕緣基板11彼此相対的區(qū)域、以及確保第一重疊區(qū)用于在圖I的橫向兩側的每ー側設置連接孔20。換句話說，每ー單元電池(UC)的背電極層18具有將第一重疊區(qū)(S卩，用于在其中設置連接孔20的區(qū)域)限定于接近每ー相鄰單元電池的ー側的彎曲部。更具體地，背電極層18向相鄰的單元電池部分地突出以具有將第一重疊區(qū)(S卩，用于在其中設置連接孔20的區(qū)域)限定于圖I的橫向兩側的突出部18a。在每ー單元電池(UC)中，允許集電孔19在其中設置的第二重疊區(qū)是圖I的區(qū)域A，即光電轉換部15的全部或主要部分。為此，根據(jù)本發(fā)明的薄膜太陽能電池10使得允許集電孔19在其中設置的區(qū)域大于常規(guī)薄膜太陽能電池的區(qū)域，由此允許期望數(shù)量的集電孔19在每ー單元光電轉換部(即，第二電極層14)中的期望位置設置以滿足太陽能電池制造條件等。該特征可縮短在每ー單元光電轉換部產(chǎn)生的載流子必須在高電阻的第二電極層74中移動的距離，由此有可能減小集電損耗。每ー第二線狀去除部22的形狀不限于本實施例中的形狀。例如，每ー第二線狀去除部22可不以直角彎曲，而在傾斜方向上彎曲，或者可具有可折疊的曲線。如在本實施例中所使用的“彎曲部”是指包括這些形狀、以及在本實施例中所述的形狀。每ー第一線狀去除部21具有彎曲部、而每ー第二線狀去除部22形成為直線延伸也是可能的。替換地，第一和第二線狀去除部21和22兩者都可具有彎曲部。簡言之，在每ー單元電池(UC)中，第一和第二線狀去除部21和22中的至少ー個形成為具有彎曲部，從而光電轉換部15的全部或主要部分用作允許集電孔19設置在其中的第二重疊區(qū)。因此，在每ー單元電池(UC)中，第一電極層12和背電極層18中的至少ー個形成為具有彎曲部，從而光電轉換部15的全部或主要部分隔著絕緣基板11與背電極層18相對(或重疊)。當每ー第一線狀去除部21或每ー第二線狀去除部22具有彎曲部時，彎曲部優(yōu)選位于在連接孔20周圍的沒有第二電極層14的區(qū)域內。如本文中所使用的“沒有第二電極層14的區(qū)域”是指包括絕緣基板11的正面上未形成第二電極層14的區(qū)域、以及絕緣基板11的背面上與前一區(qū)域相對應的區(qū)域。當每ー第一線狀去除部21具有彎曲部時，感興趣的區(qū)域是前一區(qū)域，而當每一第二線狀去除部22具有彎曲部時，感興趣的區(qū)域是后一區(qū)域。通過使每一第一線狀去除部21的彎曲部或每ー第二線狀去除部22的彎曲部定位于沒有第ニ電極層14的區(qū)域中，可擴展允許集電孔19設置在其中的區(qū)域(即，第二重疊區(qū))。在本實施例中，線性地去除絕緣基板11的正面和背面上各層的疊 層以形成第一和第二線狀去除部21和22，由此形成各自具有層疊在絕緣基板11的正面的光電轉換部15、以及層疊在絕緣基板11的背面的背電極層18的多個單元電池(UC)。不限于該特征。例如，通過使用掩模在絕緣基板11的正面和背面上層疊這些層，可在絕緣基板11上形成多個單元電池。在此情況下，其中掩模已防止這些層層疊的區(qū)域對應于第一線狀去除部21和22。特征B :集電孔的分布設置為了研究集電孔的最佳設置，通過考慮面積損耗和集電損耗來實現(xiàn)對薄膜太陽能電池的輸出特性的仿真。如本文中所使用的“面積損耗”是指與由集電孔的存在引起的電カ產(chǎn)生面積的減小相對應的所產(chǎn)生電流的減小(即，與集電孔的總面積相對應的減小)。如本文中所使用的“集電損耗”是指當光電轉換部產(chǎn)生的載流子在第二電極層(即，透明電極層)中移動和/或當載流子穿過集電孔時發(fā)生的電カ損耗。考慮對集電損耗產(chǎn)生特定影響的因素包括集電孔的設置和尺寸、第二電極層的薄層電阻等。仿真使用有限元法來實現(xiàn)。通過分析每ー網(wǎng)格區(qū)域中的電流來計算電壓降，從而導出薄膜太陽能電池的電流-電壓特性(IV特性)。允許集電孔設置在其中的區(qū)域是構成每ー單元電池的光電轉換部和背電極層隔著絕緣基板彼此相對、且對應于圖I中的區(qū)域A (矩形區(qū)域)的第二重疊區(qū)。在一些情形下，通過使用各自具有SCAF結構的實際制造的薄膜太陽能電池來檢查這些特性。最初，對設置在區(qū)域A中的集電孔的行數(shù)進行研究。具體地，薄膜太陽能電池的輸出電力通過在使集電孔的總開ロ面積與單元光電轉換部(即，電カ產(chǎn)生區(qū))的總面積的比率保持恒定的同時改變集電孔的行數(shù)來彼此進行比較(在下文中將稱為“開ロ率”)。在以下描述中，沿區(qū)域A的長邊的方向被稱為“X方向”，而沿區(qū)域A的短邊的方向被稱為“Y方向”。如上所述的“行數(shù)”等于在Y方向上排列的集電孔
的數(shù)量。當開ロ率恒定時，面積損耗保持基本相同，并且因此薄膜太陽能電池之間的輸出電カ差(即，轉換效率的差值)取決于如何設置集電孔。在當前的研究中，薄膜太陽能電池的輸出電力通過改變所使用的具有三個開ロ率(1%、2%和4%)的集電孔的行數(shù)來彼此進行比較。通過在使每ー集電孔的直徑固定在Imm的同時調節(jié)集電孔的數(shù)量來實現(xiàn)每ー開ロ率。在當前的研究中，在如下情形下計算薄膜太陽能電池的輸出電力(Pmax):允許集電孔在其中設置的區(qū)域A (矩形區(qū)域)的尺寸=195.6mm(X)X26.8(Y)mm，并且第二電極層的薄層電阻=20 Q ,50 Q 和 100Q。具體地，根據(jù)以下エ藝步驟(I)至(4)在區(qū)域A中設置多個集電孔，并且在集電孔處于不同設置的情況下計算薄膜太陽能電池的輸出電力(Pmax)。在步驟(I)中，確定集電孔的行數(shù)n，并且區(qū)域A在Y方向上分成(n+1)個區(qū)域。例如，當要設置五行集電孔時，得到26. 8/(5+1)=4. 47。因此，在Y方向上以4. 47mm的間隔繪制與區(qū)域A的長邊平行的五條分割線(在下文中將稱為“第一分割線”)，從而將區(qū)域A分成六個區(qū)域。由此，在區(qū)域A中形成各自尺寸為195. 6mm X 4. 47mm的六個矩形區(qū)域。在步驟(2)中，確定形成每一行的集電孔的數(shù)量。在此，集電孔的總數(shù)根據(jù)開ロ率來確定，并且形成每一行的集電孔的數(shù)量通過由此確定的總數(shù)除以行數(shù)n來確定。例如，當在開ロ率設為2%的情況下設置五行集電孔吋，2%的開ロ率對應于在區(qū)域A中形成的約130個集電孔(Immcj5)，并且因此形成每一行的集電孔的數(shù)量為130/5=26。在當前的研究中，當通過將集電孔的總數(shù)除以行數(shù)n獲取的值不是整數(shù)時，調節(jié)集電孔的整數(shù)以獲取最接近所計算值的整數(shù)。在步驟(3)中，區(qū)域A在X方向上分成{在步驟(2)中確定的構成每一行的集電孔的數(shù)量+1}。例如，當在開ロ率設為2%的情況下設置五行集電孔吋，得到195. 6/ (26+1)=7. 24。因此，在X方向上以7. 24mm的間隔繪制與區(qū)域A的短邊平行的26條分割線(在下文中將稱為“第二分割線”)，從而將區(qū)域A分成27個區(qū)域。因此，區(qū)域A通過第一和第二分割線分成柵格形狀，從而在區(qū)域A中形成尺寸各自為7. 24mm X 4. 47mm的162(=6 X 27)個矩形區(qū)域。在步驟(4)中，集電孔設置為其各自的中心與第一分割線和第二分割線的交點(即，柵格點)相對應。通過步驟(I)至(4)，集電孔在區(qū)域A中以柵格形狀設置，這些集電孔的數(shù)量實現(xiàn)預定開ロ率。通過該設置，預定數(shù)量的集電孔分布在區(qū)域A中、或者遍布區(qū)域A設置，而由此設置的多個集電孔在X方向上以及在Y方向上彼此之間的間隔相等。注意，從通過步驟(I)至(3)的分割得到的區(qū)域與在有限元法中所使用的網(wǎng)格區(qū)域不同。圖3是示意性地示出多個集電孔以柵格形狀設置(行數(shù)=4)的視圖。在圖3所示的柵格形狀設置中，調節(jié)所有集電孔在X方向上的位置，以使在X方向上從單元光電轉換部的相對兩端的每一端到最接近的那些集電孔的距離(L2)是在X方向上彼此最接近的那些集電孔之間的距離(LI)的約1/2。圖4示出在開ロ率為2%時集電孔的行數(shù)和所計算的薄膜太陽能電池的輸出電力(Pmax)之間的關系。歸ー化圖4中的輸出電力(Pmax)，從而在集電孔的行數(shù)=4且第二電極層的薄層電阻=50 Q的情形下取1.0的值。如從圖4可見，在2%開ロ率的情況下，當集電孔的行數(shù)為3至4吋，薄膜太陽能電池的輸出電力(Pmax)在任一個薄層電阻處都取為最高值。此外，薄膜太陽能電池的輸出電カ隨著第二電極層的薄層電阻増大而減小。圖5示出在開ロ率為4%時集電孔的行數(shù)和所計算的薄膜太陽能電池的輸出電力(Pmax)之間的關系。與在圖4中ー樣，歸ー化圖5中的輸出電力(Pmax)，從而在開ロ率=2%、集電孔的行數(shù)=4、且第二電極層的薄層電阻=50 Q的情形下取1.0的值。如從圖5可見，在4%的開ロ率的情況下，當集電孔的行數(shù)為5至6吋，輸出電力(Pmax)在任一個薄層電阻處都取最高值，并且因此與2%的開ロ率的情況相比(參見圖3)，薄膜太陽能電池產(chǎn)生最高輸出電力(Pmax)的集電孔的行數(shù)増加。同樣如在圖中可見，與2%的開ロ率的情況相比，薄膜太陽能電池的輸出電カ隨著第二電極層的薄層電阻的變化而變化的范圍減小。圖6示出在開ロ率為1%時集電孔的行數(shù)和所計算的薄膜太陽能電池的輸出電力(Pmax)之間的關系。與圖4和5中一樣,歸一化圖6中的輸出電カ(Pmax),從而在開ロ率=2%、集電孔的行數(shù)=4、且第二電極層的薄層電阻=50 Q的情形下取1.0的值。如從圖6可見，在1%開ロ率的情況下，當集電孔的行數(shù)為2至3吋，輸出電力(Pmax)在任一個薄層電阻處都取最高值，并且因此與2%的開ロ率的情況相比(參見圖4)，薄膜太陽能電池產(chǎn)生最高輸出電力(Pmax)的集電孔的行數(shù)減少。同樣如圖可見，與2%的開ロ率的情況相比，薄膜太陽能電池的輸出電カ隨著第二電極層的薄層電阻的變化而變化的范圍増大。從圖4至6可確認，開ロ率增大，薄膜太陽能電池產(chǎn)生最高輸出電力(Pmax)時的集電孔的行數(shù)向更高行數(shù)變動，同時薄膜太陽能電池的輸出電カ隨著第二電極層的薄層電阻的變化而變化的范圍減小。 針對集電孔之間的間隔，可確認的是在薄膜太陽能電池在每ー開ロ率產(chǎn)生最高輸出電力(Pmax)的集電孔行數(shù)的情況下，X方向上排列的集電孔之間的間隔與Y方向上排列的集電孔之間的間隔基本相等。這意味著當多個集電孔設置成集電孔遍布區(qū)域A地分布、而X方向上排列的集電孔之間的間隔和Y方向上排列的集電孔之間的間隔彼此基本相等(即，在圖3中L1=L3)時，薄膜太陽能電池的輸出電力(Pmax)在任一個開ロ率下都變成最聞。換言之，雖然集電孔的最佳行數(shù)根據(jù)開ロ率(S卩，集電孔的數(shù)量)而不同，但是所有情況都共享的特征在于，在任一個開ロ率，多個集電孔優(yōu)選按以下方式設置集電孔分布在構成每一單元電池的単元光電轉換部和単元背電極部彼此重疊的重疊區(qū)中、而彼此最接近的那些集電孔彼此之間的間隔相等。如下地考慮薄膜太陽能電池的輸出電力隨著薄層電阻的變化而變化的范圍。隨著開ロ率増大，設置在區(qū)域A中的集電孔的數(shù)量増加，并且因此集電孔之間的間隔變得相對較小。這使得每ー集電孔的集電面積減小，從而薄膜太陽能電池的輸出電カ變得不易受第ニ電極層的薄層電阻影響。因此，在增大開ロ率的情況下，輸出電カ隨著第二電極層的薄層電阻的變化而變化的范圍減小。然而，在從20Q到100Q的薄層電阻范圍內，如從圖4至6可見，薄膜太陽能電池產(chǎn)生最高輸出電力(Pmax)的集電孔的行數(shù)在每ー開ロ率下保持基本相同。由此，可以說，在任ー個薄層電阻下，多個集電孔優(yōu)選按以下方式設置集電孔分布在構成每一單元電池的單元光電轉換部和單元背電極部彼此重疊的重疊區(qū)中、而彼此最接近的那些集電孔彼此之間的間隔相等。薄層電阻的范圍為從20Q到100Q的這種第二電極層通常用于實際的薄膜太陽能電池。雖然圖4至6示出第二電極層的薄層電阻的范圍為從20Q IlJ 100 Q的情況，但是對集電孔設置的計算使用落在該薄層電阻范圍以外的其他電阻值來進行，并且由此針對輸出電カ呈現(xiàn)最高值(Pmax)的集電孔的設置，確認該計算以獲取與當前研究基本相同的結果。由此，不管開ロ率(集電孔的數(shù)量)和第二電極層的薄層電阻如何，優(yōu)選多個集電孔按以下方式設置集電孔分布在區(qū)域A中(即，允許集電孔設置在其中的區(qū)域)，而彼此最接近的那些集電孔彼此之間的間隔相等。這種設置使薄膜太陽能電池的轉換效率能夠得以改進。薄膜太陽能電池在ー些上述情形下根據(jù)實際制造，并且隨后在這些薄膜太陽能電池之間進行關于輸出特性的比較。從該比較中確認，獲取與上述仿真的結果基本相同的結果。根據(jù)在圖4至6之間的比較，當在從1%至4%的開ロ率范圍內開ロ率為2%時，薄膜太陽能電池產(chǎn)生最高輸出電力(Pmax)。因此，還可以說，優(yōu)選根據(jù)本實施例的薄膜太陽能電池10的開ロ率約為2%，其規(guī)格與進行當前研究的薄膜太陽能電池的規(guī)格基本相同。然而，最佳開ロ率可根據(jù)第二電極層的薄層電阻以及類似的因素而變化。為此，優(yōu)選在與當前研究中所使用情形不同的變化情形(例如，薄層電阻)下進行與當前研究類似的研究之后確立開ロ率。
接著，對集電孔直徑進行研究。具體地，通過改變集電孔直徑，在薄膜太陽能電池的輸出電力之間進行比較。仿真使用在2%的開ロ率下設置行數(shù)為4 (圖4)的集電孔來進行。圖7示出每ー集電孔的直徑和薄膜太陽能電池的輸出電力(Pmax)之間的關系。與圖4至6中一祥，歸ー化圖7中的輸出電力(Pmax)，從而在開ロ率=2%、集電孔的行數(shù)=4、且第二電極層的薄層電阻=50 Q的情形下取1.0的值。如從圖7可見，當集電孔直徑為I. Omm時,薄膜太陽能電池的輸出電力(Pmax)取最高值。面積損耗隨著每一集電孔變大而增加，而集電孔的電阻隨著每一集電孔變小(即，隨著每一集電孔的周長變短)而増大?？筛鶕?jù)在集電孔直徑大于1_時面積損耗的影響變得顯著(這導致輸出電力(Pmax)減小)、而在集電孔直徑小于Imm時集電孔處的電阻損耗變得顯著(這導致輸出電カ(Pmax)減小)的事實來考慮。在圖7中，當集電孔直徑落入從0. 6mm到I. Omm的范圍內時,可以說薄膜太陽能電池的輸出電力(Pmax)足夠高(Pmax不小于0. 99)。另ー方面，當集電孔直徑大于Imm時,薄膜太陽能電池的輸出電力隨著集電孔直徑的變化而變化的范圍變大因此，還優(yōu)選對于根據(jù)本實施例的薄膜太陽能電池10,集電孔直徑被設成落入從0. 6mm到I. Omm (優(yōu)選I. Omm)的范圍內，其規(guī)格與進行當前研究的薄膜太陽能電池基本相同。同時，第二電極層(S卩，透明電極層)和第四電極層在每ー集電孔的內周上彼此重疊以在其間提供電連續(xù)性。由于第二電極層本質上具有高電阻，因此考慮第四電極層的薄層電阻比集電孔的電阻變化顯著。因此，即使在集電孔直徑保持相同時，如果第四電極層的材料或厚度變化，則集電孔處的電阻也變化。雖然根據(jù)當前的研究集電孔處的電阻(Immcj5)約為0. 8Q，但是有可能在集電孔處的電阻通過例如改變第四電極層的材料、或者増加第四電極層的膜厚來減小時，最佳集電孔直徑向較低值變動。也有可能最佳集電孔直徑向更低值變動，因為每ー集電孔收集的電流的量隨著集電孔的數(shù)量増加而減小，并且因此集電孔處的電阻損耗相對降低。即使在這種情況下，也不考慮最佳集電孔直徑變得遠遠超出從0. 6到Imm的上述范圍。然而，進行與當前研究類似的研究以發(fā)現(xiàn)較小的最佳集電孔直徑。通過使用不同的集電孔直徑對上述集電孔設置法進行研究。因此，確認集電孔直徑對集電孔的最佳設置不產(chǎn)生影響，因為當多個集電孔設置成集電孔分布在區(qū)域A中、而彼此最接近的那些集電孔彼此之間的間隔相等時，在任ー個集電孔直徑下，薄膜太陽能電池的輸出電カ(Pmax)都取最高值。根據(jù)實際制造薄膜太陽能電池，并且隨后進行實驗以供在這些薄膜太陽能電池之間進行關于集電孔直徑的比較。從該實驗中確認，獲取與上述仿真的結果基本相同的結果。作為各集電孔的上述設置(S卩，柵格形狀的設置)的變體，對多個集電孔的交錯設置進行研究。具體地，與進行每一上述研究(圖4至7)的柵格形狀設置的集電孔相比，集電孔以交錯的設置排列，在該交錯設置中，構成每一偶數(shù)行(或每一奇數(shù)行)的集電孔在X方向上按以下方式移位形成每ー偶數(shù)行(或奇數(shù)行)的每ー集電孔都置于由構成一部分奇數(shù)行的四個集電孔的最小四邊形的重心上。圖8是示意性地示出多個集電孔的交錯設置(行數(shù)=4)的視圖。在圖8所示的交錯設置中，在X方向上調節(jié)所有集電孔的位置，以使X方向上彼此最接近的那些集電孔之間的距離(L4)與X方向上從單元光電轉換部的兩端的每一端(S卩，電カ產(chǎn)生區(qū))到最接近的那些集電孔的距離(L5或L6)基本相等。 圖9示出以交錯設置排列的集電孔的行數(shù)和薄膜太陽能電池的輸出電カ(Pmax)之間的關系。圖9只摘錄集電孔直徑為Imm且第二電極層的薄層電阻為50Q的情況。與圖4至7中ー樣，歸一化圖9中的輸出電力(Pmax )，從而在開ロ率=2%、集電孔的行數(shù)=4、且第二電極層的薄層電阻=50 Q的情形下取1.0的值。確認的是根據(jù)任一行數(shù)，通過將集電孔的設置從柵格形狀設置變成交錯設置來增加薄膜太陽能電池的輸出電力(Pmax)，如從圖9可見。與柵格形狀設置的情況下一祥，還確認的是根據(jù)薄膜太陽能電池的輸出電力(Pmax)在每ー開ロ率設定為最高值的集電孔的行數(shù)，彼此最接近的那些集電孔彼此的間隔基本相等(圖8中的L7)。根據(jù)實際制造薄膜太陽能電池，并且隨后對集電孔的交錯設置進行實驗以供在這些薄膜太陽能電池之間進行比較。根據(jù)該實驗確認，獲取與上述仿真的結果基本相同的結果。通過以上所述的研究確認，優(yōu)選設置是薄膜太陽能電池的至少多個集電孔均勻地分布在構成每一單元電池的單元光電轉換部和單元背電極部彼此重疊的重疊區(qū)中。更具體地，多個集電孔以柵格形狀或交錯形狀按彼此最接近的那些集電孔彼此之間的間隔相等的方式設置。多個集電孔是以柵格形狀設置還是以交錯形狀設置可適當?shù)剡x擇來滿足集電孔的數(shù)量、或允許集電孔在其中設置的區(qū)域的尺寸和形狀。在考慮集電損耗的情況下，可以說更優(yōu)選集電孔按以下方式設置從單元光電轉換部的兩端的每一端到最接近的那些集電孔的距離小于或等于彼此最接近的那些集電孔之間的間隔。盡管對在尺寸為195. 6mm X26. 8mm的允許集電孔設置在其中的區(qū)域(即，矩形區(qū)域A)中設置集電孔的方法進行了以上研究，但即使當允許集電孔設置在其中的區(qū)域在形狀或尺寸方面與以上研究中的區(qū)域不同時，也可通過上述一系列研究來找到集電孔的具體最佳設置。雖然集電孔的最佳行數(shù)和最佳開ロ率(即，集電孔的最佳數(shù)量)隨著允許集電孔設置在其中的區(qū)域的形狀或尺寸的變化而變化，但是可根據(jù)上述研究考慮到可通過其中多個集電孔分布在允許集電孔設置在其中的第二重疊區(qū)(即，矩形區(qū)域A)中、而彼此最接近的那些集電孔彼此之間的間隔相等的設置來改進轉換效率的效果保持相同。在具有SCAF結構的薄膜太陽能電池中，允許集電孔設置在其中的區(qū)域的形狀或尺寸的變化不僅包括形狀或尺寸的簡單變化，而且包括關于連接孔及其周邊區(qū)域(即，掩模區(qū)域)的變化、以及第一線狀去除部的形狀和第二線狀去除部的形狀的變化。由于具有SCAF結構的薄膜太陽能電池具有允許集電孔設置在其中的區(qū)域(該區(qū)域可由此根據(jù)連接孔的存在性、以及第一和第二線狀去除部的存在性來改變)，因此集電孔的最佳設置必須通過考慮到這些情形而進行的仿真來確定。毋庸贅言，優(yōu)選在考慮了由連接孔的存在性引起的面積損耗、以及連接孔處的電阻損耗的情況下確立連接孔的尺寸和數(shù)量。盡管以上描述已涉及具有在單個絕緣基板上形成的多個單元電池的薄膜太陽能電池，但不限于該排列。例如，與在當絕緣基板上形成多個單元電池的排列不同，在多個絕緣基板上形成多個單元電池的替換設置是可能的。這意味著本發(fā)明的范圍涵蓋具有多個單元電池串聯(lián)連接的結構的任意薄膜太陽能電池。附圖標記說明10薄膜太陽能電池、11絕緣基板、12第一電極層、13光電轉換層、14第二電極層(透明電極層)、15光電轉換部、16第三電極層、17第四電極層、18背電極層、18a突出部、19集電孔、20連接孔、21第一線狀去除部、22第二線狀去除部、22a彎曲部、UC單元電池(単元 太陽能電池)。
權利要求
1.ー種薄膜太陽能電池，所述薄膜太陽能電池包括多個單元太陽能電池，每ー單元太陽能電池具有其中第一電極層、光電轉換層和透明的第二電極層順序地層疊在絕緣基板的正面的光電轉換部、以及層疊在所述絕緣基板的背面的背電極層， 所述單元太陽能電池被排列成在相鄰的兩個單元太陽能電池之間限定第一重疊區(qū)，在所述第一重疊區(qū)中第一電極層的未形成所述兩個相鄰單元太陽能電池中的ー個單元太陽能電池的光電轉換部的部分、以及另一単元太陽能電池的背電極層的一部分隔著所述絕緣基板彼此相対,并且 所述多個単元太陽能電池串聯(lián)連接成在每ー單元太陽能電池中，所述第二電極層和所述背電極層通過貫穿所述絕緣基板的多個集電孔彼此電連接，并且所述兩個相鄰單元太陽能電池之一的第一電極層和所述兩個相鄰單元太陽能電池的另ー個的背電極層通過貫穿所述第一重疊區(qū)中的絕緣基板的至少ー個連接孔彼此電連接， 其中所述多個集電孔按以下方式設置集電孔分布在其中構成每一単元太陽能電池的 所述光電轉換部和所述背電極層隔著所述絕緣基板彼此相対的第二重疊區(qū)中，而彼此最接近地設置的那些集電孔彼此之間的間隔相等。
2.如權利要求I所述的薄膜太陽能電池，其特征在干，每ー單元太陽能電池中的第一電極層和背電極層中的至少ー個具有限定相鄰單元太陽能電池側的所述第一重疊區(qū)的彎 曲部，同時所述光電轉換部的全部或主要部分隔著所述絕緣基板與相應的背電極層相対。
全文摘要
公開了具有多個單元太陽能電池串聯(lián)連接的結構的薄膜太陽能電池。在薄膜太陽能電池中，通過在每一單元太陽能電池中適當?shù)卦O置集電孔來改進轉換效率。在薄膜太陽能電池(10)中，形成各自具有層疊在絕緣基板(11)的正面上的光電轉換部(15)、以及層疊在絕緣基板(11)的背面上的后電極層(18)的多個單元太陽能電池(UC)，并且這些單元太陽能電池(UC)經(jīng)由集電孔(19)和連接孔(20)串聯(lián)連接。集電孔(19)分布在重疊區(qū)(A)中，在該重疊區(qū)(A)中構成每一單元太陽能電池(UC)的光電轉換部(15)和后電極層(18)隔著絕緣基板(11)面向彼此，以使最接近的集電孔(19)之間的間隔相等。
文檔編號H01L31/04GK102770964SQ20108006329
公開日2012年11月7日 申請日期2010年5月21日 優(yōu)先權日2010年5月21日
發(fā)明者下澤慎, 增田頌之 申請人:富士電機株式會社