專利名稱：光學(xué)串疊型光伏電池面板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光伏型能量轉(zhuǎn)換裝置(ECD)，更具體地涉及例如ECD型電池的光伏電 池，其由上面安裝有光伏電池陣列的面板的疊層(stack)組成。
定義 電磁輻射到電能轉(zhuǎn)換裝置(EREECD):與電磁(光學(xué))輻射反應(yīng)而產(chǎn)生電能的裝置
光學(xué)輻射到電能轉(zhuǎn)換裝置(OREECD):與光學(xué)電磁輻射反應(yīng)而產(chǎn)生電能的裝置。此 類裝置可以是輻射吸收裝置，例如光探測器/計數(shù)器、光伏電池(太陽能電池)或輻射驅(qū)動 電解電池。 光電能量裝置(OED):通過電子裝置與光學(xué)輻射反應(yīng)而產(chǎn)生電能的裝置。
光伏電池將入射在其表面上的在紫外線至紅外線輻射范圍內(nèi)的光或其它輻射能
量轉(zhuǎn)換成功率/電壓/電流形式的電能的電裝置(例如半導(dǎo)體)，其具有兩個電極，通常為
具有上電極和電極性相反的下電極的二極管。光伏電池產(chǎn)生流過所述電極的直流電。如本
文所采用的，術(shù)語光伏電池泛指將輻射能轉(zhuǎn)換為電能的電池，包括如上文所定義的EREECD、
OREECD 、和0ED。 太陽能電池將入射在其表面上的光轉(zhuǎn)換為電能的電光伏裝置(例如半導(dǎo)體)，其 具有兩個電極，通常為具有上電極和電極性相反的下電極的二極管。太陽能電池產(chǎn)生流過 所述電極的直流電。如本文所采用的，術(shù)語太陽能電池泛指將輻射能轉(zhuǎn)換為電能的電池。
面板在由玻璃、石英、金屬或其它材料形成的襯底上形成的結(jié)構(gòu)，其上面安裝有 多個太陽能電池，該結(jié)構(gòu)可以包括電輸入和輸出裝置。
TCO(透明導(dǎo)電氧化物)光學(xué)透明導(dǎo)電體。 疊層相互堆疊地安裝的面板的層疊，其被布置為使陽光入射在最上面的面板上 且陽光的一部分濾出或透至下層面板。 太陽光譜作為入射光子的波長的函數(shù)可用的太陽能的量，其中每個光子的能量 是被單位為微米的波長除的1. 24伏。
光譜響應(yīng)在入射光子的波長下由太陽能電池產(chǎn)生的電流的量。 電并聯(lián)太陽能電池的上電極和下電極與其它太陽能電池的上電極和下電極連接 而產(chǎn)生相加的太陽能電池電流。 電串聯(lián)太陽能電池的上電極連接到另一太陽能電池的下電極以使電池所產(chǎn)生的 電壓加在一起。 光學(xué)串聯(lián)使入射在例如半導(dǎo)體的一個裝置上的光被該裝置部分吸收且其余光傳 遞至其它裝置(例如半導(dǎo)體)的布置。 串疊型太陽能電池其中某些入射光被較高層電池吸收且未被吸收的部分被向下 傳遞至較低層電池的太陽能電池疊層。 帶隙或能帶隙半導(dǎo)體裝置的特征能量分布，其確定半導(dǎo)體裝置的電性能、電流和
電壓輸出，其特別包括半導(dǎo)體的價帶與導(dǎo)帶之間的差。 p/n結(jié)由p型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體之間的連接形成的二極管。
隧道結(jié)被如此高度地?fù)诫s以至于表現(xiàn)出歐姆電特性而不是二極管特性的p/n結(jié)。 接觸柵格連接在一起以便將由具有低電阻的太陽能電池產(chǎn)生的電流聚集在一起并允許入射陽光到達(dá)作為半導(dǎo)體裝置的太陽能電池的表面的大部分的金屬線。
負(fù)載需要電源的使用電力的裝置，例如電器、加熱器、電視等。
底座(base):太陽能電池的主體，位于半導(dǎo)體中的結(jié)邊界之下。 旁路二極管被設(shè)置為跨越一組太陽能電池以使過多的電流分流并因此而防止對在該組中的其它電池仍被照亮的同時變得避光的電池造成損壞的二極管。
背景技術(shù)：
使用具有不同帶隙的多種太陽能電池制造串疊型太陽能轉(zhuǎn)換裝置的目的在于使太陽能電池在轉(zhuǎn)換接近于其帶隙的光子能時比其在轉(zhuǎn)換比其帶隙高得多的光子能時更加高效。通過將太陽光譜再分為多個部分并使用被優(yōu)化為在適當(dāng)?shù)墓庾V部分內(nèi)將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的多個太陽能電池，總體效率得到相當(dāng)可觀的提高。 某些類型的串疊型太陽能電池在本領(lǐng)域中眾所周知。最常見的種類是單體形式，其中在第一半導(dǎo)體中形成p/n結(jié)，后面是通過外延而生長的隧道結(jié)，通過外延還生長更高帶隙半導(dǎo)體的第二結(jié)。如果需要，還通過外延來生長第二隧道結(jié)和甚至更高帶隙半導(dǎo)體的第三p/n結(jié)。位于其串疊型疊層中的其它半導(dǎo)體p/n結(jié)之上的每個半導(dǎo)體p/n結(jié)吸收比其帶隙更大的光子能的光并將在該帶隙之下的光子能的光的其余部分透射到位于其下面的半導(dǎo)體p/n結(jié)。隧道結(jié)的目的是充當(dāng)?shù)碗娮?歐姆"接點以串聯(lián)地連接單獨的p/n結(jié)，促使每個電池的電壓相互加在一起。由于結(jié)被串聯(lián)，所以疊層中的每個p/n結(jié)太陽能電池所產(chǎn)生的電流必須是相同的，或者將會損失功率和能量轉(zhuǎn)換效率。

發(fā)明內(nèi)容
沒有一種現(xiàn)有技術(shù)包括這樣的步驟，S卩，連接串疊型結(jié)構(gòu)的單獨面板上的太陽能電池，以便疊層中的每個面板具有基本相同的電壓或電流輸出，允許面板串聯(lián)地連接而將電壓加在一起或并聯(lián)地連接而將電流加在一起，由此，成品串疊型能量轉(zhuǎn)換裝置只具有兩個電極( 一個是通常連接到電氣"地"的輸出電極，且另一個是輸出電極)，以便該能量轉(zhuǎn)換裝置可以連接到單個負(fù)載。 依照本發(fā)明，一種光伏裝置包括光伏電池的疊層，例如光伏(例如太陽能)能量轉(zhuǎn)換裝置(ECD)電池，其中每個疊層由多個光伏面板組成，每個光伏面板具有安裝在其上面的例如太陽能電池等光伏電池陣列，以便當(dāng)輻射(太陽)能入射在最上面的面板上時，輻射(太陽)能光譜的一部分被吸收，從而產(chǎn)生電能。堆疊面板的每個連續(xù)面板接收未被上面板吸收的輻射(太陽)能的部分。透射到疊層中的下層光伏電池的面板的能量被吸收，從而產(chǎn)生電能。 在本發(fā)明的一方面，疊層中的較高面板安裝有具有較高能帶隙的光伏(太陽能)電池，且疊層中的下面較低的后續(xù)面板安裝有具有較低能帶隙的光伏(太陽能)電池。光伏(太陽能)電池被串聯(lián)和并聯(lián)地電連接，使得每個面板產(chǎn)生期望的電壓和電流輸出，且面板被電連接在一起，使得轉(zhuǎn)換為有用電的入射太陽能的量大于任何一個面板單獨產(chǎn)生的量。
5
依照本發(fā)明，提供了一種光伏(太陽)能轉(zhuǎn)換裝置，其包括從上面板到下面板以層級形式堆疊的至少兩個面板的垂直疊層，每個面板包括具有與垂直面板疊層中的光伏(太陽能)電池的其它面板不同的能帶隙的光伏(太陽能)電池的匹配陣列。所述垂直疊層中的每個面板被布置為所述面板之一具有位于所述層級中的帶有較高能帶隙的光伏(太陽能)電池且在所述疊層中在包含具有較低能帶隙的光伏(太陽能)電池的其它所述面板之上。裝置的頂面被配置為接收入射在最上層面板上的輻射(太陽)會^。 每個上面板吸收具有比其能帶隙大的太陽光子能的一部分陽光，且每個上層面板使具有少于較大光伏(太陽)光子能的光子能的太陽光子透射到在層級中較低且在疊層中位于較低位置的其余面板之一。優(yōu)選地，每個面板中的光伏(太陽能)電池被串聯(lián)電連接；且面板被并聯(lián)連接?；蛘?，優(yōu)選的是每個面板中的光伏(太陽能)電池被并聯(lián)電連接且面板被串聯(lián)連接。優(yōu)選地，以串聯(lián)電布置連接的每個面板上的太陽能電池的數(shù)目等于每個面板的期望輸出電壓除以每個面板上的每個光伏(太陽能)電池的工作電壓。還優(yōu)選的是兩個面板的疊層在上面板上安裝有GaAs光伏(太陽能)電池，且在下面板上安裝有硅太陽能電池。 在另一個實施例中，上面板安裝有選自GaAs、 GalnP、 GaAsP、非晶硅、CdTe、和CdZnTe的組的光伏(太陽能)電池；且下面板安裝有選自由晶體硅、多晶硅、銅銦鎵二硒、鍺、氮化鎵銦、和氮化鎵銦砷組成的組的光伏(太陽能)電池。 還優(yōu)選的是三個所述面板的疊層具有從上到下依次布置的上面板、中面板和下面板；上面板安裝有其能帶隙大于1. 7電子伏特的光伏(太陽能)電池，下面板安裝有其能帶隙小于1. 1電子伏特的光伏(太陽能)電池，且中面板安裝有其帶隙在安裝在上面板與下面板上的電池的帶隙之間的光伏(太陽能)電池。優(yōu)選地，每個面板中的光伏(太陽能)電池被并置且被介電間隔件分開；或?qū)釉谝黄稹?依照本發(fā)明的另一方面，一種光伏(太陽)能轉(zhuǎn)換裝置包括至少兩個面板，所述至少兩個面板被布置為用于指引要入射在疊層中的最上層面板上的光伏(太陽)能，所述疊層的每個面板包含具有不同能帶隙的光伏(太陽能)電池陣列。所述面板被布置成垂直疊層，具有較高能帶隙光伏(太陽能)電池的面板位于具有較低能帶隙光伏(太陽能)電池的面板之上；每個面板被配置為吸收具有大于其能帶隙的光伏(太陽)光子能的一部分陽光，且被配置為使具有低于其能帶隙的能量的光伏(太陽)光子透射到疊層中較低的面板。
優(yōu)選地，每個面板中的光伏(太陽能)電池被串聯(lián)電連接且面板被并聯(lián)連接；或者每個面板中的光伏(太陽能)電池被并聯(lián)電連接且面板被串聯(lián)連接。優(yōu)選地，以并聯(lián)電布置連接的每個面板上的光伏(太陽能)電池的數(shù)目等于每個面板的期望輸出電流除以每個面板上的每個太陽能電池的工作電流。 上面板和堅固(solid)的最下層面板的透明性使得透過較上層面板的一部分光可以被較下層面板向上反射回去而得到附加功率輸出和較低損耗。此類向上反射的益處取決于穿透每個面板的光的量和較下層面板的反射特性。 優(yōu)選的是兩個面板的疊層在上面板上安裝有GaAs光伏(太陽能)電池且在下面板上安裝有硅太陽能電池?；蛘?，上面板安裝有選自GaAs、GalnP、GaAsP、非晶硅、CdTe、和CdZnTe的組的太陽能電池；且下面板安裝有選自晶體硅、多晶硅、銅銦鎵二硒、鍺、氮化鎵銦、或氮化鎵銦砷的組的光伏(太陽能)電池。
依照本發(fā)明的又一方面，疊層中的三個光伏(太陽能)電池面板包括從上到下依次布置的上面板、中面板和下面板。上面板安裝有其能帶隙大于約1. 7電子伏特的太陽能電池。下面板安裝有其能帶隙小于約1. 1電子伏特的太陽能電池。中面板安裝有具有在安裝在上面板與下面板上的電池的帶隙之間的帶隙的太陽能電池。優(yōu)選地，將一組光伏(太陽能)電池指定為一個單元且每個單元包括保護(hù)性旁路二極管。優(yōu)選地，每個面板中的光伏(太陽能)電池被介電間隔件分開；或者每個面板中的光伏(太陽能)電池被對接在一起。 通過連同附圖一起提供的以下詳細(xì)說明和隨附權(quán)利要求，本發(fā)明及其目的和特征將變得更加易于理解。


圖l示出依照本發(fā)明的由太陽能電池的兩個堆疊面板組成的串疊型能量轉(zhuǎn)換(TEC)裝置。 圖2示出依照本發(fā)明的由太陽能電池的三個堆疊面板組成的串疊型能量轉(zhuǎn)換(TEC)裝置。 圖3A示出依照本發(fā)明的具有上下太陽能電池面板的串疊型能量轉(zhuǎn)換(TEC)裝置，其中每個面板上的太陽能電池被串聯(lián)地電連接且面板被并聯(lián)地連接。圖3B是圖3A所示的TEC太陽能電池裝置的電示意性電路圖。 圖4A示出依照本發(fā)明的具有上下太陽能電池面板的串疊型能量轉(zhuǎn)換(TEC)太陽能電池的替代布置，其中每個面板上的太陽能電池被并聯(lián)而不是串聯(lián)地電連接且面板被串聯(lián)連接。每個面板上的太陽能電池被介電間隔件相互間隔開。圖4B是圖4A所示的TEC太陽能裝置的電電路圖。 圖4C是圖4A的TEC太陽能電池裝置的修改，每個面板的太陽能電池相互對接，且面板被串聯(lián)地連接。圖4D是圖4C所示的TEC太陽能裝置的電路圖，其與圖4B相同，因為電連接未改變。 圖4E是圖4C的TEC太陽能電池裝置的修改，每個面板的太陽能電池相互對接且面板被并聯(lián)地連接。圖4F示出顯示面板的并聯(lián)電連接的圖4E的TEC太陽能電池裝置的電路圖。 圖5A示出依照本發(fā)明的串疊型能量轉(zhuǎn)換(TEC)太陽能電池裝置，其中交替的p/n和n/p種類的太陽能電池以電串聯(lián)的方式連接。圖5B是圖5A的TEC太陽能電池裝置的電路圖。 隨后的詳細(xì)說明參照附圖來解釋本發(fā)明的優(yōu)選實施例以及優(yōu)點和特征。
具體實施例方式
串疊型太陽能面板 圖1示出由兩個太陽能電池面板(作為光伏電池面板的實例)的串疊型布置的疊層ST1組成的串疊型能量轉(zhuǎn)換(TEC)太陽能電池裝置IO，所述兩個太陽能電池面板包括具有三個上太陽能電池12的上太陽能電池面板11和具有下太陽能電池14的下太陽能電池面板15。如所示，下太陽能電池面板15位于上太陽能電池面板11之下，但如果從下面供應(yīng)電磁能，則可以將該結(jié)構(gòu)倒轉(zhuǎn)。上太陽能電池面板11包括透明頂部襯底13，該透明頂部襯底13具有上面安裝有透明導(dǎo)電氧化物(TC0)焊盤(pad)18的頂面。TC0焊盤18的頂面上平行地并排并置有作為二極管的三個寬的上太陽能電池12，這三個太陽能電池12之間具有窄間隔。 為了圖解的方便起見，只示出三個上太陽能電池12，但可能采用更多上太陽能電池。上太陽能電池12產(chǎn)生直流電，其中導(dǎo)電電極、S卩陽極和在其相對表面上的陰極被配置用于電路中的連接。在每個上太陽能電池12的頂面上有上電極，且在每個上太陽能電池12的底面上有下電極。 與所有二極管的情況一樣，如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所透徹理解的那樣，太陽能電池(二極管)的上電極和下電極具有相反的極性。例如，所有上電極可以是具有負(fù)極性的陰極，且在該情況下，所有下電極將是具有正極性的陽極，或者根據(jù)將其連接在電路中的方式而相反。上太陽能電池12之間的窄間隔的寬度被最小化，以便即使有、也只有很少的光在它們之間通過。TCO層18由允許未被若干上太陽能電池12的組吸收的光從中透射的材料形成。然后，未被上太陽能電池12吸收的光又將透過透明頂部襯底13并向下透射到下太陽能電池面板15上。 特別地，透明TCO層18可以由諸如氧化銦錫、氧化錫、氧化鋅等導(dǎo)電材料組成。太陽能電池12的下電極被結(jié)合到TCO層18，即與其進(jìn)行電和機械接觸；并且TCO層18可以用作下電極以實現(xiàn)在其上面的諸如TCO層18的暴露末端9等位置處的電連接。
下太陽能電池面板15包括具有頂面的底部襯底16，所述頂面具有平行地并置形成的若干下太陽能電池14(為了圖解的方便起見只示出四個)，在底部導(dǎo)電襯底16的頂面上所述下太陽能電池14之間有窄間隔。為了圖解的方便起見，只示出四個下太陽能電池14，但可能采用更多下太陽能電池。比上太陽能電池12窄的四個下太陽能電池14也是在其頂面和底面上具有上電極和下電極的二極管，所述上電極和下電極具有相反的極性。
例如，如上文對于上太陽能電池面板11所描述的，優(yōu)選的是所有上電極可以具有負(fù)極性且所有下電極可以具有正極性或相反，且這是可以取決于將其連接在電路中的方式而改變的，正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所透徹理解的那樣。導(dǎo)電的底部襯底16不必是透明的，且可以由諸如金屬等可以用作下電極的導(dǎo)電材料組成以實現(xiàn)在其上面的諸如底部襯底16的暴露末端19等位置處的電連接。 可以是光、陽光、或來自太陽或其它能量源的其它輻射能的輻射能17被示為被向下引導(dǎo)而入射在包括上太陽能電池12的頂面的疊層ST1上。具有在上太陽能電池12的帶隙之上的光子能的大部分太陽光譜被由此吸收并由此轉(zhuǎn)換成電能。 具有低于上太陽能電池12的帶隙的光子能的那部分太陽光譜被向下透過上太陽能電池12、TC0層18和透明頂部襯底13到達(dá)下太陽能電池面板15的頂面上和安裝在其上面的下太陽能電池14上，在那里，具有在下電池14的帶隙之上的能量的那部分太陽光譜被轉(zhuǎn)換為電能。上太陽能電池12與下太陽能電池14之間的間隔具有最小寬度，以便對于最小的電池面積收集最大量的陽光；否則，上太陽能電池12與下太陽能電池14之間的間隔將形成效率損失。 為了圖解的方便起見，在上太陽能電池面板11上只示出三個上太陽能電池12，且在下太陽能電池面板15上只示出四個下太陽能電池14。實際上，太陽能電池面板11和15
8中的每一個上的電池的數(shù)目由面板的期望電壓輸出除以其上面的各個電池的輸出電壓而確定。 多個串疊型太陽面板 圖2示出由分別具有安裝在其上的三組太陽能電池12、22、和24的多個(三個)太陽能電池面板11、21和23的另一疊層ST2組成的串疊型能量轉(zhuǎn)換(TEC)太陽能電池裝置20，所述太陽能電池12、22、和24是二極管。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所透徹理解的那樣，太陽能電池12、22、和24是具有在其頂面上形成的上電極和在其底面上形成的下電極的二極管。所述上電極和下電極通常將具有相反的極性。例如，所有上電極可以具有負(fù)極性，且所有下電極可以具有正極性，或者相反但卻一致。 上面板11和中面板21由上部和中部太陽能電池面板11和21的底部上的透明頂部襯底13和透明中間襯底13'組成，所述上部和中部太陽能電池面板11和21具有分別在其頂面上形成的上TCO層18和中間TC0層18'。上TCO層18可以用作下電極以實現(xiàn)在其上面的其諸如暴露末端9等位置處的電連接。同樣地，中間TCO層18'可以用作下電極以實現(xiàn)在其上面的諸如其暴露末端9'等位置處的電連接。 如圖1所示，在上面板11的TCO層18的頂面上安裝有例如三個的若干上太陽能電池12，其下電極被結(jié)合到中間TCO層18，即與其進(jìn)行電和機械接觸。存在更多的通常較小的中間、中部太陽能電池22 ，其在中部太陽能電池22的中部面板21的中間TCO層18'的頂面上形成，為了圖解的方便起見，只將其示為四個電池。 在太陽能電池24的底部面板23的導(dǎo)電襯底16'的頂面上形成有更多的下太陽能電池24，只將其示為七個(為了圖解的方便起見)。與圖1的情況一樣，底部襯底16'不必是透明的，且可以由諸如金屬等可以用作下電極的導(dǎo)電材料形成以實現(xiàn)在其上面的諸如底部襯底16'的暴露末端19'等位置處的電連接。與圖1 一樣，陽光、光、或其它輻射能17入射在上面板11的上太陽能電池12和TC0層18的暴露頂面上。 圖1和2所示的太陽能電池在下面板上尺寸減小以便得到從每個面板輸出的相同凈電壓，這是并聯(lián)地連接面板的要求。如果面板被串聯(lián)地連接，其中電流輸出而不是電壓輸出必須相同，則不需要對裝置尺寸的此要求。 具有高于上面板11的上太陽能電池12的帶隙的光子能的光、陽光或其它輻射能源17中的大部分太陽光譜被上太陽能電池12吸收并轉(zhuǎn)換為電能。然而，具有在上電池12的帶隙之下的光子能的那部分太陽光譜透過上太陽能電池12、TC0層18和透明頂部襯底13向下到達(dá)面板21，在那里，具有在中部太陽能電池22的帶隙之上的能量的那部分太陽光譜被轉(zhuǎn)換為電能。 在中部面板21中的中部太陽能電池22的帶隙之上的那部分太陽光譜被太陽能電池22吸收。其余能量、即具有在中部太陽能電池22的帶隙之下的光子能的那部分太陽光譜透過中間TCO層18'和透明中部襯底13'向下達(dá)到底部面板23上的底部電池24，在那里，由此吸收的太陽能被轉(zhuǎn)換為電能。 每個面板上的太陽能電池不必全部具有相同的尺寸。所需的是以電串聯(lián)、并聯(lián)、或串聯(lián)與并聯(lián)組合的方式連接每個面板上的電池，以便獲得期望的輸出。還可以在單個面板上使用不同的帶隙太陽能電池，如果通過這樣做而獲得特殊優(yōu)點的話；但是通常，理想的是在每個單獨的面板上安裝具有相同帶隙的太陽能電池。
具有不同帶隙的太陽能電池材料 —系列的材料可用于用作每個面板的太陽能電池。例如，圖1中的上面板11可以安裝有這樣的電池，該電池的帶隙等于或超過1.4電子伏特(eV)，諸如非晶硅(aSi)、砷化鎵(GaAs)、碲鋅鎘(CdZnTe)、磷化鎵銦(GalnP)、或碲化鎘(CdTe)，而下面板可以安裝有這樣的電池，其帶隙為1. leV或以下，諸如硅(Si)、鍺(Ge)、砷化銦鎵(InGaAs)、氮化鎵銦(GalnN)、氮化鎵銦砷(GalnAsN)、或銅銦鎵二硒(CICS)?？梢圆捎镁哂性趦?yōu)選范圍內(nèi)的帶隙的其它材料。 對于圖2的上電池12，優(yōu)選地諸如等于或大于1. 7eV的較高帶隙的材料，諸如aSi、磷化鎵銦(GalnP)、磷化鋁鎵(AlGaP)、砷化鎵鋁(GaAlAs)和磷化鎵砷(GaAsP)，其中可以由半導(dǎo)體合金的組成來調(diào)節(jié)帶隙。 對于中面板21，可以用半導(dǎo)體來制成中部太陽能電池22，所述半導(dǎo)體的帶隙在1. 7eV以下，但在1. 0eV以上，諸如硅(Si)、砷化鎵(GaAs)、砷化鎵銦(GalnAs) 、 CIGS、以及氮化鎵銦砷(GalnAsN)。 對于下面板23，可以用半導(dǎo)體來制成太陽能電池，所述半導(dǎo)體具有在1. leV以下的帶隙，諸如GalnAs、硅鍺(SiGe) 、 Ge、銻化鎵、以及這些材料的合金，其中由合金組成來確定帶隙。 與圖1 一樣，由面板期望電壓輸出和單個電池的電壓輸出來確定面板11 、21 、和23上的電池12、22、和24的數(shù)目。 具有串聯(lián)地連接在單獨TC0焊盤上的太陽能電池的TEC太陽能電池面板
圖3A示出包括由上面板25和下面板31組成的兩個太陽能電池面板的疊層ST3的串疊型能量轉(zhuǎn)換(TEC)太陽能電池裝置30的另一實施例，其中上面板25上的太陽能電池被電串聯(lián)成第一組，且下面板31上的太陽能電池被電串聯(lián)成第二組。圖3B是圖3A所示的TEC太陽能電池裝置30的電示意性電路圖。 在圖3A中，上面板25包含在兩個TC0焊盤26A和26B的頂面上形成的作為二極管的兩個太陽能電池27A和27B，所述兩個TC0焊盤26A和26B又并排地在透明介質(zhì)襯底37上形成。TC0焊盤26A和26B被用作電極以實現(xiàn)從太陽能電池27A和27B的底部電極到電路中的下一元件的電連接。導(dǎo)電互連28將TCO層26A連接到右側(cè)太陽能電池27B的頂部電極，以便以電串聯(lián)的方式連接上面板25上的兩個太陽能電池27A和27B。特別地，左側(cè)太陽能電池27A的底部電極通過直接接觸與左側(cè)TCO層26A的頂面相連，所述左側(cè)TCO層26A連接到互連28，互連28又連接到右側(cè)太陽能電池27B的頂部電極。
簡而言之，在上面板25上，左側(cè)太陽能電池27A的底部通過左側(cè)TCO層26A連接到相鄰的右側(cè)太陽能電池27B的頂部，左側(cè)TCO層26A連接到互連28以便串聯(lián)地連接的電池的電壓加在一起。端子T1通過電線34連接到連接器A1，連接器A1通過直接接觸連接到左側(cè)太陽能電池27A的頂部電極。右側(cè)太陽能電池27B的底部電極通過與右側(cè)TCO焊盤26B的頂面的直接接觸連接到連接器Bl，連接器Bl又通過電線36連接到右外部端子T2。
在圖3A中，下面板31包含一組四個太陽能電池33A、33B、33C和33D，其中的每一個在一組四個TC0焊盤32A、32B、32C、和32D中的相應(yīng)一個的頂面上形成，所述一組四個TCO焊盤32A、32B、32C、和32D又在底部襯底38上形成。太陽能電池33A、33B、33C和33D以類似于上面板25上的上述連接的方式通過TCO焊盤32A、32B、32C、和32D和一組導(dǎo)電互
10連35A、35B、和35而電串聯(lián)地連接。在下面板31中，電池33A、33B、和33C各自的底部從左到右分別通過相應(yīng)的TC0焊盤32A、32B、或32C及相應(yīng)的導(dǎo)電互連35A、35B、或35C連接到右側(cè)的相鄰太陽能電池33B、33C和33D的頂部，以便串聯(lián)地連接的電池的電壓也加在一起。
面板25和31的左側(cè)電極Al和A2通過電線34連接在一起，電線34將面板25和31均連接到端子Tl。面板25和31的右側(cè)電極Bl和B2通過線36連接在一起并連接到端子T2，線36將面板25和31并聯(lián)地連接，使兩個面板TEC太陽能電池裝置30成為雙端子裝置，因為面板25和31被并聯(lián)地連接且每個面板的電壓相同。這通過使串聯(lián)地連接的電池的數(shù)目等于期望電壓輸出除以每個面板上的太陽能電池的電壓輸出來實現(xiàn)。
例如，如果期望電壓輸出為16伏，如果面板25上的太陽能電池27具有1伏的輸出，則十六個電池通過互連28串聯(lián)地連接，同時如果下面板31上的電池33具有0. 5伏的輸出，則三十二個電池33被串聯(lián)地連接。例如，太陽能電池27A/27B可以是具有1伏輸出的GaAs且電池33可以是具有0. 5伏輸出的Si。 就串聯(lián)地連接的電池的數(shù)目是總期望輸出電壓除以每個面板上的太陽能電池的輸出電壓的意義而言，用相同的原理來構(gòu)造諸如圖2所示那些的三個或更多面板能量轉(zhuǎn)換裝置。為了本發(fā)明的目的，在每個面板上串聯(lián)地連接以產(chǎn)生所述期望總輸出電壓的一組電池可以稱為"單元"。每個單元具有相同的電壓輸出且面板可以包含多個單元。單元可以在每個面板上并聯(lián)地連接以獲得更多的電流輸出。 如圖3B的電示意性電路圖所示，TEC太陽能電池裝置30還可以并入用于太陽能電池27A/27B的上面板的上旁路二極管Dl和用于太陽能電池33A/33B/33C/33D的下面板的下旁路二極管D2，以便在一組電池被遮蔽而其余電池仍暴露于陽光的情況下保護(hù)TEC太陽能電池裝置30。 在面板上具有被介電間隔件分開的太陽能電池的串聯(lián)地連接的太陽能電池面板
圖4A示出包括上面板41和下面板51的疊層ST4的TEC太陽能電池裝置40A的替代布置，在所述上面板41中包括一組上太陽能電池43且在所述下面板51中包括一組下太陽能電池53，所述太陽能電池被并聯(lián)電連接而不是串聯(lián)電連接。端子T3通過電線54連接到連接器A3，連接器A3通過直接接觸連接到上面板41中的左側(cè)太陽能電池43的頂部電極。右側(cè)太陽能電池53的底部電極通過與導(dǎo)電襯底15的頂面的直接接觸連接到連接器A6，連接器A6又通過電線59連接到端子T6。 圖4B是圖4A所示的TEC太陽能裝置40A的電示意性電路圖。上面板41和下面板51可以以電串聯(lián)的方式連接。在這種情況下，需要使每個面板供應(yīng)的電流相同。上面板41和下面板51在成品的能量轉(zhuǎn)換裝置中串聯(lián)地連接而不是并聯(lián)地連接，且兩個面板、即上面板41和下面板51的電壓輸出加在一起。 在圖4A中，上面板41包括被介電間隔件47分開的上太陽能電池43 (是二極管)且下面板51包括被介電間隔件57分開的下太陽能電池53 (也是二極管)。與圖1 一樣，上面板41的上太陽能電池43具有其安裝在TC0層39上的下電極，TC0層39在頂部透明襯底13的頂面上形成，以便低于上太陽能電池43的帶隙的能量的陽光將透射到下面板51和下太陽能電池53。在上面板41上，TC0導(dǎo)電層39提供到上太陽能電池43的背面的下電極的電連接，將它們連接在一起。 類似地，在下面板51上，上面安裝有下 陽能電池53的導(dǎo)電襯底15將下太陽能電池53的背面的下電極電連接在一起。如圖4B分別指示的那樣，上太陽能電池43的正面 的上電極和下太陽能電池53的正面的上電極分別通過上連接器45和下連接器55并聯(lián)電 連接。鑒于到A3的每個末端處的上電極的連接點與上連接器45和下連接器55之間的機 械間隔(mechanical spacing)，太陽能電池43和53的上電極被示為具有到上電極的雙重 連接。 在面板上具有對接在一起的電池的串聯(lián)電連接的太陽能電池面板 圖4C和4D示出圖4A和4B的替代布置，其中已省略介電間隔件47和57以便將
面板41和51上的太陽能電池對接在一起，但結(jié)構(gòu)和電路是相同的。如圖4C所示，已從圖
4C所示的本發(fā)明的實施例中省略了圖4A中的疊層ST4中的將單獨電池43和53分別與相
鄰電池隔離的可選介電間隔件47和57。與圖4A相對照，在圖4C中，疊層ST5包括分別相
互對接的太陽能電池43和53的替代并聯(lián)連接。圖4D所示的電路圖與圖4B相同，因為電
連接未改變。 在圖4A和4C的上面板41中，連接器45將上面板41中的太陽能電池43的上電 極電連接在一起。底部上的TC0導(dǎo)電層39將上面板41中的上太陽能電池43的下電極連 接在一起。因此，太陽能電池43并聯(lián)地連接在左上太陽能電池43上的連接器A3與TC0導(dǎo) 電層39的右側(cè)末端的頂面上的連接器A4之間。 在下面板51中，提供下太陽能電池53的頂部上的下連接器55和下面板51的底
部上的導(dǎo)電襯底15是為了將下面板中的下太陽能電池53并聯(lián)地一起連接在左上太陽能電
池53上的連接器A5與下襯底16的右側(cè)末端的頂面上的連接器A6之間。 提供上面板41的連接器A3和A4及下面板51的連接器A5和A6是為了將上面板
41與下面板51串聯(lián)或并聯(lián)地連接在一起。例如，如圖4A、4B、4C和4D所示，連接器A4和
A5可以連接在一起以將面板置于電串聯(lián)狀態(tài)，其中在連接器A3和A6兩端呈現(xiàn)太陽能電池
裝置40A的輸出電壓。那些組合確定哪些是能量轉(zhuǎn)換裝置的外部連接電極、即輸出電極。 每個面板必須具有相同的電流輸出以便以電串聯(lián)的方式連接面板。每個面板上需
要并聯(lián)地連接的電池的數(shù)目是總輸出電流除以每個電池的電流輸出。例如，如果每個面板
意圖提供六(6)安培的輸出電流，則如果每個電池輸出0.5安培，則十二 (12)個電池被并
聯(lián)地連接，且如果每個電池輸出0.4安培，則十五(15)個電池被并聯(lián)地連接。 在面板上具有對接在一起的電池的并聯(lián)地連接的太陽能電池面板 或者，如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將透徹地理解的那樣，作為圖4C和4D的修改圖4E和
4F將通過線58A連接在一起的連接器A3和A5及通過線58B連接在一起的連接器A4和A6
示為將面板41和51并聯(lián)電連接。 可以將輸出期望電流的并聯(lián)連接的太陽能電池的每個此類組視為一個單元。面板 可以包含多個單元，其中的每一個單元具有相同的電流輸出。每個面板上的單元可以被串 聯(lián)地連接以便在基本恒定的電流下將電壓加在一起，或進(jìn)一步并聯(lián)地連接以便在基本恒定 的電壓下獲得更大電流。每個單元還可以并入旁路二極管以便在一組電池被遮蔽陽光、而 其它電池仍暴露于陽光的情況下保護(hù)該單元。 具有在物理上倒轉(zhuǎn)且串聯(lián)地連接的相鄰太陽能電池的太陽能電池面板 圖5A示出依照本發(fā)明的串疊型能量轉(zhuǎn)換(TEC)太陽能電池裝置，其中交替的p/n
和n/p種類的太陽能電池以電串聯(lián)的方式連接。圖5B示出圖5A所示的TEC太陽能電池裝置的電路圖。圖5A示出面板60上的一組太陽能電池63A、64A、63B、64B、63C和64C的交替 串聯(lián)連接，所述面板60包括作為二極管的第一組p-n太陽能電池63A、63B、和63C和顛倒、 即在物理上倒轉(zhuǎn)的第二組n-p太陽能電池64A、64B、和64C，所述太陽能電池也是二極管，在 一組三個TC0焊盤62A、62B和62C上形成。 太陽能電池63A、64A、63B、64B、63C和64C被并置在襯底61的頂面上，所述襯底61 在其下面存在其它太陽能電池面板(為了圖解的方便起見未示出)的情況下將是透明的。 連續(xù)并置的第一組太陽能電池63A、63B、63C和第二組太陽能電池64A、64B、64C從p/n結(jié)交 替至n/p結(jié)、至p/n結(jié)、至n/p結(jié)等等，因為其極性被從上到下顛倒。換言之，面板60由具 有P型頂面和n型底座的若干太陽能電池63A、63B、和63C等組成，太陽能電池63A、63B、和 63C與具有n型頂面和p型底座的太陽能電池64A、64B、64C并置。 導(dǎo)電TCO焊盤62A、 62B、和62C將相鄰電池的電壓加在一起，且連接電極65A和65B 將位于TCO焊盤62A和62B上的相鄰電池對64A和63B與位于TCO焊盤62B和62C上的相 鄰電池對64B和63C的電壓相加。 為了到面板60的外部連接而提供的外部電極66和67分別連接到電池63A和電 池64C。電池63A的陽極連接到外部電極66且電池63A的陰極連接并結(jié)合到TCO層62A。 電池64A的陽極連接并結(jié)合到TCO層62A，且電池64A的陰極連接到所述連接電極65A。依 次地，電池63B的陽極連接到所述連接電極65A且電池63B的陰極連接到并結(jié)合到TCO層 62B。電池64B的陽極連接到并結(jié)合到TCO層62B且電池64B的陰極連接到所述連接電極 65B。依次地，電池63C的陽極連接到所述連接電極65B且電池63C的陰極連接并結(jié)合到 TCO層62C。電池64C的陽極連接并結(jié)合到TCO層62C且電池64B的陰極連接到外部電極 67。圖5B示出如上文詳細(xì)地描述的外部電極66與67之間的裝置的連接。
面板疊層中的每個面板、諸如圖5A所示的面板60包含許多串聯(lián)地連接的電池，所 述電池的數(shù)目等于面板的期望總輸出電壓除以每個電池的輸出電壓。 例如，面板60可以包含每個在基本上恒定的電流下輸出1伏的十六電池組，且第 二面板可以包含每個在基本上恒定的電流下輸出0. 5伏的三十二電池組。串聯(lián)地連接以獲 得期望電壓輸出的一組此類電池表示一個單元。面板可以包含為了獲得更高電壓輸出而串 聯(lián)地連接或為了獲得更高電流輸出而并聯(lián)地連接或以串聯(lián)和并聯(lián)組合的方式連接的多個 單元。每個單元或單元組可以并入旁路二極管以便針對局部避光而保護(hù)該單元。還可以將 旁路二極管用于單元內(nèi)的電池組以針對局部避光而保護(hù)該電池組。 由被相互并聯(lián)地連接的面板組成從而具有相同的電壓輸出的串疊型能量轉(zhuǎn)換 (TEC)裝置相比于需要相等電流輸出的串聯(lián)地連接的面板具有優(yōu)點。由于入射太陽光譜在 一天中和在一年中變化，所以一組串聯(lián)連接的面板的電流輸出隨著光譜的變化而線性地改 變，而并聯(lián)連接的面板的電壓輸出隨著光譜的變化而以對數(shù)形式改變，使得并聯(lián)面板連接 對于此類太陽光譜變化的敏感度比串聯(lián)面板連接低。 對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說清楚的是可以實現(xiàn)每個面板上的太陽能電池和面板 本身的串聯(lián)和并聯(lián)連接的組合以獲得期望的電壓和電流輸出結(jié)果。 本發(fā)明的顯著特征在于將太陽能電池面板置于光學(xué)串聯(lián)，使得每個面板吸收一部 分入射太陽光譜并透射其余部分，隨后以電串聯(lián)的方式連接面板(其中每個面板必定輸出 相同的電流)以將其電壓輸出相加或以電并聯(lián)的方式連接面板(其中每個面板必定輸出相
13同的電壓輸出)以將其電流輸出相加。 單獨地制造每個面板并在制造工藝結(jié)束時將其組合的附加益處是可以單獨地制 造每個太陽能電池并因此使用優(yōu)化工藝，而且將每種材料可能需要諸如溫度、厚度、表面涂 層(如果有的話)類型等不同工藝條件考慮在內(nèi)。然后將優(yōu)化的太陽能電池面板組合以實 現(xiàn)串疊型方法的高性能/效率。 雖然本發(fā)明前述說明明確地描述了本發(fā)明的示例性特定實施例，但本領(lǐng)域的技術(shù) 人員應(yīng)認(rèn)識到可以用在隨附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的修改來實施本發(fā)明，即在不脫離本 發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以在形式和細(xì)節(jié)方面進(jìn)行修改。在本發(fā)明的范圍內(nèi)的以上 公開的裝置和方法的修改對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說將是易于理解的。 因此，盡管本發(fā)明已經(jīng)聯(lián)系其上述示例性實施例進(jìn)行了公開，但是應(yīng)該理解可以 進(jìn)行改變以提供其它實施例，所述其它實施例可以落入本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，并且所有 這些改變落入本發(fā)明的范圍內(nèi)，本發(fā)明包括由所附權(quán)利要求限定的主題。
權(quán)利要求
一種太陽能轉(zhuǎn)換裝置，包括從上面板到下面板以層級形式堆疊的至少兩個面板的垂直疊層，所述面板中的每一個包括太陽能電池的匹配陣列，具有與面板的所述垂直疊層中的其它太陽能電池面板不同的能帶隙；其中所述垂直疊層中的所述面板的每一個被布置為所述面板之一具有位于所述層級中的帶有較高能帶隙的太陽能電池且在所述疊層中在包含具有較低能帶隙的太陽能電池的其它所述面板之上；提供了被配置為接收入射在所述最上層面板上的太陽能的所述裝置的頂面；以及每個所述上面板吸收具有大于其所述能帶隙的較大太陽光子能的一部分陽光，且每個所述上面板使具有低于所述較大太陽光子能的光子能的太陽光子透射到在所述層級中較低且在所述疊層中位于較低位置的其余所述面板之一。
2. 權(quán)利要求l的能量轉(zhuǎn)換裝置，其中，每個所述面板中的所述太陽能電池被串聯(lián)電連 接且所述面板被并聯(lián)地連接。
3. 權(quán)利要求l的能量轉(zhuǎn)換裝置，其中，每個所述面板中的所述太陽能電池被并聯(lián)電連 接且所述面板被串聯(lián)地連接。
4. 權(quán)利要求2的能量轉(zhuǎn)換裝置，其中，以并聯(lián)電布置連接的所述面板中的每個上的太 陽能電池的數(shù)目等于每個所述面板的期望輸出電壓除以每個所述面板上的每個所述太陽 能電池的工作電壓。
5. 權(quán)利要求4的能量轉(zhuǎn)換裝置，包括兩個面板的疊層，其中GaAs太陽能電池被安裝在 上面板上且硅太陽能電池被安裝在下層所述面板上。
6. 權(quán)利要求4的能量轉(zhuǎn)換裝置，其中所述上面板安裝有選自GaAs、 GalnP、 GaAsP、非晶硅、CdTe、和CdZnTe的組的太陽能電 池；以及所述下面板安裝有選自由晶體硅、多晶硅、銅銦鎵二硒、鍺、氮化鎵銦、和氮化鎵銦砷組 成的組的太陽能電池。
7. 權(quán)利要求4的能量轉(zhuǎn)換裝置，包括三個所述面板的疊層，包括從上到下依次布置的上面板、中面板和下面板； 所述上面板安裝有其能帶隙大于1. 7電子伏特的太陽能電池； 所述下面板安裝有其能帶隙小于1. 1電子伏特的太陽能電池；以及 所述中面板安裝有其帶隙在安裝在所述上面板與所述下面板上的所述電池的帶隙之 間的太陽能電池。
8. 權(quán)利要求l的能量轉(zhuǎn)換裝置，其中，每個所述面板中的所述太陽能電池被介電間隔 件分開。
9. 權(quán)利要求8的能量轉(zhuǎn)換裝置，其中，一組所述太陽能電池被指定為一個單元，且每個 單元包括保護(hù)性旁路二極管。
10. 權(quán)利要求1的能量轉(zhuǎn)換裝置，其中每個所述面板中的所述太陽能電池被并置且對 接在一起或被介電間隔件分開。
11. 一種太陽能轉(zhuǎn)換裝置，包括被布置為用于指引要入射在疊層中的最上層面板上的太陽能的至少兩個面板；所述面板中的每一個包含具有不同能帶隙的太陽能電池陣列；所述面板被布置成垂直的所述疊層，具有較高能帶隙太陽能電池的所述面板位于具有 較低能帶隙太陽能電池的所述面板之上；所述面板中的每一個被配置為吸收具有大于其能帶隙的太陽光子能的一部分陽光，且 被配置為使具有低于其能帶隙的能量的太陽光子透射到所述疊層中較低的所述面板。
12. 權(quán)利要求ll的能量轉(zhuǎn)換裝置，其中，每個所述面板中的所述太陽能電池被串聯(lián)電 連接且所述面板被并聯(lián)連接。
13. 權(quán)利要求ll的能量轉(zhuǎn)換裝置，其中，每個所述面板中的所述太陽能電池被并聯(lián)電 連接且所述面板被串聯(lián)連接。
14. 權(quán)利要求13的能量轉(zhuǎn)換裝置，其中，以并聯(lián)電布置連接的每個所述面板上的太陽 能電池的數(shù)目等于每個所述面板的期望輸出電流除以每個所述面板上的每 個所述太陽能 電池的工作電流。
15. 權(quán)利要求12的能量轉(zhuǎn)換裝置，其中，以并聯(lián)電布置連接的每個所述面板上的太陽 能電池的數(shù)目等于每個所述面板的期望輸出電壓除以每個所述面板上的每個所述太陽能 電池的工作電壓。
16. 權(quán)利要求11的能量轉(zhuǎn)換裝置，包括兩個面板的疊層，其中GaAs太陽能電池被安裝 在上面板上且硅太陽能電池被安裝在下層所述面板上。
17. 權(quán)利要求11的能量轉(zhuǎn)換裝置，包括安裝有選自GaAs、GalnP、GaAsP、非晶硅、CdTe、 和CdZnTe的組的太陽能電池的上面板和安裝有選自晶體硅、多晶硅、銅銦鎵二硒、鍺、氮化 鎵銦、或氮化鎵銦砷的組的太陽能電池的下層所述面板。
18. 權(quán)利要求11的能量轉(zhuǎn)換裝置，包括三個所述面板的疊層，包括從上到下依次布置的上面板、中面板和下面板； 所述上面板安裝有其能帶隙大于1. 7電子伏特的太陽能電池； 所述下面板安裝有其能帶隙小于1. 1電子伏特的太陽能電池；以及 所述中面板安裝有其帶隙在安裝在所述上面板與所述下面板上的所述電池的帶隙之 間的太陽能電池。
19. 權(quán)利要求ll的能量轉(zhuǎn)換裝置，其中，一組所述太陽能電池被指定為一個單元，且每 個單元包括保護(hù)性旁路二極管。
20. 權(quán)利要求11的能量轉(zhuǎn)換裝置，每個所述面板中的所述太陽能電池被并置且被介電 間隔件分開；或?qū)釉谝黄稹?br> 全文摘要
本發(fā)明涉及光學(xué)串疊型光伏電池面板。一種太陽能轉(zhuǎn)換裝置包括從上面板到下面板以層級形式堆疊的至少兩個面板的垂直疊層，面板中的每一個包括太陽能電池的匹配陣列，具有與面板的垂直疊層中的其它太陽能電池面板不同的能帶隙。垂直疊層中的面板的每一個可以被布置為面板之一具有位于層級中的帶有較高能帶隙的太陽能電池且在疊層中在包含具有較低能帶隙的太陽能電池的其它面板之上。裝置的頂面被配置為接收入射在最上層面板上的太陽能。每個上面板吸收具有大于其能帶隙的較大太陽光子能的一部分陽光，且每個上面板使具有低于較大太陽光子能的光子能的太陽光子透射到在層級中較低且在疊層中位于較低位置的其余面板之一。
文檔編號H01L31/042GK101714582SQ20091020444
公開日2010年5月26日 申請日期2009年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月1日
發(fā)明者H·J·豪威爾 申請人:國際商業(yè)機器公司