專利名稱：：包括具有傳導(dǎo)點的層的光電模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及包括多個電池的光電(PV)模塊，每個電池包含基底、透明導(dǎo)體層、光電層、以及背電極層，其中所述光電層包括至少一個p-i-n或n-i-p硅層，本發(fā)明還涉及一種制造所述光電模塊的方法。
背景技術(shù)：
：當(dāng)由多個串聯(lián)連接的電池構(gòu)成的PV模塊被部分遮蔽時，被照射的電池可能在被遮蔽的電池上產(chǎn)生強的負(反向)電壓。當(dāng)被遮蔽的電池具有高的并聯(lián)電阻時尤其如此。因為在被遮蔽的電池中沒有電流產(chǎn)生，模塊電流幾乎為零，從而被遮蔽的電池暴露于被照射電池的開路電壓。在大的系統(tǒng)中，這樣的電壓可能非常高，以致?lián)舸╇妷喝菀淄ㄟ^。在被遮蔽的電池中，可發(fā)生強的局部熱量產(chǎn)生(熱點)，這可能導(dǎo)致被遮蔽電池的局部損壞。在最壞的情況下，這些熱點可能導(dǎo)致火突。最常用的用于防止熱點的補救方法是如美國5,223,044和WO2005/101511中所述的應(yīng)用旁通二極管，其在一個方向以較低的電壓開始導(dǎo)電，在另一個方向隔離。然而，應(yīng)用旁通二極管是昂貴的。尤其是在具有較低擊穿電壓(通常小于8V)的薄膜PV模塊的情況下，每個旁通二極管可保護的電池數(shù)目較小，即，對于a-Si薄膜約為小于10個。在薄膜PV模塊的情況下，可以以用于串聯(lián)連接的非常復(fù)雜的工藝的成本制造單片旁通二極管。另一種方法是如在美國2003/0159728中所述的應(yīng)用所謂的PV分流器。根據(jù)該方法，并聯(lián)連接數(shù)個由串聯(lián)連接的電池構(gòu)成的模塊。當(dāng)一個模塊被部分遮蔽時，通過被完全照射的模塊的電壓來降低被遮蔽電池上的反向電壓。然而，組合的串聯(lián)和并聯(lián)連接降低了系統(tǒng)電壓并增加了系統(tǒng)電流，并且限制了系統(tǒng)設(shè)計的自由度。在EP1079441中，描述了一種用于調(diào)節(jié),皮部分遮蔽的PV模塊的IV特征的方法。根據(jù)該方法，電池暴露于增加的偏置AC電壓，直到電流開始增加。經(jīng)過處理，電池示出非線性傳導(dǎo)，其允許被遮蔽電池以較低電壓傳導(dǎo)被照射電池的短路電流。然而，該方法依賴于PV電池中的可以引入非線性傳導(dǎo)的偶然點(accidentalspot)的存在。而且，需要與全部電池直接接觸。美國5,810,945描述了一種制造電子樣i構(gòu)圖器件的方法，尤其是一種太陽能電池，其中至少一個電極被提供圖形。在該文獻中未解決遮蔽問題。Toet等(D.Toet等，Thinsolidfilms296(1977)49-52)描述了一種用于在玻璃基底上生長多晶硅薄膜的二步驟技術(shù)。遮蔽問題未得到解決。Wohlgemuth等(J.Wohlgemuth和W.Herrmann,Hotspottestforcrystallinesiliconmodules,PhotovoltaicSpecialistsConference,2005，Piscataway，NJ，USA3-7January2005，IEEE,US,January3，2005，第1062-1063頁)描述了用于進行熱點測試的方法。其中未討論如何避免熱點的形成。
發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種沒有任何上述缺點的防止熱點的補償方法，并且以容易JU更宜的方式實施。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過在精確限定的位置引入相同的嚴(yán)格限定的非線性傳導(dǎo)點來調(diào)節(jié)薄膜PV電池的IV特征，可以實現(xiàn)該目的。為此，本發(fā)明涉及包括多個電池的光電(PV)模塊，每個電池包含基底、透明導(dǎo)體層、光電層、以及背電極層，其中所述光電層包括至少一個p-i-n或n-i-p硅層，其特征在于，所述珪層包括10至1000個再結(jié)晶硅的傳導(dǎo)點/cm2，每個傳導(dǎo)點獨立地具有10至2500nm2的表面。該方法基于大部分PV電池包括在兩側(cè)具有電極層的有源半導(dǎo)體層。至少一個所述電極層是透明的，從而光可以到達所述有源層。4根據(jù)本發(fā)明，PV電池的有源層被局部加熱，從而該層至少部分地變換為另一相。變換后的材料失去了PV特征，但是可以通過仔細地配置熱量來保持半導(dǎo)體特性。從而，變換后的點在低電壓下具有較低電導(dǎo)率和高電壓下具有較高電導(dǎo)率的兩個電極層之間用作非線性傳導(dǎo)路徑。更具體地，在.1V電壓下，這些點的電導(dǎo)率低于0.2mA/cm2，而在8V電壓下，電導(dǎo)率大于10mA/cm2。在本說明書中，變換后的材料有時候表示為再結(jié)晶硅，并且形成過程有時候表示為再結(jié)晶之前的熔化。然而，該表述決不應(yīng)裙:認(rèn)為是限制本發(fā)明的特性。顯然，本發(fā)明的特征在于存在傳導(dǎo)點，并且其通過熱處理而形成。本發(fā)明的特征不在于硅的結(jié)晶形式或者是否發(fā)生熔化或再結(jié)晶。為了使局部熱量的產(chǎn)生最小化，必須形成許多這樣的非線性傳導(dǎo)點，以使每個點的電流較小。通過非線性傳導(dǎo)點的電流可以用奇數(shù)級私艮開式描述<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中J傳導(dǎo)點(V)是在電壓V下通過傳導(dǎo)點的每單位表面的電流[A/cm^;V是兩個電極之間的電壓[V；以及1/Rn是級lt艮開式的第n階系數(shù)。Rn的量綱是[V、m"A。直接在電壓V=0附近的部分大部分由R,決定，下一部分還由R3決定，依此類推。對于PV電池的JV曲線的主要部分的描述，系數(shù)R，和R3已經(jīng)足夠。因為在低電壓下線性傳導(dǎo)開始導(dǎo)致?lián)p失，R,必須盡可能高。R3必須被選擇為使得在低于擊穿電壓的電壓下傳導(dǎo)最大可能的電流。在不引入非線性傳導(dǎo)點的情況下，當(dāng)模塊#皮短路時，在具有28個電池的才莫塊中，被遮蔽電池上的反向電壓可能高達-19V(R產(chǎn)IOOOO，R3=1000000)。在具有更多的電池的情況下，-陂遮蔽電池上的反向電壓增大。該大電壓遠遠超過擊穿電壓。利用非線性傳導(dǎo)點(R產(chǎn)2500，R3=10000)，被遮蔽電池上的電壓被限定至低于擊穿電壓的-5V。R,顯示出與R3的引入有關(guān)的降低。在正常條件(無遮蔽)下的JV曲線幾乎不受非線性傳導(dǎo)點的影響。在電池數(shù)目增多的情況下，當(dāng)模塊被短路時，被遮蔽電池上的反向電壓保持為約-5V。當(dāng)在模塊的所有電池上施加非線性傳導(dǎo)點以使p-i-n或n-i-p珪層包括10-1000個再結(jié)晶硅的傳導(dǎo)點/cn^時，每個傳導(dǎo)點獨立地具有10-2500jim2的表面，則無論串聯(lián)連接的電池的數(shù)目是多少，遮蔽都不導(dǎo)致?lián)p壞。因為引入了大量規(guī)則分布的傳導(dǎo)點，被遮蔽電池中的耗散能也在PV電池上規(guī)則分布。避免了單個點的過度加熱。正常條件下的模塊性能幾乎不受非線性傳導(dǎo)點的影響。在優(yōu)選實施例中，PV模塊的硅層包括20-500個傳導(dǎo)點/cm2，更優(yōu)選30-300個傳導(dǎo)點/cm2，進一步更優(yōu)選80-120個傳導(dǎo)點/cm2。在另一個優(yōu)選實施例中，在PV模塊所具有的硅層中，傳導(dǎo)點具有30-30(Vm2、優(yōu)選50-15(Him2、更優(yōu)選60-120nm2的表面。因為這些點在正常工作條件下不會形成電流，優(yōu)選傳導(dǎo)點的全部表面積相對小。更具體地，傳導(dǎo)點的表面積與太陽能電池的電流產(chǎn)生部分的表面積的比率優(yōu)選低于0.01:1，更優(yōu)選低于0.001:1。作為優(yōu)選最小值，該比率可以為0.00001:1。本發(fā)明的另一個目的是提供形成上述PV模塊的方法?？梢詳?shù)種方式獲得非線性傳導(dǎo)點。一種方式是通過在與長電極直接接觸的電池上施加增加的AC電壓而獲得非線性點。然而，這樣會使點隨機分布，并且點的特性依賴于PV電池的有源層的偶然局部條件。嚴(yán)格限定的點通過在限定的位置對PV電池的有源層施加限定量的能量而獲得。根據(jù)優(yōu)選方法，p-i-n或n-i-p硅層被局部地加熱至10-1000個點/cm2,每個點獨立地具有10-2500ftm2的表面，從而所述珪在這些點處至少部分地變換至另一相。例如，這可以通過脈沖激光的聚焦束實現(xiàn)，其中所述激光的波長為這樣的，以使其在PV電池的有源層中凈皮吸收。在非晶SiPV電池的情況下，可以使用倍頻Q開關(guān)Nd-YAG、Nd-YFL或Nd-YV04激光器(X=532nm)。這樣激光的脈沖持續(xù)時間較短，典型地低于50ns(納秒)，更典型地為約15ns，從而直接照射的點吸收所有能量而沒有由熱傳導(dǎo)引起的損耗。脈沖能量在窄范圍內(nèi)是恒定的，并且根據(jù)下式，在焦點中的束腰的直徑可以較小其中d是束腰的直徑；l是激光的波長；F是聚焦透鏡的焦距；以及D是平行激光束在i^透鏡之前的直徑在D-5mm，F(xiàn)=100mm和X=532nm的情況下，得出d=13nm。在束腰處，激光束具有高斯強度分布，從而通過激光形成的非線性點的尺寸更小。示例,圖l給出相對于八電池才莫塊的電壓的單個電池的電壓的圖示。圖2給出八電池模塊的JV曲線，示出相對于模塊電壓的模塊的電流。具體實施例方式利用脈沖ND-YV04激光器來處理小尺寸才莫塊(8個lx7.5cm2的電池)和較大模塊(28個lx30cri^的電池)。對于每個電池，形成單行非線性傳導(dǎo)點(2點之間的距離為50nm)。激光處理引入電池的非線性傳導(dǎo)，其特征在于公式(1)的Rn的值。下面描述用于確定Rn的方法。可以用公知的二極管^^式(參考S,R.Wenham等，AppliedPhotovoltaics,ISBN0867589094，p.33)描述單個電池的JV曲線，通過用于光誘導(dǎo)電流和非線性并聯(lián)電阻的項展開該公式其中J是電流密度[A/m2Jo是暗電流密度[A/m2]Jl是光誘導(dǎo)電流密度[A/m2q是單位電荷k是玻爾茲曼常數(shù)n是二極管品質(zhì)因數(shù)T是溫度[KV是每個電池的電壓完全照射的模塊的JV曲線對于正常電池的Rn的變化值只是sMt敏感。當(dāng)所述電池中的一個被遮蔽，JV曲線較大地變化。被遮蔽電池的光誘導(dǎo)電流(幾乎)為0。被照射電池在^J4蔽電池上施加隨外部電壓源變化的反向電壓。被遮蔽電池用作用于模塊的被照射電池的一種負載電阻。當(dāng)電池沒有被較大地分流，被照射電池的理論JV曲線對Rn不敏感。相反地，被遮蔽電池的JV曲線以及從而具有一個被遮蔽電池的模塊的JV曲線強烈地依賴于Rn。首先，測量被完全照射的模塊的JV曲線。從該曲線確定包括Rn的平均電池參數(shù)。然后，在遮蔽一個電池的同時記錄模塊的JV曲線。通過曲線擬合過程獲得被遮蔽電池的Rn的值。被遮蔽電池的光誘導(dǎo)電流JL,被遮蔽電池=0,并且僅僅被遮蔽電池的Rn必須適于獲得適當(dāng)?shù)臄M合。在表l中列出從擬合過程獲得的被遮蔽，池的R和R3的平均值以及R和R3的值。表l:從曲線擬合過程獲得的R，和R3的值Ri,平均R3，平均Rl，電池4R3，電池4激光處理前200002000000600066000激光處理后3500200002500135008R，平均值的減少是實際的，R3的平均值的減少任意地或多或少，這是因為被完全照射的模塊的所計算的曲線幾乎不受到該值的影響。以可接受的精度確定被遮蔽電池的R,和R3的減少。只要R5的值被選擇為足夠大，Rs對于擬合JV曲線的相關(guān)部分不是非常重要。各個電池的Ri和R3的值可以用于表征激光處理工藝的質(zhì)量。用于正常工作的電池的值的范圍可以針對兩個^t進4亍限定1^>1000，特別地，R^2000;1000<R3<50000,特別地，10000<R3<50000(這些值可以改變)。表2示出八電池模塊的J-V曲線。第一列給出模塊電壓。笫二和第三列分別給出相對于模塊電壓(沒有遮蔽)的在一個電池上的模塊電流和電壓。第四和第五列給出相對于模塊電壓(一個電池被遮蔽)的被遮蔽的標(biāo)準(zhǔn)電池上的模塊電流和電壓。第六和第七列給出相對于模塊電壓(一個電池被遮蔽)的具有傳導(dǎo)點的被遮蔽電池上的模塊電流和電壓。圖1給出相對于八電池模塊的電壓的單個電池的電壓的圖示(在表2中給出數(shù)值數(shù)據(jù))。圖2給出八電池模塊的JV曲線，示出相對于模塊電壓的模塊的電流(在表2中給出數(shù)值數(shù)據(jù))。顯然，具有傳導(dǎo)點的被遮蔽電池上的反向電壓受到限制，而被遮蔽的標(biāo)準(zhǔn)電池上的電壓隨;漠塊電壓幾乎線性增加。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>權(quán)利要求1.一種光電(PV)模塊，包括多個電池，每個電池包括基底、透明導(dǎo)體層、光電層、以及背電極層，其中所述光電層包括至少一個p-i-n或n-i-p硅層，其特征在于，所述硅層包括10至1000個再結(jié)晶硅的傳導(dǎo)點/cm2，每個傳導(dǎo)點獨立地具有10至2500μm2的表面。2.根據(jù)權(quán)利要求1的PV模塊，其中所述硅層包括20至500個傳導(dǎo)點/cm2，優(yōu)選30至300個傳導(dǎo)點/cm2，更優(yōu)選80至120個傳導(dǎo)點/cm2。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的PV模塊，其中所述傳導(dǎo)點的表面為30至300jim2，優(yōu)選50至150jim2，更優(yōu)選60至120jim2。4.一種制造根據(jù)權(quán)利要求l-3中任一項的PV模塊的方法，其中所述p-i-n或n-i-p硅層4皮局部加熱至10至1000個傳導(dǎo)點/cm2，每個點獨立地具有10至2500jmi2的表面，從而所述p-i-n或n-i-p硅在這些點處變換而形成傳導(dǎo)點。5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中通過脈沖激光進行所述加熱。6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中通過波長X在520至550nm之間且脈沖持續(xù)時間小于50ns的倍頻Nd-YAG、Nd-YLF或Nd-V04激光器進4亍所述力口熱。全文摘要本發(fā)明涉及一種光電(PV)模塊，其包括多個電池，每個電池包括基底、透明導(dǎo)體層、光電層、以及背電極層，其中所述光電層包括至少一個p-i-n或n-i-p硅層，其特征在于，所述硅層包括10至1000個再結(jié)晶硅的傳導(dǎo)點/cm²，每個傳導(dǎo)點獨立地具有10至2500μm²的表面。所述PV模塊通過其中所述p-i-n或n-i-p硅層被局部加熱的方法獲得，從而所述硅在這些點變換，在其之后這些點處的硅可以以變換后的狀態(tài)而被固化。文檔編號H01L31/18GK101675533SQ200880013526公開日2010年3月17日申請日期2008年4月23日優(yōu)先權(quán)日2007年4月26日發(fā)明者E·P·斯波泰爾,G·C·杜貝爾達姆申請人:海利安特斯有限公司