光伏器件及其制造方法与流程

光伏器件及其制造方法


背景技术：

1.本发明涉及一种光伏器件。
2.本发明还涉及光伏器件制造方法。
3.光伏器件由横向分隔的叠层形成，叠层具有初级电极层、次级电极层和设置在初级电极层和次级电极层之间的光伏层。需要说明的是，这里使用的措词“初级”和“次级”仅用于区分光伏器件的电极层，并不旨在指示排序。即，代替将这些层表示为“初级电极层”和“次级电极层”，也可将它们分别表示为“次级电极层”和“初级电极层”。例如，初级电极层和次级电极层可分别是阴极和阳极，或者可分别是阳极和阴极。还需要说明的是，叠层中的层可由相互堆叠的子层组成。除了这里特别提到的这些基本层之外，还可提供另外的层。
4.将叠层横向分隔以形成单独的光伏模块，这些光伏模块将被串联互连。于是能提供更高的电压，从而降低传输损耗。
5.因为钙钛矿能在相对较低的温度下加工，并且具有相对较高的转换效率，它们成为有前途的光伏材料的组。然而，这些材料的缺点是它们相对容易地与典型用于光伏器件中或典型出现在制造环境中的其他材料或物质反应。
6.因此，需要提供至少减轻这些材料在光伏应用及其制造方法中的退化的措施。


技术实现要素：

7.根据第一个目的，提供了一种至少减轻了钙钛矿光伏材料在使用期限内的退化的改进的光伏器件。
8.根据第二个目的，提供了一种至少减轻了钙钛矿光伏材料的退化的制造光伏器件的改进方法。
9.该改进的光伏器件具有多个光伏模块，并包括具有初级电极层、次级电极层和设置在初级电极层和次级电极层之间的光伏层的叠层。光伏层至少包括光伏材料的第一子层和位于第一子层和次级电极层之间的第二电荷载流子传输子层。
10.至少一个电极层是半透明的，以使光能够到达光伏层。对此，优选地，在光伏层敏感的光谱中至少50％，甚至更优选地至少75％，并且进一步更优选地至少90％的的入射光能够透射。优选地，所述半透明层是透明的。如果需要，其上设置有所述叠层的基底也可为透明的。
11.每个光伏模块具有相应的初级电极层区段的部分、相应的光伏层区段的部分和相应的次级电极层(16)区段的部分。
12.多个光伏模块中各对第一光伏模块和紧接的第二光伏模块在该对第一光伏模块和第二光伏模块之间的界面区段串联互连。提供串联互连其中所述界面区段包括绝缘材料的耦合元件，所述耦合元件横向包围导电芯。所述耦合元件夹在第一光伏模块的次级电极层区段的第二端和该对的紧接的第二光伏模块的初级电极层区段的第一端之间。第一光伏模块的次级电极层区段的第二端在导电芯的第一面上横向延伸，并且该对的紧接的第二光伏模块的初级电极层区段的第一端在导电芯的第二面上横向延伸。于是，经由所述导电芯
在第一光伏模块的次级电极层区段的第二端和紧接的第二光伏模块的初级电极层区段的第一端之间形成电连接。
13.所述改进的光伏器件能用本文提供的改进的方法制造。所述改进的方法包括以下步骤：
14.提供分隔成多个初级电极层区段的初级电极层，所示初级电极层区段具有第一端，所述第一端具有至少部分地被绝缘材料部覆盖的表面；
15.在没有绝缘材料的剩余表面上提供光伏层，所述光伏层至少包括光伏材料的第一子层和在所述第一子层和所述次级电极层之间的第二电荷载流子传输子层；
16.在所述绝缘材料部中提供开口，以局部暴露初级电极层区段的第一端的表面，并在所述开口中沉积导电材料；
17.提供次级电极层，以经由所述开口中的导电材料与初级电极层区段的第一端形成电连接；
18.将次级电极层分隔成多个次级电极层区段，各次级电极层区段重叠。
19.光伏材料的第一子层和次级电极层之间的第二电荷载流子传输子层的存在防止了光伏层的材料和次级电极层的材料之间的直接接触。
20.绝缘材料部的开口中的导电材料可与用于次级电极层的导电材料相同。尤其是，通过将用于次级电极层的导电材料也沉积到绝缘材料部的开口中，可在提供次级电极层的步骤期间实现导电材料在开口中的沉积。
21.在任何情况下，绝缘材料部和沉积在其开口中的导电材料形成耦合元件，其中导电材料形成导电芯，绝缘材料部横向包围该芯。于是，避免了光伏子层和用于串联互连的导电材料之间的物理接触。于是减轻了钙钛矿光伏材料的退化。尽管出于上述原因，钙钛矿材料是优选的，但是其他材料也是合适的，例如铜铟镓硒(cigs)。
22.在一个实施方式中，至少一个耦合元件沿着该区段延伸。替代地，所述至少一个耦合元件可为多个类似耦合元件中的一个。于是，类似的耦合元件可沿着界面区段的长度方向分布，使得光能在耦合元件之间的位置通过。为了界面区段中更好的光透射，绝缘材料以及用于电极层和基底的材料可为半透明的。
23.可提供相应的一组半透明绝缘元件，它们横向分布在各光伏模块的初级电极层区段的部分和次级电极层区段的部分之间。于是，光能够通过这些半透明的绝缘元件部分透射，并在光伏层的剩余表面中部分地转换成电。
附图说明
24.参考附图更详细地描述这些和其他方面。其中：
25.图1示意性示出了根据本发明的光伏器件的实施方式。1a示意性地示出了图1的光伏器件的放大部分，图1b示意性地示出了该部分的横截面，和图1c更详细地示出了该光伏器件的光伏层的横截面；
26.图2a示意性地示出了根据本发明的光伏器件的另一实施方式的放大部分，以及图2b示意性地示出了该部分的横截面；
27.图3a-3e示意性示出了根据本发明的方法的实施方式；
28.图4a-4e示出了根据本发明的方法的另一个实施方式；
29.图5a-5e示出了根据本发明的方法的又一实施方式。
具体实施方式
30.图1示意性地示出了具有多个光伏模块1a、1b
……
1f的光伏器件1。图1a示意性地示出了光伏器件1在光伏模块1b和紧接的光伏模块1c之间的界面区段1bc附近的放大部分。图1b示意性地示出了光伏器件1的这一部分的横截面，和图1c更详细地示出了光伏层的横截面。
31.如在图1b中更详细示出的，光伏器件1包括具有初级电极层12、次级电极层16和设置在初级和次级电极层之间的光伏层14的叠层。叠层可提供在玻璃或树脂基材料的基底10上。这种树脂基材料优选包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)、聚酰亚胺(pi)、聚醚酰亚胺(pei)、聚醚砜(pes)、聚砜(psf)、聚苯硫醚(pps)、聚醚醚酮(peek)、聚芳酯(par)和聚酰胺酰亚胺(pai)。其他树脂材料包括聚环烯烃树脂、丙烯酸类树脂、聚苯乙烯、abs、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺树脂、聚氯乙烯树脂、聚碳酸酯树脂、聚苯醚树脂和纤维素树脂等。根据应用，基底的厚度可在相对小的值(例如50微米)和相对大的值(例如几毫米或更大值)的范围内选择。如果光能从光伏器件的与基底相对的一侧进入光伏层，基底就不必是透明的。在这种情况下，还可考虑使用(电绝缘的)金属箔作为基底。
32.光伏器件1至少是部分半透明的，从而使得光能够从光伏器件外部到达光伏层14。因此，至少一个电极层是半透明的。透明导电材料的示例是有机材料，例如聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯或掺杂的聚合物。除了有机材料之外，各种无机透明导电材料也是可用的，如ito(氧化铟锡)、izo(氧化铟锌)、ato(氧化锑锡)，或也能使用氧化锡。其他金属氧化物也可以，包括但不限于镍钨氧化物、铟掺杂的氧化锌、镁铟氧化物。透明导电电极层的厚度可在几十nm到几百nm的范围内，例如在100nm和200nm之间的范围内，例如大约120nm。也可使用薄金属层、氧化物层、或其他例如tco、或金属氧化物层或导电聚合物层如pedot-pss(的组合)，。例如，7nm的银层可夹在两个10nm的ito层之间。由于透明电极层的电导率相对较低，其可经电导体分流，这些电导体可形成为透明电极层上的栅格。
33.两个电极层不必都是透明的。非透明电极层能具有相对较大的厚度，从而不需要在导电性方面做出让步。非透明电极层可，例如由合适的导电材料的层形成，如铝、银或铜。非透明电极层还可以子层的组合的形式来提供，例如上述合适的导电材料的相对厚(具有如100nm至几百nm或更大厚度)的主子层，以及在该主子层的一个或两个面上的相对薄的界面子层，例如几个nm的钼或镍的子层。
34.如图1c示意性所示的，光伏层14至少包括光伏材料的第一子层14a和位于第一子层14a和次级电极层16之间的第二电荷载流子传输子层14b。还可存在另外的子层，例如另一个电荷载流子传输子层14c。
35.例如，在kirk-othmer encyclopedia of chemical technology(化学技术百科全书，第四版，第18卷，第837-860页，1996，y.wang)中已经总结了用于空穴传输层的空穴传输材料的示例。空穴传输分子和聚合物都能使用。用于此目的典型示例是金属氧化物，如氧化镍，以及其他化合物，如mose。在一个实施方式中，空穴传输子层可具有10nm至200nm范围内的厚度。电子传输子层可由金属氧化物(如tio2、sno2、zro2和zno:s)形成。电子传输子层的厚度可在几nm(如5nm)到几十nm的范围内。
36.如上所说明，因为钙钛矿光伏材料能在相对较低的温度下加工，并且还具有与用硅基光伏器件所达到的转换效率相近的转换效率，这些材料是用于光伏子层14a的一类重要材料。在一个实施方式中，光电转换层由钙钛矿材料提供。典型钙钛矿材料具有abx3的晶体结构，其中a是如甲基铵(ch3nh3) 的有机阳离子，b是无机阳离子，通常是铅(ii)(pb2 )，和x是卤素原子，例如碘(i-)、氯(cl-)、氟(f-)或溴(br-)。因为钙钛矿材料能相对容易地加工，还因为它们的带隙能通过适当选择卤化物含量来设定为期望值，因此钙钛矿材料是特别有利的。示例之一是三卤化甲基铵铅(ch3nh3pbx3)，根据卤化物含量，光学带隙在1.5ev至2.3ev之间。其他更复杂的结构包含混合a阳离子，如铯(cs )、甲基铵((ch3nh3) ，ma)、甲脒((h2nchnh2) ，fa)或铷(rb )和混合x阴离子。复杂混合钙钛矿的示例是三卤化铯甲脒铅csxfa1-xpbiybr3-y和三卤化铯甲铵甲脒铅csxmazfa1-x-zpbiybr3-y(其中x《1，z《1，x z《1)。通过调节a-阳离子和x-阴离子的比例，能调节钙钛矿材料的带隙和物理性质。其他金属如锡可替代pb在钙钛矿材料b的位置的作用。其一个示例是ch3nh3sni3。也可以是锡与铅钙钛矿的组合，其具有在1.2至2.2ev范围内的较宽带隙。
37.每个光伏模块具有相应的初级电极层区段的一部分、相应的光伏层区段的一部分和相应的次级电极层区段的一部分。在图1a和1b中示出了光伏模块1b具有初级电极层12区段12b的一部分、光伏层14区段14b的一部分和次级电极层16区段16b的一部分。如其中进一步所示，光伏模块1c具有初级电极层12区段12c的一部分、光伏层14区段的一部分14c和次级电极层16区段16c的一部分。
38.相互紧接的光伏模块在其界面区段串联互连。如图1a、1b中所示，界面区段1bc包括绝缘材料的耦合元件15bc，其横向包围导电芯17bc。耦合元件15bc夹在第一光伏模块1b的次级电极层区段16b的第二端16bc和紧接的第二光伏模块1c的初级电极层区段12c的第一端12bc之间。次级电极层区段16b的第二端16bc在导电芯17bc的第一面上横向延伸，紧接的第二光伏模块1c的初级电极层区段12c的第一端12bc在导电芯17bc的第二面上横向延伸。于是，光伏模块经由导电芯17bc在次级电极层区段16b的第二端16bc和初级电极层区段12c的第一端12bc之间形成电连接。
39.在图1、1a、1b所示的实施方式中，导电芯17bc和次级电极层16由相同的导电材料形成。
40.在图1、1a、1b所示的实施方式中，耦合元件15bc沿着界面区段1bc延伸。
41.图2a、2b示出了一个替代的实施方式。其中图2a是对应于图1a的可替代的实施方式的俯视图，图2b是对应于图1b的替代的实施方式的截面图。在该替代的实施方式中，耦合元件15bc是沿着界面区段1bc的长度方向分布的多个类似元件15bc中的一个。
42.用于中空耦合元件15bc的绝缘材料以及用于电极层的材料可为半透明的。于是，实现了未经光伏层吸收的光透射光伏模块且光也部分在界面区段1bc中透射。这对于，例如将光伏器件用作屋顶的应用，当希望屋顶不是完全不透明时，是有利的。这种器件也非常适用于其他需要透明性的建筑构件，例如窗户。
43.如图2a、2b所示的光伏器件的实施方式还包括半透明的绝缘元件18b、18c，它们横向分布在它们的初级电极层区段12b、12c的部分和它们的次级电极层区段16b、16c的部分之间的光伏模块的区域中。半透明的绝缘元件18b、18c于是部分地替代了光伏层14的材料，使得更多的光能通过光伏器件透射。由于这些绝缘元件18b、18c横向分布，能实现对光伏器
件下方空间的均匀照明。
44.图3a-3e示意性地示出了制造具有多个光伏模块1a、1b
……
1f的光伏器件1的方法。
45.如图3a所示，该方法包括提供被分隔成多个初级电极层区段12b、12c的初级电极层12。初级电极层区段12c具有第一端12bc，至少其部分表面由绝缘材料部15bc覆盖。在所述方法的该实施方式中，单个绝缘材料部15bc沿着待形成的相互紧接的光伏模块之间的界面区段延伸。如图3a所示的半成品，例如可通过首先提供(s1)分隔的初级电极层12，和随后沉积(s2)绝缘材料部15bc来获得。所述层12可经毯式沉积，并且随后例如通过光刻或者通过划片(例如激光划片)分隔成初级电极层区段12b、12c。或者，该层可直接沉积为初级电极层区段12b、12c，例如通过印刷的掩模沉积。如图3a所示的半成品，可通过首先提供分隔的初级电极层12和随后沉积绝缘材料部15bc来获得。在其他实施方式中，在沉积绝缘材料部之后，将所述层12分隔。
46.在随后的步骤s3中，如图3b所示，在没有所述绝缘材料的剩余表面上提供光伏材料。于是获得光伏层14，其具有光伏层区段14b、14c，每个光伏层区段基本上与相应的初级电极层区段12b、12c重叠。
47.如图3c所示，在另一步骤s4中，在绝缘材料部15bc中提供开口15bcx，以局部暴露初级电极层区段(12b)的第一端12bc的表面。
48.如图3d所示，在又一步骤s5中，沉积次级电极层16。作为该沉积步骤s5的结果，次级电极层的材料也进入绝缘材料部15bc中的开口15bcx，并随之与初级电极层区段12b的第一端12bc形成电连接。
49.图3e示出了再一步骤s6，其中次级电极层16被分隔成多个次级电极层区段16b、16c。每个次级电极层区段16b、16c大体与相应的光伏层区段14b、14c重叠。于是形成多个光伏模块，每个光伏模块具有相应的初级电极层12区段的部分、相应的光伏层14区段的部分和相应的次级电极层16区段的部分。
50.图4a-4e示出了该方法的替代实施方式。如下所述，该实施方式不同于图3a-3e所示的实施方式。
51.与前面讨论的实施方式相反，图示出替代实施方式的步骤s1a、s2a的图4a示出多个绝缘材料部15bc沿着长度方向分布在待形成的相互紧接的光伏模块之间的界面区段中。在图4a中，初级电极层12中的沟槽12bcx线性延伸，但是为了降低可见度，替代地可以曲折的方式提供。在图4b中示出的随后的步骤s3a大体对应于图3b所示的步骤s3，其中光伏材料提供在没有所述绝缘材料的剩余表面上。
52.在图4c所示的另一步骤s4a中，开口15bcx提供在每个绝缘材料部15bc中，以局部暴露初级电极层区段12b的第一端12bc的表面。
53.图4d示出了对应于图3d所示步骤s5的另一步骤s5a，其中次级电极层16被沉积。然而，在这种情况下，次级电极层的材料也伸入绝缘材料部15bc中的开口15bcx。伸入的材料于是在共同分布的位置处与初级电极层区段12b的第一端12bc形成电连接。
54.图4e所示的又一步骤s6a对应于步骤s6，其中次级电极层16被分隔成多个次级电极层区段16b、16c。在图4e中，次级电极层16中的沟槽16bcx线性延伸，但是为了降低可见度，替代地可以曲折的方式提供。
55.图5a-5e示出了该方法的另一替代实施方式。如下所述，该实施方式不同于图4a-4e所示的实施方式。
56.图5a所示的步骤s1b、s2b不同于图4a所示的步骤s1a、s2a，其中附加绝缘材料部18b、18c提供在将要形成的光伏模块区域中的初级电极层12上。
57.图5b所示的随后的步骤s3b基本上对应于图4b所示的步骤s3a，其中光伏材料设置在没有所述绝缘材料的剩余表面上。这意味着半透明的绝缘元件18b、18c于是部分替代了光伏层14的材料。
58.如在步骤s4a(图4c)那样，图5c所示的步骤s4b中，开口15bcx提供在每个绝缘材料部15bc中，以局部暴露初级电极层区段12b的第一端12bc的表面。该工序不应用于附加绝缘材料部18b、18c。在图5a中，初级电极层12中的沟槽12bcx线性延伸，但是为了降低可见度，替代地可以曲折的方式提供。
59.图5d示出了对应于图4d所示的步骤s5a的另一步骤s5b，其中次级电极层16被沉积。如在步骤s5a中那样，于是次级电极层的材料也伸入绝缘材料部15bc中的开口15bcx。伸入材料于是在共同分布的位置处与初级电极层区段12b的第一端12bc形成电连接。
60.如图5e所示的又一步骤s6b对应于步骤s6a其中将次级电极层16分隔成多个次级电极层区段16b、16c。在图5e中，次级电极层16中的沟槽16bcx线性延伸，但是为了降低可见度，替代地可以曲折的方式提供。因为半透明的绝缘元件18b、18c在横向分布的位置替代了光伏层14的材料，部分照射在光伏器件上的光通过这些半透明的绝缘元件18b、18c透射。尽管在这些位置没有光伏材料，但是次级电极层16优选在附加绝缘材料部18b、18c上延伸，以有助于次级电极层16的横向导电性。