专利名称：光电器件和生产方法
技术领域：
本发明涉及光电器件的领域，更具体地，涉及包括以所谓的薄膜技术生产的光电单元的器件。本发明还涉及薄膜光电器件的制造。
背景技术：
如就其本身已知的那样，光电器件包括串联和/或并联连接的一个或多个光电 (PV)单元。在无机材料的情况下，光电单元本质上由半导体材料制成的二极管(p-n或 p-i-n结)构成。这种材料具有吸收光能量的性质，其物质上的部分(substantial part) 可以传输至载流子(电子和空穴)。通过分别掺杂两个区域η型和ρ型(其可选地由未掺杂区域(称为“本征”区域并且用表达式P-i-n结中的“i”表示)分离)形成二极管(P-n 或p-i-n结)，使得能够分离然后经由提供有光电单元的电极收集载流子。光电单元可以提供的电位差(开路电压，Voc)和最大电流(短路电流，IJ依赖于用以形成单元组合体 (cell assembly)的材料和该单元所暴露于的环境条件(包括照明的谱强度、温度等)二者。在有机材料的情况下，模型实质上不同，更多地利用其中形成称为激子的电子空穴对的施主和受主材料的概念。最终结果仍然相同分离载流子以便收集并产生电流。存在多种已知的用于制造光电单元的技术。根据自1975年开始的工业观点，开发了所谓的薄膜技术；这些技术包含通过PVD(物理气相淀积)或PECVD(等离子体增强化学气相淀积)在衬底上淀积各种材料作为薄膜。之后出现了另一些制造技术，如所谓的晶体硅技术，这在当前表示大多数工业生产。这些技术包括产生单晶或多晶硅的铸模 (ingot)，然后将铸模切割为晶圆，并掺杂晶圆以便生产p-n或p-i-n结。新兴的技术使用有机单元或复合材料。薄膜光电单元技术具有许多优点。与晶体硅技术相比，它们能够进行大面积的高吞吐量制造处理。薄膜光电单元在装配至模块时还具有良好的能量效率。将表述“光电模块”理解为多个光电单元的组合体。此外，模块还可以与一般包括静态转换器(SC)和可选的最大功率点跟踪器(MPPT)的控制电子设备相关联。图1示出了用于制造薄膜光电单元器件的传统方法的步骤。各种膜的厚度未按照比例示出在图1的图中。在薄膜技术中，通过PVD (物理气相淀积)或PECVD (等离子体增强化学气相淀积) 或者甚至通过溅射或LPCVD (低压化学气相淀积)在衬底10上将各种材料淀积为薄膜。以这种方式，相继淀积第一导电电极11、形成一个或多个结的所谓的有源膜15以及第二导电电极12。电极11、12旨在收集有源膜15产生的电流。在薄膜技术中，有序的步骤对于在给定衬底上形成多个光电单元是必要的。确切地，为了增大制造产量，目标是要通过在大面积上进行相继的淀积以在给定衬底上产生若干个单元，通常在薄片(sheet)上产生几十至几百个单元(在研究阶段测量几cm2到生产阶段多于Im2)，然后这些单元串联连接以便增大器件的输出电压。下面将参照图4到6更详细地描述光电单元器件的电模拟。图1示出了在衬底10上淀积第一电极11的第一步骤(a)。术语“衬底” 10理解为是指支撑光电单元的有源元件的部分。衬底可以是刚性的，即由玻璃片制成，或者是柔性的， 即由聚合物或不锈钢或钛的薄片制成；依据其是否被置于相对于有源膜的入射光路径中， 其可以是透明的或者不透明的。也可以选择衬底以形成密封最终产品的多个薄片(sheet) 中的至少一个，例如刚性光电模块情况下的玻璃衬底。本领域技术人员将能够选择最适合要制造的器件的各种有源膜的淀积的衬底(玻璃、聚合体或金属衬底)。例如，第一电极11可以由对于光透明的氧化膜(如氧化铟锡(ITO))制成，或者由透明导电氧化物(TCO)(如，氧化铟(In2O3)、掺杂铝的氧化锌(SiO)或掺杂氟的氧化锡 (SnO2))制成。尤其在衬底10是透明的且入射光经由与衬底相对的面穿透单元时，可以计划在第一电极(图2中标记为20)之前将背反射膜(back reflective film)直接淀积在衬底10上。背部反射膜例如可以是由铜、银或铝制成的膜。图1示出了分割第一电极层11以便在由衬底10界定的给定面板中定义将形成对应数量的各个二极管的多个带；电极的面积限定了可以由以这种方式构造的二极管输送的最大电流。一般通过激光刻蚀(例如，利用Nd: YAG(掺钕钇铝石榴石)激光器)执行分割 (segmentation)0图1示出了淀积有源膜15的第三步骤(c)。例如，可以淀积氢化非晶硅(a-Si:H)、 多晶硅(pm-Si:H)或微晶硅(yc-Si:H)的薄膜以形成一个或多个重叠的p_n或p-i_n结。 本领域技术人员能够根据可用的工业设备和/或要求的光电效率选择适合于制造p-n或 p-i-n结的任何材料。有源膜15填充第一电极11的各个带之间的间隙，由此隔离每个电极片段(segment)。图1示出了分割有源膜15直到暴露第一电极11为止的第四步骤(d)。相对于第一电极11的分割平移有源膜15的分割，以便第二电极(将在步骤(e)中淀积)和第一电极11可以接触-由此确保由相邻带形成的二极管串联连接。如将在下面描述的那样，串联连接给定面板中的二极管允许获得更高的电压(其等于串联连接的每一个二极管的基本电压(elementary voltage)之和)。一般通过激光刻蚀(例如，利用Nd: YAG激光器)执行有源膜15的分割。图1示出了淀积第二电极12以便以第一电极11包围单元的有源膜15的第五步骤(e)。第二电极12可以具有与第一电极11相同的成分(composition)或者不同的成分； 例如，它可以由氧化铟锡(ITO)或任何透明导电氧化物(TCO)构成。第二电极12在入射光经由衬底10穿过单元的情况下甚至可以以背部反射器(reflector)覆盖；第二电极在其具有适当成分的情况下(例如在其由ΙΤ0、银和镍制成的情况下)也可以用作背部反射器。第二电极12填充有源膜15的分割间隙，确保相邻带串联连接。图1最后示出了分割第二电极12直到暴露有源层为止的第六步骤(f)。第二电极 12的分割同样相对于有源膜15的分割以及相对于第一电极11的分割被平移，以便以步骤 (b)的第一分割限定各个二极管的带的有源区。一般通过激光刻蚀(例如，利用Nd:YAG激光器)或者通过机械刻蚀执行第二电极12的分割。图2以流程图总结了参照图1描述的各制造步骤。首先清洁并测试衬底10，以检查衬底表面上不存在裂缝或灰尘或缺陷，或者甚至检查衬底只是没有破损。然后可以淀积反射器20 ；然后第一电极11。然后例如通过退火向第一电极11赋予纹理(texture)，以向淀积的分子赋予相同的晶体朝向，并分割。检查分割的质量-宽度、侧壁角度、深度等，并且必须再一次清洁衬底以便去除刻蚀引起的金属残余。淀积并分割有源膜15-不管形成p-i-n 结还是其它结，然后淀积并分割第二电极12。然后执行最终检查。存在以与参照图1和图2所述的顺序不同的顺序制造薄膜光电单元器件的其它方法。例如，有源膜和第一电极膜可以一起被分割，并且可以丝网印刷(screen-print)绝缘墨(insulating ink)。接着淀积并分割第二电极。最终将接触栅格(例如由银制成)丝网印刷到第二电极上，并且使用栅格的回流步骤以确保两个相邻的光电带串联连接。使用激光器来回流金属膜。因此，在用于制造薄膜光电单元器件的传统方法中，一般存在三个激光分割步骤， 不论实施的方法和淀积膜的性质或厚度如何。每一个分割步骤必须利用不同的激光器 (即，利用在波长、分辨率和腐蚀角度方面的不同设置)执行，以便分割需要的膜。这些分割步骤对于制造薄膜光电单元器件的方法而言代表高成本，并且是限制生产能力的因素。另夕卜，这些分割步骤是精密的，并且由于它们是造成导致整体器件报废的许多缺陷的原因，因此减小了产品成品率。此外，分割减小了器件的有用的区域。这是因为由分割凹槽损坏的区域并非都能够用以产生光电能量。光电单元的有源区由第一和第三分割凹槽界定。因此，例如，对于宽度为12mm的带，区域的大约5%到6%以及由此由单元输送的电流的大约5%到6%由于分割而丢失。图3示出了具有串联互连的相邻光电单元的薄膜光电器件的一部分的示意性截面视图。各种膜和分割凹槽的尺寸在图3中未按照比例示出。图3示出了衬底10、第一电极11、有源光电膜15和第二电极12。图3还示出了使得能够进行两个相邻光电单元的电隔离的第一分割凹槽1 ；将该第一凹槽1挖到第一电极11和有源膜15里，并且以绝缘墨填充。将第二分割凹槽2挖到有源膜15里，并在后者的淀积期间以第二电极12的材料填充。第三分割凹槽3将第二电极12分割为多个带。在图3(粗体箭头)中可以看出，光电单元的电流I经由第二电极、第二凹槽和第一电极流入接下来的单元。由第一和第三凹槽1、3界定的每个光电单元由此通过第二凹槽2与相邻单元串联连接。需要光电器件的各单元的串联连接，以将器件的输出电压增大到与器件想要连接到的外部DC或AC负载相容的电压电平。然而，在时间和硬件两个方面，光电器件的薄膜的分割是成本高的步骤，并且该步骤减小了器件的有用区域。
发明内容
因此，存在能够增大制造成品率并限制器件的死区的制造薄膜光电器件的方法的需求。为了这个目的，本发明建议限制或甚至去除用于制造薄膜光电器件的方法中的激光分割步骤；代之，一个或几个大单元占据器件的整个区域，但以受限电压提供高电流。至少一个静态转换器置于每一个单元的端子的两端，以便减小电流并成比例地增大电压。因此，通过添加适当的转换电子设备，可以去除用于制造光电器件的方法的限制性步骤。更确切地，本发明涉及光电器件，包括
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-至少一个光电单元，其包括淀积在衬底上的有源薄膜，所述有源膜未被分割；以及-至少一个静态转换器，其与每一个光电单元相关联；其中-每一个光电单元以最大电流和标称电压提供电功率；以及-每一个静态转换器通过减小发送的电流和增大发送的电压，能够向负载发送由光电单元提供的电功率。根据实施例，静态转换器是DC/DC转换器和/或DC/AC转换器。根据一个实施例，静态转换器与控制电子设备相关联，所述控制电子设备能够控制发送的电流的减小和发送的电压的增大。与静态转换器(50)相关联的控制电子设备可以包括最大功率点跟踪器(MPPT)。控制电子设备可以与负载通信。根据一个实施例，所述器件包括在每个光电单元与负载之间串联布置的多个静态转换器。根据一个实施例，所述器件包括单个光电单元。光电单元的有源膜可以覆盖衬底的多于95%的区域。根据另一个实施例，所述器件包括每一个通过至少一个静态转换器与负载并联连接的多个光电单元。本发明还涉及光电发生器，其包括根据本发明的、串联和/或并联连接的多个光电器件。本发明还涉及用于制造光电器件的方法，其包括由以下组成的各步骤-通过在衬底上相继淀积薄膜来制造至少一个光电单元；以及-将至少一个静态转换器连接到每一个单元的端子，所述方法不包括创建串联的多个基本光电单元的分割薄膜的步骤。
本发明的其它特征和优点将在阅读通过示例并参照附图给出的本发明实施例的如下描述时变得清楚，所述附图示出图1 (以上描述)是根据现有技术制造光电单元器件的步骤的图；图2 (以上描述)是根据现有技术制造光电单元器件的步骤的流程图；图3(以上描述)是根据现有技术的光电单元器件的图；图4是根据本发明的光电器件的图；图5是图示覆盖器件的整个区域的单个光电单元器件的电模拟的图；图6是图示相对于图4的单元的缩小区域的光电单元的电模拟的图；图7是图示串联连接的多个光电单元的电模拟的图；以及图8是图示根据本发明的光电器件的电模拟的图。
具体实施例方式本发明提供了薄膜光电器件，其包括与至少一个静态转换器相关联的至少一个光电单元。根据本发明的器件的每一个光电单元通过至少一个静态转换器与负载电连接。术语“负载”理解为是指光电器件旨在提供的独立于其性质(DC或AC)的电气应用。根据本发明的光电器件可以包括单个光电单元或多个大单元，每一个与控制电子设备相关联，并且与负载并联连接。对于给定面板，激光器分割由此受到限制或者甚至完全被去除(remove)。表述“大”光电单元理解为是指有源膜不被分割的单元以使得几个基本单元(elementary cell)串联连接。由此增大了光电器件的制造成品率，并限制了死区 (dead region)0然后这种“大”单元以有限的电压(通常低于负载所要求的)提供高电流(通常高于负载所要求的)。然后每一个静态转换器被设计为通过因子N减小由与其相关联的光电单元提供的电流，并通过最多因子N增大提供到负载的电压。由转换器、由光电器件的单元接收到的输入功率基本上等于由转换器向负载提供的输出功率；由于热损耗和转换器中的损耗(例如，切换损耗)，因此输出功率可以略低于输入功率。转换器将从光电单元接收到的能量进行转换，以便将输出电压匹配到与负载的施加相容的值。图4图示根据本发明的光电器件。在剩余描述中，将针对单个光电单元描述根据本发明的光电器件。然而，要理解，描述的器件可以以模块中排列的且与负载并联连接的多个光电单元和静态转换器复制。在图4中，本发明的器件包括单个光电单元60。该单个薄膜光电单元包括衬底10、 第一电极11、形成至少一个结的有源膜15、第二电极12。除了排除了分割淀积膜的步骤之夕卜，使用上述方法之一来制造该光电单元60。根据本发明的器件的单元60不包括分割凹槽；即，其有源膜和电极不被分割，以便通常如现有技术中的情况那样形成串联连接的多个基本单元。因此，单元的有源膜15覆盖衬底10的几乎全部区域(大约多于95%)。不过， 可以想象分割单元以限定其边缘并设置最大电流。本发明的器件还包括在单元60的端子两端连接的至少一个静态转换器50。根据应用，静态转换器50可以是DC/AC转换器和/或DC/DC转换器。静态转换器50设计为将由光电单元60提供的电功率发送到外部应用的负载100-电池、电力或其它供电线路。根据本发明的器件的转换器50设计为减小所发送的电流并增大所发送的电压。图4示出了多个转换器50可以串联排列。单元60以依赖于阳光的电流并且以等于结的阈值电压的标称电压提供电功率。第一转换器可以通过以第一因子N减小电流并通过以最多第一因子N增大电压来转换该功率；然后第二转换器可以通过进一步以第二因子 N’减小电流并通过进一步以最多因子N’增大电压来转换该功率。该级联的布局使得可以以少量的转换器实现高电压。每一个转换器50可以与控制电子设备相关联，所述控制电子设备控制电流减小和电压增大的因子。该控制电子设备对于单元的所有转换器可以是公共的。这种控制电子设备也可以集成单元的最大功率点跟踪(MPPT)控制。控制电子设备尤其使得可以例如在对于负载100的要求改变的情况下或者在更好的控制算法变得可用的情况下改编每个转换器50的运行。这种电子设备也可以检测对于单元60和对于转换器5 二者的运行故障， 并停止功率传输和/或报警负载100和/或外部观测仪(如供电线路管理器)。例如，经由电源线通信(PLC)或通过无线电链路在控制电子设备与负载100之间发送信息。然而，转换器50的控制电子设备对于本发明的实施不是必需的；如果负载的电压要求固定，则转换器50可以特别地设计为提供适于单元60的能量产生能力的工作范围内的电压。图5(其不形成本发明的一部分，但是为了理解的目的而给出)示意性地图示覆盖器件的整个区域的单个光电单元的电模拟。如以上说明的那样，光电单元本质上由二极管构成；因此其输出电压对应于二极管的阈值电压，并且输出电流直接依赖于单元的大小以及制成其的材料以及环境因素。因此，例如对于具有大约Im2面积的硅薄膜制成的有源层， 这种单元可以以一般低于IV的阈值电压V。。提供大约150A的很高的最大电流Is。。这种输出电压一般不与光电器件想要的外部负载相容。例如，在电池充电应用中，要求的输出电压约为12V。同样地，对于电网供电(mains supply)应用，要求的输出电压约为MOV。这些电压远高于使用覆盖器件的整个区域的单个光电单元可以提供的电压。此外，很少应用要求与单个大面积单元提供的电流一样高的电流。这是现有技术的光电单元包括串联连接的多个单元的原因。每一个单元具有相对于器件的总面积的小尺寸；因此输出电流减小，但是串联连接增大了输出电压。图6(其不形成本发明的一部分，但是为了理解的目的而给出)示意性地图示光电器件的片段的单元的电模拟。如果光电器件包括单元的N个带(strip)，其占据与图5的器件的整个区域相同的整个区域，那么最大输出电流Is。将以因子N减去凹槽占据的面积而减小；单元的输出电压将仍然等于形成单元的二极管的阈值电压。图7(其不形成本发明的一部分，但是为了理解的目的而给出)示意性地图示图6 的多个基本光电单元在串联连接时的电模拟。最大电流Is。由于每一个单元的减小的面积而保持减小，但是输出电压由于基本单元串联连接而以因子N增大。然后输出电压可以与外部应用相容。然而，如上所述，光电器件的膜的分割是耗时、成本高，且形成限制生产能力的因素。另外，串联连接光电单元将器件的输出电流限制到最低良好照明的单元的电流。因此，如参照图4所述，本发明提供光电器件，其包括与至少一个静态转换器50相关联的单个光电单元60。图8示意性地图示根据本发明的光电器件的电模拟。如以上所述那样，在电气上可以认为该器件的光电单元类似于二极管；因此对于对应于二极管的阈值电压的标称输出电压Vp以及直接依赖于单元的大小以及制成其的材料以及环境因素的最大输出电流Is。， 其功率特性将与参照图5所述的特性一致。然而，根据本发明的器件的单元与静态(DC/DC 或DC/AC)转换器相关联，所述静态转换器通过以因子N减小电流并且通过以最多因子N增大电压来转换由单元提供的功率。转换器的输出功率基本上等于输入功率(功率转换确实引起损耗，即使是后者受到限制)，但是输出电压可能增大到与负载的要求相容的值。因此，根据本发明的器件的光电单元60以低标称电压Vp(—般低于IV)提供可能达到150A或者甚至更大的高电流Is。。根据本发明的器件的转换器50通过电流中的对应减小，以因子N(其依据应用可能范围在10与50之间)增大该电压。如果满足负载100的要求所需的电压增大/电流减小因子很高，则可以如图4中所示那样级联地放置几个(DC/ DC和/或AC/DC)转换器50。在本发明的上下文中，可以使用Boost (升压)、Buck (降压)、 Buck-Boost (降压-升压)或Cuck转换器。高电流可以流经根据本发明的器件的光电单元，而不损坏单元的膜。可以适当地选择形成电极11、12的膜的材料及其厚度，以便电极具有有限的电阻率和受热。同样地，为了收集来自单元的每个电极11、12的电流所提供的电连接总线31、32的材料和截面部分可以设计为传导高电流。 当然，本发明不限于通过示例的方式描述的实施例。特别地，所提到的用于制造单元的各种膜的材料仅通过说明的方式给出，并且其依赖于所使用的制造工艺和设备。同样地，电流和电压值仅通过说明的方式而给出，并且其依赖于光电单元的类型和器件想要的负载。
权利要求
1.一种光电器件，包括-至少一个光电单元(60)，其包括淀积在衬底(10)上的有源薄膜(15)，所述有源膜未被分割；以及-至少一个静态转换器(50)，其与每一个光电单元(60)相关联，其中-每一个光电单元(60)以最大电流(I。。)和标称电压(Vp)提供电功率；并且-每一个静态转换器(50)通过减小发送的电流并增大发送的电压，能够向负载(100) 发送由光电单元提供的电功率。
2.根据权利要求1所述的光电器件，其中，静态转换器(50)是DC/DC转换器和/或DC/ AC转换器。
3.根据权利要求1或2所述的光电器件，其中，静态转换器(50)与控制电子设备相关联，所述控制电子设备能够控制发送的电流的减小和发送的电压的增大。
4.根据权利要求3所述的光电器件，其中，与静态转换器(50)相关联的控制电子设备包括最大功率点跟踪器(MPPT)。
5.根据权利要求3或4所述的光电器件，其中，控制电子设备能够与负载(100)通信。
6.根据之前任何一个权利要求所述的光电器件，包括在每个光电单元(60)与负载 (100)之间串联安置的多个静态转换器(50)。
7.根据权利要求1到6中的任何一个所述的光电器件，包括单个光电单元(60)。
8.根据权利要求7所述的光电器件，其中，光电单元(60)的有源膜(1 覆盖衬底(10) 的多于95%的区域。
9.根据权利要求1到6中的任何一个所述的光电器件，包括每一个均通过至少一个静态转换器(50)与负载(100)并联连接的多个光电单元(60)。
10.一种光电发生器，包括根据权利要求1到9中任何一个所述的、串联和/或并联连接的多个光电器件。
11.一种用于制造光电器件的方法，其包括由以下组成的各步骤 -通过在衬底上相继淀积薄膜来制造至少一个光电单元；以及-将至少一个静态转换器连接到每一个单元的端子，所述方法不包括创建串联的多个基本光电单元的分割薄膜的步骤。
全文摘要
本发明涉及光电器件，包括至少一个光电单元(60)，其提供有淀积在衬底(10)上的有源薄层(15)，所述有源层未被分割；以及至少一个静态转换器(50)，与每一个光电单元(60)相关联。每一个光电单元(60)以最大电流(Icc)和标称电压(Vp)提供电功率，并且每一个静态转换器(50)以这种方式适配为向负载(100)发送由光电单元提供的电功率，减小发送的电流并增大发送的电压。由此在相同面板上限制或完全去除了光电单元的激光分割。光电器件生产的成品率从而得到改善并且限制了死表面。
文档编号G05F1/67GK102460730SQ201080031651
公开日2012年5月16日 申请日期2010年5月11日 优先权日2009年5月15日
发明者B.埃斯蒂巴尔斯, C.阿隆索, L.弗兰克, M.弗米尔希 申请人:国家科学研究中心, 道达尔股份有限公司