[发明专利]包括具有可变厚度的透明导电电极的光生伏打模块及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及光生伏打电池的技术领域，具体地涉及透明电极的领域，该透明电极是光生伏打电池的必要元件。

背景技术

光生伏打电池由于其能源效率的改进而越来越受到人们的关注。这种光生伏打电池是基于对活性材料的光生伏打堆的使用，其吸收光能(例如太阳能)并且将其转换成来自活性层之间的电气化学效应电势差的电流。光生伏打堆可以形成于块状材料(水晶堆或多晶硅)内部或者由作为薄层沉积在基板上的材料形成。电势差可能源于材料掺杂或对不同材料的使用。光生伏打电池也包括在光生伏打堆两侧的电极用以收集如此生成的电流并且将其侧向地传送到电池边缘。光生伏打模块是通过串联和/或并联连接几个光生伏打电池来形成的。

金属电极通常对于可见光是不透明的。然而，电极已经被开发成透明且导电并且可以被置于暴露于光生伏打堆的光辐射下的表面上。对于块状材料电池而言，对着光源的掺杂层(该层在后文将称作“发射器”)的导电性的强度足以(例如如果它由掺杂的块状材料构成)在毫米级的距离内侧向传送电荷载体。然后，金属网格被用来在去往电池边缘的剩余路径上传输电流。通常，对于薄层而言，掺杂活性层的导电性强度不足以有效地执行这个传输，并且需要另一种透明且导电的电极材料。用于透明电极的材料特别地是金属氧化物(TCO，透明导电氧化物)，其通常是掺杂了另一元素(例如掺氟氧化锡(SnO₂:F)或掺铝氧化锌(ZnO:Al))的金属氧化物。另一种经常使用的TCO是氧化铟锡(ITO)，其具有高导电性并且具有低表面粗糙度，这使得它可以有利地用于平板显示器。这种低表面粗糙度使得ITP对于“覆盖层(superstrate)”型的光生伏打电池较不有利，其中入射光在进入电池之前经过支撑基板。实际上，期望活性层与前端电极之间的接口处的表面粗糙度能够改进入射光子在光生伏打材料内的扩散，并且因而改进其吸收率。从气相前体沉积的活性薄层保形地沉积在基板拓扑上。因此，期望的粗糙度必须来自基板或TCO。在这种情况下只有当基板已经被施加以图案时才能够使用平滑的TCO。另一方面，掺氟氧化锡(SnO₂:F)给出了被施加以图案的沉积。掺铝氧化锌(ZnO:Al)当通过低压化学气相沉积(LPCVD)而被沉积时是粗糙的，并且当受到溅射沉积时是平滑的，但是其粗糙度可以通过非原位化学处理而增加。

对于通过堆积薄层而获得的光生伏打电池而言，存在两种结构。根据第一种“覆盖层”型结构，透明的基板用作光生伏打电池的窗口。在这种情况下，透明电极作为透明导电氧化物(TCO)薄层而被沉积在透明基板(例如玻璃板)上。光生伏打堆和后端电极然后按照已知沉积方法而被相继沉积。根据第二种“基板”型结构，金属电极被沉积在基板(不必是透明的)上，然后将光生伏打材料薄层沉积于其上，并且最后将透明电极沉积在光生伏打堆上。如此形成的电池因而是被封装的。

在基于块状光生伏打材料的光生伏打电池中，这种材料用作基板，金属电极被沉积在材料后表面上，并且(通过掺杂物的热扩散或通过离子注入而制成的)前表面上的发射器参与了载体的侧向传输。金属网格被沉积以将用于载体的传导电路延伸至外部电极。HIT(有本征薄层的异质结)电池构成了特定的情形，因为它们使用块状材料但是掺杂层是从气相前体沉积的并且导电性不强。因此，这种电池需要TCO层用以侧向传输载体，如基于沉积在基板上的薄层的电池的情形那样。此外，块状硅电池也可以使用TCO层作为抗反射层。

为了进入光生伏打电池，不管使用什么类型的电池，光经过必须满足两种功能的窗口：它必须尽可能地透明以使得最大光流通过，并且它必须有尽可能强的导电性以当光电流被收集时最小化电阻性损耗。然而，透明电极具有比金属电极低的电属性。

为了增强透明电极的电流收集，一些设备使用包括以薄层透明导电氧化物(TCO)的窗口，其被单独使用或与金属网格结合使用。这种金属网格的使用例如在专利文件CA1244120中描述。在接近于电流可能被提取的连接的电池区域中，网格指状物占用的表面区域增加：指状物在此处彼此更接近和/或更宽。网格指状物占用的表面区域变得更大，并且因此更大的电池表面区域被指状物掩蔽，然而所获得的侧向导电性增强对于电池效率而言显然是有利的。