СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МУЛЬТИПЕРЕХОДНЫХ И МНОГОЭЛЕКТРОДНЫХ ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
METHOD OF MAKING MULTIPLE-JUNCTION AND MULTIPLE-ELECTRODE PHOTOVOLTAIC CELLS

Область техники
Настоящее изобретение относится к области фотогальванических устройств и, в частности, касается мультипереходных устройств, содержащих так называемые тандемные фотогальванические элементы. Изобретение касается также изготовления фотогальванических устройств с многоэлектродными элементами, в которых множество фотогальванических элементов, нанесенных на независимые подложки, объединяют для изготовления многоэлектродного фотогальванического модуля, который обеспечивает прямой доступ ко всем электродам и позволяет избежать короткого замыкания между этими электродами.
Уровень техники
Как известно, фотогальванический генератор (GPV) содержит множество фотогальванических элементов (PV), соединенных последовательно и/или параллельно. Фотогальванический элемент представляет собой полупроводниковый диод (переход р-n или p-i-n), выполненный с возможностью поглощения световой энергии и ее преобразования в электрическую энергию. Когда полупроводник поглощает фотоны, они передают свою энергию атомам перехода р-n таким образом, чтобы электроны этих атомов могли высвободиться и создать свободные электроны (заряды n) и дырки (заряды р). При этом между двумя слоями (р и n) перехода появляется разность потенциалов; эту разность потенциалов можно измерить между положительным и отрицательным контактами элемента. Максимальное напряжение элемента обычно составляет примерно 0,6 В при нулевом токе (разомкнутая цепь), и максимальный ток, который может производить элемент, в значительной степени зависит от уровня освещения элемента солнцем.
Термином «тандемный фотогальванический элемент с переходами» обозначают множественный переход, образованный двумя простыми переходами, наложенными друг на друга таким образом, чтобы увеличить зону поглощения солнечного спектра элементом. В зависимости от технологий оба перехода могут входить друг с другом в прямой контакт или в опосредованный контакт через промежуточный слой прозрачного проводящего оксида. В этом последнем случае прозрачный проводящий оксид, помещаемый между двумя переходами, выполняет функцию промежуточного отражателя для увеличения оптического пути света посредством множественных отражений. На фиг.1 схематично показан тандемный элемент, состоящий из первого перехода, выполненного в аморфном кремнии (a-Si:H), и из второго перехода, выполненного в микрокристаллическом кремнии (µc-Si:H), с прямым контактом в поперечном разрезе вдоль пути падающего света. На схеме, показанной на фиг.1, пропорции толщины различных слоев не соблюдены. На стеклянную подложку 10 наносят различные материалы в виде тонких пленок методом PVD (осаждение из паровой фазы) или PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition). Таким образом, последовательно наносят первый прозрачный проводящий электрод 11, первый простой переход p-i-n 15, образующий передний фотогальванический элемент, второй простой переход p-i-n 16, образующий задний фотогальванический элемент, второй прозрачный проводящий электрод 12 и задний отражатель 20. Из практических соображений производства в настоящее время тандемные элементы в основном выполняют по так называемой тонкослойной технологии, причем как для неорганических, так и для органических или же гибридных (неорганических/органических) элементов. В тонкослойной технологии физическое наложение друг на друга фотогальванических элементов осуществляют посредством соответствующих циклов нанесения электродов 11, 12, предназначенных для сбора производимого тока, и активных слоев 15, 16.
Тандемные элементы являются существенным шагом вперед в области фотогальванических устройств в основном в том, что касается их электрического КПД преобразования энергии. Действительно, выполнение тандемной архитектуры состоит в физическом наложении друг на друга (относительно предполагаемого направления прохождения падающего света) двух фотогальванических элементов, соответствующие зоны оптического поглощения которых смещены по энергии. Оптическая связь элементов позволяет получить для набора (то есть тандема) общую зону поглощения, превышающую зону отдельных элементов. За счет этого повышается выход электрической энергии при условии, что это оптическое поглощение может быть преобразовано и использовано в качестве электрической энергии.
На фиг.2 показан график, иллюстрирующий выраженный в % КПД преобразования тандемного элемента из тонких слоев кремния. На графике представлены соответствующие зоны поглощения наложенных друг на друга элементов («верхнего элемента» в случае переднего элемента и «нижнего элемента» в случае заднего элемента) и общая зона поглощения элемента («наложение»). Технология тандемных элементов представляет собой решение для повышения энергетической эффективности фотогальванических генераторов. В последние годы были разработаны различные архитектуры тандемных элементов. Например, в качестве ссылок можно указать документы ЕР-А-1906457, US-A-2008/0013059 или WO 2004/112161. Каждый из этих документов раскрывает различные соединения фотогальванических материалов с целью улучшения поглощения энергии системой.
Описанные выше тандемные элементы характеризуются наличием двойной связи: оптической связи за счет наложения друг на друга активных фотогальванических элементов в разных зонах солнечного спектра; и электрической связи за счет прямого или непрямого контакта двух переходов и наличия двух электродов на концах тандема.
Основным недостатком электрической связи в тандемном элементе является необходимость согласования характеристик фотогальванических элементов, образующих тандем, причем при любых условиях солнечного освещения. В реальности этот идеальный случай не достижим, так как производство тока в каждом элементе различается в зависимости от области спектра, где они являются активными, и меняется в зависимости от условий освещения. В результате имеет место ограничение тандемного фотогальванического элемента наиболее слабым из его элементов. Такое ограничение по току значительно снижает теоретический КПД тандемного фотогальванического элемента.
Поэтому было предложено разъединить электрически переходы тандемного элемента. Фотогальванические элементы тандема остаются связанными оптически, но разъединены электрически. Каждый переход связан с двумя электрическими электродами; таким образом, получают тандемный фотогальванический элемент с четырьмя электродами, то есть по два электрода на каждый их двух переходов тандема. Между электродами смежных переходов помещают слой светопроницаемого и электроизоляционного материала.
Как правило, электроды тандемного фотогальванического элемента соединены электрически через токовые выводы соединительной коробки с электронным устройством, позволяющим преобразовать постоянное напряжение в переменное напряжение, совместимое с сетью потребления. Это устройство позволяет также управлять всеми фотогальваническими элементами или управлять раздельно каждым из фотогальванических элементов. Как правило, оба токовых вывода находятся либо на противоположных краях фотогальванического элемента на уровне двух соединительных коробок, либо на уровне среднего из элементов на уровне единой соединительной коробки. На фиг.1 документа US 4,461,922 показаны два наложенных друг на друга тандемных элемента, образующих модуль, в котором токовые выводы находятся на противоположных краях модуля. Управление модулем требует, таким образом, наличия на противоположных сторонах модуля двух соединительных коробок. Это расположение соединительных коробок на противоположных краях модуля делает слишком объемным узел, образованный модулем и соединительными коробками.
С другой стороны, если наложить непосредственно друг на друга два идентичных фотогальванических элемента, токовые выводы будут разделены очень незначительным расстоянием, например, равным толщине слоя светопроницаемого изоляционного материала, помещенного между двумя смежными фотогальваническими элементами. Эта толщина составляет около миллиметра или даже меньше. Таким образом, наложение друг на друга этих фотогальванических элементов предполагает наложение электрических контактных полос каждого из двух элементов, что может привести к короткому замыканию внутри полученного 4-проводного фотогальванического элемента. С другой стороны, доступ к электродам оказывается затрудненным по причине незначительного промежутка, разделяющего электроды одной полярности, находящиеся на двух смежных фотогальванических элементах. Следовательно, затруднено их подсоединение к соединительной коробке.
Таким образом, существует потребность в мультипереходном и многотерминальном фотогальваническом устройстве, в котором риск короткого замыкания между токосъемными полосами каждого из элементов сведен к минимуму и которым можно управлять при помощи только одной соединительной коробки. В частности, существует потребность в способе изготовления мультипереходного фотогальванического устройства, который позволяет облегчить подсоединение токовых выводов каждого фотогальванического элемента к соединительной коробке.
Раскрытие изобретения
В этой связи изобретением предлагается фотогальваническое устройство, содержащее:
- набор по меньшей мере из двух фотогальванических элементов (160, 260),
- промежуточный листовой материал (300), располагаемый между каждым фотогальваническим элементом, при этом каждый фотогальванический элемент содержит:
- два токовых вывода (185, 185'),
- по меньшей мере, один фотогальванических переход (150, 250),
- токосъемную шину (180, 180'), и
- соединительные полосы (190, 190'), которые проходят от токосъемной шины до токовых выводов,
при этом все токовые выводы расположены на одной стороне фотогальванического устройства.
Согласно варианту выполнения, устройство имеет форму параллелепипеда, и токовые выводы расположены на одной из боковых сторон параллелепипеда, и токовые выводы смещены относительно друг друга.
Согласно варианту выполнения, устройство имеет форму параллелепипеда, и токовые выводы расположены на нижней или верхней стороне параллелепипеда. Токовые выводы расположены в линию, предпочтительно вблизи боковой стороны устройства.
Согласно варианту выполнения, токовые выводы являются проводными.
Согласно варианту выполнения, токовые выводы являются контактами (500, 500') на концах соединительных полос (190, 190').
Согласно варианту выполнения, устройство содержит n фотогальванических элементов, при этом n превышает или равно 2, и содержит:
- передний фотогальванический элемент,
- по меньшей мере, один промежуточный фотогальванический элемент (1<i<n), если n строго превышает 2,
- задний фотогальванический элемент n,
при этом каждый промежуточный фотогальванический элемент i содержит 2(i-1) отверстий (351, 352) для прохождения удлинителей (195, 195'), отходящих от фотогальванических элементов 1-(i-1) и, в случае необходимости, два отверстия (350, 353) для прохождения токовых выводов фотогальванического элемента i, при этом задний фотогальванический элемент n содержит 2(n-1) отверстий (371-376) для прохождения удлинителей, отходящих от фотогальванических элементов от 1 до (n-1) и, в случае необходимости, два отверстия (370, 377) для прохождения токовых выводов фотогальванического элемента n.
Согласно варианту выполнения, устройство содержит n фотогальванических элементов, при этом n превышает или равно 2, и содержит:
- передний фотогальванический элемент,
- по меньшей мере один промежуточный фото гальванический элемент (1<i<n), если n строго превышает 2,
- задний фотогальванический элемент n,
при этом каждый промежуточный фотогальванический элемент i содержит 2(i-1) отверстий (351, 352), чтобы контакты фотогальванических элементов 1-(i-1) могли совпадать с фишками соединительной коробки, и, в случае необходимости, два отверстия (350, 353), чтобы контакты фотогальванического элемента i могли совпадать с фишками соединительной коробки, при этом задний фотогальванический элемент n содержит 2(n-1) отверстий (371-376), чтобы контакты фотогальванических элементов от 1 до (n-1) могли совпадать с фишками соединительной коробки, и, в случае необходимости, два дополнительных отверстия (370, 377), чтобы контакты фотогальванического элемента n могли совпадать с фишками соединительной коробки.
Согласно варианту выполнения, задний фотогальванический элемент содержит слой (230) из светоотражающего материала. Его используют в качестве компонента крыши, покрытия здания или непрозрачного фасада здания.
Согласно варианту выполнения, задний фотогальванический элемент не содержит слоя из светоотражающего материала. Устройство используют в качестве компонента окна здания.
1-x
x
2
2
3
x
1-x
Согласно варианту выполнения, материал фотогальванического перехода выбирают из группы, в которую входят микрокристаллический кремний, полиморфный кремний и аморфный кремний, группа теллурида кадмия CdTe, связанная с буферным слоем из сульфида кадмия CdS, группа халькопиритов CuInGa(Se,S), где х составляет от 0 до 1, связанная с буферным слоем из сульфида кадмия CdS или из сульфида индия InS, группа гидрогенизированных аморфных сплавов кремния и германия SiGe, группа органических материалов на основе поли(3-гексилтиофена) и метил[6,6]-фенил-С61-бутирата или их смесь.
Согласно варианту выполнения, на каждой стороне перехода находятся два электрода из прозрачного проводящего оксида (ТСО).
Согласно варианту выполнения, токовые выводы сгруппированы в соединительной коробке, образуя первую группу, состоящую из положительных токовых выводов, и вторую группу, состоящую из отрицательных токовых выводов.
Согласно варианту выполнения, токовые выводы сгруппированы в пары, состоящие из положительного электрода и отрицательного электрода, при этом каждую пару помещают в соединительную коробку или все пары помещают в одну соединительную коробку. Согласно варианту выполнения, фотогальваническая система содержит n соединительных коробок.
Объектом изобретения является также фотогальваническая система, содержащая описанное выше фотогальваническое устройство и по меньшей мере одну соединительную коробку. Согласно варианту выполнения, фотогальваническая система содержит единую соединительную коробку.
Объектом настоящего изобретения является также способ изготовления описанного выше фотогальванического устройства. Этот способ содержит прокатку фотогальванических элементов (160, 260) и промежуточных листовых материалов (300). Согласно варианту выполнения, способ содержит этапы упаковки:
- переднего фотогальванического элемента,
- промежуточного листового материала с отверстиями, при этом отверстия находятся напротив токовых выводов переднего фотогальванического элемента, на который наносят промежуточный листовой материал,
- по меньшей мере, одного промежуточного фотогальванического элемента i, при этом каждый промежуточный фотогальванический элемент i содержит 2(i-1) отверстий (351, 352) для прохождения удлинителей (195, 195'), отходящих от фотогальванических элементов от 1 до (i-1), и, в случае необходимости, два отверстия (350, 353) для прохождения токовых выводов фотогальванического элемента i,
- промежуточного листового материала с отверстиями, при этом отверстия находятся напротив токовых выводов фотогальванического элемента i, на который наносят промежуточный листовой материал,
- заднего фото гальванического элемента n, содержащего 2(n-1) отверстий (371-376) для прохождения удлинителей, отходящих от фотогальванических элементов от 1 до (n-1), и, в случае необходимости, два отверстия (370, 377) для прохождения токовых выводов фотогальванического элемента n,
- пропускание удлинителей и токовых выводов в отверстия,
прокатку упаковки, при этом прокатку можно выполнять в ходе последовательных операций после нанесения каждого элемента или каждого промежуточного материала или можно выполнять в ходе одного этапа после сборки элементов и промежуточных материалов.
Согласно варианту выполнения, способ содержит этапы упаковки:
- переднего фотогальванического элемента,
- промежуточного листового материала с отверстиями, при этом отверстия находятся напротив токовых выводов переднего фотогальванического элемента, на который наносят промежуточный листовой материал,
- по меньшей мере, одного промежуточного фотогальванического элемента i, содержащего 2(i-1) отверстий (351, 352), чтобы контакты фотогальванических элементов от 1 до (i-1) могли совпадать с фишками соединительной коробки, и, в случае необходимости, два отверстия (350, 353), чтобы контакты фотогальванического элемента i могли совпадать с фишками соединительной коробки,
- промежуточного листового материала с отверстиями, при этом отверстия находятся напротив токовых выводов фотогальванического элемента i, на который наносят промежуточный листовой материал,
- заднего фотогальванического элемента n, содержащего 2(n-1) отверстий (371-376), чтобы контакты фотогальванических элементов от 1 до (i-1) могли совпадать с фишками соединительной коробки, и, в случае необходимости, два дополнительных отверстия (370, 377), чтобы контакты фотогальванического элемента n могли совпадать с фишками соединительной коробки,
- прокатку упаковки, при этом прокатку можно выполнять в ходе последовательных операций после нанесения каждого элемента или каждого промежуточного материала или можно выполнять в ходе одного этапа после сборки элементов и промежуточных материалов.
Согласно варианту выполнения, соединительные полосы (190, 190') оборудуют на конце контактом (500, 500').
Согласно варианту выполнения, токовые выводы являются проводными и закреплены на одной из боковых поверхностей устройства снаружи фотогальванических элементов.
Согласно варианту выполнения, фотогальванические элементы содержат токовые выводы (500), расположенные на боковой стороне фотогальванических элементов или расположенные в гнезде (600), выходящем на боковую сторону фотогальванических элементов.
Согласно варианту выполнения, способ в соответствии с изобретением содержит этапы упаковки:
- переднего фотогальванического элемента, содержащего два удлинителя,
- промежуточного листового материала без отверстий,
- по меньшей мере, одного промежуточного фотогальванического элемента i, при этом каждый промежуточный фотогальванический элемент i содержит 2 удлинителя, смещенных относительно 2(i-1) удлинителей фотогальванических элементов от 1 до (i-1),
- промежуточного листового материала без отверстий,
- заднего фотогальванического элемента n, содержащего 2 удлинителя, смещенных относительно 2(n-1) удлинителей фотогальванических элементов от 1 до (n-1);
при этом все удлинители выступают из одной стороны фотогальванического устройства;
прокатку упаковки, при этом прокатку можно выполнять в ходе последовательных операций после нанесения каждого элемента или каждого промежуточного материала или можно выполнять в ходе одного этапа после сборки элементов и промежуточных материалов.
Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания вариантов выполнения изобретения, представленных в качестве примеров, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 (уже описана) - известный тандемный фотогальванический элемент с переходами;
фиг.2 (уже описана) - график энергетического КПД известного тандемного фотогальванического элемента с переходами;
фиг.3 - схема тандемного фотогальванического элемента с переходами в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.4 - схематичный вид сборки тандемных элементов при помощи способа в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.5 - описание сторон А и В подложек;
фиг.6 - описание сторон фотогальванического элемента: сторона Е является стороной входа света, и сторона S является стороной выхода света;
фиг.7 - схематичный вид электрического монтажа фотогальванического устройства в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.8 - схематичный вид конфигурации «электроды на задней стороне» в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.9 - принципиальная схема монтажа в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.10а - пример упаковки четырех 2-электродных элементов в конфигурации «электроды на кромке» (или электроды на боковой стороне) перед сборкой в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.10b - пример упаковки четырех 2-электродных элементов в конфигурации «электроды на кромке» (или электроды на боковой стороне) после сборки в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.10с - схематичный вид примера упаковки четырех 2-электродных элементов в конфигурации «электроды на кромке» (или электроды на боковой стороне) перед сборкой в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.10d - схематичный вид примера упаковки четырех 2-электродных элементов в конфигурации «электроды на кромке» (или электроды на боковой стороне) перед сборкой в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.10е - схематичный вид примера упаковки четырех 2-электродных элементов в конфигурации «электроды на кромке» (или электроды на боковой стороне) после сборки в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.11а - пример упаковки четырех 2-электродных элементов в конфигурации «электроды на задней стороне» перед сборкой в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.11b - пример упаковки четырех 2-электродных элементов в конфигурации «электроды на задней стороне» после сборки в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.11с - пример упаковки четырех 2-электродных элементов в конфигурации «электроды на задней стороне» перед сборкой, в котором токовые выводы смещены относительно оси фотогальванического элемента в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.12а - принцип пропускания удлинителей соединительных полос промежуточного двухэлектродного элемента i (1<i<n), расположенного в упаковке таким образом, чтобы сторона Е соответствовала стороне А и сторона S соответствовала стороне В, в мультипереходном и многоэлектродном элементе в конфигурации «электроды на задней стороне»;
фиг.12b - принцип пропускания удлинителей соединительных полос промежуточного двухэлектродного элемента i (1<i<n), расположенного в упаковке таким образом, чтобы сторона Е соответствовала стороне В и сторона S соответствовала стороне А, в мультипереходном и многоэлектродном элементе в конфигурации «электроды на задней стороне»;
фиг.13а и 13b - фотогальванический элемент, токовые выводы которого являются контактами на концах соединительных полос. Контакт может находиться либо на кромке (или боковой стороне) фотогальванического элемента (фиг.13а), либо в гнезде, выполненном на кромке (или боковой стороне) фотогальванического элемента (фиг.13b). Фишки (400, 400') взаимодействуют с контактами (500, 500');
фиг.14а и 14b - фото гальванический элемент, токовые выводы которого являются контактами на концах соединительных полос. Контакт может находиться на задней стороне фотогальванического элемента (фиг.14b). Фишки (400, 400', 400", 400'") взаимодействуют с контактами (500, 500', 500", 500'") на задней стороне фотогальванического элемента.
Подробное описание вариантов выполнения
Объектом изобретения является способ изготовления мультипереходного и многоэлектродного фотогальванического устройства, которое позволяет получать прямой доступ к электродам каждого из n фотогальванических элементов.
Сначала следует описание структуры тандемного фотогальванического элемента с двумя электрически разъединенными переходами (четыре электрода); вместе с тем, понятно, что способ в соответствии с настоящим изобретением можно применять для изготовления модулей, содержащих сборку из n фотогальванических элементов с множеством переходов (n≥2).
На фиг.3 схематично в поперечном разрезе показан тандемный фотогальванический элемент с переходами с четырьмя электродами токовых вывода в соединительную коробку.
На фиг.3 последовательно (сверху вниз) показаны первая подложка 100, на которой находится первый фотогальванический элемент, содержащий первый электрод 110 и второй электрод 120, между которыми находится первый фотогальванический переход 150. Слой 300 прозрачного и электроизоляционного материала отделяет первый фотогальванический элемент от второго элемента, содержащего первый электрод 210 и второй электрод 220, между которыми находится второй фотогальванический переход 250. Под вторым фотогальваническим элементом можно предусмотреть задний отражающий слой 230. Наконец, на фиг.3 показана вторая подложка 200. Электроды 110, 120, 210 и 220 соединены с соединительной коробкой 50.
На фиг.4 схематично показан этап сборки двух изготовленных раздельно фотогальванических элементов. Элементы 160, 260 устанавливают по обе стороны от слоя 300 светопроницаемой смолы. Сборку можно производить, например, путем прокатки.
На фиг.3 показана сборка, ограниченная двумя фотогальваническими элементами, но модуль может содержать n фотогальванических элементов, при этом n превышает 2. В этом случае внутри модуля различают 3 типа фотогальванических элементов:
- передний фотогальванический элемент (i=1), который является первым элементом, через который проходят солнечные лучи,
- промежуточные фотогальванические элементы (1<i<n);
- задний фотогальванический элемент (i=n), на который солнечные лучи попадают в последнюю очередь.
Каждая подложка содержит две стороны (см. фиг.5):
- сторону А, на которую наносят поглотитель световой энергии (переход);
- сторону В, не содержащую никакого специального покрытия для фотогальванического преобразования солнечного излучения.
Каждый фотогальванический элемент содержит две стороны (см. фиг.6):
- входную сторону Е, через которую входит солнечное излучение;
- выходную сторону S, через которую выходит солнечное излучение после прохождения через подложку и различные тонкие слои или от которой отражается солнечное излучение после прохождения через подложку и различные тонкие слои.
В упаковке фотогальванических элементов в соответствии с настоящим изобретением:
- для переднего фотогальванического элемента (i=1) сторона Е соответствует стороне В, и сторона S соответствует стороне А;
- для каждого промежуточного двухэлектродного фотогальванического элемента (1<i<n) сторона Е соответствует стороне В, и сторона S соответствует стороне А;
- для заднего двухэлектродного фотогальванического элемента (1=n) сторона Е соответствует стороне А, и сторона S соответствует стороне В.
Вместе с тем, в случае промежуточных двухэлектродных фотогальванических элементов (1<i<n) некоторые из них или все могут быть расположены в конфигурации, в которой сторона Е соответствует стороне А, а сторона S соответствует стороне В.
Каждый фотогальванический элемент можно выполнить на независимой подложке.
Подложки переднего (i=1) и промежуточных (i<i<n) элементов являются прозрачными для солнечных лучей, чтобы эти лучи могли достигать поглощающего материала каждого из фотогальванических элементов упаковки. Эти подложки можно, например, выполнить полностью из стекла или из термопластического полимера, такого как полиуретан или поликарбонат или метилполиметакрилат. Эти подложки выбирают таким образом, чтобы они обладали максимальной прозрачностью в области спектра, используемой в применении к фотогальванической системе.
Подложка фотогальванического элемента не обязательно должна быть прозрачной. Эту подложку можно, например, выполнить из нержавеющей стали, из стекла, из полимера, из керамики или из композиционного материала, включающего в себя несколько из этих материалов.
Изготовление подложек:
Материал, используемый в качестве подложки для изготовления фотогальванического элемента i, обладает одновременно термической, химической и механической стойкостью, совместимой со всеми способами изготовления двухэлектродного фотогальванического элемента i, а также со способами изготовления конечного многоэлектродного элемента. Все подложки имеют одинаковые размеры.
Выполнение фотогальванических элементов на подложках:
Далее следует краткое описание изготовления переднего, промежуточных и заднего двухэлектродных фотогальванических элементов, при этом подразумевается, что это описание можно применить для изготовления каждого элемента многоэлектродного фотогальванического устройства в соответствии с настоящим изобретением перед сборкой указанных элементов. Изготовление каждого двухэлектродного фотогальванического элемента, входящего в состав конечного многоэлектродного фотогальванического элемента, можно осуществлять на производственных линиях, полностью независимых как с точки зрения используемого оборудования, так и с географической точки зрения. Каждый элемент можно изготовить при помощи любого существующего способа, в частности, посредством нанесения тонких слоев на подложку.
2
На подложку наносят первый электрод на основе прозрачного проводящего оксида. Обычно слой прозрачного проводящего оксида имеет толщину примерно от 0,05 мкм до 10 мкм и выполнен, например, на основе легированного фтором оксида олова SnO:F, легированного алюминием оксида цинка ZnO:Al, легированного бором оксида цинка ZnO:B или оксида индия и олова (ITO). Он является максимально прозрачным и обладает максимально высокой степенью пропускания солнечного излучения на всех длинах волн, соответствующих спектру поглощения материалов, образующих поглощающий материал фотогальванического элемента i и всех следующих фото гальванических элементов (от i+1 до n), чтобы не снижать общий КПД преобразования конечного многоэлектродного фотогальванического модуля. Этот слой прозрачного проводящего оксида можно, например, наносить посредством катодного напыления или LPCVD (химическое осаждение из паровой фазы при пониженном давлении), (химическое осаждение из паров металлоорганических соединений) MOCVD.
В случае заднего двухэлектродного фотогальванического элемента (i=n) можно также использовать задний отражатель, который может быть выполнен, например, из алюминия (Аl), серебра (Ag), молибдена (Мо), меди (Сu) или нитрида титана (TiN). Этот задний отражатель наносят между подложкой и первым прозрачным проводящим электродом. Это нанесение заднего отражателя можно осуществлять, например, с применением технологии катодного напыления или реактивного катодного напыления. Этот вариант выполнения представляет особый интерес для вариантов применения, в которых модуль фотогальванических элементов устанавливают на крыше жилого дома или промышленного здания, так как он позволяет отражать свет наружу.
Затем можно осуществить факультативное текстурирование этого слоя прозрачного проводящего оксида, например, с применением технологии лазерного травления, или химическое текстурирование посредством погружения в раствор соляной кислоты НСl с целью улучшения оптической изоляции солнечного излучения и, следовательно, повышения общего КПД преобразования конечного многоэлектродного фотогальванического модуля.
1-x
x
2
2
3
x
1-x
После этого на поверхность первого прозрачного проводящего электрода наносят поглощающий материал, обеспечивающий фотогальваническое преобразование солнечного излучения. Например, речь может идти о поглотителе p-i-n или n-i-p из гидрогенизированного аморфного кремния; о поглотителе с переходом p-i-n или n-i-p из гидрогенизированного полиморфного кремния; о поглотителе с переходом p-i-n или n-i-p из гидрогенизированного микрокристаллического кремния; о тонкослойном поглотителе типа мультипереходного с тандемным переходом, первый переход p-i-n в котором выполнен на основе аморфного кремния, а второй переход p-i-n выполнен на основе микрокристаллического кремния; о поглотителе на основе теллурида кадмия CdTe, связанном с буферным слоем из сульфида кадмия CdS; о поглотителе на основе халькопирита Cu(InGa)(Se,S), где х составляет от 0 до 1, связанном с буферным слоем из сульфида кадмия CdS или из сульфида индия InS, о поглотителе на основе гидрогенизированного аморфного сплава кремния и германия SiGe, или об органическом поглотителе, например, типа поли(3-гексилтиофена) и метил[6,6]-фенил-С61-бутирата (Р3НТ/РСВМ).
Предпочтительно материалы, используемые для изготовления переходов обладают разной способностью поглощения солнечного излучения. Поглощающий материал, используемый для фотогальванического элемента i, характеризуется повышенным пропусканием на всех длинах волн, соответствующих спектру поглощения материалов, образующих поглощающий материал следующих (от i+1 до n) фотогальванических элементов, чтобы не снижать общий КПД преобразования конечного многоэлектродного фотогальванического модуля. Например, в случае четырехэлектродного элемента (n=2), то есть изготовленного из двух независимых двухэлектродных элементов, для переднего элемента (i=1) можно выбрать поглотитель с переходом p-i-n или n-i-p из гидрогенизированного аморфного кремния, а для заднего элемента (i=2) - поглотитель с переходом p-i-n или n-i-p из гидрогенизированного микрокристаллического кремния.
2
Наконец, на поверхность поглотителя наносят второй прозрачный проводящий электрод. Слой прозрачного проводящего оксида, например, на основе SnO:F, ZnO:Al, ZnO:B или ITO тоже должен быть максимально прозрачным и обладать высокой степенью пропускания солнечного излучения на всех длинах волн, соответствующих спектру поглощения материалов, образующих поглощающий материал фотогальванического элемента i и всех следующих фотогальванических элементов (от i+1 до n), чтобы не снижать общий КПД преобразования конечного многоэлектродного фотогальванического модуля.
Как известно, между этапами нанесения, чтобы получить решетку фотогальванических элементов, расположенных рядами на одной подложке, можно осуществить этапы сегментирования различных тонких слоев на элементы, например, посредством лазерного травления, механического травления или травления с применением процесса "обратная литография", а также этапы промывки различных поверхностей. Эти последовательные этапы сегментирования различных тонких слоев позволяют сгруппировать в ряды различные элементы, образованные на поверхности подложки во время этапов сегментирования, посредством монолитного интегрирования. Между этапами нанесения и сегментирования можно предусмотреть этапы промывки различных поверхностей.
На поверхности А подложки можно также осуществить дополнительный этап электрического изолирования периферии слоев. Это изолирование можно осуществить с применением лазера.
Наконец, снимают полосу из всех слоев, нанесенных на поверхность А подложки, чтобы ограничить зону, не содержащую никакого покрытия. Это удаление всех слоев на периферии подложки позволяет, с одной стороны, изолировать поглощающие материалы от внешней окружающей среды и, с другой стороны, позволяет промежуточному листу входить в прямой контакт с подложкой на ее периферии, что обеспечивает лучшую изоляцию по отношению к влаге и кислороду. Обычно удаляемая на периферии полоса имеет ширину от 10 мм до 15 мм.
Это удаление слоев на периферии можно осуществить, например, посредством лазерной абляции или механической абразивной обработки с использованием способа пескоструйной обработки, например, при помощи корундового порошка, или при помощи абразивного диска.
Монтаж фотогальванических элементов:
Отличительным признаком изобретения является архитектура электрического монтажа фотогальванических элементов. Рассмотрим фиг.7-12. Как показано на фиг.7, при монолитной интеграции в ряды по бокам с двух сторон элемента i помещают токосъемные шины (180, 180', 181, 181') для обеспечения сбора электронов, генерируемых этим фотогальваническим элементом. Токосъемные шины проходят по боковым бортикам подложки. Для размещения этих боковых токосъемных шин можно применять сварочные автоматы или производить эти соединения вручную.
Затем с каждой токосъемной шиной соединяют две соединительные полосы (190, 190', 191, 191'). Каждая соединительная полоса служит линией связи между двумя электрическими токосъемными шинами и контактными зонами, внешними по отношению к модулю. Соединительные полосы проходят в направлении, перпендикулярном к направлению токосъемных шин, и доходят, каждая, до центра подложки. Длина участка соединительной полосы, проходящего в направлении, перпендикулярном к направлению токосъемных шин, меняется в зависимости от фотогальванического элемента, как показано на схеме на фиг.7. Действительно, на фиг.7 видно, что участок соединительных полос (191, 191'), закрепленный на фотогальваническом элементе (i), короче, чем участок соединительных полос (190, 190'), закрепленный на фотогальваническом элементе (i-1). Это изменение длины обеспечивает смещение положения токовых выводов (185, 185', 186 и 186'). Это смещение позволяет избежать линейного совмещения токовых выводов фотогальванических элементов друг над другом, что могло бы затруднить дальнейшее подключение токовых выводов к соединительной коробке и могло бы привести к короткому замыканию между контактами. Соединительные полосы (190, 190') элемента i-1 можно удлинить таким образом, чтобы они проходили через все элементы от элемента i до элемента n и обволакивающие листы и чтобы они выступали из задней стороны фотогальванического элемента. Удлинители соединительной полосы показаны на фиг.7 и обозначены позициями 195 и 195'. На фиг.8 показано многоэлектродное фотогальваническое устройство после сборки.
На фиг.9 на примере упаковки из четырех фотогальванических элементов показано, что длина соединительной полосы, проходящей в направлении, перпендикулярном к направлению токосъемных шин, уменьшается от переднего фотогальванического элемента к заднему фотогальваническому элементу. Длины соединительных полос, проходящих в направлении, перпендикулярном к направлению токосъемных шин, являются идентичными для двух электродов одного фотогальванического элемента.
Две соединительные полосы электрода, находящегося на стороне А подложки, необходимо изолировать электрически. Для этого между стороной А и двумя соединительными полосами располагают полосу из изолирующего материала.
Согласно предпочтительному варианту выполнения, токовые выводы выступают из подложки и проходят в плоскости, параллельной подложке. В этом случае говорят о конфигурации «электроды на кромке» (фиг.10а и 10b). Токовые выводы элемента i удлинены таким образом, что выступают из кромки (или боковой стороны) подложек и обволакивающих листов. Устройство, образованное упаковкой фотогальванических элементов, имеет форму параллелепипеда, содержащего верхнюю сторону, нижнюю сторону и четыре боковые стороны. Верхняя сторона является стороной, на которую падает свет. Конфигурация с «электродами на кромке» соответствует выходу токовых выводов на одну из боковых сторон фотогальванического устройства. После сборки различных элементов фотогальванического устройства отмечают, что токовые выводы (185, 186, 187, 188, 185', 186', 187' и 188') смещены относительно друг друга. Под выражением «смещенные токовые выводы» следует понимать признак, согласно которому не существует двух токовых выводов, которые находятся в одной и той же плоскости, перпендикулярной к плоскости, образованной верхней стороной фотогальванического устройства.
В другом варианте выполнения, в котором подключение тоже осуществляют на кромке (или боковой стороне) фотогальванического устройства, можно предусмотреть, чтобы фишки (400, 400') взаимодействовали с контактами (500, 500'), находящимися на концах соединительных полос (фиг.13а и 13b). Контакты могут находиться либо на кромке (или боковой стороне) фотогальванического элемента, либо в гнезде (600, 600'), выполненном на кромке (или боковой стороне) фотогальванического элемента.
Можно также предусмотреть вариант выполнения, показанный на фиг.10с, 10d и 10е, в котором длины соединительных полос, проходящих в направлении, перпендикулярном к направлению токосъемных шин, являются разными для двух электродов одного фотогальванического элемента.
В случае изготовления мультипереходного и многоэлектродного фотогальванического элемента, в котором электроды находятся на кромке (или боковой стороне) элемента, нет необходимости в предварительном сверлении отверстий в подложках.
В случае изготовления мультипереходного и многоэлектродного фотогальванического элемента, в котором электроды находятся на задней стороне элемента, необходимо осуществить предварительную подготовку подложек. Действительно, чтобы электроды каждого фотогальванического элемента с двумя независимыми электродами могли пройти до задней стороны модуля, в подложках i=2 необходимо просверлить отверстия для прохождения токовых выводов (фиг.11а). Элемент 2 содержит 4 отверстия (350, 351, 352, 353). Элемент 3 содержит 6 отверстий (360, 361, 362, 363). Задний элемент содержит 8 отверстий (370, 371, 372, 373, 374, 375, 376, 377). Для данного элемента наличие 2 отверстий, находящихся на каждом из концов ряда отверстия, является факультативным. Действительно, эти два отверстия могут отсутствовать, если предусмотрено размещение соединительных полос на нижней стороне фотогальванического элемента. С другой стороны, их присутствие необходимо, если предусмотрено размещение соединительных полос на верхней стороне фотогальванического элемента. Что касается подложки переднего элемента (i=1), то она не содержит никаких отверстий. Действительно, она служит крышкой для конечного многоэлектродного фотогальванического элемента. С другой стороны, внутренние концы соединительных полос элемента i совпадают с отверстиями, выполненными в обволакивающем листе i (фиг.11а). Соединительные полосы элемента i можно удлинить таким образом, чтобы соединительная полоса проходила через все подложки и обволакивающие листы и доходила до задней стороны многоэлектродного фотогальванического элемента, как это было указано в связи с описанием фиг.7.
В случае использования удлинителей соединительных полос (195, 195') необходимо, чтобы эти удлинители выходили из стороны S подложки. В случае, когда промежуточный двухэлектродный фотогальванический элемент i (1<i<n) расположен в упаковке таким образом, что сторона Е соответствует стороне А и сторона S соответствует стороне В, необходимо, чтобы удлинители соединительных полос фотогальванического элемента i проходили через отверстия, предусмотренные для этого и просверленные в подложке i (фиг.12а).
В случае, когда промежуточный двухэлектродный фотогальванический элемент i (1<i<n) располагают в упаковке таким образом, что сторона Е соответствует стороне В и сторона S соответствует стороне А, удлинители соединительных полос фотогальванического элемента i не проходят через отверстия подложки i (фиг.12b).
В случае, когда промежуточный двухэлектродный фотогальванический элемент i (1<i<n) расположен в упаковке таким образом, что сторона Е соответствует стороне В и сторона S соответствует стороне А, подложка i, на которой находится фотогальванический элемент i, будет содержать 2i отверстий, предварительно просверленных на линии, параллельной одному из краев подложки. Для этой подложки 2(i-1) центральных отверстий совпадают с отверстиями, посверленными в оболочке (i-1). Эта подложка может содержать два дополнительных отверстия с двух сторон от этих отверстий.
В случае, когда промежуточный двухэлектродный фотогальванический элемент i (1<i<n) расположен в упаковке таким образом, что сторона Е соответствует стороне А и сторона S соответствует стороне В, подложка i, на которой находится фотогальванический элемент i, будет содержать 2(i-1) отверстий, просверленных на линии, параллельной одному из краев подложки. Для этой подложки эти 2(i-1) центральных отверстий совпадают с отверстиями, посверленными в обволакивающем листе i.
Подложка заднего элемента (i=n) будет содержать 2n отверстий, просверленных на линии, параллельной одному из краев подложки. Для этой подложки 2(n-1) центральных отверстий соответствуют отверстиям, посверленным в оболочке (n-1). Эта подложка может содержать два дополнительных отверстия с двух сторон от этих отверстий.
Чтобы не снижать общий КПД преобразования конечного многоэлектродного фотогальванического модуля, предпочтительно совмещать место расположения токосъемных шин и токовых выводов каждого из элементов.
Можно не использовать удлинители соединительных полос. В этом случае электрическое соединение между каждым фотогальваническим элементом и соединительной коробкой можно осуществить за счет использования фишек (400, 400') разной длины, которые взаимодействуют с контактами (500, 500'), расположенными на задней стороне фотогальванического элемента (фиг.14а и 14b).
Размещение и сварку различных токосъемных шин и соединительных полос можно производить вручную. Однако, как правило, эти операции осуществляют автоматизированные системы. Электрические токосъемные шины и токовые выводы могут представлять собой металлические полосы, такие как полосы из серебра, покрытые никелем, никелевые полосы, покрытие серебром, оловянные шнуры, медные полосы, покрытые оловом, оловянные полосы, покрытые медью, или любой другой материал, который позволяет передавать ток, генерируемый фотогальваническом элементом, и который можно закрепить сваркой на электродах фотогальванического элемента.
Выбор промежуточных листов:
После изготовления переднего, промежуточных и заднего фотогальванических элементов их соединяют друг с другом через промежуточные (обволакивающие) листы.
Промежуточный лист, выбранный для объединения двухэлектродных элементов в один мультипереходный и многоэлектродный элемент, выполняет следующие функции:
- обеспечивает механическую защиту,
- выполняет роль барьера для водяного пара и кислорода,
- обеспечивает электрическую изоляцию,
- обеспечивает поглощение ударов,
- не является источником коррозии для материалов элемента,
- обладает адгезивными свойствами.
Выбор можно производить, например, среди эластомеров, например, таких как этиленвинилацетат (EVA), полиуретановые смолы (RPU), полиакрилатные смолы или силиконы и термопласты, например, такие как поливинилбутираль (PVB), полиуретановые термопласты (TPU), некоторые модифицированные полиолефины (EPDM, DMP). Вместе с EVA или вместо него можно использовать другие промежуточные листовые материалы, например, пластический материал типа Tedlar, пластический материал типа Nuvasil, пластический материал типа Tefzel или покрытия, затвердевающие под действием ультрафиолетовых лучей, а также их комбинации.
Промежуточный лист является максимально прозрачным и обладает высокой степенью пропускания солнечного излучения на всех длинах волн, соответствующих спектру поглощения материалов, образующих поглощающий материал фотогальванического элемента i и всех следующих фото гальванических элементов (от i+1 до n), чтобы не снижать общий КПД фотогальванического модуля.
Получение обволакивающих листов:
Все обволакивающие листы имеют такие же размеры, что и подложки.
В случае изготовления мультипереходного и многоэлектродного фотогальванического элемента, в котором электроды находятся на кромке (или боковой стороне) элемента, нет необходимости в предварительной подготовке обволакивающих листов (фиг.10а и 10b).
В случае изготовления мультипереходного и многоэлектродного фотогальванического элемента, в котором электроды находятся на задней стороне элемента, необходимо осуществлять предварительную подготовку обволакивающих листов. Действительно, чтобы электроды каждого двухэлектродного фотогальванического элемента могли доходить до задней стороны модуля, в обволакивающих листах от i=1 до (n-1) выполняют отверстия (фиг.11а, 11b, 11c).
Как правило, обволакивающий лист i, находящийся между подложкой элемента i и подложкой элемента (i+1), содержит 2i отверстий, предварительно выполненных на линии, параллельной одному из краев подложки. Для данной подложки 2(i-1) центральных отверстий совпадают с отверстиями, выполненными в подложке i.
Между каждой подложкой можно также разместить уплотнительную прокладку или смолу либо на периферии стороны S подложки i, либо на периферии стороны Е подложки (i+1) для обеспечения дополнительной герметичности между подложками i и (i+1), в частности, по отношению к влаге. Этой уплотнительной прокладкой или смолой может быть, например, плавкий полимер, такой как этиленвинилацетат, полиизобутилен или мастика, например, на основе полиуретана, полисульфида или силикона.
После этого сварные швы на уровне отверстий задней подложки можно также покрыть эпоксидным материалом, например, с цель дополнительной защиты от окружающей среды.
Сборка мультипереходного и многоэлектродного фотогальванического элемента из независимых двухэлектродных фотогальванических элементов и промежуточных листов:
Различные двухэлектродные фотогальванические элементы соединяют друг с другом. Для этого на поверхности стороны S фотогальванического элемента 1 располагают промежуточный лист 1. Затем промежуточный лист 1 располагают на стороне Е элемента 2. Таким образом, для соединения фотогальванических элементов на поверхности стороны S фотогальванического элемента i располагают промежуточный лист i. Наконец, сторону Е фотогальванического элемента n располагают на поверхности промежуточного листа (n-1).
Во время этого этапа сборки различных двухэлектродных фотогальванических элементов в случае изготовления мультипереходного и многоэлектродного фотогальванического элемента, в котором электроды находятся на задней стороне элемента, во время установки промежуточного листа i необходимо совмещать отверстия, выполненные в промежуточном листе i, с внутренними концами соединительных полос предыдущих i элементов. Точно так же, во время установки элемента i необходимо совмещать отверстия промежуточного листа (i-1) с отверстиями подложки i.
В случае многоэлектродного элемента, в котором электроды находятся на задней стороне элемента и в котором используют удлинители соединительных полос, необходимо пропускать удлинители соединительных полос предыдущих i-1 элементов через совмещенные отверстия промежуточного листа i и пропускать два удлинителя соединительных полос фотогальванического элемента i через два свободных отверстия промежуточного листа i. Точно так же, во время установки элемента i необходимо совмещать отверстия промежуточного листа (i-1) с отверстиями подложки i (фиг.11а).
В случае многоэлектродного элемента, в котором контакты проходят на уровне кромки (или боковой стороны) элемента, необходимо следить, чтобы соединительные полосы двух электродов фотогальванического элемента i, находящиеся на кромке (или боковой стороне) подложки i, не располагались точно над соединительными полосами электродов предыдущих (i-1) фотогальванических элементов (фиг.10b).
Во время этого этапа сборки различных частей мультипереходного и многоэлектродного фотогальванического элемента на каждом этапе следует следить за правильным выравниванием между собой подложек и промежуточных листов. Это выравнивание может производиться вручную операторами или автоматически посредством контроля изображения, например, с использованием роботов, обеспечивающих выравнивание.
Набор, содержащий упаковку из n двухэлектродных фотогальванических элементов и (n-1) промежуточных листов, помещают затем в систему прокатки, которая завершает сборку мультипереходного и многоэлектродного фотогальванического элемента. Эту конечную прокатку можно осуществлять в вакуумной системе прокатки или в системе прокатки валком с последующим процессом в автоклаве.
Полученный модуль фотогальванических элементов можно подключить к одной или к нескольким соединительным коробкам через токовые выводы, которые находятся с одной стороны модуля или на его кромке. Соединительная коробка обеспечивает электрическое соединение модуля с интерфейсом пользователя, как правило, представляющим собой электронное устройство, обеспечивающее преобразование постоянного напряжения в переменное напряжение, совместимое с сетью потребления. Предпочтительно модуль подключают только к одной соединительной коробке. Предпочтительно единую соединительную коробку устанавливают в раме панели, служащей держателем для модуля фотогальванических элементов в случае модулей с электродами на боковой стороне, и на стороне S заднего элемента для модулей с электродами на задней стороне.