薄膜太阳能电池及其制造方法转让专利
申请号 : CN200780001867.7
文献号 : CN101366125B
文献日 : 2010-06-02
发明人 : 安世源 , 鱼英株 , 李贵鲁 , 李敦熙 , 李宪民
申请人 : LG电子株式会社
摘要 :
本发明涉及一种薄膜太阳能电池及其制造方法，该太阳能电池具有叠置了玻璃基底、透明导电氧化物、多结太阳能电池层和电极层的结构，其中均为多结的第一太阳能电池层和第二太阳能电池层彼此并联电连接，并且并联的一个或更多个单元电池分组为彼此串联电连接。根据本发明，以下的这种薄膜太阳能电池能够实现比具有多个太阳能电池层串联的结构的薄膜太阳能电池更高的输出和效率，该薄膜太阳能电池具有单元电池，并具有其中多个单元电路彼此串联的结构的单元电池的，该单元电池呈其中具有不同特性的两个太阳能电池层彼此并联的结构。
权利要求 :
1.一种薄膜太阳能电池，其包括单元电池，该单元电池由均具有多结结构且互相并联地电连接的第一太阳能电池层和第二太阳能电池层组成。
2.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其中该薄膜太阳能电池包括至少一个所述单元电池，所述单元电池被串联。
3.根据权利要求1或2所述的薄膜太阳能电池，其中所述第一太阳能电池层和所述第二太阳能电池层是从非晶硅太阳能电池层或微晶硅太阳能电池层中分别独立地选择的一个太阳能电池层。
4.根据权利要求3所述的薄膜太阳能电池，其中所述非晶硅太阳能电池层包括顺序地叠置的非晶硅p层、非晶硅i层和非晶硅n层。
5.根据权利要求3所述的薄膜太阳能电池，其中所述微晶硅太阳能电池层包括顺序地叠置的微晶硅p层、微晶硅i层和微晶硅n层。
6.根据权利要求1或2所述的薄膜太阳能电池，其中所述第一太阳能电池层和所述第二太阳能电池层使用公共电极。
7.根据权利要求2所述的薄膜太阳能电池，该薄膜太阳能电池进一步包括：位于每个单元电池的相邻部分处的电绝缘的透明绝缘层。
8.一种包括至少一个重复单元的薄膜太阳能电池，该重复单元包括：形成在基底上的第一透明导电层、形成在所述第一透明导电层上的第一太阳能电池、形成在所述第一太阳能电池上的第二透明导电层、形成在所述第二透明导电层上的第二太阳能电池、以及所述第二太阳能电池上的上电极层。
9.根据权利要求8所述的薄膜太阳能电池，其中所述第一太阳能电池是非晶硅或微晶硅。
10.根据权利要求8所述的薄膜太阳能电池，其中所述第二太阳能电池为非晶硅或微晶硅。
11.根据权利要求9或10所述的薄膜太阳能电池，其中p型、i型和n型非晶硅或微晶硅顺序地形成。
12.一种包括多个重复单元的薄膜太阳能电池，该重复单元包括：形成在基底上的第一透明导电层、形成在所述第一透明导电层上的第一太阳能电池、形成在所述第一太阳能电池上的第二透明导电层、形成在所述第二透明导电层上的第二太阳能电池、以及所述第二太阳能电池上的上电极层，其中这些重复单元彼此串联地耦合。
13.根据权利要求12所述的薄膜太阳能电池，其中所述上电极层包括第三透明导电层。
14.根据权利要求13所述的薄膜太阳能电池，其中这些单元电池通过所述第一透明导电层、所述第二透明导电层和所述第三透明导电层而彼此串联地耦合。
15.一种用于制造薄膜太阳能电池的方法，该方法包括以下步骤：
通过中间的透明导电层将形成在基底上的多个单元电池串联，其中每个所述单元电池包括互相并联的第一太阳能电池层和第二太阳能电池层；
在所述第二太阳能电池层上形成背侧电极层；以及
使所述第二太阳能电池层彼此电绝缘。
16.根据权利要求15所述的用于制造薄膜太阳能电池的方法，其中并联的所述单元电池通过包括以下步骤的工艺形成：形成使在所述基底上形成的所述第一太阳能电池层的下层与另一个第一太阳能电池层的上层电连接的透明导电层，其中所述另一个第一太阳能电池层与所述第一太阳能电池层分别地形成；以及在所述第一太阳能电池层和所述透明导电层上分别形成多个第二太阳能电池。
17.根据权利要求15所述的用于制造薄膜太阳能电池的方法，其中所述第一太阳能电池层和所述第二太阳能电池层是从非晶硅太阳能电池层或微晶硅太阳能电池层中分别独立地选择的一个太阳能电池层。
18.根据权利要求15所述的用于制造薄膜太阳能电池的方法，其中所述非晶硅太阳能电池层包括顺序地叠置的非晶硅p层、非晶硅i层和非晶硅n层。
19.根据权利要求15所述的用于制造薄膜太阳能电池的方法，其中所述微晶硅太阳能电池层包括顺序地叠置的微晶硅p层、微晶硅i层和微晶硅n层。
20.根据权利要求15所述的用于制造薄膜太阳能电池的方法，其中所述第一太阳能电池层和所述第二太阳能电池层使用公共电极。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种薄膜太阳能电池及其制造方法，并且更具体地涉及在具有呈以下结构的单元电池的太阳能电池中，能够改善相邻单元电池之间的连接以便能够使电力的损耗最小化并能够提高光电转换效率的薄膜太阳能电池及其制造方法，在该结构中叠置有具有由于不同的特性而引起差别很大的短路电流的两个太阳能电池层。
背景技术
对于作为清洁能源的太阳能电池的大量研究已经进行了几十年。到目前为止，已经采用了以下材料作为太阳能电池的材料，这些材料包括例如单晶硅、多晶硅、非晶硅、非晶SiC、非晶SiN、非晶SiGe和非晶SiSn等的基于VI族的材料，例如砷化镓(GaAs)、铝镓砷(AlGaAs)和磷化铟(InP)等的基于III-V族的材料以及例如CdS、CdTe和Cu2S等的基于II-Vi族化合物半导体。此外，已经采用了包括背电场型的pn结构、pin结构、异质结(hetero junction)结构、肖特基(Schottky)结构、以及包括串接(tandem)或垂直结类型的多结结构等作为太阳能电池的结构。
通常，太阳能电池要求高光电转换效率、低制造成本和短能量回收期(energy recovery term)的特性。
目前使用单晶硅或多晶硅而商业化的太阳能电池具有高光电转换效率，然而，其具有的问题是制造成本和安装成本高。由于以低成本制造出了大面积太阳能电池模块并且能量回收期短，用于解决这一问题的薄膜太阳能电池特别是采用非晶硅的薄膜太阳能电池已经引起关注。然而，仍然存在的问题是其光电转换效率比单晶硅太阳能电池的光电转换效率低，并且当暴露于光线下时该效率进一步降低。甚至在采用其他材料的太阳能电池中，存在的问题是当转换效率高时制造成本变高并且能量回收期延长，相反地，当产品的单价低并且能量回收期短时，光电转换效率低。
为了解决采用非晶硅的薄膜太阳能电池的低光电转换效率的问题，已经提出了其中在具有不同能带隙(band gap)的多个半导体层之间形成有缓冲层的结构，并且更具体地，提出了在其中叠置有具有不同的能带隙和失配晶格(mismached crystal lattice)的非晶硅(a-Si:H)和微晶(microcrystalline)硅(uc-Si:H)的结构。
图1是示出根据现有技术的一个实施方式的薄膜太阳能电池元件叠置结构的截面图。
在现有技术的一个实施方式中，顺序地叠置具有不同特性和晶体结构的第一太阳能电池层120和第二太阳能电池层130，并且通过将叠置在第二太阳能电池层上的一个透明导电层111与叠置在相邻电池的第一太阳能电池层下方的另一透明导电层110相连接而使这两个太阳能电池层串联电连接。
图2是示出串联的这种半导体层的二极管等效电路图。通常，光入射一侧的第一太阳能电池层由具有1.7eV至1.9eV高能带隙能量的非晶硅制成，但是另一方面，叠置在第一太阳能电池层上的第二太阳能电池层由具有大约1.1eV能带隙能量的微晶硅制成。这样，叠置了具有彼此不同的吸收带的太阳能电池层从而提高了光电转换效率，该光电转换效率高于由例如非晶硅等的单个太阳能电池层制成的薄膜太阳能电池。根据研究结果，已经发现最初的光电转换效率在3cm2的小面积模块中为大约14.5％，在大面积模块中为大约12％。
其中叠置有不同的双太阳能电池层的太阳能电池结构的问题是这两个太阳能电池层的电流应当被设计成相同，这是因为这两个太阳能电池层是串联的。由于这一限制，作为位于下部的第一太阳能电池层的非晶硅本征半导体层的厚度应当形成得比认为所必需的厚度要厚，并且因为从非晶太阳能电池层产生电力的速率随之成比例增大，总体效率由于Stabler-Wronski效应而严重降低。相反地，如果对本征半导体层的厚度进行优化而使之变薄，则位于下部的第一太阳能电池层的短路电流变小。因而，导致的问题是由于这两个太阳能电池层的短路电流的差变大，串联的两个层的全部元件的效率变得比在两个太阳能电池层中获得的各自的效率的总和小很多，这是因为短路电流被限定为第一太阳能电池层的短路电流。
为了克服在控制用于在其上叠置有这种不同的双太阳能电池层的太阳能电池中获得最优光电转换效率的本征半导体层的厚度方面的困难而导致的制造工艺的难点，并提供可靠的恒定效率，U.S专利No.2005/0150542 A1已经公开了一种太阳能电池模块，其利用透明绝缘层将位于下部的第一太阳能电池层和位于上部的第二太阳能电池层分开，提出了一种呈从各太阳能电池层引出两个端子的形状的4-T结构，并由此独立地使各第一太阳能电池层和第二太阳能电池层与相邻的电池串联。当使用这种方法时，优点是能够制造优化了光电转换效率的太阳能电池模块，而不需要考虑第一太阳能电池层和第二太阳能电池层的短路电流的失配。然而，各第一太阳能电池层和第二太阳能电池层应当独立地制造并且应当在该工艺期间插入绝缘层，由此导致制造工艺相当复杂并且制造成本增加的问题。
通常，太阳能电池要求高光电转换效率、低制造成本和短能量回收期(energy recovery term)的特性。
目前使用单晶硅或多晶硅而商业化的太阳能电池具有高光电转换效率，然而，其具有的问题是制造成本和安装成本高。由于以低成本制造出了大面积太阳能电池模块并且能量回收期短，用于解决这一问题的薄膜太阳能电池特别是采用非晶硅的薄膜太阳能电池已经引起关注。然而，仍然存在的问题是其光电转换效率比单晶硅太阳能电池的光电转换效率低，并且当暴露于光线下时该效率进一步降低。甚至在采用其他材料的太阳能电池中，存在的问题是当转换效率高时制造成本变高并且能量回收期延长，相反地，当产品的单价低并且能量回收期短时，光电转换效率低。
为了解决采用非晶硅的薄膜太阳能电池的低光电转换效率的问题，已经提出了其中在具有不同能带隙(band gap)的多个半导体层之间形成有缓冲层的结构，并且更具体地，提出了在其中叠置有具有不同的能带隙和失配晶格(mismached crystal lattice)的非晶硅(a-Si:H)和微晶(microcrystalline)硅(uc-Si:H)的结构。
图1是示出根据现有技术的一个实施方式的薄膜太阳能电池元件叠置结构的截面图。
在现有技术的一个实施方式中，顺序地叠置具有不同特性和晶体结构的第一太阳能电池层120和第二太阳能电池层130，并且通过将叠置在第二太阳能电池层上的一个透明导电层111与叠置在相邻电池的第一太阳能电池层下方的另一透明导电层110相连接而使这两个太阳能电池层串联电连接。
图2是示出串联的这种半导体层的二极管等效电路图。通常，光入射一侧的第一太阳能电池层由具有1.7eV至1.9eV高能带隙能量的非晶硅制成，但是另一方面，叠置在第一太阳能电池层上的第二太阳能电池层由具有大约1.1eV能带隙能量的微晶硅制成。这样，叠置了具有彼此不同的吸收带的太阳能电池层从而提高了光电转换效率，该光电转换效率高于由例如非晶硅等的单个太阳能电池层制成的薄膜太阳能电池。根据研究结果，已经发现最初的光电转换效率在3cm2的小面积模块中为大约14.5％，在大面积模块中为大约12％。
其中叠置有不同的双太阳能电池层的太阳能电池结构的问题是这两个太阳能电池层的电流应当被设计成相同，这是因为这两个太阳能电池层是串联的。由于这一限制，作为位于下部的第一太阳能电池层的非晶硅本征半导体层的厚度应当形成得比认为所必需的厚度要厚，并且因为从非晶太阳能电池层产生电力的速率随之成比例增大，总体效率由于Stabler-Wronski效应而严重降低。相反地，如果对本征半导体层的厚度进行优化而使之变薄，则位于下部的第一太阳能电池层的短路电流变小。因而，导致的问题是由于这两个太阳能电池层的短路电流的差变大，串联的两个层的全部元件的效率变得比在两个太阳能电池层中获得的各自的效率的总和小很多，这是因为短路电流被限定为第一太阳能电池层的短路电流。
为了克服在控制用于在其上叠置有这种不同的双太阳能电池层的太阳能电池中获得最优光电转换效率的本征半导体层的厚度方面的困难而导致的制造工艺的难点，并提供可靠的恒定效率，U.S专利No.2005/0150542 A1已经公开了一种太阳能电池模块，其利用透明绝缘层将位于下部的第一太阳能电池层和位于上部的第二太阳能电池层分开，提出了一种呈从各太阳能电池层引出两个端子的形状的4-T结构，并由此独立地使各第一太阳能电池层和第二太阳能电池层与相邻的电池串联。当使用这种方法时，优点是能够制造优化了光电转换效率的太阳能电池模块，而不需要考虑第一太阳能电池层和第二太阳能电池层的短路电流的失配。然而，各第一太阳能电池层和第二太阳能电池层应当独立地制造并且应当在该工艺期间插入绝缘层，由此导致制造工艺相当复杂并且制造成本增加的问题。
发明内容
技术问题
本发明的目的是提供一种在薄膜太阳能电池模块中具有高光电转换效率的太阳能电池元件的结构和制造这种太阳能电池元件的方法，从而以相对简单的工艺制造这种太阳能电池并由此获得比其他薄膜硅太阳能电池小的制造成本。
本发明的另一个目的是提供一种薄膜太阳能电池及其制造方法，用于借助于具有呈以下结构的单元电池的太阳能电池中的短路电流的失配而使电力损耗最小化，该结构为叠置有具有不同的特性并具有差别很大的短路电流的两个硅太阳能电池层。
本发明的另一个目的是提供一种通过连续的制造工艺简单地制造薄膜太阳能电池元件的方法，从而解决了在现有技术的制造工艺中由于独立地制造第一太阳能电池层和第二太阳能电池层并将它们连接等的单独工艺而引起的复杂性，并且在具有呈以下结构的单元电池的太阳能电池中能够获得高光电转换效率，该结构为叠置有具有不同的特性并具有差别很大的短路电流的两个硅太阳能电池层。
技术方案
为了实现上述目的，根据本发明的薄膜太阳能电池包括单元电池，该单元电池由均具有多结结构且互相并联地电连接的第一太阳能电池层和第二太阳能电池层组成。
根据本发明，优选的是，包括至少一个单元电池，该电池是串联的。
根据本发明，优选的是，第一太阳能电池层和第二太阳能电池层使用从非晶硅太阳能电池层或微晶硅太阳能电池层中分别独立地选择的一个太阳能电池层。
根据本发明，优选的是，非晶硅太阳能电池层包括顺序地叠置的非晶硅p层、非晶硅i层和非晶硅n层。
根据本发明，优选的是，微晶硅太阳能电池层包括顺序地叠置的微晶硅p层、微晶硅i层和微晶硅n层。
根据本发明，优选的是，第一太阳能电池层和第二太阳能电池层使用公共电极。
根据本发明，优选的是，进一步包括位于每个电池的邻近部分处的电绝缘的透明绝缘层。
根据本发明的一种用于制造薄膜太阳能电池的方法包括以下步骤：将形成在基底上的串联的多个单元电池与透明导电层相连接，其中每个单元电池包括互相并联的第一太阳能电池层和第二太阳能电池层；在所述第二太阳能电池层上形成背侧电极层；以及使第二太阳能电池层彼此电绝缘。
根据本发明，优选的是，用于形成并联单元电池的步骤包括以下步骤：形成将所述基底上形成的所述第一太阳能电池层的下层与另一个第一太阳能电池层的上层电连接的透明导电层，其中所述另一个第一太阳能电池层与所述第一太阳能电池层分别地形成；以及在所述第一太阳能电池层和所述透明导电层上分别形成多个第二太阳能电池。
有益效果
如上所述本发明提供了一种具有高光电转换效率和优良可靠性的薄膜太阳能电池器件的结构，并能够以低制造成本通过相对简单的一系列制造工艺来制造大面积的太阳能电池。
此外，通过提出一种具有高光电转换效率并使得能够制造大面积且低制造成本的太阳能电池的结构及其制造方法，通过直接应用于例如公共设施、民用设施和军事设施的各个领域，本发明作为下一代清洁能源将有助于地球的环境保护并创造巨大的经济价值。
本发明的目的是提供一种在薄膜太阳能电池模块中具有高光电转换效率的太阳能电池元件的结构和制造这种太阳能电池元件的方法，从而以相对简单的工艺制造这种太阳能电池并由此获得比其他薄膜硅太阳能电池小的制造成本。
本发明的另一个目的是提供一种薄膜太阳能电池及其制造方法，用于借助于具有呈以下结构的单元电池的太阳能电池中的短路电流的失配而使电力损耗最小化，该结构为叠置有具有不同的特性并具有差别很大的短路电流的两个硅太阳能电池层。
本发明的另一个目的是提供一种通过连续的制造工艺简单地制造薄膜太阳能电池元件的方法，从而解决了在现有技术的制造工艺中由于独立地制造第一太阳能电池层和第二太阳能电池层并将它们连接等的单独工艺而引起的复杂性，并且在具有呈以下结构的单元电池的太阳能电池中能够获得高光电转换效率，该结构为叠置有具有不同的特性并具有差别很大的短路电流的两个硅太阳能电池层。
技术方案
为了实现上述目的，根据本发明的薄膜太阳能电池包括单元电池，该单元电池由均具有多结结构且互相并联地电连接的第一太阳能电池层和第二太阳能电池层组成。
根据本发明，优选的是，包括至少一个单元电池，该电池是串联的。
根据本发明，优选的是，第一太阳能电池层和第二太阳能电池层使用从非晶硅太阳能电池层或微晶硅太阳能电池层中分别独立地选择的一个太阳能电池层。
根据本发明，优选的是，非晶硅太阳能电池层包括顺序地叠置的非晶硅p层、非晶硅i层和非晶硅n层。
根据本发明，优选的是，微晶硅太阳能电池层包括顺序地叠置的微晶硅p层、微晶硅i层和微晶硅n层。
根据本发明，优选的是，第一太阳能电池层和第二太阳能电池层使用公共电极。
根据本发明，优选的是，进一步包括位于每个电池的邻近部分处的电绝缘的透明绝缘层。
根据本发明的一种用于制造薄膜太阳能电池的方法包括以下步骤：将形成在基底上的串联的多个单元电池与透明导电层相连接，其中每个单元电池包括互相并联的第一太阳能电池层和第二太阳能电池层；在所述第二太阳能电池层上形成背侧电极层；以及使第二太阳能电池层彼此电绝缘。
根据本发明，优选的是，用于形成并联单元电池的步骤包括以下步骤：形成将所述基底上形成的所述第一太阳能电池层的下层与另一个第一太阳能电池层的上层电连接的透明导电层，其中所述另一个第一太阳能电池层与所述第一太阳能电池层分别地形成；以及在所述第一太阳能电池层和所述透明导电层上分别形成多个第二太阳能电池。
有益效果
如上所述本发明提供了一种具有高光电转换效率和优良可靠性的薄膜太阳能电池器件的结构，并能够以低制造成本通过相对简单的一系列制造工艺来制造大面积的太阳能电池。
此外，通过提出一种具有高光电转换效率并使得能够制造大面积且低制造成本的太阳能电池的结构及其制造方法，通过直接应用于例如公共设施、民用设施和军事设施的各个领域，本发明作为下一代清洁能源将有助于地球的环境保护并创造巨大的经济价值。
附图说明
根据下面参照附图对实施方式的描述，本发明的其他目的和方面将变得清楚，其中：
图1是示出根据现有技术的一个实施方式的薄膜太阳能电池元件的叠置结构的截面图。
图2是根据现有技术的一个实施方式的薄膜太阳能电池元件的二极管等效电路图。
图3是示出根据本发明的薄膜太阳能电池元件的叠置结构的截面图。
图4是根据本发明的薄膜太阳能电池元件的二极管等效电路图。
图5是示出在根据本发明的一个实施方式的薄膜太阳能电池元件和根据现有技术的一个实施方式的薄膜太阳能电池元件之间的短路电流密度与电压的关系的曲线图。
图6是示出在根据本发明的一个实施方式的薄膜太阳能电池元件和根据现有技术的一个实施方式的薄膜太阳能电池元件之间的效率与电压的关系的曲线图。
图7至图21是按照工艺步骤对根据本发明的一个实施方式的薄膜太阳能电池的制造方法进行示出的元件的叠置结构的截面图。
图1是示出根据现有技术的一个实施方式的薄膜太阳能电池元件的叠置结构的截面图。
图2是根据现有技术的一个实施方式的薄膜太阳能电池元件的二极管等效电路图。
图3是示出根据本发明的薄膜太阳能电池元件的叠置结构的截面图。
图4是根据本发明的薄膜太阳能电池元件的二极管等效电路图。
图5是示出在根据本发明的一个实施方式的薄膜太阳能电池元件和根据现有技术的一个实施方式的薄膜太阳能电池元件之间的短路电流密度与电压的关系的曲线图。
图6是示出在根据本发明的一个实施方式的薄膜太阳能电池元件和根据现有技术的一个实施方式的薄膜太阳能电池元件之间的效率与电压的关系的曲线图。
图7至图21是按照工艺步骤对根据本发明的一个实施方式的薄膜太阳能电池的制造方法进行示出的元件的叠置结构的截面图。
具体实施方式
下面将参照图描述本发明的优选实施方式。在对下图中的部件指定附图标记时，相同的附图标记在不同的图中表示相同的部件。将省略对已知功能和构造的详细描述以免不必要的细节掩盖了本发明的主题。
图3是示出根据本发明的薄膜太阳能电池元件的叠置结构的截面图，图4是在根据本发明的薄膜太阳能电池元件中构建的二极管等效电路图。
在该实施方式中，薄膜太阳能电池元件包括玻璃基底200，第一太阳能电池层220，第二太阳能电池层230，透明导电层210、211和212，背侧电极层240和透明绝缘层250。
根据本实施方式，薄膜太阳能电池元件具有重复(repeat)单元，该重复单元包括形成在基底上的第一透明导电层、形成在第一透明导电层上的第一太阳能电池、形成在第一太阳能电池上的第二透明导电层、形成在第二透明导电层上的第二太阳能电池以及第二太阳能电池上的上电极层。这些重复单元彼此串联地耦合。
在优选实施方式中，上电极层包括第三电极层，并且这些重复单元通过第一透明导电层、第二透明导电层和第三透明导电层而彼此串联地耦合。
该实施方式示意性地示出了将第一太阳能电池层与第二太阳能电池层连接的方法。
参照图3，薄膜太阳能电池形成一个单元电池，该单元电池是均以多结结构形成的一个太阳能电池层和另一个太阳能电池层彼此并联电连接。
单元电池的并联通过以下方式实现：利用透明导电层将第一太阳能电池层的p层与第二太阳能电池层的p层相连接，并利用透明导电层将第一太阳能电池层的n层和第二太阳能电池层的n层相连接。
太阳能电池层由选自各硅晶(crystal based silicon)太阳能电池层或非晶硅太阳能电池层中的一种太阳能电池层构成，并且优选的是，硅晶太阳能电池层使用微晶硅太阳能电池层。
由非晶硅太阳能电池层构成的太阳能电池层形成非晶硅的pn结结构和非晶硅的pin结结构中的任意一种。
由微晶硅太阳能电池层构成的太阳能电池层形成微晶硅的pn结结构和微晶硅的pin结结构中的任意一个。
内部并联的一个或更多个单元电池被组合为串联电连接，从而形成一个大面积的集成薄膜太阳能电池。单元电池之间的串联包括相邻单元电池之间的透明绝缘层250。
换句话说，下透明导电层(例如TCO)210叠置在基底(例如玻璃基底)200上，并且在下透明导电层210上安装有其上顺序地叠置了p型221、i型222和n型223非晶硅层的第一太阳能电池层220。中间透明导电层211再次叠置在第一太阳能电池层上，并且在中间透明导电层211上安装有其上顺序地叠置了p型231、i型232和n型233非晶硅层的第二太阳能电池层230。连续地叠置上透明导电层212和背侧电极层240。
由于薄膜太阳能电池的截面结构而叠置在位于下部的第一太阳能电池层的n层上的中间透明导电层211与叠置在位于相邻太阳能电池层的上部的第二太阳能电池层的n层上的上透明导电层212相连接，由此进行连接。
由于薄膜太阳能电池的截面结构而叠置在位于下部的第一太阳能电池层的p层上的下透明导电层210与叠置在位于相邻太阳能电池层的上部的第二太阳能电池层的p层下方的中间透明导电层211连接，由此进行电连接。结果，变成以下结构：其中在薄膜太阳能电池中位于下部的第一太阳能电池层与相邻的位于上部的第二太阳能电池层在内部并联，成为一个单元电池。
在该实施方式中，薄膜太阳能电池元件包括该结构以通过按照背侧电极层240、上透明导电层212、和第二太阳能电池层230的p层上的图案从顶部开始顺序地执行切割工艺从而形成电池之间的间隙，由此通过使这些间隙的空气层成为透明绝缘层250从而允许相邻的单元电池之间的串联电连接。
当穿过基底而入射的光经过第一太阳能电池层或第二太阳能电池层的p型硅层以被吸收进它的i型硅层时，初始化从薄膜太阳能电池元件诱发光伏力(photovoltaic force)的工艺。
如果入射光具有比非晶硅或微晶硅的光能带隙更大的能量，则电子被激发并且产生一对电子空穴，从而产生的电子和空穴每一个都被划分到n型硅层和p型硅层使得它们能移动。因而，如果在p型硅层和n型硅层的两个电极端部之间产生的光伏力与外部电路相连接，则其充当太阳能电池。
参照图4的等效电路图，分别从位于下部的第一太阳能电池层220和位于上部的第二太阳能电池层230诱发光伏力，这些太阳能电池层的各公共电极与透明导电层彼此连接以形成并联的单元电池300，并且基本上多个单元电池300以它们与透明导电氧化物串联的结构来与外部电路相连接，由此充当太阳能电池。
参照图3和图4，本发明的实施方式使得当叠置具有差别很大的短路电流的微晶硅层和非晶硅层从而彼此直接串联时产生的电力损耗最小化。
换句话说，微晶硅层叠置在上部作为第二太阳能电池层，非晶硅层叠置在下部作为第一太阳能电池层，其中这两个太阳能电池层彼此并联，并且这些结构串联，由此使电力损耗最小化并保持了硅叠置结构的高光电转换效率。
该实该施方式为以下结构：在保持两个不同的太阳能电池层的叠置结构的同时，形成电并联结构，并通过采用本发明的制造方法中的沉积顺序和切割工艺进行构图来控制层间结构。因此，由于可以在不增加任何单独的独立工艺的情况下形成该结构，从而便于制造。
图5是示出在根据本发明的一个实施方式的薄膜太阳能电池元件和现有技术的由彼此串联的非晶硅层以及微晶硅层的双太阳能电池层构成的一个实施方式的薄膜太阳能电池元件之间的短路电流密度相对于电压的变化的曲线图。图6是示出光电转换效率关于电压的曲线图。
该曲线图是示出为了比较现有技术的薄膜太阳能电池元件和本发明的薄膜太阳能电池元件之间的效率而进行的数值分析结果的曲线图。
参照图5和图6，对于由非晶硅制成并位于下部的第一太阳能电池层(在曲线图上表示为D1)，假设开路电压V是0.98V，短路电流密度是8.0mA/cm2，此时光电转换效率是大约5.3％。
此外，对于由微晶硅制成并且位于上部的第二太阳能电池层(在曲线图上表示为D2)，假设开路电压是0.64V，短路电流密度是20mA/cm2，则光电转换效率是大约8.8％。
在这两个太阳能电池层按照现有技术方式彼此串联的情况下(在曲线图上表示为D1+D2)，表示电压是1.62V，短路电流密度是8.0mA/cm2，则光电转换效率是大约9.7％。
根据以上，示出了根据非晶硅层和微晶硅层之间的短路电流的差别，作为第一太阳能电池层的短路电流密度的总短路电流密度限定为8.0mA/cm2，由此，全部元件的光电转换效率不会接近于达到14.1％，这是分别在第一太阳能电池层和第二太阳能电池层中实现的效率的总和，结果是效率不太高。
然而，在根据本发明的一个实施方式的两个太阳能电池层并联的情况下(在曲线图上表示为D1||D2)，表示电压是0.66V，短路电流密度是28mA/cm2，且光电转换效率是大约12.9％。因而与现有技术中串联的情况相比效率增大了约3.2％。
根据本发明，与现有技术中由单硅层构成的太阳能电池元件的结构相比，由于双硅叠置结构能够获得更高光电转换效率，并且在以多层叠置结构形成的太阳能电池模块中，在太阳能电池层之间的并联结构中而非其间的串联结构中能够获得高光电转换效率，因此在制造呈双硅叠置结构的薄膜太阳能电池元件方面这是非常重要的。
图7至图21是按照工艺步骤示出根据本发明的一个实施方式的薄膜太阳能电池的制造方法的元件的叠置结构的截面图。
参照图7至21，根据本发明的一个实施方式的薄膜太阳能电池的制造方法包括以下步骤：在玻璃基底上沉积透明导电氧化物；沉积具有非晶硅层的第一太阳能电池层；当再次沉积透明导电氧化物之后沉积具有微晶硅层的第二太阳能电池层，并且当再次沉积透明导电氧化物之后继续沉积背侧电极层。
参照图7，根据本发明的一个实施方式的薄膜太阳能电池的制造方法是从以下步骤开始：在玻璃基底200上沉积下透明导电氧化物210。
接着，参照图8，通过切割工艺按照一种图案来切割下透明导电氧化物210，并如图9所示，在下透明导电氧化物210上沉积p型非晶硅层221(a-Si:H)。
如图10所示，在p型非晶硅层221上沉积i型非晶硅层222(a-Si:H)，并如图11所示，在i型非晶硅层222上沉积n型非晶硅层223(a-Si:H)。
在本发明的一个实施方式中，公知的方法可以用作非晶硅层的沉积方法。优选地使用选自溅射法、高频等离子体化学气相沉积法、微波等离子体化学气相沉积法、热化学气相沉积法和低压化学气相沉积法(LPCVD)等中的一种方法。
具体地说，在非晶硅的情况下，通常使用采用硅烷气体等的等离子体化学气相沉积法(PECVD)。其中PECVD通过等离子体的方式分解源气体并随后在气态进行沉积。
在该实施方式中，参照图12，由pin型非晶硅层构成的第一太阳能电池层220通过切割工艺进行构图，如图13所示，在构图之后沉积中间透明导电氧化物211，并如图14所示，通过切割工艺对包括中间透明导电氧化物211的下太阳能电池层220部分地构图到p层221。
接着，参照图15，在构图之后沉积p型微晶硅层231(us-Si:H)，如图16所示，在p型微晶硅层231上沉积i型微晶硅层232(usc-Si:H)，随后，如图17所示，在i型微晶硅层232上沉积n型微晶硅层233(uc-Si:H)。
以同样的方式，能够使用等离子化学气相沉积法在相对低的温度下快速地沉积微晶硅层。
在该实施方式中，参照图18，通过切割工艺部分地构图到包括由pin型微晶硅层构成的第二太阳能电池层230的中间透明导电氧化物211，随后，如图19所示，在构图之后沉积上透明导电氧化物212，并且如图20所示，在上透明导电氧化物212上沉积背侧电极层240。
各下透明导电氧化物210、中间透明导电氧化物211和上透明导电氧化物212仅是出于方便的目的根据要叠置的太阳能电池元件的截面图中的位置进行划分的，因此它们都可以使用相同的材料和方法来沉积。并且，它们可以使用公知的材料通过公知的沉积方法形成，上述材料能够用作对本发明的技术领域的技术人员来说容易获知的导电氧化物。具体地说，优选的是它们由例如氧化锡(SnO2)和氧化铟(ITO)的透明且导电的材料制成。
背侧电极部240可以通过使用对于本发明的技术领域的技术人员来说容易获知的在电极层中常用的公知材料和方法来形成。具体地说，优选的是采用丝网印刷(screen printing)和喷射(spraying)方法等利用铝(Al)、银(Ag)、钛(Ti)和钯(Pd)等制造金属层。在丝网印刷银胶(Ag胶)期间，需要在烘箱中进行稳定化(stabilizing)和干燥，因而通常使用热处理。
在该实施方式中，薄膜太阳能电池的制造方法进一步包括以下工艺：通过切割工艺部分地构图到包括背侧电极层240和上透明导电氧化物212的第二太阳能电池230的p层231。
切割工艺在相邻的单元电池之间形成微小的间隙并且这些间隙中的空气层可以充当透明绝缘层250。
在本发明的实施方式中使用的切割工艺可以通过对本发明的技术领域的技术人员来说容易获知的公知的常规切割方法来执行。通常使用激光刻划法、湿蚀刻法、干蚀刻法、剥离(lift-off)法和线掩模(wire mask)法中的任意一个。
在本发明的实施方式中，具体地说，优选的是对薄膜太阳能电池模块使用所谓激光刻划(laser scribing)法，由此脉冲激光扫描过基底并且基底上的薄膜被加工(即构图)。
根据具有上述叠置设置和结构的薄膜太阳能电池及其制造方法，可以将由连续地设置的微晶硅制成并位于上部的第二太阳能电池层，与在结构图中恰好紧挨着第二太阳能电池层的下部并由非晶硅制成的第一太阳能电池层，在一个单元单元电池中并联电连接。
并且，这些单元电池的并联结构与相邻的单元电池的其他并联结构相接触，形成其中这些并联结构彼此串联的模块结构。
因而，这些结构采用这样的结构：其中上透明导电氧化物、中间透明导电氧化物和下透明导电氧化物既不分别与相邻电池的上透明导电氧化物、中间透明导电氧化物和下透明导电氧化物直接连接，也不象常规的公知技术那样通过仅在单元电池之间形成绝缘层来串联。
此外，通过形成绝缘层以在单元电池之间不传输电力，具体地说，在通过位于上部的第二太阳能电池层与相邻电池的中间透明导电层相连接的上透明导电氧化物中的由空气层构成的绝缘层之间不传输电力，提高了用于划分单元电池的被连接的透明导电氧化物的电绝缘性，实现了单元电池的串联。
虽然已经示出并描述了本发明的一些实施方式，但是本领域的技术人员应理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对本实施方式做出改变，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
工业实用性
如上所述，本发明提供了一种具有高光电转换效率和优良可靠性的薄膜太阳能电池器件的结构，并且能够通过相对简单的系列制造工艺以低制造成本来制造大面积的太阳能电池。
图3是示出根据本发明的薄膜太阳能电池元件的叠置结构的截面图，图4是在根据本发明的薄膜太阳能电池元件中构建的二极管等效电路图。
在该实施方式中，薄膜太阳能电池元件包括玻璃基底200，第一太阳能电池层220，第二太阳能电池层230，透明导电层210、211和212，背侧电极层240和透明绝缘层250。
根据本实施方式，薄膜太阳能电池元件具有重复(repeat)单元，该重复单元包括形成在基底上的第一透明导电层、形成在第一透明导电层上的第一太阳能电池、形成在第一太阳能电池上的第二透明导电层、形成在第二透明导电层上的第二太阳能电池以及第二太阳能电池上的上电极层。这些重复单元彼此串联地耦合。
在优选实施方式中，上电极层包括第三电极层，并且这些重复单元通过第一透明导电层、第二透明导电层和第三透明导电层而彼此串联地耦合。
该实施方式示意性地示出了将第一太阳能电池层与第二太阳能电池层连接的方法。
参照图3，薄膜太阳能电池形成一个单元电池，该单元电池是均以多结结构形成的一个太阳能电池层和另一个太阳能电池层彼此并联电连接。
单元电池的并联通过以下方式实现：利用透明导电层将第一太阳能电池层的p层与第二太阳能电池层的p层相连接，并利用透明导电层将第一太阳能电池层的n层和第二太阳能电池层的n层相连接。
太阳能电池层由选自各硅晶(crystal based silicon)太阳能电池层或非晶硅太阳能电池层中的一种太阳能电池层构成，并且优选的是，硅晶太阳能电池层使用微晶硅太阳能电池层。
由非晶硅太阳能电池层构成的太阳能电池层形成非晶硅的pn结结构和非晶硅的pin结结构中的任意一种。
由微晶硅太阳能电池层构成的太阳能电池层形成微晶硅的pn结结构和微晶硅的pin结结构中的任意一个。
内部并联的一个或更多个单元电池被组合为串联电连接，从而形成一个大面积的集成薄膜太阳能电池。单元电池之间的串联包括相邻单元电池之间的透明绝缘层250。
换句话说，下透明导电层(例如TCO)210叠置在基底(例如玻璃基底)200上，并且在下透明导电层210上安装有其上顺序地叠置了p型221、i型222和n型223非晶硅层的第一太阳能电池层220。中间透明导电层211再次叠置在第一太阳能电池层上，并且在中间透明导电层211上安装有其上顺序地叠置了p型231、i型232和n型233非晶硅层的第二太阳能电池层230。连续地叠置上透明导电层212和背侧电极层240。
由于薄膜太阳能电池的截面结构而叠置在位于下部的第一太阳能电池层的n层上的中间透明导电层211与叠置在位于相邻太阳能电池层的上部的第二太阳能电池层的n层上的上透明导电层212相连接，由此进行连接。
由于薄膜太阳能电池的截面结构而叠置在位于下部的第一太阳能电池层的p层上的下透明导电层210与叠置在位于相邻太阳能电池层的上部的第二太阳能电池层的p层下方的中间透明导电层211连接，由此进行电连接。结果，变成以下结构：其中在薄膜太阳能电池中位于下部的第一太阳能电池层与相邻的位于上部的第二太阳能电池层在内部并联，成为一个单元电池。
在该实施方式中，薄膜太阳能电池元件包括该结构以通过按照背侧电极层240、上透明导电层212、和第二太阳能电池层230的p层上的图案从顶部开始顺序地执行切割工艺从而形成电池之间的间隙，由此通过使这些间隙的空气层成为透明绝缘层250从而允许相邻的单元电池之间的串联电连接。
当穿过基底而入射的光经过第一太阳能电池层或第二太阳能电池层的p型硅层以被吸收进它的i型硅层时，初始化从薄膜太阳能电池元件诱发光伏力(photovoltaic force)的工艺。
如果入射光具有比非晶硅或微晶硅的光能带隙更大的能量，则电子被激发并且产生一对电子空穴，从而产生的电子和空穴每一个都被划分到n型硅层和p型硅层使得它们能移动。因而，如果在p型硅层和n型硅层的两个电极端部之间产生的光伏力与外部电路相连接，则其充当太阳能电池。
参照图4的等效电路图，分别从位于下部的第一太阳能电池层220和位于上部的第二太阳能电池层230诱发光伏力，这些太阳能电池层的各公共电极与透明导电层彼此连接以形成并联的单元电池300，并且基本上多个单元电池300以它们与透明导电氧化物串联的结构来与外部电路相连接，由此充当太阳能电池。
参照图3和图4，本发明的实施方式使得当叠置具有差别很大的短路电流的微晶硅层和非晶硅层从而彼此直接串联时产生的电力损耗最小化。
换句话说，微晶硅层叠置在上部作为第二太阳能电池层，非晶硅层叠置在下部作为第一太阳能电池层，其中这两个太阳能电池层彼此并联，并且这些结构串联，由此使电力损耗最小化并保持了硅叠置结构的高光电转换效率。
该实该施方式为以下结构：在保持两个不同的太阳能电池层的叠置结构的同时，形成电并联结构，并通过采用本发明的制造方法中的沉积顺序和切割工艺进行构图来控制层间结构。因此，由于可以在不增加任何单独的独立工艺的情况下形成该结构，从而便于制造。
图5是示出在根据本发明的一个实施方式的薄膜太阳能电池元件和现有技术的由彼此串联的非晶硅层以及微晶硅层的双太阳能电池层构成的一个实施方式的薄膜太阳能电池元件之间的短路电流密度相对于电压的变化的曲线图。图6是示出光电转换效率关于电压的曲线图。
该曲线图是示出为了比较现有技术的薄膜太阳能电池元件和本发明的薄膜太阳能电池元件之间的效率而进行的数值分析结果的曲线图。
参照图5和图6，对于由非晶硅制成并位于下部的第一太阳能电池层(在曲线图上表示为D1)，假设开路电压V是0.98V，短路电流密度是8.0mA/cm2，此时光电转换效率是大约5.3％。
此外，对于由微晶硅制成并且位于上部的第二太阳能电池层(在曲线图上表示为D2)，假设开路电压是0.64V，短路电流密度是20mA/cm2，则光电转换效率是大约8.8％。
在这两个太阳能电池层按照现有技术方式彼此串联的情况下(在曲线图上表示为D1+D2)，表示电压是1.62V，短路电流密度是8.0mA/cm2，则光电转换效率是大约9.7％。
根据以上，示出了根据非晶硅层和微晶硅层之间的短路电流的差别，作为第一太阳能电池层的短路电流密度的总短路电流密度限定为8.0mA/cm2，由此，全部元件的光电转换效率不会接近于达到14.1％，这是分别在第一太阳能电池层和第二太阳能电池层中实现的效率的总和，结果是效率不太高。
然而，在根据本发明的一个实施方式的两个太阳能电池层并联的情况下(在曲线图上表示为D1||D2)，表示电压是0.66V，短路电流密度是28mA/cm2，且光电转换效率是大约12.9％。因而与现有技术中串联的情况相比效率增大了约3.2％。
根据本发明，与现有技术中由单硅层构成的太阳能电池元件的结构相比，由于双硅叠置结构能够获得更高光电转换效率，并且在以多层叠置结构形成的太阳能电池模块中，在太阳能电池层之间的并联结构中而非其间的串联结构中能够获得高光电转换效率，因此在制造呈双硅叠置结构的薄膜太阳能电池元件方面这是非常重要的。
图7至图21是按照工艺步骤示出根据本发明的一个实施方式的薄膜太阳能电池的制造方法的元件的叠置结构的截面图。
参照图7至21，根据本发明的一个实施方式的薄膜太阳能电池的制造方法包括以下步骤：在玻璃基底上沉积透明导电氧化物；沉积具有非晶硅层的第一太阳能电池层；当再次沉积透明导电氧化物之后沉积具有微晶硅层的第二太阳能电池层，并且当再次沉积透明导电氧化物之后继续沉积背侧电极层。
参照图7，根据本发明的一个实施方式的薄膜太阳能电池的制造方法是从以下步骤开始：在玻璃基底200上沉积下透明导电氧化物210。
接着，参照图8，通过切割工艺按照一种图案来切割下透明导电氧化物210，并如图9所示，在下透明导电氧化物210上沉积p型非晶硅层221(a-Si:H)。
如图10所示，在p型非晶硅层221上沉积i型非晶硅层222(a-Si:H)，并如图11所示，在i型非晶硅层222上沉积n型非晶硅层223(a-Si:H)。
在本发明的一个实施方式中，公知的方法可以用作非晶硅层的沉积方法。优选地使用选自溅射法、高频等离子体化学气相沉积法、微波等离子体化学气相沉积法、热化学气相沉积法和低压化学气相沉积法(LPCVD)等中的一种方法。
具体地说，在非晶硅的情况下，通常使用采用硅烷气体等的等离子体化学气相沉积法(PECVD)。其中PECVD通过等离子体的方式分解源气体并随后在气态进行沉积。
在该实施方式中，参照图12，由pin型非晶硅层构成的第一太阳能电池层220通过切割工艺进行构图，如图13所示，在构图之后沉积中间透明导电氧化物211，并如图14所示，通过切割工艺对包括中间透明导电氧化物211的下太阳能电池层220部分地构图到p层221。
接着，参照图15，在构图之后沉积p型微晶硅层231(us-Si:H)，如图16所示，在p型微晶硅层231上沉积i型微晶硅层232(usc-Si:H)，随后，如图17所示，在i型微晶硅层232上沉积n型微晶硅层233(uc-Si:H)。
以同样的方式，能够使用等离子化学气相沉积法在相对低的温度下快速地沉积微晶硅层。
在该实施方式中，参照图18，通过切割工艺部分地构图到包括由pin型微晶硅层构成的第二太阳能电池层230的中间透明导电氧化物211，随后，如图19所示，在构图之后沉积上透明导电氧化物212，并且如图20所示，在上透明导电氧化物212上沉积背侧电极层240。
各下透明导电氧化物210、中间透明导电氧化物211和上透明导电氧化物212仅是出于方便的目的根据要叠置的太阳能电池元件的截面图中的位置进行划分的，因此它们都可以使用相同的材料和方法来沉积。并且，它们可以使用公知的材料通过公知的沉积方法形成，上述材料能够用作对本发明的技术领域的技术人员来说容易获知的导电氧化物。具体地说，优选的是它们由例如氧化锡(SnO2)和氧化铟(ITO)的透明且导电的材料制成。
背侧电极部240可以通过使用对于本发明的技术领域的技术人员来说容易获知的在电极层中常用的公知材料和方法来形成。具体地说，优选的是采用丝网印刷(screen printing)和喷射(spraying)方法等利用铝(Al)、银(Ag)、钛(Ti)和钯(Pd)等制造金属层。在丝网印刷银胶(Ag胶)期间，需要在烘箱中进行稳定化(stabilizing)和干燥，因而通常使用热处理。
在该实施方式中，薄膜太阳能电池的制造方法进一步包括以下工艺：通过切割工艺部分地构图到包括背侧电极层240和上透明导电氧化物212的第二太阳能电池230的p层231。
切割工艺在相邻的单元电池之间形成微小的间隙并且这些间隙中的空气层可以充当透明绝缘层250。
在本发明的实施方式中使用的切割工艺可以通过对本发明的技术领域的技术人员来说容易获知的公知的常规切割方法来执行。通常使用激光刻划法、湿蚀刻法、干蚀刻法、剥离(lift-off)法和线掩模(wire mask)法中的任意一个。
在本发明的实施方式中，具体地说，优选的是对薄膜太阳能电池模块使用所谓激光刻划(laser scribing)法，由此脉冲激光扫描过基底并且基底上的薄膜被加工(即构图)。
根据具有上述叠置设置和结构的薄膜太阳能电池及其制造方法，可以将由连续地设置的微晶硅制成并位于上部的第二太阳能电池层，与在结构图中恰好紧挨着第二太阳能电池层的下部并由非晶硅制成的第一太阳能电池层，在一个单元单元电池中并联电连接。
并且，这些单元电池的并联结构与相邻的单元电池的其他并联结构相接触，形成其中这些并联结构彼此串联的模块结构。
因而，这些结构采用这样的结构：其中上透明导电氧化物、中间透明导电氧化物和下透明导电氧化物既不分别与相邻电池的上透明导电氧化物、中间透明导电氧化物和下透明导电氧化物直接连接，也不象常规的公知技术那样通过仅在单元电池之间形成绝缘层来串联。
此外，通过形成绝缘层以在单元电池之间不传输电力，具体地说，在通过位于上部的第二太阳能电池层与相邻电池的中间透明导电层相连接的上透明导电氧化物中的由空气层构成的绝缘层之间不传输电力，提高了用于划分单元电池的被连接的透明导电氧化物的电绝缘性，实现了单元电池的串联。
虽然已经示出并描述了本发明的一些实施方式，但是本领域的技术人员应理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对本实施方式做出改变，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
工业实用性
如上所述，本发明提供了一种具有高光电转换效率和优良可靠性的薄膜太阳能电池器件的结构，并且能够通过相对简单的系列制造工艺以低制造成本来制造大面积的太阳能电池。