双层光伏设备

摘要

一种混合光伏设备（1），包括薄膜太阳能电池（2），薄膜太阳能电池（2）设置在包括竖直排列的纳米线（25）的阵列的第一层（21）中，纳米线设有具有对应于第一光谱范围的第一带隙的结。纳米线（25）形成吸收区域，并且在纳米线之间形成非吸收区域。大块太阳能电池（3）设置在位于第一层（21）的下方的第二层（31）中，大块太阳能电池（3）设有具有第二带隙的结，第二带隙小于第一带隙并且对应于第二光谱范围。纳米线在第一层中被提供以这样的横向密度，该横向密度选择为使得入射光子波前的预定部分将穿过非吸收区域而不在第一光谱范围中被吸收，并且进入大块太阳能电池中，以在第一光谱范围和第二光谱范围中被吸收。

权利要求

1.一种混合光伏设备（1），包括：

薄膜太阳能电池（2），所述薄膜太阳能电池（2）设置在包括竖直排列的纳米线（25）的阵列的第一层（21）中，所述纳米线设有具有对应于第一光谱范围的第一带隙的结，其中所述纳米线（25）形成吸收区域，并且在所述纳米线之间形成非吸收区域；

大块太阳能电池（3），所述大块太阳能电池（3）设置在位于所述第一层（21）的下方的第二层（31）中，所述大块太阳能电池（3）设有具有第二带隙的结，所述第二带隙小于所述第一带隙并且对应于第二光谱范围，其中，所述纳米线在第一层中被提供以这样的横向密度，所述横向密度选择为使得入射光子波前的预定部分将穿过所述非吸收区域而不在所述第一光谱范围中被吸收，并且进入所述大块太阳能电池中，以在所述第一光谱范围和所述第二光谱范围中被吸收。

2.根据权利要求1所述的混合光伏设备，其中，所述纳米线的横向密度被选择以便获得在所述薄膜太阳能电池中产生的光电流与在所述大块材料太阳能电池中产生的光电流之间的电流匹配。

3.根据权利要求1或2所述的混合光伏设备，其中，多个所述纳米线在所述薄膜太阳能电池中的上薄膜电极和下薄膜电极之间并联连接。

4.根据权利要求3所述的混合光伏设备，其中，所述薄膜太阳能电池通过所述大块太阳能电池的下薄膜电极（24）与上电极（33）之间的金属或金属状流电连接而串联地连接到所述大块太阳能电池。

5.根据权利要求4所述的混合光伏设备，其中，所述流电连接还连接到第二大块太阳能电池的上电极，使得所述大块太阳能电池彼此并联连接（73、74）并且与所述薄膜太阳能电池串联连接（75），以有助于所述薄膜太阳能电池与所述大块太阳能电池之间的光电流匹配。

6.根据权利要求4所述的混合光伏设备，其中，第一数量的薄膜太阳能电池被串联地互连成薄膜电池的第一串（77），并且第二数量的大块太阳能电池被串联地互连成大块太阳能电池的第二串（78），并且第一串和第二串并联连接，并且其中，所述串中的电池的所述数量适配成有助于所述串之间的电压匹配。

7.根据权利要求4所述的混合光伏设备，包括位于所述第一层和所述第二层之间的导电层（51），所述导电层（51）将所述薄膜太阳能电池的下电极与所述大块太阳能电池的上电极连接。

8.根据权利要求7所述的混合光伏设备，其中，第一连接器格栅结构（231）连接到所述薄膜太阳能电池的上电极，并且其中所述流电连接包括第二格栅结构（331），并且其中所述第一、第二格栅结构（231，331）基本上竖直地重叠。

9.根据权利要求4所述的混合光伏设备，其中，所述第二格栅结构形成所述大块太阳能电池的上电极（33），并且连接到所述薄膜太阳能电池的下电极。

10.根据前述权利要求4至9中任一项所述的混合光伏设备，其中，所述流电连接提供所述薄膜太阳能电池和所述大块太阳能电池之间的直接电子传导路径。

11.根据权利要求10所述的混合光伏设备，其中，所述流电连接是非外延的。

12.根据权利要求10所述的混合光伏设备，其中，所述流电连接是非整流的。

13.根据权利要求10所述的混合光伏设备，其中，所述流电连接是欧姆的。

14.根据权利要求10所述的混合光伏设备，其中，所述流电连接是金属导体，或者包括实质上作为金属导体来起作用的、简并掺杂多晶半导体层或导电氧化物。

15.根据前述权利要求中任一项所述的混合光伏设备，其中，所述薄膜电池中的纳米线的材料是诸如GaAs、AlGaAs、InP或其合金的直接带隙半导体。

16.根据前述权利要求中任一项所述的混合光伏设备，其中，所述大块太阳能电池由Si或CIGS制成。

17.根据前述权利要求中任一项所述的混合光伏设备，其中，所述第一带隙被调节以有助于所述薄膜太阳能电池和所述大块太阳能电池之间的光电流匹配。

18.根据前述权利要求中任一项所述的混合光伏设备，其中，所述大块太阳能电池的结在纳米线的所述阵列下方横向地延伸。

说明书

双层光伏设备

技术领域

[0001] 本发明涉及用作太阳能电池的光伏设备领域，具体地涉及一种多层布置的双电池结构。

背景技术

[0002] 在主要设计方面，太阳能电池市场目前主要由两种不同的技术主导。

[0003] 最普遍的技术是大块太阳能电池，其中占首要地位的大块材料是晶体硅（Si）。大块材料可以例如是单晶硅或多晶硅，并且可以以圆柱形晶片形式提供或从正方形或伪正方形晶锭铸造。基于硅的大块太阳能电池受益于技术成熟度以及低原料成本和低毒性。

[0004] 另一种技术是薄膜太阳能电池，其通常通过在基底上沉积光伏材料的一个或多个薄层（薄膜）而制成。膜厚度从几纳米到几十微米不等，因此比例如硅晶片薄得多。所使用的薄膜材料包括碲化镉（CdTe）、铜铟镓硒太阳能电池（CIS或CIGS）、非晶硅（a-Si）和其他薄膜Si电池。薄膜太阳能电池具有不受晶片形状因素限制的优点，因此可以制成大的片材。与Si-基太阳能电池相比，由于低的材料消耗，薄膜技术也提供了成本优势。

[0005] 调查除占主导地位的Si大块类型太阳能电池以外的其他技术的一个原因是，晶体Si的带隙为约1.1eV，这对应于近红外光谱区域中的吸收和约0.7V的开路电压（Voc）。然而，太阳是近似的黑体辐射源，其发射光谱在可见光谱的黄绿色部分中达到峰值。这意味着大多数光子具有比Si带隙更高的能量，但是电池仍将仅产生0.7V电压。通过由具有更高带隙的合适材料制造薄膜电池，可以达到增加的Voc。一个例子是III-V能量材料，例如具有1.43eV的直接带隙的GaAs，其使得输出电压为约1.1V。

[0006] 为了试图克服使太阳能电池的吸收与太阳能的发射光谱相匹配的问题，已经开发了具有由不同半导体材料制成的多个p-n结的多结薄膜太阳能电池。在这种多层设备中，每个材料的p-n结将响应于不同波长的光而产生电流，这允许吸收更宽范围的波长，从而提高电池的能量转换效率。然而，这种效率是以增加的复杂性和制造价格、以及频繁地对稀有元素的可用性的依赖为代价而得到的。

[0007] 本申请人在WO2010/120233中提出另一种多结太阳能电池。提供了一种用于将光转换成电能的多结光伏电池，该多结光伏电池包括其上掺杂有离散表面区域的基底，使得在基底中形成第一p-n结。在每个掺杂区域上生长纳米线，使得在纳米线处形成与第一p-n结串联连接的第二p-n结。

[0008] WO2012057604提出了将单个或多个结的基本太阳能电池与纳米线或纳米管p-n结的纳米结构组合的混合光伏设备。这些结构在来自基本太阳能电池的金属集电器上方制造，作为在主电池上方的附加的光伏电池。可以在基本太阳能电池的开放区域上形成没有p-n结的附加纳米线阵列，以用于光捕获效应。

[0009] WO2012149650提出了用于级联太阳能电池的区域电流匹配的解决方案。底部太阳能电池和顶部太阳能电池被竖直地堆叠并且串联地电互连，其中底部太阳能电池的面积以适当的比例大于顶部太阳能电池的面积，以提供基本上电流匹配的光伏设备。

发明内容

[0010] 认识到在太阳能电池领域还有改进的空间，特别是在以合理的成本获得合理的能量转换效率方面。该目的通过根据独立权利要求1的太阳能电池来实现。在从属权利要求中列出了优选实施例的进一步细节。

[0011] 根据一个方面，提供了一种混合光伏设备，其包括：设置在包括竖直排列的纳米线的阵列的第一层中的薄膜太阳能电池，所述纳米线包括具有与第一光谱范围对应的第一带隙的结，其中所述纳米线形成吸收区域，并且在纳米线之间形成非吸收区域；布置在位于第一层下方的第二层中的大块太阳能电池，其设有具有第二带隙的结，第二带隙小于所述第一带隙并且对应于第二光谱范围，其中纳米线在第一层中被提供以这样的横向密度，所述横向密度选择为使得入射光子波前的预定部分将穿过非吸收区域而不在第一光谱范围中被吸收，并且进入大块太阳能电池中，以在第一光谱范围和第二光谱范围中被吸收。

[0012] 在一个实施例中，纳米线的横向密度被选择以便获得在薄膜太阳能电池中产生的光电流与在大块材料太阳能电池中产生的光电流之间的电流匹配。

[0013] 在一个实施例中，多个所述纳米线在所述薄膜太阳能电池中的上薄膜电极和下薄膜电极之间并联连接。

[0014] 在一个实施例中，薄膜太阳能电池通过大块太阳能电池的下薄膜电极和上电极之间的金属或金属状流电连接串联地连接到大块太阳能电池。

[0015] 在一个实施例中，所述流电连接还连接到第二大块太阳能电池的上电极，使得所述大块太阳能电池彼此并联连接并且与所述薄膜太阳能电池串联连接，以有助于薄膜太阳能电池与大块太阳能电池之间的光电流匹配。

[0016] 在一个实施例中，第一数量的薄膜太阳能电池被串联地互连成薄膜电池的第一串，并且第二数量的大块太阳能电池被串联地互连成大块太阳能电池的第二串，并且第一串和第二串并联连接，并且其中，所述串中的电池的所述数量适配成有助于所述串之间的电压匹配。

[0017] 在一个实施例中，混合光伏设备包括位于第一层和第二层之间的导电层，该导电层将薄膜太阳能电池的下电极与大块太阳能电池的上电极连接。

[0018] 在一个实施例中，第一连接器格栅结构连接到薄膜太阳能电池的上电极，并且其中所述流电连接包括第二格栅结构，并且其中所述第一、第二格栅结构基本上竖直地重叠。

[0019] 在一个实施例中，所述第二格栅结构形成大块太阳能电池的上电极，并且连接到薄膜太阳能电池的下电极。

[0020] 在一个实施例中，流电连接提供薄膜太阳能电池和大块太阳能电池之间的直接电子传导路径。

[0021] 在一个实施例中，流电连接是非外延的。

[0022] 在一个实施例中，流电连接是非整流的。

[0023] 在一个实施例中，流电连接是欧姆的。

[0024] 在一个实施例中，流电连接是金属导体，或者包括实质上作为金属导体来起作用的简并掺杂多晶半导体层或导电氧化物。

[0025] 在一个实施例中，薄膜电池中的纳米线的材料是诸如GaAs、AlGaAs、InP或其合金的直接带隙半导体。

[0026] 在一个实施例中，大块太阳能电池由Si或CIGS制成。

[0027] 在一个实施例中，第一带隙被调节以便有助于薄膜太阳能电池和大块太阳能电池之间的光电流匹配。

[0028] 在一个实施例中，大块太阳能电池的结在纳米线的所述阵列下方横向地延伸。

[0029] 对于本领域技术人员显而易见的是，以上列出的并且在下面进一步详细描述的实施例可以以各种方式组合。

附图说明

[0030] 下面将参照附图描述本发明的实施例，其中：图1示出了本发明的一般实施例，包括布置在大块太阳能电池上方的薄膜太阳能电池；
图2示出了设置在串联连接的大块太阳能电池上方的串联连接的薄膜电池的实施例；
图3示出了根据图2的实施例的薄膜太阳能电池的上层的顶视图；
图4示出了根据图2的实施例的大块太阳能电池的下层的顶视图；
图5示出了级联电池的实施例，其中薄膜电池具有至下面的大块电池3的直接流电、欧姆连接；
图6示出了根据图5的串联连接的级联电池的模块；
图7a-7d示出了以不同电连接布置来配置的光伏设备的实施例； 以及
图8示出了表示薄膜太阳能电池层中、对高于其带隙的频率的光、的部分透明度的实施例。

具体实施方式

[0031] 图1示意性地示出了根据本发明的实施例的混合光伏设备1的一般配置。设备1包括布置在两个不同层21、22中的、配置用于光电转换的至少两个电池2、3。薄膜太阳能电池2设置在第一层21中，第一层21被配置成靠近太阳来布置。薄膜太阳能电池2包括具有对应于第一光谱范围的第一带隙的至少一个结。大块太阳能电池3设置在位于第一层21下方的第二层31中，即被配置为在两个层21、31中最远离太阳来布置。大块太阳能电池3包括具有第二带隙的至少一个结，第二带隙小于第一层的第一带隙并且对应于第二光谱范围。此外，薄膜太阳能电池2对于第二光谱范围内的光是至少部分透明的。还可以包括保护性透明盖4，诸如玻璃基板。

[0032] 虽然第一层21可以包括多于一个薄膜太阳能电池，但是所示的至少一个薄膜太阳能电池2可以包括活性光伏材料层22的膜，其中载流子产生被配置为在吸收光子时发生，活性光伏材料层22的膜夹在两个电极23、24之间。虽然在该图中未示出进一步的细节，但是本领域技术人员将理解，光伏材料层22可以包括由第一半导体材料形成的上部n型层以及由第二半导体材料形成的下部p型吸收层。在n型和p型材料之间形成结，其具有所述第一带隙。此外，薄膜太阳能电池2可以包括抗反射涂层。电极23、24对光至少部分地透明。这种电极的一个例子是透明导电膜（TCF），其光学透明且导电，布置在多个薄层中。作为示例，膜可以包括，例如铟锡氧化物（ITO）、掺氟氧化锡（FTO）和掺杂的氧化锌的形式的，透明导电氧化物（TCO）层。其他类型的TCF是已知的，例如，包括石墨烯或碳纳米管的有机膜。可以使用TCF用于上电极23、用于下电极24或用于这两者。电极的另一替代方案是导电材料（诸如金属）的细格栅，其被配置为具有最小的阴影效应。

[0033] 大块太阳能电池3优选由Si大块材料32制成，尽管其他材料是似乎合理的，诸如铜铟镓硒（CIGS）。大块太阳能电池可以是刚性的，或者也可以是柔性膜。因此，虽然下面的描述主要提供与Si大块电池3有关的示例，但是本领域技术人员将理解，除非相互矛盾，否则这些实施例的大块电池3可以替代地由CIGS或其他合适的大块材料制成。如下所述，大块太阳能电池3的大块带隙可以比设置在大块太阳能电池3上方的薄膜太阳能电池2的带隙低至少0.2eV，优选低至少0.3eV。Si大块太阳能电池可以由诸如单晶硅的晶体硅（c-Si）形成，或者由多晶Si形成。大块材料具有p掺杂部分和n掺杂部分，由此在这些掺杂部分之间形成p-n结。通常，p-n结形成在接收入射辐射的基板的表面（即图1中的基板的上表面）附近，并且可以在大块材料层31中延伸。电极33和34因此可以连接到大块材料电池3的上表面和下表面。对于薄膜电池2，电极33、34可以通过TF或金属线的欧姆触点来提供。然而，备选实施例是可用的。在US4,234,352中，替代地提出了一种光伏电池，在其中在基板中在背向太阳的表面上以交替的导电率行形成多个p和n掺杂区域。这样，电极33、34都可以附接到层31中的大块材料32的下侧。因此，读者可以理解，如图1所示的电极33、34的表示仅仅是示意性的。还可以在下表面上设置反射层，以便将未吸收的光反射回电池3中。

[0034] 与太阳能电池相关的一般问题是仅具有至少最小能级的光子才能够在半导体材料中产生电子-空穴对。具有较少能量的光子不被吸收，或作为热量被吸收，并且具有更多能量的光子（即具有较长波长的光子）的过剩能量产生热量。这些损失和其他损失限制了光伏电池在将太阳辐射直接转化为电力中的效率。因此，提高转换效率的尝试是通过堆叠具有不同带隙的薄膜太阳能电池的不同层来进行的。非晶硅（a-Si）是硅的非晶态、同素异形类型，这是一种发展良好的薄膜技术。它具有比晶体硅（c-Si）（1.1eV）更高的带隙（1.7eV），这意味着它比光谱的较高能量的红外部分更强地吸收太阳光谱的可见部分。a-Si层可以与Si的其他同素异形类型的层结合以产生多结光伏电池。通过将这些层彼此堆叠，光谱的更宽范围被吸收，更多的光子被捕获，提高了电池的整体效率。在微晶硅的例子中，一层a-Si与一层纳米晶体硅结合，创建级联电池。顶部的a-Si层吸收可见光，将红外部分留给底部的纳米晶体c-Si层。然而，由于Staebler-Wronski效应，a-Si电池遭受日照的显著输出损失。较薄的层可以增加跨材料的电场强度，从而减少了退化，但同时也降低了光吸收/效率。这种类型的级联或多结电池通常是电分离的。更复杂的设计是单片集成电池，其中薄膜太阳能电池由机械且电连接的多个层组成。

[0035] 参考图1描述的实施例与上述现有设计的所提及状态不同之处在于，它将用于第一光谱范围内的较高频率的薄膜太阳能电池2与用于第二光谱范围内的较低频率的大块型太阳能电池3相结合，其中第一层21对于所述第二光谱范围内的光是至少部分透明的。这使得以下成为可能：利用更负担得起的大块型太阳能电池，但是借助于薄膜太阳能电池而不是从零开始设计整个多结薄膜电池来提供总能量转换方面的改进。此外，通过以极有限的组装成本在上方添加薄膜太阳能电池层21，例如通过将其粘附到这种大块电池装置的前玻璃上，来改进大块电池的现有安装是可能的。

[0036] 图2示出了落入图1的一般实施例的范围内的更具体的示例。在本实施例中，基于顶部纳米线阵列的薄膜太阳能电池2被布置在上层21中，在下层31的上方包括底部大块Si电池3。每个层可以分别包括一个或多个电池2和3。在所示实施例中，上层21包括分段成两个段2的纳米线25的阵列，所述两个段2通过串联连接27相连接以形成顶​​部模块。这使得调节顶部模块中的电流成为可能。相应地，在层31中示出了两个独立Si大块太阳能电池3，其通过导电布线37串联连接并形成底部模块。

[0037] 每个纳米线25包括至少一个半导体结，在结的一侧连接到顶部透明电极23，并且在另一侧连接到底部透明电极24。顶部和底部透明电极23、24由诸如氧化硅的绝缘电介质26分开。顶部模块的顶部电极23通过粘合剂或其他透明层41附接到透明基板4诸如玻璃。

[0038] 在下层31的底部模块中，每个Si大块电池3包括至少一个结（图中加以虚线）。结的一侧可以被连续的或格栅结构的电极33接触，另一侧可以被另一个连续的或格栅结构的电极34接触。如参照图1所述，结可以具有与此处所示的不同的几何形状，在这种情况下电极33、34都可以放置在电池的一侧。Si电池3的至少一个表面可以被介电层36（诸如SiNX，例如化学计量的Si3N4）钝化。电池的其他成分可能在细节上有所变化。在所示的实施例中，上部的一个电极33由格栅状的指状体331制成，指状体331通过汇流条35互连。在该实施例中，后电极34是连续的。

[0039] 堆叠的设备1还可以包括由例如玻璃、PET、钢或其他材料制成的后基板或背衬层5，以防止例如水分、氧气和盐进入模块并导致退化。此外，包括粘合剂50（例如共聚物，诸如EVA（乙烯醋酸乙烯酯））以填充上模块和下模块之间的空间并将两者连接在一起。还可以使用EVA来填充下部电池3和后部基板5之间的空间，以及在顶部电池2和顶部玻璃盖4之间的空间，形成为密闭的堆叠包装。还应该注意的是，附图不是按比例绘制的。

[0040] 顶部纳米线电池2可以包括由例如GaAs、AlGaAs、InP或其合金制成的竖直排列的半导体纳米线25的周期性或非周期性阵列。纳米线25可以被诸如聚合物之类的非导电电介质26分隔开，非导电电介质26对于太阳光谱的大部分是透明的。纳米线25的直径通常可以在100nm至250nm之间，或者优选在130nm至200nm之间，长度为1至3微米。纳米线25可以以在300-800nm范围内的中心-中心间距位于阵列中。每个单个纳米线包括至少一个p-n结，并且纳米线以这种方式排列，即每个线具有相同的极性；例如，每根线的n型发射器面向太阳。纳米线的顶部和底部（n和p型）部分分别连接到所提到的透明电极23和24。顶部透明电极23可以是诸如ITO的透明导电氧化物，并且厚度可以在30-300nm的范围内。顶部透明电极23还可以通过粘合剂或其他透明层41粘附到透明盖4（其可以是玻璃）上。在互连27所示的分段可以使用一系列激光和机械划线来形成。这样，第一段内的纳米线25的顶部部分可以经由两层透明电极23、24连接到第二相邻段中的纳米线25的下部部分。连接到纳米线25的底部部分的下部透明电极24可以由与最上面的透明电极23相同的材料构成，但同样可以由不同的透明导体材料（如铝掺杂的氧化锌）构成。

[0041] 图3示出根据图2的实施例的从上方的视图，但是薄膜纳米线电池2分为十三个段而不是图2所示的两个。图3示出了第一层21，并且除了现有的标注之外，还形成了边缘隔离60，边缘隔离60穿越电极23和24以及电介质26。如果期望将电池2分割成并联的串，则可以进行在本质上等同于隔离60的附加水平切割。添加连接器70、71以实现到接线盒80的线连接，其中连接器70、71在最外面电池段的边缘处连接到电极23、24中的每一个。这里，连接是针对2线或4线输出实施方案来完成，以下将讨论。

[0042] 图4示出根据图2的那个的实施例的大块太阳能电池层31的从上方的视图，其包括二十八个串联连接的硅大块太阳能电池3。从图4中，在每个Si大块电池3上，多个电极指状体331如何从汇流条35延伸是清楚的。提供导电布线37以将相邻的大块电池3串联连接，优选地连接到上电极处的汇流条35。此外，连接器39用于将多串大块电池3连接在一起，这对于Si模块是常规做法。还示出至接线盒80的连接，这也可以借助于类似于连接器39的金属布线来实现。

[0043] 根据所描述的实施例的堆叠光伏设备的结果是，在光谱区域的较高频率内接收的光子的大部分在上层21的薄膜电池2中被吸收。结果，与常规的Si电池相比，在大块太阳能电池3的下层31中将产生较低的电流。这样做的积极效果是，增加上部大块电池电极中的指状体331之间的间距成为可能，并且存在使用更少的汇流条34和布线37的潜力。这种电极和布线通常由银焊料形成，并且减少的使用实际上会降低成本。

[0044] 在图1所示的实施例的一个版本中，薄膜太阳能电池2和大块太阳能电池3可以是电分离的。换句话说，两个层21、31可以作为两个分离的系统，其中四个引出线单独地产生电力，并且仅在光学上串联连接。因此，可以向电极23、24、33、34提供单独的连接，电极23、24、33、34可以用电线连接到接线盒80以进行进一步处理，诸如DC/AC转换。备选地，多个薄膜太阳能电池2可以串联连接，并且分离地多个大块太阳能电池可以彼此串联连接。这种实施例的示例由图2-图4所示的设备表示。在标准的太阳能电池装置中，在一个平面中定向的相邻太阳能电池通常连接到太阳能电池板或模块中。太阳能电池通常在模块中串联连接，产生相加电压。作为备选方案，电池可以并联连接，这产生了较高的电流。然而，阴影效应能够关闭较少照明的多个串联连接的电池的并联串，导致显著的功率损失和可能的损坏。

[0045] 在图1的实施例的另一版本中，两个在光学上堆叠的电池也彼此电连接。这种堆叠模块仅需要两根引出线，它们随后连接到传统接线盒80。这种实施例可以提供产生更高电压或更高电流以及节省连接器材料的优点。下面将描述这种类型的实施例的不同变型。

[0046] 图5示出了一个实施例，在其中一个大块太阳能电池3直接电连接到一个薄膜电池2。这在本文中将被称为直级联，其是根据本发明的光伏设备1的一个实施例。在该实施例中，提供单个双结光伏模块。尽管图5所示的顶部薄膜太阳能电池是基于纳米线阵列的电池
2，但是应当理解，可以使用其他类型的薄膜技术来形成薄膜太阳能电池2，诸如碲化镉（CdTe）、铜铟镓硒（CIS或CIGS）、非晶硅（a-Si）等。

[0047] 图5所示的薄膜太阳能电池2包括纳米线25的阵列，每个由至少一个结来表征，并且在该结的一侧连接到顶部透明电极23，在另一侧连接到底部透明电极24，使得阵列中的所有纳米线25并联连接。顶部电极23可以包括厚度在30-300nm范围内的透明导电氧化物（诸如ITO）。绝缘电介质26存在于纳米线25之间，并且将顶部透明电极23和底部透明电极24分开。电介质26是透明的，优选地对太阳光谱的大部分是透明的，并且可以是聚合物。纳米线薄膜电池2可以例如如上面参考图2所述的那样来配置。

[0048] 底部大块太阳能电池3可以是具有至少一个结（加虚线的）的Si电池3。此外，Si大块电池3可以如参考图2所述的那样来配置。在图5所示的示例中，Si大块材料32的上表面被一个或多个介电层36（诸如SiNx）钝化。大块材料32的下表面也可以被钝化，例如借助于一层Al2O3（未示出）。格栅结构的电极33提供在钝化层36中，通过钝化层36其形成与大块材料32的接触。互补电极34连接在大块材料32的下表面，并且可以由另一格栅结构或连续电极
34形成，如在图示的示例中那样。在直级联配置中，Si电池3上的顶部电极包括格栅状指状体331。

[0049] 在图5的级联电池实施例中，顶部电池2及其底部电极24连接至Si电池3的顶部电极指状体331，从而将两个电池2、3串联连接。可以通过导电的透明连接器51形成连接，其中连接器51可以由一层或多层导电材料（诸如ITO、含银聚合物或其他导电聚合物）构成。由于上电极33直接连接到薄膜电池2的下电极24，所以可以形成电极33而不需要任何汇流条。这意味着更低的材料成本和焊接时间，并且还降低了金属导体材料的阴影效应。在该实施例的备选变型中，在其中这些优点进一步增强，导电点设置在大块电池3的上表面上方，而不是指状体331的上方。在图5的实施例的另一变型中，导电材料仅需要提供在两个电池2、3之间存在指状体331或点之处。此外，该导电材料不需要是透明的。然后，另一材料可以存在于电池2、3之间，位于导电指状体或点之间。这种材料应当是透明的，但不一定是导电的。

[0050] 通常可以按任何尺寸来形成薄膜电池，而从晶锭切割的大块电池通常被限制于特定尺寸。在图5的直级联实施例中，薄膜电池2的面积由大块电池3的面积来给定，因为两者形成为一个堆叠元件。因此，附加的电流扩展层，例如包括指状体和汇流条28的第一格栅结构231，可以添加在薄膜电池2的上电极23上方。通过该级联的电流传输基本上是竖直的，因此对薄膜2和Si电池3的每个表面积上基本上相同。这可能导致关于按直堆叠级联电池来分割顶部电池2的问题，因为电流输出可能太高，使得单单透明连接器51将遭受电阻损失。根据一个实施例，如图5所示，通过将第二格栅结构连接器331添加到下部大块电池之上，使得该效应最小化，其中该第二格栅结构连接器331基本上与第一格栅231竖直地重叠，这产生了低电阻连接。重叠不必是完全重叠，但是从损失角度来看，格栅231、331的使得它们竖直对齐的对应空间分布是有利的。此外，应当再次指出，附图不是按比例绘制的。实际上，每个格栅指状体的宽度通常将显著地大于薄膜电池2的厚度。因此，以重叠的方式布置格栅结构231、331还将使因阴影导致的任何输出损失最小化，因为第二格栅结构331将不导致增加的阴影效应，这是因为其已经被第一格栅结构231遮蔽。

[0051] 图6示出了根据本发明的光伏设备的实施例，在其中根据图5的两个直级联1彼此连接成级联模块10。为了简单起见，图5中指示的大多数标记不在图6中重复。在级联模块10中，级联1例如通过从一个级联1的薄膜电池2的顶部电极23延伸的电线37串联地连接到相邻级联1的大块电池3的下电极34。在一个实施例中，电线37可以将一个级联1的薄膜电池的顶部汇流条28连接到下一个直级联1的大块电池的底部电极34。直级联1优选地嵌入在诸如EVA或真空的某种介质52中，并且由前玻璃4和背板5保护，这类似于参照图2所阐述的内容。应该注意的是，尽管图6仅示出了模块10中的两个直级联1，但这样的模块10可以包括串联连接的更多的直级联1，以获得更高的电压。类似于图4所示，模块10可以包括多个互连直级联1的多个串（水平的）。此外，这些串可以通过最外面级联1之间的附加布线39彼此串联连接。

[0052] 用于光学上堆叠电池设计的过去的解决方案已经基于多层薄膜设计。当针对至堆叠层的单独电连接来设计时，与这种设计有关的一个问题是与材料的薄度和提取层之间的电流的难度有关。这个问题的解决方案包括使用两个机械上独立的薄膜太阳能电池，然后将它们分别在电池外部用电线连接在一起。太阳能电池之间的电连接提供了额外的挑战，并且当涉及不同类型的太阳能电池之间的连接时，由于不同的电特性，该挑战甚至更大。另一种解决方案的建议状态是单片集成电池，其中薄膜电池由机械并电连接的多个层组成。然而，基尔霍夫电流定律要求恒定的电流—因此，如果一个电池被设计成使得它具有比另一个更高的独立光电流，则会有损失。现代级联电池设计通常使用Esaki二极管来互连两个二极管。这种配置的缺点在于，为了不损失效率，必须对两个二极管执行非常严格的电流匹配，并且只能对于特定的光输入实现最严格的光电流匹配。因此，这些电池非常难以生产。
Esaki二极管的另一个缺点是它们是高电阻设备。

[0053] 图7a-7d通过示例示出了将上部薄膜电池2和下部大块电池3电连接的不同方式，在其中将每个太阳能电池可视化为二极管。还显示用于连接到接线盒（未示出）的连接器。

[0054] 图7a示出了根据图6的实施例的模块。在本实施例中，多个薄膜太阳能电池2设置在第一层21中，并且多个大块太阳能电池3设置在下层31中。每个薄膜太阳能电池2位于一个大块太阳能电池3之上，并且它们通过流电连接（例如欧姆连接）成对地电连接，这意味着允许直接传导路径。这种流电连接优选地包括沉积的、非外延金属导体或其他类金属导体，并且可以选自由以下导体组成的组，这些导体包括包括低电阻金属层、简并掺杂的多晶半导体层和导电氧化物，所有这些都本质上用作金属导体。在这种意义上，通过本质上金属性的材料在薄膜电池和大块电池之间允许直接电子传导路径，这消除了在两个电池之间的特定电荷-载流子类型的电流匹配的需要，与例如外延Esaki二极管连接相反。此外，与外延Esaki二极管相比，流电连接也可以被制成基本上更线性、欧姆和非整流。该连接可以对应于参考图5讨论的电极24和33之间的连接。最外面的电池，即串联链中的第一个电池和最后一个电池，提供有用于连接到接线盒80（这里未示出）的连接器71、2。不需要使用Esaki二极管元件的层叠太阳能电池2、3之间的连接体现独特的改进，例如在制造方面。

[0055] 在图7a的实施例中，可能需要光电流匹配以使损失最小化。在一个实施例中，通过调节带隙来实现电流匹配。在一个示例中，具有1.12eV带隙的大块Si电池3可以与具有大约1.7eV带隙的薄膜太阳能电池2电流匹配。实际上，通过按照III族元素的适当比例考虑诸如GaAsP或AlGaAs的三元材料，可以实现这一点。获得或有助于光电流匹配的另一种方式是调节薄膜电池2中的透明度的等级，例如通过使层减薄。再次使用Si大块3示例，以及连续的GaAs膜2，可以使用100-500nm的厚度来实现电流匹配。下面进一步阐述调节透明度的其他方式。

[0056] 图7b示出另一个实施例，其也是双线71、72引出设计。该设计可以包括参照图2所描述实施例的一实施例，即，在光学堆叠的薄膜电池2与大块电池3之间没有直接内置流电连接。然而，如图7b所示，例如由单独的电线形成的附加连接用于将两个电池彼此连接。该实施例被配置为通过进行顶部模块2的适当激光划线划分而成为适当尺寸的段来满足基尔霍夫电流定律。这样的多个段可以通过连接27或通过独立布线而电连接——或串联或并联连接。在图7b的示例中，三个段在上部薄膜电池层21中串联连接成一个串。可以对下层31中的大块电池3完成对应的连接布置，其中具有如下限制：如果使用晶片型大块电池3，则最小电流由一个整晶片给出。由于薄膜电池2中相比大块电池3中具有更高带隙，所以当光子转换成自由时，在薄膜电池2上产生比在大块电池3上更大的电压。此外，在一些实施例中，薄膜电池2的带隙适度地高于大块电池3的带隙。这意味着主要是具有比薄膜电池2的带隙更高能量的所有辐射在其中被吸收，而具有两个带隙之间范围内的能量的辐射将通过薄膜2并在大块电池3中被吸收。在一个实施例中，薄膜2可以由配置在Si大块电池3上的GaAs（例如平面GaAs层）或基于纳米线的电池（将在下面描述）来形成。由于Si和GaAs的带隙太相似，所以这样的配置将在GaAs层中产生比在Si中更高的电流。根据图7b的实施例，这种不平衡至少部分地通过电池2、3之间的战略连接来克服。在所示的示例中，串联连接的大块电池3的两个串73、74被并联连接。这种并联耦合继而串联连接到薄膜电池的一个串75。与使用Esaki二极管相比，通过流电连接和简单的电子设计这种方式的光电流匹配可以被大大简化。这种方法还减少了昂贵的胶的使用，因为与直级联设计相比，薄膜分段减少了对顶部模块上的指状体的需要。如所指出的，如果顶部串75模块中的电流对应于并联的两个Si串73、74的电流，则图7b的该特定连接示例将是合适的。为了进行微调，独立薄膜段2之间的串联连接27之间的距离可以在一定的极限内调节，或者可以考虑顶部模块或底部模块的其他分割。还应当注意，可以并联连接电池3的多于两个串。通过参照图7b讨论的一般设计原理，应当理解，电流匹配可以至少部分地通过简单的计算和适当的连接来获得。

[0057]  图7c示出了对应于图2至图4的实施例的、堆叠的光伏设备1的基本4-电线引出实施例。在本实施例中，若干薄膜电池串联成串75，由此最外面的电池2提供有用于连接到接线盒的连接器711、713。 类似地，多个大块电池3串联成串76，该串76提供有用于连接到接线盒的独立连接器712、714，该接线盒可以与薄膜电池2连接至的接线盒相同，或是另一个接线盒。如果两个串75、76都连接到同一个接线盒，则可以在其中提供附加电子器件以用于电流匹配和其他适配。备选地，大块电池3和薄膜电池2可以脱离电网存在，仅仅需要它们提供两个不同的电池库。

[0058] 另一实施例在图7d中示出。尽管图7a-7b的实施例针对光电流匹配，但是图7d的实施例针对的是电压匹配。第一数量的薄膜电池2串联连接成串77。此外，第二数量的大块电池3串联连接成串78。如所指出的，每个薄膜电池2被配置成由于较大的带隙而提供比大块电池3更高的电压。然而，通过仔细选择两个串77、78中的电池的第一数量和第二数量，可以在两个串77、78上获得大致相同的电压，从而获得电压匹配。因此，这两个串77、78可以彼此并联连接，如图所示。以这种方式，获得双线引出解决方案，其中连接器71、72用于连接到接线盒。

[0059] 通过利用薄膜-大块混合太阳能电池配置中的二极管之间的电流互连，有可能消除高电阻Esaki二极管的使用。此外，对于电流匹配的需要能够被略微限制，或者根据电路配置而被完全消除，同时保持少量的电极格栅连接。

[0060] 现在将参考图8描述可以与上述实施例中的任何一个结合使用的另一实施例。如图1的实施例中那样，图8的实施例涉及一种光伏设备1，其包括设置在第一层21中的薄膜太阳能电池2，该第一层21被配置为靠近太阳布置。薄膜太阳能电池2包括具有对应于第一光谱范围的第一带隙的至少一个结。大块太阳能电池3设置在位于第一层21下方的第二层31中，即，第二层31被配置在两个层21、31中远离太阳来布置。大块太阳能电池3包括具有第二带隙的至少一个结，第二带隙小于第一层的第一带隙并且对应于第二光谱范围。此外，薄膜太阳能电池2对于第二光谱范围内的光是至少部分透明的。更具体地说，由于薄膜太阳能电池2能够，通过吸收具有对应于薄膜电池带隙的频率或更高频率的光子，而产生带电载流子，所以第一层21优选地对至少薄膜电池2的带隙与大块电池3的带隙之间范围内的所有光谱频率是完全透明的（或达尽可能高的等级）。这适用于上述所有实施例。在图8中，这通过加虚线的竖直箭头示出，所述箭头表示在第二光谱范围内的诸如阳光的入射光。这样的光将优选地通过薄膜电池2而没有任何吸收，并且随后在下面的大块电池3中被吸收，其中其能量至少部分地转换成电能。

[0061] 除了对薄膜电池2的带隙以下的光谱频率的透明度之外，上层21中的薄膜电池2优选地对第一光谱范围的光（即对频率对应于或高于薄膜太阳能电池2的带隙的光）也至少部分地透明。这在图8的绘图中通过更细的加虚线竖直箭头示出，这些箭头表示在第一光谱范围内的入射光。更具体地，第一光谱范围的箭头其中之一穿过薄膜电池2到达大块电池3。该实施例因此与正常堆叠的太阳能电池设计不同，因为薄膜太阳能电池2被特意地配置为对其带隙（其等级大于零）上的光具有一定等级的透明度。更具体地，在光电设备1的优选实施例中（在其中薄膜电池2串联连接到下面的大块电池3），薄膜电池2被特意地配置为具有一定等级的透明度，以便有助于在暴露于太阳光时的光电流匹配。在任何堆叠的级联电池中，即我们将具有不同带隙的材料按一个在下一个之上的方式放置，其中最高带隙位于顶部，而不管电池是否串联连接，都存在一个一般设计原则，即：技术人员总是希望首先优化最上面的电池，并确保我们在该电池中吸收尽可能多的光。因此，这里参照图8给出的设计原则和实施例表现一种违反正常原则的概念。可以通过在整个第一层21中分隔薄膜电池2来获得这种透明度，以便在薄膜段3之间获得一定等级的透明度。在这样的实施例中，第一层21中的薄膜电池2包括吸收区域和非吸收区域，使得入射光子波前的一部分将穿过非吸收区域到达大块电池3的第二层31。透明度的等级、或入射光子波前穿过第一层21的那部分的量级可以取决于吸收区域的横向密度。优选地，形成这些吸收区域和非吸收区域的分隔被特意地配置，以便在第一层21中获得对第一频率范围的光的预定等级的透明度。获得形成吸收区域（即活性区域）和非吸收区域的这种分隔的一种方式是采用拥有选定的表面密度或横向密度的纳米线的薄膜电池2。这种纳米线可以聚集以形成吸收区域，并且具有中间非吸收区域。在备选实施例中，每个纳米线可以是被认为是一个吸收区域，而纳米线之间的空间表示非吸收区域。在备选实施例中，可以执行使顶部电池变薄以便获得一定等级的透明度。在另一个实施例中，薄膜电池可以作为量子点电池来形成，在其中可以通过膜中包括的量子点的量、这种量子点的分布或这两者来控制透明度。每个量子点或覆盖有量子点的表面区域然后可以限定吸收区域。

[0062] 在层21中配置薄膜电池2以便对其还配置为吸收的光子具有特定等级的透明度，这可以在光伏设备1的优选实施例中使用，在其中薄膜电池2串联连接到下面的大块电池3。在这样的实施例中，薄膜电池层21可以特意地被配置为具有特定等级的透明度，以便有助于光电流匹配。在其他实施例中，薄膜层21被配置为具有特定等级的透明度，而与薄膜电池
2和大块电池3之间是否存在任何串联连接无关。这将在下面进一步描述。

[0063] 在优选实施例中，薄膜电池2是基于纳米线阵列的太阳能电池。由于纳米线阵列中的纳米线之间的间隔，这种类型的薄膜电池在其设计中被分隔。顶部纳米线电池2可以包括由例如GaAs、AlGaAs、InP或其合金制成的竖直排列的半导体纳米线25的周期性或非周期性阵列，如参照图2所述。因此，纳米线电池2的上电极23和下电极24都是透明的。这种基于纳米线的太阳能电池的其他示例能够例如在申请人自己的共同未决申请PCT/US13/73581和SE1350687-8中找到。

[0064] 根据一些模型，纳米线太阳能电池2永远不能具有完美吸收，不像平面薄膜那样。在如同图8的那个的实施例中，当在堆叠电池方法中使用时，这也成为这样的电池2的有利的区别特征。在传统的级联电池设计中，基于多结薄膜电池，一个基本设计原则是使具有最高带隙的材料（即顶部电池）中的吸收最大化，并且通过调节下面电池的属性来进行电流匹配。此外，在平面薄膜中，通过使顶部电池变薄来试图实现光电流匹配不是随心所欲的，因为薄膜必须具有一定的最小厚度来起作用。然而，在纳米线阵列中，透明度等级可以通过例如在形成电池2时改变纳米线间距来调节。

[0065] 事实上，对于其中薄膜电池2是基于纳米线的太阳能电池2的具体变型，可以通过图8的实施例获得额外的技术效果。基于纳米线的太阳能电池的表面积对电池的电压Voc和填充因数FF具有高限制性的影响，因此对其效率是强有力的限制。另外，在纳米线中使用的材料的量也决定了p-n结中光子的表面浓度等级。通过降低纳米线25的表面密度，在具有特定尺寸的电池中将存在较少的线，其中在纳米线25之间具有更大的间距。由于纳米线25的包络表面在很大程度上对电池表面有贡献，所以增加的纳米线间距也意味着总表面积减小。此外，将使用更少的半导体材料。这增加了Voc和FF，从而增加了电池的相对效率。对于基于单结纳米线的太阳能电池，这种效应是不太重要的，因为它被较少光子被吸收所抵消。然而，通过在具有较低带隙的大块太阳能电池3上堆叠基于纳米线的太阳能电池2，在上部电池2中错过的光子可能在大块电池3中被有效地处理，即使在大块电池3中将获得比在纳米线电池2中更低的电压。结果，对于实际效率的最佳设计与非透明薄膜相比可能有所偏差。换句话说，在根据图8的优化实施例中，将以下项考虑在内：即，在薄膜电池2中错过的光子在大块电池3中被捕获，与优化的单结纳米线太​​阳能电池相比，纳米线间距将更大，这意味着更高等级的透明度。在其中纳米线电池2与下面的大块电池3串联连接的实施例中，与仅用于优化转换效率、用于光电流匹配目的的情况相比，纳米线间隔可以被更明显增大。

[0066] 事实上，即使在电流匹配不是目标的情况下，配置也具有相关的技术效果，诸如，例如在图7c的实施例中。纳米线比较昂贵，并且在长度方面具有某一最有效点(sweet spot)。通过用紧密堆积的纳米线填充薄膜层21带来的附加提升相比效率上的优点付出代价更多，并且电池将看起来更像平面薄膜电池。顶部电池2中的吸收不是纳米线的体积的线性函数，它是一种回报递减的游戏。如所指出的，如果我们将材料的量减少到低于在光学上是理想的量，则顶部电池的电压和填充因数将提高。所以，实际的最佳性能与光学最佳不同。特别是对于纳米线电池，表面限制性能并且表面积与电线的数量成比例。当部分透明的基于纳米线的层21配置在Si大块层31上时，“光学上优化”的情况可能具有大约2.5倍的完全电流匹配情况的表面积，这导致FF和Voc的显著变化。另一方面，平面电池具有与厚度无关的表面积。

[0067] 在优选的实施例中，大块电池3是Si大块电池3，其在当今的太阳能电池市场中具有巨大经济权重。此外，在底部电池由Si制成（即不是从零开始优化级联电池）的约束下存在较大价值，纳米线提供了一种以新的方式轻松优化事物的手段。

[0068] 对具有高于纳米线薄膜2的带隙的能量的光子的、透明度等级将取决于许多参数，包括材料选择、具体的电连接等。然而，透明度的示例性等级可以高达5%，高达10%甚至更高。

[0069] 应当注意，配置薄膜电池2以便对其还被配置为吸收的光具有一定等级的透明度，不必是为了有助于光电流匹配所采取的唯一措施。相反，该设计特征可以与根据图7a-7d的所选择电耦合结合使用，或与带隙调节结合使用。从以上所述还将显而易见的是，部分透明的基于纳米线的薄膜太阳能电池2与光学堆叠的大块太阳能电池3的组合即使在没有串联互连的情况下也提供了技术效果，这归因于将薄膜电池2中提高的能量效率与大块电池3中增加的吸收相平衡的可能性。事实上，即使在前面已经描述了几个实施例，但对本领域技术人员非常清楚的是，这些实施例可以相组合，因为一个实施例的区别特征可以与其他实施例的区别特征组合，除非它们实际上是矛盾的。还将显而易见的是，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以对所公开的一般实施例和特定实施例进行各种修改。