專(zhuān)利名稱(chēng)：完全利用表面區(qū)域的光伏模組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多單元光伏裝置(光伏模組)，并涉及組合發(fā)電存儲(chǔ)(CEGS)裝置。更具體地，本發(fā)明涉及毫微染料太陽(yáng)能電池(NDSC)和基于NDSC技術(shù)的光伏模組。
現(xiàn)有各種用于將電磁輻射能轉(zhuǎn)化為電能的光伏裝置。這些裝置包括常規(guī)固態(tài)裝置(見(jiàn)M.Green的Third generation photovoltaicsconceptsfor high efficiency at low cost(第三代光伏計(jì)低成本高效率的概念)，The Electrochemical Society Proceedings(電化學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)報(bào))，Vol.2001-10，p.3-18)和近來(lái)研發(fā)的NDSC裝置。
在以下的美國(guó)專(zhuān)利中公開(kāi)了所考慮類(lèi)型的NDSC裝置的示例4927721，光電化學(xué)電池；Michael Graetzel和Paul Liska，1990。
5525440，制造光電化學(xué)電池的方法和由該方法制成的電池；Andreas Kay、Michael Graetzel和Brian O’Regan，1996。
6,297,900，光電化學(xué)智能窗戶(hù)和方法，G.E.Tulloch和I.L.Skryabin，1997。
6,555,741，實(shí)現(xiàn)多組再生光伏光電裝置互聯(lián)的方法，J.A.Hopkins、G.Phani、I.L.Skryabin，1999。
6,652,904，制造單組電池和多組再生光電化學(xué)裝置的方法，J.A.Hopkins、D.Vittorio、G.Phani，1999。
在國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)PCT/AU2004/000689(毫微光電容器，I.L.Skryabin和S.M.Tulloch，04年5月21日)中公開(kāi)了CEGS裝置的示例。
背景技術(shù)：
很多薄膜PV裝置，更具體地，NDSC裝置，如在上述專(zhuān)利中公開(kāi)的類(lèi)型，可制成在兩塊大面積的基片之間的層狀結(jié)構(gòu)，而不需要過(guò)多費(fèi)用。一種常規(guī)的結(jié)構(gòu)包括兩塊玻璃基片，其中每塊在基片的內(nèi)表面上采用導(dǎo)電涂層。另一種常規(guī)結(jié)構(gòu)包括玻璃或聚合物制成的第一塊基片，且在該基片的內(nèi)表面上采用導(dǎo)電涂層，而第二塊基片為聚合物或金屬。在一些結(jié)構(gòu)中，第二塊聚合物基片的內(nèi)表面涂有導(dǎo)電涂層，而在其它結(jié)構(gòu)中，第二塊聚合物基片包括采用相鄰導(dǎo)電材料(如碳)的聚合物薄膜層。此外，在一些結(jié)構(gòu)中，外表面可以是層壓金屬薄膜，而在其它結(jié)構(gòu)中，外表面可以涂上金屬涂層。在其它結(jié)構(gòu)中，基片由金屬或金屬網(wǎng)制成，或者基片的內(nèi)表面涂上金屬涂層。所述第一和第二基片中的至少一塊對(duì)可見(jiàn)光是大體透明的，如涂布透明導(dǎo)電(TEC)涂層一樣。
總而言之，光伏裝置包括有效光伏區(qū)域，將這些區(qū)域電連接的連接裝置，及分隔這些區(qū)域的分隔裝置。
具體地，NDSC裝置的有效光伏區(qū)域包括與一個(gè)導(dǎo)電涂層連接的納米粒子染料敏化寬帶隙半導(dǎo)體(例如，已知作為氧化鈦的二氧化鈦)的工作電極；反電極，其通常包括與另外的導(dǎo)電涂層或?qū)щ姴牧线B接的催化劑層；以及電解質(zhì)，其含有設(shè)置在工作和反電極之間的氧化還原介質(zhì)。
很多NDSC模組設(shè)計(jì)通過(guò)增大各個(gè)NDSC裝置的尺寸而更有優(yōu)勢(shì)。然而，與普通金屬導(dǎo)體相比，這樣的通常包括金屬氧化物或金屬網(wǎng)的透明導(dǎo)電體(TEC)，具有較高的電阻系數(shù)，從而導(dǎo)致比較大面積NDSC裝置的嘗試電阻性損耗(sought resistive loss)更高的電阻性損耗，從而影響NDSC裝置，特別是在高照明情況下的效率。
在一種結(jié)構(gòu)中，如在現(xiàn)有技術(shù)中所述，通過(guò)使用諸如母線(xiàn)、襯墊、網(wǎng)格線(xiàn)的形式的導(dǎo)電材料(ECM)圖案，或TEC涂層上的其它任何圖案，或者嵌花圖案或表面嵌有網(wǎng)或線(xiàn)的圖案的連接裝置可減少所述損耗。該導(dǎo)電裝置占據(jù)光伏模組的表面的一定部分，因此減少了NDSC的有效光伏區(qū)域。由于對(duì)于該裝置僅有部分入射的太陽(yáng)輻射照射到有效光伏區(qū)域，所以導(dǎo)致NDSC裝置的整體效率降低。
在另一種結(jié)構(gòu)中，如在現(xiàn)有技術(shù)中所述，通過(guò)形成兩個(gè)或更多較小的獨(dú)立NDSC裝置，并將其在單個(gè)NDSC模組中進(jìn)行內(nèi)部分離和連接，從而可減少損耗。同樣，在分離的NDSC裝置之間的內(nèi)部連接器和/或分離器占據(jù)光伏模組表面的一部分，從而導(dǎo)致NDSC裝置的整體效率降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供可克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺點(diǎn)的光伏模組。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供具有100％表面積利用效率的NDSC模組。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供具有提高的整體光轉(zhuǎn)化效率的NDSC模組。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供具有組合的能量存儲(chǔ)和發(fā)電特性的光伏模組。
本發(fā)明基于這樣的認(rèn)識(shí)，即盡管連接和分離裝置占據(jù)光伏模組的一定區(qū)域，然而這些裝置(在一些半導(dǎo)體電極的NDSC設(shè)計(jì)中是電極本身)占據(jù)的區(qū)域是局部光透的，因此可通過(guò)設(shè)置在所述連接和分離裝置后面的另一個(gè)光伏裝置將直接發(fā)射或通過(guò)該區(qū)域折射或反射的太陽(yáng)輻射有效轉(zhuǎn)化為電能。
在較寬的概念下，本發(fā)明提供了串聯(lián)光伏模組，其包括至少兩個(gè)分離的或內(nèi)部連接的光伏裝置，且彼此前后地設(shè)置，其中前裝置的互連或分隔裝置與后裝置的有效光伏區(qū)域相對(duì)。
本發(fā)明提供了光伏模組，其包括-三塊或更多基片，其設(shè)置為間隔較密的彼此平行關(guān)系，該基片包括-具有第一和第二表面的中央基片，或者顯示第一和第二表面的背對(duì)背的兩塊基片，-第一外基片，其具有內(nèi)和外表面，設(shè)置該第一外基片使得其內(nèi)表面和第一表面并列設(shè)置，-及第二外基片，其具有內(nèi)和外表面，設(shè)置該第二外基片使得第二基片的內(nèi)表面和第二表面并列設(shè)置，-前光伏裝置，其形成在所述第一外基片和所述中央基片的第一表面之間，-后光伏裝置，其形成在所述第二外基片和所述中央基片的第二表面之間，-所述前和后光伏裝置以前裝置的連接和分隔裝置至少部分地與后裝置的有效光伏區(qū)域相對(duì)的方式而偏移。
在一個(gè)方面，本發(fā)明提供了光伏模組，其中
-將前光伏裝置內(nèi)部地連接，以形成兩個(gè)前終端電源，-將后光伏裝置內(nèi)部地連接，以形成兩個(gè)后終端電源。
根據(jù)本發(fā)明的該方面，光伏模組具有四個(gè)電終端(四終端模組)。
我們已發(fā)現(xiàn)在前和后光伏裝置之間設(shè)置內(nèi)部連接以形成結(jié)合的兩個(gè)終端電源是很有用的。本發(fā)明提供了在結(jié)合的兩個(gè)終端電源中的前和后裝置之間的平行、串聯(lián)和平行-串聯(lián)混合連接。
在一個(gè)實(shí)施例中，在內(nèi)基片中制成孔以實(shí)現(xiàn)前和后NDSC裝置之間的電連接。將一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電體(例如，銷(xiāo)、電線(xiàn)、焊料、導(dǎo)電性膠)插入每個(gè)所述孔和/或?qū)⑺隹滋畛鋵?dǎo)電材料或非導(dǎo)電材料(如，陶瓷上釉)，從而在導(dǎo)電體和導(dǎo)電材料之間形成電連接，且在導(dǎo)電體和基片之間形成結(jié)合，并將所述孔密封。
在另一個(gè)方面中，本發(fā)明提供了結(jié)合在前和后光伏裝置之間的電路中的二極管元件。該二極管元件與前和后裝置電連接，使得前裝置產(chǎn)生的電能不會(huì)在后裝置中消耗，從而阻止在后裝置沒(méi)有產(chǎn)生足夠電壓時(shí)損失電能。該二極管元件包括至少兩層，調(diào)節(jié)其電特性以在該兩層之間的界面處形成整流p-n結(jié)。
在一個(gè)實(shí)施例中，所述兩層二極管層是基于半導(dǎo)體氧化物。所述兩層中的一層摻有施主(donor-)，而另一層摻有受主摻雜劑(acceptordopant)。
在另外的實(shí)施例中，所述半導(dǎo)體氧化物是與在NDSC裝置中使用的用于形成染料敏化納米粒子半導(dǎo)體層的材料相同的材料。
本發(fā)明具體地提供了NDSC裝置的應(yīng)用。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，光伏模組包括與其它光伏裝置(如，薄膜硅基裝置)結(jié)合的NDSC裝置。根據(jù)另一個(gè)方面，后和前光伏裝置都是NDSC裝置。
如果僅前(或僅后)裝置是NDSC裝置，選擇NDSC裝置中的染料以便與其它裝置的吸收特性(如，硅p-n結(jié)的吸收特性)在光學(xué)上補(bǔ)足。
當(dāng)后和前光伏裝置都為NDSC時(shí)，本發(fā)明提供了NDSC模組。在根據(jù)本發(fā)明該方面的實(shí)施例中，在后裝置中使用的光敏劑(染料)與在前裝置中使用的光敏材料在光學(xué)上補(bǔ)足。這表示前和后染料的選擇是要使得當(dāng)重疊時(shí)它們的光學(xué)吸收功能覆蓋太陽(yáng)光譜的更重要的部分。在一個(gè)實(shí)施例中，前染料優(yōu)選吸收光譜中的藍(lán)色部分，而對(duì)光譜中的紅色部分基本透明，該紅色部分由后染料而成功地吸收。
在一種電連接中，將前NDSC裝置與后NDSC裝置并聯(lián)。在這種情況下，前和后裝置在相同的電壓下工作。為了保證后裝置的電壓與前裝置的電壓相同，同時(shí)前裝置接收較大比例的太陽(yáng)輻射，因此產(chǎn)生較強(qiáng)電流，本發(fā)明提供了對(duì)后裝置的電解質(zhì)組分的調(diào)節(jié)。通過(guò)改變氧化還原電偶成分的相對(duì)濃度，通過(guò)改變?nèi)軇┑幕瘜W(xué)組分，或通過(guò)改變電解質(zhì)的添加劑的濃度或組分而實(shí)現(xiàn)該調(diào)節(jié)。在本實(shí)施例中，本發(fā)明提供了兩種不同的電解質(zhì)一種用于前裝置，而另一種用于后裝置，同時(shí)不排除使用相同的電解質(zhì)并修改其它特性，如電池厚度和/或半導(dǎo)體的特性。這些電解質(zhì)以如下方式選擇，即前NDSC裝置的電壓與后裝置的電壓相等(或接近)，其中前NDSC裝置在太陽(yáng)輻射下，第一外基片的外表面或第一外基片的隨后的保護(hù)表面受到照射，該后裝置接收通過(guò)前裝置及其互連和分離裝置所衰減的太陽(yáng)輻射。
在另外的實(shí)施例中，調(diào)節(jié)后裝置的有效光伏區(qū)域的寬度以保證后裝置的整個(gè)區(qū)域由太陽(yáng)輻射而大致一致地照亮。當(dāng)后和前裝置串聯(lián)連接因而前裝置中的電流等于后裝置中的電流時(shí)這尤其重要。
第一外基片和內(nèi)基片是基本透明的是很重要的。本發(fā)明提供了可用作光伏模組的基片的許多材料。在一個(gè)實(shí)施例中，至少一塊基片由柔性材料制成。通常，第一外基片和中央基片由塑料材料制成，而第三基片是金屬或金屬/聚合物疊層。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，本發(fā)明提供了在三塊基片中任一塊中的金屬網(wǎng)的使用，然而，在優(yōu)選實(shí)現(xiàn)方式中，僅在第一外基片和中央基片中使用金屬網(wǎng)。
在根據(jù)本發(fā)明該方面另外的實(shí)施例中，至少一塊基片由玻璃制成。
在另外的實(shí)施例中，本發(fā)明提供了NDSC裝置中的能量?jī)?chǔ)存。NDSC裝置能夠存儲(chǔ)能量。通過(guò)改變氧化鈦層和/或電解質(zhì)以及通過(guò)增加碳粒子可以改進(jìn)能量存儲(chǔ)特性。通常這樣的改變促進(jìn)了能量存儲(chǔ)。
在一個(gè)實(shí)施例中，前裝置是主導(dǎo)光伏裝置，而后裝置是主導(dǎo)能量存儲(chǔ)裝置。
在另一個(gè)實(shí)施例中，前裝置是光伏裝置，而后裝置是能量存儲(chǔ)裝置(如，電容、電池等)。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面，前和后NDSC裝置設(shè)置在一組相繼設(shè)置的裝置層和電連接器(如，TEC層、連接裝置)中的一塊基片上，從而提供了單片式集成結(jié)構(gòu)。


已經(jīng)對(duì)本發(fā)明的實(shí)質(zhì)進(jìn)行了說(shuō)明，接著僅以說(shuō)明的方式的對(duì)一些示例進(jìn)行說(shuō)明。在下文中參考附圖進(jìn)行說(shuō)明，其中圖1是包括本發(fā)明第一示例的四終端NDSC裝置的示意橫剖視圖(并非按比例繪制)；圖2a是示出了包括本發(fā)明第二示例的二終端PV裝置的物理結(jié)構(gòu)的示意橫剖視圖(并非按比例繪制)；圖2b是根據(jù)本發(fā)明的第二示例制造的PV裝置的等效電路圖；圖3a是示出了包括本發(fā)明第三示例的二終端PV裝置的物理結(jié)構(gòu)的示意橫剖視圖(并非按比例繪制)；圖3b是根據(jù)本發(fā)明的第三示例制造的PV裝置的等效電路圖。
具體實(shí)施例方式
參考圖1，該裝置形成在第一外基片1、中央基片2和第二外基片3之間。第一和第二外基片的內(nèi)表面以及中央基片的兩個(gè)表面都涂覆有透明導(dǎo)電體(TEC)層4。該TEC層包括摻氟氧化錫。通過(guò)激光開(kāi)槽產(chǎn)生的隔離線(xiàn)5將每層TEC涂層分為分離的電隔離區(qū)域。分離的NDSC裝置形成在所述區(qū)域的相對(duì)的成對(duì)區(qū)域之間，即在第一外基片內(nèi)表面與中央基片的第一表面之間(前裝置)，以及在第二外基片的內(nèi)表面與中央基片的第二表面之間(后裝置)。每個(gè)所述裝置包括氧化鈦的納米粒子染料敏化層(工作電極)6、鉑基催化劑層(反電極)7和電解質(zhì)8。通過(guò)連接裝置11(嵌入聚合物母體中的鎢導(dǎo)粒子)串聯(lián)地連接前裝置以形成前電終端對(duì)，而在中央基片的第一表面上形成正前終端，且在第一外基片的內(nèi)表面形成負(fù)前終端。通過(guò)分離(分隔)裝置12將該裝置相對(duì)于環(huán)境密封。
類(lèi)似地，將后裝置串聯(lián)地連接以形成第二后電終端對(duì)，其中將正后終端設(shè)置在第二外基片的內(nèi)表面，而將負(fù)后終端設(shè)置在中央基片的第二表面上。
將后裝置的工作電極(有效光伏區(qū)域)設(shè)置在前裝置的連接裝置之后。
通過(guò)前裝置的工作電極吸收照射到第一外基片的外表面的一部分太陽(yáng)輻射，并將其轉(zhuǎn)化為在前終端對(duì)處可獲得的電能。太陽(yáng)輻射的剩余部分通過(guò)中央基片，且在少量損耗之后由后裝置的工作電極吸收，產(chǎn)生可在后終端對(duì)處獲得的電能。
參考圖2a，第二示例的裝置與第一示例的裝置以相似的方式形成。為了減少外部終端的數(shù)目，通過(guò)中央基片制成內(nèi)部電連接9。此外，為了保證后裝置的電壓等于或接近前裝置的電壓，在后裝置中采用電解質(zhì)10。該后電解質(zhì)10與前裝置中采用的電解質(zhì)8的不同之處在于其化學(xué)組分，使得電壓高于在相同輻射下前電解質(zhì)所產(chǎn)生的電壓。通常后裝置接收的輻射少于前裝置，因此電解質(zhì)化學(xué)組分的不同保證了后和前裝置產(chǎn)生相同的電壓。
參考圖2b，每個(gè)NDSC裝置由數(shù)字14表示，而用數(shù)字13表示連接裝置的電阻。A、B和C是前裝置，而D和E是后裝置。
參考圖3a，第三示例的二終端裝置沒(méi)有連接裝置。這通過(guò)在每塊基片的TEC涂層表面的分離區(qū)域上形成相鄰的工作電極和反電極而實(shí)現(xiàn)的。接著通過(guò)防透聚合物材料(如，改性硅)制成的分離(分隔)裝置12而分離所述裝置。
參考圖3B，等效電路圖示出了前裝置A、B和C與后裝置D和E之間的電連接。
權(quán)利要求
1.一種光伏模組，包括三個(gè)或更多基片，其以緊密的間隔彼此平行設(shè)置，所述基片包括具有第一和第二表面的中央基片，或背對(duì)背的表現(xiàn)出第一和第二表面的兩個(gè)基片，第一外基片，其具有內(nèi)和外表面，所述第一外基片設(shè)置成使得所述內(nèi)表面與所述第一表面并列設(shè)置，和第二外基片，其具有內(nèi)和外表面，所述第二外基片設(shè)置成使得第二基片的所述內(nèi)表面和所述第二表面并列設(shè)置，前光伏裝置，其形成在所述第一外基片與所述中央基片的第一表面之間，連接和/或分隔裝置，其設(shè)置在至少一對(duì)所述前裝置之間，后光伏裝置，其形成在所述第二外基片與所述中央基片的第二表面之間，所述前和后光伏裝置相互偏移，使得所述前裝置的連接和分隔裝置與所述后裝置的有效光伏區(qū)域相對(duì)。
2.如權(quán)利要求1所述的光伏模組，其中將所述前光伏裝置內(nèi)部地連接，以形成兩個(gè)前終端電源，將所述后光伏裝置內(nèi)部地連接，以形成兩個(gè)后終端電源。
3.如權(quán)利要求1所述的光伏模組，其中所述前PV裝置和所述后PV裝置內(nèi)部地連接，以形成結(jié)合的二終端電源。
4.如權(quán)利要求3所述的光伏模組，其中在所述前和后裝置之間的電路中包括二極管層。
5.如權(quán)利要求4所述的光伏模組，其中所述二極管層基于半導(dǎo)體氧化物。
6.如權(quán)利要求3所述的光伏模組，其中在所述內(nèi)基片上形成孔，以實(shí)現(xiàn)所述前和后光伏裝置之間的電連接。
7.如權(quán)利要求6所述的光伏模組，其中將一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電體插入每個(gè)所述孔中。
8.如權(quán)利要求6所述的光伏模組，其中所述孔中的至少一個(gè)填充有導(dǎo)電材料。
9.如權(quán)利要求3所述的光伏模組，其中所述后裝置的有效光伏區(qū)域的寬度小于所述前裝置的有效光伏區(qū)域的寬度。
10.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光伏模組，其中至少一個(gè)所述光伏裝置包括寬帶隙半導(dǎo)體的染料敏化納米粒子層和電解質(zhì)層(NDSC裝置)。
11.如權(quán)利要求10所述的光伏模組，其中所述后裝置是改善了能量存儲(chǔ)特性的NDSC裝置。
12.如權(quán)利要求10所述的光伏模組，其中所述后裝置是NDSC裝置，且在所述后裝置中使用的染料(后染料)與所述前裝置的有效光伏層在光學(xué)上補(bǔ)足。
13.如權(quán)利要求10所述的光伏模組，其中所有的所述后PV裝置和所有的所述前PV裝置都是NDSC裝置。
14.如權(quán)利要求13所述的光伏模組，其中所述后染料與在所述前裝置中使用的染料(前染料)在光學(xué)上補(bǔ)足。
15.如權(quán)利要求14所述的光伏模組，其中所述前染料吸收主要在太陽(yáng)光譜的藍(lán)色部分中的光，而所述后染料吸收太陽(yáng)光譜中的至少紅色部分。
16.如權(quán)利要求13所述的光伏模組，其中所述前NDSC裝置形成在所述內(nèi)基片的第一表面上，而所述后NDSC裝置形成在所述內(nèi)基片的第二表面上。
17.如權(quán)利要求13所述的光伏模組，其中所述前NDSC裝置與所述后NDSC裝置并聯(lián)。
18.如權(quán)利要求17所述的光伏模組，其中所述后NDSC裝置的電解質(zhì)層(后電解質(zhì))的化學(xué)組分與所述前NDSC裝置中使用的電解質(zhì)層(前電解質(zhì))的化學(xué)組分不同。
19.如權(quán)利要求18所述的光伏模組，其中所述后電解質(zhì)中的氧化還原電偶的濃度小于所述前電解質(zhì)中的氧化還原電偶的濃度。
全文摘要
一種光伏模組，包括(i)以緊密間隔彼此平行設(shè)置的三塊或更多基片(1、2、3)，其包括具有第一和第二表面的中央基片(2)；具有內(nèi)和外表面的第一外基片(1)，該內(nèi)表面與中央基片的第一表面并列設(shè)置；和具有內(nèi)和外表面的第二外基片(3)，該內(nèi)表面和中央基片的第二表面并列設(shè)置，(ii)前光伏裝置(A、B、C)，形成在第一外基片(1)與中央基片(2)的第一表面之間，(iii)連接和/或分隔裝置(11)，設(shè)置在至少一對(duì)前裝置之間，以及(iv)后光伏裝置(D、E)，形成在第二外基片(3)與中央基片(2)的第二表面之間，其特征在于(v)前和后光伏裝置被偏移，使前裝置(A、B、C)的連接和分隔裝置(11)與后裝置(D、E)的有效光伏區(qū)域相對(duì)。
文檔編號(hào)H01L31/042GK1969350SQ200580019774
公開(kāi)日2007年5月23日 申請(qǐng)日期2005年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月15日
發(fā)明者I·L·斯克里亞賓, M·J·松德曼, G·E·塔洛克, G·帕尼, S·M·塔洛克 申請(qǐng)人:戴索有限公司