电压匹配多结太阳能电池

技术领域

本发明涉及太阳能多结电池，尤其涉及包括第一太阳能电池堆和第二太阳能电池 堆的太阳能多结电池，其中第一太阳能电池堆和第二太阳能电池堆夹置导电层。

背景技术

光伏或太阳能电池被设计为用于将太阳辐射转换成电流。在集光器太阳能光伏应 用中，入射太阳光在被引导到太阳能电池之前被光学地聚集。例如，入射太阳光被主 反射镜接收，该主反射镜将接收的辐射反射到次反射镜，次反射镜进而将辐射反射向 太阳能电池，该太阳能电池通过例如在III-V族半导体或单晶硅中产生电子-空穴对将 聚集的辐射转换成电流。集光器光电池另选地或附加地可以包括用于聚集入射太阳辐 射的菲涅耳透镜光学设备。

由于不同的半导体材料成分针对不同波长的入射太阳辐射呈现最佳吸收，因而提 出了多结电池，其例如包括在不同波长范围中呈现最佳吸收的3个电池。多结电池的 各个电池串联地电连接。因此，具有最低自由电荷载流子产生率的特定电池限制了整 体发电量，即获得的总电流。这种电流匹配通常针对标准AM 1.5dASTM 173-3频谱 而设计。然而，入射太阳光的实际频谱按照从分钟或小时到月的尺度与时间相关。尤 其是，频谱随着季节、白天时间和天气条件变化。因而，由于入射太阳光的可变性， 电流匹配导致明显的性能损失。

因而，不管最近的工程发展如何，仍需要几乎不受入射光频谱时变影响的太阳能 电池配置。

发明内容

本发明解决上述需求，且因此提供一种太阳能电池，特别是电压匹配多结太阳能 电池，该太阳能电池包括：

第一太阳能电池堆；以及

至少第二太阳能电池堆；并且

其中，这些太阳能电池堆彼此并联地电连接。

每个太阳能电池堆本身可以是单结或串联连接的多结。在多结太阳能电池堆的情 况下，各个电池堆是电流匹配的。

尤其是，第一太阳能电池堆可以（根据价带-导带带隙）被优化为吸收第一波长 范围中的入射太阳光，而第二太阳能电池堆可以被优化为吸收第二波长范围中的入射 太阳光，其中第一和第二波长范围至多部分地彼此交叠。例如，第一波长范围是300 至750nm（在±70nm的容差内），第二波长范围从750nm延伸到红外区域中的更长 波长。

与相关技术的多结电池不同，根据本发明，不同的太阳能电池堆彼此并联电连接， 并且集成在单个半导体芯片上。由此，以经济的方式消除了涉及电流匹配的上述问题。 特别是，入射太阳光频谱的随时间变化并不严重影响多太阳能电池的整体性能。通过 提供具有相同或相似的开路电压的两个太阳能电池堆，可以进一步改善对入射光频谱 的不敏感性。通过相似的开路电压，意味着小于5％、特别是小于3％、更特别是小 于1％的范围的偏差。再者，两个太阳能电池堆可以呈现相反（p-n）的极性以减小布 线复杂度。

根据一个实施方式，上述示例的多太阳能电池包括布置在第一和第二太阳能电池 堆之间的导电层，且在电池堆2利用的波长范围上，导电层具有超过80％的综合透 明度。导电层可以包括n掺杂半导体材料或由n掺杂半导体材料组成。导电层接触第 一和第二太阳能电池堆且促进横向电流传输。

再者，本发明的太阳能电池堆可以包括冷却基板，尤其是导热并导电的冷却基板， 并且还可以包括用于将第二太阳电池堆接合到冷却基板的接合衬垫。接合衬垫和/或 冷却基板可以包括铝合金、尤其是99.5%的铝合金，或者由铝合金、尤其是99.5%的 铝合金组成。由此，不仅确保了足够高的导热率和导电率，而且通过选择相同的材料 极大地避免了接合衬垫和冷却基板之间的热应力。

根据一个示例，第一和第二太阳能电池堆通过形成在绝缘体上的金属层并联地电 连接。根据另选示例，在芯片附接后，通过连接第一太阳能电池堆的p触点和本领域 中在其上安装集光器太阳能电池的导电冷却基板的p触点的导线，第一和第二太阳能 电池堆并联地电连接。

第一太阳能电池堆可以包括GaInP电池或由GaInP电池组成，第二太阳能电池堆 可以包括GaInAs顶电池和Ge底电池或由GaInAs顶电池和Ge底电池组成。因而可 以在本发明中采用诸如GaInP、InGaAs和Ge这样的常规使用的化合物半导体材料， 以允许较好地覆盖入射太阳光的光谱。应当注意，通过适当地选择在第一和第二太阳 能电池堆中使用的半导体材料的特定化学计量关系，或者通过选择更好地适合电压匹 配和适合相应波长范围的高效使用的不同III-V族化合物半导体，可以优化第一太阳 能电池堆和第二太阳能电池堆（即，在本示例中GaInP顶电池和GaInAs/Ge串接电池） 的电压匹配。

本发明还提供一种太阳能电池设备，其包括集光器光学设备以及根据上述示例中 的一个示例的电压匹配多结太阳能电池。

还通过用于制造（电压匹配多结）太阳能电池的方法解决了上述需求，该方法包 括以下步骤：

提供第一太阳能电池堆；

提供第二太阳能电池堆；

在透明导电层、特别是半导体层的第一表面上，附连第一太阳能电池堆；

在导电层的与第一表面相对的第二表面上，附连第二太阳能电池堆；以及

彼此并联地电连接第一和第二太阳能电池堆。

彼此并联地电连接第一和第二太阳能电池堆可以包括：

在第一太阳能电池堆和第二太阳能电池堆以及导电层的边缘或侧面上形成绝缘 体层；以及

尤其通过汽相淀积，在绝缘体层上形成对第一太阳能电池堆的（还没有被导电层 连接的）触点和第二太阳能电池堆的触点进行连接的金属层；

或者

在第一太阳能电池堆和第二太阳能电池堆以及导电层的边缘或侧面上形成临时 绝缘层；以及

尤其通过汽相淀积，在临时绝缘体层上形成对第一太阳能电池堆的（还没有被导 电层连接的）触点和第二太阳能电池堆的触点进行连接的金属层；并且之后去除绝缘 层，留下桥互连部；

或者

连接第一太阳能电池堆的触点和第二太阳能电池堆的触点，该第二太阳能电池堆 在芯片附接后通过导线（例如细的金或铝导线）电连接到冷却基板。

因而，在制造包括第一和第二太阳能电池堆以及导电层的堆配置期间，或者在其 （电池芯片）附接到冷却基板之后建立并联连接。

将参考附图描述本发明的附加特征和优点。在描述中，参考了用于说明本发明优 选实施方式的附图。应当理解，这种实施方式不代表本发明的全部范围。

图1例示了根据本发明的一个示例的电压匹配多结太阳能电池。电压匹配多结太 阳能电池包括两个太阳能电池堆以及布置在这两个堆之间的导电层。

图2例示了根据本发明的另一示例的电压匹配多结太阳能电池。电压匹配多结太 阳能电池包括两个太阳能电池堆以及布置在这两个堆之间的导电层。

如图1所示，根据本发明的一个示例性实现，电压匹配多结太阳能电池100包括 设置在导电层2上的第一太阳能电池堆1，导电层2设置在第二太阳能电池堆3上。 第一太阳能电池堆1和第二太阳能电池堆3中的每一个包括一个或多个太阳能电池。 第一太阳能电池堆1的太阳能电池串联地电连接，第二太阳能电池堆3的太阳能电池 串联地电连接。在太阳能电池堆1和3中的每一个中执行电流匹配。例如，第一太阳 能电池堆1被设置为用于吸收300至750nm的波长范围（大约±70nm的容差）中 的入射太阳光的光子。第二太阳能电池堆3被设置为用于较大波长（红外区域）的最 佳吸收。

根据本发明，第一太阳能电池堆1与第二太阳能电池堆3并联地电连接。相对强 度在适合于第一太阳能电池堆1和第二太阳能电池堆3的波长范围之间偏移，因此并 不明显影响电压匹配多结太阳能电池100的性能。为了实现高转换效率，太阳能电池 堆1和3均有利地具有相同或相似的开路电压。此外，为了减少布线的复杂度和花费， 第一太阳能电池堆1和第二太阳能电池堆3呈现相反（p-n）极性且通过导电层2连 接。

导电层2可以由掺杂半导体材料制成或者包括掺杂半导体材料。由于与空穴相比 电子有较高的迁移率，针对导电层2，可以提供n掺杂半导体，例如n++掺杂的半导 体。根据另选实施方式，提供嵌入式栅格而不是导电层2。在由第二太阳能电池堆转 换的波长范围上，导电层呈现超过80%的综合透明度。

如果针对导电层2提供n掺杂半导体，则第一太阳能电池堆1呈现p-on-n极性， 而在这种情况下，第二太阳能电池堆3呈现n-on-p极性。由此，第一太阳能电池堆1 的最下面电池的基极和第二太阳能电池堆3的最上面电池的发射极造成了导电层2 中的横向电流。

第二太阳能电池堆3包括下电池基板4，下电池基板4具有极好的电导率，或者 包含用于例如通过使用焊料或导电胶5而芯片附接到散热基板6的接触层。可以以导 热并导电的冷却基板6的形式提供冷却基板6，并且该冷却基板6用作电压匹配多结 太阳能电池的正极（plus pole）。优选地，接合衬垫5和冷却基板6由相同的材料制 成。根据一个示例，该材料是铝合金，尤其是99.5%的铝合金。通过选择相同的材料 极大地避免了接合衬垫5和冷却基板6之间的热应力。

原则上，冷却基板6可以由平面金属组成，并且应提供热扩散且还可以用作导电 体。平面金属的尺寸，特别是厚度（以及接合衬垫5的厚度）可以根据所需的冷却性 能进行选择。

在横向导电层2上设置有n触点。如前所述，第一太阳能电池堆1和第二太阳能 电池堆3彼此并联地电连接。在图1中示出的示例中，通过借助于形成在绝缘体材料 10上的金属连接部9来连接第一太阳能电池堆1的p触点8和第二太阳能电池堆3 的p触点8'，实现该并联连接。例如，绝缘体材料10可以由聚酰亚胺（polyimide） 形成，且金属连接器9通过汽相淀积形成。另选地，可以使用临时绝缘体，其在形成 金属连接之后被去除，留下互连桥。因而，在制造包括夹置导电层2的两个太阳能电 池堆1和3的结构期间，建立了并联连接。

在图2中示出了本发明的电压匹配多结太阳能电池的另选示例。该示例性电压匹 配多结太阳能电池200也包括如图1所示的太阳能电池堆1和3、导电层2和接合衬 垫5以及冷却基板6。然而，第一太阳能电池堆1和第二太阳能电池堆3的并联电连 接以不同的方式实现。根据图2中示出的示例，第一太阳能电池堆1的p触点和在冷 却基板6上设置的p触点之间的导线接合建立了并联连接，而不是通过在绝缘体上沉 积连接第一和第二太阳能电池堆1和3的p极的金属层来建立并联连接。在这种情况 中，在借助于细导线11将电池芯片安装到导电冷却基板6之后进行第一太阳能电池 堆1和第二太阳能电池堆3的并联连接。细导线11可以由金或铝制成。

而在图1中，示出第一p-on-n电池堆1和第二n-on-p电池堆3；根据另一实施方 式，第一电池堆1可以是n-on-p电池堆，第二电池堆3可以是p-on-n电池堆。在这 种情况中，横向导电层2可以是嵌入式栅格。此外，在这种情况中，在形成金属连接 部9之后去除绝缘层10，留下通过金属连接部9形成的桥互连部。在这种结构中， 具有较好导电率的n掺杂半导体可以用于p-on-n电池堆1的最上面太阳能电池的发 射极层。

在图1中示出的电压匹配多结太阳能电池100的示例和图2中示出的电压匹配多 结太阳能电池200的示例二者中，第一太阳能电池堆1可以包括GaInP电池或由GaInP 电池组成，第二太阳能电池堆3可以包括GaInAs顶电池和Ge底电池或由GaInAs顶 电池和Ge底电池组成。对于电压匹配多结太阳能电池100和200，例如可以选择变 质Ga_0.35In_0.65P/Ga_0.83In_0.17As/Ge材料。GaInP顶电池和GaInAs/Ge双电池的电压匹配 可以通过适当地选择特定的化学计量关系而被优化。

所有前面讨论的实施方式并非用于限制，而是用作说明本发明的特征和优点的示 例。应当理解，上述特征中的一些或全部也可以以不同方式进行组合。