太阳电池通常被制造为具有4-6cm2量级或更大聚光表面积的分离物理 实体。为此，用于发电应用领域中的通常作法是将扁平阵列的电池安装在支 撑衬底或面板上，使得其聚光表面提供类似于单一大聚光表面的聚光表面。 此外，因为每个电池自身仅产生少量电力，故通过将电池阵列以串联及/或并 联矩阵互连来实现所需的电压及/或电流。
图1中示出了常规现有技术的太阳电池结构。因为不同层的厚度变化范 围较大，仅示意性地将其示出。此外，图1为高度示意性，由此其表示“厚 膜”太阳电池及“薄膜”太阳电池两者的特征。一般而言，因为需要吸收器 层的厚膜来吸收足够量的光，故使用间接能带隙材料来吸收光的太阳电池通 常被设置作为“厚膜”太阳电池。因为仅需要直接能带隙材料的薄层来吸收 足够量的光，故使用直接能带隙材料来吸收光的太阳电池通常被设置作为 “薄膜”太阳电池。
在图1的顶部的箭头示出了电池上直接太阳照明源。层102是衬底。玻 璃或金属是普通衬底。在薄膜太阳电池中，衬底102可以是聚合物基材、金 属或玻璃。在一些情况下，存在附涂衬底102的包裹层(未示出)。层104是 用于太阳电池的后方电端子。
层106是半导体吸收器层。后方电端子104与吸收器层106欧姆接触。 在很多但并非全部情况下，吸收器层106是p型半导体。吸收器层106足够 厚以吸收光。层108是半导体结匹配器(junction partner)，其与半导体吸收器 层106一起，完成形成p-n结。p-n结是可在太阳电池中常见类型的结。在p- n结基太阳电池中，当半导体吸收器层106是p型掺杂材料时，结匹配器108 就是n型掺杂材料。相反地，当半导体吸收器层106是n型掺杂材料时，结 匹配器108是p型掺杂材料。通常，结匹配器108比吸收器层106薄的多。 例如，在一些情况下，结匹配器108具有约0.05微米的厚度。结匹配器108 对太阳辐射高度透明。因为其使光向下穿过到达吸收器层106，故还公知结 匹配器108为窗层(window layer)。
在常规厚膜太阳电池中，吸收器层106及窗层108可由相同半导体材料 制成，但具有不同载体类型(掺杂)及/或载体浓度，以使得两层具有不同的p 型及n型特性。在其中铜铟镓硒(CIGS)是吸收器层106的薄膜太阳电池中， 使用CdS来形成结匹配器108已经制成高效电池。可用于结匹配器108的其 它材料包括但不限于In2Se3、In2S3、ZnS、ZnSe、CdInS、CdZnS、 ZnIn2Se4、Zn1-xMgxO、CdS、SnO2、ZnO、ZrO2以及掺杂ZnO。
层110是对电极，其完成整个电池。因为结匹配器108通常阻抗过大而 难以被用于将电流从结引离，故对电极110用于此目的。因此，对电极110 应当导电性高并对光透明。对电极110实际上可以是在层108上印刷的金属 梳状结构，而非形成独立的层。对电极110通常是透明导电氧化物(TCO)， 诸如掺杂氧化锌(例如，铝掺杂氧化锌、镓掺杂氧化锌、硼掺杂氧化锌)、铟 锡氧化物(ITO)、氧化锡(SnO2)、或者铟锌氧化物。但是，即使当存在TCO 层时，因为TCO的阻抗过大而难以在较大的太阳电池中有效地引离电流， 故在常规太阳电池中通常需要母线网络114来实现该功能。缩短了距离电荷 载体的网络114必须在TCO层内移动以到达金属端子，由此减小阻抗损耗。 金属母线(也被称为栅极线)可由任何合适的导电金属(例如银、钢或铝)制成。 在网络114的设计中，在导电性更高但会阻挡更多光线的厚栅极线与导电性 较差但阻挡更少光线的薄栅极线之间实现设计平衡。金属母线优选地被设置 为梳状设置以允许光线通过TCO层110。母线网络114与TCO层110一起 组合作为单冶金单元发挥作用，与第一欧姆端子有效地交互以形成集电电 路。在授权给Sverdrup等人的美国专利号6,548,751(通过引用将其完整结合 在本说明书中)中，组合银母线网络与铟锡氧化物层一起起单一透明ITO/Ag 层的作用。
可选的增透涂层112允许大量额外的光进入电池。如图1所示，取决于 电池的用途，可将其直接沉积在顶部导体上。可替代地或额外地，可使增透 涂层112沉积在遮掩顶电极110的独立盖玻璃上。理想地，增透涂层在发生 光电吸收的光谱范围上将电池的反射减小至极为接近零，并且同时增大在其 它光谱范围中的反射以减少热量。授权给Aguilera等人的美国专利号 6,107,564(通过引用将其完整结合在本说明书中)描述了业内公知的典型的增 透涂层。
太阳电池通常仅产生低电压。例如，硅基太阳电池产生约0.6伏特(V)的 电压。因此，太阳电池串联或并联互连以实现更大电压。当串联连接时，在 电流保持相同的同时，各个电池的电压相加在一起。因此，相较于并联设置 的类似的太阳电池，串联设置的太阳电池减小了通过该电池的电流量，由此 改进了效率。如图1所示，利用互连构件116来实现串联的太阳电池设置。 通常而言，互连构件116使一个太阳电池的第一电极与相邻的太阳电池的对 电极电连通。
如上所述以及如图1所示，常规太阳电池通常为板状形式。尽管当其较 小时上述电池的效能较高，但因为难以使在较大平板太阳电池中形成结的半 导体膜均匀，故上述太阳电池的效能较低。此外，在较大的平板太阳电池 中，发生针孔以及类似瑕疵的几率增大。这些特征会导致结上的分流 (shunt)。
现有技术中的太阳电池设计存在很多问题。现将讨论现有技术太阳电池 设计以及各个设计中的一些缺陷。
如图2A所示，授权给Asia等人的美国专利号6,762,359B2公开了具有 p-型层12以及n-型层14的太阳电池210。第一电极32设置在太阳电池的一 侧。电极32与太阳电池210的n-型层14电接触。电极60位于太阳电池的相 反一侧。电极60与太阳电池的n-型层电接触。透光层200及202形成装置 210的一侧，而层62形成另一侧。电极32与60被绝缘体40及50分离。在 一些情况下，太阳电池呈管状而非图2所示的球状。尽管装置210起作用， 但并不令人满意。电极60不得不穿透吸收器12以完成电接触。这导致吸收 器面积的静损耗，降低了太阳电池的效能。此外，相对于其它太阳电池设 计，这样的结难于制造。
如图2B所示，授权给Mlavsky的美国专利号3,976,508公开了管状太阳 电池，其包括n型导电圆柱形硅管2，其外表面经过渗硼处理以形成p导电 型区域4及p-n结6。圆柱管的内表面设置有粘着金属导电膜8形式的第一 电极，其与管形成欧姆接触。如美国专利号2984775、3046324及3005862中 所公开，膜8覆盖管的整个内表面并由具有相对较高导电性的选择金属或金 属合金(例如，金、镍、铝、或铜等)构成。外表面设置有栅格形式的第二电 极，其由多个周向延伸的导体10构成，上述导体10通过一个或更多纵向延 伸导体12互连。中空管的外表面的相对两端设置有两个周向延伸端子导体 14及16，其拦截纵向延伸导体12。周向延伸导体10与纵向延伸导体12间 隔开以使得管的外表面区域18暴露于太阳辐射。导体12、14及16比周向延 伸导体10更宽，因为其要传输比任一后者更大的电流。这些导体由与内电 极8类似的粘着金属膜制成，并与管的外表面形成欧姆接触。虽然图2B中 的太阳电池能够工作，但其并不令人满意。导体12、14及16不透光，由此 太阳电池接收的光量会下降。
授权给Weinstein及Lee的美国专利号3,990,914公开了另一种形式的管 状太阳电池。与Mlavsky类似，Weinstein及Lee太阳电池也具有中空芯。但 是，与Mlavsky不同，Weinstein及Lee将太阳电池安置在玻璃管支撑构件 上。Weinstein及Lee太阳电池存在体积大，制造成本高的缺陷。
参考图2C及图2D，于1984年7月20日公开的Toppan Printing Company申请的日本专利申请早期公开号S59-125670(以下称为“S59- 125670”)公开了一种棒状太阳电池。棒状太阳电池在图2C中以剖面示出。 使用导电金属作为电池的芯1。光敏无定形硅半导体层3设置在芯1上。导 电透明导体层4形成在半导体层3的顶部。可由诸如氧化铟、氧化锡或氧化 铟锡(ITO)等材料来制造透明导电层4。如图2C所示，由良好的电导体制成 的层5设置在太阳电池的下部。该公开文献描述该良好导电层5并不是一定 需要，而是有助于降低棒与起对电极作用的导电衬底7之间的接触阻抗。因 此，导电层5起集电器的作用，其对图2D所示的对电极7的导电性提供补 充。
如图2D所示，棒状太阳电池6相互平行排列为多排，而对电极层7设 置在棒的未被光照射的表面上，由此与各个透明导电层4电接触。棒状太阳 电池6平行排列并且太阳电池的两端利用树脂或类似材料硬化以将棒固定在 位。
S59-125670阐述了与平面太阳电池相关的很多缺陷。但是，S59-125670 存在数个对所公开的装置的效能构成限制的重大缺陷。首先，因为层5并未 将棒完全包起，故从外表面引离电流的方式效率很低(例如，见图2C)。其 次，衬底7是不允许光通过的金属板。因此，各个棒的一侧完全不能暴露至 阳光，由此会成为渗漏路径。上述渗漏路径会降低太阳电池的效能。例如， 任何上述暗结区域都会导致使电池的光电流降低的渗漏。图2C及图2D中公 开的设计中的另一缺陷是棒并联而非串联设置。因此，相对于相应串联设置 模式，在上述装置中的电流水平将会较大，由此导致阻抗损耗。
参考图2E，于1995年5月24日公开的授权给Twin Solar-Technik Entwicklungs-GmbH的德国未审查专利申请DE 43 39 547 A1也公开了在透明 板28中以并联形式设置的多个棒状太阳电池2，其形成太阳电池的主体。因 此，Twin Solar并不存在S59-125670中出现的一些缺陷。透明板28允许光 从两面47A及47B进入。透明板28远离壁27安装以提供供液态冷却剂流动 的气隙26。因此，Twin Solar装置存在其并非完全两面的缺陷。换言之， Twin Solar装置仅有一面47A能够接收直接光。在这里，“直接光”指除了 空气之外尚未通过其它任何介质的光。例如，已经通过透明衬底进入太阳电 池组件并离开组件的光在其离开太阳电池组件时就不再是直接光。但是，假 定其尚未通过太阳电池组件，仅从表面反射的光是直接光。在这样定义直接 光的情况下，面47B并未设计用于接收直接光。这是因为由面47B接收的全 部光在通过面47A进入太阳电池设备之后均必须首先横穿太阳电池设备的主 体。上述光然后必须横穿冷却腔26，反射后壁42，并最终通过面47B再次 进入太阳电池。因为直接光不能进入组件的两侧，故上述太阳电池组件的效 能较低。
尽管太阳电池的管状设计已经解决了与平面太阳电池相关的很多缺陷， 但仍然存在一些尚未解决的问题。太阳电池承受物理冲击的能力是一个未解 决的问题。常规太阳电池面板会随时间经过而爆裂。通常由小的独立太阳电 池单元来制造太阳电池组件。这种方法提供了效率及灵活性。更小的太阳电 池更易于大量制造，并且其可被组装为不同尺寸及形状以适于最终的应用。 不可避免的，较小的太阳电池单元设计会遇到易碎的问题。在运输或例行操 作处理过程中较小的太阳电池在压力下易于破裂。业界亟需的是在保持较小 设计的优点的同时对太阳电池单元提供支撑及强度的方法及系统。
在这里对参考文献的讨论或引用并不构成对上述参考文献是本发明的现 有技术的承认。

本申请的一个方面提供了一种太阳电池单元，其包括圆柱形太阳电池以 及透明管状壳体。圆柱形太阳电池包括背电极，环绕设置在所述背电极上的 半导体结层，以及设置在所述半导体结上的透明导电层。透明管状壳体环绕 地密封在圆柱形太阳电池上，由此在太阳电池单元中的透明管状壳体与圆柱 形太阳电池之间不存在空气。在一些实施方案中，透明管状壳体由塑料或玻 璃制成。在一些实施方案中，圆柱形太阳电池还包括圆柱形衬底且背电极环 绕设置在圆柱形衬底上。圆柱形衬底可由包括塑料、金属或玻璃的各种不同 材料制成。通常，圆柱形衬底呈中空形(例如，管状)。因此，在本申请的很 多实施方案中，诸如空气、氮或氦的流体可通过圆柱形衬底。但是，在一些 实施方案中，圆柱形衬底为实心体。
在一些实施方案中，半导体结包括同质结、异质结、导质面结、掩埋同 质结、p-i-n结、或者串联结。在一些实施方案中，所述半导体结包括吸收器 层及结匹配层，其中所述结匹配层环绕设置在所述吸收器层上。在一些实施 方案中，所述吸收器层是铜-铟-镓-硒，并且所述结匹配层是In2Se3、In2S3、 ZnS、ZnSe、CdInS、CdZnS、ZnIn2Se4、Zn1-xMgxO、CdS、SnO2、ZnO、 ZrO2或者掺杂ZnO。
在一些实施方案中，所述圆柱形太阳电池还包括环绕设置在所述半导体 结上的本征层。在这些实施方案中，所述透明导电层设置在所述本征层上而 非半导体电结上。
在一些实施方案中，所述太阳电池还包括环绕设置在所述透明导电层上 的填充体层。在这些实施方案中，所述透明壳体环绕设置在所述填充体层 上，由此环绕地密封所述圆柱形太阳电池。
在一些实施方案中，阻水层环绕设置在所述透明导电层上。在这些实施 方案中，所述透明管状壳体环绕设置在所述阻水层上，由此环绕地密封所述 圆柱形太阳电池。
在一些实施方案中，阻水层环绕设置在所述透明导电层上，并且填充体 层环绕设置在所述阻水层上。在这些实施方案中，所述透明管状壳体环绕设 置在所述填充体层上，由此环绕地密封所述圆柱形太阳电池。
在一些实施方案中，太阳电池单元还包括环绕设置在所述透明导电层上 的填充体层；以及环绕设置在所述阻水层上的阻水层。在这些实施方案中， 所述透明管状壳体环绕设置在所述阻水层上，由此环绕地密封所述圆柱形太 阳电池。在一些实施方案中，太阳电池单元还包括环绕设置在所述透明管状 壳体上的增透涂层。
在一些实施方案中，所述圆柱形太阳电池还包括至少一个电极带，其中 在至少一个电极带中的每个电极带均沿所述太阳电池的所述圆柱长轴覆盖在 所述透明导电层上。在一些实施方案中，所述至少一个电极带包括在所述透 明导电层上间隔安置的多个电极带，由此所述多个电极带沿所述太阳电池的 所述圆柱轴彼此平行或大致平行排列。所述多个电极带例如可在太阳电池的 透明导电层的表面上以六十度间隔分布。事实上，所述多个电极带中的电极 带在太阳电池的所述透明导电层的表面上可以任意类型的等间隔或非等间隔 安置。在一些实施方案中，圆柱形太阳电池的长度介于0.3米至2米之间。 在一些实施方案中，所述透明管状壳体的外表面具有织纹。
本申请的另一方面提供了一种太阳电池组件，包括多个太阳电池单元。 在所述多个太阳电池单元中的每个太阳电池单元均具有上述任意太阳电池单 元的结构。所述多个太阳电池单元中的太阳电池单元被设置成共平面的行以 形成太阳电池组件。在一些实施方案中，太阳电池组件还包括反照表面，其 被设置成将阳光反射进入多个太阳电池单元。在一些实施方案中，所述反照 表面具有超过95％的反照率。在一些实施方案中，所述反照表面是郎伯表 面、散射表面或渐开线反射器表面。在一些实施方案中，所述多个太阳电池 单元中的第一太阳电池单元与第二太阳电池单元串联或并联电连接。
本申请的另一方面包括一种太阳电池组件，包括多个太阳电池单元以及 多个内部反射器。在所述多个太阳电池单元中的每个太阳电池单元均具有上 述任意太阳电池单元的结构。在该实施方案中，所述多个内部反射器被设置 成共平面的行，其中所述多个太阳电池单元中的内部反射器毗邻所述多个太 阳电池单元中的太阳电池单元，由此形成所述太阳电池组件。在一些实施方 案中，所述多个内部反射器中的内部反射器具有中空芯。在一些实施方案 中，所述多个内部反射器中的内部反射器具有塑料壳体，其中反射材料层沉 积在所述塑料壳体上。在一些实施方案中，所述多个内部反射器中的内部反 射器是由反射材料制成的单一构件。在一些实施方案中，所述多个内部反射 器中的内部反射器的剖面形状是星形。在一些实施方案中，所述多个内部反 射器中的内部反射器的剖面形状是四边形；并且所述四边形剖面形状的侧边 为直线、抛物线、凹线、环形或椭圆形。在一些实施方案中，所述多个内部 反射器中的内部反射器的剖面形状是四边形；并且所述四边形剖面形状的侧 边界定出所述内部反射器上的散射表面。
本申请的另一方面提供了一种太阳电池单元，包括：圆柱形太阳电池、 填充体层、以及透明管状壳体。在一些实施方案中，圆柱形太阳电池包括圆 柱形衬底；环绕设置在所述圆柱形衬底上的背电极；环绕设置在所述背电极 上的半导体结；以及环绕设置在所述半导体结上的透明导电层。圆柱形衬底 可以是中空圆柱体(例如，管)或实心圆柱体。填充体层环绕设置在所述透明 导电层上，并且透明壳体环绕设置在所述填充体层上。在根据本申请的上述 方面的一些实施方案中，半导体结包括吸收器层及结匹配层，其中所述结匹 配层环绕设置在所述吸收器层上，同时所述吸收器层环绕设置在所述背电极 上。在根据本申请的上述方面的一些实施方案中，太阳电池单元还包括环绕 设置在所述透明壳体上的增透涂层。
本申请的另一方面在于提供了一种太阳电池单元，其包括圆柱形太阳电 池、阻水层、填充体层以及透明管状壳体。圆柱形太阳电池包括圆柱形衬 底，环绕设置在所述圆柱形衬底上的背电极；环绕设置在所述背电极上的半 导体结；以及环绕设置在所述半导体结上的透明导电层。圆柱形衬底可以是 实心圆柱体或空心圆柱体(例如，管)。阻水层环绕设置在所述透明导电层 上。填充体层环绕设置在所述阻水层上。透明壳体环绕设置在所述填充体层 上。
本申请的另一方面提供了一种太阳电池单元，包括：圆柱形太阳电池、 填充体层、阻水层、以及透明管状壳体。圆柱形太阳电池包括圆柱形衬底， 环绕设置在所述衬底上的背电极；环绕设置在所述背电极上的半导体结；以 及环绕设置在所述半导体结上的透明导电层。圆柱形衬底可以是实心或空心 (例如，管)。填充体层环绕设置在所述透明导电层上。阻水层环绕设置在所 述填充体层上。透明壳体环绕设置在所述阻水层上。
附图说明
图1示出了根据现有技术的互连太阳电池。
图2A示出了根据现有技术包括p型内层及n型外层的球面太阳电池。
图2B示出了管状光伏器件，其包括n型导电圆柱形硅管，其在外表面 经过渗硼处理以形成外p导电型区域，由此形成根据现有技术的管状太阳电 池。
图2C是根据现有技术的细长太阳电池的剖视图。
图2D是根据现有技术的太阳电池组件的剖视图，其中多个细长太阳电 池被固定至导电衬底。
图2E是根据现有技术远离反射壁设置的太阳电池组件的剖视图。
图3A示出了根据本发明的实施方案具有管状壳体的光伏器件。
图3B示出了根据本发明的实施方案透明管状壳体中的细长太阳电池的 剖视图。
图3C示出了根据本发明的实施方案细长太阳电池的多层部件。
图3D示出了根据本发明的实施方案的透明管状壳体。
图4A是根据本发明的实施方案串联电连接并且几何学上平行或接近平 行排列的管状壳体中的细长太阳电池的剖视图。
图4B是沿图4A的线4B-4B所取的剖视图，示出了根据本发明的实施 方案的组件中的太阳电池的串联电设置。
图4C是图4B的区域4C的分解立体图，示出了根据本发明的实施方案 的细长太阳电池的各层。
图4D是根据本发明的实施方案沿图4B的线4D-4D所取的细长太阳电 池的剖视图。
图5A-图5D示出了在本发明的各个实施方案中的各种细长太阳电池中 使用的半导体结。
图6A示出了根据现有技术的挤出吹铸方法。
图6B示出了根据现有技术的注射吹铸方法。
图6C示出了根据现有技术的拉伸吹铸方法。
图7A是根据本发明的另一实施方案在组件中串联电连接的细长太阳电 池的剖视图，其中对电极抵靠各个太阳电池。
图7B是根据本发明的实施方案沿图7A的线7B-7B所取的剖视图，示 出了组件中圆柱形太阳电池的串联设置。
图7C是根据本发明的实施方案的交替管状壳体阵列的立体图。
图8是根据本发明的另一实施方案在组件中串联电连接的细长太阳电池 的剖视图，其中对电极毗邻各个太阳电池，并且切割出外部TCO。
图9是根据本发明的实施方案在组件中串联电连接的细长太阳电池的剖 视图，其中内金属电极为中空体。
图10是根据本发明的实施方案在组件中串联电连接的细长太阳电池的 剖视图，其中槽贯穿太阳电池的对电极、透明导电氧化层、以及结层。
图11示出了用于本发明的一些实施方案的静电集中器。
图12示出了在本发明的一些实施方案中使用的静电集中器。
图13示出了根据本发明的实施方案的太阳电池的剖视图。
图14示出了根据本发明的一些实施方案的模铸管状壳体。
图15示出了根据本发明的实施方案的具有突起电极零件的细长太阳电 池结构的立体图。
图16示出了根据本发明的实施方案的太阳电池结构的立体图。
图17A示出了根据现有技术的镜面上的光反射。
图17B示出了根据现有技术的散射面上的光反射。
图17C示出了根据现有技术的郎伯面上的光反射。
图18A示出了根据现有技术的圆以及圆的渐开线。
图18B示出了根据本发明的实施方案的太阳电池结构的剖视图。
图19示出了根据本发明的实施方案的交替管状壳体及内部反射器的阵 列的剖视图。
图20A示出了根据本发明的吸装载组装方法。
图20B示出了根据本发明的压装载组装方法。
图20C示出了根据本发明的倾倒-滑动装载组装方法。
图21示出了根据本发明的实施方案的透明管状壳体内的细长太阳电池 的部分剖视图。
图22示出了根据现有技术的Q型硅、倍半硅氧烷、D型硅、以及M型 硅。
在各个视图中类似的标号表示一致的部件。尺寸未依比例绘制。

以下描述用于将太阳能转换为电能的非平面太阳电池组件，更具体涉及 改进的太阳电池以及太阳电池阵列。
5.1 基本结构
本发明提供了被单独环绕覆盖的非平面太阳电池单元300，其立体图及 剖视图分别在图3A及图3B中示出。在太阳电池单元300中，细长太阳电池 402(图3C)被透明壳体310(图3D)环绕覆盖。在一些实施方案中，太阳电池 单元300包括包覆有透明壳体310的太阳电池402。在一些实施方案中，细 长太阳电池402仅有一端被透明壳体310暴露以与相邻太阳电池402或其它 电路形成电连接。在一些实施方案中，细长太阳电池402的两端被透明壳体 310暴露以与相邻太阳电池402或其它电路形成电连接。
在一些实施方案中，透明壳体310呈圆柱形。在这里，术语圆柱形指具 有圆柱形或接近圆柱形外形的物体。事实上，圆柱形物体可具有不规则形 状，只要整体上而言物体为大致圆柱形即可。这样的圆柱形可以是实心(例 如，棒)或是空心(例如，管)。在这里，术语管状指具有管状或大致管状的外 形的物体。事实上，管状物体可具有不规则形状，只要整体上而言物体为大 致管状即可。
尽管本申请中绝大部分涉及太阳电池单元300的描述均以封装实施方案 或环绕覆盖实施方案示出，但应当理解这些描述并不能对本申请的范围构成 限制。对细长太阳电池提供支撑及保护、并且允许细长太阳电池之间的电连 接的任意透明壳体均落入本申请的系统及方法的范围内。
在本部分以及5.2至5.8节中提供了对示例太阳电池402的描述。例如， 在部分5.2中描述了可用于太阳电池402中的半导体结的示例。在5.1.2节中 描述了用于制造透明壳体310的示例系统及方法。在5.1.3节中描述了用于利 用透明壳体310来包覆太阳电池402以形成太阳电池单元300的系统及方 法。太阳电池单元300可被组装为各种尺寸及形状的太阳电池组件以发电并 可加热水或其它流体。
图3B示出了太阳电池单元300的示例实施方案的剖视图。太阳电池的 其它示例实施方案(例如，图4A中的402)也适于通过透明壳体310来包覆。
衬底403。衬底403作为太阳电池402的衬底使用。在一些实施方案 中，衬底403由塑料、金属、金属合金或玻璃制成。在一些实施方案中，衬 底403为圆柱形。在一些实施方案中，如图3B所示，衬底403具有中空 芯。在一些实施方案中，衬底403具有实芯。在一些实施方案中，衬底403 的形状仅是接近圆柱形物体，意指沿与衬底403的长轴呈直角所取的剖面形 成椭圆形而非圆形。在这里，上述近似形状的物体在本发明中仍然被视为圆 柱形。
在一些实施方案中，衬底403的全部或一部分为非平面封闭形状。例 如，在一些实施方案中，衬底403的全部或一部分为刚性管或刚性实芯棒。 在一些实施方案中，衬底403的全部或一部分是任意实芯圆柱形或中空圆柱 形。在一些实施方案中，衬底403是由塑料、金属或玻璃制成的刚性管。在 一些实施方案中，太阳电池的整体外形与衬底403相同。在一些实施方案 中，太阳电池的整体外形不同于衬底403的外形。在一些实施方案中，衬底 403为非纤维质地。
在一些实施方案中，衬底403为刚性。可利用各种不同计量规则(包括但 不限于杨氏模数)来测量材料的刚性。在固体力学中，杨氏模数(E)(也称为杨 氏模量、弹性的模数、弹性模数或张紧模数)是对给定材料的硬度的度量。对 于小的张力，其被定义为应力的变化率对应变的比率。可通过试验根据在材 料样本上进行张力测试过程中产生的应力-应变曲线的斜率来获得杨氏模数。 在下表中给出各种材料的杨氏模数。
  材料 以GPa为单位的杨氏 模数(E) 以1bf/in2(psi)为单位的 杨氏模数(E) 橡胶(小应力) 0.01-0.1 1,500-15,000 低密度聚乙烯 0.2 30,000 聚丙烯 1.5-2 217,000-290,000 聚对苯二甲酸乙二醇酯 2-2.5 290,000-360,000 聚苯乙烯 3-3.5 435,000-505,000 尼龙 3-7 290,000-580,000 铝合金 69 10,000,000 玻璃(各种类型) 72 10,400,000 黄铜及青铜 103-124 17,000,000 钛(Ti) 105-120 15,000,000-17,500,000 碳纤维加强塑料 (沿晶粒单向) 150 21,800,000 锻造铁及钢 190-210 30,000,000
  钨(W) 400-410 58,000,000-59,500,000 碳化硅(SiC) 450 65,000,000 碳化钨(WC) 450-650 65,000,000-94,000,000 单碳纳米管 1,000+ 145,000,000 金刚石(C) 1,050-1,200 150,000,000-175,000,000
在本发明的一些实施方案中，当材料具有20GPa或更大、30GPa或更 大、40GPa或更大、50GPa或更大、60GPa或更大、70GPa或更大的杨氏模 数时，材料(例如，衬底403)被视为刚性。在本申请的一些实施方案中，当 材料的杨式模数在应力范围内恒定时，材料(例如，衬底403)被视为刚性。 上述材料被称为线性，并遵循Hooke定律。因此，在一些实施方案中，衬底 403由遵循Hooke定律的线性材料制成。线性材料的示例包括但不限于钢、 碳纤维以及玻璃。橡胶及土壤(除了在非常低应力的情况下)是非线性材料。
本发明并不限于具有刚性圆柱形状或者是实芯棒的衬底。衬底403的全 部或一部分的特征可以是由图3B中所示的圆形之外的若干形状中的任意一 种界定的剖面。界定出的形状可以是圆形、卵形或由一个或更多平滑曲面表 征的任何形状、平滑曲面的任何接合中的任意一种。界定出的形状也可以本 质上为线性，包括三角形、矩形、五角形、六角形、或具有任意数量的线性 分段表面的形状。界定出的形状可以是n角的，其中n是3、5或大于5。或 者，剖面可以由线性表面、弓形表面、或者曲面的任意组合来界定。如这里 所述，仅为了便于讨论，示出全面圆形剖面来表示光伏器件的非平面实施方 案。但是，应当注意，在实践中非平面的光伏器件中可以使用任意剖面几何 形状。
在一些实施方案中，衬底403的第一部分的特征在于具有第一剖面形 状，而衬底403的第二部分的特征在于具有第二剖面形状，其中第一与第二 剖面形状相同或不同。在一些实施方案中，衬底403的至少百分之十、至少 百分之二十、至少百分之三十、至少百分之四十、至少百分之五十、至少百 分之六十、至少百分之七十、至少百分之八十、至少百分之九十、或者全部 长度的特征在于第一剖面形状。在一些实施方案中，第一剖面形状为平面(例 如，无弓形一侧)而第二剖面形状具有至少一个弓形一侧。
在一些实施方案中，衬底403由聚胺酯聚合物、丙烯酸类聚合物、含氟 聚合物、聚苯并咪唑、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚醚醚酮、聚酰胺-酰亚胺、 玻璃基酚、聚苯乙烯、交联聚苯乙烯、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、丙烯腈-丁 二烯-苯乙烯、聚四氟-乙烯、聚甲基丙烯酸酯、尼龙6，6、醋酸丁酸纤维素、 醋酸纤维素、硬乙烯、增塑乙烯或聚丙烯制成。在一些实施方案中，衬底 403由铝硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃(例如，Pyrex、Duran、Simax等)、二色 性玻璃、锗/半导体玻璃、玻璃陶瓷、硅酸盐/熔融二氧化硅、钠钙玻璃、石 英玻璃、硫属化物/硫化物玻璃、氟玻璃、pyrex玻璃、玻璃基酚、cereated玻 璃或者火石玻璃。在一些实施方案中，衬底403为实芯圆柱形。上述实芯圆 柱形衬底403可由塑料、玻璃、金属、或金属合金制成。
在一些实施方案中，衬底403的剖面为圆周并具有3mm至100mm之 间、4mm至75mm之间、5mm至50mm之间、10mm至40mm之间、或 者14mm至17mm之间的外径。在一些实施方案中，衬底403的剖面为圆 周且具有1mm至1000mm之间的外径。
在一些实施方案中，衬底403为具有中空内部的管。在这些实施方案 中，衬底403的剖面由界定中空内部的内径以及外径表征。内径与外径之间 的差异是衬底403的厚度。在一些实施方案中，衬底403的厚度介于0.1mm 至20mm之间、0.3mm至10mm之间、0.5mm至5mm之间、或者1mm 至2mm之间。在一些实施方案中，内径介于1mm至100mm之间、3mm 至50mm之间、或5mm至10mm之间。
在一些实施方案中，衬底403具有介于5mm至10,000mm之间、50 mm至5,000mm之间、100mm至3000mm之间、或500mm至1500mm之 间的长度(垂直于图3B所界定的平面)。在一实施方案中，衬底403是具有 15mm外径及1.2mm厚度以及1040mm长度的中空管。尽管在图3B中衬底 403示出为实芯，但应当理解在很多实施方案中，衬底403将具有中空芯并 将采用诸如由玻璃管形成的刚性管结构。
背电极404。背电极404环绕设置在衬底403上。背电极404在组件中 作为第一电极。通常，背电极404由任意材料制成，使得其能够以可忽略的 阻抗损耗来支持由太阳电池单元300产生的光伏电流。在一些实施方案中， 背电极404由任意导电材料构成，例如铝、钼、钨、钒、铑、铌、铬、钽、 钛、钢、镍、铂、银、金、其合金、或者其任意组合。在一些实施方案中， 背电极404由任意导电材料构成，例如铟锡氧化物、氮化钛、氧化锡、氟掺 杂氧化锡、掺杂氧化锌、铝掺杂氧化锌、镓掺杂氧化锌、硼掺杂氧化锌、铟- 氧化锌、金属碳黑填充氧化物、石墨-碳黑填充氧化物、碳黑填充氧化物、超 导碳黑填充氧化物、环氧化物、导电玻璃、或者导电塑料。在这里，导电塑 料是通过合成技术包含导电填充体(其然后将其导电特性赋予塑料)的塑料。 在一些实施方案中，用于本申请以形成背电极404的导电塑料包含填充体， 该填充体形成通过塑料基体的充分导电电流输送路径以支持通过太阳电池单 元300产生的光伏电流而伴随可忽略的阻抗损耗。导电塑料的塑料基体通常 绝缘，但产生的合成物显示出填充体的导电特性。
半导体结410。半导体结410形成在背电极404周围。半导体结410是 具有吸收器层(直接能带隙吸收器(例如，结晶硅)或间接能带隙吸收器(例如， 无定形硅))的任意光伏同质结、异质结、异质面结、掩埋同质结、p-i-n结或 串联结。在Bube，Photovoltaic Materials，1998，Imperial College Press，London 的第一章，以及Lugue and Hegedus，2003，Handbook of Photovoltaic Science and Engineering，John Wiley & Sons，Ltd.，West Sussex，England中描述了上述 结，通过引用将两者完整结合于本说明书中。以下在5.2节中详细描述了根 据本申请的示例类型的半导体结410。除了以下在5.2节中公开的示例性结 之外，半导体结410可以是多结，其中光通过多结(优选具有适当的较小能带 隙)横穿进入半导体结410的芯。在一些实施方案中，半导体结410包括铜铟 镓硒(CIGS)吸收器层。在一些实施方案中，半导体结410是所谓的薄膜半导 体结。在一些实施方案中，半导体结410是所谓的厚膜(例如，硅)半导体 结。
可选的本征层415。可选地，薄本征层(i-层)415环绕包覆半导体结 410。可利用任意未掺杂的透明氧化物(包括但不限于氧化锌、金属氧化物、 或者高度绝缘的任意透明材料)来形成i-层415。在一些实施方案中，i-层415 是高纯度氧化锌。
透明导电层412。透明导电层412环绕设置在半导体结层410上，由此 完成电路。如上所述，在一些实施方案中，薄i-层415环绕设置在半导体结 410上。在这些实施方案中，透明导电层412环绕设置在i-层415上。在一 些实施方案中，透明导电层412由氧化锡SnOx(掺杂或未掺杂氟)、铟锡氧化 物(ITO)、掺杂氧化锌(例如，铝掺杂氧化锌、镓掺杂氧化锌、硼掺杂氧化 锌)、铟-氧化锌、或者其任意组合制成。在一些实施方案中，透明导电层 412是p掺杂或n掺杂的。在一些实施方案中，透明导电层由碳纳米管制 成。碳纳米管例如可从Eikos(Franklin，Massachusetts)商购获得，并在美国专 利6,988,925中进行了描述，通过引用将其完整结合在本说明书中。例如， 在半导体结410的外半导体层是p掺杂的实施方案中，透明导电层412可以 是p掺杂。类似的，在半导体结410的外半导体层是n掺杂的实施方案中， 透明导电层412可以是n掺杂的。通常，透明导电层412优选由具有极低阻 抗、合适的光学传导特性(例如，大于90％)、并且其沉积温度不会损坏下层 的半导体结410层及/或任选的i-层415的材料制成。在一些实施方案中，透 明导电层412是导电聚合物材料，例如导电聚噻吩、导电聚苯胺、导电聚吡 咯、PSS-掺杂PEDOT(例如，Bayrton)或者前述任意一种的衍生物。在一些实 施方案中，透明导电层412包括多于一层，包括包含氧化锡SnOx(掺杂或未 掺杂氟)、铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物、掺杂氧化锌(例如，铝掺杂氧化 锌、镓掺杂氧化锌、硼掺杂氧化锌)铟-氧化锌、或者其组合的第一层，以及 包含导电导电聚噻吩、导电聚苯胺、导电聚吡咯、PSS-掺杂PEDOT(例如， Bayrton)或者前述任意一种的衍生物的第二层。在Pichler的美国专利公开号 2004/0187917A1中公开了可被用于形成透明导电层的其它合适的材料，通过 引用将其全部内容包含于本说明书中。
可选的电极带420。在根据本发明的一些实施方案中，可选的对电极带 或引线420被设置在透明导电层412上以便于电流流动。在一些实施方案 中，电极带420是如图4A所示沿圆柱形太阳电池的长轴(圆柱轴)纵长地行进 的导电材料的薄带。在一些实施方案中，可选电极带间隔布置在透明导电层 412的表面上。例如，在图3B中，电极带420彼此平行行进，并且沿太阳电 池的圆柱轴以九十度间隔隔开。在一些实施方案中，电极带420在透明导电 层412的表面上以五度、十度、十五度、二十度、三十度、四十度、五十 度、六十度、九十度或180度的间隔隔开。在一些实施方案中，在透明导电 层412的表面上存在单一电极带420。在一些实施方案中，在透明导电层 412的表面上不存在电极带420。在一些实施方案中，在透明导电层412上存 在两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个、十一个、十 二个、十五个或更多、或三十个或更多的电极带，其全部彼此平行或接近平 行沿太阳电池的长(圆柱)轴行进。在一些实施方案中，例如图3B所示，电极 带420围绕透明导电层412的周向均匀地等间隔安置。在替代实施方案中， 电极带420围绕透明导电层412的周向不均匀地安置。在一些实施方案中， 电极带420仅处于太阳电池的一面上。图3B的器件403、404、410、415(可 选)以及412共同组成图3A的太阳电池402。在一些实施方案中，电极带 420由导电环氧化物、导电墨水、铜或其合金、铝或其合金、镍或其合金、 银或其合金、金或其合金、导电胶、或者导电塑料制成。
在一些实施方案中，存在沿太阳电池的长(圆柱)轴行进的电极带，并且 这些电极带通过栅极线互连。这些栅极线可以比电极带更厚、更薄、或具有 相同宽度。这些栅极线可以由与电极带相同或不同的电学材料制成。
在一些实施方案中，利用喷墨印刷将电极带420沉积在透明导电层412 上。可用于这样电极带的导电墨水的示例包括但不限于载银或载镍导电墨 水。在一些实施方案中，可使用环氧化物以及各向异性导电粘合剂来构造电 极带420。在典型实施方案中，上述墨水或环氧化物被热固以形成电极带 420。
可选的填充体层330。在本发明的一些实施方案中，如图3B所示，密封 剂(例如，乙烯-醋酸乙烯(EVA)、硅、硅胶、环氧化物、聚二甲基硅氧烷 (PDMS)、RTV硅橡胶、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、热塑聚氨酯(TPU)、聚碳酸 酯、丙烯酸、含氟聚合物、以及或者聚氨脂)制成的填充体层330被包覆在透 明导电层412上以隔离空气并可选地提供到透明壳体310的互补配合。
在一些实施方案中，填充体层330是Q型硅、倍半硅氧烷、D型硅或者 M型硅。但是，在一些实施方案中，即使存在一个或更多电极带420时，也 不需要可选的填充体层330。以下在5.1.4节中公开了用于可选填充体层330 的其它合适材料。
在一些实施方案中，可选的填充体层330是叠层，例如在2007年3月 13日提交的、专利申请号待确定的、题为“A Photovoltaic Apparatus Having a Laminate Layer and Methodfor Making the Same”、律师案号为11653-032- 888的美国临时专利申请中公开的叠层中的任何一种，这里通过引用将其全 部内容包含于本说明书中。在一些实施方案中，填充体层330具有低于 1×106cP的粘性。在一些实施方案中，填充体层330具有大于500×10-6/℃或 大于1000×10-6/℃的热膨胀系数。在一些实施方案中，填充体层330包括聚 二甲基硅氧烷聚合物。在一些实施方案中，填充体层330包含重量百分比低 于50％的电介质胶或形成电介质胶的成份；以及至少30％的透明硅油，透明 硅油具有不超过电介质胶或形成电介质胶的成份的开始粘性的一半的开始粘 性。在一些实施方案中，填充体层330具有大于500×10-6/℃的热膨胀系数， 并包含重量百分比低于50％的电介质胶或形成电介质胶的成份，以及至少 30％的透明硅油。在一些实施方案中，填充体层330由与电介质胶混合的硅 油形成。在一些实施方案中，硅油是聚二甲基硅氧烷聚合物液体，并且所述 电介质胶是第一硅弹性体与第二硅弹性体的混合物。在一些实施方案中，填 充体层330由占X％重量的聚二甲基硅氧烷聚合物液体、占Y％重量的第一 硅弹性体、以及占Z％重量的第二硅弹性体形成，其中X、Y及Z总和为 100。在一些实施方案中，聚二甲基硅氧烷聚合物液体具有化学式 (CH3)3SiO[SiO(CH3)2]nSi(CH3)3，其中n是被选择使得聚合物液体具有落入介 于50厘斯托克与100,000厘斯托克之间的范围内的平均体粘度的整数范围。 在一些实施方案中，第一硅弹性体包括至少占重量百分之六十的二甲基乙烯 基端二甲基硅氧烷，以及占重量百分之3至7之间的硅酸盐。在一些实施方 案中，第二硅弹性体包括：(i)至少占重量百分之六十的二甲基乙烯基端二甲 基硅氧烷；(ii)占重量百分之十至三十之间的氢端二甲基硅氧烷；以及(iii)占 重量百分之3至7之间的三甲基硅土。在一些实施方案中，X介于30至90 之间；Y介于2至20之间；Z介于2至20之间。
透明壳体310。透明壳体310环绕设置在透明导电层412以及/或可选填 充体层330上。在一些实施方案中，透明壳体310由塑料或玻璃制成。在一 些实施方案中，在被适当地改变以如下所述进一步包装之后，细长太阳电池 402被密封在透明壳体310中。如图4A所示，透明壳体310装配在细长太阳 电池402的最外层上。在一些实施方案中，细长太阳电池402处于透明壳体 310内部，使得除了太阳电池的端部之外，相邻细长太阳电池402相互之间 不会电接触。可以使用诸如热收缩、注模成型、真空装载等方法来构造透明 壳体310，使得其将氧及水排除在系统之外，同时提供与下部细长太阳电池 402的互补配合。在一些实施方案中，例如在图14中所示的透明壳体310被 用于覆盖细长太阳电池402。
透明壳体310的可行几何形状可包括圆柱形、半径尺寸远小于长度的各 种细长结构、面板状、具有弓形特征的、盒状、或者任何适于光伏生成的几 何形状。在一个实施方案中，透明壳体310为管状，具有中空芯。
在一些实施方案中，透明壳体310由聚氨脂聚合物、丙烯酸聚合物、聚 甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、含氟聚合物、硅、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、硅 胶、环氧化物、乙烯-醋酸乙烯(EVA)、全氟烷氧基氟碳(PFA)、尼龙/聚酰 胺、交联聚乙烯(PEX)、聚烯烃、聚丙烯(PP)、聚乙烯对苯二甲酸乙二醇 (PETG)、聚四氟乙烯(PTFE)、热塑共聚物(例如，通过乙烯及四氟乙烯 单体)聚合而获得的聚胺酯/聚氨脂、聚乙烯氯(PVC)、 或者聚偏氟乙烯(PVDF)、乙烯基、或其任意组合或变体制 成。
在一些实施方案中，透明壳体310具有多个透明壳体层。在一些实施方 案中，每个透明壳体均由不同材料构成。例如，在一些实施方案中，透明壳 体310包括第一透明壳体层及第二透明壳体层。取决于太阳电池的具体构 造，第一透明壳体层被设置在透明导电层412、可选填充体层330或阻水层 上。第二透明壳体层设置在第一透明壳体层上。
在一些实施方案中，每个透明壳体都具有不同特性。在一个示例中，外 部透明壳体层具有极佳的防UV特性，而内部透明壳体层具有极佳的防水特 性。此外，使用多透明壳体层可被用于降低成本并/或改进透明壳体310的整 体特性。例如，一个透明壳体层可由具有希望物理特性的昂贵材料制成。通 过使用一个或更多额外透明壳体层，可以减小昂贵透明壳体层的厚度，由此 实现材料成本的节省。在另一示例中，一个透明壳体层可具有极佳的光学特 性(例如，折射率等)，但非常重。通过使用一个或更多额外透明壳体层，可 以减小笨重透明壳体层的厚度，由此降低透明壳体310的整体重量。
可选的阻水层。在一些实施方案中，一个或更多阻水层包覆在太阳电池 402上，以防止水分子的破坏效果。在一些实施方案中，在沉积可选的填充 体层330并将细长太阳电池402装入透明壳体310中之前，将一个或更多阻 水层周向包覆在透明导电层412上。在一些实施方案中，在将细长太阳电池 402装入透明壳体310中之前使上述阻水层周向包覆在填充体层330上。在 一些实施方案中，使上述阻水层周向包覆在透明壳体310自身上。在设置阻 水层以将水分子从细长太阳电池402密封隔离的实施方案中，应当说明的 是，阻水层的光学特性不应干扰太阳电池402对入射太阳辐射的吸收。在一 些实施方案中，该阻水层由纯净硅、SiN、SiOxNy、SiOx或者Al2O3制成，其 中x及y是整数。在一些实施方案中，阻水层由Q型硅、倍半硅氧烷、D型 硅、或者M型硅制成。
可选的增透涂层。在一些实施方案中，可选的增透涂层也环绕设置在透 明壳体310上以使太阳电池的效能最大化。在一些实施方案中，在透明壳体 310上沉积了阻水层与增透涂层两者。在一些实施方案中，单层实现阻水层 及增透涂层两者的功效。在一些实施方案中，增透涂层由MgF2、氮化硅、 氮化钛、一氧化硅(SiO)、或者氮氧化硅制成。在一些实施方案中，存在超过 一层增透涂层。在一些实施方案中，存在超过一层增透涂层并且每层都由相 同材料制成。在一些实施方案中，存在超过一层增透涂层并且每层都由不同 材料制成。
在一些实施方案中，使用圆柱形磁电管溅射技术来构造多层太阳电池 402的一些层。在一些实施方案中，使用常规溅射方法或反应溅射方法在较 长管或带上构造多层太阳电池402的一些层。例如在Hoshi等人，1983，“Thin Film Coating Techniques on Wires and Inner Walls of Small Tubes via Cylindrical Magnetron Sputtering，”Electrical Engineering in Japan 103：73-80；Lincoln和 Blickensderfer，1980，“Adapting Conventional Sputtering Equipment for Coating Long Tubes and Strips，”J Vac.Sci.Technol.17：1252-1253；Harding，1977， “Improvements in a dc Reactive Sputtering System for Coating Tubes，”J Vac.Sci. Technol.14：1313-1315；Pearce，1970，“A Thick Film Vacuum Deposition System for Microwave Tube Component Coating，”Conference Records of 1970 Conference on Electron Device Techniques 208-211；以及Harding等人，1979， “Production of Properties of Selective Surfaces Coated onto Glass Tubes by a Magnetron Sputtering System，”Proceedings of the International Solar Energy Society 1912-1916中公开了用于长管及带的溅射包覆方法，通过引用将其内 容分别完整包含在本说明书中。
可选的荧光材料。在一些实施方案中，荧光材料(例如，发光材料、磷光 材料)包覆在太阳电池300的层表面上。在一些实施方案中，荧光材料包覆在 发光表面以及/或透明壳体310的外表面上。在一些实施方案中，荧光材料包 覆在透明导电氧化物412的外表面上。在一些实施方案中，太阳电池300包 括可选的填充体层330，并且荧光材料包覆在可选填充体层上。在一些实施 方案中，太阳电池300包括阻水层，并且荧光材料包覆在阻水层上。在一些 实施方案中，太阳电池300超过一个表面包覆有可选荧光材料。在一些实施 方案中，荧光材料吸收蓝色及/或紫外光，本申请的一些半导体结410并不使 用其将光转换为电，并且荧光材料发出可见及/或红外光，其可用于本申请的 一些太阳电池300的电生成。
荧光、发光、或磷光材料可吸收蓝色或UV范围内的光并发出可见光。 磷光材料、或磷通常包括适当的主体材料及活化材料。主体材料通常是锌、 镉、锰、铝、硅、或各种稀土金属的氧化物、硫化物、硒化物、卤化物或硅 酸盐。增加活化剂以延长发光时间。
在一些实施方案中，磷光材料被结合在本申请的系统及方法中以提高太 阳电池300的光吸收。在一些实施方案中，磷光材料被直接加到用于制造可 选透明壳体310的材料中。在一些实施方案中，使磷光材料与粘合剂混合以 用作透明涂层来如上所述包覆太阳电池300的各个外层或内层。
示例磷包括但不限于铜活化的硫化锌(ZnS:Cu)以及银活化的硫化锌 (ZnS:Ag)。其它示例磷材料包括但不限于硫化锌和硫化镉(ZnS:CdS)、铕活化 的锶氧化铝(SrAlO3:Eu)、镨及铝活化的锶氧化钛(SrTiO3:Pr，Al)、硫化钙和硫 化锶和铋((Ca5Sr)S:Bi)、铜及镁活化的硫化锌(ZnS:Cu，Mg)、或者其任何组 合。
本领域公知用于生成磷材料的方法。例如，在授权给Butler等人的美国 专利号2,807,587；授权给Morrison等人的美国专利号3,031,415；授权给 Morrison等人的美国专利号3,031,416；授权给Strock的美国专利号 3,152,995；授权给Payne的美国专利号3,154,712；授权给Lagos等人的美国 专利号3,222,214；授权给Poss的美国专利号3,657,142；授权给Reilly等人 的美国专利号4,859,361；以及授权给Karam等人的美国专利号5,269,966中 描述了用于制备ZnS:Cu或其它相关磷光材料的方法，这里通过引用将其内 容完整包含于本说明书中。在授权给Park等人的美国专利号6,200,497；授 权给Ihara等人的美国专利号6,025,675；授权给Takahara等人的美国专利号 4,804,882；以及授权给Matsuda等人的美国专利号4,512,912中描述了用于制 备ZnS:Ag或相关磷光材料的方法，这里通过引用将各文献内容完整包含于 本说明书中。通常，磷的持续性随波长的减小而延长。在一些实施方案中， 可以使用量子计量的CdSe或者类似磷光材料来获得相同效果。参见 Dabbousi等人，1995，“Electroluminescence from CdSe quantum-dot/polymer composites，”Applied Physics Letters 66(11)：1316-1318；Dabbousi等人，1997 “(CdSe)ZnS Core-Shell Quantum Dots：Synthesis and Characterization of a Size Series of Highly Luminescent Nanocrystallites，”J.Phys.Chem.B，101：9463- 9475；Ebenstein等人，2002，“Fluorescence quantum yield of CdSe:ZnS nanocrystals investigated by correlated atomic-force and single-particle fluorescence microscopy，”Applied Physics Letters 80：4033-4035；以及Peng等 人，2000，“Shape control of CdSe nanocrystals，”Nature 404：59-61；这里通过引 用将各文献完整包含于本说明书中。
在一些实施方案中，在本发明的可选荧光层中使用光学增亮剂。光学增 亮剂(也称为光学发亮剂，荧光发亮剂或荧光增白剂)是吸收电磁光谱中紫外 及紫色区域中的光，并再发射蓝色区域中的光的染料。这样的化合物包括二 苯乙烯(例如，反式-1，2-二苯乙烯或(E)-1，2-二苯乙烯)。另一个可被用于本申 请的可选荧光层中的示例光学增亮剂是伞形酮(7-羟基香豆素)，其也吸收光 谱的UV部分的能量。然后在可见光谱的蓝色部分中再发射该能量。在Dean， 1963，Naturally Occurring Oxygen Ring Compounds，Butterworths，London；Joule 和Mills，2000，Heterocyclic Chemistry，第4版，Blackwell Science，Oxford， United Kingdom；以及Barton，1999，Comprehensive Natural Products Chemistry 2：677，Nakanishi和Meth-Cohn编，Elsevier，Oxford，United Kingdom，1999中 给出了更多关于光学增亮剂的信息。
环绕设置。在本申请中，材料层连续地环绕设置在圆柱形衬底403上以 形成太阳电池。在这里，术语环绕设置并不意在表示各个上述材料层必须沉 积在下层上或太阳电池的形状为圆柱形。事实上，本申请给出了方法，通过 这些方法将上述层模制或以其它方式形成在下层上。此外，如以上对衬底 403的讨论中所讨论的，衬底及下层可具有数种不同的非平面形状的任意一 种。然而，术语环绕设置指上层设置在下层上由此在上层与下层之间不存在 空间(例如，不存在环形空间)。此外，在这里，术语环绕设置指上层设置在 下层的周长的至少50％的部分上。此外，在这里，术语环绕设置指上层沿下 层的长度的至少一半设置。
环绕地密封。在本发明中，术语环绕地密封并不意在表示上层或结构必 须沉积在下层或结构上。事实上，本申请给出了方法，通过这些方法，上述 层或结构(例如，透明壳体310)被模制或以其它方式形成在下层或结构上。 然而，术语环绕地密封指上层或结构设置在下层或结构上，使得在上层或结 构与下层或结构之间不存在空间(例如，不存在环形空间)。此外，在这里， 术语环绕地密封指上层设置在下层的整个周长上。在典型实施方案中，当其 围绕下层或结构的整个周长并沿下层或结构的整个长度环绕设置时，层或结 构环绕地密封下层或结构。但是，本申请包含其中环绕地密封层或结构并未 沿下层或结构的全长延伸的实施方案。
5.1.1 太阳电池单元组件
图4A示出了以共面方式排列以形成太阳电池组件400的三个太阳电池 单元300排列的剖视图。图4B提供了相对于图4A的线4B-4B的剖视图。在 图4中，将背电极404示出为实体圆柱形衬底。但是，在根据图4所示的一 些实施方案中，背电极并非实体圆柱形衬底，而是如图3B所示周向形成在 衬底403上的导电材料的薄层。图4中其它全部层均如图3B中所示。与图 3B类似，图4所示的实施方案中的填充体层330是可选的。
如图4A及4B所示，每个细长太阳电池402都具有相较于其剖面的直径 d更大的长度。图4A中所示的结构的优点在于不存在会遮挡太阳电池402的 前侧端子。在公知装置中存在上述前侧端子(例如，图2B中的元件10)。图 4A中所示的结构的另一优点在于细长太阳电池402是串联而非并联电连接。 在这种串联结构中，各个细长太阳电池402的电压相加。这有助于增大系统 的电压，由此相对于可比较的并联结构可保持较低电流，将阻抗损耗最小 化。通过如图4A及图4B所示来设置细长太阳电池402的全部或一部分，可 以保持串联电连接设置。图4A中所示的结构的另一优点在于系统的阻抗损 耗低。这是因为电路的各个电极部件均由高导电材料制成。例如，如上所 述，各个太阳电池402的导电芯404由诸如金属的导电材料制成。可替代 地，当导电芯404并非实体，而是包含环绕沉积在衬底403上的背电极层 时，背电极层404高度导电。不论背电极404是图4中所示的实体结构或是 图3B所示的薄层，上述背电极404均传输电流而没有可察觉的因阻抗导致 的电流损耗。虽然较大导电芯404(图4)及/或较厚背电极404(图3B)可确保低 阻抗，但包含上述较大导电芯404的透明导电层必须将电流进一步传输到端 子(对电极带或引脚)420。因此，导电芯404及/或衬底403的尺寸存在上限。 考虑到各种因素，在本申请的一些实施方案中，直径d介于0.5mm至20 mm之间。因此，导电芯404(图4)及/或衬底403(图3B)成形使得其足够大以 传输电流而不存在可察觉的阻抗损耗，同时也足够小以允许透明导电层412 有效地将电流传输至对电极带420。
图4A中所示结构的有利的低阻抗特性也通过对电极带420的高导电特 性来实现。但是，在一些实施方案中，并未使用对电极带。此外，还使用单 片集成电路结构，例如在2006年3月18日递交的美国专利申请号 11/378,835中所公开的，通过引用将其全部内容结合在本说明书中。
在一些实施方案中，对电极带420由例如导电环氧化物(例如，银环氧化 物)或导电墨水等来构成。例如，在一些实施方案中，通过将薄金属层沉积在 合适的衬底上然后使层形成为一系列平行带从而形成对电极带420。如图4D 所示，沿太阳电池402的长度利用导电环氧化物来将对电极带420固定至太 阳电池402。在一些实施方案中，对电极带420直接形成在太阳电池402 上。在其它实施方案中，如图3B所示，对电极带420形成在外透明导电层 412上。在一些实施方案中，对电极带420与电极433之间的连接以图4B所 示的串联形式建立。
图4A中所示的结构的另一优点在于半导电结410的吸收器层(例如，图 5的层502、510、520或540)的路径长度平均比具有相同宽度但为平面构造 的相同类型吸收器层的路径长度更长。因此，图4A中所示的细长结构允许 相对于类似平面太阳电池对应物设计更薄的吸收层。在细长结构中，因为通 过层的路径长度变长，更薄的吸收层吸收光线。因为吸收层相对于可比较的 平面太阳电池更薄，故阻抗更低，并且由此相对于类似的平面太阳电池提高 了电池的整体效率。较薄的吸收层仍然能够吸收足够量的光，它的其它优点 在于上述吸收层要求较少的材料，因此更廉价。此外，较薄的吸收层可以被 更快地制造，由此进一步降低了制造成本。
图4A中所示的细长太阳电池402的另一优点在于相较于可比较平面太 阳电池，其具有相对较小的表面积，并且其在示出的实施方案中径向对称。 但未示出的实施方案并非必须径向对称。每一种这些特性都允许对形成半导 体结410所需的掺杂半导体层进行可控沉积。比常规平板太阳电池的表面积 小，意味着在沉积半导体结410各层的过程中其更易于在表面上完成均匀的 蒸发。可在制造电池过程中采用径向对称，以确保组成均匀(例如，均匀的材 料组成，均匀的掺杂浓度等)及/或半导体结410各个层的厚度均匀。例如， 导电芯404(在其上沉积各层以制造太阳电池402)可在上述沉积过程中沿 其纵向轴旋转，以确保在太阳电池径向对称的实施方案中材料组成均匀及/或 厚度均匀。如上所述，并非本申请的全部实施方案都采用径向对称。
在图4B中，太阳电池402的剖面形状大致为圆形。在其它实施方案 中，使用具有四边形剖面或椭圆形剖面等的太阳电池402。事实上，在本申 请的太阳电池402的剖面形状上并没有任何限制。在一些实施方案中上，太 阳电池402整体上维持大致棒状的形状，其中其长度远大于其直径，并且其 具有一些形式的剖面径向对称或大致剖面径向对称。在一些实施方案中，太 阳电池402特征在于与衬底403的描述相结合的上述任何剖面。
如图4A所示，在一些实施方案中，第一及第二细长太阳电池(棒状太阳 电池)402通过将第一细长太阳电池402的背电极404(第一电极)与第二细长太 阳电池402的相应对电极带420连接的电端子433而串联电连接。因此，如 图4A所示，细长太阳电池402是分别形成细长太阳电池402的半导体层 410、透明导电层412、以及金属导电芯404的基本单元。在一些实施方案 中，细长太阳电池402相互平行或接近平行地倍增排列，并置于彼此电隔离 的独立引脚(对电极)420上。有利的是，在图4A所示的结构中，细长太阳电 池402可直接从透明壳体310接收光线。
在一些实施方案中，并非400中的全部细长太阳电池402均串联电连 接。例如，在一些实施方案中，存在并联电连接的成对细长太阳电池402。 通过使用将第一细长太阳电池的导电芯404与第二细长太阳电池连接的第一 电端子(例如，电导线等，未示出)，第一与第二细长太阳电池可并联电连 接，由此成对。为了完成并联电路，通过直接或通过第二电端子(未示出)接 触两个细长太阳电池的透明导电层，第一细长太阳电池402的透明导电层 412电连接至第二细长太阳电池402的透明导电层412。然后串联电连接成对 的细长太阳电池。在一些实施方案中，三个、四个、五个、六个、七个、八 个、九个、十个、十一个或更多细长太阳电池402并联电连接。这些细长太 阳电池402的并联组然后串联电连接。
图4C是图4B的区域4C的放大，其中背电极404以及透明导电层412 的一部分已经被切开以示出对电极带420、电极433、背电极404、半导体层 410、以及透明导电层412之间的位置关系。此外，图4C示出了电端子433 如何将一个细长太阳电池402的背电极404接合至另一太阳电池402的对电 极420。
图4所示结构的一个优点在于将太阳电池402串联连接在一起的电端子 433仅需要被设置在组件400的一端，如图4B所示。但是，封装将各个太阳 电池402从相邻太阳电池402的不希望的电端子屏蔽开，由此使得封装相对 简单。因此，参考图4D，其是围绕图4B的线4D-4D所截取的细长太阳电池 402的剖视图，如图所示，利用透明壳体310完全密封太阳电池402的远端 455。在一些实施方案中，该密封中的层与沿长度环绕设置在导电芯404上 的层相同，即，在导电芯404及/或衬底403、半导体结410、可选的薄本征 层(i-层)415、以及透明导电层412上按顺序沉积。在上述实施方案中，端部 455可接收阳光，由此有利于太阳电池402的发电特性。在一些实施方案 中，透明壳体310在太阳电池402两端开口，由此电端子可从太阳电池的任 一端伸出。
图4D也示出了在这些实施方案中沉积在导电芯404上的各个层是如何 在具有电端子433的端部466处形成锥形的。例如，背电极404的末端部分 如图4D所示暴露。换言之，半导体结410、可选的i-层415、以及透明导电 层412从导电芯404的末端部分剥离。此外，半导体结410的末端部分如图 4D所示暴露。即，可选的i-层415以及透明导电层412从半导体结410的末 端部分剥离。导电芯404、半导体结410、可选的i-层415、以及透明导电层 412的剩余部分被透明壳体310包覆。因为其可防止透明导电层412与导电 芯404之间发生短路，故上述构造是有利的。在图4D中，细长太阳电池402 布置在对电极带420上，其然后抵抗电阻透明壳体310进行定位。但是，不 要求将电极带420与电阻透明壳体310接触。事实上，在一些实施方案中， 细长太阳电池402以及其相应对电极带420被密封在透明导电层412内，使 得不存在不希望的电接触。在上述实施方案中，太阳电池402以及相应的对 电极带420被诸如乙烯-醋酸乙烯或硅的密封剂固定在位。在根据本申请的一 些实施方案中，利用安装至太阳电池402两侧的金属线来替代对电极带 420。在根据本申请的一些实施方案中，太阳电池402采用分段设计来消除 对额外线或带状对电极的需求。在于2006年3月18日递交的发明名称为 “Monolithic Integration of Cylindrical Solar Cells”的共同未决美国专利申请 序列号11/378,847中公开了分段太阳电池设计的详细内容，通过引用将其全 部内容包含于本说明书中。
图4D还提供了将细长太阳电池402串联连接的电端子433的立体图。 例如，第一电端子433-1与对电极420电交界，而第二电端子433-2与背电 极404(细长太阳电池402的第一电极)电交界。第一电端子433-1将细长太阳 电池402的对电极串联连接至另一细长太阳电池的背电极404。如图4B所 示，第二电端子433-2将细长太阳电池402的背电极404串联连接至另一细 长太阳电池402的对电极带420。如图3B所示，无论背电极404自身是否是 实体圆柱形衬底或是衬底403上的导电材料层，上述电构造均是可行的。每 个太阳电池402均被透明壳体310包覆。
此外，图4D提供了封装后的太阳电池402，其中可选的填充体层330以 及透明壳体310覆盖太阳电池，仅留下一端466以建立电连接。应当理解， 在一些实施方案中，可选的填充体层330及透明壳体310被设置成使得细长 太阳电池402的两端(例如，图4D中的455及466)均可建立电接触。
图7A示出了根据本发明的另一实施方案的太阳电池组件700。太阳电 池组件700包括多个细长太阳电池402，每个均被封装在透明壳体310中。 多个细长太阳电池中的每个细长太阳电池402均具有被设置作为第一电极的 背电极404。在图7A所示的实施方案中，背电极404是实体圆柱形导电衬 底。但是，在根据图7的可选择实施方案中，与图3B的情况类似，背电极 404是沉积在中空形衬底上的导电材料薄膜。图7所示的原理可应用至各种 形式的背电极404。在图7中，半导体结410环绕设置在导电芯402上，透 明导电层412环绕设置在半导体结410上。在一些实施方案中，多个细长太 阳电池402几何学地平行或接近平行排列，由此形成具有第一面(面向组件 700的733一侧)以及第二面(面向组件700的766一侧)的平面阵列。安置多 个细长太阳电池使得多个细长电池中的一个或更多细长太阳电池不会与相邻 细长太阳电池接触。在一些实施方案中，安置多个细长太阳电池使得多个细 长太阳电池中的各个细长太阳电池均不会直接接触(通过透明导电层412)相 邻的细长太阳电池402。在一些实施方案中，安置多个细长太阳电池使得多 个细长太阳电池中的各个细长太阳电池均不会直接接触相邻细长太阳电池 402的外部透明壳体310。
在一些实施方案中，存在第一槽777-1以及第二槽777-2，其分别在太阳 电池402的相对两侧纵向存在。在图7A中，一些但并非全部槽777被标 出。在一些实施方案中，在太阳电池的一个或两个槽内存在对电极420。在 图6A所示的实施方案中，在多个太阳电池中的每个太阳电池的第一及第二 槽内存在纵长匹配的对电极。上述构造是有利的，因为其缩短了将电流引离 透明导电层412的路径长度。换言之，在其到达对电极420之前电流在透明 导电层412中必须行进的最大长度是透明导电层412的周长的四分之一。相 反，在仅存在与给定太阳电池402相连的单一对电极带420的构造中，在到 达对电极带420之前电流在透明导电层412中必须行进的最大长度是透明导 电层412的周长的整整一半。本申请包含了具有较宽范围深度及形状特征的 槽777，并且并不限于图7A所示的槽777的形状。总而言之，沿太阳电池 402的长轴设置并且可容纳对电极带420的全部或一部分的任何槽形状777 均落入本申请的范围内。例如，在图7A未示出的一些实施方案中，各个槽 777被设计使得槽777的外形与对电极420紧密配合。
如图7A所示，存在多个金属对电极420，并且多个细长太阳电池中的 各个细长太阳电池402被接合至多个金属对电极中的至少第一相应金属对电 极420，使得第一金属对电极被安置在沿各个细长太阳电池纵长设置的槽 777内。此外，在图7A所示的太阳电池组件中，各个细长太阳电池402分别 被接合至第二相应金属对电极420，使得第二金属对电极被安置在沿各个细 长太阳电池402纵长设置的第二槽777内。如图7A进一步所示，第一槽777 与第二槽777位于各个细长太阳电池402的相对或大致相对两侧，并沿电池 的长轴行进。
在一些实施方案中，透明壳体310(诸如图14所示的透明壳体310)被 用来包围细长太阳电池402。因为使太阳电池单元402与空气隔离非常重 要，故在本申请的一些实施方案中，可选的填充体层330以图7A所示的方 式环绕设置在太阳电池402与透明壳体310之间。在一些实施方案中，填充 体层330可防止氧气及水渗入太阳电池402。在一些实施方案中，填充体层 330包括EVA或硅。在一些实施方案中，可选填充体层330是叠层，诸如于 2007年3月13日递交的、申请号待确定的、发明名称为“A Photovoltaic Apparatus Having a Laminate Layer and Method for Making the Same”、律师卷 号为11653-032-888的美国临时专利申请中所公开的叠层，通过引用将其全 部内容包含于本说明书中。在一些实施方案中，各个被包围的太阳电池402 被组装成图7A所示的平面阵列。多个细长太阳电池402设置以接收来自平 面阵列的两个面733及766的直接光照。
图7B提供了沿图7A的线7B-7B的剖视图。如图7A及7B所示，太阳 电池的排列使得其不会相互接触，并通过使用如下结合图7B所述的电端 子，串联电连接太阳电池402。尽管对每个太阳电池彼此分离地描绘以说明 透明壳体310的封装特征，但因为透明壳体310将太阳电池单元300的各个 太阳电池402与任何不希望的电接触隔离开，故不需要在太阳电池402之间 存在分隔距离。但是，对单独隔离的太阳电池单元300而言，也不要求空间 紧密或不存在空间地进行封装。事实上，透明壳体310的存在向太阳电池组 件提供了更多的灵活性。例如，在一些实施方案中，相邻太阳电池单元300 之间的距离是0微米或更大、0.1微米或更大、0.5微米或更大、或在1与5 微米之间，或最优地与太阳电池单元300的形状及尺寸相关联。
参考图7B，电端子788将一个细长太阳电池402的背电极404与不同太 阳电池402的相应对电极120进行电连接，从而实现太阳电池402之间的串 联电接触。图7B还示出了在一个太阳电池402中的金属导电芯404与半导 体结410的剖视图，以进一步示出太阳电池402的结构。
图7所示的太阳电池组件具有多个优点。首先，太阳电池402的平面排 列在组件中留下了几乎百分之零的遮挡。例如，组件可从两面733及766接 收直接光照。其次，在单独封装的太阳电池402彼此平行排列且不存在或存 在极小空间分隔的实施方案中，该结构完全自我支持。该组件的另一优点在 于其制造方便。与图2B所示的太阳电池不同，不需要玻璃上复杂的栅格或 透明导电氧化物。例如，为了将太阳电池402与其相应的对电极420组装在 一起以完成图7A所示的电路，对电极420(在其为线形式时)可以被导电环氧 化物包覆并滴在太阳电池402的槽777内使其硬化。
如图7B所示，导电芯404、半导体结410、以及透明导电层412在细长 太阳电池402的端部789处彼此平齐。相反，在端部799处，导电芯如图所 示相对于结410以及透明导电层412略微伸出。结410还在端部799处相对 于透明导电层412略微伸出。导电芯404在端部799处的伸出意味着导电芯 404的端部侧暴露(例如，未被半导体结410及透明导电层412覆盖)。该构造 的目的在于降低对电极420(或用于将对电极安装在槽777中的环氧化物)与透 明导电层412短路的几率。在一些实施方案中，对电极420的暴露表面区域 的全部或一部分利用电绝缘材料遮蔽以降低电短路的几率。例如，在一些实 施方案中，对电极420在图7B的盒状区域中的暴露表面区域被电绝缘材料 遮蔽。
图7所示组件的另一优点在于对电极420可具有更高的导电性而没有遮 挡。换言之，对电极420可具有基本的剖面大小(例如，当太阳电池402具有 6mm直径时，对电极420的直径为1mm)。因此，对电极带420可传输相当 大的电流，因此线可以尽量长，从而可以制造相对更大的面板。
太阳电池402之间的串联连接可以图7B所示方式位于成对太阳电池402 之间。但是，本申请并不限于此。在一些实施方案中，将两个或更多太阳电 池402分组在一起(例如，以并联方式电连接)以形成成组太阳电池，由此将 太阳电池组相互串联连接。因此，太阳电池之间的串联连接可以是在太阳电 池组之间，其中上述组具有任何数量的太阳电池402(例如，2、3、4、5、6 个等)。但是，图7B示出了各个端子788仅串联一对太阳电池402的优选实 施方案。
图7B所示的组件的另一优点在于透明壳体310环绕设置在太阳电池402 上。在一些实施方案中，可选的填充体层330位于太阳电池402的外表面与 透明壳体310的内表面之间。尽管图7B仅示出了位于相邻太阳电池单元300 的一端处的电路，但可以在太阳电池单元300的两端处或在太阳电池300的 两端之间建立电路。
根据本发明的太阳电池设计的优点在于，各个太阳电池402被透明壳体 310分别封装。透明壳体310至少部分透明，并由诸如塑料或玻璃的非导电 材料制成。因此，根据本发明制造的太阳电池组件不需要在各个太阳电池 402之间放置纵向绝缘体。太阳电池组件700的另一实施方案是组件一侧的 透明导电层或金属栅格不存在额外吸收损耗。此外，太阳电池组件700在两 侧733及766上暴露相同的性能或吸收器区域。这使得组件700对称。
组件700的另一优点在于全部电端子788的端部处于同一水平(例如，处 于图7A的线7B-7B的平面中)。因此，易于连接并焊接，在端部浪费非常小 的衬底区域。这简化了太阳电池402的构建，同时有助于提高太阳电池组件 700整体效能。因为焊接可以更小，故效能的提高更显著。
尽管在图7中未示出，但在根据图7的一些实施方案中，存在本征层 415，在多个细长太阳电池402中的细长太阳电池402中，其环绕设置在半导 体结410与透明导电层412之间。本征层415可由未掺杂透明氧化物诸如氧 化锌、金属氧化物、或任何高度绝缘的透明金属制成。在一些实施方案中， 组件700中太阳电池402的半导体结410包括内共轴层及外共轴层，其中外 共轴层包括第一导电类型而内共轴层包括第二相反导电类型。在示例性实施 方案中，内共轴层包括铜-铟-镓-硒(CIGS)，而外共轴层包括In2Se3、In2S3、 ZnS、ZnSe、CdInS、CdZnS、ZnIn2Se4、Zn1-xMgxO、CdS、SnO2、ZnO、 ZrO2或掺杂ZnO。在图7未示出的一些实施方案中，太阳电池402中的导电 芯404是中空的。
图8示出了本申请的太阳电池组件800，其与本申请的太阳电池组件 700相同，除了透明导电层412被沿太阳电池402的长轴设置并将透明导电 层412完全切割的阻断810打断。在图8所示的实施方案中，存在两个沿太 阳电池402的长度设置的阻断810。上述阻断810的作用是将太阳电池组件 800中与各个太阳电池402相关联的两个对电极420电隔离。存在很多制造 阻断810的方式。例如，可以使用激光或HCl蚀刻。
在一些实施方案中，在组件800中，并非所有细长太阳电池402均串联 电连接。例如，在一些实施方案中，存在并联电连接的成对细长太阳电池 402。通过使用将第一细长太阳电池的导电芯404与第二细长太阳电池连接 的第一电端子(例如，未示出的电导线等)，第一与第二细长太阳电池可以并 联电连接，并由此成对。为了完成并联电路，第一细长太阳电池402的透明 导电层412直接或通过第二电端子(未示出)接触两个细长太阳电池的透明导 电层而电连接至第二细长太阳电池402的透明导电层412。成对细长太阳电 池然后串联电连接。在一些实施方案中，三个、四个、五个、六个、七个、 八个、九个、十个、十一个或更多细长太阳电池402并联电连接。这些细长 太阳电池402的并联组然后串联电连接。
在一些实施方案中，例如图14所示的透明壳体310被用于封装细长太阳 电池402。因为从太阳电池402排除空气很重要，故可以使用填充体层330 来防止太阳电池402的氧化。如图8所示，填充体层330(例如EVA)可防止 氧气及水渗入太阳电池402。填充体层设置在太阳电池402与透明壳体310 的内层之间。在一些实施方案中，如图8所示各个包装太阳电池402被组装 在平面阵列中。
图9示出了本申请的太阳电池组件900，其中背电极404是中空的。事 实上，在本发明的任何实施方案中背电极404都可以是中空的。中空背电极 404设计的一个优点在于其降低了太阳电池组件的整体重量。当存在纵向延 伸通过背电极404的全部或部分的通道时，背电极404是中空的。在一些实 施方案中，背电极404是金属管。在一些实施方案中，背电极404是导电材 料(例如，钼)薄层，其沉积在图3B所示的衬底403上。在一些实施方案中， 衬底403由玻璃或以上结合衬底403一般性描述的任何材料。
在一些实施方案中，并非组件900中的全部细长太阳电池402均串联电 连接。例如，在一些实施方案中，存在并联电连接的成对细长太阳电池 402。成对细长太阳电池然后串联电连接。在一些实施方案中，三个、四 个、五个、六个、七个、八个、九个、十个、十一个或更多细长太阳电池 402并联电连接。这些细长太阳电池402的并联组然后串联电连接。
在一些实施方案中，例如图14所示的透明壳体310可被用于环绕覆盖细 长太阳电池402。因为难以将空气从太阳电池402排除，故可以使用额外的 密封剂来防止太阳电池402氧化。或者，如图9所示，可以使用可选的填充 体层330(例如，EVA或硅等)来防止氧气及水渗入太阳电池402。在一些实 施方案中，单独封装的太阳电池402如图9所示被组装为平面阵列。图10示 出了本申请的太阳电池组件1000，其中对电极420，透明导电层412以及半 导体结410以示出的方式穿透以形成两个并联的独立结。在一些实施方案 中，无论是否存在可选的填充体层330，透明壳体310(例如图14所示的) 可被用于封装细长太阳电池402。
图15示出了根据本申请的细长太阳电池402。透明壳体310包围细长太 阳电池402，仅留下电极420的端部暴露以建立合适的电连接。细长太阳电 池402的端部被剥光并且暴露导电层404。如在先前实施方案中一样，背电 极404作为组件中的第一电极，并且各个细长太阳电池402的外表面上的透 明导电层412起对电极的作用。但是，在图15示出的根据本申请的一些实施 方案中，安装至细长太阳电池402的向外伸出的对电极420及电极440提供 了方便的电连接。
在图15所示的常规实施方案中，存在分别在细长太阳电池402的相对两 侧分别纵长设置的第一槽677-1及第二槽677-2。在一些实施方案中，对电极 420以图15所示的方式安装在槽677中。通常，利用导电墨水或导电胶将上 述对电极420粘在槽677中。例如，可以使用CuPro-Cote(可从Lessemf.com， Albany，New York购得)，其是使用非氧化铜作为导体的可喷射型金属喷涂系 统。在一些实施方案中，对电极420装配在槽677中，然后使用导电墨水或 导电胶。与在先前实施方案中类似，本发明包括具有较宽范围深度及形状特 征的槽677，并且绝不应限于图15所示的槽677的形状。总而言之，沿第一 太阳电池402的长轴行进并且可容纳对电极420的全部或一部分的任何类型 的槽677都落入本发明的范围内。对电极420从结合层410/(415)/412导电。 在细长太阳电池402两端处的区域，对电极420如图15所示被覆盖从而与导 电层404电隔离。但是，伸出对电极420的端部未被覆盖，因此其能够与其 它器件电接触。在一些实施方案中，不存在槽677及对电极420。例如，在 一些实施方案中，使用例如在于2006年3月18日递交的美国专利申请号 11/378,835中公开的单片集成电路设计，将其全部内容包含在本说明书中。
在图15所示的实施方案中，第二组电极440连接至暴露的背电极404。 第二组电极440从背电极404导电。如图15所示，本发明的实施方案具有两 个电极440，安装在细长太阳电池402两个相对端部。通常，利用导电墨水 或导电胶将电极440粘在背电极404上。例如，可以使用CuPro-Cote。在一 些实施方案中，电极440粘至层404，然后应用导电墨水或导电胶。应当格 外小心，不要使电极440与层410/(415)/412电接触。此外，本发明中的电极 440具有较宽范围的长度、宽度及形状特征，并且绝不限于图15所示的形 状。在图15所示的实施方案中，位于细长太阳电池402的相对端部处的两个 电极440并不位于太阳电池的同一侧。第一电极440位于细长太阳电池402 的底侧，而第二电极440位于细长太阳电池402的顶侧。上述设置有助于太 阳电池的串联连接。在根据本发明的一些实施方案中，两个电极440可位于 细长太阳电池402的同一侧。
在一些实施方案中，各个电极440分别由连接至导电层404/1304的导电 材料薄带制成(图15)。在一些实施方案中，各个电极440分别由导电金属(例 如，铜、铝、金、银、钼或其合金)带或导电墨水制成。如将结合以下附图所 描述的，使用对电极420及电极440来优选地串联电连接细长太阳电池 402。但是，上述对电极是可选的。
5.1.2 透明壳体
如图3A至3C所示的透明壳体310将太阳电池402密封以对太阳电池提 供支撑及保护。透明壳体310的尺寸及形状由太阳电池组件单元402中各个 太阳电池402的尺寸及形状决定。透明壳体310可以由玻璃、塑料或任何其 它合适材料制成。可用于制造透明壳体310的材料的示例包括但不限于玻璃 (例如，钠钙玻璃)、诸如聚甲基丙烯酸甲酯的丙烯酸树脂、聚碳酸酯、含氟 聚合物(例如，Tefzel或Teflon)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，Tedlar或一 些其它合适的透明材料。以下描述用于制造透明壳体310的示例方法。在一 些实施方案中，透明壳体310是其中填充了太阳电池的管状玻璃棒。然后利 用以液体或半液体形式倒入透明壳体310的填充体层330来密封太阳电池， 由此密封装置。
5.1.2.1 透明壳体结构
在一些实施方案中，利用吹塑方法来构造透明壳体310。吹塑方法包括 将挤出或再加热的聚合物软管的两端夹紧，利用吹气销对模制壁充入聚合 物，并且通过容器中的易挥发液体的传导或蒸发来冷却产品。三种常规吹塑 方法是挤出吹塑法、注吹塑法、以及拉伸吹塑法。美国专利号237168描述 了吹塑的过程(例如，图6A中的602)。可用于制造透明壳体310的其它吹塑 法包括低密度聚乙烯(LDPE)吹塑法、高密度聚乙烯(LDPE)吹塑法以及聚丙烯 (PP)吹塑法。
挤出吹塑法。如图6A所示，挤出吹塑法包括型坯(例如，图6A中的 602)以及在型坯上关闭的侧模(例如，图6A中的604)。在挤出吹塑法(EBM) 中，材料被熔化并被挤入中空管(例如，图6A所示的型坯)。然后通过将其封 闭在冷却金属模具中来固定型坯。然后将空气吹入型坯，将其充气成为中空 瓶、容器或部件。在已经充分冷却了材料之后，打开模具并将部件弹出。
EBM处理由型坯602的连续或间隔挤出组成。由此可划分EBM设备的 类型。常规连续挤出设备通常包括旋转轮吹塑系统以及从型坯运输最终产品 的穿梭机构。示例间隔挤出机构包括往复螺杆机构以及储料式机头机构。诸 如PP、HDPE、PVC以及PET的基本聚合物与诸如EVOH或Nylon的高阻 隔性树脂持续共同挤出以实现对水、氧、CO2或其它物质的渗透阻挡。
与注塑比较，吹塑是低压工艺，通常吹气压力为25至150psi。该低压 工艺允许制造经济的低力夹，同时仍然可以生产出具有范围从高光泽至纹理 化的表面镀层的部件。模制部件中的低应力也有助于使容器抵抗张力及环境 应力裂缝。
注吹塑法。在注吹塑法(IBM)中，如图6B所示，材料注模在芯销(例 如，图6B中的612)上，然后芯销被转动至吹塑站(例如，图6B中的614)以 被充气并冷却。该工艺分为三个步骤：注入、吹气及弹出。常规IBM机构基 于挤出机桶及熔化聚合物的螺杆组件。熔融聚合物被饲喂进入歧管，在该位 置其通过喷嘴注入中空加热预形成模具中(例如，图6B中的614)。预形成模 具形成外部形状并被夹在形成预成型的内部形状的心轴(芯棒，例如，图6B 中的612)周围。该预成品由连接了聚合物厚管的完全形成的瓶/罐颈组成，该 厚管将形成主体。
预成形模具打开并且芯棒转动并夹入中空冷却的吹气模具。芯棒612打 开并允许压缩空气进入预成品614，将其充气至最终成品形状。在冷却周期 之后，吹气模具打开并且芯棒转动至弹出位置。最终成品从芯棒剥去并在包 装之前经过渗漏测试。预成品及吹气模具可具有很多腔，根据成品尺寸及要 求的输出，通常为三个至十六个。存在三组芯棒，其允许同时的预成品注 入、吹塑以及弹出。
拉伸吹塑法。拉伸吹塑(SBM)工艺中，如图6C所示，利用注吹塑工艺， 材料首先被模制成“预成品”，例如，图6C中的628。常规SBM系统包括 拉伸吹气销(例如，图6C中的622)、空气入口(例如，图6C中的624)、模具 排气口(例如，图6C中的626)、预成品(例如，图6C中的628)以及冷却槽(例 如，图6C中的632)。首先制成具有瓶颈的预成品，包括在一端上的螺纹 (“粗糙”)。这些预成品被包装，随后在冷却之后被饲喂进入EBM吹塑机 构。在SBM工艺中，通常利用红外加热器将预成品加热至其玻璃转变温度 之上，然后使用金属吹气模具利用高压空气将其吹成瓶。通常，利用芯棒作 为工艺的一部分来拉伸预成品(例如，图6C中的位置630)。一些诸如PET(聚 对苯二甲酸乙二醇酯)的聚合物的拉伸导致树脂的应变硬化，由此使得瓶在因 碳酸饮料导致的压力下不至于形变，该压力通常接近60psi。
图6C示出了中空模具内的变化。首先利用拉伸棒机械拉伸预成品。当 棒向下行进时，5至25bar(70至350psi)的低压空气被引入，吹出“气 泡”。一旦拉伸棒完成延伸，高达40bar(580psi)的高压空气就将扩展的气泡 吹出吹气模具的形状。
塑料管制造。在一些实施方案中，透明壳体310由塑料而非玻璃制成。 在这样的实施方案中，透明壳体310的制造不同于玻璃透明壳体的制造，即 使基本制模机构保持相同。常规塑料透明壳体制造工艺包括下述步骤：挤 出、预锻(heading)、装饰以及封盖，其中后两步是可选的。
在一些实施方案中，利用挤出吹塑法来制造透明壳体310。将树脂的混 合物置入挤出器漏斗中。当树脂饲喂通过时对挤出器的温度进行控制以确保 树脂的适当熔化。通过一组装在与挤出器连接的直角剖面内的成型模具来挤 出材料。成型模具控制透明壳体310的形状。形成的塑料套在吹气或水浴中 冷却并在移动带上硬化。在冷却步骤之后，形成的塑料套可被旋转刀具切割 为给定长度。
成型模具控制透明壳体310的形状。在根据本发明的一些实施方案中， 如图14所示，成型模具为定制的，使得透明壳体310的形状与太阳电池单元 402的形状互补。成型模具还控制透明壳体310的壁厚。在根据本申请的一 些实施方案中，透明壳体310具有2mm或更厚、1mm或更厚、0.5mm或 更厚、0.3mm或更厚或者介于0至0.3mm的任意厚度的壁厚。
在制造一端开口的透明壳体期间，可通过三种方式之一来实现制造工艺 的平衡。常规方法是压力“向下(downs)”处理，将头成型在管上。在该处理 中，套管被置在传输机上，该传输机将其带到预锻操作，此时头的肩部被接 合至管的主体，同时形成螺纹。然后将套管置在心轴上并将其向下传输至段 塞(slug)拾取站。热熔带或段塞被熔融在套管的端部上然后被传输到制模站 上。此时，在一个操作中，在套管的端部模制肩的角度、螺纹及孔口。然后 冷却头，将其从模具移除，并传输进入销传输器。在美国使用并在世界范围 内公知其它两种预锻方法：将头注塑至套，以及另一压塑法，通过该方法树 脂材料的熔融圈而非热熔带或段塞被投入模具站中。具有一开口端的透明壳 体适于包装图3、4、7、8、9、10或11所示的太阳电池实施方案。具有两端 开口的塑料管可被用来包装图3及图15所示的太阳电池实施方案。
然后将预锻透明壳体传输至储料器。储料器设计用于平衡预锻与装饰操 作。从这里开始，透明壳体310可进入装饰操作。用于压制的墨水被预混合 并被置于源头。此时，通过一系列辊将墨水传印到板上。板然后与橡胶毯接 触，拴取墨水并将其传输到透明壳体310的外周上。通过紫外光或加热来使 湿墨水在管上硬化。在根据本申请的实施方案中，在管产品中需要透明性由 此颜色处理是不必要的。但是，可以使用类似方法来将保护涂层使用至透明 壳体310上。
在装饰之后，传输机将管传输至封盖站，在该位置盖被使用并扭转至顾 客的要求。对于本申请的范围而言，封盖步骤并非必须。
其它的玻璃制造方法。相对于塑料，玻璃是用于透明壳体310的优选材 料选择，因为玻璃提供了更好的防水性，因此提供了保护并有助于保持太阳 电池402的性能并延长太阳电池402的寿命。与塑料类似，可利用标准吹塑 技术将玻璃制成透明壳体310。此外，也可应用诸如浇铸、挤出、抽引、压 制、热收缩或其它制造工艺的技术以制造合适的玻璃透明壳体310以周向覆 盖并/或封装太阳电池402。在Madou，Fundamentals of Microfabrication，第6 章，第325-379页，第2版，CRC Press，New York，2002；Polymer Engineering Principles：Properties，Processes，and Tests for Design，Hanser Publishers，New York，1993；以及Lee，Understanding Blow Molding，第1版，Hanser Gardner Publications，Munich，Cincinnati，2000中讨论了模制技术，特别是用于微加工 的微模制技术，通过引用将其全部内容分别包含在本说明书中。
5.1.2.2 用于透明壳体的示例材料
玻璃制透明壳体。在一些实施方案中，透明壳体310由玻璃制成。在其 纯形态下，玻璃是透明的、相对强的、耐磨的、基本惰性的且无生物活性的 材料，其可形成非常光滑并且不能渗透的表面。本申请涵盖各种用于制造透 明壳体310的玻璃，在本部分中描述了其中一些，其它的是相关领域技术人 员已知的。常规玻璃包括约70％非晶二氧化硅(SiO2)，其与石英及其多晶形 式沙中的化学成份相同。在本申请的一些实施方案中使用常规玻璃来制造透 明壳体310。但是，常规玻璃易碎，并会破碎成锋利碎片。因此，在一些实 施方案中，通过加入成份或热处理，对常规玻璃的特性进行调整，或者使其 完全发生改变。
纯净二氧化硅(SiO2)具有约2000℃的熔点，并可被制造成用于特殊应用 的玻璃(例如，熔融石英)。两种其它物质可被加至常规玻璃以简化处理。一 种是苏打(碳酸钠Na2CO3)，或者等同的钾化合物碳酸钾，其将熔点降低至约 1000℃。但是，苏打使得玻璃可水溶，这是不希望的，因此石灰(氧化钙 CaO)是被加入的第三种组分以恢复不可溶性。生成的玻璃包含约70％二氧化 硅，并被称为钠钙玻璃。钠钙玻璃被用在本申请的一些实施方案中以制造透 明壳体310。
除了钠钙玻璃之外，大多数常规玻璃还添加了其它成分以改变其特性。 铅玻璃(诸如铅晶质玻璃或火石玻璃)更“灿烂”，因为增加的折射率产生了 可见的更多“火花”，而如同Pyrex中那样，可以添加硼以改变热及电特 性。添加钡也可提高折射率。氧化钍使得玻璃具有高折射率及低散射率，并 且从前用于制造高品质透镜，但因其放射性已经在现代玻璃行业被氧化镧替 代。大量铁被用于吸收红外能量的玻璃，例如用于电影投影机的吸热滤波 器，而氧化铈(IV)可被用于吸收UV波长的玻璃(生物破坏电离辐射)。具有一 种或更多这些添加剂的玻璃被用于本申请的一些实施方案以制造透明壳体 310。
玻璃材料的常规实例包括但不限于铝硅酸盐、硼硅酸盐(例如，Pyrex、 Duran、Simax)、二色性玻璃、锗/半导体玻璃、玻璃陶瓷、硅酸盐/熔融二氧 化硅、钠钙玻璃、石英玻璃、硫属化物/硫化物玻璃、cereated玻璃、以及氟 玻璃，并且透明壳体310可由任何这些材料制成。
在一些实施方案中，透明壳体310由诸如硼硅酸盐玻璃的玻璃材料制 成。用于硼硅酸盐玻璃的商品名称包括但不限于(Corning)、 (Schott Glass)以及(Kavalier)。与大多数玻璃类似，硼硅酸盐玻 璃的主要成份是SiO2，并添加了硼和其它各种元素。硼硅酸盐玻璃比诸如石 英的材料更易于热处理，使得制造成本更低。用于硼硅酸盐玻璃的材料成本 也比熔融石英相对较低。除了熔融石英之外，与大多数玻璃比较，硼硅酸盐 玻璃具有低膨胀系数，三倍低于钠钙玻璃。这使得硼硅酸盐玻璃可用于热环 境，而没有因热冲击而破碎的危险。与钠钙玻璃类似，可以使用飘浮工艺来 制造具有从小于1mm到超过30mm厚度的各个不同厚度的相对低成本的光 学质量片层硼硅酸盐玻璃。相对于石英，硼硅酸盐玻璃易于模制。此外，当 模制及火焰加工时，硼硅酸盐玻璃具有最低析晶性。这意味着当模制及滑塌 时可维持高品质表面。硼硅酸盐玻璃在高达500℃时热稳定用于持续使用。 硼硅酸盐玻璃也比家用钠钙玻璃对非氟化化学物质的抵抗性更强，并且比钠 钙玻璃的机械强度更强并更坚硬。硼硅酸盐通常比钠钙玻璃贵二至三倍。
钠钙及硼硅酸盐玻璃仅给出示例来说明当使用玻璃材料来制造透明壳体 310要考虑的各个方面。上述讨论对本申请的范围没有限制。事实上，可利 用玻璃来制造透明壳体310，例如铝硅酸盐、硼硅酸盐(例如， )、二色性玻璃、锗/半导体玻璃、玻璃陶瓷、硅酸盐/熔融二 氧化硅、钠钙玻璃、石英玻璃、硫属化物/硫化物玻璃、cereated玻璃、以及/ 或氟玻璃。
塑料制透明壳体。在一些实施方案中，透明壳体310由纯净塑料制成。 塑料是玻璃的廉价替代品。但是，塑料材料通常在受热下稳定性较差，具有 较差的光学特性并且不能防止水分子穿透透明壳体310。不防水的因素(如果 不调整)会损坏太阳电池402并严重的缩短其寿命。因此，在一些实施方案 中，当透明壳体310由塑料制成时，在部分5.1.1中描述的阻水层被用来防止 水渗入太阳电池402。
可以使用各种材料来制造透明壳体310，包括但不限于乙烯-醋酸乙烯 (EVA)、全氟烷氧基氟碳(PFA)、尼龙/聚酰胺、交联聚乙烯(PEX)、聚烯烃、 聚丙烯(PP)、聚乙烯对苯二甲酸乙二醇(PETG)、聚四氟乙烯(PTFE)、热塑共 聚物(例如，其通过乙烯及四氟乙烯的聚合而得到：单 体)、聚氨酯/聚氨脂、聚氯乙烯(PVC)、聚偏氟乙烯(PVDF)、Vinyl 以及
5.1.2.3 可获取透明管形产品的商业来源
存在许多购买或定制透明壳体310的商业来源。用于制造塑料或玻璃管 的技术已经被标准化，并且定制塑料或玻璃管可从多个公司商购到。在 GlobalSpec数据库(工程资料网络中心(www.globalspec.com；GlobalSpec Inc. Troy，New York))搜索“clear round plastic或glass tubing”，得到超过950项 目录产品。超过180个公司制造专用管路、管、软管及零件。例如， Clippard Instrument Laboratory，Inc.(Cincinnati，Ohio)提供薄至0.4mm的尼 龙、聚氨脂或塑料聚氨酯管。Coast Wire & Plastic Tech.，Inc.(Carson， California)制造商标名为SUMIMARKTM牌的聚偏氟乙烯纯净圆形塑料管制品 的综合流水线。该产品具有薄至0.3mm的壁厚。Parker Hannifin/Fluid Connectors/Parflex Division(Ravenna，Ohio)提供厚度为0.8mm或1mm的乙 烯、塑料聚氨酯、聚醚基或聚氨酯基纯净塑料管。还可从Pneumadyne，Inc (Plymouth，Minnesota)获得类似的聚氨酯产品。Saint-Gobain High-Performance Materials(U.S.A)还提供了厚度为0.8mm的30管产品流水线。Vindum Engineering，Inc.(San Ramon，California)还提供了厚度为0.8mm的纯PFA Teflon管。NewAge Industries，Inc.(Southampton，Pennsylvania)提供了具有1 mm或更薄的壁厚的63纯净圆形塑料管产品。特别地，VisiPak Extrusion (Arnold，Missouri)，Sinclair & Rush，Inc的分部，提供了薄至0.5mm的纯净圆 形塑料管产品。Cleartec Packaging(St.Louis，Missouri，MOCAP Inc的分部)制 造薄至0.3mm纯净圆形塑料管产品。
此外，还有很多公司可以根据顾客要求来定制纯净圆形塑料或玻璃管， 例如甚至具有更薄的壁的管。一些例子是Elasto Proxy Inc.(Boisbriand， Canada)、Flex Enterprises，Inc.(Victor，New York)、Grob，Inc.(Grafton， Wisconsin)、Mercer Gasket & Shim(Bellmawr，New Jersey)、New England Small Tube Corporation(Litchfield，New Hampshire)、Precision Extrusion，Inc. (Glens Falls，New York)以及PSI Urethanes，Inc.(Austin，Texas)。
5.1.3 将太阳电池组装在透明壳体中
在本申请中，消除了透明壳体310与太阳电池402之间的缝隙或空间以 避免诸如氧化等不利影响。因此，在本申请中，在透明壳体310的侧壁与太 阳电池402的外壁之间不存在空间。在一些实施方案中(例如，图3B)，设置 填充体层330以密封太阳电池402免受水或氧气的不利影响。在一些实施方 案中，可以去除填充体层330使得太阳电池402直接接触透明壳体310。
在一些实施方案中，可以使用通过玻璃或塑料或其它合适透明材料的定 制的透明壳体310来包装太阳电池402的相应实施方案，以实现密配合及更 好的保护。图14示出了透明壳体310的示例实施方案，其为图4、7、8、 9、10、11及13中所示的太阳电池实施方案提供合适的包装。
可将由透明壳体310独立包装的棒或圆柱形太阳电池402组装在任何形 状或尺寸的太阳电池组件中。在一些实施方案中，组件可以是两面阵列 400(图4)、700(图7)、800(图8)、900(图9)或1000(图10)。并不限制太阳电 池402的数量(例如，10个或更多、100个或更多、1000个或更多、10000个 或更多、5000至一百万个太阳电池402等)。
或者，除了单独包装然后组装在一起例如形成平面阵列之外，也可将太 阳电池402包装为阵列。例如，如图7C所示，可以将多个透明壳体制成熔 合阵列。对图7C中所示的组件中的透明壳体310的数量并无限制(例如，10 个或更多、100个或更多、1000个或更多、10000个或更多、5000至一百万 个透明壳体310等)。通过将细长太阳电池402(例如，图4A中的示例402)装 入壳体阵列中的全部或一部分透明壳体310来进一步完成太阳电池组件。
5.1.3.1 将具有填充体层的太阳电池组装在透明壳体中
在根据本申请的一些实施方案中，将其上包有填充体层的太阳电池402 组装在透明壳体310中。在根据本申请的一些实施方案中，填充体层330包 括一个或更多以下特性：电绝缘性、去氧化作用、防水性、以及/或在组装太 阳电池单元过程中对太阳电池402的透明导电层412的物理保护。
在根据本发明的一些实施方案中，利用图20A中示出的吸载方法来组装 细长太阳电池402、可选填充体层330、以及透明壳体310。由透明玻璃、塑 料或其它合适材料制成的透明壳体310在一端2202被密封。用于形成填充体 层330的材料(例如，硅胶)被倒入密封的透明壳体310。硅胶的示例是 Wacker  612(Wacker-Chemie GmbH，Munich，Germany)。Wacker  612是可倒、额外硬化、RTV-2硅橡胶，其在室温下硬化成软硅胶。 硅胶的另一示例是硅弹性体(Dow Corning)。硅胶的另一示例是 Wacker  601(Wacker-Chemie GmbH，Munich，Germany)。Wacker  601是可倒、加成型硫化、RTV-2硅橡胶。参考图22，硅可被视 为玻璃与有机线性聚合物之间的分子杂合物。如图22所示，如果不存在R 基团，仅存在氧，则结构是无机二氧化硅玻璃(称为Q型Si)。如果一个氧被 R基团(例如，甲基、乙基、苯基等)取代，则形成树脂或倍半硅氧烷(T型Si) 材料。这些倍半硅氧烷比Q型材料更具挠性。最后，如果两个氧原子被有机 基团取代，则获得挠性极高的线性聚合物(D型Si)。示出的最后的结构(M型 Si)具有由三个被R基团取代的氧原子，由此形成端盖结构。因为随着R基团 的加入，骨架链的挠性不断增加，故材料的模数以及其热膨胀系数(CTE)也 发生改变。在本申请的一些实施方案中，用于形成填充体层的硅是Q型硅、 倍半硅氧烷、D型硅或M型硅。然后将细长太阳电池402装入透明壳体 310。可将可选吸力施加在透明壳体310的开口端2004以将填充体材料向上 抽吸以完全填满太阳电池402与透明壳体310之间的空间。
在根据本申请的一些实施方案中，可利用在图20B中示出的压载方法来 组装细长太阳电池402、可选填充体层330、以及透明壳体310。由透明玻 璃、塑料或其它合适材料制成的透明壳体310被浸入容器2008中，容器 2008含有用于形成可选填充体层330的可选填充体层材料(例如，硅胶)。然 后将细长太阳电池402装入透明壳体310。将压力施加至填充体材料表面 2006以将填充体材料向上推以完全填满太阳电池402与透明壳体310之间的 空间。
在根据本申请的其它实施方案中，可利用在图20C中示出的倾倒-滑动 装载方法来组装细长太阳电池402、填充体层330以及透明壳体310。由透 明玻璃、塑料或其它合适材料制成的透明壳体310在一端2002被密封。含有 填充体材料(例如，硅胶)的容器2010被用于将填充体层材料倒入密封的透明 壳体310，同时将太阳电池402滑入透明壳体310。被倒入透明壳体310的填 充体材料填满太阳电池402与透明壳体310之间的空间。有利的是，被向下 倒入透明壳体310一侧的填充体材料提供润滑以便于滑动装载过程。
5.1.3.2 将没有可选填充体层的太阳电池集成进透明壳体中
在根据本申请的一些实施方案中，在不存在填充体层330的情况下将透 明壳体310装配在太阳电池402上。在这些实施方案中，壳体310可直接接 触太阳电池402。可通过使用下述方法之一来实现壳体310与太阳电池402 的密配合。应当理解，本部分所述的用于装配太阳电池单元300的方法可用 于被填充体层330包装的太阳电池402。
热收缩装载。在一些实施方案中，使透明壳体310热收缩在太阳电池 402上。可以使用热收缩方法来形成塑料及玻璃透明壳体310两者。例如， 可使用由聚烯烃、含氟聚合物(PVC、FEP、PTFE、 PVDF)、氯化聚 烯烃(Neoprene)以及高挠性弹性体可热收缩管制成的可热收缩塑料管 来形成透明壳体310。在这些材料中，含氟聚合物提供了易于滑动的提高的 润滑性，以及用于提高的尺寸稳定性的低潮气吸收性。至少三种这样的材料 是可商购获得的：PTFE(聚四氟乙烯)、FEP(氟化乙烯丙烯)以及PVDF(聚偏 氟乙烯，商品名)。透明可热收缩塑料管是可获得的。在一些实施方 案中，可获得处于2:1至3:1的可膨胀范围内的热收缩管。在一些实施方 案中，管材料的热收缩率低于2:1，例如，氟化乙烯-丙烯(FEP)为1.3:1。 在其它实施方案中，适用于制造透明壳体310的热收缩管可具有大于3:1的 热收缩率。
注入模制来构造透明壳体。在一些实施方案中，通过注入模制使透明壳 体310环绕设置在太阳电池402上。以上已经描述了方法的详细内容。在这 些实施方案中，可使用太阳电池402作为预制模具并且透明壳体310(例如， 由塑料材料制成)被直接形成在太阳电池402的外表面上。塑料材料不能完全 从太阳电池402密封隔离水分子。因为水会干扰太阳电池402的功能，故使 太阳电池402防水是非常重要的。在用塑料透明壳体310覆盖太阳电池402 的实施方案中，通过利用一层或更多层透明阻水涂料340来覆盖太阳电池 402或透明壳体310来实现以上目的(图21)。在一些实施方案中，太阳电池 402及透明壳体310两者均涂有一层或更多层透明阻水涂料340以延长太阳 电池单元300的工作寿命。在其它实施方案中，可选增透涂层350也被设置 在透明壳体310上以将太阳电池效能最大化。
液体包涂随后聚合化。在一些实施方案中，太阳电池402被浸入液状悬 浮液或树脂，随后暴露至催化剂或硬化剂以通过聚合过程形成透明壳体 310。在这些实施方案中，用于形成透明壳体310的材料包括硅、聚二甲基 硅氧烷(PDMS)、硅胶、环氧化物、丙烯酸树脂或其任意组合或变体。
5.1.4 用于透明壳体及可选填充体层的材料的光学及化学特性
为了使太阳辐射输入最大化，太阳电池402外的任何层(例如，可选的填 充体层330或透明壳体310)均不应不利地影响太阳电池上入射辐射的特性。 在优化太阳电池402的效能方面需要考虑多个因素。以下将参照太阳电池的 制造来详细描述几个重要因素。
透明度。为了实现向太阳电池吸收层(例如，半导体结410)的最大输 入，太阳电池402外任何层对入射辐射的吸收都应被避免或最小化。上述透 明性要求作为太阳电池402的下层半导体结410的吸收特性的函数而变化。 通常，透明壳体310及可选的填充体层330对于由半导体结410的吸收波长 应尽可能透明。例如，当半导体结410基于CIGS时，用于制造透明壳体 310及可选的填充体层330的材料对波长范围为500nm至1200nm的光应当 透明。
紫外稳定性。任何用于制造太阳电池402外层的材料都应化学稳定，特 别是，应在暴露至UV辐射时保持稳定。更具体地，在暴露至UV时，上述 材料不应变得较不透明。常规玻璃会部分阻挡UVA(波长为400及300nm)并 且其完全阻挡UVC及UVB(波长低于300nm)。玻璃的UV阻挡效果通常由 于玻璃中的添加剂，例如碳酸钠。在一些实施方案中，玻璃制透明壳体310 中的添加剂可使透明壳体310完全地UV防护。在这些实施方案中，因为透 明壳体310提供对UV波长的完全防护，故对下层可选的填充体层330的 UV稳定性要求降低。例如，当透明壳体310由UV防护玻璃制成时， EVA、PVB、TPU(聚氨脂)、硅、聚碳酸酯以及丙烯酸树脂可适于形成填充 体层330。或者，在一些实施方案中，在透明壳体310由塑料材料制成的情 况下，要求UV稳定性。
在一些实施方案中，对UV辐射敏感的塑料材料并不用作透明壳体 310，因为材料及/或可选的填充体层330的变黄会阻挡对太阳电池402的辐 射输入并降低其效能。此外，因UV暴露造成的透明壳体310的爆裂也会永 久地损坏太阳电池402。例如，诸如ETFE及THV(Dyneon)的含氟聚合物对 UV是稳定的并且高度透明，而PET虽然透明但UV稳定性不足。在一些实 施方案中，透明壳体310由基于四氟乙烯、六氟丙烯以及偏氟乙烯单体的含 氟聚合物制成。此外，聚氯乙烯(“PVC”或“vinyl”)(一种最常用的合成材 料)也对UV暴露敏感。已经研发出方法使PVC对UV稳定，但即使是UV 稳定的PVC通常其耐用性也不足(例如，在相对短时间使用之后PVC产品会 发黄并爆裂)。聚氨酯更适合，但取决于聚合物骨架的确切的化学特性。当聚 合物骨架由较低反应活性的化学基团(例如，脂肪族或芳香族)形成时，聚氨 酯材料稳定。另一方面，当聚合物骨架由较高反应活性的化学基团(例如，双 键)形成时，因为双键的UV催化断裂，会导致材料变黄。类似地，在连续暴 露至UV光时，EVA以及PVB将变黄。其它选择是聚碳酸酯(可在长达10年 的OD暴露下保持UV稳定)或丙烯酸树脂(固有UV稳定性)。
反射特性。参考图21，入射光L1到达透明壳体310的表面。入射光L1 的一部分作为L2被反射，而入射光L1的剩余部分(例如，图21中的折射光 L3)行进通过透明壳体310。在根据本申请的一些实施方案中，折射光L3直接 到达太阳电池402的透明导电层412(例如，当不存在可选填充体层330时)。 或者，如图21所示，当存在填充体层330时，L3到达填充体层330的外表 面，并且与L1到达透明壳体310的表面时一样，重复进行反射及折射过程， 其中一些L3反射进入填充体层330，而一些L3被填充体层330折射。
为了使太阳辐射输入最大化，在一些实施方案中使透明壳体310的外表 面处的反射最小化。增透涂层作为独立层350或与阻水层340组合，可被用 于透明壳体310的外侧。在一些实施方案中，该增透涂层由MgF2制成。在 一些实施方案中，该增透涂层由硝酸硅或硝酸钛制成。在其它实施方案中， 该增透涂层由一层或更多层一氧化硅(SiO)制成。例如，发亮硅可起镜面的作 用并反射照射在其上的超过30％的光。单层SiO降低表面反射至约10％，第 二层SiO可降低反射至小于4％。其它有机增透材料，特别是，防止从半导 体器件的表面或下层后反射并消除因晶片及感光膜上的下层的各种光学特性 导致的驻波及反射陷波的增透材料，公开在美国专利号6,803,172中，通过 引用将其全部内容包含在本说明书中。在美国专利号6,689,535；6,673,713； 6,635,583；6,784,094；以及6,713,234中公开了其它增透涂料及方法，通过引 用将各文献的全部内容包含在本说明书中。
或者，可使透明壳体310的外表面形成织纹以减小反射的辐射。化学蚀 刻产生圆锥及角锥模式，其可捕获光束，否则这些光束会反射离开电池。反 射光被重新向下导入电池，从而创造再次吸收的机会。在美国专利号 6,039,888；6,004,722；以及6,221,776中公开了用于通过蚀刻或通过蚀刻与涂 装技术的组合而产生增透层的材料及方法，通过引用将各文献全部内容包含 在本说明书中。
折射特性。如图21所示，一部分入射光L1被折射成为折射光L3。入射 光L1从其路径弯曲的程度及方向取决于光L1及L3所行进的介质的折射率。 Snell定律规定：
η1sin(θ1)＝η2sin(θ2)
其中η1及η2是两种交界介质1及2的折射率，而θ1及θ2则分别表示入 射角及折射角。
在图21中，当入射光L1从空气行进作为L3通过透明壳体310时发生首 次折射过程。环境空气具有约1的折射率(真空具有1的折射率，其是所有已 知材料中最小的)，远小于玻璃材料(从1.4至1.9，通常使用的材料具有约1.5 的折射率)或塑料材料(约1.45)的折射率。因为无论壳体由玻璃或塑料形成， η空气均远小于η310，故折射角θ310总是远小于入射角θ空气，即当入射光行进 通过透明壳体310时，其总是朝向太阳电池402弯折。
在存在填充体层330的情况下，当光束L3行进通过填充体层330时，其 变为新的入射光。理想地，根据Snell定律以及上述分析，填充体层330的 折射率(图21中的η310)应大于透明壳体310的折射率，由此入射光L3的折射 光束也将朝向太阳电池402弯折。在此理想状态下，透明壳体310上的各个 入射光束在两次折射过程之后都将朝向太阳电池402折弯。但是，实践中， 可选的填充体层330由液态材料(虽然有时是非常黏稠的液态材料)制成，由 此可如上所述实现将太阳电池402装入透明壳体310。实践中，通过选择具 有接近透明壳体310的折射率的折射率的填充体材料，实现有效的太阳辐射 吸收。在一些实施方案中，形成透明壳体310的材料包括具有约1.5折射率 的透明材料(玻璃或塑料或其它合适材料)。例如，熔融二氧化硅玻璃具有 1.46的折射率。硼硅酸盐玻璃材料具有介于1.45至1.55之间的折射率(例 如，具有1.47折射率的玻璃)。具有各种铅添加量的火石玻璃材料具 有介于1.5至1.9之间的折射率。常规塑料材料具有介于1.46至1.55之间的 折射率。
具有用于形成填充体层330的合适光学特性的示例材料还包括硅，聚二 甲基硅氧烷(PDMS)、硅胶、环氧化物以及丙烯酸材料。因为硅基粘合剂及密 封剂具有较高的挠性，其缺乏其它环氧化物或丙烯酸树脂的强度。透明壳体 310、可选的填充体层330、可选的增透层350、阻水层340，或者其组合形 成包装以最大化并保持太阳电池402的效能，提供物理支撑，并延长太阳电 池402的寿命。
在一些实施方案中，可使用玻璃、塑料、环氧化物或丙烯酸树脂来形成 透明壳体310。在一些实施方案中，可选的增透层350及/或可选的阻水涂层 340环绕设置在透明壳体310上。在一些这样的实施方案中，通过诸如硅胶 等更软更挠性的光学合适材料来形成填充体层330。例如，在一些实施方案 中，填充体层330由诸如硅基粘合剂或密封剂的硅胶形成。在一些实施方案 中，填充体层330由GE RTV 615硅形成。RTV 615是要求SS4120作为聚合 引物的光学纯净、两部可流动硅产品。(RTV615-1P)两者均可从General Electric(Fairfield，Connecticut)获得。硅基粘合剂或密封剂基于韧性硅弹性体 技术。诸如粘合剂和密封剂的硅基材料的特性受到三个因素的控制：树脂混 合率、灌封寿命及硬化条件。
有利地，硅粘合剂具有高度挠性及极高的温度抵抗性(高达600℉)。硅 基粘合剂及密封剂具有高度挠性。硅基粘合刘及密封剂可在数种技术中获得 (或者硬化系统)。这些技术包括压力敏感、辐射硬化、潮湿硬化、热固 (thermo-set)及室温硫化(RTV)。在一些实施方案中，硅基密封剂使用两组分 添加剂或缩合硬化系统或单组分(RTV)形式。在硬化过程中通过与空气中的 潮气反应并释放出酸汽或其它副产品蒸汽，而使RTV形式便于硬化。
压力敏感硅粘合剂在非常低的压力下与绝大部分表面粘合并保持其粘 性。这种类型材料形成粘弹性键，具有粘性强且长效，手指或手掌的压力就 可粘合。在一些实施方案中，使用辐射来使硅基粘合剂硬化。在一些实施方 案中，使用紫外光、可见光或电子束辐射来初始硬化密封剂，这使得不用加 热或产生过度热量就形成永久键合。虽然UV基硬化要求一个衬底是UV透 明的，但电子束可穿透对UV光不透明的材料。基于潮气或水硬化机理的某 些硅粘合剂及氰基丙烯酸盐粘合剂可能需要其它试剂合适地附着于太阳电池 402而不影响太阳电池402的正常功能。热固硅粘合剂及硅密封剂是利用热 或热加上压力实现硬化的交联聚合树脂。硬化后的热固树脂在加热时不会熔 化及流动，但会软化。硫化是一种涉及通过热量及/或压力利用硫化剂的热固 性反应，由此在橡胶类材料中的强度、稳定性及弹性大大提高。RTV硅橡胶 是室温硫化材料。硫化剂是交联成份或催化剂。在根据本发明的一些实施方 案中，硫作为常规硫化剂被添加。
例如，在一些实施方案中，当不存在可选的填充体层330时，可以直接 在太阳电池402上应用环氧化物或丙烯酸材料以直接形成透明壳体310。在 这样的实施方案中，需要小心确保非玻璃透明壳体310也具有阻水及/或增透 特性，以保证在合理的使用周期内有效工作。
电绝缘。在一些实施方案中，透明壳体310及可选的填充体层330的特 性是电绝缘。在一些实施方案中，使用非导电材料来形成透明壳体310或可 选填充体层330。
尺寸要求。在一些实施方案中，太阳电池402外各个层的组合宽度(例 如，透明壳体310及/或可选填充体层330的组合)是：

其中，参考图3B，
假定半导体结410是薄膜结，则ri是太阳电池402的半径；
ro是透明壳体310及/或可选的填充体层330的最外层的半径；并且
η外环是透明壳体310及/或可选的填充体层330的最外层的折射率。
如上所述，很多(但并非全部)用于制造透明壳体310及/或可选的填充体 层330的材料的折射率为约1.5。因此，在常规实施方案中，ro的容许值小于 1.5×ri。该限制对透明壳体310及/或填充体层330组合的容许厚度提出了范 围。
5.1.3.5 用于形成透明壳体的其它方法
在一些实施方案中，通过旋转涂布、沾涂、塑料喷涂、铸造、流延成型 法、辉光放电聚合或UV硬化而在下层上(例如，形成在透明导电层412、填 充体层330或阻水层上)形成透明壳体310。在Madou，Fundamentals of Microfabrication，第3章，第159-161页，第2版，CRC Press，New York，2002中 对这些技术进行了更详细的讨论，通过引用将其全部内容包含在本说明书 中。在透明壳体310由丙烯酸树脂或聚碳酸酯形成的情况下，特别适合使用 铸造方法。在透明壳体310由丙烯酸形成时，特别适合通过UV硬化形成。
5.2 示例半导体结
参考图5A，在一个实施方案中，半导体结410是设置在背电极404上的 吸收器层502与设置在吸收器层502上的结匹配层504之间的异质结。吸收 器层502及结匹配层504由具有不同带隙及电子亲和力的不同半导体构成， 使得结匹配层504具有比吸收器层502更大的带隙。在一些实施方案中，吸 收器层502是p掺杂的而结匹配层504是n掺杂的。在这些实施方案中，透 明导电层412是n+-掺杂的。在替代实施方案中，吸收器层502是n掺杂的而 结匹配层504是p掺杂的。在这样的实施方案中，透明导电层412是p+-掺杂 的。在一些实施方案中，在Pandey，Handbook of Semiconductor Electrodeposition，Marcel Dekker Inc.，1996，附录5中列出的半导体被用于形 成半导体结410，通过引用将其全部内容包含在本说明书中。
5.2.1 基于铜铟硒及其它类型I-III-VI材料的薄膜半导体结
继续参考图5A，在一些实施方案中，吸收器层502是一组I-III-VI2化合 物，例如铜铟二硒(CuInSe2；也公知为CIS)。在一些实施方案中，吸收器层 502是一组I-III-VI2三元化合物，其选自n型或p型的CdGeAs2、ZnSnAs2、 CuInTe2、AgInTe2、CuInSe2、CuGaTe2、ZnGeAs2、CdSnP2、AgInSe2、 AgGaTe2、CuInS2、CdSiAs2、ZnSnP2、CdGeP2、ZnSnAs2、CuGaSe2、 AgGaSe2、AgInS2、ZnGeP2、ZnSiAs2、ZnSiP2、CdSiP2或CuGaS2，如果已 知这些化合物存在的话。
在一些实施方案中，结匹配层504是CdS、ZnS、ZnSe或CdZnS。在一 个实施方案中，吸收器层502是p型CIS而结匹配层504是n型CdS、 ZnS、ZnSe或CdZnS。在Bube，Photovoltaic Materials，1998，Imperial College Press，London的第6章中描述了这些半导体结410，通过引用将其全部内容 包含在本说明书中。
在一些实施方案中，吸收器层502是铜-铟-镓-硒(CIGS)。这样的层公知 为Cu(InGa)Se2。在一些实施方案中，吸收器层502是铜-铟-镓-硒(CIGS)，而 结匹配层504是CdS、ZnS、ZnSe或CdZnS。在一些实施方案中，吸收器层 502是p-型CIGS而结匹配层504是n-型CdS、ZnS、ZnSe或CdZnS。在 Handbook of Photovoltaic Science and Engineering，2003，Luque和Hegedus(编)， Wiley & Sons，West Sussex，England的第13章和第12章中描述了上述半导体 结410，通过引用将其全部内容包含在本说明书中。在一些实施方案中，利 用以下文献中公开的技术来沉积CIGS：Beck和Britt，Final Technical Report， 2006年1月，NREL/SR-520-39119；以及Delahoy和Chen，2005年8月， “Advanced CIGS Photovoltaic Technology，”subcontract report；Kapur等人，2005 年1月subcontract report，NREL/SR-520-37284，“Lab to Large Scale Transition for Non-Vacuum Thin Film CIGS Solar Cells”；Simpson等人，2005年10月 subcontract report，“Trajectory-Oriented and Fault-Tolerant-Based Intelligent Process Control for Flexible CIGS PV Module Manufacturing，”NREL/SR-520- 38681；以及Ramanathan等人，31st IEEE Photo voltaics Specialists Conference and Exhibition，Lake Buena Vista，Florida，2005年1月3-7日，通过引用将其全 部内容分别包含在本说明书中。
在一些实施方案中，根据在Ramanthan等人，2003，“Properties of 19.2％ Efficiency ZnO/CdS/CuInGaSe2Thin-film Solar Cells，”Progress in Photovoltaics： Research and Applications 11，225中描述的三阶段处理通过从元素源的蒸发来 在钼背电极404上生长CIGS吸收器层502，通过引用将其全部内容包含在 本说明书中。在一些实施方案中，层504是例如在Ramanathan等人，会议论 文，“CIGS Thin-Film Solar Research at NREL：FY04 Results and Accomplishments，”NREL/CP-520-37020，2005年1月中描述的ZnS(O，OH)缓 冲层，通过引用将其全部内容包含在本说明书中。
在一些实施方案中，吸收器层502的厚度介于0.5μm至2.0μm之间。 在一些实施方案中，层502中Cu/(In+Ga)的成份比率介于0.7至0.95之间。 在一些实施方案中，吸收器层502中Cu/(In+Ga)的成份比率介于0.2至0.4之 间。在一些实施方案中，CIGS吸收器具有<110>结晶定向。在一些实施方案 中，CIGS吸收器具有<112>结晶定向。在一些实施方案中，CIGS吸收器随 机定向。
5.2.2 基于无定形硅或多晶硅的半导体结
参考图5B，在一些实施方案中，半导体结410包括无定形硅。在一些实 施方案中，这是n/n型异质结。例如，在一些实施方案中，层514包括 SnO2(Sb)，层512包括未掺杂无定形硅，而层510包括n+型掺杂无定形硅。
在一些实施方案中，半导体结410是p-i-n型结。例如，在一些实施方案 中，层514是p+掺杂无定形硅，层512是未掺杂无定形硅，而层510是n+无 定形硅。在Bube，Photovoltaic Materials，1998，Imperial College Press，London 的第3章中描述了这些半导体结410，通过引用将其全部内容包含在本说明 书中。
在本申请的一些实施方案中，半导体结410基于薄膜多晶。参考图5B， 在根据这些实施方案的一个示例中，层510是p掺杂多晶硅，层512是耗尽 多晶硅，而层514是n掺杂多晶硅。在Green，Silicon Solar Cells：Advanced Principles & Practice，Centre for Photovoltaic Devices and Systems，University of New South Wales，Sydney，1995；以及Bube，Photovoltaic Materials，1998， Imperial College Press，London，第57-66页中描述了这些半导体结，通过引用 将其全部内容包含在本说明书中。
在本申请的一些实施方案中，使用在无定形Si:H太阳电池中基于p型微 晶Si:H及微晶Si:C:H的半导体结410。在Bube，Photovoltaic Materials，1998， Imperial College Press，London，第66-67页以及其中所引述的参考文献中描述 了上述半导体结，通过引用将其全部内容包含在本说明书中。
在本申请的一些实施方案中，半导体结410是串联结。例如在Kim等人， 1989，“Lightweight(AlGaAs)GaAs/CuInSe2 tandem junction solar cells for space applications，”Aerospace and Electronic Systems Magazine，IEEE第4卷，第11 期，1989年11月，第23-32页；Deng，2005，“Optimization of a-SiGe based triple， tandem and single-junction solar cells Photovoltaic Specialists Conference，2005 年第31次IEEE会议记录，2005年1月3-7日，第1365-1370页；Arya等人， 2000，Amorphous silicon based tandem junction thin-film technology：a manufacturing perspective，”Photovoltaic Specialists Conference，2000年第28次 IEEE会议记录，2000年9月15-22日，第1433-1436页；Hart，1988，“High altitude current-voltage measurement of GaAs/Ge solar cells，”Photovoltaic Specialists Conference，1988年第20次IEEE会议记录，1988年9月26-30日， 第764-765页，第1卷；Kim，1988，“High efficiency GaAs/CuInSe2 tandem junction solar cells，”Photovoltaic Specialists Conference，1988年第20次IEEE 会议记录，1988年9月26-30日，第457-461页，第1卷；Mitchell，1988， “Single and tandem junction CuInSe2 cell and module technology，”Photovoltaic Specialists Conference，1988年第20次IEEE会议记录，1988年9月26-30日， 第1384-1389页，第2卷；以及Kim，1989，“High specific power (AlGaAs)GaAs/CuInSe2 tandem junction solar cells for space applications，” Energy Conversion Engineering Conference，1989，IECEC-89，Proceedings of the 24th Intersociety 1989年8月6-11日，第779-784页，第2卷中描述了串联结， 通过引用将其全部内容分别包含在本说明书中。
5.2.3 基于砷化镓及其它类型III-V材料的半导体结
在一些实施方案中，半导体结410基于砷化镓(GaAs)以及诸如InP、 AlSb及CdTe的其它III-V材料。GaAs是具有1.43eV带隙并可在约二微米的 厚度内吸收AMI辐射的97％的直接带隙材料。在Bube，Photovoltaic Materials，1998，Imperial College Press，London第4章中描述了可作为本申请 的半导体结410的合适类型的III-V结，通过引用将其全部内容包含在本说 明书中。
此外，在一些实施方案中，半导体结410是混合多结太阳电池，例如由 Gee和Virshup，1988，20th IEEE Photovoltaic Specialist Conference，IEEE Publishing，New York，第754页描述的GaAs/Si机械堆叠多结，通过引用将其 全部内容包含在本说明书中，GaAs/CuInSe2 MSMJ四端子装置，由GaAs薄膜 顶电池及ZnCdS/CuInSe2薄底电池组成，如Stanbery等人，19th IEEE Photovoltaic Specialist Conference，IEEE Publishing，New York，第280页，以及 Kim等人，20th IEEE Photovoltaic Specialist Conference，IEEE Publishing，New York，第1487页中描述，通过引用将其全部内容包含在本说明书中。在Bube， Photovoltaic Materials，1998，Imperial College Press，London，第131-132页中描 述了其它混合多结太阳电池，通过引用将其全部内容包含在本说明书中。
5.2.4 基于碲镉及其它类型II-VI材料的半导体结
在一些实施方案中，半导体结410基于可制备为n型或p型的II-VI化合 物。因此，在一些实施方案中，参考图5C，半导体结410是p-n异质结，其 中层520及540是下表所列的任意组合或其合金。
  层520 层540 n-CdSe p-CdTe n-ZnCdS p-CdTe n-ZnSSe p-CdTe p-ZnTe n-CdSe n-CdS p-CdTe n-CdS p-ZnTe p-ZnTe n-CdTe n-ZnSe p-CdTe n-ZnSe p-ZnTe n-ZnS p-CdTe n-ZnS p-ZnTe
在Bube，Photovoltaic Materials，1998，Imperial College Press，London的第 4章中描述了用于制造基于II-VI化合物的半导体结410的方法，通过引用将 其全部内容包含在本说明书中。
5.2.5 基于结晶硅的半导体结
虽然由薄膜半导体膜制成的半导体结410是优选的，但本申请并不限于 此。在一些实施方案中，半导体结410基于结晶硅。例如，参考图5D，在 一些实施方案中，半导体结410包括p型结晶硅层540以及n型结晶硅层 550。在Bube，Photovoltaic Materials，1998，Imperial College Press，London的第 2章中描述了用于制造结晶硅半导体结410的方法，通过引用将其全部内容 包含在本说明书中。
5.3 反照率实施方案
因为其可通过整个周向表面收集光线，故本申请的太阳电池设计是有利 的。因此，在本申请的一些实施方案中，这些太阳电池组件(例如，太阳电池 组件400、700、800、900等)被放置在反射环境中，其中围绕太阳电池组件 的表面具有一定量的反照率。反照率是对表面或主体的反射性的度量。其是 反射的电磁辐射(EM辐射)与入射在其上的量的比率。该比例通常被表示为从 0％到100％的百分比。在一些实施方案中，通过以反射白色涂刷来制备与本 发明的太阳电池组件邻近的表面使得其具有较高反照率。在一些实施方案 中，也可使用具有较高反照率的其它材料。例如，这些太阳电池周围的一些 材料的反照率接近或超过90％，例如参见Boer，1977，Solar Energy 19，525， 通过引用将其全部内容包含在本说明书中。但是，具有任意量的反照率(例如 5％或更多、10％或更多、20％或更多)的表面均落入本申请的范围内。在一个 实施方案中，本申请的太阳电池组件在砾石表面上被成排布置，其中砾石已 经被涂为白色以提高砾石的反射特性。通常，可以使用任意朗伯或漫射反射 器表面来提供高反照率表面。
例如，在本申请的一些实施方案中，本申请的两面太阳电池组件(面板) 具有第一及第二面并在北半球面向南方(或在南半球面向北方)放置成排。各 个面板分别被置于高于地面一定距离(例如，地面上100cm)。面板间的东西 分离在一定程度上取决于面板的整体尺寸。举例而言，具有约106cm×44cm 的整体尺寸的面板被成排布置使得面板之间的东西分离在10cm至50cm之 间。在一个具体实施例中，面板之间的东西分离为25cm。
在一些实施方案中，成排面板中的面板的中心点距离地面在0.5米至2.5 米之间。在一具体实施例中，面板的中心点距离地面为1.55米。面板排与排 之间的南北分离取决于面板的尺寸。举例而言，在一具体实施例中，其中面 板具有约106cm×44cm的整体尺寸，南北分离为2.8米。在一些实施方案 中，南北分离介于0.5米至5米之间。在一些实施方案中，南北分离介于1 米至3米之间。
在一些实施方案中，如在Lorenzo等人，1985，Solar Cells 13，第277-292 页中给出的用于计算由太阳电池接收的阳光量的模型(通过引用将其全部内容 包含在本说明书中)被用于计算在反射环境中布置的太阳面板排中太阳面板的 最佳水平倾角及东西分离。在一些实施方案中，在太阳电池组件中应用内外 反射器以利用反照率效果的益处并改进太阳电池组件中的光输入。在图16 中示出了内部反射器的示例实施方案(例如，反射器1404)。在美国专利申请 序列号11/315,523中公开了可用于本申请的反照率表面的更详细描述，通过 引用将其全部内容包含在本说明书中。
5.4 双层芯实施方案
已经公开了本申请的实施方案，其中本申请的太阳电池402的导电芯 404由均匀导电材料制成。本申请并不限于这些实施方案。在一些实施方案 中，导电芯404事实上具有内芯及外导电芯。内芯可被称为衬底403，而外 芯可被称为这些实施方案中的背电极404。在这些实施方案中，外导电芯环 绕设置在衬底403上。在这些实施方案中，衬底403通常不导电，而外芯导 电。衬底403具有与本申请的其它实施方案一致的细长形状。在一些实施方 案中，衬底403是导电非金属材料。但是，本发明并不限于这一类实施方 案，其中因为外芯可用作电极故衬底403是导电的。在一些实施方案中，衬 底403为管状(例如，玻璃管)。
在一些实施方案中，衬底403由诸如聚苯并咪唑(例如，可以 从Boedeker Plastics，Inc.，Shiner，Texas购得)的材料制成。在一些实施方案 中，内芯由聚酰亚胺(例如，DuPontTM 或者DuPontTM  Wilmington，Delaware)制成。在一些实施方案中，内芯由聚四氟乙烯(PTFE) 或者聚醚醚酮(PEEK)制成，其分别可从Boedeker Plastics，Inc购得。在一些 实施方案中，衬底403由聚酰胺-酰亚胺(例如， PAI，Solvay Advanced Polymers，Alpharetta，Georgia)制成。
在一些实施方案中，衬底403由玻璃基酚制成。通过对浸满合成热固性 树脂的纸、帆布、亚麻布或玻璃布料层施加热量及压力来制成酚叠层。当热 量及压力施加在层上时，化学反应(聚合)将分离的层转换为具有不会再次软 化的“固定”形状的单一层叠材料。因此，这些材料被称为“热固性”。可 以使用各种树脂类型及布材料来制造具有一定范围机械、热及电特性的热固 性材料。在一些实施方案中，衬底403是具有NEMA级G-3、G-5、G-7、G- 9、G-10或G-11的酚叠层。示例酚叠层可从Boedeker Plastics，Inc购得。
在一些实施方案中，衬底403由聚苯乙烯制成。聚苯乙烯的示例包括常 用聚苯乙烯及在Marks的Standard Handbook for Mechanical Engineers，第9版， 1987，McGraw-Hill，Inc.，第6-174页中详述的高抗冲击聚苯乙烯，通过引用将 其全部内容包含在本说明书中。在其它实施方案中，衬底403由交联聚苯乙 烯制成。交联聚苯乙烯的一个示例是(C-Lec Plastics，Inc)。Rexolite 是通过交联聚苯乙烯与二乙烯基苯制成的热固性的，特别是刚性且透明的塑 料。
在其它实施方案中，衬底403由聚碳酸酯制成。这些聚碳酸酯可具有不 同量的玻璃纤维(例如10％、20％、30％或40％)以调节材料的张力强度、硬 度、压缩强度、以及热膨胀系数。示例聚碳酸酯是M及 W， 其可从Boedeker Plastics，Inc购得。
在一些实施方案中，衬底403由聚乙烯制成。在一些实施方案中，衬底 403由低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、或者超高分子量聚乙烯 (UHMW PE)制成。HDPE的化学特性在Marks的Standard Handbook for Mechanical Engineers，ninth edition，1987，McGraw-Hill，Inc.，第6-173页中进行 了描述，通过引用将其全部内容包含在本说明书中。在一些实施方案中，衬 底403由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚四氟乙烯(Teflon)、聚甲基丙烯酸酯(有机 玻璃)、尼龙6，6、丁酸醋酸纤维素、醋酸纤维素、刚性乙烯、塑料乙烯或聚 丙烯制成。在Marks的Standard Handbook for Mechanical Engineers，第9版， 1987，McGraw-Hill，Inc.，第1-175页中的6-172页描述了这些材料的化学特 性，通过引用将其全部内容包含在本说明书中。
在Modern Plastics Encyclopedia，McGraw-Hill；Reinhold Plastics Applications Series，Reinhold Roff，Fibres，Plastics and Rubbers，Butterworth；Lee 和Neville，Epoxy Resins，McGraw-Hill；Bilmetyer，Textbook of Polymer Science， Interscience；Schmidt和Marlies，Principles of high polymertheory and practice， McGraw-Hill；Beadle(编)，Plastics，Morgan-Grampiand，Ltd.，第2卷1970； Tobolsky和Mark(编)，Polymer Science and Materials，Wiley，1971；Glanville， The Plastics′s Engineer′s Data Book，Industrial Press，1971；Mohr(编辑和资深作 者)，Oleesky，Shook和Meyers，SPI Handbook of Technology and Engineering of Reinforced Plastics Composites，Van Nostrand Reinhold，1973中可找到可用于 形成衬底403的其它示例材料，通过引用将其全部内容分别包含在本说明书 中。
大体上，外芯由可支持由太阳电池产生的光伏电流而具有可忽视阻抗损 耗的任何材料制成。在一些实施方案中，外芯由任意导电材料制成，例如 铝、钼、钢、镍、银、金或其合金。在一些实施方案中，外芯由金属、石 墨、碳黑或超导碳黑色填充氧化物、环氧化物、玻璃或塑料制成。在一些实 施方案中，外芯由导电塑料制成。在一些实施方案中，该导电塑料自身导电 而无需任何填充体。在一些实施方案中，内芯由导电材料制成而外芯由钼制 成。在一些实施方案中，内芯由诸如玻璃棒的非导电材料制成，而外芯由钼 制成。
5.5 示例尺寸
本申请包括具有落入较宽尺寸范围内的任何尺寸的太阳电池组件。例 如，参考图4B，本申请包括具有长度l介于1cm与50000cm之间并且宽度 w介于1cm与50000cm之间的太阳电池组件。在一些实施方案中，太阳电 池组件具有介于10cm与1000cm之间的长度l以及介于10cm与1000cm 之间的宽度w。在一些实施方案中，太阳电池组件具有介于40cm与500cm 之间的长度l以及介于40cm与500cm之间的宽度w。
如图3A所示，太阳电池300具有与剖面的宽度相比更大的长度。在一 些实施方案中，太阳电池300具有介于10毫米(mm)与100000mm之间的长 度l以及介于3mm与10000mm之间的宽度w。在一些实施方案中，太阳电 池300具有介于10毫米(mm)与5000mm之间的长度l以及介于10mm与 1000mm之间的宽度w。在一些实施方案中，太阳电池300具有介于40毫米 (mm)与15000mm之间的长度l以及介于10mm与50mm之间的宽度d。
在一些实施方案中，太阳电池300可以是如图3A所示的细长形。如图 3A所示，细长太阳电池300是表征为具有纵向尺寸l及宽度尺寸w的电池。 在细长太阳电池300的一些实施方案中，纵向尺寸l超过宽度尺寸w至少4 倍、至少5倍或至少6倍。在一些实施方案中，太阳电池300的纵向尺寸l 是10厘米或更长、20厘米或更长、或100厘米或更长。在一些实施方案 中，太阳电池300的宽度w(例如，直径)是5毫米或更长、10毫米或更长、 50毫米或更长、100毫米或更长、500毫米或更长、1000毫米或更长、或 2000毫米或更长。
5.6 其它太阳电池实施方案
使用图3B作为元件标号的参考，在一些实施方案中，使用铜-铟-镓-硒 (Cu(InGa)Se2)(这里称为CIGS)来制造结110的吸收器层。在这些实施方案 中，背电极404可由钼制成。在一些实施方案中，背电极404包括聚酰亚胺 的内芯以及在沉积CIGS之前喷在聚酰亚胺芯上的钼薄膜的外芯。在钼的上 方，蒸发吸收光的CIGS膜。然后将硫化镉(CdS)沉积在CIGS上以完成半导 体结410。可选地，然后将薄本征层(i层)415沉积在半导体结410上。可使 用以下材料来形成i层415，包括但不限于氧化锌、金属氧化物或者任何高 绝缘性透明材料。然后，将透明导电层412设置在i层(当存在时)或半导体结 410(当i层不存在时)上。透明导电层412可由诸如铝掺杂氧化锌(ZnO:Al)、 镓掺杂氧化锌、硼掺杂氧化锌、铟-锌氧化物、或者铟-锡氧化物的材料来制 造。
ITN Energy Systems，Inc.、Global Solar Energy，Inc.以及the Institute of Energy Conversion(IEC)已共同研发出使用卷到卷共蒸发工艺沉积CIGS层来 在聚酰亚胺衬底上制造CIGS光电体的技术。在该工艺中，一卷涂钼聚酰亚 胺膜(称为网)被打开并连续移动进入并通过一个或更多沉积区。在沉积区 内，网被加热至高达450℃的温度并且在硒蒸汽存在下将铜、铟以及镓蒸发 到其上。在通过沉积区之后，网冷却并缠绕在拾起卷轴上。例如，参见2003， Jensen等人，“Back Contact Cracking During Fabrication of CIGS Solar Cells on Polyimide Substrates，”NCPV and Solar Program Review Meeting 2003， NREL/CD-520-33586，第877-881页，通过引用将其全部内容包含在本说明书 中。类似地，Birkmire等人，2005，Progress in Photovoltaics：Research and Applications 13，141-148，(通过引用将其全部内容包含在本说明书中)，公开了 聚酰亚胺/Mo网结构，特别是，PI/Mo/Cu(InGa)Se2/CdS/ZnO/ITO/Ni-Al。还 研发出在不锈箔上沉积类似的结构。例如参见Simpson等人，2004， “Manufacturing Process Advancements for Flexible CIGS PV on Stainless Foil，” DOE Solar Energy Technologies Program Review Meeting，PV Manufacturing Research and Development，P032，通过引用将其全部内容包含在本说明书中。
在本申请的一些实施方案中，吸收器材料沉积在聚酰亚胺/钼网上，诸如 Global Solar Energy(Tucson，Arizona)研发出的那些，或者金属箔(例如， Simpson等人公开的箔)。在一些实施方案中，吸收器材料是这里公开的任何 吸收器。在具体实施方案中，吸收器是Cu(InGa)Se2。在一些实施方案中，细 长芯由诸如未掺杂塑料的非导电材料制成。在一些实施方案中，细长芯由诸 如导电金属、金属填充环氧化物、玻璃或树脂、或者导电塑料(例如，包含导 电填充体的塑料)的导电材料制成。下面，通过在吸收器层上沉积窗层来完成 半导体结410。在吸收器层是Cu(InGa)Se2的情况下，可以使用CdS。最后， 增加可选的i层415以及透明导电层412来完成太阳电池。随后，箔被缠绕 并/或粘至线形或管形细长芯上。上述制造方法的优点在于不能承受吸收器 层、窗层、i层或透明导电层412的沉积温度的材料可被用作太阳电池的内 芯。该制造工艺可被用来制造本申请中公开的任何太阳电池402，而导电芯 402包括内芯及外导电芯。内芯是这里公开的任何导电或非导电材料，而外 导电芯是网或箔，在将该箔卷在内芯上之前，在该网或箔上沉积吸收器层、 窗层以及透明导电层。在一些实施方案中，使用合适的胶将网或箔粘在内芯 上。
本申请的一个方面提供了制造太阳电池的方法，包括在金属网或导电箔 的第一面上沉积吸收器层。随后，将窗层沉积在吸收器层上。随后，将透明 导电层沉积在窗层上。然后将金属网或导电箔围绕细长芯卷起，由此形成细 长太阳电池402。在一些实施方案中，吸收器层是铜-铟-镓-硒(Cu(InGa)Se2) 而窗层是硫化镉。在一些实施方案中，金属网是聚酰亚胺/钼网。在一些实施 方案中，导电箔是钢箔或铝箔。在一些实施方案中，细长芯由导电金属、金 属填充环氧化物、金属填充玻璃、金属填充树脂或导电塑料制成。
在一些实施方案中，透明传导氧化导电膜沉积在管状或刚性实芯棒状芯 上而非将金属网或箔围绕细长芯缠绕。在这些实施方案中，管状或刚性实芯 棒状芯例如可以是塑料棒、玻璃棒、玻璃管、或者塑料管。这些实施方案需 要一些形式的导体与半导体结的内表面或后端子电连通。在一些实施方案 中，管状或刚性实芯棒状细长芯中的缺角(divot)添满导电金属以提供这样的 导体。可在将透明导电层或导电后端子膜沉积在管状或刚性实芯棒状细长芯 上之前将导体插入缺角。在一些实施方案中，由沿细长太阳电池402的一侧 纵长地行进的金属源来形成这样的导体。可通过蒸发、喷射、屏幕印刷、喷 墨打印、金属压制、用于安装金属线的导电墨水或胶，或者其它金属沉积方 法来沉积上述金属。
现将公开更具体的实施方案。在一些实施方案中，细长芯是具有在玻璃 管的外表面上纵长地行进的块的玻璃管，而制造方法包括在卷起步骤之前在 块中沉积导体。在一些实施方案中，玻璃管具有在玻璃管的表面上纵长地行 进的第二缺角。在这些实施方案中，第一块与第二块位于玻璃管的大致或正 好相对周向两侧。因此，在这些实施方案中，方法还包括在卷起之前，或者 在未使用卷的实施方案中，在于细长芯上沉积内透明导电层或导电膜、结以 及外透明导电层之前，在第二缺角中沉积导体。
在一些实施方案中，细长芯是表面上具有纵长设置的第一缺角的玻璃 棒，并且制造方法包括在卷起之前在第一缺角中沉积导体。在一些实施方案 中，玻璃棒具有在玻璃棒的表面上纵长设置的第二缺角，并且第一缺角及第 二缺角位于玻璃棒周向大致相对或正相对的两侧。因此，在这些实施方案 中，该方法还包括在卷起之前，在第二缺角中沉积导体；或者在未使用卷的 实施方案中，在细长芯上沉积内透明导电层或导电膜、结以及外透明导电层 之前，在第二缺角中沉积导体。用于导体的合适材料是本文中被描述为导体 的任何材料，包括但不限于铝、钼、钛、钢、镍、银、金或其合金。
图13示出了根据本申请的实施方案的太阳电池402的剖面。可使用卷起 方法或沉积技术来制造太阳电池402。具有与本申请的其它实施方案对应的 参考标号的部件(例如，410、412及420)由与这些实施方案中公开的相同材 料制成。在图13中，细长管1306具有沿管纵长(垂直于页面)设置的第一缺 角及第二缺角，其位于管1306的周向相对两侧。在常规实施方案中，管 1306并不导电。例如，在一些实施方案中，管1306由塑料或玻璃制成。如 图13所示，导线1302布置在第一缺角及第二缺角中。在一些实施方案中， 导线由本发明的任何导电材料制成。在一些实施方案中，导线1302由铝、 钼、钢、镍、钛、银、金或其合金制成。在1304是导电箔或金属网的实施 方案中，在将金属网或导电箔1304绕细长芯1306卷起之前，将导线1302插 入块。在1304是透明导电氧化物或导电膜的实施方案中，在将透明导电氧 化物或导电膜1304沉积在细长芯1306上之前，将导线1302插入缺角。注 意，在一些实施方案中，金属网或导电箔1304围绕管1306包裹。在一些实 施方案中，金属网或导电箔1304被粘在管1306上。在一些实施方案中，层 1304并不是金属网或导电箔。例如，在一些实施方案中，层1304是透明导 电层。这样的层是有利的，因为其允许半导体结中较薄的吸收层。在层1304 是透明导电层的实施方案中，使用沉积技术来沉积透明导电层，半导体结 410以及外部透明导电层412。
本申请的一个方面提供了太阳电池组件，其包括多个细长太阳电池 402，每一个分别具有图13中公开的结构。即，在多个细长太阳电池中各个 细长太阳电池402包含细长管1306，环绕设置在细长管1306上的金属网或 导电箔(或者，替代地，TCO层)1304，环绕设置在金属网或导电箔(或者，替 代地，TCO层)1304上的半导体结410，以及设置在半导体结410上的透明 导电氧化层412。多个细长太阳电池中的细长太阳电池402几何上平行或接 近平行排列，由此形成具有第一面及第二面的平面阵列。排列多个细长太阳 电池，使得多个细长太阳电池中的一个或更多细长太阳电池不与相邻细长太 阳电池导电接触。在一些实施方案中，如果在相邻细长太阳电池之间存在绝 缘层，则细长太阳电池可以相互物理接触。太阳电池组件还包括多个金属对 电极。多个细长太阳电池中的各个细长太阳电池402被接合至多个金属对电 极中的第一相应金属对电极420，使得第一金属对电极位于在各个细长太阳 电池402上纵长地行进的第一槽中。该设备还包括透明电绝缘衬底，其覆盖 平面阵列的面的全部或一部分。多个细长太阳电池中的第一及第二细长太阳 电池通过将第一细长太阳电池的第一电极与第二细长太阳电池的第一相应对 电极连接的电端子而串联电连接。在一些实施方案中，细长管1306是具有 填充有导体1302的一个或更多槽的玻璃管或塑料管。在一些实施方案中， 多个细长太阳电池中各个细长太阳电池402接合至多个金属对电极中的第二 相应金属对电极420，使得第二金属对电极位于在各个细长太阳电池402上 纵长地行进的第二槽中，并且使得第一槽与第二槽位于各个细长太阳电池 402的相对或大致相对周向两侧。在一些实施方案中，设置多个细长太阳电 池402以从平面阵列的第一面及第二面接收直接光。
5.7 静电集中器
包装的太阳电池单元300可以组装为两面阵列，例如，组件400(图4)、 700(图7)、800(图8)、900(图9)或1000(图10)中任何一者。在一些实施方案 中，静电集中器被用于改进本申请的太阳电池组件的性能。图11示出了静 电集中器在一个示例实施方案中的使用，其中具有孔AB的静电集中器1102 被用于提高两面太阳电池组件CD的效能，其中太阳电池组件CD例如是本 申请的太阳电池单元300其它组件中的400(图4)、700(图7)、800(图8)、 900(图9)或1000(图10)中任何一者。静电集中器1102可以由业界公知的任 何静电集中材料形成，例如，简单的适当弯曲或模制的铝片，或者聚氨酯上 的反射器膜。图11中示出的静电集中器1102是低集中率、非成像、复合抛 物面集中器(CPC)型收集器。可将任何(CPC)类型的收集器用于本申请的太阳 电池组件。关于(CPC)型收集器的更多信息，参见Pereira和Gordon，1989， Journal of Solar Energy Engineering，111，第111-116页，通过引用将其全部内 容包含在本说明书中。
在Uematsu等人，1999，Proceedings of the 11th International Photovoltaic Science and Engineering Conference，Sapporo，Japan，第957-958页；Uematsu等 人，1998，Proceedings of the Second World Conference on Photovoltaic Solar Energy Conversion，Vienna，Austria，第1570-1573页；Warabisako等人，1998， Proceedings of the Second World Conference on Photovoltaic Solar Energy Conversion，Vienna，Austria，第1226-1231页；Eames等人，1998，Proceedings of the Second World Conference on Photovoltaic Solar Energy Conversion，Vienna Austria，第2206-2209页；Bowden等人，1993，Proceedings of the 23rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference，第1068-1072页；以及Parada等人，1991， Proceedings of the 10th EC Photovoltaic Solar Energy Conference，第975-978页 中公开了其它可用于本申请的静电集中器，通过引用将其全部内容分别包含 在本说明书中。
在一些实施方案中，使用图12所示的静电集中器。图12所示的两面太 阳电池可以是本申请中的任何两面太阳电池组件，包括但不限于组件400(图 4)、700(图7)、800(图8)、900(图9)或1000(图10)。图12所示的静电集中器 在模块的前后使用两片覆盖玻璃，其中如图所示亚毫米V形槽设计用于捕获 并反射入射光。在Uematsu等人，2001，Solar Energy Materials & Solar Cell 67， 425-434以及Uematsu等人，2001，Solar Energy Materials & Solar Cell 67，441- 448中可找到这些集中器的更详细信息，通过引用将其全部内容分别包含在 本说明书中。在Handbook of Photovoltaic Science and Engineering，2003， Luque and Hegedus(编)，Wiley & Sons，West Sussex，England，第12章中讨论 了其它可用于本申请的静电集中器，通过引用将其全部内容包含在本说明书 中。
5.8 内部反射器实施方案
例如在图15中，如图所示将细长太阳电池402包装之后，可以排列它们 以形成太阳电池组件1600。图16示出了根据本申请的实施方案的太阳电池 组件1600。在该示例实施方案中，内部反射器1404被用来提高进入太阳电 池系统的太阳输入。如图16所示，细长太阳电池402及内部反射器1404被 组装成图中所示的交替阵列。太阳电池组件1600中的细长太阳电池402具有 对电极420及电极440。如图16所示，太阳电池组件1600包括多个细长太 阳电池402。对太阳电池402的数量并无限制(例如，10个或更多、100个或 更多、1000个或更多、10000个或更多、5000至一百万个太阳电池402等)。 因此，太阳电池组件1600还包括多个内部反射器1404。对内部反射器1404 的数量并无限制(例如，10个或更多、100个或更多、1000个或更多、10000 个或更多、5000至一百万个内部反射器1404等)。
在太阳电池组件1600中，内部反射器1404沿相应细长太阳电池402纵 长设置。在一些实施方案中，内部反射器1404具有中空芯。与在细长导电 芯404中的情况类似，中空非导电芯(例如，图3B中的衬底403)在很多情况 下是有利的，这是因为其减少了制造这些设备所需的材料量，由此降低了成 本。在一些实施方案中，内部反射器1404是塑料壳体，在塑料壳体上沉积 有较高反射材料(例如，抛光铝、铝合金、银、镍、钢等)层。在一些实施方 案中，内部反射器1404是由抛光铝、铝合金、银、镍、钢等制成的单件。 在一些实施方案中，内部反射器1404是其上层叠有金属箔片的金属或塑料 壳体。示例金属箔片包括但不限于3M铝箔片425、3M铝箔片427、3M铝 箔片431、以及3M铝箔片439(3M，St.Paul，MN)。内部反射器1404可采用 各种设计，仅一种在图16中示出。本发明的优选实施方案中对内部反射器 1404的设计要点在于希望对进入太阳电池组件1600两侧(即，一侧1620及 一侧1640)的光进行直接反射。
通常，本申请的反射器1404被设计用于使进入相邻细长太阳电池402的 光反射最佳化。进入太阳电池组件1600一侧(例如，一侧1940，在图16所 示的太阳电池组件的平面之上)的直接光束来自太阳，而进入太阳电池另一侧 (例如，一侧1620，在图16所示的太阳电池组件的平面之下)的光束将会被反 射离开表面。在一些实施方案中，该表面是朗伯、散射或渐开线反射器。因 此，因为太阳电池组件的各个侧分别面对不同光环境，故内部反射器1404 在一侧1620与另一侧1640的形状可以不相同。
尽管在图16中示出的内部反射器1404具有对称四边剖面形状，但本发 明的内部反射器1404的剖面形状并不限于此构造。在一些实施方案中，内 部反射器1404的剖面形状是星形。在一些实施方案中，内部反射器1404的 剖面形状是四边形并且四边剖面形状的至少一边是直线。在一些实施方案 中，内部反射器1404的剖面形状是四边形并且四边剖面形状的至少一边是 抛物线。在一些实施方案中，内部反射器1404的剖面形状是四边形并且四 边剖面形状的至少一边是凹线。在一些实施方案中，内部反射器1404的剖 面形状是四边形并且四边剖面形状的至少一边是圆形或椭圆形。在一些实施 方案中，多个内反射中的内部反射器的剖面形状是四边形并且四边剖面形状 的至少一边界定了内部反射器的散射表面。在一些实施方案中，内部反射器 1404的剖面形状是四边形并且四边剖面形状的至少一边是细长太阳电池402 的剖面形状的渐开线。在一些实施方案中，内部反射器1404的剖面形状是 两边形、三边形、四边形、五边形、六边形。在一些实施方案中，多个内部 反射器1404中的内部反射器的剖面形状是四边形并且四边剖面形状的至少 一边被分面。
在一些实施方案中，内部反射器1404增加了其它特征以提高相邻细长 太阳电池402上的反射。改进的内部反射器1404具有强反射特性，使得入射 光可有效地反射离开内部反射器1404的侧表面1610。在一些实施方案中， 离开表面1610的反射光并不具备方向性。在其它实施方案中，反射器表面 1610被设计成反射光被导向细长太阳电池402以实现最佳吸收率。
在一些实施方案中，内部反射器1404与相邻细长太阳电池之间的连接 由其它适配器元件来提供。这样的适配器元件具有与内部反射器1404以及 细长太阳电池402的形状互补的表面特征，由此在这些部件之间提供密配 合。在一些实施方案中，这样的适配器零件被固定在内部反射器1404上。 在其它实施方案中，适配器零件被固定在细长太阳电池402上。在其它实施 方案中，可通过导电胶或带来强化细长太阳电池402与内部反射器1404之间 的连接。
漫反射。在根据本申请的一些实施方案中，内部反射器1404的侧表面 1610是漫反射表面(例如，图16中的1610)。首先理解了镜面反射，就可更 好地理解漫反射。镜面反射被定义为离开诸如镜子或平静水体的光滑表面(例 如，图17A中的1702)的反射。在镜面表面上，光主要沿反射光的方向被反 射，并取决于表面的物理特性而被削弱一定量。因为从表面反射的光主要沿 反射光的方向，故观察器的位置(例如，细长太阳电池402的位置)决定了表 面的感知照明。镜面反射模拟发亮或镜状表面的光反射特性。与镜面反射相 反，诸如布料、纸、以及沥青路面的粗糙表面的反射导致公知为漫反射的不 同类型的反射(图17B)。入射在漫反射表面上的光沿各个方向被均匀反射， 并取决于表面的物理特性，其量有一定的削弱。因为光在各个方向均匀反 射，故表面的感知照明并不取决于反射光的观察器或接收器的位置(例如，细 长太阳电池402的位置)。漫反射模拟无光泽表面的光反射特性。
漫反射表面反射光且对观察器无方向性依赖。表面是否微观粗糙或光滑 对后续光束的反射具有重大的影响。来自单方向源的输入光在漫反射表面(例 如，图17B中的1704)上沿各个方向被反射离开。漫反射源于光内散射(例 如，光被吸收然后被重新发出)以及来自物体的粗糙表面的外散射的组合。
朗伯反射。在根据本申请的一些实施方案中，反射器1404的表面1610 是朗伯反射表面(例如，图17C中的1706)。朗伯源被定义为符合朗伯余弦法 则的光源，即，具有与观察角度的余弦直接成正比的强度(图17C)。因此， 朗伯表面被定义为对入射辐射提供均匀散射使得其辐射(或照明)在可对其进 行测量的各个方向都相同(例如，辐射与观察角无关)的表面，其中辐射表面 的总面积大于被测量面积。
在理想漫射表面上，从任何小表面部件沿给定方向发出的光的强度与和 表面正交的角度的余弦成正比。朗伯表面的亮度(照度、辐射率)是与观察角 度无关的常数。
入射光照射朗伯表面(图17C)并沿不同方向反射。当的强度被定义为 Iin时，反射光v的强度(例如，Iout)可根据朗伯余弦法则定义如下：

其中，并且kd与表面特性相关。入射角被定义为θin，而 反射角被定义为θout。利用矢量点积公式，反射光的强度也可被写为：
$I_{\mathrm{out}}\left(\overrightarrow{v}\right)=k_d{I}_{\mathrm{in}}\left(\overrightarrow{l}\right)\overrightarrow{l}·\overrightarrow{n},$
其中n表示与朗伯表面正交的矢量。
这样的朗伯表面不会损失任何入射光辐射，而是在表面发光一侧上以2π 弧度内所有可行具体角度对其进行再次发射。此外，朗伯表面发光使得表面 从任何方向都显现出相同亮度。换言之，相同的照射面积反射出相同量的光 通量。尽管以上为理想情况，但有很多实际表面接近于此。例如，可利用散 射白涂料层来制造朗伯表面。这样的典型朗伯表面的反射率可以是93％。在 一些实施方案中，朗伯表面的反射率可以高于93％。在一些实施方案中，朗 伯表面的反射率可低于93％。朗伯表面已被广泛应用于LED设计以提供最 佳照明，例如在授权给Marshall等人的美国专利号6,257,737；授权给Stern 的美国专利号6,661,521；以及授权给Parkyn等人的美国专利号6,603,243中 进行了描述，通过引用将其全部内容分别结合在本说明书中。
有利的是，内部反射器1404上的朗伯表面1610有效地沿各个方向反射 光。反射光然后被导向细长太阳电池402以提高太阳电池性能。
渐开线表面上的反射。在根据本申请的一些实施方案中，内部反射器 1404的表面1610是细长太阳电池管402的渐开线表面。在一些实施方案 中，细长太阳电池管402是圆形或接近圆形。反射器表面1610优选为圆形的 渐开线(例如，图18A中的1804)。圆形1802的渐开线被定义为围绕圆形滚 动的直线上的点绘出的路径。例如，可以下述步骤绘制圆形的渐开线。首 先，将线结合于曲线上一点。然后，延伸该线使得其在结合位点处与曲线正 切。然后，将线弯曲，总是保持其张紧。由线的端部绘制出的点的轨迹(例 如，图18中的1804)被称为原始圆形1802的渐开线。原始圆形1802被称为 其渐开曲线1804的渐屈线。
尽管通常曲线具有唯一的渐屈线，但对应于初始点的不同选择，其具有 无限多条渐开线。渐开线也可被认为是与给定曲线的全部正切线正交的任何 曲线。对于半径r的圆形，在任何时间t，其等式可被写为：
x＝r cost
y＝r sint
相应地，圆形的渐开线的参数等式为：
xi＝r(cost+t sint)
yi＝r(sint-t cost)
渐屈线与渐开线是倒数函数。圆形的渐开线的渐屈线是圆形。
在很多专利设计中都已经使用了渐开线表面以优化光反射。例如，闪光 灯反射器(授权给Draggoo的美国专利号4,641,315，通过引用将其全部内容 结合在本说明书中)以及凹面光反射器装置(授权给Rose的美国专利号 4,641,315，通过引用将其全部内容结合在本说明书中)均利用渐开线表面来提 高光反射效率，通过引用将其全部内容结合在本说明书中。
在图18B中，内部反射器1404连接两个细长太阳电池402。内部反射器 1404及太阳电池402的细节被省去以着重强调细长太阳电池402的形状与内 部反射器1404侧表面1610形状的内在关系。构造侧表面1610使得其是圆形 细长太阳电池402的渐开线。
有利的是，渐开线-渐屈线设计提供了内部反射器1404的侧表面1610与 相邻细长太阳电池402之间最佳交互。当内部反射器1404的侧表面1610是 与反射器1404相邻或安装至内部反射器1404的细长太阳电池402对应的渐 开线表面时，光会沿朝向细长太阳电池402的最佳方向从渐开线表面有效地 反射离开。
在图16未示出的一些实施方案中，细长太阳电池402在其端部凹陷，使 得在端部的直径小于朝向这些电池中心部的直径。电极440被布置在这些凹 陷端部上。
太阳电池组件。如图16所示，多个细长太阳电池402中的太阳电池以平 行或接近平行的几何方式排列。在一些实施方案中，细长导电芯404是部分 5.4中描述的任何双层芯。在一些实施方案中，例如图3B所示，并未形成导 电芯404，背电极404是沉积在衬底403上的薄金属层。在一些实施方案 中，细长太阳电池402的端部可被向下剥离至外芯。例如，考虑细长太阳电 池402由通过圆柱形衬底403制成的内芯以及由钼制成的外芯(背电极404)构 成的情况。在此情况下，细长太阳电池402的端部可被向下剥离至钼背电极 404，并且电极440可与背电极404电连接。
在一些实施方案中，例如以图16所示的方式，各个内部反射器1404连 接至两个包装细长太阳电池402(例如，图15及图16中示出为300)。因此， 细长太阳电池402被有效地接合成为单一组合实体。在图16中，电极440延 伸来自背电极404的连接。在一些实施方案中，内部反射器单元1404经由透 明壳体310上的缺口连接至包装太阳电池300。在一些实施方案中，制造透 明壳体310上的缺口以和内部反射器1404的形状互补。两个透明壳体310上 的缺口被用来锁入一个位于两个包装太阳电池300之间的内部反射器单元 1404。在一些实施方案中，诸如环氧化物胶的粘接材料被用来加强内部反射 器单元1404与相邻包装太阳电池单元300之间的连接，使得可向包装太阳电 池300正确地反射太阳辐射以进行吸收。
在根据本申请的一些实施方案中，可以在相同模制过程中形成内部反射 器1404及透明壳体310。例如，可将透明壳体310与星形内部反射器1404 交替的阵列(如图19中的1900所示)制成单一合成体。可进行其它改变以提 高内部反射器单元1404的反照效应或提高透明壳体310与太阳电池402之间 更好地配合。壳体310可包含与太阳电池402的一些实施方案的形状互补的 内部改进。如图19所示，对组件中的内部反射器1404或壳体310的数量并 无限制(例如，10个或更多、100个或更多、1000个或更多、10000个或更 多、5000与一百万个内部反射器1404及壳体310等)。
引用的参考文献
如同分别独立具体地说明各独立公开出版物、专利或申请文本为所有目 的被完整引入本文一样，本说明书中引用的全部参考文献被完整结合在本说 明书中，且以相同程度用于所有目的。
如本领域技术人员可知，可以对本申请进行各种改变及修改而不脱离本 申请的精神及范围。这里所述的具体实施方案仅是示例，本申请仅由所附权 利要求的术语以及这些权利要求的等同物的完整范围来限定。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2006年3月18日递交的发明名称为“Elongated Photovoltaic Cells in Tubular Casings”的美国专利申请号11/378,847的优先 权。