具有信息存储和显示功能的光伏太阳能电池

技术领域

本发明涉及太阳能电池(也被称为光伏(PV)电池)的领域，更具体地涉及设置有用于确保这些电池的可追溯性的装置的电池的领域。

背景技术

已知在太阳能电池上刻写有信息。例如，文献CN103489963B提出了借助于激光辐照技术在太阳能电池上刻写条形码。

对于一些电池技术，由于该技术所产生的显著的和局部的加热，从而可能损害电池的有源层或结的特性。

此外，激光设备的使用在制造方法的成本方面带来了问题。

另一方面，希望减少用于读取被刻写在电池上的信息所需的时间，例如，当必须进一步定位条形码所在的区域时，该时间能够增加。

针对这样的问题，提供了一种设置有用于确保电池的可追溯性的装置的电池，并且该电池相对于上述缺点得到了改进。

发明内容

因此，本发明的一个实施例提供了一种光伏电池，该光伏电池配备有具有一个或多个雕刻图案的结构，该结构能够发射光辐射。

电池在主面的区域上包括第一层，该第一层与至少一个第二层形成结，该第一层包括一个或多个雕刻图案，所述一个或多个图案根据与至少一个信息符号相对应的预定布置被分布，所述结在被反向偏置时能够发射光辐射，光辐射显示在所述第一层中被雕刻的所述一个或多个图案。

因此，利用这种电池，更容易识别所雕刻的图案。

能够更容易和更快速地检测这些图案所承载的信息项，例如电池的标识符或表示其制造方法或其所生产的技术的代码。

第一层可以是半导体基底层，或者是附接到或形成在半导体基底上的层。

第二层可以是半导体基底层，或者是附接到或形成在半导体基底上的层。

在如上所述的太阳能电池中，可以提供多种结类型。

根据第一个特定实施例，结可以是pn型同质结。在这种情况下，所述第一层可以是晶体半导体材料层，并且第一层与晶体基底的第二层形成同质结，或者与以晶体半导体层的形式置于半导体基底上的第二层形成该同质结。

根据第二个特定实施例，所述第一层可以是掺杂的非晶半导体层，或由本征非晶半导体层和掺杂的非晶半导体层组成的多层材料，并且第一层与第二层形成异质结。在这种情况下，第二层可以是晶体基底层或者是置于基底上的晶体半导体层。

根据光伏电池的另一特定实施例，所述第一层可以是形成肖特基结的金属层。在这种情况下，第二层可以是置于基底上的半导体基底层，特别是晶体或半导体层，特别是由晶体半导体材料制成的层。

根据光伏电池的另一可能的实施方式，第一层可以是金属层或是掺杂的多晶半导体材料层，该掺杂的多晶半导体材料层的导电类型与置于第一层上的基底的导电类型相反。在这种情况下，介电材料层可以被布置在基底和所述第一层之间。

根据光伏电池的另一可能的实施方式，所述第一层可以是金属氧化物层，并且形成异质结。在这种情况下，第二层可以是晶体基底层，或者是置于基底上的非晶半导体层，特别是晶体层。介电材料层可以被设置在基底和所述第一层之间。

本发明的一个实施例提供了一种光伏模块，该光伏模块设置有如上限定的光伏电池。

我们想要识别的电池通常与偏置装置或偏置电路相关联，该偏置装置或偏置电路被配置为使所述结反向偏置，特别是使用相似的电压，并且优选地使用(绝对值)小于整个设备的击穿电压，从而使所述结发射光辐射。

因此，根据另一方面，本发明的一个实施例提供了一种设备，该设备设置有如上限定的光伏电池，并且进一步包括偏置装置或偏置电路，该偏置装置或偏置电路被配置为使所述结反向偏置。

有利地，该设备可以设置有例如照相机的图像获取装置，该图像获取装置用于实现所述区域的图像的获取，所述反向偏置电压在所述获取的整个期间被施加。

在如上限定的太阳能电池中，所述图案通常由机械雕刻进行。借助于工具的雕刻特别能够在不显著改变正向偏压结的特征的情况下产生凹槽，特别是在借助于激光形成图案的情况下。此外，机械雕刻比激光雕刻便宜。

因此，根据另一方面，本发明涉及一种用于制造如上限定的太阳能电池的方法，并且其中所述一个或多个图案由机械雕刻来进行。借助于工具的雕刻特别能够在不显著改变正向偏压结的特征的情况下产生凹槽，特别是在借助于激光形成图案的情况下。此外，机械雕刻比激光雕刻便宜。

通常，通过扫描与所述第一层接触的一个或多个尖端或通过在所述第一层上按压元件来进行机械雕刻。

根据另一方面，本发明涉及一种用于识别太阳能电池的方法，该方法包括以下步骤：

-反向偏置如上限定的太阳能电池的所述结，使该结发射光辐射，该光辐射显示在所述电池的所述第一层中雕刻的所述图案，然后

-读取所述给定信息项，特别是通过使用图像获取装置获取在所述第一层中雕刻的所述图案的图像来读取所述给定信息项。

这种识别可以在将电池组装到模块中之前进行，甚至可以在电池被集成到光伏模块中时进行。

这种识别可以在太阳能电池分选过程期间使用。

因此，根据另一方面，本发明还涉及一种用于分选太阳能电池的方法，该方法包括以下步骤：

-在第一太阳能电池上实施如上限定的识别方法，

-在第二太阳能电池上实施如上限定的识别方法，

-分别根据在第一电池上读取的给定信息项和在第二电池上读取的给定信息项，将第一电池和第二电池分布在一个或多个组中。

第一电池可以是第一模块的电池，而第二电池可以是第二模块的电池，第二模块不同于第一模块。

第一电池包括第一信息符号，该第一信息符号可以表示制造第一模块的电池的制造技术。还可以表示与第一模块的技术(例如与互连方法、封装类型，玻璃性质)有关的信息项。

根据方法的一种可能的实施方式，在第一电池上读取的给定信息项表示制造第一模块的电池的第一制造技术，而在第二电池上读取的所述给定信息项表示制造第二模块的电池的第二制造技术。

在这种情况下，该方法进一步包括将第一模块的电池分布在第一组电池中和将第二模块的电池分布在第二组电池中，第二组电池不同于第一组电池。

该方法可以进一步包括在该分布之前，拆卸所述第一模块和所述第二模块。

该识别还可以在用于回收光伏模块或太阳能电池的过程期间使用。

因此，根据另一方面，本发明涉及一种用于回收太阳能电池或设置有多个太阳能电池的光伏模块的方法，该方法包括：

-在如前限定的太阳能电池上实施如上限定的识别方法，然后，

-拆卸所述电池或光伏模块，其中，所述给定电池根据通过读取所述雕刻图案识别的所述给定信息项被集成。

利用如上限定的识别方法，不必强制性地拆卸光伏模块就可以了解其电池的组成，即使电池被集成到PV模块中，也能够识别电池。

在如上限定的方法的实施期间，希望读取给定信息项的电池可以有利地被设置在温度调节基座上，该温度调节基座被配置为将电池的温度保持在低于60℃，并且优选地低于30℃的值。

附图说明

通过阅读仅以示意性和非限制性示例的方式给出的实施例的示例的描述，同时参考附图，将更好地理解本发明，在附图中：

-图1A和图1B用于说明如下的一种方法，该方法用于在太阳能电池面上在形成结的层处刻写图案，该结可以被反向偏置以发射光辐射，发射光辐射是为了显示在该层中产生的图案；

-图2A、图2B、图3A、图3B、图4A、图4B、图5A、图5B用于说明可能被集成到太阳能电池中的不同类型的结，结能够通过发光雕刻图案来进行显示功能；

-图6用于说明一种用于读取被设置在太阳能电池上的这种显示结构的设备。

不同图的相同、相似或等效部分具有相同的附图标记，例如便于从一个图到另一图的转换。

图中所示的不同部分不必按照统一的比例，以便使图更易读。

此外，在下文的描述中使用了取决于方向的术语，例如“垂直”、“横向”、“上部”、“下部”等，这是考虑到以图中所示的方式对结构进行定向。

具体实施方式

用于在太阳能电池上实现显示结构的可能的起始结构是基于半导体材料的基底1，该基底通常由硅制成，并且可以是单晶的或多晶的。

在单晶基底的情况下，单晶基底可以例如由切克劳斯基(Czochralski)工艺类型的制造技术或通过区域熔融技术来形成。在多晶材料基底的情况下，多晶材料基底可以例如由坩埚定向凝固(可选地通过胚回收来辅助)来形成。

基底可以是被掺杂的板或薄片的形式。根据例如介于10

基底1可以具有正方形或“几乎正方形”的形状，即具有斜角。基底的侧面或侧边的尺寸例如介于10mm×10mm到200mm×200mm之间。基底1的厚度就其部分而言通常介于5μm到800μm之间，特别地，介于40μm到300μm之间。

基底1包括至少一个结、或覆盖有与基底形成结的层、或覆盖有形成至少一个结的层的叠层。在一个用于形成结的层中，产生光显示结构的雕刻图案。

结的特征在于局部存在永久电场，不存在电和光激发。本领域的技术人员可以从例如杨百翰大学(Brigham Young University，BYU)的网站上提供的计算工具中找到结中的理论电场值。例如，在晶体Si同质结的情况下，可以使用例如为PC1D软件的软件来确定这些值。例如，在a-Si/c-Si异质结的情况下，可以使用例如HZB研究所的Afors-HET软件来查找这些值。

对于同质结，电场的最大值通常大于10kV/cm。

对于例如由在P型掺杂的Si层上的Al层组成的肖特基结，在金属/硅界面处确定的电场的最大值E＝q×[B]×W/εSi。为此，可以从由BYU大学开发的工具中的计算机来预先评估空间充电区域的宽度W。例如，对于1×10

对于由n型掺杂的晶体硅和氢化非晶硅a-Si:H(由本征区域和p型掺杂区域组成的非晶硅层)组成的异质结，借助于Afors-HET进行的模拟给出的例如最大电场值大约为100kV/cm。

在图1A所示的实施例的示例中，基底1在其主面2A、2B的第一面2A的区域上包括层3，该层用于采集少数电荷载流子。例如，层3使得能够在基底1被整体掺杂的情况下，根据p型掺杂来采集电子。层3使得采集成为可能，层3可以是厚度例如介于3nm到600nm之间的掺杂层。

根据一种可能的实施方式，所产生的结可以是pn型同质结。这种结可以例如通过掺杂剂的热扩散或者通过第一主面2A的离子注入(随后进行活化退火)来获得。这种结还能够通过用原位掺杂的外延生长半导体层来产生，换句话说，在外延生长期间产生。在基底的面2A上产生层3，层3具有与基底1的掺杂类型相反的掺杂类型。因此，例如，当基底1被整体p型掺杂时，生长n型掺杂的半导体层。通常，当基底被整体p型掺杂时，例如掺杂剂的浓度介于10

可以提供其他结的类型。

特别地，可以产生非晶半导体/晶体半导体异质结。为此，如图2A所示，例如可以通过PECVD(“Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition，等离子体增强化学气相沉积”)在晶体硅基底1上沉积一个或多个非晶硅层13，至少一个非晶硅层被掺杂，以便具有与基底1相反的导电类型。例如，在p型掺杂的晶体硅基底上产生至少一个n型掺杂的非晶硅层。替代地，可以提供例如具有磷的n型掺杂基底和例如具有硼的p型掺杂非晶硅多层。该多个层的叠层可以具有例如大约为10nm的厚度。

根据另一可能的实施方式，产生肖特基结，该肖特基结由在半导体层上的至少一个金属层组成。因此，在图3A所示的示例中，金属层23产生在例如由硅制成的半导体起始基底1上。在这种情况下，金属层优选地是足够薄的层，以便能够在可见光和/或近红外范围内的光辐射下是透明的。例如，可以在p型掺杂的硅基底上提供厚度例如大约为9nm以及电阻率例如大约为1ohm.cm的铝基金属层。

还能够产生由金属-绝缘体-半导体叠层构成的MIS(“Metal-Insulator-Silicon，金属-绝缘体-硅”)结。因此，在图3A所示的示例中，例如基于铝的金属层23被布置在介电材料层22上，该介电材料层被布置在例如由硅制成的半导体起始基底1上。介电材料22例如可以是氧化物，例如氧化硅。

另一实施例提供一种在半导体-绝缘体-导体叠层中形成的结。为此，如图4A所示，可以提供与基底1的n或p相反的，根据p型掺杂或n型掺杂来掺杂的一个或多个多晶硅导体层33。掺杂的多晶材料层33置于介电材料层32上，介电材料层可以是介电氧化物，例如厚度介于1nm到15nm之间，大约为1.5nm的氧化硅。这种层可以通过在去离子水中进行臭氧鼓泡的方法，由例如掺杂有磷的晶体硅基底形成。多晶材料层33可以通过PECVD来沉积厚度例如大约为40nm的掺硼的非晶硅，然后退火来形成。退火可以例如在大约为750℃的温度下进行大约30分钟的持续时间。

另一个实施例提供了一种在晶体半导体上形成的设置有金属氧化物的异质结。例如，如图5A所示，在该示例中，直接在晶体硅基底1上，通过真空蒸发沉积形成例如氧化钼的金属氧化物层43。例如，可以提供厚度大约为20nm的氧化钼层。

一旦已经产生了结，随后通过层3、或层13、或层23、或层33、或层43的厚度产生图案，并且与基底1或与置于基底上的另一层形成结(图1B、图2B、图3B、图4B、图5B)。

为此，对层3或、层13、或层23、或层33、或层43的区域10进行局部和可控的损坏。

在图1B所示的示例中，该损坏在基底1的拐角处被实施。通过机械雕刻，由此通过层3的至少一个厚度产生一个或多个图案12，使得层3能够获得所述结。根据与承载信息项的至少一个符号相对应的预定布置来分布一个或多个图案。该信息项具体地是与所述电池有关的信息项，例如与电池的技术有关，该电池技术具体地给出了关于基底的类型、电池的组成材料、电池的制造方法的信息。其他信息，例如标识符、电池的来源、电池的供应商、电池的制造日期也可以被刻写，以便能够确保电池的可追溯性。

“机械雕刻”是指通过将工具放置接触在基底上或布置放置接触在基底上的层上而进行的雕刻。机械雕刻使得能够避免在正向偏置期间显著改变电池的特征，这与激光雕刻相反，避免影响电池的光电特性。

这种雕刻可以通过按压包括待转印的完整图案的工具来进行，或通过设置有尖端或一组尖端和基底(或层)的尖端，以及一个或多个尖端相对于基底的移动来进行。

在图1B所示的示例中，为了产生包括通常相互平行的一组凹槽12a、12b、12c的图案12，在基底1的第一面2A上进行操作，对在与采集区域3上接触的例如为配备有尖端102的触笔的工具101进行扫描。进行扫描以形成凹槽，该扫描操作平行于所谓的“纵向”边(在图1B中与x轴平行的边)。触笔平行于所谓的“横向”边(平行于y轴的边)运动，以被操作为从一个凹槽移动到另一个凹槽。工具的移动使得能够进行机械雕刻，即在两个雕刻区域或两个不同的图案之间，在工具101和基底1之间进行空间分离的操作。替代地，可以进行雕刻操作，使得一个或多个尖端在待雕刻的两个图案之间与基底1保持接触。

在所示的特定实施例的示例中，由局部机械损坏产生的整个图案是平行的凹槽的形式，特别是不同宽度的平行的凹槽。这些凹槽可能形成条形码。可以提供可选地承载编码信息项的其他类型的图案，例如还可以提供二维条形码图案(或例如QR代码的矩阵代码)，该二维条形码图案由例如设置在整体雕刻区域中的一组非雕刻元素组成。

雕刻至少在层3中进行挖刻，使得能够获得用于采集基底的少数自由电荷的区域。

该方法随后可以遵循类似于常规太阳能电池的制造步骤。

一旦完成了太阳能电池的制造，提供了结的反向偏置，使得结可以发射光，根据所实施的结的类型，光在可见辐射中或者甚至在近红外范围中发射。优选地，将以绝对值低于整个设备的击穿电压的电势差来进行偏置。

例如，在Chynoweth等人的文献“硅的电子崩击穿产生的光辐射(Photo Emissionfrom Avalanche Breakdown in Silicon)”《物理评论(Physical review)》，1956年第2期第102卷中描述了这种类型的光辐射发射。

当结被反向偏置时，所进行的损坏使得能够促进结的击穿。因此，这种损坏使得能够促进结的发光。

施加到设备的负电势差取决于所实施的结的类型和结的特征(例如，结的形态、构成结的层的掺杂)。

对于同质结，本领域技术人员可以寻找要被施加的理论或半经验电势差值，以使结的击穿成为可能。这些电势差可以明确地在“半导体器件物理学(Physics ofSemiconductor Devices)，第二版，S.M.Sze”的作品中找到，并且这些电势差适用于不同的结的轮廓(突变或具有浓度梯度)以及不同的结的形态(球形或圆柱形)。

为了使结的击穿成为可能而施加的电势差还可以通过在反向偏置期间追溯电池的电流-电压特征来以经验为主地评估。

为了获得结的适当的反向偏置，还可以施加电势差，以便反向偏置结，然后，调制所施加的电压或电势差，直到获得光发射。优选地从低电势差(绝对值)开始，并且逐步增加所施加的电势差的绝对值，直到光发射。因此，可以确定适当的电压以获得足够强的光发射。优选地，将反向偏置的电池或模块放置在使得能够将温度保持在低于60℃，特别优选地低于30℃的环境中，例如通过将电池或模块放置在温度调节基座上。该基座可以是例如由铜制成的基座，水在基座中循环以实现冷却，或者是特别地设置有珀尔帖模块的热电冷却基座。在低温下的维护可保护电池不受可能降低其性能的局部加热的影响。

在结处的光辐射发射使得能够显示一个或多个雕刻图案，并且使得一个或多个雕刻图案的读取更容易和更快。通常在整个检测或可视化期间，对一个或多个电池进行反向偏置操作。

例如，在图6所示的设备(此处未按比例显示该设备)的示例中，可以通过检测设备60来进行对图案12的检测，该检测设备在这里配备有例如为CCD照相机的照相机61。在图示的图案承载有编码数据的示例中，设备60连接到数据库63，使得能够在编码数据和与电池有关的信息之间的建立对应关系，所述信息例如与电池的方法和/或电池的制造技术和/或电池的性能和/或电池的标识符有关。通常地，所使用的照相机61使得能够对电池甚至整个模块进行图像采集。

在将电池集成到由一组相互组装和连接的电池所组成的完整光伏模块中的同时，还可以进行检测或可视化。

如前所述，除了提供基底、形成结、特别是形成用于采集少数载流子的区域、然后通过采集区域或结的区域的局部机械损坏来形成图案的步骤之外，可以在根据本发明实施的太阳能电池的制造期间提供其他步骤。

为了减小电池表面的反射并且增加电池中光的光路，可以提供使基底1的至少一个面纹理化的步骤。该操作通常在形成结之前进行，使得能够在表面处形成浮雕，例如为形成微米级金字塔图案的形式的浮雕。可通过机械作用、等离子体雕刻、或通过化学腐蚀(例如通过将基底1放置于含有KOH溶液的水浴中)来进行纹理化。在这种情况下，纹理通常在两个主面上浮现。随后，可以进行背面的化学抛光。随后，可以例如借助于HF/HCl来进行主面的清洁。

用于制造太阳能电池的方法还可以包括实施一个或多个钝化层，特别是在已经形成结之后并且在产生图案之前。例如，在基底的背面中产生钝化层。预先，通常例如借助于HF/HCl进行化学清洗。

随后，在背面上进行沉积一个或多个例如为氧化铝(AlO

用于制造太阳能电池的方法还可以包括在正面中形成抗反射层。该层，例如由氢化氮化硅制成，可以在通过机械雕刻形成图案的步骤之后产生。

类似地，在通过正面雕刻产生图案之后，通常提供背面接触的形成和正面接触的形成。可以通过沉积例如由铝制成的金属层来产生背面接触，该金属层沉积在背面上并且可以由丝网印刷来构造。

还可以通过例如由银制成的金属的沉积来形成正面接触，通过丝网印刷构造，以便例如形成栅极。随后进行一个或多个热退火步骤，以激活通过丝网印刷产生的材料并且降低设备的串联电阻。

现在将给出太阳能电池的实施例的具体细节示例，该太阳能电池包括雕刻图案并且可能从包括这些图案的区域发射光辐射。

这里提供了一种n-PERT(“钝化发射极和后部全扩散，Passivated Emitter andRear Totally Diffused”)型太阳能电池，该太阳能电池由掺杂有磷并且电阻率为2Ω.cm的n型单晶硅薄片形式的基底制成。薄片使用切克劳斯基工艺制成，并且具有156×156mm

随后将基底浸入KOH溶液中，以便在薄片的正面和背面中形成纹理面。

随后，借助于HF/HCl基溶液进行正面和背面的清洗。

然后，通过PECVD在薄片的背面上沉积通常由氮化硅制成的阻挡层。

为了产生结，借助于在晶体硅基底的正面中引入的硼来进行p型掺杂。通过在管式炉中由BCl

随后，通过在基底上按压例如为具有碳化钨尖端的梳子之类的工具，将图案雕刻在正面的区域上。尖端的与薄片接触的区域的直径大约为80μm。通过施加大约为200g/尖端的当量来产生图案。

随后，化学去除存在于薄片背面中的阻挡层。

随后，通过PECVD在薄片的正面上沉积另一氮化硅阻挡层，以便在背面中进行掺杂。随后，通过在管式炉中由POCl

随后，通常进行热氧化方法以改善表面的电钝化。

通过PECVD在薄片的正面和背面上沉积氢化氮化硅抗反射层。

然后，制造用于正面的基于银合金和铝的金属栅极，以及用于背面的基于银的金属栅极。

这些栅极的制造可以包括通过丝网印刷以糊料的形式进行的沉积，然后，在连续式炉中进行退火，以便使得丝网印刷的糊料导电并且使得金属物质与硅相互作用。

如前所述，例如上述的太阳能电池可以通过其在发射光辐射的结处的雕刻图案来承载信息。这些信息例如与制造方法和/或制造技术和/或电池的性能和/或电池的标识符有关，使得即使已经将该电池集成到组装有多个电池的光伏模块中，仍能够确保该电池的可追溯性。还可以刻写与模块的技术相关的信息项，例如模块的制造方法、所实施的互连类型、所使用的密封剂的类型、所使用的玻璃的性质。

为了进行电池的识别，因此可以对电池进行反向偏置，使得电池发射显示其图案的正确辐射，并且因此通过例如配备有照相机的读取设备或仪器来促进其信息的读取。通过雕刻图案标记电池并且通过光辐射发射进行显示，特别能够在电池或集成该电池的模块寿命结束时进行分选。

这种识别步骤可以特别地在太阳能电池的分选过程期间使用，借助于如前所述的方法识别的电池被分成多个不同的组。

此外，这种识别和这种分选还可以在用于回收再利用太阳能电池或模块的过程期间被实施。

在回收利用中，在进入拆卸措施之前，可以提供一种通过技术对PV模块进行分选的方法。实际上，可以根据在电池或模块上识别的信息项来拆卸电池或模块，并且提供例如关于其技术或其制造方法的信息。不同的电池(或模块)的拆卸方法可能不同，具体取决于电池的组成材料(使用特定的方法回收存在于异质结硅电池的导电透明氧化物中的铟，而同质结电池将遵循标准的拆卸方法)。实际上，在电池上刻写的信息项可能表示我们想要提取的电池(或模块)的元件和组成材料，以便例如将这些元件和材料重新引入到新的制造或生产循环中。还可以根据通过读取该模块的电池上的图案而识别的模块的技术来对模块进行拆卸。因此，不同的模块(例如，一面是双玻璃模块，另一面是包括

例如，可以提供一种将由硅异质结电池组成的模块与由硅同质结电池组成的模块分开的方法。这种根据电池技术的分选使得能够对电池的组成材料进行优化回收。这种分选还使得电池能够进行选择性再循环。异质结电池可以包括例如铟，随后经过一种用于对特定于异质结电池的模块进行回收的方法被回收，该方法不同于所提供的用于回收不包含铟的同质结电池的方法。