JP2013502745A - 薄膜太陽電池用バリア膜 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、参照によって全体が本明細書に組み込まれる2009年8月24日出願の米国仮特許出願第61/236,177号の利益を請求する。
(a)電池基板と、
(b)電池基板上に配置された薄膜太陽電池であって、ナノ結晶質Si、非晶質シリコン(a−Si)、テルル化カドミウム(CdTe)、銅インジウム(ガリウム)ジセレニド/スルフィド(CIS/CIGS)、色素増感および有機材料からなる群から選択される薄膜太陽電池と、
(c)薄膜太陽電池上に配置された封止剤層と、
(d)封止剤層上に配置された少なくとも1枚のプラスチック基板であって、周期表のIVB族、VB族、VIB族、IIIA族およびIVA族の酸化物および窒化物ならびにそれらの組み合わせからなる群から選択される1層またはそれ以上の透明な非晶質バリア層で少なくとも片面が被覆され、そして原子層堆積プロセスによって被覆されたプラスチック基板と
を含んでなる多層物品を記載する。
(a)電池基板を提供することと、
(b)電池基板上に薄膜太陽電池を配置することと、
(c)ナノ結晶質Si、非晶質シリコン(a−Si)、テルル化カドミウム(CdTe)、銅インジウム(ガリウム)ジセレニド/スルフィド(CIS/CIGS)、色素増感および有機材料からなる群から選択される材料をベースとする薄膜太陽電池上に封止剤層を配置することと、
(d)周期表のIVB族、VB族、VIB族、IIIA族およびIVA族の酸化物および窒化物ならびにそれらの組み合わせからなる群から選択され、原子層堆積プロセスによって形成された1層またはそれ以上の透明な非晶質バリア層で少なくとも片面が被覆された少なくとも1枚のプラスチック基板を、封止剤層上に配置することと
を含んでなる多層物品の製造方法を記載する。
(a)プラスチック基板とその上に配置された薄膜太陽電池を、50℃〜250℃の温度に保持された反応チャンバーに置くことと、
(b)第1の前駆体蒸気をチャンバーに入れ、プラスチック基板上に吸着された前駆体層を形成することと、
(c)反応チャンバーから蒸気をパージすることと、
(d)吸着された前駆体材料と反応して透明な非晶質バリア層を形成する第2の前駆体を、反応チャンバーに入れることと、
(e)反応チャンバーの揮発性反応物および反応によって生じた反応生成物をパージすることと、
(f)あらかじめ選択された厚さを有する1層またはそれ以上の透明な非晶質バリア層を形成するのに十分な回数で工程(b)、(c)、(d)および(e)を繰り返すこととを含んでもよい。
(a)電池基板と、
(b)電池基板上に配置された薄膜太陽電池であって、ナノ結晶質Si、非晶質シリコン(a−Si)、テルル化カドミウム(CdTe)、銅インジウム(ガリウム)ジセレニド/スルフィド(CIS/CIGS)、色素増感および有機材料からなる群から選択される材料をベースとする薄膜太陽電池と、
(c)薄膜太陽電池上に配置された封止剤層と、
(d)封止剤層上に配置された少なくとも1枚のプラスチック基板であって、周期表のIVB族、VB族、VIB族、IIIA族およびIVA族の酸化物および窒化物ならびにそれらの組み合わせからなる群から選択され、原子層堆積プロセスによって形成された1層またはそれ以上の透明な非晶質バリア層で少なくとも片面が被覆されたプラスチック基板と
を有する多層膜物品が記載される。
り、可視光がデバイスから出るか、またはデバイスに入らなければならない電子ディスプレーおよび太陽電池には魅力的である。SiおよびAlの窒化物は、可視スペクトルでも透明である。本明細書で使用する「可視光」という用語は、赤外線および紫外線スペクトル領域に含まれる波長、ならびに典型的な光電子デバイスの操作限界内である一般に人の目で認識できる波長を有する電磁放射を含むものとして理解されるべきである。
2Al(CH3)3+3H2O → Al2O3+6CH4
Al−(CH3)*+H2O → Al−OH*+CH4
Al−OH*+Al(CH3)3 → Al−O−Al(CH3)2+CH4
「*」は被覆される材料の表面に存在する種を示している。もちろん、ALDプロセスは、他の前駆体および反応物で実施することができる。
a.電池基板を提供すること、
b.電池基板上に薄膜太陽電池を配置すること、
c.ナノ結晶質Si、非晶質シリコン(a−Si)、テルル化カドミウム(CdTe)、銅インジウム(ガリウム)ジセレニド/スルフィド(CIS/CIGS)、色素増感および有機材料からなる群から選択される材料をベースとする薄膜太陽電池上に封止剤層を配置すること、
d.周期表のIVB族、VB族、VIB族、IIIA族およびIVA族の酸化物および窒化物ならびにそれらの組み合わせからなる群から選択され、原子層堆積プロセスによって形成された1層またはそれ以上の透明な非晶質バリア層で少なくとも片面が被覆された少なくとも1枚のプラスチック基板を、封止剤層上に配置すること
による多層物品を製造する方法が記載される。
a.プラスチック基板とその上に配置された薄膜太陽電池を、50℃〜250℃の温度に保持された反応チャンバーに置くことと、
b.第1の前駆体蒸気をチャンバーに入れ、プラスチック基板上に吸着された前駆体層を形成することと、
c.反応チャンバーから蒸気をパージすることと、
d.吸着された前駆体材料と反応して、透明な非晶質バリア層を形成する第2の前駆体を反応チャンバーに入れることと、
e.反応チャンバーの揮発性反応物および反応によって生じた反応生成物をパージすることと、
f.あらかじめ選択された厚さを有する1層またはそれ以上の透明な非晶質バリア層を形成するのに十分な回数で工程(b)、(c)、(d)および(e)を繰り返すことと
を含んでもよい。
図1を参照すると、一般に、本発明のALD層の透過を特徴づけるために使用される試験電池の構成を10に示す。厚さ0.002インチ(2ミル)のフルオロポリマー(E.I.du Pont de Nemours and Company(Wilmington,DE)が販売するDuPont Teflon(登録商標)FEP 200C)の耐候性の層であるフロントシート12を、室温で、厚さ1ミルの接触接着剤14(株式会社ポラテクノ(日本、東京)が販売するPolatechno,AD−20)によって片面を被覆した。厚さ7ミルのPET基板18(Dupont Teijin Films US Limited Partnership(Chester,VA)が販売するDuPont Teijin Films ST504)は、原子層堆積によって100℃で、厚さ約25nmのAl2O3バリア層16で被覆した。次いで、FEP層12の接着被覆された面を、PET基板18のAl2O3バリア層面に積層し、可撓性フロントシートを得た。
本実施例で検討する構造を図3に示す。厚さ25nmのAl2O3バリア層40a、40bを、120℃で原子層堆積によって、厚さ5ミルのPEN(DuPont Teijin Films Kaladex(登録商標)ポリエチレナフタレート、厚さ2ミル)基板42の両面に、反応器の底部のわずか上にPENを持ち上げることによって堆積した。Al2O3バリア層は、反応物としてトリメチルアルミニウムおよび水蒸気を使用して、原子層堆積によって堆積した。20sccmで窒素気体で連続的にパージされ、小型メカニカルポンプで約0.3トールのバックグラウンド圧力(反応物も前駆体もない)までポンプ排気した反応器(Cambridge Nanotech Savannah 200)に、前駆体蒸気を順番に導入した。一回の反応サイクルで、加熱されたPEN基板42に15ミリ秒間、水蒸気を曝し、続いて、30秒間窒素流で反応器をパージし、次いで、トリメチルアルミニウムに15ミリ秒間曝し、続いて、15秒間、窒素流でパージをした。この反応手順によって、Al2O3の単層が本質的に製造された。この反応手順を250回繰り返して、PEN基板上に厚さ約25nmのAl2O3層を形成した。原子層堆積における前駆体の高い拡散率のため、反応器の底部に面するPENの表面部分もAl2O3の層で被覆された。片面に1ミルの接触接着剤14(Polatechno,AD−20)が堆積された厚さ2ミルのTeflon(登録商標)FEPフルオロポリマー(DuPont FEP 200C)耐候性トップシート12を、Al2O3が堆積されたPEN基板42に積層し、積層構造を形成した。次いで、この積層構造のAl2O3が堆積されたPEN基板面を、紫外線硬化エポキシ20を使用して、実施例1に記載の薄い(厚さ約60nm)半透明のCa層22を有するガラス基板24を含むCa試験電池に接着した。
図5は、ALDバリア層が耐候性のフロントシート上に直接配置された、さらにもう1つの試験構造を表す。Al2O3バリア層60を、Teflon(登録商標)フルオロポリマー(DuPont FEP 200C)耐候性層12上に原子層堆積によって直接堆積した。トリメチルアルミニウムおよび水の前駆体を用いて、50℃で厚さ2ミルのFEP上に原子層堆積によって、Al2O3バリア膜を堆積した。20sccmで窒素気体で連続的にパージされ、小型メカニカルポンプで約0.3トールのバックグラウンド圧力(反応物も前駆体もない)までポンプ排気した反応器(Cambridge Nanotech Savannah 200)に、前駆体蒸気を順番に導入した。窒素気体を、前駆体の担体として、またパージ気体としても使用した。一回の反応サイクルで、Al2O3の単層が本質的に製造された。一回の反応サイクルで、加熱されたFEP基板に15ミリ秒間、水蒸気を曝し、続いて、100秒間窒素流で反応器をパージし、次いで、トリメチルアルミニウムに15ミリ秒間曝し、続いて、50秒間、窒素流でパージをした。この反応手順によって、Al2O3の単層が本質的に製造された。この反応手順を250回繰り返して、FEP基板上に厚さ約25nmの透明非晶質Al2O3層を形成した。
上記実施例1〜3で実証したALDバリア層によって提供される気体透過に対する耐性改善の利点について、図7に示すような実際の薄膜太陽電池デバイスを試験することによって確認した。電池デバイスには、室温で、厚さ1ミルの接触接着剤82a(Polatechno,AD−20)によって片面を被覆された厚さ0.002インチ(2ミル)のフルオロポリマー(DuPont Teflon(登録商標)FEP 200C)の耐候性の層で製造したフロントシート12が含まれた。2枚の厚さ5ミルのPEN(ポリエチレンナフタレート)基板84a、84b(DuPont Teijin Filmsが販売するQ65 A、熱安定化PEN)は、それぞれ原子層堆積(ALD)によって両面を被覆した。120℃に保持した基板を用いてALDプロセスを実施し、両面に厚さ約25nmのAl2O3バリア層を製造し、基板84aにコーティング80aと80b、基板84bにコーティング80cと80dが得られた。2枚のALD被覆PEN基板84a、84bを、一緒に1ミルの接触接着剤82bに積層した。次いで、FEP層の接着剤被覆面を、積層されたPENシートの片面に積層して、可撓性フロントシートを得た。
Claims (15)
- (a)電池基板と、
(b)電池基板上に配列された薄膜太陽電池であって、ナノ結晶Si、非晶質シリコン(a−Si)、テルル化カドミウム(CdTe)、銅インジウム(ガリウム)ジセレニド/スルフィド(CIS/CIGS)、色素増感および有機材料からなる群から選択される材料をベースとする薄膜太陽電池と、
(c)薄膜太陽電池上に配列された封止剤層と、
(d)封止剤層上に配列された少なくとも1枚のプラスチック基板であって、周期表のIVB族、VB族、VIB族、IIIA族およびIVA族の酸化物および窒化物ならびにそれらの組み合わせからなる群から選択される1層またはそれ以上の透明な非晶質バリア層で少なくとも片面が被覆され、そして原子層堆積プロセスによって1層またはそれ以上の透明な非晶質バリア層で少なくとも片面が被覆されるプラスチック基板と
を含んでなる多層物品。 - 透明な非晶質バリア層が、SiO2、Al2O3、TiO2、ZrO2、HfO2、Si3N4およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項1に記載の多層物品。
- 透明な非晶質バリア層がAl2O3であり、原子層堆積プロセスが、トリメチルアルミニウムおよび水蒸気の反応物を使用して実行される、請求項1に記載の多層物品。
- 少なくとも1枚のプラスチック基板上に配列された接着剤層をさらに含んでなる、請求項1に記載の多層物品。
- プラスチック基板の被覆面と耐候性層との間に配列された接着剤層をさらに含んでなる、請求項1に記載の多層物品。
- プラスチック基板と、透明な非晶質バリア層との間に挿入された核形成層をさらに含んでなる、請求項1に記載の多層物品。
- 透明な非晶質バリア層が、2nm〜100nmの範囲の厚さを有する、請求項1に記載の多層物品。
- 透明な非晶質バリア層が、2nm〜50nmの範囲の厚さを有する、請求項1に記載の多層物品。
- (a)電池基板を備える工程、
(b)電池基板上に、ナノ結晶Si、非晶質シリコン(a−Si)、テルル化カドミウム(CdTe)、銅インジウム(ガリウム)ジセレニド/スルフィド(CIS/CIGS)、色素増感および有機材料からなる群から選択される材料をベースとする薄膜太陽電池を配列する工程と、
(c)薄膜太陽電池上に封止剤層を配列する工程と、
(d)周期表のIVB族、VB族、VIB族、IIIA族およびIVA族の酸化物および窒化物ならびにそれらの組み合わせからなる群から選択され、原子層堆積プロセスによって形成された1層またはそれ以上の透明な非晶質バリア層で少なくとも片面が被覆される少なくとも1枚のプラスチック基板を、封止剤層上に配列する工程と
を含んでなる多層物品の製造方法。 - 原子層堆積プロセスが、
(a)プラスチック基板とその上に配列された薄膜太陽電池を、50℃〜250℃の温度に保持された反応チャンバー内に置く工程と、
(b)第1の前駆体蒸気をチャンバー内に入れ、プラスチック基板上に吸着された前駆体層を形成する工程と、
(c)反応チャンバーから蒸気をパージする工程と、
(d)吸着された前駆体材料と反応して透明な非晶質バリア層を形成する第2の前駆体を、反応チャンバー内に入れる工程と、
(e)揮発性反応物およびその反応によって生成した反応生成物の反応チャンバーをパージする工程と、
(f)あらかじめ選択された厚さを有する1層またはそれ以上の透明な非晶質バリア層を形成するのに十分な回数工程(b)、(c)、(d)および(e)を繰り返す工程と
を含んでなる、請求項9に記載の方法。 - 透明な非晶質バリア層が、SiO2、Al2O3、TiO2、ZrO2、HfO2、Si3N4およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項10に記載の方法。
- 透明な非晶質バリア層がAl2O3であり、原子層堆積プロセスが、トリメチルアルミニウムおよび水蒸気の反応物を使用して実行される、請求項11に記載の方法。
- 1層またはそれ以上の透明な非晶質バリア層上での堆積の前に、プラスチック基板上で核形成層を形成する工程をさらに含んでなる、請求項10に記載の方法。
- 前記あらかじめ選択された厚さが2nm〜100nmの範囲である、請求項10に記載の方法。
- 前記あらかじめ選択された厚さが2nm〜50nmの範囲である、請求項10に記載の方法。
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