JP2013527622A - 太陽電池モジュールおよびそのための製造方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、太陽電池モジュールおよび該モジュールの製造方法に関する。太陽電池モジュールは、ガラス担体（１）とガラス担体（１）のデバイス側表面（１１）に配置された太陽電池構造体（２）とを含み、デバイス側表面（１１）とは反対側のガラス担体（１）の背面側表面（１２）に配置された保護層（３）を特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、ガラス担体と、ガラス担体のデバイス側表面に配置された太陽電池構造体とを含む太陽電池モジュールに関し、そのような太陽電池モジュールのための製造方法に関する。
そのような太陽電池モジュールは、半導体ウエハで作られた太陽電池と比較して材料コストが低くなるために、評価が高まりつつある。通常、ガラス担体のデバイス側表面は太陽電池構造体によって覆われ、太陽電池構造体は次に太陽電池構造体を外部の影響から保護するガラスカバーによって囲まれ、封止される。一般に、太陽電池構造体は、ガラス担体に背面電極として直接堆積され多くの場合はモリブデンで作られる金属層を含み、それに続いて、光起電力活性な構造体として作用する半導体スタックを含み、最後に前面電極としての別の導電層とを含む。通常、前面電極は、入射光が通過することができるように透明導電性材料で作られる。
通常、ガラスは、太陽電池構造体のための良好な保護および封止用材料として作用する。しかし、時間が経過すると太陽電池効率が明らかに減少することがわかっている。特に、耐候性試験および保証試験の間に太陽電池モジュールが熱および／または湿気に長く曝露されると太陽電池の劣化は非常に顕著である。
長年の使用の後にも太陽電池効率を十分にほぼ一定に保つために、そのような劣化を減らすこと、またはさらに防ぐことも本発明の目的である。
この目的は、本発明において、請求項１の特徴を有する太陽電池モジュール、および請求項１５の特徴を有する太陽電池のための製造方法を提供することによって実現される。本発明の有利な実施形態は、従属請求項の主題である。
本発明は、公知の太陽電池モジュールの効率の損失がガラス担体の劣化に起因するという発見にもとづく。湿った環境において、デバイス側表面とは反対側のガラス担体の背面側表面は横方向導電性（ｌａｔｅｒａｌｌｙ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ）となる。この背面側表面とデバイス側表面にある太陽電池の背面電極との間の電位差によってガラス担体を横切る電場が発生する。この電場がイオン、特にナトリウムイオンを駆動し、ガラス担体を通過させて太陽電池の背面電極に移動させる。これらのイオンが背面電極の材料と反応し、その機能を低下させる。
この影響を軽減するために、ガラス担体の背面側表面に保護層を配置することが示唆される。保護層は、ガラス担体を横切る電場の発生を減らすこと、またはさらには防ぐことによってイオンの流れを減らすことに役立てることができる。これは、ガラス担体の背面側表面の表面電位を調節することによって実現することもできる。この手法の場合、保護層は、等電位表面として作用するために金属などの導電性材料で作られてよい。等電位表面には、電場に対抗するために任意の電圧が印加されてよい。
代りの手法において、保護層は、湿った高温の環境においても背面側表面の横方向導電が妨げられるように設計することができる。これは、保護層を作るために分離テープ、誘電体層、塗料またはその他の適当な非導電性材料の層または箔を用いることによって実現することができる。
そのような太陽電池モジュールを製造するとき、保護層は、製造プロセスの間のいずれの時点においても、すなわち太陽電池構造体の堆積の前または後に、あるいは太陽電池構造体の堆積のためのプロセスステップの合間に、ガラス担体の背面側表面に付けることができる。ガラス担体は、その背面側表面に保護層を予め堆積させてソーラーモジュール製造所に供給されてもよく、有利である。
有利な実施形態において、太陽電池構造体は、ガラス担体のデバイス側表面の上にモノリシックに堆積された薄膜太陽電池構造体である。太陽電池構造体をガラス担体上にモノリシックに製造すると、ガラス担体と太陽電池構造体との間に固有の結合があるという利点がある。言い換えると、太陽電池構造体は、ガラス担体の上に一層ずつ堆積される。モノリシック堆積と反対なのは、太陽電池構造体をガラス担体とは別に製造し、後でガラス担体上に配置することであろう。たとえば、太陽電池を封止するためにガラス担体上の太陽電池のモノリシック構造の上に配置されたガラスカバーは、太陽電池構造体にモノリシックに結合していない。
薄膜太陽電池は、アモルファスシリコンまたは他の薄膜シリコン構造体、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、またはセレン化銅インジウムガリウム（ＣＩＳまたはＣＩＧＳ）にもとづいてもよく、あるいは色素増感太陽電池（ＤＳＣ：ｄｙｅ−ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ）または他の有機太陽電池を含んでもよい。
好ましい実施形態において、ガラス担体は、太陽電池構造体のための基板である。つまり、ガラス担体は、光入射側とは反対側の、太陽電池構造体の背面側に位置する。あるいは、ガラス担体は、太陽電池構造体のスーパーストレートであってもよく、その場合、入射光はガラス担体を通過して太陽電池構造体に到達しなければならない。この後者の場合、保護層は、透明材料で作られていなければならない。
好ましい実施形態において、劣化から保護されるべき太陽電池モジュールの太陽電池構造体は、ガラス担体のデバイス側表面と直接接触する金属層を含む。金属層は、特に、モリブデンで作られてよい。
保護層表面積を最小限にした実施形態において、太陽電池構造体によって覆われたデバイス側表面積に対応する背面側表面の表面積は、保護層によって基本的に完全に覆われる。本明細書において、表現「対応する」は、保護層によって覆われる表面積を得るために、太陽電池構造体によって覆われたデバイス側表面積が背面側上に投影されることを意味する。従って、少なくとも太陽電池構造体に直接隣接する背面側表面の面積は、太陽電池構造体のすぐ下における電場の形成を防ぐために、保護層によって覆われる。
しかし、太陽電池モジュールをより良好に保護するために、基本的に保護層がガラス担体の背面側表面全体を覆うと有利である。この実施形態には、背面側表面の保護層をパターン化する必要がなく、かつ太陽電池構造体と保護層とを互いに位置合わせする必要がないという追加の利点がある。
上記のように、本太陽電池モジュールの１つの代替実施形態において、保護層は、ガラス担体の背面側表面に一定の電位を印加するために導電性材料で作られる。保護層は、たとえば、金属または導電性酸化物で作られてもよい。そのような導電性の保護層があると、デバイス側表面と背面側表面との間のいかなる電位差にも対抗するために、予め定められた電位または制御された電位をガラス担体の背面側表面に印加することができる。
上記のように、別の代替実施形態において、保護層は非導電性材料でも作られる。詳しくは、この実施形態における保護層は、好ましくは少なくとも１０１２オームパースクエア、より好ましくは少なくとも２×１０１２、５×１０１２または１０１３オームパースクエアのシート抵抗を有する。
保護層は、ガラス担体の背面側表面に塗布された塗料層を含むと有利である。たとえば、いわゆるトラック塗料（ｔｒｕｃｋ ｐａｉｎｔ）を用いて良好な結果が得られている。保護層は、たとえば、エポキシ樹脂を含むポリビニルブチラール系プライマを含んでもよい。そのような材料は、単独で用いられてもよく、または塗装の下塗り層として用いられてもよい。塗料自体は、ポリウレタン系であってよく、必要なら顔料が加えられる。
製造方法および／または利用される材料に応じて、保護層は、アモルファス、ナノクリスタル、ポリクリスタルまたはモノクリスタルであってよい。ナノクリスタルという表現は、微結晶とも呼ばれ、モノクリスタルという表現は単結晶とも呼ばれている。
好ましい実施形態において、保護層は、酸化物、窒化物および／または酸窒化物を含む。あるいは、保護層は、ポリマーテープ、フォトレジストなどの塗料、または他の適当な材料のフィルムであってもよい。保護層は、背面側表面の上に堆積されるかまたはいずれかの他の適当な手段によって、例えば印刷法によって塗布されるかのどちらかであってよい。
好ましい実施形態において、保護層は、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、酸窒化アルミニウム、酸窒化ケイ素アルミニウム（ｓｉｌｉｃｏｎ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）、またはこれらの材料の１つと１つ以上の別の元素との化合物で作られる。他の適当な材料、特に導電性透明酸化物、たとえばＺｎ２ＳｎＯ４などの導電性材料も用いられてよい。
特に有利な実施形態において、保護層は、湿気バリアである。代わりの実施形態において、または、追加として、ガラス担体から遠い方の保護層の表面は疎水性である。本明細書において、保護層全体が疎水性材料で作られてもよく、または保護層の表面が表面処理によって疎水性にされてもよい。この実施形態は、湿気の蓄積に起因する好ましくない導電性の上昇を避けることができるので、非導電性保護層にとって特に有用である。一方で、疎水性であるという特徴は、すでに導電性である保護層の場合に、湿気をガラス担体表面に一切到達させないためにも、有利となるであろう。
なお、それ自体が酸化ケイ素で作られたガラス担体の上に堆積された酸化ケイ素の薄層でも、効果的な保護層として作用することが可能であろう。ガラス担体を製造するために必要とされる量と比較すると、保護層の堆積のために必要な量は少ししかないので、はるかに高い品質で且つ上述の目的のために最適化された化学特性および物理特性から選ばれた特性の組み合わせを有する保護層を製造することができる。
保護層は、好ましくは２５ｎｍより大きな、好ましくは２５ｎｍから５００ｎｍの間の層厚さを有してよいが、これより厚い層になっても適切であることもある。本明細書に言及されたいずれの実施形態による保護層も、物理蒸着または化学蒸着（ＰＶＤ：ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎまたはＣＶＤ：ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって堆積されてよく、プラズマ支援（ＰＥＣＶＤ）であってもよい。スパッタリングまたはエピタキシャル蒸着法などの他の堆積法も用いられてよい。
以下の記載において、本発明の実施形態の例が添付の略図を参照してさらに詳細に説明される。
ガラス担体を示す。 保護層によって覆われた図１のガラス担体を示す。 ガラス担体に形成された太陽電池構造体を示す。 ガラス担体とガラスカバーとの間にはさまれた太陽電池構造体を含む太陽電池モジュールを示す。
図１から４は、好ましい実施形態による太陽電池モジュールの製造におけるさまざまな段階を例示する。図１に示されるように、最初にデバイス側表面１１および背面側表面１２を含む適当なサイズおよび厚さのガラス担体１が準備される。
図２に示されるように、ガラス担体１の背面側表面１２は、たとえば約２５ｎｍ以上の層厚さを有する酸化ケイ素（ＳｉＯ２）で作られた保護層３によって実質的に完全に覆われる。しかし、５００ｎｍよりはるかに大きな層厚さを製造することは、厚さがより高くなることで提供され得るどの利点と比較しても、あまりに高価である。ガラス担体１は、太陽電池製造所に供給されるときすでに保護層３が設けられていてもよい。
その後、図３に示されるように、ガラス担体１の上に堆積される複数の層を含む太陽電池構造体２が、ガラス担体１のデバイス側表面１１に製造される。薄膜太陽電池として製造される太陽電池構造体２がどのようなものであっても、本目的に適い得る。最後に、図４に示されるように、太陽電池構造体２の上にカバーガラス４が配置されて太陽電池構造体を保護し、同時に入射光をカバーガラス４に通して太陽電池構造体２において電気エネルギーに変換させることが可能になる。
本明細書に記載される製造プロセスにおいて、保護層３は太陽電池構造体２を製造する前にガラス担体１の背面側表面１２の上に堆積されるが、代りにこのプロセスが逆になってもよい。あるいは、太陽電池構造体２の堆積ステップの合間に保護層３を堆積してもよい。その後、太陽電池モジュールは端に沿って封止され、支持用フレームの中に置くことができる。
１ ガラス担体
１１ デバイス側表面
１２ 背面側表面
２ 太陽電池構造体
３ 保護層
４ カバーガラス

Claims (17)

  1. ガラス担体（１）と、前記ガラス担体（１）のデバイス側表面（１１）に配置された太陽電池構造体（２）とを含む太陽電池モジュールであって、前記デバイス側表面（１１）とは反対側の前記ガラス担体（１）の背面側表面（１２）に配置された保護層（３）を特徴とする太陽電池モジュール。
  2. 前記太陽電池構造体（２）は、前記ガラス担体（１）の前記デバイス側表面（１１）の上にモノリシックに堆積された薄膜太陽電池構造体であることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池モジュール。
  3. 前記ガラス担体（１）は、太陽電池構造体（２）のための基板であることを特徴とする、請求項１または２に記載の太陽電池モジュール。
  4. 前記太陽電池構造体（２）は、前記ガラス担体（１）の前記デバイス側表面（１１）と直接接触する金属層を含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。
  5. 前記デバイス側表面（１１）と接触する前記金属層は、モリブデンで作られることを特徴とする、請求項４に記載の太陽電池モジュール。
  6. 前記太陽電池構造体（２）によって覆われたデバイス側表面（１１）の面積に対応する前記背面側表面（１２）の表面積は、前記保護層（３）によって基本的に完全に覆われることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。
  7. 前記保護層（３）は、基本的に前記ガラス担体（１）の前記背面側表面（１２）全体を覆うことを特徴とする、請求項６に記載の太陽電池モジュール。
  8. 前記保護層（３）は、前記ガラス担体（１）の前記背面側表面（１２）に一定の電位を印加するための導電性材料で作られることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。
  9. 前記保護層（３）は、非導電性材料で作られることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。
  10. 前記保護層（３）は、少なくとも１０１２オームパースクエアのシート抵抗を有することを特徴とする、請求項９に記載の太陽電池モジュール。
  11. 前記保護層（３）は、塗料層を含むことを特徴とする、請求項９または１０に記載の太陽電池モジュール。
  12. 前記保護層（３）は、アモルファス、ナノクリスタル、ポリクリスタルまたはモノクリスタルであることを特徴とする、請求項９から１１のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。
  13. 前記保護層（３）は、酸化物、窒化物および／または酸窒化物を含むことを特徴とする、請求項９から１２のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。
  14. 前記保護層（３）は、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、酸窒化アルミニウム、酸窒化ケイ素アルミニウムまたはこれらの材料の１つと１つ以上の別の元素との化合物で作られることを特徴とする、請求項１３に記載の太陽電池モジュール。
  15. 前記保護層（３）は、湿気バリアであることを特徴とする、請求項１から１４のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。
  16. 前記ガラス担体（１）から遠い方の前記保護層（３）の表面は、疎水性であることを特徴とする、請求項１から１５のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。
  17. ガラス担体（１）を準備するステップ、
    前記ガラス担体（１）のデバイス側表面（１１）の上に太陽電池構造体（２）を堆積するステップ、および
    前記デバイス側表面（１１）とは反対側の前記ガラス担体（１）の背面側表面（１２）の上に保護層（３）を付けるステップ
    を含む、太陽電池モジュールのための製造方法。
JP2013512759A 2010-06-04 2011-05-27 太陽電池モジュールおよびそのための製造方法 Pending JP2013527622A (ja)

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