JP2015503844A - 2つまたはそれ以上の薄膜ベースの相互接続型光起電力セルを製造する改良された方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の方法は、ベース光起電力物品10を取得し、ベース物品の製造とは独立して、それを相互接続型光起電力セル100に変換するために機能する。図1Aは、物品10および本発明の方法の代表的な例である。本発明の方法は、少なくともa)可撓性導電基材110、少なくとも1つの光電的活性層120、および最上部の透明導電層130を含む光起電力物品10を供給する工程と、b)可撓性導電基材110を貫通して、1つ以上の第1のチャネル140を形成し、光電的活性層120の一部を露出させる工程と、c)絶縁セグメント150を導電基材110に施し、1つ以上の第1のチャネル140をスパンする工程と、d)1つ以上の第1のチャネル140からオフセットしている1つ以上の第2のチャネル160を、光電的活性層を貫通して形成し、可撓性導電基材110の導電表面を露出させる工程と、f)第1のチャネル140と第2のチャネル150の双方からオフセットしている1つ以上の第3のチャネル170を、最上部の透明導電層130を貫通して光電的活性層120にまで形成する工程と、g)電導性材料180を、最上部の透明導電層の上および第2のチャネルの内部に施し、これによって2つまたはそれ以上の相互接続型光起電力セルを製造する工程とを含む。任意の工程として、以下の1つ以上を含むことが可能である:少なくとも1つの第3のオフセットチャネルを電気絶縁材料で少なくとも部分的に充填する工程;キャリア膜最上部層を供給する工程;このキャリアフィルム最上部層を除去し、これによって最上部接触層を露出させる工程;保護層でパッケージングする工程;外部の電気デバイスへの相互接続を形成する工程;モジュールフォーマット(例えば、シングル)内にパッケージングする工程;または米国特許出願公開第2011/0100436号に記載されているように光起電力セルの部品として使用する工程。
光起電力物品10は、本発明の方法/プロセスの開始時に供給されることが意図される。物品10は、本発明の方法/プロセスを通しての多数の相互接続型光起電力セル100の構築のための土台である。この物品は、少なくとも3つの層(物品の底部から最上部に向かって列挙する);可撓性導電基材110、少なくとも1つの光電的活性層120、および最上部の透明導電層130から構成されるべきである。本出願内に開示されている基材または層は、単一層を含むことが可能であるが、これらのいずれかは、独立して、所望により多数のサブ層から形成され得ると考えられる。公知のものとしてまたは今後開発されるものとして、光起電力物品で通常使用される追加の層も供給されてもよい。本発明で使用されるための公知の光起電力物品としては、グループIB−IIIBのカルコゲナイド型電池(例えば、セレン化銅インジウムガリウム、セレン化銅インジウム、硫化銅インジウムガリウム、硫化銅インジウム、硫化セレン化銅インジウムガリウムなど)、非晶質ケイ素、III−V(すなわち、GaAs)、II−IV(すなわち、CdTe)、硫化銅亜鉛スズ、有機太陽電池、ナノ粒子太陽電池、色素増感太陽電池、およびこれらの組み合わせが挙げられる。
光起電力物品10は、物品がその上に構築される、少なくとも可撓性導電基材110を有することが意図される。これはその上に物品の他の層が配設されるベースを提供するよう機能する。これはまた、電気接触部を提供するようにも機能する。基材は単一層(例えばステンレス鋼)であってもよく、または導電性および非導電性層の双方の多くの材料の多層複合材料であってもよいことが想定される。導電性材料の例としては、金属(例えば、Cu、Mo、Ag、Au、Al、Cr、Ni、Ti、Ta、Nb、およびW)、導電性ポリマー、およびこれらの組み合わせなどが挙げられる。1つの好ましい実施形態において、この基材は、約10μmと200μmの間である厚さを有するステンレス鋼から構成される。この基材はまた、可撓性であることが好ましく、「可撓性」とは、1メートルの直径の円筒を性能の低下または決定的な損傷無く曲げることができる「可撓性」の物品、要素、または層(本発明に関して使用可能な厚さでの)として定義される。
光起電力物品は、少なくとも光電的活性層120を有することが意図される。この層は、一般的に可撓性導電基材110の上および最上部透明導電層130の下に配設される。この層は、入射光16からの入力を取得し、これを電気に変換するよう機能する。この層は材料の単一層であってもよく、または多くの材料の多層複合材料であってもよいことが想定され、この層の組成は、光起電力物品10のタイプ(例えば、銅カルコゲナイド型電池、非晶質ケイ素、III−V(すなわち、GaAs)、II−IV(すなわちCdTe)、硫化銅亜鉛スズ、有機太陽電池、ナノ粒子太陽電池、色素増感太陽電池、およびこれらの組み合わせなど)に依存する。
光起電力物品10は、少なくとも最上部透明導電層130を有することが意図される。この層は、一般的に光電的活性層120の上に配設され、物品の最も外側の表面を表す(一般的に、入射光16を最初に受光する表面)。この層は、透明であるか、または少なくとも透明であることが好ましく、光の所望の波長を光電的活性層120に到達させる。この層は、材料の単一層であってもよく、または多くの材料の多層複合材料であってもよいことが想定され、この組成は、光起電力物品10のタイプ(例えば、銅カルコゲナイド型電池(例えば、セレン化銅インジウムガリウム、セレン化銅インジウム、硫化銅インジウムガリウム、硫化銅インジウム、硫化セレン化銅インジウムガリウムなど)、非晶質ケイ素、III−V(すなわち、GaAs)、II−IV(すなわちCdTe)、硫化銅亜鉛スズ、有機太陽電池、ナノ粒子太陽電池、色素増感太陽電池、およびこれらの組み合わせなど)に依存する。しかしながら、好ましくは、透明導電層130は、非常に薄い金属膜(これが、光に対して少なくともいくらか透明であるように)または透明導電性酸化物Aの多種多様な透明導電性酸化物;非常に薄い導電性透明金属膜;またはこれらの組み合わせを使用することが可能であるが、透明導電性酸化物が好ましい。このようなTCOの例としては、フッ素ドープ酸化スズ、酸化スズ、酸化インジウム、酸化インジウムスズ(ITO)、アルミニウムドープ酸化亜鉛(AZO)、酸化亜鉛、これらの組み合わせなどが挙げられる。TCO層は、スパッタリングまたはその他の適切な蒸着技術を介して好都合に形成される。この透明導電層は、好ましくは10〜1500nmの厚さ、より好ましくは100〜300nmの厚さを有する。
多数のチャネルは、2つまたはそれ以上の薄膜相互接続型光起電力セルを製造するためのプロセスにおいて、物品10に「形成される」ことが意図される。これらのチャネルは、物品を個々のセルに分離するよう機能し、多くの形状および寸法であることが可能である。チャネルは、多くのプロセスを介して、例えば、機械的スクライブ、レーザーアブレーション、エッチング(湿式または乾式)、フォトリソグラフィ、または基材から材料を選択的に除去するために業界で一般的であるその他の方法を介して、形成することが可能であることが意図される。このチャネルは、何が望まれているか、またはどのチャネルが形成されるか(例えば、第1、第2、または第3のチャネル)に応じて、様々な幅、深さ、および断面形であり得る。このチャネルは、下記の順序で(例えば、好ましくは、第1のチャネルがまず初めに、第2のチャネルが2番目に、第3のチャネルが3番目に)または、それが望ましい場合は任意のその他の順序で、物品に導入されることが可能であることが意図される。
第1のチャネル140は、可撓性導電基材110(およびこの基材の上または下に存在し得るいずれかの追加の層)を貫通して、光電的活性層の少なくとも一部が露出する深さまで形成されることを意図する。第1のチャネルは、物品(背面)の2つの部分を互いに物理的および電気的の双方で隔離するよう機能する。好ましい実施形態において、第1のチャネルは、光電的活性層の一部分を少なくとも露出させ、光電的活性層に入ることができるが、これを完全には貫通しない深さを有する。第1のチャネルは、完成したセルがチャネルをふさぐことなく屈曲することを可能にする幅を有することも好ましい。1つの好ましい実施形態において、第1のチャネルは、約1μm〜500μmであり得る幅FCWを有する。この幅は、好ましくは、約10μmを超え、より好ましくは約25μmを超え、最も好ましくは約50μmを超え、約400μm未満の幅であることが好ましく、より好ましくは約300μm未満の幅であり、最も好ましくは約200μm未満の幅である。
第2のチャネル160は、光電的活性層120(およびこの上または下に存在し得るいずれかの追加の層)を貫通して、可撓性導電基材の少なくとも一部(例えば、その少なくとも導電性部分)が露出されるような深さまで形成されるよう意図する。この第2のチャネルは、少なくとも2つの薄膜ベースの相互接続型光起電力セルを電気的に相互接続させる物理的パスとして機能する(例えば、導電性材料を施す工程を参照)。幾何学的には、第1および第2のチャネルは互いにオフセットされ、これによって第1および第2のチャネルが合わさって貫通穴になる機会を最小化することを意図する。好ましい実施形態において、オフセットFSOは、約1μm〜500μmであり得る。このオフセットは、約10μmを超え、より好ましくは約25μmを超え、最も好ましくは約50μmを超えることが好ましく、好ましくは、オフセットは約400μm未満であり、より好ましくは約300μm未満であり、最も好ましくは約200μm未満である。好ましい実施形態において、第2のチャネルは、可撓性導電基材の一部を少なくとも露出させ、可撓性導電基材に入ることができるが、これを完全には貫通しない深さを有し、最も重要なことは、導電材料を露出させることである(導電性材料を施す工程を参照)。第2のチャネルは、完成した電池がチャネルをふさぐことなく屈曲することを可能にする幅を有することも好ましい。1つの好ましい実施形態において、第2のチャネルは、約1μm〜500μmであり得る幅SCWを有する。この幅は、好ましくは約10μmを超え、より好ましくは約25μmを超え、最も好ましくは約50μmを超え、好ましくは約400μm未満の幅、より好ましくは約300μm未満の幅、最も好ましくは約200μm未満の幅である。
第3のチャネル170は、最上部透明導電層130(およびこの層の上または下に存在することが可能である任意の追加の層)を貫通して光電的活性層まで、光電的活性層の少なくとも一部が露出する深さまで形成されることが考えられる。第3のチャネルは、物品(前面)の2つの部分を互いに物理的かつ電気的に隔離するよう機能する。幾何学的には、第3のチャネルは、第1および第2のチャネルからオフセットされていることが考えられる。好ましい実施形態において、オフセットTFSOは、約1μm〜500μmであり得る。幅は約10μmを超えることが好ましく、より好ましくは25μmを超え、最も好ましくは50μmを超え、好ましくは約400μm未満の幅、より好ましくは約300μm未満の幅、最も好ましくは約200μm未満の幅である。好ましい実施形態では、第3のチャネルは、光電的活性層の一部を少なくとも露出させ、光電的活性層に入るが、これを完全には貫通しない深さを有する。第3のチャネルは、完成したセルがチャネルをふさぐことなく屈曲することを可能にする幅を有することも好ましい。1つの好ましい実施形態において、第3のチャネルは、約1μm〜500μmであり得る幅TCWを有する。この幅は好ましくは約10μmを超え、より好ましくは約25μmを超え、最も好ましくは約50μmを超え、好ましくは約400μm未満の幅、より好ましくは約300μm未満の幅、最も好ましくは約200μm未満の幅である。
物品10の様々な層の「形成」は、例えば、「チャネル」のパラグラフにおいて上述されたような多数の方法を介して達成され得ることが意図される。1つの好ましい実施形態において、機械的スクライブが、「カット」を作成するために用いられる。例えば、機械的スクライビングを使用して、ダイヤモンドの先端のスタイラスまたは刃をデバイスに接触して配置し、下にある材料をスタイラスの経路内で物理的に断裂しながら、デバイスの表面上で引きずることが可能である。
絶縁層150は、完成した電池100の底部にまたは底部の近くに配設され得ると考えられる。この層の1つの機能は、汚れ、水分などを入れずに、この層によって覆われた部分に保護的バリア(例えば環境的および/または電気的な)を提供することであり得る。これはまた、2つの隣接するセルを一緒に「テーピングする」ことに類似して、セル100を一緒に保持することも可能である。この層150は、セル100の底部のほぼ全体にかかることができるか、またはチャネル140の領域の周りに直に局所的にかかることができる。好ましい実施形態において、絶縁層150は、約100nm〜1000μmの厚さILTを有することが可能である。この厚さは、好ましくは約1μmを超え、より好ましくは、約25μmを超え、最も好ましくは約75μmを超え、好ましくは約500μm未満の厚さであり、より好ましくは約200μm未満の厚さ、最も好ましくは約100μm未満の厚さである。
必要に応じて、いくつかの電気的絶縁材料が第3のチャネル内に配設され得ると考えられる(図示せず)。この材料は、汚れ、水分などを入れずに、この材料によって覆われた部分に、保護的バリア(例えば、環境的におよび/または電気的に)を提供する。この電気的絶縁材料は、上記のような保護を提供するために好適である多くの材料を含むことが可能である。好ましい材料としては、酸化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化チタン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ホウ素、窒化ホウ素、炭化ホウ素、ダイヤモンド様炭素、エポキシ、シリコーン、ポリエステル、ポリフルオレン、ポリオレフィン、ポリイミド、ポリアミド、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、フルオロポリマー、パリレン、ウレタン、エチレン酢酸ビニル、またはこれらの組み合わせなどが挙げられる。
導電性材料180は、光起電力セル100を相互接続させるためのプロセスにおいて使用されることが意図される。本発明において、この材料は、第2のチャネルと併せて使用され、可撓性導電基材110と最上部透明導電層130の最上部の導電性部分と接触しているべきである。この導電性材料は、導電性を提供するために好適である多くの材料を含むことができるが、好ましい材料としては、次のものが挙げられる(導電性材料は、ニッケル、銅、銀、アルミニウム、スズなど、および/またはこれらの組み合わせなどの導電性金属を少なくとも含むことが望ましい)。1つの好ましい実施形態において、導電性材料は銀を含む。業界で周知である導電性接着剤(ECA)もこのような導電性材料であると考えられる。このようなECAは、多くの場合、導電性ポリマーを有する熱硬化性ポリマーマトリックスを含む組成物である。このような熱硬化性ポリマーとしては、エポキシ、シアネートエステル、マレイミド、フェノール樹脂、無水物、ビニル、アリルまたはアミノ官能基またはこれらの組み合わせを有する熱硬化性材料が挙げられるが、これらに限定されない。導電性充填材粒子は、例えば、銀、金、銅、ニッケル、アルミニウム、カーボンナノチューブ、グラファイト、スズ、スズ合金、ビスマスまたはこれらの組み合わせであり得る。銀粒子を有するエポキシ系ECAが好ましい。導電性材料領域は、スクリーン印刷、インクジェット印刷、グラビア印刷、電気メッキ、スパッタリング、蒸着などを含むがこれらに限定されないいくつかの既知の方法の1つによって形成され得る。
Claims (10)
- 2つまたはそれ以上の薄膜ベースの相互接続型光起電力セルを製造する方法であって、
a)可撓性導電基材と、少なくとも1つの光電的活性層と、最上部の透明導電層とを含む光起電力物品を供給する工程と、
b)前記可撓性導電基材を貫通して1つ以上の第1のチャネルを形成し、前記光電的活性層の一部を露出させる工程と、
c)前記導電基材に絶縁セグメントを施し、前記1つ以上の第1チャネルをスパンする工程と、
d)前記光電的活性層を貫通して、前記1つ以上の第1のチャネルからオフセットされる1つ以上の第2のチャネルを形成し、前記可撓性導電基材の導電表面を露出させる工程と、
f)前記最上部の透明導電層を貫通して前記光電的活性層に至る、前記第1のチャネルおよび前記第2のチャネルの双方からオフセットする1つ以上の第3のチャネルを形成する工程と、
g)導電性材料を前記最上部の透明導電層の上および前記第2のチャネル内に施し、これによって2つまたはそれ以上の相互接続型光起電力セルを製造する工程と、
を含む方法。 - 前記少なくとも1つの第3のオフセットチャネルを、電気絶縁材料で少なくとも部分的に充填する工程を更に含む、請求項1に記載の方法。
- 前記電気絶縁材料が、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化チタン、酸化アルミニウム、非導電性エポキシ、シリコーン、ポリエステル、ポリフルオレン、ポリオレフィン、ポリイミド、ポリアミド、ポリエチレンまたはこれらの組み合わせを含む、請求項2に記載の方法。
- 前記絶縁材層が、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリイミド、ポリアミド、ポリエチレンを含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記形成工程が、スクライビング、切削加工、アブレーティング、またはこれらの組み合わせによって実行される、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記光起電力物品が、ロール形状である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記電気絶縁材料が、底部キャリア膜として機能する請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。
- 前記形成工程(f)の前記第3のオフセットチャネルが、光電的活性層に少なくとも部分的に入る、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
- 前記形成工程の前記チャネルの前記幅が、10〜500ミクロンである、請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。
- 請求項1〜9のいずれか一項に記載されている前記方法によって形成される光起電力物品。
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