JP2018537863A - 半透明薄層光起電性モジュールにおける電気相互接続の可視性を低減するための光学装置 - Google Patents

半透明薄層光起電性モジュールにおける電気相互接続の可視性を低減するための光学装置 Download PDF

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Abstract

本発明は、レーザアブレーションまたはリソグラフィプロセスによって半透明にされる薄層光起電性モジュールに関する。透明領域(6)は、円形または六角形孔網などの繰り返しパターン網を形成する。セル間の電気絶縁線(P1、P3)および電気相互接続線(P2)は、透明領域(6)または非透明領域のいずれかにランダムに位置決めされ、前記光起電性モジュールの均質性を低減させる視覚的影響を示す。前記問題の解決法は、肉眼でそれらが見えないようにするために、前記電気絶縁線(P1およびP3)は高い透明密度の直線状バンド(7、8)に配置された透明領域(6)内に位置決めされ、電気相互接続線(P2)は、低い透明密度の直線状バンド(9)に配置された透明領域(6)内に位置決めされる。
【選択図】図5

Description

本発明は、可視性の電気相互接続線および絶縁線によって相互に接続された薄層太陽セルからなる半透明光起電性モジュール、および詳細にはその透明率が、前記薄層の構造における幾何学的な透明領域が程度の差こそあれ密集した網形成によって得られる、光起電性モジュールに関する。
光起電性モジュールは、直列接続された多数の光起電性セルから構成される。各セルは、以下の順序で位置決めされた薄層の積み重ねからなる。透明基板(例えば無機または有機ガラス)、次に以下で用語「TCO」(英語「Transparent Conductive Oxide」の略語)によって示される、一般に導電性透明酸化物からなる導電性透明フロント電極、次いで一般に「吸収体」と呼ばれる光活性層、次いで金属であることが多い、一般に「バックコンタクト」と呼ばれる導電性リア電極。各薄層の厚みは、数百ナノメートルから数ミクロンまで変化する。
光起電性モジュールの透明性は、建設業界において非常に求められており、様々な薄層の様々なエッチングおよび/またはリソグラフィプロセスによって得られている(三洋電機株式会社の米国特許第4795500号明細書に記載されている)。最近では、前記薄層のレーザアブレーションプロセスによって透明性が得られている。米国特許第6858461号明細書は、セルの電気相互接続線および絶縁線に垂直な線のレーザアブレーション技術を記載している。前記相互接続線および絶縁線は、以下では英語で「スクライブ(scribe)」と呼ばれる。米国特許出願公開第2011/0017280号明細書では、セル構造内に作製されるのは微小孔であり、孔の直径はレーザビームの直径およびエネルギーに依るが、この直径は40μmを超えない。透明性を高めるために、Nexpower(米国特許第7951725号明細書)は、2つの異なる薄層に、重なり合った直径の異なる2つの孔をレーザアブレーションによって連続的に作製する。最小の孔は、(光活性層および金属の堆積前に)透明電極内に、より大きな2番目の孔は、光活性層および金属製バックコンタクトの堆積後に作製される。
薄層光起電性モジュールの場合、スクライブは、一般にレーザによって実現されるP1、P2およびP3と呼ばれる線である。透明の様相を生じさせ、アブレーションを全く必要としない他の構造が存在するが(国際公開第2008/093933号および米国特許出願公開第2013/0247969号明細書)、装置の光学的品質に関する特定の性質が全く記載されていない。
透明性の均質性によって光起電性モジュールの視覚的品質を定義する場合、この品質は、約30cmの距離に位置する観察者の目がその表面上で見ることのできる幾何学的、比色の、およびコントラストの不連続性の不在または最小の視覚的識別として定義することも可能である。しかしながら、セルの相互接続線および絶縁線(スクライブ)の寸法および位置は、透明領域との関連で、一般に目によって知覚され、所望の視覚的品質を低下させる幾何学的およびコントラストの不連続性を生成する。こうした良好な視覚的品質は、主に光起電性ガラスに対して求められている。
米国特許第4795500号明細書 米国特許第6858461号明細書 米国特許出願公開第2011/0017280号明細書 米国特許第7951725号明細書 国際公開第2008/093933号 米国特許出願公開第2013/0247969号明細書
本発明は、電気相互接続線および絶縁線(スクライブ)によって接続された多数の薄層セルからなる光起電性表面の視覚的品質を改善することを可能にする装置を以下に記載しており、この視覚的品質の改善は、前記光起電性表面から約40cmのところに位置する観察者に対して、前記相互接続線および絶縁線を見えにくくする、さらには見えないようにすることによって得られる。
本発明は、下記の、
−一方では、フロント電極の機能を有する少なくとも一つの透明な薄層、吸収体の機能を有する光起電性薄層、およびリア電極の機能を有する金属製薄層を含む薄層の積み重ねであって、前記薄層は透明基板上に堆積され、前記光起電性モジュールは、セルNのリア電極とセルN+1のフロント電極との間の接合を形成する電気相互接続線P2によって、ならびに、セルNとセルN+1のリア電極間の絶縁P3、およびセルNとセルN+1のフロント電極間の絶縁P1を形成する電気絶縁線によって、互いに電気的に接続された複数のセルN、N+1、…N+xに分割される積み重ね、
−他方では、少なくとも前記金属製リア電極および前記吸収体光起電性薄層に設置された多数の透明領域であって、前記透明領域はすべて同じ幾何学的形状を有し、長手方向軸が平行である多数の直線状バンド領域を視覚的に出現させる一つ以上の網を形成するように互いに対して位置決めされており、前記透明領域の一部は高い透明密度を有するバンドに沿って配置され、前記透明領域の一部は低い透明密度を有するバンドに沿って配置されている透明領域、
を含む半透明光起電性モジュールであって、
−前記電気絶縁線P1およびP3は、高い透明密度の前記直線状バンドに位置決めされ、前記電気相互接続線P2は、低い透明密度の前記直線状バンドに位置決めされ、裸眼に対する前記電気絶縁線および相互接続線P1、P2およびP3の可視性を低減させるようにすることを特徴とする、半透明光起電性モジュールを目的とする。
実際、電気相互接続線P2、ならびに絶縁線P1およびP3は、前記線が透明領域に位置するか否かに応じて、および製造がレーザアブレーション(薄層の直接的アブレーション)、またはリソグラフィプロセス(マスクを介した層のエッチング)によってなされるかに応じて、異なる色および透明度を有する。可能な異なるケースの分析(下記の図2および図3の詳細な説明を参照)では、前記線(P1、P2、P3)の可視性が、色や透明度が場合によってはそれらに類似している直線状バンド領域に位置決めされているときに低減することを示している。典型的な特定のケースとしては、円盤の形状を有する、孔領域網のアブレーションによって部分的な透明性が実現される光起電性表面の場合である。この場合、円盤が互いに接触して電流が一つのセルから別のセルに流れることができないようにする必要がある。孔間の空間は一列に並んでおり、透明度の低い多数の直線状バンド領域を形成する。したがって、それ自体が不透明であるコネクタP2を配置することが適切なのは、この透明度の低い領域内である。絶縁線P1およびP3は、各々フロント電極およびリア電極に引かれた線であり、したがって、これらの線を、アブレーションされた領域の中心、ここでは円形孔の中心を通る線に沿って形成された、透明度の高い直線状バンド領域に配置することが適切である。この場合、線P1およびP3は当然透明であろう。線P1、P2およびP3が重ならないように互いに平行にする必要性、および前記線P1、P2およびP3の「カムフラージュ(camouflage)」を最大限可能にするために、低および高透明度の直線状バンド領域を作成する必要性は、一方で透明領域網の基本的な形状および寸法(間隔、幅、レイアウト、透明率)を選択し、およびもう一方では3つの線P1、P2およびP3の幅および間隔の寸法を選択して、これら全ての要素の組み合わせが互いに適合し所望の結果をもたらすようにすることを余儀なくさせる。
特定の実施形態では、順序付けられた前記網を構成する透明領域の幾何学的形状は、以下の形状またはその間の組み合わせ、すなわち円盤、楕円形面、多角形面、六角形面、正方形面から選択される。有利には、円盤は、多角形形状に関する回折効果を最小にすることを可能にする。
別の特定の実施形態では、前記3つの電気相互接続線および絶縁線(P1、P2、P3)の幅は、100マイクロメートル未満である。この幅は、相互接続線P2を透明度の低い領域に容易に配置し、透明領域では見えないようにすることを可能にする。
変形実施形態によれば、連続する2つの電気相互接続線または絶縁線(P1、P2、P3)を隔てる距離は、100マイクロメートルより大きい。この構成では、モジュールから40cmを超える距離で観察すると、前記の3つの線は、実質的に116μmである目の解像力の限界にあることを示すことができる。
別の特定の実施形態では、前記透明領域の幾何学的形状は、400マイクロメートルを超える最大寸法を有する。このような寸法は、特にぼやけの低減によって、半透明光起電性モジュールの光学的品質を改善する。
別の特定の実施形態によれば、前記透明領域を隔てる不透明領域は、100マイクロメートル未満の最小寸法を有する。
本発明は、下記に図1〜7を参照してより詳細に記載される。
薄層からなる光起電性モジュールの横断面の概略図である。 レーザアブレーションによって透明性を実現した場合の、電気接続線の様々な外観の概略的な表である。 リソグラフィによって透明性を実現した場合の、電気接続線の様々な外観の概略的な表である。 レーザアブレーションの場合、またはリソグラフィプロセスによる場合の、スクライブの最適化されていない位置決めの一例を図示したものである。 レーザアブレーションの場合、またはリソグラフィプロセスによる場合の、スクライブの最適化された、したがって見えなくなっている位置決めの一例を図示したものである。 円形透明領域網、ならびにスクライブの最適化された寸法および位置決めの算出の実施例を図示したものである。 ハニカム構造の六角形の透明領域の一実施例を図示したものである。
図1は、光起電性モジュール(1)およびその構成要素の断面を表しており、構成要素であるセルN、N+1、N+X…は直列モードで接続されている。すべてのセルは同じ幅Lを有し、通常はガラスまたはプラスチック製の透明基板(5)、透明基板(5)上に堆積されたフロント電極とも呼ばれる透明な導電性酸化物薄層(2)、例えばアモルファスシリコンのような光起電性層である吸収体薄層(3)、次いでリア電極と呼ばれる導電性金属製薄層(4)の積み重ねによって構成される。セル(N、N+1、N+x…)の分離は、一般的にリソグラフィプロセスに組み合わされた化学エッチング、またはレーザスクライブによって形成されたTCO(2)内の絶縁線(P1)によって実現される。第2のエッチング線(P2)は吸収体(3)内に形成され、吸収体は続いて金属で充填され、リア電極(4)とセル(N)のフロント電極(2)との間に接続を形成し、それが相互接続線になる。リア電極(4)には絶縁線(P3)が形成されている。実用上の理由から、線P3のエッチングは、一般にセル(N)のフロント電極(2)まで行われる。線P1、P2およびP3は、同じ材料によって被覆されていないので同色ではない。応用タイプに応じて、装置はバックコンタクト(4)の側面または透明基板(5)の側面で観察することが可能である。装置を金属製側面(4)からながめた場合、線P1は金属(4)によって被覆されているので、ほとんど見えないかまたは見えない。線P2もまた金属で被覆されているが、界面TCO(2)/金属(4)がテクスチャ加工されている場合より見えやすくなり、一方、線P3が完全に透明でしたがって金属と対照をなす場合、それによって見えるようになる。装置を透明基板(5)側から見た場合、線P1は光活性層(3)の色を有し、線P2は金属(4)の色を有し、線P3は完全に透明なままである。絶縁線および相互接続線(P1、P2、P3)の幅は、約10ミクロンから100ミクロンまで変化し、線間の距離もまた約10ミクロンから100ミクロンまで変化する。
図2は、レーザエッチングされたセルに適用され、各接続線P1、P2、P3(第1列はその当初の色を示す)と、透明領域の外側(OUT)または透明領域の内側(IN)でのそれらの可能な位置との間を対応させる、相関表である。想定された各々のケースは、6つの組み合わせ、すなわち暗いまたは明るいその外観が各線(P1、P2、P3)の視覚的レンダリングについての情報を示す6つの升目を示す。したがって、もともと不透明であるP1およびP2は、透明領域の外側(OUT)にあるときはアブレーション後に暗いままであるが、透明領域(IN)においてはP1のみが透明になり、P2は不透明なままである。もともと透明であるP3は、透明領域(IN)および透明領域の外側(OUT)の両方で、アブレーション後も透明のままである。第4列は、3つの線(P1、P2、P3)の各々について、最良の光学的位置決め選択(INまたはOUT)を示す。したがって、P1およびP3を透明領域(IN)に、およびP2を非透明領域(OUT)に配置して、肉眼では最も見えないようにすることが適切である。
図3は、リソグラフィによるエッチングプロセスによって作成されたセルに適用され、各接続線P1、P2、P3(第1列はその当初の色を示す)と透明領域の外側(OUT)または透明領域の内側(IN)でのそれらの可能な位置との間を対応させる、相関表である。想定された各々のケースは、6つの組み合わせ、すなわち暗いまたは明るいその外観が各線(P1、P2、P3)の視覚的レンダリングについての情報を示す6つの升目を示す。したがって、もともと不透明であるP1およびP2は、透明領域の外側(OUT)にあるときはエッチング後に暗いままであり、もともと透明であるP3は、この透明領域の外側(OUT)で透明のままである。反対に、全てのスクライブP1、P2およびP3は、エッチング後、透明領域(IN)で透明である。第4列は、3つの線(P1、P2、P3)の各々について、最良の位置決め選択(INまたはOUT)を示す。したがって、P1およびP3を領域(IN)に位置決めすることが適切であり、一方で線P2を領域(IN)または(OUT)とは無関係に位置決めすることが光学的に可能である。しかしながら、P2はフロント電極とリア電極との間の電気相互接続線であるので、それが領域(IN)に配置されている場合、線の一部のみが2つの電極を相互接続するのに有効に働く。これは、セルの抵抗を増加させる影響を有し、光起電性モジュールの電気的性能を低下させるであろう。したがって相互接続線P2は、電気生産の理由から、有利には透明領域の外側(OUT)に配置されなければならない。
したがって、モジュールのアブレーションの方法(レーザまたはリソグラフィ)の如何にかかわらず、スクライブの最良の位置決め選択(列4)は同一であることが分かる。
図4は、透明領域6(ここでは円盤)がレーザアブレーションによって形成され、スクライブの位置が最適化されていない場合の、2つのセルNとN+1との間の接合を表す。ほとんどの場合、入射レーザビームは透明基板を最初に通過する。セルを構成する異なる材料によってレーザビームの吸収が異なるため、セルのいくつかの薄層が透明であり得るのは、レーザの波長および固有のフルエンスに依る。例えば、波長532nmの緑色パルスレーザを用いて光活性層をアブレーションする。TCOは、このレーザ波長に対して透明であり、そのとき、光活性層においてアブレーションが最初に起こり、後ろに配置されている薄い厚みの金属を噴霧する。スクライブP1の内容物は、光活性層が透明領域に位置する場合には光活性層とともにアブレーションされるが、金属のみを含むスクライブP2は、レーザによって(同じフルエンスで)アブレーションされないことがある。したがって、P2は透明領域を通して見える状態にとどまっている。それが、この図4が示していることである。視覚的レベルでは、そのときにより暗くなる垂直な円盤の線(7)全体であり、透明であるスクライブP3は、垂直な円盤の線(8)に透明性を加える。なぜなら、前記スクライブP3は、大部分が非透明領域(9)に位置決めされており、それはコントラスト欠陥が増幅されたものとして観察者の眼に知覚されるからである。
図5は前記の図4の例を示しているが、ここでは図2の表の列(4)の指示に従って、スクライブの位置を最適化している。スクライブP1およびP3は、透明領域(IN、6)に、すなわち高透明度の平行なバンド(7、8)について実質的に中心に平行に配置され、スクライブP2は、非透明領域(OUT)に、すなわち低透明度の平行なバンド(9)について実質的に中心に平行に配置される。「高透明度または低透明度の平行なバンド」とは、目の解像力よりも高い透明領域から離れた所にいる、前記バンドの内容物を区別しない観察者が知覚する、明るいまたは暗いバンドの各々の外観を意味する。前記の図4および図5の例では、前記の高透明度バンド(7、8)は、透明円盤(6)の配列によって構成されており、前記低透明度バンド(9)は、透明円盤(6)の配列の間にある空間によって構成されている。
図6は、レーザアブレーションによって半透明にされなければならない光起電性モジュールについて、円盤の2つの列(6)の中心間の距離dを計算する計算方法を示す。Rを円盤(6)の半径、およびCdを円盤間の距離とすると、幾何学的式は以下のとおりである。
Figure 2018537863
モジュールを構成する各セルの幅、したがって2つの連続する線P1の間の距離をLとすると、各相互接続の透明パターン(6)の中心に位置する線P1およびP3の条件は、各セルの幅Lが距離dに比例することである。
Figure 2018537863
換言すれば、各セルの幅L、および透明領域(6)の幾何学的形状間の距離dは、L=kdの関係式によって与えられ、kは整数である。
一実施例では、透明性が円形孔の線によって実現される場合、セルの幅Lは、TCO内に実現されたスクライブP1による層の堆積中に予め固定される。光起電性モジュールの薄層の堆積の後に一般的に実行される高透明度または低透明度バンドに関するスクライブの位置決めは、円形孔の半径R、および透明率に応じてそれらの間の距離Cdを調整することによって、各相互接続において最適化される。この最適化は、関係(2)を満たすように、当業者には公知の簡単なアルゴリズムを介して行われる。
第1の実施例に匹敵するが、円形孔の半径Rおよびそれらの間の距離Cdが、一定の透明度に応じて予め決定される第2の実施例では、セルの幅Lはそのとき、関係(2)を満たすように、絶縁スクライブP1を形成する前に計算される。
前記の2つの実施例では、スクライブP1の位置決めが決定されると、スクライブP2およびP3の位置決めは、円形孔の寸法Rおよび孔間の距離Cdに応じて行われる。
第3の実施例では、スクライブは、光起電性モジュールを構成する様々な層の堆積中に予め固定され、スクライブP2は、スクライブP1とP3との間の中央に位置する。アブレーションプロセスの間、それらの位置はカメラを使用して検出される。第2段階では、透明領域の幾何学的形状の寸法、または前記形状間の距離のいずれかの補正が、前記形状全体に対して徐々に、またはスクライブに近い形状に対して交互に実施される。この補正は、絶縁線P1およびP3のレベルに高い透明密度のバンドを位置決めし、線P2のレベルに低い透明密度のバンドを位置決めするために、レーザを制御するプログラムを使用して実施することが可能である。
幾何学的形状の寸法の補正が、スクライブの近傍の透明領域で行われる場合、セル全体に繰り返される1つの透明領域網の代わりに、2つまたは3つの透明領域網が出現する可能性がある。
図7は、六角形の孔網におけるスクライブP1、P2およびP3の最適化された位置決めの別の例を示す。P1およびP3は透明領域(IN)に、すなわち透明度の高い平行なバンド(7、8)について実質的に中心に平行に配置され、P2は非透明領域(OUT)に、すなわち透明度の低い平行なバンド9について実質的に中心に平行に配置される。
最終的に、本発明は、電気相互接続線および絶縁線(P1、P2、P3)によって接続された多数の薄層セルからなる光起電性モジュール(1)の視覚的品質を改善することを可能にすることによって、設定された目標に対して良好に対応しており、この視覚的品質の改良は、前記電気相互接続線および絶縁線(P1、P2、P3)をそれらの外観の色の類似性に関連して透明または非透明領域に配置することによって、前記線を見えにくくするか、さらには見えないようにすることによって得られる。
1 半透明光起電性モジュール
2 フロント電極
3 吸収体
4 リア電極
5 透明基板
6 透明領域
7、8 高い透明密度を有するバンド
9 低い透明密度を有するバンド

Claims (7)

  1. 半透明光起電性モジュール(1)において、下記の、
    −一方では、フロント電極の機能を有する少なくとも一つの透明な薄層(2)、吸収体の機能を有する光起電性薄層(3)、およびリア電極の機能を有する金属製薄層(4)を含む薄層の積み重ね(2、3、4)であって、前記薄層(2、3、4)は透明基板(5)上に堆積され、前記光起電性モジュール(1)は、セルNのリア電極(4)とセルN+1のフロント電極(2)との間の接合を形成する電気相互接続線(P2)によって、ならびに、セルNとセルN+1のリア電極(4)間の絶縁(P3)、およびセルNとセルN+1のフロント電極(2)間の絶縁(P1)を形成する電気絶縁線によって、互いに電気的に接続された複数のセル(N、N+1、…N+x)に分割される積み重ね、
    −他方では、少なくとも前記金属製リア電極(4)および前記吸収体光起電性薄層(3)に設置された多数の透明領域(6)であって、前記透明領域(6)は、すべて同じ幾何学的形状を有し、長手方向軸が平行である多数の直線状バンド領域(7、8、9)を視覚的に出現させる一つ以上の網を形成するよう互いに対して位置決めされており、前記領域(6)の一部は高い透明密度を有するバンド(7、8)に配置され、前記領域(6)の一部は低い透明密度を有するバンド(9)に配置されている透明領域、
    を含む半透明光起電性モジュールであって、
    −前記電気絶縁線(P1およびP3)は、高い透明密度の前記直線状バンド(7、8)に位置決めされ、前記電気相互接続線(P2)は、低い透明密度の前記直線状バンド(9)に位置決めされ、裸眼に対する前記電気絶縁線および相互接続線(P1、P2およびP3)の可視性を低減させるようにすることを特徴とする、半透明光起電性モジュール。
  2. 前記順序付けられた網を構成する透明領域(6)の前記幾何学的形状が、以下の形状またはその間の組み合わせ、すなわち円盤、楕円形面、多角形面、六角形面、正方形面から選択されることを特徴とする、請求項1に記載の光起電性モジュール。
  3. 前記3つの電気相互接続線および絶縁線(P1、P2、P3)の幅が、100マイクロメートル未満であることを特徴とする、請求項1または2に記載の光起電性モジュール(1)。
  4. 連続する2つの電気相互接続線または絶縁線(P1、P2、P3)を隔てる距離が、100マイクロメートルより大きいことを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1つに記載の光起電性モジュール(1)。
  5. 前記透明領域(6)の前記幾何学的形状が、400マイクロメートルを超える最大寸法を有することを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1つに記載の光起電性モジュール(1)。
  6. 前記透明領域(6)が、100マイクロメートル未満の寸法を有する不透明領域によって分離されていることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1つに記載の光起電性モジュール(1)。
  7. 各光起電性セルの幅L、および前記透明領域(6)間の距離dとの間の関係が、L=kdの関係式によって与えられ、kは整数であることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1つに記載の光起電性モジュール(1)。
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