JP2019534576A - 単一セル光起電力モジュール - Google Patents

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Abstract

光起電力モジュールは、第１シート抵抗を特徴とする第１透明電極層と、第２透明電極層と、光起電力材料層とを含む。光起電力材料層は、第１透明電極層と第２透明電極層との間に配置されている。光起電力モジュールはまた、第１シート抵抗よりも低い第２シート抵抗を有する第１バスバーを含む。第１透明電極層、第２透明電極層、及び光起電力材料層は、光起電力モジュールの中央透明領域を形成する整列された領域を有する。中央透明領域は複数の側面を含む。第１バスバーは、中央透明領域の複数の側面のそれぞれの少なくとも一部分に隣接して第１透明電極層と接触している。【選択図】図１５Ｂ

Description

関連出願の相互参照
[0001]本出願は、２０１６年１１月１７日に出願された「ＳＩＮＧＬＥ ＣＥＬＬ ＰＨＯＴＯＶＯＬＴＡＩＣ ＭＯＤＵＬＥ」という名称の米国仮特許出願第６２／４２３，５８１号明細書の優先権を主張し、その開示は全ての目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
[0002]本発明は、光起電力モジュール及び装置の分野に関し、より詳細には、単一セル光起電力モジュールに関する。
[0003]部分的光透過を有する光起電力（ＰＶ）セルは、窓、携帯機器、及び情報ディスプレイを含む様々な用途に電力を供給するために開発されてきた。しかしながら、当分野においては、ＰＶモジュールに関連した改良された方法及びシステムが必要とされている。
[0004]本明細書に記載の実施形態は、直列抵抗によってもたらされる低電力損失の光起電力モジュールに関する。最小の可視パターン及び直列抵抗からの最小の電力損失を有する単一セル透明光起電力モジュールが開示される。光起電力モジュールは、第１透明電極と第２透明電極との間に配置された光起電力材料を有する連続した中央領域と周辺部とをそれぞれ有する第１及び第２透明電極を含むことができる。周辺部の各側面と接触している低抵抗電気バスバーが各透明電極に接触して、電流の移動距離を最小にすることができる。幾つかの実施形態では、電気接触を、周辺部に隣接する頂部電極及び底部電極上の交互嵌合接触点にすることによって、電流の移動が最小限に抑えられる。透明光起電力モジュールは、情報ディスプレイ上に重ね合わせて装置に電力を供給するなどの様々な用途に統合することができる。
[0005]幾つかの実施形態において、単一セル光起電力モジュールは、透明底部電極層、活性層、及び透明頂部電極層を含み得る。特定の実施形態において、頂部電極層のシート抵抗より低いシート抵抗を有する頂部バスバーは、頂部電極層の全周又はほぼ全周と接触して、頂部電極層に関連する直列抵抗を低減してもよい。追加又は代替的に、底部電極層のシート抵抗より低いシート抵抗を有する底部バスバーは、底部電極層の全周又はほぼ全周と接触して、底部電極層に関連する直列抵抗を低減してもよい。幾つかの実施形態では、頂部電極層（又は頂部バスバー）は第１組の接触パッドに接続されてもよく、底部電極層（又は底部バスバー）は第２組の接触パッドを含むか又はそれに接続されてもよく、第１組の接触パッドは、第２組の接触パッドに対して交互嵌合するように配置されてもよい。幾つかの実施形態において、光起電力モジュールのセルは、直列に接続される複数の接合部を含んで、直列抵抗によって引き起こされる電力損失も同様に制限され得るように、セルの出力電流を制限しながら出力電圧を増加させ得る。様々な実装では、本明細書に開示されたこれら及び他の技法は、個別に又は組み合わせて使用され得る。
[0006]本発明の一実施形態によれば、光起電力モジュールが提供される。光起電力モジュールは、第１シート抵抗を特徴とする第１透明電極層と、第２透明電極層と、光起電力材料層とを含む。光起電力材料層は、第１透明電極層と第２透明電極層との間に配置されている。光起電力モジュールはまた、第１シート抵抗よりも低い第２シート抵抗を有する第１バスバーを含む。第１透明電極層、第２透明電極層、及び光起電力材料層は、光起電力モジュールの中央透明領域を形成する整列された領域を有する。中央透明領域は複数の側面を含む。第１バスバーは、中央透明領域の複数の側面のそれぞれの少なくとも一部分に隣接して第１透明電極層と接触している。別の実施形態では、第１バスバーは、中央透明領域の複数の側面のうちの２つ以上のそれぞれの少なくとも一部分に隣接して第１透明電極層と接触（例えば電気的接触）している。
[0007]一実施形態では、第１バスバーは、中央透明領域の複数の側面のそれぞれの上の複数の接触位置で第１透明電極層と接触している。別の実施形態では、光起電力モジュールはまた、第２透明電極層に近接して配置された接触パッドを含む。第１バスバーは接触パッドに電気的に結合されている。さらに別の実施形態では、光起電力モジュールはさらに、第２透明電極層に近接して配置された複数の接触パッドを含む。第１バスバーは、複数の接触パッドのうちの１つ又は複数に電気的に結合されている。さらに別の実施形態では、光起電力モジュールは、第２透明電極層に近接して配置された第１組の接触パッド、第１バスバーに結合された第１組の接触パッド、及び第２透明電極層に近接して配置された第２組の接触パッドを含む。第２組の接触パッドは第２バスバーに結合され、第１組の接触パッドは第２組の接触パッドに対して交互嵌合配置されている。
[0008]本発明の別の実施形態によれば、光起電力モジュールが提供される。光起電力モジュールは、連続する第１中央領域と、連続する第１中央領域に電気的に結合された第１組の電極パッドとを含む第１透明電極層を含む。光起電力モジュールはまた、連続する第２中央領域と、連続する第２中央領域に電気的に結合された第２組の電極パッドとを含む第２透明電極層を含む。光起電力モジュールは、第１透明電極層と第２透明電極層との間に配置された光起電力材料層をさらに含む。連続する第１中央領域、連続する第２中央領域、及び光起電力材料層は、光起電力モジュールの中央透明領域を形成するように整列され、中央透明領域は複数の側面を含む。第１組の電極パッドの少なくとも１つと第２組の電極パッドの少なくとも１つは、中央透明領域の複数の側面のそれぞれに配置されている。
[0009]本発明の特定の実施形態によれば、光起電力モジュールが提供される。光起電力モジュールは、連続する第１中央領域と、連続する第１中央領域に電気的に結合された第１組の電極パッドとを含む第１透明電極層を含む。光起電力モジュールはまた、連続する第２中央領域と、連続する第２中央領域に電気的に結合された第２組の電極パッドとを含む第２透明電極層を含む。光起電力モジュールは、第１透明電極層と第２透明電極層との間に配置された光起電力材料層をさらに含む。連続する第１中央領域、連続する第２中央領域、及び光起電力材料層は、光起電力モジュールの中央透明領域を形成するように整列され、中央透明領域は複数のセグメントを含む周囲を有する。第１組の電極パッドの少なくとも１つと第２組の電極パッドの少なくとも１つは、中央透明領域の周囲の複数のセグメントの各セグメント上に配置されている。
[0010]本発明により、従来の技術に対して多数の利点が達成される。例えば、本発明の実施形態は、可視パターンが低減され、直列抵抗からの電力損失が低減された単一セル透明光起電力モジュールを提供する。幾つかの実施形態では、電気接触を、周辺部に隣接する頂部電極及び底部電極上の交互嵌合接触点にすることによって、電流の移動が従来の設計に対して低減される。本発明のこれら及び他の実施形態は、その利点及び特徴の多くと共に、以下の文章及び添付の図面と併せてより詳細に説明される。
本発明の一実施形態による光起電力セルの活性領域の概略図を示す図である。 抵抗性電力損失に対する活性領域シート抵抗の影響を示す図である。 直列の８個のサブセルを有するモノリシック直列集積型太陽電池を示す図である。 図２Ａに示されるモノリシック直列集積型太陽電池の一部の拡大平面図である。 図２Ａの線２Ｃにおけるモノリシック直列集積型太陽電池の断面図である。 本発明の一実施形態による単一セル光起電力モジュールの平面図である。 直列集積型光起電力モジュールの平面図である。 接触数が増加した単一セルモジュール内の電荷の移動方向を示す図である。 接触数が増加した単一セルモジュール内の電荷の移動方向を示す図である。 接触数が増加した単一セルモジュール内の電荷の移動方向を示す図である。 接触数が増加した単一セルモジュール内の電荷の移動方向を示す図である。 異なる周囲接触構成についての電荷移動距離の無次元比を有する表を示す図である。 本発明の一実施形態による、２つの接触を有する例示的な単一セルモジュールの断面図である。 本発明の一実施形態による、２つの接触を有する例示的な単一セルモジュールの平面図である。 単一セルモジュールの異なる２接触構成に対する電荷移動距離の無次元比を示す図である。 本発明の一実施形態による、交互嵌合接触パッドを有する例示的な単一セルモジュールの断面図である。 本発明の一実施形態による、交互嵌合接触パッドを有する例示的な単一セルモジュールの平面図である。 本発明の実施形態による単一セルモジュールの各層の分解を示す図である。 本発明の実施形態による単一セルモジュールの各層の分解を示す図である。 本発明の実施形態による単一セルモジュールの各層の分解を示す図である。 本発明の実施形態による単一セルモジュールの各層の分解を示す図である。 本発明の実施形態による単一セルモジュールの各層の分解を示す図である。 本発明の実施形態による単一セルモジュールの各層の分解を示す図である。 本発明の実施形態による単一セルモジュールの各層の分解を示す図である。 本発明の実施形態による単一セルモジュールの各層の分解を示す図である。 本発明の実施形態による単一セルモジュールの各層の分解を示す図である。 本発明の実施形態による単一セルモジュールの各層の分解を示す図である。 本発明の実施形態による単一セルモジュールの各層の分解を示す図である。 本発明の実施形態による単一セルモジュールの各層の分解を示す図である。 本発明の一実施形態による単一セルモジュールの分解図を示す図である。 異なる交互嵌合接触構成に対する電荷移動距離の無次元比を示す図である。 活性領域の端部毎の接触数の関数としての電荷移動距離の無次元比を示す図である。 本発明の一実施形態による交互嵌合接触配置を有する光起電力セルの平面図を示す図である。 本発明の一実施形態による交互嵌合接触配置を有する光起電力セルの分解図を示す図である。 本発明の一実施形態による様々な幾何学的配置による光起電力セルを示す図である。 本発明の一実施形態による様々な幾何学的配置による光起電力セルを示す図である。 本発明の一実施形態による円形配置による光起電力セルを示す図である。 本発明の一実施形態による単一セルモジュールを接触させる様々な方法の斜視図を示す図である。 本発明の一実施形態による、１つ又は複数の電極用の周囲バスバーを有する単一セルモジュールの断面図である。 本発明の一実施形態による、１つ又は複数の電極用の周囲バスバーを有する単一セルモジュールの斜視図である。 本発明の一実施形態による、電極の周囲と接触しているバスバーを有する単一セルモジュールの平面図である。 本発明の一実施形態による、電極の周囲と接触しているバスバーを有する単一セルモジュールの第１断面図である。 本発明の一実施形態による、電極の周囲と接触しているバスバーを有する単一セルモジュールの第２断面図である。 本発明の一実施形態による、電極の周囲と接触しているバスバーを有する単一セルモジュールの各層の分解図である。 本発明の一実施形態による、電極の周囲と接触しているバスバーを有する単一セルモジュールの各層の分解図である。 本発明の一実施形態による、電極の周囲と接触しているバスバーを有する単一セルモジュールの各層の分解図である。 本発明の一実施形態による、電極の周囲と接触しているバスバーを有する単一セルモジュールの各層の分解図である。 本発明の一実施形態による、電極の周囲と接触しているバスバーを有する単一セルモジュールの各層の分解図である。 本発明の一実施形態による、電極の周囲と接触しているバスバーを有する単一セルモジュールの各層の分解図である。 本発明の一実施形態による、電極の周囲と接触しているバスバーを有する単一セルモジュールの分解図である。 本発明の一実施形態による、電極層との全周に近い接触を提供するバスバーを有する例示的な単一セルモジュールの各層の詳細を示す図である。 本発明の一実施形態による、電極層との全周に近い接触を提供するバスバーを有する例示的な単一セルモジュールの各層の詳細を示す図である。 本発明の一実施形態による、電極層との全周に近い接触を提供するバスバーを有する例示的な単一セルモジュールの各層の詳細を示す図である。 本発明の一実施形態による、電極層との全周に近い接触を提供するバスバーを有する例示的な単一セルモジュールの各層の詳細を示す図である。 本発明の一実施形態による、電極層との全周に近い接触を提供するバスバーを有する例示的な単一セルモジュールの各層の詳細を示す図である。 本発明の一実施形態による、電極層との全周に近い接触を提供するバスバーを有する例示的な単一セルモジュールの各層の詳細を示す図である。 本発明の一実施形態による、電極層との全周に近い接触を提供するバスバーを有する例示的な単一セルモジュールの各層の詳細を示す図である。 本発明の一実施形態による、電極層との全周に近い接触を提供するバスバーを有する例示的な単一セルモジュールの各層の詳細を示す図である。 本発明の一実施形態による、電極層との全周に近い接触を提供するバスバーを有する例示的な単一セルモジュールの各層の詳細を示す図である。 本発明の一実施形態による、電極層との全周に近い接触を提供するバスバーを有する例示的な単一セルモジュールの各層の詳細を示す図である。 本発明の一実施形態による、電極層との全周に近い接触を提供するバスバーを有する例示的な単一セルモジュールの分解図である。 本発明の一実施形態による例示的な多接合セルモジュールを示す断面図である。 異なる数の接合部及びセル領域を有する例示的な多接合セルモジュールについての電流密度対電圧のプロットを示す図である。 異なる数の接合部及びセル領域を有する例示的な多接合セルモジュールについての電流密度対電圧のプロットを示す図である。 異なる数の接合部及びセル領域を有する例示的な多接合セルモジュールについての電流密度対電圧のプロットを示す図である。 異なる数の接合部及びセル領域を有する例示的な多接合セルモジュールについての電流密度対電圧のプロットを示す図である。 異なる数の接合部及びセル領域を有する例示的な多接合セルモジュールについての電流密度対電圧のプロットを示す図である。 異なる数の接合部及びセル領域を有する例示的な多接合セルモジュールの性能パラメータを示す表である。 本明細書に記載の単一セルモジュールと接続するように構成された固定具アセンブリを示す分解図である。
[0047]本発明者らは、透明電極層は一般に不透明電極よりも高いシート抵抗を有すると判断した。光起電力（ＰＶ）モジュールにおける直列抵抗の追加は、より高い電力損失を引き起こす可能性があり、ＰＶモジュールの全体的な効率を著しく低下させ得る。従来のＰＶ技術では、直列抵抗の低減は、最高の性能を得るために非常に重要であり、モジュールを最適化された寸法を有するサブセルにパターニングすること、高導電性不透明導電性電極の使用、及びモジュール領域上の高導電性バスバーの堆積を含むが、これらに限定されない幾つかの手法を通じて達成される。これらの最適化は、従来技術が直列抵抗を制限することを可能にするが、透明光起電力モジュール、特に大きな活性領域（したがって大きな直列抵抗）を有するＰＶモジュールを製造する場合、異なるプロセス及び方法論を使用しなければならない。したがって、本発明の実施形態は、ＰＶモジュールの直列抵抗を低減するか、あるいは電力損失を低減して、ＰＶモジュールの全体効率を向上させる。
[0048]本明細書で使用する場合、透明という用語は、可視光の少なくとも部分的な透過を意味する。一般に、透明ＰＶモジュールの電力出力は、追加の直列抵抗の導入によって減少し得る。このような直列抵抗は透明電極の固有のシート抵抗から生じ得、透明電極は、透明ＰＶモジュール、ならびに光活性半導体への光透過、及びモジュール自体を通じる透過もまた可能にするモジュールにおいて必要である。従来のＰＶ技術は、高導電性不透明金属電極、モジュール領域上の高導電性不透明バスバー、及び動作電流を低減するために最適化された寸法でモジュールをサブセルにパターニングすることによって直列抵抗を低減する。透明モジュール領域への不透明電極及びパターン化不透明金属バスバーの適用は、良好な審美性（透明度）と性能（より高い直列抵抗）との間の犠牲を引き起こし、これらの手法は透明ＰＶモジュールにとってあまり望ましくない。さらに、透明ＰＶモジュールは、通常、従来の不透明材料よりも高い抵抗を有する電極材料を使用し、その結果、モジュール面積が増大すると直列抵抗が増大するという犠牲が生じる（モジュール性能が低下する）。
[0049]結局、モジュール領域をサブセルにパターン化することは、透明ＰＶモジュールにとって望ましくない可能性がある視覚的特徴をもたらす可能性がある。本明細書で論じられるモジュールは、良好な審美性が要求され、２つの透明電極を採用しなければならない場合、透明ＰＶモジュールの直列抵抗の追加及びモジュール効率の損失を低減又は最小化するための代替手法を利用する。このようなモジュールは、デスクトップモニタ、ラップトップ又はノートブックコンピュータ、タブレットコンピュータ、携帯電話、電子書籍リーダーなどで使用される硬質で柔軟なコンピュータディスプレイスクリーンを含む様々な用途で使用することができる。その他の用途としては、時計の文字盤、サンルーフやプライバシーガラスを含む自動車用及び建築用ガラスがある。光起電力モジュールは、例えば完全に自己給電用途及びバッテリ充電（又はバッテリ寿命延長）などの能動発電に使用することができる。
[0050]本明細書に記載の実施形態は、電極、バスバー、及び接触を含む様々なＰＶ配置を使用する。幾つかの実施形態において、電極は、回路の非金属部分と接触するために使用される導電体であり得る。電極は、モジュールの活性領域の一部を形成することができ、バスバー又は様々な種類の接触と接続するために活性領域の外側に延びることができる。幾つかの実施形態では、電極はバスバー及び／又は接触よりも高い抵抗を有することができる。電極のシート抵抗は、不透明電極ではｍΩ／ｓｑの範囲、透明電極では１Ω／ｓｑ〜１００Ω／ｓｑの範囲である。電極は、熱蒸着、電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶ）、スパッタ蒸着などの物理蒸着（ＰＶＤ）技術を使用して製造することができる。不透明電極の実施形態は、一般に厚さ２０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲のＰＶＤによって堆積することができるアルミニウム、銀、又は金などの金属を含むことができる。幾つかの実施形態では、透明電極はＰＶＤによって製造することができ、広範囲の厚さ（１ｎｍ〜３００ｎｍ）の有機（例えば小分子）又は無機誘電体層（例えば金属酸化物）と結合したアルミニウム、銀、又は金（４ｎｍ〜１２ｎｍ）などの薄い金属層を含み、光透過率を向上させることができる。透明電極は、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、アルミニウム亜鉛酸化物（ＡＺＯ）、アンチモン錫酸化物（ＡＴＯ）、フッ素錫酸化物（ＦＴＯ）、及びインジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）などの導電性酸化物材料のＰＶＤによっても製造できる。透明電極はまた、様々な溶液堆積技術（スピンコーティング、ブレードコーティング、スプレーコーティング）を用いて堆積させることができる銀ナノワイヤ及びナノクラスタなどの異なる金属ナノ構造から製造することができる。透明電極はまた、グラフェン又はカーボンナノチューブ層から作製され得る。金属は、透明電極を作製するために、多孔質グリッド又はネットワーク構造を形成するように構造化又はパターン化することができる。
[0051]幾つかの実施形態において、バスバーは、電極と接触との間で電流を輸送するための経路を提供する導体であり得る。バスバーは金属製のバー又はストリップであってもよく、異なる経路パターンを形成するために堆積されかつパターン化され得る。幾つかの実施形態では、バスバーは不透明であり、モジュールの活性領域の外側に存在することができる。バスバーは電極よりも抵抗が低く、接触部品よりも抵抗が高い可能性がある。バスバーは、例えば、Ａｇ又はＡｌの薄い金属層、導電性銀ペースト又はエポキシなどを含む様々な材料から製造することができる。バスバーを通る抵抗は、材料、材料の厚さ、ならびにバスバーの横方向のレイアウト及び寸法（例えば、電極と接触点との間のバスバーの幅及び長さ）に依存し得る。幾つかの実施形態では、バスバーは、銀、アルミニウム、金、銅、又は抵抗を低くするために１００ｎｍを超える厚さを有する異なるＰＶＤ技術を使用して堆積された他の高導電性金属の金属フィルム層を含み得る。バスバーは導電性ペースト又はエポキシを使用して製造することができ、これらは溶媒中の銀乳剤又はエポキシ媒体とすることができる。導電性ペースト又はエポキシは、手動で又はインクジェット印刷又はスクリーン印刷などの技術を使用して、パターン化することができる。基板はパターン化されたバスバーで予め印刷されてもよく、又はバスバーは他のＰＶモジュール層の間又は後に追加されてもよい。
[0052]幾つかの実施形態では、以下でさらに論じるように、バスバー及び／又は電極４５０は、１つ又は複数の接触に電気的に結合することができる。接触は、モジュールの電極間又は外部回路へのバスバー間で電気的接続が作製されているＰＶモジュール上の点を指すことができる。モジュールへの接触は、一時的、半永久的、又は永久的である。幾つかの実施形態では、ワイヤ、ピン、ＺＥＢＲＡコネクタなどの接触部品は、非常に低い抵抗値（＜１Ω、好ましくは部品の長さにわたってｍΩの範囲）であり得る。抵抗は、コネクタの種類及び寸法（例えば、ワイヤの長さ又はＺＥＢＲＡコネクタ内の導電材料）に依存し得る。接触は、電極又はバスバーに接続することができ、負荷を試験又は給電するためのモジュールを接続するために使用される回路又は他の部品に電荷を輸送することができる。
[0053]本発明の様々な実施形態では、ＰＶモジュール内の電荷損失を減らすための多くの潜在的な点がある。特定の実施形態では、設計、材料、構成、及び部品は、異なる抵抗損失を最小限に抑えるために変えることができる。一般に、以下の抵抗損失を考慮することができ、頂部及び底部電極抵抗からの損失、電極からバスバー又は電極から接触抵抗への損失、バスバー抵抗からの損失、バスバーから接触抵抗への損失、接触部品からの損失、ならびに他の電気接続及び部品からの損失である。
[0054]本発明の実施形態によれば、電極対バスバー／接触間又はバスバー対接触間の接触抵抗は比較的小さくなり得る。電極やバスバーの抵抗と比較して、接触部品や他の電気部品の損失は無視できる。幾つかの実施形態では、一次抵抗損失は、電極抵抗、続いてバスバー抵抗から生じ得る。抵抗による電力損失は、電極及びバスバーの電気的特性、さらにはセルの寸法及び形状ならびに接触のレイアウトに依存することができる。
[0055]図１Ａは、本発明の一実施形態による光起電力セルの活性領域の概略図を示す。光起電力セル１００を使用して、単純な接触構成を有する単一セルについてのモジュールパラメータと電力損失との間の関係を例示することができる。光起電力セル１００は、高さｈ、１１２及び幅ｗ、１１４を有する活性領域１１０を含む。活性領域は、タンデム構造の１つ又は複数の電極、１つ又は複数の活性層、及び１つ又は複数の相互接続を含むことができる。幾つかの実施形態において、１つ又は複数の電極は透明であり得る。光起電力セル１００はまた、活性領域１１０の第１面１１６に沿って第１バスバー１２０を含む。図示の実施形態では、電極のシート抵抗からの電力損失は、一般に、電力損失の一般式である式（１）から始めて計算することができる。
[0056]セル活性領域１１０全体に電流が発生する。第１バスバー１２０から離れた異なる距離で電荷が発生するため、抵抗損失は発生した全ての電荷に対して等しくならない。式（２〜５）は、電力損失を活性領域１１０の幅１１４に関連付けるために、ｙ１３０にわたって電力損失を積分する。




ここで、ρは電極の抵抗率である。
[0057]
光起電力セル１００によって発生する電力は、式（６）を使用して計算することができ、

ここで、ＪＭＰは最大電力点での電流密度、ＶＭＰは最大電力点での電圧である。
[0058]電力損失の割合は、損失電力を発生電力で割ったものである。
[0059]電極のシート抵抗（Ｒｓｈ）は電極の抵抗率に正比例し、電極を特徴付けるための尺度として使用することができる。他の実施形態では、電極を特徴付けるための尺度として抵抗率を使用することができる。幾つかの実施形態では、最大電力点で動作するように、付属回路は電圧及び／又は電流を制御することができる。光起電力セルの電流及び電圧を適切なレベルで動作させることは、あらゆる条件下で電力抽出を最大化することができる。
[0060]様々なモジュール特性に対する変化は、光起電力セル１００の電力損失に影響を及ぼし得る。例えば、式（７）に示されるように、パーセント電力損失は、セル幅の２乗に比例し、電流に線形に比例して、電圧に反比例する。幾つかの実施形態は、大型の光起電力セル１００における性能低下を最小限に抑えるために、低電流及び高電圧で光起電力セル設計を実施する。
[0061]図１Ｂは、抵抗性電力損失に対する活性領域シート抵抗の影響を示す。図１Ｂに示される結果は、３ｍＡ／ｃｍ２の最大電力点ＪＭＰ及び１．２ＶのＶＭＰでの想定される電流密度に基づく。ｘ軸１５２はセル幅ｗ１１４を表す。ｙ軸１５４は抵抗性電力損失割合を表す。プロット１５０は複数の曲線１５６を含み、各曲線はΩ／ｓｑ単位の異なるシート抵抗値に関連する。各曲線に関連する値は説明１５８にまとめられている。図１Ｂは、修正なしで、光起電力セル１００の幅ｗ１１４が増加するにつれて、抵抗性電力損失が増加し続けることを示す。
[0062]幾つかの実施形態において、透明電極のシート抵抗は、モジュール領域スケーリングにおける制限要因となり得る。本発明の実施形態は、高い導電性（すなわち、低いシート抵抗）と低い吸収損失（すなわち、低い吸収係数）との組み合わせを提供する透明電極を利用する。
[0063]電力損失の一般式から始めると、式（８）は次のようになる。
[0064]発生した電荷の全てがバスバー１２０によっていずれかの端部の接触点に輸送されている場合、バスバー内の電力損失は、ｘ方向１３６の長さＬにわたって積分することによって計算することができる。



[0065]総発電電力は次のように計算できる。

また、電力損失の割合Ｐ％損失−バスバーは、損失電力Ｐ損失−バスバーを発生電力Ｐ発生−バスバーで割ったものである。
[0066]式（１４）は、電力損失がバスバーの長さＬ１３４の２乗と電流ＪＭＰに正比例することを示している。電力損失は電圧に反比例する。幾つかの実施形態は、電極抵抗による性能損失を最小限に抑えるために、低電流及び高電圧で動作するように構成することができる。幾つかの実施形態では、バスバーは、モジュール電極抵抗に起因する損失と比較して無視できる電力損失をもたらす低抵抗材料から作製されるであろう。
[0067]幾つかの実施形態では、第２バスバー（図示せず）を活性領域１１０の他端部に製造することができる。特定の実施形態では、第２バスバーは、第１面１１６に対向する活性領域１１０の第２面１１８と電気的に接触することができる。この実施形態では、電荷が移動しなければならない最大幅は半分になり、結果として有効幅ｗ／２となる。式（５）の結果において、２バスバー光起電力セル１００の有効幅をｗに代入すると、活性領域１１０上の電力損失は次のようになる。

電荷移動距離が減少すると、電極抵抗による電力損失が減少する。電力損失の減少の原因は、式（１５）の最後のステップにおける有効幅ｗ／２の結果としての分母の増加である。したがって、２バスバーの光起電力セルでは、電力損失の割合は次のようになる。
[0068]従って、２バスバー構成における電力損失の割合は、式（７）に示される電力損失の２５％に減少する。本明細書に記載されているように、本発明の様々な実施形態は、電荷移動距離を短くしてそれに応じて電力損失割合を低減する。
[0069]従来のＰＶでは、裏面電極は典型的には不透明で高導電性の金属電極である。しかしながら、透明ＰＶの実施形態では、頂部電極と底部電極の両方が透明であることが必要であり、高導電性金属電極は通常使用できない。不透明金属電極と比較して透明電極のシート抵抗は増加するため、これは透明ＰＶについて観察される抵抗性電力損失を増加させる可能性がある。
[0070]透明電極からの増加したシート抵抗の影響を最小にするための１つの手法は、活性領域上に金属バスバーを組み込むことである。これらは、活性モジュール領域の一部を覆うように印刷することができるが、外観を変更してモジュール全体の透過率を低下させる目に見える線の特徴を作成する可能性がある。活性領域内の金属グリッドの典型的な配置は、数センチメートルにわたって画定された巨視的に画定されたバスバーアレイ、六角形又はストライプのいずれかとして画定されたより小さなグリッドアレイなどを含むことができる。全ての場合において、グリッドアレイは視野を遮る。
[0071]電力損失を最小限に抑えるための第２手法は、モジュール領域を直列集積サブセルに細分することである。モジュール面積を細分化すると各セルの電荷移動距離が短くなり、直列集積によってＰＶを低電流（単一サブセルの電流）及び高電圧（サブセル電圧の合計）で動作させて抵抗性電力損失を最小限に抑えることができる 。各サブセルは、頂部電極、活性層、及び底部電極を含む。
[0072]図２Ａは、直列の８個のサブセルを有するモノリシック直列集積型太陽電池２００の一例を示す。図２Ｂは、図２Ａに示されるモノリシック直列集積型太陽電池の一部の拡大平面図を示す。図２Ｂでは、電気絶縁線２１４によって第２底部電極２１２から分離された第１底部電極２１０が示されている。幾つかの実施形態において、第１及び第２底部電極の１つ又は複数は、高導電性金属電極であり得る。各底部電極は活性層と電気的に接触している。幾つかの実施形態では、光起電力材料活性層は、テルル化カドミウム、シリコン、有機半導体などから構成することができる。図２Ｂでは、第１底部電極２１０は第１活性層２２０と電気的に接触しており、第２底部電極２１２は第２活性層２２２と電気的に接触している。各セルは、活性層と電気的に接触している頂部電極を含むことができる。図２Ｂでは、第１活性層２２０は第１頂部電極２３０と電気的に接触することができ、第２活性層２２２は第２頂部電極２３２と電気的に接触することができる。
[0073]図２Ｃは、図２Ａの線２Ｃにおけるアーキテクチャの断面図を示す。断面図は、個々のセルを直列に接続する方法を示す。第１に、電気絶縁線２１４が、第１底部電極２１０と第２底部電極２１２との間に見られる。第１活性層２２０は、第１底部電極２１０及び第１頂部電極２３０と電気的に接触して示されている。第１活性層２２０と第２活性層２２２との間の間隙２４０は、サブセル間で第１頂部電極２３０が第２底部電極２１２と接触してセル間に直列接続を形成することを可能にする。
[0074]光起電力セルのサブセル最適化は、有機光起電力モジュールの直列抵抗を制限するために使用することができる。有機光起電力モジュール（ＯＰＶ）を含む幾つかの実施形態では、不透明ＯＰＶを製造することができる。不透明ＯＰＶを有する実施形態では、一方の電極、例えば底部電極２１０は不透明で高導電性金属電極から製造することができ、他方、例えば頂部電極２３０は透明で典型的には導電性がより低い電極材料から製造することができる。不透明なＯＰＶを含む実施形態では、直列抵抗を低減するために、ＯＰＶモジュール上に金属バスバーのアレイを印刷することができる。
[0075]サブセルモジュール構成は、抵抗性電力損失を低減することができるが、相互接続領域における面積損失をもたらし、また透明ＰＶ用途にとって望ましくない可能性がある目に見えるパターニングをもたらす。幾つかの実施形態では、外観はまた、活性領域内の電気絶縁線２１４によって損なわれる可能性がある。より広い電気絶縁線２１４を追加すると、設計及び製造公差が増大するが、より広い線はより大きな視認性を有し、不活性であり、電流発生領域全体に損失をもたらし、モジュール効率を低下させる。
[0076]幾つかの実施形態では、モノリシック直列集積型ソーラーモジュール２００に対して単一セルモジュール３００を製造することは、モジュールの中央活性領域に存在するパターニングラインを排除する。透明ＰＶの多くの用途にとって、この中央領域は透明で視覚パターンがないことが望ましい。中央領域内の望ましくないパターニングラインの一例が図２Ｃの電気絶縁線２１４によって示されている。
[0077]パターニングラインはまた、電極の端部及び中央モジュール領域の内側又は外側のいずれかの活性層を含むことができるが、これらは性能の低下を引き起こしたりモジュールの機能を妨げたりする可能性のある電気的短絡位置を含み得るので製造上の考慮を必要とする。パターニングラインは、底部電極と頂部電極とを分離すると共に活性層から材料を除去して接触経路を提供するために、シャドーマスク、レーザスクライブ、又は他の技術を使用して製造することができる。図３Ａ及び図３Ｂは、単一セルモジュール対直列集積モジュールで使用されるパターニングラインの数及び長さを低減したものを示す。図３Ａは、単一セルモジュール３００の平面図である。モジュール内の特徴の端部に関連付けられているパターニングライン３１０は、性能を低下させるか、又はモジュールの機能を妨げる可能性がある潜在的な短絡位置が存在する単一セルモジュール３００の領域を示す。幾つかの実施形態において、単一セルモジュール３００は、頂部電極３２０及び活性層３３０の周囲に関連した幾つかのパターニングラインを有する。
[0078]図３Ｂは、８個のサブセルを有する直列集積モジュール３５０の平面図である。直列集積モジュール３５０内の各個々のサブセルに関連付けられたパターニングライン３１０がある。図３Ｂに示す集積モジュールでは、パターニングラインは、モジュールの活性領域の周囲と関連付けられており、モジュールの活性領域内に配置されている。単一セルモジュール３００とは対照的に、直列集積モジュール３５０は２．５倍のパターニングライン３１０を有する。単一セルモジュール３００内のパターニングライン３１０の数を減らすことは、接触方式の複雑さを減らすこと、非標準及び非矩形の応用幾何学形状を実装すること、面積当たりのマスク端部接触を減らすこと、発電に寄与しないデッドエリアを減らすこと、審美性を改善することを含む幾つかの利点を提供することができる。
[0079]サブセルを使用してモジュールの活性領域内に発生した電荷の移動距離を減少させることができるが、幾つかの技術を適用して単一セルモジュールの電荷移動距離を減少させることができる。例えば、電荷移動距離を減少させるために調整することができるパラメータには、モジュールの幾何学的形状のアスペクト比、電極接触の抵抗率、及びバスバー材料などが含まれる。
[0080]図４Ａ〜図４Ｄは、４つの異なる接触構成において、接触数が増加した単一セルモジュール内の電荷の移動方向を示す。様々な構成は、ＰＶセルにおいて利用される２つの電極のうちの１つのみを参照して、電荷移動距離に対する接触端の影響を例示する。図４Ａ〜図４Ｄは、簡単にするために単一の電極のみを示しているが、このような構成は、光起電力活性材料層及び第２対向電極を重ねることができる。実際には、接触及びバスバーパターンを各電極に対して使用及び最適化することができる。例えば、両方の電極は最適化された電荷抽出のために全周接触を有することができるか、または頂部電極と底部電極との間で周囲接触量を変えて、抵抗損失とよりよく整合するように、より高い抵抗の電極とより接触するようにすることができる。
[0081]図４Ａは、電極４５０用の第１バスバー又は接触４１０を含む第１接触構成４０１を示す。図４Ｂは、第１接触４１０及び第２接触４１２を含む第２バスバー又は接触構成４０２を示す。図４Ｃは、第１接触４１０、第２接触４１２、及び第３接触４１４を含む第３バスバー又は接触構成４０３を示す。図４Ｄは、第１接触４１０、第２接触４１２、第３接触４１４、及び第４接触４１６を含む第４バスバー又は接触構成４０４を示す。各構成において、電荷移動距離は、電極４５０と電気的に接触している接触の数及び位置に依存し得る。
[0082]図４Ａ〜図４Ｄに示される実施形態は、モジュールの活性領域全体にわたって電流がどのように発生し、電極４５０の端部又は周囲上の接触点に移動する必要があるかを示している。電極４５０の周囲に配置された接触及びバスバーの位置は、セル内の様々な位置で電荷が移動するための最短移動距離を提供するように調整することができる。例えば、図４Ａを参照すると、第１構成４０１では、電極４５０の活性領域内の全ての電荷は第１方向４２０に移動して第１接触４１０に到達する。この構成では、電極４５０の対向する端部４５２付近の電荷が電極４５０を横切って全距離を移動して第１接触４１０に到達する。この構成は、より高いシート抵抗及び増加した電力損失をもたらす。図４Ｂを参照すると、第２接触構成４０２において、第２接触４１２は、電極４５０上の電荷が第２方向４２２に移動することを可能にする。上述のように、第２接触４１２は有効幅を低減し、電荷はより短い距離を移動することができ、その結果電力損失が減少する。第２接触構成４０２などの２つの接触を有する構成では、任意の電荷が移動しなければならない最長距離はここで、第１構成４０１などの単一接触を用いた場合の半分である。図４Ｃを参照すると第３接触構成４０３、図４Ｄを参照すると第４接触構成４０４は、第３方向４２４及び第４方向４２６を提供して電極４５０上の電荷の移動距離をさらに低減する。幾つかの実施形態では、全周接触を有することは、内部バス又は他の設計要素を追加することなく、任意の単一セルの電力損失を最小限に抑えることができる。全周接触では、端部接触までの全ての電流経路距離が最小になる。
[0083]電極４５０は、回路の非金属部分、例えば有機光起電力材料層と接触するために使用される導電体であり得る。電極４５０は、モジュールの活性領域の一部を形成することができ、バスバー又は様々な種類の接触（例えば４１０、４１２、４１４、４１６）と接続するために活性領域の外側に延びることができる。幾つかの実施形態では、電極のシート抵抗は、一般に、不透明電極ではｍΩ／ｓｑの範囲、透明電極では通常１Ω／ｓｑ〜１００Ω／ｓｑの範囲にある。幾つかの実施形態では、電極４５０は、バスバー及び／又は接触４１０、４１２、４１４、４１６よりも高い抵抗を有することができる。電極４５０は、熱蒸着、電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶ）、スパッタ蒸着などの物理蒸着（ＰＶＤ）技術を使用して製造することができる。
[0084]図４Ａ〜４Ｄに示される正方形の単一セルモジュール構成は例示的なものであり、モジュールは様々な高さ、幅、及び形状であり得る。幾つかの実施形態では、接触構成は特定の用途の要件に基づいて決定することができる。図４Ａ〜図４Ｄに示される単一セルモジュールのいずれも、例えば、フィットネストラッカ、パルストラッカバンド、時計、充電機能を備えたフィットネスアームバンド、局所電源を必要とするメガネ、ウェアラブルヘッドアップディスプレイ、ウェアラブルＬＥＤジュエリー、医療用監視パッチ、内蔵携帯電話緊急充電器、電子ラベルなどに使用することができる。幾つかの実施形態において、単一セルモジュールのサイズ範囲は、直径２〜５ｃｍであり得る。単一セルモジュールはさらに大きなサイズにも対応可能であるが、電荷移動距離が長くなるであろう。一般に、透明な単一セルモジュールを情報表示システムに統合して、関連するシステムのために電荷を発生させることができる。サイズの制限は、意図する用途の電力要件と使用するモジュールスタックアーキテクチャによって異なる。
[0085]図５は、異なる周囲接触構成に対する電荷移動距離の無次元比を有する表を示す。表５００は、ｘ方向及びｙ方向における１０００点メッシュからの計算を含む。最も近い電極までの距離が各点について計算され、距離がメッシュ内の全ての点について合計される。各構成について表に示されている数は、所与の構成に対する点の合計距離と、１つの全端部に沿って単一の接触を有する構成に対する点の合計距離との比である。表５００は、異なる電極構成をベースライン、すなわち１つの全端部接触構成と比較するための無次元比として、各バスバー構成についての点距離の減少を示す。
[0086]図６Ａは、本発明の一実施形態による、２つの接触を有する例示的な単一セルモジュールの断面図である。単一セルモジュール６００は、第１電極層６１０、第１電極パッド６１２上の接触点６１４、１つ又は複数の光起電力材料層６２０、第２電極層６３０、及び第２電極パッド６３２上の接触点６３４を含む。ＰＶセルは、底部層から始めて頂部層に達するまで要素を追加する積層プロセスを使用して製造することができるため、セルの第１及び第２要素への言及は底部及び頂部要素とも呼ぶことができる。明確にするために、本明細書における参照は、様々な図を参照して下／上の用語を利用するが、右／左の用語が適切であり得る代替の製造プロセス及びセル設計を利用できることを理解されよう。したがって、ここで利用される底部／頂部の用語は本発明の範囲を限定することを意図するものではなく、単に明確さの目的のために第１／第２の用語に利用される。
[0087]幾つかの実施形態では、活性領域とも呼ぶことができる中央透明領域６５０は、頂部電極６３０、１つ又は複数の光起電力材料層８２０、及び底部電極６１０の重なり合う部分を含むことができる。単一セルモジュール６００は、単一接触点を用いてカソードとアノードとを接触させる方法を示す。図６Ａ及び図６Ｂに示す実施形態では、接触は交互嵌合しておらず、かつ重なり合っていない（それぞれ以下でさらに説明する）。
[0088]図６Ｂは、本発明の一実施形態による、２つの接触を有する例示的な単一セルモジュールの平面図である。幾つかの実施形態において、底部電極６１０と中央透明領域との間の電気的接触は、中央透明領域６５０の第１側面６５２に沿って延びることができ、頂部電極６３０と中央透明領域との間の電気的接触は、中央透明領域６５０の第２側面６５４に沿って延びることができる。幾つかの実施形態において、第１電極パッド６１２上に形成された接触点６１４及び第２電極パッド６３２上に形成された接触点６３４は、低抵抗材料を使用して製造することができ、これはまた本明細書に記載するようにバスバーまたは他の接触上で使用することができる。
[0089]図７は、単一セルモジュールの異なる２接触構成に対する電荷移動距離の無次元比を示す図である。これらの構成は、正方形の単一セルモジュール上の各電極に対して１つの接触又はバスバーがある２つの接触レイアウトに対する異なる設計を含む。コーナー接触構成７０４及びＣ字形接触構成７０６は、対向側面に各電極に対する単一の接触がある第１構成７０２と比較される。表７００は、コーナー接触構成７０４を第１構成７０２と比較すると移動距離が減少することを示す。表７００は、Ｃ字形接触構成７０６を第１構成７０２と比較すると、移動距離をさらに減少できることを示している。幾つかの実施形態では、Ｃ字形接触構成は、ｃ字形導電材料領域から構成することができる。
[0090]図８Ａは、本発明の一実施形態による、交互嵌合接触パッドを有する例示的な単一セルモジュールの断面図である。単一セルモジュール８００は、底面８１１及び対向する頂面を含む底部電極８１０を含むことができる。底部電極８１０の連続する中央領域８１４は、連続する中央領域を囲む一組の電極パッドに電気的に結合されている。図８Ａでは、底部電極パッドの組の一例として底部電極パッド８１２が示されている。
[0091]幾つかの実施形態では、底部電極８１０は、１つ又は複数の絶縁電極パッド８３２も含むことができ、これは連続する中央領域８１４及び底部電極パッド８１２によって表される電極パッドの組から電気的に絶縁されている。図８Ａに示すように、１つ又は複数の低抵抗接触点８１６及び８３６を底部電極パッド８１２及び絶縁電極パッド８３２上に形成することができる。
[0092]幾つかの実施形態では、単一セルモジュール８００は、頂面８２１及び対向する底面を含む１つ又は複数の光起電力材料層８２０を含むことができる。光起電力材料層の連続した中央領域８２２が示されている。幾つかの実施形態において、単一セルモジュール８００はまた、頂面８３１及び対向する底面を有する頂部電極８３０を含み得る。頂部電極８３０の連続する中央領域８３６は、連続する中央領域を囲む一組の電極パッドに電気的に結合されている。図８Ａでは、一組の頂部電極パッドの例として頂部電極パッド８３８が示されている。本明細書に記載されているように、連続する中央領域から延在する、又はその外側に配置された電極パッドは、連続する中央領域及び電極パッドに電気的に結合された接触点への電気的接触を提供する。図８Ａを参照すると、頂部電極８３０を絶縁電極パッド８３２に電気的に結合することができる。
[0093]再び図８Ａを参照すると、単一セルモジュール８００の中央透明領域８５０は、底部電極、光起電力材料層、及び頂部電極のそれぞれ連続する中央領域８１４、８２２、及び８３６の重なりによって画定することができる。幾つかの実施形態では、単一セルモジュール８００の中央透明領域８５０は、スペクトルの紫外線及び／又は赤外線部分の光を吸収しながら、可視光に対して透明であり得る。
[0094]図８Ｂは、本発明の一実施形態による、交互嵌合接触パッドを有する例示的な単一セルモジュールの平面図である。幾つかの実施形態では、底部電極８１０及び頂部電極８３０への電気的接触は、カソード及びアノードの両方の全ての端部に交互嵌合対の接触点８４０を有する複数の交互嵌合対の電極パッド８１２／８３２を使用して実装でき、カソード及びアノードは底部電極８１０及び頂部電極８３０に対応する。一対の交互嵌合接触点８４０は、頂部電極８３０に結合された絶縁電極パッド８３２及び底部電極に結合された底部電極パッド８１２上に形成された接触点とすることができる。幾つかの実施形態では、交互嵌合は、頂部電極８３０及び底部電極パッド８１２に結合された絶縁電極パッド８３２を交替するパターンを説明できる。
[0095]図８Ｂは、正方形の単一セルモジュール８００の四辺全てにカソード及びアノード用の４対の電極パッドを有する例を示す。例えば、絶縁電極パッド８３２は、頂部電極８３０の連続する中央領域の周囲から延びる頂部電極パッド８３８に電気的に接続され、底部電極パッド８１２は、底部電極８１０の連続する中央領域に電気的に接続されている。絶縁電極パッド８３２と底部電極パッド８１２の両方は、その上に形成された低抵抗接触点８１６を有することができる。接触点は、電極層から延在するか、電極層と同一平面であるか、又は陥没することができる。したがって、図８Ｂでは、合計１６個の接触点８１６が各電極に設けられ、単一セルモジュール８００の各端部に合計８個の接触点（両方の電極のための接触点を含む）が設けられ、その結果、片面当たり４対の交互嵌合接触点８４０をもたらす。電極パッド及び接触点の数は必要に応じて増減することができる。
[0096]図８Ｃ〜図８Ｎは、図８Ｂに示される交互嵌合単一セルモジュールの各層の分解を示す。図８Ｃは、単一セルモジュールの第１層を示す。幾つかの実施形態において、第１層は底部電極８１０を含む。底部電極８１０は、モジュールの各端部上の４つの底部電極パッド８１２まで延在する周囲８１３を有する連続する中央領域８１４を含むことができる。底部電極パッド８１２は、底部電極８１０上の接触点８６０用の位置を提供することができる。幾つかの実施形態では、底部電極８１０は、連続する中央領域８１４及び底部電極パッド８１２から電気的に絶縁されている１つ又は複数の絶縁電極パッド８３２を含むことができる。幾つかの実施形態では、絶縁電極パッド８３２は、底部電極パッド８１２（例えば、モジュールの両側に４つずつ）と交互嵌合することができる。１つ又は複数の絶縁電極パッド８３２は、頂部電極８３０に電気的に結合された接触点８６０を支持することができ、底部電極パッド８１２と共に、交互嵌合する方法で電極パッド対を形成することができる。セルに接続しない４つの絶縁されたコーナパッドは、基板全体に均一な色彩効果及び光学効果をもたらすように製造することができる。４つの絶縁されたコーナパッドのうちの１つに示されるコーナマーク８１８は、処理中に基板を方向付けるのを助けることができ、基板の頂面及び底面への視覚的ガイドとして機能する。図８Ｄは、第１層を備える第１部分製造単一セルモジュール８０１を示す。
[0097]図８Ｅは、単一セルモジュールの第２層を示す。第２層は、１つ又は複数の光起電力材料層８２０を含み得、底部電極中央領域８１４の上に配置され得る。光起電力材料層８２０は、モジュールの活性領域に対応する中央透明領域８２２を含み得る。光起電力材料層８２０の一部は、連続する中央領域８１４の周囲８１３を越えて延びて、底部電極パッド８１２と絶縁電極パッド８３２の両方の一部を覆うことができる。光起電力材料層８２０は、頂部電極８３０と底部電極８１０との間の電気的接触を妨げるための電気絶縁体として作用することができる。図８Ｆは、底部電極中央領域８１４及び活性領域中央領域８２２が実質的に整列して形成された第１及び第２層を含む第２部分製造単一セルモジュール８０２を示す。
[0098]図８Ｇは、単一セルモジュールの第３層を示す。第３層は頂部電極８３０を含むことができる。頂部電極８３０は、単一セルモジュールの活性領域に対応することができる頂部中央領域８３６を有する１つ又は複数の光起電力材料層８２０の上に形成することができる。頂部電極８３０は、頂部中央領域８３６から延在する１つ又は複数の頂部電極パッド８３８を含むことができ、基板の端部に隣接して配置された任意選択の１つ又は複数の絶縁電極パッド８３２に接続することができる。図８Ｈは、底部電極中央領域８１４、活性領域中央領域８２２、及び頂部中央領域８３６が実質的に整列して形成された第１、第２、及び第３層を含む第３部分製造単一セルモジュール８０３を示す。
[0099]図８Ｉは、単一セルモジュールの第４層を示す。第４層は、モジュール層の上に配置及び／又は製造することができるキャビティガラス８４０又は他のガラスあるいはバリア材料を含むことができる。キャビティガラス８４０は、１つ又は複数の絶縁電極パッド８３２及び底部電極パッド８１２などの１つ又は複数の電気素子を露出させたままにするように形成することができる。図８Ｊは、底部電極中央領域８１４、活性領域中央領域８２２、頂部中央領域８３６及びキャビティガラス８４０が実質的に整列して形成された第１、第２、第３、及び第４層を含む第４部分製造単一セルモジュール８０４を示す。
[0100]図８Ｋは、単一セルモジュールの第５層を示す。第５層は、サイズアパーチャ８５０を含み得る。サイズアパーチャ８５０は、所望の活性領域サイズの外側の光を遮断するために使用され得る。図８Ｌは、底部電極中央領域８１４、活性領域中央領域８２２、頂部中央領域８３４、キャビティガラス８４０及びサイズアパーチャ８５０が実質的に整列して形成された第１、第２、第３、第４、及び第５層を含む第５部分製造単一セルモジュール８０５を示す。
[0101]図８Ｍは、単一セルモジュールの第６層を示す。第６層は、１つ又は複数の低抵抗接触点８１６を含むことができる。１つ又は複数の接触点８１６は、個々の底部電極パッド８１２及び絶縁電極パッド８３２のそれぞれに形成することができる。他の装置から単一セルモジュールへの接続は、モジュールの各端部にある１つ又は複数の接触点８１６を使用して行うことができる。図８Ｎは、底部電極中央領域８１４、活性領域中央領域８２２、頂部中央領域８３４、キャビティガラス８４０及びサイズアパーチャ８５０、及び１つ又は複数の接触点が実質的に整列して形成された第１、第２、第３、第４、第５、及び第６層を含む完全に製造された単一セルモジュール８０６を示す。
[0102]図８Ｐは、本発明の一実施形態による単一セルモジュールの分解図を示す。単一セルモジュールは、底部電極８１０、１つ又は複数の光起電力材料層８２０、頂部電極８３０、キャビティガラス８４０又は他のバリア材料、サイズアパーチャ８５０、及び１つ又は複数の接触点８６０の特定の配置を含む。図８Ｐに示す特定の層は、本発明の一実施形態による交互嵌合接触を有する単一セルモジュールの特定の配置を提供することを理解されたい。代替実施形態によれば、他の層又は接触もその上に形成することができる。さらに、図８Ｐに示される個々のモジュール層及び部品は、個々のモジュールに適切なように様々な配置で形成及び／又は製造され得る複数の副層を含み得る。さらに、特定の用途に応じて、追加の層又は部品を追加したり、既存の層又は部品を削除したりすることができる。当業者は、多くの変形、修正、及び代替を認識するであろう。
[0103]抵抗（例えば、電極、バスバー、及び接触点における）による電力損失は、抵抗構造を通過する電流のレベル、抵抗構造の寸法、及び構造の抵抗率に関連し得る。幾つかの実施形態では、材料及び構造及び／又は幾何学形状は、電流を最小限に抑え、電力損失を減らすように設計することができる。幾つかの実施形態では、ＰＶモジュールの部品は、損失を最小限に抑えるために高い電圧及び低い電流で動作するように設計することができる。
[0104]図９は、異なる交互嵌合接触構成に対する電荷移動距離の無次元比を示す。第１列９０１は、正方形の単一セルモジュールの４辺のそれぞれの各電極について、様々な実施形態における異なる数の接触を示す。第２列９０２は、第１列９０１における各実施形態についての電荷移動距離の無次元比を示す。第３列９０３は、第１列９０１における各実施形態の平面図を示す。第３列の図は、各実施形態の電極の詳細を示す。参照として行９３０列９０３を使用して、平面図上の黒い領域は頂部電極形状を示す。白い間隙９３２は底部電極に対する接触点を示し、突出した黒い領域９３４は頂部電極に対する接触を示す。表９００の最後の行は、頂部電極と底部電極の両方についての完全に接触した周囲長（頂部電極構成と底部電極構成で達成することができる点距離の最小合計）の比較を示す。
[0105]交互嵌合接触点対の数は、頂部電極と底部電極の両方のシート抵抗を最適化するように調整することができる。幾つかの実施形態では、交互嵌合接触対の数を増やすと、電極のシート抵抗を減らし、単一セルモジュールをより大きな面積に拡大する場合の電力損失を減らすことができる。接触対の数を増やすと、平均電荷移動距離が短くなり、電力損失率が減少する。幾つかの実施形態では、交互嵌合接触対の数を増やすと、電極の低抵抗端部カバレッジを最大化することができる（接触点又はバスバーのいずれか）。幾つかの実施形態における端部カバレッジを最大化することは、接触点を最大化すること、又は全周の周りでバスバーへの接続を形成することを含み得る。幾つかの実施形態では、両方の電極について低抵抗バスバーへの全周接触が電力損失を最小にすることができる。全周接触の代替法は、単一セルモジュールの活性領域の周囲に両電極用の交互嵌合接触を形成することである。
[0106]図８Ａ及び図８Ｂを参照すると、電荷移動距離の無次元比を決定する目的のための、接触であると考えられる底部電極８１０と頂部電極８３０（アノード及びカソード）の両方との接続がなされなければならない。接続は、第１接触点とアノード、及び第２接触点とカソードとを含む。第２列９０２は点距離の比、すなわち個々の電荷が活性領域上の任意の点から移動しなければならない距離を示す。表９００は、頂部と底部の交互嵌合電極の両方に対する接触点を含む。表９００の全ての構成は、両側の異なる数の交互嵌合接触を有する４端部周囲接触用である。片面当たり０．２５接触を有する第１列９１０と、片面当たり０．５接触を有する第２列９２０とは、同等の接触数である。片面当たり０．２５接触を有する第１列９１０の構成は、底部電極接触点である左側と頂部電極接触点である右側とを含むことができる。第１列９１０に示されている２つの接触パターンは、電極ごとに１つの接触点のみを含む。したがって、第１列９１０は、他の全ての構成について電荷移動距離を特徴付けるための無次元比を決定するための比較の基礎として使用される。
[0107]幾つかの実施形態では、単一セルモジュールは、第２列９２０に示され説明されているように、片面当たり０．５接触を含むことができる。片面当たり０．５接触を有する実施形態は、左側及び右側の底部電極接触点と、頂部及び底部側の頂部電極接触点とを含むことができる。本明細書に記載の実施形態は、単一セルモジュールの両側に複数の接触又は連続接触を形成することができ、さまざまな構成に対して電荷移動距離をさらに短縮することができる。例えば、ｘ及びｙの両方において１０００点メッシュを使用すると、表９００の列９０１の各構成における最も近い電極までの点距離の合計は、片面当たり各電極について０．２５個の接触を有する設計についての点距離の合計で除算される。
[0108]図１０は、活性領域の端部毎の接触数の関数としての電荷移動距離の無次元比を示す図である。プロット１０００は、ｙ軸１０１０に沿った電荷移動距離の無次元比を示し、図９の第２列９０２に対応する。プロット１０００は、ｘ軸１０２０に沿ったモジュール端部当たりの電極当たりの接触数を示し、図９の第３列９０３に対応する。モジュール端部当たりの電極当たりの接触数が片面当たり５接触を超えると、減少した電荷移動距離は急速に平らになる。
[0109]図１１Ａは、本発明の一実施形態による交互嵌合接触配置を有する光起電力（ＰＶ）モジュールの平面図を示す。ＰＶモジュール１１００は、基板１１１０、底部電極１１２０（電極パッド１１２２によって示される）、光起電力材料層１１３０、及び頂部電極１１４０を含む。ＰＶＣ１１００は、基板１１１０からの効率的な電荷（電力）抽出のための電極パッド／接触点接続部１１１２の特定の配置を有する実施形態を示す。幾つかの実施形態では、底部電極パッド１１２２に対する頂部電極パッド１１３２の配置は変わり得る。例えば、ＰＶモジュール１１００は、片面当たり４つの頂部電極パッドを組み込んだ図８の単一セルモジュール８００に対して、片面当たり１つのみの頂部電極パッド１１３２を含む。
[0110]図１１Ｂは、交互嵌合接触配置を有するＰＶＣ１１００の分解図を示す。図１１Ｂは、基板１１１０、底部電極１１２０、光起電力材料層１１３０、頂部電極１１４０、及び電極パッド／接触点接続部１１１２の特定の配置を含む。図１１Ｂに示す特定の層は、本発明の一実施形態による交互嵌合接触を有するＰＶの特定の配置を提供することを理解されたい。代替実施形態によれば、他の層又は接触もその上に形成することができる。さらに、図１１Ｂに示される個々のモジュール層及び部品は、個々のモジュールに適切なように様々な配置で形成及び／又は製造され得る複数の副層を含み得る。さらに、特定の用途に応じて、追加の層又は部品を追加したり、既存の層又は部品を削除したりすることができる。当業者は、多くの変形、修正、及び代替を認識するであろう。
[0111]図１２Ａ〜図１２Ｂは、本発明の一実施形態による様々な幾何学的配置による光起電力セルを示す。
連続バスバー及び／又は交互嵌合接触を実装する実施形態は、様々なサイズ及びアスペクト比の設計及び製造を容易にすることができる。例えば、図１２Ａは、片面当たり８つの接触点１２１２を有する正方形のＰＶＣ１２１０を示す。図１２Ｂは、片面当たり８つの接触点１２２２を有する長方形のＰＶＣ１２１２を示す。ＰＶＣ１２１２を製造するための第１方向へのＰＶＣ１２１０のスケーリングは、接触点の数が同じままであり得、側面１２４０に沿ってモジュールの寸法及び接触が変化しないため、最小限のスケーリング及びインタフェースの変更で達成され得る。幾つかの実施形態では、各側面の接触の数は設計要件に応じて容易に変えることができる。これらの設計要件は、抵抗を減らすために接触の数を増やすこと（経路長を短くすること）と、応用への電気的接触を簡単にするために接触数を減らすことと、接続に制約がある場合は、接触数を減らして接触幅を変更することと、一端から接触を削除することとを含み得る。各側面の接触数は同じである必要はない。
[0112]図１２Ａ及び図１２Ｂに示される接触の柔軟性に加えて、図１３は幾つかの実施形態の幾何学的な柔軟性を示す。図１３は、本発明の一実施形態による円形配置による光起電力セルを示す。光起電力セルは、連続する第１中央領域１３１４を含む第１透明電極層１３１０を含む。第１透明電極層はまた、連続する第１中央領域１３１４に電気的に結合された第１組の電極パッド１３１２を含む。光起電力セルはまた、連続する第２中央領域１３２２と、連続する第２中央領域１３２２に電気的に結合された第２組の電極パッド１３２４とを含む第２透明電極層１３２０を含む。光起電力セルは、第１透明電極層１３１０と第２透明電極層１３２０との間に配置された光起電力材料層１３３０をさらに含む。
[0113]連続する第１中央領域１３１４、連続する第２中央領域１３２２、及び光起電力材料層１３３０は、光起電力モジュールの中央透明領域１３５０を形成するように整列される。中央透明領域１３５０は、複数のセグメント１３５２を含む周囲を有する。第１組の電極パッド１３１２の少なくとも１つと第２組の電極パッド１３２４の少なくとも１つは、中央透明領域１３５０の周囲の複数のセグメントの各セグメント１３５２上に配置されている。
[0114]追加のサブセルのサイズ及び接続の複雑さもはや考慮されないため、非矩形形状は単一セルモジュール設計を使用して実施することができる。単一セルモジュールの設計は、他の標準的な形状、さらには非対称の抽象的な形状にも適用できる。当業者は、多くの変形、修正、及び代替を認識するであろう。
[0115]図１４は、単一セルモジュール１４００を接触させる様々な方法の斜視図を示す。幾つかの実施形態では、特定の用途が接触方法の選択に影響を与えるであろう。例えば、頻繁な接続／切断サイクルを必要としない用途に対して、単一セルモジュール１４００への接触は、はんだ接続１４１０を使用して行うことができる。幾つかの実施形態では、単一セルモジュール１４００への接触はまた、ゴム又はエラストマーマトリクス内の交互の導電領域と絶縁領域からなる異方性電子コネクタ１４２０（例えば、ＺＥＢＲＡ（登録商標）コネクタ）を使用して実施することができる。異方性電子コネクタ１４２０は、堅固な固定具内で圧縮されると、単一セルモジュール１４００の交互嵌合接触に電気的に接触することができる。幾つかの実施形態では、接触点へのピン接続１４３０を使用することができる。幾つかの実施形態では、交互のピン接続１４３０を（ＰＣＢ又は他の何らかの組み合わせ回路上で）一緒に接続／束ね、単一セルモジュール１４００に負荷をかけるための単一のアノード接続及び単一のカソード接続を提供することができる。幾つかの実施形態では、単一セルモジュールへの接触は、フレックスオンガラス（ＦＯＧ）異方性導電接着剤１４４０を使用して行うことができる。異方性導電接着剤１４４０としては、異方性導電材料を用いることができる。示された実施形態に加えて、ワニ口クリップ、カスタムクランプ固定具などの他の永久的又は一時的な接触方法も採用することができる。接触部品は抵抗が非常に低い可能性があり、これらの部品による電力損失はごくわずかである。
[0116]図１５Ａは、本発明の一実施形態による、１つ又は複数の電極用の周囲バスバーを有する単一セルモジュールの断面図である。図１５Ｂは、本発明の一実施形態による、１つ又は複数の電極用の周囲バスバーを有する単一セルモジュールの斜視図である。図１５Ａは、線Ａにおける図１５Ｂの断面図を示す。
[0117]単一セルモジュール１５００は、頂面、底面、及び複数の側面を含む底部電極層１５１０を含み得る。幾つかの実施形態において、底部電極層１５１０は、可視光に対して透明な材料から構成することができる。幾つかの実施形態では、第１組の接触パッド１５５４を底部電極層１５１０と同じ層に製造することができる。底部電極層１５１０と第１組の接触パッド１５５４の両方は、１つ又は複数の低抵抗接触点１５５６を含むことができる。単一セルモジュール１５００はまた、頂面、底面、及び複数の側面を含む１つ又は複数の光起電力材料層１５２０を含むことができる。幾つかの実施形態において、１つ又は複数の光起電力材料層１５２０は、可視光に対して透明であり得る。幾つかの実施形態において、単一セルモジュールは、頂面、底面、及び複数の側面を含む頂部電極層１５３０を含み得る。頂部電極層１５３０は、可視光に対して透明であり得る。
[0118]幾つかの実施形態において、単一セルモジュールは、周囲バスバー１５４０及びバスバー延長部１５５０を含み得る。周囲バスバー１５４０は、頂部電極の複数の側面の各側面の少なくとも一部と接触して、頂部電極１５３０内で抽出された電荷用の低抵抗経路を提供して、単一セルモジュール１５００の端部でバスバー延長部１５５０に到達することができる。必要に応じて異なるバスバーパターンを設計して、接触のために異なる場所にバスチャージすることができる。幾つかの実施形態では、図１６に関連して説明したように、同様の周囲バスバーを使用して底部電極から電荷を移動させるのを助けることもできる。幾つかの実施形態では、周囲バスバー１５４０は不透明であり、例えば、アパーチャと協働して、光が単一セルモジュール１５００に当たる可能性がある図１５Ａに示すような活性領域１５６０を画定することができる。活性領域１５６０は、頂部電極１５３０の連続する中央領域、光起電力材料層１５２０の連続する中央領域、及び底部電極１５１０の連続する中央領域を含むことができる。
[0119]幾つかの実施形態では、図１５Ａ及び図１５Ｂに示される周囲バスバー１５４０は、電極と接触点１５５６との間で電流を輸送するための経路を提供する。底部電極層１５１０は、１つ又は複数の電極パッド１５５２を含み得る。各電極パッドは、単一セルモジュール１５００用の界面を形成するために１つ又は複数の接触点１５５６を有することができる。幾つかの実施形態では、２組以上の電極パッドを交互嵌合することができる。例えば、第１組の電極パッド１５５４を底部電極層１５１０から電気的に絶縁することができる。周囲バスバー１５４０は、第１組の電極パッド１５５４と電気的に接触することができる。第２組の電極パッド１５５２は底部電極１５１０と電気的に接触することができる。
[0120]図１６Ａは、本発明の一実施形態による、電極の周囲と接触しているバスバーを有する単一セルモジュールの平面図である。単一セルモジュール１６００は、基板１６１０、第２バスバー１６２０、底部電極１６３０、１つ又は複数の光起電力材料層１６４０、頂部電極１６５０、及び第１バスバー１６６０を含む。幾つかの実施形態では、第１バスバー１６６０及び第２バスバー１６２０は、それぞれ頂部電極１６５０及び底部電極１６１０上の全モジュール周囲の周りに接触を形成する。４側面モジュールを有する幾つかの実施形態では全モジュール周囲を４つの象限に分割して、第１バスバー１６６０及び第２バスバー１６２０は４つの象限のそれぞれに接触を形成することができる。幾つかの実施形態では、端部接触を最大にするために、第２バスバー１６２０はモジュールの全周（全４側面）の周囲で底部電極１６１０と完全に接触することができ、第１バスバー１６６０はモジュールの全周（全４側面）の周囲で頂部電極１６５０と完全に接触することができる。第１バスバー１６６０と第２バスバー１６２０との間の電気的接触を回避するために、第２バスバー１６２０を覆う絶縁層は、頂部電極１６５０又は第１バスバー１６６０が第２バスバーと重なる任意の場所にパターニングされ得る。
[0121]図１６Ｂは、本発明の一実施形態による、電極の周囲と接触しているバスバーを有する単一セルモジュールの第１断面図である。図１６Ｃは、本発明の一実施形態による、電極の周囲と接触しているバスバーを有する単一セルモジュールの第２断面図である。図１６Ｂは、図１６Ａの１６Ｂ線に対応する断面図である。図１６Ｃは、図１６Ａの１６Ｃ線に対応する断面図である。
[0122]幾つかの実施形態では、１つ又は複数の光起電力材料層１６４０及び任意の緩衝材料は、それらが重なる場所で頂部電極１６５０と底部電極１６１０との間の絶縁緩衝として機能することができる。１つ又は複数の光起電力材料層１６４０及び任意の緩衝材料もまた、第１バスバー１６６０層及び第２バスバー１６２０層を絶縁するために使用され得る。図１６Ｂは、頂部電極１６５０と電気的に接触し、モジュールの第１端部１６７０まで延びる第１バスバー１６６０を示す。第１バスバー１６６０は、光起電力材料層１６４０によって底部電極及び底部バスバー１６６０から絶縁されている。図１６Ｃは、底部電極１６１０と電気的に接触し、モジュールの第２端部１６８０まで延びる第２バスバー１６２０を示す。第２バスバー１６２０は、光起電力材料層１６４０によって頂部電極１６５０及び第１バスバー１６６０から絶縁されている。幾つかの実施形態では、追加の絶縁層（図示せず）を底部バスバー１６２０上に堆積させて、底部バスバー１６２０を頂部電極１６５０又は頂部バスバー１６６０との電気的接触から絶縁するための絶縁体として機能することができる。
[0123]上述のように、電極層の抵抗によって引き起こされる電力損失を低減するための１つの方法は、モジュール全周の周りで電極層との接触を提供することができるバスバーを使用することである。端部接触を最大にするために、底部バスバーをモジュール全周（すなわち全４側面）の周りで底部電極と接触するように構成することができ、頂部バスバーをモジュール全周（すなわち全４側面）の周りで頂部電極に完全に接触するように構成できる。他の実施形態では、底部バスバー（及び底部電極）と頂部バスバー（及び頂部電極）との間の電気的接触を回避するために、底部バスバー（及び底部電極）及び／又は頂部バスバー（及び頂部電極）の切り欠き領域を使用して、頂部バスバー及び／又は底部バスバーを単一セルモジュールの接触パッドに接続することができる。
[0124]図１７Ａ〜図１７Ｆは、電極の周囲と接触しているバスバーを有する単一セルモジュールの各層の分解を示す。図１７Ａは、基板層１７１０を含み得る単一セルモジュール１７００を示す。幾つかの実施形態において、基板層１７１０は、１つ又は複数の底部電極パッド及び／又は底部電極パッドから電気的に絶縁されている１つ又は複数の絶縁電極パッドを含む、１つ又は複数の電極パッドを含み得る。図１７Ｂは、基板層１７１０に結合することができる第１バスバー層１７２０を示す。幾つかの実施形態では、第１バスバー層は、その中に形成された開口部又は空隙を有することができる。
[0125]図１７Ｃは、第１バスバー層の開口部又は空隙に製造することができる第１電極層１７３０を示す。幾つかの実施形態では、第１電極層１７３０は、不透明電極層、透明電極層、又はそれらの何らかの組み合わせとすることができる。他の実施形態では、絶縁材料を第１電極層１７３０の周囲に形成することができる。図１７Ｄは、基板層１７１０、第１バスバー層１７２０、及び第１電極層の１つ又は複数に結合することができる１つ又は複数の光起電力材料層１７４０を示す。幾つかの実施形態では、１つ又は複数の光起電力材料層１７４０は、従来の光起電力材料、有機光起電力材料、又はそれらの何らかの組み合わせとすることができる。幾つかの実施形態において、１つ又は複数の光起電力材料層１７４０は透明であり得る。
[0126]図１７Ｅは、１つ又は複数の光起電力材料層１７４０に結合することができる第２電極層１７５０を示す。第２電極層１７５０は、不透明電極層、透明電極層、又はそれらの何らかの組み合わせとすることができる。図１７Ｆは、第２電極層１７５０に結合することができる第２バスバー層１７６０を示す。幾つかの実施形態では、任意の絶縁体及び１つ又は複数の光起電力材料層１７４０は、第２バスバー層１７６０及び第２電極層１７５０を第１バスバー層１７２０及び第１電極層１７３０から電気的に絶縁することができる。図１７Ａ〜図１７Ｆに記載された特定の層は、透明光起電力単一セルモジュールを形成するための特定の実施形態を提供することを理解されたい。当業者は、多くの変形、修正、及び代替を認識するであろう。
[0127]図１７Ｇは、電極の周囲と接触しているバスバーを有する単一セルモジュールの分解図を示す。単一セルモジュール１７００は、基板層１７１０、第１バスバー層１７２０、第１電極層１７３０、１つ又は複数の光起電力材料層１７４０、第２電極層１７５０、及び第２バスバー層１７６０を含む。図１７Ｇに示す特定の層は、本発明の一実施形態による、電極の周囲と接触するバスバーを有する単一セルモジュールの特定の配置を提供することを理解されたい。代替実施形態によれば、他の層又は接触もその上に形成することができる。さらに、図１７Ｇに示される個々のモジュール層及び部品は、個々のモジュールに適切なように様々な配置で形成及び／又は製造され得る複数の副層を含み得る。さらに、特定の用途に応じて、追加の層又は部品を追加したり、既存の層又は部品を削除したりすることができる。当業者は、多くの変形、修正、及び代替を認識するであろう。
[0128]図１８Ａ〜図１８Ｊは、本発明の一実施形態による、電極層との全周に近い接触を提供するバスバーを有する例示的な単一セルモジュールの各層の分解を示す。単一セルモジュール１８００は、底部電極層１８１０、底部バスバー層１８２０、活性層１８３０、頂部電極層１８４０、及び頂部バスバー層１８５０を含むことができる。上述したように、明確にするために、本明細書における参照は、様々な図を参照して下／上の用語を利用するが、第１／第２又は右／左の用語が適切であり得る代替の製造プロセス及びセル設計を利用できることを理解されよう。
[0129]図１８Ａは、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、アルミニウム亜鉛酸化物（ＡＺＯ）、アンチモン錫酸化物（ＡＴＯ）、フッ素錫酸化物（ＦＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）層、あるいは有機（例えば小分子）又は無機誘電体層（例えば金属酸化物）と結合したアルミニウム、銀、金など（４ｎｍ〜１２ｎｍ）の薄い金属層などの透明な導電材料層を含むことができる底部電極層１８１０を示す。底部電極層１８１０は底部電極１８１２を含むことができ、底部電極１８１２は、連続する中央領域と、単一セルモジュール１８００の中央透明領域を越えて延びる幾つかの延長領域１８１４とを含むことができる。幾つかの実施形態では、延長領域１８１４は、単一セルモジュール１８００の第１組の電気接触点１８６０まで延びることができる。図１８Ｂは、部分的単一セルモジュール１８１５によって製造された底部電極層を示す。
[0130]図１８Ｃは、底部電極層１８１０上又は少なくとも部分的に底部電極層１８１０内に形成することができる底部バスバー１８２０を示す。底部バスバー１８２０は、Ｃ字形底部バスバー１８２２として実装することができ、これは切り欠き領域１８２４及び１つ又は複数の延長領域１８２６を含むことができる。延長領域１８２６を使用して、底部バスバー１８２２及び底部電極１８１２を、単一セルモジュール１８００の電極パッド（図示せず）に接続することができる。切り欠き領域１８２４は、底部バスバー１８２２（及び底部電極１８１２）と頂部バスバー（及び頂部電極）との間の電気的接触を回避することができるように、頂部電極層１８４０を単一セルモジュール１８００の底部で接触パッドに接続するために使用できる。図１８Ｄは、底部電極層１８１０上又は少なくとも部分的に底部電極層１８１０の内部に形成された底部バスバー１８２０を含む第２部分的単一セルモジュール１８２５を示す。
[0131]図１８Ｅは、底部電極層１８１０及び／又は底部バスバー層１８２０上に形成することができ、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）材料層、シリコン材料層、又は光電効果を示す他の材料の層などの上述した１つ又は複数の光起電力材料層を含むことができる活性層１８３０を示す。活性層１８３０は、底部バスバー１８２２のＣ字形部分を少なくとも部分的に覆うことができる領域１８３２を含み、頂部電極（及び頂部バスバー）と底部電極１８１２（及び底部バスバー１８２２）との間の絶縁層として機能することができる。図１８Ｆは、底部電極層１８１０上に形成された活性層１８３０、ならびに底部電極層１８１０上又は少なくとも部分的に底部電極層１８１０の内部に形成された底部バスバー１８２０を含む第３部分的単一セルモジュール１８３５を示す。
[0132]図１８Ｇは、底部電極層１８１０と対向する活性層１８３０の側面上に形成することができる頂部電極層１８４０を示す。頂部電極層１８４０は、単一セルモジュール１８００の活性領域に配置された連続する中央領域を含み得る頂部電極１８４２を含み得る。幾つかの実装形態では、頂部電極１８４２は、単一セルモジュール１８００の活性領域を超えて延びる１つ又は複数の延長領域１８４４を含むことができる。延長領域１８４４は、頂部電極１８４２を単一セルモジュール１８００の底部の接触パッドに接続するために使用することができる。図１８Ｈは、底部電極層１８１０上に形成することができる活性層１８３０の頂部に形成された頂部電極層１８４０を含む第４部分的単一セルモジュール１８４５を示す。
[0133]図１８Ｉは、頂部電極層１８４０上又は少なくとも部分的に頂部電極層１８４０の内部に形成することができる頂部バスバー層１８５０を示す。頂部バスバー層１８５０は頂部バスバー１８５２を含むことができる。幾つかの実装形態では、頂部バスバー１８５２は、Ｃ字形領域を含むことができ、切り欠き領域１８５４を含むことができる。切り欠き領域１８５４は、底部バスバー１８２２上の延長領域１８２６と整列することができる。幾つかの実装形態では、頂部バスバー１８５２は、切り欠き領域のない環状領域を含み得る。頂部バスバー１８５２は、１つ又は複数の延長領域１８５６を含み得る。延長領域１８５６は、底部バスバー１８２２上の切り欠き領域１８２４と整列することができる。延長領域１８５６を使用して、頂部バスバー１８５２を単一セルモジュール１８００の底部の接触パッドに接続することができる。図１８Ｊは、底部電極層１８１０、底部バスバー層１８２０、活性層１８３０、頂部電極層１８４０、及び頂部バスバー層１８５０の整列した層を含む製造された単一セルモジュール１８４５を示す。
[0134]図１８Ｋは、電極層との全周に近い接触を提供するバスバーを有する例示的な単一セルモジュール１８００の分解図である。上記のように、単一セルモジュール１８００は、底部電極層１８１０、底部バスバー層１８２０、活性層１８３０、頂部電極層１８４０、及び頂部バスバー層１８５０の整列した層を含むことができる。底部電極層１８１０は基板上に形成することができる。図１８Ｂに示す例では、底部バスバー１８２２を底部電極層１８１０の上に形成することができる。幾つかの実装形態では、底部バスバー１８２２は、底部電極層１８１０の底面上に形成され得るか、又は少なくとも部分的に底部電極層１８１０内に形成され得る。活性層１８３０は、底部電極１８１２又は底部バスバー１８２２の上に形成することができる。頂部電極１８４２を活性層１８３０上に形成することができ、それにより頂部電極１８４２と底部電極１８１２とを分離することができる。頂部バスバー１８５２は、頂部電極１８４２の上に形成することができる。
[0135]幾つかの実施形態では、電極層の抵抗を低減することに加えて、又はその代わりに、多接合セルモジュールを使用して、単一セルモジュールの出力電流を制限しながら単一セルモジュールの出力電圧を増加させることによって、単一セルモジュールの効率を改善することができる。上述のように、低電流で動作することは、抵抗性電力損失をさらに低減するのに役立ち得る。
[0136]図１９は、本発明の一実施形態による例示的な多接合セルモジュールを示す断面図である。多接合セルモジュール１９００は、隣接する接合部（又は活性層）間の相互接続によって直列に接続されて、タンデム構造を形成する複数の接合部（又は活性層）を含むことができる。図１９に示すように、多接合セルモジュール１９００は、活性層１（１９８０）、活性層２（１９６０）、活性層３（１９４０）、．．．、及び活性層Ｎ（１９２０）を含むことができる。活性層は、対応する相互接続層１９７０、１９５０、１９３０などによって直列に接続することができる。頂部電極層１９１０を活性層Ｎ（１９２０）上に形成することができ、底部電極層１９９０を活性層１（１９８０）と接触させることができる。各活性層及び隣接する相互接続層（又は頂部電極層１９１０及び底部電極層１９９０）はサブセルを形成することができる。
[0137]多接合セルモジュール１９００では、各サブセルで発生した電流は電極に直列に流れることができる。例えば、幾つかの実装では、活性層１（１９８０）で発生した正孔は、活性層２（１９６０）で発生した電子と相互接続層１９７０において再結合することができる。活性層２（１９６０）で発生した正孔は、活性層３（１９４０）で発生した電子と再結合することができ、以下同様である。したがって、活性層Ｎ（１９２０）からの正孔及び活性層１（１９８０）からの電子のみがそれぞれの電極に集められて光電流を生成することができる。幾つかの他の実施形態では、活性層及び電極は、活性層１（１９８０）からの正孔及び活性層Ｎ（１９２０）からの電子のみがそれぞれの電極に集められて光電流を生成できるように構成できる。多接合セルモジュール１９００内の正味出力電流は、全てのサブセルの中で最小の電流を生成するサブセルによって制限され得る。多接合セルモジュール１９００の出力電圧は、サブセルが直列に接続されているため、サブセルの開回路電圧の合計に等しくなり得る。同じ活性層で作られたＮ個のサブセルを有する多接合セルの場合、多接合セルによって生成される正味の短絡電流は約（ＪＳＣ，単一セル／Ｎ）であり、多接合セルによって生成される正味の開回路電圧は約（ＶＯＣ，単一セル×Ｎ）であり、ここで、ＪＳＣ，単一セルは単一接合セルの正味の短絡電流であり、ＶＯＣ，単一セルは単一接合セルの開回路電圧である。正味電流は１／Ｎに減少するため、電極の抵抗による（たとえ変化していなくても）電力損失は同様に１／Ｎに減少することができる。したがって、多接合セルの全体効率は、単一接合セルと比較して改善することができる。
[0138]多接合セルはまた、単一接合セルと比較して最大電力点（ＪＭＰ）でより低い電流密度と、最大電力点（ＶＭＰ）でより大きい電圧とを有することができるため、面積スケーリングに対して単一接合セルより効果的である。電力損失はＪＭＰに正比例し、ＶＭＰに反比例するため、ＪＭＰを小さくし、ＶＭＰを大きくすると、多接合型セルの電力損失を減らすことができる。
[0139]図２０Ａ〜図２０Ｅは、異なる数の接合部及びセル領域を有する例示的な多接合セルモジュールについての電流密度対電圧のプロットを示す。図２０Ａは、約０．０５ｃｍ２の活性領域を有する２接合セル及び約２．５ｃｍ２の活性領域を有する２接合セルについての、電圧と電流密度との間の関係を示すプロット２０１０である。図２０Ｂは、約０．０５ｃｍ２の活性領域を有する４接合セル及び約２．５ｃｍ２の活性領域を有する４接合セルについての、電圧と電流密度との間の関係を示すプロット２０２０である。図２０Ｃは、約０．０５ｃｍ２の活性領域を有する６接合セル及び約２．５ｃｍ２の活性領域を有する６接合セルについての、電圧と電流密度との間の関係を示すプロット２０３０である。図２０Ｄは、約０．０５ｃｍ２の活性領域を有する８接合セル及び約２．５ｃｍ２の活性領域を有する８接合セルについての、電圧と電流密度との間の関係を示すプロット２０４０である。図２０Ｅは、約０．０５ｃｍ２の活性領域を有する１０接合セル及び約２．５ｃｍ２の活性領域を有する１０接合セルについての、電圧と電流密度との間の関係を示すプロット２０５０である。
[0140]図２０Ｆは、図２０Ａ〜図２０Ｅに関して上述した異なる数の接合部及びセル領域を有する例示的な多接合セルモジュールの性能パラメータを示す表２０６０である。上述したように、電力損失は一般に、発生した電流に正比例し、発生した電圧に反比例する。図２０Ａ〜２０Ｆによって示されるように、接合部の数を増やすことは、図２０Ｆに示されるようにセルから抽出される総電流を減少させることができ、電圧を増加させることができる。従って、多接合セルの電力損失は、接合数の増加と共に減少することができ、またより多くの接合では、より大きな活性領域を有する多接合セルの平均効率は、より小さな活性領域を有する多接合セルの平均効率に近づくことができる。図２０Ｆは、９５％を超える面積スケーリング因子が全ての接合部にわたって達成され得、接合部の数が増えるにつれて増大し得ることを示す。
[0141]電力損失を減らすことに加えて、多接合セルは他の利点を提供することができる。多くのバッテリ充電応用は、３．３Ｖ、５Ｖ、さらに高い電圧の入力電圧を使用する。多接合セルは、単一セルモジュールの出力電圧がこれらのより高い電圧に達することを可能にし得る。例えば、単一接合セルは、１Ｖ未満（例えば、約０．８Ｖ）の出力電圧を有することがある。複数の接合部を直列に組み合わせることによって、全体の電圧は、１０Ｖ以上などはるかに高くなり得る。
[0142]モジュールからの出力電圧は、降圧コンバータ又は昇圧コンバータ（又は他の種類のレギュレータ）を使って変調することができ、電圧を降圧又は昇圧して応用回路の入力電圧に整合させる。何らかの調整（昇圧又は降圧）があると、電力損失が発生して効率が低下する可能性がある。降圧レギュレータは昇圧レギュレータほど多くの部品を使用しないため、電圧を降圧する方が一般に電圧を昇圧するよりも効率的である。したがって、モジュールの出力電圧を所与の応用の入力電圧と一致させるようにモジュールを調整することが望ましい場合がある。幾つかの実装形態では、接合部の数は、様々な応用のために出力電圧を変えるために変更することができる。幾つかの実装形態では、セルの数ではなく層スタック構造を調整してモジュールの出力電圧を変化させることができ、それによって、異なる出力電圧レベルを生成するためにパターニング又は他のモジュール形状変更は不要になり得る。
[0143]図２１は、本明細書に記載の単一セルモジュールと接続するように構成された固定具アセンブリを示す分解図である。幾つかの実施形態において、固定具アセンブリ２１００は、頂部固定具２１１０、封入された単一セルモジュール２１２０、１つ又は複数のコネクタ２１３０、底部固定具２１４０、及び／又は、単一セルモジュールを他のモジュール及び／又は装置と一体化するためのプリント回路基板（ＰＣＢ）２１５０を含み得る。幾つかの実施形態では、１つ又は複数のコネクタ２１３０は１つ又は複数のワイヤを含むことができるか、あるいは他の導電性材料を、封入された単一セルモジュール２１２０に各接触点ではんだ付け又は締め付けることができる。幾つかの実施形態では、１つ又は複数のコネクタ２１３０は、ガラス上に電極接触を押して接触し、他の側面は各電極からの全ての接触を組み合わせるプリント回路基板（ＰＣＢ）２１５０に接続されて、２つの接触点（１つはアノード用で、１つはカソード用）を供給するＺＥＢＲＡ（登録商標）コネクタを含むことができる。次に、２つの出力接触をいずれにしろ所望のテストのために、又は電力供給のために負荷に接続することができる。幾つかの実施形態では、１つ又は複数のコネクタは、エラストマー電子コネクタ（登録商標ＺＥＢＲＡコネクタ）を使用して実装することができ、これは、ゴム又はエラストマーマトリクスにおける交互の導電領域と絶縁領域とからなる。このコネクタは、堅固な固定具内で圧縮されると、封入された単一セルモジュール２１２０の交互嵌合接触に良好な電気的接触を作り、ＰＣＢ２１５０上の接触パッドまで電荷を伝導することができる。固定具アセンブリは、単一セルモジュール２１２０との接続によって引き起こされる抵抗を下げ、モジュール出力からの電力損失を最小限に抑えることができる。
[0144]本明細書に記載された特定のステップ及び装置は、本発明の実施形態による、可視的な透明光起電力モジュールを製造する特定の方法を提供することを理解されたい。代替の実施形態に従って、他の一連のステップも実行することができる。例えば、本発明の代替の実施形態は、上記で概説したステップを異なる順序で実行することができる。さらに、本明細書に記載されている個々のステップ及び装置は、個々の実施形態に適切であるように様々な順序で実行され得る複数のサブステップを含み得る。さらに、特定の応用に応じて追加のステップ及び部品を追加又は削除することができる。当業者は、多くの変形、修正、及び代替を認識するであろう。
[0145]また、本明細書に記載の実施例及び実施形態は例示を目的としたものにすぎず、それを考慮した様々な修正又は変更が当業者に示唆され、本出願の精神及び範囲ならびに添付の特許請求の範囲内に含まれるべきであることを理解されたい。

Claims (22)

  1. 第１シート抵抗を特徴とする第１透明電極層と、
    第２透明電極層と、
    光起電力材料層であって、前記第１透明電極層と前記第２透明電極層との間に位置する、光起電力材料層と、
    前記第１シート抵抗よりも低い第２シート抵抗を有する第１バスバーと
    を備え、
    前記第１透明電極層、前記第２透明電極層、及び前記光起電力材料層は、光起電力モジュールの中央透明領域を形成する整列した領域を有し、前記中央透明領域は複数の側面を含み、
    前記第１バスバーは、前記中央透明領域の前記複数の側面のそれぞれの少なくとも一部に隣接して前記第１透明電極層と接触している、光起電力モジュール。
  2. 前記第１バスバーが、前記光起電力モジュールの前記中央透明領域を囲むＣ字形導電材料領域を含む、請求項１に記載の光起電力モジュール。
  3. 前記第１バスバーが、前記光起電力モジュールの前記中央透明領域を囲む閉ループを形成する、請求項１に記載の光起電力モジュール。
  4. 前記光起電力材料層は、直列に接続された５つ以上の接合部を含む、請求項１に記載の光起電力モジュール。
  5. 前記光起電力材料層は、直列に接続された複数の接合部を含む、請求項１に記載の光起電力モジュール。
  6. 前記第１透明電極層又は前記第２透明電極層は、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）層、フッ素錫酸化物（ＦＴＯ）層、アルミニウム亜鉛酸化物（ＡＺＯ）層、アンチモン錫酸化物（ＡＴＯ）層、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）層、又は薄い金属層を含む、請求項１に記載の光起電力モジュール。
  7. 前記第２透明電極層は、第３シート抵抗によって特徴付けられ、
    前記光起電力モジュールは、前記中央透明領域の前記複数の側面のそれぞれの少なくとも一部に隣接して第２透明電極層と電気的に接触する第２バスバーであって、前記第２透明電極層の前記第３シート抵抗より低い第４シート抵抗を有する、第２バスバー
    をさらに備える、請求項１に記載の光起電力モジュール。
  8. 前記第２バスバーは、前記光起電力モジュールの前記中央透明領域を囲むＣ字形又は閉ループの導電材料領域を含む、請求項７に記載の光起電力モジュール。
  9. 前記第１透明電極層、前記第２透明電極層、及び前記光起電力材料層のそれぞれは、前記中央透明領域内で連続している、請求項１に記載の光起電力モジュール。
  10. 前記光起電力材料層は、直列に接続された複数の接合部を備える、請求項１に記載の光起電力モジュール。
  11. 前記光起電力モジュールが情報ディスプレイと一体化されている、請求項１に記載の光起電力モジュール。
  12. 前記第１透明電極層及び前記第２透明電極層のそれぞれは、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）層、フッ素錫酸化物（ＦＴＯ）層、アルミニウム亜鉛酸化物（ＡＺＯ）層、アンチモン錫酸化物（ＡＴＯ）層、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）層、又は薄い金属層を含む、請求項１に記載の光起電力モジュール。
  13. 連続する第１中央領域と、
    前記連続する第１中央領域に電気的に結合されている第１組の電極パッドと
    を含む、第１透明電極層と、
    連続する第２中央領域と、
    前記連続する第２中央領域に電気的に結合されている第２組の電極パッドと
    を含む、第２透明電極層と、
    前記第１透明電極層と前記第２透明電極層との間に配置された光起電力材料層と
    を含み、
    前記連続する第１中央領域、前記連続する第２中央領域、及び前記光起電力材料層は整列されて、光起電力モジュールの中央透明領域を形成し、前記中央透明領域は複数の側面を含み、
    前記第１組の電極パッドの少なくとも１つと前記第２組の電極パッドの少なくとも１つは、前記中央透明領域の前記複数の側面のそれぞれに配置されている、光起電力モジュール。
  14. 上面視において、前記第１組の電極パッドは、前記第２組の電極パッドに対して交互嵌合して配置されている、請求項１３に記載の光起電力モジュール。
  15. 前記光起電力材料層は、直列に接続された複数の接合部を備える、請求項１３に記載の光起電力モジュール。
  16. 前記光起電力材料層は、直列に接続された５つ以上の接合部を含む、請求項１３に記載の光起電力モジュール。
  17. 前記第１透明電極層及び前記第２透明電極層のそれぞれは、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）層、フッ素錫酸化物（ＦＴＯ）層、アルミニウム亜鉛酸化物（ＡＺＯ）層、アンチモン錫酸化物（ＡＴＯ）層、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）層、又は薄い金属層を含む、請求項１３に記載の光起電力モジュール。
  18. 前記中央透明領域の前記複数の側面のそれぞれに隣接し、前記第１透明電極層と接触するバスバーであって、前記バスバーが第１シート抵抗を有する、バスバー
    をさらに備え、
    第１透明電極層は、前記バスバーの前記第１シート抵抗よりも大きい第２シート抵抗を有する、請求項１３に記載の光起電力モジュール。
  19. 前記中央透明領域の前記複数の側面のそれぞれに隣接し、前記第２透明電極層と接触するバスバーであって、前記バスバーが第３シート抵抗を有する、バスバー
    をさらに備え、
    前記第２透明電極層は、前記バスバーの前記第３シート抵抗よりも大きい第４シート抵抗を有する、請求項１３に記載の光起電力モジュール。
  20. 複数の前記第１組の電極パッド及び複数の前記第２組の電極パッドに電気的に結合されたコネクタをさらに備え、前記コネクタは、エラストマー電子コネクタ、異方性導電材料、又はＰＣＢのうちの少なくとも１つを含む、請求項１３に記載の光起電力モジュール。
  21. 連続する第１中央領域と、
    前記連続する第１中央領域に電気的に結合されている第１組の電極パッドと
    を含む、第１透明電極層と、
    連続する第２中央領域と、
    前記連続する第２中央領域に電気的に結合されている第２組の電極パッドと
    を含む、第２透明電極層と、
    前記第１透明電極層と前記第２透明電極層との間に配置された光起電力材料層と
    を含み、
    前記連続する第１中央領域、前記連続する第２中央領域、及び前記光起電力材料層は整列されて、光起電力モジュールの中央透明領域を形成し、前記中央透明領域は複数のセグメントを含む周囲を有し、
    前記第１組の電極パッドの少なくとも１つと前記第２組の電極パッドの少なくとも１つは、前記中央透明領域の前記周囲の前記複数のセグメントの各セグメントに配置されている、光起電力モジュール。
  22. 前記光起電力モジュールの前記中央透明領域は円形であり、
    前記光起電力モジュールの前記中央透明領域は複数のセクタを含み、各セクタは前記中央透明領域の前記周囲の前記複数のセグメントの１つのセグメントに対応する、請求項２１に記載の光起電力モジュール。
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