JP6092217B2 - 背面に疎水性コーティングを有する薄膜太陽電池モジュール、その製造方法、その使用および疎水性コーティングの使用 - Google Patents

Description

本発明は、背面に疎水性コーティングを有する薄膜太陽電池モジュール、その製造方法およびその使用に関する。

薄膜太陽電池モジュールは、たとえば、屋外または屋根システムにおいて、高電圧下で、厳しい環境条件にさらされる。薄膜太陽電池モジュールは、通常、モノリシックに集積された薄膜太陽電池を含み、これは太陽電池モジュール中に湿分が存在すると腐食する。

太陽電池層構造体と薄膜太陽電池モジュールの直接的な周囲のグランド電位との間の異なる電位により、１０００Ｖ以下の高い系統電圧が生じることが知られている。グランド電位にある周囲とは、たとえば、薄膜太陽電池モジュールのグランドされた固定手段、または、薄膜太陽電池モジュール上にグランド接続された導電性の水の膜を指す。高い系統電圧は、モジュールフレームと太陽電池モジュール層構造体との間の高い電界強度をもたらす。これにより、過渡電流が生じ、または、イオンがガラスから太陽電池の薄い膜に移動する。太陽電池の腐食または剥離は、太陽電池モジュールの性能低下または故障につながる。

電気エネルギーを公共送電系統に供給するため、太陽電池システムは、太陽電池モジュールの回路、および、ＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換するためのインバータを必要とする。

ＤＥ１０２００７０５０５５４Ａ１には、長期使用時の性能劣化を低減する可能性が向上される太陽電池システムが記載されている。これにおいては、太陽電池モジュールの回路の正の端子の電位がインバータでグランド電位に対してシフトされ、その結果、太陽電池モジュールからグランドへの制御されない放電は生じない。

また、絶縁トランスにより太陽電池モジュールをグランドに対する電位から直流的に絶縁し、太陽電池システムからグランドへの制御されない放電を防ぐ、太陽電池システムのためのインバータも知られている。しかし、この場合、太陽電池モジュールに適合した、電気効率の低い高コストのインバータを使用する必要がある。

ＤＥ１０２００９０４４１４２Ａ１には、導電性保護装置を備えたガラス上の薄膜素子が開示されている。これにおいては、電界により生じるガラス板からのイオンの移動および／または機能性層構造体の放電は、導電性保護装置に向けられる。導電性保護装置を付加的な電気コンポーネントとして導入することにより、薄膜コンポーネントの製造工程はより難しくなる。

ＤＥ１０２００８００７６４０Ａ１には、光入射面の疎水性コーティング（カバー板）を有する太陽電池モジュールが開示されている。これにより、湿分による光入射面の濡れは防がれる。生じた凝縮物の滴がカバー板から垂れること、および、凝縮でもたらされた汚れ粒子が堆積することは低減される。これにより、カバー板の汚れに起因する太陽電池モジュールの効率の劣化は低下されると考えられる。

光が入射する太陽電池モジュールのカバー板として設けられた疎水性コーティングを有するガラス板がＤＥ１００６３７３９Ａ１、ＵＳ２００２／００１４０９０Ａ１およびＵＳ２０１０／０１１９７７４Ａ１にも開示されている。

ＤＥ１０２００７０５０５５４Ａ１ ＤＥ１０２００９０４４１４２Ａ１ ＤＥ１０２００８００７６４０Ａ１ ＤＥ１００６３７３９Ａ１ ＵＳ２００２／００１４０９０Ａ１ ＵＳ２０１０／０１１９７７４Ａ１

本発明の課題は、インバータおよび付加的な電気コンポーネントに依存しない、湿分と高電界強度に対して保護される、改善された薄膜太陽電池モジュールを提供することである。

本発明の課題は、本願発明による、独立請求項１に記載の背面に疎水性コーティングを有する薄膜太陽電池モジュールによって達成される。好ましい実施形態が従属請求項に記載されている。

本発明にかかる、背面に疎水性コーティングを有する薄膜太陽電池モジュールは以下の特徴を備える：
少なくとも１つの疎水性コーティングが背面上に設けられた基板、
基板の前面上の太陽電池層構造体、
少なくとも１つの中間層が設けられた背面を介して、基板の前面に面結合されたカバー板。

本発明の文脈において、前面とは、光の入射する側の面を意味する。「背面」とは、光の入射する側とは反対の面を意味する。

本発明にかかる薄膜太陽電池モジュールは、基板の構成中に太陽電池モジュールを有する。すなわち、太陽電池層構造体は、基板上に直接堆積される。基板は、太陽電池モジュールの光の入射する側とは反対側の面上にある。カバー板は光の入射に面する。太陽電池モジュールへの光の入射は、カバー板を介して生じる。

グランドされたモジュールフレームと太陽電池層構造体との間の電界強度は、太陽電池層構造体が上に設けられた基板の表面導電性に決定的に依存している。モジュールフレームと太陽電池層構造体との間の１０００Ｖの電位差を用いた試験用太陽電池セルについてのコンピュータシミュレーションから、たとえば、ガラス基板の表面導電性が８．３ｘ１０^−１４Ｓ／ｍ（新しいガラス）から、３．３ｘ１０^−８Ｓ／ｍ（エージングしたガラス）に上昇すると、電界強度は６３００００Ｖ／ｍから７３００００Ｖ／ｍに１６％上昇することが示されている。

堆積によってまたは凝縮した空気中の湿分によって連続した水の膜が基板表面に形成されるときに、基板の表面導電性は特に高くなる。基板表面に対する水の接触角は、本発明による疎水性コーティングによって大きくなる。これにより、水による基板表面の濡れは低減され、特に、基板の、形成された太陽電子層構造体とは反対側の表面上に連続した水の膜が形成されることは有利に妨がれる。これは、モジュールフレームと太陽電池層構造体との間の電界強度を低下させる。これは、太陽電池システムからグランドへの放電のリスクを低減させる。さらに、基板から太陽電池の薄膜へのイオンの移動を低減させる。特別な利点は、太陽電池層構造体の低減された腐食と、これによる、長期使用における薄膜太陽電池モジュールの性能の劣化の低減にある。本発明における疎水性コーティングは、また、太陽電池モジュール内への湿分による浸透のリスクを有利に低減させる。

疎水性コーティングは、好ましくは、少なくとも１種のオルガノシランを含む。ここで、シリコン原子は、少なくとも１つの有機基で置換される。

本発明の好ましい実施形態では、有機基はアルキル基である。アルキル基は、直鎖上、分枝状または環状に構成されていてよい。アルキル基は好ましくは、２〜２１個の炭素原子、特に好ましくは、８〜１６個の炭素原子を有する。これは、コーティングの疎水特性およびコーティングの形成時のアルキルシランの反応性に関して特に有利である。

アルキル基は、特に好ましくは、ハロゲン化され、最も好ましくはフッ素化されている。特に、アルキル鎖は、シリコン原子から離れた鎖末端に、または、分枝状アルキル鎖の場合にはシリコン原子から離れた鎖末端に、少なくとも１つの全フッ素化アルキル基を有する。「全フッ素化」とは、アルキル基がフッ素原子で完全に置換されていることを意味する。これは、コーティングの疎水特性および化学的安定性に関して特に有利である。

あるいは、有機基は、ポリエーテル基、好ましくは、ハロゲン化ポリエーテル基、特に好ましくは、フッ素化ポリエーテル基を含んでよい。

有機基は、不飽和であっても、１つまたは２つの二重結合および／または三重結合を含んでもよい。有機基は芳香族基を含んでも良い。

疎水性コーティングは、ワックス、合成樹脂またはシリコーン、好ましくはハロゲン化シリコーン、特に好ましくは、フッ素化シリコーンを含んでも良い。

疎水性コーティングは、種々のオルガノシラン、シリコーン、ワックスおよび／または合成樹脂の混合物を含んでも良い。

疎水性コーティングは、基板表面に共有結合により、または、静電的に結合されても良い。

疎水性コーティングの層厚さは、好ましくは０．５ｎｍ〜５０ｎｍ、特に好ましくは、１ｎｍ〜５ｎｍ、最も特に好ましくは１．２ｎｍ〜４ｎｍ、特に１．５ｎｍ〜３ｎｍである。これは、コーティングの疎水特性および機械的安定性に関して特に有利である。

１つまたは複数の別のコーティングを、基板と疎水性コーティングとの間に設けても良い。

本発明の好ましい実施形態では、アルカリイオンに対する拡散バリア層が基板と疎水性コーティングとの間に設けられている。これにより、アルカリイオン、たとえば、ナトリウムイオンまたはカリウムイオンの、基板から基板表面への拡散は妨がれる。アルカリイオンの基板表面での堆積は、基板の表面導電性を増大させ、したがって、モジュールフレームと太陽電池層構造体との間の電界を強めうる。従って有利には、電界のさらなる低減が拡散バリア層によって実現される。拡散バリア層は、たとえば、少なくともシリコン窒化物、シリコン酸窒化物、シリコン酸化物、アルミニウム窒化物またはアルミニウム酸窒化物を含む。拡散バリア層は、好ましくは、シリコン窒化物を含む。これは、コーティングの熱的および化学的安定性ならびにコーティングのアルカリイオンの拡散防止能力に関して特に有利である。基板の表面導電性は、シリコン窒化物の特に高い抵抗によりさらに低減される。拡散バリア層は、少なくとも金属、たとえば、アルミニウムまたはホウ素の混合物を含んでも良い。

拡散バリア層の層厚さは、３ｎｍ〜３００ｎｍ、特に好ましくは１０ｎｍ〜２００ｎｍ、最も特に好ましくは２０ｎｍ〜１００ｎｍである。特に良好な結果がこれによって得られる。

カバー板および基板は、好ましくは、強化ガラス、部分強化ガラス、または非強化ガラス、特に、フロートガラスからなる。カバー板は、特に、日光に対して透過性の高い、硬化または非硬化の低鉄ソーダ石灰ガラスを含む。本発明は、基板が０．１ｗｔ％〜２０ｗｔ％、好ましくは、１０ｗｔ％〜１６ｗｔ％のアルカリ成分、特に好ましくはＮａ_２Ｏを含む場合に、特に有利である。行われる処理ステップに対する十分な強度および不活性特性を示す他の絶縁材料も基板について用いることができる。カバー板および基板は、好ましくは、１．５ｍｍ〜１０ｍｍの厚さを有する。ガラス板の面積は、１００ｃｍ^２〜１８ｍ^２、好ましくは、０．５ｍ^２〜３ｍ^２である。薄膜太陽電池モジュールは平面状でも曲面状でもよい。

太陽電池層構造体は、前面電極層と背面電極層との間の少なくとも１つの光起電性吸収層を有する。背面電極層は、基板と吸収層との間に設けられている。

光起電性吸収層は、少なくとも１つのｐ導電性半導体層を有する。本発明の有利な実施形態では、ｐ導電性半導体層はアモルファス、マイクロモルフまたは多結晶シリコン、カドミウムテルル化物（ＣｄＴｅ）、ガリウムヒ化物（ＧａＡｓ）、有機半導体またはｐ導電性黄銅鉱半導体、たとえば、銅インジウム硫黄／セレン化物（ＣＩＳ）、たとえば、銅インジウム二セレン化物（ＣｕＩｎＳｅ_２）からなる群の化合物、または、銅インジウムガリウム硫黄／セレン（ＣＩＧＳ）、たとえば、Ｃｕ（ＩｎＧａ）（ＳＳｅ）_２からなる群の化合物を含む。吸収層は、金属、好ましくはナトリウムドープされていても良い。光起電性吸収層は、好ましくは、５００ｎｍ〜５μｍ、特に好ましくは１μｍ〜〜３μｍの層厚さを有する。

本発明の有利な実施形態では、背面電極層は少なくとも１種の金属、好ましくは、モリブデン、チタン、タングステン、ニッケル、クロムおよび／またはタンタルを含む。背面電極層は、好ましくは、３００ｎｍ〜６００ｎｍの層厚さを有する。背面電極層は、異なる個別の層の積層から構成されても良い。好ましくは、積層体は、基板から光起電性吸収層へのたとえばナトリウムの拡散を防ぐために、たとえばシリコン窒化物からなる拡散バリア層を含む。

前面電極層は、半導体層が感度を有するスペクトル範囲において透過性である。本発明の有利な実施形態では、前面電極層は、ｎ導電性半導体、好ましくは、アルミニウムドープされた亜鉛酸化物またはインジウムスズ酸化物を含む。前面電極層は、好ましくは５００ｎｍ〜２μｍの層厚さを有する。

電極層は、銀、金、銅、ニッケル、クロム、タングステン、スズ酸化物、シリコン二酸化物、シリコン窒化物および／またはこれらの組み合わせまたは混合物を含んでも良い。

前面電極層と吸収層との間にバッファ層が設けられていても良い。バッファ層は、吸収材料と前面電極層との間を電子的に調整する。バッファ層は、たとえば、カドミウム−硫黄化合物および／または純粋亜鉛酸化物を含む。バッファ層は、好ましくは、１ｎｍ〜５０ｎｍ、特に好ましくは、５ｎｍ〜３０ｎｍの層厚さを有する。

太陽電池層構造体は、好ましくは、モノリシックに集積された直列回路である。太陽電池層構造体は、背面電極の領域にわたって相互に直列接続された個別の光起電性領域、いわゆる「太陽電池セル」に分割される。

湿分の浸入または固定部材による端部の陰の形成を防ぐため、好ましくは、太陽電池層構造体は、好ましくは、５ｍｍ〜２０ｍｍ、特に好ましくは１０ｍｍ〜１５ｍｍの幅で、基板の端部において周状に除去されている。

背面電極層の周状の端部領域には、好ましくは、光起電性吸収層は形成されていない。背面電極層の吸収層が積層されていない端部領域の幅は、好ましくは５ｍｍ〜３０ｍｍ、たとえば、約１５ｍｍである。この領域は、好ましくは、たとえば背面電極の箔導電体との電気接続のために用いられる。

カバー板は、少なくとも１つの中間層が設けられた背面を介して、基板の前面と面結合されている。基板の前面に太陽電池層構造体が面状に設けられているため、基板と中間層との間の結合は、太陽電池層構造体を介して面状に形成される。中間層は、好ましくは、熱可塑性プラスチック、たとえば、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）および／またはエチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）またはこれらの複数の層であり、好ましくは０．３ｍｍ〜０．９ｍｍの厚さを有する。中間層は、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアクリレート、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメチルメタクリレート、ポリ塩化ビニル、ポリアセテート樹脂、成形樹脂、アクリレート、フッ素化エチレンプロピレン、ポリビニルフルオライド、エチレンテトラフルオロエチレン、コポリマーおよび／またはこれらの混合物を含んでも良い。

本発明の有利な実施形態では、導電性の固定手段が、薄膜太陽電池モジュールに、好ましくは、カバー板および基板の外周端部に設けられている。

本発明の別の実施形態では、導電性の固定手段は、薄膜太陽電池モジュールのカバー板および基板の外周端部上を少なくとも部分的に包囲している。好ましくは、導電性の固定手段は、薄膜太陽電池モジュールの外周端部に沿った周状のフレームとして構成されている。

しかし、導電性の固定手段は、好ましくは、不連続なフレーム、周状のフレームまたはフィッティングとして実現されていてもよい。たとえばラックへの薄膜太陽電池モジュールの固定は、固定部材のねじ止め、クランピングおよび／または接着によって行われる。固定部材の電位は、通常、基準系のグランド電位、たとえば、グランドの電位に対応する。

本発明の課題は、さらに、背面に疎水性コーティングを有する薄膜太陽電池モジュールの製造方法によって解決され、該方法では、少なくとも、
（ａ）基板の前面に太陽電池層構造体を形成し、
（ｂ）加熱、減圧および／または加圧の作用下で、基板の前面を、中間層を介してカバー板の背面に結合し、
（ｃ）疎水性コーティングを基板の背面に形成する。

本発明によれば、疎水性コーティングは、カバー板、基板および太陽電池層構造体の結合後の太陽電池モジュールに対して形成される。これにより、太陽電池モジュールの製造時のとりわけ熱的および機械的ストレスによる疎水性コーティングの損傷は、有利に避けられる。

疎水性コーティングは、好ましくは、基板の背面上に溶液として塗布される。溶液は、好ましくは、少なくとも１種のオルガノシランを含む。溶液中のオルガノシランの濃度は、好ましくは、０．０５ｗｔ％〜５ｗｔ％、特に好ましくは１ｗｔ％〜３ｗｔ％である。これは、均一なコーティングの形成に関して、特に有利である。

オルガノシランは、好ましくは、以下の化学式を有する：

Ｘはヒドロキシ基または加水分解性官能基、好ましくは、アルコキシ基、特に好ましくはメトキシまたはエトキシ基、あるいは、ハロゲン原子、特に好ましくは、塩素原子である。各加水分解性官能基は、本発明の方法において、水と反応してＨ−Ｘの脱離によりヒドロキシ基を形成可能なものである。ヒドロキシ基を介して、オルガノシランは、基板表面で反応基、好ましくはヒドロキシ基と水の脱離の下で反応して、基板上に共有結合を形成する。あるいは、オルガノシランは、Ｈ−Ｘの脱離により基板表面上で、ヒドロキシ基との加水分解が先に行われることなく、反応しても良い。

ｐは０〜２の整数、好ましくはｐ＝０である。これは、オルガノシランの基板への結合安定性に関して特に有利である。

本発明の有利な実施形態では、オルガノシランは少なくともアルキルシランである。Ｒは直鎖状アルキル基であってよい。アルキルシランは、以下の一般化学式を有する：

ｑは整数である、好ましくは、１〜２０、特に好ましくは７〜１５の整数である。これは、コーティングの疎水特性およびアルキルシランの反応性に関して特に有利である。

あるいは、Ｒは分枝状アルキル基、シクロアルキル基、アルケニル基、アルキニル基またはアリール基を含んで良い。

本発明の別の実施形態では、オルガノシランは少なくともハロゲン化アルキルシラン、好ましくは、フッ素化アルキルシランである。特に好ましくは、Ｒは、シリコン原子から離れた鎖末端に少なくとも１つの全フッ素化アルキル基を含む。コーティングの特に有利な疎水特性および化学的安定性が、フッ素原子によって実現される。さらに、コーティングは撥油性であってもよい。フッ素化アルキルシランは、好ましくは、以下の一般化学式を有する：

ｎは整数であり、好ましくは、１〜５の整数である。ｍは整数であり、好ましくは０〜１５の整数である。特に好ましくは、ｍは少なくともｎの２倍である。これは、フッ素化コーティングの疎水特性および化学的安定性ならびにアルキルシランの反応性に関して特に有利である。

本発明の別の実施形態では、Ｒはポリエーテル基、好ましくは、ハロゲン化ポリエーテル基、特に好ましくは、フッ素化ポリエーテル基を含む。ポリエーテルシランは好ましくは以下の化学式を有する：

または

フッ素化ポリエーテルシランは、好ましくは、以下の化学式を有する：

または

ｒは整数、有利には、１〜３の整数であり、特に好ましくはｒ＝１である。ｓは整数であり、好ましくは２〜３０の整数である。特に良好な結果がこれにより得られる。

疎水性コーティングの溶液は、代替的に、ワックス、合成樹脂またはシリコーン、好ましくは、ハロゲン化シリコーン、特に好ましくはフッ素化シリコーンを含んで良い。

疎水性コーティング溶液は、種々のオルガノシラン、シリコーンおよび／または合成樹脂の混合物を含んでも良い。

Ｒ’は好ましくは、アルキル基または水素である。

溶媒は、好ましくは、少なくとも１種のアルコール、たとえば、エタノールまたはイソプロパノールを含む。溶媒は、特に好ましくは、少なくとも１種のアルコールと水との混合物である。水は、オルガノシランの加水分解性基の加水分解のために用いられる。これは、基板表面への疎水性コーティングの結合の安定性および速度に関して特に有利である。溶媒中の水の割合は、好ましくは、３ｖｏｌ％〜２０ｖｏｌ％である。これは、オルガノシランのホモ重合反応の回避および加水分解を介したオルガノシランの効果的な活性化に関して特に有利である。

本発明の有利な実施形態では、溶液はさらに触媒を含んで良い。触媒は、オルガノシランの加水分解性基の加水分解を加速する。触媒は、好ましくは、ブレンステッド酸たとえば、塩酸または酢酸、あるいは、ブレンステッド塩基、たとえば水酸化ナトリウムを含む。溶液は、好ましくは、０．００５ｗｔ％〜２０ｗｔ％，特に好ましくは、５ｗｔ％〜１５ｗｔ％の触媒を含む。特に良好な結果がこれにより得られる。

溶液は、たとえば、スプレーまたははけ塗りにより塗布される。あるいは、基板を溶液中に浸漬させてもよい。溶液塗布時の基板の温度は、好ましくは、２０℃〜３００℃である。疎水性コーティング成分の熱損傷の回避、および、疎水性コーティングと基板との結合速度に関して、これは特に有利である。基板は、溶液の塗布後に、２０℃〜３００℃の温度で加熱されても良い。

本発明の有利な実施形態では、接着促進剤が、疎水性コーティングの塗布の前に、基板の背面上に塗布される。接着促進剤は、好ましくは、シリコン原子が少なくとも２つのヒドロキシ基および／または加水分解性基、たとえば、アルコキシ基またはハロゲン原子によって置換されている少なくとも１種のシランを含む。シリコン原子は、特に好ましくは、４つのヒドロキシ基および／または加水分解性基で置換されている。このシランは、一方でヒドロキシ基または加水分解性基を介して基板表面に、他方で、有利には共有化学結合によって疎水性コーティングに結合されても良い。特別な利点は、基板に対する疎水性コーティングの長期に安定な結合である。接着促進剤は、好ましくは、溶媒において、スプレー、はけ塗りまたは溶液への基板の浸漬により塗布される。溶液は、好ましくは、０．００１ｗｔ％〜５ｗｔ％の接着促進剤を含む。特に好ましい結果がこれによって得られる。

本発明の別の有利な実施形態では、アルカリイオンに対する拡散バリア層が、疎水性コーティングが形成される前に、基板の背面に形成される。拡散バリア層は、太陽電池層構造体の形成の前または後に、基板の前面に形成されても良い。拡散バリア層は、カバー板と基板の結合の前または後に形成されてもよい。

拡散バリア層は、たとえば、シリコン酸窒化物、シリコン酸化物、アルミニウム窒化物、アルミニウム酸窒化物、好ましくは、シリコン窒化物を含む。拡散バリア層は、たとえば、陰極スパッタリングによって基板上に形成される。

太陽電池層構造体の個別の層は、好ましくは、陰極スパッタリングによって基板上に、蒸着または化学蒸着（ＣＶＤ）によって形成される。

本発明の好ましい実施形態では、太陽電池層構造体は、個別の光起電性領域、いわゆる「太陽電池セル」に分割される。分割は、たとえば、レーザ描画および機械処理、たとえばリフトオフまたはスクライビングを用いた適切な構造化技術を用いた形成の後に、層構造体の、個別の層、または、層の個別の群への切断によって行われる。

好ましい実施形態では、基板の端部領域は積層が除去される。端部領域の積層の除去は、たとえば、レーザアブレーション、プラズマエッチングまたは機械的処理によって実現される。あるいは、マスキング技術を用いても良い。

好ましくは、背面および／または前面電極層は、基板上への層構造の形成の後で、かつ、カバー板と基板との結合の前に、電気コンタクトのために、たとえば箔導電体と導電接続される。導電接続は、たとえば、溶接、結合、はんだ付け、クランピングまたは導電性接着剤を用いた接着によって実現される。箔導電体の背面および／または前面電極層との接続は、バスバーを介して実現されてもよい。

中間層が設けられた基板とカバー板との結合のために、前駆化合物を先に製造するまたは製造しない、当業者に既知の方法を用いることができる。たとえば、いわゆる「オートクレーブ法」を、約１０ｂａｒ〜１５ｂａｒの高圧、温度１３０℃〜１４５℃、約２時間で行っても良い。既知の減圧バッグ法または減圧リング法を、たとえば、約２００ｍｂａｒ、１３０℃〜１４５℃で行っても良い。

好ましくは、中間層が設けられた基板およびカバー板は、カレンダーにおいて少なくとも一対のローラの間で本発明にかかる太陽電池モジュールにプレスされてもよい。この種のシステムは、合わせガラスの製造に関して知られており、通常、プレスユニットの前の少なくとも１つの加熱トンネルに配置される。プレス工程の際の温度は、たとえば、４０℃〜１５０℃である。カレンダー法およびオートクレーブ法の組み合わせが、実際には有利であることが証明されている。

あるいは、本発明にかかる太陽電池モジュールの形成に真空ラミネータを用いても良い。これは、１つまたは複数の加熱可能かつ減圧可能なチャンバを備え、チャンバ内で、カバー板および基板がたとえば、約６０分間、０．０１ｍｂａｒ〜８００ｍｂａｒの減圧下、８０℃〜１７０℃の温度で積層される。

好ましくは、薄膜太陽電池モジュールは、少なくとも−１００Ｖ、特に好ましくは少なくとも−６００Ｖの、グランドに対する負電位でもって、太陽電池モジュールの直列回路において用いられる。

本発明は、さらに、連続した水の膜の形成を避け、したがって、表面導電性を低減させるための、薄膜太陽電池モジュールの光の入射とは反対側の表面上での疎水性コーティングの使用を含む。

本発明について、図面および例示的実施形態を参照して詳細に説明する。図面は、概略的なものであり、実際の寸法を示したものではない。図面は、本発明を限定するものではない。

本発明にかかる背面に疎水性コーティングを有する薄膜太陽電池モジュールの断面図である。 本発明にかかる背面に疎水性コーティングを有する薄膜太陽電池モジュールの代替的実施形態の断面図である。 本発明にかかる方法の詳細なフローチャートを示す。

図１に、本発明にかかる背面に疎水性コーティングを有する薄膜太陽電池モジュール５の断面図を示す。薄膜太陽電池モジュールは、１２ｗｔ％の酸化ナトリウムを含むソーダ石灰ガラスからなる電気絶縁基板１を有する。太陽電池層構造体２が基板１の前面（ＩＩＩ）に設けられている。

太陽電池層構造体２は基板１の前面（ＩＩＩ）に設けられた背面電極層１０を備え、背面電極層１０はモリブデンを含み、約３００ｎｍの層厚さを有する。太陽電池層構造体２は、さらに、光起電性吸収層１１を有し、これは、ナトリウムドープされたＣｕ（ＩｎＧａ）（ＳＳｅ）_２を含み、約２μｍの層厚さを有する。太陽電池層構造体２は、さらに前面電極層１２を備え、前面電極層１２はアルミニウムドープされた亜鉛酸化物（ＺｎＯ）を含み、約１μｍの層厚さを有する。前面電極層１２と吸収層１１との間には、バッファ層１３が設けられており、これはカドミウム硫化物（ＣｄＳ）の個別の層と、純粋亜鉛酸化物（ｉ−ＺｎＯ）の個別の層とを有する。太陽電池層構造体２は、薄膜太陽電池モジュールを製造するためのそれ自体既知の方法を用いて、個別の光起電性領域、所謂「太陽電池セル」に分割され、これらは、背面電極１０の一領域にわたって互いに直列接続されている。太陽電池層構造体２は、基板１の端部領域で１５ｍｍの幅で機械的研磨によって積層が除去されている。

基板１および太陽電池層構造体２は、中間層４を介してカバー板３の背面（ＩＩ）に結合されている。カバー板３は、日光に対して透過性であり、低鉄含量の、硬化されたエクストラホワイトのガラスを含む。カバー板３の前面（Ｉ）は光の入射面である。カバー板３は１．６ｍｘ０．７ｍの面を有する。中間層４は、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）を含み、０．７６ｍｍの層厚さを有する。薄膜太陽電池モジュールの外周端部は、導電性の固定部材６としてのアルミニウムフレームで枠付けされている。固定フレーム６のブラケットは、基板１およびカバー板３の表面上に深さ５ｍｍで設けられている。

疎水性コーティング５は、基板１の太陽電池層構造体２とは反対側の背面（ＩＶ）上に設けられている。疎水性コーティング５は、導電性の固定部材８によって覆われていない基板１の背面（ＩＶ）の領域全体を覆っている。疎水性コーティング５はフッ化アルキルシランを含み、これはＦ_３Ｃ（ＣＦ_２）_７（ＣＨ_２）_２ＳｉＣｌ_３として基板１に設けられている。疎水性コーティング５は、１．５ｎｍの層厚さを有する。疎水性コーティング５は、接着促進剤９により基板１の表面（ＩＶ）に結合されている。接着促進剤９は、化学式Ｓｉ（ＯＣＨ_３）_４を有するアルコキシシランとして基板１上に設けられている。

疎水性コーティング５は、基板１の表面（ＩＶ）に対する水の接触角を大きくする。これにより、堆積によるまたは凝縮した空気中湿分に起因する、水による基板１の表面（ＩＶ）の濡れは低減され、有利には、基板１の表面（ＩＶ）上の連続した水の膜の形成は妨げられる。これにより、基板１の表面導電性の低減が実現される。基板１のより低い表面導電性は、導電性の固定部材６と太陽電池層構造体２との間のより低い電界強度をもたらす。電界により生じる基板１から太陽電池層構造体２へのアルカリイオンの移動は、従って低減可能である。これにより、太陽電池層構造体２の腐食は有利に低減される。さらに、疎水性コーティング５は、薄膜太陽電池モジュールへの湿分の浸入のリスクを低減させる。

図２は、本発明にかかる疎水性コーティング５を有する薄膜太陽電池モジュールの代替的実施形態の断面図を示す。アルカリイオンに対する拡散バリア層７が、背面の疎水性コーティング５と基板１の背面（ＩＶ）との間に設けられている。拡散バリア層７は、シリコン窒化物を含み、５０ｎｍの層厚さを有する。拡散バリア層７は、基板１から基板１の表面（ＩＶ）へのアルカリイオンの拡散を妨げる。これにより、基板１の表面（ＩＶ）上のアルカリイオンの堆積は妨げられ、基板１の表面導電性はさらに低減される。

図３は、例として、本発明にかかる背面に疎水性コーティング５を有する薄膜太陽電池モジュールを製造するための方法を示す。

実施例１
基板１、太陽電池層構造体２、カバー板３、中間層４、導電性固定部材６および疎水性コーティング５を有する薄膜太陽電池モジュールの試料を作成した。基板１およびカバー板３は、ソーダ石灰ガラスからなり、幅３０ｃｍ、厚さ２．９ｍｍを有していた。太陽電池層構造体２は、背面電極層１０、光起電性吸収層１１、バッファ層１３および前面電極層１２をこの並びで有する。背面電極層１０は、モリブデンを含み、層厚さ３００ｎｍであった。光起電性吸収層１１は、ナトリウムドープされたＣｕ（ＩｎＧａ）（ＳＳｅ）_２を含み、層厚さ２μｍであった。バッファ層１３は、カドミウム硫化物（ＣｄＳ）を含み、厚さ約２０ｎｍであった。前面電極層１２は、アルミニウムドープされた亜鉛酸化物（ＡＺＯ）を含み、層厚さ１μｍであった。太陽電池層構造体２は、基板１の端部領域で幅１５ｍｍで積層が除去され、長さおよび幅は２７ｃｍであった。太陽電池層構造体２は、個別の光起電性領域に分割されておらず、すなわち、１つの太陽電池セルを構成していた。太陽電池層構造体２は、基板１の前面（ＩＩＩ）に背面電極層１０を介して結合されている。カバー板３の背面（ＩＩ）は、基板１の前面（ＩＩＩ）に中間層４を介して結合されている。中間層４は、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）を含み、層厚さ０．７６ｍｍであった。薄膜太陽電池モジュールの外周端部は、アルミニウムからなる導電性固定部材６によって枠付けされていた。

疎水性コーティング５は基板１の背面（ＩＶ）上に設けられている。疎水性コーティング５の組成および層厚さは、表１に記載されている。疎水性コーティング５の形成の前に、アルコキシシランＳｉ（ＯＣＨ_３）_４を含む接着促進剤９を基板１の背面（ＩＶ）上に塗布した。

グランドされた導電性固定部材６に対して−１０００Ｖの電位を、太陽電池層構造体２に印加した。疎水性コーティング５によって、試験セル内の湿分の凝縮による連続した水の膜は基板１の背面（ＩＶ）に形成されなかった。

太陽電池層構造体２の明らかな腐食の開始が、２２０時間の試験期間後に観察された。５００時間の試験期間後には、太陽電池層構造体２がその面の約２５％超が腐食または剥離していることが観察された。結果を表２に示す。

実施例２
実施例２を、実施例１と同じに行った。加えて、アルカリイオンに対する拡散バリア層７を基板１と疎水性コーティング５との間に設けた。疎水性コーティング５および拡散バリア層７の組成および層厚さを表１に示す。拡散バリア層７によって、薄膜太陽電池モジュールの製造工程において基板１の背面（ＩＶ）でのアルカリイオンの堆積は低減可能であった。したがって、基板１の表面導電性をさらに低減させることができた。

実施例１と比較して、太陽電池層構造体２の腐食のより遅い開始が観察された。５００時間の試験期間後、太陽電池層構造体２のより小さい割合が腐食または剥離していた。結果を表２に示す。

比較実施例
比較実施例を実施例１と同じに行った。実施例１と異なり、疎水性コーティング５を基板１の背面（ＩＶ）に設けなかった。試験セル内の凝縮した湿分による基板１の背面（ＩＶ）上の連続した水の膜の形成を防ぐことはできなかった。したがって、基板１は、本発明における実施例におけるよりもより高い表面導電性を示した。

本発明における実施例と異なり、比較実施例では、太陽電池層構造体２の腐食のより早い開始が観察された。５００時間の試験時間後、太陽電池層構造体２のより大きい割合が、腐食または剥離していた。結果を表２に示す。

表１

表２

本発明にかかる、背面に疎水性コーティング５、および、好ましくは拡散バリア層７を有する薄膜太陽電池モジュールは、既知の薄膜太陽電池モジュールよりも腐食に対してより良好な安定性を有することが実証された。

この結果は、当業者にとって予測できないものであり、驚くべきものであった。

１ 基板、 ２ 太陽電池層構造体、 ３ カバー板、 ４ 中間層、 ５ 疎水性コーティング、 ６ 導電性固定部材、 ７ 拡散バリア層、 ９ 接着促進剤、 １０ 背面電極層、 １１ 吸収層、 １２ 前面電極層、 １３ バッファ層、 Ｉ カバー板３の前面、 ＩＩ カバー板３背面、 ＩＩＩ 基板１の前面、 ＩＶ 基板１の背面

Claims (25)

1. 背面に疎水性コーティングを有する薄膜太陽電池モジュールであって、少なくとも、
   少なくとも１つの疎水性コーティング（５）が背面（ＩＶ）上に設けられた基板（１）と、
   前記基板（１）の前面（ＩＩＩ）上の太陽電池層構造体（２）と、
   少なくとも１つの中間層（４）が設けられた背面（ＩＩ）を介して、前記基板（１）の前面（ＩＩＩ）に面結合されたカバー板（３）と、
   前記薄膜太陽電池モジュールの外周端部を枠付けする、グランドに対応する電位を有する導電性の固定部材（６）と、
   を備え、
   前記基板（１）は、アルカリ成分の割合が０．１ｗｔ％〜２０ｗｔ％であるソーダ石灰ガラスを少なくとも含み、前記疎水性コーティング（５）と前記基板（１）との間にアルカリイオンに対する拡散バリア層（７）が設けられている、
   ことを特徴とする薄膜太陽電池モジュール。
2. 前記疎水性コーティング（５）は、前記導電性の固定部材（６）によって覆われていない前記基板（１）の背面（ＩＶ）の領域全体を覆っている、請求項１記載の薄膜太陽電池モジュール。
3. 前記疎水性コーティング（５）は、少なくとも１つのアルキルシランを含む、請求項１または２記載の薄膜太陽電池モジュール。
4. 前記疎水性コーティング（５）は、フッ素化アルキルシランを含む、請求項３記載の薄膜太陽電池モジュール。
5. 前記疎水性コーティング（５）は、０．５ｎｍ〜５０ｎｍの層厚さを有する、請求項１から４のいずれか１項記載の薄膜太陽電池モジュール。
6. 前記拡散バリア層（７）は、少なくともシリコン窒化物、シリコン酸窒化物、シリコン酸化物、アルミニウム窒化物および／またはアルミニウム酸窒化物を含む、請求項１〜５のいずれか１項記載の薄膜太陽電池モジュール。
7. 前記拡散バリア層（７）は、３ｎｍ〜３００ｎｍの層厚さを有する、請求項１〜６のいずれか１項記載の薄膜太陽電池モジュール。
8. 前記拡散バリア層（７）は、金属をさらに含む、請求項１〜７のいずれか１項記載の薄膜太陽電池モジュール。
9. 前記基板は、厚さ１．５ｍｍ〜１０ｍｍのソーダ石灰ガラスを少なくとも含む、請求項１〜８のいずれか１項記載の薄膜太陽電池モジュール。
10. アルカリ成分の割合は、１０ｗｔ％〜１６ｗｔ％である、請求項１記載の薄膜太陽電池モジュール。
11. 前記太陽電池層構造体（２）は、前面電極（１２）と背面電極（１０）との間に設けられた少なくとも１つの光起電性吸収層（１１）を有し、
    前記背面電極（１０）は少なくとも１種の金属を含み、
    前記前面電極（１２）は、少なくとも１種のｎ導電性半導体を含み、
    前記光起電性吸収層（１１）は、少なくともアモルファス、マイクロモルフまたは多結晶シリコン、カドミウムテルル化物（ＣｄＴｅ）、ガリウムヒ化物（ＧａＡｓ）あるいは銅インジウム（ガリウム）硫黄／セレン（ＣＩ（Ｇ）Ｓ）を含む、
    請求項１〜１０のいずれか１項記載の薄膜太陽電池モジュール。
12. 前記背面電極（１０）は、モリブデン、チタン窒化物化合物またはタンタル窒化物化合物を含む、請求項１１記載の薄膜太陽電池モジュール。
13. 前記前面電極（１２）は、アルミニウムドープされた亜鉛酸化物またはインジウムスズ酸化物を含む、請求項１１または１２記載の薄膜太陽電池モジュール。
14. 請求項１から１３のいずれか１項に記載の、背面に疎水性コーティングを有する薄膜太陽電池モジュールの製造方法であって、少なくとも、
    （ａ）基板（１）の前面（ＩＩＩ）に太陽電池層構造体（２）を形成し、
    （ｂ）加熱、減圧および／または加圧の作用下で、前記基板（１）の前面（ＩＩＩ）を、中間層（４）を介してカバー板（３）の背面（ＩＩ）に結合し、
    （ｃ）前記薄膜太陽電池モジュールの外周端部を枠付けする、グランドに対応する電位を有する導電性の固定部材（６）を取り付け、
    （ｄ）疎水性コーティング（５）を前記基板（１）の背面（ＩＶ）に形成する、
    ことを特徴とする方法。
15. 前記疎水性コーティング（５）は、前記導電性の固定部材（６）によって覆われていない前記基板（１）の背面（ＩＶ）の領域全体を覆っている、請求項１４記載の方法。
16. ステップ（ｄ）において、少なくとも０．０５ｗｔ％〜５ｗｔ％の、１、２または３個の加水分解性置換基をシリコン原子上に有するアルキルシランと溶媒とを含む溶液から、前記疎水性コーティング（５）を形成する、請求項１４または１５記載の方法。
17. 前記アルキルシランは、フッ素化アルキルシランである、請求項１６記載の方法。
18. 前記加水分解性置換基は、アルコキシ基またはハロゲン原子である、請求項１６または１７記載の方法。
19. 前記溶媒は、アルコールおよび水の混合物を少なくとも含み、前記溶媒の混合物中の水の割合は、３ｖｏｌ％〜２０ｖｏｌ％である、請求項１６から１８のいずれか１項記載の方法。
20. 前記溶液は、０．００５ｗｔ％〜２０ｗｔ％のブレンステッド酸またはブレンステッド塩基を触媒として含む、請求項１６から１９のいずれか１項記載の方法。
21. 処理ステップ（ｄ）の前に、接着促進剤（９）を前記基板（１）の背面（ＩＶ）に塗布する、請求項１４から２０のいずれか１項記載の方法。
22. 前記接着促進剤（９）は、少なくともテトラヒドロキシシラン、テトラアルコキシシランおよび／またはテトラハロゲンシランを含む、請求項２１記載の方法。
23. 処理ステップ（ａ）の前、処理ステップ（ｂ）の前、または、処理ステップ（ｄ）の前に、拡散バリア層（７）を前記基板（１）の背面（ＩＶ）に形成する、請求項１６から２２のいずれか１項記載の方法。
24. 少なくとも−１００Ｖのグランド電位に対する負電位での、請求項１から１３のいずれか１項記載の薄膜太陽電池モジュールの使用。
25. 請求項１から１３のいずれか１項記載の薄膜太陽電池モジュールの、光が入射する側とは反対側の表面への疎水性コーティングの使用。

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