KR101394011B1 - 부피 보상을 포함하는 컨테이너를 구비한 광전지 소자 - Google Patents

부피 보상을 포함하는 컨테이너를 구비한 광전지 소자 Download PDF

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Abstract

(i) 외부 투명 케이스;(ii) 기판 - 상기 기판과 상기 외부 투명 케이스는 내부 부피를 정의함 - ;(iii) 상기 기판 상의 적어도 하나의 태양 전지;(iv) 상기 적어도 하나의 태양 전지를 밀봉하는 충전제 층; 및(v) 상기 내부 부피 내의 컨테이너를 포함하는 광전지 소자가 제공된다. 제1 컨테이너는 상기 충전제 층이 팽창할 때 부피가 감소하고, 상기 충전제 층이 수축할 때 부피가 증가한다. 일부 경우, 컨테이너는 밀봉되고 복수의 릿지(ridge)를 갖는다. 일부 경우, 컨테이너는 스프링 탑재 밀봉에 의해 밀봉되는 개구부를 갖는다. 일부 경우, 컨테이너는 제1 개구부 및 제2 개구부를 갖고, 제1 개구부는 제1 스프링 탑재 밀봉에 의해 밀봉되고, 제2 개구부는 제2 스프링 탑재 밀봉에 의해 밀봉된다. 일부 경우, 컨테이너는 연장된 성형 형태를 갖는다.
광전지 소자, 태양 전지, 충전제 층, 컨테이너, 개구부

Description

부피 보상을 포함하는 컨테이너를 구비한 광전지 소자{PHOTOVOLTAIC DEVICE WITH CONTAINER COMPRISING VOLUME COMPENSATION}
본 출원은 2007년 4월 30일에 출원된 미국 가출원 번호 60/926,901의 우선권주장 출원으로 참고로 전체가 본원에 포함된다. 본 출원은 또한 2007년 11월 30일에 출원된 미국 특허출원 번호 11/998,780의 우선권주장 출원으로 참고로 전체가 본원에 포함된다.
도 1은 종래의 광전지 소자(photovoltaic device)의 개략적인 블록도이다. 광전지 소자(10)는 일반적으로 내부에 배치된 하나 이상의 태양 전지(12)를 포함할 수 있다. 태양 전지는 종래에 도전 재료층(104)과 투명 도전 재료층(110) 사이에 위치한 반도체 접합부를 구비하여 만들어진다. 광이 광전지 모듈(10)의 태양 전지(12)에 충돌하고 투명 도전 재료층(110)을 통과한다. 다른 설계도 가능하지만, 일반적인 반도체 접합부는 흡수층(106) 및 윈도우층(108)을 포함한다. 반도체 접합부 내에서, 광자는 재료와 상호작용하여 전자-정공쌍을 생성한다. 반도체 접합부는 일반적으로 도핑되어 접합층으로부터 연장하는 전계를 생성한다. 이에 따라, 정공 및/또는 전자가 반도체 접합부에서 햇빛에 의해 생성될 때, 이들은 전계의 극성에 따라 투명 도전 재료층(110)이나 도전 재료층(104)으로 이동할 것이다. 이 이동으로 태양 전지(12) 내에서 생긴 전류가 이 전지로부터 저장 및/또는 동시 사용을 위해 이동한다.
태양 전지(12)의 한 도전 노드는 다른 태양 전지(12)의 반대 노드에 전기적으로 결합된다. 이런 방식으로, 한 태양 전지에서 생긴 전류가 다른 태양 전지로 전달될 수 있고 결국 축적된다. 도 1에 도시된 장치에서는 태양 전지들이 직렬 연결되어 더 큰 전압 소자를 생성한다. 도시되지 않은 다른 방식으로, 태양 전지들이 병렬 연결되어 전압이 아닌 전류가 증가하게 될 수도 있다.
도 1에 더 도시된 바와 같이, 도전 재료(104)는 기판에 의해 지지된다. 또한, 반사 방지 코팅(112)이 투명 도전 재료(110)에 퇴적될 수 있다. 태양 전지(12)는 기판(102) 및 투명판(60)에 의해 주위로부터 밀봉된다. 일반적으로, 태양 전지의 활성층과 투명판(60) 사이에 충전제 층(5)이 있다. 일부 태양 전지에서는, 도전 재료(104)와 기판(102) 사이에 충전제 층이 있다. 일반적으로, 이 충전제 층은 에틸렌-비닐 아세테이트(EVA)로 만들어진다. EVA는 시트(sheet)로 도포되고 가열되어 녹아 교차결합된다. 이런 방식으로, 중간층이 이 소자(층들(104 내지 112))와 외부층(60 및 102) 사이에 형성된다. 경화된 EVA는 사실상 고체상태이고, 온도에 비례하여 상당히 낮은 부피 팽창 계수를 갖는다. 이에 따라, EVA는 주위환경에 내성이 있다. 그러나, 평면 시트가 아닌 다른 어떤 것에 EVA를 도포하기는 어렵다. 따라서, 사실상 평면이 아닌 조립체의 경우, EVA 도포는 문제가 있다. 또한, 대다수의 태양 전지는 평면 전지로 이용되므로, 외부층 - EVA - 소자 아키텍처를 변경할 현저한 필요성이 없다.
상기 배경을 감안하면, 당해기술에서 필요한 것은 광전지 소자가 비평면 기판에 기초한 경우에도 용이하게 조립될 수 있는 광전지 소자를 위한 개선된 충전제 층이다. 또한, 당해기술에서 필요한 것은 이러한 개선된 충전제 층을 포함하는 광전지 소자이다.
본 명세서에 포함되어 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 하나 이상의 실시예를 도시하고 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리 및 구현을 설명하는 데 도움이 된다.
도 1은 종래기술에 따른 상호연결된 태양 전지를 도시한다.
도 2는 다이어프램을 갖는 비평면 광전지 소자에서 발견되는 층들의 단면도이다.
도 3A는 다이어프램을 갖는 비평면 광전지 소자의 부분 사시도이다.
도 3B는 다이어프램을 더 도시하기 위해 외부의 일부를 잘라낸 도 3A의 비평면 광전지 소자의 부분 사시도이다.
도 3C는 속이 빈 내부 기판 코어 및 다이어프램을 제외한 나머지를 모두 제거한 도 3A의 비평면 광전지 소자의 부분 사시도이다.
도 3D는 다이어프램이 속이 빈 내부 기판 코어로 확장된 도 3C의 비평면 광전지 소자의 부분 사시도이다.
도 4A는 부피 보상 컨테이너를 구비한 평면 광전지 소자를 도시한다.
도 4B는 복수의 부피 보상 컨테이너를 구비한 비평면 광전지 소자를 도시한 다.
도 5A는 비평면 또는 평면 광전지 소자에서의 부피 보상 용도의 유연한 밀봉 컨테이너의 사시도이다.
도 5B는 비평면 또는 평면 광전지 소자에서의 부피 보상 용도의 스프링 탑재형 컨테이너의 사시도이다.
도 5C는 비평면 또는 평면 광전지 소자에서의 부피 보상 용도의 이중 스프링 탑재형 컨테이너의 사시도이다.
도 5D는 비평면 또는 평면 광전지 소자에서의 부피 보상 용도의 접히는 기구형(collapsible balloon type) 컨테이너의 사시도이다.
도 5E는 비평면 또는 평면 광전지 소자에서의 부피 보상 용도의 성형(asteroid type) 컨테이너의 사시도이다.
도 5F-5G는 비평면 또는 평면 광전지 소자에서 부피 보상 용도의 성형 컨테이너의 단면도이다.
도 6A-6D는 다양한 비평면 태양 전지에서 사용되는 반도체 접합부를 도시한다.
동일한 부재번호는 본 첨부 도면의 여러 도면에서 대응하는 부분을 가리킨다. 규격은 일정 비율로 도시되어 있지 않다.
본 출원은 광전지 소자(photovoltaic device)가 비평면 기판에 기초한 경우에도 용이하게 조립될 수 있는 광전지 소자를 위한 개선된 충전제 층(filler layers)에 대한 것이다. 또한, 본 출원은 이러한 개선된 충전제 층을 포함하는 광전지 소자에 관한 것이다. 광전지 소자 구성 방법이 제공된다. 특히, 실질적으로 서로 다른 열팽창계수를 갖는 재료 층들을 견딜 수 있는 광전지 소자를 제조하는 방법이 제공된다.
설명을 명료하게 하기 위해, 여기 설명된 구현예의 일상적인 특징이 모두 도시되고 설명되지는 않는다. 이러한 실제 구현의 개발에서, 애플리케이션 관련 및 사업 관련 제약에 순응하는 것과 같은 여러 구현 특정의 결정이 개발자의 특정 목적을 달성하기 위해 이루어져야 하고 이 특정 목적은 구현예마다 및 개발자마다 다를 수 있음은 물론이다. 또한, 이러한 개발 노력은 복잡하고 많은 시간이 소요될 수 있지만 본 발명의 이익을 갖는 당업자에게는 일상적인 업무임은 물론이다.
도 2 및 4A를 참조하면, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 광전지 소자(10)는 광 에너지를 전기 에너지로 변환하고 적어도 하나의 태양 전지(12)를 포함하는 소자이다. 광전지 소자(10)는 완전한 형태의 하나 또는 복수의 태양 전지(12)로 설명될 수 있다. 일부 경우, 복수의 태양 전지(12)는 광전지 소자를 형성하기 위해 연장된 구조로 전기적으로 함께 결합된다. 이러한 광전지 아키텍처의 예는 참고로 전체가 본원에 포함된 미국특허번호 7,235,736에 개시되어 있다. 예컨대, 연장된 광전지 소자(10)의 각 태양 전지(12)는 전체 광전지 소자(10)에 공통인 하부 기판(102)의 일부를 점유할 수 있고 태양 전지들(12)은 서로 단일결정으로 집적되어 직렬 또는 병렬로 서로 전기적으로 결합될 수 있다. 이와 달리, 연장된 광전지 소자(10)는 기판에 위치한 하나의 태양 전지(12)를 가질 수도 있다. 일부 실시예에서, 광전지 소자(10)는 공통 기판(102) 상에 집적된 1, 2, 3, 4, 5개 또는 그 이상, 20개 이상, 또는 100개 이상의 이러한 태양 전지(12)를 갖는다. 일반적으로, 광전지 소자(10)는 기판(102) 및 이 기판상에 광 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 동작가능한 재료로 이루어진다. 임의의 비평면 실시예에서, 이러한 재료는 하부 기판을 원주상으로 덮을 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 재료는 기판에 위치한 하나 이상의 태양 전지(12)를 구성한다. 이 재료는 일반적으로 도전재, 반도체 접합부, 및 투명 도전 재료와 같은 다수의 층을 포함한다.
1.1 부피 보상
도 4에 도시된 바와 같은 평면 광전지 소자(10) 및 도 2에 단면으로 도시된 바와 같은 비평면 광전지 소자(10)가 본 발명에서 다루어진다. 도 2의 광전지 소자(10)에서, 투명 케이스(310)는 하부 활성 층들을 원주상으로 덮는다. 일부 경우, 비평면 광전지 소자(10)는 도 2에 도시된 바와 같이 원통형 또는 튜브형이다. 여기서, "원통형"이라는 용어는 원통형 또는 대략 원통 형태인 물체를 의미한다. 실제로, 원통형 물체는 전체적으로 볼 때 물체가 대체적으로 원통형이면 불규칙한 형태를 가질 수 있다. 이러한 원통 형태는 단단한 고체(예컨대, 막대) 또는 속이 빈 고체(예컨대, 튜브)일 수 있다. 여기서, "튜브형"이라는 용어는 튜브 또는 대략 튜브 형태를 갖는 물체를 의미한다. 실제로, 튜브형 물체는 전체적으로 볼 때 물체가 대체로 튜브형이면 불규칙한 형태를 가질 수 있다.
도 2는 비평면 광전지 소자(10)의 예시적인 일실시예의 단면도이다. 광전지 소자(10)는 기판(102)을 포함한다. 도 2로 예시된 비평면 실시예에서, 기판(102) 은 컨테이너(25)를 정의하는 공동(hollow) 코어를 갖는다. 컨테이너(25)는 예컨대 도 3C, 3D, 4A 및 4B에 도시되어 있다. 일부 실시예에서, 유연한 다이어프램(diaphragm)(50)은 기판(102)의 공동 코어의 일단을 밀봉하고 공동 코어의 타단은 캡이 붙는다(capped). 이러한 실시예에서, 컨테이너(25)는 기판(102)의 공동 코어, 공동 코어의 일단에 있는 유연한 다이어프램(50), 및 공동 코어의 타단에 있는 캡으로 정의된다. 일부 실시예에서, 유연한 다이어프램(50)은 기판(102)의 공동 코어의 각 단부에서 내부 코어를 밀봉하기 위해 사용된다. 이러한 실시예에서, 컨테이너(25)는 기판(102)의 공동 코어, 공동 코어의 일단에 있는 제1의 유연한 다이어프램(50), 및 공동 코어의 타단에 있는 제2의 유연한 다이어프램(50)으로 정의된다. 일부 실시예에서, 컨테이너(25)는 기압이 거의 없거나 전혀 없다. 일부 실시예에서, 컨테이너(25)는 완전히 진공상태이다. 일부 실시예에서, 컨테이너(25)는 압력이 20 토르(Torr) 미만, 40 토르 미만, 100 토르 미만, 또는 500 토르 미만이다. 일부 실시예에서, 컨테이너(25)는 헬륨, 네온 또는 아르곤과 같은 불활성 기체로 채워진다.
비평면 광전지 소자(10)는 도 2에 도시된 원형이 아닌 다른 여러 형태 중 하나로 경계가 지어진 단면으로 특징지워질 수 있다. 경계 형태(bounding shape)는 원형, 알 모양, 또는 하나 이상의 평활 곡면을 갖는 임의의 형태 중 어느 하나이거나, 또는 평활 곡면들의 임의의 슬라이스일 수 있다. 경계 형태는 또한 삼각형, 직사각형, 오각형, 육각형 또는 임의의 다각형을 포함하는 사실상 직선형일 수 있다. 그렇지 않으면, 단면이 직선형 표면, 아치형 표면 또는 곡선 표면의 조합으로 경계가 지어질 수 있다. 여기에 설명되는 바와 같이, 논의의 편의상, 광전지 소자(10)의 비평면 실시예를 나타내기 위해 전면 원형의 단면이 도시된다. 그러나, 실제로 비평면인 광전지 소자(10)에서 임의의 단면 기하 형태도 사용될 수 있음에 유의한다.
도 2를 참조하면, 백(back) 전극이라고도 하는 도전 재료층(104)은 기판(102)의 전부 또는 일부에 오버레이(overlay)된다. 반도체 접합부는 도전 재료(104)의 전부 또는 일부에 오버레이된다. 다른 설계가 가능하여도, 일반적인 반도체 접합부는 흡수층(106) 및 윈도우층(108)을 포함한다. 선택적으로, 반도체 접합부의 전부 또는 일부에 진성층(i 층)(도시되지 않음)이 있다. 투명 도전 재료층(110)은 반도체 접합부 및/또는 i 층의 전부 또는 일부를 오버레이한다. 도전 재료(104), 반도체 접합부(106/108), 및 투명 도전 재료(110)는 진성층을 포함하거나 포함하지 않고서, 집합적으로 기판(102)에 위치하는 태양 전지(12)를 형성한다. 밀봉제를 포함하는 충전제 층(330)이 태양 전지(12)를 오버레이하고 기판(102) 및 투명 케이스(310)에 의해 정의되는 내부 부피 내에서 태양 전지(12)를 밀봉한다.
바람직하게, 본 태양 전지 소자(10)는 충전제 층(330)의 충전제 조성물을 위해 겔(gel), 레진, 비고체(non-solid), 또는 점성이 매우 높은 물질을 사용한다. 이 재료는 액체로서 조립체에 추가되고 겔 또는 다른 점성이 있는 비고체 상태로 경화되도록 허용된다. 그러나, 이 접근법에서, 형성된 재료는 에틸렌-비닐 아세테이트와 같은 종래의 재료보다 열팽창 계수가 훨씬 더 높다. 따라서, 일반적인 열 주기 동안, 에틸렌-비닐 아세테이트(EVA)와 같은 충전제 층(330)의 충전제 조성물 을 위한 종래 재료의 사용에 비해 충전제 층(330)에서의 상당한 부피 변화를 예상할 수 있다. 예컨대, EVA는 160×10-6/℃와 200×10-6/℃ 사이의 부피 열팽창 계수를 갖는 반면, 소다 라임 유리는 8.6×10-6/℃의 부피 열팽창 계수를 갖는다. 대비하면, 본 발명에서 충전제 층(330)의 충전제 조성물에 사용되는 겔, 레진, 비고체 또는 다른 고점성 물질은 200×10-6/℃ 보다 큰 부피 열팽창 계수를 갖는다. 예컨대, 본 발명에서 충전제 층(330)의 충전제 조성물에 사용되는 한가지 재료인 폴리디메틸실록산(PDMS)은 약 960×10-6/℃의 부피 온도 계수를 갖는다. 따라서, 일부 실시예에서, 본 발명의 충전제 층(330)은 250×10-6/℃ 초과, 300×10-6/℃ 초과, 400×10-6/℃ 초과, 500×10-6/℃ 초과, 1000×10-6/℃ 초과, 2000×10-6/℃ 초과, 5000×10-6/℃ 초과, 또는 250×10-6/℃과 10000×10-6/℃ 사이의 부피 열팽창 계수를 갖는다. 일특정 실시예에서, 선형 폴리디메틸실록산 폴리머로 구성되고 960×10-6/℃의 부피 팽창 계수를 갖는 다우 코닝 200 유체(Dow Corning 200 fluid)가 충전제 층(300)에 사용된다.
바람직하게, 충전제 층(330)의 부피 보상이 제공된다. 비평면 광전지 소자(10)의 경우, 다이어프램(50)은 도 2의 단면과 도 3A-3D의 부분 사시도로 도시된 바와 같이 속이 빈 기판(102)의 적어도 일단을 밀봉하여 컨테이너 부피를 갖는 컨테이너(25)(도 2 및 도 3C 및 3D)를 형성한다. 도 3B는 다이어프램(50)을 더 도시 하기 위해 외부의 일부를 잘라낸 부분(70)을 갖는 도 3A의 비평면 광전지 소자의 부분 사시도이다. 도 3C는 다이어프램(50)과 컨테이너(25)의 세부가 용이하게 식별되도록 속이 빈 내부 기판 코어(102) 및 다이어프램(50)을 제외한 나머지를 모두 제거한 도 3A의 비평면 광전지 소자의 부분 사시도이다.
다이어프램(50)은 층(330)을 형성하는 액체 라미네이트가 조립체에 도입되기 전에 내부 튜브의 단부에 부착된다. 투명 케이스(310)와 기판(102)을 오버레이하는 활성 소자 사이의 환상(annular) 부피는 실질적으로 물질로 채워져 "층"(330)을 형성하여 더 점성있는 상태로 경화될 수 있다.
가열 주기 동안, 충전제 층(330)을 형성하는 충전제 조성물이 확장한다. 그러나, 이 확장력은 도 3D에 도시된 바와 같이 이 힘 때문에 컨테이너(25) 내부로 힘이 가해지는 다이어프램(50)에 의해 상쇄된다. 다이어프램(50)의 저항은 광전지 소자(10)의 외부 단부 캡(도시되지 않음) 또는 기판(102)이나 투명 케이스(300)의 측벽의 저항 보다 더 작다. 따라서, 확장하는 부피에 의해 생긴 힘은 다이어프램(50)으로 향한다. 냉각되면, 압력은 떨어지고 다이어프램(50)은 도 3A 내지 3C에 도시된 더 낮은 압력 위치로 되돌아간다. 따라서, 도 3은 기판(102) 및 외부 투명 케이스(310)에 의해 정의된 내부 부피내 컨테이너(25)가 어떻게 형성되는지를 도시한다. 특히, 도 3에서, 컨테이너는 기판(102)의 속이 빈 부분 내에서 발견된다. 컨테이너(25)는 적어도 하나의 벽(예컨대, 속이 빈(hollowed) 기판(103)의 내부 벽) 및 개구부에 의해 정의되는데, 개구부는 충전제 층(330)과 유체 연결되어 있다. 다이어프램(50)은 컨테이너(25)의 개구부에 부착된다. 다이어프램(50)은 컨테이너(25)를 밀봉하여 컨테이너 부피를 정의한다. 다이어프램(50)은 충전제 층(330)이 도 3C에 도시된 바와 같이 열적으로 수축할 때 컨테이너(25) 부피를 증가시키도록 구성된다. 다이어프램(50)은 도 3D에 도시된 바와 같이 충전제 층(330)이 열적으로 팽창할 때 컨테이너(25) 부피를 감소하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 다이어프램(50)은 고무, 고무 유사 재료, 고무 유도체, 실리콘 고무 또는 엘라스토머(elastomer)로 이루어진다. 일부 실시예에서, 다이어프램(50)은 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머 고무로 이루어진다. 일부 실시예에서, 다이어프램(50)은 천연 고무, 가황 고무, GR-S와 같은 부타디엔-스티렌 폴리머, 네오프렌, 니트릴 고무, 부틸, 폴리설파이드 고무, 에틸렌-프로필렌 고무, 폴리우레탄 고무, 실리콘 고무, 구타페르카(gutta-percha), 및/또는 발라타(balata)로 이루어진다. 일부 실시예에서, 다이어프램(50)은 실리콘 고무로 이루어진다. 실리콘 고무는 인장강도가 400 lb/in2와 700 lb/in2(2.78 내지 4.85×106 N/m2) 사이인 고무성 재료이다. 일부 실시예에서, 다이어프램(50)은 SILASTIC® 실리콘 고무(다우 코닝)로 이루어진다. 여기서 사용되는 바와 같이, "엘라스토머"라는 용어는 탄력있고 일반적으로 감촉과 외관이 천연 고무 유사한 천연 및 합성 재료를 설명하기 위해 사용된다. 예컨대, 참고로 전체가 본원에 포함된 Avallone 및 Baumeister III, Marks' Standard Handbook for Mechanical Engineers, McGraw Hill, 1987을 참조한다. 일부 실시예에서, 다이어프램(50)은 플라스틱이나 고무에서 만들어진다. 일부 실시예에서, 다이어프램(50)은 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 폴리프 로필렌, 셀룰로스 아세테이트, 비닐, 연질(plasticized) 비닐, 셀룰로스 아세테이트 부티라트, 멜라민-포름알데히드, 폴리에스터, 나일론으로부터 만들어진다. 예컨대, 상기 화합물에 대한 교시를 위해 참고로 본원에 전체가 포함된 Modern Plastics Encyclopedia, McGraw Hill을 참조한다.
일반적으로, 다이어프램(50)은 충전제 층(330)의 화학 컴포넌트를 손상시키지 않고 태양 광전지 소자(10)의 응력 및 동작 온도 범위를 견딜 수 있는 탄성 및 부피 수축이 쉬운 재료로 설계된다.
비평면 광전지 소자 실시예에서, 컨테이너 부피를 갖는 컨테이너(25)는 기판(102)과 이 기판을 밀봉하기 위해 사용되는 캡에 의해 정의된다. 도 2에 도시된 실시예에서, 기판(102)의 일단은 다이어프램(50)에 의해 밀봉된다. 기판(102)의 타단도 다이어프램(50)에 의해 밀봉될 수 있고 이에 의해 컨테이너 부피가 정의된다. 이와 달리, 기판(102)의 타단은 단단한 캡에 의해 밀봉될 수 있고, 이에 의해 컨테이너 부피가 정의된다. 이 단단한 캡이 기판(102)의 일체 부분이 될 수 있다. 이 단단한 캡이 기판(102)의 일단에 끼워지는 별개의 부분이 되어 기판(102)의 내부 부피를 밀봉할 수도 있다.
바람직하게, 다이어프램(50)은 정상 동작 동안에 광전지 소자(10)가 뜨거워질 때 컨테이너 부피(25)로 확장할 수 있다. 이 수축은 밀봉된 컨테이너(25) 부피를 감소시킨다. 다양한 실시예에서, 다이어프램(50)은 광전지 소자(10)의 동작 동안에 컨테이너(25) 부피를 최대 5%, 최대 10%, 최대 15%, 최대 20%, 최대 25%, 최대 30%, 최대 35%, 또는 2와 40% 사이로 감소시킬 수 있다. 예컨대, 일 비한정 실 시예에서, 광전지 소자(10)가 냉각될 때, 컨테이너(25)의 컨테이너 부피는 Y 임의 부피 단위이지만, 광전지 소자(10)가 정상 동작 동안에 가열될 때, 다이어프램(50)이 컨테이너(25)의 내부로 확장하므로 컨테이너(25) 부피는 0.5Y 임의 부피 단위로 부피가 50% 감소된다.
상기 부피 보상 장치는 도 4A에 도시된 것과 같은 평면 기판(102)의 관계에서 사용될 수 있다. 이러한 실시예에서, 도 4A에 도시된 바와 같이 평면 태양 전지(12)의 뱅크가 구성되어 활성부를 구성하는 집단(mass) 내에 사전형성된 컨테이너(25)를 가질 수 있다. 부피(902)를 갖는 사전형성된 마감된 컨테이너(25)는 전지 뱅크에 형성된다. 사전형성된 컨테이너(25)는 도 4A에 도시된 바와 같이 컨테이너로의 개구부를 밀봉하는 하나 이상의 다이어프램(50)을 갖는다. 다이어프램(50)은 상기한 임의의 또는 모든 다이어프램일 수 있다. 이러한 실시예에서, 충전제 층(330)에 대한 상기 충전제 조성물 중 임의의 것이 도 4A의 충전제 층(330)에 사용될 수 있다. 따라서, 이런 식으로, 부피 보상이 평면 광전지 소자에서 수행될 수 있다. 단 하나의 사전형성된 컨테이너(25)가 도 4A에 도시되었지만, 평면 또는 비평면인 광전지 장치(10)의 실시예에서 임의 갯수의 사전형성된 컨테이너(25)가 있을 수 있음은 물론이다. 예컨대, 각각이 상기 방식으로 하나 이상의 다이어프램(50)에 의해 조정되는 컨테이너 부피를 갖는 하나 이상, 두개 이상, 세개 이상, 열개 이상 또는 백개 이상의 사전형성된 컨테이너(25)가 있을 수 있다. 이러한 각 사전형성된 컨테이너(25)는 동일하거나 서로 다른 기하학적 형태를 가질 수 있다. 도 4A에서 사전형성된 컨테이너(25)의 원통 형상은 이 개념을 제시할 목 적으로 간단히 도시된다. 도 4A에 도시된 원통 형상은 사전형성된 컨테이너(25)가 채택할 수 있는 많은 서로 다른 3차원의 기하학적 형태 중 하나를 나타낸다. 또한, 사전형성된 컨테이너(25)는 불규칙한 비기하학적 3차원 형태를 채택할 수도 있다.
충전제 층(330) 내에 침지된(immersed) 도 4A에 도시된 것과 같은 사전형성된 컨테이너(25)는 광전지 소자(10)가 비평면인 실시예에서도 존재할 수 있음이 또한 언급되어 있다. 예컨대, 도 4B를 참조하면, 기판(102) 내에 컨테이너(25)에 추가하거나 이 대신에, 하나 이상의 컨테이너(25)는, 기판(102) 상의 태양 전지(12)와 투명 케이스(310) 사이의 공간에서 또는 광전지 소자(10)의 일단 또는 양단에서와 같은, 기판(102)의 내부가 아닌 기판(102) 및 투명 케이스(310)에 의해 정의된 내부 부피(802) 내의 어느 곳에 침지될 수 있다. 도 4B에 도시된 바와 같이, 광전지 소자(10)가 평면이 아닌 실시예에서도 내부 부피(802)에서 다수의 사전형성된 컨테이너(25)가 있을 수 있다.
예컨대 상기 방식으로 광전지 소자(10)에서 부피 보상에서 사용될 수 있는 컨테이너(25)에 대하여 도 5를 참고할 것이다. 즉, 컨테이너들(500, 510, 520, 530, 540 및 550) 중 임의의 것이 컨테이너(25)로서 기능할 수 있다.
도 5A는 비평면 또는 평면 광전지 소자(10)에서 부피 보상 용도를 위한 유연한 밀봉된 컨테이너(500)를 도시한다. 일부 실시예에서, 릿지(ridges)(504) 각각들 사이의 간격 s는 동일하다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 릿지(504) 사이의 간격 s는 서로 다르다. 일부 실시예에서, 릿지(504) 각각 사이의 간격 s는 동일하 다. 일부 실시예에서, 컨테이너(500)는 축 x에 대해 원형, 정방형, 타원형, 평행사변형, 삼각형, 다각형, 아치형, 또는 임의의 다른 2차원의 규칙적 또는 불규칙적인 닫힌 형태인 단면 형상을 갖는다. 일부 실시예에서, 컨테이너(500)는 축 x에 대해 불규칙적인 비기하학 형태인 단면 형상을 갖는다. 도 5A에서 원주(cylinder)로 도시되었지만, 일부 실시예에서, 컨테이너(500)는 상자, 원추, 구 또는 원주를 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 기하학적 또는 비기하학적 형상을 갖는다. 컨테이너(500)는 유연한 플라스틱이나 얇은 유연한 금속을 포함한 임의의 유연한 재료로 이루어질 수 있다. 유연한 밀봉된 컨테이너(500)는 충전제 층(330)의 부피의 변화에 반응한다. 광전지 장치(10)가 고온에서 동작할 때, 유연한 밀봉된 컨테이너(500)의 전부 또는 일부는 충전제 층(330)의 열팽창에 따라 수축한다. 또한, 광전지 장치(10)가 저온에서 동작할 때, 유연한 밀봉된 컨테이너(500)의 전부 또는 일부는 충전제 층(330)의 열수축에 따라 팽창한다. 다양한 실시예에서, 유연한 밀봉된 컨테이너(500)는 광전지 소자(10)의 동작 동안에 컨테이너 부피를 최대 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35% 까지 또는 2와 40% 사이로 감소시킬 수 있다. 예컨대, 일 비한정 실시예에서, 광전지 소자(10)가 냉각될 때, 컨테이너(500)의 컨테이너 부피는 Y 임의의 부피 단위이지만, 광전지 소자(10)가 정상 동작 동안에 가열될 때, 컨테이너(500)의 벽이 컨테이너의 내부로 무너지기 때문에 컨테이너(500) 부피는 0.5Y 임의의 부피 단위로 부피가 50% 감소된다. 일부 실시예에서, 컨테이너(500)는 기압이 거의 또는 전혀 없다. 일부 실시예에서, 컨테이너(500)는 완전 진공상태이다. 일부 실시예에서, 컨테이너(500)는 압력이 20 토르 미만, 40 토르 미만, 100 토르 미만 또는 500 토르 미만이다. 일부 실시예에서, 컨테이너(500)는 헬륨, 네온, 또는 아르곤과 같은 불활성 기체로 충전된다. 일부 실시예에서, 컨테이너(500)는 컨테이너 부피가 적어도 1 입방 센티미터, 적어도 10 입방 센티미터, 적어도 20 입방 센티미터, 적어도 30 입방 센티미터, 적어도 50 입방 센티미터, 적어도 100 입방 센티미터, 또는 적어도 1000 입방 센티미터를 갖도록 규격이 정해진다.
도 5B는 비평면 또는 평면 광전지 소자(10)에서 부피 보상 용도를 위한 스프핑 탑재형 컨테이너(510)를 도시한다. 일부 실시예에서, 컨테이너(510)는 x축에 대해 원형, 정방형, 타원형, 평행사변형, 삼각형, 다각형, 아치형 또는 임의의 다른 2차원의 규칙적 또는 불규칙적인 닫힌 형태인 단면 형상을 갖는다. 일부 실시예에서, 컨테이너(510)는 x축에 대하여 불규칙한 비기하학적 형태인 단면 형상을 갖는다. 도 5B에서 원주로서 도시되었지만, 일부 실시예에서, 컨테이너(502)는 상자, 원추, 구, 또는 원주를 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 기하학적 또는 비기하학적 형태를 갖는다. 일부 실시예에서, 컨테이너(510)는 속이 빈(hollowed) 기판(102)의 내부 내에서 비평면 광전지 소자(10)에서 발견된다. 컨테이너(510)는 비유연한 플라스틱, 유리 또는 금속을 포함한 임의의 단단한 재료로 이루어질 수 있다. 컨테이너(510)는 일단에 개구부(512)를 갖는다. 개구부(512)는 밀봉재(514)에 의해 밀봉된다. 밀봉재(514)는 충전제 층(330)의 부피의 변화에 응답한다. 스프링(516)은 밀봉재(514)를 제위치에 유지한다. 일부 실시예에서, 스프링(516)은 충전제 층(330)의 부피 보상에 적합한 스프링 상수를 갖는 금속 스프링 이다. 광전지 장치(10)가 고온에서 동작할 때, 스프링(516)은 충전제 층(330)의 열팽창에 따라 수축한다. 또한, 광전지 장치(10)가 저온에서 동작할 때, 스프링(516)은 충전제 층(330)의 열수축에 따라 팽창한다. 이런 식으로, 다양한 실시예에서, 유연한 밀봉된 컨테이너(510)는 광전지 소자(10)의 동작 동안에 컨테이너 부피를 최대 5%, 최대 10%, 최대 15%, 최대 20%, 최대 25%, 최대 30%, 최대 35%로, 또는 2%와 40% 사이로 감소시킬 수 있다. 예컨대, 일 비한정 실시예에서, 광전지 소자(10)가 냉각될 때, 컨테이너(510)의 컨테이너 부피는 Y 임의의 단위이지만, 광전지 소자(10)가 정상 동작 동안에 가열될 때, 컨테이너(510) 부피는 밀봉재(514)가 원상태로 회복가능하게 컨테이너의 내부로 무너지므로 0.5Y 임의 단위로 부피가 50% 감소하게 된다. 일부 실시예에서, 컨테이너(510)는 기압이 거의 또는 전혀 없다. 일부 실시예에서, 컨테이너(510)는 완전 진공상태이다. 일부 실시예에서, 컨테이너(510)는 압력이 20 토르 미만, 40 토르 미만, 100 토르 미만 또는 500 토르 미만이다. 일부 실시예에서, 컨테이너(510)는 헬륨, 네온 또는 아르곤과 같은 불활성 기체로 충전된다. 일부 실시예에서, 컨테이너(510)는 컨테이너 부피가 적어도 1 입방 센티미터, 적어도 10 입방 센티미터, 적어도 20 입방 센티미터, 적어도 30 입방 센티미터, 적어도 50 입방 센티미터, 적어도 100 입방 센티미터, 또는 적어도 1000 입방 센티미터를 갖도록 규격이 정해진다.
도 5C는 비평면 또는 평면 광전지 소자(10)에서 부피 보상 용도의 이중 스프링 탑재형 컨테이너(520)를 도시한다. 일부 실시예에서, 컨테이너(520)는 x축에 대해 원형, 정방형, 타원형, 평행사변형, 삼각형, 다각형, 아치형 또는 임의의 다 른 2차원의 규칙적 또는 불규칙적인 닫힌 형태인 단면 형상을 갖는다. 일부 실시예에서, 컨테이너(520)는 x축에 대하여 불규칙한 비기하학적 형태인 단면 형상을 갖는다. 도 5C에서 원주로서 도시되었지만, 일부 실시예에서, 컨테이너(502)는 상자, 원추, 구, 또는 원주를 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 기하학적 또는 비기하학적 형태를 갖는다. 일부 실시예에서, 컨테이너(520)는 속이 빈(hollowed) 기판(102)의 내부 내에서 비평면 광전지 소자(10)에서 발견된다. 컨테이너(520)는 비유연한 플라스틱, 유리 또는 금속을 포함한 임의의 단단한 재료로 이루어질 수 있다. 컨테이너(520)는 각 단에 개구부(512)를 갖는다. 각 개구부(512)는 밀봉재(514)에 의해 밀봉된다. 밀봉재(514)는 충전제 층(330)의 부피의 변화에 응답한다. 스프링(516)은 각 밀봉재(514)를 제위치에 유지한다. 일부 실시예에서, 스프링(516)은 충전제 층(330)의 부피 보상에 적합한 스프링 상수를 갖는 금속 스프링이다. 광전지 장치(10)가 고온에서 동작할 때, 스프링(516)은 충전제 층(330)의 열팽창에 따라 수축한다. 또한, 광전지 장치(10)가 저온에서 동작할 때, 스프링(516)은 충전제 층(330)의 열수축에 따라 팽창한다. 이런 식으로, 다양한 실시예에서, 유연한 밀봉된 컨테이너(520)는 광전지 소자(10)의 동작 동안에 컨테이너 부피를 최대 5%, 최대 10%, 최대 15%, 최대 20%, 최대 25%, 최대 30%, 최대 35%로, 또는 2%와 40% 사이로 감소시킬 수 있다. 예컨대, 일 비한정 실시예에서, 광전지 소자(10)가 냉각될 때, 컨테이너(520)의 컨테이너 부피는 Y 임의의 부피 단위이지만, 광전지 소자(10)가 정상 동작 동안에 가열될 때, 컨테이너(520) 부피는 밀봉재(514)가 원상태로 회복가능하게 컨테이너의 내부로 무너지므로 0.5Y 임의 부피 단위로 부피가 50% 감소하게 된다. 일부 실시예에서, 컨테이너(510)는 기압이 거의 또는 전혀 없다. 일부 실시예에서, 컨테이너(520)는 완전 진공상태이다. 일부 실시예에서, 컨테이너(520)는 압력이 20 토르 미만, 40 토르 미만, 100 토르 미만 또는 500 토르 미만이다. 일부 실시예에서, 컨테이너(520)는 헬륨, 네온 또는 아르곤과 같은 불활성 기체로 충전된다. 일부 실시예에서, 컨테이너(520)는 컨테이너 부피가 적어도 1 입방 센티미터, 적어도 10 입방 센티미터, 적어도 20 입방 센티미터, 적어도 30 입방 센티미터, 적어도 50 입방 센티미터, 적어도 100 입방 센티미터, 또는 적어도 1000 입방 센티미터를 갖도록 규격이 정해진다.
도 5D는 비평면 또는 평면 광전지 소자(10)에서 부피 보상 용도의 접히는 기구형 컨테이너(530)를 도시한다. 컨테이너(530)는 고무, 라텍스, 클로로프렌 또는 나일론 직물을 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 유연한 재료로 만들어질 수 있다. 유연한 밀봉된 컨테이너(530)는 충전제 층(330)의 부피의 변화에 응답한다. 광전지 장치(10)가 고온에서 동작할 때, 유연한 밀봉된 컨테이너(530)의 전부 또는 일부는 충전제 층(330)의 열팽창에 따라 수축한다. 또한, 광전지 장치(10)가 저온에서 동작할 때, 유연한 밀봉된 컨테이너(530)의 전부 또는 일부는 충전제 층(330)의 열수축에 따라 팽창한다. 다양한 실시예에서, 유연한 밀봉된 컨테이너(530)는 광전지 소자(10)의 동작 동안에 컨테이너 부피를 최대 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%로, 또는 2%와 40% 사이로 감소시킬 수 있다. 예컨대, 일 비한정 실시예에서, 광전지 소자(10)가 냉각될 때, 컨테이너(530)의 컨테이너 부피는 Y 임의의 부피 단위이지만, 광전지 소자(10)가 정상 동작 동안에 가열될 때, 컨테이너(530) 부피는 컨테이너(502)의 벽이 컨테이너의 내부로 무너지므로 0.5Y 임의 부피 단위로 부피가 50% 감소하게 된다. 일부 실시예에서, 컨테이너(530)는 압력이 20 토르 미만, 40 토르 미만, 100 토르 미만 또는 500 토르 미만이다. 일부 실시예에서, 컨테이너(530)는 헬륨, 네온 또는 아르곤과 같은 불활성 기체로 충전된다.
도 5E는 비평면 또는 평면 광전지 소자(10)에서 부피 보상 용도의 성형(asteroid type) 컨테이너(540)를 도시한다. 컨테이너(540)는 유연한 플라스틱, 얇은 유연한 금속, 또는 바람에 날리는 가벼운 금속을 포함한 임의의 유연한 금속으로 만들어질 수 있다. 유연한 밀봉된 컨테이너(540)는 충전제 층(330)의 부피의 변화에 응답한다. 광전지 장치(10)가 고온에서 동작할 때, 유연한 밀봉된 컨테이너(540)의 전부 또는 일부는 충전제 층(330)의 열팽창에 따라 수축한다. 또한, 광전지 장치(10)가 저온에서 동작할 때, 유연한 밀봉된 컨테이너(540)의 전부 또는 일부는 충전제 층(330)의 열수축에 따라 팽창한다. 다양한 실시예에서, 유연한 밀봉된 컨테이너(540)는 광전지 소자(10)의 동작 동안에 컨테이너 부피를 최대 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%로, 또는 2%와 40% 사이로 감소시킬 수 있다. 예컨대, 일 비한정 실시예에서, 광전지 소자(10)가 냉각될 때, 컨테이너(540)의 컨테이너 부피는 Y 임의의 부피 단위이지만, 광전지 소자(10)가 정상 동작 동안에 가열될 때, 컨테이너(540) 부피는 컨테이너(540)의 벽이 컨테이너의 내부로 무너지므로 0.5Y 임의 부피 단위로 부피가 50% 감소하게 된다. 일부 실시예에서, 컨테이너(540)는 기압이 거의 또는 전혀 없다. 일부 실시예에서, 컨테이너(540)는 완전 진공상태이다. 일부 실시예에서, 컨테이너(540)는 압력이 20 토르 미만, 40 토르 미만, 100 토르 미만 또는 500 토르 미만이다. 일부 실시예에서, 컨테이너(540)는 헬륨, 네온 또는 아르곤과 같은 불활성 기체로 충전된다. 일부 실시예에서, 컨테이너(540)는 컨테이너 부피가 적어도 1 입방 센티미터, 적어도 10 입방 센티미터, 적어도 20 입방 센티미터, 적어도 30 입방 센티미터, 적어도 50 입방 센티미터, 적어도 100 입방 센티미터, 또는 적어도 1000 입방 센티미터를 갖도록 규격이 정해진다. 일부 실시예에서, 컨테이너(540)는 기밀상태(airtight)가 아니다.
도 5F는 비평면 또는 평면 광전지 소자(10)에서 부피 보상 용도의 유연한 밀봉된 컨테이너(550)를 도시한다. 컨테이너(540)는 유연한 플라스틱 또는 얇은 유연한 금속을 포함한 임의의 유연한 금속으로 만들어질 수 있다. 유연한 밀봉된 컨테이너(540)는 충전제 층(330)의 부피의 변화에 민감하다. 광전지 장치(10)가 고온에서 동작할 때, 유연한 밀봉된 컨테이너(540)의 전부 또는 일부는 충전제 층(330)의 열팽창에 따라 수축한다. 또한, 광전지 장치(10)가 저온에서 동작할 때, 유연한 밀봉된 컨테이너(540)의 전부 또는 일부는 충전제 층(330)의 열수축에 따라 팽창한다. 다양한 실시예에서, 유연한 밀봉된 컨테이너(540)는 광전지 소자(10)의 동작 동안에 컨테이너 부피를 최대 5%, 최대 10%, 최대 15%, 최대 20%, 최대 25%, 최대 30%, 최대 35%로, 또는 2%와 40% 사이로 감소시킬 수 있다. 예컨대, 일 비한정 실시예에서, 광전지 소자(10)가 냉각될 때, 컨테이너(540)의 컨테이너 부피는 Y 임의의 단위이지만, 광전지 소자(10)가 정상 동작 동안에 가열될 때, 컨테이너(540) 부피는 컨테이너(540)의 벽이 컨테이너의 내부로 무너지므로 0.5Y 임의 단위로 부피가 50% 감소하게 된다. 일부 실시예에서, 컨테이너(540)는 기압 이 거의 또는 전혀 없다. 일부 실시예에서, 컨테이너(540)는 완전 진공상태이다. 일부 실시예에서, 컨테이너(540)는 압력이 20 토르 미만, 40 토르 미만, 100 토르 미만 또는 500 토르 미만이다. 일부 실시예에서, 컨테이너(540)는 헬륨, 네온 또는 아르곤과 같은 불활성 기체로 충전된다. 일부 실시예에서, 컨테이너(540)는 컨테이너 부피가 적어도 1 입방 센티미터, 적어도 10 입방 센티미터, 적어도 20 입방 센티미터, 적어도 30 입방 센티미터, 적어도 50 입방 센티미터, 적어도 100 입방 센티미터, 또는 적어도 1000 입방 센티미터를 갖도록 규격이 정해진다. 도 5F는 라인 5-5'을 따라 취한 컨테이너(550)의 단면을 도시한다.
1.2 광전지 층을 만들기 위해 사용되는 재료
부피 보상 장치 및 기술이 설명되었다. 부피 보상 기술이 사용될 수 있는 예시적인 재료 및 광전지 소자에 대해 설명하기로 한다. 도 2를 참조하여, 광전지 소자(10)에서 예시적인 층 각각에 대해 설명하기로 한다.
기판(102). 기판(102)은 광전지 소자(10)에 대한 기판으로 기능한다. 일부 실시예에서, 기판(102)은 플라스틱, 금속, 금속 합금, 또는 유리로 만들어진다. 일부 실시예에서, 기판(102)의 길이는 기판의 폭보다 적어도 3배 더 길다. 일부 실시예에서, 기판(102)은 비평면 형태를 갖는다. 일부 실시예에서, 기판(102)은 원주 형태를 갖는다. 일부 실시예에서, 기판(102)은 공동(hollow) 코어를 갖는다. 일부 실시예에서, 기판(102)의 형태는 대략 원주형 물체의 형태이고, 이는 기판(102)의 장축에 대해 직각으로 취한 단면이 원보다는 타원을 정의한다는 의미이다. 용어가 본원에서 사용되는 바와 같이, 이러한 대략적인 형태의 물체는 본 발 명에서 여전히 원주 형태인 것으로 간주된다.
일부 실시예에서, 기판(102)은 우레탄 폴리머, 아크릴 폴리머, 플루오로폴리머, 폴리벤즈아미다졸, 폴리이미드, 폴리에트라플루오로에틸렌, 폴리에테르에테르케톤, 폴리아미드-이미드, 유리계 페놀릭, 폴리스티렌, 가교 폴리스티렌, 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌, 폴리에트라플루오로-에틸렌, 폴리메타크릴레이트, 나일론 6,6, 셀룰로스 아세테이트 부티라트, 셀룰로스 아세테이트, 경질 비닐, 연질 비닐, 또는 폴리프로필렌으로 이루어진다. 일부 실시예에서, 기판(102)은 알루미노실리케이트 유리, 보로실리케이트 유리(예컨대, Pyrex, Duran, Simax 등), 다이크로익 유리, 게르마늄/반도체 유리, 유리 세라믹, 실리케이트/용융(fused) 실리카 유리, 소다 라임 유리, 석영(quartz) 유리, 칼코게나이드/설파이드 유리, 플루오라이드 유리, 파이렉스 유리, 유리계 페놀릭, 시리에이티드(cereated) 유리, 또는 플린트(flint) 유리로 이루어진다. 일부 실시예에서, 기판(102)은 고체 원주형이다. 이러한 고체 원주형 기판(102)은 플라스틱, 유리, 금속 또는 금속 합금으로 만들어질 수 있다.
일부 실시예에서, 기판(102)은 전기적으로 도전성있는 비금속 재료이다. 일부 실시예에서, 기판(102)은 관류(tubing)(예컨대, 플라스틱 또는 유리 관)이다. 일부 실시예에서, 기판(102)은 폴리벤즈아미다졸(예컨대, Boedeker Plastics, Inc., Shiner, Texas의 CELAZOLE®)와 같은 재료로 이루어진다. 일부 실시예에서, 기판(102)은 폴리미드(예컨대, DuPontTM VESPEL®, 또는 DuPontTM KAPTON®, Wilmington, Delaware)로 이루어진다. 일부 실시예에서, 기판(102)은 Boedeker Plastics, Inc로부터 입수가능한 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 폴리에테르에테르케톤(PEEK)으로 만들어진다. 일부 실시예에서, 기판(102)은 폴리아미드이미드(예컨대, TORLON® PAI, Solvay Advanced Polymers, Alpharetta, Georgia)로 만들어진다.
일부 실시예에서, 기판(102)은 유리계 페놀릭으로 만들어진다. 페놀릭 라미네이트는 합성 열경화성 수지에 함침시킨 종이, 캔버스, 리넨 또는 유리 섬유 직물의 층들에 열 및 압력을 가하여 만들어진다. 열 및 압력이 이 층들에 인가될 때, 화학 반응(중합반응)은 분리된 층들을 다시 연화될 수 없는 "세트(set)" 형태를 갖는 단일 라미네이트 재료로 변형시킨다. 따라서, 이 재료는 "열경화성 수지(thermoset)"라고 한다. 다양한 수지 종류 및 직물 재료가 기계적, 열적 및 전기적 성질의 범위를 갖는 열경화성 수지 라미네이트를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 기판(102)은 NEMA 등급의 G-3, G-5, G-7, G-9, G-10 또는 G-11을 갖는 페놀릭 라미네이트이다. 예시적인 페놀릭 라미네이트는 Boedeker Plastics, Inc로부터 입수가능하다.
일부 실시예에서, 기판(102)은 폴리스티렌으로 만들어진다. 폴리스티렌의 예로는 참고로 전체가 본원에 포함된 Marks' Standard Handbook for Mechanical Engineers, 9판, 1987, McGraw-Hill, Inc., p.6-174에 상술된 범용 폴리스티렌 및 고충격성 폴리스티렌이 있다. 다른 실시예에서, 기판(102)은 가교 폴리스티렌으로 만들어진다. 가교 폴리스티렌의 일예는 REXOLITE®(C-Lec Plastics, Inc)이다. 렉솔라이트(rexolite)는 폴리스티렌을 디비닐벤젠과 가교시켜 만든 열경화성, 특히 단단하고 반투명한 플라스틱이다.
일부 실시예에서, 기판(102)은 폴리에스테르 와이어(예컨대, MYLAR® 와이어)이다. MYLAR®는 DuPont Teijin Films(Wilmington, Delaware)로부터 입수가능하다. 다른 실시예에서, 기판(102)은 DURASONE®으로 만들어지는데, 이것은 폴리에스테르, 비닐에스테르, 에폭시드(epoxid) 및 유리 섬유와 결합된 변성 에폭시 수지(Roechling Engineering Plastic Pte Ltd., Singapore)를 이용하여 만들어진다.
다른 실시예에서, 기판(102)은 폴리카보네이트로 만들어진다. 이러한 폴리카보네이트는 재료의 열 팽창 계수 뿐만 아니라 인장 강도, 경도, 압축 강도를 조정하기 위하여 가변량의 유리 섬유(예컨대, 10%, 20%, 30% 또는 40%)를 가질 수 있다. 예시적인 폴리카보네이트는 ZELUX® M 및 ZELUX® W이며 이들은 Boedeker Plastics, Inc로부터 입수가능하다.
일부 실시예에서, 기판(102)은 폴리에틸렌으로 만들어진다. 일부 실시예에서, 기판(102)은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 또는 초고분자량 폴리에틸렌(UHMW PE)으로 만들어진다. HDPE의 화학적 성질은 참고로 전체가 본원에 포함된 Marks' Standard Handbook for Mechanical Engineers, 9판, 1987, McGraw-Hill, Inc., p.6-173에 상술되어 있다. 일부 실시예에서, 기판(102)은 아 크릴로니트릴-부타디엔-스티렌, 폴리테트라플루오로-에틸렌(테플론), 폴리메타크릴레이트(루사이트(lucite) 또는 플렉시글래스(plexiglass)), 나일론 6,6, 셀룰로스 아세테이트 부티라트, 셀룰로스 아세테이트, 경질 비닐, 연질 비닐 또는 폴리프로필렌으로 만들어진다. 이 재료들의 화학적 성질은 참고로 본원에 전체가 포함된 Marks' Standard Handbook for Mechanical Engineers, 9판, 1987, McGraw-Hill, Inc., p.6-172 내지 1-175에 상술되어 있다.
기판(102)을 형성하기 위해 사용될 수 있는 추가적인 예시적인 재료는, 참고로 전체가 본원에 포함된, Modern Plastics Encyclopedia, McGraw-Hill; Reinhold Plastics Applications Series, Reinhold Roff, Fibres, Plastics and Rubbers, Butterworth; Lee and Neville, Epoxy Resins, McGraw-Hill; Bilmetyer, Textbook of Polymer Science, Interscience; Schmidt and Marlies, Principles of high polymer theory and practice, McGraw-Hill; Beadle(ed.), Plastics, Morgan-Grampiand, Ltd., 2 vols. 1970; Tobolsky and Mark(eds.), Polymer Science and Materials, Wiley, 1971; Glanville, The Plastics's Engineer's Data Book, Industrial Press, 1971; Mohr(editor and senior author), Oleesky, Shook, and Meyers, SPI Handbook of Technology and Engineering of Reinforced Plastics Composites, Van Nostrand Reinhold, 1973에서 발견된다. 일부 실시예에서, 기판(102)은 펜타플루오르화 비소로 도핑된 폴리아닐린 및 폴리아세틸렌이다. 일부 실시예에서, 도전재(104)는 풀러린 충전된 폴리머 및/또는 카본 블랙 충전된 폴리머와 같은 충전 폴리머이다.
도전재(104). 도 1 및 도 2에서, 도전재(104)는 하부 기판(102)에 놓인 층으로 도시된다. 일부 실시예에서, 도전재(104)는 기판(102)의 전부 또는 일부에 놓인 얇은 층이다. "일부"라는 것은 하부 기판(102)의 적어도 20%, 또는 적어도 30%, 또는 적어도 40%, 또는 적어도 50%, 또는 적어도 60%, 또는 적어도 70%, 또는 적어도 80%, 또는 적어도 90%, 또는 적어도 95%를 의미한다. 다른 실시예에서, 도전재(104) 및 기판(102)은 실제로 하나로 동일하다. 이러한 실시예에서, 기판(102)은 도전재로 만들어지고 기판(102)에 오버레이된 도전재(104)의 층이 없다. 이러한 실시예에서, 기판은 도전 재료층(104)을 갖는 실시예에서 도전 재료층(104)을 형성하기 위해 사용될 수 있는 임의의 재료로 만들어진다.
일부 실시예에서, 도전재(104)는 기판(102)에 놓인다. 도전재(104)는 조립체에서 제1 전극으로 기능한다. 일반적으로, 도전재(104)는 무시할만한 저항 손실을 갖는 광전지 소자에 의해 생성된 광전지 전류를 지원할 수 있도록 임의의 재료로부터 만들어진다. 일부 실시예에서, 도전재(104)는 알루미늄, 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐, 로듐, 니오븀, 크롬, 탄탈, 티타늄, 강철, 니켈, 백금, 은, 금, 그 합금 또는 그 조합과 같은 임의의 도전재를 포함한다. 일부 실시예에서, 도전재(104)는 인듐 주석 산화물(ITO), 질화 티탄, 산화 주석, 플루오르 도핑 산화 주석, 도핑된 산화 아연, 알루미늄 도핑 산화 아연, 갈륨 도핑 산화 아연, 붕소 도핑 산화 아연 인듐 아연 산화물, 메탈 카본 블랙 충전 산화물, 그래파이트 카본 블랙 충전 산화물, 카본 블랙 카본 블랙 충전 산화물, 초전도 카본 블랙 충전 산화물, 에폭시, 도전성 유리, 또는 도전성 플라스틱과 같은 임의의 도전재를 포함한다. 여기 정의된 바와 같이, 도전 플라스틱은 합성 기술을 통해 도전 성질을 플라스틱에게 차례로 주는 도전 충전제들을 포함하는 것이다. 일부 실시예에서, 도전재(104)를 형성하기 위해 사용될 수 있는 도전성 플라스틱은 무시할만한 저항 손실을 갖는 광전지 소자에 의해 생성된 광전지 전류를 지원하기 위해 플라스틱 매트릭스를 통한 충분한 도전 전류전달 경로를 형성하는 충전제를 포함한다. 도전성 플라스틱의 플라스틱 매트릭스는 일반적으로 절연성이지만, 생성된 합성물은 충전제의 도전성을 나타낸다. 일부 실시예에서, 이 도전 플라스틱은 충전제에 대한 임의의 요건없이 내재적으로 도전성이다. 일부 실시예에서, 도전재(104)는 펜타플루오르화 비소로 도핑된 폴리아닐린 및 폴리아세틸렌이다. 일부 실시예에서, 도전재(104)는 풀러린 충전 폴리머 및/또는 카본 블랙 충전 폴리머와 같은 충전 폴리머이다.
반도체 접합부(106/108). 반도체 접합부(106/108)는 도전재(104)의 전부 또는 일부에 놓인다. "일부"라는 것은 하부 도전재(104)의 적어도 20%, 또는 적어도 30%, 또는 적어도 40%, 또는 적어도 50%, 또는 적어도 60%, 또는 적어도 70%, 또는 적어도 80%, 또는 적어도 90%, 또는 적어도 95%를 의미한다. 반도체 접합부(106/108)는 직접 밴드갭 흡수제(예컨대, 결정 실리콘) 또는 간접 밴드갭 흡수제(예컨대, 비정질 실리콘)인 흡수층을 갖는 임의의 광전지 동종접합, 이종접합, 이종계면 접합, 매립 동종접합, p-i-n 접합 또는 탄뎀 접합이다. 이러한 접합은 참고로 본원에 전체가 포함된 Chapter 1 of Bube, Photovoltaic Materials, 1998, Imperial College Press, London 뿐만 아니라 Lugue and Hegedus, 2003, Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, John Wiley & Sons, Ltd., West Sussex, England에 상술되어 있다. 이로써, 반도체 접합부(106/108)가 두개의 층보다 더 많이 가지는 것이 전적으로 가능하다(예컨대, 흡수층(106) 및 윈도우층(108)이 아닌 다른 또는 이 외의 추가적인 층). 본 발명에 따른 예시적인 종류의 반도체 접합부(106/108)의 세부사항이 이하에 개시된다. 이하의 예시적인 접합부 이외에, 접합부(106/108)는 바람직하게는 성공적으로 더 작은 밴드 갭을 갖는 다중의 접합부를 통해 광이 접합부(106/108)의 코어로 가로지르는 다중접합부일 수 있다. 일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108)는 구리-인듐-갈륨-디셀레나이드(CIGS) 흡수층을 포함한다.
비평면 기판(102)이 사용되는 일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108)가 내부층 및 외부층을 포함하고 여기서 외부층은 제1 도전형을 포함하고 내부층은 제2의 반대 도전형을 포함한다. 예시적인 일실시예에서, 내부 동축층은 구리-인듐-갈륨-디셀레나이드(CIGS)를 포함하는 반면 외부 동축층은 In2Se3, In2S3, ZnS, ZnSe, CdlnS, CdZnS, ZnIn2Se4, Zn1-xMgxO, CdS, SnO2, ZnO, ZrO2 또는 도핑된 ZnO를 포함한다.
선택적인 진성층. 선택적으로, 반도체 접합부(106/108)의 전부 또는 일부에 위치한 얇은 진성층(i-층)(415)이 있다. "일부"라는 것은 반도체 접합부(106/108)의 표면적의 적어도 20%, 또는 적어도 30%, 또는 적어도 40%, 또는 적어도 50%, 또는 적어도 60%, 또는 적어도 70%, 또는 적어도 80%, 또는 적어도 90%, 또는 적어도 95%를 의미한다. i-층은 아연 산화물, 금속 산화물, 또는 고절연성인 임의의 투명한 재료를 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 도핑되지 않은 투명 산화물을 이용하여 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, i-층은 고순도의 아연 산화물이다.
투명 도전 재료층(110). 투명 도전 재료층(110)이 반도체 접합부(106/108)의 전부 또는 일부에 놓여 활성 태양 전지 회로를 완성한다. "일부"라는 것은 반도체 접합층(410)의 표면적의 적어도 20%, 또는 적어도 30%, 또는 적어도 40%, 또는 적어도 50%, 또는 적어도 60%, 또는 적어도 70%, 또는 적어도 80%, 또는 적어도 90%, 또는 적어도 95%를 의미한다. 상기한 바와 같이, 일부 실시예에서, 얇은 i-층은 반도체 접합부(106/108)에 놓인다. 이러한 실시예에서, 투명 도전 재료층(110)은 i-층의 전부 또는 일부에 놓인다. "일부"라는 것은 i-층의 표면적의 적어도 20%, 또는 적어도 30%, 또는 적어도 40%, 또는 적어도 50%, 또는 적어도 60%, 또는 적어도 70%, 또는 적어도 80%, 또는 적어도 90%, 또는 적어도 95%를 의미한다. 일부 실시예에서, 투명 도전 재료층(110)은 주석 산화물 SnOx(플루오르 도핑 포함 또는 불포함), 인듐 주석 산화물(ITO), 도핑된 아연 산화물(예컨대, 알루미늄 도핑된 아연 산화물, 갈륨 도핑된 아연 산화물, 붕소 도핑된 아연 산화물), 인듐-아연 산화물 또는 임의의 그 조합으로 이루어진다. 일부 실시예에서, 투명 도전 재료층(110)은 p 도핑되거나 n 도핑된다. 일부 실시예에서, 투명 도전 재료층(110)은 카본 나노튜브로 만들어진다. 카본 나노튜브는 예컨대 Eikos(Franklin, Massachusetts)로부터 입수가능하고 참고로 전체가 본원에 포함된 미국 특허 6,988,925에 설명되어 있다. 예컨대, 접합부(106/108)의 외부 반도체 층이 p 도핑되는 실시예에서, 투명 도전 재료층(110)은 p 도핑될 수 있다. 마찬가지로, 반도체 접합부(106/108)의 외부 반도체 층이 n 도핑되는 실시예에서, 투명 도전 재료층(110)은 n 도핑될 수 있다. 일반적으로, 투명 도전 재료층(110)은 매우 낮은 저항, 적절한 광 전송 특성(예컨대, 90% 초과), 및 반도체 접합부(106/108) 및/또는 선택적인 i층의 하부 층에 손상을 입히지 않을 증착 온도를 갖는 재료로 만들어지는 것이 바람직하다. 일부 실시예에서, 투명 도전 재료층(110)은 도전성 폴리티오펜, 도전성 폴리아닐린, 도전성 폴리피롤, PSS 도핑 PEDOT(예컨대, Bayrton), 또는 상기 중 임의의 것의 유도체와 같은 전기적 도전성 폴리머 재료이다. 일부 실시예에서, 투명 도전 재료층(110)은 주석 산화물 SnOx(플루오르 도핑 포함 또는 불포함), 인듐 주석 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물, 도핑된 아연 산화물(예컨대, 알루미늄 도핑된 아연 산화물, 갈륨 도핑된 아연 산화물, 붕소 도핑된 아연 산화물), 또는 임의의 그 조합을 포함하는 제1 층, 및 도전성 폴리티오펜, 도전성 폴리아닐린, 도전성 폴리피롤, PSS 도핑 PEDOT(예컨대, Bayrton), 또는 상기 중 임의의 것의 유도체를 포함하는 제2 층을 포함하는 둘 이상의 층을 포함한다. 투명 도전 재료층(110)을 형성하기 위해 사용될 수 있는 추가의 적절한 재료는 참고로 본원에 전체가 포함된 Pichler에 대한 미국 특허 공개 2004/0187917A1에 개시되어 있다.
선택적인 전극 스트립. 본 발명에 따른 일부 실시예에서, 상대 전극 스트립 또는 리드가 전류 흐름을 용이하게 하기 위해 투명 도전 재료층(110)에 놓인다. 일부 실시예에서, 선택적인 전극 스트립이 투명 도전 재료층(110)의 표면에 이격된 간격으로 위치한다. 예컨대, 전극 스트립은 서로 평행하게 있을 수 있고 비평면 태양 전지 소자(10)의 장축을 따라 90도 간격으로 이격되어 있을 수 있다. 비평면 태양 전지 소자(10)의 일부 실시예에서, 이 소자의 장축을 통해 취한 단면을 참조하면, 전극 스트립은 투명 도전 재료층(110)의 표면에서 최대 5도, 최대 10도, 최대 15도, 최대 20도, 최대 30도, 최대 40도, 최대 50도, 최대 60도, 최대 90도, 또는 최대 180도의 간격으로 이격되어 있다. 일부 실시예에서, 투명 도전 재료층(110)의 표면에 단일 전극 스트립이 있다. 많은 실시예에서, 투명 도전 재료층(110)의 표면에 전극 스트립이 없다. 일부 실시예에서, 투명 도전 재료층(110)에 광전지 소자(10)의 장축을 따라 각각 아래로 평행하거나 거의 평행하게 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 15개 이상, 또는 30개 이상의 전극 스트립이 있다. 광전지 소자(10)가 원통형인 일부 실시예에서, 전극 스트립은 투명 도전 재료층(110)의 원주에 대해 균일하게 이격되어 있다. 다른 실시예에서, 전극 스트립은 투명 도전 재료층(110)의 원주에 대해 균일하게 이격되어 있지 않다. 일부 실시예에서, 전극 스트립은 광전지 소자(10)의 일면에만 있다. 일부 실시예에서, 전극 스트립은 도전성 에폭시, 도전성 잉크, 구리 또는 그 합금, 알루미늄 또는 그 합금, 니켈 또는 그 합금, 은 또는 그 합금, 금 또는 그 합금, 도전성 글루, 또는 도전성 플라스틱으로 이루어진다.
일부 실시예에서, 전극 스트립은 그리드 라인에 의해 서로 상호연결된다. 이 그리드 라인은 전극 스트립보다 두껍거나, 얇거나 또는 동일한 두께를 가질 수 있다. 이 그리드 라인은 전극 스트립과 동일하거나 다른 전기적 재료로 만들어질 수 있다.
일부 실시예에서, 전극 스트립은 잉크젯 프린팅을 이용하여 투명 도전 재료층에 증착된다. 이러한 스트립에 사용될 수 있는 도전성 잉크의 예로는 은 탑재 또는 니켈 탑재된 도전성 잉크가 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예에서, 이방성 도전 접착제 뿐만 아니라 에폭시가 전극 스트립를 구성하기 위해 사용될 수 있다. 일반적인 실시예에서, 이러한 잉크나 에폭시는 전극 스트립을 형성하기 위해 열적으로 경화된다.
충전제 층(330). 본 태양 전지 소자(10)는 층(330)에 대해 겔, 레진, 비고체, 또는 고점성 물질을 사용하는 것이 이롭다. 충전제 층은 예컨대 겔 또는 액체일 수 있다. 재료는 조립체에 액체로서 추가되고, 겔 또는 다른 점성있는 비고체 상태로 경화되도록 허용된다. 그러나, 이 접근법에서, 형성된 재료는 에틸렌-비닐 아세테이트와 같은 종래의 재료 보다 훨씬 더 높은 팽창 계수를 갖는다. 따라서, 일반적인 열 주기 동안에, EVA와 같은 층(330)에 대한 종래의 재료의 사용에 비해 층(330)에서 상당한 부피 변화를 예상할 수 있다.
일예에서, 엘라스토머형 유전체 겔과 혼합되는 중간 점도 폴리디메틸실록산이 충전제 층(330)을 만들기 위해 사용될 수 있다. 일 경우에, 일예로서, 85%(중량) Dow Corning 200 유체, 50 센티스토크 점도(PDMS, 폴리디메틸실록산); 7.5% Dow Corning 3-4207 Dielectric Tough Gel, Part A - 레진 7.5% Dow Corning 3-4207 Dielectric Tough Gel, Part B - Pt 촉매의 혼합물이 충전제 층(330)을 만들 기 위해 사용된다. 물론, 다른 오일, 겔, 또는 실리콘이 충전제 층(300)에 사용될 수 있고, 따라서 본 명세서는 충전제 층(330)에 대해 상기 층을 생성하기 위해 다른 오일, 겔 및 실리콘을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 이러한 오일은 몇개 거론하자면, 실리콘계 오일을 포함하고, 겔은 상용으로 입수가능한 유전체 겔을 포함한다. 실리콘의 경화는 겔 같은 상태 이상으로 확장할 수 있다. 물론, 상용으로 입수가능한 유전체 겔 및 실리콘 및 다양한 조성물이 본 출원에서 사용가능하 것으로 생각된다.
일부 실시예에서, 실리콘계 유전체 겔이 본래 위치에서 사용될 수 있다. 또는 상기한 바와 같이, 유전체 겔은 최초 및 최종 점도 모두를 감소시키도록 실리콘계 오일과 혼합될 수 있다. 이 혼합물에서 실리콘 오일의 중량비는 가변적일 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 특정 예에서 실리콘계 오일과 실리콘계 유전체 겔의 혼합물에서 실리콘 오일의 중량비는 85%이다. 그러나, 정확히 또는 대략(예컨대, +- 2%) 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75% 및 85%의 비가 모두 고려된다. 20%-30%, 25%-35%, 30%-40%, 35%-45%, 40%-50%, 45%-55%, 50%-60%, 55%-65%, 60%-70%, 65%-75%, 70%-80%, 75%-85% 및 80%-90%(중량비) 범위도 고려된다. 또한, 겔 혼합물의 최초 점도만을 줄이기 위해 다른 종류의 오일이나 아크릴레이트를 사용할 때 상기와 동일한 중량비가 이 혼합물에 대해 고려될 수 있다.
투명 케이스(310). 투명 케이스(310)는 도 2에 도시된 바와 같이 광전지 소자를 밀봉한다. 일부 실시예에서, 투명 케이스(310)는 플라스틱이나 유리로 만들 어진다. 일부 실시예에서, 투명 케이스(310)는 우레탄 폴리머, 아크릴 폴리머, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 플루오로폴리머, 실리콘, 폴리-디메틸 실록산(PDMS), 실리콘 겔, 에폭시, 에틸 비닐 아세테이트(EVA), 퍼플루오로알콕시 플루오로카본(PFA), 나일론/폴리아미드, 가교 폴리에틸렌(PEX), 폴리올레핀, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜(PETG), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 열가소성 코폴리머(예컨대, 에틸렌 및 테트라플루오로에틸렌의 중합으로부터 유도된 ETFE®: TEFLON® 모노머), 폴리우레탄/우레탄, 폴리비닐 클로라이드(PVC), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), TYGON®, 비닐, VITON®, 또는 임의의 그 조합 또는 변형으로 이루어진다.
일부 실시예에서, 투명 케이스(310)는 복수의 투명 케이스 층을 포함한다. 일부 실시예에서, 각 투명 케이스 층은 서로 다른 재료로 이루어진다. 예컨대, 일부 실시예에서, 투명 케이스(310)는 제1 투명 케이스 층 및 제2 투명 케이스 층을 포함한다. 광전지 소자(10)의 정확한 구성에 따라, 제1 투명 케이스층은 투명 도전 재료층(110), 선택적인 충전제 층(330) 또는 방수층에 놓인다. 제2 투명 케이스층은 그후 제1 투명 케이스층에 놓인다.
일부 실시예에서, 각 투명 케이스 층은 서로 다른 성질을 갖는다. 일예에서, 외부 투명 케이스층은 우수한 UV 차폐 특성을 갖는 한편 내부 투명 케이스층은 우수한 방수 특성을 갖는다. 그러나, 다중 투명 케이스 층의 사용은 비용을 줄이고 및/또는 투명 케이스(310)의 전체 특성을 개선시키기 위해 사용될 수 있다. 예 컨대, 하나의 투명 케이스층은 원하는 물리적 특성을 갖는 고가의 재료로 만들어질 수 있다. 하나 이상의 추가 투명 케이스층을 사용함으로써, 고가의 투명 케이스층의 두께가 줄어들 수 있어, 재료비를 절감할 수 있다. 다른 예에서, 하나의 투명 케이스층은 우수한 광학 특성(예컨대, 굴절율 등)을 가질 수 있지만 매우 무거울 수 있다. 하나 이상의 추가 투명 케이스층을 사용함으로써, 무거운 투명 케이스층의 두께가 줄어들어, 투명 케이스(310)의 전체 무게를 줄일 수 있다.
일부 실시예에서, 투명 케이스(310)는 유리로 만들어진다. 다양한 유리들 중 임의의 것이 투명 케이스(310)를 만들기 위해 사용될 수 있고, 일부가 여기 설명된다. 일부 실시예에서, 투명 케이스(310)는 이산화 실리콘(SiO2) 유리로 만들어진다. 일부 실시예에서, 투명 케이스(310)는 이산화 실리콘, 소다(예컨대, 탄산 나트륨 Na2CO3), 또는 가성 칼륨(potash), 칼륨 화합물, 및 라임(산화 칼슘 CaO)으로부터 형성되는 소다 라임 유리로 이루어진다. 일부 실시예에서, 투명 케이스(310)는 납 크리스탈 또는 플린트 유리와 같은 납 유리로 만들어진다. 일부 실시예에서, 붕소, 바륨, 토륨 산화물, 란탄 산화물, 철, 또는 세륨(IV) 산화물로 도핑된 이산화 실리콘 유리가 투명 케이스(310)를 만들기 위해 사용된다. 일부 실시예에서, 투명 케이스(310)는 알루미노실리케이트, 보로실리케이트(예컨대, PYREX®, DURAN®, SIMAX®), 다이크로익, 게르마늄/반도체, 유리 세라믹, 실리케이트/용융 실리카, 소다 라임, 석영(quartz), 칼코게나이드/설파이드, 또는 시리에이티드 유리 로 만들어진다.
일부 실시예에서, 투명 케이스(310)는 에틸 비닐 아세테이트(EVA), 퍼플루오로알콕시 플루오로카본(PFA), 나일론/폴리아미드, 가교 폴리에틸렌(PEX), 폴리올레핀, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜(PETG), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 열가소성 코폴리머(예컨대, ETFE®), 폴리우레탄/우레탄, 폴리비닐 클로라이드(PVC), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), TYGON®, 비닐, 또는 VITON®과 같은 투명한 플라스틱으로 만들어진다.
선택적인 방수층. 일부 실시예에서, 하나 이상의 방수층은 물의 손상 효과를 방지하기 위해 광전지 소자(10) 위에 코팅된다. 일부 실시예에서, 이 방수층은 충전제 층(330)을 증착하고 투명 케이스(310) 안에 광전지 소자(10)를 넣기 전에 투명 도전 재료층(110) 상에 코팅된다. 일부 실시예에서, 이러한 방수층은 투명 케이스(310) 자체에 원주상으로 코팅된다. 방수층의 광학 특성은 광전지 소자(10)에 의한 입사 태양 방사의 흡수를 방해하지 않도록 선택된다. 일부 실시예에서, 이 방수층은 투명한 실리콘, SiN, SiOxNy, SiOx, 또는 Al2O3(x와 y는 정수)로 만들어진다. 일부 실시예에서, 선택적인 방수층은 Q형 실리콘, 실세퀴옥산(silsequioxane), D형 실리콘, 또는 M형 실리콘으로 만들어진다.
선택적인 반사 방지 코팅. 일부 실시예에서, 선택적인 반사 방지 코팅은 또한 태양 전지 효율을 최대화하기 위해 광전지 소자(10)(예컨대, 투명 케이스(310)) 에 위치한다. 일부 실시예에서, 투명 케이스(310)에 퇴적되는 방수층 및 반사 방지 코팅이 있다. 일부 실시예에서, 단일 층이 방수층과 반사 방지 코팅의 이중 목적으로 기능한다. 일부 실시예에서, 반사 방지 코팅은 MgF2, 실리콘 나이트레이트, 티타늄 나이트레이트, 실리콘 모녹사이드(SiO), 또는 실리콘 옥사이드 나이트라이트로 이루어진다. 일부 실시예에서, 반사 방지 코팅층이 둘 이상 있다. 일부 실시예에서, 반사 방지 코팅층이 둘 이상 있고 각 층은 동일한 재료로 만들어진다. 일부 실시예에서, 반사 방지 코팅층이 둘 이상 있고 각 층이 서로 다른 재료로 만들어진다.
일부 실시예에서, 다층 광전지 소자(10)의 일부 층은 원통형 마그네트론 스퍼터링 기술을 이용하여 구성된다. 일부 실시예에서, 다층 광전지 소자(10)의 일부 층은 종래의 스퍼터링 방법 또는 반응성 스퍼터링 방법을 이용하여 긴 튜브나 스트립에 구성된다. 긴 튜브 및 스트립과 같은 비평면 기판(102)에 대한 스퍼터링 코팅 방법은 예컨대 참고로 전체가 본원에 포함된 Hoshi et al., 1983, "Thin Film Coating Techniques on Wires and Inner Walls of Small Tubes via Cylindrical Magnetron Sputtering," Electrical Engineering in Japan 103:73-80; Lincoln and Blickensderfer, 1980, "Adapting Conventional Sputtering Equipment for Coating Long Tubes and Strips," J. Vac. Sci. Technol. 17:1252-1253; Harding, 1977, "Improvements in a dc Reactive Sputtering System for Coating Tubes," J. Vac. Sci. Technol. 14:1313-1315; Pearce, 1970, "A Thick Film Vacuum Deposition System for Microwave Tube Component Coating," Conference Records of 1970 Conference on Electron Device Techniques 208-211; and Harding et al., 1979, "Production of Properties of Selective Surfaces Coated onto Glass Tubes by a Magnetron Sputtering System," Proceedings of the International Solar Energy Society 1912-1916에 설명되어 있다.
선택적인 형광 재료. 일부 실시예에서, 형광 재료(예컨대, 발광 재료, 인광 재료)는 광전지 소자(10)의 층의 표면에 코팅된다. 일부 실시예에서, 형광 재료는 투명 케이스(310)의 외부 표면 및/또는 전광 표면에 코팅된다. 일부 실시예에서, 형광 재료는 투명 도전재(110)의 외부 표면에 코팅된다. 일부 실시예에서, 광전지 소자는 방수층을 포함하고 형광 재료는 방수층에 코팅된다. 일부 실시예에서, 광전지 소자(10)의 두 표면 이상이 선택적인 형광 재료로 코팅된다. 일부 실시예에서, 형광 재료는 일부 반도체 접합부(106/108)가 전기로 변환하기 위해 사용하지 않는 청색 및/또는 자외광을 흡수하고, 형광 재료는 일부 반도체 접합부(106/108)에서 전기적 생성을 위해 유용한 가시광 및/또는 적외광에서 광을 방출한다.
형광, 발광, 또는 인광 재료는 청색 또는 UV 범위에서 광을 흡수하고 가시광을 방출할 수 있다. 인광 재료, 또는 인광체는 보통 적절한 호스트(host) 재료 및 활성재를 포함한다. 호스트 재료는 일반적으로 아연, 카드뮴, 망간, 알루미늄, 실리콘 또는 다양한 희토류 금속의 산화물, 황화물, 셀렌화물, 할로겐화물 또는 실리케이트이다. 활성재는 방출 시간을 연장하기 위해 추가된다.
일부 실시예에서, 인광 재료는 광전지 소자(10)에 의한 광 흡수를 증대시키 기 위해 본 발명의 시스템 및 방법에서 포함된다. 일부 실시예에서, 인광 재료는 투명 케이스(310)를 만들기 위해 사용되는 재료에 직접 추가된다. 일부 실시예에서, 인광 재료는 상기한 바와 같이 광전지 소자(10)의 다양한 외부 또는 내부 층을 코팅하기 위해 투명 페인트로서 사용하기 위한 바인더와 혼합된다.
예시적인 인광체는 구리 활성 아연 황화물(ZnS:Cu) 및 은 활성 아연 황화물(ZnS:Ag)을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 예시적인 인광 재료는 아연 황화물 및 카드뮴 황화물(ZnS:CdS), 유로퓸에 의해 활성되는 스트론튬 알루미네이트(SrAlO3:Eu), 프라세오디뮴 및 알루미늄에 의해 활성되는 스트론튬 티타늄(SrTiO3:Pr, Al), 비스무스와 함께 스트론튬 황화물을 갖는 칼슘 황화물((Ca,Sr)S:Bi), 구리 및 마그네슘 활성 아연 황화물(ZnS:Cu,Mg) 또는 임의의 그 조합을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
인광체 재료를 생성하는 방법은 당해 기술에서 잘 알려져 있다. 예컨대, ZnS:Cu 또는 다른 관련 인광 재료를 만드는 방법은 참고로 전체가 본원에 포함된 버틀러 등의 미국 특허 번호 2,807,587, 모리슨 등의 3,031,415, 모리슨 등의 3,031,416, 스트로크의 3,152,995, 페인의 3,154,712, 라고스 등의 3,222,214, 포스의 3,657,142, 레일리 등의 4,859,361, 및 카람 등의 5,269,966에 설명되어 있다. ZnS:Ag 또는 관련된 인광 재료를 만드는 방법은 참고로 전체가 본원에 포함된 파크 등의 미국 특허 번호 6,200,497, 이하라 등의 6,025,675, 타카하라 등의 4,804,882, 및 마쯔다 등의 4,512,912에 설명되어 있다. 일반적으로, 인광체의 지 속성은 파장이 감소함에 따라 증가한다. 일부 실시예에서, CdSe 또는 유사한 인광 재료의 양자 점은 동일한 효과를 얻기 위해 사용될 수 있다. 참고로 전체가 본원에 포함된 Dabbousi et al., 1995, "Electroluminescence from CdSe quantum-dot/polymer composites," Applied Physics Letters 66(11): 1316-1318; Dabbousi et al., 1997 "(CdSe)ZnS Core-Shell Quantum Dots: Synthesis and Characterization of a Size Series of Highly Luminescent Nanocrystallites," J.Phys. Chem. B, 101: 9463-9475; Ebenstein et al., 2002, "Fluorescence quantum yield of CdSe:ZnS nanocrystals investigated by correlated atomic-force and single-particle fluorescence microscopy," Applied Physics Letters 80:1023-1025; Peng et al., 2000, "Shape control of CdSe nanocrystals," Nature 104: 59-61을 참고한다.
일부 실시예에서, 광학 증백제는 본 발명의 선택적인 형광층에서 사용된다. 광학 증백제(광학 증백 작용제, 형광 증백 작용제 또는 형광 표백 작용제라고도 함)는 전자 스펙트럼의 자외선 및 보라색 영역에서 광을 흡수하고 청색 영역에서 광을 재발광하는 염료이다. 이러한 화합물은 스틸벤(예컨대, 트랜스-1, 2-디페닐에틸렌 또는(E)-1, 2-디페닐에텐)을 포함한다. 본 발명의 선택적인 형광층에서 사용될 수 있는 다른 예시적인 광학 증백제는 움벨리페론(7-히드록시쿠마린)으로 이것도 스펙트럼의 UV 부분에서 에너지를 흡수한다. 이 에너지는 가시 스펙트럼의 청색부분에서 재방출된다. 광학 증백제에 대한 추가 정보는 Dean, 1963, Naturally Occurring Oxygen Ring Compounds, Butterworths, London; Joule and Mills, 2000, Heterocyclic Chemistry, 4th edition, Blackwell Science, Oxford, United Kingdom; 및 Barton, 1999, Comprehensive Natural Products Chemistry 2:677, Nakanishi and Meth-Cohn eds., Elsevier, Oxford, United Kingdom, 1999에 있다.
원주상에 위치(Circumferentially disposed). 일부 경우, 상기 재료들은 광전지 소자(10)의 태양 전지(12)를 형성하기 위해 비평면(예컨대, 원통형) 기판(102)에 성공적으로 원주상에 위치한다. 본원에 사용되는 바와 같이, 원주상에 위치한다는 것은 이러한 각 재료층이 반드시 하부 층 상에 퇴적된다는 것을 의미하는 것은 아니다. 실제로, 이러한 층들은 하부 층 상에 몰딩되거나 형성될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 원주상에 위치한다는 것은 상부 층과 하부 층 사이에 고리 모양의 공간이 없도록 상부 층이 하부 층 상에 위치한다는 의미이다. 또한, 여기 사용된 바와 같이, 원주상에 위치하는 것은 상부 층이 하부 층의 주변부의 적어도 50%에 놓인다는 의미이다. 또한, 본원에 사용되는 바와 같이, 원주상에 위치한다는 것은 상부 층이 하부 층의 길이의 적어도 절반을 따라 놓인다는 의미이다.
원주상으로 밀봉(Circumferentially sealed). 여기 사용되는 바와 같이, 원주상으로 밀봉된다는 것은 상부 층 또는 구조가 반드시 하부 층 또는 구조에 퇴적되는 것을 의미하는 것은 아니다. 실제로, 이러한 층 또는 구조(예컨대, 투명 케이스(310))는 하부 층 또는 구조 상에 몰딩되거나 형성될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 원주상으로 밀봉된다는 것은 상부 층 또는 구조와 하부 층 또는 구조 사이에 고리 모양의 공간이 없도록 상부 층 또는 구조가 하부 층 또는 구조 상에 놓인다는 것을 의미한다. 또한, 본원에 사용되는 바와 같이, 원주상으로 밀봉된다는 것은 상부 층이 하부 층의 주변부 전체에 놓인다는 것을 의미한다. 일반적인 실시예에서, 층 또는 구조는 하부 층 또는 구조의 주변부 전체에 그리고 하부 층 또는 구조의 길이 전체를 따라 원주상으로 놓일 때 하부 층 또는 구조를 원주상으로 밀봉한다. 그러나, 원주상 밀봉 층 또는 구조가 하부 층 또는 구조의 전체 길이를 따라 연장하지 않을 가능성이 있다.
단단함(rigid). 일부 실시예에서, 기판(102) 및/또는 투명 케이스(310)는 단단하다. 재료의 강도는 영률(Young's modulus)을 포함하지만 이에 한정되지 않는 몇가지 다른 측정기준을 이용하여 측정될 수 있다. 고체 역학에서, 영률(E)(영률, 탄성계수, 탄성율 또는 인장탄성계수라고도 함)은 주어진 재료의 강성도(stiffness)의 측정치이다. 그것은 작은 변형에 대해, 변형율(strain)과 응력(stress)의 변화 레이트의 비율로서 정의된다. 이것은 재료의 샘플에서 수행되는 인장 테스트 동안 생성되는 응력-변형율 곡선의 기울기로부터 실험적으로 결정될 수 있다. 다양한 재료에 대한 영률이 다음 표에 주어진다.
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본 출원의 일부 실시예에서, 재료(예컨대, 기판(102), 투명 케이스(310) 등)는 영률이 20GPa 이상, 30GPa 이상, 40GPa 이상, 50GPa 이상, 60GPa 이상, 또는 70GPa 이상인 재료로 만들어질 때 단단하다고 간주된다. 일부 실시예에서, 재료(예컨대, 기판(102), 투명 케이스(310) 등)는 이에 대한 영률이 변형률의 범위에 대해 상수일 때 단단하다고 간주된다. 이러한 재료는 선형이라고 하고 후크 법칙에 따른다고 한다. 따라서, 일부 실시예에서, 기판(102)은 후크 법칙에 따르는 선형 재료로부터 만들어진다. 선형 재료의 예로는 강철, 탄소 섬유 및 유리가 있는데 이에 한정되는 것은 아니다. 고무 및 토질(매우 낮은 변형률 제외)은 비선형 재료이다. 일부 실시예에서, 재료가 큰 범위의 힘에서 임의 양의 힘을 받을 때(예컨대, 1 다인과 105 다인 사이, 1000 다인과 106 다인 사이, 10,000 다인과 107 다 인 사이), 그러한 힘을 받을 때 미소한 연장이나 단축 또는 다른 변형만을 겪도록, 재료가 탄성의 미소 변형 이론에 따를 때, 이 재료는 단단하다고 간주된다. 이러한 예시적인 재료의 변형(또는 변형의 변화율)이 작다는 요건은 수학적으로 이 양들 중 어느 것의 제곱이 이러한 힘에 노출될 때 이 양의 제1 파워와 비교할 때 무시할만큼 작다는 것을 의미한다. 단단한 재료에 대한 요건을 언급하는 다른 방법은 이러한 재료가 큰 범위의 힘(예컨대, 1 다인과 105 다인 사이, 1000 다인과 106 다인 사이, 10,000 다인과 107 다인 사이)에 대해 가시적으로 변형되지 않는다는 것이고, 선형 항만을 갖는 변형률 텐서(strain tensor)에 의해 특징지워진다. 재료에 대한 변형률 텐서는 참고로 전체가 본원에 포함된 Borg, 1962, Fundamentals of Engineering Elasticity, Princeton, New Jersey, pp.36-41에서 설명된다. 일부 실시예에서, 재료는 충분한 크기와 규격의 재료 샘플이 중력 하에서 구부러지지 않을 때 단단하다고 간주된다.
일반적으로, 당업자에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 본체(예컨대, 기판(102), 투명 케이스(310) 등)가 힘에 의해 변형되는 정도, 예컨대 본체의 강도는 본체가 만들어진 재료의 영률, 본체의 길이 및 단면 규격, 및 본체에 가해지는 힘과 관련된다. 일부 실시예에서, 본체 재료의 영률, 및 본체의 길이 및 단면적은 본체의 제2 단부가 고정된 상태에서 본체의 제1 단부에 예컨대 1 다인과 105 다인 사이, 100 다인과 106 다인 사이 또는 10,000 다인과 107 다인 사이의 힘이 가해질 때 본체(예컨대, 기판(401), 케이스(310) 등)가 실질적으로 가시적으로 변형(구부러짐)되지 않도록 선택된다. 일부 실시예에서, 본체 재료의 영률 및 본체의 길이와 단면적은 본체의 제2 단부가 고정된 상태에서 본체의 제1 단부에 중력이 가해질 때 실질적으로 가시적으로 변형되지 않도록 선택된다.
비평면 ( Non - planar ). 본 출원은 단단한 원통 형상을 갖거나 고체 막대인 연장된 광전지 모듈 및 기판에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예에서, 기판(102)의 전부 또는 일부는 원형이 아닌 다른 다수의 형태 중 임의의 것의 경계를 갖는 단면을 특징으로 할 수 있다. 경계 형태는 원형, 알형, 또는 하나 이상의 평활 곡면을 갖는 임의의 형태, 또는 평활 곡면의 임의의 슬라이스 중 하나일 수 있다. 경계 형태는 n 다각형(n은 3, 5 또는 그 이상)일 수 있다. 경계 형태는 삼각형, 직사각형, 오각형, 육각형 또는 임의 갯수의 직선형 구분 표면을 갖는 것을 포함한 선형일 수 있다. 그렇지 않으면, 단면은 직선형 표면, 아치형 표면, 또는 곡면의 임의의 조합에 의해 경계지어질 수 있다.
일부 실시예에서, 기판(102)의 제1 부분은 제1 단면 형태를 특징으로 하고 기판(102)의 제2 부분은 제2 단면 형태를 특징으로 하는데, 제1 및 제2 단면 형태는 동일하거나 다르다. 일부 실시예에서, 기판(102) 길이의 적어도 0%, 적어도 10%, 적어도 20%, 적어도 30%, 적어도 40%, 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 80%, 적어도 90% 또는 전부는 제1 단면 형태를 특징으로 한다. 일부 실시예에서, 제1 단면 형태는 평면이고(예컨대, 아치형 면이 없고) 제2 단면 형태는 적어도 하나의 아치형 면을 갖는다.
연장된(Elongated). "연장된" 이라는 용어를 정의하기 위해, 물체(예컨대, 기판, 연장된 광전지 모듈 등)가 폭 치수(짧은 치수, 예컨대 원통형 물체의 직경) 및 길이(긴) 치수를 갖는 것으로 간주한다. 일부 실시예에서 물체의 길이 치수가 폭 치수 보다 적어도 4배 더 길 때 연장된 것으로 간주한다. 다른 실시예에서, 물체의 길이 치수가 폭 치수 보다 적어도 5배 더 길 때 물체가 연장된 것으로 간주한다. 다른 실시예에서, 물체의 길이 치수가 폭 치수 보다 적어도 6배 더 길 때 물체가 연장된 것으로 간주한다. 일부 실시예에서, 물체의 길이 치수가 100cm 이상이고 단면이 적어도 하나의 아치형 가장자리를 포함할 때 이 물체는 연장된 것으로 간주한다. 일부 실시예에서, 물체의 길이 치수가 100cm 이상이고 물체가 원통 형상을 가질 때 이 물체는 연장된 것으로 간주한다. 일부 실시예에서, 광전지 모듈은 연장된다. 일부 실시예에서, 기판은 연장된다.
1.3 예시적인 반도체 접합부
도 10A를 참조하면, 일실시예에서, 반도체 접합부(106/108)는 도전 재료(104)의 전부 또는 일부에 위치한 흡수층(106)과 흡수층(106)의 전부 또는 일부에 위치한 접합부 파트너 층(108) 사이의 이종접합부이다. 다른 실시예에서, 접합부 파트너 층(108)은 백 전극(back-electrode)(104)의 전부 또는 일부에 위치하고, 흡수층(106)은 접합부 파트너 층(108)의 전부 또는 일부에 위치한다. 층(106 및 108)은 접합부 파트너 층(108)이 흡수층(106) 보다 더 큰 밴드갭을 갖도록 서로 다른 밴드갭과 전자 친화력을 갖는 서로 다른 반도체로 구성된다.
예컨대, 일부 실시예에서, 흡수층(106)은 p 도핑되고 접합부 파트너 층(108) 은 n 도핑된다. 이러한 실시예에서, 투명 도전층(110)은 n+ 도핑된다. 다른 실시예에서, 흡수층(106)은 n 도핑되고 접합부 파트너 층(108)은 p 도핑된다. 이러한 실시예에서, 투명 도전층(110)은 p+ 도핑된다. 일부 실시예에서, 참고로 본원에 전체가 포함된 Pandey, Handbook of Semiconductor Electrodeposition, Marcel Dekker Inc., 1996, Appendix 5에 나열된 반도체들 중 임의의 것이 반도체 접합부(106/108)를 형성하기 위해 사용된다.
p-n 접합에 기초한 태양 전지의 특성. p-n 접합(반도체 접합부(106/108)의 일 형태)에 기초한 태양 전지의 동작 원리는 잘 알려져 있다. 간단히 설명하면, p형 반도체가 n형 반도체에 밀접히 접촉하여 위치한다. 평형 상태에서, 전자는 접합부의 n형 측에서 접합부의 p형 측으로 확산되어 정공과 재결합하고, 정공은 접합부의 p형 측에서 접합부의 n형 측으로 확산되어 전자와 재결합한다. 결과적인 전하의 불균형은 접합부에서 전위차를 생성하고 접합부 근처에서 이동 전하 캐리어가 더 이상 존재하지 않는 "공간 전하 영역" 또는 "공핍층"을 형성한다.
접합부의 p형 측 및 n형 측은 외부 부하에 연결된 각각의 전극에 연결된다. 동작시, 두 접합부 층 중 하나는 흡수층으로 동작하고 다른 접합부 층은 "접합부 파트너 층"이라 한다. 흡수층은 만들어진 재료의 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 광자를 흡수하고(후술), 이는 접합부에 의해 생성된 전위의 영향하에 드리프트하는 전자를 생성한다. "드리프트"는 인가된 전계에 대한 전하 입자의 반응이다. 전자는 흡수층에 연결된 전극으로 드리프트하고, 외부 부하를 통해 드리프트하고(이에 의해 전기 생성), 접합부 파트너 층으로 이동한다. 접합부 파트너 층에서, 전자는 접합부 파트너 층에 있는 정공과 재결합한다. 본 출원의 일부 접합부(106/108)에서, 접합부에 의해 생성되는 전기(예컨대, 외부 부하에서의 전자)의 실질적으로 전부는 아니더라도 상당한 부분이 예컨대 30% 초과, 50% 초과, 60% 초과, 70% 초과, 80% 초과, 90% 초과, 95% 초과, 98% 초과, 99% 초과인 흡수층에 의한 광자의 흡수로부터 유래하거나, 또는 접합부(106/108)에 의해 생성되는 전기의 실질적으로 전부가 흡수층에 의한 광자의 흡수에서 유래한다. 본 출원의 일부 접합부(106/108)에서, 광전지 소자(10) 내의 태양 전지(12)에 의해 생성되는 전기(예컨대, 외부 부하에서의 전자)의 실질적으로 전부는 아니더라도 상당 부분이 예컨대 30% 초과, 50% 초과, 60% 초과, 70% 초과, 80% 초과, 90% 초과, 95% 초과, 98% 초과, 99% 초과인 흡수층에 의한 광자의 흡수로부터 유래하거나, 또는 광전지 소자(10) 내의 태양 전지(12)에 의해 생성되는 전기의 실질적으로 전부가 흡수층에 의한 광자의 흡수에서 유래한다. 보다 상세한 내용은, 참고로 전체가 본원에 포함된 Chapter 3 of Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, 2003, Luque and Hegedus(eds.), Wiley & Sons, West Sussex, England를 참조한다.
염료 및 폴리머 기반 박막 태양 전지는 일반적으로 p-n-접합 태양 전지가 아니고 전자-정공 분리의 주요 방식은 인가된 전계에 응답한 드리프트가 아니라 전하 캐리어 확산을 통한 것이다. 염색 및 폴리머계 박막 태양 전지에 대한 세부 사항에 대해서는, 참고로 본원에 전체가 포함된 Chapter 15 of Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, 2003, Luque and Hegedus(eds.), Wiley & Sons, West Sussex, England를 참조한다.
재료 특성. 일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108)에서 사용을 위한 재료는 무기물이고 이것은 이들이 실질적으로 환원된 탄소를 포함하지 않는다는 의미이고 무시할만한 양의 환원된 탄소가 이러한 재료에 불순물로서 자연적으로 존재할 수 있다는 점도 언급해 둔다. 본원에 사용되는 바와 같이, "무기 화합물"이라는 용어는 참고로 본원에 전체가 포함된 Moeller, 1982, Inorganic Chemistry , A modern Introduction, Wiley, New York, p.2에 설명된 바와 같은 탄화수소 및 그 유도체를 제외한 모든 화합물을 말한다.
일부 실시예에서, 반도체 접합부에 사용하는 재료는 고체, 즉 재료를 구성하는 원자들이 이 재료 내의 열 에너지에 기인하여 자신의 위치에서 진동할 수 있다는 점을 제외하고는 서로에 대해 공간이 고정된 위치를 갖는다. 고체 물체는 변형 및 부피 변화에 대한 저항을 특징으로 하는 물질의 상태에 있다. 미시적인 크기에서, 고체는 다음과 같은 성질을 갖는다. 첫째, 고체를 구성하는 원자나 분자들이 함께 밀접하게 채워져 있다. 둘째, 고체의 구성 원소들이 서로에 대해 공간에서 고정된 위치를 갖는다. 이것은 고체의 강도의 원인이다. 고체의 일 비한정적인 형태인 결정 구조는 결정 내의 원자들의 고유한 정렬이다. 결정 구조는 특정 방식으로 정렬되는 원자들의 집합인 단위 셀로 구성되고 이것은 격자에서 3차원으로 주기적으로 반복된다. 다양한 방향에서 단위 셀들 사이의 간격은 그 격자 파라미터라고 한다. 결정의 대칭 성질은 그 공간 그룹에서 구체화된다. 결정의 구조 및 대칭은 쪼개짐, 전자 밴드 구조, 및 광학 성질과 같은 자신의 성질의 많은 것을 결 정할 때 역할한다. 셋째, 충분한 힘이 인가되면, 상기 첫째 및 둘째 성질 중 어느 것이라도 붕괴되어 영구적인 변형을 가져올 수 있다.
일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108)는 고체 상태에 있다. 일부 실시예에서, 기판(102), 백 전극(404), 반도체 접합부(106/108), 선택적인 진성층(415), 투명 도전층(110), 투명 케이스(310), 및 방수층의 임의의 조합은 고체 상태에 있다.
상기 반도체 재료의 전부는 아니지만 많은 것들이 결정질 또는 다결정질이다. "결정질"이라 함은 재료를 구성하는 원자나 분자들이 모든 3개의 공간 차원으로 연장하는 순서적으로 반복되는 패턴으로 배열된다는 의미이다. "다결정질"이라 함은 재료가 결정질 영역들을 포함하지만, 각 특정 결정질 영역 내의 원자나 분자의 정렬이 다른 결정질 영역들 내의 원자나 분자의 정렬과 반드시 관련되는 것은 아님을 의미한다. 다결정질 재료에서, 입자 경계는 일반적으로 한 결정질 영역을 다른 결정질 영역과 분리시킨다. 일부 실시예에서, 흡수층 및/또는 접합부 파트너 층을 구성하는 재료의 10% 초과, 20% 초과, 30% 초과, 40% 초과, 50% 초과, 60% 초과, 70% 초과, 80% 초과, 90% 초과, 99% 초과 또는 그 이상은 결정질 상태에 있다. 즉, 일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108)의 흡수층 및/또는 접합부 파트너 층을 구성하는 재료의 분자들의 10% 초과, 20% 초과, 30% 초과, 40% 초과, 50% 초과, 60% 초과, 70% 초과, 80% 초과, 90% 초과, 99% 초과 또는 그 이상은 독립적으로 하나 이상의 결정으로 정렬되고, 여기서 이러한 결정은 참고로 본원에 전체가 포함된 Stout and Jensen, 1989, X-ray Structure Determination, A Practical Guide, John Wiley & Sons, p.42의 표 3.1에 정의된 삼사정계, 단사정계, 사방정계, 정방정계, 삼방정계(사방 육면체 격자), 삼방정계(육방정계 격자), 육방정계, 또는 입방정계에 있다. 일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108)의 흡수층 및/또는 접합부 파트너 층을 구성하는 재료의 분자들의 10% 초과, 20% 초과, 30% 초과, 40% 초과, 50% 초과, 60% 초과, 70% 초과, 80% 초과, 90% 초과, 99% 초과 또는 그 이상은 하나 이상의 결정으로 독립적으로 정렬되는데, 각 결정은 삼사정계의 대칭에 따르고 각 결정은 단사정계의 대칭에 따르고, 각 결정은 사방정계의 대칭에 따르고, 각 결정은 정방정계의 대칭에 따르고, 각 결정은 삼방정계(사방 육면체 격자)의 대칭에 따르고, 각 결정은 삼방정계(육방정계 격자)의 대칭에 따르고, 각 결정은 육방정계의 대칭에 따르고, 또는 각 결정은 입방정계의 대칭에 따른다. 일부 실시예에서, 반도체 접합부(410)의 흡수층 및/또는 접합부 파트너 층을 구성하는 재료의 분자들의 10% 초과, 20% 초과, 30% 초과, 40% 초과, 50% 초과, 60% 초과, 70% 초과, 80% 초과, 90% 초과, 99% 초과 또는 그 이상은 하나 이상의 결정으로 독립적으로 정렬되는데, 각 결정은 230개의 가능한 공간 그룹 중 임의의 하나에 독립적으로 있다. 230개의 가능한 공간 그룹들의 리스트에 대해, 참고로 본원에 전체가 포함된 Stout and Jensen, 1989, X-ray Structure Determination, A Practical Guide, John Wiley & Sons, p.68-69의 표 3.4를 참조한다. 일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108)의 흡수층 및/또는 접합부 파트너 층을 구성하는 재료의 분자들의 10% 초과, 20% 초과, 30% 초과, 40% 초과, 50% 초과, 60% 초과, 70% 초과, 80% 초과, 90% 초과, 99% 초과 또는 그 이상은 입방 공간 그룹으로 정렬된다. 입방 공간 그 룹 각각의 리스트에 대해, 참고로 본원에 전체가 포함된 Stout and Jensen, 1989, X-ray Structure Determination, A Practical Guide, John Wiley & Sons, p.68-69의 표 3.4를 참조한다. 일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108)의 흡수층 및/또는 접합부 파트너 층을 구성하는 재료의 분자들의 10% 초과, 20% 초과, 30% 초과, 40% 초과, 50% 초과, 60% 초과, 70% 초과, 80% 초과, 90% 초과, 99% 초과 또는 그 이상은 정방정계 공간 그룹으로 정렬된다. 정방정계 공간 그룹 각각의 리스트에 대해, 참고로 본원에 전체가 포함된 Stout and Jensen, 1989, X-ray Structure Determination, A Practical Guide, John Wiley & Sons, p.68-69의 표 3.4를 참조한다. 일부 실시예에서, 반도체 접합부(410)의 흡수층 및/또는 접합부 파트너 층을 구성하는 재료의 분자들의 10% 초과, 20% 초과, 30% 초과, 40% 초과, 50% 초과, 60% 초과, 70% 초과, 80% 초과, 90% 초과, 99% 초과 또는 그 이상은 Fm3m 공간 그룹으로 정렬된다. 반도체 접합부(106/108)의 흡수층 및/또는 접합부 파트너 층은 하나 이상의 입자 경계를 포함할 수 있다.
일반적인 실시예에서, 반도체 접합부(106/108)에서 사용되는 재료는 고체 무기 반도체이다. 즉, 이러한 재료는 무기물이고, 고체 상태에 있으며 반도체이다. 이러한 상태에 있는 이런 재료의 직접적인 결과는 이러한 재료의 전자 밴드 구조가 고유한 밴드 구조를 갖는데, 여기서 거의 완전히 채워진 원자가 밴드(valence band)와 거의 완전히 채워지지 않은 전도 밴드(conduction band)가 있고 원자가 밴드와 전도 밴드 사이에 밴드갭이라고 하는 금지 갭이 있다. 일부 실시예에서, 흡수층에 있는 분자의 적어도 80% 또는 적어도 90% 또는 실질적으로 전부는 무기 반 도체 분자이고, 접합부 파트너 층의 분자의 적어도 80%, 90% 또는 실질적으로 전부는 무기 반도체 분자이다.
일부 실시예에서 Si와 같은 상기 반도체 재료의 다른 것은 비정질이다. "비정질"이라 함은 재료를 구성하는 원자나 분자의 위치의 긴 범위의 순서가 없는 재료를 의미한다. 예컨대, 10nm 보다 크거나 50nm 보다 큰 길이 스케일에서, 일반적으로 비정질 재료에서는 인식가능한 순서가 없다. 그러나, 작은 길이 스케일(예컨대, 5nm 미만 또는 2nm 미만)에서, 비정질 재료라도 작은 길이 스케일에서 이러한 재료가 표준 방향으로 230개의 가능한 공간 그룹들 중 하나의 요건을 따르도록 원자 위치들 중에서 임의의 짧은 범위의 순서를 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 본원에 설명된 것과 같은 태양 전지의 다양한 실시예에서의 사용에 적절한 반도체 재료는 비중합체이다(예컨대, 유기 폴리머에 기초하지 않음). 일반적으로, 폴리머가 이것이 만들어지는 모노머 단위에 기초한 반복적인 화학 구조를 가질 수 있더라도, 폴리머의 일부의 다른 부분에 대한 공간 위치에 대해 긴 범위의 순서가 일반적으로 없고 이러한 폴리머의 공간 위치가 230개의 가능한 공간 그룹 중 임의의 것의 대칭 요건 또는 7개의 결정계 중 임의의 것의 대칭 요건을 따르지 않기 때문에 당업자는 폴리머가 일반적으로 비정질 상태에서 발견된다는 것을 인식한다. 그러나, 폴리머 재료는 짧은 범위의 결정질 영역을 가질 수 있다는 것도 인정된다.
밴드갭. 본 출원의 일부 실시예에서, 태양 전지에서 생성되는 에너지의 적어도 40%, 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 80%, 적어도 90%, 적어도 95%, 적어도 99% 또는 실질적으로 전부는 흡수층의 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 광자를 흡수하는 반도체 접합부(106/108) 내의 흡수층에 의해 생성된다. 예컨대, 태양 전지에서 생성되는 에너지의 적어도 약 30%, 적어도 약 40%, 적어도 약 50%, 적어도 약 60%, 적어도 약 70%, 적어도 약 80%, 적어도 약 85%, 적어도 약 90%, 적어도 약 95%, 적어도 약 98%, 적어도 약 99% 또는 그 이상은 흡수층의 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 광자를 흡수하는 흡수층에 의해 생성된다.
유용하게도, 많은 실시예에서, 흡수층 및 접합부 파트너 층 각각은 예컨대 약 0.6eV(약 2066nm)와 약 2.4eV(약 516nm) 사이의 밴드갭을 갖는다. 일부 실시예에서, 접합부 파트너 층은 예컨대 약 0.7eV(약 1771nm)와 약 2.2eV(약 563nm) 사이의 밴드갭을 갖는다. 일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108) 내의 흡수층 또는 접합부 파트너 층은 예컨대 약 0.8eV(약 1550nm)와 약 2.0eV(약 620nm) 사이의 밴드갭을 갖는다. 일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108) 내의 흡수층 또는 접합부 파트너 층은 예컨대 약 0.9eV(약 1378nm)와 약 1.8eV(약 689nm) 사이의 밴드갭을 갖는다. 일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108) 내의 흡수층 또는 접합부 파트너 층은 예컨대 약 1eV(약 1240nm)와 약 1.6eV(약 775nm) 사이의 밴드갭을 갖는다. 일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108) 내의 흡수층 또는 접합부 파트너 층은 예컨대 약 1.1eV(약 1127nm)와 약 1.4eV(약 886nm) 사이의 밴드갭을 갖는다. 일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108) 내의 흡수층 또는 접합부 파트너 층은 예컨대 약 1.1eV(약 1127nm)와 약 1.2eV(약 1033nm) 사이의 밴드갭을 갖는다. 일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108) 내의 흡수층 또는 접합부 파트너 층은 예 컨대 약 1.2eV(약 1033nm)와 약 1.3eV(약 954nm) 사이의 밴드갭을 갖는다.
일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108) 내의 흡수층 및/또는 접합부 파트너 층은 예컨대 0.6eV(2066nm)와 2.4eV(516nm) 사이, 0.7eV(1771nm)와 2.2eV(563nm) 사이, 0.8eV(1550nm)와 2.0eV(620nm) 사이, 0.9eV(1378nm)와 1.8eV(689nm) 사이, 1eV(1240nm)와 1.6eV(775nm) 사이, 1.1eV(1127nm)와 1.4eV(886nm) 사이, 또는 1.2eV(1033nm)와 1.3eV(954nm) 사이의 밴드갭을 갖는다. 일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108) 내의 흡수층은 예컨대 0.6eV(2066nm)와 2.4eV(516nm) 사이, 0.7eV(1771nm)와 2.2eV(563nm) 사이, 0.8eV(1550nm)와 2.0eV(620nm) 사이, 0.9eV(1378nm)와 1.8eV(689nm) 사이, 1eV(1240nm)와 1.6eV(775nm) 사이, 1.1eV(1127nm)와 1.4eV(886nm) 사이, 또는 1.2eV(1033nm)와 1.3eV(954nm) 사이의 밴드갭을 갖는다. 일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108) 내의 접합부 파트너 층은 예컨대 0.6eV(2066nm)와 2.4eV(516nm) 사이, 0.7eV(1771nm)와 2.2eV(563nm) 사이, 0.8eV(1550nm)와 2.0eV(620nm) 사이, 0.9eV(1378nm)와 1.8eV(689nm) 사이, 1eV(1240nm)와 1.6eV(775nm) 사이, 1.1eV(1127nm)와 1.4eV(886nm) 사이, 또는 1.2eV(1033nm)와 1.3eV(954nm) 사이의 밴드갭을 갖는다.
상기한 바와 같이, 흡수층 및 접합부 파트너 층은 접합부 파트너 층이 흡수층 보다 더 큰 밴드갭을 갖도록 서로 다른 밴드갭과 전자 친화력을 갖는 서로 다른 반도체를 포함한다. 예컨대, 흡수층은 약 0.9eV와 약 1.8eV 사이의 밴드갭을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108) 내의 흡수층은 구리-인듐-갈 륨-디셀레나이드(CIGS)를 포함하고 흡수층의 밴드갭은 1.04eV 내지 1.67eV의 범위에 있다. 일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108) 내의 흡수층은 구리-인듐-갈륨-디셀레나이드(CIGS)를 포함하고 흡수층의 최소 밴드갭은 1.1eV와 1.2eV 사이에 있다.
일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108) 내의 흡수층은 흡수층의 밴드갭이 흡수층 깊이의 함수로서 가변하도록 단계가 정해진다. 당해 기술분야에서 잘 알려져 있는 바와 같이, 모델링의 목적상, 이러한 단계 흡수층은 각각이 서로 다른 조성물과 대응하는 밴드갭을 갖는 적층된 층들로서 모델링될 수 있다. 예컨대, 일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108) 내의 흡수층은 불균일한 Ga/In 조성물 대 흡수층 깊이를 갖는 스티오치오메트리(stiochiometry) CuIn1 - xGaxSe2를 갖는 구리-인듐-갈륨-디셀레나이드를 포함한다. 이러한 불균일한 Ga/In 조성물은 예컨대 흡수층의 비평면 백 전극 상에의 퇴적 동안에 Ga 및 In의 원소 플럭스를 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108) 내의 흡수층은 스티오치오메트리 CuIn1 - xGaxSe2를 갖는 구리-인듐-갈륨-디셀레나이드를 포함하는데 여기서 흡수층의 밴드갭 범위는 흡수층 깊이의 함수로서 1.04eV 내지 1.67eV의 범위의 제1 값과 1.04eV 내지 1.67eV의 범위의 제2 값 사이에서 변하고 제1 값이 제2 값보다 큰 경우이다. 일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108) 내의 흡수층은 스티오치오메트리 CuIn1 - xGaxSe2를 갖는 구리-인듐-갈륨-디셀레나이드를 포함하는데 여기서 흡수층의 밴드갭 범위는 흡수층 깊이의 함수로서 1.04eV 내지 1.67eV의 범위의 제1 값과 1.04eV 내지 1.67eV의 범위의 제2 값 사이에서 변하고 제1 값이 제2 값보다 작은 경우이다. 일반적으로, 이러한 실시예에서, 밴드갭은 흡수층 깊이의 함수로서 연속적인 선형 변화도에서 제1 값과 제2 값 사이의 범위이다. 그러나, 일부 실시예에서, 밴드갭은 흡수층 깊이의 함수로서 비선형 변화도로 또는 불연속적으로 제1 값과 제2 값 사이의 범위에 있다.
일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108) 내의 흡수층 또는 접합부 파트너 층은 흡수층 깊이의 함수로서 1.04eV 내지 1.67eV의 범위의 제1 값과 1.04eV 내지 1.67eV의 범위의 제2 값 사이의 범위로 제1 값이 제2 값보다 큰 경우의 밴드갭을 특징으로 한다. 일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108) 내의 흡수층은 스티오치오메트리 CuIn1 - xGaxSe2를 갖는 구리-인듐-갈륨-디셀레나이드를 포함하는데 여기서 밴드갭 범위는 흡추층 깊이의 함수로서 1.04eV 내지 1.67eV의 범위의 제1 값과 1.04eV 내지 1.67eV의 범위의 제2 값 사이에 있고 제1 값이 제2 값보다 작은 경우이다. 일부 실시예에서, 밴드갭은 흡수층의 함수로서 연속적인 선형 변화도에서 제1 값과 제2 값 사이의 범위에 있다. 그러나, 일부 실시예에서, 밴드갭은 흡수층 깊이의 함수로서 비선형 변화도로 또는 불연속적으로 제1 값과 제2 값 사이의 범위에 있다. 또한, 일부 실시예에서, 밴드갭은 흡수층 깊이의 함수로서 밴드갭이 복수배 증가하고 감소하는 방식으로 제1 값과 제2 값 사이의 범위에 있다.
일부 실시예에서, 본 출원의 반도체 접합부(106/108) 내의 흡수층 또는 접합부 파트너 층은 0.6eV(2066nm) 내지 2.4eV(516nm)의 범위의 제1 값과 0.6eV(2066nm) 내지 2.4eV(516nm)의 범위의 제2 값 사이의 범위로 제1 값이 제2 값보다 작은 경우의 밴드갭을 특징으로 한다. 일부 실시예에서, 본 출원의 반도체 접합부(106/108) 내의 흡수층 또는 접합부 파트너 층은 0.7eV(1771nm) 내지 2.2eV(563nm)의 범위의 제1 값과 0.7eV(1771nm) 내지 2.2eV(563nm)의 범위의 제2 값 사이의 범위로 제1 값이 제2 값보다 작은 경우의 밴드갭을 특징으로 한다. 일부 실시예에서, 본 출원의 반도체 접합부(106/108) 내의 흡수층 또는 접합부 파트너 층은 0.8eV(1550nm) 내지 2.0eV(620nm)의 범위의 제1 값과 0.8eV(1550nm) 내지 2.0eV(620nm)의 범위의 제2 값 사이의 범위로 제1 값이 제2 값보다 작은 경우의 밴드갭을 특징으로 한다. 일부 실시예에서, 본 출원의 반도체 접합부(106/108) 내의 흡수층 또는 접합부 파트너 층은 0.9eV(1378nm) 내지 1.8eV(689nm)의 범위의 제1 값과 0.9eV(1378nm) 내지 1.8eV(689nm)의 범위의 제2 값 사이의 범위로 제1 값이 제2 값보다 작은 경우의 밴드갭을 특징으로 한다. 일부 실시예에서, 본 출원의 반도체 접합부(106/108) 내의 흡수층 또는 접합부 파트너 층은 1eV(1240nm) 내지 1.6eV(775nm)의 범위의 제1 값과 1eV(1240nm) 내지 1.6eV(775nm)의 범위의 제2 값 사이의 범위로 제1 값이 제2 값보다 작은 경우의 밴드갭을 특징으로 한다. 일부 실시예에서, 본 출원의 반도체 접합부(106/108) 내의 흡수층 또는 접합부 파트너 층은 1.1eV(1127nm) 내지 1.4eV(886nm)의 범위의 제1 값과 1.1eV(1127nm) 내지 1.4eV(886nm)의 범위의 제2 값 사이의 범위로 제1 값이 제2 값보다 작은 경우의 밴드갭을 특징으로 한다. 일부 실시예에서, 본 출원의 반도체 접합부(106/108) 내의 흡수층 또는 접합부 파트너 층은 1.2eV(1033nm) 내지 1.3eV(954nm)의 범위의 제1 값과 1.2eV(1033nm) 내지 1.3eV(954nm)의 범위의 제2 값 사이의 범위로 제1 값이 제2 값보다 작은 경우의 밴드갭을 특징으로 한다. 일부 실시예에서, 밴드갭은 흡수층 또는 접합부 파트너 층 깊이의 함수로서 연속적인 선형 변화도에서 제1 값과 제2 값 사이의 범위에 있다. 그러나, 일부 실시예에서, 밴드갭은 흡수층 깊이 또는 접합부 파트너 층 깊이의 함수로서 비선형 변화도로 또는 불연속적으로 제1 값과 제2 값 사이의 범위에 있다. 또한, 일부 실시예에서, 밴드갭은 흡수층 또는 접합부 파트너 층 깊이의 함수로서 밴드갭이 복수배 증가하고 감소하는 방식으로 제1 값과 제2 값 사이의 범위에 있다.
일부 실시예에서, 본 출원의 반도체 접합부(106/108) 내의 흡수층 또는 접합부 파트너 층은 0.6eV(2066nm) 내지 2.4eV(516nm)의 범위의 제1 값과 0.6eV(2066nm) 내지 2.4eV(516nm)의 범위의 제2 값 사이의 범위로 제1 값이 제2 값보다 큰 경우의 밴드갭을 특징으로 한다. 일부 실시예에서, 본 출원의 반도체 접합부(106/108)에서의 흡수층 또는 접합부 파트너 층은 0.7eV(1771nm) 내지 2.2eV(563nm)의 범위의 제1 값과 0.7eV(1771nm) 내지 2.2eV(563nm)의 범위의 제2 값 사이의 범위로 제1 값이 제2 값보다 큰 경우의 밴드갭을 특징으로 한다. 일부 실시예에서, 본 출원의 반도체 접합부(106/108) 내의 흡수층 또는 접합부 파트너 층은 0.8eV(1550nm) 내지 2.0eV(620nm)의 범위의 제1 값과 0.8eV(1550nm) 내지 2.0eV(620nm)의 범위의 제2 값 사이의 범위로 제1 값이 제2 값보다 큰 경우의 밴드갭을 특징으로 한다. 일부 실시예에서, 본 출원의 반도체 접합부(106/108) 내의 흡수층 또는 접합부 파트너 층은 0.9eV(1378nm) 내지 1.8eV(689nm)의 범위의 제1 값과 0.9eV(1378nm) 내지 1.8eV(689nm)의 범위의 제2 값 사이의 범위로 제1 값이 제2 값보다 큰 경우의 밴드갭을 특징으로 한다. 일부 실시예에서, 본 출원의 반도체 접합부(106/108) 내의 흡수층 또는 접합부 파트너 층은 1eV(1240nm) 내지 1.6eV(775nm)의 범위의 제1 값과 1eV(1240nm) 내지 1.6eV(775nm)의 범위의 제2 값 사이의 범위로 제1 값이 제2 값보다 큰 경우의 밴드갭을 특징으로 한다. 일부 실시예에서, 본 출원의 반도체 접합부(106/108) 내의 흡수층 또는 접합부 파트너 층은 1.1eV(1127nm) 내지 1.4eV(886nm)의 범위의 제1 값과 1.1eV(1127nm) 내지 1.4eV(886nm)의 범위의 제2 값 사이의 범위로 제1 값이 제2 값보다 큰 경우의 밴드갭을 특징으로 한다. 일부 실시예에서, 본 출원의 반도체 접합부(106/108) 내의 흡수층 또는 접합부 파트너 층은 1.2eV(1033nm) 내지 1.3eV(954nm)의 범위의 제1 값과 1.2eV(1033nm) 내지 1.3eV(954nm)의 범위의 제2 값 사이의 범위로 제1 값이 제2 값보다 큰 경우의 밴드갭을 특징으로 한다. 일부 실시예에서, 밴드갭은 흡수층 또는 접합부 파트너 층 깊이의 함수로서 연속적인 선형 변화도에서 제1 값과 제2 값 사이의 범위에 있다. 그러나, 일부 실시예에서, 밴드갭은 흡수층 또는 접합부 파트너 층 깊이의 함수로서 비선형 변화도로 또는 불연속적으로 제1 값과 제2 값 사이의 범위에 있다. 또한, 일부 실시예에서, 밴드갭은 흡수층 또는 접합부 파트너 층 깊이의 함수로서 밴드갭이 복수배 증가하고 감소하는 방식으로 제1 값과 제2 값 사이의 범위에 있다.
다음 표는 반도체의 다른 물리적 성질 뿐만 아니라 본원에 설명된 것과 같은 반도체 접합부에서의 사용에 적합한 수개의 반도체의 예시적인 밴드갭을 나열한다. "D"는 직접 밴드갭을 나타내고, "I"는 간접 밴드갭을 나타낸다.
표. 본 출원의 반도체 접합부(410)에서 사용될 수 있는 다양한 반도체의 성질( Pandey , Handbook of Semiconductor Electrodeposition , Marcel Dekker Inc ., 1996, Appendix 5)
Figure 112009073672468-pct00002
일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108)의 흡수층 및/또는 접합부 파트너 층에서 반도체 재료의 밀도는 약 2.33 g/cm3 과 8.9 g/cm3 사이의 범위이다. 일부 실시예에서, 흡수층은 약 5 g/cm3 과 6 g/cm3 사이의 밀도를 갖는다. 일부 실시예에서, 흡수층은 CIGS를 포함한다. CIGS의 밀도는 단위 결정 셀이 입방형에서 사각형으로 변하므로 그 조성물에 따라 변한다. CIGS에 대한 화학식은 Cu(In1 - xGax)Se2이다. 0.5 미만의 갈륨 몰분율에서, CIGS는 사각형 황동광 구조를 취한다. 0.5 초과의 몰분율에서, 셀 구조는 입방형 섬아연광(zinc-blende)이다. 일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108)의 흡수층은 CIGS를 포함하는데 여기서 몰분율(x)은 0.2와 0.6 사이이고, 밀도는 5 g/cm3과 6 g/cm3 사이이고 밴드갭은 약 1.2eV와 1.4eV 사이이다. 일실시예에서, 반도체 접합부(106/108)의 흡수층은 CIGS를 포함하는데 여기서 몰분율(x)은 0.2와 0.6 사이이고, CIGS의 밀도는 5 g/cm3과 6 g/cm3 사이이고 CIGS의 밴드갭은 약 1.2eV와 1.4eV 사이이다. 일실시예에서, 반도체 접합부(106/108)의 흡수층은 CIGS를 포함하는데 여기서 몰분율(x)은 0.4이고, CIGS의 밀도는 약 5.43 g/cm3이고 CIGS의 밴드갭은 약 1.2eV이다.
전류 밀도. 반도체 접합부, 예컨대 흡수층과 접합부 파트너 층에서 사용되는 재료의 조합은 효율적으로 전기를 생성하기 위하여 흡수층의 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 광자로 조사시 충분한 전류 밀도(보통 "단락회로 전류밀도" 또는 JSC 라고도 함)를 생성하도록 선택된다. JSC를 증가시키기 위하여,(1) 예컨대 넓은 에 너지 범위에 대해 높은 흡수를 갖는 작은 밴드갭을 갖기 위하여 가능한 한 많은 입사광을 흡수하고,(2) 광여기 전자 및 정공이 접합부에 의해 생성된 내부 전계에 의해 수집될 수 있고 이들이 재결합하기 전에 외부 회로로 전달되도록 재료 성질, 예컨대 높은 소수 캐리어 수명 및 이동도를 갖는 재료를 갖는 것이 바람직하다. 동시에, 접합부 파트너 층의 밴드갭은 광자 흡수의 대부분이 흡수층에서 일어나도록 흡수층의 밴드갭에 비해 큰 것이 유용하다. 예컨대, 일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108)(예컨대, 흡수층 및/또는 접합부 파트너 층)에서의 화합물은, 참고로 본원에 전체가 포함된 Section 16.2.1 of Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, 2003, Luque and Hegedus(eds.), Wiley & Sons, West Sussex, England(2003)에 정의된 바와 같이 AM(air mass) 1.5 글로벌 스펙트럼, AM1.5 직접 지상 스펙트럼, AM0 레퍼런스 스펙트럼으로 조사시 태양 전지가 적어도 10 mA/cm2, 적어도 15 mA/cm2, 적어도 20 mA/cm2, 적어도 25 mA/cm2, 적어도 30 mA/cm2, 적어도 35 mA/cm2, 또는 적어도 39 mA/cm2의 전류 밀도 JSC를 생성하도록 선택된다. AM 값 0은 도시된 바와 같이 태양이 천정에 있는 때 해수면에서의 일사율과 같고, AM 1.0은 천정에 있는 태양이 지구의 대기 위에 있고 산소 및 질소 기체를 흡수하는 햇빛을 나타내고, AM 1.5는 동일하지만 태양이 48.2°의 경사각에 있을 때 지구의 대기를 통해 더 긴 광 경로를 시뮬레이트하고, AM 2.0은 그 경사각을 60.1°로 연장한다. 참고로 본원에 전체가 포함된 Jeong, 2007, Laser Focus World 43, 71-74를 참조한다.
일부 실시예에서, 본 발명의 태양 전지는 표준 조건(25℃, AM 1.5G 100 mW/cm2) 하에서 측정될 때 22 mA/cm2과 35 mA/cm2 사이인 JSC를 나타낸다. 일부 실시예에서, 본 발명의 태양 전지는 AM 1.5G에서 측정될 때 0℃와 70℃ 사이의 임의의 온도에서 22 mA/cm2과 35 mA/cm2 사이인 JSC를 나타낸다. 일부 실시예에서, 본 발명의 태양 전지는 AM 1.5G 조건에서 측정될 때 10℃와 60℃ 사이의 임의의 온도에서 22 mA/cm2과 35 mA/cm2 사이인 JSC를 나타낸다. 전류 밀도를 계산하기 위해, 조도는 예컨대 참고로 전체가 본원에 포함된 Nishitani et al., 1998, Solar Energy Materials and Solar Cells 50, p.63-70 및 여기서 인용된 자료에서 값들을 보고하기 위해 사용되는 방식으로 표준 비정질 Si 태양 전지에 의해 조정된다.
일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108)의 흡수층 및/또는 접합부 파트너 층의 재료는 예컨대 10 cm2V1s1과 80,000 10 cm2V1s1 사이의 전자 이동도를 갖는다.
개방회로 전압. 일부 실시예에서, 본 발명의 태양 전지는 표준 조건(25℃, AM 1.5G 100 mW/cm2) 하에서 측정될 때 0.4V와 0.8V 사이인 개방회로 전압 Voc(V)를 나타낸다. 일부 실시예에서, 본 발명의 태양 전지는 AM 1.5G에서 측정될 때 0℃와 70℃ 사이의 임의의 온도에서 0.4V와 0.8V 사이인 Voc를 나타낸다. 일부 실시예에서, 본 발명의 태양 전지는 AM 1.5G 조건에서 측정될 때 10℃와 60℃ 사이의 임의 의 온도에서 0.4V와 0.8V 사이인 Voc를 나타낸다. 개방회로 전압을 계산하기 위해, 조도는 예컨대 참고로 전체가 본원에 포함된 Nishitani et al., 1998, Solar Energy Materials and Solar Cells 50, p.63-70 및 여기서 인용된 자료에서 값들을 보고하기 위해 사용되는 방식으로 표준 비정질 Si 태양 전지에 의해 조정된다.
1.3.1 구리 인듐 디셀레나이드 및 다른 종류 I-III-VI 재료에 기초한 박막 반도체 접합부
도 10A를 계속 참조하면, 일부 실시예에서, 흡수층(106)은 구리 인듐 디셀레나이드(CuInSe2: CIS로도 알려짐)와 같은 그룹 I-III-VI2 화합물이다. 일부 실시예에서, 흡수층(106)은 그러한 화합물이 존재하는 것으로 알려진 경우에 p형 또는 n형의 CdGeAs2, ZnSnAs2, CuInTe2, AgInTe2, CuInSe2, CuGaTe2, ZnGeAs2, CdSnP2, AgInSe2, AgGaTe2, CuInS2, CdSiAs2, ZnSnP2, CdGeP2, ZnSnAs2, CuGaSe2, AgGaSe2, AgInS2, ZnGeP2, ZnSiAs2, ZnSiP2, CdSiP2, 또는 CuGaS2로 구성된 그룹으로부터 선택되는 그룹 I-III-VI2 삼원 화합물이다.
일부 실시예에서, 접합부 파트너 층(108)는 CdS, ZnS, ZnSe 또는 CdZnS이다. 일실시예에서, 흡수층(106)은 p형 CIS이고 접합부 파트너 층(108)은 n형 CdS, ZnS, ZnSe 또는 CdZnS이다. 이러한 반도체 접합부(106/108)는 참고로 본원에 전체가 포함된 Chapter 6 of Bube, Photovoltaic Materials, 1998, Imperial College Press, London에 설명되어 있다.
일부 실시예에서, 흡수층(106)은 구리-인듐-갈륨-디셀레나이드(CIGS)이다. 이러한 층은 Cu(InGa)Se2 라고도 한다. 일부 실시예에서, 흡수층(106)은 구리-인듐-갈륨-디셀레나이드(CIGS)이고 접합부 파트너 층(108)은 CdS, ZnS, ZnSe 또는 CdZnS이다. 일부 실시예에서, 흡수층(106)은 p형 CIGS이고 접합부 파트너 층(108)은 n형 CdS, ZnS, ZnSe 또는 CdZnS이다. 이러한 반도체 접합부(106/108)는 참고로 본원에 전체가 포함된 Chapter 13 of Handbook Photovoltaic Science and Engineering, 2003, Luque and Hegedus(eds.), Wiley & Sons, West Sussex, England, Chapter 12에 설명되어 있다. 일부 실시예에서, CIGS는 각각 참고로 본원에 전체가 포함된 Beck and Britt, Final Technical Report, January 2006, NREL/SR-520-39119; Delahoy and Chen, August 2005, "Advanced CIGS Photovoltaic Technology," subcontract report; Kapur et al., January 2005 subcontract report, NREL/SR-520-37284, "Lab to Large Scale Transition for Non-Vacuum Thin Film CIGS Solar Cells,"; Simpson et al., October 2005 subcontract report, "Trajectory-Oriented and Fault-Tolerant-Based Intelligent Process Control for Flexible CIGS PV Module Manufacturing," NREL/SR-520-38681; 및 Ramanathan et al., 31st IEEE Photovoltaics Specialists Conference and Exhibition, Lake Buena Vista, Florida, January 3-7, 2005에서 설명된 기술들을 이용하여 퇴적된다.
일부 실시예에서, 흡수층(106)은 참고로 본원에 전체가 포함된 Ramanthan et al., 2003, "Properties of 19.2% Efficiency ZnO/CdS/CuInGaSe2 Thin-film Solar Cells," Progress in Photovoltaics: Research and Applications 11, 225에 설명된 3단계 프로세스에 따라 원소 소스(elemental source)로부터의 증발에 의해 몰리브덴 도전 재료(104) 상에 성장된 CIGS이다. 일부 실시예에서, 층(504)은 예컨대, 참고로 본원에 전체가 포함된 Ramanathan et al., Conference Paper, "CIGS Thin-Film Solar Research at NREL: FY04 Results and Accomplishments," NREL/CP-520-37020, January 2005에 설명된 ZnS(O,OH) 버퍼층이다.
일부 실시예에서, 흡수층(106)은 두께가 0.5μm와 2.0μm 사이이다. 일부 실시예에서, 층(106)에서 Cu/(In+Ga)의 조성비는 0.7과 0.95 사이이다. 일부 실시예에서, 층(106)에서 Ga/(In+Ga)의 조성비는 0.2와 0.4 사이이다. 일부 실시예에서, 흡수층(106)은 <110> 결정 방위를 갖는 CIGS이다. 일부 실시예에서, 흡수층(106)은 <112> 결정 방위를 갖는 CIGS이다. 일부 실시예에서, 흡수층(106)은 CIGS 결정이 임의 방위를 갖는 CIGS이다.
1.3.2 비정질 실리콘 또는 다결정 실리콘에 기초한 반도체 접합부
일부 경우, 106 및 108가 아닌 다른 부재번호를 갖는 층들은 반도체 접합부(106/108)에 있을 수 있는 층들을 설명하기 위해 사용된다. 이러한 층들은 도 2에 도시된 층들(106 및 108) 대신 사용될 수 있음은 물론이다. 일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108)는 비정질 실리콘을 포함한다. 일부 실시예에서, 이것은 n/n형 이종접합이다. 예컨대, 일부 실시예에서, 도 10B를 참조하면, 반도체 접합 부(106/108)는 SnO2(Sb)를 포함하고, 층(512)은 도핑되지 않은 비정질 실리콘을 포함하고, 층(510)은 n+ 도핑 비정질 실리콘을 포함한다.
일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108)는 p-i-n형 접합이다. 예컨대, 일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108)는 p+ 도핑 비정질 실리콘인 층(514), 도핑되지 않은 비정질 실리콘인 층(512), 및 n+ 비정질 실리콘인 층(510)을 포함한다. 이러한 반도체 접합부(106/108)는 참고로 본원에 전체가 포함된 Chapter 3 of Bube, Photovoltaic Materials, 1998, Imperial College Press, London에 설명된다.
일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108)는 박막 다결정에 기초한다. 도 10B를 참조하면, 이러한 실시예에 따른 일예에서, 층(510)은 p 도핑 다결정 실리콘이고, 층(512)은 공핍 다결정 실리콘이고 층(514)은 n 도핑 다결정 실리콘이다. 이러한 반도체 접합부는 참고로 본원에 전체가 포함된 Green, Silicon Solar Cells: Advanced Principles & Practice, Centre for Photovoltaic Devices and Systems, University of New South Wales, Sydney, 1995; 및 Bube, Photovoltaic Materials, 1998, Imperial College Press, London, pp.57-66에 설명된다.
일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108)는 비정질 Si:H 컨텍스트에서 p형 미정질 Si:H 및 미정질 Si:C:H에 기초한다. 이러한 반도체 접합부는 참고로 본원에 전체가 포함된 Bube, Photovoltaic Materials, 1998, Imperial College Press, London, pp.66-67 및 그에 인용된 참고문헌들에 설명된다.
일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108)는 탄뎀 접합이다. 탄뎀 접합은 예컨대 각각 참고로 본원에 전체가 포함된 Kim et al., 1989, "Lightweight(AlGaAs)GaAs/CuInSe2 Tandem Junction Solar Cells for Space Applications," Aerospace and Electronic Systems Magazine, IEEE Volume 4, pp:23-32; Deng, 2005, "Optimization of a-SiGe Based Triple, Tandem and Single-junction Solar Cells," Photovoltaic Specialists Conference, Conference Record of the Thirty-first IEEE, pp: 1365-1370; Arya et al., 2000, "Amorphous Silicon Based Tandem Junction Thin-film Technology: a Manufacturing Perspective," Photovoltaic Specialists Conference, 2000, Conference Record of the Twenty-Eighth IEEE 15-22, pp: 1433-1436; Hart, 1988, "High Altitude Current-voltage Measurement of GaAs/Ge solar cells," Photovoltaic Specialists Conference, Conference Record of the Twentieth IEEE 26-30, pp: 764-765, vol.1; Kim, 1988, "High Efficiency GaAs/CuInSe2 Tandem Junction Solar Cells," Photovoltaic Specialists Conference, Conference Record of the Twentieth IEEE 26-30, pp:457-461 vol.1; Mitchell, 1988, "Single and Tandem Junction CuInSe2 Cell and Module Technology," Photovoltaic Specialists Conference, Conference Record of the Twentieth IEEE 26-30, pp: 1384-1389, vol.2; Kim, 1989, "High Specific Power(AlGaAs)GaAs/CuInSe2 Tandem Junction Solar Cells for Space Applications," Energy Conversion Engineering Conference, IECEC-89, Proceedings of the 24th Intersociety 6-11, pp: 779-784, vol.2에서 설명된다.
1.3.3 갈륨비소 및 다른 종류 III-V 재료에 기초한 반도체 접합부
일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108)는 갈륨비소(GaAs) 또는 다른 InP, AlSb 및 CdTe와 같은 III-V 재료에 기초한다. GaAs는 1.43eV의 밴드갭을 갖는 직접 밴드갭 재료이고 약 2 마이크로미터의 두께에서 AM1 방사의 97%를 흡수할 수 있다. 반도체 접합부(106/108)로서 기능할 수 있는 적절한 유형 III-V 접합부는 참고로 본원에 전체가 포함된 Chapter 4 of Bube, Photovoltaic Materials, 1998, Imperial College Press, London에 설명된다.
또한, 일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108)는 참고로 본원에 전체가 포함된 Gee and Virshup, 1988, 20th IEEE Photovoltaic Specialist Conference, IEEE Publishing, New York, p.754에 설명된 GaAs/Si 기계적 적층 다중접합, 각각 참고로 본원에 전체가 포함된 Stanbery et al., 19th IEEE Photovoltaic Specialist Conference, IEEE Publishing, New York, p.280, 및 Kim et al., 20th IEEE Photovoltaic Specialist Conference, IEEE Publishing, New York, p.1487에 설명된 GaAs 박막 상부 셀과 ZnCdS/CuInSe2 박막 바닥 셀로 구성된 GaAs/CuInSe2 MSMJ 4단자 장치와 같은 하이브리드 다중접합 태양 전지이다. 다른 하이브리드 다중접합 태양 전지는 참고로 본원에 전체가 포함된 Bube, Photovoltaic Materials, 1998, Imperial College Press, London, pp.131-132에 설명된다.
1.3.4 카드뮴 텔루라이드 및 다른 종류 II-VI 재료에 기초한 반도체 접합부
일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108)는 n형 또는 p형으로 준비될 수 있는 II-VI 화합물에 기초한다. 따라서, 일부 실시예에서, 도 10C를 참조하면, 반도체 접합부(106/108)는 층(106 및 108)이 다음 표에서 설명되는 임의의 조합 또는 그 합금인 p-n 이종접합이다.
Figure 112009073672468-pct00003
II-VI 화합물에 기초한 반도체 접합부(106/108)를 제조하는 방법은 그러한 목적을 위해 참고로 본원에 전체가 포함된 Chapter 4 of Bube, Photovoltaic Materials, 1998, Imperial College Press, London에 설명된다.
1.3.5 결정 실리콘에 기초한 반도체 접합부
박막 반도체 막으로 만들어지는 반도체 접합부(106/108)가 바람직하지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니다. 일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108)는 결정 실리콘에 기초한다. 예컨대, 도 5D를 참조하면, 일부 실시예에서, 반도체 접합부(106/108)는 p형 결정 실리콘 층(106) 및 n형 결정 실리콘 층(108)을 포함한 다. 이러한 결정 실리콘 반도체 접합부(106/108)를 제조하는 방법은 참고로 본원에 전체가 포함된 Chapter 2 of Bube, Photovoltaic Materials, 1998, Imperial College Press, London에 설명된다.
1.4 예시적인 규격
도 2 및 3A에 도시된 바와 같이, 비평면 광전지 소자(10)는 단면의 직경 d에 비해 긴 길이 l을 갖는다. 일부 실시예에서, 광전지 소자(10)는 1cm와 50,000cm 사이의 길이 l 및 1cm와 50,000cm 사이의 폭 d을 갖는다. 일부 실시예에서, 광전지 소자(10)는 10cm와 1,000cm 사이의 길이 l 및 10cm와 1,000cm 사이의 폭 d을 갖는다. 일부 실시예에서, 광전지 소자(10)는 40cm와 500cm 사이의 길이 l 및 40cm와 500cm 사이의 폭 d을 갖는다.
일부 실시예에서, 광전지 소자(10)는 도 8A에 도시된 평면 구성을 갖는다. 도 4A를 참조하면, 이러한 실시예에서, 광전지 소자(10)는 1cm와 10,000cm 사이의 길이 x를 가질 수 있다. 또한, 광전지 소자(10)는 1cm와 10,000cm 사이의 폭 y를 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 광전지 소자(10)는 도 3에 도시된 바와 같이 연장될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 연장된 광전지 소자(10)는 길이 치수 l 및 폭 치수 d를 갖는 것을 특징으로 하는 것이다. 연장된 광전지 소자(10)의 일부 실시예에서, 길이 치수 l은 적어도 4의 팩터, 적어도 5의 팩터, 또는 적어도 6의 팩터만큼 초과한다. 일부 실시예에서, 연장된 광전지 소자(10)의 길이 치수 l은 10cm 이상, 20cm 이상, 100cm 이상이다. 일부 실시예에서, 연장된 광전지 소자(10)의 폭 치수 d는 500mm 이상, 1cm 이상, 2cm 이상, 5cm 이상 또는 10cm 이상이다.
광전지 소자(10)의 태양 전지(12)는 다양한 방법으로 이루어질 수 있고 다양한 두께를 가질 수 있다. 여기 설명된 태양 전지(12)는 소위 후막 반도체 구조 또는 박막 반도체 구조일 수 있다.
일부 실시예에서, 컨테이너(25)는 단면의 직경 d에 비해 큰 길이 l을 갖는다. 일부 실시예에서, 컨테이너(25)는 1cm와 50,000cm 사이의 길이 및 1cm와 50,000cm 사이의 폭을 갖는다. 일부 실시예에서, 컨테이너(25)는 10cm와 1,000cm 사이의 길이 및 10cm와 1,000cm 사이의 폭을 갖는다. 일부 실시예에서, 컨테이너(25)는 40cm와 500cm 사이의 길이 및 40cm와 500cm 사이의 폭 d를 갖는다. 일부 실시예에서, 컨테이너(25)는 적어도 1 cm3, 적어도 10 cm3, 적어도 20 cm3, 적어도 30 cm3, 적어도 50 cm3, 적어도 100 cm3, 또는 적어도 1000 cm3의 컨테이너 부피를 갖도록 규격이 정해진다.
1.5 예시적인 실시예
본 발명의 일양태는(i) 외부 투명 케이스,(ii) 기판(기판과 외부 투명 케이스는 내부 부피를 정의함),(iii) 기판 상에 위치한 적어도 하나의 태양 전지,(iv) 내부 부피 내에 적어도 하나의 태양 전지를 밀봉하는 충전제 층,(v) 내부 부피 내의 컨테이너를 포함하는 광전지 소자를 제공한다. 이 컨테이너는 충전제 층이 열적으로 팽창할 때 부피가 감소하고 충전제 층이 열적으로 수축할 때 부피가 증가하도록 구성된다. 일부 경우, 컨테이너는 복수의 릿지(ridges)를 갖는 밀봉된 컨테 이너를 포함한다. 일부 경우, 복수의 릿지의 각 릿지는 균일하게 이격된다. 일부 경우, 복수의 릿지의 릿지들은 균일하게 이격되지 않는다. 일부 경우, 컨테이너는 유연한 플라스틱 또는 얇은 유연한 금속으로 만들어진다.
일부 실시예에서, 컨테이너는 적어도 1 입방센티미터, 적어도 30 입방센티미터, 또는 적어도 100 입방센티미터의 컨테이너 부피를 갖는다. 일부 실시예에서, 컨테이너는 개구부를 갖고 이것은 스프링 탑재 밀봉에 의해 밀봉된다. 일부 경우, 컨테이너는 제1 개구부 및 제2 개구부를 갖는다. 이러한 실시예에서, 제1 개구부는 제1 스프링 탑재 밀봉에 의해 밀봉되고 제2 개구부는 제2 스프링 탑재 밀봉에 의해 밀봉된다.
일부 실시예에서, 컨테이너는 기구(balloon)이다. 일부 실시예에서, 컨테이너는 고무, 라텍스, 클로로프렌 또는 나일론 직물로 만들어진다. 일부 실시예에서, 컨테이너는 연장된 성형(asteroid)을 갖는다. 일부 실시예에서, 컨테이너는 브러시형 금속으로 만들어진다. 일부 실시예에서, 기판은 평면이고 컨테이너는 충전제 층 내에 침지된다. 일부 실시예에서, 기판은 원통형이고 컨테이너는 적어도 하나의 태양 전지에 있는 태양 전지와 외부 투명 케이스 사이의 충전제 층에 침지된다. 일부 실시예에서, 외부 투명 케이스는 튜브형이고 기판을 감싼다. 일부 실시예에서, 기판은 공동(hollow) 코어를 갖고 컨테이너는 공동 코어에 형성된다. 일부 실시예에서, 충전제 층은 250×10-6/℃ 보다 크거나 500×10-6/℃ 보다 큰 부피 열팽창 계수를 갖는다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 태양 전지에서의 한 태양 전지는 기판 상에 위치한 도전 재료, 상기 도전 재료 상에 위치한 반도체 접합부, 및 반도체 접합부 상에 위치한 투명 도전층을 포함한다. 일부 실시예에서, 반도체 접합부는 동종접합, 이종접합, 이종계면 접합, 매립 동종접합, p-i-n 접합 또는 탄뎀 접합을 포함한다. 일부 실시예에서, 반도체 접합부는 흡수층 및 접합부 파트너 층을 포함하고, 상기 접합부 파트너 층은 상기 흡수층 위에 놓인다. 일부 실시예에서, 흡수층은 구리-인듐-갈륨-디셀레나이드이고 상기 접합부 파트너 층은 In2Se3, In2S3, ZnS, ZnSe, CdlnS, CdZnS, ZnIn2Se4, Zn1 - xMgxO, CdS, SnO2, ZnO, ZrO2 또는 도핑 ZnO이다.
일부 실시예에서, 광전지 소자는 외부 투명 케이스에 위치한 반사 방지 코팅을 더 포함한다. 일부 실시예에서, 반사 방지 코팅은 MgF2, 실리콘 나이트레이트, 티타늄 나이트레이트, 실리콘 모녹사이드, 또는 실리콘 옥사이드 나이트라이트를 포함한다. 일부 실시예에서, 기판은 플라스틱이나 유리를 포함한다. 일부 실시예에서, 기판은 금속이나 금속 합금을 포함한다. 일부 실시예에서, 광전지 소자는 추가의 하나 이상의 컨테이너를 더 포함하고, 추가의 하나 이상의 컨테이너에서의 각각의 컨테이너는 내부 부피 내에 있다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 태양 전지는 기판상에 단일결정으로 집적되는 복수의 태양 전지를 포함한다. 일부 실시예에서, 복수의 태양 전지에서의 제1 태양 전지는 복수의 태양 전지에서의 제2 태양 전지에 전기적으로 직렬연결된다. 일부 실시예에서, 복수의 태양 전지에서의 제1 태양 전지는 복수의 태양 전지에서의 제2 태양 전지에 전기적으로 병렬 연결된다.
일부 실시예에서, 컨테이너는 충전제 층이 제1 열 팽창 상태에 있을 때와 충전제 층이 제2 열 수축 상태에 있을 때 사이에 컨테이너 부피에 있어서 최대 5%, 최대 10%, 최대 20% 또는 최대 40% 감소된다.
본 발명의 일양태는(i) 외부 투명 케이스,(ii) 기판(기판과 외부 투명 케이스는 내부 부피를 정의함),(iii) 기판 상에 위치한 적어도 하나의 태양 전지,(iv) 내부 부피 내에 적어도 하나의 태양 전지를 밀봉하는 충전제 층, 및(v) 내부 부피 내의 컨테이너를 포함하는 광전지 소자로서, 컨테이너는 복수의 릿지(ridges)를 갖는 밀봉된 컨테이너를 포함하고, 컨테이너는 충전제 층이 열적으로 팽창할 때 컨테이너 부피를 감소시키고 충전제 층이 열적으로 수축할 때 컨테이너 부피를 증가시키도록 구성된 광전지 소자를 제공한다.
본 발명의 다른 양태는(i) 외부 투명 케이스,(ii) 기판(기판과 외부 투명 케이스는 내부 부피를 정의함),(iii) 기판 상에 위치한 적어도 하나의 태양 전지,(iv) 내부 부피 내에 적어도 하나의 태양 전지를 밀봉하는 충전제 층,(v) 내부 부피 내의 컨테이너를 포함하고, 컨테이너는 스프링 탑재 밀봉에 의해 밀봉되는 제1 개구부를 포함하고 컨테이너는 충전제 층이 열적으로 팽창할 때 컨테이너 부피를 감소시키고 충전제 층이 열적으로 수축할 때 컨테이너 부피를 증가시키도록 구성된다.
본 발명의 다른 양태는(i) 외부 투명 케이스,(ii) 기판(기판과 외부 투명 케이스는 내부 부피를 정의함),(iii) 기판 상에 위치한 적어도 하나의 태양 전지,(iv) 내부 부피 내에 적어도 하나의 태양 전지를 밀봉하는 충전제 층, 및(v) 내부 부피 내의 컨테이너를 포함하는 광전지 소자로서, 컨테이너는 제1 개구부 및 제2 개구부를 포함하고 제1 개구부는 제1 스프링 탑재 밀봉에 의해 밀봉되고 제2 개구부는 제2 스프링 탑재 밀봉에 의해 밀봉된 광전지 소자를 포함한다. 컨테이너는 충전제 층이 열적으로 팽창할 때 컨테이너 부피를 감소시키고 충전제 층이 열적으로 수축할 때 컨테이너 부피를 증가시키도록 구성된다.
본 발명의 다른 양태는(i) 외부 투명 케이스,(ii) 기판(기판과 외부 투명 케이스는 내부 부피를 정의함),(iii) 기판 상에 위치한 적어도 하나의 태양 전지,(iv) 내부 부피 내에 적어도 하나의 태양 전지를 밀봉하는 충전제 층, 및(v) 내부 부피 내의 컨테이너를 포함하고, 컨테이너는 충전제 층이 열적으로 팽창할 때 컨테이너 부피를 감소시키고 충전제 층이 열적으로 수축할 때 컨테이너 부피를 증가시키도록 구성된 기구(balloon)이다.
본 발명의 다른 양태는(i) 외부 투명 케이스,(ii) 기판(기판과 외부 투명 케이스는 내부 부피를 정의함),(iii) 기판 상에 위치한 적어도 하나의 태양 전지,(iv) 내부 부피 내에 적어도 하나의 태양 전지를 밀봉하는 충전제 층, 및(v) 내부 부피 내의 컨테이너를 포함한다. 컨테이너는 연장된 성형 형상을 갖고 컨테이너는 충전제 층이 열적으로 팽창할 때 컨테이너 부피를 감소시키고 충전제 층이 열적으로 수축할 때 컨테이너 부피를 증가시키도록 구성된다.
인용문헌 및 결론
본원에 인용된 모든 참고문헌은 각 간행물 또는 특허 또는 특허출원이 특정적으로 및 개별적으로 모든 목적을 위해 참고로 본원에 전체가 포함되도록 나타나는 것처럼 동일한 정도로 모든 목적을 위해 참고로 본원에 전체가 포함된다.
당업자에게 명백한 바와 같이, 본 발명의 다양한 수정 및 변형이 본 발명의 사상 및 범위에 벗어남 없이 이루어질 수 있다. 여기 설명된 특정 실시예들은 예시적으로 제공되며, 본 발명은 첨부된 청구범위와 청구범위의 자격이 부여된 모든 범위의 균등물의 관점에서만 한정되어야 한다.

Claims (42)

  1. 광전지 소자(photovoltaic device)로서,
    a) 외부 투명 케이스;
    b) 기판 - 상기 기판과 상기 외부 투명 케이스는 내부 부피를 정의함 - ;
    c) 상기 기판 상에 위치한 적어도 하나의 태양 전지;
    d) 상기 내부 부피 내에 상기 적어도 하나의 태양 전지를 밀봉하는 충전제 조성물을 포함하는 충전제 - 상기 충전제는 상기 적어도 하나의 태양 전지와 직접 접촉함 -; 및
    e) 상기 내부 부피 내의 제1 컨테이너
    를 포함하고,
    상기 제1 컨테이너는 밀폐되어 있고, 상기 충전제가 열적으로 팽창할 때 컨테이너 부피를 감소시키고, 상기 충전제가 열적으로 수축할 때 컨테이너 부피를 증가시키도록 구성되는 광전지 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 컨테이너는 복수의 릿지(ridge)를 갖는 밀봉 컨테이너를 포함하는 광전지 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 릿지에서의 각각의 릿지는 상기 제1 컨테이너의 표면에서 균일하게 이격되는 광전지 소자.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 릿지에서의 릿지들은 상기 제1 컨테이너의 표면에서 균일하게 이격되지 않는 광전지 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 컨테이너는 플라스틱 또는 금속으로 만들어지는 광전지 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 컨테이너는 적어도 1 입방 센티미터의 컨테이너 부피를 갖는 광전지 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 컨테이너는 제1 개구부를 갖고 상기 제1 개구부는 스프링 탑재 밀봉에 의해 밀봉되는 광전지 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 컨테이너는 제1 개구부 및 제2 개구부를 갖고,
    상기 제1 개구부는 제1 스프링 탑재 밀봉에 의해 밀봉되고,
    상기 제2 개구부는 제2 스프링 탑재 밀봉에 의해 밀봉되는 광전지 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 컨테이너는 기구(balloon)인 광전지 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 컨테이너는 고무, 라텍스, 클로로프렌 또는 나일론 직물로 만들어지는 광전지 소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 컨테이너는 연장된 성형(elongated asteroid) 형태를 갖는 광전지 소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 컨테이너는 브러시형 금속(brushed metal)으로 만들어지는 광전지 소자.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 평면이고 상기 제1 컨테이너는 상기 충전제에 침지된(immersed) 광전지 소자.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 원통형이고 상기 제1 컨테이너는 상기 적어도 하나의 태양 전지에서의 태양 전지와 상기 외부 투명 케이스 사이의 상기 충전제에 침지된 광전지 소자.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 외부 투명 케이스는 튜브형이고 상기 기판을 감싸는(encapsulate) 광전지 소자.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 공동 코어(hollow core)를 갖고 상기 제1 컨테이너는 상기 공동 코어에 형성되는 광전지 소자.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 충전제 조성물은 250×10-6/℃ 보다 큰 부피 열팽창 계수를 갖는 광전지 소자.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 태양 전지에서의 태양 전지는,
    상기 기판 상에 위치한 도전 재료;
    상기 도전 재료 상에 위치한 반도체 접합부; 및
    상기 반도체 접합부 상에 위치한 투명 도전층을 포함하는 광전지 소자.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 반도체 접합부는 동종접합(homojunction), 이종접합(heterojunction), 이종계면 접합(heteroface junction), 매립 동종접합(buried homojunction), p-i-n 접합, 또는 탄뎀 접합(tandem junction)을 포함하는 광전지 소자.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 반도체 접합부는 흡수층 및 접합부 파트너 층을 포함하고, 상기 접합부 파트너 층은 상기 흡수층 상에 위치하는 광전지 소자.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 흡수층은 구리-인듐-갈륨-디셀레나이드(copper-indium-gallium-diselenide)이고 상기 접합부 파트너 층은 In2Se3, In2S3, ZnS, ZnSe, CdlnS, CdZnS, ZnIn2Se4, Zn1-xMgxO, CdS, SnO2, ZnO, ZrO2, 또는 도핑된(doped) ZnO인 광전지 소자.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 외부 투명 케이스 상에 위치하는 반사 방지(antireflective) 코팅을 더 포함하는 광전지 소자.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 반사 방지 코팅은 MgF2, 실리콘 나이트레이트(silicon nitrate), 티타늄 나이트레이트(titanium nitrate), 실리콘 모녹사이드(silicon monoxide), 또는 실리콘 옥사이드 나이트라이트(silicon oxide nitrite)를 포함하는 광전지 소자.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 플라스틱 또는 유리를 포함하는 광전지 소자.
  25. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 금속 또는 금속 합금을 포함하는 광전지 소자.
  26. 제1항에 있어서,
    추가적인 하나 이상의 컨테이너를 더 포함하고, 상기 추가적인 하나 이상의 컨테이너에서의 각각의 개별적인 컨테이너는 상기 내부 부피 내에 있는 광전지 소자.
  27. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 태양 전지는 상기 기판 상에 단일결정으로(monolithically) 집적되는 복수의 태양 전지를 포함하는 광전지 소자.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 복수의 태양 전지에서의 제1 태양 전지는 상기 복수의 태양 전지에서의 제2 태양 전지에 전기적으로 직렬 접속되는 광전지 소자.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 복수의 태양 전지에서의 제1 태양 전지는 상기 복수의 태양 전지에서의 제2 태양 전지에 전기적으로 병렬 접속되는 광전지 소자.
  30. 제1항에 있어서,
    상기 제1 컨테이너는 (i) 상기 충전제가 제1의 열 팽창 상태에 있을 때와 (ii) 상기 충전제가 제2의 열 수축 상태에 있을 때의 사이에 컨테이너 부피가 최대 5% 감소하게 되는 광전지 소자.
  31. 제1항에 있어서,
    상기 제1 컨테이너는 (i) 상기 충전제가 제1의 열 팽창 상태에 있을 때와 (ii) 상기 충전제가 제2의 열 수축 상태에 있을 때의 사이에 컨테이너 부피가 최대 40% 감소하게 되는 광전지 소자.
  32. 제1항에 있어서,
    상기 기판 또는 상기 외부 투명 케이스는 단단한(rigid) 광전지 소자.
  33. 제1항에 있어서,
    상기 기판 또는 상기 외부 투명 케이스는 선형 재료로 만들어지는 광전지 소자.
  34. 제1항에 있어서,
    상기 기판 또는 상기 외부 투명 케이스는 영률(Young's modulus)이 40 GPa 이상인 광전지 소자.
  35. 제1항에 있어서,
    상기 제1 컨테이너는 압력이 500 토르(torr) 미만인 광전지 소자.
  36. 제1항에 있어서,
    상기 제1 컨테이너는 불활성 기체를 포함하는 광전지 소자.
  37. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 평면인 광전지 소자.
  38. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 태양 전지는 상기 기판 상에 원주상으로(circumferentially) 위치되는 광전지 소자.
  39. 제1항에 있어서,
    상기 광전지 소자는 연장되는 광전지 소자.
  40. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 경계 형태를 갖는 단면에 의해 특징지어지고, 상기 경계 형태는 원형, 타원형, 다각형, 난형(ovoid)이고, 또는 상기 경계 형태는 하나 이상의 평활한 곡면, 또는 하나 이상의 아치형 가장자리로 특징지어지는 광전지 소자.
  41. 삭제
  42. 삭제
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