KR101581524B1 - 박막 태양광 모듈의 공칭 출력의 신속 안정화 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 접착제 층에 의해 서로 연결된 2개의 기판의 적층된 복합체를 갖고 기판 사이에 직렬 연결된 태양 전지가 있는 박막 태양광 모듈의 공칭 출력의 개선 방법에 관한 것이며, 본 방법에서 태양 전지를 방사조도가 5 kW/m2 이상인 인공광으로 조광한다.

Description

박막 태양광 모듈의 공칭 출력의 신속 안정화 방법 {METHOD FOR QUICKLY STABILIZING THE NOMINAL OUTPUT OF A THIN-FILM SOLAR MODULE}
본 발명은 광기전 에너지 발생의 기술 분야에 속하며, 박막 태양광 모듈의 공칭 출력 또는 효율의 신속 안정화 방법에 관한 것이다.
태양광의 전기 에너지로의 직접 변환을 위한 광기전 층 시스템은 충분히 알려져 있다. 대면적 층 시스템은 흔히 "태양 전지"로 지칭된다. 특정 용어 "박막 태양 전지"는 단지 수 마이크로미터의 두께를 갖는 광기전 층 시스템을 말한다. 박막 태양 전지는 적절한 기계적 안정성을 위한 캐리어 기판을 필요로 한다. 알려진 캐리어 기판은 무기 유리, 플라스틱(중합체), 또는 금속, 특히 금속 합금을 포함하며, 각각의 층 두께 및 특정 재료 특성에 따라 강성 플레이트 또는 가요성 필름으로서 설계될 수 있다. 널리 이용가능한 캐리어 기판 및 단순한 모놀리식 일체화로 인해, 박막 태양 전지의 대면적 배열이 비용-효과적으로 생성될 수 있으며, 이때 반도체 층은 통상 캐리어 기판, 예를 들어 유리 상에 직접 적용된다. 기술적 취급 품질 및 효율에 관하여, 비정질, 마이크로모퍼스(micromorphous), 또는 다결정질 규소, 카드뮴 텔루르화물(CdTe), 갈륨 비소화물(GaAs), 또는 칼코피라이트 화합물, 특히 구리 인듐/갈륨 황/셀렌(CI(In,Ga)(S,Se)2)으로 이루어진 반도체 층을 갖는 박막 태양 전지가 유리한 것으로 입증되었으며, 특히 구리 인듐 이셀렌화물(CuInSe2 또는 CIS)이 유리한데, 그 이유는 그의 밴드 갭이 고 흡수 효율에 의해 구별되는 태양광의 스펙트럼에 적응되기 때문이다.
기술적으로 유용한 출력 전압을 얻기 위하여, 통상, 많은 태양 전지들이 직렬 연결되는데, 이때 태양 전지들은 특히 캐리어 기판 상에 적용되고 이는 통상 전방 투명 커버 층, 특히 커버링 패널, 및 적어도 하나의 접착-촉진 접착 필름과 결합되어 내후성 모듈 또는 태양광 모듈로 형성된다("적층"). 커버 층의 재료의 경우, 예를 들어 저철 소다 석회 유리가 선택된다. 접착-촉진 접착 필름은, 예를 들어 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 폴리비닐 부티랄(PVB), 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌 아크릴 공중합체, 또는 폴리아크릴아미드(PA)로부터 제조된다. EVA는 가교 탄성 재료로서 특히 우수한 가공성에 의해 구별되며, 결과적으로 빈번하게 사용된다. 복합 패널 구조를 갖는 박막 태양광 모듈의 경우에는, PVB가 최근에 점점 더 사용되어 왔다. PVB는 가교 없이 그리고 화학 조성의 변화 없이 열의 작용 하에서 용융되는 열가소성 물질 중 하나이다.
그러나, 태양광 모듈의 제조 동안, 다양한 종류의 결함이 발생될 수 있는데, 이러한 결함은 불리하게는 내부 전력 손실을 야기하며, 이에 따라 태양광 모듈의 공칭 출력 또는 효율을 감소시킨다. 이의 예에는 단락(션트(shunt))이 있는데, 이는 전하 캐리어의 국소적으로 상승된 재결합 속도, 기계적 결함, 예컨대 균열, 파절, 및 탈층 또는 재료 품질의 변동을 일으키게 된다.
일부 태양광 모듈에서, 특히 불리하게는, 공칭 전력의 적어도 대부분이 가역적(과도적)인 감소가 적층 공정을 통해 일어날 수 있다. 한 가지 이론으로 제한되고자 함이 없이, 적층 시점에서의 열, 압력, 및 수분의 작용을 통해, 반도체 층 내에 결함이 생성되며, 이들 결함은 적어도 부분적으로, 그러나 통상은 대부분에 대해 시간이 경과됨에 따라 스스로 해소되는 것으로 추정된다. 실험에서 입증된 바와 같이, 칼코피라이트 반도체 기반의 박막 태양광 모듈은 적층 후에, 적층 전의 태양 전지의 공칭 출력보다 약 5 내지 20% 더 낮은 일시적으로 감소된 공칭 출력을 갖는다.
제조자의 경우, 이는 특정 환경 하에서, 재정적 불이익을 의미하는데, 그 이유는 태양광 모듈이 추정상 더 낮은 출력에 기초하여 하향 조정된 가격으로 판매되기 때문이다. 공장에 의해 지시되는 태양광 모듈에 대한 공칭 출력이 회복 후에 확립된 실제의 공칭 출력보다 실질적으로 더 낮을 경우, 이는 경우에 따라서는 또한 태양열 플랜트의 전기 시스템의 준최적 설계(suboptimal designing)로 이어질 수 있다.
대조적으로, 본 발명의 목적은 박막 태양광 모듈의 연속 생산에 적합한 공칭 출력의 신속 안정화 방법을 이용가능하게 하는 데 있는데, 이때 이 방법에 의해 적층 공정에 의해 야기되는 박막 태양광 모듈의 공칭 출력의 (일시적) 감소가 통상적인 생산 사이클의 맥락에서 공장에서 적어도 대부분이 이미 제거될 수 있다. 이 목적 및 다른 목적이 독립 청구항의 특징을 갖는 방법에 의해 본 발명의 제안에 따라 달성된다. 본 발명의 유리한 실시양태는 하위청구항의 특징에 의해 나타낸다.
본 발명에 따르면, 박막 태양광 모듈의 공칭 출력 또는 효율의 신속 안정화 방법이 제시된다.
박막 태양광 모듈은 적어도 하나의 (플라스틱) 접착제 층에 의해 서로 연결된 2개의 기판의 적층된 복합체를 포함하고, 기판 사이에 직렬 연결된 (박막) 태양 전지가 배치된다. 각각의 태양 전지는 헤테로접합 또는 pn-접합, 다시 말해서, 상이한 전도체 유형을 갖는 일련의 영역들을 형성하는 적어도 하나의 반도체 층을 포함한다. 적층된 복합체는 전형적으로 태양 전지가 적용되는 적어도 하나의 (후방) 캐리어 기판, 예를 들어 유리 캐리어를 포함하며, 이때 이 목적을 위하여, 제1 전극 층, 제2 전극 층, 및 2개의 전극 층 사이에 배치된 적어도 하나의 반도체 층이 캐리어 기판 상에 통상 적용된다. 통상적으로, 반도체 층은 도펀트로 도핑된다. 바람직하게는, 반도체 층은 칼코피라이트 화합물로 제조되는데, 이는 특히 구리 인듐/갈륨 이황화물/이셀렌화물(Cu(InGa)(S/Se)2) 군, 예를 들어 구리 인듐 이셀렌화물(CuInSe2 또는 CIS), 또는 관련 화합물으로부터의 I-III-VI-반도체일 수 있다. 전형적으로, 적층된 복합체에서, 태양 전지가 적용된 캐리어 기판은 접착제 층에 의해 태양광에 대해 가능한 한 투과성인 (전방) 커버 층, 예를 들어 유리 플레이트에 접착되며, 이때 태양 전지는 접착제 층 내에 매립된다.
박막 태양광 모듈의 공칭 출력은 이른바 광기전 장치의 표준 시험 조건(STC) (표준 IEC 904-3) 하에서 그 자체가 공지된 방법으로 결정될 수 있다. STC의 적용시, 1 kW/m2의 방사조도 및 태양광의 소정 스펙트럼으로 수직 조사가 25℃의 모듈 온도에서 수행된다. 1 kW/m2의 방사조도는 특히 또한 (특히 남쪽 국가들에서) 태양광에 의해 얻어질 수 있다.
본 발명에 따른 방법에서, 박막 태양광 모듈의 연결된 태양 전지들 또는 적층된 복합체는 적어도 하나의 광원의 인공광으로 조광된다. 광의 강도는 복합체가 5 kW/m2 (제곱미터당 킬로와트) 이상의 방사조도로 조광되도록 선택된다.
본 발명의 맥락에서, 용어 "방사조도" 또는 "조사 밀도"는 복합체의 표면과 충돌하는 전자기 방사선의 출력을 의미한다. 본원에 사용되는 용어 "안정화"는 적층 공정에 의해 야기된 반도체 층 내의 결함의 치유를 통한, 적층된 박막 태양광 모듈의 일시적으로(과도적으로) 감소된 공칭 출력(효율)의 증가 또는 상승을 말한다.
본 출원인의 실험에 의해 입증된 바와 같이, 적층 공정에 의해 생성된 결함의 신속한 치유는 유리하게는 5 kW/m2 이상의 매우 높은 방사조도에 의한 태양 전지들의 조광에 의해 달성될 수 있다. 실제로, 박막 태양광 모듈의 공칭 출력의 상당한 안정화가 수 분 동안, 예를 들어 한 자릿수 분의 범위 또는 더 짧은 범위에서의 조광에 의해 이미 달성될 수 있다. 이렇게 달성된 박막 태양광 모듈의 과도적으로 감소된 공칭 출력의 회복은 놀랍게도, 예를 들어 표준 시험 조건(STC) 하에서의 48시간 동안의 광 에이징(light aging)에 의해 달성된 공칭 출력의 회복보다 더 나쁘지 않거나 적어도 실질적으로 더 나쁘지 않다. 본 발명에 따르면, 그러한 효과는 상당히 더 짧은 시간에 얻어질 수 있다.
본 출원인이 입증할 수 있었던 바와 같이, 과도적으로 감소된 공칭 출력의 증가에 대한 결정적 인자는 조광의 일시적 지속시간이 아니라 오히려 사용된 방사조도이다. 방사조도와 조광 시간의 일정한 곱을 고려하는 경우, 예기치 않게도 증배된 방사조도와 그에 상응하여 단축된 조광 시간의 의해, 더 우수한 효과가 얻어질 수 있다는 것이 입증되었다. 그러나, 효과의 포화가 방사조도의 증가와 함께 일어난다. 특히, 칼코피라이트 화합물을 기재로 한 태양 전지들을 갖는 박막 태양광 모듈의 경우, 약 5 kW/m2의 방사조도에서, 공칭 출력의 추가의 증가에 대한 포화가 관찰될 수 있다. 적층된 복합체는 최대 15 kW/m2의 방사조도로 조광되는 것이 유익하다는 것이 입증될 수 있으며, 이때 상기한 바와 같이, 공칭 출력의 상승의 포화는 약 5 kW/m2에서 이미 일어난다.
태양 전지들을, 예를 들어 수 분 또는 더 짧은 시간의 상대적으로 짧은 기간 동안 5 kW/m2 이상의 방사조도로 조광함으로써 박막 태양광 모듈의 과도적으로 감소된 공칭 출력의 증가를 얻는 능력을 통해, 본 발명에 따른 방법은 따라서 심지어는 최초로, 태양광 모듈당 한 자릿수 분 범위의 사이클 시간이 통상적인 박막 태양광 모듈의 연속 생산에서 공칭 출력의 안정화를 가능하게 한다. 따라서, 박막 태양광 모듈은 공장에서 이미 회복될 수 있고, 박막 태양광 모듈이 더 우수한 품질을 갖도록 하는 더 높은 공칭 출력으로 명시될 수 있다. 게다가, 태양열 플랜트의 전기 시스템이 더 우수하고 더 정확히 조정될 수 있다.
본 발명의 맥락에서, 박막 태양광 모듈의 조사에 대한 시간 데이터는 각각의 경우에 (전체-표면 조사에 대해서는) 박막 태양광 모듈이 그의 전체 표면에 걸쳐 조사되는 시간 기간 또는 (섹션 단위 조사에 대해서는) 박막 태양광 모듈의 한 섹션 또는 부분이 섹션 단위로 (즉, 국소적으로) 조사되는 시간 기간을 말한다. 심지어 섹션 단위 조사에 대해서도, 박막 태양광 모듈은 그의 전체 표면에 걸쳐 조사되는데, 이때 태양광 모듈의 상이한 섹션들은, 예를 들어, 특히 선형 광 빔이 박막 태양광 모듈 위로 스위핑(sweeping)하고, 각각의 경우에 박막 태양광 모듈의 섹션들을 조사하도록, 광원 및 박막 태양광 모듈을 서로에 대해 이동시킴으로써 상이한 시간에 조사된다.
실제로 충분한 태양 전지의 회복을 위하여, 즉 공칭 출력의 상당한 안정화의 원하는 효과를 얻기 위하여, 사용되는 인공광의 방사조도 및 박막 태양광 모듈의 유형에 따라, 적층된 복합체 또는 적층된 복합체의 적어도 하나의 섹션은 최대 10분, 최대 4분, 최대 2분, 최대 1분, 또는 최대 30초의 조광 기간 동안 조광되는 것이 유리할 수 있다. 상기 내용의 맥락에서, 이들 데이터는 박막 태양광 모듈의 전체 조사 기간 동안의 박막 태양광 모듈의 전체-표면 조사(모든 태양 전지들이 조사됨)에 기초하거나, 또는 대안적으로, 박막 태양광 모듈의 섹션 단위 조사(단지 태양 전지들의 일부만이 각각의 경우에 조사되거나 모든 태양 전지들이 동시에 조사되지는 않음)의 경우 박막 태양광 모듈의 각각의 섹션이 국소적으로 조사되는 기간에 기초한다.
임의의 경우에, 박막 태양광 모듈의 과도적으로 감소된 공칭 출력의 만족스러운 증가가 조광에 의해 수 분 이내에 얻어질 수 있는데, 이는 태양광에 의한 자연 회복이 그러한 효과에 도달하기 위해 1 kW/m2의 방사조도에서 약 48시간의 조광을 필요로 하는 것과는 대조적이다. 그런데, 적어도 북유럽에서는 태양광에 의해 1 kW/m2의 방사조도가 거의 얻어지지 않는다는 것이 언급되어야 한다. 특히, 칼코피라이트 화합물을 기재로 한 반도체 층을 갖는 박막 태양 전지들을 갖는 박막 태양광 모듈의 경우에, 약 2분의 조광 기간으로부터, 공칭 출력의 추가의 증가에 관한 포화가 일어나서 그러한 모듈의 조광을 2분의 조광 기간으로 제한하는 것이 유리할 수 있도록 한다.
박막 태양광 모듈의 제조 시에, 본 발명에 따른 조광이, 예를 들어 적층 직후에 일어날 수 있지만, 또한 나중에 일어날 수도 있으며, 또한 박막 태양광 모듈이 서비스되기 전에 일어날 수도 있다.
본 발명에 따른 방법의 특히 유리한 실시양태에서, 적층된 복합체 또는 태양 전지들은 섹션 단위로 (국소적으로), 특히 선형으로 조광된다. 기술적으로 간단한 구현에서, 적층된 복합체 및 광원은 이 목적을 위해 서로에 대해 병진 운동시키는데, 이때 특히 적층된 복합체를 정상광원(stationary light source)을 지나서 이동시킨다. 특히, 선형 광 빔이 박막 태양광 모듈의 표면 위로 스위핑하고, 각각의 경우에 5 kW/m2 이상의 방사조도로 박막 태양광 모듈의 국소 섹션들을 조사시킨다. 선형 광 빔의 선폭(그의 길이에 수직한 치수)은, 예를 들어 1 내지 10 cm의 범위이다. 유리하게는, 이들 선폭에 대해, 박막 태양광 모듈의 표면 상에서의 광 빔의 변위 속도(즉, 광원에 대한 박막 태양광 모듈의 이동 속도)는, 원하는 효과를 얻기 위하여, 박막 태양광 모듈의 전체 표면의 스위핑 및 5　kW/m2 이상의 방사조도에 의한 박막 태양광 모듈의 국소 조사를 통해 0.001 cm/sec 내지 10 cm/sec의 범위이다. 이동 속도는 선폭에 무관하지 않다. 특히, 더 큰 선폭은 더 빠른 이동 속도를 가능하게 하고 반대도 마찬가지라는 상관 관계가 적용된다. 박막 태양광 모듈의 조사를 위한 광 빔의 선형 구성에 의해, 박막 태양광 모듈의 공칭 출력의 증가가 달성될 수 있으면서 동시에, 유리하게는, 광원의 에너지 소비가 전체-표면 조광의 에너지 소비보다 적게 감소될 수 있다. 게다가, 박막 태양광 모듈의 조광을 위한 장치가 대폭 간소화된다. 더욱이, 특히 유리한 방식으로는, 조광 동안의 박막 태양광 모듈의 능동 냉각이 생략될 수 있다는 것인데, 박막 태양광 모듈의 전체-표면 조광과 같은 경우, 완전한 박막 태양광 모듈의 과도한 가열(이는 박막 태양광 모듈의 기능 저하 또는 심지어는 손상을 발생시킬 수 있음)을 다루는 것이 때때로 필요하다. 다른 한편으로, 박막 태양광 모듈의 섹션 단위 조광을 통해, 박막 태양광 모듈의 절대적으로 바람직한 국소 가열이 얻어질 수 있는데, 이는 유리하게는 공칭 출력의 추가 개선에 기여한다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 유리한 실시양태에서는, 순방향 및/또는 역방향으로 바이어스된 전압을, 조광 동안, 연결된 태양 전지들에 인가시키는데, 이에 의해 과도적으로 감소된 공칭 출력이 더욱 더 증가되거나 안정화될 수 있다.
일반적으로, 박막 태양광 모듈의 조광을 위한 광원은 광이 자유롭게 선택가능한 스펙트럼으로 전달되도록 구현될 수 있다. 유리하게는, 광원의 스펙트럼은 적어도 대략 태양광의 스펙트럼에 또는 적어도 그 스펙트럼의 일부에 상응하며(또는 그것에 접근하며), 이에 의해 박막 태양광 모듈의 과도적으로 감소된 공칭 출력의 특히 효과적인 증가가 얻어질 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 유리한 실시양태에서, 박막 태양 전지들이 직렬 연결된 적층된 창유리(pane) 구조를 갖는 적층된 복합체를 조광하며, 이때 박막 태양 전지들은 특히 칼코피라이트 화합물, 특히 Cu(In/Ga)(S/Se)2로 이루어진 반도체 층을 갖는다.
본 발명은 또한 적어도 하나의 접착제 층에 의해 서로 연결된 2개의 기판의 적층된 복합체를 갖고 기판 사이에 직렬 연결된 태양 전지가 배치된 박막 태양광 모듈의 제조 방법에 관한 것이며, 하기의 단계를 포함한다:
- 적층된 복합체를 제공하는 단계;
- 태양 전지를 방사조도가 5 kW/m2 이상인 인공광으로 조광하는 상기에 기재된 방법에 의해 박막 태양광 모듈의 공칭 출력을 안정화하는 단계.
태양광 모듈의 그러한 제조 방법은 박막 태양광 모듈의 과도적으로 감소된 공칭 출력을 증가시키기 위한 상기에 기재된 방법의 다른 특징들을 포함할 수 있다.
더욱이, 본 발명은 적층된 복합체로부터 제조된 박막 태양광 모듈의 과도적으로 감소된 공칭 출력을 증가시키기 위해 적층된 복합체의 태양 전지의 조광을 위한 인공광의 용도에 관한 것이며, 여기서 박막 태양 전지를 특히 칼코피라이트 화합물, 특히 Cu(In/Ga)(S/Se)2로부터 이루어진 반도체 층을 가질 수 있으며, 태양 전지를 방사조도가 5 kW/m2 이상인 광으로 조광한다.
이제, 첨부된 도면을 참조하면서, 예시적인 실시양태를 사용하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들은 간략화된 축적대로 그려지지 않은 도면으로 도시되어 있다:
도 1은 예시적인 박막 태양광 모듈의 개략도이다.
도 2는 도 1의 박막 태양광 모듈의 적층 공정을 예시하는 개략도이다.
도 3은 도 1의 박막 태양광 모듈의 조광을 위한 조광 장치의 개략도이다.
도 4a 및 도 4b는 다양한 광 강도에 따른 회복 효과(도 4a), 및 광 강도의 변화없이 시간의 함수로서의 회복 효과(도 4b)를 예시하는 다이어그램이다.
도면의 상세한 설명
도 1은 전체적으로 도면 부호 1로 표시된 박막 태양광 모듈을 예시한다. 박막 태양광 모듈(1)은 일체화된 형태의 복수의 직렬 연결된 태양 전지들(11)을 포함하는데, 더 단순한 표현을 위하여, 단지 2개의 박막 태양 전지(11)만이 도 1에 도시되어 있다. 물론, 많은 수(예를 들어, 약 100개)의 박막 태양 전지들이 박막 태양광 모듈(11) 내에 직렬 연결된다.
박막 태양광 모듈(1)은 복합 패널 구조체를 갖는데, 즉 이는 박층들의 층 구조체(3)가 위에 적용된 전기 절연성 제1 기판(2)을 가지며, 이때 층 구조체(3)는 제1 기판(2)의 광 진입측 표면 상에 배치된다. 제1 기판(2)은 본원에서, 예를 들어 상대적으로 낮은 광 투과성을 갖는 강성 유리 플레이트로서 구현되며, 수행되는 공정 단계들에 대해 원하는 강도 및 불활성 거동을 갖는 다른 전기 절연성 재료도 동일하게 사용할 수 있다.
층 구조체(3)는 제1 기판(2)의 광 진입측 표면 상에 배치된 후방 전극 층(5)을 포함하는데, 이 층은, 예를 들어 몰리브덴(Mo)과 같은 불투명 금속으로 이루어지며, 증착 또는 자계-보조 캐소드 스퍼터링에 의해 제1 기판(2) 상에 적용될 수 있다. 후방 전극 층(5)은 층 두께가 300 nm 내지 600 nm이며, 본원에서는, 예를 들어 500 nm이다.
후방 전극 층(5) 상에 있는, 밴드 갭이 바람직하게는 태양광의 최대 가능한 부분(share)을 흡수할 수 있는 금속 이온으로 도핑된 반도체로부터 이루어진 광기전 활성 반도체 층 또는 흡수체 층(6)은, 예를 들어 스퍼터링에 의해 퇴적된다. 흡수체 층(6)은, 예를 들어 p-전도성 칼코피라이트 반도체, 예를 들어 Cu(In/Ga)(S/Se)2 군의 화합물, 특히 나트륨(Na)-도핑된 Cu(In/Ga)(S/Se)2로 이루어진다. 흡수체 층(6)은 층 두께가, 예를 들어 1 내지 5 ㎛의 범위이며, 특히 약 2 ㎛이다. 후방 전극 층(5)과 흡수체 층(6) 사이에는, 예를 들어 도펀트로서의 역할을 하는 흡수체 층의 금속 이온에 대한 확산 배리어로서 작용하는 질화규소의 배리어 층이 제공될 수 있으며, 이는 도 1에 상세히 도시되어 있지는 않다. 다양한 금속의 반도체 재료로의 변환이 소성로(RTP = 급속 열 처리) 내에서의 가열에 의해 일어난다.
본원에서는, 예를 들어 황화카드뮴(CdS)의 단일 층 및 진성 산화아연(i-ZnO)의 단일 층으로 이루어진 완충 층(7)이 흡수체 층(6) 상에 퇴적되며, 이는 도 1에 상세히 도시되어 있지는 않다.
전방 전극 층(8)은, 예를 들어 스퍼터링에 의해 완충 층(7) 상에 적용된다. 전방 전극 층(8)은 입사 태양광(도 1에 4개의 평행한 화살표로 도시됨)이 약간만 약화되도록 가시 스펙트럼 범위의 조사에 대해 투과성이다("창 전극"). 전방 전극 층(8)은, 예를 들어 도핑된 금속 산화물, 예를 들어 n-전도성 알루미늄(Al)-도핑된 산화아연(ZnO)을 기재로 한다. 그러한 전방 전극 층(8)은 일반적으로 TCO-층(TCO = 투명 전도성 산화물)으로 지칭된다. 전방 전극 층(8)의 층 두께는, 예를 들어 약 500　nm이다.
완충 층(7) 및 흡수체 층(6)과 함께 전방 전극 층(8)에 의해, 헤테로접합(즉, 반대되는 전도체 유형의 일련의 층들)이 형성된다. 완충 층(7)은 흡수체 층(6)의 반도체 재료와 전방 전극 층(8)의 재료 사이의 전자적 적응을 수행할 수 있다.
제1 기판(2) 상의 층 구조체(3)의 다양한 층들은 레이저 묘화(laser writing)와 같은 적합한 구조화 기술을 사용하여 구조화되어, 일체화된 직렬 연결된 박막 태양 전지들(11)을 생성한다. 각각의 태양 전지에 대해, 그러한 구조화는 전형적으로 3개의 구조화 단계(P1, P2, P3)를 포함하는데, 먼저 후방 전극 층(5)(P1), 이어서 반도체 층(6)(P2), 그리고 마지막으로 전방 전극 층(8) 및 반도체 층(6)(P3)이 구조화된다. 그러한 구조화는 당업계 보통의 기술자에게 그 자체가 공지되어 있어서 본원에서 상세히 논의할 필요가 없다.
본원에 도시된 예에서, 박막 태양광 모듈(1)의 결과로 생성된 양의 전압 연결부(+) 및 결과로 생성된 음의 전압 연결부(-) 둘 모두는 후방 전극 층(5) 위로 안내되고 거기서 전기적으로 접촉된다. 박막 태양 전지들(11)의 조광을 통해, 2개의 전압 연결부 상에서 전압이 발생된다. 합성 전류 경로가 연속된 화살표로 도 1에 도시되어 있다.
환경 영향에 대한 보호를 위하여, 층 구조체(3)를 캡슐화하는 역할을 하는 (플라스틱) 접착제 층(9)이 전방 전극 층(8) 상에 적용된다. 게다가, 층 구조체(3)는 전방측 커버 층으로서 태양광에 대해 투과성인 제2 기판(10)을 포함하는데, 이는, 예를 들어 저철 고백색(extra-white) 유리로 제조된 유리 플레이트 형태로 구현되며, 수행되는 공정 단계들에 대해 원하는 강도 및 불활성 거동을 갖는 다른 전기 절연성 재료도 동일하게 사용할 수 있다. 제2 기판(10)은 층 구조체(3)의 밀봉 및 기계적 보호를 위한 역할을 한다. 박막 태양광 모듈은 제2 기판(10)의 전방측 표면(4)을 통해 조광되어 전기 에너지를 생성할 수 있다.
2개의 기판(2, 10)은 접착제 층(9)에 의해 서로 고정 결합("적층")되는데, 이때 접착제 층(9)은, 예를 들어 가열에 의해 소성적으로 변형가능하고 냉각 시 2개의 기판(2, 10)을 서로 고정 결합시키는 열가소성 접착제 층으로서 본원에서 구현된다. 접착제 층(9)은 본원에서, 예를 들어 PVB로 이루어진다. 2개의 기판(2, 10)은 박막 태양 전지들(11)이 접착제 층(9) 내에 매립된 적층 복합체(12)를 함께 형성한다. 박막 태양광 모듈(1)의 직사각형 전방측 표면(4)의 크기는 본원에서, 예를 들어 1.6 x 0.7　m2이다.
박막 태양광 모듈(1)의 제조 시에, 적층이 일어나는데, 이 동안에는 2개의 기판(2, 10)은 그 사이에 박막 태양 전지들(11)이 배치된 상태로 접착제 층(9)에 의해 접착된다. 통상적으로 연속 생산에서는, 이를 위해 2개의 상이한 적층 공정이 사용되며, 이는 도 2에 상세히 도시되어 있다.
2개의 적층 공정에서는, 구조화된 박막 태양 전지들(11)이 위에 적용된 제1 기판(2) 및 제2 기판(10) 및 접착제 층(9)으로서의 역할을 하는 필름을 서로 포개어지도록 배치한다. 이어서, 이 층 구초체를, 가열 요소(15)에 의한 가열 및 롤러(16)에 의해 가해지는 압력과 함께 롤 적층기(13) 내로 도입하여, PVB 필름이 용융되고 냉각 후에 적층된 복합체(12)를 생성하도록 한다. 이후에는 오토클레이브(17) 내에서의 처리가 뒤따른다. 대안적으로, 층 구조체는 진공 적층기(14) 내로 도입될 수 있는데, 여기서 가열은 마찬가지로 가열 요소에 의해 일어나고 압력은 막(도시되지 않음)에 의해 가해지며, 이에 의해 PVB 필름이 용융되고 적층된 복합체(12)가 생성된다. 적층 공정에 의해, 가역적(치유가능한) 결함이 태양 전지들(11) 내에서 일어날 수 있으며, 이는 박막 태양광 모듈(1)의 공칭 출력을 일시적으로 감소시킨다.
박막 태양광 모듈(1)의 연속 생산의 맥락에서, 효율의 신속하고 효율적인 회복, 즉 적층에 의해 야기된 박막 태양 전지들(11)의 반도체 층 내의 결함의 치유를 달성하기 위하여, 적층된 복합체(12) 또는 박막 태양광 모듈(1)은 특수 조광 장치(18) 내의 인공광에 의한 조광이 적용된다. 하기에, 박막 태양광 모듈(1)의 조광에 대해 언급되어 있는데, 이는 적층된 복합체(12)를 조광하는 것이 또한 동일하게 가능하다는 것을 이해해야 하며, 이때 적층된 복합체(12)는 또한 박막 태양광 모듈(1)의 제조에서 중간 제품일 수 있다(이는, 예를 들어, 아직 어떠한 전압 연결부도 갖지 않는다).
조광 장치(18)는 적어도 하나의 인공광원(19), 예를 들어 할로겐 램프를 포함하는데, 인공광원(19)은 바람직하게는 태양광의 스펙트럼에 근사하는 스펙트럼을 가지며, 박막 태양 전지들(11)의 조광을 위한 광 빔(20)을 발생시킨다. 차광 장치(shading device) 또는 애퍼처(aperture)(23)에 의해, 제2 기판(10)의 직사각형 전방측 표면(4)의 하나의 전체 치수(폭 또는 길이)에 걸쳐 연장되는 스트립형 또는 선형 광 빔(20)이 발생된다. 본원에서, 광 빔(20)은 제2 기판(10)의 표면(4) 상에서, 예를 들어 약 1.5 cm의 폭을 가지며, 이때 광 빔(20)은 적어도 대략 직각으로 제2 기판(10)의 표면(4)과 충돌한다. 본 발명의 상세한 설명의 도입 부분에서 나타낸 바와 같이, 선폭은, 예를 들어 일반적으로 말해서 1 내지 10 cm의 범위일 수 있다.
박막 태양광 모듈(1)은 프레임(22) 상의 구동식 실린더(11)에 의해 병진적으로(일방향으로) 정상광원(19) 아래를 지나서 안내되며, 이때 고정 선형 광 빔(20)은 제2 기판(10)의 표면(4) 위로 스위핑하고 박막 태양광 모듈(1)은 섹션 단위로 조광된다. 광 빔(20)의 폭은 박막 태양광 모듈(1)의 이동 방향으로 측정된다. 상기한 바와 같이, 광 빔(1)은 박막 태양광 모듈(1)의 에지에 대해 평행한 한 치수에 완전히 걸쳐, 이 경우에는 예를 들어 그의 폭에 걸쳐, 이동 방향에 대해 수직으로 주행한다. 박막 태양광 모듈(1)은 박막 태양광 모듈(1) 또는 박막 태양 전지들(11)이 5　kW/m2 이상의 방사조도로 조광되도록 광 빔(20)에 대해 이동된다. 광원(17)과 박막 태양광 모듈(1) 사이의 거리가 적절하게 조정되도록 광원(19)은 높은 광 강도를 갖는다. 광원(19)에 대한 박막 태양광 모듈(1)의 이동 속도는, 예를 들어 0.001　cm/sec 내지 10　cm/sec의 범위이며, 이때 이동 속도는 일반적으로 광 빔의 선폭에 좌우된다.
하기 표 1에는 칼코피라이트 화합물을 기재로 한 반도체 층을 갖는 다양하게 가공된 박막 태양광 모듈(1)의 효율(공칭 출력)의 감소가 기록되어 있다.
Δη(%)
#1 적층 후 -11.8
#2 선형 조광 8 kW/m2, 10분 -2.4
#3 선형 조광 5 kW/m2, 10분 -2.2
#4 광 에이징 1 kW/m2, 48시간 -0.6
표 1에서, Δη(%)는 적층 전의 연결된 태양 전지들의 효율을 기준으로 하여, 박막 태양광 모듈의 효율에서의 백분율 차이를 말한다.
#1은 적층 직후의 (캡슐화되지 않은) 박막 태양광 모듈에서의 효율의 측정에 관한 것이며, 여기서는 박막 태양광 모듈을 인조광에 의한 특수 조광 또는 열 처리 어느 것에도 노출시키지 않았다. 이에 따르면, 효율에서의 -11.8%의 백분율 감소가 적층으로 인해 일어나서, 공장으로부터의 그러한 박막 태양광 모듈의 공칭 출력이 결함의 치유를 통해 시간 경과에 따라 확립된 실제의 공칭 출력보다 더 적게 된다. #2는 적층 후의 박막 태양광 모듈에서의 효율의 측정에 관한 것이며, 여기서는 조광 장치(18)에서와 같이 선형 광 빔으로 10분 동안 8　kW/m2의 방사조도로 조광을 수행하였다. 이에 따르면, 조광 후의 효율의 백분율 감소가 단지 -2.6%로 조광을 통해 효율의 뚜렷한 회복이 달성된다. #3은 5 kW/m2의 방사조도를 사용한 것을 제외하고는 #2에서와 같이 가공된 박막 태양광 모듈에 대한 효율의 측정에 관한 것이다. 이 경우에도 역시, 효율의 뚜렷한 회복이 달성되는데, 조광 후의 효율의 백분율 감소가 -2.4%에 이르며, 이에 따라 #2에서와 동일한 정도의 크기 내에 들어간다. 그리고 마지막으로, #4는 적층 후의 박막 태양광 모듈에 대한 효율의 측정에 관한 것이며, 여기서는 이른바 광 에이징(광 소킹(light soaking))을 48시간 동안 1 kW/m2의 방사조도로 전체-표면 조광으로 수행하였다. 역시 이에 따르면, 광 에이징에 의해, 광 에이징 후의 효율의 백분율 감소가 -0.6%에 이르면서 효율의 회복이 달성된다. 한 자릿수 분 범위의 사이클 시간을 갖는 연속 생산에서, 그러한 광 에이징은 긴 조사 시간으로 인해 수행될 수 없다.
따라서, 10분이라는 비교적 짧은 조광 기간 동안 5 kW/m2 또는 8 kW/m2의 선형 광 빔에 의한 본 발명에 따른 박막 태양광 모듈의 조광에 의해, 과도적으로 감소된 효율의 뚜렷한 회복이 달성될 수 있으며, 이는 48시간 동안의 광 에이징 후의 효율과 실질적으로 상이하지 않다.
하기의 표 2에는 칼코피라이트 화합물(CIS)을 기재로 한 반도체 층을 갖는 또 다른 박막 태양광 모듈에 대한 결과가 기록되어 있다.
Δη(%)
#1 적층 후 -16.3
#3 선형 조광 10 kW/m2, 1분 -5.6
#5 광 에이징 1 kW/m2, 48시간 -4.0
표 2에서, Δη(%)는 역시 적층 전의 연결된 태양 전지들의 효율을 기준으로 하여, 박막 태양광 모듈의 효율에서의 백분율 차이를 말한다.
#1은 인조광에 의한 특수 조광 또는 처리 없이 (캡슐화되지 않은) 적층 직후의 효율의 측정에 관한 것이다. 이 박막 태양광 모듈의 경우, 효율에서의 -16.3%의 백분율 감소가 일어난다. #2는 적층 후의 박막 태양광 모듈에 대한 효율의 측정에 관한 것이며, 여기서는 선형 광 빔으로 1분 동안 10 kW/m2의 방사조도로 조광을 수행하였다. 이에 따르면, 조광 후의 효율의 백분율 감소가 단지 -5.6%로 조광을 통해 효율의 뚜렷한 회복이 달성된다. #3은 적층 후의 박막 태양광 모듈에 대한 효율의 측정에 관한 것이며, 여기서는 광 에이징을 48시간 동안 1 kW/m2의 방사조도로 전체-표면 조광으로 수행하였으며, 광 에이징 후의 효율의 백분율 감소가 -4.0%에 이르렀다.
표 2의 데이터에 의해 제시된 바와 같이, 더 높은 광 강도에 의한 조광을 통해 출력 손실에서의 10.7%의 감소(즉, 공칭 출력의 증가)가 얻어질 수 있으며, 이와 비교하여, 단지 약간의 1.6%의 추가 증가만이 광 에이징을 통해 얻어질 수 있다. 따라서, 적층에 의해 생성된 출력 손실은 상당히 감소될 수 있다. 또한, 48시간의 광 에이징과 비교하여 절약된 시간은 2880배에 상당한다는 것이 명백하긴 하지만, 하기의 계산예에서 보여주는 바와 같이 방사조도를 단지 10배만 증가시켰으며, 사용된 에너지는 약 20배로 더 작았다.
할로겐 램프의 사용으로, 크기가 1.6 x 0.7 m2 (길이 x 폭)인 직사각형 박막 태양광 모듈의 경우, 1 kW/m2의 방사조도에 의한 전체-표면 조광은, 예를 들어 약 40.5 kW의 연결된 전기 부하를 필요로 한다. 전체-표면 조광을 10 kW/m2로 제공하였다면, 연결된 전기 부하는 전형적으로 5 내지 10배로 증가하며, 따라서 약 202.5 내지 405 kW가 될 것이며, 이는 실제로 상당한 비용과 관련된다. 다른 한편으로, 0.7 m의 폭 및 10 kW/m2의 방사조도를 이용한 박막 태양광 모듈의 선형 조광에 의한 연결된 전기 부하는 약 2.1 kW이다. 따라서, 선형 조광을 통한 에너지 절약은 1 kW/m2에서의 전체-표면 조광과 비교하여 약 20배이고, 10 kW/m2에서의 전체-표면 조광과 비교하여 약 100 내지 200배이다.
따라서, 박막 태양광 모듈의 선형 조광을 통해, 상당한 정도로 에너지가 절약될 수 있는데, 이는 특히 전체-표면 조광은 통상 박막 태양광 모듈의 능동 냉각을 필요로 하기 때문이다.
도 4a는 상이한 광 강도 또는 방사조도 B(W/m2)에 따른 회복 효과를 예시하는 다이어그램을 도시한다. 칼코피라이트 화합물을 기재로 한 반도체 층을 갖는 박막 태양광 모듈을 선형 광 빔으로 30초 동안 조광하였으며, 이때 박막 태양광 모듈은 광 빔에 대해 이동시켰다. 박막 태양광 모듈의 효율에서의 백분율 차이의 양은 다양한 방사조도에 대해 적층 전의 연결된 전지들의 효율을 기준으로 Δη(%)로 나타나 있다. 명백하게, 백분율 변화는 먼저 약 5 kW/m2까지는 가파르게 상승하다가, 포화가 일어난다.
도 4b는 다양한 조광 시간 T(s)에 따른 회복 효과를 예시하는 다이어그램을 도시한다. 칼코피라이트 화합물을 기재로 한 반도체 층을 갖는 박막 태양광 모듈을 선형 광 빔 및 8 kW/m2의 방사조도로 조광하였으며, 이때 박막 태양광 모듈은 광 빔에 대해 이동시켰다. 적층 전의 연결된 태양 전지들의 효율을 기준으로 하여 박막 태양광 모듈의 효율에서의 백분율 차이의 양 Δη(%)가 조광의 다양한 지속시간에 대해 기록되어 있다. 명백하게, 이미 짧은 시간 후에, 큰 증가가 얻어지며, 이는 이후에 오히려 로그적으로 평탄해진다. 조광의 약 2분째의 지속시간에서, 포화가 일어난다.
본 발명은 적층에 의해 생성된 결함의 적어도 실질적인 치유를 위하여 한 자릿수 분 범위의 사이클 시간으로 박막 태양광 모듈의 산업적인 연속 생산에 사용될 수 있는 박막 태양광 모듈의 공칭 출력의 안정화 방법을 이용가능하게 한다.
1 박막 태양광 모듈
2 제1 기판
3 층 구조체
4 표면
5 후방 전극 층
6 반도체 층
7 완충 층
8 전방 전극 층
9 접착제 층
10 제2 기판
11 박막 태양 전지
12 복합체
13 롤 적층기
14 진공 적층기
15 가열 요소
16 롤러
17 오토클레이브
18 조광 장치
19 광원
20 광 빔
21 실린더
22 프레임
23 애퍼처

Claims (11)

  1. 적어도 하나의 접착제 층(9)에 의해 서로 연결된 2개의 기판(2, 10)의 적층된 복합체(12)를 갖고 기판 사이에 직렬 연결된 칼코피라이트 태양 전지(11)가 배치된 박막 태양광 모듈(1)의 공칭 출력의 안정화 방법이며,
    적층된 복합체(12) 및 인공광원(19)을 서로에 대하여 병진 운동시키는 단계;
    최대 10분의 조광 기간 동안 방사조도(irradiance)가 5 kW/m2 이상이고, 1 내지 10 cm 범위의 선폭을 가지는 선형 광 빔을 갖는 인공광으로 적층된 복합체(12)를 선형으로 조광하며, 상기 인공광원에 대한 박막 태양광 모듈의 이동 속도는 0.001 cm/초 내지 10 cm/초의 범위인 단계; 및
    조광 후 박막 태양광 모듈의 공칭 출력을 명시하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 적층된 복합체(12)를 최대 15 kW/m2의 방사조도로 조광하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 적층된 복합체(12)를 정상광원(stationary light source)(19)을 지나서 이동시키는 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 조광 동안, 순방향 또는 역방향 또는 순방향 및 역방향으로 바이어스된 전압을 연결된 태양 전지(11)에 인가하는 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 인공광의 스펙트럼이 태양광의 스펙트럼의 적어도 일부에 상응하는 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적층된 복합체(12)는 박막 태양 전지들이 직렬 연결된 적층된 창유리(pane) 구조를 가지며, 박막 태양 전지는 칼코피라이트 화합물로 이루어진 반도체 층을 갖는 것인 방법.
  7. 적어도 하나의 접착제 층(9)에 의해 서로 연결된 2개의 기판(2, 10)의 적층된 복합체(12)를 갖고 기판 사이에 직렬 연결된 태양 전지(11)가 배치된 박막 태양광 모듈(1)의 제조 방법이며,
    - 적층된 복합체(12)를 제공하는 단계;
    - 제1항 또는 제2항에 따른 방법에 의해 박막 태양광 모듈(1)의 공칭 출력을 안정화하는 단계를 포함하는 방법.
  8. 박막 태양광 모듈(1)의 적층된 복합체(12)의 칼코피라이트 태양 전지(11)를 선형으로 조광하여 박막 태양광 모듈의 공칭 출력을 안정화하기 위한 인공광원으로부터의 인공광이며, 태양 전지가 최대 10분의 조광 기간 동안 방사조도 5 kW/m2 이상이고 1 내지 10 cm 범위의 선폭을 가지는 선형 광 빔을 갖는 광으로 조광되고, 상기 인공광원에 대한 박막 태양광 모듈의 이동 속도는 0.001 cm/초 내지 10 cm/초의 범위이며, 적층된 복합체의 조광은 적층된 복합체 및 인공광원을 서로에 대하여 병진 운동시키는 것을 포함하는 인공광.
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  10. 삭제
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