KR20090118038A

KR20090118038A - 성층권 및 우주 공간 용도 태양전지

Info

Publication number: KR20090118038A
Application number: KR1020097017290A
Authority: KR
Inventors: 쉥즈홍 리우; 케빈 버닌크; 애린덤 배너지; 취충 양; 수벤두 구아
Original assignee: 유나이티드 솔라 오보닉 엘엘씨
Priority date: 2007-01-22
Filing date: 2008-01-22
Publication date: 2009-11-17
Also published as: CN101681935B; WO2008121174A2; WO2008121174A3; US20080173349A1; CN101681935A; EP2111644A4; EP2111644A2

Abstract

성층권 및 우주 공간 용도로 사용하기 위한 경량 광기전 장치. 이 장치는 그것의 광입사면 상에 보호 표면 코팅을 포함한다. 이 보호 코팅은 태양전지의 광기전 특성에 해로운 영향을 미치지 않으며, 광기전 장치가 사용되는 성층권 또는 우주 공간 환경의 거친 조건으로부터 상기 태양전지를 보호하는 물질로 형성되며; 및 성층권 또는 우주 공간의 거친 조건에 노출되었을 때 실질적으로 변하지않고 남아있는다. 상기 보호 코팅은 분무 코팅된 실리콘계 물질로 만들어지고 0.01 내지 2 mil 두께이다.

Description

성층권 및 우주 공간 용도 태양전지{solar cells for stratospheric and outer space use}

본 발명은 성층권에서 비행선 및 우주 공간에서 우주선에 사용하기 위한 태양전지에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 중합체 또는 금속 박막(thin metallic films) 상에 부착된(deposited) 경량의 태양전지(비출력:>500W/kg) 및 초경량 태양 전지(비출력:>1000 W/kg)에 관한 것이며, 대기권, 성층권 및 우주 공간 환경으로부터 보호하기 위해 이들의 상부에 부착된 분무 코팅된 실리콘 캡슐제를 포함한다.

성층권 및 우주 공간 용도로 경량, 유연성 태양전지가 매우 잠재력이 크다는 것이 매우 명확하게 되었다. 성층권 응용의 하나의 예는 고고도 플랫폼(high-altitude platform)에 에너지를 공급하는 것이다. 이와 관련하여, 고용량 무선 서비스에 대한 수요는 도전을 증가시키고 있다. 물리적으로, 매우 많은 베이스 스테이션 마스트(base-station masts)가 배치되지 않는다면, 시선(line-of-sight) 전자기 전파 경로(electromagnetic propagation paths)에 대한 필요는 구속을 나타내고, 위성 통신 시스템은 용량 한계를 갖는다. 이들 문제에 대한 하나의 제안된 해결책은 지상방식 및 위성 방식 모두의 최상의 특징을 이용할 수 있는 통신 시설을 제공하기 위해 고도 약 22km에서 작동하는 대량의 고고도 플랫폼(HAPs)을 배치하는 것이지만, 그것들은 태양에 기초한 전력구조(power structure)를 필요로 할 것이다.

우주공간 용도는 우주 정거장, 관측소 및 다른 전력 소모가 많은 장비뿐만 아니라 통신 및 다른 용도를 위한 위성을 포함한다. 심지어는 행성 탐험, 예를 들어 화성 탐험을 위한 고고도에 부동(floating) 플랫폼을 위한 제안들이 있어왔다.

이들 및 다른 잠재적인 용도의 관점에서, 경량, 유연성 태양전지에 관해 최근에 많은 노력이 있었다. 그러나 이들 태양전지가 사용될 거친, 해로운 환경에 관한 어떤 심각한 고려도 없었다. 요컨데, 태양 전지를 성층권 및 우주 공간 환경의 해로운 효과로부터 어떻게 보호해야 할 지에 관한 많은 고려가 없었다. 성층권과 우주 공간의 해로운 환경을 견디어내면서도 강한 광기전 성능을 여전히 제공할 수 있는 경량, 유연성 태양 전지를 제조할 필요가 있다.

본 발명은 광입사 표면 상의 얇은 코팅에 의해 이들 환경으로부터 보호되는 태양전지를 제공하는 것이다. 이 코팅은 접착성이며 산화성 요소 및 온도 극단/사이클링으로 뿐만 아니라 거친 복사 에너지로부터 태양전지를 보호한다. 이 코팅은 태양 전지가 저장될 지면 고도의 지구 환경으로부터 태양전지를 또한 보호한다. 마직막으로 이 코팅 그 자체는 그것이 보호하는 주변 환경에 의해 해롭게 영향받지 않는다.

본 발명은 성층권 또는 우주 공간 환경에서 사용되기 위해 적합화된 광기전 장치를 포함한다. 이 광기전 장치는 기판 및 기판 상에 부착된 하나 이상의 태양 전지를 포함한다. 이는 상기 태양 전지 위에 부착되고 태양전지를 완전히 캡슐화하는 보호 코팅을 더 포함한다. 상기 보호 코팅은: a) 태양 전지의 광기전 특성에 해롭게 영향을 미치지 않고; b) 광기전 장치가 사용되기에 적합화된 대기권, 성층권 또는 우주 공간 환경의 거친 조건으로부터 상기 태양 전지를 보호하는 물질로 형성되고; 및 c) 광기전 장치가 사용되기에 적합화된 대기권, 성층권 또는 우주 공간 환경의 거친 조건에 노출됐을 때 실질적으로 변하지 않고 남는다. 바람직하게 상기 보호 코팅은 실리콘계 물질로 분무 부착된 코팅과 같은, 실리콘계 물질의 코팅이다. 상기 보호 코팅은 0.01 내지 2 mil 두께, 더 바람직하게는 0.2 내지 2 mil 두께, 보더 더 바람직하게는 0.5 내지 2 mil 두께, 및 가장 바람직하게는 1 내지 2 mil 두께이다.

상기 기판은 금속 또는 중합체의 얇은 웹과 같은, 얇은 웹을 포함한다. 금속은 스테인레스강을 포함할 수 있고 중합체는 캡톤(Kapton)과 같은 폴리이미드 필름을 포함할 수 있다. 태양전지는 하나 이상의 태양전지, 예를 들면 삼중 접합(triple junction) 무정형 실리콘 태양전지를 포함할 수 있다. 광기전 장치는 기판과 태양전지 사이에 배치된 후면 반사(back-reflecting) 구조를 더 포함할 수 있다. 상기 장치는 또한 태양전지와 상기 보호 코팅 사이에 배치된 상부(top) 전도층을 또한 포함할 수 있고, 이는 인듐 주석 산화물(ITO)로 만들어질 수 있다. 마지막으로, 장치는 상부 전도층과 보호 코팅 사이에 배치된 집전 그리드를 더 포함할 수 있다.

본 발명은 위성 및 비행선 응용을 위한, 스테인리스강 또는 중합체 기판 상의 캡슐화된 박막 무정형 실리콘 합금 태양 전지를 포함한다. 캡슐제 층은 광기전 장치 상에 보호 코팅을 제공한다. 캡슐제 층은 투명, 유연성, 우주공간 양립가능(space compatible)하고 기계적으로 단단하다. 또한, 상기 코팅은 광기전 전지의 건조 물질(construction materials)에 잘 부착하고 대기 오염 물질에 대한 장벽이다. 성층권 및 우주에서 다양한 환경 때문에, 상기 캡슐제 물질은 많은 엄격한 요구 조건들을 만족시켜야 한다.

캡슐제 코팅은 두개의 목적을 수행해야 한다: 1) 광기전 장치의 보호; 및 2) 상기 전지의 흡수율 및 방사율의 컨트롤. 제 1 목적에 관하여, 캡슐제 코팅은: a) 습도 및 대기 오염물과 같은 지구 환경 인자들; b) 모듈/어레이 제조 및 적재(stowing) 동안 기계적 취급; 및 c) 정전기 방전과 같은 인자들뿐만 아니라 UV 방사선, 원자 산소 및 오존에 대한 노출과 같은 우주 공간 및 성층권 환경 인자들로부터 보호를 제공할 것이다. 제 2 인자에 관해, 상기 캡슐제 코팅은 전지의 방사 및 흡착 특성을 조정(tailor)하여 전지가 선택된 환경 중 소정의 온도에서 작동할 것이다.

본 발명의 코팅이 도포될 수 있는 태양 전지 장치의 일 예가 도 1에 도시되었다. 이 도면은 후면 반사 구조 (3)이 부착된 기판 (2)을 포함하는 무정형 실리콘 광기전 장치 (1)의 개략도이다. 상기 구조는 또한 하나 이상의 광기전 장치를 포함한다. 도 1은 세 개의 n-i-p 접합(4-5-6, 7-8-9, 및 10-11-12)을 포함하는 삼중 접합 광기전 장치를 도시한다. 비록 본 도면이 삼중 n-i-p 접합 태양 전지를 도시하지만, 어떤 타입의 박막 태양전지도 본 발명의 보호 코팅으로 이득을 얻을 것이다. 따라서 도 1의 광기전 장치는 세 개의 n-타입 반도체 층(4, 7 및 10), 세 개의 진성 반도체 층(5, 8 및 11) 및 세 개의 p-타입 반도체 층(6, 9 및 12)을 포함하도록 도시된다. 본 도면의 층의 두께는 일정한 축척에 따른 것이 아니므로 이 상대적인 두께는 실제 장치에서의 실제 상대 두께를 나타내는 것은 아니다. n-i-p 접합 위에 투명 전도성 산화물 (13) 및 그리드 전극 구조 (14)가 부착된다. 이 타입의 광기전 장치의 기본 구조는 상기 기술 분야에서 잘 알려져 있다.

우주선 및 우주 공간 용도를 위해, 바람직한 기판은 금속 또는 중합체의 박막이다. 바람직하게 금속 기판은 스테인리스강과 같은 비반응성 금속의 초박막 호일(ultra thin foil)일 수 있다. 바람직한 중합체 기판은 KAPTON (TM)과 같은 폴리이미드 필름과 같은 안정한 비반응성 중합체의 박막이다.

따라서 본 발명의 광기전 패널은: 1) 경량 기판; 2) 상기 기판 상에 부착된 하나 이상의 박막 무정형 실리콘 합금 태양 전지; 및 3) 상기 박막 무정형 실리콘 합금 태양 전지 위에 부착된 캡슐제 층을 포함한다. 캡슐제 층은 바람직하게는 실리콘계 물질의 분무 코팅된 박막이다. 코팅의 두께는 바람직하게 0.01 및 2 mil 두께이고, 더 바람직하게는 0.2 mil 내지 2 mil 두께이고, 보다 더 바람직하게는 0.5 내지 2 mil 두께이고, 가장 바람직하게는 1-2 mil 두께이다. 상기 코팅은 바람직하게 두께가 균일하고 연속적이다.

위에서 언급한 것처럼, 캡슐제 코팅은 태양 전지를 대기권, 성층권 및 우주 공간에서 보호해야 한다. 태양 전지는 다양한 요소 및 다양한 타입의 해로운 방사선으로부터 보호되어야 한다. 캡슐제는 시간이 지남에 따라 그리고 이들 조건에 노출됨에 따라 자신이 열화되지 않고 태양 전지의 성능을 손상시키지 않고 태양전지를 이들 모두로부터 보호해야 한다. 적합한 코팅을 결정하기 위해, 본 발명자들은 다양한 조건 하에 많은 코팅을 테스트하여 태양 전지용으로 최상의 코팅을 결정하였다. 위에서 언급한 것과 같이 분무 코팅된 실리콘계 물질의 박막이 테스트된 모든 코팅 중 가장 좋은 성능을 나타냈다.

테스트된 코팅은:

1) 고부착율 마이크로파 PECVD에 의해 부착된 약 500 Å 두께의 얇은 SiO_x 필름;

2) 고부착율 마이크로파 PECVD에 의해 준비된, 약 1 마이크론 두께의, 기상 중합체(VPP) 코트;

3) 화학 분무 공정에 의해 준비된 0.5 mil 두께 미만의 아크릴 하드코트; 및

4) 화학 분무 공정에 의해 준비된, 본 발명의 실리콘계 오버 코트를 포함한다.

박막 SiO_x 코팅은 부착 공정 및 박막 필름의 코팅 특성을 최적화하는 데 사용된 장치를 사용하여 고부착율 마이크로파 PECVD 공정에 의해 도포되었다. SiO_x 필름은 500 Å 두께 수준이었다. 바람직한 캡슐제 필름은 마이크로파 PECVD 여기원(excitation source)이 장착된 박막 배치-타입 부착 반응기에서 부착되었다.

VPP 코팅은 유기 금속 Si 함유 물질이 다른 가스와 미리 혼합되고 마이크로파 플라즈마 반응기에 공급되는 공정에 기초하고 있다. 가스는 분해되고 반응하여 코팅을 형성한다. 부착율은 VPP 코팅 전 후에 샘플의 무게를 측정하여 캘리브레이션된다. 테스트를 수행하기 위해, VPP의 두께는 약 1 마이크론으로 제어된다. 초기 연구 중에, 코팅이 특정 위치/지점에서 박리되는 것을 발견했다. 박리가 시작되면, 박리가 몇몇 샘플의 경우 이틀 동안에 전체 표면 위로 전파된다. 박리 공정은 기판 표면의 청결 문제(cleanliness issues)에 기인한다. 적절한 기판 세척 공정이 개발되어 상기 문제를 경감시켰다. 비록 VPP 코팅이 많은 초기 스크리닝 테스트를 통과했지만, 이 얇은 코팅은 태양 전지의 와이어 그리드를 보호하는 것 같지 않다.

아클리 하드코트는 현재 지상용 태양 패널의 생산 라인에 사용되고 있다. 이는 화학 분무 공정에 의해 부착된다. 지상 상품에서 코팅의 표준 두께는 1 mil이 넘는다. 이 두께를, 특히 우주선 및 우주 용도의 경우 중량에 대한 고려를 참작하여, 감소시키는 것이 유리할 것이다. 코팅 두께를 0.5 mil 미만으로 감소시키기 위해, R&D 배치 분무 코팅 시스템이 디자인되고 구축되었다. 이 하드코트는 몇몇 스크리닝 테스트를 통과했으나, 이 얇은 코트와 관련된 초기 문제 중 하나는 코팅내의 핀홀의 존재이고, 이는 수증기와 다른 종들이 쉽게 그것을 통해서 들어가게 한다. 이 경우, 캡슐제는 하부의(underlying) 태양전지에 적절한 보호를 제공하지는 않을 것이다. 코팅 물질의 특성뿐만 아니라 핀홀 형성의 가능한 원인을 이해하기 위한 실험이 이 문제를 제거하기 위하여 수행되었다.

실리콘계 오버코트는 화학 분무 공정에 의해 제조된다. 샘플들은 통상의 분무 코팅 장치를 사용하여 분무 코팅되었다. 코팅은 그 후 고온에서 경화되었다. 테스트된 파라미터는 코팅 두께 및 용매 농도를 포함한다. 더 낮은 희석은 구조화되고(textured) 및 더 두꺼운 코팅을 낳는다. 더 높은 희석은 약 0.1 mil의 매끄럽고 얇은 코팅이 된다. 이 코팅은 투명하고 균일하고 모든 스크리닝 테스트를 통과한다. 적합한 실리콘계 물질의 한 예는 DOW CORNING® OS-30 용매로 희석된 DOW CORNING® 1-2620 (저 VOC 컨포멀 코팅 또는 분산)이다.

Dow Corning 이 권장한 절차를 사용하여 경화된 코팅은 몇가지 문제점을 가졌다. 예를 들면, 고온에서 방출된 상당한 양의 휘발성 화합물이 코팅에 남았다. 따라서 약 125℃의 더 고온에서 실리콘 필름을 경화하는 방법이 개발되었다. 상기 고온 경화는 본질적으로 모든 휘발성 화합물을 고체 코팅으로 전환시키거나 증발되게 한다. 상기 경화는 하기의 방식 중 하나로 수행될 수 있다는 것이 발견되었다.

1. 점진적인 경화: 샘플을 저온으로부터 125℃ 이상의 온도로 천천히 가열;

2. 다단계(multiple-step) 경화: 저온, 예를 들면 70℃에서 샘플을 경화하고 및 그 후 125℃ 이상의 고온에서 경화; 및

3. 일단계 경화: 경화 오븐 또는 시스템 온도를 125℃ 이상으로 셋팅하고 태양전지를 예정 시간 동안 예를 들면 30 분 동안 오븐에서 경화. 상기 방법을 사용하여 경화된 코팅은 ASTM-E-595-93 (2003)에 따른 표준 가스 방출 테스트를 통과했다.

도 1은 본 발명의 코팅이 도포될 수 있는 태양 전지 장치의 일 예를 도시한 것이다;

도 2는 6개의 코팅된 태양 전지에 대한 양자 효율(Q) 대 광파장 곡선을 도시한 것이고, 그 중 4개는 본 발명의 실리콘 코팅으로 캡슐화되었다;

도 3은 도 1과 동일한 샘플에 대한 내부 양자 효율 Q_s(Q/(1-R)) 대 광파장을 도시한 것이다;

도 4는 산소 원자에 노출 전 후에 태양 전지 샘플(노출(bare)/무코팅, 실리콘 코팅 및 아크릴 하드코팅) 세 세트의 필 팩터(fill factor)를 도시한 것이다.

도 5는 습열 테스트에서 특정 단계 전 후에 코팅 및 무코팅 태양 전지의 필 팩터를 도시한 것이다.

도 6은 -175℃부터 100℃까지 1000 열 사이클 전 후, 코팅 및 무코팅 태양 전지의 필 팩터(FF)를 도시한 것이다.

도 7은 UV 노출 500 등가 태양 시간(ESH) 전 후에, 코팅 및 무코팅 태양 전지의 전체 통합된 양자 효율(Q) 값을 도시한 것이다.

도 8은 VUV에 620 등가 태양 시간(ESH) 노출 또는 NUV 노출에 대한 592 등가 태양 시간(ESH) 노출 전 후에, 본 발명의 실리콘 오버코트로 코팅된 태양 전지 및 무코팅된 태양 전지의 전체 통합된 양자 효율(Q) 값을 도시한 것이다.

도 9(a)는 약 1% 오존을 함유하는 대기에 약 16 시간 노출 전 후에 태양 전지 샘플(노출/무코팅, 실리콘 코팅 및 아크릴 하드코팅) 세 세트의 필 팩터(FF) 값을 도시한 것이다; 및

도 9(b)는 약 1 % 오존을 함유하는 대기에 약 16 시간 노출 전 후에, 태양 전지 샘플(노출/무코팅, 실리콘 코팅 및 아크릴 하드코팅) 세 세트의 개로 전압(open-circuit voaltage(V_oc))을 도시한 것이다.

이하에서 더 토론될 것이지만, 어느 것이 성층권 및 우주 공간 용도의 태양 전지의 코팅용으로 우수한 후보인지 결정하기 위해 상기 네 개의 코팅에 대해 수많은 테스트를 하였다. 이를 위하여, 하기 단락에서 기술된 테스트 및 결과가 수행됐다. 모든 후보 코팅이 몇몇 테스트를 통과한 반면에, 상기 실리콘계 코팅만이 모든 테스트를 충분히 통과했다.

광학 평가

인하우스(In-house) I-V, 양자 효율(Q), 및 반사(R) 측정이 기대되는 캡슐제 코팅(perspective encapsulant coatings), 코팅 공정, 및 코팅 후 처리의 광학적 특성을 평가하기 위해 사용되었다. 캡슐제 코팅은 태양광이 태양 전지에 들어가기 전에 통과하는 제 1층이다. 양자 효율(Q), 및 단락 회로 전류(I_sc 또는 J_sc) 는 얼마나 많은 빛이 캡슐제 층에 의해 태양 전지 내로 전달되는지에 대한 직접적인 척도이다. 파장의 함수로서 양자 효율(Q) 및 반사(R) 측정은 캡슐제 코팅의 광학 투과 스펙트럼과 서로 관련된다. 모든 캡슐제 코팅은 광학 테스트를 통과했다. 코팅은 반사 손실에 주로 기인하는 단지 약 1-2%의 Q 및 J_sc 손실을 나타낸다. 추가 반사방지 코팅은 최초 Q 및 J_sc 값을 회복할 것이다.

여섯개 샘플의 양자 효율(Q) 대 광 파장 곡선은 도 2에 도시되어 있다. 도 2에서 보여진 샘플 테스트는: 1) 어떤 캡슐제도 없는 하나의 노출(bare) 샘플; 2) 30nm SiO_x 코팅이 있는 하나의 샘플; 3) 0.1 mil 실리콘(silicone) 코팅이 있는 두개의 샘플(A 및 B), 및 4) 0.5 mil 실리콘 오버코트를 가진 두개의 샘플(A 및 B)이다. 코팅된 샘플은 어떠한 캡슐제도 없는 노출 샘플에 비교하여 캡슐제 코팅 후 양자 효율(Q)에서 감소를 나타낸다. 그러나, 도 3에 도시된 것처럼, 모든 코팅된 샘플(SiO_x 및 0.1 mil 및 0.5 mil 실리콘 오버코트를 포함함)의 내부 양자 효율 Q_s ( Q/(1-R)임)는 최초 무코팅된 노출 기준 샘플의 그것과 비교하여 현저한 변화를 보이지 않는다. 도시되지는 않았지만, VPP 및 아크릴 하드코트 캡슐제는 매우 비슷한 결과를 보인다. 이 결과는 캡슐화된 샘플의 양자 효율(Q) 손실이 반사 손실에 기인한 것일 수 있으며 광학적 흡수에 기인할 수 있는 것이 아니라는 것을 보여준다. 앞서 언급한 것처럼, 추가 반사 방지 코팅은 최초 Q 및 J_sc 값을 회복한다.

원자 산소 노출

우주 공간 및 우주선 환경 모두에서 원자 산소가 있다는 것은 알려져 있다. Ar-O₂ 마이크로파 플라즈마는 원자 산소 테스트를 위한 예비 스크리닝 도구로써 사용되었다. 표 1은 노출 전 후 전지의 I-V 특징을 나열한다. 이 테스트를 위하여, 모든 샘플들은 약 2"X2" 크기이다. 테스트 동안, 샘플은 플라즈마와의 직접 상호 작용을 피하기 위해 플라즈마의 하류에 장착되었다. 상대적인 측정으로서, 두 시간 의 노출 후, 노출(캡슐제 없음) 및 SiO_x 코팅된 샘플들은, 테스트된 네개의 샘플의 경우 각각 54%, 69%, 10%, 및 88% 를 손실하는 효율에 있어서 극도의 열화를 나타냈다. 대조적으로, VPP 및 아크릴 하드코트 캡슐제가 있는 샘플들은 효율에서 단지 최소 손실을 초래했다. 사실상, 두개의 VPP 샘플은 1% 미만의 손실을 나타냈다. 플라즈마 노출이 매우 강하고 반면에 그것은 어떠한 표준에 대해서도 캘리브레이션되지 않았다는 것을 주목하면, 그것은 예비적이지만 강력한 스크리닝 도구였다. 심지어 더욱 하류(직접 플라즈마 노출 없고, 더 낮은 원자 산소 농도)에서의 다른 예비 테스트는 실리콘 오버 코트가 원자 산소 노출에 대해 보다 좋은 보호가 되는 것을 보여준다.

<표 1>

Ar-O₂ 플라즈마 테스트 전 후의 I-V 데이터

이들 최초 결과 후에, NASA Glenn Research Center와 더 통제된 원자 산소 노출 테스트를 위해 계약했는데, 이는 상기 인하우스(in- house) 원자 산소 테스트에 사용된 원자 산소 유속이 알려지지 않았기 때문이다. NASA Glenn Research Center는 실리콘 코팅에 대하여 통제된 AO 노출 테스트를 수행했다. 이 테스트에서, AO 유속(flux)은 샘플 홀더 상의 다양한 위치에 Kapton 목격 쿠폰(Kapton witness coupons)을 위치시킴으로써 샘플에 대하여 시행하기에 앞서 결정되었다. 장치의 유속(flux)을 알게 됨으로써, 대략적인 작동 시간이 특정 플루언스 수준(fluence level)에 대해 결정될 수 있었다. 26개 태양 전지 테스트 샘플이 두 개의 분리된 AO 테스트에 노출되었다. 첫 번째 경우에, 15개 샘플(노출 무코팅 기준(bare uncoated reference), 실리콘 코팅, 및 아크릴 하드코트 코팅된 전지의 각각의 타입에 대해 5개 Kapton 목격 쿠폰과 함께 샘플 홀더 상에 놓여졌다. 노출 시간은 35 시간이었고 플루언스 수준은 4.3X10²⁰±4.3 X10¹⁹ atoms/cm²이었다. 두 번째 경우에, 열한 개의 샘플 및 Kapton 목격 쿠폰이 35시간 동안 노출되었고 플루언스 수준은 4.1X10²⁰±4.0 X10¹⁹ atoms/cm² 이었다. 국제 우주 정거장의 태양측 표면 상의 유효 AO 선량(effective AO dose)은 1년에 약 4.6X10²⁰atoms/cm²이란 것에 주목해야한다. 태양전지 I-V 특성은 테스트 전 후로 측정되었다. 아크릴 하드 코트 샘플만이 테스트 후 시각적으로 손상되었다. 상기 하드 코트 물질의 일부분이 제거된 것처럼 보였고, 샘플 표면은 거칠어졌고, 코팅은 불연속적으로 보였다. 노출 및 실리콘 코팅된 전지는 어떤 시각적 변화를 보이지 않았다. 세 셋트의 샘플의 FF 변화는 도 4에 도시되었다. 명확한 이상 샘플(obvious outliers)들을 제거한 후, 실리콘 코트가 전지를 적절히 보호한다는 것은 명확하다. 노출 및 하드코트 샘플은 약간의 열화를 나타낸다. 표 2는 테스트 전 후로, 세 개의 다른 코팅 조건에 대한 모든 샘플들의 평균 I-V 결과의 변화를 요약한다. 이 표는 실리콘 코팅의 경우 I-V 파라미터 변화가 측정 오차의 범위 이내라는 것을 보여준다. 노출 및 하드코트 경우의 I-V 특성은 테스트 후 필 팩터에서 열화를 보인다. 결론적으로, 실 리콘 코팅은 국제 우주 정거장 환경 하에서 약 1년과 동등한 원자 산소 노출에서 견디었다. 이는 AO 노출 후 어떠한 시각적 또는 I-V 열화를 보이지 않았다.

<표 2>

AO 테스트 후 I-V 특성의 평균 변화

코팅	Pmax	Jsc	Voc	FF	Rs
노출	-8.68%	-0.27%	-0.16%	-8.27%	17.93%
실리콘	-0.78%	-1.03%	0.08%	0.16%	2.13%
하드코트	-0.92%	2.47%	0.06%	-3.37%	6.36%

접착

기초적인 스카치 테이프 테스트(Scotch tape test)는 태양전지 상의 캡슐제 코팅의 접착을 평가하는 데 사용되었다. 절차는: (1) 깨끗한 한 장의 셀로판 테이프를 캡슐제 코팅 위에 붙이고 그것이 잘 접착된 후, (2) 한쪽 끝으로부터 테이프를 제거하고 박리 징후를 검사하는 것으로 이루어진다. 최초에 접착한 모든 캡슐제는 이 테스트를 통과했다.

습열 테스트

상업적인 습열 테스트 챔버(damp heat test chamber)를 이 테스트에 사용했다. 전지를 처음에 50℃ 및 85% 상대 습도에서 테스트했다. 비록 샘플을 일주일단위로 측정을 위해 꺼냈지만 실험은 한 달 동안 지속했다. 전지가 50℃ 및 85% 상대 습도에서 테스트됐을 때 단지 매우 미미한 효과만이 나타났으므로, 전지를 85 ℃ 및 85% 상대 습도에서 또한 테스트했다. AMO 전지만에 대한 두 조건의 경우의 테스트 결과는 하기에 요약되었다.

테스트 1. 50 ℃ 및 85% 상대 습도에서의 습열

테스트된 캡슐제는: a) 30nm SiO_x 코팅을 가지는 전지; b) 60nm SiO_x를 가지는 전지; c) 어떠한 캡슐제 코팅도 없는 노출 샘플; 및 d) 아크릴 하드코트를 가진 샘플을 포함한다. 각각의 군에서 10 개의 H-스트립(strips)이 있었다.

시각적 외관( Visual Apppearance )

노출, 30nm 및 60nm SiO_x 코팅된 샘플은 몇몇 시편(pieces)의 경우 박리/부식의 징후를 보인다. 아크릴 하드코트 샘플은, 4 주 후, 하나의 전지가 전지의 한 노출된 모서리를 따라 약 1mm 너비의 작은 박리된 영역을 가지는 것을 제외하고는, 어떤 주목할 만한 변화를 보이지 않았다.

I-V 측정

태양 시뮬레이터(solar simulator)에서의 I-V 측정은 어떤 특정 군을 다른 군들로부터 현저하게 분리시키지 않는다. I-V 파라미터는 습열 전 후로 어떤 군의 경우에도 변한 것으로 보이지 않았다. 평균 P_max는 30nm SiO_x, 60nm SiO_x, 노출, 및 아크릴 하드코트 샘플 각각의 경우 3.5%, 2.7%, 1.3% 및 1.1% 떨어졌다. 아크릴 하드코트 샘플의 경우 손실은 1% P_max (하나의 박리된 전지가 데이터로부터 배제된다면) 미만이다. 30nm SiO_x 코팅된 경우 손실(3.5%)은 노출 샘플의 경우의 손실보다 크다. 이 결과는 실험 오차 범위 내에서, 노출 및 캡슐화 샘플이 테스트 후 전력출력에서 어떠한 열화도 나타내지 않는다는 것을 보인다.

테스트 2. 85℃, 85% 상대 습도에서의 습열

이 테스트에서, VPP 캡슐화된 전지의 11개의 H-스트립, SiO_x 코팅된 전지의 11개의 H-스트립, 아크릴 하드코트 전지의 22개의 H-스트립, 및 실리콘-캡슐화된 샘플의 28개의 H-스트립이 테스트되었고 12개의 노출 H-스트립이 기준으로 사용되었다.

육안 검사( Visual Inspection )

박리 스팟들이 습열 챔버에서 1 주 후 VPP 코팅된 전지 상에 나타났다. 더 작은 박리 스팟들이 노출 및 SiO_x 코팅된 전지 상에서 또한 발견됐다. 실리콘계 오버코트 및 아크릴 하드코트가 전지를 박리로부터 3 주 동안 보호하는 것처럼 보였다. 그러나, -1.25V의 역 바이어스(reverse bias)를 가진 85/85 습열 조건에서 추가 2주 간 노출 후, 박리 스팟들이 몇몇 하드코트 및 실리콘 오버코트 캡슐화된 전지 상에서 또한 보였다. 역 바이어스의 경우 전체 적용 시간은 연속적인 바이어스 를 적용하는 실험적인 문제점 때문에 알려지지 않았다는 것에 주목하여야 한다.

I-V 측정

I-V 측정을 캡슐제 코팅 전 후로 태양 시뮬레이터에서 수행했다. 측정을 1 주, 2주 및 5 주의 습열 노출 후 반복하였다. 대부분의 전지의 V_oc 및 I_sc는 현저하게 변하지 않았다. 최종 FF는 도 5에 도시된 것처럼, 5 주간 습열 노출(-1.25V 의 불연속적인(inconsistent)역 바이어스로 마지막 2주) 후 VPP, 하드코트, SiO_x, 및 노출 전지의 경우에 저하를 보인다. 실리콘계 오버코트 캡슐화 전지의 경우 FF가 단지 약간 감소하는 데, 이는 실리콘 오버코트가 습열 조건 하에서 태양 전지를 더 잘 보호하는 것을 나타낸다. 하나의 군으로서, 노출, SiO_x, VPP, 실리콘 오버코트, 및 하드코트 샘플의 FF가, 표 3에 나열된 것처럼, 각각 6.3%, 1.9%, 5.8%, 1.4% 및 5.3% 감소했다. 실리콘계 오버코트는 테스트된 캡슐제 중에서 가장 좋은 성능을 나타내는 것 같다.

<표 3>

5주 동안 85℃, 85% RH에서 습열 테스트 요약

캡슐제	외관	AM1 .5 ΔFF(손실)
노출 전지	약간의 박리	6.3%
SiO_x	약간의 박리	1.9%
VPP	약간의 박리	5.8%
실리콘 오버코트	OK*	1.4%
하드코트	OK*	5.3%

* 첫번째 3주 중에는 박리가 보이지 않았고, 약간의 박리가 5주 후 나타났다.

85℃, 85% 상대 습도에서 역 바이어스 습열 테스트

이 테스트를 위해, 6 개의 노출 H-스트립 및 실리콘 오버코트를 사용한 6 개의 캡슐화된 H-스트립이 사용되었다. 표 4는 85℃ 습열, 85% 상대 습도에서 -1.25V의 역 바이어스 테스트 일주일 후 모든 샘플에 대한 I-V 데이터를 요약한다.

<표 4>

-1.25V, 1주, 85℃, 85% RH에서 역 바이어스 습열 테스트 후 I-V

표 5는 두 개의 군의 평균 V_oc 및 FF 손실을 나타낸다. 모든 노출 샘플들의 I-V 특성은 현저하게 열화됐다; 평균 V_oc 는 1.5% 만큼 및 평균 FF는 12.7% 만큼 저하됐다. 실리콘 오버코트 캡슐화 전지는 매우 적은 손실: V_oc는 단지 0.3% 만큼 및 FF는 0.4% 만큼 손실을 입었다.

<표 5>

두 개 군에 대해 표 4로부터 계산된 평균 V_oc 및 FF 손실.

열 사이클링

상업적으로 입수가능한 표준 열 사이클링 장치를 이 테스트를 위해 사용했다. NASA 요구 조건에 따라서, 이 테스트는 -175℃ 에서 100℃까지 질소 환경에서 수행되었다. 이 테스트는 1000 사이클 동안 수행되었다. 표 6은 열 사이클 테스트 1000 사이클 전 후 I-V 특징을 보여준다. 명확한 이상 샘플(반복적인 취급에 기인할 것 같은)을 제거한 후, 캡슐제 물질 어느 것에 대해서도 열 사이클 테스트 후 현저한 변화는 없는 것이 명확하다. 도 6은 열 사이클 테스트 전후 FF 변화를 나타낸다. 열 사이클링 동안 어떤 현저한 변화도 발생하지 않다는 것이 명확하다.

<표 6>

-175℃ 에서 100℃ 까지 1000 열 사이클 전후 I-V 측정.

고온에서 열 안정성

샘플들을 125℃로 미리 설정된 오븐에 밤새 놓아두었고, 그 후 이 테스트 샘플들의 I-V 특성을 측정하여 테스트 전 성능과 비교하였다. 테스트는 어떠한 캡슐제에 대해서도 전기적 성능에 있어 현저한 손실을 보이지 않는다.

기체 방출( Outgassing )

두 세트의 파라미터에서 기체 방출 테스트가 인하우스로 수행되었다: (1) 대기압에서 150℃의 오븐을 사용; 및 (2) 실온의 진공. 이들 테스트는 베이킹이 실리콘계 오버코트가 초기에 가스방출하게 하지만 이것은 몇시간 내에 멈춘다. 조사된 모든 캡슐제는 총 중량 손실 1 % 미만으로 기체 방출 테스트를 통과했다. ASTM 표준 ASTM-E-595-93 (1999)에 따른 총 질량 손실(TML)을 측정하기 위한 기체 방출 테스트 시스템 (고온(125℃)에서 24시간 동안 고 진공 챔버(5X10^-5 Torr 보다 더 나음)에서 기체 방출을) 제작하였다. 이 장비가 TML을 감소시키기 위해 실리콘계 캡슐제의 부착 및 경화 파라미터를 최적화하기 위해 사용되었다. 본 발명의 실리콘계 캡슐제를 포함하는 모든 테스트된 코팅이, ASTM TML 요건을 통과한다.

핀홀 프리 테스트( Pin - Hole Free Test )

하부의 전지에 완전한 보호를 제공하기 위해, 캡슐제 코팅은 밀착되고 핀홀이 없어야 한다. 이 테스트를 위해, ITO(인듐 주석 산화물) 층이 캡슐제 위에 부착되고, 상부 ITO 층과 캡슐제 밑에 있는 태양전지의 ITO 층 사이에서 측정된 전기 저항이 샘플에 핀홀이 없는지를 정량화하기 위해 사용된다. 캡슐제 층에 핀홀이 있다면, 상기 ITO는 캡슐제 아래의 ITO까지 관통하여 단락될 것이며, 따라서, 두 ITO 층 사이의 전기 저항이 이 테스트에 대한 직접적인 척도이다. 고저항은 무핀홀 캡슐제 층을 의미한다. 하드코트 샘플, 실리콘 및 VPP 캡슐제는 모두 테스트를 통과한다.

UV 노출 테스트

우주에 VUV (<200 nm) 및 NUV (200 nm 내지 400 nm)가 있다고 알려져 있다. 비록 VUV가 우주선 고도에서는 많이 감소하지만, 여전히 상당한 양의 NUV 방사선이 있다. 캡슐제는 현저한 암색화(darking) 또는 물리적 손상없이 UV 방사를 견뎌내야한다. NASA Glenn Research Center는 VUV 및 NUV 모두에 대한 테스트를 했다. 전체 27개 QA/QC 전지가 SiO_x, VPP, 아크릴 하드코트 및 실리콘 오버코트 분무 코팅을 포함하는 다른 코팅으로 캡슐화됐다. 27개 샘플 중, NASA에서 1 주일(VUV에 대해 3300 ESH(등가 태양 시간)에 상응하고 NUV에 대해 740 ESH에 상응함) 동안, 20개가 VUV에 노출되었고 7개가 NUV에 노출되었다. 양자 효율(Q), 광학 반사(R), 및 I-V를 UV 노출 전 후로 측정하였다.

VUV에 대해 3300 ESH 및 NUV에 대해 740 ESH 노출 후, 아크릴 하드코트 샘플 세개 모두 NUV 하에 시각적으로 암색화되었고, 전지의 총 양자 효율 Q 및 J_SC는 약 20%나 감소했다. 다른 캡슐제의 양자 효율 Q 손실은 2-3% 범위였다. 그러나, 아크릴 샘플은, VUV 노출에 의해 많이 변하지 않았다. 도 7은 UV 노출 전후의 총적분된 Q 값을 도시한다. 노출 샘플의 Q 값은 작은 감소만을 보였다. 실리콘 오버코트, SiO_x, 하드코트(3개의 암색화된 것들을 제외), 및 VPP 캡슐화된 샘플들의 평균 Q값은 표 8에서 나열된 것처럼 각각 2.8%, 2.3%, 2.9% 및 1.7% 만큼 저하되었다. 아크릴 하드코트는 우주 NUV 하에서 안정할 것 같지 않다. 다른 캡슐제는 적합한 것으로 보인다.

<표 8>

다른 캡슐제에 대해 VUV/NUV 노출 후 평균 Q 손실

추가 테스트에서, 다섯개의 작은 면적 삼중 접합 QA/QC 전지(3개 노출 및 실리콘 코팅을 가진 2개)를 NUV에 노출하였다. 6 개의 추가 샘플(3개 노출 및 실리콘 코팅을 가진 3개)을 VUV에 노출하였다. 등가 태양 시간(ESH)으로의 UV 강도는 상기한 첫번째 테스트 동안 VUV에 대해 3300 ESH 이고 NUV에 대해 740 ESH이었다. 추가 테스트 동안, VUV 노출은 620 ESH 에 상당했고 NUV 노출은 592 ESH에 상당했다. 전지의 Q, R, 및 I-V 특성의 측정은 UV 노출 전후에 측정되었다. 도 8은 두개의 다른 코팅에 대하여 UV 노출 전 후에 총 적분된 Q를 도시한다. 도 8은 a) 노출 샘플의 Q는 매우 작게 감소하였고; b) 실리콘 코팅된 전지의 평균 Q가 3.8% 만큼 감소되었고; 및 c) 실리콘 코팅이 있는 하나의 전지의 Q가 NUV 하에서 6.2% 만큼 감소하였다는 것을 나타낸다. NUV 노출의 경우 하나의 실리콘 코팅된 전지의 Q에서 6.2% 감소에 대한 이유는 이해되지 않는다. 몇몇 독립적인 출처에 의하면, 실리콘 재료는 우주 용도에서 안전하게 사용되었고 그것의 제조자에 따르면, 어떠한 잠재적 열화는 높은 투명도 따라서 더 높은 Q로 이어져야 한다. 본 발명자들은 샘플들이 테스트 반복진행 동안 반복적인 취급에 기인하여 기계적으로 손상되었다고 추측한다.

실리콘 코팅이 약 20km의 고도에서 성층권 환경을 견뎌낼 것인지를 평가하기 위해서, 그 고도에서의 태양 UV 스펙트럼과 동일한 파장 범위에서 실리콘 흡수를 플롯하였다. 상기 플롯(plot)은 실리콘이 약 220-270 nm의 파장 범위에서 흡수 밴드를 가진다는 것을 나타냈다. 그러나, 상기 파장 범위에서 UV 함량은 무시할만 하다. 태양 스펙트럼중 약 195-210nm의 파장 범위에서 작은 UV 피크가 있으나 실리콘은 그 범위에서는 흡수하지 않는다. 따라서, NASA NUV 결과에 관계없이, 실리콘 코트는 성층권 응용에 대해 충분히 전지를 보호한다고 추론할 수 있다. 이것을 확인하기 위해, 인하우스 UV 테스트 시설을 설치하여 시뮬레이션한 성층권 UV 노출 조건에서 더 많은 테스트를 행하였다. 테스트 시설은 280-500 nm의 파장 범위에서 많은 방사선을 가지는 것으로 나타났다.

표 9는 UV 노출 288시간 전후로 전지의 Q 측정값을 나열한다. 이 테스트에서 스펙트럼 영역 상에서 적분된 전력 강도(integrated power intensity)에 의해서 측정된 것에 의하여, UV 강도는 ~ 5 태양으로 정해졌다. 코팅된 전지가 노출 기준 전지의 것과 유사한 거동을 나타낸다는 것은 분명하다. 스펙트럼의 그린 및 레드 영역에서 변화는 무시할만 하다. 블루 영역에서, Q는 단지 약 1% 만큼 감소하며, 이는 광 유발된(light-induced) Staebler-Wronski 열화 때문이라고 돌릴 수 있다. 따라서, 코팅은 UV 테스트에서 안정하다.

<표 9>

5 태양 하에서의 UV 노출 288 시간 전 후 전지의 Q 측정값

표 10은 약 9.4 태양의 상승된 UV 강도에서 2 회의 UV 노출 시간 전후로 전지의 Q 측정값을 나열한다. 제 1 측정은 187 시간 후 수행됐고 그 후 제 2 측정을 위해 376 시간까지 계속 되었다. 다시 한번, 상승된 강도에서 2 회의 노출 시간 후 Q의 감소는 노출 전지에 비해 무시할 만하다. 이 결과는 코팅이 UV 노출 하에서 안정하다는 결과를 확인한다. 따라서, 실리콘 코팅은 성층권 UV 조건 하에서 눈에 띄는 열화를 보이지 않는다.

<표 10>

9.4 태양하에서 UV 노출 전후 전지의 Q 측정값

오존 노출

이 테스트는 성층권 응용에만 적용가능하다. 성층권 환경에서는 상당한 양의 오존이 존재한다. 20km에서 오존 농도는 약 7ppm이다. 따라서, 캡슐제는 상기 환경에서 오존을 견뎌내야 한다. 인하우스 오존 테스팅 시스템이 제작되었고 농축된 오존이 오존 발생기를 사용하여 생성되었고 그 후 챔버에 공급되었다. 오존 농도가 목적 레벨까지 상승했을 때, 오존 입력 및 배출용의 두개의 차단 밸브(shutoff valves)가 폐쇄된다. 지금까지 테스트를 위해 사용된 오존 농도는 약 1%이고 이는 성층권에서 발견되는 추정치 7 ppm 보다 상당히 높다. 샘플들이 육안으로 검사되고 측정되기 전에 약 16 시간 동안 오존 분위기에 노출되었다.

16 시간 노출 후 가시적인 효과는 없었다. 그러나 약 64 시간 후에는, 노출 및 30nm SiO_x 및 1 mm VPP 코팅된 샘플이 변색을 나타낸다는 것이 발견되었다. 변색된 물질은 셀로판 테이프 접착 테스트를 하였을 때 쉽게 박리된다. 0.2 mil 실리콘 오버코트 및 아크릴 하드코트는 어떠한 가시적인 열화를 나타내지 않았다. 도 9(a)는 몇몇 테스트 전지 샘플들의 오존 노출에 대한 필 팩터(FF)의 테스트 결과를 도시한다. 노출 전지의 FF가 약 70% 만큼 감소하는 반면에 하드코트 및 실리콘 오버코트 모두가 온전함(fine)을 유지하는 것이 분명하다. 도 9(b)는 세 가지 경우에 대한 상응하는 V_oc 값을 도시한다. 하드코트와 실리콘 오버코트 전지 모두에 대한 V_oc는 테스트 결과 본질적으로 변하지 않았지만 노출 샘플에 대한 것은 현저하게 열화했다. 요약하면, 노출, 30nm SiO_x, 및 1 mm VPP 코팅된 샘플들은 오존 노출 테스트를 통과하지 못했지만, 0.2mil 실리콘 오버코트 및 아크릴 하드코트는 오존 노출 후에 어떤 가시적인 열화를 보이지 않았다.

파셴 방전( Paschen Discharge )

실제 우주 공간 또는 성층권 설치에서, 태양전지 어레이가 아주 근접하여 위치하는 개개의 전지를 가지는 것으로 구상된다. 매우 다른 전위를 가진 두 개의 전지가 서로 옆에 배열되는 것이 가능하다. 전지 사이에 분리가 파셴 최소(Paschen minimum) 에 매우 근접할 수 있으므로, 특히 압력이 상대적으로 높은 성층권 고도에서, 아킹(arcing) 또는 파셴 방전(Paschen discharge)을 막기 위해 예방조치가 취해져야 한다. 진공 시스템은 이 테스트를 위해 사용되었다. 두 개의 태양 전지가 진공 시스템 중 테프론판(Teflon plate) 위에서 약 1mm 떨어져서 놓여졌다. 즉, 그들의 버스 바(bus bars)가 약 1mm의 간격으로 서로 인접하여 위치했다. 성층권 환경을 시뮬레이션하기 위한 약 40 Torr의 압력이 상기 시스템에 가해졌다. 전지는 그 후 서로에 대해 300V 까지 바이어스되었다. 상기 전기 바이어스는 어떠한 아킹(arcing)이 있는지 평가하기 위하여 약 15 시간 동안 인가되었다. 태양 전지 성능은 테스트 전후로 측정되었다. 전지의 상부와 하부 모두에 인가된 바이어스를 가지고 수행된 테스트의 경우, 아킹이나 전지 열화에 관한 어떠한 증거도 없었다.

다른 전지는 아킹이 관찰될 때까지 0V 에서부터 약 700V까지 천천히 서로에 대해 바이어스되었다. 전지의 상부 및 하부에 모두 인가된 바이어스로 수행된 테스트의 경우, 우리는 바이어스 전압이 500V를 초과할 때까지 어떤 아킹도 발견하지 않았다. 이것은 어레이 전압이 500V를 넘는다면, 전지는 1mm 이상 떨어져서 위치되어야 한다는 것을 권고하는 것이다.

정전 방전( ESD )

자립 중합체 기판(freestanding polymer substrate) 상의 전지에 대하여 NASA Glenn Research Center에서 ESD 테스트를 행하였다. 전지 구성(cell configuration)은 0.2mil 실리콘 코팅이 있는 자립 중합체 기판 상에 부착된 삼중 접합 장치였다. 전지는 상기 테스트를 통과했다. NASA GRC는 시뮬레이션된 LEO 환경 하에서 우리의 실리콘 코팅된 전지의 ESD 테스트를 수행했다. 극저온 펌프(cryogenic pump)가 장착된 수평 진공 챔버(horizontal vacuum chamber)가 배경 압력 0.3μTorr를 제공하였다. 제온(Xe) 플라즈마는 하나의 카우프만 소스(Kaufman source)에 의해 생성되었다. 플라즈마 파라미터는 다음과 같다: 플로우팅 전위 -2 V; 플라즈마 전위 7V, 전자 온도 0.85 eV; 전자 수 밀도(electron number density) 8E+5 1/cm³; 중성 가스 압력 30 μTorr. 코팅 두께 1.5mil, 0.2mil 의 전지 및 노출 전지의 세 개 군의 샘플 이 유리 섬유 판 위에 올려졌다. 고전압 파괴(breakdown test) 테스트 전 후에 모든 샘플들에 대해 집전(Current collections)이 측정되었다. -100 V 에서 + 100 V까지 각각의 스윕이 세 번 반복되었다.

노출 기준 샘플만이 약 80V에서 전류 크기에 있어서 날까로운 상승(스냅오버 효과)을 보여주며 이는 고전압에서 샘플 표면에 큰 손상이 있음을 나타낸다. 매우 낮은 집전으로 증명된 것처럼, 모든 실리콘 코팅된 전지는 고품질의 절연을 증명했다. 고전압 파괴 테스트는 각각의 샘플을 RC 네트워크(R=100Ω, C=1μF)를 통한 전원 공급으로 바이어스를 가함으로써 수행되었다. 전류 펄스가 기록될 때까지 음전압이 점진적으로 증가했다. 전압 단계들 사이의 시간 간격은 15 내지 20 분 사이에서 변했다. 다양한 실리콘 두께에서 파괴 전압이 표 11에 표시되었다.

<표 11>

다른 두께의 실리콘에 의해 캡슐화된 태양전지의 파괴 전압

관찰된 “표면 플래싱(surface flashing)”은 다른 샘플의 경우 일반적인 것 은 아니라는 것에 주목해야 한다. 비록 그것들은 단락 방전(short discharges)처럼 보이지만, 전류 프루브(probe)도 전압 프루브도 어떠한 효과를 감지할 수 없었다. 우리는 그것들이 표면 플래시오버(태양전지에서 현저한 변경이 없이 플라즈마로의 표면 방전)에 의해 야기될 수 있는 것으로 의심한다.

ESD 테스트 결과는 실리콘 코팅된 태양 전지가 통상적인 국제 우주 정거장 및 상업적인 통신 위성의 구동 전압에 필적하는 150V 미만의 버스 전압(bus voltage)을 갖는 LEO 궤도에서 사용하기에 적합하다는 것을 보여준다. 버스 전압 한계는 실리콘 두께가 증가함에 따라 증가할 수 있다.

방사율 테스트( Emissivity Test )

어떠한 코팅도 하지않은 노출 샘플, 아크릴 하드 코트, 및 실리콘 옥사이드 코팅된 전지뿐만 아니라 본 발명의 실리콘계 코팅으로 코팅된 태양전지의 방사율을 측정하였다. KAPTON 기판뿐만 아니라 스테인리스 강 기판 상의 샘플들이 테스트되었다. 본 발명의 실리콘 코팅은 코팅된 샘플의 방사율을 현저하게 증가시킨다. 표12는 방사 테스트 결과를 보여준다.

<표 12>

코팅된 필름에 대한 방사율 및 태양 흡수율

마지막으로, 표 13은 수행된 테스트의 대부분의 결과를 요약하며 실리콘 코팅이 모든 테스트를 통과한 유일한 것이고 따라서 경량 성층권 및 우주 공간 태양 전지 코팅용으로 최선이라는 것을 보여준다. 또한, 실리콘 코팅이 성층권 환경으로부터 태양전지의 최고의 보호를 제공하고, 우주 공간 환경으로부터 매우 좋은 보호를 제공하며, 실리콘 층 위에 부착된 투명한 전도성 물질의 부가층은 우주 공간 환경에서 추가적인 보호를 제공할 수 있다. 즉, 이 추가층은, 정전하(electrostatic charge) 누출을 허용하여 파괴적인 ESD 사고를 방지하는 것을 도와줄 뿐만 아니라, UV 방사선으로부터 추가적인 보호를 제공할 수 있다. 그러한 투명 전도성층의 예는 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 산화아연(ZnO)의 층을 포함한다.

<표 13>

다양한 캡슐제 코팅에 대한 테스트 결과의 요약

상술한 것에 비추어 본 명세서에서 도시되고 기술된 것과는 다른 다양한 구성으로 본 발명이 실행될 수 있다는 것은 명확하다. 예를 들면, 본 발명은 무정형 실리콘 태양전지 아닌 태양전지, 예를 들면, 결정성 실리콘 태양전지, 갈륨-비소 태양전지, 구리-인듐-디셀레나이드 태양전지, 카드뮴-텔루륨 태양전지 등에도 사용될 수 있다. 모든 그런 변화 및 변형들은 본 발명의 범위에 속한다. 상기한 도면, 논의, 설명은 본 발명의 특정 구현예를 설명하고자 하는 것이지 본 발명의 실시를 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 발명의 범위를 한정하는 것은 모든 균등물포함하는 다음의 청구 범위이다.

Claims

성층권 또는 우주 공간 환경에서 사용하기 위한 광기전 장치로서,

기판;

상기 기판 상에 부착된 하나 이상의 태양 전지; 및

상기 하나 이상의 태양 전지 위에 부착되고 상기 하나 이상의 태양전지를 완전히 캡슐화하는 보호 코팅을 포함하고; 여기서 상기 보호 코팅은:

a) 상기 하나 이상의 태양 전지의 광기전 특성에 해롭게 영향을 미치지 않으며; 및

b) 상기 광기전 장치의 성능에 대한 성층권 또는 우주 공간 환경의 거친 조건의 악영향을 감소시키는 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 광기전 장치.
제 1항에 있어서, 상기 보호 코팅은 상기 광기전 장치가 사용되는 성층권 또는 우주 공간 환경 중의 거친 조건에 노출됐을 때 또한 실질적으로 변화하지 않고 남아있는 것을 특징으로 하는 광기전 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 보호 코팅이 실리콘계 물질 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전 장치.
제 3항에 있어서, 상기 보호 코팅은 실리콘계 물질의 분무 부착 코팅인 것을 특징으로 하는 광기전 장치.
제 4항에 있어서, 상기 보호 코팅이 0.01 내지 2 mil 두께인 것을 특징으로 하는 광기전 장치.
제 5항에 있어서, 상기 보호 코팅이 0.2 내지 2 mil 두께인 것을 특징으로 하는 광기전 장치.
제 6항에 있어서, 상기 보호 코팅이 0.5 내지 2 mil 두께인 것을 특징으로 하는 광기전 장치.
제 7항에 있어서, 상기 보호 코팅이 1 내지 2 mil 두께인 것을 특징으로 하는 광기전 장치.
제 1항에 있어서, 상기 기판이 금속 또는 중합체의 얇은 웹을 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전 장치.
제 9항에 있어서, 상기 기판이 금속의 얇은 웹을 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전 장치.
제 10항에 있어서, 상기 금속이 스테인레스강을 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전 장치.
제 9항에 있어서, 상기 기판이 중합체의 얇은 웹을 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전 장치.
제 12항에 있어서, 상기 중합체가 폴리이미드를 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전 장치.
제 1항에 있어서, 상기 하나 이상의 태양 전지가 하나 이상의 무정형 실리콘(silicon) 태양 전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전 장치.
제 14항에 있어서, 상기 하나 이상의 태양 전지가 하나 이상의 삼중 접합 무정형 실리콘 태양 전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전 장치.
제 1항에 있어서, 상기 기판과 상기 하나 이상의 태양 전지 사이에 배치된 후면 반사 구조(a back-reflecting structure)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전 장치.
제 1항에 있어서, 상기 하나 이상의 태양 전지와 상기 보호 코팅 사이에 배 치된 상부 전도층(top conductive layer)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전 장치.
제 17항에 있어서, 상기 상부 전도층이 인듐 주석 산화물(ITO)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전 장치.
제 18항에 있어서, 상기 상부 전도층과 상기 보호 코팅 사이에 배치된 집전 그리드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전 장치.
제 3항에 있어서, 상기 보호 코팅이 상기 실리콘계 물질층의 상부에 부착된 투명 전도성 물질층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전 장치.
제 20 항에 있어서, 상기 투명 전도성 물질층이 인듐 주석 산화물의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전 장치.
제 20 항에 있어서, 상기 투명 전도성 물질층이 산화 아연의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전 장치.