KR20100047296A - 태양전지 전면용 기재 및 태양전지 전면용 기재의 용도 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 전면 기재 (10), 구체적으로 금속 기능층 (40), 특히 은을 주성분으로 하는 기능층 및 둘 이상의 반사방지 코팅 (20, 60)을 포함하는 박층 스택으로 이루어진 투명 유리 기재 (10)에 있어서, 기재 방향으로 금속 기능층 (40) 아래에 배치된 반사방지 코팅(20)이 태양광 발전 물질의 최대 흡수 파장의 대략 ⅛의 광학적 두께를 가지며, 기재의 반대 면상에 금속 기능층 (40) 위에 배치된 반사방지 코팅 (60)이 태양광 발전 물질의 최대 흡수 파장의 대략 ½과 같은 광학적 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 태양전지 (1)에 관한 것이다.
Description
본 발명은 태양전지 전방 전면 기재, 특히 투명 유리 기재에 관한 것이다.
태양전지에서, 입사선의 효과를 통해 전기 에너지를 생성하는 태양광 발전 물질을 갖는 태양광 발전 시스템이 배면판 기재와 전방 전면 기재 사이에 배치되며, 전방 전면 기재는 입사선이 태양광 발전 물질에 도달하기 전에 통과하는 첫번째 기재이다.
태양전지에서, 전방 전면 기재는, 일반적으로 태양광 발전 물질을 향하는 주요 표면 아래에, 입사선의 주요 도달 방향이 상면을 경유하는 것으로 간주할 경우 아래쪽에 배치된 태양광 발전 물질과 전기적으로 접촉하는 투명한 전극 코팅을 갖는다.
따라서, 상기 전방 전면 전극 코팅은 예를 들면 태양전지의 네가티브 단자를 구성한다.
물론, 태양전지는 배면판 기재의 방향으로 태양전지의 포지티브 단자를 구성하는 전극 코팅도 갖지만, 일반적으로 배면판 기재의 전극 코팅은 투명하지 않다.
본 발명의 맥락에서, "태양전지"라는 용어는 태양광선 전환에 의해 그 전극들 사이에서 전류를 생성하는 구성 요소들의 임의의 어셈블리를 의미하는 것으로 이해해야 하며, 상기 어셈블리의 치수, 생성되는 전류의 전압 및 강도, 특히 상기 구성 요소들의 어셈블리가 하나 이상의 내부 전기 접속 (직렬 및/또는 병렬 접속)을 갖는지의 여부는 상관이 없다. 그러므로, 본 발명의 맥락에서 "태양전지"의 개념은 "태양광 발전 모듈" 또는 "태양광 발전 패널"의 개념과 동등하다.
전방 전면 기재의 투명 전극 코팅에 통상적으로 사용되는 물질은 일반적으로 TCO(transparent conductive oxide, 투명 전도성 산화물)계 물질, 예를 들면 인듐 주석 산화물(ITO)계, 또는 알루미늄 도핑된 산화아연(ZnO:Al) 또는 붕소 도핑된 산화아연(ZnO:B)계, 또는 불소 도핑된 산화주석(SnO2:F)계 물질이다.
상기 물질들은 화학적으로, 예를 들면 CVD(화학 증착), 임의로 PECVD(플라즈마 증진 CVD)에 의해, 또는 물리적으로, 예를 들면 캐쏘드 스퍼터링, 임의로 마그네트론 스퍼터링 (즉, 자기 증진 스퍼터링)에 의한 진공 증착에 의해 증착된다.
그러나, 소정의 전기 전도도 또는 바람직한 낮은 저항을 얻기 위해서, TCO계 물질로 제조된 전극 코팅은 대략 500 내지 1000 nm, 및 심지어 때론 그 이상의 비교적 두꺼운 물리적 두께로 증착되어야 하며, 이러한 물질들의 비용을 고려할 때 상기 물질을 이와 같은 두께를 갖는 층으로 증착할 경우 비용이 많이 들게 된다.
증착 공정이 열원을 필요로 할 경우에는, 제조 비용이 더욱 상승한다.
TCO계 물질로 제조된 전극 코팅의 또 다른 주요 단점은, 선택된 물질에 대하여, 항상 최종적으로 얻어지는 전기 전도도와 최종적으로 얻어지는 투명도 사이에서 절충이 되도록 물리적 두께가 정해진다는 사실에 있는데, 그 이유는 물리적 두께가 클수록 전도도는 더 높지만 투명도가 더 낮은 반면, 역으로 물리적 두께가 작을수록, 투명도는 더 높지만 전도도는 더 낮기 때문이다.
그러므로, TCO계 물질로 제조된 전극 코팅으로는 전극 코팅의 전도도와 그 투명도를 독립적으로 최적화할 수가 없다.
선행 기술인 국제 특허 출원 WO 01/43204호는 태양전지의 제조 방법을 교시하고 있으며, 이 방법에서는 투명 전극 코팅이 TCO계 물질로 제조되는 것이 아니라 전방 전면 기재의 주요 표면상에 증착되는 박막 스택(stack)으로 이루어지며, 상기 코팅은 하나 이상의 금속 기능층, 특히 은을 주성분으로 하는 기능층, 및 둘 이상의 반사방지 코팅을 포함하고, 상기 반사방지 코팅은 각각 하나 이상의 반사방지층을 포함하며, 상기 기능층은 상기 두 반사방지 코팅 사이에 배치된다.
상기 방법은 산화물 또는 질화물로 제조된 하나 이상의 고굴절층이, 위로부터 전지에 진입하는 입사광의 방향을 고려할 때, 금속 기능층의 아래와 태양광 발전 물질의 위에 증착될 수 있다는 점에 의의가 있다.
상기 국제 특허 출원 공보에 제공된 예시적인 실시양태에서, 상기 금속 기능층의 양면에 배치된 두 반사방지 코팅, 즉, 기재의 방향으로 금속 기능층의 아래에 배치된 반사방지 코팅 및 기재로부터 반대 면상에서 금속 기능층의 위에 배치된 반사방지 코팅은 각각 고굴절성 물질, 이 경우에는 산화아연(ZnO) 또는 질화규소(Si3N4)로 제조된 하나 이상의 층을 포함한다.
그러나, 이러한 해결 수단을 더욱 개선할 수 있다.
통상의 태양광 발전 물질의 흡광도가 서로 상이하다는 점을 관찰한 후, 본 발명자들은 전극 코팅 또는 태양전지 전방 전면을 형성하기 위해서 전술한 유형의 박막 스택을 정의하는데 필요한 필수적인 광학적 특성을 규정하고자 하였다.
따라서, 본 발명은 태양전지 전방 전면 기재의 경우에, 태양전지의 최고 효율을 선택된 태양광 발전 물질의 함수로서 얻기 위한 광학 경로를 정의하는데 바탕을 두고 있다.
그러므로, 본 발명의 하나의 대상은 포괄적으로 청구항 1에 청구한 바와 같은 흡수성 태양광 발전 물질을 갖는 태양전지이다. 본 발명의 태양전지는, 전방 전면 기재, 특히 투명 유리 기재를 포함하고, 상기 전면 기재는 주요 표면상에 금속 기능층, 특히 은을 주성분으로 하는 기능층 및 둘 이상의 반사방지 코팅을 포함하는 박막 스택으로 이루어진 투명 전극 코팅을 갖고, 상기 반사방지 코팅은 각각 하나 이상의 반사방지층을 포함하며, 상기 기능층은 상기 두 반사방지 코팅 사이에 배치된다. 기재의 방향으로 금속 기능층 아래에 배치된 반사방지 코팅은 태양광 발전 물질의 최대 흡수 파장 λm의 대략 ⅛과 같은 광학적 두께를 가지며, 기재로부터 반대 면상에서 금속 기능층 위에 배치된 반사방지 코팅은 태양광 발전 물질의 최대 흡수 파장 λm의 대략 ½과 같은 광학적 두께를 갖는다.
그러나, 바람직한 실시양태에서, 태양광 발전 물질의 최대 흡수 파장 λm은 태양 스펙트럼에 의해 가중치가 부여된다.
이러한 실시양태에서, 태양전지는 기재의 방향으로 금속 기능층 아래에 배치된 반사방지 코팅이 태양광 발전 물질의 흡수 스펙트럼과 태양 스펙트럼의 곱의 최대 파장 λM의 대략 ⅛과 같은 광학적 두께를 갖고, 기재로부터 반대 면상에서 금속 기능층 위에 배치된 반사방지 코팅은 태양광 발전 물질의 흡수 스펙트럼과 태양 스펙트럼의 곱의 최대 파장 λM의 대략 ½과 같은 광학적 두께를 갖는다.
따라서, 본 발명에 의하면, 태양전지의 최고 효율을 얻기 위해서, 최적의 광학 경로가 태양광 발전 물질의 최대 흡수 파장 λm의 함수로서, 또는 바람직하게는 태양광 발전 물질의 흡수 스펙트럼과 태양 스펙트럼의 곱의 최대 파장 λM의 함수로서 정의된다.
여기서 언급되는 태양 스펙트럼은 ASTM 표준에 의해 정의된 바와 같은 AM 1.5 태양 스펙트럼이다.
본 발명의 맥락에서, "코팅"이라는 용어는 코팅내에 단일층 또는 상이한 물질들의 여러 개의 층들이 존재할 수 있음을 의미하는 것으로 이해하여야 한다.
본 발명의 맥락에서, "반사방지층"이라는 용어는 그 속성의 관점에서 볼 때, 그 물질이 비금속성임을, 즉, 금속이 아님을 의미하는 것으로 이해하여야 한다. 본 발명의 맥락에서, 상기 용어는 전도체의 비저항 (일반적으로 ρ< 10-3 Ω.㎝)이거나, 절연체의 비저항 (일반적으로 ρ> 109 Ω.㎝)이거나, 또는 반도체의 비저항 (일반적으로 상기 두 값의 사이)일 수 있는, 물질의 비저항에 어떠한 제한을 도입하는 것으로 이해해서는 안된다.
완전히 놀랍게도 임의의 다른 특성과 독립적으로, 금속 기능층 아래에 배치된 반사방지 코팅의 광학적 두께의 대략 4배와 같은 광학적 두께를 갖는 금속 기능층 위에 배치된 반사방지 코팅을 갖는, 기능성 단일층을 갖는 박막 스택 및 전극 코팅의 광학 경로에 의하면, 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있음과 아울러 전지의 작동중에 발생되는 응력에 대한 내성도 향상시킬 수 있다.
따라서, 바람직하게는, 금속 기능층 위에 배치된 반사방지 코팅은 금속 기능층 아래에 배치된 반사방지 코팅의 광학적 두께의 3.1배 내지 4.6배 (3.1배 및 4.6배 포함)의 광학적 두께를 갖거나, 심지어 금속 기능층 위에 배치된 반사방지 코팅은 금속 기능층 아래에 배치된 반사방지 코팅의 광학적 두께의 3.2배 내지 4.2배 (3.2배 및 4.2배 포함)의 광학적 두께를 갖는다.
금속 기능층 양면에 배치된 코팅들의 목적은 금속 기능층에 "반사방지성"을 부여하는 것이다. 이것이 바로 이들을 "반사방지 코팅"이라 부르는 이유이다.
사실상, 기능층 자체만에 의해서도 물리적 두께가 작은 (10 nm 정도) 경우조차도 전극 코팅의 소정의 전도도를 얻을 수 있지만, 상기 층은 빛의 통과에 크게 저항할 것이다.
이와 같은 반사방지 시스템이 없을 때에는, 광투과율이 너무 낮고 광반사율이 너무 높다 (가시광선 및 근적외선에서, 태양전지를 제조할 수 있는지는 의문이다).
여기서, "광학 경로"라는 용어는 특정 의미를 가지며, 제조된 간섭 필터의 기능성 금속층의 하면 또는 상면에 배치된 다양한 반사방지 코팅들의 다양한 광학적 두께들의 합을 가리키고자 사용된 것이다. 코팅의 광학적 두께는 코팅내에 단일층만이 존재할 경우 물질의 물리적 두께와 굴절율의 곱과 같고, 여러 개의 층들이 존재할 경우에는 각 층의 물질의 물리적 두께와 굴절율의 곱들의 합과 같다는 것을 상기하기로 한다.
본 발명에 의한 광학 경로는, 절대적으로, 금속 기능층의 물리적 두께의 함수이지만, 실제로는 소정의 컨덕턴스를 얻을 수 있게끔 하는 기능성 금속층의 물리적 두께의 범위내에 있으며, 말하자면 변화하지 않는 것으로 나타난다. 따라서, 본 발명에 의한 해결 수단은 기능층이 은을 주성분으로 하고, 단일층이며, 5 nm 내지 20 nm (5 nm 및 20 nm 포함)의 물리적 두께를 가질 경우에 적합하다.
본 발명에 의한 유형의 박막 스택은 "저방사율(low-E, low-emissivity)" 및/또는 "태양광 제어" 유형의 개선된 열 절연율의 판유리(glazing)를 제조하기 위한 것으로 건축 또는 자동차 판유리 분야에 알려져 있다.
따라서, 본 발명자들은 특히 저방사율 판유리에 사용되는 유형의 특정 스택, 구체적으로 "강화 가능한(toughenable)" 스택 또는 "강화될" 스택으로 알려진 스택, 즉, 스택을 갖는 기재를 강화 열처리하는 것이 바람직할 경우에 사용되는 스택을 태양전지용 전극 코팅을 제조하는데 사용할 수 있다는 것을 인지하였다.
그러므로, 본 발명의 다른 대상은, 태양전지 전방 전면 기재를 제조하기 위해서 본 발명에 의한 특징부를 갖는 건축용 판유리에 박막 스택, 특히 "강화 가능한" 또는 "강화될" 유형의 스택, 구체적으로 저방사율 스택, 특히 "강화 가능한" 또는 "강화될" 저방사율 스택의 용도이다.
따라서, 본 발명의 또 다른 대상은 강화 열처리를 거친 상기 박막 스택의 용도 및 본 발명에 의한 특징부를 갖고 프랑스 특허 출원 FR 2 911 130호를 통해 공지된 유형의 표면 열처리를 거친 건축용 판유리를 위한 박막 스택의 용도이다.
본 발명의 맥락에서 "강화 가능한" 스택 또는 기재라는 용어는 열처리하는 동안에 본질적인 광학적 특성과 열적 특성 (□당 저항으로 표현되고, 방사율과 직접 관련이 있음)이 보존됨을 의미하는 것으로 이해하여야 한다.
따라서, 예를 들면 빌딩의 한쪽 동일한 표면상에서, 동일한 스택으로 코팅된 강화된 기재와 강화되지 않은 기재를 혼입한 판유리 패널들을, 반사시 색상 및/또는 광반사율/투과율을 단순히 시각적으로 관찰해서는 서로 구분이 불가능한 상태로, 함께 근접하게 배치할 수 있다.
예를 들면, 열처리 전후에 다음과 같은 변화를 갖는 스택 또는 스택으로 코팅된 기재는, 이러한 변화들이 육안으로는 감지되지 않을 것이기 때문에 강화 가능한 것으로 간주될 것이다:
- 3% 미만, 또는 심지어 2% 미만의 적은 광투과율 변화 ΔTL (가시광선에서); 및/또는
- 3% 미만, 또는 심지어 2% 미만의 적은 광반사율 변화 ΔRL (가시광선에서); 및/또는
- 3 미만, 또는 심지어 2 미만의 적은 색상 변화 (Lab 체계에서) 
.
본 발명의 맥락에서 "강화될" 스택 또는 기재는 코팅된 기재의 광학적 특성과 열적 특성이 열처리후에 허용 가능한 반면, 이전에는 허용 가능하지 않거나, 어떤 경우에는 전혀 허용될 수 없음을 의미하는 것으로 이해하여야 한다.
예를 들면, 열처리후에 다음과 같은 특성을 갖는 스택 또는 스택으로 코팅된 기재는 본 발명의 맥락에서 "강화될"것으로 간주되는 반면, 열처리하기 전에는 다음의 특성중 적어도 하나를 충족하지 못한다:
- 65% 이상, 또는 70% 이상, 또는 심지어 75% 이상의 높은 광투과율 TL (가시광선에서); 및/또는
- 10% 미만, 또는 8% 미만, 또는 심지어 5% 미만의 낮은 흡광율 (가시광선에서, 1-TL-RL로 정의됨); 및/또는
- 적어도 통상 사용되는 전도성 산화물의 □당 저항만큼 우수한 □당 저항 R□, 구체적으로 20 Ω/□ 미만, 또는 15 Ω/□ 미만, 또는 심지어 10 Ω/□ 이하.
따라서, 전극 코팅은 투명해야 한다. 그러므로, 전극 코팅은 기재상에 장착하였을 때, 300 내지 1200 ㎚ 사이에서 65%, 또는 심지어 75%, 더욱 바람직하게는 85%, 심지어 특히 90% 미만의 최소 평균 광투과율을 가져야 한다.
박층의 증착 후 전방 전면 기재를 태양전지내로 장착하기 전에 전면 기재가 열처리, 특히 강화 열처리를 거친 경우, 전극 코팅으로서 작용하는 스택으로 코팅된 기재가 이와 같은 열처리를 하기 전 낮은 투명도를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 기재는 열처리를 하기 전에 가시광선에서 65% 미만, 또는 심지어 50% 미만의 광투과율을 가질 수 있다.
중요한 점은 전극 코팅이 열처리를 하기 전에 투명해야 하며, 열처리를 한 후에는 300 내지 1200 ㎚ 사이에서 (가시광선에서) 65% 이상, 또는 심지어 75% 이상, 더욱 바람직하게는 85% 이상, 심지어 특히 90% 이상의 평균 광투과율을 가질 정도이어야 한다는 것이다.
더욱이, 본 발명의 맥락에서, 상기 스택은 절대적으로 가능한 최고의 광투과율을 갖지 않지만, 본 발명에 의한 태양전지의 맥락에서는 가능한 최고의 광투과율을 갖는다.
한 구체적인 실시양태에서,
- 한편으로는, 기재의 방향으로 금속 기능층 아래에 배치된 반사방지 코팅이 태양광 발전 물질의 최대 흡수 파장 λm의 대략 ⅛과 같은 광학적 두께를 갖고, 기재로부터 반대 면상에 금속 기능층 위에 배치된 반사방지 코팅이 태양광 발전 물질의 최대 흡수 파장 λm의 대략 ½과 같은 광학적 두께를 갖거나; 또는
- 다른 한편으로는, 기재의 방향으로 금속 기능층 아래에 배치된 반사방지 코팅이 태양광 발전 물질의 흡수 스펙트럼과 태양 스펙트럼의 곱의 최대 파장 λM의 대략 ⅛과 같은 광학적 두께를 갖고, 기재로부터 반대 면상에 금속 기능층 위에 배치된 반사방지 코팅이 태양광 발전 물질의 흡수 스펙트럼과 태양 스펙트럼의 곱의 최대 파장 λM의 대략 ½과 같은 광학적 두께를 갖는다는 사실과는 관계없이,
본 발명에 의한 전극 코팅은 기재로부터 가장 멀리 떨어진 (태양광 발전 물질과 접촉하는) 전류를 전도하는 단자층, 특히 TCO(투명 전도성 산화물)계 층을 포함한다. 결과적으로, 전극 코팅과 태양광 발전 물질 사이의 전하 수송이 용이하게 제어될 수 있으며, 이에 따라 전지의 효율도 향상될 수 있다.
전류를 전도하는 상기 단자층은 비저항 ρ (층의 □당 저항 R□와 그 두께의 곱에 해당함)이 2 × 10-4 Ω.㎝ ≤ ρ ≤ 10 Ω.㎝, 또는 심지어 1 × 10-4 Ω.㎝ ≤ ρ ≤ 10 Ω.㎝일 정도의 물질로 이루어진다. 전류를 전도하는 상기 단자층은 기재로부터 가장 멀리 떨어진 반사방지 코팅의 광학적 두께의 50 내지 98%에 해당하는 광학적 두께를 갖는 것이 바람직하고, 특히 기재로부터 가장 멀리 떨어진 반사방지 코팅의 광학적 두께의 85 내지 98%에 해당하는 광학적 두께를 갖는 것이 바람직하다.
추천할 만한 것은 아니지만, 기재로부터 반대 면상에 금속 기능층 위에 배치된 반사방지 코팅 전체가 이와 같은 전류를 전도하는 단자층으로 이루어짐으로써 증착시켜야 할 상이한 층들의 수를 감소시켜 증착 공정을 간소화시키는 것도 불가능하지는 않다.
반면에, 금속 기능층 위에 배치된 반사방지 코팅은 그 전체적으로 (그 전체 두께에 걸쳐) 전기 절연성일 수는 없다.
전류를 전도하는 단자층을 갖는 실시양태를 실시하는데 적합한 투명 전도성 산화물은 임의로 예를 들면 안티몬 Sb로 도핑된 ITO, ZnO:Al, ZnO:B, ZnO:Ga, SnO2:F, TiO2:Nb, 카드뮴 스타네이트, 혼성 주석 아연 산화물 SnxZnyOz (식중, x, y 및 z는 수임), 및 일반적으로 Al, Ga, Sn, Zn, Sb, In, Cd, Ti, Zr, Ta, W 및 Mo 원소들중 하나 이상으로부터 얻어지는 모든 투명 전도성 산화물, 특히 상기 원소들중 적어도 하나의 다른 원소로 도핑된 상기 원소들중 하나로부터 얻어지는 산화물, 또는 임의로 상기 원소들중 적어도 제 3의 원소로 도핑된 상기 원소들 2가지 이상의 혼성 산화물로 이루어진 군중에서 선택된다.
금속 기능층 위에 배치된 반사방지 코팅은 태양광 발전 물질의 최대 흡수 파장 λm의 0.45 내지 0.55배 (0.45배 및 0.55배 포함)의 광학적 두께를 갖는 것이 바람직하고, 상기 금속 기능층 위에 배치된 반사방지 코팅은 태양광 발전 물질의 흡수 스펙트럼과 태양 스펙트럼의 곱의 최대 파장 λM의 0.45 내지 0.55배 (0.45배 및 0.55배 포함)의 광학적 두께를 갖는 것이 더욱 바람직하다.
금속 기능층 아래에 배치된 반사방지 코팅은 태양광 발전 물질의 최대 흡수 파장 λm의 0.075 내지 0.175배 (0.075배 및 0.175배 포함)의 광학적 두께를 갖고, 금속 기능층 아래에 배치된 반사방지 코팅은 태양광 발전 물질의 흡수 스펙트럼과 태양 스펙트럼의 곱의 최대 파장 λM의 0.075 내지 0.175배 (0.075배 및 0.175배 포함)의 광학적 두께를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 금속 기능층 아래에 배치된 반사방지 코팅은 확산에 대한 장벽으로서, 특히 기재로부터 유래한 나트륨의 확산에 대한 장벽으로서 작용하여 전극 코팅, 더욱 구체적으로 기능성 금속층을, 특히 열처리하는 동안에, 특히 강화 열처리하는 동안에 보호하는 화학 장벽 기능도 가질 수 있다.
다른 특정 실시양태에서, 기재는 전극 코팅 아래에 기재의 굴절율과 가까운 낮은 굴절율을 갖는 베이스 반사방지층을 포함하며, 상기 베이스 반사방지층은 산화규소를 주성분으로 하거나, 산화알루미늄을 주성분으로 하거나, 또는 이들 두 가지의 혼합물을 주성분으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 이러한 유전층이 화학 확산 장벽층, 구체적으로 기재로부터 유래하는 나트륨의 확산에 대한 장벽층을 구성함으로써, 전극 코팅, 더욱 구체적으로 기능성 금속층을 특히 열처리하는 동안에, 구체적으로 강화 열처리하는 동안에 보호할 수 있다.
본 발명의 맥락에서, 유전층이라 함은 전하 이동 (전류)에 참여하지 않는 층 또는 전하 이동에의 참여 효과가 전극 코팅의 다른 층들의 효과와 비교할 때 0으로 간주될 수 있는 층을 말한다.
더욱이, 베이스 반사방지층은 10 내지 300 ㎚, 또는 35 내지 200 ㎚, 더욱 바람직하게는 50 내지 120 ㎚의 물리적 두께를 갖는 것이 바람직하다.
금속 기능층은 결정화된 형태로 얇은 유전층상에 증착되는 것이 바람직하고, 상기 유전층도 역시 결정화되는 것이 바람직하다 (따라서, 유전층이 상단에 증착된 금속층의 적당한 결정 배향을 촉진하므로 "습윤층"으로 명명된다).
금속 기능층은 은, 구리 또는 금을 주성분으로 할 수 있으며, 임의로 상기 원소들중 적어도 다른 한 원소로 도핑될 수 있다.
통상적으로 "도핑"이라 함은 어느 한 원소가 층내의 금속 원소의 몰질량으로서 10% 미만의 양으로 존재함을 의미하며, "주성분으로 하는"이란 표현은 통상적으로 그 물질을 주로 함유하는 층, 즉, 상기 물질을 몰질량으로서 50% 이상 함유하는 층을 의미하는 것으로 이해된다. 따라서, "주성분으로 하는"이라는 표현은 도핑까지도 포괄하는 것이다.
전극 코팅을 생성하는 박막 스택은 기능성 단일층 코팅, 즉, 단일의 기능층이고, 이 기능층은 기능성 다층일 수 없다.
따라서, 기능층은 산화물, 특히 산화아연을 주성분으로 하고, 임의로 알루미늄으로 임의로 도핑된 습윤층 위에 또는 심지어 습윤층상에 직접 증착되는 것이 바람직하다.
습윤층의 물리적 (또는 실제) 두께는 2 내지 30 ㎚인 것이 바람직하고, 3 내지 20 ㎚인 것이 더욱 바람직하다.
습윤층은 유전성이고, 바람직하게는 비저항 ρ(층의 □당 저항과 그 두께의 곱으로 정의됨)가 0.5 Ω.㎝ < ρ < 200 Ω.㎝ 또는 50 Ω.㎝ < ρ < 200 Ω.㎝ 정도인 물질이다.
스택은 일반적으로 스퍼터링, 임의로 마그네트론 스퍼터링과 같은 진공 기법을 사용해서 증착된 연속하는 필름들에 의해서 얻어진다. 또한, "블로킹(blocking) 코팅"으로 명명되고 반사방지 코팅의 일부를 형성하지 않으며 기능성 금속층, 특히 은을 주성분으로 하는 금속층 바로 아래에, 상에 또는 각 면상에 배치된 하나 또는 심지어 두 개의 매우 얇은 코팅과, 기재의 방향으로 기능층의 하면에 존재하고 증착후에 수행되는 가능한 열처리 과정 동안에 결합, 핵형성 및/또는 보호 코팅으로서 작용하는 코팅, 및 기능층의 상면에 존재하고 기능성 금속층이 그 상부의 층으로부터, 특히 열처리하는 동안에 산소의 공격 및/또는 이동에 의해서, 또는 심지어 그 상부의 층이 산소 존재하의 스퍼터링에 의해서 증착된 경우 산소의 이동에 의해서 손상되는 것을 방지하기 위한 보호 코팅 또는 "희생" 코팅으로서 작용하는 코팅을 제공할 수 있다.
본 발명의 맥락에서, 층 또는 코팅 (하나 이상의 층들을 포함함)을 다른 증착된 층 또는 코팅 바로 아래 또는 바로 위에 증착시킬 경우, 이러한 두 가지 증착된 층들 또는 코팅들 사이에 다른 층이 개재될 수 없다.
하나 이상의 블로킹 코팅은 Ni 또는 Ti를 주성분으로 하거나, Ni계 합금, 특히 NiCr 합금을 주성분으로 하는 것이 바람직하다.
기재의 방향으로 금속 기능층 아래에 배치된 코팅 및/또는 금속 기능층 위에 배치된 코팅은 혼성 산화물을 주성분으로 하는 층, 특히 아연 주석 혼성 산화물 또는 인듐 주석 혼성 산화물(ITO)을 주성분으로 하는 층을 포함한다.
또한, 기재의 방향으로 금속 기능층 아래에 배치된 코팅 및/또는 금속 기능층 위에 배치된 코팅은 높은 굴절율, 특히 2.2 이상의 굴절율을 갖는 층, 예를 들면 임의로 알루미늄 또는 지르코늄으로 도핑된 질화규소를 주성분으로 하는 층을 포함할 수 있다.
또한, 기재의 방향으로 금속 기능층 아래에 배치된 코팅 및/또는 금속 기능층 위에 배치된 코팅은 매우 높은 굴절율, 특히 2.35 이상의 굴절율을 갖는 층, 예를 들면 산화티탄을 주성분으로 하는 층을 포함할 수 있다.
기재는 전방 전면 기재로부터 반대 면상에 전극 코팅의 위에 태양광 발전 물질을 주성분으로 하는 코팅을 포함할 수 있다.
그러므로, 본 발명에 의한 전방 전면 기재의 바람직한 구조는 기재/(임의적 베이스 반사방지층)/전극 코팅/태양광 발전 물질의 유형이거나, 또는 다른 유형인 기재/(임의적 베이스 반사방지층)/전극 코팅/태양광 발전 물질/전극 코팅의 구조이다.
구체적인 실시양태에서, 전극 코팅은 건축 판유리용 스택, 특히 건축 판유리용 "강화 가능한 스택" 또는 "강화될" 건축 판유리용 스택, 특히 저방사율 스택, 구체적으로 "강화 가능한" 저방사율 스택 또는 "강화될" 저방사율 스택으로 이루어지며, 상기 박막 스택은 본 발명의 특징부를 갖는다.
또한, 본 발명은 본 발명에 의한 태양전지용 기재, 특히 본 발명의 특징부를 갖는 박막 스택으로 코팅된 건축 판유리용 기재, 구체적으로 본 발명의 특징부를 갖는 건축 판유리용 "강화 가능한" 기재 또는 "강화될" 건축 판유리용 기재, 특히 저방사율 기재, 구체적으로 본 발명의 특징부를 갖는 "강화 가능한" 저방사율 기재 또는 "강화될" 저방사율 기재에 관한 것이다.
따라서, 본 발명의 대상은 본 발명의 특징부를 가지며 강화 열처리를 거친 박막 스택으로 코팅된 건축 판유리용 기재이며, 아울러 본 발명의 특징부를 가지며 프랑스 특허 출원 FR 2 911 130호를 통해 알려진 유형의 열처리를 거친 박막 스택으로 코팅된 건축 판유리용 기재이다.
전극 코팅의 모든 층들은 진공 증착 기법에 의해 증착되는 것이 바람직하지만, 스택의 제 1 층 또는 제 1 층들이 다른 기법에 의해서, 예를 들면 열분해 유형의 열 증착 기법 또는 CVD에 의해, 임의로 진공하에, 임의로 플라즈마 증진하에 증착될 수 있음을 배제하는 것은 아니다.
또한, 유리하게도 박막 스택을 갖는 본 발명에 의한 전극 코팅은 TCO 전극 코팅보다 기계적 내성이 훨씬 더 크다. 따라서, 태양전지의 수명이 증가할 수 있다.
더욱이, 박막 스택을 갖는 본 발명에 의한 전극 코팅은 적어도 통상적으로 사용되는 TCO 전도성 산화물의 전기 저항만큼 우수한 전기 저항을 갖는다는 점이 유리하다. 본 발명에 의한 전극 코팅의 □당 저항 R□는 1 내지 20 Ω/□, 또는 심지어 2 내지 15 Ω/□, 예를 들면 약 5 내지 8 Ω/□이다.
또한, 박막 스택을 갖는 본 발명에 의한 전극 코팅은 가시광선에서 적어도 통상 사용되는 TCO 전도성 산화물의 광투과율만큼 우수한 광 투과율을 갖는다는 점도 유리하다. 본 발명에 의한 전극 코팅의 가시광선에서의 광투과율은 50 내지 98%, 또는 심지어 65 내지 95%, 예를 들면 약 70 내지 90%이다.
이하에서는 본 발명의 세부 사항 및 유리한 특징을 첨부된 도면으로 예시되는 비제한적 실시예를 통해 설명한다.
도 1은 투명 전도성 산화물로 제조된 전극 코팅으로 코팅되며 베이스 반사방지층을 갖는 종래 기술의 태양전지 전방 전면 기재를 도시한 도면이다.
도 2는 기능성 단일층 박막 스택으로 이루어진 전극 코팅으로 코팅되며 베이스 반사방지층을 갖는 본 발명에 의한 태양전지 전방 전면 기재를 도시한 도면이다.
도 3은 3종의 태양광 발전 물질에 대한 양자 효율 곡선을 도시한 그래프이다.
도 4는 상기 3종의 태양광 발전 물질의 흡수 스펙트럼과 태양 스펙트럼의 곱에 해당하는 실제 수율 곡선을 도시한 그래프이다.
도 5는 태양전지에 대한 내구성 테스트의 원리를 설명한 도면이다.
도 6은 태양전지의 횡단면도이다.
도 1은 투명 전도성 산화물로 제조된 전극 코팅으로 코팅되며 베이스 반사방지층을 갖는 종래 기술의 태양전지 전방 전면 기재를 도시한 도면이다.
도 2는 기능성 단일층 박막 스택으로 이루어진 전극 코팅으로 코팅되며 베이스 반사방지층을 갖는 본 발명에 의한 태양전지 전방 전면 기재를 도시한 도면이다.
도 3은 3종의 태양광 발전 물질에 대한 양자 효율 곡선을 도시한 그래프이다.
도 4는 상기 3종의 태양광 발전 물질의 흡수 스펙트럼과 태양 스펙트럼의 곱에 해당하는 실제 수율 곡선을 도시한 그래프이다.
도 5는 태양전지에 대한 내구성 테스트의 원리를 설명한 도면이다.
도 6은 태양전지의 횡단면도이다.
도 1, 도 2, 도 5 및 도 6에서, 검토하기 용이하도록 다양한 코팅, 층 및 물질들의 두께의 비율을 엄격하게 준수하지는 않았다.
도 1은 흡수성 태양광 발전 물질 (200)을 갖는 종래 기술의 태양전지 전방 전면 기재 (10')를 도시한 것이며, 상기 기재 (10')는 주요 표면상에 전류를 전도하는 TCO 층 (66)으로 이루어진 투명 전극 코팅 (100')을 갖는다.
전방 전면 기재 (10')는, 전면 기재 (10')가 입사선 (R)이 태양광 발전 물질 (200)에 도달하기 전에 통과하는 첫번째 기재가 되도록 태양전지에 배치된다.
또한, 기재 (10')는, 전극 코팅 (100') 아래에, 즉, 기재 (10')의 바로 위에, 기재의 굴절율보다 낮은 굴절율 n15를 갖는 베이스 반사방지층 (15)을 포함한다.
도 2는 본 발명에 의한 태양전지 전면 기재 (10)을 도시한 것이다.
전면 기재 (10)은 주요 표면상에 투명 전극 코팅 (100)을 역시 갖지만, 여기서는 상기 전극 코팅 (100)이 은을 주성분으로 하는 1개 이상의 금속 기능층 (40)과, 2개 이상의 반사방지 코팅 (20, 60)을 포함하는 박막 스택으로 이루어지며, 상기 코팅은 각각 하나 이상의 얇은 반사방지층 (24, 26; 64, 66)을 포함하고, 상기 기능층 (40)은 상기 2개의 반사방지 코팅 사이에 배치되며, 이들중 하면 반사방지 코팅 (20)으로 명명되는 하나의 반사방지 코팅은 기재의 방향으로 기능층 아래에 배치되고, 상면 반사방지 코팅 (60)으로 명명되는 다른 하나의 반사방지 코팅은 기재의 반대 방향으로 기능층 위에 배치된다.
도 2의 투명 전극 코팅 (100)을 구성하는 박막 스택은 기능성 단일층을 갖는 임의로 강화 가능하거나 강화될 저방사율 기재의 유형에 해당하는 스택 구조를 가지며, 예를 들면 그와 같은 유형은 빌딩에 사용되는 건축용 판유리 분야의 용도로 시판되는 것에서 찾아볼 수 있다.
번호 1 내지 12에 해당하는 12개의 실시예는 다음과 같은 기능성 단일층을 갖는 스택 구조를 기본으로 하여 제조하였다:
- 실시예 1, 2; 5, 6; 9, 10의 경우 도 1에 도시된 구조를 기본으로 하고;
- 실시예 3, 4; 7, 8; 11, 12는 스택이 블로킹 오버코팅을 포함하지 않는다는 것을 제외하고는, 도 2에 도시된 구조를 기본으로 한다.
또한, 하기 모든 실시예에서, 박막 스택은 두께가 4 ㎜인 투명한 소다 석회 유리로 제조된 기재 (10)상에 증착된다.
도 1에 따른 실시예들의 전극 코팅 (100')은 전도성 알루미늄 도핑된 산화아연을 주성분으로 한다.
도 2에 따른 실시예들의 전극 코팅 (100)을 구성하는 각 스택은 다음을 포함하는 박막 스택으로 이루어진다:
- 굴절율 n=2.4인 산화티탄을 주성분으로 하는 유전층인 반사방지층 (24);
- 유전성 산화물계 습윤층인 반사방지층 (26), 특히 임의로 도핑된 산화아연을 주성분으로 하고 굴절율 n=2인 반사방지층;
- 임의로, 하면의 블로킹 코팅 (도시 생략), 예를 들면 Ti를 주성분으로 하거나 NiCr 합금을 주성분으로 하고 기능층 (40) 바로 아래에 배치될 수 있지만, 여기서는 제공되지 않은 코팅; 상기 코팅은 일반적으로 습윤층 (26)이 없을 경우에 필요하지만, 반드시 필수적인 것은 아님;
- 은으로 제조되고 여기서는 상기 습윤 코팅 (26) 바로 위에 배치된 단일 기능층 (40);
- Ti를 주성분으로 하거나 NiCr 합금을 주성분으로 하고, 기능층 (40) 바로 위에 배치될 수 있지만, 제조된 실시예에서는 제공되지 않은 상면의 블로킹 코팅 (50);
- 산화아연을 주성분으로 하고, 굴절율 n=2이고 비저항이 100 Ω.㎝ 정도인 유전성 반사방지층 (64), 여기서 상기 층은 세라믹 타겟으로부터 상기 블로킹 코팅 (50)상에 직접 증착됨; 및
- 전류를 전도하고, 알루미늄 도핑된 산화아연을 주성분으로 하고 굴절율 n=2인 반사방지층이자 단자층인 추가로 제공되는 층 (66), 이 층의 비저항은 실질적으로 1100 μΩ.㎝에 가까움.
짝수의 실시예에서는, 태양광 발전 물질 (200)이 미소결정질 규소 (결정립 크기가 100 ㎚ 정도임)을 주성분으로 하는 반면, 홀수의 실시예에서는 태양광 발전 물질 (200)이 비정질 (즉, 비결정질) 규소를 주성분으로 한다.
상기 물질들의 양자 효율 QE를, 본 발명의 맥락에서 적합한 또 다른 태양광 발전 물질인 텔루르화카드뮴의 양자 효율과 함께 도 3에 나타내었다.
여기서, 잘 알려진 바와 같이, 양자 효율 QE는 x축상에서 주어진 파장을 갖는 입사 광자가 전자-정공 쌍으로 전환될 확률 (0과 1 사이)에 대한 표현이라는 것을 상기하기로 한다.
도 3을 통해 알 수 있는 바와 같이, 최대 흡수 파장 λm, 즉, 양자 효율이 최대인 파장 (즉, 양자 효율 최대값일 때의 파장)은 다음과 같다:
- 비정질 규소 a-Si의 최대 흡수 파장, 즉, λm (a-Si)는 520 ㎚이고;
- 미소결정질 규소 μc-Si의 최대 흡수 파장, 즉, λm (μc-Si)는 720 nm이며;
- 텔루르화카드뮴 CdTe의 최대 흡수 파장, 즉, λm (CdTe)는 600 ㎚이다.
1차 근사법에서는, 상기 최대 흡수 파장 λm이면 충분하다.
그러므로, 기재의 방향으로 금속 기능층 (40) 아래에 배치된 반사방지 코팅 (20)은 태양광 발전 물질의 최대 흡수 파장 λm의 대략 ⅛과 같은 광학적 두께를 가지며, 기재로부터 반대 면상에 금속 기능층 (40) 위에 배치된 반사방지 코팅 (60)은 태양광 발전 물질의 최대 흡수 파장 λm의 대략 ½과 같은 광학적 두께를 갖는다.
하기 표 1은 각각의 코팅 (20), (60) 및 상기 3종의 물질에 대한 광학적 두께의 바람직한 범위를 ㎚ 단위로 요약해서 나타낸 것이다.
그러나, 개선된 실제 수율을 얻기 위해 양자 효율을 고려하여 지구 표면에서의 태양광의 파장 분포와 이 확률을 관련시킴으로써 스택의 광학적 정의를 개선할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 여기서, 정규화된 태양 스펙트럼 AM1.5를 사용하였다.
이 경우에, 기재의 방향으로 금속 기능층 (40) 아래에 배치된 반사방지 코팅 (20)은 태양광 발전 물질의 흡수 스펙트럼과 태양 스펙트럼의 곱의 최대 파장 λM의 대략 ⅛과 같은 광학적 두께를 갖고, 기재로부터 반대 면상에 금속 기능층 (40) 위에 배치된 반사방지 코팅 (60)은 상기 태양광 발전 물질의 흡수 스펙트럼과 태양 스펙트럼의 곱의 최대 파장 λM의 대략 ½과 같은 광학적 두께를 갖는다.
도 4를 통해 알 수 있는 바와 같이, 태양광 발전 물질의 흡수 스펙트럼과 태양 스펙트럼의 곱의 최대 파장 λM, 즉, 수율이 최대일 때의 파장 (즉, 최고 수율일 때의 파장)은 다음과 같다:
- 비정질 규소 a-Si의 최대 파장, 즉, λM (a-Si)는 530 ㎚이고;
- 미소결정질 규소 μc-Si의 최대 파장, 즉, λM (μc-Si)는 670 nm이며;
- 텔루르화카드뮴 CdTe의 최대 파장, 즉, λM (CdTe)는 610 ㎚이다.
하기 표 2는 각각의 코팅 (20), (60) 및 상기 세 가지 물질에 대한 광학적 두께의 바람직한 범위를 nm 단위로 요약한 것이다.
모든 실시예에서, 산화규소를 주성분으로 하는 베이스 반사방지층 (15)가 기재와 전극 코팅 (100) 사이에 증착된다. 상기 층의 굴절율 n15가 낮고 기재의 굴절율과 비슷하기 때문에, 상기 층의 광학적 두께는 본 발명에 의한 스택의 광학 경로를 정의할 때 고려하지 않았다.
상기 층들은 저방사율 또는 태양광 제어 용도에 사용되는 것과 유사하게 적층되기 때문에 상기 층들을 증착하는 조건은 당업자에게 잘 알려져 있다.
이 점에 대해서, 당업자들은 특허 출원 EP 718 250호, EP 847 965호, EP 1 366 001호, EP 1 412 300호 또는 EP 722 913호를 참조할 수 있다.
하기 표 3, 5 및 7은 실시예 1 내지 12 각각에서 상기 층들 각각에 사용된 물질 및 나노미터 단위로 측정한 각 층의 물리적 두께를 요약한 것이며, 하기 표 4, 6 및 8은 상기 실시예들의 주요 특징을 제시한 것이다.
성능 특성 P는 소위 "TSQE" 방법에 의해 계산된 것으로서, 여기서는 해당하는 전체 방사선 범위에 걸친 스펙트럼의 적분값과 전지의 양자 효율 QE의 곱이 사용된다.
모든 실시예 1 내지 12를, 도 5에 도시된 바에 따라 실시된 전지의 작동중에 (특히 정전기장의 존재하에) 발생된 응력에 대한 전극 코팅의 내성을 측정하기 위해 테스트하였다.
이러한 테스트를 위해서, 기재 (10, 10')의 일부분, 예를 들면 5 ㎝ × 5 ㎝ 치수이고 전극 코팅 (100, 100')으로 코팅되지만 태양광 발전 물질 (200)이 없는 부분을 약 200℃에서 열원 (6)상에 배치된 금속판 (5)상에 증착시켰다.
테스트는 전극 코팅 (100, 100')으로 코팅된 기재 (10, 10')에 전기장을 20분 동안 가하고, 상기 코팅의 표면상에 전기 접속부 (102)를 생성시키며, 상기 접속부 (102)와 상기 금속판 (5)을 약 200V하에 DV 전류를 전달하는 전원 (7)의 단자에 접속시키는 것을 포함하였다.
테스트 말엽에, 일단 표본을 냉각시킨 다음, 표본의 전체 표면에 대하여 남아있는 코팅의 백분율을 측정하였다.
내성 테스트후에 남아있는 코팅의 백분율을 %CR로 표시하였다.
제 1 부류의 실시예
이러한 제 1 부류의 실시예에서, 상기 기능성 금속층 위의 코팅 (60)의 광학적 두께는 270.6 ㎚ (= (129.3+6)×2)이고, 기능성 금속층 아래의 코팅 (20)의 두께는 72.32 ㎚ (= 24.3×2.4+7×2)였다.
상기 부류에서, 반사방지 코팅 (60)은 반사방지 코팅 (20)의 광학적 두께의 3.74배와 같은 광학적 두께를 갖는다.
상기 제 1 부류의 실시예들은 박막 스택으로 이루어지고 비정질 규소로 코팅된 전극 코팅 (실시예 4)을 얻을 수 있고, 이러한 전극 코팅이 동일한 비정질 물질로 코팅된 TCO 전극 코팅 (실시예 2)에 비해서 더 우수한 (3.5 Ω/□ 더 낮음) □당 저항 R□ 및 더 우수한 (4.8% 더 높음) 성능 P를 갖는다는 것을 보여준다. 실시예 4의 코팅들 (20) 및 (60)의 광학적 두께는 표 1 및 표 2에 의하면 a-Si 태양광 발전 물질 (200)에 대한 허용 가능한 범위내에 포함된다. 그러나, 코팅 (20) 및 (60)의 광학적 두께는 각각, 표 1에 기재된 λm/8 및 λm/2 값보다 표 2에 기재된 λM/8 및 λM/2 값에 더 가깝다.
이러한 부류에서, 박막 스택으로 이루어지고 미소결정질 규소로 코팅된 전극 코팅 (실시예 3)의 □당 저항 R□도 동일한 미소결정질 물질로 코팅된 TCO 전극 코팅 (실시예 1)보다 더 우수하지만, 성능 P는 덜 우수하였다 (1.8% 더 낮음). 실시예 3의 코팅 (60)의 광학적 두께 270.6 ㎚는 상기 표 1에 의하면 μc-Si 태양광 발전 물질 (200)에 대해 허용 가능한 범위인 324-396 ㎚에도 포함되지 않고, 더 한층 강력한 이유로 표 2에 의하면 μc-Si 태양광 발전 물질 (200)에 대해 허용 가능한 범위인 302-369 ㎚에도 포함되지 않았다.
또한, 내성 테스트후에 남아있는 박막 스택 전극 코팅 (실시예 3 및 4)의 백분율은, 태양광 발전 물질에 관계없이, 내성 테스트 후에 남아있는 TCO 전극 코팅 (실시예 1 및 2)의 백분율보다 훨씬 더 높았다.
제 2 부류의 실시예
이러한 제 2 부류의 실시예에서, 상기 기능성 금속층 위의 코팅 (60)의 광학적 두께는 345 ㎚ (= (166.6+6)×2)이고, 기능성 금속층 아래의 코팅 (20)의 광학적 두께는 107.6 ㎚ (= 39×2.4+7×2)였다.
상기 부류에서, 반사방지 코팅 (60)은 반사방지 코팅 (20)의 광학적 두께의 3.2배와 같은 광학적 두께를 가졌다.
상기 제 1 부류의 실시예들과는 달리, 제 2 부류의 실시예들은 박막 스택으로 이루어지고 미소결정질 규소로 코팅된 전극 코팅 (실시예 7)을 얻을 수 있고, 이러한 전극 코팅이 동일한 미소결정질 물질로 코팅된 TCO 전극 코팅 (실시예 5)에 비해서 더 우수한 (3 Ω/□ 더 낮음) □당 저항 R□ 및 더 우수한 (6% 더 높음) 성능 P를 갖는다는 것을 보여준다. 실시예 7의 코팅들 (20) 및 (60)의 광학적 두께는 표 1 및 표 2에 의하면 μc-Si 태양광 발전 물질 (200)에 대한 허용 가능한 범위내에 포함된다. 그러나, 코팅 (60)의 광학적 두께는 표 1에 기재된 λm/2 값보다 표 2에 기재된 μc-Si λM/2 값에 더 가깝다.
이러한 부류에서도, 박막 스택으로 이루어지고 비정질 규소로 코팅된 전극 코팅 (실시예 8)의 □당 저항 R□는 동일한 비정질 물질로 코팅된 TCO 전극 코팅 (실시예 6)보다 더 우수하지만, 성능 P는 덜 우수하였다 (13.1% 더 낮음). 실시예 8의 코팅 (60)의 광학적 두께 345 ㎚ 및 코팅 (20)의 광학적 두께 107.6 nm는 상기 표 1에 의하면 a-Si 태양광 발전 물질 (200)에 대해 각각 허용 가능한 범위인 234-286 ㎚ 및 39-91 ㎚에도 포함되지 않고, 더 한층 강력한 이유로 표 2에 의하면 a-Si 태양광 발전 물질 (200)에 대해 각각 허용 가능한 범위인 239-292 ㎚ 및 40-93 ㎚에도 포함되지 않는다.
또한, 내성 테스트후에 남아있는 박막 스택 전극 코팅 (실시예 7 및 8)의 백분율은, 태양광 발전 물질에 관계없이, 내성 테스트 후에 남아있는 TCO 전극 코팅 (실시예 5 및 6)의 백분율보다 훨씬 더 높았다.
제 3 부류의 실시예
이러한 제 3 부류의 실시예에서, 상기 기능성 금속층 위의 코팅 (60)의 광학적 두께는 266 ㎚ (= (107+6)×2)이고, 기능성 금속층 아래의 코팅 (20)의 광학적 두께는 65.6 ㎚ (= 21.5×2.4+7×2)였다.
상기 부류에서, 반사방지 코팅 (60)은 반사방지 코팅 (20)의 광학적 두께의 4.05배와 같은 광학적 두께를 가졌다.
상기 제 1 부류의 실시예들의 경우와 같이, 제 3 부류의 실시예들은 박막 스택으로 이루어지고 비정질 규소로 코팅된 전극 코팅 (실시예 12)을 얻을 수 있고, 이러한 전극 코팅이 동일한 비정질 물질로 코팅된 TCO 전극 코팅 (실시예 10)에 비해서 더 우수한 (2.9 Ω/□ 더 낮음) □당 저항 R□ 및 더 우수한 (9.6% 더 높음) 성능 P를 갖는다는 것을 보여준다. 실시예 12의 코팅들 (20) 및 (60)의 광학적 두께는 표 1 및 2에 의하면 a-Si 태양광 발전 물질 (200)에 대한 허용 가능한 범위내에 포함된다. 그러나, 코팅 (20) 및 (60)의 광학적 두께는 각각, 표 1에 기재된 λm/8 및 λm/2 값보다 표 2에 기재된 λM/8 및 λM/2 값에 더 가깝다. 또한, 상기 실시예 12의 코팅들 (20) 및 (60)의 광학적 두께는 각각 표 2의 λM/8 및 λM/2 값과 실제로 동일하였다.
이러한 부류에서, 박막 스택으로 이루어지고 미소결정질 규소로 코팅된 전극 코팅 (실시예 11)의 □당 저항 R□도 동일한 미소결정질 물질로 코팅된 TCO 전극 코팅 (실시예 9)보다 더 우수하지만, 성능 P는 덜 우수하였다 (11.6% 더 낮음). 실시예 11의 코팅 (60)의 광학적 두께 266 ㎚는 상기 표 1에 의하면 μc-Si 태양광 발전 물질 (200)에 대해 허용 가능한 범위인 324-396 ㎚에도 포함되지 않고, 더 한층 강력한 이유로 표 2에 의하면 μc-Si 태양광 발전 물질 (200)에 대해 허용 가능한 범위인 302-369 ㎚에도 포함되지 않는다.
또한, 내성 테스트후에 남아있는 박막 스택 전극 코팅 (실시예 11 및 12)의 백분율은, 태양광 발전 물질에 관계없이, 내성 테스트 후에 남아있는 TCO 전극 코팅 (실시예 9 및 10)의 백분율보다 훨씬 더 높았다.
상기 제 3 부류와 제 1 부류를 비교함으로써, 실시예 12의 코팅들 (20) 및 (60)의 광학적 두께 (각각 65.6 ㎚ 및 266 ㎚)가 실시예 4의 해당 두께 (각각 72.3 ㎚ 및 270.6 ㎚)보다 더욱 a-Si에 대한 이상적인 이론치 (각각 λm의 경우 65 ㎚ 및 260 ㎚, 및 λM의 경우 66 ㎚ 및 265 ㎚)에 더 가깝고, 또한 실질적으로 동일한 □당 저항 R□ 및 실질적으로 동일한 %CR, 즉, 내성 테스트후에 남아있는 박막 스택 전극 코팅의 백분율에 대하여 실시예 12의 성능이 보다 높다는 것 (4.8%만큼)을 알 수 있었다.
따라서, 제 3 부류의 실시예들을 통해서, 기재의 방향으로 금속 기능층 (40) 아래에 배치된 반사방지 코팅 (20)이 태양광 발전 물질의 흡수 스펙트럼과 태양 스펙트럼의 곱의 최대 파장 λM의 대략 ⅛과 같은 광학적 두께를 갖고, 상기 기재로부터 반대 면상에 금속 기능층 (40) 위에 배치된 반사방지 코팅 (60)이 상기 태양광 발전 물질의 흡수 스펙트럼과 태양 스펙트럼의 곱의 최대 파장 λM의 대략 ½과 같은 광학적 두께를 갖는 것이 바람직함을 확인할 수 있었다.
또한, 본 발명의 범위내에서 전극 코팅을 형성하는 박막 스택이 절대적으로 매우 높은 투명도를 가질 필요가 없다는 것을 밝힌 점도 중요하다.
따라서, 실시예 3의 경우에, 전극 코팅을 형성하는 스택으로만 코팅되고 태양광 발전 물질이 없는 기재의 가시광선에서의 광투과율은 75.3%인 반면, TCO 전극 코팅을 갖고 태양광 발전 물질이 없는 대등한 실시예, 즉, 실시예 1의 가시광선에서의 광투과율은 85%이었다.
특히 ZnO/Ag/ZnO 유형 또는 SnxZnyOz/Ag/SnxZnyOz 유형 (x, y 및 z는 각각 숫자를 가리킴) 또는 ITO/Ag/ITO 유형의 블로킹 코팅을 함유하지 않기 때문에 매우 단순하고 본 발명의 특징부를 갖는 스택은 연역적으로 목적하는 용도에 기술적으로 적합할 것으로 보이지만, 제 3 부류의 실시예들은 제 1 부류 및 제 2 부류보다 더욱 비용이 많이 든다는 위험이 있다.
도 6은 횡단면에서 보았을 때, 입사선 (R)이 침투하는 본 발명에 의한 전면 기재 (10) 및 배면판 기재 (20)을 구비한 태양전지 (1)을 도시한 것이다.
예를 들면, 비정질 규소 또는 결정질 또는 미소결정질 규소 또는 텔루르화 카드뮴 또는 구리 인듐 디셀레나이드 (CuInSe2 또는 CIS) 또는 구리 인듐 갈륨 셀레늄으로 제조된 태양광 발전 물질 (200)이 두 기재 사이에 배치된다. 이것은 n-도핑된 반도체 물질의 층 (220) 및 p-도핑된 반도체 물질의 층 (240)으로 이루어져 전류를 생성할 것이다. 각각, 한편으로는 전면 기재 (10)과 n-도핑된 반도체 물질의 층 (220) 사이에, 다른 한편으로는 p-도핑된 반도체 물질의 층 (240)과 배면판 기재 (20) 사이에 삽입된 전극 코팅 (100, 300)이 전기적 구조물을 완성한다.
전극 코팅 (300)은 은 또는 알루미늄을 주성분으로 하거나, 하나 이상의 금속 기능층을 가진 본 발명에 의한 후막 스택으로 이루어질 수도 있다.
이상에서는 실시예에 의거하여 본 발명을 설명하였다. 물론, 당업자라면 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해지는 본 발명의 보호 범위를 벗어나는 일 없이 본 발명의 다양한 변형예들을 실시할 수 있을 것이다.
Claims (20)
- 전면 기재 (10), 특히 투명 유리 기재를 포함하고, 상기 전면 기재는 주요 표면상에 금속 기능층 (40), 특히 은을 주성분으로 하는 기능층 및 둘 이상의 반사방지 코팅 (20, 60)을 포함하는 박막 스택으로 이루어진 투명 전극 코팅 (100)을 가지며, 상기 반사방지 코팅이 각각 하나 이상의 반사방지층 (24, 26; 64, 66)을 포함하고, 상기 기능층 (40)이 상기 두 반사방지 코팅 (20, 60) 사이에 배치되는 태양전지 (1)에 있어서,
기재의 방향으로 금속 기능층 (40) 아래에 배치된 반사방지 코팅 (20)이 태양광 발전 물질의 최대 흡수 파장 λm의 대략 ⅛과 같은 광학적 두께를 가지며, 기재로부터 반대 면상에서 금속 기능층 (40) 위에 배치된 반사방지 코팅 (60)이 태양광 발전 물질의 최대 흡수 파장 λm의 대략 ½과 같은 광학적 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 태양전지 (1). - 제 1 항에 있어서, 기재의 방향으로 금속 기능층 (40) 아래에 배치된 반사방지 코팅 (20)이 태양광 발전 물질의 흡수 스펙트럼과 태양 스펙트럼의 곱의 최대 파장 λM의 대략 ⅛과 같은 광학적 두께를 갖고, 기재로부터 반대 면상에 금속 기능층 (40) 위에 배치된 반사방지 코팅 (60)이 태양광 발전 물질의 흡수 스펙트럼과 태양 스펙트럼의 곱의 최대 파장 λM의 대략 ½과 같은 광학적 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 태양전지 (1).
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 전극 코팅 (100)이 2 × 10-4 Ω.㎝ 내지 10 Ω.㎝의 비저항 ρ를 갖는, 기재로부터 가장 멀리 떨어진 전류를 전도하는 층 (66), 특히 TCO계 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 (1).
- 제 3 항에 있어서, 상기 전류를 전도하는 층이 기재로부터 가장 멀리 떨어진 반사방지 코팅 (60)의 광학적 두께의 50 내지 98%에 해당하는 광학적 두께, 특히 기재로부터 가장 멀리 떨어진 반사방지 코팅 (60)의 광학적 두께의 85 내지 98%에 해당하는 광학적 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 태양전지 (1).
- 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 기능층 (40) 위에 배치된 반사방지 코팅 (60)이 태양광 발전 물질의 최대 흡수 파장 λm의 0.45 내지 0.55배 (0.45배 및 0.55배 포함)의 광학적 두께를 갖고, 바람직하게는 상기 금속 기능층 (40) 위에 배치된 반사방지 코팅 (60)이 태양광 발전 물질의 흡수 스펙트럼과 태양 스펙트럼의 곱의 최대 파장 λM의 0.45 내지 0.55배 (0.45배 및 0.55배 포함)의 광학적 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 태양전지 (1).
- 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 기능층 (40) 아래에 배치된 반사방지 코팅 (20)이 태양광 발전 물질의 최대 흡수 파장 λm의 0.075 내지 0.175배 (0.075배 및 0.175배 포함)의 광학적 두께를 갖고, 바람직하게는 상기 금속 기능층 (40) 아래에 배치된 반사방지 코팅 (20)이 태양광 발전 물질의 흡수 스펙트럼과 태양 스펙트럼의 곱의 최대 파장 λM의 0.075 내지 0.175배 (0.075배 및 0.175배 포함)의 광학적 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 태양전지 (1).
- 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 기재 (10)이 전극 코팅 (100) 아래에, 기재의 굴절율과 가까운 낮은 굴절율 n15을 갖는 베이스 반사방지층 (15)를 포함하고, 상기 베이스 반사방지층 (15)가 바람직하게는 산화규소를 주성분으로 하거나, 산화알루미늄을 주성분으로 하거나, 또는 이들 두 가지의 혼합물을 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 태양전지 (1).
- 제 7 항에 있어서, 상기 베이스 반사방지층 (15)의 물리적 두께가 10 내지 300 ㎚인 것을 특징으로 하는 태양전지 (1).
- 제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서, 기능층 (40)이 산화물, 특히 산화아연을 주성분으로 하고 임의로 도핑된 습윤층 (26) 위에 배치되는 것을 특징으로 하는 태양전지 (1).
- 제 1 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서, 기능층 (40)이 하나 이상의 하면 블로킹 코팅 (30)의 바로 위에 및/또는 하나 이상의 상면 블로킹 코팅 (50)의 바로 아래에 배치되는 것을 특징으로 하는 태양전지 (1).
- 제 10 항에 있어서, 하나 이상의 블로킹 코팅 (30, 50)이 Ni 또는 Ti를 주성분으로 하거나 Ni계 합금, 특히 NiCr 합금을 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 태양전지 (1).
- 제 1 항 내지 제 11 항중 어느 한 항에 있어서, 기재의 방향으로 금속 기능층 아래의 코팅 (20) 및/또는 금속 기능층 위의 코팅 (60)이 혼성 산화물, 특히 아연 주석 혼성 산화물 또는 인듐 주석 혼성 산화물 (ITO)을 주성분으로 하는 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 (1).
- 제 1 항 내지 제 12 항중 어느 한 항에 있어서, 기재의 방향으로 금속 기능층 아래의 코팅 (20) 및/또는 금속 기능층 위의 코팅 (60)이 매우 높은 굴절율을 갖는 층, 특히 굴절율이 2.35 이상인 층, 예를 들면 산화티탄을 주성분으로 하는 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 (1).
- 제 1 항 내지 제 13 항중 어느 한 항에 있어서, 전면 기재 (10)로부터 반대 면상에 전극 코팅 (100) 위에 태양광 발전 물질을 주성분으로 하는 코팅 (200)을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 (1).
- 제 1 항 내지 제 14 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극 코팅 (100)이 건축 판유리용 스택, 특히 건축 판유리용 "강화 가능한" 스택 또는 "강화될" 건축 판유리용 스택, 구체적으로 저방사율 스택, 특히 "강화 가능한" 저방사율 스택 또는 "강화될" 저방사율 스택으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지 (1).
- 금속 기능층 (40), 특히 은을 주성분으로 하는 기능층, 및 둘 이상의 반사방지 코팅 (20, 60)을 포함하고, 상기 반사방지 코팅이 각각 하나 이상의 반사방지층 (24, 26; 64, 66)을 포함하며, 상기 기능층 (40)이 상기 두 반사방지 코팅 (20, 60) 사이에 배치되는 것인, 제 1 항 내지 제 15 항중 어느 한 항에서 청구된 태양전지 (1)용 박막 스택으로 코팅된 기재 (10), 특히 건축 판유리용 기재, 구체적으로 "강화 가능한" 건축 판유리용 기재 또는 "강화될" 건축 판유리용 기재, 구체적으로 저방사율 기재, 특히 "강화 가능한" 저방사율 기재 또는 "강화될" 저방사율 기재에 있어서,
기재의 방향으로 금속 기능층 (40) 아래에 배치된 반사방지 코팅 (20)이 태양광 발전 물질의 최대 흡수 파장 λm의 대략 ⅛과 같은 광학적 두께를 가지며, 기재로부터 반대 면상에서 금속 기능층 (40) 위에 배치된 반사방지 코팅 (60)이 태양광 발전 물질의 최대 흡수 파장 λm의 대략 ½과 같은 광학적 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 기재 (10). - 기재는 금속 기능층 (40), 특히 은을 주성분으로 하는 기능층, 및 둘 이상의 반사방지 코팅 (20, 60)을 포함하는 박막 스택으로 이루어진 투명 전극 코팅 (100)을 가지며, 여기서 상기 반사방지 코팅이 각각 하나 이상의 반사방지층 (24, 26; 64, 66)을 포함하며, 상기 기능층 (40)이 상기 두 반사방지 코팅 (20, 60) 사이에 배치되고, 기재의 방향으로 금속 기능층 (40) 아래에 배치된 반사방지 코팅 (20)이 태양광 발전 물질의 최대 흡수 파장의 대략 ⅛과 같은 광학적 두께를 갖고, 기재로부터 반대 면상에 금속 기능층 (40) 위에 배치된 반사방지 코팅 (60)이 태양광 발전 물질의 최대 흡수 파장의 대략 ½과 같은 광학적 두께를 갖는 것인, 태양전지 (1), 구체적으로 제 1 항 내지 제 15 항중 어느 한 항에서 청구된 태양전지 (1)의 전면 기재 (10) 제조용 박막 스택으로 코팅된 기재의 용도.
- 제 17 항에 있어서, 전극 코팅 (100)을 갖는 기재 (10)이 건축 판유리용 기재, 구체적으로 "강화 가능한" 건축 판유리용 기재 또는 "강화될" 건축 판유리용 기재, 특히 "강화 가능한" 저방사율 기재 또는 "강화될" 저방사율 기재인 것인 용도.
- 제 17 항 또는 제 18 항에 있어서, 상기 전극 코팅 (100)이 기재로부터 가장 멀리 떨어진 전류를 전도하는 층 (66)이, 2 × 10-4 Ω.㎝ 내지 10 Ω.㎝의 비저항 ρ를 갖는 층 (66), 특히 TCO계 층을 포함하는 것인 용도.
- 제 19 항에 있어서, 상기 전류를 전도하는 층이 기재로부터 가장 멀리 떨어진 반사방지 코팅 (60)의 광학적 두께의 50 내지 98%에 해당하는 광학적 두께, 특히 기재로부터 가장 멀리 떨어진 반사방지 코팅 (60)의 광학적 두께의 85 내지 98%에 해당하는 광학적 두께를 갖는 것인 용도.
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