KR20120130204A - 금속 기판 상에 솔라 셀을 제조하기 위한 층상 시스템 및 상기 층상 시스템의 제조 방법 - Google Patents

금속 기판 상에 솔라 셀을 제조하기 위한 층상 시스템 및 상기 층상 시스템의 제조 방법 Download PDF

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크레벨 주스트 빌렘 헨드릭 반
알베르투스 죠한네스 마리아 비그처트
가네산 팔라니스워미
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타타 스틸 네덜란드 테크날러지 베.뷔.
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Abstract

솔라 셀의 제조용 층상 시스템에 관한 것으로서,
- 광 산란을 위해 엠보싱 처리된 폴리머 코팅층을 갖는 금속 기판;
- 상기 엠보싱 처리된 폴리머 코팅층의 형상을 따르고, 높은 광 반사율을 갖는 솔라 셀 배면 전극;
- 광을 전기로 효율적으로 변환시킬 수 있는 하나 이상의 광전지 활성층; 및
- 투명한 상부 전극을 포함하고;
- 상기 폴리머 코팅층은 결정화 가능한 폴리머를 포함한다.

Description

금속 기판 상에 솔라 셀을 제조하기 위한 층상 시스템 및 상기 층상 시스템의 제조 방법{LAYERED SYSTEM FOR PRODUCING A SOLAR CELL ON A METAL SUBSTRATE, METHOD FOR PRODUCING SAID LAYERED SYSTEM}
본 발명은 금속 기판 상에 솔라 셀의 제조를 위한 층상 시스템, 및 상기 층상 시스템의 제조 방법에 관한 것이다.
친환경 에너지에 대한 갈망과 결부된 미래 에너지의 요건에 부과되는 요구사항 때문에, 태양광 발전 시스템은 근 수 십년 동안 추진력을 얻어왔고, 현재 상업적으로 개발되고 있으며, 널리 사용될 정도로 성장하고 있다. 전통적인 솔라 셀 또는 광전지 장치 시장은 높은 생산 비용으로 특징되는 p-n 접합 실리콘 웨이퍼 기반의 솔라 셀에 기초한 전지를 선호해왔으나, 최근 연구 동향은, 낮은 단가의 연속 생산 방법을 제공하여, 태양광 발전 시스템용 저렴한 솔라 셀을 제공하는 것에 집중되어 있다.
본 발명의 목적은 저렴한 솔라 셀의 연속 생산을 위한 층상 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 상기 층상 시스템을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
발명의 일 측면에서, 솔라 셀의 제조를 위한 층상 시스템은:
- 광 산란을 위해 엠보싱 처리된 폴리머 코팅층(embossed polymer coating layer)을 구비한 금속 기판;
- 상기 엠보싱 처리된 폴리머 코팅층의 형상을 따르고, 높은 광 반사율을 갖는 솔라 셀 배면 전극;
- 빛을 전기로 효율적으로 변환시킬 수 있는 하나 이상의 광전지 활성층; 및
- 투명한 상부 전극을 포함하고;
- 상기 폴리머 코팅층은 결정화 가능한 폴리머를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에서, 솔라 셀에서 사용하기 위한 층상 시스템을 제조하는 방법은:
- 폴리머 코팅층을 갖는 금속 기판을 준비하는 단계;
- 광 산란을 위한 표면 텍스쳐(surface texture)를 얻기 위해, 폴리머 코팅층을 엠보싱 처리하는 단계;
- 접착력 향상을 위해, 엠보싱 처리된 폴리머 코팅층에 접착층을 갖도록하는 단계 및/또는 선택적으로 폴리머 코팅층을 전처리하는 단계;
- 엠보싱 처리된 폴리머 코팅층 또는 접착층의 형상에 따르고 높은 광 반사율을 갖는 솔라 셀 배면 전극을 준비하는 단계(상기 전극은 열에 의해 엠보싱 처리된 폴리머 코팅층을 따름);
- 빛을 전기로 효율적으로 전환할 수 있는 하나 이상의 광전지 층을 제공하는 단계; 및
- 투명 상부 전극을 제공하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 발명의 층상 시스템을 도시한 도면이고,
도 2는 열 엠보싱 공정을 도시한 도면이다.
발명의 첫번째 측면에서, 솔라 셀의 제조를 위한 층상 시스템은 하기를 만족한다:
- 광 산란을 위한 엠보싱 처리된 폴리머 코팅층을 포함하는 금속 기판;
- 엠보싱 처리된 폴리머 코팅층의 형상에 따르고, 높은 광 반사율을 갖는 솔라 셀 배면 전극;
- 빛을 전기로 효율적으로 변환시킬 수 있는 하나 이상의 광전지 활성층; 및
- 투명한 상부 전극을 포함하고;
- 상기 폴리머 코팅층은 결정화 가능한 폴리머를 포함한다.
금속 기판은 산소와 수증기에 불침투성이기 때문에 활성물질은 산소와 수증기에 적게 노출된다. 금속 기판은 솔라 셀을 형성할 수 있는 기판이고, 추가적인 강도를 또한 제공한다. 바람직하게 상기 금속 기판은 스테인리스 강과 같은 고유의 부식보호능을 갖거나, 전기도금된 연강(mild steel)과 같은 부식에 대한 추가적 보호능을 갖는 금속이다. 상기와 같은 추가적 보호능의 추가적인 이점은 상기 기판과 폴리머 코팅층 간의 접착력이 향상된다는 것이다. 폴리머 코팅층은 강 기판으로부터 활성 솔라 셀을 전기적으로 분리한다. 이렇게하여 폴리머 코팅층 상의 개개의 솔라 셀은 직렬로 연결될 수 있다. 이것은 조립체의 전압을 증가시킨다. 게다가 폴리머 코팅층은 강 기판에 대한 추가적인 부식보호능을 제공한다. 폴리머 코팅층은 예를들면 홀로그램 또는 주기적인 격자를 제공하기위해 엠보싱 처리될 필요가 있다. 상기 홀로그램 또는 격자는 무지개 효과(rainbow effect)를 갖는 층을 제공한다. 신용카드에서 찾을 수 있는 홀로그램들은 무지개 홀로그램의 예이다. 본 발명의 이러한 홀로그램 또는 격자의 효과는 표면에 부딪히는 광 산란을 증가시킨다. 산란광은 표면 쪽으로 향하는 빛의 각도를 증가시키고, 솔라 셀의 광전지 활성층을 통과하는 광 경로를 증가시킨다. 이것은 광전지 활성층으로의 광 흡수를 향상시키고, 솔라 셀의 성능을 향상시킨다. 상기 솔라 셀은, 엠보싱 처리된 폴리머 코팅층의 형상을 따르고 높은 광 반사율을 갖는 솔라 셀 배면 전극을 포함한다. 높은 반사율을 갖는 상기 층은 입사광의 반사를 강화시킬 필요가 있다. 배면 전극은 빛을 산란하기 위한 엠보싱으로부터 이익을 얻기위해 엠보싱 처리된 폴리머코팅의 형상을 따른다. '형상을 따른다'는 구절은 엠보싱으로부터 얻어지는 표면 텍스쳐(surface texture)가 배면 전극의 적용 후에 지속된다는 것을 의미한다. 배면 전극이 부분적으로 또는 완전히 엠보싱 처리된 패턴을 채운다면 엠보싱의 기능을 향상시키는 산란은 (부분적으로) 잃게된다. 광전지 활성층 또는 층들, 또는 일련의 층들은 시스템 상으로 유입되는 빛을 흡수하고, 전기의 생성에 필수적인 전자와 정공을 발생시킨다. 더 오랫동안 빛이 상기의 광전지 활성층을 통해 이동하면, 광전지 층에 의해서 더 많은 빛이 흡수된다. 결과적으로 더 많은 전자 및 정공이 발생되고, 이에 따라 솔라 셀의 효율이 향상된다. 높은 광반사율을 갖는 솔라 셀 배면 전극과 결합된 상기 엠보싱 처리된 폴리머층은 광전지 활성층을 통과하는 빛의 경로가 연장되는 것을 보장한다. 폴리머 층의 어떠한 표면 텍스쳐도, 특히 높은 반사율의 활성 솔라 셀 배면 전극과 함께 제공될 때에는, 표면 거칠기가 어느 정도 광을 산란시키기 때문에 유사한 효과를 가질 것이다. 그러나 제어 불가능한 표면 거칠기는 상기 거칠기를 따르지 않기 때문에 불완전한 층을 만들 수 있다. 이는 솔라 셀의 성능을 저하시키고, 불완전한 층이 전기적 단락(short cuts)를 유발한다면, 심지어 완전한 기능상실의 원인이 될 수 있다. 엠보싱 처리된 폴리머 층의 이점은, 광 산란이 이러한 목적을 위해 제어되고 최적화된다는 것이다. 마지막으로, 투명 상부 전극은 전자의 수송을 가능하게 하도록 제공된다. 상부 보호층, 폴리머 층과 기판 사이 또는 폴리머 층과 활성 배면 전극 사이의 접착층과 같은 추가적인 층이 존재할 수 있다. 또한 금속 핑거 및 버스바 중 적어도 하나가 전자 수송을 향상하기 위하여 투명 상부 전극 상에 제공될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 엠보싱 처리된 폴리머 코팅 층은 산화크롬 층이나 알루미늄 층과 같은 접착 층을 갖는다. 상기 층의 목적은 폴리머 코팅 층으로 솔라 셀 층의 접착을 향상시키기 위함이다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 배면 전극은 바람직하게 0.1 내지 0.6 ㎛ 의 두께를 갖고, 바람직하게 상기 배면 전극은 높은 반사율을 갖는다. 배면 전극은 은(silver) 또는 알루미늄 층과 같은 얇은 금속 층일 수 있다. 금속, 그리고 특별히 은 및 알루미늄은 높은 반사 계수를 갖고, 결과적으로 대부분의 입사광은 그것에 의해 반사된다. 그러나 예를 들어 작은 유기 분자 또는 폴리머 또는 정공 전도 및 엑시톤 저지층(exciton blocking layers)과 결합된 하이브리드계 활성 도너-억셉터 층상 시스템의 얇은 광전지 활성층에 기초한 PV 셀에 대하여 비금속 전극 층이 사용될 수 있다. 상기 층의 두께는 배면 전극으로서의 기능에 의해 지배되고, 0.1 ㎛의 최소 두께가 된다. 최대 두께는 엠보싱 처리된 폴리머 층의 형상을 따르는 능력에 의해 지배된다. 두께가 0.6 ㎛를 초과할 때, 엠보싱 처리된 폴리머의 광 산란 효과는 감소된다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 광전지 활성층은 n(-i-)p-셀과 같은 광전지 활성 실리콘의 박막, 또는 작은 유기 분자 또는 폴리머 또는 정공 전도 및 엑시톤 저지층과 결합된 하이브리드계 활성 도너-억셉터 층상 시스템의 얇은 광전지 활성층을 포함한다. 광전지 활성층은 또한 둘 이상의 셀이 각각의 위에 적층 된 텐덤 셀(tandem cell)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 각각의 cell은 태양 스펙트럼의 상보적인 부분을 흡수한다. 반도체 재료로부터 만들어지는 광전지 활성층의 기능은 광자를 흡수하는 것이다. 이 광자들은 전도대 안에서 전자들을 운반한다. 전자들은 상기 재료를 통과하여 흐름으로써 전기를 생성한다. 솔라 셀의 특별한 조성으로 인하여 전자들은 한쪽 방향으로만 움직이도록 허용된다. 정공이라 불리는 상보적인 양전하가 또한 생성되고 전자와 반대방향으로 흐른다. 솔라 셀의 배열은 태양 에너지를 사용가능한 양의 직류 전기로 변환한다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 추가 산란층이 배면 전극 상에 제공되고, 배면 전극과 광전지 층 사이의 굴절률을 가지며, 바람직하게 상기 산란층은 알루미늄 도핑된 산화아연(ZnO:Al), 플루오르 도핑된 산화 주석(SnO2:F or FTO) 또는 산화인듐주석(ITO)과 같은 투명한 도전성 산화물(TCO)이고, 상기 산란층은 선택적으로 규소산화물 나노층을 구비한다. 상기 추가 산란층은 또한 광전지 활성층을 통하여 부수적인 광자의 경로를 추가로 증가시킴으로 인해 전자-정공 쌍을 생성할 확률이 증가된다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 폴리머 코팅 층은 폴리에스터(예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트 (PBT), 폴리에틸렌 나프탈레이트 (PEN)), 또는 폴리올레핀(예를 들어, 폴리프로필렌이나 이축 연신 폴리프로필렌(BOPP), 폴리에틸렌(PE)), 또는 폴리비닐클로라이드(PVC)와 같은 결정화될 수 있는 열가소성 수지 폴리머를 포함한다. PET는 금속 기판에 매우 잘 부착되기 때문에 특별히 선호되고, 그것은 높은 융점을 갖는다. 현재의 솔라 셀을 제조하는 공정은 전형적으로 120 ℃ 내지 200 ℃의 온도에서의 처리 단계를 포함한다. 엠보싱 및 폴리머 층은 이 온도를 견딜 수 있을 필요가 있고, PET는 이를 잘 수행함이 증명되었다. PET는 CHDM(1,4-사이클로헥산디메탄올) 또는 IPA(이소프탈산)에 의해 개질될 수 있다. 유사한 이유로, 폴리아미드 또는 폴리이미드와 같은 폴리머 또는 유사체는 충분히 높은 융점을 갖는 한 적절할 수 있다. 상기에서 언급된 폴리머들의 혼합물 또는 코폴리머가 또한 사용될 수 있다. 폴리머 코팅층의 결정화 능력은 추가의 공정 동안 엠보싱이 안정하게 유지되도록 한다. 바람직하게 결정화 가능한 열가소성 폴리머의 융점은 200 ℃ 보다 높고, 더욱 바람직하게는 적어도 220 ℃이다. 원한다면, 폴리머층은 추가적인 충전제, 첨가제, 착색제, 또는 티타니아와 같은 부식방지제를 포함할 수 있다. 바람직하게 폴리머 물질은, 예를들어 솔라 셀 층을 적용하는 동안과 같은 진공 조건하에서, 진공 증발 건조를 방지하기위해 사용하기에 적합하다. 폴리머 코팅층의 적합한 최소 두께는 브레이크스루 전압(breakthrough voltage)에 의해 결정되는 반면에 최대 두께는 비용 문제이다. 폴리머 코팅층의 적합한 최소 두께는 5 ㎛이고, 바람직하게 7 ㎛이다. 폴리머계의 솔라 셀 기술을 위해, 상기 처리는, 예를 들면 폴리머 코팅의 결정화가 일어나지 않는, 낮은 온도에서 처음으로 수행된다. 그러나, 많은 경우에 최적의 기능을 위하여 120 ℃ 내지 150 ℃에서의 후 처리를 필요로 한다. 이 경우 폴리머의 엠보싱과 결정화는, 광 흡수를 증가시키고, 솔라 셀 층의 적용 후의 폴리머의 결정화로 인해 잔금이 생기는 현상(crazing)을 감소시키기 위해 필요하다. 폴리에스터계 코팅이 이를 대단히 우수하게 수행함이 증명되었다(결정화 가능한 폴리머는 PET, 또는 코폴리머들, 또는 PET 및/또는 IPA-개질 PET나 CHDM-개질 PET의 혼합물을 포함한다).
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 금속 기판은 강 스트립 또는 호일, 바람직하게는 부식 방지 코팅을 구비한 연강 또는 스테인리스 강, 알루미늄 또는 티타늄 스트립이다. 전기도금한 금속 코팅의 연강(mild steel) 기판은 비교적 저렴하고, 산업 규모에서 믿을만하고 비용 효율적으로 폴리머 코팅층을 구비할 수 있다. 스테인리스 강 기판은 연강 기판보다 더 비싸지만, 연강 기판이 바람직하게 니켈 또는 크롬 또는 코발트 또는 몰리브덴 및 이들의 합금 기반의 도금층, 또는 이들의 조합, 또는 ECCS-강(무 주석 강(Tin Free Steel)으로도 알려져 있음)에서의 산화크롬층과 같은 보호 코팅층을 갖는 것에 반하여, 스테인리스 강은 부식에 대한 추가적인 보호를 필요로하지 않는다. 기판으로서 아연도금된(galvanised) 강을 사용하는 것도 또한 가능하다. 그러나, 추가적인 부식 방지를 제공하기 위해 어떠한 유형의 코팅이 사용되었는가는, 그것이 폴리머 코팅층과 기판 사이의 접착력을 향상시키거나 또는 적어도 손상시키지 않는 한, 본 발명의 목적을 위해 중요하지 않다. 패키지 산업을 위한 폴리머 코팅된 금속 기판의 공지된 제조로부터 알려진 것처럼, 추가 접착층이 폴리머 코팅층과 기판 사이에 제공될 수 있다. 금속 기판의 두께는 요구되는 기계적 성질에 의해 주로 결정된다. 강 기판은 바람직하게 0.05 내지 1 mm의 두께를 갖는다. 비록 본 발명의 기술적인 기능이 더 이상 발휘되지 않는 최대 두께는 없지만, 중량 제한은 최대 두께를 제한할 수 있다. 솔라 셀의 설치 및 사용에 있어서, 더 얇은 기판은 손상(damage), 주름(crease) 및 구김(wrinkle)의 위험이 더 크고, 이로 인해 솔라 셀은 잠재적으로 손상된다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 엠보싱 처리된 폴리머 코팅층은 홀로그램 효과를 제공한다. 홀로그램 효과의 1차적인 기능은 광전지 활성층을 통한 입사 광자의 경로를 증가시키기 위한 산란기능이다. 그러나, 홀로그램은 회사의 로고 또는 제품의 상표명 또는 상표 등을 포함하는 형태로 생산될 수 있기 때문에 위조 방지, 브랜드 홍보 및 제품 인증 등에 효과적 일 수 있다.
본 발명의 두 번째 측면에서, 솔라 셀은 상기에서 기술된 층상 시스템을 포함하여 제공된다. 광전지 활성 솔라 셀 층은, n(i-)-p 전지에서와 같이, 광전지 활성 실리콘 박막의 적층으로 구성된다. 그렇지 않으면, 이들은 작은 유기 분자 또는 폴리머 또는 최적의 성능을 얻기위해 정공 전도 및 엑시톤 저지층과 결합된 하이브리드계 활성 도너-억셉터 층상 시스템에 기반한 광전지 활성 박막일 수 있다.
본 발명의 세 번째 측면에서, 솔라 셀에서 사용하기 위한 층상 시스템을 제조하는 방법은 하기의 단계를 포함한다:
- 폴리머 코팅층을 갖는 금속 기판을 준비하는 단계;
- 광 산란을 위한 표면 텍스쳐를 얻기 위해, 상기 폴리머 코팅층을 엠보싱 처리하는 단계;
- 접착력 향상을 위해, 엠보싱 처리된 상기 폴리머 코팅층에 접착층을 제공하는 단계 및/또는 선택적으로 상기 폴리머 코팅층을 전처리하는 단계;
- 엠보싱 처리된 상기 폴리머 코팅층 또는 상기 접착층의 형상에 따르고 높은 광 반사율을 갖는 솔라 셀 배면 전극을 제공하는 단계(상기 electrode는 열에 의해 엠보싱 처리된 폴리머 코팅층을 따름);
- 빛을 전기로 효율적으로 전환할 수 있는 하나 이상의 광전지 층을 제공하는 단계; 및
- 투명 상부 전극을 제공하는 단계.
선택적인 전처리(pretreatment)는 산소 플라즈마 처리일 수 있다. 산소 플라즈마 표면 처리는 유기 잔여물들을 제거하는 것 뿐만 아니라, 초기의 탄소-수소 결합에 비해 더 극성이고 더 반응성인, 강한 탄소-산소 공유 결합을 형성하기 위해 표면과 화학적으로 반응한다. 표면의 더욱 증가된 극성은 실질적으로 습윤성이 증가되고, 표면-접착 인터페이스에 대한 공유 결합의 정도가 추가되는 것을 설명한다. 금속 기판 상의 폴리머 층은 바람직하게 비정질 또는 부분적으로 결정화된 폴리머 층이다. 상기 폴리머 층은 초기에 제조된 폴리머 필름의 적층에 의해 기판 상에 제공될 수 있고, 공지된 수단에 의해 기판으로 제공될 수 있으며, 또는 기판 상에 티-다이(T-die)를 통해 직접적으로 필름을 압출하는 것과 같은 공지된 수단에 의하거나 또는 주조 롤 상으로의 (이후 필름이 기판상으로 적층되는) 폴리머 층의 직접적인 압출에 의해, 폴리머 층은 제공될 수 있다. 기판으로 폴리머 층을 제공하는 이러한 방법들은, 예를 들면 패키지 산업을 위해 제조된 강 기판으로 코팅된 Protect® 폴리머의 생산으로부터 알려져 있다. Protect®은 타타 스틸 아이제이무이덴 비브이(Tata steel IJmuiden BV)의 등록된 상표명이다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 폴리머 코팅층의 엠보싱은, 홀로그램 또는 주기적인 격자와 같은 표면 텍스쳐를 열적으로 엠보싱 처리 하는 것에 의해 야기되고, 이것에 의해 폴리머 코팅층을 적어도 부분적으로 결정화한다. 상기 엠보싱은, 전형적으로 120 ℃ 내지 200 ℃의 온도에서의 처리를 포함하는 솔라 셀을 제조하는 단계의 처리 온도에 필적하는 엠보싱 처리 온도에서 바람직하게 적용된다. PET가 폴리머 층으로서 사용되는 경우, 표면에서 패턴(inprint)이 가압되는 엠보싱 단계동안 PET 코팅은 결정화된다. 이처럼, 솔라 패널 성능을 증가시키는 조절된 엠보싱 처리 표면이 얻어진다. 결정화의 효과는 또한, 금속 기판으로의 적층 또는 압출의 결과로서 폴리머 층 안에 존재해 왔을 수 있는 어떠한 내부 응력이라도 완화한다. 상기 응력의 완화 또는 제거는, 이러한 층들의 적용 또는 후처리 동안 솔라 셀 층의 잔금(crazing)의 위험을 감소 또는 제거하는데, 그 이유는 이것들은 종종 높은 온도(전형적으로 200 ℃ 까지) 또는 플라즈마 환경에서 처리되기 때문이다. 폴리머 층이 여전히 비정질 이거나 부분적으로 결정화되면, 높은 온도는 폴리머층을 후속적으로 재결정화시켜, 잔금 및 솔라 셀의 완전한 실패를 유발한다. 엠보싱 온도는 폴리머가 엠보싱 도구에 접착(또한 텍킹(tacking)으로 알려짐) 하는 온도에 의해 최대화 된다. 결정화의 달성을 위해서 및 엠보싱을 얻기 위해 요구되는 힘들을 최소화하기위해서, 최소 온도가 요구된다. PET와 같은 폴리에스터에 대한 적합한 최소 온도는 약 120 ℃이고, 최대는 약 200 ℃이다. 상기 최소 및 최대 온도는 다른 폴리머에 대해서 약간 변화할 수 있지만, 일반적으로 120 ℃ 내지 200 ℃의 온도 범위가 솔라 셀에서의 사용에 적합한 모든 폴리머 층들에 대해서 유용하다. 다시 말해서, 솔라 셀을 제조하는 동안의 전형적인 처리 온도를 견딜 수 있다. 열적 엠보싱 처리는 솔라 셀의 피착 이후에 적용될 수 없는데, 왜냐하면 폴리머층의 결정화의 결과로 솔라 셀 층에 잔금이 형성되기 때문이다. 그 대안으로서, 폴리머 층은 금속 기판으로의 적층에 앞서 엠보싱 처리될 수 있다. 이러한 경우 폴리머 코팅층의 엠보싱은, 이미 홀로그램 필름을 가진 폴리머 코팅층을 금속 기판 상에 적층하는 것에 의해 발생된다. 또 다른 대안으로서, 금속 기판 상에 폴리머 필름을 압출 코팅하고, 이후 압출-적층 장치에 장착된 엠보싱 롤, 또는 엠보싱 처리된 주조 롤에 의하여 압출된 폴리머 필름이 엠보싱 처리되는 동안에 상기 엠보싱 단계가 수행될 수 있다. 또 다른 대안으로서, 압출-적층 장치에 장착된 추가적인 엠보싱 롤, 또는 엠보싱 처리된 적층 롤을 사용하는 것에 의해, 미리 제조된 폴리머 필름을 적층하는 동안 또는 이후에 엠보싱 단계가 수행될 수 있다. 또 다른 대안으로서, 엠보싱은, 폴리머 층에 요변성(thixotropic) 코팅 조성물 또는 졸-겔 기반 조성물을 적용하는 단계, 엠보싱 장치를 이용하여 코팅 조성물에 표면 양각무늬를 엠보싱 처리하는 단계, 및 엠보싱 처리된 코팅 조성물을 경화하는 단계로 구성된다. 요변성 코팅은, 예를 들어 도전성 입자들을 안에 포함하는 것에 의해 도전성을 가질 수 있고, 이로 인해 엠보싱 처리된 층은, 배면 전극이 그 위에 제공될 수 있는 도전성 층의 역할을 할 수 있다. 또한 경화 온도는 솔라 셀 층들에서 잔금의 원인이 될 수 있는 내부 응력의 제거 또는 완화를 위해, 폴리머 코팅층이 적어도 부분적으로 결정화 되는 온도에서 선정되어야 한다. 또 다른 실시예에서 기판은 폴리머 코팅(기판을 코팅한 이후에 열적으로 결정화되고, 코팅된 기판이 제 2 코팅에 의해 코팅되며, 상기 두 번째 코팅은 부분적으로 경화된 코팅)을 갖게되고, 광 산란을 위한 표면 텍스쳐를 얻기위해 엠보싱 처리되고, 마지막으로 경화된다. 상기 제 2 코팅은 상술한 이유 때문에 선택적으로 도전성을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 상기 방법은 하나 이상의 하기 단계를 포함한다:
- 엠보싱 처리된 폴리머 코팅층이 산화크로뮴 층 또는 알루미늄 층과 같은 접착층을 갖는다;
- 배면 전극 금속 층으로서 제공되고, 바람직하게 0.1 ㎛ 내지 0.6 ㎛의 두께를 갖고, 바람직하게 상기 금속 층은 은 또는 알루미늄 층과 같이 높은 반사율을 갖는다;
- 추가 산란 층은 배면 전극 상에 제공되며, 배면 전극의 반사 지수 및 광전지 활성층의 반사 지수 사이의 반사 지수(reflactive index)를 가지며, 산란 층은 바람직하게 ZnO:Al, SnO2:F 또는 산화 인듐 주석(ITO)과 같은 투명한 도전성 산화물이고, 산란층은 선택적으로 실리콘 산화물 나노층을 갖는다;
- 광전지 활성층은, n-i-p-셀에서와 같은 광전지 활성 실리콘 박막, 또는 광전지 활성 작은 유기분자 또는 폴리머 또는 하이브리드계의, 정공 전도 및 엑시톤 저지층들과 결합된 활성 도너-억셉터 층상 시스템에 기반한 박막을 포함한다;
- 폴리머 코팅 층은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 같은 결정화될 수 있는 폴리머를 포함한다;
- 금속 기판은 강 스트립으로서 제공되고, 바람직하게는 부식 방지 코팅 또는 부식 방지 코팅을 갖는 연강 또는 스테인리스 강 또는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 스트립으로서 제공된다;
- 열적으로 엠보싱 처리된 폴리머 코팅 층은 홀로그램 효과를 제공한다.
본 발명은 하기의 비제한적이고, 개략적인 도면에 의해 기술된다.
도 1에 층상 시스템 (1)의 개략적인 도면이 나타나 있다(축척은 무시). 금속 기판(2)은, 엠보싱 처리된 부분(4)이 제공된 폴리머 층(3)을 갖는다. 활성 솔라 셀 배면 전극(5)은 엠보싱 처리된 부분(4)의 상부에 공지된 수단에 의해 피착된다. 층(6)은 선택적인 TCO 층이고 층(7)은 광전지 활성층이다. 이러한 비 제한적인 예에 있어서, 예를 들면 광전지 활성 n-i-p-실리콘 시스템의 박막인 3-층 시스템이 도시되어 있다. TCO 상부 코팅(9)은 활성 층(8)의 상부에 제공되고, 버스바 또는 핑거(9)는 향상된 전자 수송을 위해 제공된다. 빛이 광전지 활성층에 도달할 때, 포텐셜(△V)은 TCO층(6) 및 (9) 사이에 존재하는 것을 개략적으로 나타낸다.
도 2에 엠보싱 단계의 개략적인 도면이 제공된다. 일반적으로 프레스가 사용되는 엠보싱 도구는, 또한 롤 또는 폴리머 층(3)을 엠보싱 처리하기에 충분한 어떠한 다른 수단이라도 될 수 있다. 도 2a에 폴리머 층은 아직 엠보싱 처리 되지 않았고, 엠보싱 도구는 그것을 향해 움직이고 있다. 엠보싱 단계는 높은 온도(예를 들어 120 ℃ 내지 200 ℃)에서 바람직하게 일어난다. 도 2b는 엠보싱 처리 이후의 상황을 나타내고, 폴리머 층 (3)은 이제 높은 온도 때문에 (부분적인) 결정화가 진행된 엠보싱 처리된 부분(4)를 가진다.

Claims (15)

  1. 솔라 셀의 제조용 층상 시스템으로서,
    - 광 산란을 위해 엠보싱 처리된 폴리머 코팅층을 갖는 금속 기판;
    - 상기 엠보싱 처리된 폴리머 코팅층의 형상을 따르고, 높은 광 반사율을 갖는 솔라 셀 배면 전극;
    - 광을 전기로 효율적으로 변환시킬 수 있는 하나 이상의 광전지 활성층; 및
    - 투명 상부 전극을 포함하고;
    - 상기 폴리머 코팅층은 결정화 가능한 폴리머를 포함하는 솔라 셀 제조용 층상 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머 코팅층은
    폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 또는 코폴리머, 또는 이들의 혼합물 등의 폴리에스터;
    폴리프로필렌, 이축 연신 폴리프로필렌, 또는 폴리에틸렌 등의 폴리올레핀;
    폴리비닐클로라이드;
    폴리아미드;
    또는 폴리이미드로 구성되는 결정화될 수 있는 폴리머 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 결정화될 수 있는 폴리머를 포함하는 층상 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 엠보싱 처리된 폴리머 코팅 층은 산화크롬 층 또는 알루미늄 층 등의 접착 층을 갖는 층상 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배면 전극은 금속 층이고, 바람직하게 0.1 내지 0.6 ㎛의 두께를 갖고, 상기 금속 층은 바람직하게 은 또는 알루미늄 층인 층상 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광전지 활성 층은 광전지 활성 실리콘의 박막, 또는 광전지 활성 작은 유기 분자 또는 폴리머 또는 정공 전도 및 엑시톤 저지층과 결합된 하이브리드계 도너-억셉터 층상 시스템 기반의 박막을 포함하는 층상 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    추가 산란층이 배면 전극 상에 제공되고, 배면 전극과 광전지 활성층 사이의 굴절률을 가지며, 바람직하게 상기 산란층은 ZnO:Al, SnO2:F 또는 산화인듐주석(ITO) 등의 투명 도전성 산화물이고, 상기 산란층은 선택적으로 규소산화물 나노층 또는 정공 전도 또는 엑시톤 저지층을 갖는 층상 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 기판은 강 스트립이고, 바람직하게는 부식 방지 코팅을 갖는 연강, 또는 스테인리스 강, 또는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 스트립인 층상 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엠보싱 처리된 폴리머 코팅층은 홀로그램 효과를 제공하는 층상 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 기판은 부식방지코팅을 갖는 연강 스트립이고, 상기 결정화될 수 있는 폴리머는 실질적으로 폴리에틸렌 테레프탈레이트로 구성되는 층상 시스템.
  10. 솔라 셀에 사용하기 위한 층상 시스템의 제조방법으로서,
    - 폴리머 코팅층을 갖는 금속 기판을 준비하는 단계;
    - 광 산란을 위한 표면 텍스쳐(surface texture)를 얻기 위해, 폴리머 코팅층을 엠보싱 처리하는 단계;
    - 접착력 향상을 위해, 엠보싱 처리한 상기 폴리머 코팅층에 접착층을 제공하는 단계 및/또는 선택적으로 상기 폴리머 코팅층을 전처리하는 단계;
    - 엠보싱 처리한 상기 폴리머 코팅층 또는 상기 접착층의 형상을 따르고 높은 광 반사율을 갖는 솔라 셀 배면 전극을 제공하는 단계;
    - 빛을 전기로 효율적으로 전환할 수 있는 하나 이상의 광전지 층을 제공하는 단계; 및
    - 투명 상부 전극을 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 전극은 열에 의해 엠보싱 처리된 폴리머 코팅층의 형상을 따르는, 층상 시스템 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 폴리머 코팅층의 엠보싱은, 홀로그램 또는 주기적인 격자 등의 표면 텍스쳐를 열적으로 엠보싱 처리하여 형성되어, 폴리머 코팅층을 적어도 부분적으로 결정화하며, 바람직하게 120 ℃ 내지 200 ℃의 엠보싱 온도에서 열적 엠보싱이 적용되는, 층상 시스템 제조방법.
  12. 제10항에 있어서,
    기판은 적어도 부분적으로 결정화된 폴리머 코팅층을 갖고, 이어서 코팅된 기판이 부분적으로 경화된 제 2 코팅으로 코팅되며, 광 산란을 위한 표면 텍스쳐를 얻기 위해 엠보싱 처리되고, 마지막으로 경화되는, 층상 시스템 제조방법.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    하기 중 적어도 하나 이상의 조건을 만족하는 층상 시스템 제조방법:
    - 상기 엠보싱 처리된 폴리머 코팅 층은 산화 크롬 또는 알루미늄 층의 접착층을 갖고;
    - 배면 전극은 금속 층이고, 바람직하게 0.1 ㎛ 내지 0.6 ㎛의 두께를 갖고, 바람직하게 상기 금속 층은 은 또는 알루미늄 층이며;
    - 배면 전극 상에, 배면 전극 및 광전지 활성층 사이의 반사 지수를 갖는 추가 산란 층이 제공되고, 상기 산란층은 바람직하게 ZnO:Al, SnO2:F 또는 산화 인듐 주석(ITO) 등의 투명 전도성 산화물이며, 상기 산란층은 선택적으로 실리콘-산화물 나노층을 갖고;
    - 상기 광전지 활성 층은 광전지 활성 실리콘의 박막, 또는 광전지 활성 작은 유기 분자 또는 폴리머 또는 정공 전도 및 엑시톤 저지층과 결합된 하이브리드 계 도너-억셉터 층상 시스템 기반의 박막을 포함하며;
    - 상기 폴리머 코팅 층은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 등의 결정화될 수 있는 폴리머를 포함하고;
    - 상기 금속 기판은 강 스트립이며, 바람직하게는 부식 방지 코팅을 갖는 연강, 또는 스테인리스 강, 또는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 스트립이고;
    - 상기 열적으로 엠보싱 처리된 폴리머 코팅 층은 홀로그램 효과를 제공한다.
  14. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폴리머 코팅 층은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 등의 결정화될 수 있는 열가소성 폴리머를 포함하는, 층상 시스템 제조방법.
  15. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엠보싱은, 회사의 로고 또는 제품의 상표명 또는 상표를 포함하는 홀로그램 이미지의 위조 방지, 브랜드 홍보 및/또는 제품 인증을 위한 홀로그램 이미지를 제공하는, 층상 시스템 제조방법.
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