KR20130101083A - 복합 웨이퍼 구조를 갖는 박층 태양광 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광전기 에너지 생산을 위해 직렬로 연결된 복수의 박층 태양광 전지(11)를 갖는 박층 태양광 모듈(1)에 관한 것이다. 상기 모듈은 접착층(9)에 의해 서로 연결되는 두 개의 기판(2, 10)을 포함한다. 각각의 태양광 전지는 두 개의 기판들 사이에 배열되고 제1 전극층(5)과, 제2 전극층(8) 및 양 전극층들 사이에 배열된 반도체 층(6)을 포함하는 층 구조를 갖는다. 상기 반도체 층은 pn-접합을 형성하고 도핑 재료로 도핑된다. 근본적으로, 접착층은 반도체 층으로부터 접착층으로 도핑 재료가 확산되는 것을 방지할 정도의 소정양으로 도핑 재료를 포함한다.

Description

복합 웨이퍼 구조를 갖는 박층 태양광 모듈 {THIN LAYERED SOLAR MODULE HAVING A COMPOSITE WAFER STRUCTURE}
본 발명은 일반적으로 적층 시트 구조를 갖는 박막 태양광 모듈에 관한 것이다.
태양 광선의 전기적 에너지로의 직접 변환을 위한 광전지층 시스템(photovoltaic layer system)은 충분히 주지되어 있다. 그 층의 재료 및 배열은 최대로 가능한 방사선 수율(radiation yield)로 입사광 방사선이 한 개 또는 복수의 반도체 층에 의해 즉시 전류로 변환되도록 조정된다. 광전지층 시스템은 "태양광 전지"라고 불린다. 캐리어 기판이 적절한 기계적 강도를 제공하는데 필요한 단지 수 마이크론의 두께를 갖는 광전지층 시스템은 "박막 태양광 전지"라고 불린다.
효율에 관하여, 다결정의 황동광 반도체(polycrystalline chalcopyrite semiconductors)에 기반한 박막 태양광 전지가 우수한 것으로 판명되었는데, 특히 태양 광선의 스펙트럼에 적합한 밴드 갭으로 인해 특히 높은 흡수 계수를 갖는 것으로 유명한 구리 인듐 디셀레니드(copper indium diselenide; CuInSe2 또는 CIS)와 함께일 때 그러함을 알 수 있다.
박막 태양광 전지를 위한 공지된 캐리어 기판은 무기 유리, 중합체 또는 금속 합금을 포함하고, 층 두께와 재료 특성에 따라 강판(rigid plate) 또는 가요성 막으로 구현할 수 있다. 적절히 입수 가능한 캐리어 기판과 단순한 모놀리식 집적(monolithic integration) 덕분에, 박막 태양광 전지의 광역 배열이 경제적으로 생산될 수 있다.
대체로, 개별 태양광 전지로는 단지 1 볼트보다 작은 전압 수준만을 획득할 수 있기 때문에, 여러 개의 태양광 전지가 태양광 모듈 내에서 대개 직렬로 연결되어, 기술적으로 유용한 출력 전압을 획득할 수 있도록 한다. 이것을 위해, 박막 태양광 모듈은 박막 태양광 전지가 막의 생산 중에 집적 형태로 미리 직렬로 연결될 수 있다는 특정 이점을 제공한다.
태양광 모듈은 환경적 영향으로부터 영구히 보호되어야 한다. 통상 이러한 목적을 위해, 저철 소다 석회 유리(low-iron soda-lime glasses)와 접착 촉진 중합체 막(adhesion-promoting polymer films)이 태양광 전지와 결합되어, 내후성(weather-resistant) 태양광 모듈을 형성한다. 접착 촉진 중합체 막은 예컨대, 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral; PVB), 에틸렌 비닐 아세테이트(ethylene vinyl acetate; EVA), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리에틸렌 아크릴 공중합체(polyethylene acryl copolymer) 또는 폴리아크릴아미드(polyacrylamide; PA)를 포함한다. 이온 중합체를 갖춘 접착 촉진 중합체 막은 예컨대, 미국 US 5,476,553호와 WO 2009/149000호 공보로부터 공지되어 있다.
본 발명의 목적은 비교적 낮은 생산 비용으로 노화와 날씨에 의해 야기되는 전원 출력 손실의 감소로 문제가 되는 종래 형태의 박막 태양광 모듈의 우수한 개선을 포함한다. 이러한 목적 및 목적들은 이 독립 특허 청구항의 특성을 갖춘 박막 태양광 모듈에 의한 본 발명의 제안에 따라 달성된다. 본 발명의 유리한 실시예는 종속 청구항의 특성을 통해 제시된다.
본 발명에 따르면, 적층 시트 구조를 갖춘 박막 태양광 모듈이 제시된다. 박막 태양광 모듈은 광전지 에너지 생산을 위한 복수의 박막 태양광 전지를 가지며, 이는 서로 직렬로, 바람직하게는 집적 형태로 연결된다.
일반적으로, 박막 태양광 모듈은 접착층{캡슐화 재료(encapsulation material)}에 의해 서로 고정식으로 결합된 두 개의 기판을 포함한다. 각각의 태양광 전지는 두 개의 기판들 사이에 배치된 층 구조를 가지며, 이는 제1 전극층과, 제2 전극층 및 두 개의 전극층들 사이에 배치된 하나 이상의 반도체 층을 갖는다. 이러한 층들에 대한 목록은 결코 완성된 것이 아니라, 그 층 구조가 다른 층을 더 포함할 수 있는 것으로 이해된다. 게다가, 각각의 층은 한 개 또는 복수의 개별 층을 포함할 수 있다. 태양광 전지의 층 구조에 의해, 이형 접합(heterojunction) 또는 pn 접합(pn-junction), 다시 말해, 다른 전도체 형태를 갖는 층의 시퀀스가 형성된다. 종래와 같이, 반도체 층은 대개 금속 이온인 도펀트로 도핑된다. 바람직하게는 반도체 층은 황동광 화합물로 만들어지며, 이는 특히 예컨대, 구리 인듐 디셀레니드(CuInSe2 또는 CIS) 또는 관련된 화합물인 구리-인듐/갈륨 이황/디셀리니드(Cu(In,Ga)(S,Se)2) 그룹의 Ⅰ-ⅠⅠⅠ-ⅤⅠ-반도체일 수 있다. 바람직하게는 나트륨, 칼륨 및/또는 리튬으로 반도체 층에 이온 형태로 존재하는 도펀트와 함께 도핑한다. 나트륨, 칼륨 또는 리튬 도핑은 구리-인듐/갈륨 이황/디셀레니드(Cu(In,Ga)(S,Se)2)의 고유의 도핑 결과를 고유한 결함의 생성을 통해 가져온다.
두 개의 기판을 서로 결합시키는 접착층이 반도체 층을 도핑하는데 이용되는 도펀트(대개, 금속 이온)를 반도체 층으로부터 접착층으로의 도펀트 확산을 막는 정도의 양으로 갖는 것이 필수적이다.
출원인의 실험이 놀랍게도 입증한 바와 같이, 도펀트가 접착층에 적어도 소정의 최소 농도로 포함된다면, 반도체 층으로부터 접착층으로의 하전된 도펀트의 확산은 적어도 감소할 수 있다. 따라서, 유리하게는, 태양광 모듈의 장기적인 안정성이 향상될 수 있고, 반도체 층에서 노화에 의해 감소된 도펀트 농도로 인한 전원 출력 손실이 방지될 수 있다.
하전된 도펀트의 반도체 층으로부터의 외향 확산은 확산 과정에서 동일 하전의 이온들 사이의 치환이 궁극적으로 일어나도록 항상 동일 하전 유형으로 하전된 입자의 내향 확산과 관련된다. 접착층이 반도체 층을 도핑하는데 이용되는 도펀트를 원하는 기능에 충분한 정도의 양으로 포함할 때, 반도체 층의 도펀트 농도는 변화하지 않거나, 또는 적어도 노화로 인해 상당한 전원 출력 손실이 발생하는 정도로는 변화하지 않는다.
본 발명에 따른 박막 태양광 모듈의 유리한 실시예에서, 두 개의 기판을 서로 결합시키는 접착층은 반도체 층을 도핑하는데 이용되는 이온 결합된 도펀트를 포함하는 화합물로 구성되거나 적어도 이를 포함하는 재료로 만들어진다. 따라서, 접착층의 도펀트의 이온은 반도체 층과 동일한 종류의 이온을 위한 확산 파트너로서 적합하게 가능하다. 바람직하게는, 이러한 목적을 위해, 접착층의 재료는 접착 촉진 중합체 층, 특히 이온 중합체(이오노머)이거나 또는 이를 포함하며, 이는 취급하기 쉽고 경제적으로 산업의 계열 생산에 이용될 수 있다.
반도체 층의 도핑에 이용되는 이온에 의한 이오노머 이온의 부분 또는 전체 교환은 화학적으로 단순한 방식으로 수행될 수 있으며, 이는 접착층 내의 도펀트 농도가 쉽고 신뢰성 있게 조정될 수 있기 위한 것이다. 이오노머의 이용에서 이오노머가 상대적으로 길고, 비이온성인 알킬렌 체인을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 알킬렌 체인에 의해, 접착층은 중합체의 이온 섹션에도 불구하고, 접착층의 전기적 절연 특성이 이오노머의 이온 특성에 의해 영향을 받지 않거나 또는 단지 약간만 영향을 받도록 상대적으로 낮은 전기 전도도를 유리하게 갖는다.
두 개의 기판을 서로 결합한 접착층은 바람직하게는 이오노머 즉, 이온 작용기를 갖는 유기 중합체를 포함한다. 접착층은 바람직하게는 공중합체 및/또는 식 A-B의 블록 공중합체를 포함하며, 여기서 A는 선형 또는 분기의 무극성 탄화수소 그룹을 나타내고, B는 나트륨 결합 산 그룹(sodium-bonded acid groups)을 갖는 탄화수소 그룹을 나타낸다. "무극성 탄화수소 그룹"이라는 표현은 본 발명의 문맥에서 극성 작용기가 없는 포화 및 불포화 탄화수소 그룹을 포함한다. "나트륨 결합 산 그룹"이라는 표현은 본 발명의 문맥에서 산 양성자가 부분적으로 또는 전체적으로 나트륨 이온으로 치환된 유기산 그룹을 포함한다. 산 양성자의 치환은 예컨대, 수산화나트륨과의 반응에 의해 발생할 수 있다.
가능한 일 실시예에서, 20 % 내지 90 %의 산 양성자는 도펀트 이온 특히, 나트륨 이온으로 치환되며, 이로써 유리하게는 반도체 층의 특히 높은 안정성을 얻을 수 있다. 다른 가능한 실시예에서, 5 %보다 작은 산 양성자(그러나 0 %보다 큰)가 도펀트 이온, 특히 나트륨 이온으로 치환되며, 이로 인해 유리하게는 접착층의 두 개의 기판에의 특히 높은 접착성을 얻을 수 있다. 이것은 특히 유리 기판에 대해 수소 결합이 접착층의 산 양성자와 기판의 Si 원자 사이에 생성될 수 있는 경우 바람직하다. 특히, 도펀트 이온, 특히 나트륨 이온에 의해 치환된 산 양성자의 상대적인 점유율이 0.1 % 내지 5 % 미만, 특히 1 % 내지 4 %, 특히 2 % 내지 4 %, 특히 3 % 내지 4 %인 범위에서 유리할 수 있다. 상기 퍼센트 데이터는 치환 전의 산 양성자의 총량을 기준으로 치환되는 산 양성자의 상대적인 양을 나타낸다. 따라서, 퍼센트 데이터는 접착층 재료의 치환 수준에 대응한다.
그룹 A 및 B는 공중합체에 교번적으로 -A-B-A-B-A- 및 비교번적으로 예컨대, -A-A-B-A-B-B-B- 또는 -A-A-A-A-A-B-B-B-B- 시퀀스로 모두 나타날 수 있다. 접착층은 바람직하게는 폴리올레핀, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴레이트, 에틸 아크릴레이트, 메틸 아크릴레이트, 폴리비닐 알코올, 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐아세틸 및/또는 폴리아미드 같은 또 다른 열가소성 중합체를 포함한다. 접착층은 바람직하게는 5 내지 30 wt.-%(중량 퍼센트)의 식 A-B의 공중합체를 포함한다.
접착층은 바람직하게는 일반식 A-B = -[(CH2-CHR1)n-((R3-)C(-R2)(-CH2))m]의 공중합체를 포함하며,
R1 = H, CH3, 또는 CH2-CH3,
R2 = -COONa, -CH2-COONa, SO3Na 또는 -H2CSNa 및
R3= H, CH3 , CH2-CH3 또는 페닐이다.
문자 n과 m은 ≥ 5, 바람직하게는 ≥ 10, 특히 바람직하게는 ≥ 25인 숫자에 대응하고, 동일하거나 다른 값을 가정할 수 있다. 중합체 분자량 분포의 컨텍스트 내에서 평균의, 정수가 아닌 값의 n과 m이 가능하다. 본 발명에 따른 공중합체의 생산이 예컨대, 에틸렌과 메타크릴산의 혼성 중합을 통해 이루어질 수 있다. 접착층이 -H2CSNa가 라디칼 R2로서 배타적으로 포함되는 공중합체를 포함하는 것이 유리할 수 있다.
식 A-B의 공중합체는 바람직하게는 성분 B의 5 내지 30 wt.-% 양, 특히 바람직하게는 10 내지 20 wt.-% 양의 성분 B를 포함한다.
부가적으로 또는 이와 달리, 하전된 도펀트는 예컨대, 반도체 층을 향하는 접착층의 적어도 한 표면(다르게는 양 표면상에)상에 흡수될 수 있다. 이러한 수단에 의해, 흡수된 이온은 특히 효율적으로 반도체 층 내의 도펀트 농도의 감소를 방지할 수 있다. 온도 증가와 함께 융합에 의해 두 개의 기판을 결합하기 위한 접착막은 흡착된 도펀트 이온과 함께 산업의 계열 생산에 특히 쉽고 경제적으로 제공될 수 있다. 이를 위해, 접착막을 도펀트를 포함하는 용액을 갖춘 적당한 침지조(immersion bath)에 담그는 것으로 충분하다. 다르게는, 이러한 용액으로 접착막을 분무하는 것이 또한 고려될 수 있다. 본 발명의 문맥에서, "흡착"이라는 용어는 도펀트의 접착막의 표면상에의 접착을 의미하며, 이는 도펀트의 표면에의 결합의 성질과 상관없다. 특히, "화학 흡착" 또는 "물리 흡착"라고 기술 분야에 공지된 결합 메커니즘이 포함되어야 한다. 일반적으로, 도펀트의 외향 확산을 억제하기 위해 접착층에 포함되어야 하는 도펀트의 농도는 반도체 층 내의 도펀트의 농도에 의존한다. 통상적으로, 구리-인듐/갈륨-이황/디셀레니드(Cu(In,Ga)(S,Se)2) 그룹의 나트륨-이온-도핑된 황동광 반도체의 경우, 표면 밀도는 200-1000 ng/cm2 범위이다. 특히, 이러한 경우, 접착층의 전체 재료에 관하여 접착층에 포함된 금속 이온의 상대적인 양은 바람직하게는 0.1 내지 4 wt.-% 범위, 더 바람직하게는 0.5 내지 2 wt.-% 범위, 심지어 1 내지 2 wt.-% 범위가 더 바람직하다. 금속 이온은 접착층에 예컨대, 1.5 wt.-% 이상부터 2 wt.-%까지, 특히 1.6 wt.-% 내지 2 wt.-% 범위로 포함될 수 있다. 여기의 퍼센트 데이터는 접착층에 포함된 재료의 총 중량에 기초한다. 출원인의 실험이 보인 바와 같이, 반도체 층으로부터 도핑에 이용된 금속 이온의 외향 확산은 접착층 내의 금속 이온 함량으로 충분히 방지될 수 있다. 상기에서 이미 나타낸 바와 같이, 특히 접착층의 두 개의 기판에의 접착에 관하여 치환 전의 산 양성자의 총량에 기초한 특히 금속 이온인 도펀트 이온의 상대적인 양이 5 % 미만(그러나 0 % 초과)인 것이 유리할 수 있다.
본 발명에 따른 박막 태양광 모듈의 다른 유리한 실시예에서, 접착층은 접착층에 인접하거나 접촉하는 층에 이온 결합 및/또는 공유 결합한다. 이러한 수단에 의해, 특히 접착층과 인접층 사이의 공유 결합에 의해 박막 태양광 모듈의 장기적인 안정성의 추가적인 개선이 물의 반도체 층으로의 유입 억제를 통해 획득될 수 있다. 물 분자에 의한 파트너 교환에 따라 수소 이온이 사용 가능하기 때문에, 박막 태양광 모듈 내에 존재하는 물에 의한 금속 이온의 외향 확산은 상기 제안된 수단에 의해 방지된다. 따라서, 박막 태양광 모듈의 장기적인 안정성이 심지어 더 개선될 수 있다.
접착층과 그에 접촉하는 층 사이의 공유 결합은 접착층에 인접하거나 접촉하는 층의 재료로 무기 혼성 화합물을 형성할 수 있는 화합물을 접착층이 갖도록 바람직하게는 획득될 수 있다. 이러한 목적을 위해, 접착층은 예컨대, 알킬 실란(alkyl silanes) 또는 알킬알란(alkylalanes)을 적합한 양으로 포함할 수 있다. 이러한 화합물은 예컨대, 접착층의 재료와 혼합될 수 있다. 다르게는, 이러한 화합물로 만들어진 층은 각각의 경우에, 접착층과 접착층에 인접하거나 접촉하는 층 사이에 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 박막 태양광 모듈의 다른 유리한 실시예에서, 접착층은 0.1 % 미만의 물 함량을 갖거나, 물이 전혀 없다. 또한, 이러한 수단을 통해, 박막 태양광 모듈의 장기적인 안정성은 가능한 교환 파트너(수소 이온)의 양 감소에 의한 반도체 층으로부터 금속 이온의 외향 확산 억제에 의해 심지어 더 개선된다.
접착층으로서 이용되는 선행 기술에 따른 이오노머막은 수분 함량을 낮추기 위해 소정 비율의 아연을 포함하며, 이는 예컨대, WO 02/103809 A1에서 공지된 바와 같다. 이른바 "건열 시효시험"을 갖춘 출원인의 실험이 놀랍게도 보인 바와 같이, 아연 함량 0.7 wt.-%의 접착층을 갖춘 Cu(In,Ga)(S,Se)2 박막 태양광 전지의 효율은 85 ℃ 온도에서 명백히 감소한다. 이것은 접착층으로부터의 아연과, Cu(In,Ga)(S,Se)2 층 내의 나트륨, 칼륨 및/또는 리튬 간에 이온 교환에 의해 설명될 수 있다. 이온 교환은 증가한 온도에 의해 가속되고, 흡수체의 고유의 결함 구조는 심하게 분열된다.
본 발명에 따른 박막 태양광 모듈의 다른 유리한 실시예에서, 두 개 기판들 사이의 주변 에지 갭은 물에 대해 차단부로서 역할을 하는 밀폐 재료로 밀폐된다. 또한, 이러한 수단을 통해, 박막 태양광 전지의 장기적인 안정성은 반도체 층 외향으로의 금속 이온의 외향 확산의 억제에 의해 심지어 더 개선될 수 있으며, 이는 반도체 층 내의 금속 이온을 위해 가능한 교환 파트너(수소 이온)의 이용 가능함에 의한 물 분자량의 감소에 의한다. 유리하게는, 밀폐 재료는 그것이 화학적으로(예컨대, 탄산칼슘 CaO에 의해) 및/또는 물리적으로(예컨대, 제올라이트에 의해) 물을 구속할 수 있도록 실시된다. 그러한 밀폐 재료의 실질적인 이점은 그것이 물 분자를 위해 싱크(조)로서 역할을 하고, 따라서, 물을 심지어 두 개의 기판들 사이의 에지 영역에서도 유인하고 구속할 수 있어, 박막 태양광 모듈 내의 물 함량을 감소시키기 때문이다.
본 발명에 따른 박막 태양광 모듈의 다른 유리한 실시예에서, 제1 전극층이 투명한 전방 전극층 형태로 이용되고, 제2 전극층이 불투명한 후방 전극층으로 이용된다. 바람직하게는, 특히, 금속 이온인 도펀트에 대해 불침투성인 차단층은 후방 전극층 중 전방 전극층 반대쪽에 배치된 기판과, 후방 전극층 사이에 배치된다. 또한, 이러한 수단을 통해, 박막 태양광 모듈의 장기적인 안정성은 심지어 더 개선될 수 있다.
본 발명은 박막 태양광 모듈의 생산 방법까지 더 확대된다. 본 방법은 두 개의 기판에 두 개 기판들 사이에 배치된 층 구조를 제공하는 단계를 포함한다. 층 구조는 제1 전극층과, 제2 전극층 및 두 개의 전극층들 사이에 배치된 한 개 이상의 반도체 층을 포함하고, 반도체 층은 pn-접합을 형성하고 도펀트로 도핑된다. 본 방법은 두 개의 기판들이 접착층에 의해 열, 진공 및/또는 압력의 작용 하에 결합하는 다른 단계를 포함한다. 이용된 접착층은 도펀트의 반도체 층으로부터 접착층으로의 확산을 방지할 정도의 양으로 반도체 층의 도펀트를 갖는다.
박막 태양광 모듈의 결합은 예컨대, 그 자체로 공지된 적층 방법, 예컨대, 오토클레이브 공정 또는 진공 방법으로 이루어지며, 자세한 설명은 여기에서 필요하지 않다.
본 발명은 상술한 바와 같이, 접착층이 박막 태양광 모듈의 반도체 층에 포함된 도펀트를 도핑된 반도체 층으로부터 접착층으로의 도펀트의 확산을 막을 수 있을 정도의 양으로 갖는 박막 태양광 모듈 내의 접착층의 이용까지 더 확대된다.
게다가, 본 발명은 박막 태양광 모듈 내에서 0.1 내지 4 wt.-% 나트륨 함량인 접착층의 이용까지 더 확대되며, 상술한 바와 같이, 이는 나트륨으로 도핑된 반도체 층, 특히, 나트륨으로 도핑된 Cu(In,Ga)(S,Se)2 층이다. 접착층의 나트륨 함량에 의해, 나트륨으로 도핑된 반도체 층으로부터 접착층으로의 나트륨의 확산이 막아진다.
또한, 본 발명은 상술한 바와 같이, 이오노머, 특히 식 A-B인 공중합체로 A는 무극성 탄화수소 그룹을 나타내고, B는 탄화수소 그룹과 나트륨-바운드 유기산 그룹을 나타내는 것을 포함하는 박막 태양광 모듈 내의 접착층의 이용까지 확대된다. 이러한 식 A-B인 공중합체는 특히, 다음 그룹을 포함할 수 있다. A = -(CH2-CHR1)n 및 B = -((R3-)C(-R2)(-CH2))m이며, R1 = H, CH3, 또는 CH2-CH3, R2 = COONa, -CH2-COONa, SO3Na 또는 -H2CSNa 및 R3= H, CH3 , CH2-CH3 또는 페닐이고, n, m > 10이다. 게다가, 식 A-B인 공중합체는 성분 B를 특히, 5 내지 30 wt.-%, 특히, 10 내지 20 wt.-% 양으로 포함할 수 있다. 게다가, 도펀트에 의해 치환된 이오노머의 산성 양성자의 상대적인 양은, 도펀트와의 교환 전의 산성 양성자의 총량에 기준으로, 특히, 5%보다 작을 수 있다(그러나 0% 초과).
본 발명은 이제 예시적인 실시예를 이용하고 첨부 도면을 참고하여 자세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 박막 태양광 전지의 예시적인 실시예의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 두 개의 직렬로 연결된 박막 태양광 전지를 갖춘 박막 태양광 모듈의 예시적인 실시예의 개략적인 단면도이다.
도 1은 참조 번호 1로 일반적으로 참조되는 박막 태양광 모듈을 도시한다. 박막 태양광 모듈(1)은 집적 형태로 직렬 연결된 복수의 태양광 전지(11)를 포함하며, 단순한 도시를 위해서, 단일 박막 태양광 전지(11)만을 도 1에 도시한다.
이에 따르면, 박막 태양광 모듈(1)은 소위 "기판 구성"에 대응하는 구조를 가지며, 다시 말해, 그것은 전기적 절연을 위한 제1 기판(2)을 갖고, 그 위에 박층으로 만들어진 층 구조(3)가 도포되고, 그 층 구조(3)는 제1 기판(2)의 입사 광선 측 표면(light-incident-side surface; 4) 상에 배치된다. 제1 기판(2)은 예컨대, 여기에서 상대적으로 낮은 광 투과율을 갖는 유리로 제조되며, 수행되는 공정 단계에 대하여 원하는 강도와 비활성 특성(inert behavior)을 갖는 다른 전기 절연 재료를 이용하는 것이 마찬가지로 가능하다.
층 구조(3)는 제1 기판(2)의 표면(4) 상에 배치된 후방 전극층(5)을 포함하고, 이는 예컨대, 몰리브덴(Mo) 같은 불투명 금속으로 제조되고, 예컨대, 제1 기판(2) 상에 기상 증착 또는 자기장 기반 음극 스퍼터링에 의해 도포된다. 후방 전극층(5)은 300 nm 내지 600 nm, 예컨대, 500 nm인 층 두께를 갖는다. 광전지 활성 반도체 층 또는 흡수체 층(6)은 금속 이온으로 도핑된 반도체로 만들어지고, 그것의 밴드 갭은 바람직하게는 태양 광선의 최대 가능 쉐어(share)를 흡수할 수 있으며, 이는 후방 전극층(5) 상에 증착된다. 흡수체 층(6)은 예컨대, 그룹 Cu(In,Ga)(S,Se)2의 화합물의, 특히 나트륨(Na)이 도핑된 Cu(In,Ga)(S,Se)2인 예컨대, P-전도성 황동광 반도체로 만들어진다. 흡수체 층(6)은 예컨대, 1-5 μm 범위의 층 두께를 가지며, 예컨대, ca. 2 μm이다. 도펀트로 기능하는 흡수체 층의 금속 이온을 위한 확산 차단부로서 역할을 하는 차단층(도 1에는 자세히 도시되지 않음)이 후방 전극 층(5)과 흡수체 층(6) 사이에 제공될 수 있다. 차단층은 예컨대, 질화 규소를 포함한다.
완충층(7)(도 1에는 자세히 도시되지 않음)은 여기에서 예컨대, 황화 카드뮴(CdS)으로 된 단층과, 고유한 산화 아연(i-ZnO)으로 된 단층을 포함하고, 흡수체 층(6) 상에 증착된다.
전방 전극층(8)은 예컨대, 기상 증착에 의해 완충층(7) 상에 도포된다. 전방 전극층(8)은 가시 스펙트럼 범위("윈도우 전극")에서 방사선에 투명하며, 이는 입사 태양 광선이 단지 약간만 약화되도록 하기 위한 것이다. 투명 전방 전극층(8)은 예컨대, n-전도성, 알루미늄(Al)이 도핑된 산화 아연(ZnO) 같은 도핑된 금속 산화물에 기반한다. 그러한 전방 전극층(8)은 일반적으로 TCO층(TCO= 투명 전도 산화)으로 언급된다. 전방 전극층(8)을 통해, 완충층(7) 및 흡수체 층(6)과 함께, 이종접합(즉, 대향하는 전도체 타입의 층들의 시퀀스)이 형성된다. 완충층(7)은 흡수체 층(6)의 반도체 재료와, 전방 전극층(8) 재료 사이에 전기적 부가(electronic adaptation)를 수행할 수 있다. 전방 전극층(8)의 층 두께는 예컨대, 약 500 nm이다.
환경적 영향에 대한 보호를 위해, 접착층(9)은 예컨대, 층 구조(3)를 캡슐화하는 역할을 하는 이오노머로 만들어지고 전방 전극층(8) 상에 도포된다.
게다가, 층 구조(3)는 태양 광선에 투명한 제2 기판(10)을 가지며, 예컨대, 이는 저철 함량의 엑스트라 화이트 유리(extra white glass)로 만들어지며, 수행되는 공정 단계에 대하여 원하는 강도와 비활성 특성을 갖는 다른 전기 절연 재료를 이용하는 것이 마찬가지로 가능하다. 제2 기판(10)은 층 구조(3)를 밀폐하는 역할을 한다.
제1 기판(2)과 제2 기판(10)은 접착층(9)에 의해 서로 고정식으로 결합한다. 여기에서, 예컨대, 접착층(9)은 가열에 의해 가소적으로 변형 가능하고, 냉각을 통해 두 개의 기판(2, 10)을 서로 고정식으로 결합시키는 열가소성 접착층이다.
박막 태양광 모듈(1)에서, 접착층(9)은 흡수체 층(6)과 동일하게 금속 이온을 갖고, 이는 거기에서 도펀트로 이용된다. 이러한 목적을 위해, 접착층(9)은 예컨대, 폴리에틸렌 코발트 메타크릴 산 같은 이온 중합체의 소정량을 여기에 포함하며, 그 수소 이온은 적어도 부분적으로 여기에서 도펀트로서 역할을 하는 예컨대, 나트륨 이온인 흡수체 층(6)의 금속 이온에 의해 치환된다. 200 - 1000 ng/cm2 범위의 도펀트로서의 나트륨 이온의 면 밀도를 위해, 구리-인듐/갈륨-이황/디셀레니드(Cu(In,Ga)(S,Se)2) 그룹의 반도체를 포함하는 흡수체 층(6)과 함께, 접착층(9)의 전체 재료에 기초한 접착층(9)에 포함된 나트륨 이온의 상대적인 양은 1 wt.-%부터 2 wt.-%까지의 범위이다. 특히, 나트륨 이온에 의한 치환 전의 산 양성자의 전체 양에 기초한 접착층(9)에 포함된 나트륨 이온의 상대적인 양은 5 % 미만(그러나 0 % 초과)일 수 있으며, 이는 한편으로는, 두 기판(2, 10)의 특히 높은 접착을, 다른 한편으로는, 적절하고 실질적인 나트륨 이온의 흡수층(6)으로부터의 외향 확산의 억제를 획득하기 위한 것이다.
폴리에틸렌 코발트 메타크릴 산의 이용은 산이 긴 비이온 에틸렌 체인을 갖는 이점을 가지며, 이는 접착층(9)의 전기 절연 특성이 이성질체에 의해 단지 약간만 영향을 받도록 하기 위한 것이다.
이와 달리, 접착층(9)이 예컨대, 층 구조(3)로의 도입과 접착층(9)을 형성하기 위한 용융 전에, 나트륨 이온을 그 표면 상에 흡착하기 위해 염화나트륨 조(bath)에서 인출되는 접착막에 의해 형성될 수 있다. 예컨대, 나트륨 이온은 흡수체 층(6)을 향하는 표면 상에만 흡착된다. 흡착층(9) 내의 또는 상의 나트륨 이온의 함량에 의해, 나트륨 이온의 흡수체 층(6)으로부터 접착층(9)으로의 외향 확산은 효과적으로 방지될 수 있다. 나트륨 이온의 접착막 상에의 흡착은 그것이 아주 쉽고 경제적으로 박막 태양광 모듈의 생산에 통합될 수 있기 때문에 공정 기술 이점을 갖는다.
게다가, 접착층(9)은 접착층(9)의 재료가 인접층의 재료, 이 경우에서는 제2 기판(10)과 전방 전극층(8)과 함께 공유 결합될 수 있게 하는 소정 양의 화합물을 포함한다. 예컨대, 알킬 실란 또는 알킬알란 같은 인접층의 재료로 무기 혼성 화합물을 생성할 수 있는 화합물이 접착층(9)의 재료와 혼합된다. 이와 달리, 이러한 화합물로 만들어진 층이 각각의 경우에 접착층(9)과 전방 전극층(8) 또는 제2 기판(10) 사이에 배치되는 것이 또한 고려된다. 이러한 수단에 의해, 박막 태양광 모듈(1)의 장기적인 안정성의 더한 개선이 물 분자가 흡수체 층(6)으로 유입되는 것을 억제함으로써 달성될 수 있다.
도 1에 자세히 도시되지는 않았지만, 두 개의 기판(2, 10) 사이의 주변 에지 갭은 물에 대해 차단부로서 역할을 하는 밀봉 재료, 이 경우에서는 예컨대, 폴리이소부틸렌(PIB)에 의해 밀봉되어, 물 유입을 억제하여 박막 태양광 모듈(1)의 장기적인 안정성을 더 개선한다. 밀봉 재료는 부가적으로 물 분자를 화학적으로 및/또는 물리적으로 구속시키기 위한 적어도 하나의 화합물을 구비한다.
박막 태양광 모듈(1)은 산업의 계열 생산에 의해 쉽고 경제적으로 생산될 수 있는데, 층 구조(3)의 다양한 층은 제1 기판(2)에 증착되고 예컨대, 부유물 제거(drossing) 또는 스크래칭에 의한 레이저 기록(laser writing) 및 기계적 처리와 같은 적절한 구조화 기술을 이용하여 구조화된다. 그러한 구조화는 각각의 태양광 전지를 위한 세 개의 구조화 단계를 통상 포함하며, 이는 여기에 자세히 설명될 필요가 없다.
도 2는 박막 태양광 모듈(1)의 두 개의 박막 태양광 전지(11.1, 11.2)을 도시하며, 이는 서로 직렬로 연결된다. 개별 박막 태양광 전지(11.1, 11.2)로의 분할은 예컨대, 부유물 제거 또는 스크래칭에 의한 레이저 기록 및 기계적 처리와 같은 적절한 구조화 기술을 이용한 절개부(12)에 의해 발생한다. 개별 태양광 전지(11.1, 11.2)는 후방 전극층(5)의 코팅 영역(13)을 통해 서로 직렬로 연결된다.
본 발명에 따른 박막 태양광 모듈(1)은 예컨대, 100개의 직렬로 연결된 박막 태양광 전지와 56 볼트의 개회로 전압을 갖는다. 여기에 묘사된 예에서, 박막 태양광 모듈(1)의 합성 양(+) 및 합성 음 전원 연결(-) 모두 후방 전극층(5)을 통해 유도되고, 전기적 접촉이 그곳에 만들어진다.
본 발명은 장기적인 안정성이 개선된 박막 태양광 모듈을 가능하게 하며, 노화와 관련된 흡수체 층(6)의 저하로 인한 비가역적인 전원 출력 손실을 방지할 수 있다. 이것은 한편으로는, 흡수체 층(6) 외부로 이동성 이온의 이동이 적어도 크게 방지된다는 사실에 의해 달성될 수 있으며, 이는 접착층(9)이 이동성 이온에 대해 조(sink)로서 역할을 하지 않도록 이동성 이온으로 포화되기 때문이다. 다른 한편으로는, 박막 태양광 모듈(1) 내의 물의 존재에 의해 촉진되는 흡수체 층(6)의 가수분해가 방지될 수 있다. 따라서, 구조화 트렌치(trenches) 내의 가수분해 생성물이 불리한 전기 저항 결과를 가져오는 것을 막는다. 게다가, 태양광 전지의 증가하는 병렬 전기적 저항으로부터 수분을 막는 것이 가능하다.
출원인의 노화 시험이 입증하였듯이, 나트륨으로 도핑된 (Cu(In,Ga)(S,Se)2) 박막 태양광 전지의 효율에서의 통상적인 손실이 확인된 수단에 의해 명백히 감소한다.
표 1에서 볼 수 있듯이, 세 개의 다른 접착층을 갖춘 나트륨으로 도핑된 (Cu(In,Ga)(S,Se)2) 박막 태양광 모듈이 조사된다. 시험에서, 박막 태양광 모듈의 효율의 손실은 당해 기술 분야의 숙련자에게 공지된 건열 노화 시험을 이용하여 측정된다. 건열 노화 시험은 85 ℃의 온도 및 <25 %의 상대 습도에서 5000 h(시간) 이상의 기간 동안 수행된다. 접착층의 나트륨 함량과 아연 함량은 x 레이 형광 분석법에 의해 확인된다. 표 1에서 0 wt.-%의 나트륨 함량 또는 아연 함량은 접착층의 중량에 기초했을 때 x 레이 형광 분석법에서 탐지 가능한 <100 ppm 미만의 양을 나타낸다.
접착층 재료 나트륨/wt.-% 아연/wt.-% 건열 노화 시험 이후의 효율 소실
막 1 이오노머 1.5 0 4 %
막 2(비교예) PVB 0 0 10 %
막 3(비교예) 이오노머 0 0.7 40 %
이에 따라, 건열 노화 시험 후에 나트륨 함량 0 wt.-% 및 아연 함량 0 wt.-%인 막 2는 10 %의 박막 태양광 모듈의 효율 손실을 보였다. 아연 함량 0.7 wt.-%인 막 3은 40 %의 손실을 보였다. 본 발명에 따라 이용된 나트륨 함량 1.5 wt.-% 및 아연 함량 0 wt.-%의 막 1은 놀랍게도 단지 4 %의 손실을 보였다. 이러한 결과는 예측되지 않으며 당해 기술 분야의 숙련자에게 놀라운 것이다.
(1): 박막 태양광 모듈
(2): 제1 기판
(3): 층 구조
(4): 표면
(5): 후방 전극층
(6): 흡수체 층
(7): 완충층
(8): 전방 전극층
(9): 접착층
(10): 제2 기판
(11, 11.1, 11.2): 박막 태양광 모듈
(12): 분할부
(13): 층 영역

Claims (17)

  1. 광전지 에너지 생산을 위한 복수의 직렬로 연결된 박막 태양광 전지(11)를 갖는 박막 태양광 모듈(1)이며,
    접착층(9)에 의해 서로 결합하는 두 개의 기판(2, 10)을 포함하며,
    각각의 태양광 전지(11)는, 두 개의 기판(2, 10) 사이에 배치되고 제1 전극층(8)과, 제2 전극 층(5) 및 두 개의 전극층(5, 8) 사이에 배치되는 하나 이상의 반도체 층(6)을 포함하는 층 구조(3)를 갖고,
    상기 반도체 층(6)은 pn-접합을 형성하고 도펀트로 도핑되며,
    접착층(9)은 반도체 층(6)으로부터 접착층(9)으로 도펀트가 확산되는 것을 방지할 정도의 양으로 도펀트를 갖는 박막 태양광 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 반도체층(6)이 황동광 화합물, 특히 (Cu(In,Ga)(S,Se)2)을 포함하는 박막 태양광 모듈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 반도체층(6)이 도펀트로서 나트륨 이온, 칼륨 이온 또는 리튬 이온을 포함하는 박막 태양광 모듈.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 접착층(9)이 도펀트를 0.1 내지 4 wt.-%, 특히, 0.5 내지 2 wt.-%의 양으로 포함하는 박막 태양광 모듈.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 접착층(9)이 도펀트를 이온적으로 구속하는 화합물로 만들어지거나 그러한 화합물을 포함하는 박막 태양광 모듈.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 접착층(9)이 이오노머, 특히 식 A-B의 공중합체(여기서, A는 무극성 탄화수소 그룹을 나타내고, B는 나트륨 결합 산 그룹을 갖는 탄화수소 그룹을 나타냄)를 포함하는 박막 태양광 모듈.
  7. 제6항에 있어서, 식 A-B의 공중합체가
    A = -(CH2-CHR1)n 및 B = -((R3-)C(-R2)(-CH2))m
    [여기서, R1 = H, CH3, 또는 CH2-CH3,
    R2 = COONa, -CH2-COONa, SO3Na 또는 -H2CSNa
    R3= H, CH3 , CH2-CH3 또는 페닐
    (n, m > 10)]
    을 포함하는 박막 태양광 모듈.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 식 A-B의 공중합체가 5 내지 30 wt.-%, 특히 10 내지 20 wt.-% 양의 성분 B를 포함하는 박막 태양광 모듈.
  9. 제6항 내지 제8항에 있어서, 도펀트로의 치환 전 산 양성자의 총량을 기준으로 도펀트에 의해 치환된 이오노머의 산 양성자의 상대적인 양이 5 %보다 작은 박막 태양광 모듈.
  10. 제1항 내지 제9항에 있어서, 도펀트가 반도체층(6)을 향하는 접착층(9)의 적어도 한 표면상에 흡착되는 박막 태양광 모듈.
  11. 제1항 내지 제10항에 있어서, 접착층(9)이 0.1 %보다 작은 물 함유량을 갖는 박막 태양광 모듈.
  12. 제1항 내지 제11항에 있어서, 두 개의 기판(2, 10) 사이의 주변 에지 갭이 물에 대해 차단부로서 역할을 하는 밀봉 재료로 밀봉되는 박막 태양광 모듈.
  13. 제12항에 있어서, 밀봉 재료가 화학적으로 및/또는 물리적으로 물을 구속할 수 있도록 실시되는 박막 태양광 모듈.
  14. 제1항 내지 제13항에 있어서, 제1 전극층이 투명한 전방 전극층(8)이고, 제2 전극층이 불투명한 후방 전극층(5)이며, 도펀트에 대해 불침투성인 차단층은 후방 전극층 중 전방 전극층 반대쪽에 배치되는 기판(2)과, 후방 전극층(5) 사이에 배치되는 박막 태양광 모듈.
  15. 제1항 내지 제14항에 따른 박막 태양광 모듈(1)의 생산 방법이며,
    두 개의 기판(2, 10)에, 두 개의 기판들(2, 10) 사이에 배치되고 제1 전극층(8)과, 제2 전극층(5)과, 두 개의 전극층들(5, 8) 사이에 배치되는 한 개 이상의 반도체층(6)을 포함하는 층 구조(3)를 제공하되, 상기 반도체 층(6)은 pn-접합을 형성하고 도펀트로 도핑되며,
    열, 진공 및/또는 압력의 작용 하에서 두 개의 기판을 접착층(9)으로 결합하는 것을 포함하며,
    접착층(9)은 반도체 층(6)으로부터 접착층(9)으로 도펀트가 확산하는 것을 방지할 정도의 양으로 반도체 층(6)의 도펀트를 갖는 박막 태양광 모듈의 생산 방법.
  16. 제1항 내지 제14항에 따른 박막 태양광 모듈(1) 내에서의 접착층(9)의 이용이며,
    접착층(9)이 도핑된 반도체 층(6)으로부터 접착층(9)으로 도펀트의 확산을 방지할 정도의 양으로 도펀트를 갖는 박막 태양광 모듈 내에서의 접착층의 이용.
  17. 나트륨으로 도핑된 반도체 층(6)으로부터, 특히 나트륨으로 도핑된 Cu(In,Ga)(S,Se)2층으로부터 접착층(9)으로 나트륨이 확산되는 것을 방지하기 위해 제1항 내지 제14항에 따른 박막 태양광 모듈(1) 내에서 0.1 내지 4 wt.-%의 나트륨 함량을 갖는 접착층(9)의 이용.
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