KR20140147831A - 박막 태양광 모듈의 제조 방법 및 상기 제조 방법에 따라서 획득될 수 있는 박막 태양광 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광전 박막 태양광 모듈들을 제조하기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 방법은 - 기판 상에 후면 전극 층을 도포하는 단계와, - 하나 이상의 전도성 배리어 층을 도포하는 단계와, - 하나 이상의 접촉층을 도포하는 단계와, - 하나 이상의 케스테라이트 또는 황동광 반도체 흡수층을 도포하는 단계와, - 하나 이상의 완충층을 도포하는 단계와, - 레이저 처리를 이용하여 도포된 층들을 제거하여 제 1 분리 트렌치들을 형성하는 단계와, - 하나 이상의 절연 재료로 제 1 분리 트렌치들을 충진하는 단계와, - 배리어 층으로부터 반도체 흡수층의 방향으로 연장되는 층들을 제거하여 제 2 분리 트렌치들을 형성하는 단계, 또는 배리어 층으로부터 반도체 흡수층의 방향으로 연장되는 층들을 화학적 위상 변환하거나, 또는 열분해하여 제 1 선형 전도성 영역들을 형성하는 단계와, - 하나 이상의 투명한 전면 전극 층을 도포하여 제 2 분리 트렌치들을 충진 및 접촉시키거나 또는 제 1 선형 전도성 영역들을 접촉시키며, 그럼으로써 인접한 태양 전지들이 직렬 연결되게 하는 단계와, - 배리어 층으로부터 전면 전극 층의 방향으로 연장되는 층들을 제거하여 제 3 분리 트렌치들을 형성하는 단계를 포함한다. 또한, 본 발명은 본 발명에 따르는 방법에 따라서 획득되는 광전 박막 태양광 모듈들에도 관한 것이다.
Description
본 발명은 광전 박막 태양광 모듈들을 제조하기 위한 방법 및 이 제조 방법에 따라서 획득될 수 있는 박막 태양광 모듈들에 관한 것이다.
광전 박막 태양광 모듈들은 오래전부터 공지되었고 상업적으로도 구입 가능하다. 이러한 모듈들은 일반적으로 소위 황동광 반도체 흡수층, 예컨대 Cu(In,Ga)(Se,S) 시스템의 이용을 기반으로 하며 복잡한 다층 시스템을 형성한다. 이러한 박막 태양광 모듈들의 제조는, 수많은 상호 작용으로 인해 각각의 방법 단계가 주의 깊게 후속하는 방법 단계들에 부합하게 수행되어야 하는 다단계 공정이다. 설비의 기술에 따라서, 종종, 모듈 포맷이 1.2m x 0.5m의 크기를 초과하는 박막 태양광 모듈들은 대량으로 제조할 수 없거나, 또는 매우 어렵게만 제조할 수 있다. 또한, 지금까지는, 개별 제조 단계들에서 적용할 온도들 및 반응 조건들에서, 다층 시스템의 개별 층들의 성분들, 도펀트들 또는 불순물들의 오염 또는 내부 확산이 배제되지 못하고 있다.
본 발명의 과제는 종래 기술의 단점들을 나타내지 않으면서, 특히 보다 적은 공정 단계들로 처리될 수 있으며, 그럼에도 종래 기술의 방법으로부터 공지된 것처럼 예컨대 모듈 포맷과 관련한 제한들에 노출되지 않는, 광전 박막 태양광 모듈의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따라, 광전 박막 태양광 모듈의 제조 방법으로서,
- 특히 평면인 기판을 제공하는 단계와,
- 기판 상에 하나 이상의 후면 전극 층을 도포하는 단계와,
- 하나 이상의 전도성 배리어 층을 도포하는 단계와,
- 하나 이상의, 특히 저항 접촉층을 도포하는 단계와,
- 하나 이상의, 특히 케스테라이트 또는 황동광 반도체 흡수층을 도포하는 단계와,
- 경우에 따라서 하나 이상의 제 1 완충층을 도포하는 단계와,
- 경우에 따라서 하나 이상의 제 2 완충층을 도포하는 단계와,
- 레이저 처리(제 1 레이저 처리)를 이용하여 상호 간에 이격된 라인들을 따라서 도포된 층들을 제거하여 인접한 태양 전지들을 분리하는 제 1 분리 트렌치들을 형성하는 제 1 구조화 단계와,
- 하나 이상의 절연 재료로 제 1 분리 트렌치들을 충진하는 단계와,
- 제 2 구조화 단계로서,
-- 상호 간에 이격된 라인들을 따라서, 배리어 층으로부터 반도체 흡수층 또는 완충층(들)의 방향으로 연장되는 층들을 제거하여, 대응하는 제 1 분리 트렌치들에 인접하거나, 또는 이들의 경계에 접하는, 특히 이들에 대해 평행하게 연장되는 제 2 분리 트렌치들을 형성하는 단계,
또는
-- 상호 간에 이격된 라인들을 따라서, 배리어 층으로부터 반도체 흡수층 또는 완충층(들)의 방향으로 연장되는 층들을 화학적 위상 변환하거나, 또는 열분해하여, 제 1 선형 전도성 영역들을 형성하는 단계를 포함하는
상기 제 2 구조화 단계와,
- 하나 이상의 투명한 전면 전극 층을 도포하여 제 2 분리 트렌치들을 충진 및 접촉시키거나 또는 제 1 선형 전도성 영역들을 접촉시키며, 그럼으로써 인접한 태양 전지들이 직렬 연결되게 하는 단계와,
- 상호 간에 이격된 라인들을 따라서, 배리어 층으로부터 하나 이상의 전면 전극 층의 방향으로 연장되는 층들을 제거하여, 대응하는 제 2 분리 트렌치들에 인접하거나, 또는 이들의 경계에 접하는, 특히 이들에 대해 평행하게 연장되는 제 3 분리 트렌치들을 형성하는 단계를 포함하는 하나 이상의 제 3 구조화 단계를 포함하는 광전 박막 태양광 모듈들의 제조 방법이 제공된다.
바람직하게는, 기판이 적어도 부분적으로 제 1 레이저 처리의 전자기 방사선에 대해 투과성이다. 적합한 기판들은 예컨대 유리판들과 같은 유리 기판들을 포함한다. 대안으로서, 가요성 및 비가요성 플라스틱 층들, 예컨대 플라스틱 필름들, 또는 특수강 층들 또는 필름들도 사용될 수 있다.
본 발명에 따르는 방법의 적합한 구현예에서, 후면 전극은 텅스텐, 크롬, 탄탈, 니오븀, 바나듐, 망간, 티타늄, 지르코늄, 코발트 및/또는 몰리브덴을, 바람직하게는 텅스텐, 티타늄 및/또는 몰리브덴을 함유하거나 또는 실질적으로 상기 원소들로 형성되거나, 또는 텅스텐, 크롬, 탄탈, 니오븀, 바나듐, 망간, 티타늄, 지르코늄, 코발트, 철, 니켈, 알루미늄 및/또는 몰리브덴을 함유하는 합금을 함유하거나 또는 실질적으로 상기 합금으로 형성된다. 본 발명의 의미에서 후면 전극은 벌크 후면 전극이라고도 하고, 벌크 후면 전극, 배리어 층 및 접촉층으로 이루어진 시스템은 다층 후면 전극이라 할 수 있다. 이 경우, 바람직한 구현예에서, 벌크 후면 전극 및 접촉층은 몰리브덴 또는 텅스텐 또는 몰리브덴 합금 또는 텅스텐 합금을, 특히 몰리브덴 또는 몰리브덴 합금을 함유할 수 있거나, 또는 실질적으로 몰리브덴 또는 텅스텐 또는 몰리브덴 합금 또는 텅스텐 합금으로, 특히 몰리브덴 또는 몰리브덴 합금으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따르는 방법의 경우, 특히 전도성 배리어 층이 양 방향으로 작용하는 배리어 층을 형성하며, 특히 후면 전극 층으로부터 및/또는 이를 통해 이동하는, 특히 확산되거나 확산될 수 있는 성분들, 특히 도펀트들을 위한, 그리고 접촉층으로부터 및/또는 이를 통해, 특히 반도체 흡수층으로부터 확산되거나 확산될 수 있는 성분들, 특히 도펀트들을 위한 배리어를 형성하는, 구현예들도 적용된다. 이 경우, 특히 배리어 층은 알칼리 이온들, 특히 나트륨 이온들, 셀레늄 또는 셀레늄 화합물들, 황 또는 황 화합물들, 및/또는 금속들, 특히 철, 니켈, 및/또는 반도체 흡수층의 금속들에 대한, 예컨대 Cu, In, Ga, Fe, Ni, Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta 및/또는 W에 대한 배리어를 형성한다. 바람직하게는 배리어 층은 하나 이상의 금속 질화물, 하나 이상의 금속 실리콘 질화물, 하나 이상의 금속 탄화물, 및/또는 하나 이상의 금속 붕소화물을 함유하거나 또는 실질적으로 상기 물질들로 형성된다. 바람직하게는, 금속 질화물들, 금속 실리콘 질화물들, 금속 탄화물들, 및/또는 금속 붕소화물들의 금속은 티타늄, 몰리브덴, 탄탈, 지르코늄 또는 텅스텐이다. 특히 바람직하게는 배리어 층은 TiN, TiSiN, MoN, TaSiN, MoSiN, TaN, WN, ZrN 및/또는 WSiN을 함유하거나 또는 실질적으로 상기 물질들로 형성된다.
전도성 배리어 층은, 양 방향으로 작용하는 배리어 층으로서, 후면 전극 층으로부터 및/또는 이를 통해 이동하는, 특히 확산되거나 확산될 수 있는 성분, 특히 도펀트들을 위한, 그리고 접촉층으로부터 및/또는 이를 통해, 특히 반도체 흡수층으로부터 확산되거나 확산될 수 있는 성분, 특히 도펀트들을 위한 배리어를 형성한다. 배리어 층이 주어진 상황으로 인해, 예컨대 벌크 후면 전극 재료의 순도를 현저히 감소시키는 것이 가능하다. 예컨대 벌크 후면 전극 층은 Fe, Ni, Al, Cr, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, W 및/또는 Na로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 원소로, 및/또는 상기 원소들의 화합물들로 불순물 첨가될 수 있으면서도, 본 발명에 따르는 후면 전극을 포함하는 박막 태양 전지 또는 모듈의 효율은 지속적으로 저하되지 않는다.
이러한 금속 질화물들은 바람직하게 본 발명의 의미에서 배리어 재료로서, 예컨대 금속이 질소와 관련해서 화학량론적으로 또는 과화학량론적으로, 즉 과량의 질소로 증착되는 TiN이다.
본 발명에 따르는 다층 후면 전극들과 함께 배리어 층의 사용의 추가 장점은 박막 태양 전지들 및 모듈들에 사용할 때, 반도체 흡수층, 예컨대 황동광층 또는 케스테라이트층의 두께가 종래의 시스템에 비해 현저하게 감소될 수 있다는 것이다. 왜냐하면, 특히 금속 질화물들, 예컨대 티타늄 질화물의 형태로 존재하거나 또는 상기 금속 또는 티타늄 질화물들을 함유하여 존재하는 배리어 층을 통해, 반도체 흡수층을 통과하는 태양광이 매우 효과적으로 반사됨으로써, 반도체 흡수층을 이중으로 통과하는 중에 매우 우수한 양자 수율이 달성되기 때문이다. 본 발명에 따르는 후면 전극 내에, 또는 상기 후면 전극을 포함하는 박막 태양 전지들 또는 모듈들 내에 전술한 배리어 층이 존재함으로써, 반도체 흡수층의 평균 두께는 예컨대 0.4㎛ 내지 1.5㎛의 범위 내 값들로, 예컨대 0.5㎛ 내지 1.2㎛의 범위 내 값들로 감소될 수 있다.
본 발명에 따르는 후면 전극의 배리어 층은, 특히 바람직한 구현예에서, 도펀트들에 대해, 특히 반도체 흡수층을 위한 및/또는 반도체 흡수층에서 발생하는 도펀트들에 대해, 셀레늄 및/또는 황과 같은 칼코겐들 및 칼코겐 화합물들에 대해, Cu, In, Ga, Sn 및/또는 Zn과 같은 반도체 흡수층의 금속 구성성분들에 대해, 벌크 후면 전극 층에서 발생하는 철 및/또는 니켈과 같은 불순물들에 대해, 및/또는 기판에서 발생하는 성분들 및/또는 불순물들에 대해 배리어 특성들, 특히 양 방향성 배리어 특성들을 갖는다. 기판에서 발생하는 도펀트들에 대한 양 방향성 배리어 특성들은, 한편으로, 예컨대 유리 기판으로부터 외방 확산되는 방식으로, 알칼리 이온들을 포함하는 반도체 흡수층에 대한 후면 전극 또는 접촉층의 경계면에서의 농축(enrichment)을 방지해야 한다. 이러한 농축은 반도체 층 분리에 대한 이유로서 알려져 있다. 그에 따라 전도성 배리어 층은 접착 문제를 방지하도록 도와야 한다. 다른 한편으로, 도펀트들에 대한 배리어 특성은, 반도체 흡수체로부터 외방 확산될 수 있거나 외방 확산되는 방식으로, 도펀트가 상기 방식으로 벌크 후면 전극 상으로 소실되고 그에 따라 반도체 흡수체의 도펀트가 결핍되는 것을 방지해야 한다. 상기 결핍은 태양 전지 또는 태양광 모듈의 효율을 현저히 감소시킬 수 있다. 왜냐하면, 예컨대 몰리브덴 후면 전극들은 나트륨 도펀트의 상당한 양을 흡수할 수 있다고 알려져 있기 때문이다. 그에 따라, 양 방향 전도성 배리어 층은, 태양 전지들 및 모듈들의 높은 효율을 재현 가능하게 달성할 수 있도록 하기 위해, 반도체 흡수층 내로 도펀트의 목표하는 도핑을 위한 전제 조건들을 가능하게 해야 한다.
칼코겐들에 대한 배리어 특성은, 칼코겐들이 후면 전극에 도달하여 이 후면 전극에서 금속 칼코겐화 화합물들을 형성하는 것을 방지해야 한다. 주지하다시피, 상기 칼코겐화 화합물들, 예컨대 MoSe는 후면 전극의 표면 근처 층의 상당한 부피 증가에 기여하며, 이는 다시 층 구조 내의 비평면성 및 접착성 저하를 초래한다. Fe 및 Ni와 같은 벌크 후면 전극 재료의 불순물들은 예컨대 황동광 반도체에 대한 소위 깊은 결함(반도체 포이즌; semiconductor poison)을 형성하며, 그에 따라 배리어 층을 통해 반도체 흡수층으로부터 이격되어야 한다.
바람직한 구현예에서, 배리어 층은 통상, 최소 10㎚, 특히 최소 30㎚와 바람직하게는 최대 250㎚ 또는 150㎚의 평균 두께를 갖는다.
접촉층은 바람직하게는 기판으로 향해 있는 면 상에서 배리어 층의 경계에 직접 접하고, 및/또는 전면 전극으로 향해 있는 면 상에서는 반도체 흡수층의 경계에 직접 접한다. 적합한 방식으로, 접촉층은 하나 이상의 금속 칼코겐화물을 함유한다. 바람직하게는, 금속 칼코겐화물의 금속은 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈, 코발트, 지르코늄 및/또는 니오븀으로 구성되는 군에서 선택되고, 및/또는 칼코겐은 셀레늄 및/또는 황으로 구성되는 군에서 선택된다. 이 경우, 본 발명에 따르는 방법의 바람직한 구현예에 따라서, 접촉층은, 몰리브덴, 탄탈, 지르코늄, 코발트, 니오븀 및/또는 텅스텐, 및/또는 금속 = Mo, W, Ta, Zr, Co 또는 Nb인 조건의 금속 셀렌화물, 금속 황화물 및/또는 금속 설포셀렌화물에서 선택되는, 특히 x가 0 내지 1의 임의의 값들을 갖는 조건에서, MoSe2, WSe2, TaSe2, NbSe2, Mo(Se1 -x,Sx)2, W(Se1 -x,Sx)2, Ta(Se1 -x,Sx)2 및/또는 Nb(Se1 -x,Sx)2의 군에서 선택되는 하나 이상의 금속 칼코겐화물을 함유하거나, 또는 실질적으로 상기 원소들 및/또는 상기 물질로 형성된다.
특히 바람직한 결과는, 접촉층이 박막 태양 전지의 반도체 흡수층을 위한 하나 이상의 도펀트를 함유하는 방법 변형예에서 나타난다. 도펀트는 바람직하게는 나트륨, 칼륨, 및 리튬의 군에서, 및/또는 바람직하게는 산소, 셀레늄, 황, 붕소 및/또는 할로겐, 예컨대 요오드 또는 불소를 함유하는 상기 원소들의 하나 이상의 화합물에서, 및/또는 바람직하게는 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈 및/또는 니오븀에서 선택되는 금속을 함유하는 하나 이상의 알칼리 금속 청동, 특히 나트륨 청동 및/또는 칼륨 청동에서 선택된다.
또한, 접촉층은 통상적으로 최소 5㎚ 그리고 바람직하게는 150㎚ 미만, 특히 바람직하게는 50㎚ 미만의 평균 두께를 보유한다.
그 밖에도, 더욱 바람직하게는, 반도체 흡수층은 4원 IB-IIIA-VIA 황동광층, 특히 Cu(In,Ga)Se2-층, 5원 IB-IIIA-VIA 황동광층, 특히 Cu(In,Ga)(Se1 -x,Sx)2-층, 또는 케스테라이트층, 특히 Cu2ZnSn(Sex,S1 -x)4-층, 예컨대 Cu2ZnSn(Se)4- 또는 Cu2ZnSn(S)4-층이거나 포함하고, x는 0 내지 1의 임의의 값들을 갖는다. 케스테라이트층들은 일반적으로 IB-IIA-IVA-VIA 구조를 기초로 한다. 예시로는 Cu2ZnSnSe4 및 Cu2ZnSnS4를 들 수 있다. 이 경우, 한 방법 변형예에서, 접촉층 상에 케스테라이트 또는 황동광 반도체 흡수층을 도포하는 것을 통해, 접촉층 내에 존재하는 금속들, 또는 상기 접촉층을 형성하는 금속들은 완전하게, 또는 부분적으로 금속 셀렌화물들, 금속 황화물들, 및/또는 금속 설포셀렌화물들로 변환된다.
또한, 본 발명에 따르는 방법은, 접촉층이 하나 이상의 금속 층과 하나 이상의 금속 칼코겐화물 층으로 이루어진 층 시퀀스를 포함하고, 금속 층은 후면 전극 층 또는 전도성 배리어 층에 접촉하거나 또는 그 경계에 접하며, 금속 칼코겐화물 층은 반도체 흡수층에 접촉하거나 또는 그 경계에 접하는 방식으로 실시될 수 있다. 또한, 금속 층의 금속과 금속 칼코겐화물 층의 금속이 서로 일치하며, 특히 몰리브덴 및/또는 텅스텐인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르는 방법의 추가 구현예에 따라서, 배리어 층 상에, 예컨대 몰리브덴, 탄탈, 지르코늄, 코발트, 텅스텐 및/또는 니오븀으로 이루어진 하나 이상의 제 1 금속 층이 도포되고, 상기 제 1 금속 층은 반도체 흡수층, 특히 케스테라이트 또는 황동광 반도체 흡수층의 제조 동안 셀레늄 및/또는 황을 함유한 분위기(atmosphere)에서 접촉층을 형성하면서 부분적으로 금속 칼코겐화물 층으로 변환된다.
또한, 본 발명에 따르는 방법의 추가 구현예에 따라서, 배리어 층 상에, 몰리브덴, 탄탈, 텅스텐, 코발트, 지르코늄 및/또는 니오븀으로 이루어진 하나 이상의 제 1 금속 층이 도포되고, 상기 제 1 금속 층은 반도체 흡수층, 특히 케스테라이트 또는 황동광 반도체 흡수층의 제조 동안 셀레늄 및/또는 황을 함유한 분위기에서 접촉층을 형성하면서 완전하게 금속 칼코겐화물 층으로 변환된다.
본 발명에 따르는 방법의 경우, 적합한 구현예에서, 반도체 흡수층, 특히 케스테라이트 또는 황동광 반도체 흡수층을 도포하는 단계는, 접촉층 상에, 반도체 흡수층의 특히 모든 금속 성분, 특히 황동광 반도체 흡수층을 위한 구리, 인듐 및 경우에 따라서는 갈륨과 케스테라이트 반도체 흡수층을 위한 구리, 아연 및 주석을 증착하여, 제 2 금속 층을 형성하는 단계와, 바람직하게는 300℃를 상회하는, 특히 350℃를 상회하는 온도에서, 셀레늄 및/또는 셀레늄 화합물 및 경우에 따라서는 황 및/또는 황 화합물로 상기 제 2 금속 층을 처리하는 단계를 포함한다.
이 경우, 특히 코팅된 기판은 셀레늄 및/또는 셀레늄 화합물 및 경우에 따라서는 황 및/또는 황 화합물로 제 2 금속 층, 특히 구리/인듐 또는 구리/인듐/갈륨 금속 층 또는 구리/아연/주석 금속 층을 처리하기 전에 복수의 개별 모듈로 분리될 수 있으며, 특히 절단될 수 있다.
제 1 및/또는 제 2 금속 층은 바람직하게는, 특히 각각 바람직하게는 고진공 조건에서 물리적 증기 증착(PVD) 코팅, 전자 빔 증착기를 이용한 증착, 저항 증착기를 이용한 증착, 유도 증착, ARC 증착 및/또는 캐소드 스퍼터링(스퍼터 코팅), 특히 DC 또는 RF 마그네트론 스퍼터링을 포함하는 물리적 기상 증착에 의해, 또는 특히 화학적 증기 증착(CVD), 저압(low pressure) CVD 및/또는 대기압(atmospheric pressure) CVD를 포함하는 화학적 기상 증착에 의해 수득된다.
또한, 후면 전극 층, 전도성 배리어 층, 접촉층, 및 반도체 흡수층의 금속들, 특히 황동광 반도체 흡수층의 형성을 위한 Cu-, In-, 및 Ga-층들, 또는 케스테라이트 반도체 흡수층의 형성을 위한 Cu-, Zn-, 및 Sn-층들의 도포는 특히 단일의 진공 코팅 설비 내에서 바람직하게는 연속 스퍼터링 방법으로 수행되는, 방법 변형예가 바람직하다.
제 1 완충층은 건식 화학 증착될 뿐 아니라 습식 화학 증착될 수도 있다. 이 경우, 제 1 완충층은 CdS 또는 무-CdS 층을 포함하거나 또는 실질적으로 그로 형성될 수 있고, 특히 Zn(S,OH) 또는 In2S3을 함유하거나 또는 실질적으로 그로 형성될 수 있다. 제 2 완충층은 바람직하게는 진성 전도성 아연 산화물 및/또는 고저항 아연 산화물을 포함하거나 또는 실질적으로 그로 형성된다.
전면 전극을 위해 사용되는 재료는 전자기 방사선에 대해, 특히 반도체의 흡수 파장 범위의 파장을 갖는 방사선에 대해 바람직하게는 투과성이다. 광전 박막 태양 전지들 및 그 애플리케이션을 위한 적합한 전면 전극 재료들은 당업자에게 공지되어 있다. 일 실시예에서, 전면 전극은 n 도핑된 아연 산화물을 함유하거나 또는 실질적으로 그로 형성된다.
더욱 바람직하게는, 본 발명에 따르는 방법에서, 제 1 레이저 처리, 제 2 레이저 처리 및/또는 제 3 레이저 처리는 10나노초 미만, 특히 100피코초 미만의 펄스 지속 시간을 갖는 레이저 광 펄스로 수행된다. 이 경우, 제 2 레이저 처리는 바람직한 구현예에서 완충층을 향한 면에서부터 실행될 수 있다.
적합한 구현예에서, 제 2 및/또는 제 3 구조화 단계에서, 제 2 또는 제 3 분리 트렌치들은, 레이저 처리에 의해, 배리어 층으로부터 반도체 흡수층 또는 완충층(들)의 방향으로 연장되는 층들의 화학적 위상 변환을 통해, 특히 열분해를 통해 제조된다. 특히 레이저 제거(laser ablation)를 통한 제 1 구조화 단계의 레이저 처리는 바람직하게는 기판의 코팅된 면의 반대 방향으로 향해 있는 면에서부터 수행된다. 일 실시예에서, 제 3 구조화 단계에서 제 3 분리 트렌치들의 형성은 기계적 구조화, 특히 니들 스크래칭에 의해, 및/또는 제 3 레이저 처리에 의해 수행될 수 있다.
실용적인 구현예에서, 하나 이상의 제 2 분리 트렌치, 특히 모든 제 2 분리 트렌치는 상호 간에 이격되고 각각의 충진된 제 1 분리 트렌치에 인접하여 존재한다. 또한, 하나 이상의 제 3 분리 트렌치, 특히 모든 제 3 분리 트렌치는 각각 대응하는 충진된 제 2 분리 트렌치 또는 제 1 선형 전도성 영역에 의해 각각 대응하는 충진된 제 1 분리 트렌치로부터 분리된다.
또한, 본 발명에 따른 방법에 따라서, 제 1, 제 2 및 제 3 구조화 단계는 태양 전지들의 모놀리식 집적화된 직렬 연결을 달성하거나 또는 그에 기여하며, 특히 라인을 형성하거나 또는 분리 트렌치들을 형성하는 가공 처리 단계들로서 형성된다.
그 밖에도, 제 1, 제 2 및/또는 제 3 분리 트렌치들은 추가 구현예에서 30㎛ 미만, 바람직하게는 15㎛ 미만의 평균 폭을 갖는다.
본 발명에 따르는 방법에서 이용되는 기판은 바람직하게는 0.5m를 상회하는, 특히 2m를 상회하는, 특히 바람직하게는 3m를 상회하는 폭과, 1.2m를 상회하는, 특히 3m를 상회하는, 특히 바람직하게는 5m를 상회하는 길이를 갖는 플레이트 또는 필름, 특히 유리판이다. 더욱이 예컨대 3.2m의 폭과 6m의 길이를 갖는 기판 포맷들, 특히 기판 유리 포맷들이 사용될 수 있다. 이로부터는 예컨대 1.6m x 0.7m 모듈 포맷의 16개의 박막 태양광 모듈이 획득된다.
그 밖에도, 본 발명에 기초가 되는 과제는, 본 발명에 따르는 방법에 따라서 획득될 수 있는 광전 박막 태양광 모듈에 의해 해결된다.
본 발명에 따른 방법에 따라서 획득되는 광전 박막 태양광 모듈들은, 기재된 순서대로, 바람직하게는 하나 이상의 기판 층과, 하나 이상의 후면 전극 층과, 하나 이상의 전도성 배리어 층과, 하나 이상의, 특히 저항 접촉층과, 하나 이상의, 특히 접촉층에 직접 접촉하는 반도체 흡수층, 특히 황동광 또는 케스테라이트 반도체 흡수층과, 하나 이상의 전면 전극을 포함한다.
이 경우, 특히 반도체 흡수층과 전면 전극 사이에, 하나 이상의 완충층, 특히 CdS 또는 무-CdS 층을 함유하거나 또는 실질적으로 그로 형성되는, 특히 Zn(S,OH) 또는 In2S3을 함유하거나 또는 실질적으로 그로 형성되는 하나 이상의 층(제 1 완충층), 및/또는 진성 아연 산화물 및/또는 고저항 아연 산화물을 함유하고 실질적으로 그로 형성되는 하나 이상의 층(제 2 완충층)이 존재할 수 있다.
반도체 흡수층이 4원 IB-IIIA-VIA 황동광층, 특히 Cu(In,Ga)Se2-층, 5원 IB-IIIA-VIA 황동광층, 특히 Cu(In,Ga)(Se1 -x,Sx)2-층, 또는 케스테라이트층, 특히 Cu2ZnSn(Sex,S1-x)4-층, 예컨대 Cu2ZnSn(Se)4- 또는 Cu2ZnSn(S)4-층이거나 포함하고, x는 0 내지 1의 임의의 값들을 갖는, 본 발명에 따른 박막 태양광 모듈들이 특히 바람직하다.
본 발명에 따르는 박막 태양광 모듈의 바람직한 구현예에 따라서, 접촉층은 하나 이상의 금속 층과 하나 이상의 금속 칼코겐화물 층을 포함하고, 금속 층은 후면 전극에 인접하거나 그의 경계에 접하거나, 또는 배리어 층에 인접하거나 그의 경계에 접하며, 금속 칼코겐화물 층은 반도체 흡수층에 인접하거나 그의 경계에 접한다.
바람직하게는 금속 층 및 금속 칼코겐화물 층은 동일한 금속, 특히 몰리브덴 및/또는 텅스텐을 기반으로 한다. 이 경우, 접촉층은 바람직하게는 금속 칼코겐화물 층이다.
도펀트, 특히 나트륨 이온들은 후면 전극을 포함하는 박막 태양 전지 또는 모듈의 접촉층 내에 및/또는 그 반도체 흡수층 내에 1013 내지 1017 원자/㎠ 범위의 주입량으로, 바람직하게는 1014 내지 1016 원자/㎠ 범위의 주입량으로 존재한다.
박막 태양 전지의 반도체 흡수층을 위한 도펀트들로 접촉층을 도핑하는 경우, 본 발명에 따르는 다층 후면 전극이 바람직한 것으로 나타났다. 반도체 흡수층의 제조 동안 보통 300℃를 상회하거나, 또는 350℃를 상회하는 온도가 사용된다. 종종 상기 온도는 500℃ 내지 600℃의 범위이기도 하다. 이러한 온도에서, 특히 나트륨 이온들 또는 나트륨 화합물들과 같은 도펀트들은 도핑된 접촉층으로부터 반도체 흡수층 내로 이동하며, 특히 확산된다. 배리어 층으로 인해, 후면 전극 층 내로의 이동 또는 확산은 일어나지 않는다.
반도체를 가공 처리할 때 상기 상대적으로 높은 온도로 인해, 바람직하게는 다층 후면 전극의 선택된 층들, 특히 벌크 후면 전극 및/또는 전도성 배리어 층은, 그 선형 열 팽창 계수가 반도체 흡수체 및/또는 기판의 선형 열 팽창 계수에 매칭되도록 구성된다. 그러므로 특히 본 발명에 따르는 박막 태양 전지들 및 모듈들의 벌크 후면 전극 및/또는 배리어 층은, 바람직하게는 14*10-6-K, 바람직하게는 9*10-6-K의 선형 열 팽창 계수가 초과되지 않도록 구성되어야 한다.
반도체를 가공 처리할 때 상기 상대적으로 높은 온도로 인해, 바람직하게는 다층 후면 전극의 선택된 층들, 특히 벌크 후면 전극 및/또는 전도성 배리어 층은, 그 선형 열 팽창 계수가 반도체 흡수체 및/또는 기판의 선형 열 팽창 계수에 매칭되도록 구성된다. 그러므로 특히 본 발명에 따르는 박막 태양 전지들 및 그 모듈들의 벌크 후면 전극 및/또는 그 배리어 층은, 바람직하게는 14*10-6-K, 바람직하게는 9*10-6-K의 선형 열 팽창 계수가 초과되지 않도록 구성되어야 한다.
본 발명의 의미에서, 바람직하게는 벌크 후면 전극 층의 평균 두께는 50㎚ 내지 500㎚의 범위, 특히 80㎚ 내지 250㎚의 범위이고, 및/또는 배리어 층의 평균 두께는 10㎚ 내지 250㎚의 범위, 특히 20㎚ 내지 150㎚의 범위이고, 및/또는 접촉층의 평균 두께는 2㎚ 내지 200㎚의 범위, 특히 5㎚ 내지 100㎚의 범위이다. 이 경우, 다층 후면 전극의 총 두께는 바람직하게는 본 발명에 따르는 후면 전극의 총 비저항이 50μΩ*㎝, 바람직하게는 10μΩ*㎝를 초과하지 않도록 설정된다. 상기 설정값들 하에서 직렬 연결된 모듈 내에서 저항 손실은 다시 감소된다.
본 발명은, 일련의 구조화 공정들을 통해, 특히 제안되는 다층 후면 전극과 조합헤서, 모놀리식 집적화 방식으로 직렬 연결된 태양 전지들은 대량 생산에서 높은 품질로, 그리고 높은 효율로 경제적으로 그리고 재현 가능하게 획득된다는 놀라운 사실을 기초로 한다. 종래 기술로부터 공지된 제조 방법의 경우, 분리된 후면 전극의 구조 트렌치 측면들 상에서 셀레늄 및/또는 황과, 또는 셀레늄화 수소 및/또는 황화 수소와 원하지 않는 반응이 일어난다. 왜냐하면, 상기 공지된 방법의 경우, 구조화 트렌치들이 반도체 형성 공정 이전에 제조되고, 그로 인해 구조화 트렌치들은 350℃ 내지 600℃의 범위로 반도체 형성 동안 적용되는 높은 온도와 경우에 따른 알칼리 확산의 영향을 받고, 그 다음 셀레늄 또는 황의 작용하에 빈번하게 부식되기 때문이다. 이에 수반되어, 셀레늄 및/또는 황의 작용하에 부식되는 금속들의 부피 팽창을 통해 야기되는 기계적 응력에 의해 층 침투 및 미세 균열의 형성이 이루어진다. 본 발명에 따르는 방법에 의해, 상기 단점들이 피해진다. 본 발명에 따르는 방법에서, 특히 일 구현예에서, 셀레늄 및/또는 황과 같은 칼코겐 내지 칼코겐 화합물을 위한 배리어 층이 사용되고 시간 순서에서 반응성 반도체 형성 공정 후에야 비로소 상기 배리어 층이 구조화된다. 또한, 본 발명에 따르는 방법에 의해, 구조화 가장자리에서 몰리브덴의 용융과 같이 미세 균열이 완전히 방지되지 않는 시점에 예컨대 몰리브덴 후면 전극 상에서 레이저 구조화를 실행해야만 하는 것도 피해진다. 두 현상은 어느 경우든 반도체 흡수층의 형성 조건하에서 박막 태양 전지의 적어도 부분적인 손상을 가능하게 한다. 그 외에, 본 발명에 따르는 방법은, 레이저 공정 동안 여타의 경우 빈번하게 발생하는 절연 배리어 층의 손상을 피하게 한다. 그 결과로, 알칼리 이온들이 제어되지 않는 방식으로 기판 유리로부터 반도체 흡수층 내에 도달하는 것이 방지될 수 있다. 반도체 흡수층의 초과 도핑을 방지함으로써, 그리고 절연체 충진 재료로 구조화 트렌치를 충진함으로써, 종래 기술에 비해서 인접한 전지들 간에 소정의 높은 브리지 저항이 분명하게 향상되며, 그럼으로써 큰 충진율 또는 효율이 얻어진다. 그 밖에도, 반도체 흡수층의 제어되는 도핑을 통해, 본 발명에 따른 방법에 따라서 획득되는 박막 태양광 모듈에서는 알칼리 이온들에 의해 야기되는 개별 층들의 접착성 문제가 더 이상 발생하지 않는 것이 보장된다. 그에 따라 사용되지 않는 공손품의 비율이 현저히 감소될 수 있다.
그 밖에도, 본 발명에 따르는 방법은, 광전 박막 태양광 모듈들 내 박막 태양 전지들의 모놀리식 집적화 직렬 연결의 경우 본 발명의 의미에서 벌크 후면 전극과 조합해서 전도성 배리어 층의 사용을 가능하게 한다. 본 발명에 따라서 셀레늄 및 황을 함유한 분위기에서 보통 내식성이 없는 벌크 후면 전극은 반도체 제조 공정 동안 여전히 구조화되지 않거나 여전히 분리되지 않은 배리어 층에 의해 보호된다. 따라서, 벌크 후면 전극 층의 부식으로 인한 부피 팽창(전형적으로 팩터 3만큼)에 의한 구조화 트렌치 상의 배리어 층과 이 배리어 층 위쪽에 위치하는 흡수층의 균열이 방지될 수 있다. 부식성 반도체 형성 공정 후에야 다층 후면 전극은 반도체 흡수층 및 완충층과 함께 구조화된다.
또한, 본 발명에 따르는 방법은, 예컨대 벌크 후면 전극 층에 보다 적은 순수 재료들의 사용을 허용한다. 그 결과, 박막 태양광 모듈의 상이한 재료 층들의 열 팽창 거동을 더 양호하게 서로 매칭하는 것이 가능하다. 이는 특히 제조 공정 동안 분리 현상들 내지 접착성 문제들이 더욱더 억제될 수 있다는 긍정적인 효과를 갖는다.
또한, 본 발명에 의해, 종래 기술에 따라서 박막 태양광 모듈들을 제조할 때의 단점들은 특히 제 1 구조화 단계가 완충층(들)의 도포 후에야 비로소, 바람직하게는 레이저 처리에 의해 수행되는 것을 통해 극복된다는 사실이 나타난다. 언급한 바람직한 효과들은 특히 설명된 구조화 모드가 상기 박막 태양광 모듈 상에서, 또는 앞에서 기술한 배리어 층, 특히 양 방향으로 작용하는 배리어 층을 구비한, 박막 태양광 모듈의 예비 단계에서 실행될 때 나타난다.
또한, 제 1 및 제 2 구조화 단계뿐 아니라 절연체로 구조화 트렌치를 충진하는 단계가 하나의 설비에서 실행되고, 그럼으로써 분리 트렌치들의 더욱 작은 라인 간격들이 가능하며, 이는 다시 개별 태양 전지의 활성 면적의 증가와, 그에 따라 박막 태양광 모듈의 효율 증가에도 기여한다는 놀랄만한 사실이 바람직하다. 절연체 충진을 위한 방법으로서는 예컨대 잉크젯 프린터 산업에서 공지된 것과 같은 매우 정교하게 주입 가능한 잉크젯 방법이 적합하다. 충진 재료로서는 예컨대 반도체 기술에서 공지된 바와 같이 신속하게 경화되는 절연체 잉크 또는 UV 경화되는 전기 절연성 래커가 이용될 수 있다. UV 조사는 충진 단계 직후에 수행된다. 제 1 및 제 2 레이저 처리를 위한 방법에서 예컨대 10피코초 미만의 펄스 지속 시간을 갖는 레이저 광 펄스가 사용된다. 라인 이동은 수 m/s의 속도가 대량 생산에 적합하다.
본 발명의 추가의 특징들 및 장점들은, 본 발명의 바람직한 실시예들이 예시로서 개략적 도면을 참고로 설명되어 있는 하기의 기술 내용에 제시된다.
본 발명에 의해, 종래 기술의 단점들을 나타내지 않으면서, 특히 보다 적은 공정 단계들로 처리될 수 있으면서, 그럼에도 종래 기술의 방법으로부터 공지된 바와 같은, 예컨대 모듈 포맷에 관련한 제한들에 노출되지 않는, 광전 박막 태양광 모듈들의 제조 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명에 따른 방법에서 본 발명에 따른 박막 태양광 모듈의 한 제조 단계를 도시한 개략적 횡단면도.
도 2는 본 발명에 따른 방법에서 본 발명에 따른 박막 태양광 모듈의 후속하는 제조 단계를 도시한 개략적 횡단면도.
도 3은 본 발명에 따른 방법에서 본 발명에 따른 박막 태양광 모듈의 추가 제조 단계를 도시한 개략적 횡단면도.
도 4는 본 발명에 따른 방법에서 본 발명에 따른 박막 태양광 모듈의 추가 제조 단계를 도시한 개략적 횡단면도.
도 5는 본 발명에 따른 방법에서 본 발명에 따른 박막 태양광 모듈의 추가 제조 단계를 도시한 개략적 횡단면도.
도 2는 본 발명에 따른 방법에서 본 발명에 따른 박막 태양광 모듈의 후속하는 제조 단계를 도시한 개략적 횡단면도.
도 3은 본 발명에 따른 방법에서 본 발명에 따른 박막 태양광 모듈의 추가 제조 단계를 도시한 개략적 횡단면도.
도 4는 본 발명에 따른 방법에서 본 발명에 따른 박막 태양광 모듈의 추가 제조 단계를 도시한 개략적 횡단면도.
도 5는 본 발명에 따른 방법에서 본 발명에 따른 박막 태양광 모듈의 추가 제조 단계를 도시한 개략적 횡단면도.
도 1에는, 본 발명에 따르는 박막 태양광 모듈(1)의 중간 제조 단계(1a)의 개략적 횡단면도가 도시되어 있다. 유리 기판(2) 상에는 박막 증착에 의해 몰리브덴으로 이루어진 벌크 후면 전극 층(4)이 존재한다. 이 벌크 후면 전극 층의 경계에 접하여, 마찬가지로 박막 증착에 의해 수득될 수 있는, 예컨대 TiN 또는 ZrN으로 이루어진 양 방향 반사성 배리어 층(6)이 위치한다. 도시된 실시예에서, 배리어 층(6) 상에는 몰리브덴 셀렌화물과 같은 금속 칼코겐화물로 이루어진 저항 접촉층(8)이 놓인다. 상기 접촉층은 상이한 방식으로 수득될 수 있다. 일 구현예에서, 예컨대 몰리브덴 셀렌화물은 몰리브덴 셀렌화물 타깃으로부터 스퍼터링되었다. 대안으로서, 우선 금속 층이 도포될 수 있고, 이어서 금속 층은 반도체 흡수층의 형성 전에 및/또는 동안 상응하는 금속 칼코겐화물로 변환된다. 접촉층(8)은 바람직한 실시예에서, 하나 이상의 도펀트, 예컨대 나트륨 이온들 또는 나트륨 화합물, 특히 나트륨 아황산염 또는 나트륨 황화물과 혼합될 수 있다. 층(10)은 반도체 흡수층이며, 예컨대 황동광 반도체 흡수층으로서 또는 케스테라이트 반도체 흡수층으로서 존재할 수 있다. 상기 반도체 흡수층들을 도포하기 위한 방법은 당업자에게 공지되어 있다. 접촉층 내에 도펀트가 존재한다면, 이 도펀트는 일반적으로 반도체 흡수층의 형성 조건하에서 반도체 흡수층 내로 확산된다. 그 다음 이어서, 박막 증착에 의해, 반도체 흡수층(10) 상에 우선 예컨대 CdS, Zn(S,OH) 또는 In2S3으로 이루어진 제 1 완충층(12)이 도포되었고, 이어서 진성 아연 산화물로 이루어진 제 2 완충층(14)이 도포되었다.
도 1에 도시된, 본 발명에 따르는 박막 태양광 모듈(1)의 제조 단계(1a)는 단일의 설비에서 실질적으로 관련된 공정으로 제조되었다. 전체 공정 시간 동안, 단일의 설비에서 가공 처리될 수 있다. 그에 따라, 비용이 많이 드는 방법 단계들이 방지될 뿐 아니라, 마찬가지로 예컨대 산소로 제품 중간 단계들의 오염 위험도 감소된다.
도 2에는, 제조 중간 단계(1a)에서 실행된 제 1 구조화 단계에 의해 얻어진 제조 단계(1b)가 도시되어 있다. 투명한 기판(2)의 (화살표로 표시된) 하면으로부터 레이저 처리에 의해, 제 1 분리 트렌치들(16)이 제조되었으며, 이 제 1 분리 트렌치들은 결국 모놀리식 집적화된 직렬 연결의 셀 폭을 결정한다. 이런 방식으로, 라인들을 따라서, 예컨대 15㎛의 평균 분리 트렌치 폭에 걸쳐, 기판 상부에 존재하는 모든 층이 제거되었다.
도 3에 도시된 제조 단계(1c)는 경화 가능한 절연 재료(18)로 충진된 분리 트렌치들(16)을 포함하며, 상기 절연 재료는 도시된 실시예에서 제 2 완충층(14)의 상면에까지 연장된다. 또한, 레이저 처리에 의해, 제 2 구조화 공정이 층 시스템 상에서, 이번에는 상면에서부터 실행되어, 이격된 제 2 분리 트렌치들(20)이 형성되었다. 제 2 완충층(14)으로부터 반도체 흡수층(10)을 경유하여 접촉층(8)을 포함할 때까지, 바람직하게는 15㎛의 평균 폭에 걸쳐서 모든 층이 제거되었다.
이 경우, 제 1 레이저 구조화, 제 1 분리 트렌치들의 충진, 및 제 2 레이저 구조화의 단계들은 바람직하게는 동일한 설비에서 실시될 수 있다. 그 결과로, 복잡한 조정은 생략되며, 오히려 상기 조정은 1회만 수행되면 된다. 또한, 제 1 및 제 2 분리 트렌치들은 상호 간에 더 좁은 이격 간격으로 제공될 수 있으며, 그럼으로써 박막 태양광 모듈의 유효 면적이 확대된다.
제조 단계(1c)에서, 공지된 박막 증착에 의해, 도 4에 도시된 것처럼, 예컨대 n 도핑된 아연 산화물로 이루어진 투명한 고전도성 전면 전극 층(22)이 도포되어 제조 단계(1d)가 주어진다. 이 경우, 전면 전극 재료는 제 2 분리 트렌치들(20) 내로도 침투한다.
끝으로 제조 단계(1d)는 모놀리식 집적화된 직렬 연결 내 절연 구조를 정의할 목적으로 제 3 구조화 단계로 처리되며, 이 구조화 단계에서 배리어 층(6)까지 연장되는 제 3 분리 트렌치들(24)이 제조된다(도 5 참조). 이는 레이저 처리에 의해, 또는 기계적으로, 예컨대 니들 스크래칭에 의해 수행될 수 있다.
설명된 방법의 경우, 박막 태양광 모듈들의 목표 포맷은, 바람직한 구현예에서, 반도체 흡수층의 금속들의 도포 후에, 그리고 상승된 온도 조건에서 칼코겐들로 상기 금속 층들을 처리하기 전에, 기판의 원래 포맷으로부터 절단에 의해 수득될 수 있다.
전술한 기술 내용, 청구범위 및 도면에 개시되는 본 발명의 특징들은 개별적으로뿐만 아니라 임의의 조합으로도 상이한 실시예들에서 본 발명의 실현을 위한 핵심을 형성할 수 있다.
1 박막 태양광 모듈
2 유리 기판
4 벌크 후면 전극 층
6 배리어 층
8 접촉층
10 반도체 흡수층
12 제 1 완충층
14 제 2 완충층
16 분리 트렌치
18 절연 재료
20 제 2 분리 트렌치
22 전면 전극 층
2 유리 기판
4 벌크 후면 전극 층
6 배리어 층
8 접촉층
10 반도체 흡수층
12 제 1 완충층
14 제 2 완충층
16 분리 트렌치
18 절연 재료
20 제 2 분리 트렌치
22 전면 전극 층
Claims (33)
- 광전 박막 태양광 모듈의 제조 방법으로서,
- 특히 평면인 기판을 제공하는 단계와,
- 상기 기판 상에 하나 이상의 후면 전극 층을 도포하는 단계와,
- 하나 이상의 전도성 배리어 층을 도포하는 단계와,
- 하나 이상의, 특히 저항 접촉층을 도포하는 단계와,
- 하나 이상의, 특히 케스테라이트 또는 황동광 반도체 흡수층을 도포하는 단계와,
- 경우에 따라서 하나 이상의 제 1 완충층을 도포하는 단계와,
- 경우에 따라서 하나 이상의 제 2 완충층을 도포하는 단계와,
- 레이저 처리(제 1 레이저 처리)를 이용하여 상호 간에 이격된 라인들을 따라서 도포된 층들을 제거하여 인접한 태양 전지들을 분리하는 제 1 분리 트렌치들을 형성하는 제 1 구조화 단계와,
- 하나 이상의 절연 재료로 상기 제 1 분리 트렌치들을 충진하는 단계와,
- 제 2 구조화 단계로서,
-- 상호 간에 이격된 라인들을 따라서, 상기 배리어 층으로부터 상기 반도체 흡수층 또는 상기 완충층(들)의 방향으로 연장되는 층들을 제거하여, 대응하는 제 1 분리 트렌치들에 인접하거나 또는 이들의 경계에 접하는, 특히 이들에 대해 평행하게 연장되는 제 2 분리 트렌치들을 형성하는 단계,
또는
-- 상호 간에 이격된 라인들을 따라서, 상기 배리어 층으로부터 상기 반도체 흡수층 또는 상기 완충층(들)의 방향으로 연장되는 층들을 화학적 위상 변환하고, 및/또는 열분해하여, 제 1 선형 전도성 영역들을 형성하는 단계를 포함하는
상기 제 2 구조화 단계와,
- 하나 이상의 투명한 전면 전극 층을 도포하여 상기 제 2 분리 트렌치들을 충진 및 접촉시키거나 또는 상기 제 1 선형 전도성 영역들을 접촉시키며, 그럼으로써 인접한 태양 전지들이 직렬 연결되게 하는 단계와,
- 상호 간에 이격된 라인들을 따라서, 상기 배리어 층으로부터 상기 하나 이상의 전면 전극 층의 방향으로 연장되는 층들을 제거하여, 대응하는 제 2 분리 트렌치들에 인접하거나, 또는 이들의 경계에 접하는, 특히 이들에 평행하게 연장되는 제 3 분리 트렌치들을 형성하는 단계를 포함하는 하나 이상의 제 3 구조화 단계를
포함하는 광전 박막 태양광 모듈의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 적어도 부분적으로 제 1 레이저 처리의 전자기 방사선에 대해 투과성이고, 및/또는 상기 제 1 구조화 단계의 레이저 처리는 특히 레이저 제거를 통해 상기 기판의 코팅된 면의 반대 방향으로 향해 있는 면에서부터 수행되는 것을 특징으로 하는 광전 박막 태양광 모듈의 제조 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 하나 이상의 접촉층은 하나 이상의 금속 칼코겐화물을 함유하거나, 또는 금속 칼코겐화물 층인 것을 특징으로 하는 광전 박막 태양광 모듈의 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 및/또는 제 3 구조화 단계에서, 상기 제 2 내지 제 3 분리 트렌치들은, 레이저 처리에 의해, 상기 배리어 층으로부터 상기 반도체 흡수층 또는 완충층(들)의 방향으로 연장되는 층들의 화학적 위상 변환을 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 광전 박막 태양광 모듈의 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 제 2 분리 트렌치, 특히 모든 제 2 분리 트렌치는 상호 간에 이격되어 각각 충진된 제 1 분리 트렌치에 인접하게 주어지는 것을 특징으로 하는 광전 박막 태양광 모듈의 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 제 3 분리 트렌치, 특히 모든 제 3 분리 트렌치는 각각 대응하는 충진된 제 2 분리 트렌치 또는 제 1 선형 전도성 영역에 의해 각각 대응하는 충진된 제 1 분리 트렌치로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 광전 박막 태양광 모듈의 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 후면 전극은 텅스텐, 크롬, 탄탈, 니오븀, 바나듐, 망간, 티타늄, 지르코늄, 코발트 및/또는 몰리브덴을, 바람직하게는 텅스텐, 티타늄 및/또는 몰리브덴을 함유하거나 또는 실질적으로 상기 원소들로 형성되거나, 또는 텅스텐, 크롬, 탄탈, 니오븀, 바나듐, 망간, 티타늄, 지르코늄, 코발트, 철, 니켈, 알루미늄 및/또는 몰리브덴을 함유하는 합금을 함유하거나 또는 실질적으로 상기 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광전 박막 태양광 모듈의 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전도성 배리어 층은 양 방향으로 작용하는 배리어 층이며, 특히 후면 전극 층으로부터 및/또는 이를 통해 이동하는, 특히 확산되거나 확산될 수 있는 성분들, 특히 도펀트들을 위한, 그리고 접촉층으로부터 및/또는 이를 통해, 특히 반도체 흡수층으로부터 이동하는, 특히 확산되거나 확산될 수 있는 성분들, 특히 도펀트들을 위한 배리어를 형성하는 것을 특징으로 하는 광전 박막 태양광 모듈의 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배리어 층은 알칼리 이온들, 특히 나트륨 이온들, 셀레늄 또는 셀레늄 화합물들, 황 또는 황 화합물들, 및/또는 금속들, 특히 철, 니켈, 및/또는 반도체 흡수층의 금속들에 대한 배리어를 형성하고, 및/또는 상기 배리어 층은 하나 이상의 금속 질화물, 하나 이상의 금속 실리콘 질화물, 하나 이상의 금속 탄화물, 및/또는 하나 이상의 금속 붕소화물, 특히 TiN, TiSiN, TaSiN, MoN, MoSiN, TaN, WN, ZrN 및/또는 WSiN을 함유하거나 또는 실질적으로 상기 물질들로 형성되는 것을 특징으로 하는 광전 박막 태양광 모듈의 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 접촉층은 상기 반도체 흡수층의 경계에 직접 접하는 것을 특징으로 하는 광전 박막 태양광 모듈의 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 접촉층은 몰리브덴, 탄탈, 니오븀 및/또는 텅스텐, 및/또는 금속 = Mo, W, Ta, Zr, Co 또는 니오븀인 조건의 금속 셀렌화물, 금속 황화물 및/또는 금속 설포셀렌화물에서 선택되는, 특히 x가 0 내지 1의 값들을 갖는 조건에서, MoSe2, WSe2, MoS2, WS2, Mo(Se1 -x,Sx)2, 및/또는 W(Se1 -x,Sx)2로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 금속 칼코겐화물을 함유하거나 또는 실질적으로 상기 원소들 및/또는 상기 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 광전 박막 태양광 모듈의 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 접촉층은, 특히 나트륨, 칼륨, 및 리튬의 군에서, 및/또는 바람직하게는 산소, 셀레늄, 황, 붕소 및/또는 할로겐, 예컨대 요오드 또는 불소를 함유하는 상기 원소들의 하나 이상의 화합물에서, 및/또는 하나 이상의 알칼리 금속 청동, 특히 나트륨 청동 및/또는 칼륨 청동에서 선택되는, 박막 태양 전지의 반도체 흡수층을 위한 하나 이상의 도펀트를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전 박막 태양광 모듈의 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체 흡수층은 4원 IB-IIIA-VIA 황동광층, 특히 Cu(In,Ga)Se2-층, 5원 IB-IIIA-VIA 황동광층, 특히 Cu(In,Ga)(Se1-x,Sx)2-층, 또는 케스테라이트층, 특히 Cu2ZnSn(Sex,S1 -x)4-층, 예컨대 Cu2ZnSn(Se)4- 또는 Cu2ZnSn(S)4-층이거나 포함하고, x는 0 내지 1의 값들을 갖는 것을 특징으로 하는 광전 박막 태양광 모듈의 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 접촉층 상에 상기 케스테라이트 또는 황동광 반도체 흡수층을 도포함으로써, 상기 접촉층 내에 존재하는 금속들, 또는 상기 접촉층을 형성하는 금속들이 완전하게 또는 부분적으로 금속 셀렌화물들, 금속 황화물들 및/또는 금속 설포셀렌화물들로 변환되는 것을 특징으로 하는 광전 박막 태양광 모듈의 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 완충층은 건식 또는 습식 화학 증착되는 것을 특징으로 하는 광전 박막 태양광 모듈의 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 완충층은 CdS 또는 무-CdS 층을 포함하거나 또는 실질적으로 그로 형성되며, 특히 Zn(S,OH) 또는 In2S3을 함유하거나 또는 실질적으로 그로 형성되고, 및/또는 상기 제 2 완충층은 진성 전도성 아연 산화물 및/또는 고저항 아연 산화물을 포함하거나 또는 실질적으로 그로 형성되는 것을 특징으로 하는 광전 박막 태양광 모듈의 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 레이저 처리, 상기 제 2 레이저 처리, 및/또는 상기 제 3 레이저 처리는 10나노초 미만, 특히 100피코초 미만의 펄스 지속 시간을 갖는 레이저 광 펄스로 수행되는 것을 특징으로 하는 광전 박막 태양광 모듈의 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전면 전극은 n-도핑된 아연 산화물을 포함하거나 또는 실질적으로 그로 형성되는 것을 특징으로 하는 광전 박막 태양광 모듈의 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 구조화 단계는 상기 태양 전지들의 모놀리식 집적화된 직렬 연결을 달성하거나, 또는 그에 기여하며, 특히 라인 유형의 가공 처리 단계들로서 형성되는 것을 특징으로 하는 광전 박막 태양광 모듈의 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 3 구조화 단계에서 상기 제 3 분리 트렌치들의 형성은 기계적 구조화, 특히 니들 스크래칭에 의해, 및/또는 제 3 레이저 처리에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 광전 박막 태양광 모듈의 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 칼코겐화물의 금속은 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈, 코발트, 지르코늄 및/또는 니오븀으로 구성되는 군에서 선택되고, 및/또는 상기 칼코겐은 셀레늄 및/또는 황으로 구성되는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 광전 박막 태양광 모듈의 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배리어 층 상에 몰리브덴, 탄탈, 텅스텐, 코발트, 지르코늄 및/또는 니오븀으로 이루어진 하나 이상의 제 1 금속 층이 도포되고, 상기 제 1 금속 층은 상기 반도체 흡수층, 특히 상기 케스테라이트 또는 황동광 반도체 흡수층의 제조 동안 셀레늄 및/또는 황을 함유한 분위기에서 상기 접촉층을 형성하면서 부분적으로 금속 칼코겐화물 층으로 변환되는 것을 특징으로 하는 광전 박막 태양광 모듈의 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배리어 층 상에 몰리브덴, 탄탈, 텅스텐, 코발트, 지르코늄 및/또는 니오븀으로 이루어진 하나 이상의 제 1 금속 층이 도포되고, 상기 제 1 금속 층은 상기 반도체 흡수층, 특히 상기 케스테라이트 또는 황동광 반도체 흡수층의 제조 동안 셀레늄 및/또는 황을 함유한 분위기에서 상기 접촉층을 형성하면서 완전하게 금속 칼코겐화물 층으로 변환되는 것을 특징으로 하는 광전 박막 태양광 모듈의 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배리어 층은 최소 10㎚, 특히 최소 30㎚와 바람직하게는 최대 250㎚ 또는 150㎚의 평균 두께를 갖고, 및/또는 상기 접촉층은 최소 5㎚, 바람직하게는 150㎚ 미만, 특히 바람직하게는 50㎚ 미만의 평균 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 광전 박막 태양광 모듈의 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2 및/또는 제 3 분리 트렌치들은 30㎛ 미만, 바람직하게는 15㎛ 미만의 평균 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 광전 박막 태양광 모듈의 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판은 0.5m를 상회하는, 특히 2.0m를 상회하는 폭과 1.2m를 상회하는, 특히 3.0m를 상회하는 길이를 갖는 유리판인 것을 특징으로 하는 광전 박막 태양광 모듈의 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체 흡수층, 특히 상기 케스테라이트 또는 황동광 반도체 흡수층을 도포하는 단계는, 상기 접촉층 상에, 상기 반도체 흡수층의 특히 모든 금속 성분, 특히 상기 황동광 반도체 흡수층을 위한 구리, 인듐 및 경우에 따라서는 갈륨과 상기 케스테라이트 반도체 흡수층을 위한 구리, 아연 및 주석을 증착하여, 제 2 금속 층을 형성하는 단계와, 셀레늄 및/또는 셀레늄 화합물 및 경우에 따라서는 황 및/또는 황 화합물로 상기 제 2 금속 층을 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전 박막 태양광 모듈의 제조 방법.
- 제 28 항에 있어서, 코팅된 기판은 셀레늄 및/또는 셀레늄 화합물 및 경우에 따라서는 황 및/또는 황 화합물로 상기 제 2 금속 층, 특히 구리/인듐 또는 구리/인듐/갈륨 금속 층, 또는 구리/아연/주석 금속 층을 처리하기 전에 복수의 개별 모듈로 분리되며, 특히 절단되는 것을 특징으로 하는 광전 박막 태양광 모듈의 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 및/또는 제 2 금속 층은, 특히 각각 바람직하게는 고진공 조건에서 물리적 증기 증착(PVD) 코팅, 전자 빔 증착기를 이용한 증착, 저항 증착기를 이용한 증착, 유도 증착, ARC 증착 및/또는 캐소드 스퍼터링(스퍼터 코팅), 특히 DC 또는 RF 마그네트론 스퍼터링을 포함하는 물리적 기상 증착에 의해, 또는 특히 화학적 증기 증착(CVD), 저압(low pressure) CVD 및/또는 대기압(atmospheric pressure) CVD를 포함하는 화학적 기상 증착에 의해 수득되는 것을 특징으로 하는 광전 박막 태양광 모듈의 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 후면 전극 층, 상기 전도성 배리어 층, 상기 접촉층, 및 상기 반도체 흡수층의 금속들, 특히 상기 황동광 반도체 흡수층의 형성을 위한 Cu-, In-, 및 Ga-층들, 또는 상기 케스테라이트 반도체 흡수층의 형성을 위한 Cu-, Zn-, 및 Sn-층들의 도포는 특히 단일의 진공 코팅 설비 내에서 바람직하게는 연속 스퍼터링 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 광전 박막 태양광 모듈의 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 따르는 방법에 따라서 획득될 수 있는 광전 박막 태양광 모듈.
- 제 32 항에 있어서, 기재된 순서대로, 하나 이상의 기판 층과, 하나 이상의 후면 전극 층과, 하나 이상의 전도성 배리어 층과, 하나 이상의, 특히 저항 접촉층과, 하나 이상의, 특히 상기 접촉층에 직접 접촉하는 반도체 흡수층, 특히 황동광 또는 케스테라이트 반도체 흡수층과, 경우에 따라서 하나 이상의 완충층, 특히 CdS 또는 무-CdS 층을 함유하거나 또는 실질적으로 그로 형성되는, 특히 Zn(S,OH) 또는 In2S3을 함유하거나, 또는 실질적으로 그로 형성되는 하나 이상의 층(제 1 완충층), 및/또는 경우에 따라서 진성 아연 산화물 및/또는 고저항 아연 산화물을 함유하고 실질적으로 그로 형성되는 하나 이상의 층(제 2 완충층)과, 하나 이상의 전면 전극을 포함하는 박막 태양광 모듈.
- 제 32 항 또는 제 33항에 있어서, 상기 반도체 흡수층은 4원 IB-IIIA-VIA 황동광층, 특히 Cu(In,Ga)Se2-층, 5원 IB-IIIA-VIA 황동광층, 특히 Cu(In,Ga)(Se1 -x,Sx)2-층, 또는 케스테라이트층, 특히 Cu2ZnSn(Sex,S1 -x)4-층, 예컨대 Cu2ZnSn(Se)4- 또는 Cu2ZnSn(S)4-층이거나 포함하고, x는 0 내지 1의 값들을 갖는 것을 특징으로 하는 박막 태양광 모듈.
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