KR20190107659A - 단일 셀 광전지 모듈 - Google Patents

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Abstract

광전지 모듈은 제1 시트 저항을 특징으로 하는 제1 투명 전극 층, 제2 투명 전극 층, 및 광전지 물질 층을 포함한다. 광전지 물질 층은 제1 투명 전극 층과 제2 투명 전극 층 사이에 위치한다. 광전지 모듈은 또한 제1 시트 저항보다 낮은 제2 시트 저항을 갖는 제1 모선(busbar)을 포함한다. 제1 투명 전극 층, 제2 투명 전극 층 및 광전지 물질 층은 광전지 모듈의 중앙 투명 구역을 형성하는 정렬된 영역을 갖는다. 중앙 투명 구역은 복수의 측면을 포함한다. 제1 모선은 중앙 투명 구역의 복수의 측면의 각각의 적어도 일부에 근접하여 제1 투명 전극 층과 접촉한다.

Description

단일 셀 광전지 모듈
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2016년 11월 17일자로 출원된 "단일 셀 광전지 모듈"이라는 명칭의 미국 임시특허출원 제62/423,581호를 기초로 우선권을 주장하고, 그 개시 내용 전체가 모든 목적을 위해 본원에 참조에 의해 편입된다.
본 발명은 광전지 모듈 및 디바이스 분야에 관한 것으로, 특히 단일 셀 광전지 모듈에 관한 것이다.
부분 광 전송(partial light transmission)을 갖는 광전지(Photovoltaic: PV) 셀은 윈도우, 모바일 디바이스 및 정보 디스플레이를 비롯한 다양한 애플리케이션에 전력을 공급하기 위해 개발되었다.
그러나, 당 업계에서는 PV 모듈과 관련된 개선된 방법 및 시스템에 대한 요구가 존재한다.
본 명세서에 기술된 실시예들은 직렬 저항에 의해 야기된 낮은 전력 손실을 갖는 광전지 모듈에 관한 것이다. 가시광 패턴을 최소화하고 직렬 저항으로부터의 전력 손실을 최소화한 단일 셀 투명 광전지 모듈이 개시되어 있다. 광전지 모듈은 제1 및 제2 투명 전극을 포함할 수 있고, 제1 및 제2 투명 전극의 각각은 그들 사이에 위치되는 광전지 물질을 갖는 주변부 및 연속적인 중앙 구역을 갖는다. 각 투명 전극은 주변부의 각 측면(side)과 접촉하는 저-저항 전기 모선(busbar)과 접촉되어 전류 이동 거리를 최소화할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전류 이동은 주변부에 근접한 상부 및 하부 전극 상의 상호 연계된 접촉 포인트들에 대한 전기적 접촉을 만들함으로써 최소화된다. 투명 광전지 모듈은 디바이스에 전력을 공급하기 위해 정보 디스플레이 상에 중첩되는 것과 같은 다양한 애플리케이션에 통합될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 단일 셀 광전지 모듈은 투명 하부 전극 층, 활성층, 및 투명 상부 전극 층을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 상부 전극 층의 시트(sheet) 저항보다 낮은 시트 저항을 갖는 상부 모선은 상부 전극 층과 연관된 직렬 저항을 감소시키기 위해 상부 전극 층의 전체 또는 거의 전체 주변부와 접촉할 수 있다. 이에 더하여 또는 이에 대신하여, 하부 전극 층의 시트 저항보다 낮은 시트 저항을 갖는 하부 모선은 하부 전극 층과 연관된 직렬 저항을 감소시키기 위해 하부 전극 층의 전체 또는 거의 전체 주변부와 접촉할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상부 전극 층(또는 상부 모선)은 제1 세트의 접촉 패드에 접속될 수 있고, 하부 전극 층(또는 하부 모선)은 제2 세트의 접촉 패드를 포함하거나 그에 접속될 수 있으며, 제1 세트의 접촉 패드는 제2 세트의 접촉 패드에 대해 상호 연계되도록 배열될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 광전지 모듈의 셀은 셀의 출력 전류를 제한하면서 출력 전압을 증가시키기 위해 직렬로 연결된 다수의 접합부(junction)를 포함할 수 있고, 이에 의해 직렬 저항에 의해 야기된 전력 손실 또한 제한될 수 있다. 다양한 구현예에서, 본 명세서에 개시된 이들 및 다른 기술들이 개별적으로 또는 조합하여 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 광전지 모듈이 제공된다. 광전지 모듈은 제1 시트 저항을 특징으로 하는 제1 투명 전극 층, 제2 투명 전극 층, 및 광전지 물질 층을 포함한다. 광전지 물질 층은 제1 투명 전극 층과 제2 투명 전극 층 사이에 위치한다. 광전지 모듈은 또한 제1 시트 저항보다 낮은 제2 시트 저항을 갖는 제1 모선을 포함한다. 제1 투명 전극 층, 제2 투명 전극 층, 및 광전지 물질 층은 광전지 모듈의 중앙 투명 구역을 형성하는 정렬된 영역을 갖는다. 중앙 투명 구역은 복수의 측면을 포함한다. 제1 모선은 중앙 투명 구역의 복수의 측면의 각각의 적어도 일부에 근접해서 제1 투명 전극 층과 접촉한다. 다른 실시예에서, 제1 모선은 중앙 투명 구역의 복수의 측면 중 2개 이상의 각각의 적어도 일부에 근접해서 제1 투명 전극 층과 접촉(예를 들어, 전기 접촉)한다.
일 실시예에서, 제1 모선은 중앙 투명 구역의 복수의 측면 각각의 복수의 접촉 위치에서 제1 투명 전극 층과 접촉한다. 다른 실시예에서, 광전지 모듈은 또한 제2 투명 전극 층에 인접하여 위치된 접촉 패드를 포함한다. 제1 모선은 접촉 패드에 전기적으로 연결된다. 또 다른 실시예에서, 광전지 모듈은 제2 투명 전극 층에 인접하여 위치된 복수의 접촉 패드를 추가로 포함한다. 제1 모선은 복수의 접촉 패드 중 하나 또는 그 이상에 전기적으로 연결된다. 또 다른 실시예에서, 광전지 모듈은 제2 투명 전극 층에 인접하여 위치된 제1 세트의 접촉 패드 및 제2 투명 전극 층에 인접하여 위치된 제2 세트의 접촉 패드를 포함하고, 제1 세트의 접촉 패드는 제1 모선에 연결된다. 제2 세트의 접촉 패드는 제2 모선에 연결되고 제1 세트의 접촉 패드는 제2 세트의 접촉 패드에 대해 상호 연계되도록 배열된다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 광전지 모듈이 제공된다. 광전지 모듈은 근접한 제1 중앙 영역 및 상기 근접한 제1 중앙 영역에 전기적으로 연결된 제1 세트의 전극 패드를 포함하는 제1 투명 전극 층을 포함한다. 광전지 모듈은 또한, 근접한 제2 중앙 영역 및 상기 근접한 제2 중앙 영역에 전기적으로 연결된 제2 세트의 전극 패드를 포함하는 제2 투명 전극 층을 포함한다. 광전지 모듈은 제1 투명 전극 층과 제2 투명 전극 층 사이에 위치한 광전지 물질 층을 더 포함한다. 근접한 제1 중앙 영역, 근접한 제2 중앙 영역, 및 광전지 물질 층은 광전지 모듈의 중앙 투명 구역을 형성하도록 정렬되고, 중앙 투명 구역은 복수의 측면을 포함한다. 제1 세트의 전극 패드들 중 적어도 하나와 제2 세트의 전극 패드들 중 적어도 하나는 중앙 투명 구역의 복수의 측면들 각각에 위치된다.
본 발명의 특정 실시예에 의하면, 광전지 모듈이 제공된다. 광전지 모듈은 근접한 제1 중앙 영역 및 상기 근접한 제1 중앙 영역에 전기적으로 연결된 제1 세트의 전극 패드를 포함하는 제1 투명 전극 층을 포함한다. 광전지 모듈은 또한, 근접한 제2 중앙 영역 및 상기 근접한 제2 중앙 영역에 전기적으로 연결된 제2 세트의 전극 패드를 포함하는 제2 투명 전극 층을 포함한다. 광전지 모듈은 또한 제1 투명 전극 층과 제2 투명 전극 층 사이에 위치한 광전지 물질 층을 포함한다. 근접한 제1 중앙 영역, 근접한 제2 중앙 영역 및 광전지 물질 층은 광전지 모듈의 중앙 투명 구역을 형성하도록 정렬되며, 중앙 투명 구역은 복수의 세그먼트를 포함하는 둘레를 갖는다. 제1 세트의 전극 패드들 중 적어도 하나 및 제2 세트의 전극 패드들 중 적어도 하나는 중앙 투명 구역의 둘레의 복수의 세그먼트들의 각 세그먼트 상에 위치된다.
종래 기술에 비해 본 발명의 방법으로 많은 이익이 달성된다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들은 가시 패턴이 감소되고 직렬 저항으로부터의 전력 손실이 감소된 단일 셀 투명 광전지 모듈을 제공한다. 몇몇 실시예에서는, 주변부에 근접한 상부 및 하부 전극 상의 상호 연계된 접촉 포인트들에 전기 접촉을 만드는 것에 의해 종래의 설계와 비교하여 전류 이동이 감소된다. 본 발명의 이들 및 다른 실시예들은 다수의 이점 및 특징과 함께 아래의 텍스트 및 첨부된 도면과 함께 보다 상세히 설명된다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 의한 광전지 셀의 활성 구역의 개념도이다.
도 1b는 활성 구역 시트 저항이 저항성 전력 손실에 미치는 영향을 도시한다.
도 2a는 8개의 서브-셀이 직렬로 연결된 모놀리식 시리즈 집적형(monolithic series integrated) 태양 전지를 도시한다.
도 2b는도 2a에 도시된 모놀리식 시리즈 집적형 태양 전지의 일부의 확대 평면도이다.
도 2c는 도 2a의 라인 2C에서의 모놀리식 시리즈 집적형 태양 전지의 단면도이다.
도 3a는 본 발명에 의한 단일 셀 광전지 모듈의 평면도이다.
도 3b는 시리즈 집적형 광전지 모듈의 평면도이다.
도 4a 내지 도 4d는 접촉부의 수가 증가하는 단일 셀 모듈에 있어서 전하 이동 방향을 나타낸다.
도 5는 서로 다른 둘레 접촉부 구성에 대해 전하 이동 거리의 무차원(dimensionless) 비율을 나타내는 표를 도시한다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 의한 두 개의 접촉부를 갖는 예시적인 단일 셀 모듈의 단면도이다.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 의한 두 개의 접촉부를 갖는 예시적인 단일 셀 모듈의 평면도이다.
도 7은 단일 셀 모듈의 상이한 2-접촉 구성에 대해서 전하 이동 거리의 무차원 비율을 나태난다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 의한 상호 연계된 접촉 패드를 갖는 예시적인 단일 셀 모듈의 단면도이다.
도 8b는 본 발명의 일 실시예에 의한 상호 연계된 접촉 패드를 갖는 예시적인 단일 셀 모듈의 평면도이다.
도 8c 내지 도 8n은 본 발명의 일 실시예에 의한 단일 셀 모듈의 각 층의 분해(breakout)를 도시한다.
도 8p는 본 발명의 일 실시예에 의한 단일 셀 모듈의 분해도이다.
도 9는 상이한, 상호 연계된 접촉 구성들에 대한 전하 이동 거리의 무차원 비율을 나타낸다.
도 10은 활성 구역에 대한 에지당 접촉부의 수의 함수로서 전하 이동 거리의 무차원 비율을 나타낸다.
도 11a는 본 발명의 일 실시예에 의한 상호 연계된 접촉부 배열을 갖는 광전지 셀의 평면도이다.
도 11b는 본 발명의 일 실시예에 의한 상호 연계된 접촉부 배열을 갖는 광전지 셀의 분해도이다.
도 12a 내지 도 12b는 본 발명의 일 실시예에 의한 다양한 기하학적 배열에 따른 광전지 셀을 도시한다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 원형 배열에 따른 광전지 셀을 도시한다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 의한 단일 셀 모듈을 접촉시키는 다양한 방법의 사시도이다.
도 15a는 본 발명의 일 실시예에 의한 하나 또는 그 이상의 전극을 위한 둘레 모선을 갖는 단일 셀 모듈의 단면도이다.
도 15b는 본 발명의 일 실시예에 의한 하나 또는 그 이상의 전극에 대한 둘레 모선을 갖는 단일 셀 모듈의 사시도이다.
도 16a는 본 발명의 일 실시예에 의한 전극의 둘레와 접촉하는 모선을 갖는 단일 셀 모듈의 평면도이다.
도 16b는 본 발명의 일 실시예에 의한 전극의 둘레와 접촉하는 모선을 갖는 단일 셀 모듈의 제1 단면도이다.
도 16c는 본 발명의 일 실시예에 의한 전극의 둘레와 접촉하는 모선을 갖는 단일 셀 모듈의 제2 단면도이다.
도 17a 내지 도 17f는 본 발명의 일 실시예에 의한 전극의 둘레와 접촉하는 모선을 갖는 단일 셀 모듈의 각 층의 분해를 도시한다.
도 17g는 본 발명의 일 실시예에 의한 전극의 둘레와 접촉하는 모선을 갖는 단일 셀 모듈의 분해도이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 의한, 전극 층과 거의 전체 둘레 접촉부를 제공하는 모선을 갖는 예시적인 단일 셀 모듈의 각 층의 분해를 도시한다.
도 18k는 본 발명의 일 실시예에 의한, 전극 층과 거의 전체 둘레 접촉부를 제공하는 모선을 갖는 예시적인 단일 셀 모듈의 분해도이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 의한 예시적인 다중-접합 셀 모듈을 도시하는 단면도이다.
도 20a 내지 도 20e는 예를 들어 상이한 개수의 접합부 및 셀 구역을 갖는 다중-접합 셀 모듈에 대한 전류 밀도 대 전압 플롯을 도시한다.
도 20f는 상이한 개수의 접합부 및 셀 구역을 갖는 예시적인 다중-접합 셀 모듈의 성능 파라미터를 나타내는 표이다.
도 21은 본 명세서에 설명된 단일 셀 모듈과 인터페이스하도록 구성된 고정구(fixture) 어셈블리를 도시하는 분해도이다.
본 발명의 발명자들은 투명 전극 층이 일반적으로 불투명 전극보다 더 높은 시트(sheet) 저항을 갖는다고 판단했다. 광전지(PV) 모듈에 직렬 저항을 추가하면 더 높은 전력 손실을 일으킬 수 있고 PV 모듈의 전체적인 효율이 크게 저하될 수 있다. 종래의 PV 기술에서, 직렬 저항의 감소는 가장 높은 성능을 얻는데 매우 중요하고, 모듈을 최적화된 치수를 갖는 서브 셀로 패턴화하는 것, 고도전성의 불투명한 도전성 전극의 사용, 및 모듈 구역 위에 고도전성 모선을 디포지션하는 것을 포함하지만 이들로 국한되지 않는 다수의 접근법을 통해 달성된다. 이러한 최적화를 통해 종래 기술은 직렬 저항을 제한할 수 있지만 투명 광전지 모듈, 특히, 큰 활성 구역(따라서 큰 직렬 저항)을 갖는 PV 모듈을 제조할 때는 다른 프로세스와 방법을 사용해야 한다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 PV 모듈의 직렬 저항을 감소시키거나 그렇지 않으면 전력 손실을 감소시켜 PV 모듈의 전체 효율을 향상시킨다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 투명(transparent)이라는 용어는 가시 광선의 적어도 부분적인 투과를 의미한다. 일반적으로 투명 PV 모듈의 전력 출력은 추가적인 직렬 저항의 도입에 의해 감소될 수 있다. 이러한 직렬 저항은 광활성(photoactive) 반도체로의 광 투과 및 모듈 자체를 통한 투과를 허용하기 위해 투명한 PV 모듈 및 모듈에 필요한 투명 전극의 고유 시트 저항으로 인해 발생할 수 있다. 종래의 PV 기술은 도전성이 매우 높은 불투명한 금속 전극, 모듈 구역에 걸친 도전성이 매우 높은 불투명한 모선을 통해 직렬 저항을 줄이고 모듈을 최적화된 치수의 서브 셀로 패터닝하여 동작 전류를 감소시킨다. 투명한 모듈 구역에 불투명한 전극 및 패턴화된 불투명 금속 모선을 적용하면 우수한 미감(투명성)과 성능(높은 직렬 저항) 간의 절충이 일어나고 이러한 접근법은 투명한 PV 모듈에는 바람직하지 않다. 또한, 투명 PV 모듈은 전형적으로 종래의 불투명 물질보다 높은 저항을 갖는 전극 물질을 사용하여, 직렬 저항(감소된 모듈 성능)이 증가함에 따라 모듈 면적이 증가하는 절충을 야기한다.
마지막으로, 모듈 구역을 서브 셀로 패턴화하면 투명 PV 모듈에 바람직하지 않을 수 있는 시각적 특징이 생길 수 있다. 본 명세서에서 논의된 모듈은 양호한 미감이 요구되고 두 개의 투명 전극이 채용되어야 할 때 투명 PV 모듈에 대한 직렬 저항 추가 및 모듈 효율 손실을 감소시키거나 최소화하기 위한 대안적인 접근법을 이용한다. 이러한 모듈은 데스크탑 모니터, 랩탑 또는 노트북 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 모바일폰, e-판독기 등에 사용되는 강하고 유연한 컴퓨터 디스플레이 스크린을 포함하는 다양한 애플리케이션에 사용될 수 있다. 다른 애플리케이션은 시계 면, 선루프를 포함하는 자동차 및 건축용 유리, 및 프라이버시 유리를 포함한다. 광전지 모듈은 능동적 발전(power generation), 예를 들어, 완전히 자체 구동되는 애플리케이션 및 배터리 충전(또는 배터리 수명 연장)을 위해 사용될 수 있다.
본 명세서에 기술된 실시예들은 전극, 모선 및 접촉부를 포함하는 다양한 PV 배열을 사용한다. 몇몇 실시예에서, 전극은 회로의 비금속성 부분과 접촉하는데 사용되는 전기 도체일 수 있다. 전극은 모듈의 활성 구역의 일부를 형성할 수 있고 모선 또는 다양한 유형의 접촉부와 접속되도록 활성 구역의 외부로 연장될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전극은 모선 및/또는 접촉부보다 높은 저항을 가질 수 있다. 전극의 시트 저항은 불투명 전극의 경우 mΩ/sq 범위이고 투명 전극의 경우 1 Ω/sq - 100Ω/sq 범위일 수 있다. 전극은 열 증발법(thermal evaporation), 전자 빔 물리 기상 증착(electron beam physical vapor deposition: EBPV), 스퍼터 증착(sputter deposition) 등과 같은 물리적 기상 증착(physical vapor deposition: PVD) 기술을 이용하여 제조될 수 있다. 불투명 전극 실시예들은 PVD에 의해 증착될 수 있는 알루미늄, 은 또는 금과 같은 금속을 포함할 수 있는데, 일반적으로 두께가 20nm 내지 300nm 범위이다. 몇몇 실시예에서, 투명 전극은 PVD에 의해 제조될 수 있고, 광 전송을 향상시키기 위해 다양한 두께(1nm - 300nm)로 유기(예를 들어, 작은 분자) 또는 무기 유전체 층(예를 들어, 금속 산화물)과 연결된 알루미늄, 은 또는 금(4 nm - 12 nm)과 같은 얇은 금속층을 포함한다. 투명 전극은 인듐 주석 산화물(indium tin oxide: ITO), 알루미늄 아연 산화물(aluminum zinc oxide: AZO), 안티몬 주석 산화물(antimony tin oxide: ATO), 불소 주석 산화물(fluorine tin oxide: FTO) 및 인듐 아연 산화물(indium zinc oxide: IZO)과 같은 도전성 산화물 물질의 PVD에 의해 제조될 수 있다. 또한 투명 전극은 다양한 용액-디포지션 기술(스핀 코팅, 블레이드 코팅, 스프레이 코팅)을 사용하여 디포짓될 수 있는 은(silver) 나노 와이어 및 나노-클러스터와 같은 다른 금속 나노 구조로 만들 수 있다. 투명 전극은 그라핀이나 탄소 나노튜브 층으로 만들 수도 있다. 금속은 투명 전극을 만들기 위해 다공성 그리드 또는 네트워크 구조를 형성하기 위해 구조화 또는 패턴화될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 모선은 전극과 접촉부 사이에 전류를 이송하기 위한 경로를 제공하는 도체일 수 있다. 모선은 금속성 바(bar) 또는 스트립(strip)일 수 있고, 또한 상이한 경로 패턴들을 형성하기 위해 디포짓 및 패턴화될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 모선은 불투명할 수 있고 모듈의 활성 구역의 외부에 존재할 수 있다. 모선은 전극보다 낮은 저항을 가질 수 있고 접촉부 컴포넌트보다는 높은 저항을 가질 수 있다. 모선은 예를 들어 Ag 또는 Al의 얇은 금속 층, 전도성 은 페이스트 또는 에폭시 등을 비롯한 다양한 물질로 제조될 수 있다. 모선을 통한 저항은 물질, 물질 두께, 모선의 측방향 레이아웃 및 치수(예를 들어, 전극과 접촉 포인트 사이의 모선의 폭 및 길이)에 좌우될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 모선은 저항을 낮추기 위해 100nm 이상의 두께를 갖는, 은, 알루미늄, 금, 구리 또는 다른 PVD 기술을 사용하여 디포짓된 다른 고 도전성 금속의 금속 필름 층을 포함할 수 있다. 모선은 용제(solvent) 또는 에폭시 매질 내의 은의 에멀젼일 수 있는 도전성 페이스트 또는 에폭시를 사용하여 제조될 수 있다. 도전성 페이스트 또는 에폭시는 수동으로 또는 잉크젯 프린팅 또는 스크린 프린팅과 같은 기술을 사용하여 패턴화될 수 있다. 기판이 패턴화된 모선으로 사전 프린팅될 수도 있고 모선이 다른 PV 모듈 층 중에 또는 그 후에 추가될 수 있다.
몇몇 실시예에서는, 이하에서 더 설명하는 바와 같이, 모선 및/또는 전극(450)은 하나 또는 그 이상의 접촉부에 전기적으로 연결될 수 있다. 접촉부들은 모듈의 전극들 또는 모선들과 외부 회로 사이의 전기적 접속이 이루어지는 PV 모듈의 포인트들을 나타낼 수 있다. 모듈에 대한 접촉은 일시적, 반영구적 또는 영구적일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 와이어, 핀, ZEBRA 커넥터 등과 같은 접촉 컴포넌트는 매우 낮은 저항(<1Ω, 바람직하게는 컴포넌트의 길이에 걸쳐 mΩ 범위)일 수 있다. 저항은 커넥터의 유형 및 치수(예를 들어, ZEBRA 커넥터의 와이어 또는 도전성 물질의 길이)에 의존할 수 있다. 접촉부는 전극 또는 모선에 접속될 수 있고 부하(load)를 테스트하거나 전원을 공급하기 위한 모듈에 접속하는데 사용되는 회로 또는 기타 컴포넌트로 전하를 이송할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들에서, PV 모듈에 있어서 전하 손실을 감소시키기 위한 많은 잠재적 지점들이 존재한다. 특정 실시예에서는, 설계, 물질, 구성 및 컴포넌트가 상이한 저항 손실들을 최소화하도록 변경될 수 있다. 일반적으로 다음과 같은 저항 손실을 고려할 수 있다: 상부 및 하부 전극 저항으로부터의 손실, 전극으로부터 모선 또는 전극으로부터 접촉부까지의 저항으로부터의 손실, 모선 저항으로부터의 손실, 모선으로부터 접촉부까지의 저항으로부터의 손실, 접촉 컴포넌트로부터의 손실, 및 기타 전기적 접속 및 컴포넌트로부터의 손실.
본 발명의 실시예들에 의하면, 전극 대 모선/접촉부 또는 모선 대 접촉부 사이의 접촉 저항은 상대적으로 작을 수 있다. 접촉 컴포넌트 및 기타 전기적 컴포넌트에서의 손실은 전극 및 모선 저항과 비교하여 무시할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 1차(primary) 저항성 손실은 모선 저항을 수반하는 전극 저항으로부터 비롯될 수 있다. 저항으로 인한 전력 손실은 셀 및 접촉 레이아웃의 치수 및 형상 뿐만 아니라 전극 및 모선의 전기적 특성에 따라 달라질 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 의한 광전지 셀의 활성 구역의 개념도이다. 광전지 셀(100)은 단순한 접촉 구성을 갖는 단일 셀에 대한 모듈 파라미터와 전력 손실 사이의 관계를 설명하는데 사용될 수 있다. 광전지 셀(100)은 높이 h(112) 및 폭 w(114)를 갖는 활성 구역(110)을 포함한다. 활성 구역은 하나 또는 그 이상의 전극, 하나 또는 그 이상의 활성층, 및 하나 또는 그 이상의 상호 접속(interconnect)을 탠덤(tandem) 구조로 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 하나 또는 그 이상의 전극은 투명할 수 있다. 광전지 셀(100)은 또한 활성 구역(110)의 제1 측면(116)을 따라 제1 모선(120)을 포함한다. 예시된 실시예에서, 전극의 시트 저항으로부터의 전력 손실은 일반적으로 전력 손실에 대한 일반식인 수식 (1)로부터 계산될 수 있다:
(1)
전류는 셀 활성 구역(110) 전체에 걸쳐 생성된다. 제1 모선(120)으로부터 서로 다른 거리에서 전하가 발생되기 때문에 전류 손실은 발생된 모든 전하에 대해 동일하지 않을 것이다. 수식 (2) 내지 (5)는 전력 손실을 활성 구역(110)의 폭(114)에 관련시키기 위해 전력 손실을 y(130)에 대해 적분한다.
(2)
Figure pct00002
(3)
Figure pct00003
(4)
Figure pct00004
(5)
Figure pct00005
여기서 ρ는 전극의 저항률(resistivity)이다.
광전지 셀(100)에 의해 생성된 전력은 수식 6을 사용하여 계산될 수 있다:
(6)
Figure pct00006
여기서 JMP는 최대 전력 포인트에서의 전류 밀도이고 VMP는 최대 전력 포인트에서의 전압이다.
전력 손실 비율은 손실된 전력을 생성된 전력으로 나눈 값이다:
(7)
Figure pct00007
전극의 시트 저항(Rsh)은 전극의 저항률에 정비례하고 전극의 특성을 나타내는 척도로서 사용될 수 있다. 다른 실시예에서는, 저항률이 전극의 특성을 나타내는 척도로서 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서는, 최대 전력 포인트에서 동작하도록 부착된 회로가 전압 및/또는 전류를 제어할 수 있다. 적절한 레벨에서 광전지 셀 전류 및 전압을 작동하면 모든 조건에서 전력 추출을 극대화할 수 있다.
다양한 모듈 특성에 대한 변화는 광전지 셀(100)의 전력 손실에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 수식 (7)에 나타난 바와 같이, 전력 손실 퍼센트는 셀 폭의 제곱에 비례하고, 전류에 선형적으로 비례하고, 전압에 역으로 비례한다. 몇몇 실시예는 큰 광전지 셀(100)의 성능 저하를 최소화하기 위해 낮은 전류 및 높은 전압을 갖는 광전지 셀 설계를 구현한다.
도 1b는 활성 구역 시트 저항의 저항성 전력 손실에 대한 영향을 도시한다. 도 1b에 도시된 결과는 최대 전력 포인트에서의 전류 밀도 JMP가 3 mA/cm2이고 VMP가 1.2 V라는 가정에 기초한다. x축(152)은 셀 폭 w(114)를 나타낸다. y축(l54)은 저항성 전력 손실 퍼센트를 나타낸다. 플롯(150)은 복수의 곡선(156)을 포함하고, 각각의 곡선은 Ω/sq 단위의 상이한 시트 저항 값과 연관된다. 각 곡선과 연관된 값은 기호 설명표(158)에 요약되어 있다. 도 1b는, 변경없이, 광전지 셀(100)의 폭 w(114)가 증가함에 따라 저항성 전력 손실이 계속 증가할 것임을 보여준다.
몇몇 실시예에서, 투명 전극의 시트 저항은 모듈 구역 스케일링에서의 제한 요소일 수 있다. 본 발명의 실시예들은 높은 도전성(즉, 낮은 시트 저항) 및 낮은 흡수 손실(즉, 낮은 흡수 계수)의 조합을 제공하는 투명 전극을 이용한다.
수식 (8)은 전력 손실에 대한 일반 공식으로 시작하여 다음을 제공한다:
(8)
Figure pct00008
생성된 모든 전하가 모선(120)에 의해 양쪽 단부의 접촉 포인트로 이송된다면, 모선에서의 전력 손실은 x-방향(136)의 길이 L에 걸쳐 적분함으로써 계산될 수 있다:
(9)
Figure pct00009
(10)
Figure pct00010
(11)
Figure pct00011
(12)
Figure pct00012
총 발생 전력은 다음과 같이 계산될 수 있다:
(13)
Figure pct00013
전력 손실의 비율 P%loss-busbar는 손실 전력 Ploss-busbar를 발생된 전력 Pgen-busbar로 나눈 값이다.
(14)
Figure pct00014
수식 (14)는 전력 손실이 모선 길이 L(134) 제곱과 전류 JMP에 정비례함을 보여준다. 전력 손실은 전압에 반비례한다. 몇몇 실시예는 낮은 전류 및 높은 전압으로 동작하여 전극 저항으로 인한 성능 손실을 최소화하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 모선은 모듈 전극 저항에 기인한 손실과 비교하여 무시할 수 있는 전력 손실을 초래하는 저 저항 물질로 제조될 것이다.
몇몇 실시예에서, 제2 모선(도시되지 않음)은 활성 구역(110)의 다른 에지 상에 제조될 수 있다. 특정 실시예에서, 제2 모선은 제1 측면(116)에 대향하는 활성 구역(110)의 제2 측면(118)과 전기적으로 접촉할 수 있다. 이 실시예에서, 전하가 이동해야 하는 최대 폭은 절반이 되어, 유효 폭은 w/2가 된다. 수식 (5)의 결과에서 2 모선 광전지 셀(100)의 유효 폭을 w에 대입하면, 활성 구역(110)에 걸친 전력 손실은 다음과 같이 된다:
(15)
Figure pct00015
감소된 전하 이동 거리는 전극 저항으로 인한 전력 손실을 감소시킨다. 감소된 전력 손실의 원인은 수식 (15)의 최종 단계에서 유효 폭 w/2의 결과로서 증가된 분모이다. 따라서, 2모선 광전지 셀에서 전력 손실 퍼센트는 다음과 같이 된다:
(16)
Figure pct00016
따라서, 2 모선 구성에서의 전력 손실 퍼센트는 수식 (7)에 나타난 전력 손실의 25%로 감소된다. 본 명세서에서 설명된 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예들은 전하 이동 거리를 감소시켜 이에 따라 전력 손실 비율을 감소시킨다.
종래의 PV에서, 배면 전극은 전형적으로 불투명한 고 도전성 금속 전극이다. 그러나, 투명 PV 실시예는 상부 및 하부 전극 모두가 투명해야 하고, 고 도전성인 금속 전극은 통상적으로 사용될 수 없다. 불투명한 금속 전극에 비해 투명 전극의 시트 저항이 크기 때문에, 투명 PV에 대해서 관찰된 저항성 전력 손실이 증가할 수 있다.
투명 전극으로부터 증가된 시트 저항의 영향을 최소화하기 위한 하나의 접근법은 활성 구역 위에 금속 모선을 통합하는 것이다. 이들은 활성 모듈 구역의 일부분을 덮도록 인쇄될 수 있지만, 보이는 외관을 변경하고 모듈을 통한 전반적인 투과를 감소시키는 가시적인 라인 형상을 생성할 수 있다. 활성 구역 내의 금속 그리드의 전형적 배열은 수 센티미터에 걸쳐 정의된 거시적으로 정의된 모선 어레이, 육각형 또는 줄무늬로서 정의된 더 작은 그리드 어레이 등을 포함할 수 있다. 어떤 경우든 그리드 어레이가 시야를 방해한다.
전력 손실을 최소화하기 위한 두 번째 접근법은 모듈 구역을 시리즈 집적형(series-integrated) 서브 셀들로 세분화하는 것이다. 모듈 구역을 세분화하면 각 셀의 전하 이동 거리가 줄어들고, 시리즈 집적은 낮은 전류(단일 서브 셀의 전류) 및 높은 전압(서브 셀 전압의 합)에서 PV가 작동하게 하여 저항성 전력 손실을 최소화하도록 돕는다. 각 서브 셀은 상부 전극, 활성층 및 하부 전극을 포함한다.
도 2a는 직렬로 8개의 서브 셀을 갖는 모놀리식(monolithic) 시리즈 집적형 태양 전지(200)의 예를 도시한다. 도 2b는 도 2a에 도시된 모놀리식 시리즈 집적형 태양 전지의 일부의 확대 평면도를 도시한다. 도 2b에, 전기적 격리 라인(214)에 의해 제2 하부 전극(212)으로부터 분리된 제1 하부 전극(210)이 도시되어 있다. 몇몇 실시예에서, 제1 및 제2 하부 전극 중 하나 또는 그 이상은 높은 도전성의 금속 전극일 수 있다. 각각의 하부 전극은 활성층과 전기적으로 접촉한다. 몇몇 실시예에서, 광전지 물질 활성층은 텔루르화 카드뮴(cadmium telluride), 실리콘, 유기 반도체 등으로 구성될 수 있다. 도 2b에서, 제1 하부 전극(210)은 제1 활성층(220)과 전기적으로 접촉하고 제2 하부 전극(212)은 제2 활성층(222)과 전기적으로 접촉한다. 각각의 셀은 활성층과 전기적으로 접촉하는 상부 전극을 포함할 수 있다. 도 2b에서, 제1 활성층(220)은 제1 상부 전극(230)과 전기적으로 접촉하고, 제2 활성층(222)은 제2 상부 전극(232)과 전기적으로 접촉할 수 있다.
도 2c는 도 2a의 라인 2C에서의 구조의 단면을 도시한다. 이 단면도는 개별 셀들이 어떻게 직렬로 연결될 수 있는지를 보여준다. 첫째, 전기적 격리 라인(214)은 제1 하부 전극(210)과 제2 하부 전극(212) 사이에서 볼 수 있다. 제1 활성층(220)은 제1 하부 전극(210) 및 제1 상부 전극(230)과 전기적으로 접촉하는 것으로 도시된다. 제1 활성층(220)과 제2 활성층(222) 사이의 갭(240)은 제1 상부 전극 (230)이 서브 셀 사이의 제2 하부 전극(212)과 접촉하게 하여 셀들 간의 직렬 접속을 생성한다.
광전지 셀의 서브 셀 최적화는 유기 광전지 모듈의 직렬 저항을 제한하는데 사용될 수 있다. 유기 광전지 모듈(OPV)을 포함하는 몇몇 실시예에서, 불투명한 OPV가 제조될 수 있다. 불투명한 OPV를 갖는 실시예에서, 전극들 중 하나, 예를 들어 하부 전극(210)은 불투명할 수 있고 높은 도전성 금속 전극으로 제조될 수 있는 한편, 제2 전극, 예를 들어, 상부 전극(230)은 투명한, 일반적으로 도전성이 더 낮은 전극 물질로 만들어질 수 있다. 불투명 OPV를 포함하는 실시예에서, 직렬 저항을 감소시키기 위해 OPV 모듈 상에 금속 모선의 어레이가 인쇄될 수 있다.
서브 셀 모듈 구성은 저항성 전력 손실을 감소시킬 수 있지만, 상호 접속 영역에서의 면적 손실을 가져오고 투명 PV 애플리케이션에 바람직하지 않을 수 있는 가시 패턴을 초래한다. 몇몇 실시예에서, 보이는 외관은 활성 구역 내의 전기적 격리 라인(214)에 의해 손상될 수도 있다. 더 넓은 전기적 격리 라인(214)의 추가는 설계 및 제조 공차(tolerance)를 증가시키지만, 더 넓은 라인은 더 큰 가시성을 갖고 비활성 상태이므로 전체 전류 생성 구역에서 손실을 초래하고 모듈 효율을 감소시킨다.
몇몇 실시예에서, 모놀리식 시리즈 집적형 솔라 모듈(200)에 비해 단일 셀 모듈(300)을 제조하는 것은 모듈의 중앙 활성 구역에 존재하는 패터닝 라인을 제거한다. 투명 PV의 많은 애플리케이션의 경우, 이 중앙 영역은 투명하고 시각적 패턴이 없어야 한다. 중앙 영역에서의 바람직하지 않은 패터닝 라인의 예는 도 2c의 전기적 격리 라인(214)에 의해 예시된다.
패터닝 라인은 또한 중앙 모듈 구역의 내측 또는 외측에 있는 전극 및 활성층의 에지를 포함할 수 있지만, 성능을 저하시키거나 모듈이 기능하지 못하게 할 수 있는 잠재적인 전기적 단락 위치들을 포함할 수 있기 때문에 제조상 숙고가 요구된다. 하부 전극 및 상부 전극을 격리할 뿐만 아니라 활성층으로부터 물질을 제거하여 접촉 경로를 제공하기 위해서, 패터닝 라인은 섀도우 마스킹, 레이저 스크라이빙(laser scribing), 또는 다른 기술을 이용하여 제조될 수 있다. 도 3a 및 3b는 시리즈 집적형 모듈과 비교하여 단일 셀 모듈에서 사용되는 패터닝 라인의 감소된 수 및 길이를 도시한다. 도 3a는 단일 셀 모듈(300)의 평면도이다. 모듈 내의 형상의 에지와 연관된 패터닝 라인(310)은, 성능을 저하시키거나 모듈이 기능하지 못하게 할 수 있는 잠재적 단락(shorting) 위치가 존재하는 단일 셀 모듈(300)의 영역을 나타낸다. 몇몇 실시예에서, 단일 셀 모듈(300)은 상부 전극(320) 및 활성층(330)의 둘레와 관련된 다수의 패터닝 라인을 가질 것이다.
도 3b는 8 서브 셀을 갖는 시리즈 집적형 모듈(350)의 평면도이다. 시리즈 집적형 모듈(350)의 각각의 개별 서브 셀과 연관된 패터닝 라인(310)이 존재한다. 도 3b에 도시된 통합형 모듈에서, 패터닝 라인은 모듈의 활성 구역의 둘레와 연관되고 모듈의 활성 구역 내에 배치된다. 단일 셀 모듈(300)과 대조적으로, 시리즈 통합형 모듈(350)은 2.5배 많은 패터닝 라인(310)을 갖는다. 단일 셀 모듈(300) 내의 패터닝 라인(310)의 감소된 수는 다음을 포함하여 몇 가지 이점들을 제공할 수 있다: 접촉 방식의 복잡성을 감소; 비-표준 및 비-직사각형 애플리케이션 형상의 구현; 면적당 마스크 에지 접촉을 감소; 전력 발생에 기여하지 않는 사각 지대의 감소; 및 향상된 미감(aesthetics).
서브 셀은 모듈의 활성 구역에서 생성된 전하의 이동 거리를 감소시키는데 사용될 수 있지만, 단일 셀 모듈의 전하 이동 거리를 감소시키기 위해 몇가지 기술이 적용될 수 있다. 예를 들어, 전하 이동 거리를 줄이기 위해 조정될 수 있는 파라미터들은 모듈 형상의 종횡비, 전극의 저항률, 모선 물질 등을 포함한다.
도 4a 내지 4d는 4개의 상이한 접촉 구성에서 접촉부의 수가 증가하는 단일 셀 모듈에서의 전하 이동 방향을 도시한다. 다양한 구성은 PV 셀에서 사용되는 두 개의 전극 중 하나만을 기준으로 한 전하 이동 거리에 대한 접촉 에지의 영향을 나타낸다. 도 4a 내지 4d는 간략화를 위해 단지 하나의 전극만을 도시하지만, 그러한 구성은 광전지 활성 물질 층 및 제2 카운터 전극으로 중첩될 수 있다. 실제로는, 각 전극에 맞게 접촉부 및 모선 패턴이 사용되고 최적화될 수 있다. 예를 들어, 두 전극 모두 최적화된 전하 추출을 위한 전체 둘레 접촉부를 갖거나, 또는 저항 손실을 더 잘 매칭시키기 위해 더 높은 저항 전극과 더 많이 접촉하도록 상부 및 하부 전극 사이에서 둘레 접촉의 양이 변경될 수 있다.
도 4a는 전극(450)을 위한 제1 모선 또는 접촉부(410)을 포함하는 제1 접촉 구성(401)을 도시한다. 도 4b는 제1 접촉부(410) 및 제2 접촉부(412)를 포함하는 제2 모선 또는 접촉 구성(402)을 도시한다. 도 4c는 제1 접촉부(410), 제2 접촉부(412) 및 제3 접촉부(414)를 포함하는 제3 모선 또는 접촉 구성(403)을 도시한다. 도 4d는 제1 접촉부(410), 제2 접촉부(412), 제3 접촉부(414) 및 제4 접촉부(416)를 포함하는 제4 모선 또는 접촉 구성(404)을 도시한다. 각각의 구성에서, 전하 이동 거리는 전극(450)과 전기적으로 접촉하는 접촉부의 수 및 위치에 좌우될 수 있다.
도 4a 내지 4d에 도시된 실시예들은 전류가 어떻게 모듈의 전체 활성 구역 전체에 걸쳐 생성되는지 그리고 에지 또는 전극(450)의 주변부의 접촉 포인트로 어떻게 이동해야 하는지를 예시한다. 전극(450)의 둘레 주위에 배치된 접촉부 및 모선의 위치는 전하가 셀 내의 다양한 위치에서 이동하기 위한 최단 이동 거리를 제공하도록 조정될 수 있다. 예를 들어, 제1 구성(401)에서, 도 4a를 참조하면, 전극(450)의 활성 구역 내의 모든 전하는 제1 방향(420)으로 이동하여 제1 접촉부(410)에 도달한다. 이 구성에서, 전극(450)의 대향하는 에지(452) 부근의 전하는 전극(450)을 가로지르는 전체 거리를 이동하여 제1 접촉부(410)에 도달한다. 이 구성은 보다 높은 시트 저항 및 증가된 전력 손실을 초래한다. 제2 접촉 구성(402)에서, 도 4b를 참조하면, 제2 접촉부(412)는 전극(450) 상의 전하가 제2 방향(422)으로 이동하는 것을 가능하게 한다. 상기한 바와 같이, 제2 접촉부(412)는 유효 폭을 감소시키고 전하는 더 짧은 거리를 이동하여 전력 손실을 감소시킬 수 있다. 제2 접촉 구성(402)과 같은 2개의 접촉부를 갖는 구성에서, 임의의 전하가 이동해야 하는 가장 긴 거리는 제1 구성(401)과 같은 단일 접촉부의 절반이다. 제3 접촉 구성(403)(도 4c 참조)과 제4 접촉 구성(404)(도 4d 참조)은 제3 방향(424)과 제4 방향(426)을 제공하여 전극(450) 상의 전하의 이동 거리를 더욱 감소시킨다. 몇몇 실시예에서, 전체 둘레 접촉부를 갖는 것은 내부 버스 또는 다른 설계 요소를 추가함이 없이 임의의 단일 셀에 대한 전력 손실을 최소화할 수 있다. 전체 둘레 접촉으로, 에지 접촉부까지의 모든 전류 경로 거리가 최소화된다.
전극(450)은 회로의 비금속부, 예를 들어, 유기 광전지 물질 층과 접촉하기 위해 사용되는 전기 도체일 수 있다. 전극(450)은 모듈의 활성 구역의 일부를 형성하고, 모선 또는 다양한 유형의 접촉부(예를 들어, 410, 412, 414, 416)와 접속하도록 활성 구역의 외부로 연장될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전극의 시트 저항은 일반적으로 불투명한 전극에 대해서는 mΩ/sq 범위이고, 투명 전극에 대해서는 대체로 1Ω/sq-100Ω/sq 범위이다. 몇몇 실시예에서, 전극(450)은 모선 및/또는 접촉부(410, 412, 414, 416)보다 높은 저항을 가질 수 있다. 전극(450)은 열 증발법(thermal evaporation), 전자 빔 물리 기상 증착(EBPV), 또는 스퍼터 증착(sputter deposition) 등과 같은 물리적 기상 증착(PVD) 기술을 이용하여 제조될 수 있다.
도 4a 내지 도 4d에 도시된 정사각형 단일 셀 모듈 구성은 예시적인 것이며, 모듈의 높이, 폭 및 형상은 변경될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 접촉 구성은 특정 애플리케이션의 요구 사항에 기초하여 결정될 수 있다. 도 4a 내지 도 4d에 도시된 단일 셀 모듈 중 임의의 것은 피트니스 트래커, 펄스 추적기 밴드, 시계, 충전 기능이 있는 피트니스 암 밴드(armband), 국지적 전원이 필요한 안경, 웨어러블 헤드업 디스플레이, 웨어러블 LED 장신구, 의료용 모니터링 패치, 내장 핸드폰 비상 충전기, 전자 라벨 등에 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 단일 셀 모듈의 크기 범위는 2 내지 5 cm 일 수 있다. 단일 셀 모듈은 더 큰 크기로도 만들 수 있지만 전하 이동 거리가 증가할 것이다. 일반적으로, 투명 단일 셀 모듈은 정보 디스플레이 시스템에 통합되어 연관된 시스템을 위한 전하를 발생시킬 수 있다. 크기에 대한 제한은 의도된 애플리케이션 및 사용된 모듈 스택 구조에 대한 전력 요건에 달려있다.
도 5는 상이한 둘레 접촉 구성들에 대한 전하 이동 거리의 무차원(dimensionless) 비율을 나타내는 표를 도시한다. 표 500에는 x-방향 및 y-방향으로 1000-포인트 메쉬로부터 계산된 내용이 포함된다. 가장 가까운 전극까지의 거리는 각 포인트에 대해 계산되고 거리는 메쉬의 모든 포인트에 대해 합산된다. 각 구성에 대한 표에 기록된 수는 주어진 구성에 대한 포인트들의 합계 거리와 하나의 전체 에지를 따라 단일 접촉부를 갖는 구성에 대한 포인트들의 합계 거리의 비율이다. 표 500은 서로 다른 전극 구성을 베이스라인인, 하나의 전체 에지 접촉 구성에 대해 비교하기 위한 무차원 비율로서 각 모선 구성에 대한 포인트 거리의 감소를 보여준다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 의한 2개의 접촉부를 갖는 예시적인 단일 셀 모듈의 단면도이다. 단일 셀 모듈(600)은 제1 전극 층(610), 제1 전극 패드(612) 상의 접촉 포인트(614), 하나 또는 그 이상의 광전지 물질 층(620), 제2 전극 층(630), 및 제2 전극 패드(632) 상의 접촉 포인트(634)를 포함한다. PV 셀은 하부 층으로 시작하여 상부 층에 도달할 때까지 요소를 추가하는 층형성(layering) 프로세스를 사용하여 제작할 수 있으므로, 셀의 제1 요소와 제2 요소에 대한 참조를 하부 및 상부 요소라고 할 수도 있다. 명확성을 위해, 본 명세서의 참조는 다양한 도면에서 하부/상부(bottom/top) 명명법을 사용하지만, 우측/좌측(right/left) 명명법이 적합할 수 있는 다른 제조 프로세스 및 셀 설계가 이용될 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 이용되는 하부/상부 명명법은 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니며 단지 명확성을 위해 제1/제2(first/second) 명명법으로 이용된다.
몇몇 실시예에서, 활성 구역이라고도 할 수 있는 중앙 투명 구역(650)은 상부 전극(630), 하나 또는 그 이상의 광전지 물질 층(820), 및 하부 전극(610)의 중첩 부분을 포함할 수 있다. 단일 셀 모듈(600)은 단일 접촉 포인트를 사용하여 음극과 양극을 접촉시키는 방법을 나타낸다. 도6a 및도 6b에 도시된 실시예에서, 접촉부들은 상호 연계되지 않고 중첩되지 않는다(각각 이하에서 더 설명됨).
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 의한 두 개의 접촉부를 갖는 예시적인 단일 셀 모듈의 평면도이다. 몇몇 실시예에서, 하부 전극(610)과 중앙 투명 구역 사이의 전기적 접촉은 중앙 투명 구역(650)의 제1 측면(652)을 따라 연장될 수 있고 상부 전극(630)과 중앙 투명 구역 사이의 전기적 접촉은 중앙 투명 구역(650)의 제2 측면(654)을 따라 연장될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 제1 전극 패드(612) 상에 형성된 접촉 포인트(614) 및 제2 전극 패드(632) 상에 형성된 접촉 포인트(634)는 본 명세서에 기술된 바와 같이 모선 또는 다른 접촉부에도 사용될 수 있는 저 저항 물질을 사용하여 제조될 수 있다.
도 7은 단일 셀 모듈의 서로 다른 2-접촉 구성에 대한 전하 이동 거리의 무차원 비율을 나타낸다. 이 구성에는 정사각형 단일 셀 모듈의 각 전극에 하나의 접촉부 또는 모선이 존재하는 2 접촉 레이아웃에 대한 서로 다른 설계가 포함된다. 모서리 접촉부 구성(704) 및 C-형 접촉부 구성(706)은 대향하는 측면 상의 각각의 전극에 대해 단일 접촉부가 존재하는 제1 구성(702)과 비교된다. 테이블(700)은 모서리 접촉부 구성(704)을 제1 구성(702)과 비교할 때 이동 거리가 감소되는 것을 보여준다. 테이블(700)은 C-형 접촉부 구성(706)을 제1 구성(702)과 비교할 때 이동 거리가 더 감소될 수 있음을 보여준다. 몇몇 실시예에서, C-형 접촉부 구성은 c-형 도전성 물질 영역으로 구성될 수 있다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 의한 상호 연계된 접촉 패드를 갖는 예시적인 단일 셀 모듈의 단면도이다. 단일 셀 모듈(800)은 하부 표면(811) 및 대향하는 상부 표면을 포함하는 하부 전극(810)을 포함할 수 있다. 하부 전극(810)의 근접한 중앙 영역(814)은 근접한 중앙 영역을 둘러싸는 한 세트의 전극 패드에 전기적으로 연결된다. 도 8a에서, 한 세트의 하부 전극 패드의 일 예로서 하부 전극 패드(812)가 도시되어 있다.
몇몇 실시예에서, 하부 전극(810)은 근접한 중앙 영역(814) 및 하부 전극 패드(812)로 표시되는 상기 한 세트의 전극 패드로부터 전기적으로 격리된 하나 또는 그 이상의 격리된 전극 패드(832)를 또한 포함할 수 있다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 하나 또는 그 이상의 저 저항 접촉 포인트(816 및 836)는 하부 전극 패드(812) 및 격리된 전극 패드(832) 상에 형성될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 단일 셀 모듈(800)은 상부 표면(821) 및 대향하는 하부 표면을 포함하는 하나 또는 그 이상의 광전지 물질 층(820)을 포함할 수 있다. 광전지 물질 층의 근접 중앙 영역(822)이 도시되어 있다. 몇몇 실시예에서, 단일 셀 모듈(800)은 또한 상부 표면(831) 및 대향하는 하부 표면을 갖는 상부 전극(830)을 포함할 수 있다. 상부 전극(830)의 근접 중앙 영역(836)은 근접 중앙 영역을 둘러싸는 한 세트의 전극 패드에 전기적으로 연결된다. 도 8a에서, 한 세트의 상부 전극 패드의 일 예로서 상부 전극 패드(838)가 도시되어 있다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 근접 중앙 영역의 주변부로부터 연장되거나 그 외측에 배치된 전극 패드는 근접 중앙 영역에 대한 전기적 접촉 및 전극 패드에 전기적으로 연결된 접촉 포인트를 제공한다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 상부 전극(830)은 격리된 전극 패드(832)에 전기적으로 연결될 수 있다.
다시 도 8a를 참조하면, 단일 셀 모듈(800)의 중앙 투명 구역(850)은 하부 전극, 광전지 물질 층 및 상부 전극의 각각의 근접 중앙 영역(814, 822, 및 836)의 중첩에 의해 정의될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 단일 셀 모듈(800)의 중앙 투명 구역(850)은 스펙트럼의 자외선 및/또는 적외선 부분의 광을 흡수하는 한편 가시광에 대해서는 투명할 수 있다.
도 8b는 본 발명의 일 실시예에 의한 상호 연계된 접촉 패드를 갖는 예시적인 단일 셀 모듈의 평면도이다. 몇몇 실시예에서, 하부 전극(810) 및 상부 전극(830)에 대한 전기적 접촉부는 음극 및 양극 모두를 위한 모든 에지 상에 상호 연계된 쌍의 접촉 포인트(840)를 갖는 다수의 상호 연계된 쌍의 전극 패드(812/832)를 사용하여 구현될 수 있고, 여기서 음극 및 양극은 하부 전극(810) 및 상부 전극(830)에 대응한다. 단일 쌍의 상호 연계된 접촉 포인트(840)는 상부 전극(830)에 연결된 격리된 전극 패드(832) 및 하부 전극에 연결된 하부 전극 패드(812) 상에 형성된 접촉 포인트들일 수 있다. 몇몇 실시예에서, "상호 연계된"이라는 용어는 상부 전극(830)에 연결된 격리된 전극 패드(832) 및 하부 전극 패드(812)의 교차하는 패턴을 묘사할 수 있다.
도 8b는 정사각형 단일 셀 모듈(800)의 4개의 모든 측면에 음극 및 양극을 위한 4쌍의 전극 패드를 갖는 일 예를 도시한다. 예를 들어, 격리된 전극 패드(832)는 상부 전극(830)의 근접 중앙 영역의 주변부로부터 연장되는 상부 전극 패드(838)에 전기적으로 연결되고, 하부 전극 패드(812)는 하부 전극(810)의 근접 중앙 영역에 전기적으로 연결된다. 격리된 전극 패드(832)와 하부 전극 패드(812)는 모두 그 위에 형성된 저 저항 접촉 포인트(816)를 가질 수 있다. 접촉 포인트는 전극 층으로부터 연장되거나, 전극 층과 동일 평면 상에 있거나, 리세스될 수 있다. 따라서, 도 8b에서, 16개의 총 접촉 포인트(816)가 각 전극을 위해 제공되고, 단일 셀 모듈(800)의 각 에지 상에 8개의 총 접촉 포인트(양 전극을 위한 접촉 포인트를 포함함)가 제공되어, 결과적으로 측면당 4쌍의 상호 연계된 접촉 포인트(840)가 제공된다. 필요에 따라 전극 패드 및 접촉 포인트의 수를 늘리거나 줄일 수 있다.
도 8c 내지 도 8n은 도 8b에 도시된 상호 연계된 단일 셀 모듈의 각 층의 분해(breakout)를 도시한다. 도 8c는 단일 셀 모듈의 제1 층을 도시한다. 몇몇 실시예에서, 제1 층은 하부 전극(810)을 포함한다. 하부 전극(810)은 모듈의 각 에지 상의 4개의 하부 전극 패드(812)로 연장되는 주변부(813)를 갖는 근접 중앙 영역(814)을 포함할 수 있다. 하부 전극 패드(812)는 하부 전극(810) 상의 접촉 포인트(860)를 위한 위치를 제공할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 하부 전극(810)은 근접 중앙 영역(814) 및 하부 전극 패드(812)로부터 전기적으로 격리된 하나 또는 그 이상의 격리된 전극 패드(832)를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 격리된 전극 패드들(832)은 하부 전극 패드들(812)(예를 들어, 모듈의 각 측면 상에 4개)과 상호 연계될 수 있다. 하나 또는 그 이상의 격리된 전극 패드(832)는 상부 전극(830)에 전기적으로 연결된 접촉 포인트(860)을 지지할 수 있고, 하부 전극 패드(812)와 함께 상호 연계 방식으로 전극 패드 쌍을 형성한다. 셀에 접속되지 않은 4개의 격리된 모서리 패드는 기판 전체에 균일한 색 및 광학 효과를 제공하도록 제조될 수 있다. 4개의 격리된 모서리 패드들 중 하나에 도시된 모서리 마크(818)는 프로세싱 중에 기판을 배향시키는데 도움을 줄 수 있고 기판의 상부 및 하부 측에 대한 시각적 가이드로서 작용한다. 도 8d는 제1 층을 포함하는 부분적으로 제조된 제1 단일 셀 모듈(801)을 도시한다.
도 8e는 단일 셀 모듈의 제2 층을 도시한다. 제2 층은 하나 또는 그 이상의 광전지 물질 층(820)을 포함할 수 있고 하부 전극 중앙 영역(814) 위에 위치될 수 있다. 광전지 물질 층(820)은 모듈에 대한 활성 구역에 대응하는 중앙 투명 구역(822)을 포함할 수 있다. 광전지 물질 층(820)의 일부는 근접한 중앙 영역(814)의 주변부(813)를 넘어 연장되어 하부 전극 패드(812) 및 격리된 전극 패드(832)의 일부를 덮을 수 있다. 광전지 물질 층(820)은 상부 전극(830)과 하부 전극(810) 사이의 전기적 접촉을 방해하는 전기 절연체로서 작용할 수 있다. 도 8f는 하부 전극 중앙 영역(814)과 활성 구역 중앙 구역(822)이 실질적으로 정렬되도록 형성된 제1 층 및 제2 층을 포함하는 부분적으로 제조된 제2 단일 셀 모듈(802)을 도시한다.
도 8g는 단일 셀 모듈의 제3 층을 도시한다. 제3 층은 상부 전극(830)을 포함할 수 있다. 상부 전극(830)은 단일 셀 모듈의 활성 구역에 대응할 수 있는 상부 중앙 영역(836)을 갖는 하나 또는 그 이상의 광전지 물질 층(820)의 상부에 형성될 수 있다. 상부 전극(830)은 상부 중앙 영역(836)으로부터 연장되어 기판의 에지에 근접하여 배치된 선택적인 하나 또는 그 이상의 격리된 전극 패드(832)에 연결되는 하나 또는 그 이상의 상부 전극 패드(838)를 포함할 수 있다. 도 8h는 하부 전극 중앙 영역(814), 활성 구역 중앙 영역(822), 및 상부 중앙 영역(836)이 실질적으로 정렬되도록 형성된 제1, 제2 및 제3 층을 포함하는 부분적으로 제조된 제3 단일 셀 모듈(803)을 도시한다.
도 8i는 단일 셀 모듈의 제4 층을 도시한다. 제4 층은 캐비티 유리(cavity glass)(840) 또는 모듈 층 위에 배치 및/또는 제조될 수 있는 다른 유리 또는 배리어 물질을 포함할 수 있다. 캐비티 유리(840)는 하나 또는 그 이상의 격리된 전극 패드(832) 및 하부 전극 패드(812)와 같은 전기 소자 중 하나 또는 그 이상을 노출된 채로 두도록 형성될 수 있다. 도 8j는 하부 전극 중앙 영역(814), 활성 구역 중앙 영역(822), 상부 중앙 영역(836) 및 캐비티 유리(840)가 실질적으로 정렬되도록 형성된 제1, 제2, 제3 및 제4 층을 포함하는 부분적으로 제조된 제4 단일 셀 모듈을 도시한다.
도 8k는 단일 셀 모듈의 제5 층을 도시한다. 제5 층은 크기 개구(850)를 포함할 수 있다. 크기 개구(850)는 원하는 활성 구역 크기 외측의 광을 차단하는데 사용될 수 있다. 도 8l은 하부 전극 중앙 영역(814), 활성 구역 중앙 영역(822), 상부 중앙 영역(834), 캐비티 유리(840), 및 크기 개구(850)이 실질적으로 정렬되도록 형성된 제1, 제2, 제3, 제4, 및 제5 층을 포함하는 부분적으로 제조된 제5 단일 셀 모듈(805)을 도시한다.
도 8m은 단일 셀 모듈의 제6 층을 도시한다. 제6 층은 하나 또는 그 이상의 저 저항 접촉 포인트(816)를 포함할 수 있다. 하나 또는 그 이상의 접촉 포인트(816)는 각각의 개별 하부 전극 패드(812) 및 격리된 전극 패드(832) 상에 형성될 수 있다. 다른 디바이스로부터의 단일 셀 모듈로의 접속은 모듈의 각 에지 상의 하나 또는 그 이상의 접촉 포인트(816)를 사용하여 이루어질 수 있다. 도 8n은 하부 전극 중앙 영역(814), 활성 구역 중앙 영역(822), 상부 중앙 영역(834), 캐비티 유리(840), 크기 개구(850), 및 하나 또는 그 이상의 접촉 포인트가 실질적으로 정렬되도록 형성된 제1, 제2, 제3, 제4, 제5 및 제6 층을 포함하는 완전히 제조된 단일 셀 모듈(806)을 도시한다.
도 8p는 본 발명의 일 실시예에 의한 단일 셀 모듈의 분해도이다. 단일 셀 모듈은 하부 전극(810), 하나 또는 그 이상의 광전지 물질 층(820), 상부 전극(830), 캐비티 유리(840) 또는 다른 배리어 물질, 크기 개구(850), 및 특정 배열의 하나 또는 그 이상의 접촉 포인트(860)를 포함한다. 도 8p에 도시된 구체적인 층들은, 본 발명의 일 실시예에 의한 상호 연계된 접촉부를 갖는 단일 셀 모듈의 특정 배열을 제공한다. 대안적인 실시예에 의하면 다른 층들 또는 접촉부들이 그 위에 형성될 수도 있다. 또한, 도 8p에 도시된 개별적인 모듈 층들 및 컴포넌트들은, 개별 모듈에 적절하게 다양한 배열로 형성 및/또는 제조될 수 있는 다수의 서브 층들을 포함할 수 있다. 또한, 추가적인 층 또는 컴포넌트가 부가되거나 특정 애플리케이션에 따라 기존의 층 또는 컴포넌트가 제거될 수도 있다. 당업자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 수 있을 것이다.
저항(예를 들어, 전극, 모선 및 접촉 포인트)으로부터의 전력 손실은 저항 형상을 통과하는 전류의 레벨, 저항 형상의 치수, 및 형상의 저항률과 관련될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 물질 및 구조 및/또는 기하학적 형태는 전류를 최소화하고 전력 손실을 감소시키도록 설계될 수 있다. 몇몇 실시예에서, PV 모듈의 컴포넌트는 손실을 최소화하기 위해 증가된 전압 및 더 낮은 전류에서 동작하도록 설계될 수 있다.
도 9는 상이한 상호 연계된 접촉 구성에 대한 전하 이동 거리의 무차원 비율을 나타낸다. 제1 열(901)은 정사각형 단일 셀 모듈의 4측면 각각의 각 전극에 대한 다양한 실시예에 있어서 상이한 수의 접촉부를 보여준다. 제2 열(902)은 제1 열(901)의 각 실시예에 대한 전하 이동 거리의 무차원 비율을 보여준다. 제3 열(903)은 제1 열(901)의 각 실시예에 대한 평면도를 보여준다. 제3 열의 그림들은 각 실시예에 대한 전극 세부 사항을 보여준다. 행(930) 열(903)을 기준으로 하여, 평면도 상의 흑색 영역은 상부 전극 형태를 나타낸다. 백색 갭(932)은 하부 전극에 대한 접촉 포인트를 나타내고 돌출된 흑색 영역(934)은 상부 전극에 대한 접촉 포인트를 나타낸다. 표(900)의 마지막 행은 상부 및 하부 전극 모두에 대해 완전히 접촉된 둘레(상부 및 하부 전극 구성으로 달성될 수 있는 포인트 거리의 최소 합)에 대한 비교를 나타낸다.
상호 연계된 접촉 쌍의 수는 상부 및 하부 전극의 시트 저항을 최적화하도록 조정될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상호 연계된 접촉 쌍의 수를 증가시키는 것은 전극의 시트 저항을 감소시킬 수 있고, 단일 셀 모듈을 더 큰 영역으로 스케일링할 때 전력 손실을 감소시킬 수 있다. 접촉 쌍의 수를 늘리면 평균 전하 이동 거리가 줄어들고 전력 손실 백분율이 감소된다. 몇몇 실시예에서, 상호 연계된 접촉 쌍의 수를 증가시키는 것은 전극(접촉 포인트 또는 모선 중 하나)에 대한 저 저항 에지 커버리지를 최대화할 수 있다. 몇몇 실시예에서 에지 커버리지를 최대화하는 것은 접촉 포인트를 최대화하거나 전체 둘레 주위의 모선에 대한 접속을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 양 전극에 대한 저 저항 모선에 대한 전체 둘레 접촉은 전력 손실을 최소화할 수 있다. 전체 둘레 접촉에 대한 대안은 단일 셀 모듈 활성 구역의 둘레 주위에 양 전극에 대해 상호 연계된 접촉부를 형성하는 것이다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 전하 이동 거리의 무차원 비율을 결정하기 위한 목적으로 접촉부로서 간주될 수 있는 하부 전극(810) 및 상부 전극(830)(양극 및 음극) 모두와의 접속이 이루어져야 한다. 접속부는 양극과의 제1 접촉 포인트와 음극과의 제2 접촉 포인트를 포함한다. 제2 열(902)은 포인트 거리의 비 또는 개별적인 전하가 활성 구역 상의 임의의 지점으로부터 이동해야 하는 거리를 나타낸다. 표(900)는 상부 및 하부의 상호 연계된 전극 모두에 대한 접촉 포인트를 포함한다. 표(900)의 모든 구성은 각 측면 상의 상호 연계된 접촉부의 개수가 다른 4에지 둘레 접촉부에 대한 것이다. 제1 행(910)은 측면당 0.25 접촉부를 갖고 제2 행(920)은 측면당 0.5 접촉부를 갖는다. 측면당 0.25 접촉부를 갖는 제1 행(910)의 구성은 하부 전극 접촉 포인트인 좌측면과 상부 전극 접촉 포인트인 우측면을 포함할 수 있다. 제1 행(910)에 도시된 2 접촉 패턴은 전극당 단 하나의 접촉 포인트를 포함한다. 따라서, 제1 행(910)은 다른 모든 구성들에 대한 전하 이동 거리를 특징짓기 위해 무차원 비율을 결정하기 위한 비교의 기초로서 사용된다.
몇몇 실시예에서, 단일 셀 모듈은 제2 행(920)에 도시되고 설명된 바와 같이 측면당 0.5 접촉부를 포함할 수 있다. 측면당 0.5 접촉부를 갖는 실시예는 좌측 및 우측 하부 전극 접촉 포인트 및 상측 및 하측 상부 전극 접촉 포인트를 포함할 수 있다. 본 명세서에 설명된 실시예들은 단일 셀 모듈의 각 측면 상에 복수의 접촉부 또는 연속 접촉부를 형성할 수 있고 다양한 구성에 대한 전하 이동 거리를 더 감소시킬 수 있다. 예를 들어, x 및 y에서 1000-포인트 메쉬를 사용하면, 표(900)의 열(901)의 각 구성에서 가장 가까운 전극까지의 포인트 거리의 합은 측면당 각 전극에 대해 0.25 접촉부를 갖는 설계에 대한 포인트 거리의 합으로 나누어진다.
도 10은 활성 구역에 대한 에지당 접촉부의 수의 함수로서 전하 이동 거리의 무차원 비율을 나타낸다. 플롯(1000)은 y-축(1010)을 따라 전하 이동 거리의 무차원 비율을 나타내고 도 9의 제2 열(902)에 대응한다. 플롯(1000)은 x-축(1020)을 따라 모듈 에지당 전극당 접촉부의 수를 나타내고 도 9의 제3 열(903)에 대응한다. 감소된 전하 이동 거리는 모듈 에지당 전극당 접촉부의 수가 측면당 5 접촉부를 초과하여 증가함에 따라 빠르게 평평해진다.
도 11a는 본 발명의 일 실시예에 의한 상호 연계된 접촉 배열을 갖는 광전지(PV) 모듈의 평면도이다. PV 모듈(1100)은 기판(1110), 하부 전극(1120)(전극 패드(1122)로 표시됨), 광전지 물질 층(1130) 및 상부 전극(1140)을 포함한다. PVC(1100)는 기판(1110)으로부터의 효율적인 전하(전력) 추출을 위한 전극 패드/접촉 포인트 접속부(1112)의 특정 배열을 갖는 실시예를 도시한다. 몇몇 실시예에서, 하부 전극 패드(1122)에 대한 상부 전극 패드(1132)의 배치는 다양할 수 있다. 예를 들어, PV 모듈(1100)은 측면당 4개의 상부 전극 패드를 통합한 도 8의 단일 셀 모듈(800)에 비교해서 측면당 단 하나의 상부 전극 패드(1132)를 포함한다.
도 11b는 상호 연계된 접촉 배열을 갖는 PVC(1100)의 분해도를 도시한다. 도 11b는 기판(1110), 하부 전극(1120), 광전지 물질 층(1130), 상부 전극 (1140), 및 특정 배열의 전극 패드/접촉 포인트 접속부(1112)를 포함한다. 도 11b에 도시된 특정 층들은 본 발명의 일 실시예에 의한 상호 연계된 접촉부를 갖는 PV의 특정 배열을 제공한다. 대안적인 실시예에 의하면 다른 층들 또는 접촉부들이 또한 그 위에 형성될 수 있다. 또한, 도 11b에 도시된 개별적인 모듈 층 및 컴포넌트는 개별 모듈에 적절하게 다양한 배열로 형성 및/또는 제조될 수있는 다수의 서브 층들을 포함할 수 있다. 또한, 추가적인 층들 또는 컴포넌트들이 부가되거나 특정 애플리케이션에 따라서는 기존의 층들 또는 컴포넌트들이 제거될 수 있다. 당업자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 수 있을 것이다.
도 12a 내지 도 12b는 본 발명의 일 실시예에 의한 다양한 기하학적 배열에 따른 광전지 셀을 도시한다. 연속적인 모선 및/또는 상호 연계된 접촉부를 구현하는 실시예는 다양한 크기 및 종횡비의 설계 및 제조를 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, 도 12a는 측면당 8 접촉 포인트(1212)를 갖는 정사각형 PVC(1210)를 도시한다. 도 12b는 측면당 8 접촉 포인트(1222)를 갖는 직사각형 PVC(1220)를 도시한다. PVC(1220)를 제조하기 위한 제1 방향으로의 PVC(1210)의 스케일링은 접촉 포인트의 수가 동일하게 유지될 수 있기 때문에 최소의 스케일링 및 인터페이스 변경으로 달성될 수 있고, 측면(1240)을 따라서는 모듈 치수 및 접촉부가 변경되지 않는다. 몇몇 실시예에서, 각 측면 상의 접촉부의 수는 설계 요건에 따라 쉽게 변경될 수 있다. 이러한 설계 요건에는 저항을 줄이기 위해 접촉부의 수를 늘리는 것(더 짧은 경로 길이); 애플리케이션과의 전기적 접촉을 구축함에 있어서의 단순화를 위해 접촉부의 수를 감소시키는 것; 접속 제약이 있는 경우 접촉 폭을 변경하기 위해 접촉부의 수를 감소시키는 것; 및 하나의 에지로부터 접촉부를 제거하는 것이 포함된다. 각 측면 상의 접촉부의 수는 같을 필요는 없다.
도 12a 및 12b에 도시된 접촉 유연성에 더하여, 도 13은 몇몇 실시예의 기하학적 유연성을 도시한다. 도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 원형 배열에 의한 광전지 셀을 도시한다. 광전지 셀은 근접한 제1 중앙 영역(1314)을 포함하는 제1 투명 전극 층(1310)을 포함한다. 제1 투명 전극 층은 또한 근접한 제1 중앙 영역(1314)에 전기적으로 연결된 제1 세트의 전극 패드들(1312)을 포함한다. 광전지 셀은 또한, 근접한 제2 중심 영역(1322) 및 상기 근접한 제2 중앙 영역(1322)에 전기적으로 연결된 제2 세트의 전극 패드들(1324)을 포함하는 제2 투명 전극 층(1320)을 포함한다. 광전지 셀은 제1 투명 전극 층(1310)과 제2 투명 전극 층(1320) 사이에 위치한 광전지 물질 층(1330)을 더 포함한다.
근접 제1 중앙 영역(1314), 근접 제2 중앙 영역(1322), 및 광전지 물질 층(1330)은 광전지 모듈의 중앙 투명 구역(1350)을 형성하도록 정렬된다. 중앙 투명 구역(1350)은 복수의 세그먼트(1352)를 포함하는 둘레를 갖는다. 제1 세트의 전극 패드들(1312) 중 적어도 하나 및 제2 세트의 전극 패드들(1324) 중 적어도 하나는 중앙 투명 구역(1350)의 둘레의 복수의 세그먼트들의 각 세그먼트(1352) 상에 위치된다.
서브 셀 크기 및 접속의 부가된 복잡성은 더 이상 고려 대상이 아니므로 단일 셀 모듈 설계를 사용하여 비 직사각형 형상을 구현할 수 있다. 단일 셀 모듈 설계는 다른 표준 형상 또는 비대칭 추상 형상에도 적용될 수 있다. 당업자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 수 있을 것이다.
도 14는 단일 셀 모듈(1400)을 접촉시키는 다양한 방법의 사시도를 도시한다. 몇몇 실시예에서, 특정 애플리케이션은 접촉 방법의 선택에 영향을 줄 것이다. 예를 들어, 잦은 접속/분리 사이클을 필요로 하지 않는 애플리케이션을 위해서는 단일 셀 모듈(1400)에 대한 접촉이 땜납 접속부(1410)를 사용하여 이루어질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 단일 셀 모듈(1400)에 대한 접촉은 또한 고무 또는 엘라스토머(elastomer) 매트릭스에서 번갈아 나오는 도전성 및 절연성 영역들로 이루어지는, 이방성(anisotropic) 전자 커넥터(1420)(예를 들어, ZEBRA® 커넥터)를 사용하여 구현될 수 있다. 이방성 전자 커넥터(1420)는, 강성 고정구로 압축될 때, 단일 셀 모듈(1400)의 상호 연계된 접촉부에 대한 전기적 접촉을 이룰 수 있다. 몇몇 실시예에서, 접촉 포인트에 대한 핀 접속부(1430)가 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 번갈아 나오는 핀 접속부(1430)는 단일 셀 모듈(1400)에 부하를 가하기 위해 단일 양극 및 단일 음극 접속부를 제공하기 위하여 (PCB 또는 다른 조합된 회로 상에) 함께 접속될/묶일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 단일 셀 모듈에 대한 접촉은 플렉스-온-글래스(flex-on-glass: FOG) 이방성 도전성 접착제(1440)를 사용하여 이루어질 수 있다. 이방성 도전성 접착제(1440)로는 이방성 도전성 물질을 사용할 수 있다. 도시된 실시예들에 더하여, 악어 클립, 맞춤형 클램프 고정구 등과 같은 다른 영구적인 또는 일시적인 접촉 방법도 채용될 수 있다. 접촉 컴포넌트는 매우 낮은 저항이 될 수 있고 이러한 컴포넌트를 통한 전력 손실은 무시할 수 있다.
도 15a는 본 발명의 일 실시예에 의한 하나 또는 그 이상의 전극에 대한 둘레 모선을 갖는 단일 셀 모듈의 단면도이다. 도 15b는 본 발명의 일 실시예에 의한 하나 또는 그 이상의 전극에 대한 둘레 모선을 갖는 단일 셀 모듈의 사시도이다. 도 15a는 도 15b의 라인 A에서의 단면도를 나타낸다.
단일 셀 모듈(1500)은 상부 표면, 하부 표면, 및 복수의 측면을 포함하는 하부 전극 층(1510)을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 하부 전극 층(1510)은 가시광에 대해 투명한 물질로 이루어질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 제1 세트의 접촉 패드(1554)는 하부 전극 층(1510)과 동일한 층에서 제조될 수 있다. 하부 전극 층(1510) 및 제1 세트의 접촉 패드들(1554) 모두는 하나 또는 그 이상의 저 저항 접촉 포인트들(1556)을 포함할 수 있다. 단일 셀 모듈(1500)은 또한 상부 표면, 하부 표면, 및 복수의 측면을 포함하는 하나 또는 그 이상의 광전지 물질 층(1520)을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 하나 또는 그 이상의 광전지 물질 층(1520)은 가시광에 대해 투명할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 단일 셀 모듈은 상부 표면, 하부 표면, 및 복수의 측면을 포함하는 상부 전극 층(1530)을 포함할 수 있다. 상부 전극 층(1530)은 가시광에 대해 투명할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 단일 셀 모듈은 둘레 모선(1540) 및 모선 연장부(1550)를 포함할 수 있다. 둘레 모선(1540)은 상부 전극의 복수의 측면의 각 측면의 적어도 일부와 접촉하여 상부 전극(1530)에서 추출된 전하가 단일 셀 모듈(1500)의 에지 상의 모선 연장부(1550)에 도달하기 위한 저 저항 경로를 제공할 수 있다. 접촉을 위해 다른 위치로 전하를 운반하기 위해 필요에 따라 다른 모선 패턴이 설계될 수 있다. 몇몇 실시예에서는, 도 16과 관련하여 논의된 것처럼, 하부 전극으로부터 전하를 이동시키는 것을 돕기 위해 유사한 둘레 모선이 또한 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 둘레 모선(1540)은 불투명하고, 예를 들어, 개구와 관련하여, 도 15a에 도시된 것과 같은 활성 구역(1560)을 정의할 수 있으며, 여기서 광이 단일 셀 모듈(1500) 상에 충돌할 수 있다. 활성 구역(1560)은 상부 전극(1530)의 근접한 중앙 영역, 광전지 물질 층(1520)의 근접한 중앙 영역, 및 하부 전극(1510)의 근접한 중앙 영역을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 도 15a 및 도 15b에 도시된 둘레 모선(1540)은 전극과 접촉 포인트(1556) 사이에서 전류를 전달하는 경로를 제공한다. 하부 전극 층(1510)은 하나 또는 그 이상의 전극 패드(1552)를 포함할 수 있다. 각각의 전극 패드는 단일 셀 모듈(1500)을 위한 인터페이스를 형성하기 위해 하나 또는 그 이상의 접촉 포인트(1556)를 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 둘 또는 그 이상의 세트의 전극 패드들이 상호 연계될 수 있다. 예를 들어, 제1 세트의 전극 패드들(1554)은 하부 전극 층(1510)으로부터 전기적으로 격리될 수 있다. 둘레 모선(1540)은 제1 세트의 전극 패드들(1554)과 전기적으로 접촉할 수 있다. 제2 세트의 전극 패드들(1552)은 하부 전극(1510)과 전기적으로 접촉할 수 있다.
도 16a는 본 발명의 일 실시예에 의한 전극의 둘레와 접촉하는 모선을 갖는 단일 셀 모듈의 평면도이다. 단일 셀 모듈(1600)은 기판(1610), 제2 모선(1620), 하부 전극(1630), 하나 또는 그 이상의 광전지 물질 층(1640), 상부 전극(1650), 및 제1 모선(1660)을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 제1 모선(1660) 및 제2 모선(1620)은 각각 상부 전극(1650) 및 하부 전극(1610) 상의 전체 모듈 둘레 주위의 접촉부를 형성한다. 4측면 모듈을 갖는 몇몇 실시예에서, 전체 모듈 둘레는 4개의 사분면으로 분할될 수 있고, 제1 모선(1660) 및 제2 모선(1620)이 상기 4개의 사분면 각각에서 접촉부를 형성한다. 몇몇 실시예에서는, 에지 접촉을 최대화하기 위해, 제2 모선(1620)이 전체 모듈 둘레(4측면 모두) 주위에서 하부 전극(1610)과 완전히 접촉할 수 있고, 제1 모선(1660)은 전체 모듈 둘레(4측면 모두) 주위에서 상부 전극(1650)과 완전히 접촉할 수 있다. 제1 모선(1660)과 제2 모선(1620) 사이의 전기적 접촉을 피하기 위해, 상부 전극(1650) 또는 제1 모선(1660)이 제2 모선과 중첩되는 곳이면 어디든지 제2 모선(1620)을 덮는 절연층이 패터닝될 수 있다.
도 16b는 본 발명의 일 실시예에 의한 전극의 둘레와 접촉하는 모선을 갖는 단일 셀 모듈의 제1 단면도이다. 도 16c는 본 발명의 일 실시예에 의한 전극의 둘레와 접촉하는 모선을 갖는 단일 셀 모듈의 제2 단면도이다. 도 16b는 도 16a의 라인 16B에 대응하는 단면이다. 도 16c는 도 16a의 라인 16C에 대응하는 단면이다.
몇몇 실시예에서, 하나 또는 그 이상의 광전지 물질 층(1640) 및 선택적인 버퍼 물질은 상부 전극(1650)과 하부 전극(1610)이 중첩하는 곳에서 이들 사이의 격리 버퍼로서 작용할 수 있다. 하나 또는 그 이상의 광전지 물질 층(1640) 및 선택적 버퍼 물질은 또한 제1 모선(1660) 층 및 제2 모선(1620) 층을 격리시키는데 사용될 수 있다. 도 16b는 상부 전극(1650)과 전기적으로 접촉하고 모듈의 제1 에지(1670)까지 연장되는 제1 모선(1660)을 도시한다. 제1 모선(1660)은 광전지 물질 층(1640)에 의해 하부 전극 및 하부 모선(1660)으로부터 격리된다. 도 16c는 하부 전극(1610)과 전기적으로 접촉하고 모듈의 제2 에지(1680)까지 연장되는 제2 모선(1620)을 도시한다. 제2 모선(1620)은 광전지 물질 층(1640)에 의해 상부 전극(1650) 및 제1 모선(1660)으로부터 격리된다. 몇몇 실시예에서, 하부 모선(1620)을 상부 전극(1650) 또는 상부 모선(1660)과의 전기적 접촉으로부터 격리시키기 위한 절연체로서의 역할을 하기 위해 추가적인 절연층(도시되지 않음)이 하부 모선(1620) 위에 디포짓될 수 있다.
상술한 바와 같이, 전극층의 저항에 의해 야기되는 전력 손실을 감소시키기 위한 한가지 방법은 전체 모듈 둘레의 전극층과 접촉할 수 있는 모선을 사용하는 것이다. 모서리 접촉을 최대화하기 위해, 하부 모선을 전체 모듈 둘레(즉, 4측면 모두)의 하부 전극과 접촉하도록 구성할 수 있고 상부 모선을 전체 모듈 둘레(즉, 4측면 모두)의 상부 전극과 완전히 접촉하도록 구성할 수 있다. 다른 구현예에서, 하부 모선(및 하부 전극)과 상부 모선(및 상부 전극) 사이의 전기적 접촉을 피하기 위해, 하부 모선(및 하부 전극)의 컷 아웃(cutout) 구역 및/또는 상부 모선(및 상부 전극)이 상부 모선 및/또는 하부 모선을 단일 셀 모듈의 접촉 패드에 접속하는데 사용될 수 있다.
도 17a 내지 도 17f는 전극의 둘레와 접촉하는 모선을 갖는 단일 셀 모듈의 각 층의 분해를 도시한다. 도 17a는 기판 층(1710)을 포함할 수 있는 단일 셀 모듈(1700)을 도시한다. 몇몇 실시예에서, 기판 층(1710)은 하나 또는 그 이상의 하부 전극 패드 및/또는 하부 전극 패드로부터 전기적으로 격리된 하나 또는 그 이상의 격리된 전극 패드를 포함하는 하나 또는 그 이상의 전극 패드를 포함할 수 있다. 도 17b는 기판 층(1710)에 연결될 수 있는 제1 모선 층(1720)을 도시한다. 몇몇 실시예에서, 제1 모선 층은 내부에 형성된 개구 또는 보이드(void)를 가질 수 있다.
도 17c는 제1 모선 층의 개구 또는 보이드 내에 제조될 수있는 제1 전극 층(1730)을 도시한다. 몇몇 실시예에서, 제1 전극 층(1730)은 불투명한 전극 층, 투명 전극 층, 또는 이들의 조합일 수 있다. 다른 실시예에서는, 제1 전극 층(1730)의 둘레에 절연 물질이 형성될 수 있다. 도 17d는 기판 층(1710), 제1 모선 층(1720), 및 제1 전극 층 중 하나 또는 그 이상에 연결될 수 있는 하나 또는 그 이상의 광전지 물질 층(1740)을 도시한다. 몇몇 실시예에서, 하나 또는 그 이상의 광전지 물질 층(1740)은 통상적인 광전지 물질, 유기 광전지 물질 또는 이들의 조합일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 하나 또는 그 이상의 광전지 물질 층(1740)은 투명할 수 있다.
도 17e는 하나 또는 그 이상의 광전지 물질 층(1740)에 연결될 수 있는 제2 전극 층(1750)을 도시한다. 제2 전극층(1750)은 불투명한 전극층, 투명 전극층 또는 이들의 조합일 수 있다. 도 17f는 제2 전극층(1750)에 연결될 수 있는 제2 모선 층(1760)을 도시한다. 몇몇 실시예에서, 선택적 절연체 및 하나 또는 그 이상의 광전지 물질 층(1740)은 제2 모선 층(1760)과 제2 전극 층(1750)을 제1 모선 층(1720)과 제1 전극 층(1730)으로부터 전기적으로 격리시킬 수 있다. 도 17a 내지 도 17f에 도시된 특정 층들은, 투명한 광전지 단일 셀 모듈을 형성하기 위한 특정 실시예를 제공한다. 당업자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 수 있을 것이다.
도 17g는 전극 둘레와 접촉하는 모선을 갖는 단일 셀 모듈의 분해도를 도시한다. 단일 셀 모듈(1700)은 기판 층(1710), 제1 모선 층(1720), 제1 전극 층(1730), 하나 또는 그 이상의 광전지 물질 층(1740), 제2 전극 층(1750), 및 제2 모선 층(1760)을 포함한다. 도 17g에 도시된 특정 층들은 본 발명의 일 실시예에 의한 전극의 둘레와 접촉하는 모선을 갖는 단일 셀 모듈의 특정 배열을 제공한다. 대안적인 실시예에 의하면 다른 층들 또는 접촉부들이 그 위에 형성될 수도 있다. 또한, 도 17g에 도시된 개별 모듈 층들 및 컴포넌트들은 개별 모듈에 적절하게 다양한 배열로 형성 및/또는 제조될 수 있는 다수의 서브 층들을 포함할 수 있다. 또한 특정 애플리케이션에 따라서는 추가 층 또는 컴포넌트가 부가되거나 기존 층 또는 컴포넌트가 제거될 수 있다. 당업자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 수 있을 것이다.
도 18의 (a) 내지 (j)는 본 발명의 일 실시예에 의한, 전극 층과의 거의 전체 둘레 접촉을 제공하는 모선을 갖는 예시적인 단일 셀 모듈의 각 층의 분해를 도시한다. 단일 셀 모듈(1800)은 하부 전극 층(1810), 하부 모선 층(1820), 활성층(1830), 상부 전극 층(1840) 및 상부 모선 층(1850)을 포함할 수 있다. 상기한 바와 같이, 또는 명확성의 목적에서, 본 명세서의 참조는 다양한 도면과 관련하여 하부/상부 명명법을 사용하지만, 제1/제2 또는 우측/좌측 명명법이 적합할 수 있는 다른 제조 프로세스 및 셀 설계가 이용될 수 있음을 알 수 있다.
도 18의 (a)는 인듐 주석 산화물(ITO), 알루미늄 아연 산화물(AZO), 안티몬 주석 산화물(ATO), 불소 주석 산화물(FTO), 인듐 아연 산화물(IZO) 층, 또는 유기(예를 들어, 작은 분자) 또는 무기 유전체 층(예를 들어, 금속 산화물)과 결합된 알루미늄, 은, 또는 금 등과 같은 얇은 금속 층(4 nm 내지 12 nm)과 같은 투명한 전기 도전성 물질 층을 포함할 수 있는 하부 전극 층(1810)을 도시한다. 하부 전극 층(1810)은 하부 전극(1812)을 포함할 수 있고, 하부 전극(1812)은 근접한 중앙 구역 및 단일 셀 모듈(1800)의 중앙 투명 구역을 넘어 연장되는 다수의 연장 구역(1814)을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 연장된 구역들(1814)은 단일 셀 모듈(1800)의 제1 세트의 전기적 접촉 포인트들(1860)까지 연장될 수 있다. 도 18의 (b)는 제조된 하부 전극 층을 부분 단일 셀 모듈(1815)로 도시한다.
도 18의 (c)는 하부 전극 층(1810) 상에 또는 적어도 부분적으로 하부 전극 층(1810) 내에 형성될 수 있는 하부 모선(1820)을 도시한다. 하부 모선(1820)은 컷 아웃 구역(1824) 및 하나 또는 그 이상의 연장된 구역(1826)을 포함할 수 있는 C-형 하부 모선(1822)으로서 구현될 수 있다. 연장된 구역(들)(1826)은 하부 모선(1822) 및 하부 전극(1812)을 단일 셀 모듈(1800)의 전극 패드(도시되지 않음)에 접속시키는데 사용될 수 있다. 하부 모선(1822)(및 하부 전극(1812))과 상부 모선(및 상부 전극) 사이의 전기적 접촉을 방지할 수 있도록 단일 셀 모듈(1800)의 하부에 있는 접촉 패드에 상부 전극 층을 접속하는데 컷 아웃 구역(1824)이 사용될 수 있다. 도 18의 (d)는 하부 전극 층(1810) 상에 또는 적어도 부분적으로 하부 전극 층(1810) 내에 형성된 하부 모선(1820)을 포함하는 제2 부분 단일 셀 모듈(1825)을 도시한다.
도 18의 (e)는 하부 전극 층(1810) 및/또는 하부 모선 층(1820) 상에 형성될 수 있고, 텔루르화 카드뮴(cadmium telluride; CdTe) 물질 층, 실리콘 물질 층, 또는 광전 효과를 나타내는 다른 물질의 층과 같이 위에서 기술한 것과 같은 하나 또는 그 이상의 광전지 물질 층을 포함할 수 있는 활성층(1830)을 도시한다. 활성층(1830)은 상부 전극(및 상부 모선)과 하부 전극(1812)(및 하부 모선(1822)) 사이의 격리층으로서 작용하도록 하부 모선의 C-형 부분(1822)을 적어도 부분적으로 덮을 수 있는 구역(1832)을 포함할 수 있다. 도 18의 (f)는 하부 전극 층(1810) 상에 형성된 활성층(1830), 및 하부 전극 층(1810) 상에 또는 적어도 부분적으로 그 내부에 형성된 하부 모선(1820)을 포함하는 제3 부분 단일 셀 모듈(1835)을 도시한다.
도 18의 (g)는 하부 전극 층(1810)에 대향하는 활성층(1830)의 한 면 상에 형성될 수 있는 상부 전극 층(1840)을 도시한다. 상부 전극 층(1840)은 단일 셀 모듈(1800)의 활성 영역에 위치 된 근접 중앙 구역을 포함할 수 있는 상부 전극(1842)을 포함할 수 있다. 몇몇 구현예에서, 상부 전극(1842)은 단일 셀 모듈(1800)의 활성 영역을 넘어 연장되는 하나 또는 그 이상의 연장된 구역(1844)을 포함할 수 있다. 연장된 구역(1844)은 상부 전극(1842)을 단일 셀 모듈(1800)의 하부에 있는 접촉 패드에 접속하는데 사용될 수 있다. 도 18의 (h)는 하부 전극 층(1810) 상에 형성될 수 있는 활성층(1830)의 상부에 형성된 상부 전극 층(1840)을 포함하는 제4 부분 단일 셀 모듈(1845)을 도시한다.
도 18의 (i)는 상부 전극 층(1840) 상에 또는 적어도 부분적으로 상부 전극 층(1840) 내에 형성될 수 있는 상부 모선 층(1850)을 도시한다. 상부 모선 층(1850)은 상부 모선(1852)을 포함할 수 있다. 몇몇 구현예에서, 상부 모선(1852)은 C-형 구역을 포함할 수 있고, 컷 아웃 구역(1854)을 포함할 수 있다. 컷 아웃 구역(1854)은 하부 모선(1822) 상의 연장된 구역(1826)과 정렬될 수 있다. 몇몇 구현예에서, 상부 모선(1852)는 컷 아웃 영역이 없는 환형 구역을 포함할 수 있다. 상부 모선(1852)은 하나 또는 그 이상의 연장된 구역(1856)을 포함할 수 있다. 연장 구역(들)(1856)은 하부 모선(1822) 상의 컷 아웃 구역(1824)과 정렬될 수 있다. 연장 구역(들)(1856)은 상부 모선(1852)을 단일 셀 모듈(1800)의 하부에 있는 접촉 패드에 접속하는데 사용될 수 있다. 도 18의 (j)는 하부 전극 층(1810), 하부 모선 층(1820), 활성층(1830), 상부 전극 층(1840), 및 상부 모선 층(1850)의 정렬된 층들을 포함하는 제조된 단일 셀 모듈(1845)을 도시한다.
도 18k는 전극 층과 거의 전체 둘레 접촉을 제공하는 모선을 갖는 예시적인 단일 셀 모듈(1800)의 분해도이다. 상술한 바와 같이, 단일 셀 모듈(1800)은 하부 전극 층(1810), 하부 모선 층(1820), 활성층(1830), 상부 전극 층(1840) 및 상부 모선 층(1850)의 정렬된 층들을 포함할 수 있다. 하부 전극 층(1810)은 기판 상에 형성될 수 있다. 도 18의 (b)에 도시된 예에서, 하부 모선(1822)은 하부 전극 층(1810)의 상부에 형성될 수 있다. 몇몇 구현예에서, 하부 모선(1822)은 하부 전극 층(1810)의 하부 표면 상에 형성되거나 적어도 부분적으로 하부 전극 층(1810) 내에 형성될 수 있다. 활성층(1830)은 하부 전극(1812) 또는 하부 모선(1822)의 상부에 형성될 수 있다. 상부 전극(1842)은, 상부 전극(1842)과 하부 전극(1812)을 격리시킬 수 있는 활성층(1830) 상에 형성될 수 있다. 상부 모선(1852)은 상부 전극(1842)의 상부에 형성될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 전극 층의 저항을 감소시키는 것에 더하여 또는 그 대안으로서, 다중 접합(multi-junction) 셀 모듈이 사용될 수 있고, 단일 셀 모듈의 출력 전류를 제한하면서 단일 셀 모듈의 출력 전압을 증가시킴으로써 단일 셀 모듈의 효율을 향상시킬 수 있다. 위에서 설명한 것처럼 저 전류에서 작동하면 저항성 전력 손실을 추가로 줄일 수 있다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 의한 예시적인 다중 접합 셀 모듈을 나타내는 단면도이다. 다중 접합 셀 모듈(1900)은 탠덤 구조를 형성하기 위해 근접한 접합부(또는 활성층) 사이의 상호 접속에 의해 직렬로 접속된 다중 접합부(또는 활성층)를 포함할 수 있다. 도 19에 도시된 바와 같이, 다중 접합 셀 모듈(1900)은 활성층 1(1980), 활성층 2(1960), 활성층 3(1940), ..., 및 활성층 N(1920)을 포함할 수 있다. 활성층들은 대응하는 상호 접속층들(1970, 1950, 1930, 등)에 의해 직렬로 접속될 수 있다. 상부 전극 층(1910)은 활성층 N(1920) 상에 형성될 수 있고, 하부 전극 층(1990)은 활성층 1(1980)과 접촉할 수 있다. 각각의 활성층 및 인접한 상호 접속 층(또는 상부 전극 층(1910) 및 하부 전극 층(1990))은 서브 셀을 형성할 수 있다.
다중 접합 셀 모듈(1900)에 있어서, 각 서브 셀에서 발생된 전류는 전극에 직렬로 흐를 수 있다. 예를 들어, 몇몇 구현예에서, 활성층 1(1980)에서 생성된 홀(hole)은 활성층 2(1960)에서 생성된 전자와 상호 접속 층(1970)에서 재결합할 수 있다. 활성층 2(1960)에서 생성된 홀은 활성층 3(1940)에서 생성된 전자와 재결합할 수 있는 등이다. 이와 같이, 활성층 N(1920)으로부터의 홀과 활성층 1(1980)로부터의 전자 만이 각 전극에서 수집되어 광전류(photocurrent)를 생성할 수 있다. 몇몇 다른 구현예에서는, 활성층 1(1980)로부터의 홀과 활성층 N(1920)으로부터의 전자 만이 각 전극에서 수집되어 광전류를 생성할 수 있도록 활성층들 및 전극들이 구성될 수 있다. 다중 접합 셀 모듈(1900)에서의 순 출력 전류는 모든 서브 셀 중에서 가장 적은 전류를 생성하는 서브 셀에 의해 제한될 수 있다. 서브 셀들이 직렬로 접속되기 때문에 다중 접합 셀 모듈(1900)의 출력 전압은 서브 셀들의 개회로 전압(open circuit voltage)의 합과 동일할 수 있다. 동일한 활성층으로 만들어진 N개의 서브 셀을 갖는 다중 접합 셀의 경우, 다중 접합 셀에 의해 발생된 순 단락(short circuit) 전류는 대략 (JSC,single cell/N)이고, 다중 접합 셀에 의해 발생된 순 개회로 전압은 대략 (VOC,single cell×N)이며, 여기서 JSC,single cell은 단일 접합 셀의 순 단락 전류이고, VOC,single cell은 단일 접합 셀의 개회로 전압이다. 순 전류가 N의 양만큼 감소되기 때문에, 전극의 저항(변화가 없다하더라도)으로 인한 전력 손실은 N만큼 감소될 수 있다. 따라서, 다중 접합 셀의 전체 효율은 단일 접합 셀에 비해 향상될 수 있다.
다중 접합 셀은 단일 접합 셀에 비해 최대 전력 포인트에서의 전류 밀도(JMP)는 더 낮고 최대 전력 포인트에서의 전압(VMP)은 더 높기 때문에, 다중 접합 셀이 단일 접합 셀보다 면적 스케일링에도 더 효과적이다. 전력 손실은 JMP에 정비례하고 VMP에 반비례하므로, JMP를 낮추고 VMP를 높이면 다중 접합 셀의 전력 손실을 줄일 수 있다.
도 20a 내지 도 20e는 예를 들어 서로 다른 개수의 접합부 및 셀 구역을 갖는 다중 접합 셀 모듈에 대한 전류 밀도 대 전압의 플롯을 도시한다. 도 20a는 약 0.05 cm2의 활성 구역을 갖는 2-접합 셀 및 약 2.5 cm2의 활성 구역을 갖는 2-접합 셀에 대한 전압과 전류 밀도 사이의 관계를 나타내는 플롯(2010)이다. 도 20b는 약 0.05 cm2의 활성 구역을 갖는 4-접합 셀 및 약 2.5 cm2의 활성 구역을 갖는 4-접합 셀에 대한 전압과 전류 밀도 사이의 관계를 나타내는 플롯(2020)이다. 도 20c는 약 0.05 cm2의 활성 구역을 갖는 6-접합 셀 및 약 2.5 cm2의 활성 구역을 갖는 6-접합 셀에 대한 전압과 전류 밀도 사이의 관계를 나타내는 플롯(2030)이다. 도 20d는 약 0.05cm2의 활성 구역을 갖는 8-접합 셀 및 약 2.5 cm2의 활성 구역을 갖는 8-접합 셀에 대한 전압과 전류 밀도 사이의 관계를 나타내는 플롯(2040)이다. 도 20e는 약 0.05 cm2의 활성 구역을 갖는 10-접합 셀 및 약 2.5 cm2의 활성 구역을 갖는 10-접합 셀에 대한 전압과 전류 밀도 사이의 관계를 나타내는 플롯(2050)이다.
도 20f는 도 20a 내지 도 20e와 관련하여 위에서 설명된 접합부 및 셀 구역의 수가 다른 예시적인 다중 접합 셀 모듈의 성능 파라미터들을 보여주는 표(2060)이다. 상기한 바와 같이, 전력 손실은 일반적으로 생성된 전류에 직접 비례하고 생성된 전압에 반비례한다. 도 20a 내지 도 20f에 도시된 바와 같이, 접합부의 수를 증가시키면 셀로부터 추출된 총 전류를 감소시킬 수 있고 도20f에서 알 수 있듯이 전압을 증가시킬 수 있다. 따라서, 다중 접합 셀의 전력 손실은 접합부의 수의 증가에 따라 감소할 수 있고, 접합부의 수가 많을수록, 더 큰 활성 구역을 갖는 다중 접합 셀의 평균 효율이 활성 구역이 더 작은 다중 접합 셀의 평균 효율에 근접할 수 있다. 도 20f는 모든 접합부에서 95% 이상의 면적 스케일링 인자가 달성될 수 있고, 접합부 수가 증가함에 따라 증가할 수 있음을 보여준다.
전력 손실을 줄이는 것에 더하여, 다중 접합 셀은 다른 이점을 제공할 수 있다. 많은 배터리 충전 애플리케이션은 3.3V, 5V, 또는 더 높은 전압의 입력 전압을 사용한다. 다중 접합 셀은 단일 셀 모듈의 출력 전압이 이러한 더 높은 전압에 도달하게 할 수 있다. 예를 들어, 단일 접합 셀은 1V 미만(예를 들어, 약 0.8V)의 출력 전압을 가질 수 있다. 다중 접합부를 직렬로 결합하면, 총 전압이 10V 또는 그 이상과 같이 훨씬 높아질 수 있다.
모듈로부터의 출력 전압은 애플리케이션 회로의 입력 전압과 매칭되도록 전압을 하향 조정 또는 증가시키는 벅(buck) 또는 부스트(boost) 컨버터(또는 다른 유형의 레귤레이터)를 사용하여 변조될 수 있다. 임의의 조정(전압 상승 또는 하강 중 하나)으로 인해 전력 손실이 발생하여 효율이 저하될 수 있다. 스텝-다운 레귤레이터는 스텝-업 레귤레이터만큼 많은 컴포넌트를 사용하지 않기 때문에, 일반적으로 전압을 단계적으로 낮추는 것이 전압을 단계적으로 상승시키는 것보다 효율적이다. 따라서, 모듈의 출력 전압을 주어진 애플리케이션의 입력 전압과 매칭시키기 위해 모듈을 튜닝하는 것이 바람직할 수 있다. 몇몇 구현예에서, 접합부의 수는 상이한 애플리케이션을 위한 출력 전압을 변경하기 위해 변경될 수 있다. 몇몇 구현예에서는, 상이한 출력 전압 레벨을 생성하기 위해서 패터닝 또는 임의의 다른 모듈 기하 구조의 변화가 필요하지 않도록, 셀의 수가 아닌 층 스택 구조가 모듈의 출력 전압을 변화시키도록 조정될 수 있다.
도 21은 본 명세서에서 설명된 단일 셀 모듈과 인터페이스하도록 구성된 고정구 어셈블리를 도시하는 분해도이다. 몇몇 실시예에서, 고정구 어셈블리(2100)는 상부 고정구(2110), 캡슐화된 단일 셀 모듈(2120), 하나 또는 그 이상의 커넥터(2130), 하부 고정구(2140), 및/또는 인쇄 회로 기판(PCB)(2150)을 포함하여 단일 셀 모듈과 다른 모듈 및/또는 디바이스를 통합시킬 수 있다. 몇몇 실시예에서, 하나 또는 그 이상의 커넥터(2130)가 하나 또는 그 이상의 와이어를 포함하거나 다른 도전성 물질이 각 접촉 포인트에서 캡슐화된 단일 셀 모듈(2120)에 납땜되거나 클램핑될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 하나 또는 그 이상의 커넥터(2130)는 유리 상의 전극 접촉부를 가압하여 접촉을 이루고 다른 면에서는 두 개의 접촉 포인트(양극에 1개, 음극에 1개)를 제공하기 위해 각 전극으로부터의 모든 접촉부를 결합하는 인쇄 회로 기판(PCB)(2150)에 접속되는 ZEBRA® 커넥터를 포함할 수 있다. 다음으로 2개의 출력 접촉부는 테스트를 위해 또는 부하에 전원을 공급하기 위해 접속될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 하나 또는 그 이상의 커넥터는 고무 또는 엘라스토머 매트릭스에서 교번하는 전도성 및 절연성 영역으로 구성되는 엘라스토머 전자 커넥터(등록 상표 ZEBRA 커넥터)를 사용하여 구현될 수도 있다. 이들 커넥터는, 강성 고정구 내에서 압축될 때, 캡슐화된 단일 셀 모듈(2120)의 상호 연계된 접촉부에 대한 양호한 전기적 접촉을 형성할 수 있고 PCB(2150) 상의 접촉 패드로 전하를 도전시킬 수 있다. 고정구 어셈블리는 단일 셀 모듈(2120)과의 인터페이스에 의해 야기된 저항을 낮추고 모듈 출력으로부터의 전력 손실을 최소화할 수 있다.
본 명세서에 기술된 특정 단계들 및 디바이스들은 본 발명의 실시예에 따라 시각적으로 투명한 광전지 모듈을 제조하는 특정 방법을 제공함을 이해해야 한다. 대안적인 실시예에 의하면 단계들의 다른 시퀀스가 수행될 수도 있다. 예를 들어, 본 발명의 대안적인 실시예들은 다른 순서로 위에서 약술된 단계들을 수행할 수 있다. 또한, 본 명세서에 기술된 개별적인 단계들 및 디바이스들은 개별적인 실시예들에 적합하게 다양한 시퀀스들로 수행될 수 있는 다수의 서브 단계들을 포함할 수 있다. 또한 특정 애플리케이션에 따라서는 추가적인 단계 및 컴포넌트를 부가하거나 제거할 수 있다. 당업자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 수 있을 것이다.
또한, 본 명세서에 기술된 실시예들 및 예들은 단지 설명을 위한 것이며, 이에 대한 다양한 수정 또는 변경을 당업자가 도출할 수 있을 것이고 이들은 본원의 사상 및 첨부된 청구항들의 범위에 속한다.

Claims (22)

  1. 광전지 모듈에 있어서,
    제1 시트 저항을 특징으로 하는 제1 투명 전극 층;
    제2 투명 전극 층;
    광전지 물질 층 - 상기 광전지 물질 층은 상기 제1 투명 전극 층과 상기 제2 투명 전극 층 사이에 위치함 -; 및
    상기 제1 시트 저항보다 낮은 제2 시트 저항을 갖는 제1 모선
    을 포함하고,
    상기 제1 투명 전극 층, 상기 제2 투명 전극 층, 및 상기 광전지 물질 층은 상기 광전지 모듈의 중앙 투명 구역을 형성하는 정렬된 영역을 갖고, 상기 중앙 투명 구역은 복수의 측면을 포함하며,
    상기 제1 모선은 상기 중앙 투명 구역의 상기 복수의 측면의 각각의 적어도 일부에 근접해서 상기 제1 투명 전극 층과 접촉하는,
    광전지 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 모선은 상기 광전지 모듈의 중앙 투명 구역을 둘러싸는 C-형 도전성 물질 영역을 포함하는, 광전지 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 모선은 상기 광전지 모듈의 상기 중앙 투명 구역을 둘러싸는 폐루프를 형성하는 광전지 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광전지 물질 층은 직렬로 접속된 5개 또는 그 이상의 접합부를 포함하는, 광전지 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광전지 물질 층은 직렬로 접속된 복수의 접합부를 포함하는, 광전지 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 투명 전극 층 또는 상기 제2 투명 전극 층은 인듐 주석 산화물(ITO) 층, 불소 주석 산화물(FTO) 층, 알루미늄 아연 산화물(AZO) 층, 안티몬 주석 산화물(ATO) 층, 인듐 아연 산화물(IZO) 층, 또는 얇은 금속 층을 포함하는, 광전지 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 투명 전극 층은 제3 시트 저항을 특징으로 하고,
    상기 광전지 모듈은,
    상기 중앙 투명 구역의 상기 복수의 측면 각각의 적어도 일부에 근접하여 상기 제2 투명 전극 층과 전기적으로 접촉하고, 상기 제2 투명 전극 층의 상기 제3 시트 저항보다 낮은 제4 시트 저항을 갖는 제2 모선
    을 더 포함하는 광전지 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 모선은 상기 광전지 모듈의 상기 중앙 투명 구역을 둘러싸는 C-형 또는 폐루프 도전성 물질 영역을 포함하는, 광전지 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 투명 전극 층, 상기 제2 투명 전극 층, 및 상기 광전지 물질 층의 각각은 상기 중앙 투명 구역에서 근접하는, 광전지 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 광전지 물질 층은 직렬로 접속된 복수의 접합부를 포함하는, 광전지 모듈.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 광전지 모듈은 정보 디스플레이와 통합되는, 광전지 모듈.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 투명 전극 층 및 상기 제2 투명 전극 층 각각은 인듐 주석 산화물(ITO) 층, 불소 주석 산화물(FTO) 층, 알루미늄 아연 산화물(AZO) 층, 안티몬 주석 산화물(ATO) 층, 인듐 아연 산화물(IZO) 층, 또는 얇은 금속 층을 포함하는, 광전지 모듈.
  13. 광전지 모듈에 있어서,
    제1 투명 전극 층 - 상기 제1 투명 전극 층은,
    근접 제1 중앙 영역; 및
    상기 근접 제1 중앙 영역에 전기적으로 연결된 제1 세트의 전극 패드
    를 포함함 -;
    제2 투명 전극 층 - 상기 제2 투명 전극 층은,
    근접 제2 중앙 영역; 및
    상기 근접 제2 중앙 영역에 전기적으로 연결된 제2 세트의 전극 패드
    를 포함함 -; 및
    상기 제1 투명 전극 층과 상기 제2 투명 전극 층 사이에 위치한 광전지 물질 층
    을 포함하고,
    상기 근접 제1 중앙 영역, 상기 근접 제2 중앙 영역, 및 상기 광전지 물질 층은 상기 광전지 모듈의 중앙 투명 구역을 형성하도록 정렬되고, 상기 중앙 투명 구역은 복수의 측면들을 포함하며,
    상기 제1 세트의 전극 패드 중 적어도 하나 및 상기 제2 세트의 전극 패드 중 적어도 하나는 상기 중앙 투명 구역의 상기 복수의 측면의 각각에 위치되는,
    광전지 모듈.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 세트의 전극 패드는 평면도 상에서 상기 제2 세트의 전극 패드에 대해 상호 연계되도록 배치되는, 광전지 모듈.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 광전지 물질 층은 직렬로 접속된 복수의 접합부를 포함하는, 광전지 모듈.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 광전지 물질 층은 직렬로 접속된 5개 또는 그 이상의 접합부를 포함하는, 광전지 모듈.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 제1 투명 전극 층 및 상기 제2 투명 전극 층 각각은 인듐 주석 산화물(ITO) 층, 불소 주석 산화물(FTO) 층, 알루미늄 아연 산화물(AZO) 층, 안티몬 주석 산화물(ATO) 층, 인듐 아연 산화물(IZO) 층, 또는 얇은 금속 층을 포함하는, 광전지 모듈.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 중앙 투명 구역의 상기 복수의 측면의 각각에 근접하여 상기 제1 투명 전극 층과 접촉하고, 제1 시트 저항을 갖는 모선
    을 더 포함하고,
    상기 제1 투명 전극 층은 상기 모선의 상기 제1 시트 저항보다 큰 제2 시트 저항을 갖는,
    광전지 모듈.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 중앙 투명 구역의 상기 복수의 측면의 각각에 근접하여 상기 제2 투명 전극 층과 접촉하고, 제3 시트 저항을 갖는 모선
    을 더 포함하고,
    상기 제2 투명 전극 층은 상기 모선의 상기 제3 시트 저항보다 큰 제4 시트 저항을 갖는,
    광전지 모듈.
  20. 제13항에 있어서,
    복수의 상기 제1 세트의 전극 패드 및 복수의 상기 제2 세트의 전극 패드에 전기적으로 연결되는 커넥터
    를 더 포함하고,
    상기 커넥터는 엘라스토머 전자 커넥터, 이방성 도전성 물질, 또는 PCB 중 적어도 하나를 포함하는, 광전지 모듈.
  21. 광전지 모듈에 있어서,
    제1 투명 전극 층 - 상기 제1 투명 전극 층은,
    근접 제1 중앙 영역; 및
    상기 근접 제1 중앙 영역에 전기적으로 연결된 제1 세트의 전극 패드
    를 포함함 -;
    제2 투명 전극 층 - 상기 제2 투명 전극 층은,
    근접 제2 중앙 영역; 및
    상기 근접 제2 중앙 영역에 전기적으로 연결된 제2 세트의 전극 패드
    를 포함함 -; 및
    상기 제1 투명 전극 층과 상기 제2 투명 전극 층 사이에 위치한 광전지 물질 층
    을 포함하고,
    상기 근접 제1 중앙 영역, 상기 근접 제2 중앙 영역, 및 상기 광전지 물질 층은 상기 광전지 모듈의 중앙 투명 구역을 형성하도록 정렬되며, 상기 중앙 투명 구역은 복수의 세그먼트를 포함하는 둘레를 갖고,
    상기 제1 세트의 전극 패드의 적어도 하나 및 상기 제2 세트의 전극 패드 중 적어도 하나는 상기 중앙 투명 구역의 상기 둘레의 상기 복수의 세그먼트의 각 세그먼트 상에 위치되는, 광전지 모듈.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 광전지 모듈의 상기 중앙 투명 구역은 원형 형상을 갖고,
    상기 광전지 모듈의 상기 중앙 투명 구역은 복수의 섹터를 포함하며, 각각의 섹터는 상기 중앙 투명 구역의 둘레의 상기 복수의 세그먼트 중 하나의 세그먼트에 대응하는,
    광전지 모듈.
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