KR20210033043A - 패턴화된 커버 플레이트와 광 간섭층을 갖는 태양광 모듈 - Google Patents

패턴화된 커버 플레이트와 광 간섭층을 갖는 태양광 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전면에 외부 표면 및 내부 표면을 갖는 커버 플레이트를 포함하는 태양광 모듈에 관한 것으로, 여기서 미리 정의된 파장 범위 내에서 빛을 반사하기 위한 광 간섭층이 내부 표면 상에 배열되고, 여기서 내부 표면 및/또는 외부 표면은 각 경우 적어도 하나의 패턴화된 영역을 가지고, 여기서 외부 표면은 적어도 하나의 패턴화된 영역을 갖거나, 미리 정의된 파장 범위 내의 빛을 반사하기 위한 또 다른 광 간섭층이 외부 표면에 배열되고, 여기서 패턴화된 영역을 다음과 같은 특징을 갖는다:
- 커버 플레이트의 평면에 수직으로, 언덕들과 계곡들을 갖는 높이 프로파일, 여기서 언덕들과 계곡들 사이의 평균 높이 차이는 적어도 2 μm 이고,
- 패턴화된 영역의 적어도 50%는 커버 플레이트의 평면에 대해 경사진 세그먼트로 구성되며, 여기서 커버 플레이트의 평면을 기준으로 세그먼트들의 적어도 20%는 0°를 초과하고 최대 15°범위, 세그먼트들의 적어도 30%는 15°를 초과하고 최대 45°범위의 경사각을 가지며, 여기서
- 내부 표면(13)이 적어도 하나의 패턴화된 영역(15')을 갖는 경우, 내부 표면(13)의 패턴화된 영역(15')의 세그먼트들(17, 17')은 각 경우 평면이고 적어도 1 μm2의 세그먼트 면적 및 내부 표면(13)의 광 간섭층(16)의 층 두께의 15% 미만의 평균 거칠기를 갖는다.

Description

패턴화된 커버 플레이트와 광 간섭층을 갖는 태양광 모듈
본 발명은 광전 에너지 생성의 기술 영역에 있고 패턴화된 커버 플레이트 및 적어도 하나의 광 간섭층을 갖는 태양광 모듈에 관한 것이다. 본 발명은 또한 본 발명에 따른 태양광 모듈을 제조하는 방법 및 그 사용으로 연장된다.
벽 또는 파사드(facade) 요소들로 태양광 모듈들을 사용하는 것은 현재 경제적으로 상대적으로 작지만 생태학적으로 매우 흥미로운 시장이다. 특히, 분산형 에너지 솔루션 및 에너지 중립 건물에 대한 노력이 강화됨에 따라 건물 외피들의 통합된 구성요소로서 태양광 모듈의 사용에 대한 요구가 증가하고 있다. 태양광 모듈의 다른 흥미로운 응용 분야로는 소음 저감 벽(도로, 철도), 실외의 프라이버시 장벽 또는 온실벽이 있다. 이러한 새로운 응용은, 특히 미학, 서비스 수명 및 밀봉과 단열과 같은 다른 기능 측면에서 태양광 모듈에 대한 완전히 새로운 요구를 만든다. 특히, 이를 위해서 사용되는 태양광 모듈은 다양한 모양, 크기, 및 색상으로 이용 가능해야 하며, 가능한한 가장 균일한 색감을 제공해야 한다. 색상의 기원(흡수/재방출, 간섭, 굴절)에 따라 태양광 모듈의 균일한 표면 색상은 관찰각 및/또는 입사각에 따라 달라질 수 있다. 또한, 빛의 스펙트럼과 물리적 분포(확산, 집중)도 색감을 결정한다.
이러한 새로운 응용은, 특히 미학, 서비스 수명 및 밀봉과 단열과 같은 다른 기능 측면에서 태양광 모듈에 대한 완전히 새로운 요구를 만든다. 특히, 이를 위해 사용되는 태양광 모듈은 다양한 모양, 크기 및 색상으로 이용 가능해야 하며 가능한한 가장 균일한 색감을 제공해야 한다. 그러나, 태양광 모듈의 이러한 요구는 태양광 모듈의 실제 기능, 즉 태양광으로부터 가능한한 가장 효율적인 전력 생성과 충돌하는 기술적 문제를 야기한다.
이상적인 태양광 모듈은, 효율 최적화 측면에서, 복사 에너지를 전기 에너지로 최적으로 변환하기 위해 입사광을 완전히 흡수하는 흑체일 것이다. 그러나, 입사 방사선은 모든 실제 물체(body)에서 반사되고, 흡수된 방사선은 재방출되며, 색감이 기본적으로 스펙트럼 선택 반사와 빛의 재방출에 의해 사람의 눈에 생성된다. 태양광 스펙트럼은 가시 스펙트럼 범위에서 가장 높은 에너지 강도를 가지며 인간의 눈은 가장 큰 민감도를 갖는다. 태양광 모듈은 색상으로 설계될 때, 즉 이상적인 흑체와 다른 색감이 사람의 눈에 생산되게 원하는 때, 광활성 반도체에 흡수된 빛의 세기와 이에 따른 전기적 출력 또는 태양광 모듈의 효율은 필연적으로 감소된다. 원칙적으로, 최적의 효율은 흑색 태양광 모듈로만 이루어질 수 있다. 다른 한편으로, 색상의 기원(흡수/재방출, 간섭, 굴절)에 따라 태양광 모듈의 균일한 표면의 색상은 관찰각 및/또는 입사각에 따라 달라질 수 있다. 또한, 빛의 스펙트럼과 물리적 분포(확산된, 초점이 맞춰진)도 색감을 결정한다.
국제특허출원 WO2014/045142에서, 전면 유리의 내측 상의 여러 겹의 간섭층들이 설명되며, 그것이 태양광 스펙트럼의 정의된 범위를 반사한다. 그러한 여러 겹의 간섭층들은 생산하기에 상당히 비싸며, 이에 따라 산업 착취(industrial exploitation)에 대해 제한된 적합성만을 갖는다. 또한, 확산 산란 커버유리의 선택적인 사용이 제시되며, 여기서 커버유리의 여러 겹의 간섭층과 조면된 측면은 커버유리의 상이한 측면(다중 간섭층, 내부; 조면, 외부)에 위치된다.
또한, 생체 공학적인 방법들의 사용도 알려져 있으며, 여기서 나비와 유사한 나노구조가 생성된다(cf. Fraunhofer, Bl
Figure pct00001
si et al. 33rd European PV Solar Energy Conference and Exhibition, 24-29 September 2017, Amsterdam, The Netherlands). 이러한 방법들은 매우 복잡하고 비용 집약적이며 대면적 태양광 모듈의 산업 시리즈 제조에 적합하지 않다.
세라믹 스크린 인쇄에 의한 커버 글레이징 상의 색상 도포 또는 유기 유리 색상들의 사용이 또한 알려져 있다. 이들은 광범위한 색상 스펙트럼을 생성할 수 있는 비교적 저렴한 기술이다. 또한, 색감은 제한된 범위에서만 각도에 의존한다. 그러나, 이와 같은 색상층들은 원칙적으로 불투명하고 빛을 흡수하여 효율성 손실이 불가피하게 높다. 이것은 특히 밝은 톤의 경우에 해당되며, 일반적으로 허용 할 수 없는 효율성 손실을 야기한다.
대조적으로, 본 발명의 목적은 착색된 태양광 모듈을 제공하는 것으로 구성되며, 여기서 색상은 관찰각 및 입사각에 가능한한 적게 의존해야 하며, 그렇지 않으면 건물 일체형 구(building-integrated sphere)에서 사용하는 경우, 색상은 관찰자의 위치나 태양의 위치에 크게 의존하기 때문이다. 또한, 고객이 원하는 각 색상에 대해, 태양광 모듈의 효율성 손실은 가능한한 적어야 한다. 산업 시리즈 제조의 경우, 태양광 모듈은 넓은 영역 및 수용 가능한 비용과 만족스러운 균질성으로 제조될 수 있어야 한다.
태양광 모듈 및 대등한 청구항들에 따른 그 제조방법에 의해, 이들 및 다른 목적은 본 발명의 제안에 따라 이루어진다. 본 발명의 유리한 실시예는 종속항들의 특징에 의해 표시된다. 본 발명에 따라 광전 에너지 생성을 위해 직렬로 전기적으로 연결된 태양 전지들을 갖는 태양광 모듈이 제공된다. 원칙적으로, 본 발명에 따른 태양광 모듈은 임의의 유형의 태양광 모듈, 특히, 웨이퍼 기판, 실리콘 기반 태양광 모듈 또는 모놀리식으로 통합된 직렬-연결 태양 전지들을 갖는 박막 태양광 모듈일 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 태양광 모듈은 박막 태양광 모듈이다. 유리하게는, 태양광 모듈은 열가소성 또는 가교 중합체 중간층(예를 들어, PVB 또는 EVA)에 의해 서로 고정적으로 결합된 전면 투명 커버 플레이트 및 후면 기판(예를 들어, 유리 플레이트들)을 갖는 복합 판유리 구조를 갖는 박막 태양광 모듈이다. 특히, 본 발명은 기판 구성의 박막 태양광 모듈에 관한 것으로, 여기서 태양 전지들을 제조하기 위한 층 구조는 광-진입 측면을 향하는 후면 기판의 표면에 도포된다. 본 발명은 동일하게 수퍼 스트레이트 구성의 박막 태양광 모듈에 관한 것으로, 층 구조는 광-진입 측면으로부터 멀리 향하는 전면 투명 커버 플레이트이 표면에 도포된다.
통상적인 사용에 따라, 용어 “박막 태양광 모듈”은 예를 들어 수 마이크론의 낮은 두께를 갖는 층 구조를 갖는 모듈을 말한며, 이는 적절한 기계적 안정성을 위해 캐리어를 요구한다. 캐리어는 예를 들어, 무기 유리, 플라스틱, 금속 또는 금속 합금으로 만들어질 수 있으며, 각각의 층 두께 및 특정 재료 특성들에 따라 단단한 플레이트 또는 유연한 필름으로 설계될 수 있다.
박막 태양광 모듈의 경우, 층 구조는 그 자체로 알려진 방식으로 후면 전극층, 전면 전극층 및 후면 전극층과 전면 전극층 사이에 배열된 광전 활성 흡수층을 포함한다. 전면 전극층은 광학적으로 투명하며 이는 층 구조를 통한 빛의 통과가 가능해야하기 때문이다. 광학적으로 투명한 전면 전극층은 전형적으로 도핑된 금속 산화물(TCO = Transparent conductive oxide), 예를 들어, n-전도성, 특히 알루미늄 도핑된, 산화 아연(AZO)을 포함하거나 그로 만들어진다.
광전 활성 흡수층은 바람직하게는 칼코피라이트 반도체, 유리하게는 구리 인듐/이황화 갈륨/디젤레나이드(Cu(In, Ga)(S, Se)2)군의 삼원의 I-III-VI-화합물 반도체를 포함하거나 그로 만들어진다. 상기 식에서 인듐과 갈륨은 각각 단독으로 또는 조합으로 존재할 수 있다. 황과 셀레늄도 마찬가지이며, 각각은 단독으로 또는 조합으로 존재할 수 있다. 흡수층의 재료로서 특히 적합한 것은 CIS(copper indium diselenide/disulfide) 또는 CIGS(copper indium gallium diselenide, copper indium gallium disulfide, copper indium gallium disulfoselenide)이다. 흡수층은 전형적으로 제1 도체 유형(전하 캐리어 유형)의 도핑을 가지며 전면 전극은 반대 도체 유형의 도핑을 갖는다. 일반적으로, 흡수층은 p-전도성(p-도핑)이며, 즉 과잉의 결함 전자(정공)가 있고, 전면 전극층은 n-전도성(n-도핑)이어서 자유 전자가 초과하여 존재한다. 버퍼층은 전형적으로 흡수층과 전면 전극층 사이에 배열된다. 이는 특히 Cu(In, Ga)(S, Se)2 기반 흡수층의 경우에 해당되며, 이 버퍼층은 일반적으로 p-전도성 Cu(In, Ga)(S, Se)2 흡수층과 n-전도성 전면 전극 사이에 요구된다. 현재의 이해에 따르면, 버퍼층은 흡수체와 전면 전극 사이의 전자 정합을 가능하게 한다. 또한, 그것은, 예를 들어, DC 마그네트론 스퍼터링에 의한 전면 전극의 증착의 후속 공정 단계에서의 스퍼터링 손상으로부터의 보호를 제공한다. n-전도성 전면 전극층, 버퍼층 및 p-전도성 흡수층의 연속(succession)에 의해, p-n 이종 접합, 즉 반대 도체 유형의 층 사이의 접합이 형성된다. 광전 활성 흡수층은 또한, 예를 들어, 카드뮴텔루라이드(CdTe) 또는 비정질 및/또는 미세결정 실리콘으로 만들어질 수 있다.
박막 태양광 모듈에서, 직렬로 연결된 태양 전지들은 패턴화 구역들에 의해 형성된다. 이에 따라, 적어도 후면 전극층은 제1 패터링 라인들(P1-라인들)에 의해 서로 완전히 분리된 섹션들로 세분화되며, 이 섹션들은 태양 전지들의 후면 전극들을 형성한다. 또한, 적어도 흡수층은 제2 패턴화 라인들(P2-라인들)에 의해 서로 완전히 분리된 섹션들로 세분화되며, 이 섹션들은 태양 전지들의 흡수체들을 형성하고, 그리고 적어도 전면 전극층은 제3 패턴화 라인들(P3-라인들)에 의해 완전히 분리된 섹션들로 세분화되며, 이 섹션들은 태양 전지들의 전면 전극들을 형성한다. 인접한 태양 전지들은 제2 패턴화 라인들에서 전기 전도성 물질을 통해 직렬 연결로 서로 전기적으로 연결되며, 여기서 하나의 태양 전지의 전면 전극은 인접한 태양 전지의 후면 전극에 전기적으로 연결되며, 필수는 아니나 전형적으로, 그와 직접 물리적인 접촉을 한다. 각 패턴화 구역은 3개의 패턴화 라인들(P1-P2-P3)의 직접적인 연속을, 각 경우에 이 순서로, 포함한다.
통상적인 사용에 따라, 용어 “태양 전지”는 전면 전극, 광전 활성 흡수층 및 후면 전극을 갖고, 서로 직접 인접한 2개의 패턴화 구역들에 의해 구분되는 층 구조의 영역을 말한다. 이는 모듈의 에지 영역에서 유사하게 적용되며, 여기서 패턴화 구역 대신에 태양 전지들의 직렬 연결을 전기적으로 접촉하기 위한 연결 섹션이 있어, 태양 전지가 전면 전극, 흡수체 및 후면 전극을 갖는 층 영역에 의해 정의되며, 이는 패턴화 구역 및 직접 인접한 연결 섹션 사이에 위치된다. 각각의 태양 전지는 광학적으로 활성 영역을 가지며 이는, 스택의 형태로 서로 위에 배열되는, 후면 전극, 흡수체 및 전면 전극을 포함하고, 빛을 전류로 광전 변환할 수 있다.
본 발명에 따른 태양광 모듈은 광-진입 측면 또는 전면 투명 커버 플레이트를 포함하며, 이는 외부 환경을 향하는 외부 표면과 외부 표면에 대향하는 내부 표면을 갖는다. 파사드 요소가 파사드에 설치된 상태에서, 커버 플레이트의 외부 표면은 외부 환경을 향하고, 선택적으로 그 위에 도포된 층들과 함께 파사드의 외부 측면 또는 외부 표면의 일부를 형성한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 커버 플레이트는 하나의 동일한 재료, 예를 들어 유리 또는 플라스틱, 바람직하게는 소다 석회 유리로 만들어진다. 바람직하게는, 커버 플레이트는 단단한 유리 또는 플라스틱 플레이트이다. 커버 플레이트의 외부 표면 또는 내부 표면은, 이 경우에, 커버 플레이트의 각 재료로 형성된다. 본 발명의 대안적인 실시예에 따르면, 커버 플레이트는 적어도 2개의 상이한 재료로 만들어지고, 커버 플레이트의 외부 표면 및/또는 내부 표면은 커버 플레이트의 코어와 상이한 재료로 형성된다. 커버 플레이트의 코어는 바람직하게는 하나의 동일한 재료, 예를 들어 유리 또는 플라스틱, 바람직하게는 소다 석회 유리로 만들어진다. 커버 플레이트의 코어, 외부 및/또는 내부에 도포되는 것은 커버 플레이트의 코어와는 상이한 재료이며, 이는 투명하고 커버 플레이트의 코어의 재료와 동일한 광 굴절률을 갖는다. 이 경우, 커버 플레이트의 외부 표면 또는 내부 표면은 커버 플레이트의 코어에 도포되는 각 재료에 의해 형성된다. 또한 본 발명에 따르면, “커버 플레이트”라는 용어는 커버 플레이트를 형성하는 재료가 투명하고 하나의 동일한 광학 굴절률을 갖는다면 “복합체(composite body)”도 포함한다.
바람직하게는, 커버 플레이트는 곡률이 없고 이에 따라 평면(평평)이다. 그러나, 커버 플레이트는 구부러질 수도 있다. 더욱이, 커버 플레이트는 단단하거나 유연할 수 있다. 유연한 커버 플레이트의 형태에서, 그것은 평면 형태로 효과적으로 제공될 수 있다.
평평한 (평면) 커버 플레이트의 경우, 상기 커버 플레이트 그 자체가 평면을 정의하며, 이는 본 발명의 맥락에서 “커버 플레이트의 평면”을 의미한다. 곡선 커버 플레이트의 경우, “커버 플레이트의 평면”라는 용어에 해당하다는 국부적인 평면은 평면의 임의의 지점에서 (가상의) 평평한 접선 표면에 의해 정의될 수 있다.
본 발명의 맥락에서, 용어 “투명도” 또는 “투명”은 적어도 85%, 특히 적어도 90%, 바람직하게는 적어도 95%, 특히 100%의 가시광 투과율을 말한다. 전형적으로, 가시광선은 380 nm 내지 780 nm의 파장 범위에 있다. 용어 “불투명도” 또는 “불투명”은 5% 미만, 특히 0%의 가시광 투과율을 말한다. 백분율 데이터는 외부 환경에서 전면 커버 플레이트를 치는 빛의 세기에 기반하여, 전면 커버 플레이트의 모듈 내부에서 측정되는 빛의 세기를 말한다. 커버 플레이트의 투명도는 측정 배열(measuring arrangement)을 사용하는 간단한 방법으로 결정될 수 있고, 여기서, 예를 들어, 백색광원(가시광선의 광원)이 전면 커버 플레이트의 일 측면에 배열되고, 가시광선 검출기가 전면 커버 플레이트의 다른 측면에 배열된다. 광 굴절률에 대해 언급된 다음 값들은 항상 380 nm 내지 780 nm 의 가시 파장 범위에서의 광 굴절률을 말한다.
본 발명에 따른 태양광 모듈은, 모듈 외부 측면으로부터 백색광으로 조명되는 동안, 특히 태양광으로 조명되는 동안, 적어도 하나의 모듈 섹션에서 관찰자에게 균일한 색감을 제공하며, 즉, 태양광 모듈은 모듈 섹션에서 착색된다. 전체 표면에서 균일한 색감을 갖는 태양광 모듈은 특히 매력적인 것으로 간주된다. 태양광 모듈의 색상은 3개의 색좌표들 L*, a*, b*로 설명될 수 있으며, 여기서 색좌표는 통상의 기술자에게 그 자체로 알려진 (CIE) L*a*b* 색공간을 말하며, 여기서 인식 가능한 모든 색상들이 정확하게 정의된다. 이 색공간은 유럽 표준 EN ISO 11664-4 “색도계 - 파트 4 : CIE 1976 L*a*b* 색공간(Colorimetry - Part 4:CIE 1976 L*a*b* Colour Space)”에서 특정되며, 이는 본 발명 명세서 내에서 전반적으로 참조된다. (CIE) L*a*b* 색공간에서 각 색상은 3개의 데카르트 좌표 L*, a*, b*가 있는 색상 위치로 정의된다. 녹색과 빨간색은 a*-축에서 서로 마주보고; b*-축은 파란색과 노란색 사이를 잇고; L*-축은 색상의 밝기(휘도)를 설명한다. 더 명확한 표면을 위해, 값들이 Lhc 색공간으로 변환될 수 있고, 여기서 L은 동일하게 유지되고 반경의 채도와 h는 a*b* 평면에서 색점의 각도이다.
태양광 모듈의 색상은 외부 환경, 즉 전면 커버 플레이트를 볼 때 태양광 모듈을 관찰한 것에 기초한다. 태양광 모듈의 색도계 또는 색좌표는 상업적으로 이용 가능한 색도계(분광 광도계(spectrophotometer))에 의해 간단한 방법으로 결정될 수 있다. 이를 위해, 분광 광도계는 특히 외부 표면에 배치된 전면 커버 플레이트의 외부 표면에 배치된다. 일반적인 분광 광도계는 예를 들어 DIN 5033, ISO/CIE 10527, ISO 7724 및 ASTM E1347에 의해 정의된 국제 표준들에 따른 구조 및 허용 오차로 표준을 준수하는 색도계를 가능하게 한다. 예를 들어, 색도계에 관련하여 표준 DIN 5033 전체가 참조된다. 분광 광도계는 예를 들어 광원으로 크세논 플래시 램프, 텅스텐 할로겐 램프 또는 하나 또는 복수의 LED를 가지고 있으며, 이것에 의해 신체의 외부 표면이 생성된 빛(예를 들어, 백색광)으로 조명되고, 태양광 모듈로부터 받은 빛이 측정된다. 서두에서 설명된 바와 같이, 색도계로 측정된 물체색(body color)은 태양광 모듈에 의해 반사되고 재방출되는 빛으로부터 발생된다.
본 발명에 따른 태양광 모듈이 적어도 하나의 섹션에서 상대적으로 각도 의존성이 적은 균일한 색상을 갖도록 하기 위해, 미리 정의되거나 미리 정의될 수 있는 파장 범위 내의 빛을 반사하기 위한 착색 광 간섭층이 커버 플레이트의 내부 표면에 배열된다. 광 간섭층은 바람직하게는 커버 플레이트의 외부 표면 상에 직접 (또 다른 중간층 없이) 커버 플레이트의 내부 표면에 배열된다. 또한, 외부 표면은 적어도 하나의 패턴화된 영역을 갖거나, (즉, 대안적으로) 미리 정의되거나 미리 정의될 수 있는 파장 범위 내의 빛을 반사하기 위한 추가 광 간섭층이 상기 외부 표면에 배열된다면, 커버 플레이트의 내부 표면 및/또는 외부 표면은 각 경우에 적어도 하나의 패턴화된 영역을 갖는다. 광 간섭층은 바람직하게는 커버 플레이트의 외부 표면 상에 직접 (또 다른 중간층 없이) 배열된다. 이는 외부 표면이 적어도 하나의 패턴화된 영역을 가질 때 광 간섭층이 외부 표면에 배열되지 않음을 의미한다. 아래에 설명된 바와 같이, 개선된 각도 안정성으로 의도한 색도(chromaticity)를 이루기 위해 빛이 적어도 한 번 커버 플레이트를 통과하고 내부 간섭층에서 반사되어야 한다는 것은 본 발명의 모든 실시예에서 공통적이다.
각 광 간섭층은 단일겹 또는 여러 겹일 수 있으며, 즉, 하나 또는 복수의 광 굴절 겹들(굴절 층들)을 갖는다. 광 간섭층은 태양광 모듈의 색상을 생성하는 것을 지원하며, 광 간섭층은 광 간섭층의 다양한 계면들에서 반사되는 보강적 또는 상쇄적 빛의 간섭이 가능하게 구현된다. 태양광 모듈의 색상은 계면들에서 반사광의 간섭으로 인해 발생한다. (백색) 빛, 특히 태양광으로 조명할 때 광 간섭층은 균일한 색상을 생성하는 컬러 필터의 역할을 한다. 예를 들어, 청-흑색(bluish-black coloration)(CIGS 박막 태양 전지들)인 광전 활성 태양 전지들은 태양광 모듈의 전체 색상에 기여할 수 있다.
바람직하게는, 외부 표면의 패턴화된 영역은 전체 커버 플레이트에 걸쳐, 즉, 커버 플레이트의 전체 외부 표면에 걸쳐 연장되어 태양광 모듈은 균일한 색상을 갖는다. 태양광 모듈은 또한 각각 균일한 색상을 갖는 여러 모듈 섹션들을 가질 수 있다. 모듈 섹션들의 색상들은 서로 같거나 다를 수 있다.
적어도 하나의 패턴화된 영역은 커버 플레이트의 평면에 수직인 언덕들(고도들) 및 계곡들(함몰들)을 갖는 높이 프로파일을 가지며, 언덕들과 계곡들 사이의 평균 높이 차이는 2 μm 이상이며, 필수는 아니지만 바람직하게는, 투명 커버 플레이트의 두께의 최대 20%이다. 또한, 외부 표면이 패턴화된 영역의 적어도 50%는 서로 상이한 경사진 세그먼트 또는 면(facets)으로 구성된다. 세그먼트는 외부 환경을 향하는 커버 플레이트 표면의 섹션이며, 각 경우 커버 플레이트의 평면에 대해 경사진 평면형 표면들로 구현된다. 여기서, 세그먼트들의 적어도 20%가 커버 플레이트의 평면을 기준으로, 0°를 초과하고 최대 15°범위인 경사각을 가지며, 세그먼트들의 적어도 30%는 15°를 초과하고 최대 45 °범위인 경사각을 갖는다. 필수는 아니지만 유리하게는, 세그먼트의 30% 미만은 45°를 초과하는 경사각을 갖는다. 패턴들은 바람직하게는 주기적이지 않고 이방성이 아니다. 그러나, 특수 광학 효과의 경우, 주기적인 패턴들과 이방성 패턴들도 사용될 수 있다.
내부 표면에 패턴화된 영역이 적어도 하나 있다면, 내부 표면의 패턴화된 영역의 세그먼트는 각 경우 평평하고 세그먼트 영역은 적어도 1 μm2 이고, 평균 거칠기는 내부 표면의 광 간섭층의 층 두께의 15% 미만이다. 광 간섭층이 다중 궂럴 층으로 구성되는 경우, 적어도 하나의 구역의 세그먼트는 각 경우 가장 작은 층 두께를 갖는 굴절층의 층 두께의 15% 미만의 평균 거칠기를 갖는다. 각 세그먼트가 광 간섭층의 층 두께의 15% 미만의 평균 거칠기를 갖는 구역은 패턴화된 영역에 대응할 수 있으며, 즉 구역과 패턴화된 영역은 동일하다. 원칙적으로, 세그먼트의 거칠기에 대한 조건은 광 간섭층이 패턴화된 영역에 배열된 경우에만 충족되어야 한다. 이것은 내부 표면의 적어도 하나의 패턴화된 영역에만 적용된다. 외부 표면이 적어도 하나의 패턴화된 영역을 갖는 경우, 패턴화된 영역의 세그먼트의 거칠기에 대한 요구 사항이 없는데, 이는 외부 표면은 적어도 하나의 패턴화된 영역을 갖거나 광 간섭층이 외부 표면에 배열되지만, 외부 표면의 패턴화된 영역에는 광 간섭층이 배열되지 않기 때문이다.
따라서, 내부 표면이 적어도 하나의 패턴화된 영역을 갖는 경우에, 패턴화된 영역은 복수의 평평한 (평면) 세그먼트들을 갖는다. 본 발명의 맥락에서, 평평한 (평면) 세그먼트들은 비곡선 표면에 의해 형성될 수 있다. 그러나, 평평한 (평면) 세그먼트들이 약간 곡면으로 형성되는 것도 가능하다. 본 발명의 맥락에서, 세그먼트의 각 지점에 대해 다음에 해당하면 세그먼트는 약간 곡선이다: 세그먼트의 한 지점에서 면적이 1 μm2 인 (가상) 접선 평면이 구성되면, 접선 평면에 대한 법선 방향을 기준으로 세그먼트 표면과 접선 평면 사이의 거리가 50 nm 미만이다.
본 발명의 맥락에서, 용어 “패턴화” 또는 “패턴화된 영역”은 바로 앞 단락에서 설명된 특징이 조합되어 존재하는 커버 플레이트의 외부 표면 또는 내부 표면의 영역을 말한다.
패턴화된 영역의 특징들에 의해, 유리하게는 조각(照角, glancing angle) 외부에서 볼 때에도 빛으로 커버 플레이트를 조명할 때, 빛이 상대적으로 높은 강도로 반사되는 것이 보장될 수 있다. 그 이유는 충분한 수, 적절한 크기 및 적절한 경사각으로 존재하는 서로 상이한 경사진 세그먼트들이 있어, 조각 외부에서 볼 때 반사광의 높은 세기를 가능하게 한다. 외부 패터닝의 경우, 세그먼트의 굴절, 내부 패터닝의 경우 세그먼트의 반사에 의해 커버 플레이트의 조각 외부 방향으로 충분한 세기를 산란시키는 충분한 경사 세그먼트가 항상 있다.
조각에서는, 입사광의 입사각이 커버 플레이트의 평면에 대한 반사광의 반사각과 일치하는 조건이 적용된다. 여기와 다음에서 사용되는, 용어 “조각(glancing angle)”은 세그먼트 평면에 대한 법선을 나타내는 “국부적인 조각”과 구별되는, 커버 플레이트의 평면에 대한 법선을 말한다. 조각과 국부적인 조각은 동일할 수 있으나(세그먼트가 커버 플레이트의 평면에 평행함) 일반적으로 서로 상이하다(세그먼트가 커버 플레이트 평면에 대해 기울어짐).
그 결과, 조각에서 반사되지 않는 (즉, 산란된) 빛의 세기가 상대적으로 높고, 그러한 패턴닝된 영역이 없는 반사면에 대해 입사 방향 및 관찰 방향에 대한 적은 각도 의존성을 갖는 것이 이루어질 수 있다. 광 간섭층에 의해, 광 간섭층의 굴절률 및 층 두께에 따라 조각 외부에서 반사광이 색선택될 수 있어, 커버 플레이트의 표면이 상대적으로 각도 의존성이 적은 균일한 색상을 갖게 한다.
이와 관련하여 유리하게는, 패턴화된 영역은 언덕들과 계곡들 사이의 평균 높이 차가 적어도 2 μm, 바람직하게는 적어도 10 μm, 특히 바람직하게는 적어도 15 μm 인 높이 프로파일을 갖는다. 그러한 패턴화된 영역은 커버 플레이트(예를 들어, 커버 유리)의 에칭에 의해 제조될 수 있다. 이와 관련하여 동등하게 유리하게는, 패턴화된 영역은 언덕들과 계곡들 사이의 평균 높이 차가 적어도 50 μm, 바람직하게는 적어도 100 μm인 높이 프로파일을 갖는다. 그러한 패턴화된 영역은 커버 플레이트(예를 들어, 커버 유리)의 롤링에 의해 제조될 수 있다. 따라서, 본 발명은 유리하게는 태양광 모듈로 연장되고, 그 중 적어도 하나의 커버 플레이트의 패턴화된 영역은 에칭 또는 롤링에 의해 제조되며, 이에 의해 언급된 높이 프로파일이 제조될 수 있다. 그러나, 패턴들은 커버 플레이트에 투명하고 패턴화된 층을 도포하여 제조될 수도 있다. 층은 커버 플레이트와 동일한 (또는 적어도 매우 유사한) 굴절율을 가져야 한다. 본 발명에 따르면, 커버 플레이트 표면의 패턴화는 그러한 투명하고 패턴화된 층을 도포하는 것도 포함해야 한다.
커버 플레이트의 패턴화된 영역의 상기 특성들은 현미경, 특히 공초점 현미경 또는 스타일러스 프로파일로미터와 같은 종래 측정 장치에 의해 결정될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 태양광 모듈의 (코팅되지 않은) 커버 플레이트의 적어도 하나의 패턴화된 영역에 의해 (각 경우 커버 플레이트의 평면에 대한 법선 기준) 45°및 15°의 관찰각과 각 조각으로부터 (양 방향으로) 45°만큼 벗어나는 입사각을 가지고, 적어도 10의 반사광의 휘도 L이 발생하는 것이 보장된다. 바람직하게는, 적어도 15, 보다 바람직하게는 적어도 20의 반사광의 밝기 L이 발생한다. 이 측정 중, 흑색 커버가 특성화할 측면에서 멀리 향하는 (코팅되지 않은) 커버 플레이트 측면에 설치된다. 측정에는 D65 광원이 사용되며 시판되는 다중 각도 분광 광도계(10°조리개 각도)로 밝기 L이 측정된다. 측정 설정은 도 11과 관련하여 아래에서 자세히 설명된다. 이러한 맥락에서, 전반적으로 유럽 표준 EN ISO 11664-4가 참조된다.
따라서, 본 발명은 광전 에너지 생성용 태양광 모듈로 연장되며, 이는 외부 표면이 외부 환경을 향하고 반대편의 내부 표면이 있는 투명 커버 플레이트를 포함하며, 여기서 미리 정의된 파장 범위 내의 빛을 반사하기 위한 광 간섭층이 내부 표면 상에 배열되며, 여기서 내부 표면 및/또는 외부 표면은 각 경우 적어도 하나의 패턴화된 영역을 가지며, 여기서 외부 표면이 적어도 하나의 패턴화된 영역을 갖거나 미리 정의된 파장 범위 내의 빛을 반사히기 위한 추가 광 간섭층이 외부 표면에 배열되며, 패턴화된 영역은 다음과 같은 특징을 갖는다:
- 커버 플레이트의 평면에 수직으로, 언덕들과 계곡들을 갖는 높이 프로파일, 여기서 언덕들과 계곡들 사이의 평균 높이 차는 적어도 2 μm이고,
- 패턴화된 영역의 적어도 50%는 커버 플레이트의 평면에 대해 경사진 세그먼트로 구성되며, 여기서 커버 플레이트의 평면과 관련하여, 세그먼트의 20% 이상이 0°초과 내지 최대 15°범위의 경사각을 갖고, 세그먼트의 30% 이상이 15°초과 내지 최대 45°범위의 경사각을 가지며, 여기서,
- 내부 표면이 적어도 하나의 패턴화된 영역을 갖는 경우, 내부 표면의 패턴화된 영역의 세그먼트는 각 경우 평평하고, 적어도 1μm2의 세그먼트 면적과 내부 표면 상의 광 간섭층의 층 두께의 15% 미만의 평균 거칠기를 갖는다.
여기서, 흑색 후면이 제공되는 패턴화되고 코팅되지 않은 커버 플레이트는 (각각의 경우에 커버 플레이트의 평면에 대한 법선 기준) 45°및 15°의 관찰각 및 각 조각으로부터 (양 방향으로) 45°만큼 벗어나는 입사각으로 구현되는 것이 유리하며, 적어도 10, 적어도 15, 또는 적어도 20의 반사광의 밝기 L이 발생한다.
본 발명은 외부 표면이 외부 환경을 향하고 반대편의 내부 표면을 갖는 투명 커버 플레이트를 포함하는 광전 에너지 생성을 위한 태양광 모듈로 동일하게 연장되며, 여기서 미리 정의된 파장 범위 내에서 빛을 반사하기 위한 광 간섭층이 내부 표면 상에 배열되고, 여기서 내부 표면 및/또는 외부 표면은 각 경우 적어도 하나의 패턴화된 영역을 가지며, 여기서 외부 표면이 적어도 하나의 패턴화된 영역을 갖거나 미리 정의된 파장 범위 내에서 빛을 반사하기 위한 추가 광 간섭층이 외부 표면에 배열되며, 여기서 흑색 후면이 제공되고 적어도 하나의 패턴화된 영역을 갖는 코팅되지 않은 커버 플레이트가 구현되어 관찰각이 (각 경우에 커버 플레이트의 평면에 대한 법선 기준) 45°및 15°이고, 입사각이 각 조각으로부터 (양 방향으로) 45°만큼 벗어나고, 적어도 10, 적어도 15 또는 적어도 20의 반사광의 밝기 L이 발생한다.
본 발명에 따르면, 도입에서 설명된, 각도 의존성이 거의 없는 균일한 색상 및 동시에 태양광 모듈의 고효율 사이의 트레이드 오프는 상당히 만족스럽게 해결될 수 있다. 한편으로, 커버 플레이트의 내부 및/또는 외부의 패턴화된 표면으로 인해, 높은 세기를 갖고 각도 의존성이 적은 빛이 조각 외부에서도 반사되는데, 이는 내부 간섭층이 굴절률이 더 높은 계면을 구성하기 때문이다. 외부 패터닝의 경우, 빛은 이미 공기/커버 플레이트 계면에서 굴절되어 다양한 각도에서 산란된 내부 간섭층을 친다. 내부 패터닝 단독의 경우, 이 내부 계면에서 확산 산란이 발생하는데, 이는, 본 발명에 따르면, 상이한 경사각을 갖는 많은 표면 세그먼트가 이용 가능하기 때문이다. 다른 한편으로, 광 간섭층으로 인해, 빛은 선택적으로만 필터링될 수 있으며, 결과적으로, 나머지는 높은 세기로 눈에 띄는 흡수 손실 없이 태양 전지의 광전 활성 반도체를 칠 수 있어서, 입사광의 많은 부분이 고효율로 또는 태양광 모듈의 가능한 최소한의 효율 손실로 전류로 변환될 수 있다. 또한, 착색 광 간섭층으로 인해, 균일한 색감이 이루어진다. 간섭층은 가능한 최고의 협대역 반사와 광대역 투과율을 가진 필터 역할을 한다.
본 발명에 따른 태양광 모듈의 바람직한 실시예에서, 커버 플레이트의 내부 표면에 광 간섭층이 배열되고, 여기서 커버 플레이트의 내부 표면은 패턴화된 영역을 갖지 않고, 외부 표면은 적어도 하나의 패턴화된 영역을 가지며, 여기서 더 이상의 광 간섭층은 외부 표면에 배열되지 않는다. 내부 표면은 바람직하게는 매끄럽다(제조 부정확성의 한도 내). 파사드 요소의 외부 표면의 패턴화된 영역의 세그먼트의 경우, 거칠기에 대한 요구 사항이 없다. 패턴화된 외부 표면은 비교적 큰 미세한 거칠기를 가질 수 있다. 이 계면에서는 투과, 굴절 및 산란만 발생하지만 간섭이 없다. 외부 표면 상의 추가 층은 광 굴절률이 커버 플레이트의 굴절률보다 낮은 (예를 들면, 얇은) 반사 방지층일 수 있다. 이를 통해, 커버 플레이트(예를 들어, 유리 플레이트)의 실질적으로 백색 반사를 방지할 수 있으며, 색상의 채도 레벨이 증가한다. 그러나, 외부 표면의 추가 층도 커버 플레이트와 동일한 굴절률을 가질 수 있다. 이 경우, 층은 습기 및 기타 부식성 공기 성분으로부터 커버 플레이트를 보호하는 역할만을 한다. 에칭에 의해 새틴화된 유리는 평면 또는 롤링된 유리보다 습열에 더 민감하다는 것이 밝혀졌다. 에칭된 소다 석회 유리의 경우, 추가 층은, 예를 들어, 얇은 스퍼터링된 SiO2 층일 수 있다.
본 발명에 따른 태양광 모듈의 또 다른 바람직한 실시예에서, 커버 플레이트의 내부 표면에 광 간섭층이 배열되고, 여기서 커버 플레이트의 내부 표면은 적어도 하나의 패턴화된 영역을 가지며, 외부 표면은 적어도 하나의 패턴화된 영역을 가지며, 외부 표면에 배열된 추가 간섭층은 없다. 내부 표면의 패턴화된 영역과 외부 표면의 패턴화된 영역은 서로 동일하거나 상이할 수 있다. 파사드 요소의 외부 표면의 패턴화된 영역의 세그먼트의 경우, 거칠기에 대한 요구 사항이 없다. 패턴화된 외부 표면은 비교적 큰 미세한 거칠기를 가질 수 있다. 이 계면에서, 투과, 굴절 및 산란만이 발생하지만 간섭은 없다. 앞서 언급된 거칠기에 대한 요구 사항은 파사드 요소의 내부 표면의 패턴화된 영역의 세그먼트에 적용되는데, 이는 광 간섭층이 패턴화된 영역에 배열되기 때문이다. 외부 표면이 패턴화되고 간섭층이 내부 표면에 있을 때, 각도 안정성은 빛이 서로 상이한 경사진 세그먼트의 패턴화된 외부 표면을 통해 진입할 때 굴절되고, 상이한 각도로 간섭층을 치고, 간섭 및 반사 후, 빛이 커버 플레이트를 빠져나가며 패턴화된 외부 표면을 통해 추가로 통과하며, 굴절로 인해 빛의 방향이 다시 바뀐다는 사실에서 비롯된다.
본 발명에 따른 태양광 모듈의 또 다른 바람직한 실시예에서, 커버 플레이트의 내부 표면에 광 간섭층이 배열되고, 여기서 커버 플레이트의 내부 표면은 적어도 하나의 패턴화된 영역을 가지며 외부 표면은 패턴화된 영역을 갖지 않으며, 외부 표면에 배열된 추가 광 간섭층은 없다. 외부 표면은 바람직하게는 매끄럽다(제조 부정화성의 한도 내). 앞서 언급된 거칠기에 대한 요구 사항은 파사드 요소의 내부 표면의 패턴화된 영역의 세그먼트에 적용되는데, 이는 광 간섭층이 패터닝된 영역에 배열되기 때문이다. 본 발명에 따른 태양광 모듈의 이 실시예에서, 커버 플레이트의 외부 표면이, 굴절률이 커버 플레이트의 굴절률 보다 작은 (예를 들어, 얇은) 반사 방지층으로 코팅되는 것이 유리할 수 있다. 이에 의해, 예를 들어, 유리 커버 플레이트의 실질적인 백색 반사가 방지되고 색상의 채도 레벨이 증가한다.
본 발명에 따른 태양광 모듈의 또 다른 바람직한 실시예에서, 커버 플레이트의 내부 표면에 광 간섭층이 배열되고, 여기서 커버 플레이트의 내부 표면은 적어도 하나의 패턴화된 영역을 가지며, 외부 표면은 패턴화된 영역을 갖지 않으며, 외부 표면에 배열된 추가 광 간섭층이 있다. 외부 표면은 바람직하게는 매끄럽다(제조 부정확성의 한계 내). 앞서 언급된 거칠기에 대한 요구 사항은 파사드 요소의 내부 표면의 패턴화된 영역의 세그먼트에 적용되는데, 광 간섭층이 패턴화된 영역에 배열되기 때문이다. 2개의 광 간섭층은 서로 같거나 상이할 수 있다. 특히, 빛을 반사하기 위한 2개의 광 간섭층은 하나의 동일한 파장 범위 내에서 구현될 수 있다. 그러나, 빛을 반사하기 위한 2개의 광 간섭층이 상이하거나 부분적으로만 겹치는 파장 범위 내에서 구현되는 것도 가능하다. 그러한 상부 추가 층은 또한 커버 플레이트의 굴절률보다 더 작은 굴절률을 갖는 얇은 반사 방지층일 수 있다. 이를 통해, 커버 플레이트(예를 들어, 유리)의 실질적으로 백색 반사가 방지되며 색상의 채도 레벨이 증가한다. 그러나, 추가 상부 층은 또한 커버 플레이트와 동일한 굴절률을 가질 수 있다. 이 경우 층은 습기 및 기타 부식성 공기 성분으로부터 유리를 보호하기 위해서만 사용된다. 에칭으로 새틴화된 유리는 평면 유리나 롤링된 유리보다 습열에 더 민감하다는 것이 밝혀졌다. 에칭된 소다 석회 유리의 경우, 추가 층은, 예를 들어, 얇은 스퍼터링된 SiO2 층일 수 있다. 개선된 각도 안정승으로 의도한 색도를 이루기 위해서 빛이 적어도 한 번 커버 플레이트를 통과하고 내부 간섭층에서 반사되어야 한다는 것은 본 발명에 따른 모든 실시예에서 공통적이다.
본 발명에 따른 태양광 모듈의 유리한 실시예에서, 외부 표면 또는 내부 표면의 패턴화된 영역의 적어도 80%, 특히 바람직하게는 적어도 90%는 (어떤 표면이 패턴화되는 지에 따라) 커버 플레이트의 평면에 대해 경사진 세그먼트로 구성된다. 세그먼트의 수를 늘림으로써, 조각을 벗어나더라도 커버 플레이트 표면의 패턴화된 영역에서 반사광의 세기와 그 각도 안정성이 더욱 향상된다.
적어도 하나의 패턴화된 영역의 세그먼트들의 적어도 30%가 0°를 초과하고 최대 15°범위의 경사각을 갖는다; 세그먼트들의 적어도 40%가 15°를 초과하고 최대 45°범위의 경사각을 갖고, 필수는 아니지만 바람직하게는, 세그먼트의 10% 미만은 45°를 초과하는 경사각을 갖는다. 특히 바람직하게는, 세그먼트들의 적어도 40%는 0°를 초과하고 최대 15°범위의 경사각을 갖는다; 세그먼트들의 적어도 50%는 15°를 초과하고 최대 45°범위의 경사각을 갖는다; 그리고 필수는 아니지만 바람직하게는, 10% 미만의 세그먼트는 45°를 초과하는 경사각을 갖는다. 15°미만의 작은 경사각을 갖는 상대적으로 많은 면이 존재하면, 본질적으로 조각 근처의 관찰각에서 반사된 세기만이 발생하며(패턴닝되지 않은 표면의 경우), 이는 본 발명에 따르면 바람직하지 않다. 더 가파른 면의 경우, 반사광의 각도 의존성이 감소된다; 그러나, 매우 가파른면(45° 초과)이 많은 경우, 다중 반사가 점점 더 많이 발생할 수 있고, 이는 본 발명의 맥락에서 반사가 바람직한 빛의 일부를 흡수층으로 더 많이 커플링시키는 결과를 초래할 수 있기 때문에 불리하다. 또한 많은 코팅 방법의 경우, 평평한 표면 세그먼트와 가파른 표면 세그먼트 상에 동시에 동일한 층 두께로 커버리지를 일치시키는 것은 보장되기 어렵다. 이에 따라, 광 간섭 층의 층 두께는 경사각에 따라 결정되며, 이는 다시 바람직하지 않은 각도 의존성을 초래한다. 이와 관련하여 가장 바람직한 것은 세그먼트가 각 경우 0 °를 초과하고 최대 45 °인 경사각을 갖는 실시예이다. 앞선 조건들에 따르면, 반사광의 매우 높은 세기가 조각 외부에서도 이루어질 수 있으며, 동시에, 특히 세기의 각도 의존성이 적다.
패턴은 바람직하게는 주기적이지 않고, 이방성이 아니다. 그러나, 특정 광학 효과들의 경우 주기적인 패턴들 및/또는 이방성 패턴들도 사용될 수 있다. 피라미드, 정방형 또는 육각형 벌집 패턴, 또는 반구와 같은 주기적 및 이방성 패턴도 유리 드로잉 중에 롤러로 잘 제조될 수 있다. 그들은 매력적인 광택 및 색상 효과에 사용될 수 있다. 표면 패턴들이 위에서 언급한 조건들을 충족할 때, 태양광 모듈은 다시 조각 외부 각도에 대한 색도 감소를 현저하게 감소시킨다; 그러나, 각도 종속성은 모듈 레벨의 방향(orientation)에 대해 이방성이다.
적어도 하나의 광 간섭층은 하나 또는 복수의 굴절층들을 포함할 수 있으며, 특히 그로 만들어질 수 있다. 굴절층은 하나의 동일한 재료(동일한 조성을 가짐)로 만들어지며 특히 전체 층 두께에 걸쳐 (동일한) 굴절율을 갖는다. 광 간섭층이 복수의 굴절층을 포함하는 경우, 적어도 2개의 굴절층은 서로 상이한 재료로 만들어지고 다른 굴절율을 갖는다. 유리하게는, 적어도 하나의 굴절층은 굴절율 n이 1.7을 초과하고, 바람직하게는 2.0을 초과하고, 특히 바람직하게는 2.3을 초과한다. 원칙적으로, 굴절율이 클수록 반사광의 각도 의존성이 낮아져 색감의 각도 의존성이 더 감소될 수 있다.
유리하게는, 광 간섭층은 TiOx, ZrOx, SiC 및 Si3N4로부터 선택된 적어도 하나의 화합물을 함유한다. 광 간섭층이 2개, 3개 또는 그 이상의 겹를 갖는 경우, 광 간섭층은 바람직하게는 MgF2, Al2O3, SiO2 및 실리콘 산질화물로부터 선택된 적어도 하나의 화합물을 함유한다. 이들은 상대적으로 굴절율이 낮은 화합물이다.
본 발명에 따른 태양광 모듈에서, 적은 수의 굴절층(예를 들어, 1 내지 3개의 굴절층)만을 갖는 광 간섭층과 패턴화된 표면의 조합으로 인해 항상 좋은 색감이 이루어질 수 있다. 적은 수의 굴절층으로 인해 태양광 모듈의 제조이 단순화되고 제조 비용이 감소된다.
유리하게는, 태양광 모듈의 적어도 하나의 광 간섭층(특히, 모든 광 간섭층)은 굴절률 n이 1.9을 초과하고, 바람직하게는 2.3을 초과하는 정확히 하나의 굴절층을 함유한다(또는 그로 만들어진다).
동등하게 유리하게는, 태양광 모듈의 적어도 하나의 광 간섭층(특히, 모든 광 간섭층)은 정확히 2개의 굴절층을 함유하며(또는 그로 만들어지며), 여기서 제1 굴절률 n1을 갖는 제1 굴절층은 굴절률 nd를 갖는 커버 플레이트 상에 존재하고, 제2 굴절률 n2를 갖는 제2 굴절층은 제1 굴절층 상에 존재한다. 굴절률 차이의 양(절대값)의 경우: |n1-nd|> 0.3 및|n2-n1|> 0.3 이고, 굴절률 n1 또는 n2 중 적어도 하나는 1.9를 초과하고, 바람직하게는 2.3을 초과한다.
동등하게 유리하게는, 태양광 모듈의 적어도 하나의 광 간섭층(특히, 모든 광 간섭층)은 정확히 3개의 굴절층을 함유하며(또는 그로 만들어지며), 여기서 제1 굴절률 n1을 갖는 제1 굴절층은 굴절률 nd를 갖는 커버 플레이트 상에 존재하고, 제2 굴절률 n2를 갖는 제2 굴절층은 제1 굴절층 상에 존재하고, 제3 굴절률 n3를 갖는 제3 굴절층은 제2 굴절층 상에 존재한다. 굴절률 차이의 양(절대값)의 경우: |n3-n2| > 0.3 및 |n2-n1| > 0.3, 및 |n1-nd| > 0.3. 여기서, 굴절률의 값은 교대로 거동한다: n1 > n2 및 n3 > n2 또는 n1 < n2 및 n3 < n2. 또한, 굴절률 n1, n2 또는 n3 중 적어도 하나는 1.9를 초과하고, 바람직하게는 2.3을 초과한다.
정확히 1개, 정확히 2개 또는 정확히 3개의 굴절층을 갖는 광 간섭층으로 인해, 태양광 모듈의 균일한 색감이 태양광 모듈의 단순화된 제조와 낮은 제조 비용으로 이루어질 수 있다. 2겹 또는 3겹 층들로 인해, 색 세기, 즉, 밝기와 채도, 즉 특정 좁은 파장 범위에서의 반사가 증가될 수 있다. 상대적으로 높은 굴절률로 인해, 각도 의존성이 감소된다. 본 발명 및 제시된 실시예에 따른 패턴화된 커버 플레이트와 조합된 3개를 초과하는 층들을 갖는 층 스택으로 만들어진 간섭층은 또한 본 발명의 범위에 속하지만, 제조가 더 복잡하다. 예를 들어, 교대로 높고 낮은 굴절률을 갖는 굴절층들로 이루어진 4겹 층의 경우, 투과율이 개선되며 반사광의 대역폭이 더욱 감소될 수 있다.
커버 플레이트의 패턴화된 영역에서 입사광선의 반사는 조각 외부에서도 상대적으로 높은 세기로 발생한다. 이를 위해, 패턴화된 영역은 바람직하게는 50%를 초과하고, 특히 바람직하게는 90%를 초과하는 반사 헤이즈가 있도록 구현된다. 반사 헤이즈는 시판되는 헤이즈 미터(haze meter)에 의해 결정될 수 있다. ASTM D1003에 따르면, 헤이즈는 전반사에 대한 반사광의 확산 부분의 비율이다.
위에서 언급된 바와 같이, 세그먼트가 광 간섭층의 층 두 께의 15% 미만의 평균 거칠기를 가져야 한다는 것은 패턴화된 측면이 내부에 있고 간섭층이 이 패턴화된 측면에 직접 놓여 있는 모든 실시예에서 대해 사실이며, 이를 통해 반사광의 보강 또는 상쇄 간섭이 가능해진다. 유리하게는, 이 영역은 전체 커버 플레이트에 걸쳐 연장된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 패턴화된 영역은 세그먼트가 각 경우 평균 거칠기를 갖는 적어도 하나의 다른 영역, 즉 (서브) 영역을 가져 광 간섭층에 간섭이 발생하지 않게 한다. 예를 들어, 세그먼트는 간섭층의 층 두께의 50% 내지 100%의 평균 거칠기를 갖는다. 이 영역에서, 태양광 모듈은 광 간섭층에 의해 생성된 색상을 갖지 않는다.
본 발명은 또한 전술한 바와 같이 본 발명에 따른 태양광 모듈을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방법은 커버 플레이트를 처리하기 위한 다음의 단계들을 포함한다:
제1 단계 a)에서, 외부 환경을 향하도록 원하는 외부 표면과 반대편 내부 표면을 갖는 평평한 투명 커버 플레이트가 제공된다.
그 후, 다음의 네 가지 (대안적인) 단계들 중 단일의 제2 단계 b1), b2), b3) 또는 b4)가 선택되어 수행된다:
b1) 적어도 하나의 영역에서 외부 표면을 패턴화하는 단계, 내부 표면에 광 간섭층을 도포하는 단계. 이 경우, 광 간섭층이 더 이상 외부 표면에 도포되지 않는다. 또한, 내부 표면에는 패턴이 없다.
b2) 적어도 하나의 영역에서 외부 표면을 패턴화하는 단계, 적어도 하나의 영역에서 내부 표면을 패턴화하는 단계, 내부 표면의 패턴화된 영역에 광 간섭층을 도포하는 단계. 이 경우, 광 간섭층이 더 이상 외부 표면에 도포되지 않는다.
b3) 적어도 하나의 영역에서 내부 표면을 패턴화하는 단계, 내부 표면의 패턴화된 영역에 광 간섭층을 도포하는 단계. 이 경우, 광 간섭층이 더 이상 외부 표면에 도포되지 않는다. 또한, 외부 표면에는 패턴이 없다.
b4) 적어도 하나의 영역에서 내부 표면을 패턴화하는 단계, 내부 표면의 패턴화된 영역에 광 간섭층을 도포하는 단계, 외부 표면에 추가 광 간섭층을 도포하는 단계. 이 경우, 외부 표면은 패턴화되지 않는다.
상기 방법에서, 외부 표면 또는 내부 표면의 패턴화하는 단계는, 또한 외부 표면 또는 내부 표면을 형성하는 커버 플레이트 상에 적어도 하나의 패턴화된 영역이 제공된 투명층을 도포하는 단계를 포함한다.
본 발명의 건물의 외피(건물 벽) 또는 독립 벽, 예를 들어, 프라이버시 벽 또는 소음 차단벽의 (통합) 구성요소로서 본 발명에 따른 태양광 모듈의 사용으로 연장된다.
본 발명의 다양한 실시예는 개별적으로 또는 임의의 조합으로 실현될 수 있다. 특히, 상기 및 이후에 언급되는 특징들은 표시된 조합뿐만 아니라 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다른 조합으로 또는 분리되어 사용될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 이하에서 상세히 설명된다. 그들은 표현을 축척하지 않고 단순화하여 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 태양광 모듈에 대한 예시적일 실시예를 개략적인 단면도로 도시한다.
도 2는 본 발명의 따른 태양광 모듈의 기본 구조를 개략적인 단면도로 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 태양광 모듈의 구성에 따른 도 2의 커버 플레이트의 확대된 상세의 개략적인 단면도이다.
도 4는 파사드 요소로서 구현된 태양광 모듈의 전형적인 광 관계의 개략도를 도시한다.
도 5는 도 2의 태양광 모듈의 커버 플레이트의 패턴화된 영역에서의 반사동안의 예시적인 광 경로의 개략도이다.
도 6은 광 간섭층에서 광선의 간섭의 개략도이다.
도 7-10은 본 발명에 따른 태양광 모듈의 추가 실시예이다.
도 11은 다중 각도 색도를 위한 측정 방법의 개략도이다.
도 12는 다양한 유리판의 밝기에 대한 각도 의존적 측정의 측정 값을 나타내는 도표이다.
도 13-14는 다양한 유리판의 높이 프로파일이다.
도 15는 다양한 유리판의 세그먼트들의 각도 분포를 나타내는 도표이다.
도 16-18은 패턴화된 커버 플레이트의 다양한 속성을 나타내는 도표이다.
도 19는 본 발명에 따른 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 1은 단면도(모듈 표면에 수직인 단면)를 사용하여 번호 1로 전반적으로 참조된 본 발명에 따른 태양광 모듈을 개략적으로 도시한다. 예를 들어, 박막 태양광 모듈 형태로 구현된 태양광 모듈(1)은 통합된 형태로 직렬 연결된 복수의 태양 전지(12)를 포함하며, 이 중 매우 단순화된 방식으로 2개만이 도시된다. 물론, 일반적으로 태양광 모듈(1)은 복수의 태양 전지(12)(예를 들어, 약 100~150개)가 직렬 연결되어 있다. 태양광 모듈(1)은 기판 구성에서 복합 판유리 구조를 갖는다. 이것은 그 위에 도포된 박막들로 만들어진 층 구조(3)를 갖는 후면 기판(2)을 포함하고, 여기서 층 구조(3)는 기판(2)의 광-진입측 표면 상에 배열된다. 기판(2)은, 예를 들어, 상대적으로 높은 광 투과성을 갖는 강성 평면 유리로 구현되고, 수행되는 공정 단계에 대해 바라는 안정성 및 불활성 거동을 갖는 다른 전기 절연 재료가 동등하게 사용될 수 있다.
층 구조(3)는 기판(2)의 표면 상에 배열된 불투명한 후면 전극층(5)을 포함하며, 이는 예를 들어 몰리브덴(Mo)과 같은 광-불투과성 금속으로 만들어지고, 기체 증착 또는 마그네트론 강화 음극 스퍼터링(스퍼터링)에 의해 기판(2) 상에 도포된다. 후면 전극층(5)은, 예를 들어, 300 nm 내지 600 nm 범위의 층 두께를 갖는다. 밴드갭이 태양광을 최대한으로 흡수할 수 있는 금속이온으로 도핑된 반도체로 만들어진 광전 활성 (불투명) 흡수층(6)이 후면 전극층(5)에 도포된다. 흡수층(6)은, 예를 들어, p-전도성 칼코피라이트 반도체, 예를 들어, Cu(In/Ga)(S/Se)2 그룹의 화합물, 특히 나트륨(Na) 도핑된 Cu(In/Ga)(S/Se)2로 만들어진다. 상기 화학식에서, 황(S) 및 셀레늄(Se) 뿐만 아니라 인듐(In) 및 갈륨(Ga)도 임의로 또는 조합으로 존재할 수 있다. 흡수층(6)은, 예를 들어, 1-5 μm 범위, 특히 약 2μm 범위의 층 두께를 갖는다. 흡수층(6)의 제조을 위해, 다양한 재료층이 전형적으로, 예를 들어, 스프터링에 의해 도포되며, 이 층들은 가열로에서, 선택적으로 S 및/또는 Se를 함유하는 대기에서 가열함으로써 화합물 반도체가 형성되도록 후속적으로 열변환된다(RTP=rapid thermal processing). 화합물 반도체의 이러한 제조 방식은 통상의 기술자에게 잘 알려져 있어서 여기서 자세히 논의될 필요가 없다. 흡수층(6) 상에 증착되는 버퍼층(7)은, 여기서 예를 들어 황화 카드뮴(CdS)의 단일 층과 진성 산화 아연(i-ZnO)의 단일 층으로 구성되며, 도 1에서 상세히 도시되지 않는다. 전면 전극층(8)은 예를 들어 스퍼터링에 의해 버퍼층(7) 상에 도포된다. 전면 전극층(8)은 가시 스펙트럼 범위에서 방사선에 투명하여(“윈도우 전극”), 들어오는 햇빛(4)(도 1에서 화살표로 표시됨)이 약간만 약화된다. 전면 전극층(8)은, 예를 들어, 도핑된 금속 산화물, 예를 들어, n-전도성 알루미늄(Al)-도핑된 산화 아연(ZnO)에 기반한다. 그러한 전면 전극층(8)은 일반적으로 TCO(TCO=transparent conductive oxide) 층이라고 한다. 전면 전극층(8)의 층 두께는, 예를 들어, 약 500 nm 이다. 버퍼층(7) 및 흡수층(6)과 함께 전면 전극층(8)에 의해, 이종 접합(즉, 반대 도체 유형의 층들의 연속)이 형성된다. 버퍼층(7)은 흡수층(6)과 전면 전극층(8) 사이의 전자 정합에 영향을 미칠 수 있다.
환경적 영향으로부터 보호하기 위해, 층 구조(3)를 캡슐화를 지원하는 (플라스틱) 접착층(9)이 층 구조(3) 상에 도포된다. 접착층(9)으로 접착된 것은 태양광에 투명한 전면 또는 광-진입측 커버 플레이트(10)이며, 여기서, 예를 들어, 철함량이 낮은 여분의 백색 유리로 만들어진 단단한 (평면) 유리 플레이트의 형태로 구현된다. 커버 플레이트(10)는 층 구조(3)의 밀봉(sealing) 및 기계적 보호에 사용된다. 커버 플레이트(10)는 태양 전지(12)를 향하는 내부 표면(13) 및 태양 전지(12)로부터 멀리 향하는 외부 표면(11)을 가지며, 이는, 동시에, 모듈 표면 또는 모듈 상면이다. 태양광 모듈(1)은 결과적인 전압 연결(+,-)에 전기 전압을 제조하기 위해 외부 표면(11)을 통해 태양광(4)을 흡수할 수 있다. 도 1에서 전류 경로는 직렬로 배열된 화살표로 도시된다. 커버 플레이트(10)와 기판(2)은, 예를 들어, 가열에 의해 소성 변형될 수 있고, 냉각 시 커버 플레이트(10)와 기판(2)을 서로 고정적으로 결합시키는 열가소성 접착층을 사용하여 서로 고정적으로 결합된다. 접착층(9)은 제조 공정에서 적층 필름으로서 제공될 수 있으며, 여기서, 예를 들어, PVB로 만들어진다. 접착층(9)에 매립된 태양 전지(12)를 갖는 커버 플레이트(10) 및 기판(2)은 함께 적층 복합체를 형성한다. 모듈(14)의 후면은 태양 전지(12)로부터 멀리 향하는 기판(2)의 표면이다.
태양 전지(12)의 형성 및 직렬 연결을 위해, 층 구조(3)는 적합한 패턴화 기술, 예를 들어, 레이저 스크라이빙 및/또는 기계적 제거를 사용하여 패턴화된다. 일반적으로, 이러한 목적을 위해, 각 경우 3개의 패턴화 라인 P1-P2-P3의 직접 연속이 층 구조(3)에 도입된다. 여기서, 적어도 후면 전극층(5)이 제1 패턴화 라인(P1)에 의해 세분화되어 태양 전지(12)의 후면 전극이 제조된다. 적어도 흡수층(6)이 제2 패턴화 라인(P2)에 의해 세분화되어 태양 전지(12)의 광전 활성 영역(흡수체)이 제조된다. 적어도 전면 전극층(8)이 제3 패턴화 라인(P3)에 의해 세분화되어 태양 전지(12)의 전면 전극이 제조된다. 제2 패턴화 라인(P2)에 의해, 하나의 태양 전지(12)의 전면 전극은 인접한 태양 전지(12)의 후면 전극에 전기적으로 연결되고, 전면 전극은, 예를 들어, 후면 전극과 직접 접촉된다. 도 1의 예시적인 실시예에서, 제1 패턴화 라인(P1)의 트렌치는 흡수층(6)의 재료로 채워진다. 제2 패턴화 라인(P2)의 트렌치는 전면 전극층(8)의 재료로 채워지고, 제3 패턴화 라인(P3)의 트렌치는 접착층(9)으로 채워진다. 제1, 제2 및 제3 패턴화 라인 P1-P2-P3 의 각 직접 연속(direct succession)은 직접 인접한 태양 전지(12)에 대한 직렬 연결을 위한 패턴화 영역을 형성한다.
이제 도 2를 참조하면, 여기서 본 발명에 따른 태양광 모듈(1)의 기본 구조가 도시된다. 태양광 모듈(1)은 커버 플레이트(10)(예를 들어, 전면 유리) 및 후면 기판(2) 상에 도포된 층 구조(3)를 포함하며, 이는 접착층(9)(적층 필름)에 의해 서로 고정적으로 결합된다. 태양광 모듈(1)을 위한 착색 요소는 코팅된 커버 플레이트(10)이며, 이것의 외부 표면(11)은 입사광을 향하고, 내부 표면(13)은 접착층(9)을 통해 광전 태양 전지(12)(실리콘 웨이퍼 또는 박막 태양 전지)에 연결된다. 특히, 태양광 모듈(1)은 도 1에 설명된 바와 같이 구성될 수 있다. 여기서, 커버 플레이트(10)는, 예를 들어, 가능한한 흡수율이 가장 낮은 유리판이며, 예를 들어, 저철분 소다 석회 유리로 만들어진다. 커버 플레이트(10)의 외부 표면(11) 및/또는 내부 표면(13)은 (예를 들어, 드로잉 공정 동안 에칭, 샌드 블라스팅 또는 롤링에 의해) 패턴화되고, 이 경우, 내부 표면(13) 및 선택적으로 외부 표면(11)에 광 간섭층을 가지며, 이는 도 1 및 도 2에 도시되지 않는다(도 3 참조).
도 3은, 도 2의 태양광 모듈(1)의 커버 플레이트(10)의 확대된 상세를 사용하여, 본 발명에 따른 태양광 모듈(1)의 실시예를 도시한다. 커버 플레이트(10)의 외부 표면(11)은 영역(15)에서 패턴화되며, 이는, 본 예에서, 전체 외부 표면(11)에 걸쳐 연장되고, 즉, 외부 표면(11)과 패턴화된 영역(15)은 동일하다. 광 간섭층(16)은 내부 표면(13) 상에 직접 배열된다. 패턴화된 영역(15)에서, 외부 표면(11)에는 언덕들과 계곡들을 갖는 높이 프로파일이 제공된다. 여기서, 외부 표면(11)의 50% 초과는 평면 세그먼트(17)로 구성되며, 그 평면은 각 경우 커버 플레이트(10)의 평면에 대해 경사진, 즉, 0이 아닌 각도를 갖는다. 외부 표면(11)의 가장 높은 지점(언덕)과 가장 낮은 지점(계곡) 사이의 평균 높이 차이는 적어도 5 μm이고, 예를 들어, 투명 커버 플레이트(10) 두께의 최대 20%이다. 커버 플레이트(10)의 평면에 대해, 세그먼트들의 적어도 20%는 0°를 초과하고 최대 15°범위의 경사각을 갖는다; 세그먼트들의 적어도 30%는 15°를 초과하고 최대 45°범위의 경사각을 갖는다; 그리고 30% 미만의 세그먼트들(17)은 45°를 초과하는 경사각을 갖는다. 도 3의 예시적인 실시예에서, 모든 세그먼트는 최대 45°의 경사각을 갖는다. 광 간섭층(16)은 얇고, 예를 들어, 0.1 내지 수 마이크로미터(예를 들어, 5) 범위의 층 두께를 갖는다. 또한, 광 간섭층(16)은 1.7을 초과하고, 바람직하게는 2.0을 초과하고, 특히 바람직하게는 2.3을 초과하는 굴절률 n 및, 입사광에 대해 가능한한 가장 적은 흡수율을 갖는다. 광 간섭층(16)은 단일겹 또는 여러 겹(multi-ply)일 수 있고, 즉, 하나 또는 복수의 굴절층으로 구성될 수 있다. 각 굴절층은 특정 굴절률을 가지며 동일한 재료로 만들어진다. 예를 들어, 광 간섭층(16)은 MgO, SiONx, Si3N4, ZrO2, TiOx 및/또는 SiC로 만들어진다. 개별 굴절층, 특히 광 간섭층(16)의 전기 전도도는 가능한한 낮아야 한다.
이하에서, 커버 플레이트(10)의 외부 표면(11)의 패턴화의 작동 원리가 상세히 설명된다. 먼저 도 4를 고려하면, 예로서, 파사드 요소로 구현된 태양광 모듈(1)의 전형적인 광 관계(light relations)가 도시된다. 그것에 따르면, 태양(S)로부터의 빛은 커버 플레이트(10)를 직접 치고, 조각으로 반사된다(입사각=커버 플레이트 평면의 표면 법선에 대한 반사각). 입사광선(E)와 조각으로 반사되는 광선(R)이 도시된다. 반사광선(R)에 외에도, 내부 또는 외부의 적어도 하나의 패턴화된 측면 및 내부에 배열된 위치된 간섭층의 본 발명에 따른 구성으로 인해, 입사광도 조각 외부에서 산란된다. 2개의 확산 산란된 광선(R')이 예로서 도시된다. 색효과는 반사, 산란 및 간섭에 의해 생성된다. 관찰자(B)가 태양광 모듈(1) 앞에 서서 커버 플레이트(10)에 직각으로 자신의 정면을 바라볼 때, 직접 반사광(R)은 가장 드문 경우에만 눈을 친다(즉, 관찰자는 일반적으로 조각 내에 있지 않음). 이는 도 4에 도시되어 있으며, 역서 관찰자(B)는 조각 외부에 위치되고 확산 산란 광선(R')만 본다. 내부 또는 외부에 패턴화된 영역이 없는 커버 플레이트의 경우, 확산 산란광(R')의 세기는 상대적으로 작고, 강한 각도 의존성을 갖는다. 산란된 부분이 충분히 클 때에만 충분한 세기(밝기, L값)의 선명한 색상이 있다.
도 5를 참조하여, 도 3의 실시예에 따른 내부 간섭층(16)과 조합된 패턴화된 외부 표면(11)의 기능이 상세히 섬령된다. 예를 들어, 커버 플레이트(10)의 상이한 경사진 세그먼트(17)에 대한 다양한 광 경로가 여기에 도시된다. 예를 들어, 3개의 세그먼트(17)가 도시되며, 여기서 우측 세그먼트(17)는 커버 플레이트(10)의 평면에 대해 평행하고, 2개의 다른 세그먼트(17)는 커버 플레이트(10)의 평면에 대해 0이 아닌 각도를 갖는다. 간섭층(16) 상의 광선의 반사는 단순화된 방식으로 도시된다. 간섭층(16)에 대한 반사는 도 6과 관련하여 아래에서 설명된다. 도 5는 커버 플레이트(10)의 평면의 법선에 대해 각각 동일한 각도로 커버 플레이트(10)의 외부 표면(11)의 상이한 경사진 세그먼트(17)를 치는 3개의 광선에 대한 광 경로를 도시한다. 세그먼트(17)에 수직인 각각은 점선으로 그려져 있다. 상이하게 경사진 세그먼트(17)로 인해, 광선은 상이하게 반사된다. 제1 광선(1-1)은 세그먼트(17)를 치고, 굴절된 광선(1-2)으로서 커버 플레이트(10)를 통과하고, 간섭층(16)에 의해 (조각에서) 광선(1-3)으로 반사되고, 굴절된 광선(1-4)으로서 외부 환경으로 커버 플레이트(10)를 빠져나간다. 커버 플레이트(10)에 의해 궁극적으로 반사되는 광선(1-4)은 입사광선(1-1)보다 커버 플레이트(10)의 평면에 대한 법선 법선에 대해 다른 각도를 가져서 조각에서는 반사가 없고 오히려 산란이 있다. 이에 대응하여, 제2 광선(2-1)은 다른 세그먼트(17)를 치고, 굴절된 광선(2-2)으로서 커버 플레이트(10)를 통과하고, 광선(2-3)으로서 간섭층(16)에 의해 반사되고, 커버 플레이트(10)를 빠져나간다. 반사광선(2-4)은 광선(2-1)의 입사방향과 거의 반대방향으로 커버 플레이트(10)를 빠져나가는데, 이는 마찬가지로 산란 과정이며 조각에서 반사되지 않는다. 제3 광선(3-1)은 추가 세그먼트(17)를 치고, 굴절된 광선(3-2)으로서 커버 플레이트(10)를 통과하고, 광선(3-3)으로서 간섭층(16)에 의해 반사되고, 굴절된 광선(3-4)으로서 외부 환경으로 커버 플레이트(10)를 빠져나간다. 이 세그먼트(17)는 광선(2-4)이 조각에서 반사되게 커버 플레이트(10)의 평면에 평행하다. 여기서 핵심은 커버 플레이트(10)의 평면에 대해 경사진 세그먼트(17)의 결과로서, 각 세그먼트(17)에서의 굴절, 간섭층과의 계면에 대한 후속 반사, 및 패턴화된 표면 상의 더 많은 굴절로 인해, (커버 플레이트(10)의 평면에 대한) 조각 외부에서도 전반적으로 강한 반사가 발생하여 간섭층(16)과 결합하여, 반사광의 균일한 색 효과가 이루어진다. 도 5는, 예를 들어, 조각 외부에 위치된 관찰자(B)의 위치를 도시한다. 외부 패터닝과 내부 간섭층을 갖는 상대적으로 강하게 (확산적으로) 산란하는 커버 플레이트(10)로 인해, 적어도 한 번은 커버 플레이트를 통해 내부 간섭층으로 통과한 (조각 외부의 다양한 관찰각에 대해) 가장 적합한 광 경로가 있다. 이는 패턴화된 영역(15)이 없는 종래 기술 모듈의 경우보다 방향 의존성이 훨씬 적은 색감을 낳는다.
도 6은 층 두께 d를 갖는 광 간섭층(16) 상의 반사 관계를 도시한다. (커버 플레이트(10)를 통과한 후) 간섭층(16)을 치는 광선(E)이 도시되며, 이는 커버 플레이트(10)에 더 가까운 계면(반사된 빔 R1)과 또 커버 플레이트(10)에서 더 먼 계면(여기서, 캡슐화층의 경우)(반사된 빔 R2) 모두에서 반사된다. 두 광선 R1, R2의 경로 차이가 입사광선의 파장의 배수에 해당하는 경우, 보강 간섭이 발생하고(진입각 = 출사각), 반 파장의 배수의 경로 차이의 경우, 상쇄 간섭이 발생한다. 백색광 조명의 경우 광 간섭층이 컬러 필터 역할을 하는데, 굴절률 n과 층 두께 d에 따라 결정되는 보강 간섭은 적절한 파장의 빛에 대해서만 발생한다. 여기서, α는 표면 법선에 대해 반사된 빔 R1, R2의 각도이다.
이제 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 태양광 모듈(1)의 다른 실시예가 도시된다. 불필요한 반복을 방지하기 위해서, 도 3의 실시예에 대한 차이점만을 설명하고, 그렇지 않으면 위의 설명을 참조한다. 따라서, 태양광 모듈(1)은, 커버 플레이트(10)의 내부 표면(13) 상에, 패턴화된 영역(15)(태양 전지 측면) 상에 배열된 광 간섭층(16)을 갖는 패턴화된 영역(15)을 갖는다.
패턴화된 영역(15)에서, 내부 표면(13)에는 언덕들과 계곡들을 갖는 높이 프로파일이 제공된다. 여기서, 외부 표면(11)의 50% 초과는 평면 세그먼트(17)로 구성되며, 그 평면은 각 경우 커버 플레이트(10)의 평면에 대해 경사지며, 즉, 0이 아닌 각도를 가지며, 상기 세그먼트는 각 경우 평면이고 적어도 1 μm2의 세그먼트 면적을 가지며, 상기 세그먼트(17)는 내부 표면(13)에서 각 경우 광 간섭층(16)의 층 두께의 15% 미만의 평균 거칠기를 갖는다. 광 간섭층(16)은 얇고 패턴화된 영역(15)의 표면을 따른다. 패턴화된 영역(15) 및 광 간섭층(16)은 각 경우 도 3의 실시예의 그것들과 유사하게 구현될 수 있다. 커버 플레이트(10)의 외부 표면(11)은 패턴화된 영역(15)을 갖지 않고 제조 부정확성의 한도 내에서 매끄럽다. 패턴화된 영역의 세그먼트(17)의 거칠기에 대한 요구 사항은 층 두께가 균일하고 계면이 적절하게 매끄러울 때에만 얇은 층에서 간섭이 발생한다는 사실로부터 생긴다.
도 8은 도 5와 유사하게, 예를 들어, 도 7의 커버 플레이트의 실시예에 대한 3개의 상이한 광 경로를 도시한다. 간섭층(16) 상의 광선의 반사는 다시 단순화된 방식으로 도시된다. 도 6에 관한 설명은 유사하게 적용된다. 서로 상이하게 경사진 세그먼트(17)로 인해, 광선은 또한 커버 플레이트(10)에 의해 상이하게 반사된다. 제1 광선(1-1)은 커버 플레이트(10)의 외부 표면(11)을 치고, 굴절된 광선(1-2)으로서 커버 플레이트(10)를 통과하고, 광선(1-3)으로서 커버 플레이트(10)의 평면에 대해 경사진 세그먼트(17)에 의해 반사되고, 굴절된 광선(1-4)으로서 외부 환경으로 커버 플레이트(10)를 빠져나간다. 이에 대응하여, 제2 광선(2-1)은 커버 플레이트(10)의 외부 표면(11)을 치고, 굴절된 광선(2-2)으로서 커버 플레이트(10)를 통과하고, 광선(2-3)으로서 커버 플레이트(10)의 평면에 평행한 세그먼트(17)에 의해 반사되고, 굴절된 광선(2-4)으로서 외부 환경으로 커버 플레이트(10)를 빠져나간다. 이에 대응하여, 제3 광선(3-1)은 커버 플레이트(10)의 외부 표면(11)을 치고, 굴절된 광선(3-2)으로서 커버 플레이트(10)를 통과하고, 광선(3-3)으로서 커버 플레이트(10)에 대해 경사진 세그먼트(17)에 의해 반사되고, 굴절된 광선(3-4)으로서 외부 환경으로 커버 플레이트(10)를 빠져나간다. 중심 세그먼트(17)의 경우에만 입사광선(2-1) 및 반사광선(2-4)에 대해 충족되는 조건 입사각=반사각, 즉, 조각에서의 반사가 충족된다. 다른 광선은 각 경우 국부적인 조각에서 세그먼트(17)에 의해 반사되는데, 그러나, 이것은 비교적 강한 산란이 발생하도록 커버 플레이트(10)의 평면의 경사각에 대응하지 않는다. 광 간섭층(16)과 관련하여 태양광 모듈(1)에 대한 균일한 색감이 이루어질 수 있다. 이 경우에도, 빛이 커버 플레이트를 통해 내부 간섭층까지 적어도 한 번 통과할 때, 조각 외부의 각도에 대해서만 색상이 발생한다.
도 9는 본 발명에 따른 태양광 모듈(1)의 또 다른 실시예를 도시한다. 불필요한 반복을 방지하기 위해, 도 7의 실시예에 대한 차이점만을 설명하고, 그렇지 않으면 위의 설명을 참조한다. 따라서, 커버 플레이트(10)의 내부 표면(11)의 패턴화된 영역(15) 상의 광 간섭층(16) 외에도, 태양광 모듈(1)은 커버 플레이트의 외부 표면(11)에 직접 추가 광 간섭층(16')을 갖는다. 외부 표면(11)은 패턴화되지 않고, 즉, 내부 표면(13)과 유사하게 패턴화된 영역(15)을 갖지 않는다. 광 간섭층(16')은 층 두께 d' 및 광 굴절률 n'을 갖는다. 2개의 간섭층(16, 16')은, 예를 들어, 하나의 동일한 층 두께(d=d') 및 하나의 동일한 굴절류(n=n')을 갖는다; 하지만, 층 두께와 굴절률이 반드시 동일할 필요는 없다. 특히, 2개의 광 간섭층(16)의 층 두께 및 굴절률은 서로 다를 수도 있다. 2개의 광 간섭층(16, 16')에 대해 동일한 광 두께 n*d=n'*d'가 선택되면 태양광 모듈(1)의 색상이 강화될 수 있는데, 관찰자에게 도달하는 빛은 광 간섭층을 총 3번 통과하여 더 강하게 필터링되기 때문이다. 광 두께가 상당히 상이한 코팅의 경우 혼합된 색상이 생성될 수 있다.
커버 플레이트의 외부 표면(11)을 Si3N4와 같은 무기, 화학적 불활성 및 경질성 층으로 만들어진 광 간섭층(16')으로 코팅한 결과, 태양광 모듈(1)에 대해 높은 스크래치 저항성, 화학적 안정성 및 방오 작용이 있다. 또한, TiO2와 같은 광 촉매층을 사용함으로 자가세척 효과가 생길 수 있다. 그러한 추가 오버레이 층은 커버 플레이트(10)의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는 얇은 반사 방지층일 수도 있다. 이에 따라, 커버 플레이트(예를 들어, 유리)의 실질적으로 백색 반사가 방지되고 색상의 채도가 증가한다.
도 10은 본 발명에 따른 태양광 모듈(1)의 또 다른 실시예를 도시한다. 불 필요한 반복을 방지하기 위해, 도 7의 실시예에 대한 차이점만 설명되며, 그렇지 않으면 위의 설명을 참조한다. 따라서, 태양광 모듈(1)의 커버 플레이트(10)의 내부 표면(13)은 패턴화된 영역(15)을 갖는다. 또한, 커버 플레이트(10)의 외부 표면(11)은 세그먼트(17')를 갖는 추가 패턴화된 영역(15')을 갖는다. 광 간섭층(16)은 내부 표면(13)의 패턴화된 영역(15)에만 배열된다. 2개의 패턴화된 영역(15)은 동일하거나 상이하게 구현될 수 있다. 내부 표면(13)의 패턴화된 영역(15) 및 외부 표면(11)의 패턴화된 영역(15) 모두에는 언덕들과 계곡들을 갖는 높이 프로파일이 제공된다. 여기서, 내부 표면(13) 또는 외부 표면(11)의 50% 초과는 평면 세그먼트(17)로 구성되며, 그 평면은 각 경우 커버 플레이트(10)의 평면에 대해 경사지며, 즉, 0이 아닌 각도를 갖는다. 패턴화된 내부 표면(13)의 경우에만 세그먼트(17)는 각 경우 적어도 1 μm2의 세그먼트 면적 및 광 간섭층(16)의 층 두께 d의 15% 미만의 평균 거칠기를 갖는다. 외부 표면(11)의 패턴화된 영역(15')의 세그먼트(17')의 경우, 거칠기에 대한 요구 사항이 없다. 내부 표면(13) 또는 외부 표면(11)의 가장 높은 지점(언덕)과 가장 낮은 지점(골짜기) 사이의 평균 높이 차이는 적어도 2 μm 이고, 예를 들어, 투명 커버 플레이트(10)의 두께의 최대 20%이다. 커버 플레이트(10)의 평면에 대해, 세그먼트들(17, 17')의 적어도 20%는 0°를 초과하고 최대 15° 범위의 경사각을 갖고, 세그먼트들(17, 17')의 적어도 30%는 15°를 초과하고 최대 45° 범위의 경사각을 갖고, 세그먼트들(17, 17')의 30% 미만은 45°를 초과하는 경사각을 갖는다. 도 10의 예시적인 실시예에서, 모든 세그먼트들(17, 17')은 최대 45°의 경사각을 갖는다. 여기에서도, 반사 및 새로이 굴절된 후, 조각 외부 각도에서 산란되고 컬러 필터된 관찰자에게 도달하기 위해, 빛은 커버 플레이트를 통해 내부 계면층까지 적어도 한 번은 통과해야 한다. 2개의 패턴화된 표면에 의해 각도 안정성은 도 5, 7, 9의 실시예에 비해 더욱 증가될 수 있다.
도 11은 다중 각도 색도 측정을 위한 측정 방법을 도시하며, 여기서 유리판으로 구현된 광 간섭층(16)이 아직 코팅되지 않은 커버 플레이트(10)의 확산 산란은 시판되는 다중 각도 분광 광도계(19)(x-rite MA-T12)를 사용하여 측정된다. 패턴화된 영역(15, 15')은 커버 플레이트(10)의 전체 외부 표면(11)에 걸쳐 연장된다. D65 표준 광원의 광선은 특성화될 커버 플레이트(10)의 외부 표면(11)에서 다양한 입사각 하에서 조준되고, 다양한 관찰각, 예를 들어, 유리판의 표면 법선에 대해 15°또는 45°의 산란 또는 반사광은 스펙트럼으로 측정된다. (예를 들어, 약 1.5의 굴절율을 갖는 액체로 부착된) 흑색의 비광택층(19) 이 커버 플레이트(10)의 아래에 위치된다. 다중 각도 분광 광도계(19)를 사용하여, L-a-b 시스템의 밝기가 D65 표준 조명과 10°조리개 각도로 판단될 수 있다. 45°및 15°관찰각 모두 및 45°의 입사각에서, (양 방향) 조각(glancing angle)으로 각 경우 측정 시, 여전히 적어도 L=10, 바람직하게는 L=15, 더 낫게는 L=20의 밝기가 있다면, 각도 안정성이 우수한 것으로 밝혀졌다. 각도 데이터는 다음과 같이 이해되어야 한다: (표면 법선에 대한)반사각/(조각에 대한)입사각. 예를 들어, (표면 법선에 대해 측정된) 45°5°의 관찰각과 (조각에서 측정된) 45°의 입사각의 경우, 입사 빔은 표면을 정확히 수직으로 친다(45/45). 15°의 관찰각과 45°의 입사각의 경우, 입사 방향은 관찰 방향과 같은 측면에서 수직인 표면에서 30° 이다. 다중 각도 분광 광도계(21)는 표면 법선에 대해 45° 또는 15°의 시야각으로 위치된다.
도 12는 도 11에서와 같이 다중 각도 분광 광도계(20)로 측정된, 착색 광 간섭층이 없는 다양한 전면 유리에 대한 밝기 L의 측정을 보여준다. 전면 유리의 후면에는 글리세린(굴절률 n=1.47)의 얇은 층을 사용하여 양면이 검게된 무광택 유리가 광학적으로 부착되어, 본질적으로 표면의 반사가 측정된다. 측정된 새틴화 유리 a는 94%의 헤이즈로, 반사방지층 b(태양광 유리, 유형: Albarino T)를 갖는 약간 질감이 있는 태양광 유리는 2%의 헤이즈로, 패턴화되지 않은 플로트 유리 c는 0.5% 미만의 헤이즈로, 롤링된 유리 d는 양각 피라미드 구조(embossed pyramid structure)(평행)으로, 롤링된 유리 e는 양각 피라미드 구조(대각선)로 측정된다. “/”가 “as”로 대체된다는 점을 제외하고, 각도 데이터는 도 11의 그것들과 대응한다.
분명히, 새틴화 전면 유리 a와 2개의 롤링된 유리 d, e는 태양광 유리 b 또는 플로트 유리 c 보다 전반적으로 훨씬 더 높은 반사광의 세기를 나타낸다. 플로트 유리 c는 본질적으로 조각에서 단 하나의 반사만을 갖는다. 특히, 조각에서 멀리 떨어진 각도에서도 새틴화 유리 a와 2개의 롤링된 유리 d, e로 상당한 밝기가 식별될 수 있다. 정확하게 이 효과는 착색 간섭층과 함께 본 발명에 따라 유리하게 사용된다. 유리의 거칠기로 인해, 상이한 경사각을 갖는 미세한 표면이 항상 이용될 수 있어, 도 5(패턴화된 표면, 외부)또는 도 8(패턴화된 표면, 내부)의 광 경로를 통해, 색상 및 특히 밝기의 방향 의존성이 낮은 헤이즈를 갖는 패턴화되지 않은 유리판(예를 들어, 플로트 유리 c)에 코팅하는 것보다 훨씬 적다. 본 발명에 따른 패턴화된 표면은 각 경우 가시광선의 파장보다 더 큰 치수의 면(facet) 및 패턴 크기를 가져야 한다. 예를 들어, 에칭된 유리가 이에 적합하다. 그러나, 패턴은, 예를 들어, 롤링된 유리와 같이 서브 밀리미터 범위에 있을 수 있다. 롤링된 패턴은 에칭된 질감과 결합될 수도 있다. 패턴은, 또한, 증착 공정 및 유리 위 상이한 투명 재료의 패터닝에 의해 도포될 수 있다. 패턴은 경사각들의 넓은 분포를 갖는 가장 가능한 다른 표면 경사들을 가져야 한다.
도 13은 도 12의 약간 질감이 있는 유리판 b의 높이 프로파일을 보여준다(태양광 유리, 유형: Albarino T); 도 14, 도 12의 에칭에 의해 보다 강하게 패턴화된 유리판의 높이 프로파일(새턴 처리된 유리). 높이 프로파일은 공초점 현미경(confocal microscope)으로 측정하여 생성되었다.
도 15는 도 13과 도 14의 공초점 현미경 측정에서 생성된 각도 분포를 보여준다. 약간 패턴닝된 유리판 b(태양광 유리, 유형: Albarino T)의 경우 세그먼트가 상당히 크고 5-10°의 경사각만이 발생하는 반면 에칭된 유리판 a(새틴화 유리)의 세그먼트는 평균 각도가 약 25°인 40 μm (유리 평면에서 언덕에서 계곡까지의 거리) 범위에 있다. 에칭된 유리판 a의 각도 분포는 약간 패턴화된 유리판 b의 각도 분포보다 훨씬 넓다. 조각에서 20-30°를 초과하는 각도에서 약간 질감이 있는 유리판 b의 경우 (L 값으로 측정되는) 적은 반사의 세기만이 발견된다. 대조적으로, 새틴화 유리판 a의 경우 45/45 또는 15/45에서 여전히 상당한 밝기가 보인다. 도 15는 다른 판유리들(새틴화 유리판 c, Albarino S 유형의 약간 질감이 있는 유리 c', 추가 유리들 e, e')의 각도 분포를 보여준다.
본 발명에 따르면, 적어도 커버 플레이트의 내부 측면 상의 광 간섭층과 조합하여 커버 플레이트의 적어도 하나의 패턴화된 표면에 의해 명확하게 검출 가능한 색효과의 강화가 이루어질 수 있다. 이와 대조적으로, 광 간섭층이 패턴화되지 않은 유리판의 내부 표면에 도포될 때, 색 효과가 적고 각도 의존성이 강하다. 일반적으로, 굴절률 대비가 높을수록 반사가 강해져 색상이 강해진다.
얇은 층에 대한 간섭의 규칙성으로부터, 굴절률이 높을수록 색변화의 각도 의존서잉 적다는 것을 알 수 있다. 다음 표 1은 굴절률 1.5인 입구 매질(예를 들어, 유리), 굴절률이 2.0 또는 2.5인 간섭층, 그 후 굴절률이 1.5인 출구 매질(예를 들어, 적층 필름)을 갖는 광학 패키지의 굴절을 보여준다. 표 1에서, 법선에 대해 최대 45° 각도에서 굴절률이 2.5인 간섭층의 경우, 반사 스펙트럼은 약 15 nm 만큼 약간만 이동한다는 것은 명백하다. 저 굴절률을 갖는 재료(2.0, 예를 들어, Si3N4)를 사용하는 경우, 최대 각도 의존성이 다소 커진다.
진입 각(°) 0 45 70 0 45 70
굴절률 n 2.05 2.05 2.05 2.5 2.5 2.5
두께 (nm) 70100 70100 70100 56150 56150 56150
파장 (1st max) 560417 524402 494396 560412 537362 519320
청색 편이 - 15 21 - 50 92
광 간섭층은 단일겹 또는 다중겹일 수 있으며, 각 겹은 균일한 굴절률을 갖는 동일한 재료와 하나의 굴절층에 의해 형성된다. 특히, 광 간섭층은 정확히 2개 또는 정확히 3개의 굴절층으로 구성될 수 있다. Bragg 필터(Lambda/4층)로서 3겹 층의 경우, 예를 들어, 반사 스펙트럼에서 최대 착색 폭이 더 작아지고 세기가 더 강해진다. 적절한 층 조합의 경우, 높은 차수(orders)가 항상 너무 많은 청색 또는 녹색을 도입하기 때문에 단일층에서는 거의 불가능한 적색 톤도 생성될 수 있다. 2겹 및 3겹 층을 통해 반사광의 스펙트럼 범위를 좁힐 수 있으며, 올바른 색 음영을 찾는 데 더 많은 자유가 있다.
이미, 간단히 2겹의 광 간섭층의 사용을 통해, 색조(color shade)의 밝기와 채도가 향상될 수 있으며 동시에 투과율이 최적화될 수 있다. 바람직하게는, 광 간섭층은 정확히 2겹으로 만들어지며, 굴절률 nd를 갖는 커버 플레이트 상의 내부에 제1 굴절률을 갖는 제1 굴절층 및 제1 굴절층 상의 제2 굴절률 n2을 갖는 제2 굴절층을 갖는다. 이에 따라 제2 굴절층은 캡슐화 필름에 인접해 있다. 굴절률의 차이의 양는 다음이 적용된다: |n1-nd| > 0.3 및 |n2-n1| > 0.3, 및 적어도 하나의 굴절률 n1 또는 n2 가 1.9를 초과하고, 바람직하게는 2.3을 초과하고, 여기서 nd는 커버 플레이트의 굴절률이다.
3겹 광 간섭층의 사용은 더 많은 색과 색 음영, 각도 의존성 및 투과율의 최적화를 허용할 수 있다. 정확히 3겹의 광 갑선층(굴절층)은 굴절률이 n1, n2, n3인 2개 또는 3개의 서로 상이한 재료로 만들어질 수 있으며, 여기서 굴절률 nd를 갖는 커버 플레이트의 내부 측면에 제1 굴절률 n1을 갖는 제1 굴절층이 있고, 제1 굴절층 상에 제2 굴절률 n2를 갖는 제2 굴절층이 있고, 제2 굴절층 상에 제3 굴절률 n3를 갖는 제3 굴절층이 있다. 이에 따라 제3 굴절층은 캡슐화 필름에 인접해 있다. 굴절률 차이의 양에는 다음이 적용된다: |n3-n2| > 0.3 및 |n2-n1| > 0.3 및 |n1-nd| > 0.3. 굴절률의 값은 교대로 거동한다: 즉, n1 > n2 및 n3 > n2 또는 n1 < n2 및 n3 < n2이다. 또한, 굴절률 n1, n2 또는 n3 중 적어도 하나는 1.9를 초과하고, 바람직하게는 2.3을 초과한다.
다양한 실시예에서 본 발명의 기술적 구현의 결과는 다음에서 설명된다:
CIGS 박막 태양광 모듈이 생성되었다. 통상적인 전면 유리 대신에 코팅되고 패턴화된 전면 유리가 사용되었다. 표준 전면 유리는 반사 방지층을 가지며 단지 약간 패턴화된다(헤이즈=2%). 화학적으로 에칭된, 즉, 새틴화된, 유리는 패턴화되거나 질감이 있는 유리로 사용된다. 상기 유리는 94%의 헤이즈를 가졌었다. 현미경 분석은 패턴 크기가 20-40 μm이고 패턴 높이가 15 μm인 표면 패턴을 보여주었다. 도 17은 사용된 새턴화 유리 표면의 공초점 현미경 이미지를 보여준다. 표면 패턴의 각도(유리 평면에 대한 각도)는 약 20-40°의 일반적인 각도로 다소 평평했다. 비교를 위해, 내부에 여러 겹의 간섭층을 갖는 전면 유리가 사용되었다.
유리는 마그네트론 스퍼터링을 사용하여 실리콘 질화물(Si3N4)의 단일층으로 패턴화되지 않은 면에 코팅되었다. 원하는 색상에 따라, 50 nm 내지 250 nm 범위의 층 두께로 층이 증착되었다. 그 후, 그들은 패턴화된 면을 바깥쪽(즉, 태양을 향하는 측면)으로 CIGS 박막 회로에 적층되었다. 기준으로 사용된 것은 굴절률이 상이한 다양한 재료들의 여러 겹의 층으로 내부에 만들어진 시판되는 전면 유리였다.
그 후, 다중 각도 분광 광도계를 사용하여 모듈이 특성화되었고, 색상 값이 Lhc 좌표에서 평가되었다(L=밝기, C=색도 또는 채도, H=색조(Hue) 또는 색음영(color shade)). 다중 각도 분광 광도계는 각 경우 2개의 관찰각과 6개의 조명 각도를 갖는다. 각 관찰각에 대해, 조명 각도는 조각을 기준으로 한다.
도 16 내지 18은 외부면이 새틴화된 유리의 매끄러운 측면 내부에 코팅한 것, (각 경우 내부에 코팅된) 외부에 피라미드 패턴이 있는 유리, 및 상기의 여러 겹의 층 시스템에 대한 L, h 및 c 결과를 보여준다. 축 지정 “15as45”는 관찰자의 방향에서 조각으로부터 15°의 감지 각도와 45°의 조명 각도를 의미하며, 즉, 조명 방향과 관찰 방향 사이의 각도가 조각 보다 작다; “15as-45”는 조각 뒤의 45°를 말하며, 즉, 조명 방향과 관찰 방향 사이의 각도가 조각 보다 크다.
비스듬히 조준된 입사각을 갖는 피라미드 패턴의 경우, 심지어 조각 외부 각도의 경우에서도, 색상은 여전히 선명하게 보여진다. 그러나, 단일의 Si3N4 층을 갖는 내부 코팅은 밝기와 채도 측면에서 여러 겹의 층에 매우 가깝다. 색조의 각도 의존성은 모든 코팅에서 유사하다.
추가 실험에서, Si3N4 또는 이산화 티타늄의 단일층이 다양한 유리에 코팅되고, 각 경우 내부가 코팅된 채로, 유리가 모듈에 통합됐었다. 모듈은 표면을 산란하게 비추는 분광 광도계(광 유형 D65)를 사용하여 측정되었으며, 표면 법선에 대해 8°의 각도로 색상을 측정했다. 조각의 조명은 포함되거나(SCI) 제외될 수 있다(SCE). 색상 값은 CIE-Lab 좌표에서 계산되었으며, 이로부터 색도(채도) 및 색조도 결정되었다.
또한 색차 dE(2000)에서, 조각을 포함하는 색상과 조각을 제외한 색상의 차이가 결정되었다. 이 측정 방법은 또한 각도 안정성에 대한 첫 번째 평가를 제공한다.
다음 표 2는 이미 단일 겹 층의 경우, 채도가 높은 색상과 밝은 색조가 얻어질 수 있음을 보여준다. 층 두께는 80 nm-300 nm 범위였다. 예상대로, 이산화 티타늄의 경우, 더욱 밝고 채도가 높은 색조를 생성하는 것이 가능했었다. 매우 얇은 층(20-40 nm)의 경우, 심지어 회색조도 생성될 수 있다.
　 재료 층 두께 위치 L c h
blue Si3N4 161 inside 31 17 270
blue TiO2 125 inside 33 34 277
green Si3N4 211 inside 41 14 130
gold Si3N4 236 inside 38 16 73
gold TiO2 80 inside 45 46 90
아래의 표 3에서 볼 수 있듯, 약간 패턴화된 유리에서만, 코팅은 (글랜싱 구성요소 없이) SCE 측정에서 매우 낮은 밝기를 나타내며 dE(2000)는 매우 크다. 큰 피라미드 패턴으로 롤링된 유리의 매끄러운 내부 측면에 Si3N4가 코팅되면, dE(2000)는 이미 매우 작고, 눈부심의 배제로 색상의 밝기와 채도도 이미 상당히 높아졌다. 새틴화 유리를 사용하는 경우, 밝기가 증가된다. dE가 약간 증가된다. 새틴화된 유리의 매끄러운 내부 표면에 TiO2가 코팅되면, 밝기와 특히 채도의 상당한 증가는 적당한 dE(2000)에서 얻어진다. 패턴화된 측면이 코팅되고 매끄러운 측면이 바깥쪽으로 향하는 경우, 명백히 더 높은 dE가 있다; 정반사(glancing)를 배제하는 경우, 밝기와 채도는 탁도가 낮은 유리에 코팅하는 경우보다 훨씬 더 높은 값을 갖는다. 강한 밝기와 채도를 위해 외부가 새틴화된 유리판의 매끄러운 내부 측면에 TiO2 단일층을 코팅하는 것이 매우 유리한 것으로 나타났다. 그러나, 양 측면에 새틴화된 유리에 코팅하는 것도 매우 유리하다.
설명 헤이즈
(유리만)		 코팅 구성요소 정반사
(glancing)		 L*
(D65)		 a*
(D65)		 b*
(D65)		 c h deltaE
2000
약간 패턴화된 유리 2% Si3N4 외부 패턴,
내부 코팅		 SCI 29.6 -4.7 -22.4 22.9 282 19.5
약간 패턴화된 유리 2% Si3N4 외부 패턴,
내부 코팅		 SCE 10.2 1.4 -3.9 4.1 n.a.
피라미드 롤링된 유리 95% Si3N4 외부 패턴,
내부 코팅		 SCI 27.2 -0.7 -15.8 15.8 273 0.8
피라미드 롤링된 유리 95% Si3N4 외부 패턴,
내부 코팅		 SCE 26.7 -0.6 -14.7 14.7 272
일 측면이 새틴화된 유리 94% Si3N4 외부 패턴,
내부 코팅		 SCI 31.2 -1.7 -17.0 17.1 276 2.1
일 측면이 새틴화된 유리 94% Si3N4 외부 패턴,
내부 코팅		 SCE 29.7 -1.2 -14.2 14.3 275
일 측면이 새틴화된 유리 94% TiO2 외부 패턴,
내부 코팅		 SCI 33.1 3.9 -33.5 33.7 277 3.2
일 측면이 새틴화된 유리 94% TiO2 외부 패턴,
내부 코팅		 SCE 30.5 3.4 -27.8 28.0 277
일 측면이 새틴화된 유리 94% TiO2 외부 패턴,
내부 코팅		 SCI 32.0 8.4 -20.0 21.6 293 11.4
일 측면이 새틴화된 유리 94% TiO2 외부 패턴,
내부 코팅		 SCE 18.2 16.0 -30.4 34.3 298
다겹 n.a. n.a. 내부 코팅 SCI 37.0 -0.2 -27.9 27.9 270 2.1
다겹 n.a. n.a. 내부 코팅 SCE 34.9 0.0 -25.3 25.3 270
색상 최적화와 변하지 않는 각도 안정성 성능의 증거로, 3겹 층 TiO2(27 nm)/Si3N4(88 nm)/TiO2(18 nm)가 설명된 구조적 특성으로 새틴화된 커버 유리의 매끄러운 내부 측면에 코팅되었다. 이와 비교하여, 단일층 TiO2(125 nm)가 또 다른 커버 유리의 매끄러운 내부 측면에 증착되었다. 2개의 유리는 CIGS 박막 모듈을 형성하기 위해 내부 코팅으로 추가 처리되었다. 두 청색 모듈 모두 비슷한 밝기는(L=37)와 채도(c=27)을 가졌다. 단일겹 층을 갖는 모듈을 성능 손실은 16%인 반면, 3겹 층을 갖는 모듈의 성능 손실은 9%에 불과했다.
그러나, 위에 표시된 예는
이미 적절한 패턴화와 단층의 커버 유리를 사용하는 경우, 다양한 색상과 좋은 각도 안정성을 갖는 착색된 태양광 모듈이 제조될 수 있음을 증명한다. 비교적 간단한 제조 방법을 통해 적당한 성능 손실을 저비용으로 경제적으로 보상한다.
도 19는 본 발명 1에 따른 태양광 모듈을 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법을 예시한다.
여기서, 커버 플레이트의 공정을 위해, 제1 단계 a)에서 평면 투명 커버 플레이트가 제공되며, 이는 외부 환경을 향하도록 원하는 외부 표면과 대향되는 내부 표면을 갖는다. 그 후, 단일의 제2 단계 b1), b2), b3) 또는 b4)가 다음 네 가지 (대체) 단계에서 선택되어 수행된다:
b1) 적어도 하나의 영역에서 외부 표면을 패턴화하는 단계, 내부 표면에 광 간섭층을 도포하는 단계. 이 경우, 광 간섭층이 더 이상 외부 표면에 도포되지 않는다. 또한, 내부 표면에는 패턴이 없다.
b2) 적어도 하나의 영역에서 외부 표면을 패턴화하는 단계, 적어도 하나의 영역에서 내부 표면을 패턴화하는 단계, 내부 표면의 패턴화된 영역에 광 간섭층을 도포하는 단계. 이 경우, 광 간섭층이 더 이상 외부 표면에 도포되지 않는다.
b3) 적어도 하나의 영역에서 내부 표면을 패턴화하는 단계, 내부 표면의 패턴화된 영역에 광 간섭층을 도포하는 단계. 이 경우, 광 간섭층이 더 이상 외부 표면에 도포되지 않는다. 또한, 외부 표면에는 패턴이 없다.
b4) 적어도 하나의 영역에서 내부 표면을 패턴화하는 단계, 내부 표면의 패턴화된 영역에 광 간섭층을 도포하는 단계, 외부 표면에 추가 광 간섭층을 도포하는 단계. 이 경우, 외부 표면은 패턴화되지 않는다.
본 발명은 방향 의존성이 적거나 없는 매우 균일하고 강렬한 색상을 갖는 개선된 태양광 모듈 및 그 제조방법을 제공한다. 색상 생성을 위한 광 간섭을 사용하면 불투명한 색상 층을 사용하는 것보다 기본적인 태양광 모듈에 비해 훨씬 적은 효율 손실이 얻어질 수 있다. 본 발명은 고효율 및 고저항의 착색된 태양광 모듈을 제조하는 매우 간단하고 경제적인 방법을 가능하게 한다.
1: 태양광 모듈
2: 기판
3: 층 구조
4: 태양광선
5: 후면 전극층
6: 흡수층
7: 버퍼층
8: 전면 전극층
9: 흡수층
10: 커버 플레이트
11: 외부 표면
12: 태양 전지
13: 내부 표면
14: 모듈의 후면
15, 15': 패턴화된 영역
16, 16': 광 간섭층
17, 17': 세그먼트
19: 흑색층
20: 다중 각도 분광 광도계

Claims (16)

  1. 외부 환경을 향하는 외부 표면(11) 및 대향하는 내부 표면(13)을 갖는 투명 커버 플레이트(10)를 포함하는 광전 에너지 생성을 위한 태양광 모듈(1)로서, 여기서 미리 정의된 파장 범위 내의 빛을 반사하기 위한 광 간섭층(16)이 내부 표면(13)에 배열되고, 여기서 내부 표면(13) 및/또는 외부 표면(11)은 각 경우 적어도 하나의 패턴화된 영역(15, 15')을 가지며, 여기서 외부 표면(11)은 적어도 하나의 패턴화된 영역(15)을 갖거나, 특정 파장 범위 내의 빛을 반사하기 위한 또 다른 광 간섭층(16')이 외부 표면(11)에 배열되고, 여기서 패턴화된 영역(15, 15')은 다음과 같은 특징을 갖는다:
    - 커버 플레이트(10)의 평면에 수직으로, 언덕들과 계곡들을 갖는 높이 프로파일, 여기서 언덕들과 계곡들 사이의 평균 높이 차이는 적어도 2 μm이고,
    - 패턴화된 영역(15, 15')의 적어도 50%는 커버 플레이트(10)의 평면에 대해 경사진 세그먼트들(17, 17')로 구성되며, 여기서 커버 플레이트(10)의 평면을 기준으로 세그먼트들(17, 17')의 적어도 20%는 0°를 초과하고 최대 15°범위의 경사각을 갖고, 세그먼트들의 적어도 30%는 15°를 초과하고 최대 45°범위의 경사각을 가지며, 여기서,
    - 내부 표면(13)이 적어도 하나의 패턴화된 영역(15')을 갖는 경우, 내부 표면(13)의 패턴화된 영역(15')의 세그먼트들(17, 17')은 각 경우 평면이고, 적어도 1 μm2의 세그먼트 면적 및 내부 표면(13) 상에 광 간섭층(16)의 층 두께의 15% 미만의 평균 거칠기를 갖는다
  2. 제1항에 있어서,
    커버 플레이트(10)의 내부 표면(13)은 패턴화된 영역을 갖지 않고, 외부 표면(11)은 적어도 하나의 패턴화된 영역(15)을 가지며, 여기서 광 간섭층이 외부 표면(11) 상에 배열되지 않는, 태양광 모듈(1).
  3. 제1항에 있어서,
    커버 플레이트(10)의 내부 표면(13)은 적어도 하나의 패턴화된 영역(15)을 가지며, 외부 표면(11)은 적어도 하나의 패턴화된 영역(15')을 가지며, 여기서 광 간섭층이 외부 표면(11) 상에 배열되지 않는, 태양광 모듈(1).
  4. 제1항에 있어서,
    커버 플레이트(10)의 내부 표면(13)은 적어도 하나의 패턴화된 영역(15)을 갖고, 외부 표면(11)은 패턴화된 영역을 갖지 않으며, 광 간섭층이 외부 표면(11) 상에 배열되지 않는, 태양광 모듈(1).
  5. 제1항에 있어서,
    커버 플레이트(10)의 내부 표면(13)은 적어도 하나의 패턴화된 영역(15)을 갖고, 외부 표면(11)은 패턴화된 영역을 갖지 않으며, 여기서 또 다른 광 간섭층(16')은 외부 표면(11) 상에 배열되는, 태양광 모듈(1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 광 간섭층(16, 16')은 정확히 하나의 굴절층을 포함하고, 여기서 굴절층은 1.7을 초과, 2.0을 초과, 또는 2.3을 초과하는 굴절률(n)을 갖는, 태양광 모듈(1).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 광 간섭층(16, 16')은 정확히 2개의 굴절층들을 포함하고, 여기서 제1 굴절률(n1)을 갖는 제1 굴절층은 굴절률 nd를 갖는 커버 플레이트(10) 상에 배열되고, 제2 굴절률(n2)을 갖는 제2 굴절층은 제1 굴절층 상에 배열되고, 여기서, 굴절률 차이의 절대값에는 다음이 적용되는, 태양광 모듈(1):
    |n1-nd| > 0.3 및 |n2-n1| > 0.3, 여기서 굴절률 n1 또는 n2 중 적어도 하나는 1.9를 초과, 바람직하게는 2.3을 초과한다.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 광 간섭층(16, 16')은 정확히 3개의 굴절층들을 포함하고, 여기서 제1 굴절률(n1)을 갖는 제1 굴절층은 굴절률 nd를 갖는 커버 플레이트(10) 상에 배열되고, 제2 굴절률(n2)을 갖는 제2 굴절층은 제1 굴절층 상에 배열되고, 제3 굴절률(n3)을 갖는 제3 굴절층이 제2 굴절층 상에 배열되고, 여기서 굴절률 차이의 절대값에는 다음이 적용되는, 태양광 모듈(1):
    |n3-n2| > 0.3, |n2-n1| > 0.3, 및 |n1-nd| > 0.3, 여기서 굴절률 n1, n2 또는 n3 중 적어도 하나는 1.9를 초과하고, 바람직하게는 2.3을 초과하고, 여기서 다음이 적용된다: (i) n1 > n2 및 n3 > n2, 또는 (ii) n1 < n2 및 n3 < n2.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    패턴화된 영역(15, 15')의 적어도 80%가 커버 플레이트(10)의 평면에 대해 경사진 세그먼트들(17, 17')로 구성되는, 태양광 모듈(1).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    i) 세그먼트들(17, 17')의 적어도 30%가 0°를 초과하고 최대 15°범위의 경사각을 갖고, 세그먼트들(17, 17')의 적어도 40%가 15°를 초과하고 최대 45°범위의 경사각을 가지며, 세그먼트들(17, 17')의 10% 미만이 45°를 초과하는 경사각을 갖거나, 또는
    ii) 세그먼트들(17, 17')의 적어도 40%가 0°를 초과하고 최대 15°범위의 경사각을 갖고, 세그먼트들(17, 17')의 적어도 50%가 15°를 초과하고 최대 45°범위의 경사각을 가지며, 세그먼트들(17, 17')의 10% 미만은 45°를 초과하는 경사각을 갖는, 태양광 모듈(1).
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 광 간섭층(16, 16')은 TiOx, ZrOx, SiC, 및 Si3N4로부터 선택된 적어도 하나의 화합물을 함유하는, 태양광 모듈(1).
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    언덕들과 계곡들 사이의 평균 높이 차이는 적어도 50 μm 또는 적어도 100 μm 인, 태양광 모듈(1).
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    커버 플레이트(10)가 50%를 초과, 특히 90%를 초과하는 반사 헤이즈를 갖는, 태양광 모듈(1).
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 패턴화된 영역(15, 15')을 가지고 흑색 후면이 제공된 코팅되지 않은 커버 플레이트(10)가 구현되어, 관찰각이 45°및 15°이고, 각 조각(glancing angle)에서 (양방향으로) 45°만큼 벗어나는 입사각의 경우, 적어도 10, 적어도 15, 또는 적어도 20의 밝기(L)의 반사광이 발생하는, 태양광 모듈(1).
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 태양광 모듈(1)을 제조하는 방법으로서, 다음 단계들을 포함한다:
    a) 외부 환경을 향하게 의도된 외부 표면(11) 및 대향하는 내부 표면(13)을 갖는 투명 커버 플레이트(10)를 제공하는 단계;
    b1) 적어도 하나의 영역(15)에서 외부 표면(11)을 패턴화하고, 내부 표면(13)에 광 간섭층(16)을 도포하는 단계, 또는
    b2) 적어도 하나의 영역(15)에서 외부 표면(11)을 패턴화하고, 적어도 하나의 영역(15')에서 내부 표면(13)을 패턴화하고, 내부 표면(13)의 패턴화된 영역(15')에 광 간섭층(16)을 도포하는 단계, 또는
    b3) 적어도 하나의 영역(15)에서 내부 표면(13)을 패턴화하고, 및 내부 표면(13)의 패턴화된 영역(15)에 광 간섭층(16)을 도포하는 단계, 또는
    b4) 적어도 하나의 영역(15)에서 내부 표면(13)을 패턴화하고, 내부 표면(13)의 패턴화된 영역(15)에 광 간섭층(16)을 도포하고, 외부 표면(11)에 추가 광 간섭층(16)을 도포하는 단계,
    여기서 패턴화된 영역(15, 15')은 다음 특징들을 갖는다:
    - 커버 플레이트(10)의 평면에 수직으로, 언덕들과 계곡들을 갖는 높이 프로파일, 여기서 언덕들과 계곡들 사이의 평균 높이 차이는 적어도 2 μm 이고,
    - 패턴화된 영역(15, 15')의 적어도 50%는 커버 플레이트(10)의 평면에 대해 경사진 세그먼트들(17, 17')로 구성되며, 여기서 커버 플레이트(10)의 평면을 기준으로, 세그먼트들(17, 17')의 적어도 20%가 0°를 초과하고 최대 15°범위의 경사각을 갖고, 세그먼트들(17, 17')의 적어도 30%는 15°를 초과하고 최대 45°범위의 경사각을 가지며, 여기서,
    - 내부 표면(13)이 적어도 하나의 패턴화된 영역(15')을 갖는 경우, 내부 표면(13)의 패턴화된 영역(15')의 세그먼트들(17, 17')은 각 경우 평면이고 적어도 1 μm2의 세그먼트 면적 및 내부 표면(13)의 광 간섭층(16)의 층 두께의 15% 미만의 평균 거칠기를 갖는다.
  16. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 착색된 태양광 모듈(1)을 건물 외피의 통합 구성요소 또는 독립형 벽, 특히 창, 파사드(facade), 또는 지붕 요소로서의 사용.

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