RU2682836C1 - Method of manufacturing a chalcopyrite-based translucent thin-film solar module - Google Patents
Method of manufacturing a chalcopyrite-based translucent thin-film solar module Download PDFInfo
- Publication number
- RU2682836C1 RU2682836C1 RU2018119776A RU2018119776A RU2682836C1 RU 2682836 C1 RU2682836 C1 RU 2682836C1 RU 2018119776 A RU2018119776 A RU 2018119776A RU 2018119776 A RU2018119776 A RU 2018119776A RU 2682836 C1 RU2682836 C1 RU 2682836C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- metal electrodes
- precursors
- photoactive layer
- chalcopyrite
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 40
- DVRDHUBQLOKMHZ-UHFFFAOYSA-N chalcopyrite Chemical compound [S-2].[S-2].[Fe+2].[Cu+2] DVRDHUBQLOKMHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 33
- 229910052951 chalcopyrite Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 32
- 239000010409 thin film Substances 0.000 title claims abstract description 20
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 115
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 115
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 67
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 54
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims abstract description 48
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 17
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 13
- 238000007639 printing Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 claims abstract description 12
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000002699 waste material Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims abstract description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 27
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 20
- 239000011669 selenium Substances 0.000 claims description 20
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 claims description 17
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 16
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 claims description 16
- BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N Selenium Chemical compound [Se] BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000000976 ink Substances 0.000 claims description 9
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 claims description 9
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 6
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims description 5
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 claims description 5
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 claims description 3
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 claims description 3
- RWSOTUBLDIXVET-UHFFFAOYSA-N Dihydrogen sulfide Chemical compound S RWSOTUBLDIXVET-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 2
- 238000009388 chemical precipitation Methods 0.000 claims description 2
- 229910000037 hydrogen sulfide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910000058 selane Inorganic materials 0.000 claims description 2
- SPVXKVOXSXTJOY-UHFFFAOYSA-N selane Chemical compound [SeH2] SPVXKVOXSXTJOY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 28
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 22
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 11
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 10
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 8
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 8
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 8
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 7
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 6
- 229910052980 cadmium sulfide Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 4
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- 238000007641 inkjet printing Methods 0.000 description 3
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 3
- WUPHOULIZUERAE-UHFFFAOYSA-N 3-(oxolan-2-yl)propanoic acid Chemical compound OC(=O)CCC1CCCO1 WUPHOULIZUERAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004566 building material Substances 0.000 description 2
- 229910052798 chalcogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000001787 chalcogens Chemical class 0.000 description 2
- 238000005234 chemical deposition Methods 0.000 description 2
- 229910052729 chemical element Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 2
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010549 co-Evaporation Methods 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 2
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000001226 reprecipitation Methods 0.000 description 2
- PUZPDOWCWNUUKD-UHFFFAOYSA-M sodium fluoride Chemical compound [F-].[Na+] PUZPDOWCWNUUKD-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N sodium silicate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-][Si]([O-])=O NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UXVMQQNJUSDDNG-UHFFFAOYSA-L Calcium chloride Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Ca+2] UXVMQQNJUSDDNG-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910005543 GaSe Inorganic materials 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021617 Indium monochloride Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021607 Silver chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 239000000908 ammonium hydroxide Substances 0.000 description 1
- 239000006117 anti-reflective coating Substances 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 239000013590 bulk material Substances 0.000 description 1
- 239000001110 calcium chloride Substances 0.000 description 1
- 235000011148 calcium chloride Nutrition 0.000 description 1
- 229910001628 calcium chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 description 1
- 150000004770 chalcogenides Chemical class 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- XOYLJNJLGBYDTH-UHFFFAOYSA-M chlorogallium Chemical compound [Ga]Cl XOYLJNJLGBYDTH-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 238000004320 controlled atmosphere Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- ZOMNIUBKTOKEHS-UHFFFAOYSA-L dimercury dichloride Chemical class Cl[Hg][Hg]Cl ZOMNIUBKTOKEHS-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- APHGZSBLRQFRCA-UHFFFAOYSA-M indium(1+);chloride Chemical compound [In]Cl APHGZSBLRQFRCA-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 1
- 210000004692 intercellular junction Anatomy 0.000 description 1
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 239000006193 liquid solution Substances 0.000 description 1
- 230000002101 lytic effect Effects 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 230000008447 perception Effects 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 238000005289 physical deposition Methods 0.000 description 1
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 230000035755 proliferation Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M silver monochloride Chemical compound [Cl-].[Ag+] HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 235000013024 sodium fluoride Nutrition 0.000 description 1
- 239000011775 sodium fluoride Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 239000005315 stained glass Substances 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
- H01L31/0445—PV modules or arrays of single PV cells including thin film solar cells, e.g. single thin film a-Si, CIS or CdTe solar cells
- H01L31/046—PV modules composed of a plurality of thin film solar cells deposited on the same substrate
- H01L31/0468—PV modules composed of a plurality of thin film solar cells deposited on the same substrate comprising specific means for obtaining partial light transmission through the module, e.g. partially transparent thin film solar modules for windows
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0224—Electrodes
- H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
- H01L31/022425—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0224—Electrodes
- H01L31/022466—Electrodes made of transparent conductive layers, e.g. TCO, ITO layers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
- H01L31/0445—PV modules or arrays of single PV cells including thin film solar cells, e.g. single thin film a-Si, CIS or CdTe solar cells
- H01L31/046—PV modules composed of a plurality of thin film solar cells deposited on the same substrate
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
- H01L31/0445—PV modules or arrays of single PV cells including thin film solar cells, e.g. single thin film a-Si, CIS or CdTe solar cells
- H01L31/046—PV modules composed of a plurality of thin film solar cells deposited on the same substrate
- H01L31/0463—PV modules composed of a plurality of thin film solar cells deposited on the same substrate characterised by special patterning methods to connect the PV cells in a module, e.g. laser cutting of the conductive or active layers
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
- H02S20/00—Supporting structures for PV modules
- H02S20/20—Supporting structures directly fixed to an immovable object
- H02S20/22—Supporting structures directly fixed to an immovable object specially adapted for buildings
- H02S20/23—Supporting structures directly fixed to an immovable object specially adapted for buildings specially adapted for roof structures
- H02S20/24—Supporting structures directly fixed to an immovable object specially adapted for buildings specially adapted for roof structures specially adapted for flat roofs
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
- Y02B10/00—Integration of renewable energy sources in buildings
- Y02B10/10—Photovoltaic [PV]
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Architecture (AREA)
- Civil Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области тонкопленочных фотоэлектрических преобразователей энергии солнца в электроэнергию и может быть использовано при изготовлении солнечных элементов и панелей, обладающих частичной светопроницаемостью.The invention relates to the field of thin-film photovoltaic converters of solar energy into electricity and can be used in the manufacture of solar cells and panels with partial light transmission.
Солнечная энергетика активно развивается во всем мире, поскольку является «экологически чистой» и использует лишь возобновляемые источники энергии - солнечное излучение. Наибольший вклад в солнечную энергетику вносят полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи энергии солнца в электроэнергию - солнечные элементы, а также модули и панели на их основе.Solar energy is actively developing around the world, because it is "environmentally friendly" and uses only renewable energy sources - solar radiation. The largest contribution to solar energy is made by semiconductor photovoltaic converters of solar energy into electricity - solar cells, as well as modules and panels based on them.
Все большую актуальность приобретает, так называемая, «интегрированная фотовольтаика», представляющая собой строительные материалы, детали зданий и сооружений заводского изготовления, позволяющие сочетать функциональные характеристики строительных элементов с возможностью преобразования энергии падающего на них солнечного излучения в электроэнергию. Такое применение фотоэлектрических преобразователей накладывает на эти устройства определенные требования, среди которых малый вес, гибкость, низкая стоимость, продолжительный срок службы и светопроницаемость.The so-called “integrated photovoltaics”, which is building materials, parts of buildings and constructions of factory manufacture, which allows combining the functional characteristics of building elements with the possibility of converting the energy of the incident solar radiation into electricity, is becoming increasingly relevant. Such application of photovoltaic converters imposes certain requirements on these devices, among which are light weight, flexibility, low cost, long service life and light transmission.
Светопроницаемые солнечные элементы интегрируют в такие строительные конструкции, как окна, витражное остекление, прозрачные крыши и другие конструкции, прозрачность которых обусловлена соображениями эстетики или функциональностью. Одним из важных требований, предъявляемых к светопроницаемым солнечным элементам со стороны строительной индустрии, является низкая удельная стоимость ватта установленной мощности, которая в настоящее время остается неприемлемо высокой в силу особенностей используемых технологий формирования светопроницаемых солнечных элементов. Снижение удельной стоимости ватта установленной мощности при достижении равных или лучших значений коэффициента полезного действия, по сравнению с существующими технологиями, является основным направлением разработок способов формирования светопроницаемых солнечных элементов.Translucent solar cells integrate into building structures such as windows, stained glass, transparent roofs and other structures whose transparency is due to aesthetics or functionality. One of the important requirements for translucent solar cells from the construction industry is the low unit cost per watt of installed power, which currently remains unacceptably high due to the peculiarities of the technologies used to form translucent solar cells. Reducing the unit cost of a watt of installed power when achieving equal or better values of the efficiency, compared with existing technologies, is the main direction of the development of methods for the formation of translucent solar cells.
Среди тонкопленочных солнечных модулей наибольшей перспективностью обладают модули на основе CIGS это группа полупроводниковых соединений халькогена, меди, индия и галлия - Cu(In,Ga)(S,Se)2 - со структурой халькопирита. Несмотря на преимущества солнечных элементов на основе халькопирита CIGS в сравнении с наиболее коммерциализованными кремниевыми элементами, их широкому распространению препятствует дороговизна производства. Развитие технологических процессов производства солнечных элементов на основе халькопирита CIGS, увеличение производительности, снижение материалоемкости производства в отношении таких сравнительно дорогих материалов, как индий и галлий, и, тем самым, снижение стоимости производства, являются основными задачами широкомасштабного использования светопроницаемого тонкопленочного модуля на основе халькопирита. Важным является выбор способа формирования фотоактивного слоя солнечного модуля, который должен быть производительным, в максимальной степени безотходным и дешевым.Among thin-film solar modules, CIGS-based modules are the most promising. This is a group of semiconductor compounds of chalcogen, copper, indium and gallium - Cu (In, Ga) (S, Se) 2 - with a structure of chalcopyrite. Despite the advantages of CIGS chalcopyrite solar cells in comparison with the most commercialized silicon cells, their high proliferation is hindered by the high cost of production. The development of technological processes for the production of solar cells based on CIGS chalcopyrite, an increase in productivity, a decrease in the material consumption of production in relation to such relatively expensive materials as indium and gallium, and thereby lowering the cost of production, are the main objectives of the large-scale use of a light-permeable thin-film module based on chalcopyrite. Important is the choice of the method of forming the photoactive layer of the solar module, which should be productive, to the maximum extent non-waste and cheap.
Согласно уровню техники, светопроницаемый тонкопленочный модуль включает в себя прозрачную подложку, слой непрозрачного металлического электрода, слой фотоэлектрического преобразования и прозрачный проводящий слой второго электрода. Частичная светопроницаемость солнечного модуля обеспечивается чередованием областей, участвующих в фотоэлектрическом преобразовании света и обладающих высоким светопоглощением, фотоактивная область, и областей с высоким светопропусканием, прозрачная область, которые формируются в процессе изготовления солнечного модуля. Количественно светопроницаемость, при этом, выражается как отношение суммарной площади прозрачных областей к полной сумме площадей фотоактивных и прозрачных областей. Как правило, прозрачные области формируются путем удаления части сплошной активной области посредством лазерного излучения.According to the prior art, the translucent thin film module includes a transparent substrate, an opaque metal electrode layer, a photoelectric conversion layer, and a transparent conductive layer of the second electrode. Partial light transmission of the solar module is ensured by the alternation of areas involved in the photoelectric conversion of light and having high light absorption, the photoactive region, and areas with high light transmission, a transparent region that are formed during the manufacturing of the solar module. Quantitatively, light transmission, in this case, is expressed as the ratio of the total area of transparent areas to the total amount of areas of photoactive and transparent areas. Typically, transparent regions are formed by removing part of the continuous active region by laser radiation.
Известен модуль тонкопленочных солнечных элементов полупрозрачного типа и способ его изготовления, патент US 8344245, который состоит из электрически последовательно соединенных солнечных элементов, каждый из которых, в свою очередь, содержит на непрозрачной подложке первый электрод, второй электрод и фотоактивный слой между ними. Светопроницаемость достигается формированием между солнечными элементами модуля сквозных отверстий в виде окон. В слое первого металлического электрода, открывающих прозрачную подложку при удалении последующих слоев, увеличивая светопроницаемость. В качестве фотоактивного слоя могут использоваться, в том числе, соединения группы CIGS, осаждаемые на всю поверхность подложки магнетронным распылением. Преимуществами способа являются его совместимость с существующими технологиями изготовления солнечных модулей на основе CIGS и возможность варьирования степени светопроницаемости изменением геометрии солнечных элементов, размеров и количества сквозных отверстий между ними.A known module of thin-film solar cells of a translucent type and a method for its manufacture, patent US 8344245, which consists of electrically series-connected solar cells, each of which, in turn, contains on the opaque substrate a first electrode, a second electrode and a photoactive layer between them. Light transmission is achieved by forming between the solar elements of the module through holes in the form of windows. In the layer of the first metal electrode, opening a transparent substrate while removing subsequent layers, increasing light transmission. As the photoactive layer, CIGS group compounds deposited on the entire surface of the substrate by magnetron sputtering can be used, among other things. The advantages of the method are its compatibility with existing technologies for manufacturing solar modules based on CIGS and the possibility of varying the degree of light transmission by changing the geometry of solar cells, the size and number of through holes between them.
Недостатками способа являются снижение механической прочности модуля за счет формирования множества сквозных отверстий по всей его поверхности и ограничение, тем самым, максимальной светопроницаемости солнечного модуля, а также перерасход дорогостоящих материалов фотоактивного слоя, наносимых на участки поверхности, которые на финальном этапе изготовления солнечного модуля удаляются для обеспечения светопроницаемости.The disadvantages of the method are the reduction of the mechanical strength of the module due to the formation of many through holes along its entire surface and the limitation, thereby, of the maximum light transmission of the solar module, as well as the overexpenditure of expensive materials of the photoactive layer applied to surface areas that are removed at the final stage of manufacturing the solar module ensure light transmission.
Известен светопроницаемый модуль солнечной батареи и способ его изготовления, патентная заявка US 20110265843. Указанный способ заключается в формировании из сплошного слоя металлического электрода, нанесенного на прозрачную подложку, блоков металлического электрода в виде двумерного массива посредством удаления части сплошного слоя металлического электрода в двух направлениях. Затем на множество блоков металлических электродов наносятся сплошной фотоактивный слой и сплошной буферный слой, из которых формируется двумерный массив таким образом, что в одном направлении соседние элементы разделены вплоть до подложки, обеспечивая светопроницаемость модуля, а в другом - вплоть до металлического электрода, обеспечивая после нанесения прозрачного проводящего слоя последовательное электрическое соединение элементов солнечного модуля. Осаждение фотоактивного слоя, в качестве которого используют CIGS, производят путем соиспарения в вакууме либо магнетронным распылением или термическим испарением, сопровождаемым высокотемпературной селенизацией. Разделение сплошного слоя металлического электрода на блоки металлического электрода осуществляется лазером, в то время как разделение элементов двумерного массива фотоактивного и буферного слоев осуществляют механически, что исключает переосаждение металлических частиц на поверхности модуля и термическое воздействие на кромки элементов двумерного массива фотоактивного слоя.A translucent solar module and a method for its manufacture are known, patent application US20110265843. This method consists in forming from a continuous layer of a metal electrode deposited on a transparent substrate, metal electrode blocks in the form of a two-dimensional array by removing part of the continuous layer of the metal electrode in two directions. Then, a continuous photoactive layer and a continuous buffer layer are deposited onto a plurality of metal electrode blocks, from which a two-dimensional array is formed in such a way that adjacent elements are separated in one direction up to the substrate, ensuring the module's light transmission, and in the other up to the metal electrode, providing after application transparent conductive layer serial electrical connection of the elements of the solar module. The deposition of the photoactive layer, which is used as CIGS, produced by co-evaporation in vacuum or magnetron sputtering or thermal evaporation, followed by high-temperature selenization. Separation of the continuous layer of the metal electrode into metal electrode blocks is carried out by a laser, while the separation of the elements of the two-dimensional array of the photoactive and buffer layers is carried out mechanically, which eliminates the reprecipitation of metal particles on the surface of the module and the thermal effect on the edges of the elements of the two-dimensional array of the photoactive layer.
Недостатком способа является перерасход дорогостоящих компонент - индия и галлия - фотоактивного слоя CIGS, часть которого удаляют при формировании двумерного массива фотоактивного слоя. Кроме того, наибольшую эффективность фотоэлектрического преобразования халькопиритом обеспечивает нанесение его соиспарением, однако этот метод нанесения сложно масштабировать на солнечные модули большого размера, изготовление каждого модуля занимает продолжительное время, а необходимое вакуумное оборудование имеет высокую стоимость.The disadvantage of this method is the cost overrun of expensive components — indium and gallium — of the CIGS photoactive layer, part of which is removed during the formation of a two-dimensional array of the photoactive layer. In addition, the greatest efficiency of photoelectric conversion with chalcopyrite is ensured by its co-evaporation, however, this method of application is difficult to scale on large solar modules, the manufacture of each module takes a long time, and the necessary vacuum equipment is expensive.
Из уровня техники известен способ изготовления светопроницаемого модуля солнечной батареи, патент US 8492191, принятый за прототип. Данный способ изготовления включает в себя формирование массива продольных металлических электродов на прозрачной подложке посредством размещения первой маски над прозрачной подложкой при осаждении материала металлических электродов, формирование фотоактивного слоя на каждом продольном металлическом электроде посредством размещения второй маски над прозрачной подложкой при осаждении фотоактивного слоя, удаление части каждого фотоактивного слоя вдоль продольного направления для осуществления доступа к каждому продольному металлическому электроду, формирование слоя прозрачного электрода на каждом фотоактивном слое и продольном металлическом электроде, удаление части каждого слоя прозрачного электрода и части каждого фотоактивного слоя до каждого продольного металлического электрода, образуя таким образом множество солнечных элементов, электрически соединенных последовательно в направлении, отличном от продольного направления металлических электродов.The prior art method for manufacturing a translucent solar module, patent US 8492191, adopted as a prototype. This manufacturing method includes the formation of an array of longitudinal metal electrodes on a transparent substrate by placing the first mask over the transparent substrate during deposition of the metal electrode material, forming a photoactive layer on each longitudinal metal electrode by placing a second mask over the transparent substrate during deposition of the photoactive layer, removing a portion of each photoactive layer along the longitudinal direction to access each longitudinal meta lytic electrode, forming a transparent electrode layer on each photoactive layer and a longitudinal metal electrode, removing part of each transparent electrode layer and part of each photoactive layer to each longitudinal metal electrode, thus forming a plurality of solar cells electrically connected in series in a direction different from the longitudinal direction metal electrodes.
Использование масок позволяет формировать множество металлических электродов и фотоактивный слой на них без использования механического или лазерного удаления материалов, и, тем самым, упростить технологию производства, избежать образования дефектов модуля, обусловленных переосаждением удаляемых материалов и термическим воздействием на кромки фотоактивных слоев, увеличить выход годной продукции. Способ позволяет изменением конфигураций масок регулировать размеры прозрачных и активных областей и, тем самым, светопроницаемость солнечного модуля в широком диапазоне.The use of masks allows the formation of many metal electrodes and a photoactive layer on them without the use of mechanical or laser removal of materials, and thereby simplify the production technology, avoid the formation of module defects caused by reprecipitation of removed materials and thermal effects on the edges of the photoactive layers, and increase the yield of suitable products . The method allows changing the configurations of masks to regulate the sizes of transparent and active regions and, thereby, the light transmission of the solar module in a wide range.
Однако использование маски не сокращает отходы сырья. Недостатком метода по-прежнему остается перерасход материала фотоактивного слоя CIGS, остающегося на поверхности маски и не подлежащего повторному использованию. Кроме того, использование маски вносит ограничения по формированию металлических электродов в виде различных геометрических фигур, например, полого четырехугольника, и вместе с тем ограничения варьировать степень прозрачности и использовать для достижения эстетических качеств солнечного модуля.However, the use of a mask does not reduce the waste of raw materials. The disadvantage of the method is still the overspending of the material of the photoactive CIGS layer remaining on the surface of the mask and not subject to reuse. In addition, the use of a mask introduces restrictions on the formation of metal electrodes in the form of various geometric shapes, for example, a hollow quadrangle, and at the same time, the restrictions vary the degree of transparency and use it to achieve the aesthetic qualities of the solar module.
В приведенных выше аналогах, а также в патентах CN 102751387, RU 2567191 и CN 103390674, для получения фотоактивного слоя используют вакуумные методы физического осаждения из газовой фазы, такие как термическое испарение и магнетронное распыление, которые дают наилучшие результаты по эффективности преобразования солнечной энергии формируемыми слоями в составе солнечных элементов. Однако эти методы подразумевают использование дорогостоящего оборудования, на котором сложно обеспечить однородность осаждаемых слоев при использовании подложек большой площади и, соответственно, сложно масштабировать производство солнечных модулей. Низкая степень утилизации сырья и низкая производительность, характеризующие вакуумные методы осаждения, также негативно сказываются на себестоимости производства и препятствуют широкому производству тонкопленочных солнечных элементов и модулей подобными методами.In the above analogues, as well as in patents CN 102751387, RU 2567191 and CN 103390674, vacuum methods of physical deposition from the gas phase, such as thermal evaporation and magnetron sputtering, are used to obtain the photoactive layer, which give the best results in the efficiency of solar energy conversion by the formed layers as a part of solar cells. However, these methods involve the use of expensive equipment on which it is difficult to ensure uniformity of the deposited layers when using substrates of a large area and, accordingly, it is difficult to scale the production of solar modules. The low degree of utilization of raw materials and low productivity, which characterize the vacuum deposition methods, also negatively affect the cost of production and prevent the widespread production of thin-film solar cells and modules by similar methods.
Электрохимическое осаждение тонких пленок фотоактивного слоя, патентная заявка US 20120003786, патент US 7297868, патент US 9263610, патент US 9041141, вызывает интерес в связи со сравнительно низкой себестоимостью и возможностью осаждения на подложки с большой площадью поверхности, в том числе на подложки рулонного типа. Особенностью метода является то, что осаждение возможно осуществлять только на электропроводящую поверхность электродов..Electrochemical deposition of thin films of the photoactive layer, patent application US 20120003786, patent US 7297868, patent US 9263610, patent US 9041141, is of interest due to the relatively low cost and the possibility of deposition on substrates with a large surface area, including on a substrate of a roll type. A feature of the method is that deposition can be carried out only on the electrically conductive surface of the electrodes ..
В патентах RU 2446510, US 8841160, US 7306823, US 9105796 и патентной заявке CN 101944556 для осаждения фотоактивного слоя предлагается использовать чернила или пасты, содержащие прекурсоры фотоактивного слоя, наносимые методом печати: струйной, трафаретной, флексографической, гравюрной, или иным методом нанесения жидких веществ: центрифугирование, щелевая экструзия, окунание, нанесение ракелем, нанесение валиком. Оборудование для печати имеет значительно меньшую стоимость по сравнению с оборудованием вакуумного осаждения из газовой фазы, что положительно сказывается на себестоимости продукта.In patents RU 2446510, US 8841160, US 7306823, US 9105796 and patent application CN 101944556 for the deposition of the photoactive layer, it is proposed to use ink or pastes containing the precursors of the photoactive layer, applied by printing: inkjet, screen, flexographic, gravure, or other method of applying liquid substances: centrifugation, crevice extrusion, dipping, applying with a doctor blade, applying with a roller. Printing equipment has a significantly lower cost compared to vacuum vapor deposition equipment, which has a positive effect on the cost of the product.
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа изготовления светопроницаемого тонкопленочного солнечного модуля CIGS, направленного на достижение технологического и экономического эффекта при широкомасштабной интеграции его в строительные конструкции, путем снижения издержек производства, в том числе при увеличении прозрачности солнечного модуля, за счет повышения производительности и безотходного использования дорогостоящих материалов индия и галлия в фотоактивном слое.The objective of the invention is to provide a method of manufacturing a translucent thin-film solar module CIGS, aimed at achieving technological and economic effect with its large-scale integration in building structures, by reducing production costs, including increasing transparency of the solar module, by increasing productivity and wasteful use of expensive indium and gallium materials in the photoactive layer.
Решение этой задачи и достижение технического результата обеспечивается за счет того, что в способе изготовления светопроницаемого тонкопленочного солнечного модуля, включающем:The solution to this problem and the achievement of a technical result is provided due to the fact that in the method of manufacturing a translucent thin-film solar module, including:
- нанесение слоя металлических электродов на прозрачную предварительно очищенную подложку,- applying a layer of metal electrodes on a transparent pre-cleaned substrate,
- формирование на ней слоя металлических электродов в виде массива поочередно расположенных отдельных металлических электродов,- the formation on it of a layer of metal electrodes in the form of an array of alternately located individual metal electrodes,
- очистку прозрачной подложки со слоем металлических электродов от отходов процесса формирования массива металлических электродов,- cleaning the transparent substrate with a layer of metal electrodes from the waste of the formation of an array of metal electrodes,
- формирование фотоактивного слоя халькопирита CIGS, нанесение буферного слоя, удаление части буферного слоя и нижележащей части фотоактивного слоя над каждым металлическим электродом для обеспечения доступа к слою металлического электрода,- forming a photoactive layer of CIGS chalcopyrite, applying a buffer layer, removing part of the buffer layer and the underlying part of the photoactive layer above each metal electrode to provide access to the metal electrode layer,
- нанесение слоя прозрачного электрода,- applying a layer of transparent electrode,
- удаление части прозрачного электродного слоя, нижележащей части буферного слоя и нижележащей части фотоактивного слоя над каждым металлическим электродом для обеспечения доступа к слою металлическому электрода, образуя последовательное соединение элементов солнечного модуля,- removing part of the transparent electrode layer, the underlying part of the buffer layer and the underlying part of the photoactive layer above each metal electrode to provide access to the metal electrode layer, forming a series connection of the solar module elements,
согласно изобретению формирование фотоактивного слоя осуществляют способом электрохимического осаждения или способом печати прекурсоров фотоактивного слоя халькопирита CIGS с последующей термической обработкой, при этом нанесение прекурсоров осуществляют непосредственно на поверхность каждого металлического электрода, исключая другие участки, а также за счет того, что:according to the invention, the formation of the photoactive layer is carried out by the method of electrochemical deposition or by printing precursors of the photoactive layer of CIGS chalcopyrite followed by heat treatment, while applying the precursors is carried out directly on the surface of each metal electrode, excluding other areas, and also due to the fact that:
- формирование слоя металлических электродов осуществляют способом вакуумного напыления на прозрачную подложку с последующим механическим, лазерным или фотолитографическим удалением участков слоя, формируя массив поочередно расположенных металлических электродов, разделенных участками прозрачной подложки;- the formation of a layer of metal electrodes is carried out by the method of vacuum deposition on a transparent substrate with subsequent mechanical, laser or photolithographic removal of sections of the layer, forming an array of alternately arranged metal electrodes separated by sections of a transparent substrate;
- массив металлических электродов, может состоять из электродов полосообразной формы или электродов в форме других плоских геометрических фигур, их сочетания или выполненных в виде рисунка;- an array of metal electrodes, may consist of strip-shaped electrodes or electrodes in the form of other flat geometric shapes, their combination or made in the form of a pattern;
- удаление части слоев над каждым металлическим электродом, для обеспечения доступа к слою металлического электрода, производят механическим путем, лазером или методом фотолитографии;- removal of part of the layers above each metal electrode, in order to provide access to the layer of the metal electrode, is carried out mechanically, by a laser or by the method of photolithography;
- буферный слой наносят методом химического осаждения из раствора;- the buffer layer is applied by chemical precipitation from a solution;
- часть буферного слоя на участках прозрачной подложки может быть удалена механическим способ, лазером или методом фотолитографии;- part of the buffer layer in the areas of the transparent substrate can be removed mechanically, by laser or by photolithography;
- прекурсоры фотоактивного слоя представляют собой одноэлементные, бинарные, тройные или интерметаллидные химические соединения в виде объемных материалов или наночастиц, каждое из которых содержит один или несколько компонентов халькопирита CIGS: медь, индий, галлий, серу и селен;- precursors of the photoactive layer are single-element, binary, triple or intermetallic chemical compounds in the form of bulk materials or nanoparticles, each of which contains one or more components of CIGS chalcopyrite: copper, indium, gallium, sulfur and selenium;
- для нанесение прекурсоров фотоактивного слоя могут быть применены различные виды печати с применением проводящих чернил или паст на основе прекурсоров халькопирита: струйная, трафаретная, гравюрная, флексографическая;- for applying precursors of the photoactive layer, various types of printing using conductive inks or pastes based on chalcopyrite precursors can be applied: inkjet, screen, gravure, flexographic;
- прекурсоры халькопирита наносят в один или несколько этапов, при этом соотношение концентраций прекурсоров и режимы их нанесения на каждом этапе могут быть разными;- precursors of chalcopyrite are applied in one or several stages, while the ratio of the concentrations of precursors and the modes of their application at each stage may be different;
- формирование фотоактивного слоя осуществляют путем высокотемпературного отжига прекурсоров фотоактивного слоя в инертной либо химически активной среде, например, в присутствии газообразных серы, селена, сероводорода, селеноводорода или их смеси;- the formation of the photoactive layer is carried out by high-temperature annealing of the precursors of the photoactive layer in an inert or chemically active medium, for example, in the presence of gaseous sulfur, selenium, hydrogen sulfide, hydrogen selenide, or a mixture thereof;
- в случае формирования фотоактивного слоя способом электрохимического осаждения, предварительно на слой металлических электродов наносят зародышевый слой меди методом физического осаждения из паровой фазы;- in the case of the formation of the photoactive layer by the method of electrochemical deposition, the germinal layer of copper is previously applied to the layer of metal electrodes by physical vapor deposition;
Предлагаемый способ изготовления солнечного модуля позволяет в широком диапазоне варьировать его светопроницаемостью, степень которой количественно определяется отношением суммы площадей прозрачных областей прозрачной подложки к полной площади солнечного модуля и с учетом фактической прозрачности прозрачных областей в видимой части спектра, которая может достигать 85%. Кроме варьирования величины светопроницаемости предлагаемое изобретение позволяет достичь такой размерности активных областей солнечного модуля, при которой элементы модуля практически не различимы человеческим глазом даже при близком рассмотрении, а при необходимости формирования видимых относительно крупных активных областей им легко можно придать эстетические формы с помощью изготовления элементов модуля в виде рисунка.The proposed method for manufacturing a solar module allows varying its light transmission in a wide range, the degree of which is quantitatively determined by the ratio of the sum of the areas of the transparent regions of the transparent substrate to the total area of the solar module and taking into account the actual transparency of the transparent regions in the visible part of the spectrum, which can reach 85%. In addition to varying the transmittance, the present invention allows to achieve a dimension of the active areas of the solar module in which the elements of the module are practically indistinguishable to the human eye even when closely examined, and if necessary, the formation of visible relatively large active areas can be easily aesthetized by manufacturing the elements of the module in as a picture.
Задача экономии материалов фотоактивного слоя в способах изготовления солнечных модулей, представленных в аналогах, не может быть решена в принципе, поскольку в них подразумеваются такие способы нанесения фотоактивного слоя, как испарение и распыление - диаграмма направленности потока вещества, определяемая используемым оборудованием, охватывает широкий телесный угол и включает не только подложку солнечного модуля, но и другие внутренние поверхности вакуумного оборудования, включая маску, если таковая имеется. Увеличение степени светопроницаемости модуля в аналогах достигается удалением участков фотоактивного слоя и влечет пропорциональное уменьшение утилизации сырья. Избыточный расход сырья соответственно приводит к повышенной удельной стоимости установленной мощности. В предлагаемом изобретении за счет избирательности зон покрытия при печати или электрохимическом осаждении расход сырья строго пропорционален суммарной площади только активных областей тонкопленочного модуля. При увеличении степени светопроницаемости модуля и, соответственно, уменьшении генерируемой им мощности расход сырья уменьшается, сохраняя удельную стоимость ватта установленной мощности практически неизменной, в отличие от аналогов.The task of saving materials of the photoactive layer in the methods for manufacturing solar modules presented in analogues cannot be solved in principle, since they imply such methods of applying the photoactive layer as evaporation and spraying - the directivity diagram of the substance flow determined by the equipment used covers a wide solid angle and includes not only the substrate of the solar module, but also other internal surfaces of the vacuum equipment, including a mask, if any. An increase in the degree of light transmission of the module in analogs is achieved by removing sections of the photoactive layer and entails a proportional decrease in the utilization of raw materials. Excessive consumption of raw materials, respectively, leads to an increased unit cost of installed capacity. In the present invention, due to the selectivity of the coating zones during printing or electrochemical deposition, the consumption of raw materials is strictly proportional to the total area of only the active regions of the thin-film module. With an increase in the degree of light transmission of the module and, accordingly, a decrease in the power generated by it, the consumption of raw materials decreases, while maintaining the unit cost of a watt of installed power almost unchanged, unlike analogues.
Таким образом, предлагаемое изобретение по сравнению с аналогами уменьшает издержки производства светопроницаемых тонкопленочных солнечных модулей при переходе на более дешевые способы нанесения материалов фотоактивного слоя и обеспечении экономии дорогостоящего сырья. Данный результат приобретает особую важность для широкомасштабной интеграции солнечных модулей в строительные материалы и части зданий.Thus, the present invention, in comparison with analogues, reduces the production costs of translucent thin-film solar modules when switching to cheaper methods of applying materials of the photoactive layer and ensuring the saving of expensive raw materials. This result is of particular importance for the large-scale integration of solar modules in building materials and parts of buildings.
Нанесение прекурсоров фотоактивного слоя безвакуумными жидкофазными и легко масштабируемыми в промышленных масштабах методами - электрохимическим осаждением или печатью - исключительно только на предварительно сформированные металлические электроды без применения масок и удаления излишков материала является признаком, отличительным от прототипа, и позволяет упростить способ изготовления и уменьшить издержки производства светопроницаемых тонкопленочных солнечных модулей. Очевидно, что достигаемый технико-экономический результат становится доминирующим при широкомасштабном производстве тонкопленочных солнечных модулей большой площади с высокой степенью светопроницаемости, более 30%, предназначенных для использования в роли стеклянных фасадов, прозрачных ограждений, прозрачных крыш и т.п.The application of precursors of the photoactive layer by vacuum-free liquid-phase and easily scaled on an industrial scale methods - electrochemical deposition or printing - exclusively on preformed metal electrodes without the use of masks and removal of excess material is a feature that is distinctive from the prototype, and allows to simplify the manufacturing method and reduce the production cost of light-permeable thin film solar modules. Obviously, the achieved technical and economic result becomes dominant in the large-scale production of thin-film solar modules with a large area with a high degree of light transmission, more than 30%, intended for use as glass facades, transparent fencing, transparent roofs, etc.
Металлические электроды могут быть изготовлены различной геометрической формы и размера, что позволяет варьировать степень прозрачности, при которой элементы модуля могут быть не различимы человеческим глазом даже при близком рассмотрении, а если они видимы, сформировать металлические электроды в виде рисунка, повышая эстетическое восприятие.Metal electrodes can be made of various geometric shapes and sizes, which allows you to vary the degree of transparency, in which the elements of the module may not be visible to the human eye even when closely examined, and if they are visible, form metal electrodes in the form of a pattern, increasing aesthetic perception.
Сущность изобретения поясняется и иллюстрируется фигурами чертежей:The invention is illustrated and illustrated by the figures of the drawings:
Фиг. 1. - Общий вид светопроницаемого солнечного модуля, состоящего из нескольких солнечных элементов, электрически соединенных последовательно.FIG. 1. - General view of a translucent solar module, consisting of several solar cells, electrically connected in series.
Фиг. 2. - Вариант вида плоскости прозрачной подложки, содержащей массив металлических электродов Ш-образной формы.FIG. 2. - A variant of the plane view of a transparent substrate containing an array of metal electrodes of the U-shaped form.
Фиг. 3. - Вариант вида плоскости прозрачной подложки, содержащей массив металлических электродов гребенчатой формы.FIG. 3. - A variant of the plane view of a transparent substrate containing an array of comb-shaped metal electrodes.
Фиг. 4. - Вариант вида плоскости прозрачной подложки, содержащей двумерный массив металлических электродов произвольной формы.FIG. 4. - A variant of the plane view of a transparent substrate containing a two-dimensional array of metal electrodes of arbitrary shape.
Фиг. 5. - График зависимости стоимости изготовления одного солнечного модуля, площадью 1 м с КПД активной области 15%, от прозрачности солнечного модуля в сравнении с прототипом.FIG. 5. - A graph of the cost of manufacturing one solar module, an area of 1 m with an efficiency of the active region of 15%, on the transparency of the solar module in comparison with the prototype.
Солнечный модуль изготавливают на прозрачной подложке 1, на которой формируют множество металлических электродов 2, разделяемых участками 3 открытой прозрачной подложки, Фиг. 1. Металлические электроды 2 формируют путем нанесения сплошного слоя металлических электродов с последующим механическим, лазерным или фотолитографическим удалением слоя 2 для образования участков 3 открытой прозрачной подложки 1 либо путем избирательного нанесения слоя металлических электродов на заданные участки поверхности прозрачной подложки 1. Избирательно только на поверхность металлических электродов 2 наносят прекурсоры фотоактивного слоя и осуществляют их термическую обработку в инертной либо химически активной среде с образованием фотоактивного слоя 4. На всю поверхность прозрачной подложки 1 наносят буферный слой 5. В области каждого металлического электрода 2 механически, лазером или фотолитографическим методом удаляют часть буферного слоя 5 и фотоактивного слоя 4, формируя участки 6 межъячеечного соединения, ориентированные вдоль края каждого металлического электрода 2 и обеспечивающие доступ к металлическим электродам 2 для формирования в дальнейшем электрического контакта. На всю сформированную поверхность прозрачной подложки 1 наносят слой прозрачного электрода 7. Механическим, лазерным либо фотолитографическим методом удаляют части слоя прозрачного электрода 7, буферного слоя 5 и фотоактивного слоя 4 формируя разделительные участки 8, расположенные параллельно продольной стороне металлических электродов 2 вблизи участков 6 межъячеечного соединения, обеспечивающие разделение слоя прозрачного слоя электрода 7 на электроды отдельно взятых солнечных элементов 9. Сформированное таким образом множество, по меньшей мере два, солнечных элементов 9, последовательно электрически соединенных между собой, образует тонкопленочный солнечный модуль.The solar module is made on a
За счет высокой прозрачности слоя прозрачных электродов 7, буферного слоя 5 и прозрачной подложки 1 участки 3 открытой прозрачной подложки обеспечивают частичную светопроницаемость солнечного модуля, при этом степень светопроницаемости упомянутого солнечного модуля будет определяться соотношением суммарной площади участков 3 открытой прозрачной подложки и площади всего модуля, а также степенью прозрачности материалов слоя прозрачных электродов 7, буферного слоя 5 и прозрачной подложки 1.Due to the high transparency of the layer of
Прозрачная подложка 1 представлена натрий-силикатным стеклом свободной формы и размера, однако она может быть представлена и иным неорганическим или органическим материалом, обладающим высокой прозрачностью в видимой части спектра и температурной стабильностью до 400-500°C.The
В качестве материала металлических электродов 2, как правило, применяется молибден.As the material of the
В одном из примеров реализации, металлические электроды 2 могут иметь полосообразную форму и образовывать одномерный массив металлических электродов 2, отделяемых друг от друга в поперечном направлении участками 3 открытой прозрачной подложки, Фиг. 2, 3. При этом каждая область 10 элемента изготавливаемого солнечного модуля содержит лишь один металлический электрод 2 и лишь одну область 11 формирования межъячеечного соединения, включающую в себя один участок 6 межъячеечного соединения и один разделительный участок 8.In one embodiment, the
В другом примере металлические электроды 2 могут иметь произвольную геометрическую форму и образовывать двумерный массив металлических электродов 2, отделяемых друг от друга со всех сторон участками 3 открытой прозрачной подложки, Фиг. 4. При этом каждая область 10 элемента изготавливаемого солнечного модуля содержит несколько, по меньшей мере два, металлических электродов 2 и одну область 11 формирования межъячеечного соединения, проходящую через все упомянутые металлические электроды 2 и участки 3 открытой прозрачной подложки, расположенные внутри упомянутой области 10 элемента изготавливаемого солнечного модуля.In another example, the
Количество формируемых областей 10 элемента изготавливаемого солнечного модуля определяется произвольно, исходя из необходимого номинального выходного напряжения модуля, которое, как правило, представлено, но не ограничено следующим рядом: 12 В, 24 В, 48 В и др.The number of generated
Продольный габаритный размер полосообразного металлического электрода 2 ограничивается соответствующим габаритным размером прозрачной подложки 1. Продольный габаритный размер металлического электрода 2 произвольной геометрической формы в составе двумерного массива металлических электродов 2 ограничивается соответствующим габаритным размером прозрачной подложки 1, разделенным на количество металлических электродов 2 в соответствующем пространственном измерении упомянутого массива. Поперечный габаритный размер металлического электрода 2 ограничивается соответствующим габаритным размером прозрачной подложки 1, разделенным на количество областей 10 элементов изготавливаемого солнечного модуля. Характерная ширина линий-элементов металлического электрода 2, расстояние между соседними линиями-элементами одного металлического электрода 2, а также расстояние между соседними металлическими электродами 2 независимо друг от друга могут составлять от нескольких десятков микрометров до нескольких миллиметров. Характерная ширина линий-элементов металлического электрода 2 менее 50 мкм обеспечит оптический эффект однородной полупрозрачности изготавливаемого солнечного модуля при рассмотрении невооруженным глазом даже с близкого расстояния. Степень прозрачности может варьироваться в диапазоне от 15 до 80%.The longitudinal overall dimension of the strip-shaped
В качестве фотоактивного слоя 4 используется халькопирит CIGS (CuInS2, CuInSe2, Cu(In,Ga)S2, Cu(In,Ga)Se2 и Cu(In,Ga)(S,Se)2). Фотоактивный слой 4 может характеризоваться переменным составом по соотношению индия и галлия In:Ga и/или серы и селена S:Se, а также нестехиометричным содержанием меди и халькогена. Фотоактивный слой 4 формируется в два этапа: нанесение прекурсоров фотоактивного слоя и их термическая обработка.As the
Прекурсоры фотоактивного слоя представляют собой химические вещества в элементарной форме, в форме бинарных, тройных соединений или интерметаллидов. Кроме того, каждый прекурсор может быть представлен объемным материалом либо в виде наноразмерных от 1 до 100 нм частиц - наночастиц.The precursors of the photoactive layer are chemicals in elementary form, in the form of binary, ternary compounds or intermetallic compounds. In addition, each precursor can be represented by bulk material or in the form of nanoscale particles from 1 to 100 nm - nanoparticles.
Каждый прекурсор фотоактивного слоя на основе халькопирита содержит один или несколько химических элементов - компонент халькопирита: медь, индий, галлий, серу и селен. Для формирования халькопирита CuIn(S,Se)2 требуется по меньшей мере, один прекурсор, содержащий медь, и, по меньшей мере один прекурсор, содержащий индий. Для формирования халькопирита CuGa(S,Se)2 требуется, по меньшей мере, один прекурсор, содержащий медь, и, по меньшей мере, один прекурсор, содержащий галлий. Для формирования халькопирита CuInGa(S,Se)2 требуется, по меньшей мере, один прекурсор, содержащий медь, по меньшей мере один прекурсор, содержащий индий, и по меньшей мере, один прекурсор, содержащий галлий. Нанесение прекурсоров, содержащих серу и селен, является опциональным.Each precursor of the photoactive layer based on chalcopyrite contains one or more chemical elements - a component of chalcopyrite: copper, indium, gallium, sulfur and selenium. The formation of chalcopyrite CuIn (S, Se) 2 requires at least one precursor containing copper, and at least one precursor containing indium. The formation of chalcopyrite CuGa (S, Se) 2 requires at least one precursor containing copper, and at least one precursor containing gallium. The formation of chalcopyrite CuInGa (S, Se) 2 requires at least one precursor containing copper, at least one precursor containing indium, and at least one precursor containing gallium. Application of precursors containing sulfur and selenium is optional.
Упомянутые прекурсоры, могут быть представлены химическими соединениями вида А, АВ, А2В, А2В3, АВ3', АА'В2, С, где А - атом металла меди, индия, или галлия, А' - атом металла меди, индия или галлия, отличного от атома металла А, В - атом химического элемента из ряда: кислород О, азот N, сера S, селен Se, хлор Cl, С - атом серы S или селена Se.The precursors mentioned can be represented by chemical compounds of the form A, AB, A 2 B, A 2 B 3 , AB 3 ', AA'B 2 , C, where A is a copper, indium or gallium metal atom, A' is a metal atom copper, indium or gallium, different from the metal atom A, B - an atom of a chemical element from the series: oxygen O, nitrogen N, sulfur S, selenium Se, chlorine Cl, C - sulfur atom S or selenium Se.
Согласно предлагаемому изобретению, в качестве метода нанесения прекурсоров фотоактивного слоя используют струйную печать высокого разрешения, а чернилами, при этом, является жидкая среда, содержащая один или несколько прекурсоров фотоактивного слоя. Для достижения необходимой толщины сухого слоя прекурсоров фотоактивного слоя 0,5-1,5 мкм печать может осуществляться повторно. Повторную печать осуществляют, как правило, после высыхания уже нанесенных чернил. При повторной печати состав чернил и условия печати могут отличаться.According to the invention, high-resolution inkjet printing is used as a method for applying precursors of the photoactive layer, and ink, in this case, is a liquid medium containing one or more precursors of the photoactive layer. To achieve the required thickness of the dry layer of precursors of the photoactive layer of 0.5-1.5 microns, printing can be repeated. Re-printing is carried out, as a rule, after drying already applied ink. When reprinting, the ink composition and printing conditions may vary.
В альтернативном варианте осуществления изобретения прекурсоры фотоактивного слоя наносят электрохимическим осаждением с применением трехэлектродной электрохимической ячейки. Для этого на этапе формирования металлических электродов 2 поверхность металлических электродов 2 покрывают зародышевым слоем меди толщиной 10-500 нм, осаждаемым методом физического осаждения из паровой фазы, на чертеже не показан.In an alternative embodiment, the precursors of the photoactive layer are applied by electrochemical deposition using a three-electrode electrochemical cell. For this, at the stage of formation of the
Чтобы металлические электроды 2 выполняли функции рабочего электрода электрохимической ячейки, все металлические электроды 2 покрытые зародышевым слоем меди, электрически замыкают механическим путем или посредством временных перемычек, формируемых на этапе формирования массива металлических электродов 2, удаляемых впоследствии, на чертеже не показаны., и соединяют с одним из полюсов источника питания.In order for the
Роль вспомогательного электрода и электрода сравнения электрохимической ячейки, как правило, выполняют сетка из платиновой проволоки или платиновая фольга и насыщенный каломельный, хлорсеребряный или стандартный водородный электрод, соответственно. В качестве электролита выступает жидкий раствор прекурсоров фотоактивного слоя. Температура электролита может составлять от 10 до 80°C. Нанесение прекурсоров фотоактивного слоя осуществляют поочередно либо одновременно в режиме потенциостатирования, при этом условия осаждения (прикладываемый потенциал, состав электролита, температура электролита) могут изменяться.The role of the auxiliary electrode and the electrode of the comparison of the electrochemical cell, as a rule, is performed by a grid of platinum wire or platinum foil and saturated calomel, silver chloride or standard hydrogen electrode, respectively. The electrolyte is a liquid solution of the precursors of the photoactive layer. The temperature of the electrolyte can be from 10 to 80 ° C. The application of the precursors of the photoactive layer is carried out alternately or simultaneously in the potentiostatic mode, while the deposition conditions (applied potential, electrolyte composition, electrolyte temperature) can vary.
Термическую обработку нанесенных прекурсоров фотоактивного слоя осуществляют в инертной среде, либо в присутствии паров серы и/или селена при температуре от 400 до 650°C, обеспечивая кристаллизацию халькопирита.The heat treatment of the applied precursors of the photoactive layer is carried out in an inert medium, or in the presence of sulfur and / or selenium vapor at a temperature of 400 to 650 ° C, providing crystallization of chalcopyrite.
Буферный слой 5 представляет собой слой халькогенида металла CdS, ZnS, Zn(O,S), In2S3 или др., обладающий полупроводниковыми свойствами и электронным типом проводимости, покрытый слоем собственного нелегированного ZnO.The
Слой прозрачного электрода 7, как правило, выполняют из прозрачного проводящего оксида метала AZO, ITO, FTO и др.The layer of the
Участки 6 межъячеечного соединения и разделительные участки 8 шириной от 5 до 50 мкм формируют механически, лазерной микрообработкой либо фотолитографией. Расстояние между участками 6 межъячеечного соединения и разделительными участками 8, соответствующими одному солнечному элементу 10 может составлять от 10 до 100 мкм. Расстояние между участком 6 межъячеечного соединения и ближайшим краем соответствующего металлического электрода 2 может составлять от 10 до 100 мкм. Использование минимальных величин указанных диапазонов необходимо для минимизации потерь КПД, обусловленных уменьшением суммарной площади фотоактивного слоя 4, участвующего в фотоэлектрическом преобразовании солнечного света и транспорте генерированных носителей электрического заряда. После формирования структуры светопроницаемого тонкопленочного солнечного модуля на его поверхность могут наноситься дополнительные слои различного назначения, например металлические токосъемные электроды, просветляющие покрытия, прозрачные адгезивы, органические и неорганические барьерные слои и т.д.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется, но не ограничивается следующими примерами:The invention is illustrated, but not limited to the following examples:
1. На подложку из натрий-силикатного стекла размером 100×100 мм, предварительно очищенную, обезжиренную, высушенную и хранившуюся в условиях чистой комнаты с соблюдением соответствующей гигиены, на области размером 80×79,2 мм, равноудаленной от краев подложки, методом магнетронного распыления осаждают сплошной слой молибдена толщиной 0,5-1,5 мкм, а затем методом магнетронного распыления осаждают сплошной зародышевый слой меди толщиной 100-400 нм. Из осажденных слоев с применением, например, прецизионной лазерной микрообработки формируют множество равноудаленных полос металлических электродов шириной 1 мм в количестве 24 штук. Расстояние между двумя соседними полосами металлических электродов составляет 2,4 мм. Подложку промывают.1. On a substrate of sodium silicate glass with a size of 100 × 100 mm, pre-cleaned, degreased, dried and stored in a clean room with proper hygiene, in an area of 80 × 79.2 mm equidistant from the edges of the substrate by magnetron sputtering a continuous layer of molybdenum with a thickness of 0.5-1.5 μm is deposited, and then a continuous germinal layer of copper with a thickness of 100-400 nm is precipitated by magnetron sputtering. From the deposited layers, using, for example, precision laser microprocessing, a plurality of equidistant strips of metal electrodes of 1 mm width in the amount of 24 pieces is formed. The distance between two adjacent strips of metal electrodes is 2.4 mm. The substrate is washed.
Для одностадийного осаждения прекурсоров CIGS методом электрохимического осаждения готовят электролит, содержащий CaCl2, InCl3, GaCl3 и H2SeO3. Добавлением серной кислоты и гидроксида аммония кислотность электролита доводят до величины 1,4-2,7 pH. При постоянном перемешивании электролит доводят до необходимой температуры 10-80°C и поддерживают ее на протяжении всего процесса осаждения.For one-step deposition of CIGS precursors, an electrolyte containing CaCl2, InCl 3 , GaCl 3 and H2SeO 3 is prepared by electrochemical deposition. By adding sulfuric acid and ammonium hydroxide, the acidity of the electrolyte is adjusted to a value of 1.4-2.7 pH. With constant stirring, the electrolyte is brought to the required temperature of 10-80 ° C and maintained throughout the entire deposition process.
Ко всем металлическим электродам, покрытым зародышевым слоем меди, прикладывается постоянный катодный потенциал в диапазоне от -2 до -4 В, непрерывно контролируемый электродом сравнения, и подложку погружают в электролит.Электроосаждение осуществляют до достижения толщины осажденных прекурсоров CIGS, равной 0,7-2,0 мкм. Поскольку электроосаждение происходит только на электропроводящих элементах, находящихся при катодном потенциале, прекурсоры CIGS оказываются осаждены исключительно на поверхность металлических электродов.A constant cathode potential in the range from -2 to -4 V continuously monitored by a reference electrode is applied to all metal electrodes coated with a germinal layer of copper, and the substrate is immersed in an electrolyte. The electrodeposition is carried out until the deposited CIGS precursors have a thickness of 0.7-2 , 0 μm. Since electrodeposition occurs only on electrically conductive elements at the cathode potential, CIGS precursors are deposited exclusively on the surface of metal electrodes.
После осаждения прекурсоров CIGS подложка термически обрабатывается в вакуумной камере в парах селена при температуре 450-600°C в течение 30-180 минут до полной селенизации и кристаллизации халькопирита CIGS. Методом химического осаждения на всю поверхность подложки наносится буферный слой сульфида кадмия CdS толщиной 30-70 нм.. Вдоль каждой полосы металлического электрода на расстоянии 10-100 мкм от ее края методом лазерной микрообработки формируются участки межъячеечного соединения шириной 30-100 мкм, длиной 100 мм и глубиной, соответствующей сумме толщин буферного и фотоактивного слоя халькопирита CIGS. На всю поверхность подложки методом магнетронного распыления наносят слой прозрачного электрода толщиной 100-300 мкм оксида цинка, легированного алюминием, ZnO:Al. Вдоль каждого участка межъячеечного соединения со стороны продольной оси симметрии соответствующего металлического электрода на расстоянии 10-100 мкм от края участка межъячеечного соединения методом лазерной микрообработки формируют разделительные участки шириной 30-100 мкм, длиной 100 мм и глубиной, соответствующей сумме толщин слоя прозрачного электрода, буферного слоя и фотоактивного слоя халькопирита. На этом этапе на подложке сформировано 24 солнечных элемента, электрически соединенных последовательно в солнечный модуль. Вдоль первой и последней полосы металлических электродов со стороны края подложки методом термического испарения через маску наносятся металлические токосъемные контакты модуля.After deposition of the CIGS precursors, the substrate is thermally treated in a vacuum chamber in selenium vapor at a temperature of 450-600 ° C for 30-180 minutes until complete selenization and crystallization of CIGS chalcopyrite. A buffer layer of cadmium sulfide CdS 30-70 nm thick is deposited on the entire surface of the substrate by chemical deposition. Along each strip of a metal electrode at a distance of 10-100 μm from its edge, laser cell microprocessing forms sections of an intercellular joint 30-100 μm wide, 100 mm long and a depth corresponding to the sum of the thicknesses of the buffer and photoactive layer of CIGS chalcopyrite. Using a magnetron sputtering method, a layer of a transparent electrode with a thickness of 100-300 μm of zinc oxide doped with aluminum, ZnO: Al is applied to the entire surface of the substrate. Along each section of the intercellular connection from the side of the longitudinal axis of symmetry of the corresponding metal electrode at a distance of 10-100 μm from the edge of the section of the intercellular connection by laser microprocessing, dividing sections are formed with a width of 30-100 μm, a length of 100 mm and a depth corresponding to the sum of the thicknesses of the transparent electrode layer, buffer layer and photoactive layer of chalcopyrite. At this stage, 24 solar cells are formed on the substrate, electrically connected in series to the solar module. Along the first and last strip of metal electrodes from the side of the substrate edge, metal current-collecting contacts of the module are applied through a mask by thermal evaporation.
Если прозрачность полос, соответствующих солнечным элементам, принять равной нулю, а прозрачность полос, разделяющих металлические электроды и, соответственно, солнечные элементы, в видимой части спектра принять равной 80%, то при суммарной площади участков прозрачной подложки 4416 мм2 и рабочей площади 6336 мм2 светопроницаемость солнечного модуля в видимой части спектра составит 56%. 2. На предварительно очищенную и обезжиренную подложку из бесцветного термостойкого полиимида толщиной 0,125 мм и размером 100×100 мм с рабочей областью 90×90.3 мм термическим испарением через маску осаждают 5-25 нм фторида натрия, а затем через эту же маску, не смещая ее относительно прозрачной подложки, термическим испарением осаждают 0,5-1,5 мкм молибдена, формируя 72 электрода в форме полос длиной 90 мм и шириной 0,84 мм на расстоянии 0,42 мм друг от друга.If the transparency of the bands corresponding to the solar cells is taken to be zero, and the transparency of the bands separating the metal electrodes and, accordingly, the solar cells in the visible part of the spectrum is taken to be 80%, then with the total area of the transparent substrate sections 4416 mm 2 and the working area 6336 mm 2, the light transmission of the solar module in the visible part of the spectrum will be 56%. 2. On a pre-cleaned and degreased substrate of colorless heat-resistant polyimide with a thickness of 0.125 mm and a size of 100 × 100 mm with a working area of 90 × 90.3 mm, 5-25 nm sodium fluoride is deposited by thermal evaporation through a mask, and then through the same mask without displacing it 0.5-1.5 microns of molybdenum are deposited by thermal evaporation of a transparent substrate, forming 72 electrodes in the form of
Для нанесения методом струйной печати готовят чернила - смесь прекурсоров CIGS, представляющих собой дисперсии наночастиц InSe, CuSe и GaSe. Струйную печать осуществляют с применением струйного принтера высокого разрешения в контролируемой атмосфере при контролируемой температуре. Чернила наносятся исключительно на поверхность металлических электродов. После нанесения подложку нагревают и выдерживают при температуре 100-250°C в течение 5-15 минут, после чего печать осуществляют повторно до достижения толщины сухого слоя прекурсоров CIGS 0,7-2 мкм.For ink jet printing, ink is prepared - a mixture of CIGS precursors, which are dispersions of InSe, CuSe, and GaSe nanoparticles. Inkjet printing is carried out using a high-resolution inkjet printer in a controlled atmosphere at a controlled temperature. Ink is applied exclusively to the surface of metal electrodes. After application, the substrate is heated and maintained at a temperature of 100-250 ° C for 5-15 minutes, after which printing is repeated until the dry layer thickness of the CIGS precursors is 0.7-2 μm.
После нанесения чернил подложка отжигается в вакууме при температуре 350-450°C в течение 30-180 минут до полного удаления растворителя прекурсоров и кристаллизации халькопирита CIGS. На всю рабочую область подложки наносят буферный слой сульфида кадмия CdS толщиной 30-70 нм химическим осаждением, а затем слой нелегированного оксида цинка ZnO толщиной 10-50 нм магнетронным распылением. Методом лазерной микрообработки путем удаления части буферного слоя и фотоактивного слоя халькопирита формируются участки межъячеечного соединения шириной 20-50 мкм и глубиной, равной сумме толщин буферного и фотоактивного слоев, ориентированные перпендикулярно направлению металлических электродов и проходящие через все элементы массива на расстоянии 10 мкм от края элементов массива.After ink is applied, the substrate is annealed in vacuum at a temperature of 350-450 ° C for 30-180 minutes until the precursor solvent is completely removed and CIGS chalcopyrite crystallizes. A buffer layer of cadmium sulfide CdS 30-70 nm thick by chemical deposition is applied to the entire working region of the substrate, and then a layer of undoped zinc oxide ZnO with a thickness of 10-50 nm by magnetron sputtering. Laser microprocessing by removing part of the buffer layer and the photoactive layer of chalcopyrite forms sections of the intercellular junction with a width of 20-50 μm and a depth equal to the sum of the thicknesses of the buffer and photoactive layers, oriented perpendicular to the direction of the metal electrodes and passing through all elements of the array at a distance of 10 μm from the edges of the elements array.
На всю рабочую область подложки методом магнетронного распыления наносится слой прозрачного электрода оксида цинка, легированного алюминием ZnO:Al толщиной 100-300 мкм. Методом лазерной микрообработки путем удаления части слоя прозрачного фронтального электрода, буферного слоя и фотоактивного слоя халькопирита вдоль каждого участка межъячеечного соединения на расстоянии 10-30 мкм от него формируют разделительные участки шириной 10-30 мкм и глубиной, равной сумме толщин слоя прозрачного электрода, буферного слоя и фотоактивного слоя, проходящие через всю рабочую область подложки.A magnetron sputtering layer is used to deposit a layer of a transparent zinc oxide electrode doped with ZnO: Al aluminum 100-300 μm thick over the entire working region of the substrate. Laser microprocessing by removing part of the transparent frontal electrode layer, the buffer layer, and the photoactive chalcopyrite layer along each section of the intercellular joint at a distance of 10-30 μm from it forms dividing sections 10-30 μm wide and a depth equal to the sum of the thicknesses of the transparent electrode layer, buffer layer and a photoactive layer passing through the entire working area of the substrate.
Таким образом формируется солнечный модуль, состоящий из 72 солнечных элементов, электрически соединенных последовательно. Вдоль первого и последнего солнечного элемента модуля со стороны края подложки методом термического испарения через маску формируют два токосъемных контакта модуля. После этого модуль ламинируется полимерным покрытием. Полагая прозрачность участков, содержащих металлический электрод, равной нулю, а прозрачность открытых участков подложки равной 75%, при суммарной площади участков прозрачной подложки 2683,8 мм2 и площади рабочей области 8127 мм2 светопроницаемость такого солнечного модуля составит 24,8%.Thus, a solar module is formed, consisting of 72 solar cells that are electrically connected in series. Two current collector contacts of the module are formed along the first and last solar cell of the module from the side of the substrate edge by thermal evaporation through a mask. After that, the module is laminated with a polymer coating. Assuming the transparency of the areas containing the metal electrode to be zero, and the transparency of the open areas of the substrate to be 75%, with a total area of the areas of the transparent substrate of 2683.8 mm 2 and a working area of 8127 mm 2, the light transmission of such a solar module will be 24.8%.
Из приведенных примеров видно, что предлагаемый способ изготовления светопроницаемого тонкопленочного солнечного модуля обеспечивает снижение издержек производства, поскольку, в отличие от прототипа, используются сравнительно дешевые, экономные и легко масштабируемые безвакуумные жидкофазные методы нанесения материалов фотоактивного слоя, позволяющие фотоактивный слой наносить только на поверхность металлических электродов и тем самым исключающие необходимость удаления слоя с других участков подложки для получения требуемой степени прозрачности, в отличие от прототипа. Таким образом экономится дорогостоящее сырье. Этот технологический эффект оказывает существенное влияние на снижение издержек производства солнечных модулей данного типа, и при этом стоимость удельного ватта установленной мощности практически не зависит степени светопроницаемости.It can be seen from the above examples that the proposed method for manufacturing a translucent thin-film solar module reduces production costs, because, unlike the prototype, relatively cheap, economical, and easily scalable vacuum-free liquid-phase methods for applying materials of the photoactive layer that allow the photoactive layer to be applied only to the surface of metal electrodes are used and thereby eliminating the need to remove the layer from other sections of the substrate to obtain the desired st degree of transparency, in contrast to the prototype. This saves costly raw materials. This technological effect has a significant effect on reducing the production costs of this type of solar modules, and at the same time, the cost of a specific watt of installed power practically does not depend on the degree of light transmission.
Зависимость стоимости изготовления одного солнечного модуля площадью 1 м2 с КПД активной области 15% от прозрачности солнечного модуля согласно предлагаемому изобретению в сравнении с прототипом приведена на графике, Фиг. 5. На графике видно, что при увеличении прозрачности стоимость изготовления модуля способом прототипа не изменяется, а стоимость удельного ватта установленной мощности, соответственно, растет, а предлагаемым способом - стоимость удельного ватта установленной мощности сохраняется, а стоимость изготовления модуля падает. При этом экономия достигает значений более 34%.The dependence of the manufacturing cost of one solar module with an area of 1 m 2 with an active area efficiency of 15% on the transparency of the solar module according to the invention in comparison with the prototype is shown in the graph, FIG. 5. The graph shows that with an increase in transparency, the cost of manufacturing a module by the prototype method does not change, and the cost of a specific watt of installed power, respectively, grows, and by the proposed method, the cost of a specific watt of installed power is saved, and the manufacturing cost of the module drops. At the same time, savings reach values of more than 34%.
Таким образом, из приведенных примеров реализации видно, что заявляемое изобретение представляет собой простой, дешевый способ изготовления светопроницаемого тонкопленочного солнечного модуля, приемы которого технологичны, обеспечивают экономию расхода материалов фотоактивного слоя, уменьшают издержки производства, повышают производительность за счет высокой скорости осаждения фотоактивного слоя, преимущественно на большие площади, снижают стоимость светопроницаемого солнечного модуля и позволяют в широком диапазоне варьировать степень его светопроницаемости.Thus, from the above implementation examples, it can be seen that the claimed invention is a simple, cheap method of manufacturing a translucent thin-film solar module, the techniques of which are technological, save material consumption of the photoactive layer, reduce production costs, increase productivity due to the high deposition rate of the photoactive layer, mainly over large areas, reduce the cost of a translucent solar module and allow a wide range to vary l the degree of light transmission.
Claims (11)
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018119776A RU2682836C1 (en) | 2018-05-29 | 2018-05-29 | Method of manufacturing a chalcopyrite-based translucent thin-film solar module |
| PCT/RU2019/000146 WO2019231350A1 (en) | 2018-05-29 | 2019-03-06 | A method of manufacturing see-through thin-film cigs solar module |
| EP19720201.3A EP3803983A1 (en) | 2018-05-29 | 2019-03-06 | A method of manufacturing see-through thin-film cigs solar module |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018119776A RU2682836C1 (en) | 2018-05-29 | 2018-05-29 | Method of manufacturing a chalcopyrite-based translucent thin-film solar module |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2682836C1 true RU2682836C1 (en) | 2019-03-21 |
Family
ID=65858556
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018119776A RU2682836C1 (en) | 2018-05-29 | 2018-05-29 | Method of manufacturing a chalcopyrite-based translucent thin-film solar module |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP3803983A1 (en) |
| RU (1) | RU2682836C1 (en) |
| WO (1) | WO2019231350A1 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090205715A1 (en) * | 2005-02-16 | 2009-08-20 | Honda Motor Co., Ltd. | Chalcopyrite Solar Cell and Manufacturing Method Thereof |
| TW201106497A (en) * | 2009-08-12 | 2011-02-16 | Ching-I Wu | Method for manufacturing solar cell component |
| US8492191B2 (en) * | 2011-10-04 | 2013-07-23 | Axuntek Solar Energy | Method for manufacturing see-through solar battery module |
| EA020377B1 (en) * | 2011-05-12 | 2014-10-30 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Изовак" | Method of forming thin semiconductor cigs films for solar batteries and device for implementation thereof |
| US8921691B2 (en) * | 2008-03-21 | 2014-12-30 | National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology | Solar cell and manufacturing method thereof |
| RU2567191C1 (en) * | 2014-07-10 | 2015-11-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химической физики Российской академии наук (ИПХФ РАН) | Method of making photosensitive chalcopyrite films |
Family Cites Families (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20020189665A1 (en) | 2000-04-10 | 2002-12-19 | Davis, Joseph & Negley | Preparation of CIGS-based solar cells using a buffered electrodeposition bath |
| US7306823B2 (en) | 2004-09-18 | 2007-12-11 | Nanosolar, Inc. | Coated nanoparticles and quantum dots for solution-based fabrication of photovoltaic cells |
| US7982127B2 (en) | 2006-12-29 | 2011-07-19 | Industrial Technology Research Institute | Thin film solar cell module of see-through type |
| US20120003786A1 (en) | 2007-12-07 | 2012-01-05 | Serdar Aksu | Electroplating methods and chemistries for cigs precursor stacks with conductive selenide bottom layer |
| CN101471394A (en) | 2007-12-29 | 2009-07-01 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | Method for preparing optical absorption layer of copper indium gallium sulphur selenium film solar battery |
| US9263610B2 (en) | 2009-09-08 | 2016-02-16 | Chengdu Ark Eternity Photovoltaic Technology Company Limited | Electrochemical method of producing copper indium gallium diselenide (CIGS) solar cells |
| KR101154683B1 (en) * | 2009-10-07 | 2012-06-08 | 엘지이노텍 주식회사 | Solar cell apparatus and method of fabricating the same |
| US9105796B2 (en) | 2009-11-25 | 2015-08-11 | E I Du Pont De Nemours And Company | CZTS/Se precursor inks and methods for preparing CZTS/Se thin films and CZTS/Se-based photovoltaic cells |
| TW201140857A (en) | 2010-05-03 | 2011-11-16 | Axuntek Solar Energy | See-through solar battery module and manufacturing method thereof |
| US8426241B2 (en) | 2010-09-09 | 2013-04-23 | International Business Machines Corporation | Structure and method of fabricating a CZTS photovoltaic device by electrodeposition |
| CN101944556A (en) | 2010-09-17 | 2011-01-12 | 浙江尚越光电科技有限公司 | Preparation method of high-uniformity copper-indium-gallium-selenium (CIGS) absorbed layer |
| CN102751387B (en) | 2012-07-18 | 2016-01-06 | 深圳大学 | Preparation method of Cu (In, ga) Se2thin film for absorption layer of thin film solar cell |
| KR101389835B1 (en) | 2012-09-13 | 2014-04-30 | 한국과학기술연구원 | Fabrication of chalcopyrite compound thin films for solar cells using multi-stage paste coating |
| FR2997227B1 (en) * | 2012-10-23 | 2015-12-11 | Crosslux | THIN-FILM PHOTOVOLTAIC DEVICE, IN PARTICULAR FOR SOLAR GLAZING |
| CN103390674B (en) | 2013-07-17 | 2015-09-30 | 深圳先进技术研究院 | CZTS flexible solar cell and preparation method thereof |
-
2018
- 2018-05-29 RU RU2018119776A patent/RU2682836C1/en active
-
2019
- 2019-03-06 WO PCT/RU2019/000146 patent/WO2019231350A1/en unknown
- 2019-03-06 EP EP19720201.3A patent/EP3803983A1/en active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090205715A1 (en) * | 2005-02-16 | 2009-08-20 | Honda Motor Co., Ltd. | Chalcopyrite Solar Cell and Manufacturing Method Thereof |
| US8921691B2 (en) * | 2008-03-21 | 2014-12-30 | National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology | Solar cell and manufacturing method thereof |
| TW201106497A (en) * | 2009-08-12 | 2011-02-16 | Ching-I Wu | Method for manufacturing solar cell component |
| EA020377B1 (en) * | 2011-05-12 | 2014-10-30 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Изовак" | Method of forming thin semiconductor cigs films for solar batteries and device for implementation thereof |
| US8492191B2 (en) * | 2011-10-04 | 2013-07-23 | Axuntek Solar Energy | Method for manufacturing see-through solar battery module |
| RU2567191C1 (en) * | 2014-07-10 | 2015-11-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химической физики Российской академии наук (ИПХФ РАН) | Method of making photosensitive chalcopyrite films |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP3803983A1 (en) | 2021-04-14 |
| WO2019231350A1 (en) | 2019-12-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20110232758A1 (en) | Thin film photovoltaic cell | |
| JP5928612B2 (en) | Compound semiconductor solar cell | |
| KR101230973B1 (en) | Cis/cigs based-thin film solar cell having back side tco layer and method for manufacturing the same | |
| US20100273287A1 (en) | Methods for integrating quantum window structures into solar cells | |
| Lugo et al. | Characterization of CuInS2 thin films prepared by chemical bath deposition and their implementation in a solar cell | |
| EP2768030A2 (en) | Solar cell and method of manufacturing the same | |
| Mirabi et al. | Integration of buildings with third-generation photovoltaic solar cells: a review | |
| Klochko et al. | Structure and optical properties of sequentially electrodeposited ZnO/Se bases for ETA solar cells | |
| JP5815848B2 (en) | Method for manufacturing photoelectric conversion device | |
| KR101210046B1 (en) | Solar cell and method of fabricating the same | |
| KR101189415B1 (en) | Solar cell apparatus and method of fabricating the same | |
| KR101644788B1 (en) | Semi-transparent Thin Film Compound Solar Cells | |
| KR101734362B1 (en) | Forming method for acigs film at low temperature and manufacturing method for solar cell by using the forming method | |
| RU2682836C1 (en) | Method of manufacturing a chalcopyrite-based translucent thin-film solar module | |
| US8686281B2 (en) | Semiconductor device and solar battery using the same | |
| KR101173419B1 (en) | Solar cell and method of fabricating the same | |
| KR20120087042A (en) | Solar cell apparatus and method of fabricating the same | |
| KR101173418B1 (en) | Solar cell and method of fabricating the same | |
| TW201427054A (en) | Photoelectric conversion element and method of producing the same, manufacturing method for buffer layer of photoelectric conversion element, and solar cell | |
| CN103137718A (en) | Solar cell module and method for manufacturing same | |
| US9496450B2 (en) | Method for manufacturing photoelectric conversion device | |
| KR101189378B1 (en) | Solar cell module and method of fabricating the same | |
| JP5964683B2 (en) | Method for manufacturing photoelectric conversion device | |
| JP2013026339A (en) | Thin-film solar cell and manufacturing method thereof | |
| KR20140003802A (en) | Solar cell and method of fabricating the same |