(57)【要約】  1つの態様において、本発明は、より良い環境安定性のための太陽電池または光起電力モジュールを製造する方法に関する。他の側面において、本発明は環境的に安定な太陽電池または光起電力モジュールに関する。これらの方法および装置は、回路上、好ましくは太陽電池の照光表面、または複数の太陽電池からなる回路の、太陽電池の照光表面を含む面全体の上に耐湿表面を形成するための水分バリアフィルムを用いる。或る態様においては、耐湿フィルムは相似的に適用され、他の態様においては、耐湿フィルムは実質的に透明である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの太陽電池であって、前記少なくとも2つの太陽電池の各々が照光上面と2つの端子とを有するものを提供し、
回路を形成するために、前記少なくとも2つの太陽電池の各々の端子の少なくとも1つの間で、前記少なくとも2つの太陽電池を導体により電気的に相互接続し、
前記回路上に耐湿表面を形成するために、前記少なくとも2つの太陽電池の照光上面に対応しかつそれを含む前記回路の少なくとも面全体を水分バリアフィルムによって被覆することを含み、前記水分バリアフィルムは太陽光に対して実質的に透明である、光起電力モジュールを製造する方法。
ことを含む方法
【請求項２】
前記被覆の工程が、前記水分バリアフィルムによって前記回路を完全かつ相似的に封入する、請求項１による方法。
【請求項３】
前記耐湿表面を有する回路を、上面フィルムと、柔軟封入材と、裏打材とを含む構造内に埋め込む工程をさらに含む、請求項２による方法。
【請求項４】
前記水分バリアフィルムが、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ(エチレン テレフタレート)、ポリイミド、パリレン、ベンゾシクロブテン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ケイ素酸化物、アルミニウム酸化物、ケイ素窒化物、アルミニウム窒化物、ケイ素酸窒化物、アルミニウム酸窒化物、非晶質または多結晶ケイ素炭化物、透明セラミック、および炭素をドープされた酸化物の少なくとも1つを含む、請求項２による方法。
【請求項５】
前記耐湿表面を有する回路を、上面フィルムと、柔軟封入材と、裏打材とを含む構造内に埋め込む工程をさらに含む、請求項１による方法。
【請求項６】
耐湿性を有する太陽電池を形成するために水分バリアフィルムによって太陽電池の少なくとも照光表面を被覆し、ここで前記水分バリアフィルムは太陽光に対して実質的に透明であり、
回路を形成するために、前記少なくとも2つの太陽電池を、前記いずれか2つの太陽電池の各々の端子の少なくとも1つの間で、導体を用いて電気的に相互接続し、
前記回路をパッケージに封入する
ことを含む、光起電力モジュールを製造する方法。
【請求項７】
前記被覆工程が、前記照光表面と背面とを含む太陽電池の実質的に全ての表面を前記水分バリアフィルムによって被覆し、
前記電気的な相互接続の工程が、前記導体が少なくとも2つの太陽電池の各々の端子の少なくとも1つにおいて前記電気的相互接続を形成し得るように、前記水分バリアフィルム中に開口を形成する工程を含む、請求項６による方法。
【請求項８】
前記水分バリアフィルムが、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ(エチレン テレフタレート)、ポリイミド、パリレン、ベンゾシクロブテン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ケイ素酸化物、アルミニウム酸化物、ケイ素窒化物、アルミニウム窒化物、ケイ素酸窒化物、アルミニウム酸窒化物、非晶質または多結晶ケイ素炭化物、透明セラミック、および炭素をドープされた酸化物の少なくとも1つを含む、請求項６による方法。
【請求項９】
前記封入の工程が、上面フィルムと、柔軟封入材と、裏打材とを含む構造内に、前記回路を埋め込むことを含む、請求項６による方法。
【請求項１０】
少なくとも２つの太陽電池モジュールであって、前記少なくとも2つの太陽電池の各々が照光上面と2つの端子とを有するものと、
回路を形成するために、前記少なくとも2つの太陽電池の各々の端子の少なくとも1つの端子の間で、導体によって前記少なくとも2つの太陽電池を電気的に相互接続する導電体と、
前記回路上に耐湿表面を形成するために、前記少なくとも2つの太陽電池の照光上面に対応しかつそれを含む、回路の少なくとも面全体を被覆する水分バリアフィルムと
を含み、前記水分バリアフィルムは太陽光に対して実質的に透明であり、前記照光上面を含む回路は、上面フィルムと、柔軟封入材と、裏打材とを含むパッケージに埋め込まれる光起電力モジュール。
【請求項１１】
前記水分バリアフィルムが、前記回路を完全かつ相似的に封入する、請求項１０によるモジュール。
【請求項１２】
前記水分バリアフィルムが、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ(エチレン テレフタレート)、ポリイミド、パリレン、ベンゾシクロブテン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ケイ素酸化物、アルミニウム酸化物、ケイ素窒化物、アルミニウム窒化物、ケイ素酸窒化物、アルミニウム酸窒化物、非晶質または多結晶ケイ素炭化物、透明セラミック、および炭素をドープされた酸化物の少なくとも1つを含む、請求項１０によるモジュール。
【請求項１３】
各々が、太陽光に対して実質的に透明である水分バリアフィルムによって被覆された照光表面を有する少なくとも2つの太陽電池と、
回路を形成するために、任意の2つの太陽電池の各々の少なくとも1つの端子の間で、導体を用いて前記任意の2つの耐湿性太陽電池を電気的に相互接続する導体と、
前記回路が埋め込まれるパッケージと
を含み、前記パッケージが上面フィルムと、フレキシブル封入材と、裏打材とを含む光起電力モジュール。
【請求項１４】
前記太陽電池の実質的に全ての表面が前記水分バリアフィルムによって被覆される、請求項１３によるモジュール。
【請求項１５】
前記水分バリアフィルムが、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ(エチレン テレフタレート)、ポリイミド、パリレン、ベンゾシクロブテン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ケイ素酸化物、アルミニウム酸化物、ケイ素窒化物、アルミニウム窒化物、ケイ素酸窒化物、アルミニウム酸窒化物、非晶質または多結晶ケイ素炭化物、透明セラミック、および炭素をドープされた酸化物の少なくとも1つを含む、請求項１３によるモジュール。
【発明の詳細な説明】
【発明の開示】
【０００１】
優先権の主張
この出願は、2006年3月28日に出願された、「光起電力モジュールを製造するための技術」と題された米国仮特許出願番号第60/786,902号に基づく優先権を主張し、かつここで参照によって組入れる。
【０００２】
発明の分野
本発明は、より良好な環境安定性のための太陽電池または光起電力モジュールを製造するための方法および装置に関する。
【０００３】
背景
太陽電池は、太陽光を直接電力に変換する光起電力デバイスである。最も一般的な太陽電池の材料は、単結晶または多結晶ウェーハの形態にあるシリコンである。しかしながら、シリコンベースの太陽電池を用いて発電された電気のコストは、より伝統的な方法によって発電された電気のコストよりも高い。それ故に、1970年代初期以来、地球的な使用のために太陽電池のコストを削減する努力がなされている。太陽電池のコストを削減するための1つの方法は、太陽電池品質の吸収体材料を大面積基板上に堆積し得る低コスト薄膜成長技術を開発し、高スループット、低コストの方法を用いてこれらのデバイスを構築することである。
【０００４】
非晶質Si [a-Si], テルル化カドミウム [CdTe]、(スルホ)セレン化銅-インジウム[CIGS(S)、または Cu(In,Ga)(S,Se)2 または CuIn(l-x)Gax (SySe(l-y))kここで、0≦x≦1、0≦y≦l かつkはおよそ2である]は、3つの重要な薄膜太陽電池材料である。CIGS(S)薄膜太陽電池のような通常のIBIIIAVIA族化合物光起電力電池は図1に示される。デバイス10は、ガラスのシート、金属のシート、絶縁箔またはウエブ、または導電性箔またはウエブのような基板11上に構築される。Cu(In,Ga,Al)(S,Se,Te)2のファミリー中の材料を含む吸収体フィルム12は、基板11上に予め堆積され、デバイスに対して電気的なオーミックバックコンタクトとして働く導電層13またはコンタクト層の上に成長させられる。図1の太陽電池構造に最も一般的に使用されるコンタクト層または導電層13はモリブデン(Mo)である。基板自体がMo箔のような適切に選択された導電性材料である場合、基板11がデバイスに対するオーミックコンタクトとして使用され得るので、導電層13を使用しないことが可能である。金属箔が反応性である場合は、導電層13は拡散バリアとしても働き得る。例えば、Al、Ni、Cuのような材料を含む箔は、SeまたはSの蒸気から箔を保護するためにMo層、W層、Ru層、Ta層などのようなバリアを箔の上に堆積させれば、基板として使用することができる。バリアは、箔を十分に保護するために、しばしば箔の両方の面に堆積される。吸収体フィルム12を成長させた後、CdS、ZnOのような透明導導電性酸化物(TCO)またはCdS/TCOスタックのような透明層14が吸収体フィルム上に形成される。放射線Rは透明層14を通過してデバイスに入る。金属グリッド(図示せず)は、デバイスの実効直列抵抗を減少させるために透明層14上に堆積され得る。吸収体フィルム12の好ましい電気型はp型であり、透明層14の好ましい電気型はn型である。しかしながら、n型の吸収体およびp型のウインドウ層も利用され得る。図1の好ましいデバイス構造は、「サブストレート型」構造と呼ばれる。「スーパーストレート(superstrate)型」構造も、ガラスまたは透明ポリマー箔のような透明スーパーストレート上に透明導電層を堆積させ、次にCu(In,Ga,Al)(S,Se,Te)2吸収体フィルムを堆積させ、そして最後に導電層によりデバイスに対するオーミックコンタクトを形成することによって構築され得る。このスーパーストレート構造において、光は透明スーパーストレート側からデバイスに入る。種々の方法によって堆積される種々の材料は、図1に示されるデバイスの種々の層を設けるために使用され得る。
【０００５】
太陽電池は、典型的に2ボルト未満の比較的低い電圧を有する。高電圧電源または発電機を構築するために、太陽電池は、モジュールにパッケージ化される回路を形成するために相互接続される。回路を形成し、ついでより高い電圧および/または電流定格を有するモジュールを構築するために、薄膜太陽電池を相互接続するための２つの方法が存在する。薄膜デバイスが絶縁表面上に形成される場合、モノリシックな集積化が可能である。モノリシックな集積化において、全ての太陽電池は、同一の基板上に構築され、次に、１つの電池のマイナス端子を、近接する電池のプラス端子に接続することによって(直列接続)、同一の基板上で集積化または相互接続される。直列接続電池セクション18を含むモノリシックに集積化されたCu(In,Ga,Al)(S,Se,Te)2 化合物薄膜回路構造20が図2Aに示される。この場合、コンタクト層はコンタクト分離領域またはコンタクトスクライブ15によって分離されるコンタクト層パッド13aの形態にある。化合物薄膜は、化合物層分離領域または化合物層のスクライブ16によって分離される化合物層ストリップ12aの形態であり得る。他方で透明導電層は、透明層分離領域または透明層のスクライブ17によって透明層アイランド14aに分割される。図2Aからわかるように、各々の電池セクション18のコンタクト層パッド13aは、近接する電池セクションの透明層アイランド14aと電気的に接続される。このような各々の電池セクションによって発生された電圧が合併され、回路構造20からの総電圧Vを与える。
【０００６】
薄膜太陽電池を回路に集積する第2の方法は、最初に個々の太陽電池を構築し、次にそれらを外部配線によって相互接続することである。このアプローチはモノリシックではない、すなわち全ての電池が同一の基板上にあるのではない。図2Bは、3つのCIGS(S)太陽電池10の回路21セクションへの集積化を示し、CIGS(S)電池10は図1に描かれたものと同様の構造をもって導電箔基板上に構築され得る。
【０００７】
使用された集積化アプローチのいかんを問わず、太陽電池が図2Bに示される回路21のような回路に相互接続された後に、回路は環境的に安定かつ物理的に十分保護された製品すなわちモジュールを形成するためにパッケージ化される必要がある。図3は、図2Bの集積化された電池が保護パッケージに封入された後の、パッケージの模範的な形態を示す。図3中の構造は、その柔軟性および軽量性において大変魅力のあるフレキシブルモジュール構造である。図3の構造において一般的に使用される層の幾つかは、上面フィルム30、柔軟封入材31、および裏打材32である。上面フィルム30はデュポンにより製造されるTEFZEL(登録商標)のような耐久性のある透明層である。最も一般的に使用される柔軟封入材は、遅硬化性または速硬化性EVA(エチルビニルアセテート)である。裏打材32は、TEFZEL(登録商標)フィルム、TEDLAR(登録商標)(デュポンにより製造)または任意の高強度を有する他のポリマーフィルムであり得る。光は上面から入るので、裏打材32は透明である必要が無く、それ故に金属等の無機材料を含み得ることに留意すべきである。
【０００８】
望ましく、かつ魅力があるとはいえ、図3のフレキシブル薄膜光起電力モジュールは環境不安定性という欠点を持ち得る。具体的には、商業的に入手可能かつ広く用いられている上面フィルムおよび柔軟封入材は、湿気および酸素に対して半浸透性であるので、屋外での数年のフレキシブルモジュールの稼動の後、腐食および電池の劣化が観察され得る。それ故に、耐吸湿性および回路の活性領域への耐拡散性を設けるためのモジュールに対する代替のパッケージ化技術を開発する必要性がある。
【０００９】
発明の概要
1つの態様において、本発明はより良い環境安定性のための太陽電池または光起電力モジュールを製造するための方法に向けられる。
【００１０】
他の態様において、本発明は環境的に安定な太陽電池または光起電力モジュールに向けられる。
【００１１】
具体的な態様において、少なくとも2つの太陽電池を設けることによって光起電力モジュールを製造する方法が記載され、少なくとも2つの太陽電池の各々は照光上面(top illuminating surface)と2つの端子とを有する。回路を形成するために少なくとも2つの太陽電池の各々の端子の少なくとも1つの端子の間で、導体によって少なくとも2つの太陽電池を電気的に相互接続し、回路上に耐湿表面を形成するために、少なくとも2つの太陽電池の照光上面に対応しかつそれを含む回路の少なくとも面全体を水分バリアフィルムによって被覆する工程が続く。
【００１２】
他の態様において、耐湿性を有する太陽電池を形成するために、少なくとも太陽電池の照光表面を水分バリアフィルムによって被覆し、回路を形成するために任意の2つの太陽電池の各々の端子の少なくとも1つの間で、導体を用いて任意の2つの太陽電池を電気的に相互接続し、回路をパッケージに封入させることを含む、光起電力モジュールを製造する方法が記載される。
【００１３】
さらなる態様において、少なくとも2つの太陽電池の各々が照光上面と2つの端子とを有する少なくとも2つの太陽電池と、少なくとも2つの太陽電池の各々の端子の少なくとも1つの間で、導体によって少なくとも2つの太陽電池を電気的に相互接続する導電体と、回路上に耐湿表面を形成するために少なくとも2つの太陽電池の照光上面に相当しかつそれを含む回路の少なくとも面全体を被覆する水分バリアフィルムとを含むモジュールが記載される。
【００１４】
さらなる態様において、少なくとも2つの太陽電池の各々が水分バリアフィルムによって被覆された照光表面を有する少なくとも2つの耐湿性太陽電池と、回路を形成するために任意の2つの耐湿性太陽電池の各々の端子の少なくとも1つの間で、導体を用いて任意の2つの耐湿性太陽電池を電気的に相互接続する導体と、回路をパッケージに封入する封入材料とを含むモジュールが記載される。
【００１５】
或る態様においては耐湿性フィルムが相似的に適用され、他の態様においては、耐湿性フィルムは実質的に透明である。
【００１６】
本発明のこれらのおよび他の様相および特徴は、添付図と関連した本発明の具体的な態様の以下の記述の参照によって、当業者に明らかとなるであろう。
【００１７】
詳細な説明
本発明の１つの態様において、回路中の各々の太陽電池は、電池が回路に集積化され、次にモジュールにパッケージされる前に、透明水分バリア材料層によって個別にカバーされる。図4Aは、図1に示した全ての要素および層を有する2つの模範的なCIGS(S)太陽電池40を示す。例えば、太陽電池40は、フレキシブルな箔基板上に構築され得、すなわち図1の基板11上は金属箔であり得る。太陽電池40は、図4Aに示されるように上面および下面を含む電池40全体をカバーし、かつ図4Bにおいて光がデバイスに入るところの電池の照光上面42をカバーする透明水分バリア材料層41によってカバーされる。この照光上面42は、湿気および或る場合には酸素から保護することに関しては最も敏感な表面である。透明水分バリア材料層41は、図4Aに示されるような箔基板の背面43の周りを任意で包み得る。水分バリアでカバーされた太陽電池を得た後に、図2Bに示すように金属リボンまたはワイヤ44を用いて集積化または相互接続が実行される。相互接続については、電池の(-)端子が他の電池の(+)端子に電気的に接続される。これは、図4Aに示すように、ハンダワイヤまたはリボンを用いることによって達成され得る。代替的に、電池は、それらの各々のエッジを重ね、１つの電池の前面電極(図1に示されるデバイス構造の場合におけるマイナス端子)に、隣の電池の背面電極を電気的に接続することによって直接相互接続されてもよい。バリア材料41が高度に絶縁性であり、かつ厚い場合、電池電極とリボンまたはワイヤとの間で良好な電気的接触が得られ得るように、バリア材料が接続点45から少なくとも部分的に除去されるべきであることに留意すべきである。
【００１８】
図5(a)および5(b)に示される他のアプローチにおいて、最初に太陽電池がハンダワイヤまたはリボンのような導体によって電気的に相互接続され、図2Bに示されるような回路を形成し、次に回路全体が透明水分バリア材料層41によってカバーされ、水分バリア材料41は、図5Aに示されるように、または図5Bに示されるように、回路全体をカバーするか、光がデバイスに入る上面を含む回路の面のみをカバーするかのいずれかである。このアプローチの利点の幾つかは、i) 電池が既に相互接続されているので、接続点からバリア材料層を除去する工程が避けられること、ii) 太陽電池の相互接続の後に、水分バリア層が堆積されるので、バリア材料層は接続点およびリボンまたはワイヤを含む回路の全ての部分をカバーすること、である。図5Aに示されるアプローチは、回路全体に渡り水分バリア層による全体封入またはカバーを与えるが、封入またはカバーは、図5Bアプローチにおいては、このような保護が最も必要とされるところの面上に設けられる。いずれのアプローチでも、あらゆる亀裂または開口を通した湿気または酸素の拡散の可能性を減じる。
【００１９】
回路が少なくとも1つの透明水分バリア材料層でカバーされた後、得られる構造は耐湿性回路(図4Aおよび4Bおよび図5A、5B)である。モジュールは次に、図6に示されるような上面フィルム30と、封入材31と、裏打材32とによって耐湿回路を封入するといったような種々の方法によって構築され得る。このようなアプローチによって得られたフレキシブルモジュールは、モジュールパッキング内に耐湿性回路を有し、それ故に環境的に非常に安定である。裏打材32の使用は任意であることに留意すべきである。回路全体を封入する透明水分バリア層41が存在するので、上面フィルムおよび裏打材の防湿性能も、図6のモジュール構造においては図3の構造と比較して重要でない。透明水分バリア層は、このようなモノリシックに集積化された回路がモジュールを形成するためにパッケージ化される前に、図2Aに示されるものと同様のモノリシックに集積化された構造を被覆するために使用され得ることにも留意すべきである。
【００２０】
透明水分バリア材料層は無機材料およびポリマー材料の少なくとも1つを含み得る。ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ(エチレン テレフタレート)、ポリイミド、パリレンまたはポリ(クロロ-p-キシレン)、BCBまたはベンゾシクロブテン、ポリクロロトリフルオロエチレンが、湿気および酸素バリアとして使用され得る幾らかのポリマー材料である。種々の透明エポキシも使用され得る。無機材料は、ケイ素またはアルミニウムの酸化物、ケイ素またはアルミニウムの窒化物、ケイ素またはアルミニウムの酸窒化物、非晶質または多結晶ケイ素炭化物、他の透明セラミック、およびSiOCのような炭素をドープされた酸化物を含む。これらの材料は、太陽電池の透明導体接点上に堆積された場合に、材料が明らかな光学的損失を生じないために、透明である。ポリマーおよび無機水分バリア層は、バリア性能を向上させるために多層スタックの形態で一緒にスタックされ得る。層は、蒸発、スパッタリング、e-ビーム蒸発、化学蒸着 (CVD)、プラズマ強化CVD (PECVD)、有機金属CVDのような種々の技術、およびディッピング、スプレーコーティング、ドクターブレーディング、スピンコーティング、インク堆積、スクリーン印刷、グラビア印刷、ロールコーティングなどの湿式コーティングによって、太陽電池または回路上に堆積され得る。200℃未満、好ましくは150℃未満の温度にて幾らかのポリマー材料を溶融し、溶融物を電池および回路上に被覆することも可能である。水分バリア層の厚さは、50 nmないし数百ミクロンで変化し得る。1つの魅力ある技術は、パリレンのような材料の相似的かつ均一な堆積が可能な蒸着である。パリレンは、パリレン-N、パリレン-Dおよびパリレン-Cのような種々の周知のタイプを有する。特に、パリレン-Cは、室温付近で高度に相似的な方法で、任意の形状の基板上に堆積される蒸気であり得、亀裂およびサブミクロンサイズの高アスペクト比(幅に対する深さの比)のキャビティさえも効果的に埋める好適な水分バリアである。パリレン層の厚さは50 nm程度に薄くなり得るが、最高の性能のためには100 nm超の厚さが適用され得る。水分バリア層を堆積させるための他の魅力ある方法は、例えば、Silecsコーポレーションによって提供されるP1DX製品のような、低温で硬化可能な有機シロキサンのバリア層を堆積させるために使用され得るスピン、スプレーまたはディップコーティングである。PECVDは、BCB層のような層を堆積させるために用いられる他の方法である。
【００２１】
本発明は或る好ましい態様に関して記載されるが、それについての変形は、当業者にとって明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図1は、IBIIIAVIA族の吸収体層を用いた太陽電池の断面図である。
【図２Ａ】図2Aは、太陽電池のモノリシックな集積化によって得られた回路の断面図である。
【図２Ｂ】図2Bは、太陽電池のモノリシックな集積化によって得られた回路の断面図である。
【図３】図3は、保護パッケージに図2Bの回路を封入することによって得られたモジュール構造を示す。
【図４Ａ】図4Aは、最初に透明水分バリア層によって被覆され、次に本発明の2つの異なる態様による回路に集積化された太陽電池を示す。
【図４Ｂ】図4Bは、最初に透明水分バリア層によって被覆され、次に本発明の2つの異なる態様による回路に集積化された太陽電池を示す。
【図５Ａ】図5Aは、最初に回路に集積化され、次に本発明の2つの異なる態様による透明水分バリア層によって被覆される太陽電池を示す。
【図５Ｂ】図5Bは、最初に回路に集積化され、次に本発明の2つの異なる態様による透明水分バリア層によって被覆される太陽電池を示す。
【図６】図6は、図5Aの回路を封入することによって得られたモジュール構造を示す。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【国際調査報告】
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