(57)【要約】  本発明は、少なくとも１つの接着剤層（１０）によって相互に接続された２つの基板（３，１１）からなる積層された複合体（１２）を備えたソーラーモジュール（１）に関している。このソーラーモジュールでは、前記２つの基板（３，１１）の間に直列に接続された複数の太陽電池（２）が設けられており、前記複数の太陽電池（２）はそれぞれ、半導体材料からなる吸収領域（６）を、該吸収領域（６）の光入射側に配置された前面電極（８）と背面電極（５）との間に有している。さらに前記吸収領域（６）と前記接着剤層（１０）との間に、前記前面電極（８）とは異なる拡散バリア（９）が設けられており、前記拡散バリア（９）は、前記接着剤層（１０）から前記吸収領域（６）への水分子の拡散、及び／又は、前記吸収領域（６）から前記接着剤層（１０）へのドーパントイオンの拡散を阻止するように構成されている。
2014525150.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの接着剤層（１０）によって相互に接続された２つの基板（３，１１）からなる積層された複合体（１２）を備えたソーラーモジュール（１）であって、
前記２つの基板（３，１１）の間に直列に接続された複数の太陽電池（２）が設けられており、前記複数の太陽電池（２）はそれぞれ、半導体材料からなる吸収領域（６）を、該吸収領域（６）の光入射側に配置された前面電極（８）と背面電極（５）との間に有しており、
前記吸収領域（６）と前記接着剤層（１０）との間に、前記前面電極（８）とは異なる拡散バリア（９）が設けられており、
前記拡散バリア（９）は、前記接着剤層（１０）から前記吸収領域（６）への水分子の拡散を阻止するように、及び／又は、前記吸収領域（６）から前記接着剤層（１０）へのドーパントイオンの拡散を阻止するように構成されていることを特徴とするソーラーモジュール（１）。
【請求項２】
前記拡散バリア（９）は、少なくとも１つの金属酸化物層を含む、請求項１記載のソーラーモジュール（１）。
【請求項３】
前記拡散バリア（９）は、少なくとも１つの金属酸化物層と少なくとも１つの金属窒化物層とが交互配置された連続層を含む、請求項２記載のソーラーモジュール（１）。
【請求項４】
前記拡散バリア（９）は、錫−亜鉛−酸化物からなる少なくとも１つの層と、窒化ケイ素からなる少なくとも１つの層とが交互配置された連続層からなっている、請求項３記載のソーラーモジュール（１）。
【請求項５】
前記拡散バリア（９）の層厚さは、５０ｎｍよりも大であり、特に５０ｎｍよりも大きく２００ｎｍまでの範囲内にあり、特に有利には７５ｎｍから１００ｎｍまでの範囲内にある、請求項１から４いずれか１項記載のソーラーモジュール（１）。
【請求項６】
前記拡散バリア（９）は、前記前面電極（８）と前記接着剤層（１０）との間に配置されている、請求項１から５いずれか１項記載のソーラーモジュール（１）。
【請求項７】
前記拡散バリア（９）は、前記前面電極（８）と前記吸収領域（６）との間に配置されている、請求項１から５いずれか１項記載のソーラーモジュール（１）。
【請求項８】
前記背面電極（５）を形成するための第１の層トレンチ（１６）を有する背面電極層（１９）と、
前記吸収領域（６）を形成するための第２の層トレンチ（１７）を有する半導体層（２１）と、
前記前面電極（８）を形成するための第３の層トレンチ（１８）を有する前面電極層（２０）とを含み、前記複数の太陽電池（２）の前記拡散バリア（９）は、前記第３の層トレンチ（１８）外に設けられている、請求項１から７いずれか１項記載のソーラーモジュール（１）。
【請求項９】
少なくとも１つの接着剤層（１０）によって相互に接続された２つの基板（３，１１）からなる積層された複合体（１２）を備え、
前記２つの基板（３，１１）の間に直列に接続された複数の太陽電池（２）が設けられており、前記複数の太陽電池（２）はそれぞれ、半導体材料からなる吸収領域（６）を、該吸収領域（６）の光入射側に配置された前面電極（８）と背面電極（５）との間に有している、ソーラーモジュール（１）を製造するための方法であって、
前記複数の太陽電池（２）の各々において、前記前面電極（８）とは異なる拡散バリア（９）を前記吸収領域（６）と前記接着剤層（１０）との間に設け、
前記拡散バリア（９）を、前記接着剤層（１０）から前記吸収領域（６）への水分子の拡散が阻止されるように、及び／又は、前記吸収領域（６）から前記接着剤層（１０）へのドーパントイオンの拡散が阻止されるように構成することを特徴とする方法。
【請求項１０】
前記複数の太陽電池（２）の前記拡散バリア（９）を形成するために、化学的若しくは物理的気相蒸着法か又は磁場支援型陰極スパッタリング法によりバリア層（２２）を形成する、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記複数の太陽電池（２）の前記拡散バリア（９）を形成するために、少なくとも１つの金属酸化物層の堆積により前記バリア層（２２）を製造する、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記複数の太陽電池（２）の前記拡散バリア（９）を形成するために、少なくとも１つの金属酸化物層と少なくとも１つの金属窒化物層とが交互配置された連続層の堆積により前記バリア層（２２）を製造する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記背面電極（５）を、背面電極層（１９）における第１の層トレンチ（１６）の形成により製造し、
前記吸収領域（６）を、半導体層（２１）における第２の層トレンチ（１７）の形成により製造し、
前記前面電極（８）を、前面電極層（２０）における第３の層トレンチ（１８）の形成により製造し、
前記バリア層（２２）を、前記前面電極（８）の製造に用いた前面電極層（２０）の上に堆積させる、請求項９から１２いずれか１項記載の方法。
【請求項１４】
前記背面電極（５）を、背面電極層（１９）における第１の層トレンチ（１６）の形成により製造し、
前記吸収領域（６）を、半導体層（２１）における第２の層トレンチ（１７）の形成により製造し、
前記前面電極（８）を、前面電極層（２０）における第３の層トレンチ（１８）の形成により製造し、
前記バリア層（２２）を、前記前面電極（８）と前記第３の層トレンチ（１８）の上に堆積させる、請求項９から１２いずれか１項記載の方法。
【請求項１５】
少なくとも１つの接着剤層（１０）によって相互に接続された２つの基板（３，１１）からなる積層された複合体（１２）を備え、
前記２つの基板（３，１１）の間に直列に接続された複数の太陽電池（２）が設けられており、前記複数の太陽電池（２）はそれぞれ、半導体材料からなる吸収領域（６）を、該吸収領域（６）の光入射側に配置された前面電極（８）と背面電極（５）との間に有している、ソーラーモジュール（１）に拡散バリア（９）を使用する方法であって、
前記拡散バリア（９）は、前記前面電極（８）とは異なり、かつ前記吸収領域（６）と前記接着剤層（１０）との間に設けられており、
前記拡散バリア（９）は、前記接着剤層（１０）から前記吸収領域（６）への水分子の拡散、及び／又は、前記吸収領域（６）から前記接着剤層（１０）へのドーパントイオンの拡散を阻止するように構成されていることを特徴とする、ソーラーモジュール（１）に拡散バリア（９）を使用する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光起電力によるエネルギー生成の技術分野に属し、また経年劣化による電力損失を低減させたソーラーモジュールとその製造方法、並びにそのようなソーラーモジュールの拡散バリアへの使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光を電気エネルギーに直接変換するための光起電力層システムは十分に公知である。これらは一般的に「太陽電池」と称される。「薄膜太陽電池」との概念は、数μｍの僅かな厚さしか有さない層システムを表し、その支持体基板は十分な機械的強度を必要としている。既知の支持体基板は、無機ガラス、プラスチック（ポリマー）、または金属、特に金属合金を含み、それぞれの層厚さと、特定の材料特性とに依存して、剛性基板、又は可撓性フィルムとして設計することができる。
【０００３】
技術的な取り扱いおよび効率に関して、薄膜太陽電池は、アモルファス、マイクロモルファス又は多結晶のシリコン、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）又はカルコパイライト化合物、特に、銅−インジウム／ガリウム−硫黄／セレン（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓ，Ｓｅ）2）から成る半導体層を備えている態様が有利であることが判明しており、この場合特に、銅−インジウム−ジセレニド（ＣｕＩｎＳｅ2又はＣＩＳ）は、太陽光のスペクトルに適合されたバンドギャップに基づき、吸収効率が高い点で優れている。
【０００４】
技術的に有用な出力電圧を得るために、多くの太陽電池は相互に直列に接続され、この場合薄膜ソーラーモジュールは、（モノリシックに）集積され相互接続された薄膜太陽電池の大面積の配列構成による利点を提供している。これまでの特許文献においては、薄膜太陽電池の直列接続処理は、既にいくつもの記載によって説明がなされてきた。例えば例として独国特許ＤＥ４３２４３１８Ｃ１が挙げられる。
【０００５】
通常は複数の層が薄膜太陽電池を製造するために直接支持体基板上に被着されており、この支持体基板自体は、接着を促進する接着剤フィルムによって前面側の透過性カバー層と接続され、安定した耐候性のある光起電力モジュール又はソーラーモジュールが形成されている。この過程は「積層」と呼ばれている。カバー層の材料に対して、例えば、低鉄のソーダ石灰ガラスが選択される。接着を促進する接着剤フィルムは、例えば、エチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンアクリルコポリマー又はポリアクリルアミド（ＰＡ）から成っている。複合ガラス構造を有する薄膜ソーラーモジュールでは、近年ますますＰＶＢ接着剤フィルムを使用する傾向が強いとされてきた。
【０００６】
ここにおいて積層された薄膜ソーラーモジュールの場合、経年劣化に起因する継続的な直列抵抗の増加が観察され得る。この直列抵抗は数千時間の運転期間の経過後に徐々に少なくともほぼ一定の値に移行する。この直列抵抗の増加は、ソーラーモジュールの効率に望ましくない劣化をもたらす。
【０００７】
それに対して本発明の課題は、経年劣化に起因する電力損失の低減されたソーラーモジュールを提供することにある。前記課題及びさらなる課題は、独立請求項の特徴部分に記載された本発明によるソーラーモジュールとその製造方法並びにそのようなソーラーモジュールの拡散バリアへの使用方法とによって解決される。本発明の有利な実施形態は、従属請求項の特徴部分に示されている。
【０００８】
本発明によれば、ソーラーモジュール、特に薄膜ソーラーモジュールが示されている。このソーラーモジュールは、少なくとも１つの（プラスチック製）接着剤層によって相互接続された２つの基板からなる積層された複合体であって、前記２つの基板の間には、有利には集積された形態の相互に直列接続された太陽電池、特に薄膜太陽電池が存在している。２つの基板の間に配設された太陽電池は、層構造部の構造化によって製造される。これにより、太陽電池はそれぞれ半導体材料からなる吸収領域を有する。この吸収領域は、当該吸収領域の光入射側に配置された前面電極と背面電極との間に存在している。好ましくは前記半導体材料には、カルコパイライト化合物から成るものであり、特に、銅−インジウム／ガリウム−２硫黄／二セレン化物（Ｃｕ（Ｉｎ／Ｇａ）（Ｓ／Ｓｅ）2）、例えば、銅−インジウム−二セレン化物（ＣｕＩｎＳｅ2又はＣＩＳ）、若しくは、類似の化合物グループから選択されたＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族半導体が挙げられる。半導体材料は、通常はドーパントイオン、例えばナトリウムイオン等によってドープされている。
【０００９】
有利には、本発明によるソーラーモジュールでは、裏面側の支持体基板が、例えばＰＶＢのような接着剤層を用いて、半導体の吸収領域内の電磁ビーム（例えば太陽光）に対して可及的に透過性の前面側カバー層、例えばガラス板と接着され、支持体基板上に配設される太陽電池は、接着剤層内に埋め込まれる。
【００１０】
ここで重要なのは、各太陽電池の吸収領域と接着層との間に拡散バリア（バリア層）が存在していることであり、この拡散バリアは、接着剤層から吸収領域への水分子の拡散及び／又は吸収領域から接着剤層へのドーパントイオンの拡散が阻害されるように構成されている。前記拡散バリアの材料は、前面電極の材料とは異なっている。前記拡散バリアはこの目的のために、水分子及び／又はドーパントイオンの拡散を抑制することができるような適切な層厚を有する。この層厚さは、拡散バリアのそのつどの材料に依存している。
【００１１】
理論上制限されることなく、冒頭に述べたような相互接続された太陽電池の直列抵抗の増加の実質的な原因は、接着剤層から半導体材料内への水分子の拡散、及び／又は、吸収領域から接着剤層内へのドーパントイオンの拡散であることを想定している。水分子とドーパントイオンの拡散輸送は、半導体材料の電気的特性の変化につながる。なぜなら一方ではドーパントイオンが半導体材料から移行し、他方では、水分子が半導体材料内のドーパントイオンに結合するからである。例えばＰＶＢは、千分の１の範囲の水分量を有するが、それにも係わらず、この水分量は、電力損失に関して不利な作用を有するのには十分とみなされる。従って出願人は初めて、ソーラーモジュール内で経年劣化に伴って観察される電力損失が、水分子及び／又はドーパントイオンの拡散輸送による太陽電池の半導体材料の電気的な特性の変化に起因していることを見出した。接着剤層と吸収領域との間の拡散バリアによって、有利には、水分子及び／又はドーパントイオンの拡散輸送を少なくとも十分に、とりわけ完全に防止することができる。それにより、ソーラーモジュールの経年劣化に伴って現れる電力喪失を確実にかつ安全に低減することができるようになる。
【００１２】
太陽電池の拡散バリアによるソーラーモジュールの電力を少なくとも実質的に損なわせないようにするために、拡散バリアの材料が次のように選択される。すなわち太陽電池の半導体材料の吸収領域の電磁ビーム（例えば太陽光）に対して透過的（透明）であるように選択される。なおここでの「透過的」との概念は、該当する波長領域、すなわち半導体の吸収領域（ＣＩＧＳ３８０ｎｍ〜１３０ｎｍ）に対する透過率に関連するものであり、それが少なくとも７０％よりも大であり、有利には８０％よりも大であり、特に有利には９０％よりも大である。
【００１３】
本発明によるソーラーモジュールにおいては、太陽電池の拡散バリアの材料と層厚さは基本的に、水分子及び／又はドーパントイオンの拡散が阻害されて特にそれが少なくともほぼ完全に阻止できることが保証される限り、任意に選択することが可能である。これは一般的に有機若しくは無機材料とすることができる。好ましくは前記拡散バリアの材料は、良好な処理性のプロセス技術的な利点をもたらす無機材料であってもよい。なぜならそれ自体公知の方法、例えば化学気相堆積法（ＣＶＤ＝化学的蒸着法）又は物理気相堆積法（ＰＶＤ＝物理的蒸着法）又はスパッタリングプロセスにより、気相からの堆積が可能だからである。これとは異なって有機材料は、典型的には化学的湿性堆積法を必要とし、この手法は、ソーラーモジュールの製造プロセスフローの統合化を困難にさせ、さらに当該手法の技術的な欠点を含むものである。
【００１４】
有利には、前記太陽電池の拡散バリアの無機材料は少なくとも１つの金属酸化物である。出願人による実験では、水分子とドーパントイオンの拡散輸送が金属酸化物によって特に効果的に遮断できることが示された。
【００１５】
有利には、前記拡散バリアは、それぞれ少なくとも１つの金属酸化物層と金属窒化物層の交互配置された連続層を含み、具体的には例えば錫−亜鉛−酸化物からなる少なくとも１つの層と、窒化ケイ素からなる少なくとも１つの層の交互配置された連続層を含む。出願人による実験結果によれば、常に異なる粒成長と関連付けられる異なる材料の交互配置された連続層によって、水分子とドーパントイオンの拡散輸送が特に効果的に抑制できることが示された。別の側面では、金属酸化物と金属窒化物は、非常に良好な加工性によって特徴付けられる。これらの層は気相から又はスパッタリング過程により堆積可能であり、そのため拡散バリアの生産は比較的簡単かつ低コストにソーラーモジュールの製造に統合することができる。さらにこのような拡散バリアは、本発明による有利な（例えばカルコパイライトをベースとした）半導体材料の吸収領域において電磁放射線（例えば光）に対する優れた透過性も有している。
【００１６】
水分子とドーパントイオンの拡散輸送を阻害ないし抑止するためのバリアとしての特性のために、選択された材料に依存して、拡散バリアの層厚さが考慮される。出願人の試験結果によれば、拡散バリアの材料として金属酸化物を使用した場合に、約５０ｎｍまでの層厚さのもとでは拡散抑止効果がなかったことが実際に観察された。従って、金属酸化物からなる拡散バリアの層厚さは、好ましくは５０ｎｍよりも大であり、特に有利には１００ｎｍよりも大である。
【００１７】
拡散バリアの電磁放射線に対する透過性は、層厚さの増加と共に増大するので、他方では、できるだけ薄い層厚さは、水分子とドーパントイオンの拡散輸送に対するバリアとしての良好な効果にもかかわらず有利となる。有利には、拡散バリアの層厚さは、５０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲にあり、特に有利には１００ｎｍ〜２００ｎｍの範囲にある。出願人の金属酸化物を用いた実験結果によれば、驚くべきことに、少なくともいくつかの材料のもとで、層厚さは、１００ｎｍを超えてからのさらなる増加に伴って、水分子とドーパントイオンの拡散輸送に対するバリアとしての作用について実質的な付加的効果が何も得られないことが示された。したがって利点のある拡散バリアの層厚さの数値は、５０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内、特に５０ｎｍよりも大きく１００ｎｍまでの範囲内にあり、特に有利には７５ｎｍ〜１００ｎｍまでの範囲内、さらに有利には７５ｎｍから１００ｎｍまでの範囲にある。
【００１８】
本発明によるソーラーモジュールにおいては、吸収領域と接着剤層との間に拡散バリアがある。例えば、前記拡散バリアは、この目的のために前面電極と吸収領域との間に配置されている。太陽電池の前面電極／吸収領域の移行領域における電気的特性に関して有利な実施形態によれば、拡散バリアが前面電極と接着剤層との間に配設される。
【００１９】
太陽電池、特に薄膜太陽電池の典型的な製造方法によれば、背面電極層に第１の層トレンチを形成することにより背面電極が作成され、半導体層に第２の層トレンチを形成することにより吸収領域が作成され、前面電極層に第３の層トレンチを形成することにより前面電極が作成される。この場合原則的には、最後に形成された第３の層トレンチ内の拡散バリアの材料は、前面電極の構造化のために存在し得る。その際、ソーラーモジュールの光学活性領域、すなわち吸収領域は、拡散バリアによって接着剤層から完全に分離される。代替的実施形態によれば、第３の層トレンチ内には拡散バリアの材料が含まれてなく、すなわち第３の層トレンチは、拡散バリアの材料からは開放されている。そのようなソーラーモジュールは、背面電極を形成するための第１の層トレンチを有する背面電極層と、吸収領域を形成するための第２の層トレンチを有する半導体層と、前面電極を形成するための第３の層トレンチを有する前面電極層とを含んでいる。この場合太陽電池の拡散バリアは、前記第３の層トレンチ外に配置されている。
【００２０】
この手段は、プロセス技術上の利点をもたらす。なぜなら拡散バリアを製造するためのバリア層は、前面電極を形成するための第３の層トレンチの取り込み前に、例えば前面電極層上に堆積させることが可能だからである。これにより、バリア層を被着させるためのさらなるコーティング系を省略することができる。このことは、ソーラーモジュールの製造における大幅なコスト削減に結び付けられる。出願人による試験結果によれば、第３の層トレンチ領域内で許容される、接着剤層と吸収領域との間の水分子とドーパントイオンの拡散輸送は、無視できる位にごくわずかであることが示された。そのため実質的な直列抵抗の増加は発生しない。
【００２１】
本発明はさらに、上述したようなソーラーモジュール、特に薄膜ソーラーモジュールの製造方法にも及ぶ。この方法は、前面電極とは異なる拡散バリアが吸収領域と接着剤層との間に配置されるステップを含む。
【００２２】
この方法の有利な実施形態によれば、拡散バリア形成のためのバリア層は、化学的又は物理的、気相堆積又はスパッタリングにより製造される。これにより、プロセス技術的に簡単でかつ経済的な、拡散バリア製造のソーラーモジュール製造への統合が可能となる。
【００２３】
基本的に、前記拡散バリアは、単層として、または、少なくとも２つの異なる材料からなる複層の堆積によってそれぞれ製造することができる。本発明による方法の有利な実施形態によれば、拡散バリアを形成するためのバリア層は、少なくとも１つの金属酸化物層の堆積によって製造される。有利には、前記バリア層は、少なくとも１つの金属酸化物層と少なくとも１つの金属窒化物層の交互配置された連続層の堆積によって製造される。
【００２４】
本発明による方法の別の有利な実施形態によれば、背面電極が、背面電極層内の第１の層トレンチの形成によって製造され、吸収領域が半導体層内の第２の層トレンチの形成によって製造され、前面電極が前面電極層内の第３の層トレンチの形成によって製造される。この場合拡散バリアの製造のために用いられるバリア層が、前面電極の製造に用いられる前面電極層上に堆積される。あるいは代替的に前記バリア層を、前面電極上と、該前面電極を相互に分離する第３の層トレンチ上に堆積させることも可能である。
【００２５】
唯一補足的に本発明の趣旨の範囲内で、太陽電池の吸収領域と接着剤層との間に配置される拡散バリアは、相互に分離した層部分であってもよいことに留意されたい。これは例えば、バリア層のパターニングによって製造される。しかしながら同様に、拡散バリアは、関連したバリア層からなる層部分であってもよい。
【００２６】
さらに本発明はまた、上述したようなソーラーモジュールに、上述したような拡散バリアを使用する方法にも及んでいる。このソーラーモジュールは、少なくとも１つの接着剤層によって相互に接続された２つの基板からなる積層複合体を含んでおり、前記基板の間には直列に接続された複数の太陽電池が存在しており、前記複数の太陽電池は、吸収領域の光入射側に配置された前面電極と背面電極との間に半導体材料からなる吸収領域をそれぞれ有し、前記拡散バリアは前記前面電極とは異なり、前記吸収領域と前記接着剤層との間に存在し、前記拡散バリアは、前記接着剤層から前記吸収領域への水分子の拡散、及び／又は、前記吸収領域から前記接着剤層へのドーパントイオンの拡散が阻害されるように構成されている。本発明による使用方法は、前述した拡散バリアの全ての実施形態、並びに前述したソーラーモジュールの全ての実施形態にも及ぶ。その際これらに関連する実施例の参照の重複は避けられる。
【００２７】
以下では、本発明の実施例を添付の図面に基づいてさらに詳細に説明する。なおこれらの図面は簡略化のために必ずしも縮尺通りには描かれていない。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】薄膜ソーラーモジュールの例示的な概略図
【図２】異なる拡散バリアの効果を示した図
【図３】異なる拡散バリアの効果を示した図
【００２９】
実施例の説明
図１には、全体として符号１の付された薄膜ソーラーモジュールが概略的に示されている。この薄膜ソーラーモジュール１は、統合された形態で互いに直列に接続された複数の薄膜太陽電池２を含んでいる。なお図１では見易くする理由から２つの薄膜太陽電池だけが示されている。すなわちここでは、薄膜ソーラーモジュール１内には多数の薄膜太陽電池が（例えば１００個の太陽電池が）直列に接続されていることを理解されたい。
【００３０】
薄膜ソーラーモジュール１は、積層されたシート構造を有している。換言すれば、電気的に絶縁された第１の（支持体）基板３を備えており、該第１の基板３は、その上に被着された複数の層からなる層構造部４を有している。前記層構造部４は、第１の基板３の光入射側表面に配置されている。薄膜太陽電池２上に太陽光発電の目的のために入射する電磁放射線１３、例えば太陽光は、図中矢印で示されている。この層構造部４は、蒸着法によって、すなわち気相からの物理蒸着法（ＰＶＤ）若しくは化学蒸着法（ＣＶＤ）によって、あるいはスパッタリング法（磁場支援された陰極スパッタリング）によって製造することができる。第１の基板３は、ここでは例えば比較的低い光透過率を有する硬質ガラス板として構成される。ここでは所望の強度と実施されるプロセスステップに対する不活性特性を有する他の電気絶縁性の材料も均等に用いることができる。
【００３１】
ここでは前記各薄膜太陽電池２は、第１の基板３の光入射表面配置された背面電極５と、該背面電極５上に配置された光起電活性半導体領域ないし吸収領域６と、前記半導体領域６上に配置された緩衝領域７と、該緩衝領域７上に配置された前面電極８とを有する。前記バッファ領域７及び吸収領域６と共に前面電極８によってヘテロ接合部、すなわち相対する導電型の複数の層からなる連続層が形成される。前記緩衝領域７は、吸収領域６の半導体材料と前面電極８の材料との間で電子整合を引き起こすことがある。さらに前記前面電極８上には拡散バリア９が配置されており、それによって水分子とドーパントイオン（例えばナトリウムイオン）の拡散輸送が、少なくともほぼ完全に、特に完全に阻止することができる。
【００３２】
統合された形態で相互に直列に接続された薄膜太陽電池２を形成するために、前記層構造部４の様々な層は、第１の基板３上でレーザ加工やドロッシング，スクラッチング等の機械加工のような適切な構造化技法を用いて構造化される。ここで重要なことは、光活性表における損失ができるだけ少なく、かつ、使用される構造化技術が除去すべき材料毎に選択可能なことである。そのような構造化には、各薄膜太陽電池毎に典型的には３つの構造化ステップが含まれ、これらはそれぞれ符号Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３で略記される。
【００３３】
まず最初に、例えばモリブデン（Ｍｏ）のような光非透過性の金属から成る背面電極層１９が第１の基板３上に被着される。この背面電極層１９は、例えば３００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲の層厚さ、特に約５００ｎｍの層厚さを有する。
【００３４】
第１の構造化ステップＰ１では、背面電極層１９が、第１の層トレンチ１６の形成によって中断される。これによって背面電極５が形成される。
【００３５】
続いて、前記背面電極５上と、該背面電極５を相互に分離する第１の層トレンチ１６上に半導体層２１が堆積される。この半導体層２１は、ドーパントイオン（金属イオン）のドープされた半導体から成っており、そのバンドギャップは好ましくは、できるだけ多くの太陽光が吸収できるようになされている。前記半導体層２１は、例えばｐ導電型カルコパイライト半導体から成り、例えばＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓ，Ｓｅ）2、とりわけナトリウム（Ｎａ）ドープされたＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓ，Ｓｅ）2のグループからなる化合物から成っている。前記半導体層２１は、例えば１〜５μｍの範囲内にあって、特に例えば約２μｍの層厚さを有する。前記第１の層トレンチ１６は、この半導体層２１の被着の際に半導体材料によって充填される。
【００３６】
次いで、緩衝層２３が半導体層２１の上に堆積される。この緩衝層２３は、ここでは例えば硫化カドミウム（ＣｄＳ）の単層および真性酸化亜鉛（ｉを−ＺｎＯ）の単層からなっている。このことは図１には詳細には示されていない。
【００３７】
引き続き第２の構造化ステップＰ２においては、２つの半導電層、詳細には半導体層２１と緩衝層２３が、第２の層トレンチ１７の形成によって中断される。これにより半導体領域６と緩衝領域７が形成される。
【００３８】
そして、さらに前面電極層２０が、前記緩衝領域７上と、該緩衝領域７及び半導体領域６を相互に分離している第２の層トレンチ１７上に堆積される。前面電極層２０の材料は、半導体層２１の吸収領域において例えば可視スペクトル領域の放射線に対して透過性であり、そのため入射する電磁放射線１３は、ごく僅かだけ減衰される。前記前面電極層２０は、例えばドープされた金属酸化物、例えばｎ導電型のアルミニウム（Ａｌ）のドープされた酸化亜鉛（ＺｎＯ）をベースにしている。このような前面電極層２０は、一般に、ＴＣＯ層（ＴＣＯ＝透明導電性酸化物）と称される。
【００３９】
前面電極層２０の層厚さは、例えば約５００ｎｍである。第２の層トレンチ１７は前面電極層２０の被着時に導電性材料によってこの層が充填される。
【００４０】
続いてバリア層２２が、例えば蒸着法やスパッタ法などによって前面電極層２０上に堆積される。このバリア層２２は、好ましくは無機材料、特に少なくとも１つの金属酸化物層からなり、有利には金属酸化物層と金属窒化物の交互配置された少なくとも１つの連続層、例えば少なくとも１つの錫−亜鉛−酸化物層と少なくとも１つの窒化ケイ素層の交互配置された少なくとも１つの連続層からなる。前記バリア層２２の層厚さは、好ましくは５０ｎｍよりも大であり、ここでは例えば５０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲内、特に７５ｎｍ〜１００ｎｍまでの範囲内、特に７５ｎｍ〜１００ｎｍ未満の範囲にある。代替的に前記バリア層２２が、前面電極層２０と半導体層２１との間に配置されてもよい。
【００４１】
第３の構造化ステップＰ３では、前記バリア層２２と前面電極層２０が、第３の層トレンチ１８の形成によって中断される。それにより、前面電極８と拡散バリア９が形成される。代替的に、前記第３の層トレンチ１８は、下方の第１の基板３まで達していてもよい。
【００４２】
半導体材料に対する異なる金属の置換は、加熱炉（ＲＴＰ＝Rapid Thermal Processing）における加熱によって行われる。このことは当業者自身にとっては周知なことなので、ここでの詳細な説明は省く。
【００４３】
ここに示されている例では、薄膜ソーラーモジュール１の結果として生じる正の電圧端子（＋）も、結果として生じる負の電圧端子（−）も、背面電極５を介して案内され、そこに電気的に接触接続される。薄膜太陽電池２の照明によって、前記両電圧端子には電圧が生成される。結果として生じる電流パス１４は、図１中矢印によって示されている。
【００４４】
周辺環境の影響から保護するために、第１の基板３は、被着されている薄膜太陽電池２と共に第２の基板１１に接着され、耐候性複合体が形成される。この目的のために、前面電極８と、該前面電極８を互いに分離している第３の層トレンチ１８上に、（プラスチック）接着剤層１０が被着される。この接着剤層１０は、前記層構造４のカプセル化に使用される。第３の層トレンチ１８は、接着剤層１０の被着の際に、この層の絶縁性材料によって充填される。
【００４５】
第２の基板１１は、前面カバー層として放射線１３に対して透過的に構成され、例えば鉄含有量の少ないエクストラホワイトガラスからなるガラス板の形態で構成されている。この場合実施される処理ステップに対して、所望の強度と不活性特性を有する他の電気絶縁材料を同じように使用することもできる。この第２の基板１１は、層構造部４の封止と機械的保護のために使用される。前面側のモジュール表面１５を介して、薄膜ソーラーモジュール１は、電気エネルギーを生成するために照明される。
【００４６】
２つの基板３及び１１は、接着剤層１０によって相互に固定的に接合される（「積層」）。この接着剤層１０は、例えば熱可塑性接着剤層として構成され、この接着剤層は、加熱によって塑性変形可能となり、冷却によって互いに強固に結合する。ここでの接着剤層１０は、例えばＰＶＢからなる。前記２つの基板３，１１は、接着剤層１０の中に埋め込まれた薄膜太陽電池２と一緒に積層複合体１２を形成する。
【００４７】
ここでは、例えばＰＶＢからなる接着剤層１０に、千分の一単位の重量割合の水分が含まれる。接着剤層１０と吸収領域６からの水分子の拡散輸送は、少なくとも拡散バリア９によって十分に防止することができる。同様に、吸収領域６から接着剤層１０へのドーパントイオン（例えばここではナトリウムイオン）の拡散も、少なくとも拡散バリア９によって十分に阻止できる。これによって薄膜ソーラーモジュール１の電力損失を低減することができるようになる。水分子とドーパントイオンの拡散輸送は、第３の層トレンチ１８内においても起こり得るが、しかしながらこれは無視できる位に僅かと考えられる。
【００４８】
図２には、図１に示した薄膜ソーラーモジュール１の概略的測定ダイアグラムに基づいて、相互接続された薄膜太陽電池２の電気的直列抵抗値Ｒｓ（ｒｅｌ）が、動作開始時点（Ｔ＝０）の直列抵抗値に関連付けて、時間単位の動作期間若しく寿命期間Ｔ（ｈ）の関数として、異なる拡散バリア９毎に示されている。薄膜ソーラーモジュール１内では、２枚のガラス基板３及び１１が、接着剤層１０としてのＰＶＢによって積層されている。吸収領域６は、ｐ導電型のカルコパイライト半導体、例えばここではナトリウム（Ｎａ）のドープされたＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓ，Ｓｅ）2からなっている。
【００４９】
測定に対しては、前記薄膜ソーラーモジュール１は、乾燥した環境内で約８５°Ｃまで加熱することによって老化を加速させている。
【００５０】
図中複数の測定曲線は、異なる薄膜ソーラーモジュール１に相当し、この場合各ケースにおいて拡散バリア９のみが変更されている。具体的には、以下の測定曲線が薄膜ソーラーモジュール１に対して定められた。
測定曲線（１）：５０ｎｍの層厚を有するＳｎＺｎＯからなる拡散バリア（５０ＳｎＺｎＯ）
測定曲線（２）：５０ｎｍの層厚さを有するＳｉＮからなる拡散バリア（５０ＳｉＮ）
測定曲線（３）：１００ｎｍの層厚さを有するＳｉＮからなる拡散バリア（１００ＳｉＮ）
測定曲線（４）：５０ｎｍの層厚さを有するＳｎＺｎＯ層と５０ｎｍの層厚さを有するＳｉＮ層とからなる拡散バリア（５０＋５０）
測定曲線（５）：２００ｎｍの層厚さを有するＳｎＺｎＯからなる拡散バリア（２００ＳｎＺｎＯ）
測定曲線（６）：１００ｎｍの層厚さを有するＳｎＺｎＯからなる拡散バリア（１００ＳｎＺｎＯ）
測定曲線（７）：、ＳｎＺｎＯ層及びＳｉＮ層が交互に連続して配置され、各層がそれぞれ２５ｎｍの層厚さを有する４つの層からなる拡散バリア（４＊２５）
さらに、ここでは基準として以下の測定曲線（０）、
測定曲線（０）：拡散バリアのない薄膜ソーラーモジュール１（ｎｏ）
が定義された。
【００５１】
この測定曲線（０）からは、薄膜ソーラーモジュール１の相対的直列抵抗値が経年劣化によって連続的に増加していることがわかる。ここでは飽和特性が識別できる。約１４０００時間の寿命期間の経過後は、直列抵抗は実質的にもはや増加しない。この原因として、ＰＶＢ接着剤層１０から吸収領域６への水分子の内方拡散並びに吸収領域６から接着剤層１０へのナトリウムイオンの外方拡散が想定される。経年劣化の間は、直列抵抗が、薄膜ソーラーモジュール１の起動時の初期値の約３.５倍から４倍の値に増加する。
【００５２】
測定曲線（１）〜（３）の測定点は、互いに比較的狭く隣接しているため、少なくとも前記基準曲線（０）の測定点からは大きく異なっていない。
【００５３】
ここでは、５０ｎｍの厚さのＳｎＺｎＯからなる拡散バリアは、実質的に、薄膜ソーラーモジュール１の直列抵抗の増加の減少に関して全く影響を及ぼさない。同じことは、５０ｎｍの厚さのＳｉＮからなる拡散バリアと１００ｎｍの厚さのＳｉＮからなる拡散バリアにも当てはまる。
【００５４】
それとは対照的に、測定曲線（４）〜（７）においては、薄膜ソーラーモジュール１の直列抵抗における増加の減少に関して著しい作用効果が識別できる。そのため、それぞれ５０ｎｍの厚さのＳｎＺｎＯ層と５０ｎｍの厚さのＳｉＮ層からなる１００ｎｍの厚さの拡散バリアと、１００ｎｍの厚さ又は２００ｎｍの厚さのＳｎＺｎＯからなる拡散バリアと、それぞれ２５ｎｍの厚さの全部で４つのＳｎＺｎＯ厚及びＳｉＮ層が交互に連続的に配置された連続層から成る１００ｎｍの厚さの拡散バリアとによって、直列抵抗の増加が著しく低減されることがわかった。
【００５５】
この場合測定曲線（４）〜（７）は互いに密に隣接しており、少なくとも相互間で大きな違いはない。経年劣化の間、直列抵抗は、薄膜ソーラーモジュール１の起動時の初期値の約２〜２.５倍だけ増加した。そのためそのような拡散バリアによって直列抵抗の増加に約５０％の減少が見られた。この原因としては、太陽電池の拡散バリアによる水分子とナトリウムイオンの拡散輸送の阻害が想定される。
【００５６】
したがって、５０ｎｍを初めて上回る層厚さ、特に１００ｎｍ〜２００ｎｍの層厚さのＳｎＺｎＯからなる拡散バリアを用いることによって、良好な拡散防止効果を達成することができる。この場合１００ｎｍの層厚さ又は２００ｎｍの層厚さに関して実質的な違いはみられなかった。また相応に良好な効果は、ＳｎＺｎＯとＳｉＮの組み合わせを含んだ各拡散バリアにも見ることができる。例えば全体が１００ｎｍの層厚さの拡散バリアのもとで、良好な拡散抑制効果を実現するためには、５０ｎｍの層厚さの１つのＳｎＺｎＯ層と、それぞれ２５ｎｍの層厚さの２つのＳｎＺｎＯ層で十分である。拡散バリアを交互に連続する複数の材料層へ分割することによって、特に良好な拡散抑制効果をもたらすことが可能になる。
【００５７】
図３には、測定曲線（０）〜（７）に対して、薄膜ソーラーモジュール１のそれぞれの相対的効率Ｅｔａ（ｒｅｌ）が、運転開始時（Ｔ＝０）の薄膜ソーラーモジュール１の効率に関連させて、動作期間ないし寿命期間Ｔ（ｈ）の時間関数として表されている。
【００５８】
それに従ってここでは効率が、拡散バリアなしでは経年劣化によって約２０〜２５％減少することが見て取れる。同じようなことは、５０ｎｍの層厚さのＳｎＺｎＯやＳｉＮからなる拡散バリアにも当てはまる。比較的小さな効果は、１００ｎｍの層厚さのＳｉＮからなる拡散バリアに対して観察することができ、その場合の効率は、約１８％の減少だけである。１００ｎｍの厚さのＳｎＺｎＯからなる拡散バリアを用いれば、約１３％減少するだけの効率を達成することができる。最良の結果は、測定曲線（４）〜（７）の拡散バリアに対して得られる。それらの場合の薄膜ソーラーモジュール１の効率は、約１０％減少するだけである。従って適切な拡散バリアによれば、効率の低下を約５０％低減させることができるようになる。
【００５９】
本発明によれば、経年劣化に起因する電力損失の低下が太陽電池の吸収領域と接着剤層との間の水分子及びドーパントイオンに対する拡散バリアによって達成されたソーラーモジュール、特に薄膜ソーラーモジュールおよびその製造方法が提供される。拡散バリアの製造は、簡単かつ低コストな方法でソーラーモジュールの工業レベルの大量生産工程に組み込むことが可能である。
【符号の説明】
【００６０】
１      薄膜ソーラーモジュール
２      薄膜太陽電池
３      第１の基板
４      層構造部
５      背面電極
６      吸収領域
７      緩衝領域
８      前面電極
９      拡散バリア
１０    接着剤層
１１    第２の基板
１２    複合体
１３    放射線
１４    電流パス
１５    モジュール表面
１６    第１の層トレンチ
１７    第２の層トレンチ
１８    第３の層トレンチ
１９    背面電極層
２０    前面電極層
２１    半導体層
２２    バリア層
２３    緩衝層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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