(57)【要約】本発明は薄膜太陽電池パネル及びその製造方法を開示する。前記薄膜太陽電池パネルは、基板、前記基板上に位置する第１電極、前記第１電極上に位置する光電変換層、前記光電変換層上に位置する第２電極及び前記第２電極に設けられるゲート電極を備え、前記基板は超薄ガラス基板であり、前記超薄ガラス基板の厚さが０．１〜１ｍｍであり、前記超薄ガラス基板は湾曲性を有して、最小の曲率半径が１０ｃｍ以下にでき、前記第１電極は連続的に前記基板に形成される。本発明は薄膜太陽電池パネルの光透過性を向上させ、容易に湾曲した太陽電池モジュールの作製に用いることができる。また、本発明は湾曲可能な薄膜太陽電池パネルの製造プロセスを改良し、追加のコストの増加を回避し、装置と製造プロセス方法は様々な湾曲可能な薄膜太陽電池パネルに対する一般的適用性を大幅に増加する。【選択図】図5
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板、前記基板上に配置される第１電極、前記第１電極上に配置される光電変換層、前記光電変換層上に配置される第２電極を備える薄膜太陽電池パネルであって、ゲート電極を更に備え、前記基板は超薄ガラス基板であり、前記超薄ガラス基板の厚さが０．１〜１ｍｍであり、前記超薄ガラス基板は湾曲性を有して、最小の曲率半径が１０ｃｍ以下にであり、前記第１電極は連続的に前記基板に形成されることを特徴とする薄膜太陽電池パネル。
【請求項２】
前記超薄ガラス基板の曲率半径は３０ｃｍより大きく、前記超薄ガラス基板の厚さは０．３５〜１ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の薄膜太陽電池パネル。
【請求項３】
前記第１電極は透明薄膜であり、前記第２電極は非透明薄膜であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜太陽電池パネル。
【請求項４】
前記第１、第２透明電極の光透過性が同等であり、且ついずれも透明薄膜であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜太陽電池パネル。
【請求項５】
前記第１電極と第２電極の材料はいずれも透明導電性酸化物、又はグラフェンであり、前記透明導電性酸化物は、酸化亜鉛、酸化スズ、又はインジウムスズ酸化物から選ばれる１種であることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の薄膜太陽電池パネル。
【請求項６】
前記光電変換層はアモルファスシリコン、微結晶シリコン、ポリシリコン及び単結晶シリコンから選ばれる１種又は複数種を含み、前記アモルファスシリコン、ポリシリコン又は単結晶シリコンは１つのｐ-ｎ又はｐ-ｉ-ｎ接合を含む単一接合構造を形成し、又は複数のｐ-ｎ又はｐ-ｉ-ｎ接合を含む多接合構造を形成することを特徴とする請求項５に記載の薄膜太陽電池パネル。
【請求項７】
前記光電変換層はテルル化カドミウム、銅インジウムガリウム錫及び有機半導体の１種又は複数種を含むことを特徴とする請求項５に記載の薄膜太陽電池パネル。
【請求項８】
前記薄膜太陽電池パネルは自動車、船舶又は建築物に用いられることを特徴とする請求項７に記載の薄膜太陽電池パネル。
【請求項９】
前記薄膜太陽電池パネルは自動車の天窓に用いられ、前記ゲート電極は自動車電源システム及びその負荷に導線によって接続され、前記負荷はキャリッジ内のファン、照明灯、電子娯楽システムを含むことを特徴とする請求項８に記載の薄膜太陽電池パネル。
【請求項１０】
記薄膜太陽電池パネルは自動車の天窓に用いられ、前記基板の曲率半径は１ｍより大きいことを特徴とする請求項８に記載の薄膜太陽電池パネル。
【請求項１１】
前記自動車天窓は自動車天窓ガラスを含み、前記自動車天窓ガラスは車内に向かう下表面及び車外に向かう上表面を有して、前記薄膜太陽電池パネルは前記自動車天窓ガラスの上表面に貼り合わされ、前記光電変換層はＰ型層、Ｎ型層を含み、前記Ｐ型層は前記第１電極に接近するように設けられることを特徴とする請求項１０に記載の薄膜太陽電池パネル。
【請求項１２】
前記自動車天窓は自動車天窓ガラスを含み、前記自動車天窓ガラスは車内に向かう下表面及び車外に向かう上表面を有して、前記薄膜太陽電池パネルは前記自動車天窓ガラスの下表面に貼り合わされ、前記光電変換層はＰ型層、Ｎ型層を含み、前記Ｎ型層は前記第１電極に接近するように設けられることを特徴とする請求項１０に記載の薄膜太陽電池パネル。
【請求項１３】
前記薄膜太陽電池パネルは船舶又は建築物に用いられ、前記基板の曲率半径は３０ｃｍより大きいことを特徴とする請求項８に記載の薄膜太陽電池パネル。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれかに記載の薄膜太陽電池パネルの製造方法であって、
厚さが０．１〜１ｍｍであり、湾曲性を有して、最小の曲率半径が１０ｃｍ以下にできる超薄ガラス基板を提供するＳ１、
前記超薄ガラス基板に順次第１電極、光電変換層及び第２電極を蒸着するＳ２、
前記第１電極、光電変換層及び第２電極を蒸着した後に、前記太陽電池を複数の小さい電池ユニットに分割して直列並列接続となるように、レーザーによってそれぞれ線を刻み、それにより、抵抗損失を低下させ、電池のエネルギー変換効率を向上させるＳ３、
前記電池構造の光透過性を増加するように、前記電池構造をレーザー又は化学的エッチング処理するＳ４、
前記ゲート電極を設けて、薄膜太陽電池を形成するＳ５、及び
前記太陽電池パネルを湾曲処理するＳ６、を含む薄膜太陽電池パネルの製造方法。
【請求項１５】
前記湾曲処理が積層プロセスによって前記超薄ガラス基板に蒸着された前記薄膜太陽電池と一定の剛性を有する湾曲構造を結合することによって、前記薄膜太陽電池をパッケージし、それを周囲の環境と隔絶させ、安定的に稼動できる湾曲した太陽電池パネルを形成することを特徴とする請求項１４に記載の薄膜太陽電池パネルの製造方法。
【請求項１６】
前記湾曲処理は接着プロセスを用いて、前記薄膜太陽電池パネルと一定の剛性を有する湾曲構造を結合して、安定的に稼動できる湾曲した太陽電池パネルを形成することを特徴とする請求項１４に記載の薄膜太陽電池パネルの製造方法。
【請求項１７】
前記第１、第２電極の製造プロセス温度は６００℃より低いことを特徴とする請求項１４に記載の薄膜太陽電池パネルの製造方法。
【請求項１８】
前記第１電極と第２電極はＬＰＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ又はＡＰＣＶＤプロセス方法によって製造されることを特徴とする請求項１４に記載の薄膜太陽電池パネルの製造方法。
【請求項１９】
前記光電変換層の製造プロセスのプロセス温度が６００℃より低いことを特徴とする請求項14に記載の薄膜太陽電池パネルの製造方法。
【請求項２０】
前記光電変換層はＰＥＣＶＤ方法によって製造されることを特徴とする請求項19に記載の薄膜太陽電池パネルの製造方法。 
【請求項２１】
前記一定の剛性を有する湾曲構造は成形した湾曲ガラスと表面絶縁処理された金属構造部材を含むことを特徴とする請求項19に記載の薄膜太陽電池パネルの製造方法。
【請求項２２】
前記積層プロセスはオートクレーブの中で行い、又は曲面真空積層法によって積層することを特徴とする請求項21に記載の薄膜太陽電池パネルの製造方法。
【請求項２３】
前記積層の材料はＥＶＡ、 ＰＶＢ又はアイオノマー樹脂を選択して使用することを特徴とする請求項15に記載の薄膜太陽電池パネルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は太陽光発電製品分野に関し、特に薄膜太陽電池パネル及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜太陽電池は、その発明から大規模商業化まで長い開発プロセスを経てきた。最初のアモルファスシリコン薄膜太陽電池はラジオコーポレーションオブアメリカ（Ｒａｄｉｏ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ  Ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ、ＲＣＡ）により、１９７６年に開発が成功した。１９９０年代半ば以降、半導体製造装置と製造技術の持続的発展により、効率のよい積層シリコン薄膜太陽電池が大規模商業化の生産を実現した。その光吸収材料は当初は、アモルファスシリコン単一構造であったが、その後アモルファスシリコン、ポリシリコン及び単結晶シリコンからなるヘテロ接合構造まで発展した。シリコン系の薄膜太陽電池の他には、近年、硫化カドミウム、ガリウムヒ素、銅インジウムガリウム錫などの無機半導体化合物、及びポリチオフェン、フラーレン誘導体などの有機材料の薄膜太陽電池も急速に発展し、幅広い応用分野への展開が期待されている。
【０００３】
結晶シリコン太陽電池と比べて、薄膜太陽電池は、外観が美しく、生産の自動化率が高く、湾曲可能で、透明化が可能であるなどの様々な優位性を有する。そのため、大規模なグリッド接続と独立な発電使用以外、薄膜太陽電池は各種の小型で柔軟な光発電使用製品の作製により適合する。工業化過程の推進とコストの持続的低減に伴って、薄膜太陽電池製品はますます広い範囲で適用され、我々の日常生活の様々な方面に展開されている。例えば、自動車用太陽電池分野において、１９９０年代以降、連続的な特許出願がなされている。例えば公開番号ＵＳ５６０２４５７米国特許では、太陽電池を自動車のフロントガラス内に設置し、車内のバッテリーに充電する技術が提案されている。公開番号ＥＰ ０３９３４３７の欧州特許では、自動車に車内の空調システムの稼動を駆動して、日光に晒す際に車内の温度を下げるための１セットの太陽補助電力システムを取り付けるという他種の技術が提案されている。しかしながら、上記の特許で開示した技術はいずれも従来の結晶シリコン電池を製造する方法を用いて、ガラス基板上の電池を絶縁分割しており、プロセスが比較的複雑であり、自動車本体との結合性も高くない。
【０００４】
薄膜太陽電池の基板は具体的な必要に応じて、ガラス、ポリマー、セラミックス及び黒鉛の中のいずれか１種を選択することができる。ガラスは透明基板であり、光透過性がよく、透明の薄膜太陽電池の製造に使用することができる。ポリマーは可撓性基板であり、曲げたり折り畳みやすく、一般的に、湾曲可能な薄膜太陽電池の製造に用いられる。薄膜太陽電池を光発電用製品として自動車や建築の一体化構造などのよく見られるものに使用する場合、キャリッジ内又は室内の照明輝度を確保するように、良好な光透過性を有することが求められる。一方、湾曲した構造面、例えば自動車の天窓や建築物のガラスに緊密に貼り合わすために、良好な湾曲性能を有することも求められる。この２つの要求を満たすために、薄膜太陽電池の基板は透明であるだけでなく、湾曲可能である必要がある。
【０００５】
ほとんどのポリマー基板は光透過性と耐熱性に課題を有し、２００℃以上のプロセス温度に耐えることができない。また、従来の薄膜太陽電池技術に用いられたガラス基板の厚さは一般的に３ｍｍより厚く、湾曲性を有しないため、湾曲可能な太陽電池を直接に加工して作製することができない。さらに、従来の薄膜太陽電池の製造装置と技術では、その大多数が例えばフラットフロートガラスなど平面基板に作製されている。そのため、一定の湾曲弧度を有する薄膜太陽電池を直接に製造するためには、大きな困難が生じる。湾曲基板に均一にコーティングすることによって薄膜太陽電池を加工して製造するためには、コーティング装置と技術を大きく改良しなければならない。これは、コストを大幅に上昇させるだけではない。異なる湾曲構造面は異なる形状と湾曲弧度を有するため、上記装置と技術では、異なる製品への適用は、大きく制限される。以上の要因から、薄膜太陽電池を湾曲可能な製品分野に適用することは進展していない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の薄膜太陽電池パネルに用いられてきたガラス基板は厚くて、湾曲性を有しないため、上記薄膜太陽電池パネルは湾曲した太陽電池モジュールに使用することができず、且つ従来の薄膜太陽電池パネルの製造プロセスでは一定の湾曲弧度を有する電池モジュールの製造への応用が困難であり、湾曲可能な光発電製品の製造に広く適用することはできなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記事情に鑑みて、本発明は、高い湾曲性と光透過率を有し、上記薄膜太陽電池を湾曲した太陽電池モジュールの製造に容易に適用することができ、且つ良好な光透過性を有する薄膜太陽電池パネルを提供することを目的とする。
また、本発明は、様々な一定の湾曲弧度を有する薄膜太陽電池モジュールの製造に幅広く適用できる薄膜太陽電池パネルの製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
薄膜太陽電池パネルであって、前記薄膜太陽電池パネルは、基板、上記基板上に配置される第１電極、前記第１電極上に配置される光電変換層、上記光電変換層に配置される第２電極を備え、ゲート電極を更に備え、上記基板は超薄ガラス基板であり、上記超薄ガラス基板の厚さが０．１〜１ｍｍであり、前記超薄ガラス基板は湾曲性を有して、最小の曲率半径を１０ｃｍ以下とすることができ、上記第１電極は連続的に前記基板上に形成される。
【０００９】
本発明にかかる薄膜太陽電池パネルの有益な効果は以下の通りである。上記厚さが０．１〜１ｍｍの超薄ガラス基板は透過率が高く、上記薄膜太陽電池パネルの光透過性を向上させる。上記超薄ガラス基板は湾曲性がよく、湾曲した太陽電池モジュールの作製に容易に適用できる。また、透過率が上昇することによって上記光電変換層の吸収率が向上し、上記薄膜太陽電池パネルの効率は従来の薄膜太陽電池より１〜２％高く、また、ポリマー基板と比べ、上記超薄ガラス基板は耐熱性、浸食環境からの隔絶性能がよいメリットを有する。上記第１電極は連続的に前記基板に設けられるため、従来の基板では絶縁物質で複数の電池ブロックを分割することに対して、プロセスが簡単であり、湾曲モジュールに適用する際に、湾曲構造に密着して均一で連続的な一体構造を形成することができ、美観も優れる。
【００１０】
好ましくは、前記超薄ガラス基板の曲率半径は３０ｃｍより大きく、上記超薄ガラス基板の厚さは０．３５〜１ｍｍである。有益な効果は、一定の湾曲表面を所要の曲率半径にする場合、上記薄膜太陽電池パネルの強度が増加するように、できるだけ厚い超薄ガラスを基板として選択できることである。
上記第１電極は透明薄膜であり、上記第２電極は非透明薄膜であることが好ましい。
上記第１、第２透明電極の光透過性は同等であり、且ついずれも透明薄膜であってもよい。
上記第１電極と第２電極の材料はいずれも透明導電性酸化物、又はグラフェンであり、上記透明導電性酸化物は、酸化亜鉛、酸化スズ、又はインジウムスズ酸化物から選ばれる１種であることが好ましい。
【００１１】
上記光電変換層はアモルファスシリコン、微結晶シリコン、ポリシリコン及び単結晶シリコンから選ばれる１種又は複数種を含み、上記アモルファスシリコン、ポリシリコン又は単結晶シリコンは１つのｐ-ｎ又はｐ-ｉ-ｎ接合を含む単一接合構造を形成し、又は複数のｐ-ｎ又はｐ-ｉ-ｎ接合を含む多接合構造を形成することが好ましい。
上記光電変換層はテルル化カドミウム薄膜、銅インジウムガリウム錫薄膜及び有機半導体薄膜の中の１種又は複数種を含むことが好ましい。
好ましくは、上記薄膜太陽電池パネルは自動車、船舶又は様々な建築一体化構造に用いられる。
【００１２】
好ましくは、上記薄膜太陽電池パネルは自動車の天窓に用いられ、上記薄膜太陽電池パネルの上記ゲート電極は自動車電源及びその負荷に導線によって接続され、上記負荷はキャリッジ内のファン、照明灯、電子娯楽システムを含む。
好ましくは、上記薄膜太陽電池パネルは自動車の天窓に用いられ、上記基板の曲率半径は１ｍより大きい。
【００１３】
好ましくは、上記自動車天窓は自動車天窓ガラスを含み、上記自動車天窓ガラスは車内に向かう下表面及び車外に向かう上表面を有して、上記薄膜太陽電池パネルは上記自動車天窓ガラスの上表面に貼り合わされ、上記光電変換層はＰ型層、Ｎ型層を含み、上記Ｐ型層は上記第１電極に接近するように設けられる。好ましくは、上記自動車天窓は自動車天窓ガラスを含み、上記自動車天窓ガラスは車内に向かう下表面及び車外に向かう上表面を有して、上記薄膜太陽電池パネルは上記自動車天窓ガラスの下表面に貼り合わされ、上記光電変換層はＰ型層、Ｎ型層を含み、上記Ｎ型層は上記第１電極に接近するように設けられる。有益な効果は、アモルファスシリコン薄膜では電子の移動度が正孔の移動度より大きいため、Ｐ-Ｉ-Ｎ接合を含む上記光電変換層は、上記Ｐ型層を日光照射を受ける一面に設け、上記Ｐ型層に生じた電子はＩ層を越えて、より遠い距離を移動して電極によって収集され、正孔は直接Ｐ型層に接近する電極によって収集されることができ、正孔の収集率を向上させるため、電池の光電変換効率を向上させることができる。
好ましくは、上記薄膜太陽電池パネルは船舶又は建築一体化構造に用いられ、上記基板の曲率半径は３０ｃｍより大きい。
本発明では以下の薄膜太陽電池パネルの製造方法を更に提供する。
【００１４】
厚さが０．１〜１ｍｍであり、湾曲性を有して、最小の曲率半径が１０ｃｍ以下にできる超薄ガラス基板を提供するＳ１、
上記超薄ガラス基板に順次第１電極、光電変換層及び第２電極を蒸着するＳ２、
上記第１電極、光電変換層及び第２電極を蒸着した後に、上記太陽電池を複数の小さい電池ユニットに分割して直列並列接続となるように、レーザーによってそれぞれ線を刻み、それにより、抵抗損失を低下させ、電池のエネルギー変換効率を向上させるＳ３、
上記電池構造の光透過性を増加するように、上記電池構造をレーザー又は化学的エッチング処理するＳ４、
上記ゲート電極を設けて、薄膜太陽電池を形成するＳ５、及び
上記太陽電池パネルを湾曲処理するＳ６、を含む。
本発明による薄膜太陽電池パネルの製造方法の有益な効果は以下の通りである。
【００１５】
本発明による薄膜太陽電池パネルの製造方法は、各層の薄膜形成が連続的であり、コーティングが完成した後のステップＳ３のみでレーザーで線を刻んで小さい電池セルに切断するため、作製プロセスがより簡単で、製造効率を向上させることができる。また、薄膜太陽電池パネルを湾曲構造面に緊密に貼りあわせ、一体化構造を呈するため、外形がより美観に優れる。
【００１６】
本発明による薄膜太陽電池パネルの製造方法は、湾曲可能な超薄ガラス基板の上記太陽電池パネルと湾曲構造面を湾曲処理によって直接結合して、一定の弧度を有する堅固な太陽電池モジュールを形成する。コーティング過程において超薄ガラス基板が依然として平面であるため、プロセス条件に対していずれかの変更を行うことを必要とせず、一般的に湾曲電池モジュールを製造する際に生じる問題と追加コストの増加を回避でき、装置と製造プロセス方法は様々な湾曲した電池モジュールに対する一般的適用性を大幅に増加させる。
【００１７】
好ましくは、上記薄膜太陽電池をパッケージして、周囲の環境と隔絶させ、安定的に稼動できる湾曲した太陽電池パネルを形成するように、上記湾曲処理は積層プロセスによって上記超薄ガラス基板に蒸着される上記薄膜太陽電池と一定の剛性を有する湾曲構造を結合する。
【００１８】
好ましくは、上記湾曲処理は接着プロセスを用いて、上記薄膜太陽電池パネルと一定の剛性を有する湾曲構造を結合して、安定的に稼動できる湾曲した太陽電池パネルを形成する。
【００１９】
好ましくは、上記第１、第２電極の製造プロセス温度は６００℃より低い。より好ましくは、上記第１電極と第２電極はＬＰＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ又はＡＰＣＶＤプロセス方法によって製造される。
好ましくは、上記光電変換層の製造プロセスのプロセス温度は６００℃より低い。より好ましくは、前記光電変換層はＰＥＣＶＤ方法によって製造される。
好ましくは、上記一定の剛性を有する湾曲構造は成形した湾曲ガラスと表面絶縁処理された金属構造部材を含む。
【００２０】
好ましくは、上記積層プロセスはオートクレーブの中で行い、又は曲面真空積層法によって積層する。より好ましくは、上記積層の材料はＥＶＡ、ＰＶＢ又はアイオノマー樹脂を選択して使用する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明が開示した薄膜太陽電池パネルの好ましい実施形態を示す構造模式図である。
【図２】異なる厚さの超薄ガラス基板に光を照射したときの光波長と光吸収率との関係を示す図である。
【図３】２種の薄い超薄ガラス基板の曲率半径と曲げ応力の関係を示す図である。
【図４】各種厚さの超薄ガラス基板の曲率半径と曲げ応力の関係を示す図である。
【図５】本発明にかかる薄膜太陽電池パネルを自動車天窓に使用する際の一実施形態を示す構造模式図である。
【図６】本発明にかかる薄膜太陽電池パネルの製造方法の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面に示す具体的な実施形態を参照して本発明を詳しく説明するが、これらの実施形態は本発明を制限するものではなく、これらの実施形態による構造、方法、又は機能的変換はいずれも本発明の保護範囲に含まれる。
【００２３】
図１は本発明にかかる薄膜太陽電池パネルの好ましい実施形態を示す模式図である。図１を参照して、上記薄膜太陽電池パネルを説明する。基板１０、基板上に配置される第１電極２０、上記第１電極上に配置される光電変換層３０、及び上記光電変換層３０上に配置される第２電極４０を備え、上記第２電極上にゲート電極５０を更に備える。上記基板１０は超薄ガラス基板であり、上記超薄ガラス基板の厚さは０．１〜１ｍｍであり、上記超薄ガラス基板は湾曲性を有して、最小の曲率半径は１０ｃｍ以下にできる。上記第１電極２０は連続的に前記基板１０に形成される。図１に示す本発明の好ましい実施形態によれば、光電変換層３０はアモルファスシリコンｐ型層３１、アモルファスシリコン真性層３２及びアモルファスシリコンｎ型層３３を含み、第１電極２０と第２電極４０はいずれも酸化亜鉛材料から作製される。
【００２４】
上記基板１０としては米国コーニング社（Ｃｏｒｎｉｎｇ  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ）の各種超薄ガラス製品、例えばロータスガラス（Ｌｏｔｕｓ  Ｇｌａｓｓ）、ウィローガラス（Ｗｉｌｌｏｗ  Ｇｌａｓｓ）、及びゴリラガラス（Ｇｏｒｉｌｌａ  Ｇｌａｓｓ）を選択して使用することができる。図２には超薄ガラスに光を照射したときの光波長と光透過率との関係を示す。図２を参照して、３種の厚さがそれぞれ０．０５ｍｍ、０．１ｍｍ及び０．２ｍｍの超薄ガラスの光波長の変化に伴う光透過率の変化挙動は同様である。光波長が２００ｎｍ〜３５０ｎｍの波長域では、波長の増加にしたがって透過率が急激に増加し、光波長が３５０ｎｍより大きい可視光波帯では、透過率の増加が緩やかになり、且つ次第９０％より大きい所定の値に近づく。上記の２００〜３５０ｎｍの波長域では、特定の波長に対して、上記超薄ガラスの厚さが薄いほど、透過率が大きくなる。従来の薄膜太陽電池技術において、一般的に、厚さが３．２ｍｍのガラスを基板として選択して使用している。以上の結果から分かるように、このようなガラス基板では、短波長光に対する透過率は超薄ガラスよりはるかに小さくて、薄膜電池の光透過性が低下する。本発明では、超薄ガラスを基板として選択して使用するため、光透過率が上昇する効果を有する。また、より薄いガラスを基板として選択して使用し、上記光電変換層の短波長光に対する吸収率も高くなるため、薄膜太陽電池の効率を１〜２％向上させることができる。
【００２５】
図３は２種の厚さの超薄ガラスの曲率半径と曲げ応力との関係を示す。図３に示されるように、厚さが０．２ｍｍの超薄ガラスは全ての曲率半径（曲率半径）において厚さが０．１ｍｍの超薄ガラスより曲げ応力が大きい。このように、ガラスの厚さが薄いほど、同一の曲率半径に対して湾曲（曲げ）応力が小さくなり、湾曲加工が容易になり、破断しにくくなる。０．１ｍｍの超薄ガラスでは、曲率半径が１０〜３０ｃｍの広い範囲で、湾曲（曲げ）応力が０に接近する。曲率半径が１０ｃｍより小さくて、５ｃｍに接近する際には、湾曲（曲げ）応力が顕著に上昇する。一定の加工条件で、ガラスがある特定の閾値応力に達する際の曲率半径を最小の曲率半径と定義すると、最小の曲率半径が小さいほど、ガラスの湾曲性がよくなる。最小の曲率半径で超薄ガラス湾曲性の程度を表すと、図３から分かるように、前記０．１ｍｍの超薄ガラスは最適な湾曲性能を有して、最小の曲率半径が１０ｃｍ以下にできる。
【００２６】
このように、超薄ガラスを基板１０として選択して使用する他の効果は、平面の薄膜太陽電池パネルを一定の弧度を有する湾曲電池モジュールに容易に加工することができることである。厚さが薄い超薄ガラスの湾曲性はよいため、曲率半径が小さい太陽モジュールを製造することができる。具体的にどの程度の厚さの超薄ガラスを選択して使用するかは、最後の湾曲電池モジュールの曲率によって決められ、曲率が大きいほど、最小の曲率半径がより小さい超薄ガラスを基板として選択して使用すべきである。
【００２７】
実際の応用においては、選択して使用する超薄ガラスの厚さが小さいほど、その強度も小さくなり、外部圧力又は雨水の浸食で破損しやすくなる。同時に、製造過程においても破壊しやすく、歩留まりを低下させ、コストを増加させてしまう。このため、実湾曲度の要求を満たす範囲で、上記基板１０の強度を強化するように、できるだけ厚いガラスを基板として選択して使用する。一般的な光発電製品においては、例えば船舶や建築の湾曲表面に対しては曲率半径が最小で３０ｃｍであり、自動車天窓に対しては１ｍより大きい。
一般的に、超薄ガラスを湾曲する際の表面の湾曲引張応力とその厚さの関係は、
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であり、
σは最大の表面湾曲引張応力であり、ｔは超薄ガラスの厚さであり、Rは曲率半径であり、Eはガラスのヤング率である。図４は種々の厚さの超薄ガラスの湾曲（曲率）半径と湾曲（曲げ）応力（曲げ応力）との関係を示す。図４より、厚さが１ｍｍ以下である超薄ガラスの湾曲性はいずれも非常によいことがわかる。曲率半径が３０ｃｍのとき、厚さが０．５ｍｍの超薄ガラスの最大の表面湾曲引張応力は約６０ＭＰａであり、厚さが０．３ｍｍの超薄ガラスのものは約３０ＭＰａである。０．３５ｍｍの超薄ガラスを選択して使用すると、上記の式によって、ガラスのヤング率９０ＧＰａを代入し、その最大の表面湾曲引張応力が５２．５ＭＰａであることが分かる。ガラスの真性強度は約２００ＭＰａであるが、実際の応用には超薄ガラスの最大の表面湾曲引張応力が５０ＭＰａ程度であることが求められ、表面欠陥による破壊を防止する。このため、厚さが０．３５ｍｍの超薄ガラスはこのような要求を満たすことができる。
【００２８】
本発明の好ましい実施形態において、上記超薄ガラス基板の曲率半径は３０ｃｍより大きいため、上記超薄ガラス基板の厚さは０．３５〜１ｍｍである。基板の強度が特に求められる場合には、コーニング社のゴリラガラスなどの化学強化処理された超薄ガラスを基板として選択して使用することができる。
また、ポリマー基板に対して、上記超薄ガラス基板は、耐熱性、浸食環境との隔絶性能がよいというメリットを有する。
【００２９】
第１電極２０は連続的に基板１０に設けられ、従来の基板では絶縁物質で複数の電池ブロックを分割することに対して、プロセスが簡単であり、湾曲モジュールに使用される際に、湾曲構造に緊密に一体的に結合することができ、美観に優れる。
【００３０】
第１電極２０と第２電極４０の光透過性は同等であり、且ついずれも透明薄膜である。透明薄膜を自動車天窓又は建築物ガラスとすると、より多くの日光を透過させることができ、キャリッジ内又は室内の照明輝度を向上できるため有利である。
【００３１】
本発明の他の実施形態において、基板１０の上に位置する第１電極２０は透明薄膜であり、光電変換層の上に位置する第２電極４０は非透明薄膜である。非透明薄膜を第２電極４０として使用すると、光電変換層を透過した光を光電変換層に反射して戻すことができるため有利であり、光吸収率を向上させ、電池効率を更に向上させることができる。
【００３２】
第１電極２０と第２電極４０の材料はいずれも透明導電性酸化物である。図１に示す本発明の一実施形態において、第１電極２０と第２電極４０はいずれも酸化亜鉛薄膜である。本発明の他の実施形態において、  上記第１電極と第２電極の材料はいずれも透明導電性酸化物、又はグラフェンであり、上記透明導電性酸化物は、酸化亜鉛、又は酸化スズから選ばれる１種である。
【００３３】
光電変換層３０はアモルファスシリコン、微結晶シリコン、ポリシリコン及び単結晶シリコンの１種又は複数種を含み、上記アモルファスシリコン、微結晶シリコン、ポリシリコン又は単結晶シリコン薄膜は１つのｐ-ｎ又はｐ-ｉ-ｎ接合を含む単一接合構造を形成し、又は複数のｐ-ｎ又はｐ-ｉ-ｎ接合を含む多接合構造を形成する。
本発明の他の好ましい実施形態において、上記光電変換層はテルル化カドミウム薄膜、銅インジウムガリウム錫薄膜及び有機半導体薄膜の１種又は複数種を含む。
上記薄膜太陽電池パネルは自動車、船舶又は様々な建築一体化構造に用いられる。
【００３４】
本発明の一実施形態において、上記薄膜太陽電池パネルは自動車天窓に用いられ、上記ゲート電極は自動車電源及びその負荷に導線によって接続され、上記負荷はキャリッジ内のファン、照明灯、電子娯楽システムを含む。上記基板の曲率半径は１ｍより大きいため、例えば厚さが１ｍｍの厚い超薄ガラスを基板として選択して使用することができる。
【００３５】
図５は本発明ににかかる薄膜太陽電池パネルを自動車天窓に使用する際の一実施形態の模式図である。図５に示すように、上記自動車天窓は上記薄膜太陽電池パネルと自動車天窓ガラス３００を含む。上記薄膜太陽電池パネルは超薄ガラス基板１００と上記超薄ガラス基板上に配置される薄膜電池パック２００を含み、上記薄膜電池パック２００は上記第１電極、上記光電変換層及び上記第２電極からなる。上記光電変換層はＰ型層３１、Ｎ型層３３を含み、本発明のある好ましい実施形態において、上記光電変換層は上記Ｐ型層３１、Ｎ型層３３の間に位置するＩ型層３２を更に含む。
【００３６】
上記自動車天窓ガラス３００は車内に向かう下表面３２０及び車外に向かう上表面３１０を有して、上記薄膜太陽電池パネルは上記自動車天窓ガラス３００の上表面３１０に貼り合わすことができ、上記自動車天窓ガラス３００の下表面３２０に貼り合わすこともできる。図５と図１に示すように、上記薄膜太陽電池パネルは上記自動車天窓ガラス３００の上表面３１０に貼り合わす際に、上記Ｐ型層３１は上記第１電極２０に接近するように設けられる。上記薄膜太陽電池パネルは上記自動車天窓ガラス３００の下表面３２０に貼り合わす際に、上記Ｎ型層３３は上記第１電極２０に接近するように設けられる。このように、上記Ｐ型層３１を常に日光の方向に向かわせる。アモルファスシリコン薄膜では電子の移動度は正孔の移動度より大きいため、電子の寿命も正孔の寿命より大きく、Ｐ型層３１に生じた電子はドリフトと拡散運動によってＩ層を貫くことができ、電極によって収集される。ｎ型層３３が照射を受けてキャリアを生じると、ｎ型層３３に生じた正孔は移動度が低く寿命が短いため、Ｉ層を貫く際に容易に複合して消失する。このため、上記Ｐ型層３１を常に日光の方向に向けることが、キャリアの収集率を向上させることに有利であり、更に太陽電池パネルの光エネルギー変換効率を向上させる。
【００３７】
本発明の他の好ましい実施形態において、上記薄膜太陽電池パネルは船舶又は建築一体化構造に用いられる際に、上記基板の曲率半径は３０ｃｍより大きい。上述のように、このような場合、厚さが０．３５ｍｍより大きい超薄ガラスを基板として選択して使用することができる。
本発明にかかる薄膜太陽電池の製造方法の一例を、図６を参照して説明する。
【００３８】
本発明にかかる薄膜太陽電池の製造方法は、厚さが０．１〜１ｍｍであり、湾曲性を有して、最小の曲率半径が１０ｃｍ以下にできる超薄ガラス基板を提供するＳ１、
上記超薄ガラス基板に順次第１電極、光電変換層及び第２電極を蒸着するＳ２、
上記第１電極、光電変換層及び第２電極を蒸着した後に、上記太陽電池を複数の小さい電池ユニットに分割して直列並列接続となるように、レーザーによってそれぞれ線を刻み、それにより、抵抗損失を低下させ、電池のエネルギー変換効率を向上させるＳ３、
上記電池構造の光透過性を増加するように、上記電池構造をレーザー又は化学的エッチング処理するＳ４、
上記ゲート電極を設けて、薄膜太陽電池を形成するＳ５、及び
上記太陽電池パネルを湾曲処理するＳ６、を含む。
【００３９】
従来の技術における薄膜太陽電池を製造するプロセス方法はいずれも複数の小さい電池セルをスプライスする。このようなプロセスは比較的複雑で、製造効率が低く、且つ最終的に形成した電池モジュール内に分離した電池シートが連続構造を形成せず、製品の美観に影響を及ぼす。本発明が開示した製造方法は上記第１電極が連続的に上記基板上に形成され、同様に、上記光電変換層は連続的に上記第１電極上に形成され、上記第２電極は連続的に上記光電変換層上に形成される。本発明はコーティングが完成した後のステップＳ３のみでレーザーによって線を刻んで小さい電池セルに切断し、直列又は並列とする。いずれの絶縁物質を充填する必要がないため、作製プロセスはより簡単であり、製造効率を向上させる。また、全体の電池パネルの薄膜層は均一で連続しており、一体化構造を呈し、外形はより美観に優れる。
【００４０】
本発明にかかる薄膜太陽電池パネルの製造方法は平面の超薄ガラス基板に薄膜を蒸着した太陽電池パネルを直接湾曲処理して、堅固な一定の湾曲弧度を有する薄膜太陽電池パネルを形成する。コーティング過程では超薄ガラス基板が平面形状であるため、プロセス条件に対していずれかの変更を行う必要がなく、一般的に湾曲電池モジュールを製造する際に生じる問題と追加コストの増加を回避し、装置と製造プロセス方法が様々な湾曲電池モジュールに対する一般的適用性を大幅に増加する。
【００４１】
本発明の好ましい実施形態において、上記湾曲処理が積層プロセスによって上記超薄ガラス基板に蒸着された上記薄膜太陽電池と一定の剛性を有する湾曲構造を結合することによって、上記薄膜太陽電池をパッケージし、それを周囲の環境と隔絶させ、安定的に稼動できる湾曲した太陽電池パネルを形成する。上記積層プロセスはオートクレーブの中で行い、又は曲面真空積層法を用いて積層する。上記積層プロセスの材料にはＥＶＡ、ＰＶＢ又はアイオノマー樹脂を選択して使用する。
【００４２】
本発明の他の好ましい実施形態において、上記湾曲処理は接着プロセスを用いて、上記薄膜太陽電池パネルと一定の剛性を有する湾曲構造を結合して、安定的に稼動できる湾曲した太陽電池パネルを形成する。上記接着プロセスでは例えばデュポン社製のバータック”（Ｖｅｒｔａｋ）バインダーを選択して使用する。
【００４３】
上記一定の剛性を有する湾曲構造は成形した湾曲ガラスと表面絶縁処理された金属構造部材を含む。本発明の好ましい実施形態において、上記湾曲ガラスは自動車天窓ガラス、船用構造ガラス又は建築物ガラスであり、上記表面絶縁処理された金属構造部材は自動車ルーフ構造を含む。上記湾曲ガラスは自動車天窓ガラスである際に、上記薄膜太陽電池の上記ゲート電極は自動車電源及びその負荷に導線によって接続され、上記負荷はキャリッジ内のファン、照明灯、電子娯楽システムを含む。
【００４４】
本発明の好ましい実施形態において、上記第１電極と第２電極の光透過性は同等であり、且ついずれも透明薄膜である。これは、薄膜太陽電池パネルの光透過性を向上させる。本発明の他の実施形態において、上記第１電極は透明薄膜であり、上記第２電極は非透明薄膜である。上記非透明薄膜は光電変換層を透過する光を反射して戻すことができ、電池の光吸収率と効率を向上させる。
上記第１電極と第２電極の材料はいずれも透明導電性酸化物、又はグラフェンである。上記透明導電性酸化物は、酸化亜鉛、酸化スズ、又はインジウムスズ酸化物から選ばれる１種である。
【００４５】
光電変換層はアモルファスシリコン、微結晶シリコン、ポリシリコン及び単結晶シリコン薄膜の１種又は複数種を含む、図１に示す本発明の好ましい実施形態において、光電変換層はアモルファスシリコンｎ型ドーピング層、真性層及びｐ型ドーピング層からなるｐ-ｉ-ｎ型構造である。一般的に、光電変換層はアモルファスシリコン、微結晶シリコン、ポリシリコン又は単結晶シリコン薄膜からなるｐ-ｎ又はｐ-ｉ-ｎ接合の単一接合構造、又は複数のｐ-ｎ接合及びｐ-ｉ-ｎ接合の多接合構造を含む。本発明の他の好ましい実施形態において、上記光電変換層はテルル化カドミウム薄膜、銅インジウムガリウム錫薄膜及び有機半導体薄膜の中の１種又は複数種を含む。
【００４６】
上記第１、第２電極又は上記光電変換層を製造するためのプロセス方法のプロセス温度がガラス歪み点（ｓｔｒａｉｎ  ｐｏｉｎｔ）に接近する際に、超薄ガラスが変形しやすいため、できるだけプロセス温度をガラス歪み点から離す。超薄ガラスの歪み点の変化範囲は６５０〜７００ ℃であり、その他の超薄ガラスの歪み点も類似の範囲で変動する。このため、上記超薄ガラス基板が蒸着過程における変形を防止するように、上記プロセス方法のプロセス温度は６００ ℃より低くするのが好ましい。
【００４７】
一般的に、透明酸化物薄膜を製造するためのＬＰＣＶＤ方法のプロセス温度は１８０〜２１０℃であり、ＭＯＣＶＤ方法のプロセス温度は５００℃まで低く、ＡＰＣＶＤ方法のプロセス温度は約４５０℃であり、シリコン系光電変換層薄膜を製造するためのＰＥＣＶＤのプロセス温度は一般的に３００℃以下である。以上のプロセス方法はいずれもプロセス温度が６００℃より低いという要求を満たす。このため、上記第１、第２電極はＬＰＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ又はＡＰＣＶＤプロセス方法によって製造され、上記光電変換層はＰＥＣＶＤプロセス方法によって製造される。
【００４８】
本発明は好ましい実施形態によって開示したが、本発明はこれに制限されることがない。当業者の誰でも、本発明の精神と範囲を逸脱しない限り、様々な変更と修正することができるため、本発明の保護範囲は請求項に限定された範囲を基準とするべきである。当業者にとって、本発明は以上の例示的な実施例の細部に制限されないことが明らかであり、且つ本発明の精神又は基本的な特徴を逸脱しない場合に、その他の具体的な形式によって本発明を実現することができる。したがって、どのような点から、実施例を制限的なものではなく、例示的なものとされるべきであり、本発明の範囲は以上の説明ではなく、請求項によって限定されるため、請求項と同じ要素の意味と範囲内にあるすべての変化が本発明に含まれることを趣旨とする。請求項におけるいずれの図面符号も請求項を限制するものとされてはいけない。
【００４９】
また、本明細書は実施形態にしたがって説明したが、それぞれの実施形態は1つの独立した技術的解決手段だけを含むことではなく、明細書のこのような叙述方式をただ明らかにするためだけのものであり、当業者は明細書を全体とするべきであり、各実施例における技術的解決手段を適切に組み合わせることもでき、当業者がその他の実施形態を含むと理解すべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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