KR20140047113A - 전력 손실이 감소된 태양광 모듈 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하나 이상의 접착제 층에 의해 서로 결합된 두 개의 기판, 및 기판 사이에 직렬 연결되어 배치되어 있으며, 각각 반도체 재료로 된 흡수재 영역을 그의 광 입사면 상에 배치된 전면 전극과 후면 전극 사이에 갖는 태양광 전지의 라미네이트된 복합체를 구비하고, 전면 전극과는 상이한 재료의 확산 차단부가 흡수재 영역과 접착제 층 사이에 배치되며, 확산 차단부는 물 분자가 접착제 층 (10)으로부터 흡수재 영역 내로 확산되고/거나 도판트 이온이 흡수재 영역으로부터 접착제 층 내로 확산되는 것을 억제하도록 구현되는 태양광 모듈에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그와 같은 태양광 모듈의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

전력 손실이 감소된 태양광 모듈 및 그의 제조 방법 {SOLAR MODULE WITH REDUCED POWER LOSS AND PROCESS FOR THE PRODUCTION THEREOF}
본 발명은 광기전 에너지 발생 기술 분야로서, 노화로 인한 전력 손실이 감소된 태양광 모듈 및 그의 제조 방법, 또한 그와 같은 태양광 모듈에서 확산 차단부의 용도에 관한 것이다.
태양광을 직접 전기 에너지로 전환시키기 위한 광기전 층 시스템은 공지되어 있다. 그들은 통상적으로 "태양광 전지"라 불리운다. "박막 태양광 전지"는 충분한 안정성을 위해 캐리어 기판을 필요로 하며, 두께가 단지 수 마이크론에 이르는 얇은 층 시스템을 이른다. 공지된 캐리어 기판은 무기 유리, 플라스틱 (중합체) 또는 금속, 특히 합금을 포함하며, 각 층 두께 및 특정 재료 특성에 따라 경성 플레이트 또는 가용성 필름으로 설계된다.
기술적 취급 품질 및 효율 수준을 고려하여, 반도체 층으로서 무정형, 미세결정형 또는 다결정형 규소, 카드뮴 텔루라이드 (CdTe), 갈륨 아르세나이드 (GaAs) 또는 캘코피라이트 화합물, 특히 화학식 Cu(In,Ga)(S,Se)2로 약칭되는 구리-인듐/갈륨-황/셀레늄을 포함하는 박막 태양광 전지가 바람직한 것으로 나타났으며, 특히, 구리-인듐-디셀레나이드 (CuInSe2 또는 CIS)는 그의 밴드 갭 (band gap)이 태양광 스팩트럼에 적합하여 특히 높은 흡수 계수를 갖는 것으로 알려져 있다.
기술적으로 유용한 출력 전압을 얻기 위하여, 다수의 태양광 전지가 서로 직렬 연결되어, 박막 태양광 모듈은 박막 태양광 전지가 대면적으로 (모놀리드형으로) 통합 연결된 유리한 형태를 제공한다. 박막 태양광 전지의 직렬 연결은 특허 문헌에 이미 다수회 기재된 바 있다. 예를 들어, 공보 DE 4324318 C1을 참조할 수 있다.
일반적으로, 박막 태양광 전지를 생산하기 위하여 층들을 캐리어 기판에 직접 적용시키며, 기판은 그 자체가 접착 촉진 접착제 필름에 의해 전면 투명 커버층에 결합되어 내후성 광기전 또는 태양광 모듈을 형성한다. 이러한 과정을 "라미네이션"이라 한다. 커버층 재료로는, 예컨대, 철 함량이 낮은 소다 석회 유리가 선택된다. 접착-촉진 중합체 필름은, 예를 들어, 에틸렌 비닐 아세테이트 (EVA), 폴리비닐 부티랄 (PVB), 폴리에틸렌 (PE), 폴리에틸렌 아크릴 공중합체 또는 폴리아크릴아미드 (PA)로 된다. 최근 수 년간, PVB 접착제 필름이 라미네이트된 시트 구조물이 있는 박막 태양광 모듈에 더 많이 사용되고 있는 추세이다.
라미네이트된 박막 태양광 모듈에 있어서, 노화에 의해 유발되는 직렬 저항의 연속적인 증가가 관찰될 수 있으며, 이는 수 천 시간 동안의 사용 수명 이후에는 점차적으로 적어도 대략 일정한 값에 이른다. 이러한 노화의 결과 태양광 모듈의 효율 수준의 바람직하지 못한 열화가 일어난다.
본 발명의 목적은, 이와는 달리, 노화로 인한 전력 손실이 감소된 태양광 모듈을 제공하려는 것이다. 이와 같은 목적 및 다른 목적은 본 발명에 따라서 특허청구범위에 기재된 특징을 갖는 태양광 모듈, 그의 제조 방법, 및 그와 같은 태양광 모듈에 확산 차단부를 사용하는 것에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 실시양태는 종속청구항에 기재된 특징에 의한다.
본 발명에 따라서, 태양광 모듈, 특히 박막 태양광 모듈이 제공된다. 태양광 모듈은 하나 이상의 (플라스틱) 접착제 층에 의해 서로 결합된 두 개의 기판, 및 이들 기판 사이에 배치된, 바람직하게는 서로 직렬 연결되어 일체의 형을 이룬 태양광 전지, 특히 박막 태양광 전지로 된 라미네이트된 복합체를 포함한다. 두 기판 사이에 배치된 태양광 전지는 층 구조물을 구조화하여 생산된다. 따라서, 태양광 전지는 각각 반도체 재료로 된 흡수재 영역을 가지며, 이는 흡수재 영역의 광 입사면에 배치된 전면 전극과 후면 전극 사이에 배치된다. 반도체 재료는 바람직하게는 캘코피라이트 (chalcopyrite) 화합물로 이루어지며, 이는 특히 구리 인듐/갈륨 디설퍼/디셀레나이드 (Cu(In,Ga)(S,Se)2) 군으로부터 선택되는 I-III-VI-반도체 재료, 예를 들어, 구리 인듐 디셀레나이드 (CuInSe2 또는 CIS) 또는 관련 화합물일 수 있다. 반도체 재료는 통상적으로는 도판트 이온, 예를 들어, 나트륨 이온으로 도핑된다.
후면 캐리어 기판은 바람직하게는 접착제 층, 예를 들어, PVB에 의해, 반도체 흡수재 범위 내의 전자기선 (예를 들어, 태양광)에 대해 가능한 한 투명한 전면 커버층, 예를 들어, 유리판에 접착 결합되며, 태양광 전지는 캐리어 기판 상에 접착제 층 중에 매립되어 배치된다.
각 태양광 전지의 흡수재 영역과 접착제 층 사이에 확산 차단부 (차단층)가 배치되는 것이 필수적이며, 차단층은 물 분자가 접착제 층으로부터 흡수재 영역으로 확산되고/거나 도판트 이온이 흡수재 영역으로부터 접착제 층으로 확산되는 것을 억제하기 위한 것이다. 확산 차단부의 재료는 전면 전극의 재료와 상이하다. 이러한 목적을 위한 확산 차단부의 층 두께 또는 적절한 층 두께는 물 분자 및/또는 도판트 이온의 확산이 억제될 수 있는 두께이다. 층 두께는 확산 차단부 재료에 따라 달라진다.
특정 이론에 구애됨이 없이, 본 명세서 도입부에 기재된 바와 같이 연결된 태양광 전지의 직렬 저항 증가의 실질적인 원인은 물 분자가 접착제 층으로부터 태양광 전지의 반도체 재료 내로 확산되는 현상, 및/또는 도판트 이온이 흡수재 영역으로부터 접착제 층 내로 확산되는 현상인 것으로 추측된다. 물 분자 및 도판트 이온의 확산적 수송은 반도체 재료의 전기적 특성에 변화를 가져오는데, 즉, 한편으로는 도판트 이온이 반도체 재료로부터 빠져나가고, 다른 한편으로는 물 분자가 반도체 재료 내의 도판트 이온에 결합한다. 예를 들어, PVB는 천당 한 자릿수 범위에 이르는 물 분율을 갖지만, 이 또한 전력 손실과 관련하여 바람직하지 못한 효과를 나타내기에 충분하다고 볼 수 있다. 따라서, 본 출원인은 먼저 태양광 모듈의 노화에 따라 관찰되는 전력 손실이 물 분자 및/또는 도판트 이온의 확산 수송으로 인한 태양광 전지의 반도체 재료의 전기적 특성의 변화에 기인한다는 것을 밝혀냈다. 접착제 층과 흡수재 영역 사이의 확산 차단부에 의해, 물 분자 및/또는 도판트 이온의 확산 수송은 적어도 대부분, 특히 완전히 방지됨으로써, 노화에 기인한 태양광 모듈의 전력 손실이 신뢰성 있고 확실하게 감소될 수 있었다.
태양광 모듈의 전력이 태양광 전지의 확산 차단부에 의해 적어도 실질적으로 부정적인 효과를 나타내지 않게 하기 위해서, 확산 차단부의 재료는 태양광 전지의 흡수 범위 내의 전자기선 (예를 들어, 태양광)에 대해 투과성인 (투명한) 것으로 선택되어야 한다. "투과성"이란 문제가 되는 파장 범위, 즉 반도체의 흡수 범위 (CIGS의 경우, 380 nm 내지 130 nm)에 대하여, 적어도 70% 초과, 바람직하게는 80% 초과, 특히 바람직하게는 90%를 초과하는 투광율을 의미한다.
본 발명에 따른 태양광 모듈에서, 태양광 전지의 확산 차단부의 재료 및 두께는, 물 분자 및/또는 도판트 이온의 확산이, 특히 적어도 실질적으로 완전하게 방지되는 것이 보장되는 한 원칙적으로 자유롭게 선택될 수 있다. 재료는 일반적으로 유기 또는 무기 재료일 수 있다. 바람직하게는, 확산 차단부의 재료는 양호한 작업성이라는 공정 기술상 장점을 제공하는 무기 재료이며, 이에 의해 화학적 증착 (CVD) 또는 물리적 증착 (PVD)과 같은 가스상으로부터의 퇴적 또는 스퍼터링 공정이 가능하기 때문이다. 이와는 달리, 유기 재료는 전형적으로는 습식-화학적 퇴적을 필요로 하며, 이는 태양광 모듈의 생산을 위한 공정 라인으로 통합시키기가 어려우며, 여러 가지 공정 기술상 단점이 있다.
태양광 전지의 확산 차단부의 무기 재료는 바람직하게는 1종 이상의 금속 산화물이다. 본 출원인에 의한 실험에 따르면, 금속 산화물에 의해서 물 분자 및 도판트 이온의 확산 수송이 특히 효과적으로 방지될 수 있는 것으로 나타났다.
유리하게는, 확산 차단부는 각각 하나 이상의 금속 산화물로 된 층과 하나 이상의 금속 질화물로 된 층을 교대로 포함하며, 예를 들어, 주석 아연 산화물로 된 하나 이상의 층과 질화규소로 된 하나 이상의 층이 교대로 배열된 층 순서를 포함한다. 본 출원인에 의한 실험에 따르면, 물 분자 및 도판트 이온의 확산 수송은 각종 재료가 교대로 배치된 순서, 즉, 항상 상이한 그레인 성장과 관련이 있는 층 순서에 의해서 특히 효과적으로 방지될 수 있는 것으로 나타났다. 한편으로, 금속 산화물 및 금속 질화물은 매우 양호한 작업성을 특징으로 하며, 그 층들은 가스상으로부터 퇴적되거나 스퍼터링 공정에 의해 퇴적될 수 있으므로 확산 차단부의 생성은 태양광 모듈의 생산 공정 내로 비교적 간편하고 경제적으로 통합될 수 있다. 또한, 그러한 확산 차단부는 본 발명에 따라 바람직한, 예컨대, 캘코피라이트 화합물을 기재로 하는 반도체 재료의 흡수 범위 내의 전자기선 (예를 들어, 태양광)에 대한 투명성이 우수하다.
물 분자 및 도판트 이온의 확산적 수송을 억제하거나 방지하는 차단층으로서의 특성을 위하여, 확산 차단부의 층 두께는 선택된 재료의 함수로서 고려되어야 한다. 본 출원인에 의한 실험에 따르면, 확산 차단부 재료로서 금속 산화물을 사용하는 경우 약 50 nm 이하의 층 두께에서는 실질적으로 확산 억제 효과가 검출되지 않는 것으로 나타났다. 바람직하게는, 금속 산화물로 된 확산 차단부의 층 두께는 50 nm를 초과, 특히 100 nm를 초과한다.
전자기선에 대한 확산 차단부의 투과도는 층 두께가 증가함에 따라 증가되므로, 물 분자 및 도판트 이온의 확산 수송에 대한 차단층으로서 동시에 양호한 효과를 나타내는 가능한 한 작은 층 두께가 다른 한편으로는 유리하다. 바람직하게는, 확산 차단부의 층 두께는 50 nm 초과 내지 200 nm, 특히 100 nm 초과 내지 200 nm이다. 본 출원인에 의한 금속 산화물에 대한 실험에 따르면, 놀랍게도 적어도 일부 재료에 있어서는, 두께가 100 nm를 넘어 추가로 증가함에 따라 물 분자 및 도판트 이온의 차단층으로서 작용과 관련하여 실질적으로 더 이상의 효과는 나타나지 않는 것으로 나타났다. 따라서, 확산 차단부의 층 두께는 유리하게는 50 nm 초과 내지 100 nm, 특히 50 nm 초과 내지 100 nm 미만, 특히 75 nm 내지 100 nm, 보다 특히 75 nm 내지 100 nm 미만이다.
본 발명에 따른 태양광 모듈에서, 확산 차단부는 흡수재 영역과 접착제 층 사이에 존재한다. 확산 차단부는 이러한 목적으로 전면 전극과 흡수재 영역 사이에 배치된다. 태양광 전지의 전면 전극/흡수재 영역 전이 영역 중 전기적 특성의 관점에서 유리한 실시양태에서, 확산 차단부는 전면 전극과 접착제 층 사이에 배치된다.
태양광 전지, 특히 박막 태양광 전지의 전형적인 생산 방법에서, 후면 전극은 후면 전극층에 제1 층 트렌치를 형성시킴으로써, 흡수재 영역은 반도체 층 내에 제2 층 트렌치를 형성시킴으로써, 전면 전극은 전면 전극층 내에 제3 층 트렌치를 형성시킴으로써 생성된다. 여기서, 원칙적으로는 확산 차단부 재료가 전면 전극을 구조화하기 위하여 마지막으로 형성된 제3 층 트렌치 내에 존재할 수 있으며, 임의로는 태양광 모듈의 활성 영역, 즉, 흡수재 영역은 접착제 층으로부터 확산 차단부에 의해 완전히 분리된다. 또 다른 실시양태에서, 확산 차단부 재료는 제3 층 트렌치 내부에 존재하지 않으며, 즉, 제3 층 트렌치는 확산 차단부 재료를 함유하지 않는다. 그와 같은 태양광 모듈은 후면 전극 형성을 위한 제1 층 트렌치가 있는 후면 전극층, 흡수재 영역 형성을 위한 제2 층 트렌치가 있는 반도체 층, 전면 전극 형성을 위한 제3 층 트렌치가 있는 전면 전극층을 포함하며, 태양광 전지의 확산 차단부는 제3 층 트렌치 외부에 존재한다.
이러한 수단은 확산 차단부를 생성하기 위한 차단층이, 예컨대, 전면 전극층 위에 전면 전극을 형성시키기 위한 제3 층 트렌치를 생성하기 전에라도 퇴적될 수 있다는 공정 기술상의 장점을 갖는다. 따라서, 차단층을 적용하기 위한 또 다른 코팅 시스템이 없어도 되며, 이는 태양광 모듈 생산에 있어서 상당한 비용 감소로 이어진다. 본 출원인에 의한 실험에 따르면, 제3 층 트렌치 영역 내에서는 접착제 층과 흡수재 영역 사이에서 허용되는 물 분자와 도판트 이온의 확산적 수송이 무시할 수 있을 정도로 작으므로, 직렬 저항에 있어서 실질적인 증가는 없는 것으로 나타났다.
본 발명은 또한 상기한 바와 같은 태양광 모듈, 특히 박막 태양광 모듈을 제조하는 방법으로서, 전면 전극과는 상이한 확산 차단부를 흡수재 영역과 접착제 층 사이에 배치시키는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다.
본 방법의 유리한 실시양태에서, 확산 차단부 형성을 위한 차단층은 화학적 또는 물리적 증착에 의하거나 스퍼터링에 의해 생성되며, 이에 의해 확산 차단부의 생성 공정을 태양광 모듈의 생산 공정에 경제적이고 또한 공정 기술상 간편한 방법으로 통합시킬 수 있다.
확산 차단부는 각 경우에 원칙적으로 개별층으로서 또는 2종 이상의 상이한 재료로 된 복수 개의 층을 퇴적시켜 생성될 수 있다. 본 방법의 유리한 실시양태에서, 확산 차단부의 형성을 위한 차단층은 하나 이상의 금속 산화물 층을 퇴적시켜 생성될 수 있다. 유리하게는, 차단층은 하나 이상의 금속 산화물 층과 하나 이상의 금속 질화물 층을 교대로 퇴적시켜 생성된다.
본 방법의 유리한 실시양태에서, 후면 전극은 후면 전극층에 제1 층 트렌치를 형성시킴으로써, 흡수재 영역은 반도체 층 내에 제2 층 트렌치를 형성시킴으로써, 전면 전극은 전면 전극층 내에 제3 층 트렌치를 형성시킴으로써 생성되며, 확산 차단부를 생성하는 역할을 하는 차단층은 전면 전극을 형성하는 역할을 하는 전면 전극층 상에 퇴적된다. 또한, 차단층은 전면 전극과 전면 전극을 서로 분리시키는 제3 층 트렌치 상에 퇴적될 수 있다.
본 발명에서, 태양광 전지의 흡수재 영역과 접착제 층 사이에 배치된 확산 차단부는, 예컨대, 차단층을 구조화시켜 형성된, 서로 분리되어 있는 층 부분들일 수 있다는 것이 명확히 되어야 한다. 그러나, 확산 차단부는 하나의 연속되는 차단층으로 된 층 부분일 수도 있다.
본 발명은 또한 상기한 바와 같은 태양광 모듈에서 상기한 바와 같은 확산 차단부의 용도에 관한 것이다. 태양광 모듈은 하나 이상의 접착제 층에 의해 서로 결합된 두 개의 기판, 및 이들 기판 사이에 직렬 연결 배치되어 있으며, 각각 반도체 재료로 된 흡수재 영역을, 흡수재 영역의 광 입사면에 배치된 전면 전극과 후면 전극 사이에 갖는 태양광 전지의 라미네이트된 복합체를 구비하고, 확산 차단부는 전면 전극과는 재료가 상이하고, 흡수재 영역과 접착층 사이에 배치되며, 물 분자가 접착제 층으로부터 흡수재 영역 내로 확산되고/거나 도판트 이온이 흡수재 영역으로부터 접착제 층 내로 확산되는 것을 억제하도록 구현된다. 본 발명에 따른 용도는 상기한 바와 같은 모든 확산 차단부 뿐만 아니라 상기한 바와 같은 모든 태양광 전지에 적용되며, 중복을 피하기 위하여 그에 대한 기재를 원용한다.
본 발명은 이하 첨부된 도면을 참조하여 예시적 실시양태를 통해 상세히 설명된다. 도면은 축적에 따르지 않고 간략하고 단순하게 표현된 것이다.
도 1은 예시적 박막 태양광 모듈을 개략적으로 도시하고 있다.
도 2 및 3은 각종 확산 차단부의 작용을 나타낸 다이아그램이다.
도 1은 전체로서 도면 번호 (1)로 표시된 박막 태양광 모듈을 도시하고 있다. 박막 태양광 모듈 (1)은 서로 직렬 연결된 수 개의 박막 태양광 전지 (2)를 일체화된 형태로 포함하며, 간략하게 표현하기 위하여, 도 1에는 단지 2개의 박막 태양광 전지 (2)가 도시되어 있다. 박막 태양광 모듈 (1) 내에 다수 (예를 들어, 약 100개)의 박막 태양광 전지 (2)가 직렬 연결되어 있다는 것을 이해하여야 한다.
박막 태양광 모듈 (1)은 라미네이트된 시트 구조를 가지며, 즉, 전기 절연 제1 (캐리어) 기판 (3), 및 제1 기판 (3)의 광 입사 표면 상에 배열된 박층들로 된 층 구조물 (4)을 갖는다. 광기전 전류 발생의 목적으로 박막 태양광 전지 (2)에 입사되는, 태양광과 같은 전자기선 (13)은 화살표로 표시되어 있다. 층 구조물 (4)은 증착, 즉, 가스상으로부터 화학적 증착 (CVD) 또는 물리적 증착 (PVD)에 의하거나, 스퍼터링 (자기장-보조 캐소드 스퍼터링)에 의해 생성될 수 있다. 제1 기판 (3)은 본 실시양태에서 투광율이 비교적 낮은 경성 유리판으로 실시되었으나, 요구되는 강도를 가지며 수행되는 공정 단계에 불활성 거동을 나타내는 기타 전기 절연 재료를 마찬가지로 사용할 수 있다.
박막 태양광 전지 (2)는 각각 제1 기판 (3)의 광 입사 표면 상에 배치된 후면 전극 (5), 후면 전극 (5) 상에 배치된 광기전 활성 반도체 또는 흡수재 영역 (6), 반도체 영역 (6) 상에 배치된 버퍼 (buffer) 영역 (7), 및 버퍼 영역 (7) 상에 배치된 전면 전극 (8)을 갖는다. 헤테로접합, 즉, 상반되는 도체 타입의 층 순서가 버퍼 영역 (7) 및 흡수재 영역 (6)과 전면 전극 (8)에 의해 형성된다. 버퍼 영역 (7)은 흡수재 영역 (6)의 반도체 재료와 전면 전극 (8)의 재료 사이에서 전자 적응 효과를 나타낸다. 또한, 확산 차단부 (9)가 전면 전극 (8) 상에 배치되며, 이에 의해 물 분자와 도판트 이온 (예를 들어, 나트륨 이온)의 확산 수송이 적어도 거의 완전하게, 특히 완벽하게 방지될 수 있다.
박막 태양광 전지 (2)를 서로 직렬 연결시켜 일체화된 형태로 형성시키기 위하여, 층 구조물 (4)의 각 층을 제1 기판 (3) 상에, 예컨대, 드로싱 (drossing) 또는 스크래칭 (scratching)과 같은 레이저 라이팅 (writing) 및 머시닝 (machining)의 적절한 구조화 기술을 사용하여 구조화한다. 중요한 것은 광활성 면적의 손실이 가능한 한 낮아야 하고, 사용되는 구조화 기술이 제거될 재료에 대해 선택적이어야 한다. 전형적으로는, 각 박막 태양광 전지 (2)에 대하여 그와 같은 구조화는 P1, P2, P3로 약칭되는 세 개의 구조화 단계를 갖는다.
먼저, 예를 들어, 몰리브덴 (Mo)과 같은 불투명 금속으로 된 후면 전극층 (19)을 제1 기판 (3) 상에 부착시킨다. 후면 전극층 (19)의 층 두께는, 예를 들어, 300 nm 내지 600 nm, 특히 약 500 nm이다.
제1 구조화 단계 P1에서, 후면 전극층 (19)을 제1 층 트렌치 (16)를 생성시켜 단속 (interruption)시킴으로써 후면 전극 (5)을 형성시킨다.
다음, 반도체 층 (21)을 후면 전극 (5) 및 후면 전극들 (5)을 서로 분리하는 제1 층 트렌치 (16) 상에 퇴적시킨다. 반도체 층 (21)은 도판트 이온 (금속 이온)으로 도핑된 반도체로 이루어지며, 그의 밴드 갭은 바람직하게는 가능한 한 최대 비율의 태양광을 흡수할 수 있는 것이다. 반도체 층 (21)은, 예를 들어, p-도전성 캘코피라이트 반도체, 예를 들어, Cu(In,Ga)(S,Se)2의 군으로부터 선택되는 화합물, 특히 나트륨 (Na)-도핑된 Cu(In,Ga)(S,Se)2로 이루어진다. 반도체 층 (21)의 층 두께는, 예를 들어, 1 내지 5 μm, 특히 약 2 μm이다. 제1 층 트렌치 (16)는 반도체 층 (21)의 적용 중에 반도체 재료로 채워진다. 이어서, 버퍼층 (23)이 반도체 층 (21) 위에 퇴적된다. 버퍼층 (23)은 본 실시양태에서 단층의 황화카드뮴 (CdS) 및 단층의 순수 산화아연 (i-ZnO)으로 이루어지나, 도 1에 상세히 도시되어 있지는 않다.
이어서, 제2 구조화 단계 P2에서, 두 개의 반도체 층, 즉, 반도체 층 (21)과 버퍼층 (23)이 제2 층 트렌치 (17)의 생성에 의해 단속되며, 이에 의해 반도체 영역 (6)과 버퍼 영역 (7)이 형성된다.
그 다음, 전면 전극층 (20)을 버퍼 영역 (7) 및 버퍼 영역 (7)과 반도체 영역 (6)을 서로 분리시키는 제2 층 트렌치 (17) 상에 퇴적시킨다. 전면 전극층 (20)의 재료는 반도체 층 (21)의 흡수 범위, 예를 들어, 가시광선 스펙트럼 범위의 전자기선에 투명함으로써, 입사 전자기선 (13)이 단지 약간만 약화된다. 전면 전극층 (20)은, 예를 들어, 도핑된 금속 산화물, 예컨대, n-도전성 알루미늄 (Al)-도핑된 산화아연 (ZnO)을 기재로 할 수 있다. 그러한 전면 전극층 (20)은 일반적으로 TCO-층 (TCO = 투명 도전성 산화물)이라 불리운다. 전면 전극층 (20)의 층 두께는, 예를 들어, 약 500 nm이다. 제2 층 트렌치 (16)는 전면 전극층 (20)의 적용시에 그러한 층의 도전성 재료로 채워진다.
다음, 차단층 (22)을 전면 전극층 (20) 상에, 예를 들어, 증착 또는 스퍼터링에 의해 퇴적시킨다. 차단층 (22)은 바람직하게는 무기 재료, 특히 하나 이상의 금속 산화물 층, 바람직하게는 금속 산화물 층과 금속 질화물 층이 교대하는 층 순서, 예를 들어, 주석 아연 산화물로 된 하나 이상의 층 및 질화규소로 된 하나 이상의 층으로 된 교대층으로 이루어진다. 차단층 (22)의 층 두께는 바람직하게는 50 nm를 초과하며, 예를 들어, 50 nm 초과 내지 200 nm, 특히 75 nm 내지 100 nm, 특히 75 nm 내지 100 nm 미만이다. 또한, 차단층 (22)은 전면 전극층 (20)과 반도체 층 (21) 사이에 배치될 수도 있다.
제3 구조화 단계 P3에서, 차단층 (22)과 전면 전극층 (20)을 제3 층 트렌치 (18)를 생성하여 단속시킴으로써, 전면 전극 (8)과 확산 차단부 (9)가 형성된다. 또한, 제3 층 트렌치 (18)를 제1 기판 (3)에 이르기까지 하방으로 연장시키는 것을 고려할 수도 있다.
다양한 재료를 반도체 재료로 전환시키는 것은 퍼니스 중에서의 가열 (RTP = 급속 가열 공정)을 통하여 이루어지며, 이러한 기술은 그 자체로 당업자에게 알려진 것이므로 본 명세서에서 상세히 논의하지는 않는다.
도시된 예에서, 박막 태양광 모듈 (1) 내에 생성된 양전압 단자 (+) 및 음전압 단자 (-)는 후면 전극 (5) 위로 가이드되어 전기 접속된다. 박막 태양광 전지 (2)에 빛을 조사함으로써, 두 전압 단자에 전압이 생성된다. 생성된 전류 경로 (14)는 도 1에 화살표로 도시되어 있다.
환경적 영향으로부터 보호하기 위하여, 박막 태양광 전지 (2)가 적용되어 있는 제1 기판 (3)은 제2 기판 (11)에 결합되어 내후성 복합체를 형성한다. 이러한 목적으로, (플라스틱) 접착제 층 (10)이 전면 전극 (8) 및 전면 전극 (8)을 서로 분리시키는 제3 층 트렌치 (18) 상에 적용되며, 접착제 층은 층 구조물 (4)을 캡슐화하는 작용을 한다. 제3 층 트렌치 (18)는 접착제 층 (10)의 적용 도중에 그러한 층의 절연 재료로 채워진다.
제2 기판 (11)은 전자기선 (13)에 투명한 전면 커버층으로서, 예를 들어, 철 함량이 낮은 초투명 유리로 된 유리판의 형태로 실시되며, 요구되는 강도를 가지며 수행되는 공정 단계에 불활성 거동을 나타내는 기타 전기 절연 재료를 마찬가지로 사용할 수 있다. 제2 기판 (11)은 층 구조물 (4)를 밀봉하고 기계적으로 보호하는 작용을 한다. 박막 태양광 모듈 (1)은 모듈 전면 (15)을 통해 조사되어 전기적 에너지를 생산할 수 있다.
두 개의 기판 (3, 11)은 접착제 층 (10)에 의해 고정 결합 ("라미네이트")되며, 도시된 예에서 접착제 층 (10)은 열가소성 접착제 층, 즉, 가열을 통해 가소적으로 변형이 되며 냉각시 두 개의 기판 (3)과 (11)을 서로 고정 결합시키는 층으로 실시된다. 접착제 층 (10)은, 본 발명에서, 예를 들어, PVB로 이루어진다. 두 개의 기판 (3, 11) 및 접착제 층 (10) 안에 매립된 박막 태양광 전지 (2)가 함께 라미네이트된 복합체 (12)를 형성한다. 천당 한 자릿수 범위에 해당하는 분율의 물이, 예를 들어, PVB로 이루어진 접착제 층 (10)에 함유된다. 물 분자가 접착제 층(10)으로부터 흡수재 영역 (6) 내로 확산 수송되는 것은 적어도 대부분 확산 차단부 (9)에 의해 방지될 수 있다. 마찬가지로, 도판트 이온 (예를 들어, 나트륨 이온)이 흡수재 영역 (6)으로부터 접착제 층 (10)내로 확산되는 것이 확산 차단부 (9)에 의해 적어도 대부분 방지될 수 있다. 이에 의해, 박막 태양광 모듈 (1)의 전력 손실이 감소될 수 있다. 물 분자와 도판트 이온의 확산성 수송이 제3 층 트렌치 영역 (18) 내에서 일어날 수 있지만, 무시할 수 있는 정도이다.
도 2는 도 1에 도시되어 있는 박막 태양광 모듈 (1)에 대한 개략적 측정 다이아그램을 사용하여, 각종 확산 차단부 (9)에 대하여, 연결된 박막 태양광 전지 (2)의 초기 가동시의 직렬 저항 (T = 0)에 대한 상대적 직렬 저항 Rs(rel)을, 가동 시간 또는 사용 수명 T (h, 시)의 함수로서 나타낸 것이다. 박막 태양광 모듈 (1)에서, 두 개의 기판 (3, 11)이 접착제 층 (10)으로서 PVB로 라미네이트되었다. 흡수재 영역 (6)은, p-도전성 캘코피라이트 반도체, 이 경우에는, 예를 들어, 나트륨 (Na)-도핑된 Cu(In,Ga)(S,Se)2으로 이루어졌다.
측정을 위하여, 박막 태양광 모듈 (1)을 건조 환경 중 약 85 ℃로 가열하여 가속화 노화처리하였다.
측정 곡선은 각종 박막 태양광 모듈 (1)에 대한 것으로, 각 경우에 단지 확산 차단부 (9)만이 변화되었다. 구체적으로, 측정 곡선은 다음과 같은 박막 태양광 모듈 (1)에 대한 것이다:
측정 곡선 (1): SnZnO로 된 층 두께 50 nm의 확산 차단부 (50SnZnO)
측정 곡선 (2): SiN으로 된 층 두께 50 nm의 확산 차단부 (50SiN)
측정 곡선 (3): SiN으로 된 층 두께 100 nm의 확산 차단부 (100SiN)
측정 곡선 (4): 층 두께 50 nm의 SnZnO 층 및 층 두께 50 nm의 SiN 층으로 된 확산 차단부 (50 + 50)
측정 곡선 (5): SnZnO으로 된 층 두께 200 nm의 확산 차단부 (200SnZnO)
측정 곡선 (6): SnZnO으로 된 층 두께 100 nm의 확산 차단부 (100SnZnO)
측정 곡선 (7): 4개의 층으로 된 확산 차단부로서, SnZnO 층과 SiN 층이 교대로 배열되며, 각 층의 두께는 25 nm인 확산 차단부 (4*25)
대조로서 다음과 같은 층을 측정하였다:
측정 곡선 (0): 확산 차단부가 없는 박막 태양광 모듈 (1) (차단부 없음)
측정 곡선 (0)으로부터, 박막 태양광 모듈 (1)의 상대 직렬 저항이 노화로 인하여 연속적으로 증가하며, 포화 거동이 관찰될 수 있다는 것을 알 수 있다. 약 14000 시간의 사용 수명 후에, 직렬 저항은 실질적으로 증가하지 않는다. 이의 원인으로 추측되는 것은 PVB 접착제 층 (10)으로부터 물 분자가 흡수재 영역 (6) 내부로 확산되어 들어가고, 나트륨 이온이 흡수재 영역 (6) 외부로 확산되어 접착제 층 (10)으로 들어가기 때문이다. 노화 중에, 직렬 저항은 박막 태양광 모듈 (1)의 초기 가동시 출발 값의 3.5 내지 4배로 증가한다.
측정 곡선 (1) 내지 (3)의 측정점은 서로 비교적 가까이 있으며, 대조 측정 곡선 (0)의 측정점과 적어도 상당히 차이나는 것은 아니다. SnZnO로 된 50-nm-두께의 확산 차단부는 박막 태양광 모듈 (1)의 직렬 저항에 있어서의 증가의 감소와 관련하여 실질적으로 어떠한 효과도 갖지 않는다. SiN으로 된 50-nm-두께의 확산 차단부 및 SiN으로 된 100-nm-두께의 확산 차단부에 대해서도 마찬가지이다.
이에 비하여, 측정 곡선 (4) 내지 (7)에서, 박막 태양광 모듈 (1)의 직렬 저항에 있어서의 증가의 감소와 관련하여 명확한 효과가 관찰된다. 이와 같이, 각각 50-nm-두께의 SnZnO 층 및 50-nm-두께의 SiN 층으로 이루어진 100-nm-두께의 확산 차단부, SnZnO로 된 100-nm-두께 또는 200-nm-두께의 확산 차단부 뿐만 아니라 각각 네 개의 25-nm-두께의 SnZnO 층과 SiN 층이 교대로 배열된 100-nm-두께의 확산 차단부에 의해서, 직렬 저항의 증가는 상당히 감소될 수 있다.
측정 곡선 (4) 내지 (7)은 비교적 서로 근접하여 있으며, 서로 적어도 상당히 차이나는 것은 아니다. 노화 도중, 직렬 저항은 박막 태양광 모듈 (1)의 초기 가동시 출발 값의 단지 약 2 내지 2.5배로 증가하여, 그와 같은 확산 차단부에 의해 직렬 저항에 있어서의 증가가 약 50% 감소될 수 있었다. 이의 원인으로 추측되는 것은 태양광 전지의 확산 차단부를 통한 물 분자와 나트륨 이온의 확산 수송의 억제이다.
이와 같이, SnZnO로 된 확산 차단부에 있어서, 양호한 확산 억제 효과는 층 두께가 50 nm를 넘는 경우에만, 특히 100 nm 및 200 nm의 층 두께에서 얻어질 수 있으며, 100 nm 또는 200 nm의 층 두께에서 더 이상의 실질적인 차이는 관찰되지 않았다. 상응하는 양호한 효과가 또한 SnZnO와 SiN이 조합하여 함유된 확산 차단부에서 관찰되었으며, 총 층 두께 100 nm의 확산 차단부에 있어서, 50-nm-두께의 SnZnO 층 또는 두 개의 25-nm-두께의 SnZnO 층은 양호한 확산 억제 효과를 얻기에 충분하였다. 확산 차단부를 재료가 교대하도록 복수 개의 층으로 분할함으로써 특히 양호한 확산 억제 효과가 얻어질 수 있다.
도 3은 측정 곡선 (0) 내지 (7)에 대하여, 박막 태양광 모듈 (1)의 초기 가동시의 박막 태양광 모듈 (1)의 효율 수준 (T = 0)에 대한 상대적 효율 수준 Eta(rel)을, 가동 시간 또는 사용 수명 T (h, 시)의 함수로서 나타낸 것이다.
따라서, 효율 수준은 노화를 통해 약 20 내지 25% 감소된다는 것을 알 수 있다. 이는 SnZnO 또는 SiN으로 된 50-nm-두께의 확산 차단부에 대해서도 마찬가지이다. SiN으로 된 100-nm-두께의 확산 차단부에 대해서는 비교적 낮은 효과가 관찰되었으며, 여기서 효율 수준은 약 18% 감소된 것이었다. 100-nm-두께의 SnZnO로 된 확산 차단부에 있어서, 효율 수준의 감소는 약 13%였다. 최상의 결과는 측정 곡선 (4) 내지 (7)의 확산 차단부에 대하여 얻어졌으며, 박막 태양광 모듈의 효율 수준은 단지 약 10% 감소되었다. 따라서, 적절한 확산 차단부에 의해서, 효율 수준에 있어서의 감소는 약 50% 감소될 수 있다.
본 발명은 태양광 전지의 흡수재 영역과 접착제 층 사이에서 물 분자와 도판트 이온에 대한 확산 차단부에 의해 노화-유도된 전력 손실이 감소될 수 있는 태양광 모듈, 특히 박막 태양광 모듈, 및 그의 제조 방법을 제공한다. 확산 차단부의 생성은 태양광 전지의 산업적 생산 라인에 간편하고 경제적으로 통합될 수 있다.
(1) 박막 태양광 모듈
(2) 박막 태양광 전지
(3) 제1 기판
(4) 층 구조물
(5) 후면 전극
(6) 흡수재 영역
(7) 버퍼 영역
(8) 전면 전극
(9) 확산 차단부
(10) 접착제 층
(11) 제2 기판
(12) 복합체
(13) 전자기선
(14) 전류 경로
(15) 모듈 표면
(16) 제1 층 트렌치
(17) 제2 층 트렌치
(18) 제3 층 트렌치
(19) 후면 전극층
(20) 전면 전극층
(21) 반도체 층
(22) 차단층
(23) 버퍼층

Claims (15)

  1. 하나 이상의 접착제 층 (10)에 의해 서로 결합된 2개의 기판 (3, 11), 및 직렬 연결되고 각각 반도체 재료로 된 흡수재 영역 (6)을 흡수재 영역 (6)의 광 입사면 상에 배치된 전면 전극 (8) 및 후면 전극 (5) 사이에 갖는, 상기 기판 사이의 태양광 전지 (2)의 라미네이트된 복합체 (12)를 구비하고, 전면 전극 (8)과는 상이한 확산 차단부 (9)가 흡수재 영역 (6)과 접착제 층 (10) 사이에 배치되고, 확산 차단부는 물 분자가 접착제 층 (10)으로부터 흡수재 영역 (6) 내로 확산되고/거나 도판트 이온이 흡수재 영역 (6)으로부터 접착제 층 (10) 내로 확산되는 것을 억제하도록 구현된 것인 태양광 모듈 (1).
  2. 제1항에 있어서, 확산 차단부 (9)가 하나 이상의 금속 산화물 층을 포함하는 태양광 모듈 (1).
  3. 제2항에 있어서, 확산 차단부 (9)가 하나 이상의 금속 산화물 층과 하나 이상의 금속 질화물 층을 교대로 포함하는 태양광 모듈 (1).
  4. 제3항에 있어서, 확산 차단부 (9)가 주석 아연 산화물로 된 하나 이상의 층과 질화규소로 된 하나 이상의 층이 교대로 배치된 순서로 이루어진 태양광 모듈 (1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 확산 차단부 (9)의 층 두께가 50 nm 초과, 특히 50 nm 초과 내지 200 nm의 범위, 특히 75 nm 내지 100 nm의 범위인 태양광 모듈 (1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 확산 차단부 (9)가 전면 전극 (8)과 접착제 층 (10) 사이에 배치되는 태양광 모듈 (1).
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 확산 차단부 (9)가 전면 전극 (8)과 흡수재 영역 (6) 사이에 배치되는 태양광 모듈 (1).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 후면 전극 (5)을 형성하기 위한 제1 층 트렌치 (16)가 있는 후면 전극층 (19),
    - 흡수재 영역 (6)을 형성하기 위한 제2 층 트렌치 (17)가 있는 반도체 층 (21),
    - 전면 전극 (8)을 형성하기 위한 제3 층 트렌치 (18)가 있는 전면 전극층 (20)
    을 포함하고,
    태양광 전지 (2)의 확산 차단부 (9)가 제3 층 트렌치 (18) 외부에 배치되는 태양광 모듈 (1).
  9. 하나 이상의 접착제 층 (10)에 의해 서로 결합된 2개의 기판 (3, 11), 및 직렬 연결되고 각각 반도체 재료로 된 흡수재 영역 (6)을 흡수재 영역 (6)의 광 입사면 상에 배치된 전면 전극 (8) 및 후면 전극 (5) 사이에 갖는, 상기 기판 사이의 태양광 전지 (2)의 라미네이트된 복합체 (12)를 구비하고, 각 태양광 전지 (2) 내에 전면 전극 (8)과는 상이한 확산 차단부 (9)가 흡수재 영역 (6)과 접착제 층 (10) 사이에 배치되고, 확산 차단부는 물 분자가 접착제 층 (10)으로부터 흡수재 영역 (6) 내로 확산되고/거나 도판트 이온이 흡수재 영역 (6)으로부터 접착제 층 (10) 내로 확산되는 것을 억제하도록 구현되는 태양광 모듈 (1)의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서, 태양광 전지 (2)의 확산 차단부 (9)를 형성하기 위한 차단층 (22)이 화학적 또는 물리적 증착 또는 자기장 보조 캐소드 스퍼터링에 의해 생성되는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 태양광 전지 (2)의 확산 차단부 (9)를 형성하기 위한 차단층 (22)이 하나 이상의 금속 산화물 층을 퇴적시켜 생성되는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 태양광 전지 (2)의 확산 차단부 (9)를 형성하기 위한 차단층 (22)이 하나 이상의 금속 산화물 층과 하나 이상의 금속 질화물 층을 교대로 퇴적시켜 생성되는 방법.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 후면 전극 (5)은 후면 전극층 (19) 내에 제1 층 트렌치 (16)를 형성시켜 생성되고; 흡수재 영역 (6)은 반도체 층 (21) 내에 제2 층 트렌치 (17)를 형성시켜 생성되고; 전면 전극 (8)은 전면 전극층 (20) 내에 제3 층 트렌치 (18)를 형성시켜 생성되며; 차단층 (22)은 전면 전극 (8)을 생성하는 역할을 하는 전면 전극층 (20) 상에 퇴적되는 방법.
  14. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 후면 전극 (5)은 후면 전극층 (19) 내에 제1 층 트렌치 (16)를 형성시켜 생성되고; 흡수재 영역 (6)은 반도체 층 (21) 내에 제2 층 트렌치 (17)를 형성시켜 생성되고; 전면 전극 (8)은 전면 전극층 (20) 내에 제3 층 트렌치 (18)를 형성시켜 생성되며; 차단층 (22)은 전면 전극 (8)과 제3 층 트렌치 (18) 상에 퇴적되는 방법.
  15. 하나 이상의 접착제 층 (10)에 의해 서로 결합된 2개의 기판 (3, 11), 및 직렬 연결되고 각각 반도체 재료로 된 흡수재 영역 (6)을 흡수재 영역 (6)의 광 입사면 상에 배치된 전면 전극 (8) 및 후면 전극 (5) 사이에 갖는, 상기 기판 사이의 태양광 전지 (2)의 라미네이트된 복합체 (12)를 구비하는 태양광 모듈 (1) 내 확산 차단부 (9)의 용도로서, 확산 차단부 (1)는 전면 전극 (8)과는 상이하고, 흡수재 영역 (6)과 접착제 층 (10) 사이에 배치되고, 확산 차단부는 물 분자가 접착제 층 (10)으로부터 흡수재 영역 (6) 내로 확산되고/거나 도판트 이온이 흡수재 영역 (6)으로부터 접착제 층 (10) 내로 확산되는 것을 억제하기 위한 목적으로 구현되는 용도.
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