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KR101703829B1 - 다수의 접합 및 다수의 전극을 갖는 광기전력 전지들을 제조하기 위한 방법 - Google Patents

다수의 접합 및 다수의 전극을 갖는 광기전력 전지들을 제조하기 위한 방법 Download PDF

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KR101703829B1
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마르끄 베르미르슈
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토탈 마케팅 서비스
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Abstract

본 발명은 적어도 2개의 광기전력 전지(160, 260)의 조립체; 및 각각의 광기전력 전지 사이에 삽입된 라미네이션 재료(300)를 포함하는 광기전력 장치에 관한 것으로서, 각각의 광기전력 전지는 2개의 전류 출력 단자(185, 185'); 적어도 하나의 광기전력 접합(150, 250); 전류 수집 버스들(180, 180'); 및 전류 수집 버스들로부터 전류 출력 단자들로 연장하는 접속 스트립들(190, 190')을 포함하고, 모든 전류 출력 단자들은 광기전력 장치의 단일 표면 상에 배치된다.

Description

다수의 접합 및 다수의 전극을 갖는 광기전력 전지들을 제조하기 위한 방법{METHOD FOR MANUFACTURING PHOTOVOLTAIC CELLS WITH MULTIPLE JUNCTIONS AND MULTIPLE ELECTRODES}
본 발명은 광기전력 장치들의 분야, 더 구체적으로는 탠덤 전지(tandem cell)라고 하는 것들을 포함하는 다중 접합 장치들에 관한 것이다. 본 발명은 다수의 전극을 갖는 전지들을 포함하는 광기전력 장치들의 제조에 관한 것으로서, 이러한 장치들에서는, 모든 전극들에 대한 직접 액세스를 허가하고 그러한 전극들 사이의 단락의 위험을 제거하는 다중 전극 광기전력 모듈을 제조하기 위해, 독립 기판들 상에 증착된 복수의 광기전력 전지가 연관된다.
공지된 바와 같이, 광기전력 발전기(PVG)는 직렬 및/또는 병렬로 접속된 복수의 광기전력 전지(PV)를 포함한다. 광기전력 전지는 광 에너지를 흡수하여 이를 전력으로 변환하도록 설계된 반도체 다이오드(p-n 또는 p-i-n 접합)이다. 반도체의 의해 광자들이 흡수될 때, 광자들은 그들의 에너지를 p-n 접합의 원자들로 전달하여 이러한 원자들의 전자들을 자유롭게 하여 자유 전자들(n형 전하) 및 정공들(p형 전하)을 생성한다. 이어서, 접합의 2개(p형 및 n형) 층 사이에 전위차가 발생한다. 이 전위차는 전지의 양극 단자와 음극 단자 사이에서 측정될 수 있다. 전지의 최대 전압은 통상적으로 0의 전류(개방 회로)에 대해 약 0.6V이며, 전지에 의해 전달될 수 있는 최대 전류는 전지에 의해 수신되는 태양광의 레벨에 크게 의존한다.
"탠덤-접합 광기전력 전지"라는 표현은 전지에 의해 흡수되는 태양 스펙트럼의 대역폭을 증가시키기 위해 하나의 접합을 다른 하나의 접합 위에 적층(stack)한 2개의 간단한 접합으로 구성되는 다중 접합 전지를 지시한다. 기술에 따라, 2개의 접합은 서로 직접 접촉하거나, 투명한 도전성 산화물의 중간 막을 통해 간접 접촉할 수 있다. 후자의 경우, 2개의 접합 사이 중간의 투명한 도전성 산화물은 다수의 반사를 통해 광의 광학 경로 길이를 증가시키기 위한 중간 반사기로서 작용한다. 도 1은 입사 광의 경로를 따르는 단면에서 직접 접촉하는 비정질 실리콘(a-Si:H)으로 제조된 제1 접합 및 미정질(microcrystalline) 실리콘(μc-Si:H)으로 제조된 제2 접합으로 구성된 탠덤 전지의 개략도를 도시한다. 도 1에서 다양한 막들의 상대적인 두께들은 축척으로 도시되지 않았다. 다양한 재료들이 물리 기상 증착(PVD) 또는 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)에 의해 유리 기판(10) 상에 박막들로서 증착된다. 따라서, 제1 투명 도전성 전극(11), 전면 광기전력 전지를 형성하는 제1 단순 p-i-n 접합(15), 배면 광기전력 전지를 형성하는 제2 단순 p-i-n 접합(16), 제2 투명 도전성 전극(12) 및 배면 반사기(20)가 연속적으로 증착된다. 제조와 관련된 실질적인 이유로, 탠덤 전지 아키텍처들은 현재 전지들이 무기, 유기 또는 하이브리드(무기/유기)인지에 관계없이 박막 기술이라고 하는 기술로 주로 생산된다. 박막 기술들에서는, 생성되는 전류를 수집하기 위한 전극들(11, 12)의 적절한 시퀀스들 및 액티브 막들(15, 16)을 연속적으로 증착함으로써 광기전력 전지들의 물리적 중첩이 달성된다.
탠덤 전지들은 주로 이들의 전기 변환 효율로 인해 광기전력 장치 분야에서 중요한 고급 기술로서 간주된다. 특히, 탠덤 아키텍처들의 형성은 에너지가 시프트된 각각의 흡수 대역들을 갖는 2개의 광기전력 전지를 (입사 광의 예상 방향에 대해) 물리적으로 중첩시키는 것으로 이루어진다. 전지들을 광학적으로 결합하는 것은 분리된 전지들의 흡수 대역폭보다 큰 전체 흡수 대역폭을 갖는 어레이(즉, 탠덤)를 제공한다. 따라서, 이러한 광학 흡수가 전기 에너지로 변환되고 추출될 수 있는 경우에 전기 변환 효율이 향상된다.
도 2는 실리콘 박막들로 제조된 탠덤 전지에 대해 %로 표현된 변환 효율을 나타내는 그래프이다. 중첩된 전지들(전면 전지에 대해 "상부 전지" 및 배면 전지에 대해 "하부 전지")의 각각의 흡수 대역들 및 전지의 전체 흡수 대역("중첩")이 도시된다. 탠덤 전지 기술은 광기전력 발전기들의 에너지 성능을 향상시키는 한 가지 방법이다. 따라서, 지난 수년간 다양한 탠덤 전지 아키텍처들이 개발되어 왔다. 독자는 예를 들어 문헌들 EP-A-1 906 457, US-A-2008/0023059 또는 WO 2004/112161을 참조할 수 있다. 이러한 문헌들 각각은 어레이에 의해 흡수되는 에너지를 증가시키기 위한 광기전력 재료들의 다양한 조립체들을 제공한다.
전술한 탠덤 전지들은 이중 결합, 즉 태양 스펙트럼의 다양한 대역들에서의 액티브 광기전력 전지들의 적층으로 인한 광학적 결합; 및 2개의 접합의 직접 또는 간접 접촉을 통한 전기적 결합, 및 탠덤의 단부들에서의 2개의 전극의 존재에 의해 특성화된다.
탠덤 전지의 전기적 결합의 주요 단점은 탠덤을 형성하는 광기전력 전지들에 의해 생성되는 전류들이 어떠한 태양 조건들에서도 매칭되어야 한다는 것이다. 이러한 이상적인 경우는 사실상 가능하지 않은데, 그 이유는 각각의 전지에 의해 생성되는 전류가 이들이 액티브 상태인 스펙트럼의 영역에 의도적으로 의존하고, 태양 조건들에 따라 변하기 때문이다. 이것은 탠덤 전지가 본질적으로 그의 요소들 중 가장 약한 요소에 의해 제한된다는 것을 의미한다. 전류에 대한 그러한 제한은 탠덤 전지의 이론적인 효율을 크게 저하시킨다.
따라서, 탠덤 전지의 접합들을 전기적으로 분리하는 것이 제안되었다. 탠덤의 광기전력 전지들은 광학적으로는 계속 결합되지만, 전기적으로는 분리된다. 각각의 접합은 2개의 전극과 연관되며, 따라서 4개의 전극, 즉 2개의 탠덤 접합 각각에 대한 2개의 전극을 갖는 탠덤 광기전력 전지가 얻어진다. 광에 투명하고 전기적으로 절연성인 재료의 막이 인접하는 접합들의 전극들 사이에 삽입된다.
탠덤 전지의 전극들은 일반적으로 DC 전압을 메인 그리드에 적합한 AC 전압으로 변환하기 위한 전자 장치에 전류 출력 단자들을 경유하여, 접합 박스를 통해 전기적으로 접속된다. 이러한 장치는 또한 광기전력 전지들의 어레이가 제어되거나, 또는 심지어 전지들의 각각이 독립적으로 제어될 수 있게 한다. 광기전력 전지의 2개의 전류 출력 단자는 일반적으로 2개의 접합 박스에서 광기전력 전지의 대향 면들 상에 또는 단일 접합 박스에서 전지의 중심에 배치된다. 문헌 US 4 461 922의 도 1은 모듈의 대향 면들 상에 배치된 전류 출력 단자들을 갖는 모듈을 형성하는 2개의 중첩된 탠덤 전지를 도시한다. 따라서, 모듈의 제어는 2개의 접합 박스가 모듈의 대향 면들 상에 배치되는 것을 필요로 한다. 모듈의 대향 면들 상에 접합 박스들을 배열하는 것은 모듈 및 접합 박스들로 구성되는 조립체를 대형화하는 단점을 갖는다.
더구나, 2개의 동일한 광기전력 전지가 직접 중첩될 때, 전류 출력 단자들은 예를 들어 광에 투명하고 2개의 인접 광기전력 전지 사이에 삽입되는 절연성 재료의 막의 두께와 동일한 매우 작은 거리에 의해서만 분리된다. 이러한 두께는 약 1 밀리미터 이하이다. 따라서, 이러한 광기전력 전지들의 중첩은 2개의 전지 각각에 속하는 전기 콘택 스트립들의 중첩 및 형성되는 4-와이어 광기전력 전지 내의 단락의 위험을 수반한다. 게다가, 2개의 인접 광기전력 전지 내에 배치된 주어진 극성의 전극들을 분리하는 작은 공간으로 인해 전극들에 대한 접근이 어려워진다. 따라서, 이들을 접합 박스에 접속하기가 어렵다.
따라서, 전지들 각각의 전류 수집 스트립들 사이의 단락 위험이 가능한 한 적고 단일 접합 박스를 통해 제어될 수 있는 다중 접합 및 다중 단자 광기전력 장치가 필요하다. 특히, 각각의 광기전력 전지의 전류 출력 단자들을 접합 박스에 접합하는 것을 더 쉽게 하는 다중 접합 광기전력 장치를 제조하기 위한 방법이 필요하다.
이러한 목적을 위해, 본 발명은 광기전력 장치로서,
- 적어도 2개의 광기전력 전지(160, 260)의 조립체,
- 각각의 광기전력 전지 사이에 배치된 라미네이션 중간층(lamination interlayer)(300)
을 포함하고,
각각의 광기전력 전지는
○ 2개의 전류 출력 단자(185, 185'),
○ 적어도 하나의 광기전력 접합(150, 250),
○ 전류 수집 버스들(180, 180'), 및
○ 상기 전류 수집 버스들로부터 상기 전류 출력 단자들로 연장하는 접속 스트립들(190, 190')
을 포함하고,
전류 출력을 위한 상기 출력 단자들 모두는 상기 광기전력 장치의 동일 면 상에 배치되는 광기전력 장치를 제공한다.
일 실시예에 따르면, 상기 장치는 평행 육면체 형상을 가지며, 상기 전류 출력 단자들은 상기 평행 육면체의 측면들 중 하나 상에 배치되고, 상기 전류 출력 단자들은 서로에 대해 시프트된다.
다른 실시예에 따르면, 상기 장치는 평행 육면체 형상을 가지며, 상기 전류 출력 단자들은 상기 평행 육면체의 하면 또는 상면 상에 배치된다. 상기 전류 출력 단자들은 바람직하게는 상기 장치의 측면 가까이에 정렬된다.
다른 실시예에 따르면, 상기 전류 출력 단자들은 와이어들이다.
다른 실시예에 따르면, 상기 전류 출력 단자들은 상기 접속 스트립들(190, 190')의 단부들에서의 콘택들(500, 500')이다.
다른 실시예에 따르면, 상기 장치는 n개의 광기전력 전지를 포함하고, n은 2 이상이며,
- 전면 광기전력 전지,
- n이 엄밀히 2보다 큰 경우, 적어도 하나의 중간 광기전력 전지(1<i<n),
- 배면 광기전력 전지 n
을 포함하고,
각각의 중간 광기전력 전지 i는 상기 광기전력 전지들 1 내지 (i-1)로부터 오는 연장부들(195, 195')을 통과시키기 위한 2(i-1)개의 개구(351, 352) 및 옵션으로서 상기 광기전력 전지 i로부터의 전류 출력 단자들을 통과시키기 위한 2개의 개구(350, 353)를 포함하고, 상기 배면 광기전력 전지 n은 상기 광기전력 전지들 1 내지 (n-1)로부터 오는 연장부들을 통과시키기 위한 2(n-1)개의 개구(371-376) 및 옵션으로서 상기 광기전력 전지 n으로부터의 전류 출력 단자들을 통과시키기 위한 2개의 개구(370, 377)를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 상기 장치는 n개의 광기전력 전지를 포함하고, n은 2 이상이며,
- 전면 광기전력 전지,
- n이 엄밀히 2보다 큰 경우, 적어도 하나의 중간 광기전력 전지(1<i<n),
- 배면 광기전력 전지 n
을 포함하고,
각각의 중간 광기전력 전지 i는 상기 광기전력 전지들 1 내지 (i-1)의 콘택들이 접합 박스의 플러그들 내에 피팅될 수 있게 하는 2(i-1)개의 개구(351, 352) 및 옵션으로서 상기 광기전력 전지 i의 콘택들이 상기 접합 박스의 플러그들에 피팅될 수 있게 하는 2개의 개구(350, 353)를 포함하고,
각각의 배면 광기전력 전지 n은 상기 광기전력 전지들 1 내지 (n-1)의 콘택들이 상기 접합 박스의 플러그들 내에 피팅될 수 있게 하는 2(n-1)개의 개구(371-376) 및 옵션으로서 상기 광기전력 전지 n의 콘택들이 상기 접합 박스의 플러그들에 피팅될 수 있게 하는 2개의 추가적인 개구(370, 377)를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 상기 배면 광기전력 전지는 광반사 재료의 막(230)을 포함한다. 이것은 지붕 요소, 빌딩용 지붕 또는 빌딩용 불투명 벽 클래딩으로서 사용된다.
다른 실시예에 따르면, 상기 배면 광기전력 전지는 광반사 재료의 막을 포함하지 않는다. 상기 장치는 빌딩용 창 요소로서 사용된다.
다른 실시예에 따르면, 광기전력 접합 재료는 미정질 실리콘, 다정질(polymorphous) 실리콘 및 비정질 실리콘; 카드뮴 황화물 CdS 버퍼층과 연관된 카드뮴 텔루르 화합물 CdTe; 카드뮴 황화물 CdS 또는 인듐 황화물 In2S3 버퍼층과 연관된 황동석들 CuIn1 -xGax(Se, S)2(여기서, x는 0과 1 사이에 있음); 실리콘과 게르마늄의 수소 첨가 비정질 합금들 SixGe1 -x; 및 폴리(3-헥실싸이오펜) 및 [6,6]-페닐-C61-부티르산 메틸 계열의 유기 재료들; 및 이들의 혼합물들을 포함하는 그룹으로부터 선택된다.
다른 실시예에 따르면, 투명 도전성 산화물(TCO)로 구성되는 2개의 전극이 상기 접합의 각각의 면 상에 존재한다.
다른 실시예에 따르면, 상기 전류 출력 단자들은 접합 박스 내에 함께 모아져, 양극 전류 출력 단자들로 구성되는 제1 그룹 및 음극 전류 출력 단자들로 구성되는 제2 그룹을 형성한다.
다른 실시예에 따르면, 상기 전류 출력 단자들은 양극 전극 및 음극 전극으로 구성되는 쌍들로 그룹화되고, 각각의 쌍이 접합 박스 내에 배치되거나, 모든 쌍들이 단일 접합 박스 내에 배치된다. 다른 실시예에 따르면, 광기전력 어레이는 n개의 접합 박스들을 포함한다.
본 발명의 다른 주제는 전술한 바와 같은 장치 및 적어도 하나의 접합 박스를 포함하는 광기전력 어레이이다. 다른 실시예에 따르면, 광기전력 어레이는 단일 접합 박스를 포함한다.
본 발명의 다른 주제는 전술한 바와 같은 광기전력 장치를 제조하기 위한 방법이다. 이 방법은 광기전력 전지들(160, 260) 및 라미네이션 중간층들(300)을 라미네이트하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 방법은
- 전면 광기전력 전지,
- 개구를 갖는 라미네이션 중간층 - 상기 개구들은 상기 전면 광기전력 전지의 전류 출력 단자들에 대면하고, 상기 라미네이션 중간층은 상기 전면 광기전력 전지 상에 피착됨 -,
- 적어도 하나의 중간 광기전력 전지 i - 각각의 중간 광기전력 전지 i는 상기 광기전력 전지들 1 내지 (i-1)로부터 오는 연장부들(195, 195')을 통과시키기 위한 2(i-1)개의 개구(351, 352) 및 옵션으로서 상기 광기전력 전지 i로부터의 전류 출력 단자들을 통과시키기 위한 2개의 개구(350, 353)를 포함함 -,
- 개구를 갖는 라미네이션 중간층 - 상기 개구들은 상기 광기전력 전지 i의 전류 출력 단자들에 대면하고, 상기 라미네이션 중간층은 상기 광기전력 전지 i 상에 피착됨 -,
- 배면 광기전력 전지 n - 상기 배면 광기전력 전지 n은 상기 광기전력 전지들 1 내지 (n-1)로부터 오는 연장부들을 통과시키기 위한 2(n-1)개의 개구(371-376) 및 옵션으로서 상기 광기전력 전지 n으로부터의 전류 출력 단자들을 통과시키기 위한 2개의 개구(370, 377)를 포함함 -
을 적층(stack)하는 단계,
- 연장부들 및 전류 출력 단자들을 상기 개구들을 통해 통과시키는 단계,
- 상기 적층을 라미네이트하는 단계
를 포함하고, 상기 라미네이션은 아마도 각각의 전지 또는 각각의 중간층이 피착된 후의 순차적인 동작들에 의해 얻어지거나, 아마도 상기 전지들 및 상기 중간층들이 조립된 후의 단일 단계에서 얻어진다.
다른 실시예에 따르면, 상기 방법은
- 전면 광기전력 전지,
- 개구를 갖는 라미네이션 중간층 - 상기 개구들은 상기 전면 광기전력 전지의 전류 출력 단자들에 대면하고, 상기 라미네이션 중간층은 상기 전면 광기전력 전지 상에 피착됨 -,
- 적어도 하나의 중간 광기전력 전지 i - 상기 적어도 하나의 중간 광기전력 전지 i는 상기 광기전력 전지들 1 내지 (i-1)의 콘택들이 접합 박스의 플러그들 내에 피팅될 수 있게 하는 2(i-1)개의 개구(351, 352) 및 옵션으로서 상기 광기전력 전지 i의 콘택들이 상기 접합 박스의 플러그들에 피팅될 수 있게 하는 2개의 개구(350, 353)를 포함함 -,
- 개구를 갖는 라미네이션 중간층 - 상기 개구들은 상기 광기전력 전지 i의 전류 출력 단자들에 대면하고, 상기 라미네이션 중간층은 상기 광기전력 전지 i 상에 피착됨 -,
- 배면 광기전력 전지 n - 상기 배면 광기전력 전지 n은 상기 광기전력 전지들 1 내지 (n-1)의 콘택들이 상기 접합 박스의 플러그들 내에 피팅될 수 있게 하는 2(n-1)개의 개구(371-376) 및 옵션으로서 상기 광기전력 전지 n의 콘택들이 상기 접합 박스의 플러그들에 피팅될 수 있게 하는 2개의 추가 개구(370, 377)를 포함함 -
을 적층(stack)하는 단계,
- 상기 적층을 라미네이트하는 단계
를 포함하고, 상기 라미네이션은 아마도 각각의 전지 또는 중간층이 피착된 후의 순차적인 동작들에 의해 얻어지거나, 아마도 상기 전지들 및 상기 중간층들이 조립된 후의 단일 단계에서 얻어진다.
다른 실시예에 따르면, 상기 접속 스트립들(190, 190')은 그들의 단부에 콘택(500, 500')을 구비한다.
다른 실시예에 따르면, 상기 전류 출력 단자들은 와이어들이고, 상기 광기전력 전지들의 외부에 상기 장치의 측면들 중 하나 상에 유지된다.
다른 실시예에 따르면, 상기 광기전력 전지들은 상기 광기전력 전지들의 측면 상에 위치하거나 상기 광기전력 전지들의 측면 상으로 열린 하우징(600) 내에 위치하는 콘택 단자들(500)을 구비한다.
다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 상기 방법은
- 2개의 연장부를 포함하는 전면 광기전력 전지,
- 개구를 갖지 않는 라미네이션 중간층,
- 적어도 하나의 중간 광기전력 전지 i - 각각의 중간 광기전력 전지 i는 상기 광 기전력 전지들 1 내지 (i-1)의 2(i-1)개의 연장부에 대해 시프트된 2개의 연장부를 포함함 -,
- 개구를 갖지 않는 라미네이션 중간층,
- 상기 광기전력 전지들 1 내지 (n-1)의 2(n-1)개의 연장부에 대해 시프트된 2개의 연장부를 포함하는 배면 광기전력 전지 n
을 적층하는 단계 - 상기 연장부들 모두는 상기 광기전력 장치의 동일 면을 지나서 돌출함 -,
상기 적층을 라미네이트하는 단계
를 포함하고, 상기 라미네이션은 아마도 각각의 전지 또는 각각의 중간층이 피착된 후의 순차적인 동작들에 의해 얻어지거나, 아마도 상기 전지들 및 상기 중간층들이 조립된 후의 단일 단계에서 얻어진다.
본 발명의 다른 특징들 및 이점들은 예시적으로 제공되는 본 발명의 실시예들에 대한 아래의 설명을 첨부 도면을 참조하여 읽을 때 명확해질 것이며, 도면들에서:
도 1은 전술한 종래 기술의 탠덤 접합 광기전력 전지를 나타내고,
도 2는 전술한 종래 기술의 탠덤 접합 광기전력 전지에 대한 에너지 효율 그래프를 나타내고,
도 3은 본 발명에 따른 탠덤 접합 광기전력 전지의 개략도이고,
도 4는 본 발명의 방법에 따른 탠덤 전지들의 조립체의 개략도이고,
도 5는 기판들의 면들 A 및 B의 설명이고,
도 6은 광기전력 전지의 면들의 설명으로서, 면 E는 광의 입사면이고, 면 S는 광의 출사면이고,
도 7은 본 발명에 따른 광기전력 장치의 전기 배선의 개략도이고,
도 8은 본 발명에 따른 "배면 전극" 구성의 개략도이고,
도 9는 본 발명에 따른 배선의 동작 도면이고,
도 10a는 본 발명에 따른 조립 전의 "에지면 전극" 구성(또는 "측면 전극들") 내의 4개의 2-전극 전지들의 예시적인 적층을 나타내고,
도 10b는 본 발명에 따른 조립 후의 "에지면 전극" 구성(또는 "측면 전극들") 내의 4개의 2-전극 전지들의 예시적인 적층을 나타내고,
도 10c는 본 발명에 따른 조립 전의 "에지면 전극" 구성(또는 "측면 전극들") 내의 4개의 2-전극 전지들의 예시적인 적층의 개략도를 나타내고,
도 10d는 본 발명에 따른 조립 전의 "에지면 전극" 구성(또는 "측면 전극들") 내의 4개의 2-전극 전지들의 예시적인 적층의 개략도를 나타내고,
도 10e는 본 발명에 따른 조립 후의 "에지면 전극" 구성(또는 "측면 전극들") 내의 4개의 2-전극 전지들의 예시적인 적층의 개략도를 나타내고,
도 11a는 본 발명에 따른 조립 전의 "배면 전극" 구성 내의 4개의 2-전극 전지들의 예시적인 적층을 나타내고,
도 11b는 본 발명에 따른 조립 후의 "배면 전극" 구성 내의 4개의 2-전극 전지들의 예시적인 적층을 나타내고,
도 11c는 본 발명에 따른, 전류 출력 단자들이 광기전력 전지의 축에 대해 오프-센터링된(off-centered) 조립 전의 "배면 전극" 구성 내의 4개의 2-전극 전지들의 예시적인 적층을 나타내고,
도 12a는 "배면 전극" 구성에서 다중 접합 및 다중 전극 전지 내에 배치된, 면 E가 면 A에 대응하고 면 S가 면 B에 대응하도록 적층 내에 배열된, 중간 2 전극 전지 i(1<i<n)로부터 접속 스트립들의 연장부들이 통과하는 통로를 나타내고,
도 12b는 "배면 전극" 구성에서 다중 접합 및 다중 전극 전지 내에 배치된, 면 E가 면 B에 대응하고 면 S가 면 A에 대응하도록 적층 내에 배열된, 중간 2 전극 전지; (1<I<n)로부터 접속 스트립들의 연장부들이 통과하는 통로를 나타내고,
도 13a 및 13b는 광기전력 전지로서, 그의 전류 출력 단자들이 접속 스트립들의 단부들에서의 콘택들이고, 콘택이 광기전력 전지의 에지 면(또는 측면) 상에(도 13a) 또는 광기전력 전지의 에지 면(또는 측면) 상에 위치하는 하우징 내에(도 13b) 위치할 수 있고, 플러그들(400, 400')이 콘택들(500, 500')과 협력하는 광기전력 전지를 나타내고,
도 14a 및 14b는 광기전력 전지로서, 그의 전류 출력 단자들이 접속 스트립들의 단부들에서의 콘택들이고, 콘택이 광기전력 전지의 배면 상에 위치할 수 있고(도 14b), 플러그들(400, 400', 400'', 400''')이 광기전력 전지의 배면 상의 콘택들(500, 500', 500'', 500''')과 협력하는 광기전력 전지를 나타낸다.
본 발명은 n개의 광기전력 전지 각각의 2개의 전극에 대한 직접 액세스를 가능하게 하는 다중 접합 및 다중 전극 광기전력 장치를 제조하기 위한 방법을 제공한다.
먼저, 2개의 전기적으로 분리된 탠덤 접합(4개 전극)을 갖는 광기전력 전지의 구조가 설명되지만, 본 발명의 방법은 n개의 다중 접합 광기전력 전지(n≥2)의 조립체를 포함하는 모듈들을 제조하는 데 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도 3은 전류를 접합 박스로 출력하기 위한 4개의 전극을 갖는 탠덤 접합 광기전력 전지의 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 3은 연속하여(위에서 아래로) 제1 광기전력 접합(150)에 접하는 제1 전극(110) 및 제2 전극(120)을 포함하는 제1 광기전력 전지를 지지하는 제1 기판(100)을 도시한다. 투명하고 전기적으로 절연성인 재료의 막(300)이 제2 광기전력 접합(250)에 접하는 제1 전극(210) 및 제2 전극(220)을 포함하는 제2 전지로부터 제1 광기전력 전지를 분리한다. 제2 광기전력 전지 아래에 배면 반사막(230)이 제공될 수 있다. 마지막으로, 도 3은 제2 기판(200)을 도시한다. 전극들(110, 120, 210, 220)은 접합 박스(50)에 접속된다.
도 4는 개별적으로 제조된 2개의 광기전력 전지를 조립하는 단계를 개략적으로 도시한다. 전지들(160, 260)은 빛에 투명한 수지막(300)의 양면 상에 조립된다. 조립은 예를 들어 라미네이션을 통해 달성될 수 있다.
도 3은 2개의 광기전력 전지로 제한된 조립체를 도시하지만, 모듈은 n개의 광기전력 전지를 포함할 수 있으며, n은 2보다 크다. 이 경우, 3가지 타입의 광기전력 전지, 즉
- 전면 광기전력 전지(i=1), 즉 광선들이 통과하는 첫 번째 전지;
- 중간 광기전력 전지들(1<i<n);
- 배면 광기전력 전지((i=n), 즉 광선들을 수신하기 위한 최종 전지
이 모듈 내에서 구별된다.
각각의 기판은 2개의 면(도 5 참조), 즉
- 광 에너지의 흡수기(접합)가 피착된 면 A;
- 태양 방사선의 광기전력 변환에 고유한 피착물을 갖지 않는 면 B
를 포함한다.
각각의 광기전력 전지는 2개의 면(도 6 참조), 즉
- 태양 방사선이 도달하는 입사 면 E;
- 태양 방사선이 기판 및 다양한 박막들의 어레이를 통과한 후에 떠나거나 태양 방사선이 기판 및 다양한 박막들의 어레이를 통과한 후에 반사되는 출사 면 S
를 포함한다.
독립 전지들의 적층에 대해, 본 발명은
- 전면 2 전극 광기전력 전지(i=1)의 경우, 면 E가 면 B에 대응하고, 면 S가 면 A에 대응하고;
- 각각의 중간 2 전극 광기전력 전지(1<i<n)의 경우, 면 E가 면 B에 대응하고, 면 S가 면 A에 대응하며;
- 배면 2 전극 광기전력 전지의 경우(i=n), 면 E가 면 A에 대응하고, 면 S가 면 B에 대응하는
적층을 설명한다.
그러나, 중간 2 전극 광기전력 전지들((1<i<n)의 경우에, 이들의 일부 또는 전부는 면 E가 면 A에 대응하고 면 S가 면 B에 대응하는 구성으로 배치되는 것도 전적으로 가능하다.
각각의 광기전력 전지는 독립 기판 상에 준비된다.
전면(i=1) 및 중간(1<i<n) 전지들의 기판들은 태양 방사선에 투명하여, 태양 방사선이 적층의 광기전력 전지들 각각의 흡수 재료에 도달할 수 있게 한다.
이러한 기판들은 예를 들어 완전히 유리로 또는 폴리우레탄 또는 폴리카보네이트 또는 폴리메틸 메타크릴레이트와 같은 열가소성 재료로 제조될 수 있다. 이러한 기판들은 광기전력 시스템의 응용에 유용하나 스펙트럼 부분에서 최상의 가능한 투과성을 갖도록 선택된다.
배면 광기전력 전지의 기판이 반드시 투명해야 하는 것은 아니다. 이 기판은 예를 들어 스테인리스 스틸, 유리, 폴리머, 세라믹으로 또는 다수의 이러한 요소들의 합성물로 제조될 수 있다.
기판의 준비
광기전력 전지 i의 제조에 사용되는 기판은 열적으로, 화학적으로, 기계적으로 안정적이며, 2 전극 광기전력 전지 i를 제조하기 위한 모든 방법들 및 프로세스들에, 또한 최종 다중 전극 전지를 제조하기 위한 방법들 및 프로세스들에도 적합하다. 모든 기판들은 동일 치수들을 갖는다.
기판들 상의 광기전력 전지 들의 준비
전면, 중간 및 배면 2 전극 광기전력 전지들의 제조는 간단히 설명되며, 이러한 설명은 상기 전지들의 조립 전에 본 발명에 따른 다중 전극 광기전력 장치의 각 전지의 제조에 적용 가능하다는 것을 이해한다. 최종 다중 전극 광기전력 전지를 형성하는 각각의 2 전극 광기전력 전지의 제조는 사용 장비의 관점에서든 또는 장소의 관점에서든, 완전히 독립적인 생산 라인들에서 수행될 수 있다. 각각의 전지는 임의의 기존 방법에 의해, 특히 기판 상의 박막들의 피착에 의해 제조될 수 있다.
제1 투명 도전성 산화물 기반 전극이 기판 상에 피착된다. 통상적으로, 투명 도전성 산화물 막은 약 0.05㎛ 내지 10㎛의 두께를 가지며, 예를 들어 불소 도핑된 주석 산화물 SnO2:F, 알루미늄 도핑된 아연 산화물 ZnO:Al, 붕소 도핑된 아연 산화물 ZnO:B 또는 인듐 주석 산화물(ITO)에 기초한다. 이 막은 가능한 한 투명하며, 광기전력 전지 i 및 이어지는 광기전력 전지들(i+1 내지 n)의 어레이의 흡수 재료를 형성하는 재료들의 흡수 스펙트럼에 대응하는 파장 범위에서 가능한 한 많은 태양 방사선을 투과시켜, 최종 다중 전극 광기전력 모듈의 전체 변환 효율을 감소시키지 않는다. 이러한 투명 도전성 산화물 막은 예를 들어 캐소드 스퍼터링, 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 또는 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD)에 의해 피착될 수 있다.
배면 2 전극 광기전력 전지(i=n)의 경우, 예를 들어 알루미늄(Al), 은(Ag), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu) 또는 티타늄 질화물(TiN)로 제조될 수 있는 배면 반사기를 사용하는 것도 가능하다. 이러한 배면 반사기는 기판과 제1 투명 도전성 전극 사이에 피착된다. 배면 반사기는 예를 들어 캐소드 스퍼터링 기술을 이용하여 또는 반응성 캐소드 스퍼터링에 의해 피착될 수 있다. 이 실시예는 광기전력 전지 모듈이 집 또는 공장의 지붕 위에 배치되는 응용들에 특히 적합한데, 그 이유는 광이 외부를 향해 반사되게 하기 때문이다.
이어서, 이 투명 도전성 산화물 막은 옵션으로서 예를 들어 플라즈마 에칭 기술을 이용하여 또는 염산 HCl 용액 내의 침수를 통해 화학적으로 텍스처(texture)화되어, 태양 방사선의 광학적 감금을 개선하고, 따라서 최종 다중 전극 광기전력 모듈의 전체 변환 효율을 개선할 수 있다.
이어서, 태양 방사선의 광기전력 변환을 가능하게 하는 흡수 재료가 제1 투명 도전성 전극의 표면 상에 피착된다. 이것은 예를 들어 수소 첨가 비정질 실리콘으로 이루어진 p-i-n 접합 또는 n-i-p 접합 흡수기, 수소 첨가 다정질 실리콘으로 이루어진 p-i-n 접합 또는 n-i-p 접합 흡수기, 또는 (T) 수소 첨가 미정질 실리콘으로 이루어진 p-i-n 접합 또는 n-i-p 접합 흡수기; 또는 비정질 실리콘에 기초하는 제1 p-i-n 접합 및 미정질 실리콘에 기초하는 제2 p-i-n 접합을 갖는 탠덤 접합과 같은 다중 접합 타입의 박막 흡수기; 또는 카드뮴 황화물 CdS로 이루어진 버퍼층과 관련된 카드뮴 텔루르 화합물 CdTe에 기초하는 흡수기; 또는 예를 들어 카드뮴 황화물 CdS 또는 인듐 황화물 In2S3로 이루어진 버퍼층과 연관된 Cu(InxGa1 -x)(Se, S)2(여기서, x는 0과 1 사이에 있음) 합금과 같은 황동석에 기초하는 흡수기; 또는 실리콘과 게르마늄의 수소 첨가 비정질 합금 SixGe1 -x에 기초하는 흡수기; 또는 예를 들어 폴리(3-헥실싸이오펜) 및 [6,6]-페닐-C61-부티르산 메틸 (P3HT/PCBM) 타입의 유기 흡수기일 수 있다.
바람직하게는, 접합들을 제조하는 데 사용되는 재료들은 상이한 태양 방사선 흡수 능력들을 갖는다. 광기전력 전지 i에 사용되는 흡수 재료는 이어지는 광기전력 전지들(i+1 내지 n)의 흡수 재료를 형성하는 재료들의 흡수 스펙트럼에 대응하는 파장 범위에서 투과성이 커서, 최종 다중 전극 광기전력 모듈의 전체 변환 효율을 감소시키지 않는다. 예를 들어, 4 전극 전지(n=2), 즉 2개의 개별 전극을 각각 갖는 2개의 전지로 제조된 전지의 경우, 전면 전지(i=1)에 대해, 수소 첨가 비정질 실리콘으로 제조된 p-i-n 또는 n-i-p 접합으로 이루어진 흡수기를 그리고 배면 전지(i=2)에 대해, 수소 첨가 미정질 실리콘으로 제조된 p-i-n 또는 n-i-p 접합으로 이루어진 흡수기를 선택하는 것이 가능할 것이다.
마지막으로, 흡수기의 표면 상에 제2 투명 도전성 전극이 피착된다. 예를 들어 SnO2:F, ZnO:Al, ZnO:B 또는 ITO에 기초하는 투명 도전성 산화막은 가능한 한 투명하며, 광기전력 전지 i 및 이어지는 광기전력 전지들(i+1 내지 n) 모두의 흡수 재료를 형성하는 재료들의 흡수 스펙트럼에 대응하는 파장 범위에서 태양 방사선에 대해 투과성이 커서, 최종 다중 전극 광기전력 모듈의 전체 변환 효율을 감소시키지 않는다.
공지된 바와 같이, 예를 들어 레이저 에칭, 기계적 에칭 또는 리프트-오프 프로세스에 의해 다양한 박막들을 전지들로 분할하는 단계들 및 다양한 표면들을 세정하는 단계들은 하나의 동일 기판 상에 직렬로 접속된 광기전력 전지들의 네트워크를 형성하기 위해 피착 단계들 사이에 수행될 수 있다. 따라서, 다양한 박막들을 분할하는 이러한 연속 단계들은 기판 표면에 형성되는 다양한 전지들이 분할 단계들 동안에 모놀리식 집적을 통해 직렬로 연관되게 한다. 다양한 표면들을 세정하는 단계들은 피착 단계와 분할 단계 사이에 수행될 수 있다.
막들의 주변을 전기적으로 절연시키는 추가 단계도 기판의 표면 A에 대해 수행될 수 있다. 이러한 절연은 예를 들어 레이저를 이용하는 방법에 의해 수행될 수 있다.
마지막으로, 기판 표면 A 상에 피착된 모든 막들의 스트립을 기판의 주변에서 제거하여, 어떠한 피착물도 없는 존을 정의한다. 이러한 기판 주변에서의 모든 막들의 제거는 한편으로는 흡수 재료들을 외부 환경으로부터 격리하고, 다른 한편으로는 라미네이션 중간층을 그의 주변에서 기판과 직접 접촉시켜 수분 및 산소에 대해 더 양호한 격리를 제공하는 것을 가능하게 한다. 통상적으로, 주변으로부터 제거된 스트립은 10mm와 15mm 사이의 폭을 갖는다.
이러한 주변 상의 막들의 연마는 예를 들어 레이저 연마에 의해 또는 예를 들어 강옥 분말을 사용하는 모래 분사 방법을 이용하거나 연마 휠을 이용하는 기계적 연마에 의해 수행될 수 있다.
광기전력 전지 들의 배선
광기전력 전지들의 전기 배선의 아키텍처는 본 발명을 특성화한다. 도 7-12를 참조한다. 도 7에서, 이 광기전력 전지에 의해 생성되는 전자들을 수집하기 위해 모놀리식 직렬 집적에 의해 전지 i의 양 단부에 전류 수집 버스들(180, 180', 181, 181')이 측방으로 배치된다. 수집 버스들은 기판의 측면 에지들에 걸쳐 연장한다. 이러한 측면 수집 버스들을 배치하기 위하여, 자동 납땜 기계들을 사용하거나, 수동 접속들을 행하는 것도 가능하다.
이어서, 2개의 접속 스트립(190, 190', 191, 191')이 각각의 수집 버스에 접속된다. 각각의 접속 스트립은 2개의 전기 수집 버스와 모듈 외부의 콘택 존들 사이의 링크로서 역할한다. 접속 스트립들은 전류 수집 버스들의 방향에 수직으로 위치하고, 각각 기판의 중심을 향한다. 전류 수집 버스들의 방향에 수직으로 위치하는 접속 스트립의 부분의 길이는 도 7의 도면에 도시된 광기전력 전지들에서 다르다. 특히, 도 7에서, 광기전력 전지 (i)에 고정된 접속 스트립들(191, 191')의 부분은 광기전력 전지 (i-1)에 고정된 접속 스트립들(190, 190')의 부분보다 짧다는 점에 유의할 것이다. 이러한 길이 변화는 전류 출력 단자들(185, 185', 186, 186')의 위치가 시프트되게 한다. 이러한 시프트는 광기전력 전지들의 전류 출력 단자들이 서로의 위에 정렬되지 않는 것을 보장하는 것을 가능하게 하며, 이는 접합 박스에 대한 전류 출력 단자들의 후속 접속을 어렵게 하고, 이러한 단자들 사이의 단락을 유발할 수 있다. 전지 i-1의 접속 스트립들(190, 190')을 연장하여, 상기 스트립들이 전지 i에서 전지 n에 이르는 모든 전지들 및 밀봉제들을 통과하고, 광기전력 전지의 배면으로부터 돌출하게 하는 것이 가능하다. 접속 스트립 연장부들은 도 7에서 참조 번호 195 및 195'가 주어진다. 도 8은 조립된 다중 전극 광기전력 장치를 나타낸다.
도 9는 4개의 광기전력 전지의 적층에 대해 전류 수집 버스들의 방향에 수직인 접속 스트립의 길이가 전면 광기전력 전지로부터 배면 광기전력 전지로 더 작아지는 것으로 도시한다. 전류 수집 버스들의 방향에 수직으로 위치하는 접속 스트립들의 길이들은 주어진 광기전력 전지의 2개의 전극에 대해 동일하다.
기판의 면 A 상에 위치하는 전극의 2개의 접속 스트립을 전기적으로 절연하는 것이 필요하다. 이를 행하기 위해, 절연 재료의 스트립이 면 A와 2개의 접속 스트립 사이에 배치된다.
바람직한 실시예에 따르면, 전류 출력 단자들은 기판으로부터 돌출하고, 기판에 평행한 면에 위치한다. 이것은 "에지 면 전극" 구성으로 알려져 있다(도 10a 및 10b). 전지 i의 전류 출력 단자들은 이들이 기판들 및 밀봉제의 에지 면(또는 측면)으로부터 돌출하도록 연장된다. 광기전력 전지들의 적층으로 이루어진 장치는 상면, 하면 및 4개의 측면을 포함하는 평행 육면체 형상을 갖는다. 상면은 광을 수신하는 면이다. "에지 면 전극" 구성은 광기전력 장치의 측면들 중 하나로부터 나온 전류 출력 단자들에 대응한다. 광기전력 장치의 다양한 요소들의 조립 후, 전류 출력 단자들(185, 186, 187, 188, 185', 186', 187', 188')은 서로에 대해 시프트된다는 점에 유의할 것이다. "시프트된 전류 출력 단자들"이라는 표현은 광기전력 장치의 상면에 의해 형성되는 평면에 수직인 주어진 평면 내에 어떠한 2개의 전류 출력 단자도 위치하지 않는다는 것을 의미하는 것으로 이해된다.
광기전력 장치의 에지 면(또는 측면)에 대해 여전히 접속이 행해지는 상이한 실시예에서는, 접속 스트립들의 단부들에 위치하는 콘택들(500, 500')과 협력하는 플러그들(400, 400')을 제공하는 것이 가능하다(도 13a 및 13b). 콘택들은 광기전력 전지의 에지 면(또는 측면) 상에 또는 광기전력 전지의 에지 면(또는 측면) 상에 위치하는 하우징(600, 600') 내에 위치할 수 있다.
도 10c, 10d 및 10e에 도시된 것과 같은 실시예를 구상하는 것도 가능하며, 이러한 실시예에서 전류 수집 버스들의 방향에 수직으로 위치하는 접속 스트립 길이들은 주어진 광기전력 전지의 2개의 전극에 대해 상이하다.
다른 바람직한 실시예에 따르면, 전류 출력 단자들은 기판으로부터 돌출하고, 기판에 수직인 평면 내에 위치한다. 이것은 "배면 전극" 구성으로 알려져 있다(도 11a, 11b 및 11c). 따라서, "배면 전극" 구성은 광기전력 전지의 하면으로부터 나온 전류 출력 단자들에 대응한다.
전극들이 전지의 에지 면(또는 측면) 상에 위치하는 다중 접합 및 다중 전극 광기전력 전지의 제조의 경우에, 기판들이 사전에 드릴링될 필요는 없다.
전극들이 전지의 배면 상에 위치하는 다중 접합 및 다중 전극 광기전력 전지의 제조의 경우에는, 기판이 사전에 준비되는 것이 필요하다. 그 이유는 2개의 개별 전극을 갖는 각각의 광기전력 전지의 전극들이 모듈의 배면에 도달하게 하기 위해 기판들(i=2 내지 n)을 드릴링하여 전류 출력 단자들이 통과할 구멍들을 형성해야 하기 때문이다(도 11a). 전지(2)는 4개의 구멍(350, 351, 352, 353)을 포함한다. 전지(3)는 6개의 구멍(360, 361, 362, 363)을 포함한다. 배면 전지는 8개의 구멍(370, 371, 372, 373, 374, 375, 376, 377)을 포함한다. 주어진 전지에 대해, 구멍들의 세트의 단부들에 각각 위치하는 2개의 구멍의 존재는 옵션이다. 그 이유는 이러한 2개의 구멍은 접속 스트립들이 광기전력 전지의 하면 상에 배치되는 경우에는 존재하지 않을 수 있기 때문이다. 그러나, 접속 스트립들이 광기전력 전지의 상면에 배치되는 경우에는 그들의 존재가 필요하다. 전면 전지 (i=1)의 기판은 드릴링된 구멍을 갖지 않는다. 그 이유는 전면 전지가 최종 다중 전극 광기전력 전지에 대한 커버 역할을 하기 때문이다. 게다가, 전지 i의 접속 스트립들의 내부 단부들은 밀봉제 i 내에 존재하는 구멍들과 대응한다(도 11a). 도 7과 관련하여 설명된 바와 같이, 전지 i의 접속 스트립들을 연장하여, 접속 스트립이 모든 기판들 및 밀봉제들을 통과하고, 다중 전극 광기전력 전지의 배면으로부터 돌출하게 하는 것이 가능하다.
접속 스트립들(195, 195')을 연장하기 위해 연장부들을 사용할 때, 이러한 연장부들이 기판의 면 S로부터 나오는 것을 보증하는 것이 중요하다. 이 경우, 중간 2 전극 광기전력 전지 i(1<i<n)가 적층 내에 배치되어, 면 E가 면 A에 대응하고, 면 S가 면 B에 대응할 때, 광기전력 전지 i의 접속 스트립들의 연장부들이 기판 i 내에 드릴링되고 이러한 목적을 위해 제공된 구멍들을 통과하는 것을 보장하는 것이 필요하다(도 12a).
중간 2 전극 광기전력 전지 i(1<i<n)가 적층 내에 배치되어, 면 E가 면 B에 대응하고, 면 S가 면 A에 대응할 때, 광기전력 전지 i의 접속 스트립들의 연장부들은 기판 i 내의 구멍들을 통과하지 않는다(도 12b).
중간 2 전극 광기전력 전지 i(1<i<n)가 적층 내에 배치되어, 면 E가 면 B에 대응하고, 면 S가 면 A에 대응할 때, 광기전력 전지 i를 지지하는 기판 i는 기판의 에지들 중 하나에 평행한 라인 내에 사전에 드릴링된 2i개의 구멍을 포함할 것이다. 이러한 기판의 경우, 2(i-1)개의 중앙 구멍들은 중간층 (i-1) 내에 드릴링된 구멍들에 대응한다. 기판은 그러한 구멍들 양쪽에 2개의 추가 구멍을 포함할 수 있다.
중간 2 전극 광기전력 전지 i(1<i<n)가 적층 내에 배치되어, 면 E가 면 A에 대응하고, 면 S가 면 B에 대응할 때, 광기전력 전지 i를 지지하는 기판 i는 기판의 에지들 중 하나에 평행한 라인 내에 사전에 드릴링된 2(i-1)개의 구멍을 포함할 것이다. 이러한 기판의 경우, 2(i-1)개의 중앙 구멍들은 중간층 i 내에 드릴링된 구멍들에 대응한다.
배면 전지 (i=n)의 기판은 기판의 에지들 중 하나에 평행한 라인 내에 드릴링된 2n개의 구멍을 포함할 것이다. 이 기판에 대해, 2(n-1)개의 중앙 구멍들은 중간층 (n-1) 내에 드릴링된 구멍들에 대응한다. 기판은 또한 이러한 구멍들의 양쪽에 2개의 추가 구멍을 포함할 수 있다.
최종 다중 전극 광기전력 모듈의 전체 변환 효율을 감소시키지 않기 위해, 전지들 각각의 수집 버스들 및 전류 출력 단자들을 동일 장소에 배치하는 것이 바람직하다.
접속 스트립 연장부들을 사용하지 않는 것이 가능하다. 그러면, 각각의 광기전력 전직과 접합 박스 사이의 전기적 접속은 광기전력 전지의 배면 상에 배치된 콘택들(500, 500')과 협력하는 상이한 길이들의 플러그들(400, 400')에 의해 가능해진다(도 14a 및 14b).
다양한 수집 버스들 및 접속 스트립들의 배치 및 납땜은 수동으로 수행될 수 있다. 그러나, 통상적으로 이러한 작업은 자동 시스템을 이용하여 수행된다. 전기 수집 버스들 및 전류 출력 단자들은 니켈로 커버된 은 리본들, 은으로 커버된 니켈 리본들, 주석 구슬들, 주석으로 커버된 구리 리본들, 구리로 커버된 주석 리본들 또는 광기전력 전지에 의해 생성되는 전류가 운반되게 하고 광기전력 전지의 전극들에 납땜될 수 있는 임의의 다른 재료와 같은 금속 스트립들일 수 있다.
라미네이션 중간층들의 선택
전면, 중간 및 배면 광기전력 전지들 각각이 독립적으로 제조되면, 이들은 (밀봉제) 라미네이션 중간층을 통해 서로 결합된다.
2개의 전극 전지를 다중 접합 및 다중 전극 전지로 결합하기 위해 선택되는 라미네이션 중간층은
- 기계적 보호를 제공하고,
- 수증기 및 산소에 대한 장벽으로서 작용하고,
- 전기적 분리를 제공하고,
- 충격 흡수기로서 작용하고,
- 전지의 재료들의 부식의 소스가 아니고,
- 접착성을 가져야 한다.
이러한 선택은 예를 들어 에틸렌/비닐 아세테이트(EVA), 폴리우레탄 수지(PUR), 폴리아크릴레이트 수지 또는 실리콘 수지와 같은 탄성 중합체들 및 예를 들어 폴리비닐 부티랄(PVB), 폴리우레탄 열가소성 물질(PUT) 및 소정의 개질된 폴리올레핀(EPDM, DMP)과 같은 열가소성 물질들로부터 이루어질 수 있다. 다른 라미네이션 중간층들, 예를 들어 Tedlar®, Nuvasil® 또는 Tefzel® 타입의 플라스틱 또는 UV 경화 코팅들 및 이들의 조합이 EVA와 함께 또는 그 대신에 사용될 수 있다.
라미네이션 중간층은 가능한 한 투명하며, 광기전력 전지 i 및 이어지는 광기전력 전지들(i+1 내지 n) 모두의 흡수 재료를 형성하는 재료들의 흡수 스펙트럼에 대응하는 파장 범위에서 태양 방사선에 대해 투과성이 커서, 광기전력 모듈의 효율을 감소시키지 않는다.
밀봉제들의 준비
모든 밀봉제들은 기판들과 크기가 동일하다.
전지의 에지 면(또는 측면) 상에 전극들이 위치하는 다중 접합 및 다중 전극 광기전력 전지를 제조할 때, 밀봉제들이 미리 준비될 필요는 없다(도 10a 및 10b).
전지의 배면 상에 전극들이 위치하는 다중 접합 및 다중 전극 광기전력 전지를 제조할 때는 밀봉제들이 미리 준비되는 것이 필요하다. 그 이유는 2개의 개별 전극을 갖는 각각의 광기전력 전지의 전극들이 모듈의 배면에 도달하기 위해 밀봉제들 i=1 내지 (n-1)이 구멍들을 갖도록 드릴링되기 때문이다(도 11a, 11b, 11c).
일반적으로, 전지 i의 기판과 전지 (i+1)의 기판 사이에 위치하는 밀봉제 i는 기판의 에지들 중 하나에 평행한 라인 내에 미리 드릴링된 2i개의 구멍을 포함할 것이다. 이러한 기판의 경우, 2(i-1)개의 중앙 구멍들은 기판 i 내에 드릴링된 구멍들에 대응한다.
특히 수분에 대해 기판들 i 및 (i+1) 사이에 추가적인 밀봉을 제공하기 위해 아마도 봉입제 또는 봉입 수지도 각 기판 사이에, 기판 i의 면 S의 주변에 또는 기판 (i+1)의 면 E의 주변에 배치될 것이다. 이러한 봉입제 또는 봉입 수지는 예를 들어 에틸렌/비닐 아세테이트 또는 폴리이소부틸렌 또는 예를 들어 폴리우레탄, 폴리설파이드 또는 실리콘 수지 계열의 마스틱(mastic)과 같은 고융점 폴리머일 수 있다.
게다가, 배면 기판의 구멍들 내의 납땜 연결부들은 환경에 대한 추가적인 보호를 제공하기 위해 예를 들어 에폭시드로 커버될 수도 있다.
독립적인 2 전극 광기전력 전지 들 및 라미네이션 중간층들로부터의 다중 접합 및 다중 전극 광기전력 전지 의 조립
다양한 2 전극 광기전력 전지들이 서로 결합된다. 이를 행하기 위해, 광기전력 전지(1)의 면 S의 표면 상에 라미네이션 중간층(1)이 배치된다. 이어서, 전지(2)의 면 E가 라미네이션 중간층(1) 상에 배치된다. 일반적으로, 광기전력 전지들을 결합하기 위해, 라미네이션 중간층 i가 광기전력 전지 i의 면 S의 표면 상에 피착된다. 마지막으로, 광기전력 전지 n의 면 E가 라미네이션 중간층 (n-1)의 표면 상에 배치된다.
전지의 배면 상에 전극들이 위치하는 다중 접합 및 다중 전극 광기전력 전지를 제조할 때, 이러한 다양한 2 전극 광기전력 전지들을 결합하는 단계 동안, 라미네이션 중간층 i를 배치할 때, 라미네이션 중간층 i 내에 제공된 구멍들이 i개의 이전 전지들의 접속 스트립들의 내부 단부들에 대응하는 것을 보증하는 것이 필요하다. 또한, 전지 i를 배치할 때, 중간층 (i-1)의 구멍들이 기판 i의 구멍들과 대응하는 것을 보장하는 것이 중요하다.
전지의 배면 상에 전극들이 위치하는 다중 전극 전지가 접속 스트립 연장부들을 사용할 때, i-1개의 선행 전지들의 접속 스트립들의 연장부들이 라미네이션 중간층 i 내의 대응하는 구멍들을 통과하는 것을 보증하고, 광기전력 전지 i의 접속 스트립들의 2개의 연장부들을 라미네이션 중간층 i 내의 2개의 자유로운 구멍을 통과시키는 것이 필요하다. 또한, 전지 i를 배치할 때, 중간층 (i-1)의 구멍들이 기판 i의 구멍들에 대응하는 것을 보증하는 것이 중요하다(도 11a).
광기전력 전지에 대해 전지의 에지 면(또는 측면)을 통해 접촉이 이루어지는 경우에, 기판 i의 에지 면(또는 측면) 상에 위치하는 광기전력 전지 i의 2개의 전극의 접속 스트립들이 선행하는 (i-1)개의 광기전력 전지의 전극들의 접속 스트립들 바로 위에 배치되지 않는 것을 보증하는 것이 중요하다(도 10b).
이러한 다중 접합 및 다중 전극 광기전력 전지의 다양한 부품들을 결합하는 단계 동안, 각각의 단계에서 기판들과 라미네이션 중간층들이 서로 양호하게 정렬되는 것을 보증하는 것이 필요하다. 이러한 정렬은 오퍼레이터들에 의해 수동으로 또는 예를 들어 이미지 제어를 이용하여 자동으로 그리고 정렬을 가능하게 하는 로봇들을 이용하여 수행될 수 있다.
이어서, n개의 2 전극 광기전력 전지 및 (n-1)개의 중간층의 적층을 포함하는 어레이가 라미네이션 시스템 내에 배치되고, 라미네이션 시스템은 다중 접합 및 다중 전극 광기전력 전지의 결합을 완료한다. 이러한 최종 라미네이션은 예를 들어 진공 라미네이터에서 또는 오토클레이브(autoclave)에서의 처리가 이어지는 롤러 라미네이터에서 수행될 수 있다.
이와 같이 얻어진 광기전력 전지 모듈은 모듈의 동일 면 상에 또는 그의 에지 면 상에 모두 위치하는 전류 출력 단자들을 통해 하나 이상의 접합 박스에 접속될 수 있다. 접합 박스는 DC 전압을 메인 그리드에 적합한 AC 전압으로 변환하는 전자 장치로 일반적으로 구성된 사용자 인터페이스에 대한 모듈의 전기적 접속을 보장한다. 바람직하게는, 모듈은 단일 접합 박스에 접속된다. 바람직하게는, 단일 접합 박스는 측면 전극들을 갖는 모듈들에 대해서는 광기전력 전지 모듈을 지지하는 역할을 하는 패널의 프레임 내에 그리고 배면 전극들을 갖는 모듈들에 대해서는 배면 전지의 면 S 상에 설치된다.

Claims (26)

  1. 광기전력 장치로서,
    - 적어도 2개의 광기전력 전지(160, 260)의 조립체,
    - 각각의 광기전력 전지 사이에 배치된 라미네이션 중간층(lamination interlayer)(300)
    을 포함하고,
    상기 각각의 광기전력 전지는
    ○ 2개의 전류 출력 단자(185, 185'),
    ○ 적어도 하나의 광기전력 접합(150, 250),
    ○ 전류 수집 버스들(180, 180'), 및
    ○ 상기 전류 수집 버스들로부터 상기 전류 출력 단자들로 연장하는 접속 스트립들(190, 190')
    을 포함하고,
    상기 장치는,
    - 상기 광기전력 장치의 상면에 대응하는 제1 표면을 갖는 전면(front) 광기전력 전지 1,
    - 개구를 갖는 라미네이션 층 - 상기 개구들은 상기 전면 광기전력 전지 1의 전류 출력 단자들에 대면하고, 상기 라미네이션 중간층은 상기 전면 광기전력 전지 1 상에 피착됨 -,
    - 상기 광기전력 장치의 하면에 대응하는 표면을 갖는 배면(back) 광기전력 전지 2 - 상기 배면 광기전력 전지 2는 상기 광기전력 전지 1로부터 오는 연장부들을 통과시키기 위한 2개의 드릴링된 개구들(371-376) 및 옵션으로서 상기 광기전력 전지 2로부터의 전류 출력 단자들을 통과시키기 위한 2개의 개구(370, 377)를 포함함 -;
    를 포함하거나 - 전류 출력을 위한 상기 출력 단자들 모두는 상기 광기전력 장치의 동일면 상에 배치되고, 상기 장치는 평행 육면체 형상을 가지며, 상기 전류 출력 단자들은 상기 평행 육면체 장치의 하면 또는 상면 상에 배치됨 -,
    또는, 상기 장치는,
    - 상기 광기전력 장치의 상면에 대응하는 제1 표면을 갖는 전면 광기전력 전지 1,
    - 개구를 갖는 라미네이션 층 - 상기 개구들은 상기 전면 광기전력 전지 1의 전류 출력 단자들에 대면하고, 상기 라미네이션 중간층은 상기 전면 광기전력 전지 1 상에 피착됨 -,
    - 적어도 하나의 중간 광기전력 전지(1<i<n) - 각각의 중간 광기전력 전지 i는 상기 광기전력 전지들 1 내지 (i-1)로부터 오는 연장부들(195, 195')을 통과시키기 위한 2(i-1)개의 드릴링된 개구(351, 352) 및 옵션으로서 상기 광기전력 전지 i로부터의 전류 출력 단자들을 통과시키기 위한 2개의 개구(350, 353)를 포함함 -,
    - 모든 중간 광기전력 전지 i의 아래에 있는 개구를 갖는 라미네이션 중간층 - 드릴링된 상기 개구는 상기 광기전력 전지 i의 전류 출력 단자들에 대면하고, 상기 라미네이션 중간층은 상기 광기전력 전지 i 상에 피착됨 -,
    - 상기 광기전력 장치의 하면에 대응하는 표면을 갖는 배면 광기전력 전지 n - 상기 배면 광기전력 전지 n은 상기 광기전력 전지들 1 내지 (n-1)로부터 오는 연장부들을 통과시키기 위한 2(n-1)개의 드릴링된 개구들(371-376) 및 옵션으로서 상기 광기전력 전지 n으로부터의 전류 출력 단자들을 통과시키기 위한 2개의 개구(370, 377)를 포함함 -
    을 포함 - 전류 출력을 위한 상기 출력 단자들 모두는 상기 광기전력 장치의 동일면 상에 배치되고, 상기 장치는 평행 육면체 형상을 가지며, 상기 전류 출력 단자들은 상기 평행 육면체 장치의 하면 또는 상면 상에 배치됨 - 하는, 광기전력 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전류 출력 단자들은 상기 장치의 측면 가까이에 정렬되는 광기전력 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전류 출력 단자들은 와이어들인 광기전력 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전류 출력 단자들은 상기 접속 스트립들(190, 190')의 단부들에서의 콘택들(500, 500')인 광기전력 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 배면 광기전력 전지는 광반사 재료의 막(230)을 포함하는 광기전력 장치.
  6. 제5항에 있어서, 지붕 요소, 빌딩용 지붕 또는 빌딩용 불투명 벽 클래딩으로서 사용되는 광기전력 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 배면 광기전력 전지는 광반사 재료의 막을 포함하지 않는 광기전력 장치.
  8. 제7항에 있어서, 빌딩용 창 요소로서 사용되는 광기전력 장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 광기전력 접합 재료는, 미정질(microcrystalline) 실리콘; 다정질(polymorphous) 실리콘 및 비정질(amorphous) 실리콘; 카드뮴 황화물 CdS 버퍼층과 연관된 카드뮴 텔루르 화합물(cadmium telluride) CdTe; 카드뮴 황화물 CdS 또는 인듐 황화물 In2S3 버퍼층과 연관된 황동석들 CuIn1-xGax(Se, S)2(여기서, x는 0과 1 사이에 있음); 실리콘과 게르마늄의 수소 첨가 비정질 합금들 SixGe1-x; 및 폴리(3-헥실싸이오펜) 및 [6,6]-페닐-C61-부티르산 메틸 계열의 유기 재료들; 및 이들의 혼합물들을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 광기전력 장치.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 투명 도전성 산화물(TCO)로 구성되는 2개의 전극이 상기 접합의 각각의 면 상에 존재하는 광기전력 장치.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전류 출력 단자들은 접합 박스 내에 함께 모아져, 양극 전류 출력 단자들로 구성되는 제1 그룹 및 음극 전류 출력 단자들로 구성되는 제2 그룹을 형성하는 광기전력 장치.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전류 출력 단자들은 양극 전극 및 음극 전극으로 구성되는 쌍들로 그룹화되고, 각각의 쌍이 접합 박스 내에 배치되거나, 모든 쌍들이 단일 접합 박스 내에 배치되는 광기전력 장치.
  13. 광기전력 어레이로서,
    - 제1항 또는 제2항의 장치,
    - 적어도 하나의 접합 박스
    를 포함하는 광기전력 어레이.
  14. 제13항에 있어서, 단일 접합 박스를 포함하는 광기전력 어레이.
  15. 광기전력 어레이로서,
    - 제12항의 장치,
    - n개의 접합 박스
    를 포함하는 광기전력 어레이.
  16. 제1항 또는 제2항의 광기전력 장치를 제조하기 위한 방법으로서,
    - 상기 중간 및 배면 광기전력 전지들(260)과 상기 라미네이션 중간층들(300)에 개구들을 드릴링하는 단계;
    - 광기전력 전지들(160, 260) 및 라미네이션 중간층들(300)을 라미네이트하는 단계
    를 포함하는 광기전력 장치 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    - 전면 광기전력 전지,
    - 개구를 갖는 라미네이션 중간층 - 드릴링된 상기 개구들은 상기 전면 광기전력 전지의 전류 출력 단자들에 대면하고, 상기 라미네이션 중간층은 상기 전면 광기전력 전지 상에 피착됨 -,
    - 적어도 하나의 중간 광기전력 전지 i - 각각의 중간 광기전력 전지 i는 상기 광기전력 전지들 1 내지 (i-1)로부터 오는 연장부들(195, 195')을 통과시키기 위한 2(i-1)개의 드릴링된 개구(351, 352) 및 옵션으로서 상기 광기전력 전지 i로부터의 전류 출력 단자들을 통과시키기 위한 2개의 드릴링된 개구(350, 353)를 포함함 -,
    - 개구를 갖는 라미네이션 중간층 - 드릴링된 상기 개구들은 상기 광기전력 전지 i의 전류 출력 단자들에 대면하고, 상기 라미네이션 중간층은 상기 광기전력 전지 i 상에 피착됨 -,
    - 배면 광기전력 전지 n - 상기 배면 광기전력 전지 n은 상기 광기전력 전지들 1 내지 (n-1)로부터 오는 연장부들을 통과시키기 위한 2(n-1)개의 드릴링된 개구(371-376) 및 옵션으로서 상기 광기전력 전지 n으로부터의 전류 출력 단자들을 통과시키기 위한 2개의 드릴링된 개구(370, 377)를 포함함 -
    을 적층(stack)하는 단계,
    - 연장부들 및 전류 출력 단자들을 상기 드릴링된 개구들을 통해 통과시키는 단계,
    - 상기 적층을 라미네이트하는 단계
    를 포함하고,
    상기 라미네이션은 각각의 전지 또는 각각의 중간층이 피착된 후의 순차적인 동작들에 의해 얻어지거나, 상기 전지들 및 상기 중간층들이 조립된 후의 단일 단계에서 얻어지는 광기전력 장치 제조 방법.
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