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2009年7月 4日 (土)

[Claims] 色素増感太陽電池の構造及び材料

【特許請求の範囲】
【請求項1】
太陽電池モジュール内部の複数の太陽電池を接続させる方法であって、
第1の導電性層を有する基材を含む第1基材材料を設けるステップと、
前記第1の導電性層上に、相互に接続された感光性ナノ粒子材料と電荷輸送材料とを配置するステップと、
ワイヤを設けるステップと、
第2の導電性層を有する基材を含む第2基材材料を前記第1基材材料に接合し、それによって前記第1及び第2の導電性層が前記ワイヤと電気的に接触させるステップと、
を包含する方法。
【請求項2】
前記第1及び第2の基材材料の少なくとも一方が、刻み目を付けられている、請求項1に記載の方法。
【請求項3】
前記相互に接続された感光性ナノ粒子材料が、ポリマー連結剤によって連結されたナノ粒子を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項4】
前記相互に接続された感光性ナノ粒子材料が、実質的に約5nm~約80nmの平均径を有する粒子を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項5】
前記相互接続された感光性ナノ粒子材料が、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化テルビウム、酸化スズ、及びそれらの組合せ、から成る群から選択される、請求項1に記載の方法。
【請求項6】
前記相互接続された感光性ナノ粒子材料が、キサンチン、シアニン、メロシアニン、フタロシアニン、及びピロールから成る群から選択される分子を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項7】
前記相互接続された感光性ナノ流材料が、二価及び三価の金属から成る群から選択される金属イオンを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項8】
前記相互接続された感光性ナノ粒子材料が、ルテニウム遷移金属錯体、オスミウム遷移金属錯体、及び鉄遷移金属錯体のうちの少なくとも1つを含んで成る感光剤を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項9】
前記電荷輸送材料が、レドックス電解質系を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項10】
前記電荷輸送材料が、ポリマー電解質を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項11】
前記電荷輸送材料が、入射可視光の少なくとも約60%を透過させる、請求項1に記載の方法。
【請求項12】
前記第1及び第2の基材材料のうち少なくとも一方が、ポリエチレンテレフタレート材料からなる、請求項1に記載の方法。
【請求項13】
前記第1及び第2の基材材料のうち少なくとも一方が、著しく光透過性である、請求項1に記載の方法。
【請求項14】
前記第1及び第2の基材材料のうち少なくとも一方が、柔軟性である、請求項1に記載の方法。
【請求項15】
前記第1及び第2の基材材料の間に、触媒作用を示す媒体層を配置することをさらに包含する、請求項1に記載の方法。
【請求項16】
前記触媒作用を示す媒体層が、白金からなる、請求項15に記載の方法。
【請求項17】
前記第1及び第2の導電体層のうち少なくとも一方が、インジウムスズ酸化物を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項18】
前記ワイヤが、導電性である、請求項1に記載の方法。
【請求項19】
前記ワイヤが、第1金属を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項20】
前記第1金属が、ステンレス鋼を含む、請求項19に記載の方法。
【請求項21】
前記第1金属が、銅を含む、請求項19に記載の方法。
【請求項22】
前記第1金属が、チタンを含む、請求項19に記載の方法。
【請求項23】
前記第1及び第2の基材材料の間に、複数のワイヤを配置することをさらに包含する、請求項1に記載の方法。
【請求項24】
接合するステップが、それらの間に接着層を配置することによって前記第1及び第2の導電性層を重ね合わせ、それによって、重ね合わせた後に前記ワイヤが前記接着層内に埋め込まれた状態になる、請求項1に記載の方法。
【請求項25】
前記接着層が、ホットメルト接着剤を含む、請求項24に記載の方法。
【請求項26】
前記接着剤層が、ポリエステル材料を含む、請求項24に記載の方法。
【請求項27】
接合する前に、前記ワイヤを接着剤でコーティングすることをさらに包含する、請求項1に記載の方法。
【請求項28】
前記接着剤層が、エポキシを含む、請求項24に記載の方法。
【請求項29】
前記接着剤層を固めることをさらに包含する、請求項24に記載の方法。
【請求項30】
前記接着剤層が、熱可塑性物質を含む、請求項24に記載の方法。
【請求項31】
前記接着剤層が、熱硬化性物質を含む、請求項24に記載の方法。
【請求項32】
前記接着剤層が、エチレンマレイン酸無水物コポリマーを含む、請求項24に記載の方法。
【請求項33】
前記ワイヤが、第2金属からなるコーティングを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項34】
前記第2金属の融点が、約50℃~約250℃である、請求項28に記載の方法。
【請求項35】
前記第2金属の融点が、約75℃~約180℃である、請求項28に記載の方法。
【請求項36】
前記接合するステップの前に、前記金属コーティングされたワイヤを接着剤でコーティングすることをさらに包含する、請求項33に記載の方法。
【請求項37】
前記接着剤が、前記第2金属より低い融点を有する、請求項36に記載の方法。
【請求項38】
前記第2金属が、ビスマスを含む、請求項33に記載の方法。
【請求項39】
前記第2金属が、スズを含む、請求項33に記載の方法。
【請求項40】
第1の導電性層を有する基材を含む第1基材材料と、
前記第1の導電性層上に配置された、相互接続された感光性ナノ粒子層及び電荷輸送材料と、
ワイヤと、
第2の導電性層を有する基材を含む第2基材材料と、
からなり、前記第2基材材料が前記第1基材材料と接合されており、それによって前記第1及び第2の導電性層が前記ワイヤと電気的に接触している、太陽電池モジュール。
【請求項41】
前記第1及び第2の基材材料のうち少なくとも一方が、刻み目を付けられている、請求項40に記載の太陽電池モジュール。
【請求項42】
前記相互接続された感光性ナノ粒子材料が、ポリマー連結剤で連結されたナノ粒子を含む、請求項40に記載の太陽電池モジュール。
【請求項43】
前記相互接続された感光性ナノ粒子材料が、実質的に約5nm~約80nmの平均径を有する粒子を含む、請求項40に記載の太陽電池モジュール。
【請求項44】
前記相互接続された感光性ナノ粒子材料が、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化ニオブ、酸化ランタン、酸化スズ、酸化テルビウム、酸化タンタル、及びそれらの組合せ、から成る群から選択される、請求項40に記載の太陽電池モジュール。
【請求項45】
前記相互接続された感光性ナノ粒子材料が、キサンチン、シアニン、メロシアニン、フタロシアニン、及びピロールから成る群から選択される分子を含んで成る感光剤を含む、請求項40に記載の太陽電池モジュール。
【請求項46】
前記相互接続された感光性ナノ粒子材料が、二価及び三価の金属から成る群から選択される金属イオンを含んで成る感光剤を含む、請求項40に記載の太陽電池モジュール。
【請求項47】
前記相互接続された感光性ナノ粒子材料が、ルテニウム遷移金属錯体、オスミウム遷移金属錯体、及び鉄遷移金属錯体のうちの少なくとも1つを含んで成る感光剤を含む、請求項40に記載の太陽電池モジュール。
【請求項48】
前記電荷輸送材料が、電解質レドックス系を含む、請求項40に記載の太陽電池モジュール。
【請求項49】
前記電荷輸送材料が、ポリマー電解質を含む、請求項40に記載の太陽電池モジュール。
【請求項50】
前記電荷輸送材料が、入射可視光の少なくとも約60%を透過させる、請求項40に記載の太陽電池モジュール。
【請求項51】
前記第1及び第2基材材料のうち少なくとも一方が、ポリエチレンテレフタレート材料を含む、請求項40に記載の太陽電池モジュール。
【請求項52】
前記第1及び第2の基材材料のうち少なくとも一方が、著しく光透過性である、請求項40に記載の太陽電池モジュール。
【請求項53】
前記第1及び第2の基材材料のうち少なくとも一方が、柔軟性である、請求項40に記載の太陽電池モジュール。
【請求項54】
前記第1及び第2の基材材料の間に配置された、触媒作用を示す媒体層をさらに含む、請求項40に記載の太陽電池モジュール。
【請求項55】
前記触媒作用を示す媒体層が、白金を含む、請求項54に記載の太陽電池モジュール。
【請求項56】
前記第1及び第2の導電体層のうち少なくとも一方が、インジウムスズ酸化物を含む、請求項40に記載の太陽電池モジュール。
【請求項57】
前記ワイヤが、導電性である、請求項40に記載の太陽電池モジュール。
【請求項58】
前記ワイヤが、第1金属を含む、請求項40に記載の太陽電池モジュール。
【請求項59】
前記第1金属が、ステンレス鋼を含む、請求項40に記載の太陽電池モジュール。
【請求項60】
前記金属が、チタンを含む、請求項40に記載の太陽電池モジュール。
【請求項61】
前記金属が、銅を含む、請求項40に記載の太陽電池モジュール。
【請求項62】
前記第1及び第2の導電性層の間に配置された接着剤層をさらに含み、それによって、前記ワイヤが前記接着剤層内に埋め込まれている、請求項40に記載の太陽電池モジュール。
【請求項63】
前記接着剤層が、ホットメルト接着剤を含む、請求項62に記載の太陽電池モジュール。
【請求項64】
前記接着剤層が、ポリエステル材料を含む、請求項62に記載の太陽電池モジュール。
【請求項65】
前記接着剤層が、エポキシを含む、請求項62に記載の太陽電池モジュール。
【請求項66】
前記接着剤層が、熱可塑性物質を含む、請求項62に記載の太陽電池モジュール。
【請求項67】
前記接着剤層が、熱硬化性物質を含む、請求項62に記載の太陽電池モジュール。
【請求項68】
前記接着剤層が、エチレンマレイン酸無水物コポリマーを含む、請求項62に記載の太陽電池モジュール。
【請求項69】
前記ワイヤが、第2金属からなるコーティングを含む、請求項40に記載の太陽電池モジュール。
【請求項70】
前記第2金属の融点が、約50℃~約250℃である、請求項69に記載の太陽電池モジュール。
【請求項71】
前記第2金属の融点が、約75℃~約180℃である、請求項69に記載の太陽電池モジュール。
【請求項72】
接合前に、前記金属コーティングされたワイヤを接着剤でコーティングされている、請求項69に記載の太陽電池モジュール。
【請求項73】
前記接着剤が、前記第2金属よりも低い融点を有する、請求項72に記載の太陽電池モジュール。
【請求項74】
前記第2金属が、ビスマスを含む、請求項69に記載の太陽電池モジュール。
【請求項75】
前記第2金属が、スズを含む、請求項69に記載の太陽電池モジュール。
【請求項76】
前記第1及び第2の基材材料のうち少なくとも一方が、ポリエチレンナフタレート材料を含む、請求項40に記載の太陽電池モジュール。
【請求項77】
第1のコーティングされた基材材料を設けるステップと、
前記コーティングを分離させ且つ前記第1基材材料の少なくとも一部を溶融させるのに十分高い温度で、前記第1のコーティングされた基材材料に刻み目を付けるステップと、
を包含する、刻み目を付ける方法。
【請求項78】
前記コーティングの分離及び前記第1基材材料の溶融が、前記第1基材材料の前記コーティングの電気的接続を断つ、請求項77に記載の方法。
【請求項79】
前記刻み目を付けるステップが、加熱した尖筆を用いて実施される、請求項77に記載の方法。
【請求項80】
前記刻み目を付けるステップが、はんだごてチップを用いて実施される、請求項77に記載の方法。
【請求項81】
前記刻み目を付けるステップが、機械的に実施される、請求項77に記載の方法。
【請求項82】
前記第1基材材料の前記コーティングに、相互接続された感光性ナノ粒子材料及び電荷輸送材料を適用することをさらに包含する、請求項77に記載の方法。
【請求項83】
前記相互接続された感光性ナノ粒子材料が、ポリマー連結剤によって連結されたナノ粒子を含む、請求項82に記載の方法。
【請求項84】
前記相互接続された感光性ナノ粒子材料が、約5nm~約80nmの平均径を有する粒子を含む、請求項82に記載の方法。
【請求項85】
前記相互接続された感光性ナノ粒子材料が、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化ニオブ、酸化ランタン、酸化テルビウム、酸化タンタル、酸化スズ、及びそれらの組合せ、から成る群から選択される、請求項82に記載の方法。
【請求項86】
前記相互接続された感光性ナノ粒子材料が、キサンチン、シアニン、メロシアニン、フタロシアニン、及びピロールから成る群から選択される分子を含んで成る感光剤を含む、請求項82に記載の方法。
【請求項87】
前記相互接続された感光性ナノ粒子材料が、二価及び三価の金属から成る群から選択される金属イオンを含んで成る感光剤を含む、請求項82に記載の方法。
【請求項88】
前記相互接続された感光性ナノ粒子材料が、ルテニウム遷移金属錯体、オスミウム遷移金属錯体、及び鉄遷移金属錯体のうちの少なくとも1つを含んで成る感光剤を含む、請求項82に記載の方法。
【請求項89】
前記電荷輸送材料が、レドックス電解質系を含む、請求項82に記載の方法。
【請求項90】
前記電荷輸送材料が、ポリマー電解質を含む、請求項82に記載の方法。
【請求項91】
前記電荷輸送材料が、入射可視光の少なくとも約60%を透過させる、請求項82に記載の方法。
【請求項92】
前記第1基材材料の前記コーティングが、導電性層を含む、請求項77に記載の方法。
【請求項93】
前記第1基材材料が、ポリエチレンテレフタレート材料を含む、請求項77に記載の方法。
【請求項94】
前記第1基材材料が、著しく光透過性である、請求項77に記載の方法。
【請求項95】
前記第1基材材料が、柔軟性である、請求項77に記載の方法。
【請求項96】
前記第1基材材料の前記コーティングが、インジウムスズ酸化物を含む、請求項77に記載の方法。
【請求項97】
太陽電池モジュールを製造する方法であって、
第1のコーティングされた基材材料を設けるステップと、
前記コーティングを分離させ且つ前記第1基材材料の少なくとも一部を溶融させるのに十分高い温度で、前記第1のコーティングされた基材材料に刻み目を付けるステップと、
第2のコーティングされた基材材料を設けるステップと、
前記コーティングを分離させ且つ前記第2の基材材料の少なくとも一部を溶融させるのに十分高い温度で、前記第2のコーティングされた基材材料に刻み目を付けるステップと、
前記第1及び第2のコーティングされた基材材料を接合して、太陽電池モジュールを形成させるステップと、
を包含する方法。
【請求項98】
前記接合することが、前記第1及び第2の基材材料の前記コーティングが前記第1及び第2の基材材料の間に挟まれ且つ前記第1及び第2の基材材料がお互いに電気的に接続するように、実施される、請求項97に記載の方法。
【請求項99】
前記第1のコーティングされた基材材料の溶融によって、前記第1の基材材料の前記コーティングの電気接続が断たれる、請求項97に記載の方法。
【請求項100】
前記第2の基材材料の前記溶融によって、前記第2の基材材料の前記コーティングの電気接続が断たれる、請求項97に記載の方法。
【請求項101】
前記接合することが、重ね合わせることを含む、請求項97に記載の方法。
【請求項102】
前記第1及び第2のコーティングされた基材材料の前記刻み目が、接合した際に、実質的にそろえられている、請求項97に記載の方法。
【請求項103】
前記刻み目を付けるステップが、加熱した尖筆を用いて実施される、請求項97に記載の方法。
【請求項104】
前記刻み目を付けるステップが、はんだごてチップを用いて実施される、請求項97に記載の方法。
【請求項105】
前記刻み目を付けるステップが、機械的に実施される、請求項97に記載の方法。
【請求項106】
前記第1及び第2の基材材料の前記コーティングの間に、相互接続された感光性ナノ粒子材料及び電荷輸送材料を配置することをさらに包含する、請求項97に記載の方法。
【請求項107】
前記相互接続された感光性ナノ粒子材料が、ポリマー連結剤によって連結されているナノ粒子を含む、請求項106に記載の方法。
【請求項108】
前記相互接続された感光性ナノ粒子材料が、約5nm~約80nmの平均径を有する粒子を含む、請求項106に記載の方法。
【請求項109】
前記相互接続された感光性ナノ粒子が、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化ニオブ、酸化ランタン、酸化テルビウム、酸化タンタル、酸化スズ、及びそれらの組合せ、から成る群から選択される、請求項106に記載の方法。
【請求項110】
前記相互接続された感光性ナノ粒子が、キサンチン、シアニン、メロシアニン、フタロシアニン、及びピロールから成る群から選択される分子を含んで成る感光剤を含む、請求項106に記載の方法。
【請求項111】
前記相互接続された感光性ナノ粒子材料が、二価及び三価の金属から成る群から選択される金属イオンを含んで成る感光剤を含む、請求項106に記載の方法。
【請求項112】
前記相互接続された感光性ナノ粒子材料が、ルテニウム遷移金属錯体、オスミウム遷移金属錯体、及び鉄遷移金属錯体のうちの少なくとも1つを含んで成る感光剤を含む、請求項106に記載の方法。
【請求項113】
前記電荷輸送材料が、レドックス電解質系を含む、請求項106に記載の方法。
【請求項114】
前記電荷輸送材料が、ポリマー電解質を含む、請求項106に記載の方法。
【請求項115】
前記電荷輸送材料が、入射可視光の少なくとも約60%を透過させる、請求項106に記載の方法。
【請求項116】
前記第1及び第2の基材材料の前記コーティングが、導電性材料を含む、請求項97に記載の方法。
【請求項117】
前記第1及び第2の基材材料のうち少なくとも一方が、ポリエチレンテレフタレート材料を含む、請求項97に記載の方法。
【請求項118】
前記第1及び第2の基材材料のうち少なくとも一方が、著しく光透過性である、請求項116に記載の方法。
【請求項119】
前記第1及び第2の基材材料のうち少なくとも一方が、受難性である、請求項116に記載の方法。
【請求項120】
前記導電性材料が、インジウムスズ酸化物を含む、請求項116に記載の方法。
【請求項121】
前記第1及び第2の基材材料の前記コーティングのうち少なくとも一方に、触媒作用を示す媒体層を適用することをさらに包含する、請求項97に記載の方法。
【請求項122】
前記触媒作用を示す媒体層が、白金を含む、請求項121に記載の方法。
【請求項123】
前記第1及び第2の基材材料のうち少なくとも一方が、ポリエチレンナフタレート材料を含む、請求項97に記載の方法。
【請求項124】
前記第1の基材材料が、ポリエチレンナフタレート材料を含む、請求項77に記載の方法。
【請求項125】
太陽電池を形成する方法であって、
金属箔を設けるステップと、
前記金属箔にナノ粒子材料を適用するステップと、
前記ナノ粒子材料を加熱して、相互接続されたナノ粒子材料を形成させるステップと、
前記相互接続されたナノ粒子材料でコーティングされた前記金属箔を、第1及び第2の柔軟な基材の間に配置するステップと、
を包含する方法。
【請求項126】
前記金属箔と前記第1の柔軟な基材との間に導電性層を配置するステップと、
ワイヤを設けるステップと、
前記導電性層と前記金属箔が前記ワイヤと電気的に接続されるように、前記第1及び第2の柔軟な基材を接合するステップと、
をさらに包含する、請求項125に記載の方法。
【請求項127】
前記接合するステップが、その間に接着剤層を配置することによって前記第1及び第2の導電性層を重ね合わせることを包含し、それによって、重ね合わせた後に、前記ワイヤが前記接着剤層内に埋め込まれた状態となる、請求項126に記載の方法。
【請求項128】
感光剤を用いて前記相互接続されたナノ粒子材料に感光性を付与することをさらに包含する、請求項125に記載の方法。
【請求項129】
前記相互接続された材料が、約5nm~約80nmの平均径を有する粒子を含む、請求項125に記載の方法。
【請求項130】
前記相互接続されたナノ粒子材料が、二酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化ニオブ、酸化ランタン、酸化スズ、酸化テルビウム、酸化タンタル、及びそれらの組合せ、から成る群から選択される、請求項125に記載の方法。
【請求項131】
前記感光剤が、キサンチン、シアニン、メロシアニン、フタロシアニン、及びピロールから成る群から選択される分子を含んで成る、請求項128に記載の方法。
【請求項132】
前記感光剤が、二価及び三価の金属から成る群から選択される金属イオンを含んで成る、請求項128に記載の方法。
【請求項133】
前記感光剤が、ルテニウム遷移金属錯体、オスミウム遷移金属錯体、及び鉄遷移金属錯体のうちの少なくとも1つを含んで成る、請求項128に記載の方法。
【請求項134】
前記第1及び第2の柔軟な基材の間に、電荷輸送材料を配置することをさらに包含する、請求項125に記載の方法。
【請求項135】
前記電荷輸送材料が、レドックス電化質系を含む、請求項134に記載の方法。
【請求項136】
前記電荷輸送材料が、ポリマー電解質を含む、請求項134に記載の方法。
【請求項137】
前記第1及び第2の柔軟な基材の間に、触媒作用を示す媒体層を配置することをさらに包含する、請求項125に記載の方法。
【請求項138】
前記触媒作用を示す媒体層が、白金を含む、請求項137に記載の方法。
【請求項139】
前記導電体層が、インジウムスズ酸化物を含む、請求項126に記載の方法。
【請求項140】
前記ワイヤが、導電性である、請求項126に記載の方法。
【請求項141】
前記ワイヤが、金属を含む、請求項126に記載の方法。
【請求項142】
前記金属が、ステンレス鋼を含む、請求項141に記載の方法。
【請求項143】
前記第1及び第2の柔軟な基材の間に複数のワイヤを配置することをさらに包含する、請求項126に記載の方法。
【請求項144】
前記接着剤層が、ホットメルト接着剤を含む、請求項127に記載の方法。
【請求項145】
前記接着剤層が、ポリエステル材料を含む、請求項127に記載の方法。
【請求項146】
重ね合わせる前に、前記ワイヤを接着剤でコーティングすることをさらに包含する、請求項126に記載の方法。
【請求項147】
前記接着剤層が、エポキシを含む、請求項127に記載の方法。
【請求項148】
前記接着剤層を固めることをさらに包含する、請求項127に記載の方法。
【請求項149】
前記第1及び第2の柔軟な基材のうち少なくとも一方が、著しく光透過性である、請求項125に記載の方法。
【請求項150】
前記金属箔が、チタンを含む、請求項125に記載の方法。
【請求項151】
前記相互接続されたナノ粒子材料が、約300℃未満の温度で、ポリリンカーを用いて相互接続される、請求項125に記載の方法。
【請求項152】
前記相互接続されたナノ粒子材料が、約150℃未満の温度で、ポリリンカーを用いて相互接続される、請求項125に記載の方法。
【請求項153】
前記相互接続されたナノ粒子材料が、室温で、ポリリンカーを用いて相互接続される、請求項125に記載の方法。
【請求項154】
金属箔と、
前記金属箔上に形成された相互接続されたナノ粒子材料と、
を含み、前記金属箔及び前記相互接続されたナノ粒子材料が両方とも第1及び第2の柔軟な基材の間に配置されている、太陽電池。
【請求項155】
前記金属箔と前記第1の柔軟な基材との間に配置された導電性層と、
前記導電層と前記金属箔とが前記ワイヤと電気的に接続されるように配置されたワイヤと、
をさらに含む、請求項154に記載の太陽電池。
【請求項156】
前記相互接続されたナノ粒子材料が、相互接続された感光性ナノ粒子材料を含む、請求項154に記載の方法。
【請求項157】
前記相互接続されたナノ粒子材料が、平均粒径約5nm~約80nmの粒子を含む、請求項154に記載の太陽電池。
【請求項158】
前記相互接続されたナノ粒子材料が、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化ニオブ、酸化ランタン、酸化タンタル、酸化テルビウム、酸化スズ、及びそれらの組合せから成る群から選択される、請求項154に記載の太陽電池。
【請求項159】
前記相互接続された感光性ナノ粒子材料が、キサンチン、シアニン、メロシアニン、フタロシアニン、及びピロールから成る群から選択される分子を含んで成る感光剤を含む、請求項156に記載の太陽電池。
【請求項160】
前記相互接続された感光性ナノ粒子が、二価及び三価の金属から成る群から選択される金属イオンを含んで成る感光剤を含む、請求項156に記載の太陽電池。
【請求項161】
前記相互接続された感光性ナノ粒子材料が、ルテニウム遷移金属錯体、オスミウム遷移金属錯体、及び鉄遷移金属錯体のうちの少なくとも1つを含んで成る感光剤を含む、請求項156に記載の太陽電池。
【請求項162】
前記第1及び第2の柔軟な基材の間に配置された電荷輸送材料をさらに含む、請求項154に記載の太陽電池。
【請求項163】
前記電荷輸送材料が、レドックス電解質系を含む、請求項162に記載の太陽電池。
【請求項164】
前記電荷輸送材料が、ポリマー電解質を含む、請求項162に記載の太陽電池。
【請求項165】
前記電荷輸送材料が、入射可視光の少なくとも約60%を透過させる、請求項162に記載の太陽電池。
【請求項166】
前記第1及び第2の基材材料の間に配置された、触媒作用を示す媒体層をさらに含む、請求項154に記載の太陽電池。
【請求項167】
前記触媒作用を示す媒体層が、白金を含む、請求項166に記載の太陽電池。
【請求項168】
前記第1の導電性層が、インジウムスズ酸化物を含む、請求項155に記載の太陽電池。
【請求項169】
前記ワイヤが、導電性である、請求項155に記載の太陽電池。
【請求項170】
前記ワイヤが、金属を含む、請求項155に記載の太陽電池。
【請求項171】
前記金属が、ステンレス鋼を含む、請求項170に記載の太陽電池。
【請求項172】
前記金属が、白金を含む、請求項170に記載の太陽電池。
【請求項173】
前記第1及び第2の導電性層の間に配置された接着層をさらに含み、それによって、前記ワイヤが前記接着層内に埋め込まれている、請求項154に記載の太陽電池。
【請求項174】
前記接着層が、ホットメルト接着剤を含む、請求項173に記載の太陽電池。
【請求項175】
前記接着層が、ポリエステル材料を含む、請求項173に記載の太陽電池。
【請求項176】
前記接着層が、エポキシを含む、請求項173に記載の太陽電池。
【請求項177】
前記金属箔が、チタンを含む、請求項154に記載の太陽電池。
【請求項178】
太陽電池モジュールを形成する方法であって、
金属箔を設けるステップと、
前記金属箔の分離部分にナノ粒子材料を適用するステップと、
前記ナノ粒子材料を加熱して、相互接続されたナノ粒子材料を形成させるステップと、
前記箔に切り込みを付けて、前記分離部分を機械的に分離させるステップと、
前記金属箔の前記分離部分を前記第1及び第2の柔軟な基材の間に配置し、太陽電池を形成するステップと、
を包含する、方法。
【請求項179】
その上に前記ナノ粒子材料が配置されている前記金属箔の前記分離部分が、前記第1及び第2の柔軟な基材の間に選択的に隔置されている、請求項178に記載の方法。
【請求項180】
前記切り込みを付けることが、その上に前記ナノ粒子材料が配置されている金属箔の前記分離部分に切り込みを付けて、細片にすることを含む、請求項178に記載の方法。
【請求項181】
前記金属箔の分離部分と前記第1の柔軟な基材との間に導電性層を配置するステップと、
ワイヤを設けるステップと、
前記導電性層及び前記金属箔が前記ワイヤと電気的に接続されるように、前記第1及び第2の柔軟な基材を接合するステップと、
をさらに包含する、請求項178に記載の方法。
【請求項182】
前記接合するステップが、その間に接着層を配置することによって、前記第1及び第2の導電性層を重ね合わせることを含み、それによって、重ね合わせた後、前記ワイヤが前記接着層内に埋め込まれた状態になる、請求項181に記載の方法。
【請求項183】
感光剤によって、前記相互接続されたナノ粒子材料に感光性を与えることをさらに包含する、請求項178に記載の方法。
【請求項184】
前記相互接続されたナノ粒子材料が、平均粒径約5nm~約80nmの粒子を含む、請求項178に記載の方法。
【請求項185】
前記相互接続されたナノ粒子材料が、二酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化ニオブ、酸化ランタン、酸化スズ、酸化テルビウム、酸化タンタル、及びそれらの組合せから成る群から選択される、請求項178に記載の方法。
【請求項186】
前記感光剤が、キサンチン、シアニン、メロシアニン、フタロシアニン、及びピロールから成る群から選択される分子を含んで成る、請求項183に記載の方法。
【請求項187】
前記感光剤が、二価及び三価の金属から成る群から選択される金属イオンを含む、請求項183に記載の方法。
【請求項188】
前記感光剤が、ルテニウム遷移金属錯体、オスミウム遷移金属錯体、及び鉄遷移金属錯体のうちの少なくとも1つを含んで成る、請求項183に記載の方法。
【請求項189】
前記第1及び第2の柔軟な基材の間に電荷輸送材料を配置することをさらに包含する、請求項178に記載の方法。
【請求項190】
前記電荷輸送材料が、レドックス電解質系を含む、請求項189に記載の方法。
【請求項191】
前記電荷輸送材料が、ポリマー電解質を含む、請求項189に記載の方法。
【請求項192】
前記第1及び第2の柔軟な基材の間に、触媒作用を示す媒体層を配置することをさらに包含する、請求項178に記載の方法。
【請求項193】
前記触媒作用を示す媒体層が、白金を含む、請求項192に記載の方法。
【請求項194】
前記導電体層が、インジウムスズ酸化物を含む、請求項178に記載の方法。
【請求項195】
前記ワイヤが、導電性である、請求項181に記載の方法。
【請求項196】
前記ワイヤが、金属を含む、請求項181に記載の方法。
【請求項197】
前記金属が、ステンレス鋼を含む、請求項196に記載の方法。
【請求項198】
前記第1及び第2の柔軟な基材の間に複数のワイヤを配置することをさらに包含する、請求項181に記載の方法。
【請求項199】
前記接着層が、ホットメルト接着剤を含む、請求項182に記載の方法。
【請求項200】
前記接着層が、ポリエステル材料を含む、請求項182に記載の方法。
【請求項201】
重ね合わせる前に、接着剤によって前記ワイヤをコーティングすることをさらに包含する、請求項181に記載の方法。
【請求項202】
前記接着層が、エポキシを含む、請求項182に記載の方法。
【請求項203】
前記接着層を固めることをさらに包含する、請求項182に記載の方法。
【請求項204】
前記第1及び第2の柔軟な基材のうち少なくも1つが、著しく光透過性である、請求項178に記載の方法。
【請求項205】
前記金属箔が、チタンを含む、請求項178に記載の方法。
【請求項206】
前記相互接続されたナノ粒子材料が、約300℃未満の温度でポリリンカーを用いて相互に接続される、請求項178に記載の方法。
【請求項207】
前記相互接続されたナノ粒子材料が、約150℃未満の温度でポリリンカーを用いて相互に接続される、請求項178に記載の方法。
【請求項208】
前記相互接続されたナノ粒子材料が、室温でポリリンカーを用いて相互に接続される、請求項178に記載の方法。
【請求項209】
第1及び第2の柔軟な基材と、
複数の金属箔の分離部分と、
前記金属箔の前記分離部分の各々の上に形成された、相互接続されたナノ粒子材料と、
を含み、その上に前記相互接続されたナノ粒子材料が配置されている前記金属箔の前記分離部分の各々が、前記第1及び第2の柔軟な基材の間に配置されて、太陽電池を形成している、太陽電池モジュール。
【請求項210】
その上に前記ナノ粒子材料が配置されている前記金属箔の前記分離部分が、前記第1及び第2の柔軟な基材の間に選択的に隔置されている、請求項209に記載の太陽電池モジュール。
【請求項211】
その上に前記ナノ粒子材料が配置されている前記金属箔の分離部分が、細片として形作られている、請求項209に記載の太陽電池モジュール。
【請求項212】
前記金属箔と前記第1の柔軟な基材との間に配置された導電性層と、
前記導電性層及び前記金属箔がワイヤと電気的に接続されるように配置された前記ワイヤと、
をさらに含む、請求項209に記載の太陽電池モジュール。
【請求項213】
前記相互接続されたナノ粒子材料が、相互接続された感光性ナノ粒子材料を含む、請求項209に記載の太陽電池モジュール。
【請求項214】
前記相互接続されたナノ粒子材料が、平均粒径約5nm~約80nmの粒子を含む、請求項209に記載の太陽電池モジュール。
【請求項215】
前記相互接続されたナノ粒子材料が、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化ニオブ、酸化ランタン、酸化タンタル、酸化テルビウム、酸化スズ、及びそれらの組合せ、から成る群から選択される、請求項209に記載の太陽電池モジュール。
【請求項216】
前記相互接続された感光性ナノ粒子材料が、キサンチン、シアニン、メロシアニン、フタロシアニン、及びピロールから成る群から選択される分子を含んで成る感光剤を含む、請求項213に記載の太陽電池モジュール。
【請求項217】
前記相互接続された感光性ナノ粒子が、二価及び三価の金属から成る群から選択される金属イオンを含んで成る感光剤を含む、請求項213に記載の太陽電池モジュール。
【請求項218】
前記相互接続された感光性ナノ粒子材料が、ルテニウム遷移金属錯体、オスミウム遷移金属錯体、及び鉄遷移金属錯体のうちの少なくとも1つを含んで成る感光剤を含む、請求項213に記載の太陽電池モジュール。
【請求項219】
前記第1及び第2の柔軟な基材の間に配置された電荷輸送材料をさらに含む、請求項209に記載の太陽電池モジュール。
【請求項220】
前記電荷輸送材料が、レドックス電解質系を含む、請求項219に記載の太陽電池モジュール。
【請求項221】
前記電荷輸送材料が、ポリマー電解質を含む、請求項219に記載の太陽電池モジュール。
【請求項222】
前記電荷輸送材料が、入射可視光の少なくとも約60%を透過させる、請求項219に記載の太陽電池モジュール。
【請求項223】
前記第1及び第2の基材材料の間に配置された、触媒作用を示す媒体層をさらに含む、請求項209に記載の太陽電池モジュール。
【請求項224】
前記触媒作用を示す媒体層が、白金を含む、請求項223に記載の太陽電池モジュール。
【請求項225】
前記導電性層が、インジウムスズ酸化物を含む、請求項212に記載の太陽電池モジュール。
【請求項226】
前記ワイヤが、導電性である、請求項212に記載の太陽電池モジュール。
【請求項227】
前記ワイヤが、金属を含む、請求項212に記載の太陽電池モジュール。
【請求項228】
前記金属が、ステンレス鋼を含む、請求項103に記載の太陽電池モジュール。
【請求項229】
前記金属が、白金を含む、請求項103に記載の太陽電池モジュール。
【請求項230】
前記第1及び第2の導電性層の間に配置された接着層をさらに含み、それによって、前記ワイヤが前記接着層内に埋め込まれた状態になる、請求項212に記載の太陽電池モジュール。
【請求項231】
前記接着層が、ホットメルト接着剤を含む、請求項230に記載の太陽電池モジュール。
【請求項232】
前記接着層が、ポリエステル材料を含む、請求項230に記載の太陽電池モジュール。
【請求項233】
前記接着層が、エポキシを含む、請求項230に記載の太陽電池モジュール。
【請求項234】
前記金属箔が、チタンを含む、請求項209に記載の太陽電池モジュール。
【請求項235】
前記第1及び第2の柔軟な基材のうち少なくとも一方が、ポリエチレンテレフタレート材料を含む、請求項209に記載の太陽電池モジュール。
【請求項236】
前記第1及び第2の柔軟な基材のうち少なくとも一方が、ポリエチレンナフタレート材料を含む、請求項209に記載の太陽電池モジュール。
【請求項237】
2つの面を介して電磁照射を受容し得る太陽電池モジュールであって、
各々が第1及び第2の表面を有している金属箔の複数の分離部分と、
前記第1及び第2の表面の各々に適用されている、相互接続されたナノ粒子材料と、
前記金属箔の分離部分の各々の第1表面上に配置されている前記相互接続されたナノ粒子材料の表面上に配置された、第1の柔軟な基材と、
太陽電池モジュールを形成するために、前記金属箔の分離部分の各々の第2表面上に配置されている前記相互接続されたナノ粒子材料の表面上に配置された、第2の柔軟な基材と、
を含む、太陽電池モジュール。
【請求項238】
その上に前記ナノ粒子材料が配置されている前記金属箔の前記分離部分が、前記第1及び第2の柔軟な基材の間に選択的に隔置されている、請求項237に記載の太陽電池モジュール。
【請求項239】
その上に前記ナノ粒子材料が配置されている前記金属箔の分離部分が、細片として語り作られている、請求項237に記載の太陽電池モジュール。
【請求項240】
前記分離部分の前記第1表面と前記第1の柔軟な基材との間に配置された、第1の導電性層と、
前記第1の導電性層及び前記分離部分の前記第1表面と電気的に接続されるように配置された前記第1のワイヤと、
をさらに含む、請求項237に記載の太陽電池モジュール。
【請求項241】
前記分離部分の前記第2表面と前記第2の柔軟な基材との間に配置された、第2の導電性層と、
前記第2の導電性層及び前記分離分の前記第2表面と電気的に接続されるように配置された第2のワイヤと、
をさらに含む、請求項240に記載の太陽電池モジュール。
【請求項242】
前記第1及び第2の柔軟な基材のうち少なくとも一方が、ポリエチレンテレフタレート材料を含む、請求項237に記載の太陽電池モジュール。
【請求項243】
前記第1及び第2の柔軟な基材のうち少なくとも一方が、ポリエチレンナフタレート材料を含む、請求項237に記載の太陽電池モジュール。
【請求項244】
2つの面を介して電磁照射を受容し得る太陽電池モジュールを形成する方法であって、
各々が第1及び第2の表面を有している、金属箔の複数の分離部分を設けることと、
前記第1及び第2表面の各々に、相互接続されたナノ粒子材料を適用することと、
前記金属箔の分離部分の各々の前記第1表面上に配置されている前記相互接続されたナノ粒子材料の表面上に第1の柔軟な基材を配置することと、
前記金属箔の分離部分の各々の前記第2表面上に配置されている前記相互接続されたナノ粒子材料の表面上に第2の柔軟な基材を配置し、太陽電池モジュールを形成することと、
を包含する、方法。
【請求項245】
その上に前記ナノ粒子材料が配置されている前記金属箔の前記分離部分を、前記第1及び第2の柔軟な基材の間に選択的に隔置することを包含する、請求項244に記載の方法。
【請求項246】
その上に前記ナノ粒子材料が配置されている前記金属箔の分離部分が、細片として形作られている、請求項244に記載の方法。
【請求項247】
前記分離部分の前記第1表面と前記第1の柔軟な基材との間に、第1の導電性を配置することと、
前記第1の導電性層及び前記分離部分の前記第1表面と電気的に接続されるように、第1のワイヤを配置することと、
をさらに包含する、請求項244に記載の方法。
【請求項248】
前記第1及び第2の柔軟な基材のうち少なくとも一方が、ポリエチレンテレフタレート材料を含む、請求項244に記載の太陽電池モジュール。
【請求項249】
前記第1及び第2の柔軟な基材のうち少なくとも一方が、ポリエチレンナフタレート材料を含む、請求項244に記載の太陽電池モジュール。
【請求項250】
電化輸送材料と、ポリマー連結剤によって連結されたナノ粒子を含む相互接続された感光性ナノ粒子材料とを含み、その両方ともが第1及び第2の剛体で著しく光透過性である基材の間に配置されている、太陽電池。
【請求項251】
前記電荷輸送材料及び前記相互接続された感光性ナノ粒子材料が、前記第1及び第2の剛体で著しく光透過性である基材の間にそれら自体配置されている第1及び第2の柔軟で著しく光透過性である基材の間に配置されている、請求項250に記載の太陽電池。
【請求項252】
前記相互接続された感光性ナノ粒子材料が、実質的に約5nm~約80nmの平均粒径を有する粒子を含む、請求項250に記載の太陽電池。
【請求項253】
前記相互接続された感光性ナノ粒子材料が、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化ニオブ、酸化ランタン、酸化スズ、酸化タンタル、酸化テルビウム、及びそれらの組合せ、から成る群から選択される、請求項250に記載の太陽電池。
【請求項254】
前記相互接続された感光性ナノ粒子材料が、キサンチン、シアニン、メロシアニン、フタロシアニン、及びピロールから成る群から選択される分子を含んで成る感光剤を含む、請求項250に記載の太陽電池。
【請求項255】
前記相互接続された感光性ナノ粒子材料が、二価及び三価の金属から成る群から選択される金属イオンを含んで成る感光剤を含む、請求項250に記載の太陽電池。
【請求項256】
前記相互接続された感光性ナノ粒子材料が、ルテニウム遷移金属錯体、オスミウム遷移金属錯体、及び鉄遷移金属錯体のうちの少なくとも1つを含んで成る感光剤を含む、請求項250に記載の太陽電池。
【請求項257】
前記電荷輸送材料が、レドックス電解質系を含む、請求項250に記載の太陽電池。
【請求項258】
前記電荷輸送材料が、ポリマー電解質を含む、請求項250に記載の太陽電池。
【請求項259】
前記第1及び第2の柔軟で著しく光透過性である基材のうち少なくも一方が、ポリエチレンテレフタレート材料を含む、請求項251に記載の太陽電池。
【請求項260】
前記第1及び第2の剛体で著しく光透過性である基材のうち少なくとも一方が、強化ガラスを含む、請求項250に記載の太陽電池。
【請求項261】
前記第1及び第2の剛体で著しく光透過性である基材の間に配置された、触媒作用を示す媒体層をさらに含む、請求項250に記載の太陽電池。
【請求項262】
前記触媒作用を示す媒体層が、白金を含む、請求項261に記載の太陽電池。
【請求項263】
前記第1及び第2の剛体で著しく光透過性である基材のうち少なくとも一方に適用された、導電体材料をさらに含む、請求項250に記載の太陽電池。
【請求項264】
前記導電体材料が、インジウムスズ酸化物を含む、請求項263に記載の太陽電池。
【請求項265】
前記第1及び第2の柔軟で著しく光透過性である基材のうち少なくとも一方が、ポリエチレンテレフタレート材料を含む、請求項251に記載の太陽電池。
【請求項266】
電荷輸送材料と、ポリマー連結剤によって連結されたナノ粒子を含む相互接続された感光性ナノ粒子材料とを含み、その両方ともが剛体で著しく光透過性である基材と柔軟で著しく光透過性である基材との間に配置されている、太陽電池。
【請求項267】
前記相互接続された感光性ナノ粒子材料が、実質的に約5nm~約80nmの平均粒径を有する粒子を含む、請求項266に記載の太陽電池。
【請求項268】
前記相互接続された感光性ナノ粒子材料が、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化ニオブ、酸化ランタン、酸化スズ、酸化タンタル、酸化テルビウム、及びそれらの組合せ、から成る群から選択される、請求項266に記載の太陽電池。
【請求項269】
前記相互接続された感光性ナノ粒子材料が、キサンチン、シアニン、フタロシアニン、及びピロールから成る群から選択される分子を含んで成る感光剤を含む、請求項266に記載の太陽電池。
【請求項270】
前記相互接続された感光性ナノ粒子材料が、二価及び三価の金属から成る群から選択される金属イオンを含んで成る感光剤を含む、請求項266に記載の太陽電池。
【請求項271】
前記相互接続された感光性ナノ粒子材料が、ルテニウム遷移金属錯体、オスミウム遷移金属錯体、及び鉄遷移金属錯体のうちの少なくとも1つを含んで成る感光剤を含む、請求項266に記載の太陽電池。
【請求項272】
前記電荷輸送材料が、レドックス電解質系を含む、請求項266に記載の太陽電池。
【請求項273】
前記電荷輸送材料が、ポリマー電解質を含む、請求項266に記載の太陽電池。
【請求項274】
前記柔軟な著しく光透過性である基材が、ポリエチレンテレフタレート材料を含む、請求項266に記載の太陽電池。
【請求項275】
前記剛体で著しく光透過性である基材が、強化ガラスを含む、請求項266に記載の太陽電池。
【請求項276】
前記柔軟で著しく光透過性である基材が、ポリエチレンナフタレート材料を含む、請求項266に記載の太陽電池。
【請求項277】
低温にて剛体基材上でナノ粒子を相互に接続させる方法であって、
剛体基材を設けるステップと、
ポリマー連結剤と溶媒を含んで成る溶液を前記剛体基材に適用するステップと、
約300℃未満の温度で複数の金属酸化物ナノ粒子を前記溶液と接触させて、前記複数の金属酸化物ナノ粒子の少なくとも一部を相互に接続させるステップと、
を包含する、方法。
【請求項278】
前記温度が、約200℃未満である、請求項277に記載の方法。
【請求項279】
前記温度が、約100℃未満である、請求項277に記載の方法。
【請求項280】
前記温度が、およそ室温である、請求項277に記載の方法。
【請求項281】
前記ポリマー連結剤が、長鎖の巨大分子を含む、請求項277に記載の方法。
【請求項282】
前記長鎖の巨大分子が、
前記複数の金属酸化物ナノ粒子の化学構造に実質的に類似する主鎖構造と、
前記主鎖構造に結合している1つ又は複数の反応性基と、
を含む、請求項281に記載の方法。
【請求項283】
前記複数の金属酸化物ナノ粒子が、化学構造MxOyからなり、ここでx及びyが整数である、請求項277に記載の方法。
【請求項284】
Mが、Ti、Zr、Sn、W、Nb、Ta、及びTbから成る群のうちの1つからなる、請求項283に記載の方法。
【請求項285】
前記ポリマー連結剤が、ポリ(n-ブチルチタネート)を含む、請求項277に記載の方法。
【請求項286】
前記溶液の前記溶媒が、n-ブタノールを含む、請求項277に記載の方法。
【請求項287】
前記剛体基材が、著しく光透過性である、請求項277に記載の方法。
【請求項288】
前記剛体基材が、強化ガラスを含む、請求項277に記載の方法。
【請求項289】
前記複数の金属酸化物ナノ粒子が、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化ニオブ、酸化ランタン、酸化スズ、酸化タンタル、酸化テルビウム、及びそれらの組合せ、から成る群から選択される、請求項277に記載の方法。
【請求項290】
太陽電池モジュールを製造する方法であって、
複数の太陽電池を前進させるステップと、
前記複数の太陽電池サブセットを超音波によって、1つ又は複数の太陽電池モジュールへと分割するステップと、
を包含する、方法。
【請求項291】
分割するステップが、前記太陽電池サブセットを実質的に且つ同時に切断しシールして1つ又は複数の太陽電池モジュールへとすることを含む、請求項290に記載の方法。
【請求項292】
前記複数の太陽電池が、太陽電池からなる実質的に連続的な柔軟なシートを含む、請求項290に記載の方法。
【請求項293】
前進させるステップが、連続製造プロセスの一部として実施される、請求項290に記載の方法。
【請求項294】
前記連続製造プロセスが、ロールベースのプロセスを含む、請求項293に記載の方法。
【請求項295】
前記複数の太陽電池が、柔軟性である、請求項290に記載の方法。
【請求項296】
切断しシールすることが、前記1つ又は複数の太陽電池モジュールの基部に前縁を形成する、請求項291に記載の方法。
【請求項297】
切断しシールすることが、前記1つ又は複数の太陽電池モジュールの末端部に後縁を形成する、請求項291に記載の方法。

What is claimed is:

1. A method of connecting a plurality of photovoltaic cells within a photovoltaic module, the method comprising the steps of: providing a first base material including a substrate having a first conductive layer; disposing a photosensitized interconnected nanoparticle material and a charge carrier material on the first conductive layer; providing a wire; and joining a second base material including a substrate having a second conductive layer to the first base material such that the first and second conductive layers are in electrical contact with the wire.

2. The method of claim 1, wherein at least one of the first and second base materials is scored.

3. The method of claim 1, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material comprises nanoparticles linked by a polymeric linking agent.

4. The method of claim 1, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material comprises particles with an average size substantially in the range of about 5 nm to about 80 nm.

5. The method of claim 1, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material is selected from the group consisting of titanium oxides, zirconium oxides, zinc oxides, tungsten oxides, niobium oxides, lanthanum oxides, tantalum oxides, terbium oxides, tin oxides, and combinations thereof.

6. The method of claim 1, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material comprises a photosensitizing agent that comprises a molecule selected from the group consisting of xanthines, cyanines, merocyanines, phthalocyanines, and pyrroles.

7. The method of claim 1, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material comprises a photosensitizing agent that comprises a metal ion selected from the group consisting of divalent and trivalent metals.

8. The method of claim 1, wherein photosensitized interconnected nanoparticle material comprises a photosensitizing agent that comprises at least one of a ruthenium transition metal complex, an osmium transition metal complex, and an iron transition metal complex.

9. The method of claim 1, wherein the charge carrier material comprises a redox electrolyte system.

10. The method of claim 1, wherein the charge carrier material comprises a polymeric electrolyte.

11. The method of claim 1, wherein the charge carrier material transmits at least about 60% of incident visible light.

12. The method of claim 1, wherein at least one of the first and second base materials comprises a polyethylene terephthalate material.

13. The method of claim 1, wherein at least one of the first and second base materials is significantly light transmitting.

14. The method of claim 1, wherein at least one of the first and second base materials is flexible.

15. The method of claim 1, further comprising disposing a catalytic media layer between the first and second base materials.

16. The method of claim 15, wherein the catalytic media layer comprises platinum.

17. The method of claim 1, wherein at least one of the first and second conductor layers comprises indium tin oxide.

18. The method of claim 1, wherein the wire is electrically conductive.

19. The method of claim 1, wherein the wire comprises a first metal.

20. The method of claim 19, wherein the first metal comprises stainless steel.

21. The method of claim 19, wherein the first metal comprises copper.

22. The method of claim 19, wherein the first metal comprises titanium.

23. The method of claim 1, further comprising disposing a plurality of wires between the first and second base materials.

24. The method of claim 1, wherein joining step comprises laminating the first and second conductive layers by disposing an adhesive layer therebetween such that, following the lamination, the wire is embedded in the adhesive layer.

25. The method of claim 24, wherein the adhesive layer comprises a hot melt adhesive.

26. The method of claim 24, wherein the adhesive layer comprises a polyester material.

27. The method of claim 1, further comprising coating the wire with adhesive prior to joining.

28. The method of claim 24, wherein the adhesive layer comprises an epoxy.

29. The method of claim 24, further comprising curing the adhesive layer.

30. The method of claim 24, wherein the adhesive layer comprises a thermoplastic.

31. The method of claim 24, wherein the adhesive layer comprises a thermoset.

32. The method of claim 24, wherein the adhesive layer comprises ethylene maleic anhydride copolymer.

33. The method of claim 1, wherein the wire comprises a coating of a second metal.

34. The method of claim 28, wherein the second metal has a melting temperature in the range of about 50 °C to about 250 °C.

35. The method of claim 28, wherein the second metal has a melting temperature in the range of about 75 °C to about 180 °C.

36. The method of claim 33, further comprising coating the metal coated wire with an adhesive prior to the joining step.

37. The method of claim 36, wherein the adhesive has a lower melting temperature than the second metal.

38. The method of claim 33, wherein the second metal comprises bismuth.

39. The method of claim 33, wherein the second metal comprises tin.

40. A photovoltaic module comprising: a first base material including a substrate having a first conductive layer; a photosensitized interconnected nanoparticle layer and a charge carrier material disposed on the first conductive layer; a wire; and a second base material including a substrate having a second conductive layer, the second base material being joined to the first base material such that the first and second conductive layers are in electrical contact with the wire.

41. The photovoltaic module of claim 40, wherein at least one of the first and second base materials is scored.

42. The photovoltaic module of claim 40, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material comprises nanoparticles linked by a polymeric linking agent.

43. The photovoltaic module of claim 40, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material comprises particles with an average size substantially in the range of about 5 nm to about 80 nm.

44. The photovoltaic module of claim 40, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material is selected from the group consisting of titanium oxides, zirconium oxides, zinc oxides, tungsten oxides, niobium oxides, lanthanum oxides, tin oxides, terbium oxides, tantalum oxides, and combinations thereof.

45. The photovoltaic module of claim 40, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material comprises a photosensitizing agent that comprises a molecule selected from the group consisting of xanthines, cyanines, merocyanines, phthalocyanines, and pyrroles.

46. The photovoltaic module of claim 40, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material comprises a photosensitizing agent that comprises a metal ion selected from the group consisting of divalent and trivalent metals.

47. The photovoltaic module of claim 40, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material comprises a photosensitizing agent that comprises at least one of a ruthenium transition metal complex, an osmium transition metal complex, and an iron transition metal complex.

48. The photovoltaic module of claim 40, wherein the charge carrier material comprises a electrolyte redox system.

49. The photovoltaic module of claim 40, wherein the charge carrier material comprises a polymeric electrolyte.

50. The photovoltaic module of claim 40, wherein the charge carrier material transmits at least about 60% of incident visible light.

51. The photovoltaic module of claim 40, wherein at least one of the first and second base materials comprises a polyethylene terephthalate material.

52. The photovoltaic module of claim 40, wherein at least one of the first and second base materials is significantly light transmitting.

53. The photovoltaic module of claim 40, wherein at least one of the first and second base materials is flexible.

54. The photovoltaic module of claim 40, further comprising a catalytic media layer disposed between the first and second base materials.

55. The photovoltaic module of claim 54, wherein the catalytic media layer comprises platinum.

56. The photovoltaic module of claim 40, wherein at least one of the first and second conductor layers comprises indium tin oxide.

57. The photovoltaic module of claim 40, wherein the wire is electrically conductive.

58. The photovoltaic module of claim 40, wherein the wire comprises a first metal.

59. The photovoltaic module of claim 40, wherein the first metal comprises stainless steel.

60. The photovoltaic module of claim 40, wherein the metal comprises titanium.

61. The photovoltaic module of claim 40, wherein the metal comprises copper 62. The photovoltaic module of claim 40 further comprising an adhesive layer disposed between the first and second conductive layers, such that the wire is embedded in the adhesive layer.

63. The photovoltaic module of claim 62, wherein the adhesive layer comprises a hot melt adhesive.

64. The photovoltaic module of claim 62, wherein the adhesive layer comprises a polyester material.

65. The photovoltaic module of claim 62, wherein the adhesive layer comprises an epoxy.

66. The photovoltaic module of claim 62, wherein the adhesive layer comprises a thermoplastic.

67. The photovoltaic module of claim 62, wherein the adhesive layer comprises a thermoset.

68. The photovoltaic module of claim 62, wherein the adhesive layer comprises ethylene maleic anhydride copolymer.

69. The photovoltaic module of claim 40, wherein the wire comprises a coating of a second metal.

70. The photovoltaic module of claim 69, wherein the second metal has a melting temperature in the range of about 50 °C to about 250 °C.

71. The photovoltaic module of claim 69, wherein the second metal has a melting temperature in the range of about 75 °C to about 180 °C.

72. The photovoltaic module of claim 69, wherein the metal coated wire is coated with an adhesive prior to joining.

73. The photovoltaic module of claim 72, wherein the adhesive has a lower melting temperature than the second metal.

74. The photovoltaic module of claim 69, wherein the second metal comprises bismuth.

75. The photovoltaic module of claim 69, wherein the second metal comprises tin.

76. The photovoltaic module of claim 40, wherein at least one of the first and second base materials comprises a polyethylene naphthalate material.

77. A method of scoring comprising the steps of: providing a first coated base material; and scoring the coating of the first coated base material at a temperature sufficiently elevated to part the coating and melt at least a portion of the first base material.

78. The method of claim 77, wherein the parting of the coating and the melting of the first base material disrupts electrical continuity of the coating of the first base material.

79. The method of claim 77, wherein the scoring step is performed using a heated stylus.

80. The method of claim 77, wherein the scoring step is performed using a soldering iron tip.

81. The method of claim 77, wherein the scoring step is performed mechanically.

82. The method of claim 77, further comprising applying a photosensitized interconnected nanoparticle material and a charge carrier material to the coating of the first base material.

83. The method of claim 82, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material comprises nanoparticles linked by polymeric linking agent.

84. The method of claim 82, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material comprises particles with an average size in the range of about 5 nm to about 80 nm.

85. The method of claim 82, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material is selected from the group consisting of titanium oxides, zirconium oxides, zinc oxides, tungsten oxides, niobium oxides, lanthanum oxides, terbium oxides, tantalum oxides, tin oxides, and combinations thereof.

86. The method of claim 82, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material comprises a photosensitizing agent that comprises a molecule selected from the group consisting of xanthines, cyanines, merocyanines, phthalocyanines, and pyrroles.

87. The method of claim 82, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material comprises a photosensitizing agent that comprises a metal ion selected from the group consisting of divalent and trivalent metals.

88. The method of claim 82, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material comprises a photosensitizing agent that comprises at least one of a ruthenium transition metal complex, an osmium transition metal complex, and an iron transition metal complex.

89. The method of claim 82, wherein the charge carrier material comprises a redox electrolyte system.

90. The method of claim 82, wherein the charge carrier material comprises a polymeric electrolyte.

91. The method of claim 82, wherein the charge carrier material transmits at least about 60% of incident visible light.

92. The method of claim 77, wherein the coating of the first base material comprises a conductive layer.

93. The method of claim 77, wherein the first base material comprises a polyethylene terephthalate material.

94. The method of claim 77, wherein the first base material is significantly light transmitting.

95. The method of claim 77, wherein the first base material is flexible.

96. The method of claim 77, wherein the coating of the first base material comprises indium tin oxide.

97. A method of forming a photovoltaic module, the method comprising the steps of: providing a first coated base material; scoring the coating of the first coated base material at a temperature sufficiently elevated to part the coating and melt at least a portion of the first base material; providing a second coated base material; scoring the coating of the second coated base material at a temperature sufficiently elevated to part the coating and melt at least a portion of the second base material; and joining the first and second coated base materials to form a photovoltaic module 98. The method of claim 97, wherein the joining is performed such that the coatings of the first and second base materials are sandwiched between the first and second base materials, and the first and second base materials are in electrical communication with each other.

99. The method of claim 97, wherein the melting of the first coated base material disrupts electrical continuity of the coating of the first base material.

100. The method of claim 97, wherein the melting of the second coated base material disrupts electrical continuity of the coating of the second base material.

101. The method of claim 97, wherein the joining comprises laminating.

102. The method of claim 97, wherein the scorings of the first and second coated base materials are substantially aligned when joined.

103. The method of claim 97, wherein the scoring steps are performed using a heated stylus.

104. The method of claim 97, wherein the scoring steps are performed using a soldering iron tip.

105. The method of claim 97, wherein the scoring steps are performed mechanically.

106. The method of claim 97, further comprising disposing a photosensitized interconnected nanoparticle material and a charge carrier material between the coatings of the first and second base materials.

107. The method of claim 106, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material comprises nanoparticles linked by polymeric linking agent.

108. The method of claim 106, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material comprises particles with an average size in the range of about 5 nm to about 80 nm.

109. The method of claim 106, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material is selected from the group consisting of titanium oxides, zirconium oxides, zinc oxides, tungsten oxides, niobium oxides, lanthanum oxides, terbium oxides, tantalum oxides, tin oxides, and combinations thereof.

110. The method of claim 106, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material comprises a photosensitizing agent that comprises a molecule selected from the group consisting of xanthines, cyanines, merocyanines, phthalocyanines, and pyrroles.

111. The method of claim 106, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material comprises a photosensitizing agent that comprises a metal ion selected from the group consisting of divalent and trivalent metals.

112. The method of claim 106, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material comprises a photosensitizing agent that comprises at least one of a ruthenium transition metal complex, an osmium transition metal complex, and an iron transition metal complex.

113. The method of claim 106, wherein the charge carrier material comprises a redox electrolyte system.

114. The method of claim 106, wherein the charge carrier material comprises a polymeric electrolyte.

115. The method of claim 106, wherein the charge carrier material transmits at least about 60% of incident visible light.

116. The method of claim 97, wherein the coatings of the first and second base materials comprises a conductive material.

117. The method of claim 97, wherein at least one of the first and second base materials comprise a polyethylene terephthalate material.

118. The method of claim 116, wherein at least one of the first and second base materials are significantly light transmitting.

119. The method of claim 116, wherein at least one of the first and second base materials is flexible.

120. The method of claim 116, wherein the conductive material comprises indium tin oxide.

121. The method of claim 97, further comprising applying a catalytic media layer to at least one of the coatings of the first and second base materials.

122. The method of claim 121, wherein the catalytic media layer comprises platinum.

123. The method of claim 97, wherein at least one of the first and second base materials comprise a polyethylene naphthalate material.

124. The method of claim 77, wherein the first base material comprises a polyethylene naphthalate material.

125. A method of forming a photovoltaic cell, the method comprising the steps of: providing a metal foil; applying a nanoparticle material to the metal foil; heating the nanoparticle material to form an interconnected nanoparticle material; and disposing between first and second flexible substrates the metal foil coated with the interconnected nanoparticle material.

126. The method of claim 125, further comprising the steps of: disposing a conductive layer between the metal foil and the first flexible substrate; providing a wire; and joining the first and second flexible substrates, such that the conductive layer and the metal foil are in electrical contact with the wire.

127. The method of claim 126, wherein joining step comprises laminating the first and second conductive layers by disposing an adhesive layer therebetween such that, following the lamination, the wire is embedded in the adhesive layer.

128. The method of claim 125, further comprising photosensitizing the interconnected nanoparticle material with a photosensitizing agent.

129. The method of claim 125, wherein the interconnected nanoparticle material comprises particles with an average size in the range of about 5 nm to about 80 nm.

130. The method of claim 125, wherein the interconnected nanoparticle material is selected from the group consisting of titanium dioxide, zirconium oxides, zinc oxides, tungsten oxides, niobium oxides, lanthanum oxides, tin oxides, terbium oxides, tantalum oxides, and combinations thereof.

131. The method of claim 128, wherein the photosensitizing agent comprises a molecule selected from the group consisting of a xanthine, cyanine, merocyanine, phthalocyanine, and pyrrole.

132. The method of claim 128, wherein the photosensitizing agent comprises a metal ion selected from the group consisting of divalent and trivalent metals.

133. The method of claim 128, wherein the photosensitizing agent comprises at least one of a ruthenium transition metal complex, an osmium transition metal complex, and an iron transition metal complex.

134. The method of claim 125, further comprising disposing a charge carrier material between the first and second flexible substrates.

135. The method of claim 134, wherein the charge carrier material comprises a redox electrolyte system.

136. The method of claim 134, wherein the charge carrier material comprises a polymeric electrolyte.

137. The method of claim 125, further comprising disposing a catalytic media layer between the first and second flexible substrates.

138. The method of claim 137, wherein the catalytic media layer comprises platinum.

139. The method of claim 126, wherein the conductor layer comprises indium tin oxide.

140. The method of claim 126, wherein the wire is electrically conductive.

141. The method of claim 126, wherein the wire comprises a metal.

142. The method of claim 141, wherein the metal comprises stainless steel.

143. The method of claim 126, further comprising disposing a plurality of wires between the first and second flexible substrates.

144. The method of claim 127, wherein the adhesive layer comprises a hot melt adhesive.

145. The method of claim 127, wherein the adhesive layer comprises a polyester material.

146. The method of claim 126, further comprising coating the wire with adhesive prior to laminating.

147. The method of claim 127, wherein the adhesive layer comprises an epoxy.

148. The method of claim 127, further comprising curing the adhesive layer.

149. The method of claim 125, wherein at least one of the first and second flexible substrates is significantly light transmitting.

150. The method of claim 125, wherein the metal foil comprises titanium.

151. The method of claim 125, wherein the interconnected nanoparticle material is interconnected using a polylinker at temperatures less than about 300 °C.

152. The method of claim 125, the interconnected nanoparticle material is interconnected using a polylinker at temperatures less than about 150 °C.

153. The method of claim 125, wherein the interconnected nanoparticle material is interconnected using a polylinker at room temperature.

154. A photovoltaic cell comprising: a metal foil; and an interconnected nanoparticle material formed on the metal foil, the metal foil and the interconnected nanoparticle material both being disposed between first and second flexible substrates.

155. The photovoltaic cell of claim 154, further comprising: a conductive layer disposed between the metal foil and the first flexible substrate; and a wire placed such that the conductive layer and the metal foil are in electrical contact with the wire.

156. The photovoltaic cell of claim 154, wherein the interconnected nanoparticle material comprises a photosensitized interconnected nanoparticle material.

157. The photovoltaic cell of claim 154, wherein the interconnected nanoparticle material comprises particles with an average size in the range of about 5 nm to about 80 nm.

158. The photovoltaic cell of claim 154, wherein the interconnected nanoparticle material is selected from the group consisting of titanium oxides, zirconium oxides, zinc oxides, tungsten oxides, niobium oxides, lanthanum oxides, tantalum oxides, terbium oxides, tin oxides, and combinations thereof.

159. The photovoltaic cell of claim 156, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material comprises a photosensitizing agent that comprises a molecule selected from the group consisting of xanthines, cyanines, merocyanines, phthalocyanines, and pyrroles.

160. The photovoltaic cell of claim 156, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material comprises a photosensitizing agent that comprises a metal ion selected from the group consisting of divalent and trivalent metals.

161. The photovoltaic cell of claim 156, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material comprises a photosensitizing agent that comprises at least one of a ruthenium transition metal complex, an osmium transition metal complex, and an iron transition metal complex.

162. The photovoltaic cell of claim 154 further comprising a charge carrier material disposed between the first and second flexible substrates.

163. The photovoltaic cell of claim 162, wherein the charge carrier material comprises a redox electrolyte system.

164. The photovoltaic cell of claim 162, wherein the charge carrier material comprises a polymeric electrolyte.

165. The photovoltaic cell of claim 162, wherein the charge carrier material transmits at least about 60% of incident visible light.

166. The photovoltaic cell of claim 154, further comprising a catalytic media layer disposed between the first and second base materials.

167. The photovoltaic cell of claim 166, wherein the catalytic media layer comprises platinum.

168. The photovoltaic cell of claim 155, wherein the first conductive layer comprises indium tin oxide.

169. The photovoltaic cell of claim 155, wherein the wire is electrically conductive.

170. The photovoltaic cell of claim 155, wherein the wire comprises a metal.

171. The photovoltaic cell of claim 170, wherein the metal comprises stainless steel.

172. The photovoltaic cell of claim 170, wherein the metal comprises platinum.

173. The photovoltaic cell of claim 154 further comprising an adhesive layer disposed between the first and second conductive layers, such that the wire is embedded in the adhesive layer.

174. The photovoltaic cell of claim 173, wherein the adhesive layer comprises a hot melt adhesive.

175. The photovoltaic cell of claim 173, wherein the adhesive layer comprises a polyester material.

176. The photovoltaic cell of claim 173, wherein the adhesive layer comprises an epoxy.

177. The photovoltaic cell of claim 154, wherein the metal foil comprises titanium.

178. A method of forming a photovoltaic module, the method comprising the steps of: providing a metal foil; applying a nanoparticle material to discrete portions of the metal foil; heating the nanoparticle material to form an interconnected nanoparticle material; slitting the foil to mechanically separate the discrete portions; disposing the discrete portions of the metal foil between first and second flexible substrates to form a photovoltaic module.

179. The method of claim 178, wherein in the discrete portions of the metal foil having the nanoparticle material disposed thereon are selectively spaced between the first and second flexible substrates.

180. The method of claim 178, wherein in the slitting step includes slitting the discrete portions of metal foil having the nanoparticle material disposed thereon into strips.

181. The method of claim 178, further comprising the steps of: disposing a conductive layer between the discrete portions of metal foil and the first flexible substrate; providing a wire; and joining the first and second flexible substrates, such that the conductive layer and the metal foil are in electrical contact with the wire.

182. The method of claim 181, wherein the joining step comprises laminating the first and second conductive layers by disposing an adhesive layer therebetween such that, following the lamination, the wire is embedded in the adhesive layer.

183. The method of claim 178, further comprising photosensitizing the interconnected nanoparticle material with a photosensitizing agent.

184. The method of claim 178, wherein the interconnected nanoparticle material comprises particles with an average size in the range of about 5 nm to about 80 nm.

185. The method of claim 178, wherein the interconnected nanoparticle material is selected from the group consisting of titanium dioxide, zirconium oxides, zinc oxides, tungsten oxides, niobium oxides, lanthanum oxides, tin oxides, terbium oxides, tantalum oxides, and combinations thereof.

186. The method of claim 183, wherein the photosensitizing agent comprises a molecule selected from the group consisting of a xanthine, cyanine, merocyanine, phthalocyanine, and pyrrole.

187. The method of claim 183, wherein the photosensitizing agent comprises a metal ion selected from the group consisting of divalent and trivalent metals.

188. The method of claim 183, wherein the photosensitizing agent comprises at least one of a ruthenium transition metal complex, an osmium transition metal complex, and an iron transition metal complex.

189. The method of claim 178, further comprising disposing a charge carrier material between the first and second flexible substrates.

190. The method of claim 189, wherein the charge carrier material comprises a redox electrolyte system.

191. The method of claim 189, wherein the charge carrier material comprises a polymeric electrolyte.

192. The method of claim 178, further comprising disposing a catalytic media layer between the first and second flexible substrates.

193. The method of claim 192, wherein the catalytic media layer comprises platinum.

194. The method of claim 178, wherein the conductor layer comprises indium tin oxide.

195. The method of claim 181, wherein the wire is electrically conductive.

196. The method of claim 181, wherein the wire comprises a metal.

197. The method of claim 196, wherein the metal comprises stainless steel.

198. The method of claim 181, further comprising disposing a plurality of wires between the first and second flexible substrates.

199. The method of claim 182, wherein the adhesive layer comprises a hot melt adhesive.

200. The method of claim 182, wherein the adhesive layer comprises a polyester material.

201. The method of claim 181, further comprising coating the wire with adhesive prior to laminating.

202. The method of claim 182, wherein the adhesive layer comprises an epoxy.

203. The method of claim 182, further comprising curing the adhesive layer.

204. The method of claim 178, wherein at least one of the first and second flexible substrates is significantly light transmitting.

205. The method of claim 178, wherein the metal foil comprises titanium.

206. The method of claim 178, wherein the interconnected nanoparticle material is interconnected using a polylinker at temperatures less than about 300 °C.

207. The method of claim 178, the interconnected nanoparticle material is interconnected using a polylinker at temperatures less than about 150 °C.

208. The method of claim 178, wherein the interconnected nanoparticle material is interconnected using a polylinker at room temperature.

209. A photovoltaic module comprising: first and second flexible substrates; a plurality of discrete portions of metal foil; and an interconnected nanoparticle material formed on each of the discrete portions of the metal foil, the discrete portions of the metal foil having the interconnected nanoparticle material disposed thereon each being disposed between the first and second flexible substrates to form a photovoltaic module.

210. The photovoltaic module of claim 209, wherein in the discrete portions of the metal foil having the nanoparticle material disposed thereon are selectively spaced between the first and second flexible substrates.

211. The photovoltaic module of claim 209, wherein in the discrete portions of metal foil having the nanoparticle material disposed thereon are shaped as strips.

212. The photovoltaic module of claim 209, further comprising: a conductive layer disposed between the metal foil and the first flexible substrate; and a wire placed such that the conductive layer and the metal foil are in electrical contact with the wire.

213. The photovoltaic module of claim 209, wherein the interconnected nanoparticle material comprises a photosensitized interconnected nanoparticle material.

214. The photovoltaic module of claim 209, wherein the interconnected nanoparticle material comprises particles with an average size in the range of about 5 nm to about 80 nm.

215. The photovoltaic module of claim 209, wherein the interconnected nanoparticle material is selected from the group consisting of titanium oxides, zirconium oxides, zinc oxides, tungsten oxides, niobium oxides, lanthanum oxides, tantalum oxides, terbium oxides, tin oxides, and combinations thereof.

216. The photovoltaic module of claim 213, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material comprises a photosensitizing agent that comprises a molecule selected from the group consisting of xanthines, cyanines, merocyanines, phthalocyanines, and pyrroles.

217. The photovoltaic module of claim 213, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material comprises a photosensitizing agent that comprises a metal ion selected from the group consisting of divalent and trivalent metals.

218. The photovoltaic module of claim 213, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material comprises a photosensitizing agent that comprises at least one of a ruthenium transition metal complex, an osmium transition metal complex, and an iron transition metal complex.

219. The photovoltaic module of claim 209 further comprising a charge carrier material disposed between the first and second flexible substrates.

220. The photovoltaic module of claim 219, wherein the charge carrier material comprises a redox electrolyte system.

221. The photovoltaic module of claim 219, wherein the charge carrier material comprises a polymeric electrolyte.

222. The photovoltaic module of claim 219, wherein the charge carrier material transmits at least about 60% of incident visible light.

223. The photovoltaic module of claim 209, further comprising a catalytic media layer disposed between the first and second base materials.

224. The photovoltaic module of claim 223, wherein the catalytic media layer comprises platinum.

225. The photovoltaic cell of claim 212, wherein the conductive layer comprises indium tin oxide.

226. The photovoltaic cell of claim 212, wherein the wire is electrically conductive.

227. The photovoltaic module of claim 212, wherein the wire comprises a metal.

228. The photovoltaic module of claim 103, wherein the metal comprises stainless steel.

229. The photovoltaic module of claim 103, wherein the metal comprises platinum.

230. The photovoltaic module of claim 212 further comprising an adhesive layer disposed between the first and second conductive layers, such that the wire is embedded in the adhesive layer.

231. The photovoltaic module of claim 230, wherein the adhesive layer comprises a hot melt adhesive.

232. The photovoltaic module of claim 230, wherein the adhesive layer comprises a polyester material.

233. The photovoltaic module of claim 230, wherein the adhesive layer comprises an epoxy.

234. The photovoltaic module of claim 209, wherein the metal foil comprises titanium.

235. The photovoltaic module of claim 209, wherein at least one of the first and second flexible substrates comprises a polyethylene terephthalate material.

236. The photovoltaic module of claim 209, wherein at least one of the first and second flexible substrates comprises a polyethylene naphthalate material.

237. A photovoltaic module capable of receiving electromagnetic radiation via two sides, the photovoltaic module comprising: a plurality of discrete portions of metal foil, each of the discrete portions having first and second surfaces; an interconnected nanoparticle material applied to each of the first and second surfaces; a first flexible substrate disposed on top of the interconnected nanoparticle material disposed on the first surface of each of the discrete portions of metal foil; and a second flexible substrate disposed on top of the interconnected nanoparticle material disposed on the second surface of each of the discrete portions of the metal foil to form a photovoltaic module.

238. The photovoltaic module of claim 237, wherein the discrete portions of the metal foil having the nanoparticle material disposed thereon are selectively spaced between the first and second flexible substrates.

239. The photovoltaic module of claim 237, wherein in the discrete portions of metal foil having the nanoparticle material disposed thereon are shaped as strips.

240. The photovoltaic module of claim 237, further comprising: a first conductive layer disposed between the first surface of the discrete portions and the first flexible substrate; and a first wire placed such that the first conductive layer and the first surface of the discrete portions are in electrical contact with the first wire.

241. The photovoltaic module of claim 240, further comprising: a second conductive layer disposed between the second surface of the discrete portions and the second flexible substrate; and a second wire placed such that the second conductive layer and the second surface of the discrete portions are in electrical contact with the first wire.

242. The photovoltaic module of claim 237, wherein at least one of the first and second flexible substrates comprises a polyethylene terephthalate material.

243. The photovoltaic module of claim 237, wherein at least one of the first and second flexible substrates comprises a polyethylene naphthalate material.

244. A method of forming a photovoltaic module capable of receiving electromagnetic radiation via two sides, the method comprising: providing a plurality of discrete portions of metal foil, each of the discrete portions having first and second surfaces; applying an interconnected nanoparticle material to each of the first and second surfaces; disposing a first flexible substrate on top of the interconnected nanoparticle material disposed on the first surface of each of the discrete portions of metal foil; and disposing a second flexible substrate on top of the interconnected nanoparticle material disposed on the second surface of each of the discrete portions of the metal foil to form a photovoltaic module.

245. The method of claim 244 comprising, selectively spacing the discrete portions of the metal foil having the nanoparticle material disposed thereon between the first and second flexible substrates.

246. The method of claim 244, wherein in the discrete portions of metal foil having the nanoparticle material disposed thereon are shaped as strips.

247. The method of claim 244, further comprising: disposing a first conductive layer between the first surface of the discrete portions and the first flexible substrate; and disposing a first wire such that the first conductive layer and the first surface of the discrete portions are in electrical contact with the first wire.

248. The photovoltaic module of claim 244, wherein at least one of the first and second flexible substrates comprises a polyethylene terephthalate material.

249. The photovoltaic module of claim 244, wherein at least one of the first and second flexible substrates comprises a polyethylene naphthalate material.

250. A photovoltaic cell comprising a charge carrier material and a photosensitized interconnected nanoparticle material including nanoparticles linked by a polymeric linking agent, both disposed between first and second rigid, significantly light- transmitting substrates.

251. The photovoltaic cell of claim 250, wherein the charge carrier material and the photosensitized interconnected nanoparticle material are disposed between a first and second flexible, significantly light-transmitting substrate that are themselves disposed between the first and second rigid, significantly light-transmitting substrates.

252. The photovoltaic cell of claim 250, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material comprises particles with an average size substantially in the range of about 5 nm to about 80 nm.

253. The photovoltaic cell of claim 250, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material is selected from the group consisting of titanium oxides, zirconium oxides, zinc oxides, tungsten oxides, niobium oxides, lanthanum oxides, tin oxides, tantalum oxides, terbium oxides, and combinations thereof.

254. The photovoltaic cell of claim 250, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material comprises a photosensitizing agent that comprises a molecule selected from the group consisting of xanthines, cyanines, merocyanines, phthalocyanines, and pyrroles.

255. The photovoltaic cell of claim 250, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material comprises a photosensitizing agent that comprises a metal ion selected from the group consisting of divalent and trivalent metals.

256.. The photovoltaic cell of claim 250, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material comprises a photosensitizing agent that comprises at least one of a ruthenium transition metal complex, an osmium transition metal complex, and an iron transition metal complex.

257. The photovoltaic cell of claim 250, wherein the charge carrier material comprises a redox electrolyte system.

258. The photovoltaic cell of claim 250, wherein the charge carrier material comprises a polymeric electrolyte.

259. The photovoltaic cell of claim 251, wherein at least one of the first and second flexible, significantly light-transmitting substrates comprises a polyethylene terephthalate material.

260. The photovoltaic cell of claim 250, wherein at least one of the first and second rigid, significantly light-transmitting substrates comprises tempered glass.

261. The photovoltaic cell of claim 250, further comprising a catalytic media layer disposed between the first and second rigid, significantly light-transmitting substrates.

262. The photovoltaic cell of claim 261, wherein the catalytic media layer comprises platinum.

263. The photovoltaic cell of claim 250, further comprising an electrical conductor material applied to at least one of the first and second rigid, significantly light- transmitting substrates.

264. The photovoltaic cell of claim 263, wherein the electrical conductor material comprises indium tin oxide.

265. The photovoltaic cell of claim 251, wherein at least one of the first and second flexible, significantly light-transmitting substrates comprises a polyethylene naphthalate material.

266. A photovoltaic cell comprising a charge carrier material and a photosensitized interconnected nanoparticle material including nanoparticles linked by a polymeric linking agent, both disposed between a rigid, significantly light-transmitting substrate and a flexible, significantly light-transmitting substrate.

267. The photovoltaic cell of claim 266, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material comprises particles with an average size substantially in the range of about 5 nm to about 80 nm.

268. The photovoltaic cell of claim 266, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material is selected from the group consisting of titanium oxides, zirconium oxides, zinc oxides, tungsten oxides, niobium oxides, lanthanum oxides, tin oxides, tantalum oxides, terbium oxides, and combinations thereof.

269. The photovoltaic cell of claim 266, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material comprises a photosensitizing agent that comprises a molecule selected from the group consisting of xanthines, cyanines, merocyanines, phthalocyanines, and pyrroles.

270. The photovoltaic cell of claim 266, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material comprises a photosensitizing agent that comprises a metal ion selected from the group consisting of divalent and trivalent metals.

271. The photovoltaic cell of claim 266, wherein the photosensitized interconnected nanoparticle material comprises a photosensitizing agent that comprises at least one of a ruthenium transition metal complex, an osmium transition metal complex, and an iron transition metal complex.

272. The photovoltaic cell of claim 266, wherein the charge carrier material comprises a redox electrolyte system.

273. The photovoltaic cell of claim 266, wherein the charge carrier material comprises a polymeric electrolyte.

274. The photovoltaic cell of claim 266, wherein the flexible, significantly light- transmitting substrate comprises a polyethylene terephthalate material.

275. The photovoltaic cell of claim 266, wherein the rigid, significantly light- transmitting substrate comprises tempered glass.

276. The photovoltaic cell of claim 266, wherein the flexible, significantly light- transmitting substrate comprises a polyethylene naphthalate material.

277. A method of interconnecting nanoparticles at low temperatures on a rigid substrate, the method comprising the steps of: providing a rigid substrate; applying a solution comprising a polymeric linking agent and a solvent to the rigid substrate; and contacting a plurality of metal oxide nanoparticles with the solution at a temperature below about 300°C to interconnect at least a portion of the plurality of metal oxide nanoparticles.

278. The method of claim 277, wherein the temperature is below about 200 °C.

279. The method of claim 277, wherein the temperature is below about 100°C 280. The method of claim 277, wherein the temperature is about room temperature.

281. The method of claim 277, wherein the polymeric linking agent comprises a long chain macromolecule.

282. The method of claim 281, wherein the long chain macromolecule comprises: a backbone structure substantially similar to a chemical structure of the plurality of metal oxide nanoparticles; and one or more reactive groups chemically bonded to the backbone structure.

283. The method of claim 277, wherein the plurality of metal oxide nanoparticles comprise a chemical structure, MxOy, wherein x and y are integers.

284. The method of claim 283, wherein M comprises one of the group comprising Ti, Zr, Sn, W, Nb, Ta, and Tb.

285. The method of claim 277, wherein the polymeric linking agent comprises poly (n-butyl titanate).

286. The method of claim 277, wherein the solvent of the solution comprises n- butanol.

287. The method of claim 277, wherein the rigid substrate is significantly light- transmitting.

288. The method of claim 277, wherein the rigid substrate comprises tempered glass.

289. The method of claim 277, wherein the plurality of metal oxide nanoparticles is selected from the group consisting of titanium oxides, zirconium oxides, zinc oxides, tungsten oxides, niobium oxides, lanthanum oxides, tin oxides, tantalum oxides, terbium oxides, and combinations thereof.

290. A method of manufacturing photovoltaic modules, the method comprising the steps of: advancing a plurality of photovoltaic cells; and ultrasonically dividing a subset of the plurality of photovoltaic cells into one or more photovoltaic modules.

291. The method of claim 290, wherein dividing step includes substantially and concurrently cutting and sealing the subset of photovoltaic cells into one or more photovoltaic modules. 292. The method of claim 290, wherein the plurality of photovoltaic cells comprises a substantially continuous flexible sheet of photovoltaic cells.

293. The method of claim 290, wherein advancing step is performed as part of a continuous manufacturing process.

294. The method of claim 293, wherein the continuous manufacturing process comprises a roll-based process.

295. The method of claim 290, wherein the plurality of photovoltaic cells is flexible.

296. The method of claim 291, wherein cutting and sealing forms a leading edge on a proximal portion of the one or more photovoltaic modules.

297. The method of claim 291, wherein cutting and sealing forms a trailing edge on a distal portion of the one or more photovoltaic modules.

「特表2005-516371およびWO2003065472より引用」

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色素増感太陽電池の構造及び材料

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本願は、本願譲受人がその全てを所用している、2002年1月25日付け米国特許出願第10/057、394号、2002年1月25日付け米国分割特許出願第60/351、691号、2002年3月29日付け米国分割特許出願第60/368、832号、2002年7月31日付け米国分割特許出願第60/400、289号、2002年11月19日付け日国分割特許出願第60/427、642号に対する優先権を主張するものである。
本発明の分野
本発明は、概して、太陽電池デバイスの分野、より詳細には、太陽電池を構築するための構造及び材料、並びに太陽電池を相互接続させて太陽電池モジュールを形成する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
本発明の背景
液体電解質と、色素でコーティングされた焼結酸化チタンとの浸透ネットワーク(percolating network)から構成される薄膜太陽電池が、スイス連邦技術研究所において、マイケルグレッツェル博士らによって開発された。これらの太陽電池デバイスは、色素増感太陽電池(「DSSC」)として称される電池の一般分類の範囲に含まれる。従来技術では、DSSCの製造には、ナノ粒子間の十分な相互接続性及びナノ粒子と透明基材との高い接着性を達成するために、高温焼結プロセス(>約400℃)が必要とされる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
グレッツェル太陽電池は比較的安価な原材料から製造されるが、当該電池を製造するのに利用される高温焼結技術によって、電池基材はガラスのような剛体透明材料に制限され、それによって、その製造はバッチプロセスに限定され、その用途は剛体構造を許容し得るものに限定される。さらに、高温焼結技術では、通常のガラスよりも熱的な及び機械的な応力、引張力に著しく耐性であるが、高温焼結技術に固有の温度ではその強さが失われる、強化ガラスの使用が不可能である。
【課題を解決するための手段】
【0004】
一実施形態において、本発明は、連続製造プロセスを用いて柔軟な太陽電池を相互に接続するための方法及び構造を提供することによって、従来技術の不十分な点に取り組む。より詳細には、接着性細片と関連した1つ又は複数のワイヤが、太陽電池又はモジュールの光活性層の間の導電性コネクタとして機能する。当該ワイヤインターコネクタは、ロールトゥロールプロセスやウェブプロセスのような連続製造プロセスに適合可能である。
【0005】
一実施形態において、本発明はまた、その上に柔軟な太陽電池あるいはモジュールが形成される、コーティングされた基材材料に刻み目を付ける方法を提供することによって、従来技術の不十分な点に取り組む。より詳細には、一実施形態では、加熱した尖筆を用いて、コーティングされた基材材料に刻み目をつけ、前記コーティングを分割し、基材材料の少なくとも一部を溶融させる。本発明の一つの利点は、加熱した尖筆の通った跡に形成される破片が、それが冷めた時には基材材料内にカプセル化されることである。従って、刻み目を付けることに伴う破片は、本プロセスを用いて形成した太陽電池又はモジュールの性能に干渉することはない。
【0006】
本発明はまた、柔軟な太陽電池及びモジュールを形成するための方法及び構造も提供する。より詳細には、高温で変異する柔軟基材ではなく、高温焼結技術に対して耐性である金属箔上で、相互接続された感光性ナノ粒子材料を形成する。次いで、当該金属箔を、2つの柔軟な基材の間に配置し、柔軟な太陽電池又はモジュールを完成させる。太陽電池及びモジュールは、比較的低温(<約300℃)にて剛体基材上でナノ粒子を相互接続させることによって、形成させることができる。より詳細には、強化ガラス基材上でそれらを形成することによって、太陽電池及びモジュールの耐久性及び寿命が向上する。
【0007】
連続製造プロセス時、単一基材上に形成された一連の太陽電池が、複数の太陽電池を含む個々の太陽電池モジュールへと分割される。一実施形態では、本発明は、超音波断片化装置を用いて当該分割を実施する方法を提供する。より詳細には、超音波エネルギーによって、太陽電池の前端及び後端が切断及びシールされ、こうして、漏れのない、気密性モジュールが形成される。
【0008】
一態様では、本発明は、(i)第1の導電性層を有する基材を含む第1の基材材料を設けること、(ii)第1の導電性層上に、相互接続された感光性ナノ粒子材料及び電荷輸送材料を配置すること、(iii)ワイヤを設けること、及び(iv)第2の導電性層を有する基材を含む第2の基材材料を前記第1の基材材料と接合させ、それによって第1及び第2の導電性層がワイヤと電気的に接続している状態にすること、を包含する、太陽電池モジュール内部の複数の太陽電池を接続させる方法を提供する。一実施形態では、請求項1には、接合させるステップが、その間に接着層を配置することによって導電性層を重ね合わせることを包含し、それによって、重ね合わせた後には、ワイヤが接着層内に埋め込まれた状態となる、方法が包含される。
【0009】
他の態様では、本発明は、(i)第1の導電性層を有する基材を含む第1の基材材料、(ii)第1の導電性層上に配置された、相互接続された感光性ナノ粒子層及び電荷輸送材料、(iii)ワイヤ、及び(iv)第2の導電性層を有する基材を含む第2の基材材料、を備える太陽電池モジュールを提供する。第1及び第2の導電性層がワイヤと電気的に接続されるように、第2の基材材料は第1の基材材料に接合されている。一実施形態では、太陽電池モジュールは、第1及び第2の導電性層の間に配置された接着層を備え、それによって、ワイヤは当該接着層内に埋め込まれている。
【0010】
当該太陽電池モジュールの一実施形態では、相互接続された感光性ナノ粒子材料は、実質的に約5nm~約80nmの平均粒径を有する粒子を含有する。相互接続された感光性ナノ粒子材料には、例えば、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化ニオブ、酸化ランタン、酸化スズ、酸化タンタル、あるいは酸化テルビウム、あるいは1つ又は複数のそれらの組合せ、を用いることができる。相互接続された感光性ナノ粒子材料は、キサンチン、シアニン、メロシアニン、フタロシアニン、及び/又はピロールのような感光剤を含むことができる。感光剤は、二価あるいは三価の金属などの金属イオンを含むことができる。感光剤はまた、ルテニウム遷移金属錯体、オスミウム遷移金属錯体、及び鉄遷移金属錯体のうちの少なくとも1つを含むことができる。当該太陽電池の一実施形態では、電荷輸送材料は、ポリマー電解質である。一形態によれば、電荷輸送材料は、入射可視光の少なくとも約60%を透過させる。
【0011】
太陽電池モジュールの一実施形態では、第1及び第2の基材材料のうち少なくとも一方は、刻み目を付けられている。第1及び第2の基材材料のうち少なくとも一方は、著しく光透過性(例えば、ポリエチレンテレフタレートやポリエチレンナフタレート材料)とし得る。第1及び第2の基材材料のうち少なくとも一方は、柔軟性とし得る。一実施形態では、太陽電池モジュールは、第1及び第2の基材材料の間に配置された、触媒作用を示す媒体層を備える。当該触媒作用を示す媒体層は、例えば、白金である。一実施形態では、ワイヤは導電性(例えば、ステンレス鋼、チタン、あるいは銅などの金属ワイヤ)である。第1及び第2の基材材料の間に、複数のワイヤを配置することができる。
【0012】
一実施形態では、接着層は、ホットメルト接着剤を含む。当該接着剤は、硬化プロセスを必要とする場合がある。接着剤の例として、限定はしないが、エポキシ、熱可塑性物質、熱硬化性物質、及びエチレンマレイン酸無水物が挙げられる。一実施形態では、ワイヤは、第2金属(例えば、スズあるいはビスマス)からなるコーティングを備える。当該金属はの融点は、約50℃~250℃、好ましくは約75℃~180℃の範囲とし得る。一実施形態では、接合ステップの前に、金属コーティングされたワイヤ、それ自体を接着剤でコーティングすることができる。当該接着剤は、第2金属よりも低い融点を有する。
【0013】
一態様では、本発明は、刻み目を付ける方法を提供する。当該方法には、第1のコーティングされた基材材料を設けるステップ、及び前記コーティングを分離させ且つ前記基材材料の少なくとも一部を溶融させるのに十分高い温度にて前記第1のコーティングされた基材材料に刻み目を付けるステップを包含する。
【0014】
他の態様によれば、本発明は、太陽電池モジュールの形成法を提供する。当該方法は、第1のコーティングされた基材材料を設けるステップ、前記コーティングを分離させ且つ前記第1の基材材料の少なくとも一部を溶融させるのに十分高い温度にて前記第1のコーティングされた基材材料に刻み目を付けるステップ、第2の基材材料を設けるステップ、前記コーティングを分離させ且つ前記第1のコーティングされた基材材料の少なくとも一部を溶融させるのに十分高い温度にて前記第2のコーティングされた基材材料に刻み目を付けるステップ、及び前記第1及び第2のコーティングされた基材材料を接合させて太陽電池モジュールを形成させるステップ、を包含する。
【0015】
一実施形態によれば、コーティングされた基材材料の前記溶融によって、基材材料の電気接続が断たれる。他の実施形態によれば、刻み目を付けるステップは、例えば、加熱した尖筆やはんだごてチップを用いて、機械的に実施される。
【0016】
他の実施形態では、当該方法は、第1及び/又は第2の基材材料のコーティングに、相互接続された感光性ナノ粒子材料及び電荷輸送材料を適用することを包含する。本実施形態の一形態によれば、相互接続された感光性ナノ粒子材料は、ポリマー連結剤で連結されたナノ粒子を含む。本実施形態の他の形態によれば、相互接続された感光性ナノ粒子材料は、約5nm~約80nmの範囲のナノ粒子を含む。本実施形態の一形態では、相互接続された感光性ナノ粒子材料は、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化ニオブ、酸化ランタン、酸化テルビウム、酸化タンタル、酸化スズ、及びそれらの組合せ、から成る群から選択される。
【0017】
他の実施形態によれば、相互接続された感光性ナノ粒子材料は、キサンチン、シアニン、メロシアニン、フタロシアニン及びピロールから成る群から選択される分子を含んで成る感光剤を含む。本実施形態の一形態によれば、感光剤はさらに、二価及び三価の金属から成る群から選択される金属イオンを含む。本実施形態の他の形態によれば、感光剤は、ルテニウム遷移金属錯体、オスミウム遷移金属錯体、及び鉄遷移金属錯体のうちの少なくとも1つを含む。
【0018】
他の実施形態では、電荷輸送材料は、レドックス電解質系を含む。他の実施形態では、電荷輸送材料は、ポリマー電解質を含む。好ましくは、電荷輸送材料は、入射可視光の少なくとも約60%を透過させる。
【0019】
一実施形態によれば、第1及び第2の基材材料のコーティングは、導電性(あるいはまた、半導電性)材料を含む。本実施形態の一形態によれば、第1及び第2基材材料のうち少なくとも一方は、ポリエチレンテレフタレートあるいはポリエチレンナフタレート材料を含む。他の形態によれば、第1及び第2の基材材料のうち少なくとも一方は、著しく光透過性であり且つ柔軟性である。一実施形態では、第1及び第2の基材材料のコーティングの少なくとも一方は、インジウムスズ酸化物を含む。
【0020】
他の態様では、本発明は、そのコーティングの電気接続を断つ第1の切れ目をその中に有する第1のコーティングされた基材材料、そのコーティングの電気接続を断つ第2の切れ目をその中に有する第2のコーティングされた基材材料、及び第1及び第2のコーティングされた基材材料のコーティングの間に配置された、相互接続された感光性ナノ粒子材料及び電荷輸送材料、を備える太陽電池モジュールを提供する。好ましくは、第1及び第2の基材材料が電気的に関連するように、第1及び第2のコーティングされた基材材料は、相互接続された感光性ナノ粒子材料と接合されている。
【0021】
一態様では、本発明は、太陽電池の形成法を提供する。当該方法には、金属箔を設けること、前記金属箔にナノ粒子材料を適用すること、前記ナノ粒子材料を加熱して相互接続されたナノ粒子材料を形成すること、並びに第1及び第2の柔軟な基材の間に、前記相互接続されたナノ粒子材料でコーティングされた前記金属箔を配置すること、が包含される。当該方法は、前記金属箔と前記第1の柔軟な基材との間に導電性層を配置すること、ワイヤを設けること、並びに前記導電性層及び前記金属箔が前記ワイヤと電気的に接続されるように第1及び第2の基材を接合させること、を包含し得る。一実施形態では、前記接合するステップは、その間に接着層を配置することによって前記第1及び第2の導電性層を重ね合わせることを包含し、それによって、重ね合わせた後、前記ワイヤが前記接着層内に埋め込まれた状態となる。種々の実施形態において、相互接続されたナノ粒子材料は、約300℃未満、約150℃未満、又は室温で、ポリリンカーを用いて相互に接続される。
【0022】
他の態様では、本発明は、太陽電池モジュールを形成する方法に関し、当該方法は、金属箔を設けるステップ、前記金属箔の分離部分にナノ粒子材料を適用するステップ、前記ナノ粒子材料を加熱して、相互接続したナノ粒子材料を形成するステップ、前記箔に切り込みを付けて分離部分へと機械的に分離させるステップ、並びに第1及び第2の柔軟な基材の間に前記金属箔の前記分離部分を配置して太陽電池モジュールを形成させるステップ、を包含する。
【0023】
他の態様によれば、本発明は、金属箔及び該金属箔上に形成された相互接続されたナノ粒子材料を含んで成る太陽電池に関し、金属箔及び該金属箔上に形成された相互接続されたナノ粒子材料は両方とも、第1及び第2の柔軟な基材の間に配置されている。一実施形態では、当該太陽電池は、前記金属箔と前記第1の柔軟な基材との間に配置された導電性層、及び前記第1及び第2の柔軟な基材と電気的に接触するように配置されたワイヤ、を備える。
【0024】
上述の太陽電池やモジュール及びそれを形成する方法に関する種々の態様において、相互接続されたナノ粒子材料には、相互接続された感光性ナノ粒子材料が含まれる。相互接続されたナノ粒子材料は、平均粒径約5nm~約80nm、あるいは好ましくは約10nm~約40nmの粒子を含むことができる。一実施形態では、相互接続された感光性ナノ粒子には、例えば、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化ニオブ、酸化ランタン、酸化タンタル、酸化スズ、酸化テルビウム、又は1つ又は複数のそれらの組合せ、が含まれる。相互接続された感光性ナノ粒子材料は、キサンチン、シアニン、メロシアニン、フタロシアニン、あるいはピロールなどの感光剤を含むことができる。感光剤は、二価あるいは三価の金属などの金属イオンを含むことができる。感光剤はまた、ルテニウム遷移金属錯体、オスミウム遷移金属錯体、及び鉄遷移金属錯体のうちの少なくとも1つを含む。
【0025】
一実施形態では、電荷輸送材料は、第1及び第2の基材の間に配置される。当該電荷輸送材料は、レドックス電解質系を含むことができる。他の実施形態では、電荷輸送材料は、ポリマー電解質である。一形態によれば、当該電荷輸送材料は、入射可視光の少なくとも約60%を透過させる。
【0026】
一実施形態では、太陽電池モジュール及び/又は電池は、第1及び第2の柔軟な基材の間に配置された、触媒作用を示す媒体層を備える。当該触媒作用を示す媒体層は、例えば、白金である。一実施形態では、導電性層の少なくとも1つは、インジウムスズ酸化物を含む。一実施形態では、ワイヤは、導電性(例えば、ステンレス鋼や白金などの金属ワイヤ)である。他の実施形態では、複数のワイヤが、第1及び第2の基材材料の間に配置される。接着剤には、エポキシを用いることができ、当該接着剤は硬化プロセスを必要とする。一実施形態では、重ね合わせる前に、ワイヤを接着剤でコーティングする。
【0027】
他の実施形態では、第1及び第2の柔軟な基材のうち少なくとも一方は、著しく光透過性(例えば、ポリエチレンナフタレートやポリエチレンテレフタレート材料)である。第1及び第2の柔軟な基材は、著しく光透過性とし得る。一実施形態では、金属箔はチタンを含んでいる。
【0028】
一実施形態によれば、ナノ粒子材料は、約300℃未満の温度でポリリンカーを用いて相互に接続される。他の実施形態では、ナノ粒子材料は、約150℃未満の温度でポリリンカーを用いて相互に接続される。
【0029】
一態様では、本発明は、電荷輸送材料と、ポリマー連結剤によって連結されたナノ粒子を含む相互接続された感光性ナノ粒子材料とを含んで成り、その両方ともが第1及び第2の剛体で著しく光透過性である基材の間に配置されている、太陽電池を提供する。電荷輸送材料及び相互接続された感光性ナノ粒子材料は、第1及び第2の剛体で著しく光透過性である基材の間にそれ自体配置されている第1及び第2の柔軟で著しく光透過性である基材の間に配置することができる。当該太陽電池の一実施形態では、相互接続された感光性ナノ粒子材料は、実質的に約5nm~約80nmの平均粒径を有する粒子を含む。当該相互接続された感光性ナノ粒子材料には、例えば、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化ニオブ、酸化ランタン、酸化タンタル、酸化テルビウム、酸化スズ、又は1つ又は複数のそれらの組合せ、が含まれ得る。相互接続された感光性ナノ粒子材料は、キサンチン、シアニン、メロシアニン、フタロシアニン、及び/又はピロールなどの感光剤を含むことができる。感光剤は、二価あるいは三価の金属などの金属イオンを含むことができる。感光剤はまた、ルテニウム遷移金属錯体、オスミウム遷移金属錯体、及び鉄遷移金属錯体のうちの少なくとも1つを含むことができる。当該太陽電池の一実施形態では、電荷輸送材料は、例えばポリマー電解質を含む、レドックス電解質系を含む。
【0030】
一実施形態では、第1及び第2の柔軟で著しく光透過性である基材のうち少なくとも一方は、ポリエチレンテレフタレートあるいはポリエチレンナフタレート材料を含む。第1及び第2の剛体で著しく光透過性である基材のうち少なくとも一方は、強化ガラスを含むことができる。一実施形態では、太陽電池モジュールは、第1及び第2の剛体で著しく光透過性である基材のあいだに配置された、触媒作用を示す媒体層を備える。当該触媒作用を示す媒体層は、例えば、白金である。一実施形態では、当該太陽電池はまた、第1及び第2の剛体で著しく光透過性である基材のうち少なくとも一方に適用された導電体材料も備えることができる。当該導電体材料は、インジウムスズ酸化物を含むことができる。
【0031】
他の態様では、つがい太陽電池は、電荷輸送材料と、ポリマー連結剤で連結されたナノ粒子を含む相互接続された感光性ナノ粒子材料とを含み、その両方ともが、剛体で著しく光透過性である基材と柔軟で著しく光透過性である基材との間に配置されている。
【0032】
他の態様では、本発明は、低温にて、剛体基材上でナノ粒子を相互に接続させる方法を提供する。当該方法は、剛体基材を設けること、ポリマー連結剤及び溶媒を含んで成る溶液を前記剛体基材に適用すること、約300℃未満の温度で複数の金属酸化物ナノ粒子を前記溶液と接触させて、前記複数の金属酸化物ナノ粒子の少なくとも一部を相互に接続させること、を包含する。種々の実施形態において、前記温度は、約200℃未満、約100℃未満、あるいはおよそ室温である。ポリマー連結剤は、長鎖の巨大分子を含み、それは、(i)前記複数の金属酸化物ナノ流親お化学構造に実質的に類似する主鎖構造、及び(ii)前記主鎖構造に結合している1つ又は複数の反応性基、を備え得る。一実施形態では、複数の金属酸化物ナノ粒子は、化学構造MxOyを有しており、ここでx及びyは整数である。Mは、Ti、Zr、Sn、W、Nb、Ta、及びTbとすることができる。一実施形態では、ポリマー連結剤は、ポリ(n-ブチルチタネート)である。溶媒には、n-ブタノールを用いることができる。一実施形態では、剛体基材は、著しく光透過性である(例えば、強化ガラス)。前記複数の金属酸化物ナノ粒子には、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化ニオブ、酸化ランタン、酸化スズ、酸化タンタル、酸化テルビウム、及びそれらの組合せ、が含まれ得る。
【0033】
一態様では、本発明は、太陽電池モジュールを製造する方法を提供する。当該方法は、複数の太陽電池を前進させること、及び前記複数の太陽電池からなるサブセットを超音波によって1つ又は複数の太陽電池モジュールへと分割すること、を包含する。一実施形態では、前記分割ステップは、前記太陽電池サブセットを実質的に且つ同時に切断しシールして、1つ又は複数の太陽電池モジュールへとすることを包含する。前記複数の太陽電池は、太陽電池から成る実質的に連続的な柔軟シートを含むことができる。種々の実施形態において、前記前進ステップは、連続製造プロセス(例えば、ロールベースのプロセス)の一部として実施される。前記複数の太陽電池は、柔軟性にし得る。一実施形態では、切断しシールすることによって、1つ又は複数の太陽電池の基部に前端を形成し得る。切断しシールすることによって、1つ又は複数の太陽電池の末端に後端を形成し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【0034】
本発明の他の態様及び利点は、例示するためにのみ本発明の原理を説明する、以下の図面、詳細な説明、及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【0035】
上記本発明の先述の及び他の目的、特徴、及び利点は、添付の図面と共に種々の例示的実施形態に関する以下の説明を読むことで、より十分に理解されよう。図面に関しては、種々の図面を通して、同じ符号は概して同じ要素を示している。図面は、必ずしも正確な縮尺率のものではなく、概して、本発明の原理を表す箇所を強調している。
【0036】
例示的実施形態の説明
A.ナノ粒子の低温での相互接続
簡単に上述しているように、一実施形態では、本発明は、比較的低い「焼結」温度(<約300℃)にて太陽電池繊維の製造を可能とするポリマー連結剤(これ以後「ポリリンカー」)を提供する。用語「焼結」は慣習的に高温(>約400℃)プロセスを意味するが、本明細書で用いるとき、用語「焼結」とは、温度に特徴をもつものではなく、概して、任意の温度においてナノ粒子を相互接続させるプロセスを意味する。一例示的実施形態では、本発明は、ポリリンカー用いて、薄膜太陽電池内のナノ粒子を相互に接続させる方法を提供する。他の例示的実施形態によれば、当該比較的低温の焼結プロセスによって、柔軟なポリマー基材を用いた太陽電池を製造することが可能となる。柔軟な基材を採用することで、本発明はまた、ロールトゥロールやウェブ連続製造プロセスを採用することを可能にする。
【0037】
図1及び2は、本発明による例示的なポリリンカーの化学構造を図解している。図示した特定のポリリンカー構造は、式MxOyを有するナノ粒子と共に用いるためのものであり、ここで、Mは、例えばチタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、タングステン(W)、ニオブ(Nb)、ランタン(La)、タンタル(Ta)、テルビウム(Tb)、あるいはスズ(Sn)であり、x及びyは1以上の整数である。図1の例示的実施形態によれば、ポリリンカー100は、金属酸化物ナノ粒子と構造が類似している鎖構造102、及び(OR)i反応性基を含み、ここで、Rは、例えばアセテート基、アルキル基、アルケン基、アルキン基、芳香族基、アシル基、あるいは水素であり、iは1以上の整数である。適切なアルキル基として、限定はしないが、エチル、プロピル、ブチル、及びペンチル基が挙げられる。適切なアルケン基として、限定はしないが、エテン、プロペン、ブテン、及びペンテンが挙げられる。適切なアルキン基として、限定はしないが、エチン、プロピン、ブチン、及びペンチンが挙げられる。適切な芳香族基として、限定はしないが、フェニル、ベンジル、及びフェノールが挙げられる。適切なアシル基には、限定はしないが、アセチル及びベンゾイルが含まれる。加えて、例えば、塩素、臭素、及びヨウ素をはじめとするハロゲンを、(OR)i反応性基の代わりに用いることができる。
【0038】
図2を参照すると、ポリリンカー110は、(OR)i反応性基及び(OR)i+1反応性基を有する2つの-M-O-M-O-M-O-鎖構造を含む分岐鎖構造を有しており、ここで、Rは、例えば先に列挙した原子、分子あるいは化合物の1つとすることができ、iは1以上の整数である。2つの鎖構造は、金属酸化物ナノ粒子と類似の構造を有している。まとめると、図2に図示された構造は、-M(OR)i-O-(M(OR)i-O)n-M(OR)i+1で表され、ここでi及びnは1以上の整数である。
【0039】
図3Aは、ポリリンカー304によってMxOyナノ粒子302を相互接続させることで得られた化学構造300を図解している。種々の実施形態において、ポリリンカー304は、それぞれ図1及び2に図示されるポリリンカー100及び110の化学構造を有する。当該例示的実施形態によれば、ナノ粒子302は、室温にてあるいは室温未満で、又は約300℃未満の高い温度にて、当該ナノ粒子302をポリリンカー304と接触させることによって、相互に接続されている。好ましくは、ポリリンカー304は溶媒中に分散されており、それによってナノ粒子302と容易に接触できる。適切な溶媒には、限定はしないが、特に、種々のアルコール、クロロ炭化水素(例えば、クロロホルム)、ケトン、環式及び直鎖のエーテル誘導体、及び芳香族溶媒が挙げられる。ナノ粒子302の表面水酸基とポリリンカー304のポリマー鎖上のアルコキシ基との反応によって、非常に安定な共有結合を介して多くのナノ粒子302が互いにブリッジ(即ち、架橋)し、その結果、ナノ粒子302が相互接続するものと考えられている。また、ポリリンカー304の化学構造はナノ粒子302のそれと類似しているため、ナノ粒子302とポリリンカー304との間のブリッジ(即ち、架橋)サイトが少ない場合でさえも、未焼結あるいは未相互接続のナノ粒子フィルムの電気的、機械的特性に比べて優れているそれらを有する高度に相互接続されたナノ粒子フィルムを得ることができる。前記電気的特性には、例えば、π共役を介して、あるナノ粒子から他への電子あるいは正孔の輸送を促進する電子及び/又は正孔伝導特性が含まれる。前記機械的特性には、例えば、改善された柔軟性が含まれる。
【0040】
また図3Aを参照すると、低濃度のポリリンカー304、単一のポリリンカー304は、多数のナノ粒子302を架橋させ、架橋ナノ粒子ネットワークを形成することができる。しかしながら、ポリリンカー304ポリマーの濃度を増加させると、より多くのポリリンカー304がナノ粒子302表面に付着し、ポリマーでコーティングされたナノ粒子300が形成される。当該ポリマーコーティングされたナノ粒子300は、当該ポリマーの柔軟性ゆえ、薄いフィルム状に加工することができる。ポリリンカーポリマーとナノ粒子とでは電気的特性及び構造的特性が類似しているため、当該ポリマーコーティングされたナノ粒子の電気的特性は殆ど影響を受けないものと考えられる。
【0041】
図3Bは、導電体である酸化物層コーティング310を含む柔軟性基材308の上に形成された、図3A記載の相互接続されたナノ粒子フィルム300の例示的実施形態の化学構造306を示している。詳細には、ポリリンカーを用いて、柔軟且つ著しく光透過性である基材308上での当該ナノ粒子フィルム300の形成を促進することができる。本明細書で用いるとき、用語「著しく光透過性である基材」とは、操作波長範囲において、入射可視光の少なくとも約60%を透過させる基材を意味する。柔軟な基材308の例として、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリマー状炭化水素、セルロース化合物、及びそれらの組合せなどが挙げられる。PET及びPEN基材は、例えばインジウムスズ酸化物(ITO)、フッ素ドープドスズ酸化物、酸化スズ、酸化亜鉛などの、1つ又は複数の導電性酸化物層コーティング310によって、コーティングすることができる。
【0042】
好ましい一実施形態によれば、例示的ポリリンカーを用いることによって、本発明の方法は、400℃よりもかなり低い温度、好ましくは約300℃未満の温度にて、ナノ粒子302を相互に接続させる。そのような温度範囲で処理することによって、さもなければ従来の高温焼結法では破壊的に変異するであろう柔軟な基材308を使用することができる。例示的な一実施形態では、例示的構造306は、約300℃未満の温度にて、ポリリンカー304を用いて基材308上でナノ粒子302を相互に接続させることによって、形成される。他の実施形態では、約100℃未満の温度にて、ポリリンカー304を用いてナノ粒子302を相互に接続させる。さらに他の実施形態では、ナノ粒子302は、およそ室温、常圧、即ち、それぞれ約18~22℃、約760mmHgにて、ポリリンカー304を用いて相互に接続される。
【0043】
ナノ粒子が基材上に配置される実施形態では、ポリリンカーの反応性基は、基材、基材コーティング及び/又は基材酸化物層と結合する。当該反応性基は、例えば、共有結合、イオン結合及び/又は水素結合を介して、基材、基材コーティング及び/又は基材酸化物層に結合することができる。ポリリンカーの反応性基と基材上の酸化物層との反応は、ポリリンカーを介するナノ粒子と基材との接続に帰着すると考えられる。
【0044】
本発明の種々の実施形態によれば、金属酸化物ナノ粒子は、室温にてあるいは室温未満で、又は、約300℃未満の高い温度で、当該ナノ粒子を、適切な溶媒中に分散している適切なポリリンカーと接触させることによって相互に接続される。当該ナノ粒子は、多くの様式でポリリンカー溶液と接触することができる。例えば、ナノ粒子フィルムを基材上に形成し、次いでポリリンカー溶液中に浸漬させることができる。ナノ粒子フィルムを基材上に形成し、当該フィルム上にポリリンカー溶液を噴霧することもできる。ポリリンカーとナノ粒子を共に溶液中に分散させ、その溶液を基材上に付着させることもできる。ナノ粒子分散物を調製するために、例えば、マイクロ流体化、損耗(attritting)、ボールミリングなどの方法を用いることができる。さらに、ポリリンカー溶液を基材上に付着させて、そのポリリンカー上にナノ粒子フィルムを配置することもできる。
【0045】
ポリリンカーとナノ粒子を共に溶液中に分散させる実施形態では、得られるポリリンカー-ナノ粒子溶液を用いて、単一ステップにて基材上に相互接続したナノ粒子フィルムを形成することができる。本実施形態の種々の変更形態において、ポリリンカー-ナノ粒子溶液の粘度は、例えば、スクリーン印刷及びグラビア印刷技術などの印刷技術を用いてフィルム付着を容易に実施できるように選択することができる。ポリリンカー溶液を基材上に付着させ、そのポリリンカー上にナノ粒子フィルムを配置する実施形態では、ポリリンカー濃度は、所望の接着厚さを達成し得るよう適合させ得る。加えて、ナノ粒子フィルムを配置する前に、付着したポリリンカー溶液から余剰の溶媒を除去することができる。
【0046】
本発明は、式MxOyを有する材料からなるナノ粒子の相互接続に限定されるものではない。適切なナノ粒子材料には、限定はしないが、チタン、ジルコニウム、ランタン、ニオブ、スズ、タンタル、テルビウム、及びタングステンの硫化物、セレン化物、テルル化物、及び酸化物が含まれる。例えば、TiO2、SrTiO3、CaTiO3、ZrO2、WO3、La2O3、Nb2O5、SnO2、チタン酸ナトリウム、及びニオブ酸カリウムが、適切なナノ粒子材料である。
【0047】
ポリリンカーは、1つ又は複数の種類の反応性基を備えることができる。例えば、図1-3Bの例示的実施形態は、1種の反応性基ORを示している。しかしながら、ポリリンカーは、数種の反応性基、例えば、OR、OR’、OR’’などを備えることができ、その場合、R、R’、R’’は1つ又は複数の水素、アルキル、アルケン、アルキン、芳香族、あるいはアシル基であるか、又はOR、OR’、 OR’’はハロゲン化物である。例えば、ポリリンカーは、-[O-M(OR)i(OR’)j-]-、及び-[O-M(OR)i(OR’)j(OR’’)k-]-などのポリマーユニットを含むことができ、ここで、i、j及びkは1以上の整数である。
【0048】
図4は、例示的ポリリンカー、即ち、二酸化チタン(TiO2)ナノ粒子と共に使用するためのポリ(n-ブチルチタネート)400の化学構造を示している。ポリ(n-ブチルチタネート)400用の適切な溶媒として、限定はしないが、特に、種々のアルコール、クロロ炭化水素(例えば、クロロホルム)、ケトン、環式及び直鎖のエーテル誘導体、及び芳香族溶媒が挙げられる。好ましくは、溶媒はn-ブタノールである。ポリ(n-ブチルチタネート)ポリリンカー400は、ブトキシ(OBu)反応性基をもつ分岐-Ti-O-Ti- O-Ti-O-鎖構造を有する。
【0049】
図5Aは、ナノ粒子フィルム500の化学構造を示しており、それは、ポリ(n-ブチルチタネート)ポリリンカー分子504によって相互に接続されている二酸化チタンナノ粒子502から構築されている。TiO2ナノ粒子502の表面水酸基とポリリンカー504のブトキシ基506(又は他のアルコキシ基)との反応によって、非常に安定な共有結合を介して多数のナノ粒子502が互いにブリッジ(即ち、架橋)することができ、その結果、ナノ粒子502は相互に接続される。さらに、ポリリンカー504はTiO2の化学構造に類似のそれを有するポリマー材料であるため、ナノ粒子502とポリリンカー504とのブリッジ(即ち、架橋)サイトがたとえ少なくても、未焼結あるいは未相互接続のナノ粒子フィルムの電気的特性及び機械的特性と比べて優れたそれらを有する、高度に相互接続したナノ粒子フィルム500を得ることができるであろう。
【0050】
図5Bは、ポリリンカー溶液を基材510に適用し、次いでそのポリリンカー504上にナノ粒子502を配置することによって、導電性酸化物層を備える基材510上に形成された、図5A記載のナノ粒子フィルム500の化学構造508を示している。二酸化チタンナノ粒子502を用いる例示的実施例では、ポリ(n-ブチルチタネート)504を含むポリリンカー溶液をn-ブタノール中に溶解させ、基材510に適用する。ポリリンカー504の濃度は、ポリリンカー溶液の所望の付着厚さを達成するよう適合させ得る。次いで、二酸化チタンナノ粒子フィルム500を、ポリリンカーでコーティングされた基材510上に配置する。TiO2ナノ粒子の表面水酸基とポリ(n-ブチルチタネート)504のブトキシ基506(又は他のアルコキシ基)との反応は、ナノ粒子502の相互接続、並びにナノ粒子502と基材510上の酸化物層512との接続に帰着する。
【0051】
図6は、本発明による柔軟な太陽電池600を示しており、それは、第1の柔軟で著しく光透過性である基材609と第2の柔軟で著しく光透過性である基材612との間に配置されている相互接続された感光性ナノ粒子材料603及び電荷輸送材料606を含む。一実施形態では、当該柔軟な太陽電池はさらに、第1の基材609と第2の基材612との間に配置された、触媒作用を示す媒体層615をさらに備える。好ましくは、太陽電池600はまた、基材609及び612の一方あるいは両方の上に配置された導電体618も含む。本明細書で提供されるナノ粒子の相互接続法は、当該基材609及び612に適合し得る温度及び加熱時間にて、柔軟な太陽電池600の構築を可能とする。
【0052】
太陽電池600の、柔軟で著しく光透過性である基材609及び612は、好ましくは、ポリマー材料を含む。適切な基材材料には、限定はしないが、PET、ポリイミド、PEN、ポリマー状炭化水素、セルロース化合物、又はそれらの組合せが含まれる。さらに、基材609及び612は、例えばロールトゥロールやウェブプロセスのような連続製造プロセスによる太陽電池の製造を容易にする材料を含むことができる。基材609及び612は、有色でも無色でもよい。好ましくは、基材609及び612は、無色透明である。基材609及び612は、1つ又は複数の実質的に平坦な表面を有することも、又は実質的に平坦でないようにもすることができる。例えば、平坦でない基材は、曲線のあるいはステップ状の表面(例えば、フレネルレンズを形成するため)を有することも、又は異なるようにパターニングすることもできる。
【0053】
当該例示的実施形態によれば、導電体618は、基材609及び612の一方又は両方の上に配置される。好ましくは、導電体618は、例えば、ITO、フッ素ドープドスズ酸化物、酸化スズ、酸化亜鉛などのような、著しく光透過性である物質である。一例示的実施形態では、導電体618は、厚さ約100nm~約500nmの層として配置されている。他の例示的実施形態では、導電体618の厚さは、約150nm~約300nmである。当該例示的実施形態のさらに他の形態によれば、ワイヤもしくは導線を導電体618に接続して、太陽電池600を外部負荷に電気的に接続させることができる。
【0054】
相互接続された感光性ナノ粒子材料603は、詳しく上述したような、1つ又は複数の金属酸化物ナノ粒子を含むことができる。一実施形態では、相互接続された感光性ナノ粒子材料603は、平均粒径約2nm~約100nmのナノ粒子を含む。他の実施形態では、相互接続された感光性ナノ粒子材料603は、平均粒径約10nm~約40nmのナノ粒子を含む。好ましくは、ナノ粒子は、約20nmの平均粒径を有する二酸化チタン粒子である。
【0055】
当該ナノ粒子に広範な感光剤を適用して及び/又は関連させて、相互に接続された感光性ナノ粒子材料603を製造することができる。感光剤は、入射可視光の電気への変換を促進し、それによって所望の太陽電池効果を得ることができる。感光剤は入射光を吸収し、それは、感光剤内での電子励起に帰着する。次いで、励起電子のエネルギーは、感光剤の励起レベルから相互接続されたナノ粒子603の伝導帯へと移動する。この電子の移動は、電荷の効率的分離及び所望の太陽電池効果を生ずる。従って、相互接続されたナノ粒子の伝導帯にある電子が、太陽電池に電気的に接続されている外部負荷を駆動させるために利用可能となる。一例示的実施形態では、感光剤は、相互接続されたナノ粒子603上に吸着(化学吸着及び/又は物理吸着の何れか)し得る。感光剤は、相互接続されたナノ粒子603の表面上、相互接続されたナノ粒子603の全体、あるいはその両方に吸着し得る。当該感光剤は、例えば、その操作範囲波長のフォトン吸収能、相互接続されたナノ粒子603の伝導帯におけるその自由電子(又は正孔)生成能、及びその相互接続されたナノ粒子603との錯体形成能あるいは相互接続されたナノ粒子603に対するその吸着能に応じて、選定される。適切な感光剤として、例えば、カルボキシ基及び/又は水酸基のような官能基を有し、ナノ粒子、例えばTiO2表面上のTi(IV)サイト、とキレート化し得る色素が挙げられる。適切な色素として、限定はしないが、アントシアニン、ポルフィリン、フタロシアニン、メロシアニン、シアニン、スクアレート(squarate)、エオシン、及びシス-ビス(イソチオシアナト)ビス(2,2’-ビピリジル-4,4’-ジカルボキシラト)-ルテニウム(II)(「N3 色素」);トリス(イソチオシアナト)-ルテニウム(II)-2,2’;6’,2’’-ターピリジン-4,4’,4’’-トリカルボン酸;シス-ビス(イソシアナト)ビス(2,2’-ビピリジル-4,4’ジカルボキシラト)-ルテニウム(II)ビス-テトラブチルアンモニウム;シス-ビス(イソシアナト)ビス(2,2’-ビピリジル-4,4’ジカルボキシラト)ルテニウム(II);及びトリス(2,2’-ビピリジル-4,4’-ジカルボキシラト)ルテニウム(II)ジクロリドなどの金属含有色素が挙げられ、その全てはソラロニクス社から入手可能である。
【0056】
太陽電池の電輸送材料606部分は、太陽電池内で層を形成するか、又は相互接続された感光性ナノ粒子材料603を形成する材料に分散するか、又はその両方の組合せとすることができる。電荷輸送材料606には、基盤電位あるいは電流源から相互接続された感光性ナノ粒子603(及び/又はそれらと関連している感光剤)への電荷の輸送を促進する任意の材料を用いることができる。適切な電荷輸送材料の一般的種類として、限定はしないが、溶媒ベースの液体電解質、高分子電解質、ポリマー電解質、固体電解質、n型、p型輸送物質(例えば、導電性ポリマー)、及びゲル電解質が挙げられ、それらは以下さらに詳しく説明する。
【0057】
電荷輸送材料606には他の選択も可能である。例えば、電解質組成物は、式LiXを有するリチウム塩を含むことができ、ここで、Xはヨウ化物、臭化物、塩化物、過塩素酸塩、チオシアン酸塩、トリフルオロメチルスルホネート、又はヘキサフルオロホスフェートである。一実施形態では、電荷輸送材料606は、レドックス系を含む。適切なレドックス系には、有機及び/又は無機のレドックス系が含まれる。当該系の例には、限定はしないが、セリウム(III)硫化物/セリウム(IV)、臭化ナトリウム/臭素、ヨウ化リチウム/ヨウ素、Fe2+/Fe3+、Co2+/Co3+、及びビオロゲンが含まれる。さらに、電解質溶液は式MiXjを有し、ここでi及びjは1以上である。Xはアニオンであり、MはLi、Cu、Ba、Zn、Ni、ランタニド、Co、Ca、Al、及びMgから成る群から選択される。適切なアニオンには、限定はしないが、塩化物、過塩素酸塩、チオシアン酸、トリフルオロメチルスルホネート、及びヘキサフルオロホスフェートが含まれる。
【0058】
いくつかの例示的実施形態では、電荷輸送材料606は、ポリマー電解質を含む。一形態では、ポリマー電解質には、ポリ(ビニルイミダゾリウムハロゲン化物)及びヨウ化リチウムが含まれる。他の形態では、ポリマー電解質には、ポリ(ビニルピリジニウム塩)が含まれる。さらに他の実施形態では、電荷輸送材料606は、固体電解質を含む。一形態では、固体電解質には、ヨウ化リチウム、ヨウ化ピリジニウムが含まれる。他の形態では、固体電解質には、置換イミダゾリウムヨウ化物が含まれる。
【0059】
種々の例示的実施形態によれば、電荷輸送材料606は、様々な種類のポリマー高分子電解質を含むことができる。一形態では、当該高分子電解質は、重量で約5%~約100%(例えば、5~60%、5~40%、あるいは5~20%)のポリマー、例えばイオン伝導性ポリマーと、重量で約5%~約95%、例えば約35~95%、60~95%、あるいは80~95%の可塑剤と、約0.05M~約10Mのレドックス電解質、例えば約0.05M~約10M、例えば0.05~2M、0.05~1M、あるいは0.05~0.5Mの有機又は無機ヨウ化物と、約0.01M~1M、例えば0.05~5M、0.05~2M、あるいは0.05~1Mのヨウ素を含む。イオン伝導性ポリマーとして、例えば、ポリエチレンオキサイド(PEO)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルメタクリレート(アクリル酸)(PMMA)、ポリエーテル、及びポリフェノールが挙げられる。適切な可塑剤の例として、限定はしないが、炭酸エチル、炭酸プロピレン、炭酸塩混合物、有機リン酸塩、ブチロラクトン、及びジアルキルフタレートが挙げられる。
【0060】
好ましくは、柔軟な太陽電池600はまた、基材609及び612の間に配置された、触媒作用を示す媒体層615を備える。当該例示的実施形態では、触媒作用を示す媒体層615は、電荷輸送材料606と電気接触している。当該触媒作用を示す媒体層615には、例えば、ルテニウム、オスミウム、コバルト、ロジウム、イリジウム、ニッケル、活性炭、パラジウム、白金、あるいは正孔輸送ポリマー(例えば、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン及びポリアニリン)が含まれる。好ましくは、触媒作用を示す媒体層615はさらに、チタン、あるいは他の適切な金属を含み、それによって、基材及び/又は基材コーティングに対する、当該触媒作用を示す媒体層の接着が促進される。好ましくは、当該チタンは、厚さ約10オングストロームの領域として又は層として配置される。一実施形態では、触媒作用を示す媒体615は、厚さ約13オングストローム~約35オングストロームの白金層を含む。他の実施形態では、触媒作用を示す媒体615は、厚さ約15オングストローム~約50オングストロームの白金層を含む。他の実施形態では、触媒作用を示す媒体615は、厚さ約50オングストローム~約800オングストロームの白金層を含む。好ましくは、触媒作用を示す媒体615は、厚さ約25オングストロームの白金層を含む。
【0061】
他の態様では、本発明はまた、例えば、ロールトゥロールプロセスやウェブプロセスなどの連続製造プロセスを用いて基材上に相互接続された金属酸化物ナノ粒子の層を形成する方法も提供する。これらの方法を用いて、例えばDSSCを製造することができる。例えば、連続的且つコスト効果の高いアセンブリラインプロセスを用いる、多数のDSSCを製造する現行プロセスは、いくらよく見ても、非常に困難である。DSSCの連続アセンブリプロセスに関する困難性は、一般的に剛体でありガラスや金属のような耐熱性材料を典型的に含む電池支持体、即ち基材に起因し得る。この第1の理由は、溶融ナノ結晶を製造するための高温焼結プロセス(典型的に、約400~500℃)に関する。剛体基材材料は、まさにその特性によって、概して、連続製造プロセスにそれ自体向いておらず、むしろよりコストのかかるバッチプロセスに向いている。
【0062】
図7は、図6で示した太陽電池を形成するのに使用し得る、一例示的実施形態の連続製造プロセス700を示している。本例示的実施形態によれば、相互接続されたナノ粒子フィルムは、ローラ708を用いて製造を実施している際に連続的に前進する、周期的に前進する、及び/又は不規則に前進する進行基材シート705上に形成される。当該例示的実施形態では、太陽電池の1つの電極の基礎として機能する導電体材料710が、進行基材705上に配置される。種々の実施形態において、導電体材料710は、熱的蒸発法あるいは低温スパッタリングによって、基材705のターゲット領域上に配置することができる。加えて、導電体材料710は、例えば、真空蒸着によっても配置することができる。
【0063】
図7に示す例示的実施形態によれば、感光性ナノ粒子材料715が次に配置される。上述のように、感光性ナノ粒子材料715は、進行基材シート705上に、ポリリンカーと金属酸化物ナノ粒子とを含む溶液を適用することによって形成させることができる。ポリリンカー-ナノ粒子溶液は、限定はしないが、浸漬タンク、押し出しコーティング、噴霧コーティング、スクリーン印刷、及びグラビア印刷をはじめとする、任意の適切な技術によって適用することができる。他の例示的実施形態では、ポリリンカー溶液及び金属酸化物ナノ粒子を別々に進行基材シート705に適用して、感光性ナノ粒子材料715を形成することができる。一例示的実施形態では、ポリリンカー溶液を進行基材705に適用し、そして金属酸化物ナノ粒子(好ましくは、溶媒中に分散している)を前記ポリリンカー上に配置する。他の例示的実施形態では、金属酸化物ナノ粒子(好ましくは、溶媒中に分散している)を進行基材705に適用し、そしてポリリンカー溶液を前記ナノ粒子に適用することで、感光性ナノ粒子材料715を形成することができる。図6に関して上述したように、広範な感光剤をナノ粒子に適用して及び/又は関連させて、感光性ナノ粒子材料715を製造することができる。
【0064】
感光性ナノマトリクス材料715の配置後、所望の最終製品に応じて、基材シート705をさらなる処理位置へと前進させることができる。本例示的実施形態によれば、基盤電位あるいは電流源から感光性ナノ粒子材料715への電荷の輸送を促進する電化輸送材料720が配置される。電荷輸送材料720は、例えば、噴霧コーティング、ローラコーティング、ナイフコーティング、あるいはブレードコーティングによって適用することができる。電荷輸送材料720は、イオン伝導性ポリマー、可塑剤、及びヨウ化物とヨウ素との混合物を含む溶液を形成させて調製することができる。前記ポリマーには機械的及び/又は寸法的安定性をもたらし;前記可塑剤はゲル/液体相転移温度に寄与し;前記ヨウ化物とヨウ素はレドックス電解質として機能する。
【0065】
再度図7を参照すると、次いで、太陽電池内の光励起された分子から放出された電子の輸送を促進する、触媒作用を示す媒体層725が配置される。その後、第2の導電体層730が配置される。当該第2の導電体層730は、太陽電池の第2の電極の基礎として機能する。次いで、第2の柔軟な基材735の巻きを解き、進行シート705に適用することで、連続製造プロセス700を用いて太陽電池を完成させることができる。超音波断片化装置740を用いて、複数の太陽電池の前端及び後端を同時に切断しシールし、それによって太陽電池モジュールを形成する。当該超音波断片化法は、後により詳しく述べる。
【0066】
二酸化チタンナノ粒子を含むDSSCに関する、本発明のさらなる例示的実施例を以下に挙げる。以下の実施例は、例示的なものであり、限定する意図はない。従って、本発明は、限定はしないが、SrTiO3、CaTiO3、ZrO2、La2O3、Nb2O5、チタン酸ナトリウム、及びニオブ酸カリウムナノ粒子をはじめとする、広範なナノ粒子に適用することができることを理解されたい。加えて、本発明は、例えば、DSSC以外の広範な用途に用いるための、金属酸化物や半導体コーティングのような、相互接続されたナノ粒子の形成に適用可能であることを理解されたい。

【0173】
特定の例示的実施形態を参照して本発明を詳細に示し説明してきたが、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形状及び詳細に関する種々の変更をなし得ることを理解されたい。例を示せば、開示した任意の特徴を他の開示した任意の特徴と組み合わせることによって、太陽電池あるいはモジュールを形成することができる。

Structures and Materials for Dye Sensitized Solar Cells Cross-reference to Related Applications [0001] This application claims the benefits of and priority to U. S. Patent Application Serial No. 10/057,394 filed on January 25,2002, to U. S. Provisional Patent Application Serial No. 60/351,691 filed on January 25,2002, to U. S. Provisional Patent Application Serial No. 60/368,832 filed on March 29,2002, to U. S. Provisional Patent Application Serial No. 60/400,289 filed on July 31,2002, and to U. S. Provisional Patent Application Serial No. 60/427,642 filed on November 19,2002, all of which are owned by the assignee of the instant application and the disclosures of which are incorporated herein by reference in their entireties.

Field of the Invention [0002] The invention relates generally to the field of photovoltaic devices, and more specifically to structures and materials for constructing and methods for interconnecting photovoltaic cells to form photovoltaic modules.

Background of the Invention [0003] Thin film solar cells composed of percolating networks of liquid electrolyte and dye-coated sintered titanium dioxide were developed by Dr. Michael Gratzel and coworkers at the Swiss Federal Institute of Technology. These photovoltaic devices fall within a general class of cells referred to as dye-sensitized solar cells ("DSSCs").

Conventionally, fabrication of DSSCs requires a high temperature sintering process (> about 400 °C) to achieve sufficient interconnectivity between the nanoparticles and enhanced adhesion between the nanoparticles and a transparent substrate. Although the photovoltaic cells of Gratzel are fabricated from relatively inexpensive raw materials, the high temperature sintering technique used to make these cells limits the cell substrate to rigid transparent materials, such as glass, and consequently limits the manufacturing to batch processes and the applications to those tolerant of the rigid structure. In addition, the high-temperature sintering technique precludes the use of tempered glass, which is significantly more resistant to thermal and mechanical stresses and strains than ordinary glass, but which loses its temper at the temperatures inherent to a high-temperature sintering technique.

Summary of the Invention [0004] The invention, in one embodiment, addresses the deficiencies of the prior art by providing methods and structures for interconnecting flexible photovoltaic cells using a continuous manufacturing process. More particularly, one or more wires in conjunction with an adhesive strip serve as electrically conductive connectors between the photoactive layers of a photovoltaic cell or module. The wire interconnects are compatible with a continuous manufacturing process, such as a roll-to-roll or web process.

[0005] The invention, in one embodiment, also addresses the deficiencies of the prior art by providing a method of scoring a coated base material on which a flexible photovoltaic cell or module is formed. More particularly, in one embodiment, a heated stylus is used to score a coated base material to part the coating and to melt at least a portion of the base material. One advantage of the invention is that any debris that forms in the wake of the heated stylus is encapsulated in the base material when it cools.

Therefore, any scoring-related debris cannot interfere with the performance of a photovoltaic cell or module formed using this process.

[0006] The invention also provides methods and structures for forming flexible photovoltaic cells and modules. More particularly, an interconnected photosensitized nanoparticle material is formed on a metal foil that is resistant to high-temperature sintering techniques, unlike flexible substrates that deform at high temperatures. The metal foil is then disposed between two flexible substrates to complete the flexible photovoltaic cell or module. Photovoltaic cells and modules may be formed by interconnecting nanoparticles at relatively low temperature (< about 300 °C) on rigid substrates. More particularly, the durability and longevity of photovoltaic cells and modules is enhanced by their fabrication on tempered glass substrates.

[0007] During a continuous manufacturing process, the continuous stream of photovoltaic cells formed on a single substrate is divided into individual photovoltaic modules that include a plurality of photovoltaic cells. The invention, in one embodiment, provides a method of performing this division using an ultrasonic slitting device. More particularly, ultrasonic energy cuts and seals the leading and trailing edges of a photovoltaic module, thus forming a leak-free, air-tight module.

[0008] In one aspect, the invention provides a method of connecting a plurality of photovoltaic cells within a photovoltaic module including (i) providing a first base material including a substrate having a first conductive layer; (ii) disposing a photosensitized interconnected nanoparticle material and a charge carrier material on the first conductive layer; (iii) providing a wire; and (iv) joining a second base material including a substrate having a second conductive layer to the first base material, such that the first and second conductive layers are in electrical contact with the wire. In one embodiment, the method inlcudes of claim 1, wherein joining step comprises laminating the conductive layers by disposing an adhesive layer therebetween such that, following the lamination, the wire is embedded in the adhesive layer [0009] In another aspect, the invention provides a photovoltaic module that includes (i) a first base material including a substrate having a first conductive layer; (ii) a photosensitized interconnected nanoparticle layer and a charge carrier material disposed on the first conductive layer; (iii) a wire; and (iv) a second base material including a substrate having a second conductive layer. The second base material is joined to the first base material such that the first and second conductive layers are in electrical contact with the wire. In one embodiment, the photovoltaic module includes an adhesive layer disposed between the first and second conductive layers, such that the wire is embedded in the adhesive layer.

[0010] In one embodiment of the photovoltaic module, the photosensitized interconnected nanoparticle material includes particles with an average size substantially in the range of about 5 nm to about 80 nm. The photosensitized interconnected nanoparticle material may be, for example, titanium oxides, zirconium oxides, zinc oxides, tungsten oxides, niobium oxides, lanthanum oxides, tin oxides, tantalum oxides, or terbium oxides, or one or more combinations thereof. The photosensitized interconnected nanoparticle material may include a photosensitizing agent such as a xanthine, cyanine, merocyanine, phthalocyanine, and/or pyrrole. The photosensitizing agent may include a metal ion, such as divalent or trivalent metals. The photosensitizing agent may also include at least one of a ruthenium transition metal complex, an osmium transition metal complex, and an iron transition metal complex. In one embodiment of the photovoltaic cell, the charge carrier material includes a redox electrolyte system. In another embodiment, the charge carrier material is a polymeric electrolyte. According to one feature, the charge carrier material transmits at least about 60% of incident visible light.

[0011] In one embodiment of the photovoltaic module, at least one of the first and second base materials is scored. At least one of the first and second base materials may be significantly light transmitting (e. g. , a polyethylene terephthalate or polyethylene naphthalate material). At least one of the first and second base materials may be flexible.

In one embodiment, the photovoltaic module includes a catalytic media layer disposed between the first and second base materials. The catalytic media layer is, for example, platinum. In one embodiment, the wire is electrically conductive (e. g. , a metal wire such as stainless steel, titanium, or copper). A plurality of wires may be disposed between the first and second base materials.

[0012] In one embodiment, the adhesive layer includes a hot melt adhesive. The adhesive may require a curing process. Examples of adhesives include, but are not limited to, epoxies, thermoplastic, thermoset, and ethylene maleic anhydride. In one embodiment, the wire includes a coating of a second metal (e. g. , tin or bismuth). The metal may have a melting temperature in the range of about 50 °C to 250 °C, and preferably in the range of about 75 °C to 180 °C. In one embodiment, the metal coated wire may be is itself coated with an adhesive prior to joining step. The adhesive may have a lower melting temperature than the second metal.

[00131 In one aspect, the invention provides a method of scoring. The method includes the steps of providing a first coated base material, and scoring the first coated base material at a temperature sufficiently elevated to part the coating and melt at least a portion of the base material.

[0014] According to another aspect, the invention provides a method of forming a photovoltaic module. This method includes the steps of providing a first coated base material, scoring the first coated base material at a temperature sufficiently elevated to part the coating and melt at least a portion of the first base material, providing a second base material, scoring the second coated base material at a temperature sufficiently elevated to part the coating and melt at least a portion of the first coated base material, and joining the first and second coated base materials to form a photovoltaic module.

[0015] According to one embodiment, the melting of the coated base materials disrupts electrical continuity of the base material. According to a further embodiment, the scoring step is performed mechanically, using for example, a heated stylus or a soldering iron tip.

[0016] In anther embodiment, the method includes applying a photosensitized interconnected nanoparticle material and a charge carrier material to the coating of the first and/or second base materials. According to one feature of this embodiment, the photosensitized interconnected nanoparticle material includes nanoparticles linked by a polymeric linking agent. According to another feature of this embodiment, the photosensitized interconnected nanoparticle material includes nanoparticles in the range of about 5 nm to about 80 nm. In one feature of this embodiment, the photsensitized interconnected nanoparticle material is selected from the group consisting of titanium oxides, zirconium oxides, zinc oxides, tungsten oxides, niobium oxides, lanthanum oxides, terbium oxides, tantalum oxides, tin oxides, and combinations thereof.

[0017] According to a further embodiment, the potosensitized interconnected nanoparticle material includes a photosensitizing agent that includes a molecule selected from the group consisting of xanthines, cyanines, merocyanines, phthalocyanines and pyrroles. According to one feature of this embodiment, the photosensitizing agent further includes a metal ion selected from the group consisting of divalent and trivalent metals.

According to another feature of this embodiment, the photosensitizing agent includes at least one of a ruthenium transition metal complex, an osmium transition metal complex, and an iron transition metal complex.

[0018] In another embodiment, the charge carrier material includes a redox electrolyte system. In a further embodiment, the charge carrier includes a polymeric electrolyte.

Preferably, the charge carrier material transmits at least about 60% of incident visible light.

[0019] According to one embodiment, the coatings of the first and second base materials are include a conductive (or alternatively, semi-conductive) material.

According to one feature of this embodiment, at least one of the first and second base materials includes a polyethylene teraphthalate or polyethylene naphthalate material.

According to another feature, at least one of the first and second base materials is significantly light transmitting and flexible. In one embodiment, the at least one of the coatings of the first and second base materials includes indium tin oxide [0020] In another aspect, the invention provides a photovoltaic module including a first coated base material having therein a first discontinuity disrupting electrical continuity of its coating; a second coated base material having therein a second discontinuity disrupting electrical continuity of its coating, and a photosensitized interconnected nanoparticle material and a charge carrier material disposed between the coatings of the first and second coated base materials. Preferably, the first and second coated base materials are joined to the photosensitized interconnected nanoparticle material and the charge carrier material such that the first and second base materials are in electrical communication.

[0021] In one aspect, the invention provides a method of forming a photovoltaic cell.

The method includes providing a metal foil, applying a nanoparticle material to the metal foil, heating the nanoparticle material to form an interconnected nanoparticle material, and disposing between first and second flexible substrates the metal foil coated with the interconnected nanoparticle material. The method may include disposing a conductive layer between the metal foil and the first flexible substrate, providing a wire; and joining the first and second flexible substrates, such that the conductive layers and the metal foil are in electrical contact with the wire. In one embodiment, the joining step includes laminating the first and second conductive layers by disposing an adhesive layer between them such that, following the lamination, the wire is embedded in the adhesive layer. In various embodiments, the interconnected nanoparticle material is interconnected using a polylinker at temperatures less than about 300 °C, less than about 150 °C, or at room' temperature.

[0022] In another aspect, the invention is directed to a method of forming a photovoltaic module, the method including the steps of : providing a metal foil; applying a nanoparticle material to discrete portions of the metal foil; heating the nanoparticle material to form an interconnected nanoparticle material; slitting the foil to mechanically separate the discrete portions; and disposing the discrete portions of the metal foil between first and second flexible substrates to form a photovoltaic module.

[0023] According to another aspect, the invention is directed to a photovoltaic cell including a metal foil and an interconnected nanoparticle material formed on the metal foil, th metal foil and the interconnected nanoparticle material formed on the metal foil both being disposed between first and second flexible substrates. In one embodiment, the photovoltaic cell includes a conductive layer disposed between the metal foil and the first flexible substrate, and a wire placed so that the conductive layers of the first and second flexible substrates are in electrical contact with the wire.

[0024] In various aspects of the above mentioned photovoltaic cell and module and methods of forming the same, the interconnected nanoparticle material includes a photosensitized interconnected nanoparticle material. The interconnected nanoparticle material may include particles with an average size in the range of about 5 nm to about 80 nm, or preferably, about 10 nm to about 40 nm. In one embodiment, the photosensitized interconnected nanoparticle material includes, for example, titanium oxide, zirconium oxide, zinc oxide, tungsten oxide, niobium oxide, lanthanum oxide, tantalum oxide, tin oxide, terbium oxide, or one or more combinations thereof. The photosensitized interconnected nanoparticle material may include a photosensitizing agent such as a xanthine, cyanine, merocyanine, phthalocyanine, or pyrrole. The photosensitizing agent may include a metal ion, such as divalent or trivalent metals. The photosensitizing agent may also include at least one of a ruthenium transition metal complex, an osmium transition metal complex, and an iron transition metal complex.

[0025] In one embodiment, a charge carrier material is disposed between the first and second substrates. The charge carrier material may include a redox electrolyte system. In another embodiment, the charge carrier material is a polymeric electrolyte. According to one feature, the charge carrier material transmits at least about 60% of incident visible light.

[0026] In one embodiment, the photovoltaic module and/or cell includes a catalytic media layer disposed between the first and second flexible substrates. The catalytic media layer is, for example, platinum. In one embodiment, at least one of the conductive layers includes indium tin oxide. In one embodiment, the wire is electrically conductive (e. g. , a metal wire such as stainless steel or platinum). In another embodiment, a plurality of wires is disposed between the first and second base materials. In one embodiment, the adhesive layer includes a hot melt adhesive. The adhesive may be an epoxy, and the adhesive may require a curing process. In one embodiment, the wire is coated with adhesive prior to laminating.

[0027] In another embodiment, at least one of the first and second flexible substrates is significantly light transmitting (e. g. , a polyethylene naphthalate or a polyethylene terephthalate material). The first and second flexible substrates may be significantly light- transmitting. In one embodiment, the metal foil includes titanium.

[0028] According to one embodiment, the nanoparticle material is interconnected using a polylinker at temperatures less than about 300 °C. In a further embodiment, the nanoparticle material is interconnected using a polylinker at temperatures less than about 150°C.

[0029] In one aspect, the invention provides a photovoltaic cell including a charge carrier material and a photosensitized interconnected nanoparticle material including nanoparticles linked by a polymeric linking agent, both disposed between first and second rigid, significantly light-transmitting substrates. The charge carrier material and the photosensitized interconnected nanoparticle material may be disposed between flexible, significantly light-transmitting substrates that are themselves disposed between the first and second rigid, significantly light-transmitting substrates. In one embodiment of the photovoltaic cell, the photosensitized interconnected nanoparticle material includes particles with an average size substantially in the range of about 5 nm to about 80 nm.

The photosensitized interconnected nanoparticle material may include, for example, titanium oxides, zirconium oxides, zinc oxides, tungsten oxides, niobium oxides, lanthanum oxides, tantalum oxides, terbium oxides, tin oxides, or one or more combinations thereof. The photosensitized interconnected nanoparticle material may include a photosensitizing agent such as a xanthine, cyanine, merocyanine, phthalocyanine, and/or pyrrole. The photosensitizing agent may include a metal ion, such as a divalent or trivalent metal. The photosensitizing agent may also include at least one of a ruthenium transition metal complex, an osmium transition metal complex, and an iron transition metal complex. In one embodiment of the photovoltaic cell, the charge carrier material includes a redox electrolyte system involving, for example, a polymeric electrolyte.

[0030] In one embodiment, at least one of the first and second flexible, significantly light-transmitting substrates includes a polyethylene terephthalate or polyethylene naphthalate material. At least one of the first and second rigid, significantly light- transmitting substrates may be tempered glass. In one embodiment, the photovoltaic module includes a catalytic media layer disposed between the first and second rigid, significantly light-transmitting substrates. The catalytic media layer is, for example, platinum. In one embodiment, the photovoltaic cell also includes an electrical conductor material applied to at least one of the first and second rigid, significantly light- transmitting substrates. The electrical conductor material may include indium tin oxide.

[0031] In another aspect, the photovoltaic cell includes a charge carrier material and a photosensitized interconnected nanoparticle material including nanoparticles linked by a polymeric linking agent, both disposed between a rigid, significantly light-transmitting substrate and a flexible, significantly light-transmitting substrate.

[0032] In another aspect, the invention provides a method of interconnecting nanoparticles at low temperatures on a rigid substrate. The method includes providing a rigid substrate, applying a solution comprising a polymeric linking agent and a solvent to the rigid substrate, and contacting a plurality of metal oxide nanoparticles with the solution at a temperature below about 300°C to interconnect at least a portion of the plurality of metal oxide nanoparticles. In various embodiments, the temperature is below about 200 °C, below about 100°C, or about room temperature. The polymeric linking agent may include a long chain macromolecule, which has (i) a backbone structure substantially similar to a chemical structure of the plurality of metal oxide nanoparticles, and (ii) one or more reactive groups chemically bonded to the backbone structure. In one embodiment, the plurality of metal oxide nanoparticles includes a chemical structure, MxOy, where x and y are integers. M may be Ti, Zr, Sn, W, Nb, Ta, and Tb. In one embodiment, the polymeric linking agent is poly (n-butyl titanate). The solvent may be n- butanol. In one embodiment, the rigid substrate is significantly light-transmitting (e. g., tempered glass). The plurality of metal oxide nanoparticles may include titanium oxide, zirconium oxide, zinc oxide, tungsten oxide, niobium oxide, lanthanum oxide, tin oxide, tantalum oxide, terbium oxide, and combinations thereof.

[0033] In one aspect, the invention provides a method of manufacturing photovoltaic modules. The method includes advancing a plurality of photovoltaic cells, and ultrasonically dividing a subset of the plurality of photovoltaic cells into one or more photovoltaic modules. In one embodiment, the dividing step includes substantially and concurrently cutting and sealing the subset of photovoltaic cells into one or more photovoltaic modules. The plurality of photovoltaic cells may include a substantially continuous flexible sheet of photovoltaic cells. In various embodiments, the advancing step is performed as part of a continuous manufacturing process (e. g. , a roll-based process). The plurality of photovoltaic cells may be flexible. In one embodiment, cutting and sealing forms a leading edge on a proximal portion of the one or more photovoltaic modules. Cutting and sealing may form a trailing edge on a distal portion of the one or more photovoltaic modules as well.

[0034] Other aspects and advantages of the invention will become apparent from the following drawings, detailed description, and claims, all of which illustrate the principles of the invention, by way of example only.

Brief Description of the Drawings [0035] The foregoing and other objects, features, and advantages of the invention described above will be more fully understood from the following description of various illustrative embodiments, when read together with the accompanying drawings. In the drawings, like reference characters generally refer to the same parts throughout the different views. The drawings are not necessarily to scale, and emphasis instead is generally placed upon illustrating the principles of the invention.

[0036] Figure 1 depicts an exemplary chemical structure of an illustrative embodiment of a polylinker for nanoparticles of an oxide of metal M, in accordance with the invention; [0037] Figure 2 depicts another exemplary chemical structure of an illustrative embodiment of a polylinker, according to the invention, for nanoparticles of an oxide of metal M; [0038] Figure 3A shows an exemplary chemical structure for an interconnected nanoparticle film with a polylinker, according to an illustrative embodiment of the invention; [0039] Figure 3B shows the interconnected nanoparticle film of Figure 3A attached to a substrate oxide layer, according to an illustrative embodiment of the invention; [0040] Figure 4 depicts the chemical structure of poly (n-butyl titanate); [0041] Figure 5A shows the chemical structure of a titanium dioxide nanoparticle film interconnected with poly (n-butyl titanate), according to the invention; [0042] Figure 5B shows the interconnected titanium dioxide nanoparticle film of Figure 5A attached to a substrate oxide layer, according to an illustrative embodiment of the invention; [0043] Figure 6 is a cross-sectional view of a flexible photovoltaic cell, according to an illustrative embodiment of the invention; [0044] Figure 7 depicts an illustrative embodiment of a continuous manufacturing process that may be used to form the flexible photovoltaic cell shown in Figure 6; [0045] Figure 8 depicts a current-voltage curve for an exemplary solar cell, according to the invention; [0046] Figure 9 shows a current-voltage curve for an exemplary solar cell, according to an illustrative embodiment of the invention; [0047] Figure 10 shows current-voltage curves for two additional exemplary solar cells, according to an illustrative embodiment of the invention; [0048] Figure 11 depicts the chemical structure of gelation induced by a complexing reaction of Li+ ions with complexable poly (4-vinyl pyridine) compounds, in accordance with an illustrative embodiment of the invention; [0049] Figure 12 shows the chemical structure of a lithium ion complexing with polyethylene oxide segments, according to another illustrative embodiment of the invention; [0050] Figures 13A-13C depict chemical structures for exemplary co-sensitizers, according to illustrative embodiments of the invention; [0051] Figures 14A-14B depict additional exemplary chemical structures of co- sensitizers, according to illustrative embodiments of the invention; [0052] Figure 15 shows a graph of the absorbance of the 455 nm cut-off filter (GC455) used to characterize photovoltaic cells according to the invention; [0053] Figure 16 shows a graph of the absorbance of diphenylaminobenzoic acid; [0054] Figure 17 depicts an illustrative embodiment of the coating of a semiconductor primer layer coating, according to the invention; [0055] Figures 18A and 18B show side elevation views of interconnected photovoltaic modules in unflexed and flexed states, respectively, according to an illustrative embodiment of the invention; [0056] Figure 19 depicts a cross-sectional view of a photovoltaic cell formed using rigid substrates, according to an illustrative embodiment of the invention; [0057] Figures 20A and 20B show the scoring of the base material of a photovoltaic cell or module, according to the invention; [0058] Figure 21 depicts a base material suitable for forming a photovoltaic cell or module using wire interconnects, according to the invention; [0059] Figures 22A and 22B show an exemplary photovoltaic module formed using wire interconnects, according to the invention; [0060] Figure 23 shows a photovoltaic module formed using a metal foil coated with a photosensitized nanoparticle material, according to the invention; [0061] Figure 24 depicts an exemplary photovoltaic module capable of receiving radiation through two surfaces, according to the invention.

[0062] Figure 25 depicts a metal wire coated with a metal having a low melting temperature, according to the invention; and [0063] Figure 26 shows an exemplary photovoltaic module with a wire interconnect including a metal coated wire, according to the invention.

Description of the Illustrative Embodiments A. Low temperature interconnection of nanoparticles l0064] As discussed in the summary above, the invention, in one embodiment, provides a polymeric linking agent (hereinafter a"polylinker") that enables the fabrication of thin film solar cells at relatively low"sintering"temperatures (< about 300 °C).

Although the term"sintering"conventionally refers to high temperature (> about 400 °C) processes, as used herein, the term"sintering"is not temperature specific, but instead refers generally to the process of interconnecting nanoparticles at any suitable temperature. In one illustrative embodiment, the invention provides a method for using polylinkers to interconnect nanoparticles in a thin film solar cells. According to another illustrative embodiment, the relatively low temperature sintering process enables the manufacture of such photovoltaic cells using flexible polymer substrates. By employing flexible substrates, the invention also enables a continuous roll-to-roll or web manufacturing process to be employed.

[0065] Figures 1 and 2 schematically depict chemical structures of illustrative polylinkers, according to the invention. The particular polylinker structures depicted are for use with nanoparticles of the formula MxOy, where M may be, for example, titanium (Ti), zirconium (Zr), tungsten (W), niobium (Nb), lanthanum (La), tantalum (Ta), terbium (Tb), or tin (Sn) and x and y are integers greater than zero. According to the illustrative embodiment of Figure 1, the polylinker 100 includes a backbone structure 102, which is similar in structure to the metal oxide nanoparticles, and (OR) ; reactive groups, where R may be, for example, acetate, an alkyl, alkene, alkyne, aromatic, or acyl group; or a hydrogen atom and i is an integer greater than zero. Suitable alkyl groups include, but are not limited to, ethyl, propyl, butyl, and pentyl groups. Suitable alkenes include, but are not limited to, ethene, propene, butene, and pentene. Suitable alkynes include, but are not limited to, ethyne, propyne, butyne, and pentyne. Suitable aromatic group include, but are not limited to, phenyl, benzyl, and phenol. Suitable acyl groups include, but are not limited to, acetyl and benzoyl. In addition, a halogen including, for example, chlorine, bromine, and iodine may be substituted for the (OR) ; reactive groups.

[0066] Referring to Figure 2, the polylinker 110 has a branched backbone structure that includes two-M-O-M-O-M-O-backbone structures, which include (OR) ; reactive groups and (OR), +) reactive groups, where R may be, for example, one of the atoms, molecules, or compounds listed above and i is an integer greater than zero. The two backbone structures have similar structures to the metal oxide nanoparticles. Collectively, the structure depicted in Figure 2 can be represented by-M (OR),-0- (M (OR),-0) n- M (OR) i+t, where i and n are integers greater than zero.

[0067] Figure 3A depicts schematically the chemical structure 300 resulting from interconnecting the MxOy nanoparticles 302 with a polylinker 304. In various embodiments, the polylinker 304 has the chemical structure of the polylinkers 100 and 110 depicted in Figures 1 and 2, respectively. According to the illustrative embodiment, the nanoparticles 302 are interconnected by contacting the nanoparticles 302 with a polylinker 304 at or below room temperature or at elevated temperatures that are less than about 300 °C. Preferably, the polylinker 304 is dispersed in a solvent to facilitate contact with the nanoparticles 302. Suitable solvents include, but are not limited to, various alcohols, chlorohydrocarbons (e. g. , chloroform), ketones, cyclic and linear chain ether derivatives, and aromatic solvents among others. It is believed that the reaction between surface hydroxyl groups of the nanoparticles 302 with alkoxy groups on the polymer chain of the polylinker 304 leads to bridging (or linking) the many nanoparticles 302 together through highly stable covalent links, and as a result, to interconnecting the nanoparticles 302. It also is believed that since the polylinker 304 is a polymeric material with a chemical structure similar to that of the nanoparticles 302, even a few binding (or linking) sites between the nanoparticles 302 and the polylinker 304 leads to a highly interconnected nanoparticle film with a combination of electrical and mechanical properties superior to those of a non-sintered or non-interconnected nanoparticle film.

The electrical properties include, for example, electron and/or hole conducting properties that facilitate the transfer of electrons or holes from one nanoparticle to another through, for example, 7c-conjugation. The mechanical properties include, for example, improved flexibility.

[0068] Still referring to Figure 3A, at low concentrations of the polylinker 304, a single polylinker 304 polymer can link many nanoparticles 302 forming a cross-linked nanoparticle network. However, by increasing the concentration of the polylinker 304 polymer, more polylinker 304 molecules may be attached to the surface of the nanoparticles 302 forming polymer-coated nanoparticles 300. Such polymer-coated nanoparticles 300 may be processed as thin films due to the flexibility of the polymer. It is believed that the electronic properties of the polymer-coated nanoparticles are not affected to a significant extent due to the similar electronic and structural properties between the polylinker polymer and the nanoparticles.

[0069] Figure 3B depicts the chemical structure 306 of an illustrative embodiment of the interconnected nanoparticle film 300 from Figure 3A formed on a flexible substrate 308 that includes an oxide layer coating 310, which is an electrical conductor. In particular, the polylinkers may be used to facilitate the formation of such nanoparticle films 300 on flexible, significantly light transmitting substrates 308. As used herein, the term"significantly light transmitting substrate"refers to a substrate that transmits at least about 60% of the visible light incident on the substrate in a wavelength range of operation. Examples of flexible substrates 308 include polyethylene terephthalates (PETs), polyimides, polyethylene naphthalates (PENs), polymeric hydrocarbons, cellulosics, combinations thereof, and the like. PET and PEN substrates may be coated with one or more electrical conducting, oxide layer coatings 310 of, for example, indium tin oxide (ITO), a fluorine-doped tin oxide, tin oxide, zinc oxide, and the like.

[0070] According to one preferred embodiment, by using the illustrative polylinkers, the methods of the invention interconnect nanoparticles 302 at temperatures significantly below 400 °C, and preferably below about 300 °C. Operating in such a temperature range enables the use of the flexible substrates 308, which would otherwise be destructively deformed by conventional high temperature sintering methods. In one illustrative embodiment, the exemplary structure 306 is formed by interconnecting the nanoparticles 302 using a polylinker 304 on a substrate 308 at temperatures below about 300 °C. In another embodiment, the nanoparticles 302 are interconnected using a polylinker 304 at temperatures below about 100 °C. In still another embodiment, the nanoparticles 302 are interconnected using a polylinker 304 at about room temperature and room pressure, from about 18 to about 22 °C and about 760 mm Hg, respectively.

[0071] In embodiments where the nanoparticles are deposited on a substrate, the reactive groups of the polylinker bind with the substrate, substrate coating and/or substrate oxide layers. The reactive groups may bind to the substrate, substrate coating and/or substrate oxide layers by, for example, covalent, ionic and/or hydrogen bonding. It is believed that reactions between the reactive groups of the polylinker with oxide layers on the substrate result in connecting nanoparticles to the substrate via the polylinker.

[0072] According to various embodiments of the invention, metal oxide nanoparticles are interconnected by contacting the nanoparticles with a suitable polylinker dispersed in a suitable solvent at or below room temperature or at elevated temperatures below about 300 °C. The nanoparticles may be contacted with a polylinker solution in many ways.

For example, a nanoparticle film may be formed on a substrate and then dipped into a polylinker solution. A nanoparticle film may be formed on a substrate and the polylinker solution sprayed on the film. The polylinker and nanoparticles may be dispersed together in a solution and the solution deposited on a substrate. To prepare nanoparticle dispersions, techniques such as, for example, microfluidizing, attritting, and ball milling may be used. Further, a polylinker solution may be deposited on a substrate and a nanoparticle film deposited on the polylinker.

[0073] In embodiments where the polylinker and nanoparticles are dispersed together in a solution, the resultant polylinker-nanoparticle solution may be used to form an interconnected nanoparticle film on a substrate in a single step. In various versions of this embodiment, the viscosity of the polylinker-nanoparticle solution may be selected to facilitate film deposition using printing techniques such as, for example, screen-printing and gravure-printing techniques. In embodiments where a polylinker solution is deposited on a substrate and a nanoparticle film deposited on the polylinker, the concentration of the polylinker can be adjusted to achieve a desired adhesive thickness. In addition, excess solvent may be removed from the deposited polylinker solution prior to deposition of the nanoparticle film.

[0074] The invention is not limited to interconnection of nanoparticles of a material of formula MxOy. Suitable nanoparticle materials include, but are not limited to, sulfides, selenides, tellurides, and oxides of titanium, zirconium, lanthanum, niobium, tin, tantalum, terbium, and tungsten, and combinations thereof. For example, Ti02, SrTi03, CaTi03, Zr02, W03, La203, Nb205, Sn02, sodium titanate, and potassium niobate are suitable nanoparticle materials.

[0075] The polylinker may contain more than one type of reactive group. For example, the illustrative embodiments of Figures 1-3B depict one type of reactive group OR. However, the polylinker may include several types of reactive groups, e. g. , OR, OR', OR", etc.; where R, R'and R"are one or more of a hydrogen, alkyl, alkene, alkyne, aromatic, or acyl group or where one or more of OR, OR', and OR"are a halide. For example, the polylinker may include polymer units of formulas such as,-[O- M (OR) ; (OR') j-]-, and- [O-M (OR) ; (OR') (OR") k-)-, where i, j and k are integers greater than zero.

[0076] Figure 4 depicts the chemical structure of a representative polylinker, poly (n- butyl titanate) 400 for use with titanium dioxide (Ti02) nanoparticles. Suitable solvents for poly (n-butyl titanate) 400 include, but are not limited to, various alcohols, chlorohydrocarbons (e. g. , chloroform), ketones, cyclic and linear chain ether derivatives, and aromatic solvents among others. Preferably, the solvent is n-butanol. The poly (n- butyl titanate) polylinker 400 contains a branched-Ti-O-Ti-O-Ti-O-backbone structure with butoxy (OBu) reactive groups.

[0077] Figure 5A depicts the chemical structure of a nanoparticle film 500, which is constructed from titanium dioxide nanoparticles 502 interconnected by poly (n-butyl titanate) polylinker molecules 504. It is believed that the reaction between surface hydroxyl groups of the Ti02 nanoparticles 502 with butoxy groups 506 (or other alkoxy groups) of the polylinker 504 leads to the bridging (or linking) of many nanoparticles 502 together through highly stable covalent links, and as a result, interconnecting the nanoparticles 502. Furthermore, it is believed that since the polylinker 504 is a polymeric material with a chemical structure similar to that of Ti02, even a few binding (or linking) sites between nanoparticles 502 and polylinker 504 will lead to a highly interconnected nanoparticle film 500, with electronic and mechanical properties superior to those of a non-sintered or non-interconnected nanoparticle film.

[0078] Figure 5B depicts the chemical structure 508 of the nanoparticle film 500 from Figure SA formed on a substrate 510, which includes an electrically-conducting oxide layer coating 512, by applying the polylinker solution to the substrate 510 and then depositing the nanoparticles 502 on the polylinker 504. In the illustrative example using titanium dioxide nanoparticles 502, a polylinker solution including poly (n-butyl titanate) 504 is dissolved in n-butanol and applied to the substrate 510. The concentration of the polylinker 504 can be adjusted to achieve a desired adhesive thickness for the polylinker solution. A titanium dioxide nanoparticulate film 500 is then deposited on the polylinker coated substrate 510. Reaction between the surface hydroxyl groups of the TiO2 nanoparticles with reactive butoxy groups 506 (or other alkoxy groups) of poly (n-butyl titanate) 504 results in interconnecting the nanoparticles 502, as well as connecting nanoparticles 502 with the oxide layers 512 on the substrate 510.

[0079] Figure 6 depicts a flexible photovoltaic cell 600, in accordance with the invention, that includes a photosensitized interconnected nanoparticle material 603 and a charge carrier material 606 disposed between a first flexible, significantly light transmitting substrate 609 and a second flexible, significantly light transmitting substrate 612. In one embodiment, the flexible photovoltaic cell further includes a catalytic media layer 615 disposed between the first substrate 609 and second substrate 612. Preferably, the photovoltaic cell 600 also includes an electrical conductor 618 deposited on one or both of the substrates 609 and 612. The methods of nanoparticle interconnection provided herein enable construction of the flexible photovoltaic cell 600 at temperatures and heating times compatible with such substrates 609 and 612.

[0080] The flexible, significantly light transmitting substrates 609 and 612 of the photovoltaic cell 600 preferably include polymeric materials. Suitable substrate materials include, but are not limited to, PET, polyimide, PEN, polymeric hydrocarbons, cellulosics, or combinations thereof. Further, the substrates 609 and 612 may include materials that facilitate the fabrication of photovoltaic cells by a continuous manufacturing process such as, for example, a roll-to-roll or web process. The substrate 609 and 612 may be colored or colorless. Preferably, the substrates 609 and 612 are clear and transparent. The substrates 609 and 612 may have one or more substantially planar surfaces or may be substantially non-planar. For example, a non-planar substrate may have a curved or stepped surface (e. g. , to form a Fresnel lens) or be otherwise patterned.

[0081] According to the illustrative embodiment, an electrical conductor 618 is deposited on one or both of the substrates 609 and 612. Preferably, the electrical conductor 618 is a significantly light transmitting material such as, for example, ITO, a fluorine-doped tin oxide, tin oxide, zinc oxide, or the like. In one illustrative embodiment, the electrical conductor 618 is deposited as a layer between about 100 nm and about 500 nm thick. In another illustrative embodiment, the electrical conductor 618 is between about 150 nm and about 300 nm thick. According to a further feature of the illustrative embodiment, a wire or lead line may be connected to the electrical conductor 618 to electrically connect the photovoltaic cell 600 to an external load.

[0082] The photosensitized interconnected nanoparticle material 603 may include one or more types of metal oxide nanoparticles, as described in detail above.. In one embodiment, the photosensitized interconnected nanoparticle material 603 includes nanoparticles with an average size of between about 2 nm and about 100 nm. In another embodiment, the photosensitized nanoparticle material 603 includes nanoparticles with an average size of between about 10 nm and about 40 nm. Preferably, the nanoparticles are titanium dioxide particles having an average particle size of about 20 nm.

[0083] A wide variety of photosensitizing agents may be applied to and/or associated with the nanoparticles to produce the photosensitized interconnected nanoparticle material 603. The photosensitizing agent facilitates conversion of incident visible light into electricity to produce the desired photovoltaic effect. It is believed that the photosensitizing agent absorbs incident light resulting in the excitation of electrons in the photosensitizing agent. The energy of the excited electrons is then transferred from the excitation levels of the photosensitizing agent into a conduction band of the interconnected nanoparticles 603. This electron transfer results in an effective separation of charge and the desired photovoltaic effect. Accordingly, the electrons in the conduction band of the interconnected nanoparticles are made available to drive an external load electrically connected to the photovoltaic cell.

In one illustrative embodiment, the photosensitizing agent is sorbed (e. g. , chemisorbed and/or physisorbed) on the interconnected nanoparticles 603. The photosensitizing agent may be sorbed on the surfaces of the interconnected nanoparticles 603, throughout the interconnected nanoparticles 603, or both. The photosensitizing agent is selected, for example, based on its ability to absorb photons in a wavelength range of operation, its ability to produce free electrons (or electron holes) in a conduction band of the interconnected nanoparticles 603, and its effectiveness in complexing with or sorbing to the interconnected nanoparticles 603. Suitable photosensitizing agents may include, for example, dyes that include functional groups, such as carboxyl and/or hydroxyl groups, that can chelate to the nanoparticles, e. g. , to Ti (IV) sites on a TiO2 surface. Examples of suitable dyes include, but are not limited to, anthocyanins, porphyrins, phthalocyanines, merocyanines, cyanines, squarates, eosins, and metal-containing dyes such as, for example, cis-bis (isothiocyanato) bis (2,2'-bipyridyl-4, 4'-dicarboxylato)-ruthenium (II) ("N3 dye"); tris (isothiocyanato)-ruthenium (II)-2, 2' : 6', 2"-terpyridine-4,4', 4"- tricarboxylic acid; cis-bis (isothiocyanato) bis (2,2'-bipyridyl-4, 4'-dicarboxylato)-ruthenium (II) bis- tetrabutylammonium; cis-bis (isocyanato) (2,2'-bipyridyl-4, 4'dicarboxylato) ruthenium (II) ; and tris (2,2'-bipyridyl-4, 4'-dicarboxylato) ruthenium (II) dichloride, all of which are available from Solaronix.

[0084] The charge carrier material 606 portion of the photovoltaic cells may form a layer in the photovoltaic cell, be interspersed with the material that forms the photosensitized interconnected nanoparticle material 603, or be a combination of both.

The charge carrier material 606 may be any material that facilitates the transfer of electrical charge from a ground potential or a current source to the interconnected nanoparticles 603 (and/or a photosensitizing agent associated therewith). A general class of suitable charge carrier materials can include, but are not limited to solvent based liquid electrolytes, polyelectrolytes, polymeric electrolytes, solid electrolytes, n-type and p-type transporting materials (e. g. , conducting polymers), and gel electrolytes, which are described in more detail below.

[0085] Other choices for the charge carrier material 606 are possible. For example, the electrolyte composition may include a lithium salt that has the formula LiX, where X is an iodide, bromide, chloride, perchlorate, thiocyanate, trifluoromethyl sulfonate, or hexafluorophosphate. In one embodiment, the charge carrier material 606 includes a redox system. Suitable redox systems may include organic and/or inorganic redox systems. Examples of such systems include, but are not limited to, cerium (III) sulfate/cerium (IV), sodium bromide/bromine, lithium iodide/iodine, Fe2+/Fe3+, Co2+/Co3+, and viologens. Furthermore, an electrolyte solution may have the formula Mixe, where i and j are : 1. X is an anion, and M is selected from the group consisting of Li, Cu, Ba, Zn, Ni, lanthanides, Co, Ca, Al, and Mg. Suitable anions include, but are not limited to, chloride, perchlorate, thiocyanate, trifluoromethyl sulfonate, and hexafluorophosphate.

[0086] In some illustrative embodiments the charge carrier material 606 includes a polymeric electrolyte. In one version, the polymeric electrolyte includes poly (vinyl imidazolium halide) and lithium iodide. In another version, the polymeric electrolyte includes poly (vinyl pyridinium salts). In still another embodiment, the charge carrier material 606 includes a solid electrolyte. In one version, the solid electrolyte includes lithium iodide and pyridinium iodide. In another version, the solid electrolyte includes substituted imidazolium iodide.

[0087] According to some illustrative embodiments, the charge carrier material 606 includes various types of polymeric polyelectrolytes. In one version, the polyelectrolyte includes between about 5% and about 100% (e. g. , 5-60%, 5-40%, or 5-20%) by weight of a polymer, e. g. , an ion-conducting polymer, about 5% to about 95%, e. g. , about 35-95%, 60-95%, or 80-95%, by weight of a plasticizer and about 0.05 M to about 10 M of a redox electrolyte, e. g. , about 0.05 M to about 10 M, e. g. , 0.05-2 M, 0. 05-1 M, or 0.05-0. 5 M, of organic or inorganic iodides, and about 0. 01 M to about 1 M, e. g. , 0.05-5 M, 0.05-2 M, or 0. 05-1 M, of iodine. The ion-conducting polymer may include, for example, polyethylene oxide (PEO), polyacrylonitrile (PAN), polymethylmethacrylate (acrylic) (PMMA), polyethers, and polyphenols. Examples of suitable plasticizers include, but are not limited to, ethyl carbonate, propylene carbonate, mixtures of carbonates, organic phosphates, butyrolactone, and dialkylphthalates.

[0088] Preferably, the flexible photovoltaic cell 600 also includes a catalytic media layer 615 disposed between the substrates 609 and 612. According to the illustrative embodiment, the catalytic media layer 615 is in electrical contact with the charge carrier material 606. The catalytic media 615 may include, for example, ruthenium, osmium, cobalt, rhodium, iridium, nickel, activated carbon, palladium, platinum, or hole transporting polymers (e. g. , poly (3,4-ethylene dioxythiophene and polyaniline).

Preferably, the catalytic media 615 further includes titanium, or some other suitable metal, to facilitate adhesion of the catalytic media to a substrate and/or substrate coating.

Preferably, the titanium is deposited in regions or a layer about 10 A thick. In one embodiment, the catalytic media 615 includes a platinum layer between about 13 A and about 35 A thick. In another embodiment, the catalytic media 615 includes a platinum layer between about 15 A and about 50 A thick. In another embodiment, the catalytic media 615 includes a platinum layer between about 50 A and about 800 A thick.

Preferably, the catalytic media 615 includes a platinum layer about 25 A thick.

[0089] In another aspect, the invention also provides methods of forming a layer of interconnected metal oxide nanoparticles on a substrate using a continuous manufacturing process, such as, for example, a roll-to-roll or web process. These methods may be used, for example, to produce DSSCs. The current processes for producing DSSCs in large numbers, for example using a continuous and cost effective assembly line process, are extremely difficult at best. The difficulties associated with a continuous assembly process for a DSSC may arise from the cell support or substrate, which is generally rigid and typically includes thermally resistant materials such as glass and metal. The primary reason for this is related to the high temperature sintering process for producing fused nanocrystals (typically about 400-500 °C). Rigid substrate materials, by their very nature, generally do not lend themselves to a continuous process for manufacture, but rather to a more expensive batch process.

[0090] Figure 7 depicts an illustrative embodiment of a continuous manufacturing process 700 that may be used to form the photovoltaic cell shown in Figure 6. According to the illustrative embodiment, an interconnected nanoparticle film is formed on an advancing substrate sheet 705, which may be continuously advanced, periodically advanced, and/or irregularly advanced during a manufacturing run using rollers 708. In this illustrative embodiment, the electrical conductor material 710, which serves as the basis for one electrode of a photovoltaic cell, is deposited on the advancing substrate 705.

In various embodiments, the electrical conductor material 710 may be deposited on a target region of the substrate 705 by thermal evaporation or low temperature sputtering.

In addition, the electrical conductor material 710 may be deposited, for example, by vacuum deposition.

[0091] According to the illustrative embodiment shown in Figure 7, the photosensitized nanoparticle material 715 is then deposited. As described above, the photosensitized nanoparticle material 715 may be formed by applying a solution having a polylinker and metal oxide nanoparticles onto the advancing substrate sheet 705. The polylinker-nanoparticle solution may be applied by any suitable technique including, but not limited to, dip tanks, extrusion coating, spray coating, screen printing, and gravure printing. In other illustrative embodiments, the polylinker solution and metal oxide nanoparticles are separately applied to the advancing substrate sheet 705 to form the photosensitized nanoparticle material 715. In one illustrative embodiment, the polylinker solution is applied to the advancing substrate 705 and the metal oxide nanoparticles (preferably dispersed in a solvent) are disposed on the polylinker. In another illustrative embodiment, the metal oxide nanoparticles (preferably dispersed in a solvent) are applied to the advancing substrate 705 and the polylinker solution is applied to the nanoparticles to form the photosensitized nanoparticle material 715. As described above with regard to Figure 6, a wide variety of photosensitizing agents may be applied to and/or associated with the nanoparticles to produce the photosensitized nanoparticle material 715.

[0092] After deposition of the photosensitized nanomatrix material 715, the substrate sheet 705 may proceed to further processing stations depending on the ultimate product desired. According to this illustrative embodiment, the charge carrier material 720, which facilitates the transfer of electrical charge from a ground potential or a current source to the photosensitized nanoparticle material 715, is deposited. The charge carrier material 720 may be applied by, for example, spray coating, roller coating, knife coating, or blade coating. The charge carrier media 720 may be prepared by forming a solution having an ion-conducting polymer, a plasticizer, and a mixture of iodides and iodine. The polymer provides mechanical and/or dimensional stability; the plasticizer helps the gel/liquid phase transition temperature; and the iodides and iodine act as redox electrolytes.

[0093] Still referring to Figure 7, the catalytic media layer 725, which facilitates the transfer of electrons ejected by the photoexcited molecules within the photovoltaic cell, is then deposited. Subsequently, a second electrical conductor layer 730 is deposited. The second electrical conductor layer 730 serves as the basis for a second electrode of the photovoltaic cell. A second, flexible substrate 735 is then unwound and applied to the advancing sheet 705 to complete the photovoltaic cell using the continuous manufacturing process 700. An ultrasonic slitting device 740 may be employed to simultaneously cut and seal a leading and trailing edge of a plurality of photovoltaic cells, thus forming photovoltaic modules. The ultrasonic slitting procedure is discussed in more detail below.

[0094] Further illustrative examples of the invention in the context of a DSSC including titanium dioxide nanoparticles are provided below. The following examples are illustrative and not intended to be limiting. Accordingly, it is to be understood that the invention may be applied to a wide range of nanoparticles including, but not limited to, SrTiO3, CaTi03, ZrO2, W03, La203, Nb205, sodium titanate, and potassium niobate nanoparticles. In addition, it should be realized that the invention is generally applicable to formation of interconnected nanoparticles for a wide variety of applications in addition to DSSC, such as, for example, metal oxide and semiconductor coatings.

[00181] While the invention has been particularly shown and described with reference to specific illustrative embodiments, it should be understood that various changes in form and detail may be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. By way of example, any of the disclosed features may be combined with any of the other disclosed features to form a photovoltaic cell or module.

「特表2005-516371およびWO2003065472より引用」

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[Claims] 電気デバイスを備えた太陽電池モジュール

【特許請求の範囲】
【請求項1】
第一の基材シートと、
裏打ちシートと、
各々が前記基材シートと前記裏打ちシートとの間に配置されている単一の又は複数のソーラーセルと、
前記基材シートと裏打ちシートとの間に前記ソーラーセルのうちの少なくとも1つと電気接続状態で配置されている少なくとも1つの薄い導電性基板とを含む太陽電池モジュール。
【請求項2】
請求項1に記載の太陽電池モジュールであって、
前記導電性基板が少なくとも2つの別個の導電領域を含んでいる太陽電池モジュール。
【請求項3】
請求項2に記載の太陽電池モジュールであって、
前記別個の導電領域がストリップ形状である太陽電池モジュール。
【請求項4】
請求項3に記載の太陽電池モジュールであって、
前記導電性基板が1以上の導電性金属と1以上の樹脂又は高分子材料とからなるラミネートを含んでいる太陽電池モジュール。
【請求項5】
請求項4に記載の太陽電池モジュールであって、
前記高分子材料がエポキシ樹脂及びガラス繊維を含んでいる太陽電池モジュール。
【請求項6】
請求項1に記載の太陽電池モジュールであって、
前記導電性基板に取り付けられた1以上の電子装置を更に含んでいる太陽電池モジュール。
【請求項7】
請求項1に記載の太陽電池モジュールであって、
前記導電性基板に取り付けられた1以上のバイパスダイオードを更に含んでいる太陽電池モジュール。
【請求項8】
請求項2に記載の太陽電池モジュールであって、
バイパスダイオードを更に含み、当該バイパスダイオードは、前記導電領域のうちの2つの間において前記導電性基板上に配置されている2つの電極を備えていて、前記バイパスダイオードの一つの電極が一方の導電領域に電気的に接続されており、前記バイパスダイオードの他方の電極が他方の導電領域に電気的に接続されている太陽電池モジュール。
【請求項9】
太陽電池モジュールであって、
第一の基材シートと、
裏打ちシートと、
電気的に直列に接続され且つ前記第一の基材シートと前記裏打ちシートとの間に配置されている複数のソーラーセルであって、このように直列に接続されている第一のソーラーセルと最後のソーラーセルとを備え、
前記第一の基材シートと前記裏打ちシートとの間に配置され且つ少なくとも第一と第二の電気的に分離された導電領域を含んでいる少なくとも1つの薄い導電性基板と、
第一の電極と、当該第一の電極と反対極性の第二の電極とを備えた少なくとも1つのバイパスダイオードであり、前記第一の電極が前記第一の導電領域に電気的に接続されており、前記第二の電極が前記第二の導電領域に接続されている前記少なくとも1つのバイパスダイオードと、
前記ソーラーセルの配列内の前記第一のソーラーセルを前記第一の導電領域に電気的に接続する電気リード線及び前記ソーラーセルの配列内の最後のソーラーセルを前記第二の導電領域に接続している電気リード線とを含む太陽電池モジュール。
【請求項10】
太陽電池モジュールであって、
第一の基材シートと、
裏打ちシートと、
前記第一の基材シートと前記裏打ちシートとの間に配置されている1又は複数のソーラーセルと、
当該太陽電池モジュールに高い機能及び高い作動能力を付与する少なくとも1つの電子デバイスとを含んでいる太陽電池モジュール。
【請求項11】
請求項10に記載の太陽電池モジュールであって、
前記電子デバイスが、メモリーチップ、盗難防止チップ、RF IDチップ、DC-ACコンバータ、バッテリ及びDC-DCコンバータのうちの1以上から選択された電子デバイスである太陽電池モジュール。
【請求項12】
請求項10に記載の太陽電池モジュールであって、
前記電子デバイスが前記基材と前記裏打ちシートとの間に配置されている太陽電池モジュール。
【請求項13】
太陽電池モジュールを形成する方法であって、
第一の基材シートと裏打ちシートとの間に少なくとも1つのソーラーセル及び少なくとも1つの薄い導電性基板をシールすることを含み、前記導電性基板には、任意に、高い機能又は高い作動能力を有する少なくとも1つの電子デバイスが取り付けられる太陽電池モジュールを形成する方法。
【請求項14】
請求項13に記載の方法であって、
前記電子デバイスが、メモリーチップ、盗難防止チップ、RF IDチップ、DC-ACコンバータ、バッテリ、DC-DCコンバータのうちの1以上である方法。
【請求項15】
太陽電池モジュールを形成するための方法であって、
第一の基材シートと裏打ちシートとの間に、少なくとも1つのソーラーセルと当該太陽電池モジュールに高い機能又は高い作動能力を付与する少なくとも1つのデバイスとをシールすることを含む方法。
【請求項16】
請求項15に記載の方法であって、
前記デバイスが、メモリーチップ、盗難防止チップ、RF IDチップ、DC-ACコンバータ、バッテリ、DC-DCコンバータのうちの1以上である方法。
【請求項17】
太陽電池モジュールを形成する方法であって、
第一の基材シートと裏打ちシートとの間に、少なくとも1つのソーラーセル及び少なくとも1つの薄い導電性基板をシールすることを含み、前記導電性基板には、少なくとも1つのバイパスダイオードが取り付けられる太陽電池モジュールを形成する方法。
【請求項18】
少なくとも1つのソーラーセルと少なくとも1つの電子デバイスとを含んでいる光電デバイスであり、前記電子デバイスが、当該光電デバイスに高い機能又は高い作動能力を付与する光電デバイス。
【請求項19】
請求項18に記載の光電デバイスであって、
前記電子デバイスが、メモリーチップ、盗難防止チップ、RF IDチップ、DC-ACコンバータ、バッテリ、DC-DCコンバータのうちの1以上である光電デバイス。

What ?s claimed te: 1. A photovoltaic module comprising: a first substrate sheet, a backing sheet, a solar cell or a plurality of solar cells, each positioned between the substrate and the backing sheet, at least one thin electrically conducting board positioned between the substrate and the backing sheet in electrical connection with at least one of the solar cells. 2. The photovoltaic module of Claim 1 wherein the board comprises at least two separate electrically conducting regions. 3. The photovoltaic module of Claim 2 wherein the separate electrically conduction regions are in the form of strips. 4. The photovoltaic module of Claim 3 wherein the board comprises a laminate of one or more conducting metals and one or more of a resin or polymeric material. 5. The photovoltaic module of Claim 4 wherein the polymeric material comprises an epoxy resin and fiberglass. 6. The photovoltaic module of Claim 1. further comprising one or more electronic devices mounted on the board. 7. The photovoltaic module of Claim 1 further comprising one or more by¬ pass diodes mounted on the board. 8. The photovoltaic module of Claim 2 further comprising a by-pass diode having two electrical poles where the by-pass diode is positioned on the electrically conducting board between two of the conducting regions so that one electrical pole of the diode is electrically connected to one conducting region and the other electrical pole of the diode is electrically connected to the other conducting region. 9. A photovoltaic module comprising: a first substrate sheet, a backing sheet, a plurality of solar cells electrically connected in series arrangement and being positioned between the first substrate sheet and the backing sheet and having a first solar cell and a last solar cell in such series arrangement, sit least brfe ihift electrically conducting board positioned between the first substrate sheet and the backing sheet and comprising at least first and second electrically separated and electrically conducting regions, at least one by-pass diode having a first electrical pole and a second electrical pole of opposite polarity to the first electrical pole and positioned such that the first pole is electrically connected to the first conducting region and the second pole is connected to the second electrically conducting region, and electrical leads electrically connecting the first solar cell in the series of solar cells to the first electrically conducting region and electrical leads electrically connecting the last solar cell the series of solar cells to the second electrically conducting region. 10. A photovoltaic module comprising: a first substrate sheet, a backing sheet, a solar cell or a plurality of solar cells, each positioned between the substrate and the backing sheet, and at least one electronic device that provides the module with an enhanced function or enhanced operating capability. 11. The photovoltaic module of Claim 10 wherein the electronic device is an electronic device selected from one or more of a memory chip, an anti-theft chip, an RF ID chip, a DC to AC converter, a battery, and a DC to DC converter. 12. The photovoltaic module of Claim 10*wherein the electronic device is positioned between the substrate and the backing sheet. 13. A process for making a photovoltaic module comprising sealing between a first substrate sheet and a backing sheet at least one solar cell and at least one thin, electrically conducting board, and wherein the board optionally contains mounted thereon at least one electronic device that provides the photovoltaic module with an enhanced function or an enhanced operating capability. 14. The process of Claim 13 wherein the electronic device is one or more of a memory chip, an anti-theft chip, an RF ID chip, a DC to AC converter, a battery, a DC to DC converter. t'5. Λ process* fbr making a photovoltaic module comprising sealing between a first substrate sheet and a backing sheet at least one solar cell and at least one device that provides the photovoltaic module with an enhanced function or an enhanced operating capability. 16. The process of Claim 15 wherein the device is one or more of a memory chip, an anti-theft chip, an RF ID chip, a DC to AC converter, a battery, a DC to DC converter. 17. A process for making a photovoltaic module comprising sealing between a first substrate sheet and a backing sheet at least one solar cell and at least one thin, electrically conducting board, and wherein the board contains mounted thereon at least one by-pass diode. 18. A photovoltaic device comprising at least one solar cell and at least one electronic device wherein the electronic device provides the photovoltaic device with an enhanced function or enhanced operating capability. 19. The photovoltaic device of Claim 18 wherein the electronic device is one or more of a memory chip, an anti-theft chip, an RF ID chip, a DC to AC converter, a battery, a DC to DC converter.

「特表2007-533142およびWO2005101511より引用」

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電気デバイスを備えた太陽電池モジュール

【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【0001】
本発明は、太陽電池モジュール及びその製造方法に関する。より特定すると、本発明は、薄い導電性の基板がモジュール内に含まれているソーラーセルを含んでいる太陽電池モジュールに関する。本発明はまた、モジュールがソーラーセルに加えてモジュールを形成している基板シートと裏打ちシートとの間に配置された1以上の電子デバイスを含んでおり、前記電子デバイスが1以上の高い機能又は作動能力を備えたモジュールを提供している太陽電池モジュールに関する。
【背景技術】
【0002】
太陽電池モジュールは、光エネルギ特に太陽エネルギを電気エネルギに変換する。光電的に発生される電気エネルギは、バッテリによって発生される電気又は固定電力グリッドから得られる電気と同じ目的のために使用することができるが、これらと異なり再生可能な形態の電気エネルギである。一つのタイプの光電装置は、太陽電池モジュールとして知られており又はソーラーモジュールとも称される。これらのモジュールは、透明ガラス又は透明高分子材料のシートのような基材シートと、高分子材料、金属シート又は別のガラスシートのような裏打ちシートとの間に配置された1つの又はより典型的且つ好ましくは複数の太陽電池又はソーラーセルを含んでいる。ソーラーセルは、シリコン若しくはその他の適当な半導体材料によって作ることができ又は光電デバイスを製造する当業者に知られている種々のプロセス及び方法によって典型的には基材又は裏打ちシート上に蒸着された薄膜タイプのセルとすることができる。1以上の一般的なタイプの太陽電池モジュールは、シリコンウェーハによって作られている複数の個々のソーラーセルを含んでいる。このような個々のソーラーセルは、典型的には、単結晶又は多結晶のシリコンウェーハによって作られ、典型的には、多数のこのような個々のセルが所望の配列で電気的に接続されて、太陽に曝されると所望の電気出力を有するモジュールが達成される。
【0003】
太陽電池モジュール製造技術における当業者は、このようなモジュールの効率及び寿命を改良することを継続して試みつつあり、太陽電池モジュールの製造コストを低減することを継続的に試みている。太陽電池モジュールは、それらの性質上、太陽に曝されることを必要とするので、これらは、建物の壁若しくは屋根のような構造物の外側に設けられるか、さもなければ、ビル若しくはその他の構造物内に組み込まれて太陽光に曝されるようにする必要がある。従って、太陽電池モジュールは、これらが取り付けられるか若しくはその一部分をなすビル又はその他の構造物の外観の一部を形成する。従って、太陽電池モジュールが美観を誘うようにする必要がある。太陽電池モジュールの製造コストを低減し且つ効率を高める進歩がなされつつあるけれども、それにもかかわらず、太陽電池モジュールの購入及び設置は、通常は重大な設備投資を含んでいる。取り付けられた太陽電池モジュールは、値段が高いことから盗難を受け易い。モジュール自体のコストとモジュールを交換する交換作業のコストとを含む交換コストは典型的には高い。また、太陽電池モジュールを交換するコストにより、これらのモジュールは、初期破損に耐えるように製造されなければならない。
【0004】
後に行われる回収のために又は中央処理部分へデータを送るためにモジュールの性能を自動的に記録する機能又は盗難の場合のようにモジュールが適正な許可無しで設備から取り外された場合にモジュールが作動しないようにする機能のような1以上の高い機能を有する太陽電池モジュールはまた、モジュールのユーザーにとっても望ましい。
【0005】
従って、当該技術においては、製造が容易な太陽電池モジュールが必要とされている。当該技術においては、破損及び盗難から保護される太陽電池モジュールが必要とされている。当該技術においては、これらの及びその他の特徴を提供することができ且つ美観を誘う太陽電池モジュールが必要とされる。本発明は、このような太陽電池モジュールを提供する。
【発明の概要】
【0006】
本発明は、第一の基材と、裏打ちシートと、前記基材と前記裏打ちシートとの間に配置されている1つの又は複数のソーラーセルと、前記基材と前記裏打ちシートとの間に配置されている少なくとも1つの薄い導電性の基板とを含んでいる太陽電池モジュールである。
【0007】
本発明はまた、第一の基板と、裏打ちシートと、前記基板と前記裏打ちシートとの間に配置されている1つの又は複数のソーラーセルと、高い機能又は作動能力をモジュールに付与する少なくとも1つのデバイス好ましくは電子デバイスとを含んでいる太陽電池モジュールでもある。高い機能を付与する電子デバイスは、基板と裏打ちシートとの間に配置され且つモジュール内にシールされるのが好ましい。
【0008】
本発明はまた、このような太陽電池モジュールを製造する方法にも関する。本発明の太陽電池モジュールは、太陽光を電気エネルギに変換するのに有用である。
【好ましい実施形態の説明】
【0009】
一つの特徴においては、本発明は、モジュール内に含まれている薄い導電性の基板を含んでいる太陽電池モジュール及びこのようなモジュールを製造するための方法である。本発明はまた、薄い導電性の基板と、1以上の高い機能又は高い作動能力を付与する当該モジュール内に含まれている1以上の電子デバイスとを含んでいる太陽電池モジュールでもある。
【0010】
以下、本発明を、複数の独立したシリコンウェーハ型のソーラーセルと、モジュール内の1以上のセルが太陽光に曝されないように遮光されているときにモジュールを損傷しないように保護する1以上のバイパスダイオードとを含んでいる太陽電池モジュールからなる本発明の実施形態に関して詳細に説明する。しかしながら、本発明のモジュールは、1以上のソーラーセルが基材シート又は裏打ちシート上に形成されている薄膜太陽電池モジュールのような如何なるタイプの太陽電池モジュールともすることができる。
【0011】
太陽電池モジュールから電気エネルギを発生するための用途の大部分においては、複数の太陽電池モジュールは、アレイ状又は集合物状に配列され且つ屋根又はその他の構造物上に配置される。このようなアレイにおいては、複数の太陽電池モジュールは、アレイから所望の電圧を達成するために直列に接続される。各太陽電池モジュール内では、個々のソーラーセルの多数典型的には全てが通常は直列に接続される。例えば、各モジュールは、1乃至100個以上の個々のソーラーセルを含んでいても良い。従って、このような配列においては、アレイ内の各ソーラーセルは、多数の他のソーラーセルと直列であり、各セルは、アレイが太陽光に曝されると電流を発生する。このような配列においては、モジュール内の1以上のセルが遮光されるようになるかも知れない。例えば、近くの木からの吹き飛ばされた葉又は枝のような破片が、モジュール上に付着して1以上のソーラーセルを太陽への露呈から遮光し得る。氷又は雪もまたこのような遮光を惹き起こし得る。幾つかの例においては、鳥又はその他の動物がモジュール上に乗って1以上のソーラーセルにこのような遮光を生じさせる。一つのモジュールにおいて個々のセルがこのように遮光されると、これは逆バイアス状態となり得る。遮光の破片又はその他の原因が取り除かれない場合には、逆バイアスされたセルは、一般的には過熱し、このようなセル及び内部にセルが設けられたモジュールは、損傷され又はおそらくは破壊され得る。
【0012】
しかしながら、当該技術分野においては、このような遮光及びその潜在的に突発し得る結果をもたらす比較的一般的な現象を処理する適切な予防的な方法を開発して来た。このような予防方法においては、モジュールは、1以上のバイパスダイオードが設けられている。バイパス又は迂回ダイオードは、直列に接続されたソーラーセルの列を横切って且つこれらと並列に接続することができる。遮光が無く且つ全てのソーラーセルが太陽エネルギを電流に変換しつつあるときには、バイパスダイオードは逆バイアス状態にある。回路内のいずれかのセル内を流れる電流の流れが実質的に減じられると、遮光によって逆バイアス状態となったときと同様に、並列に接続されたバイパスダイオードは順方向にバイアスされるようになる。そのようになされなければ、遮光されたソーラーセル及びその内部のモジュールを損傷させるか又は破壊する電流が順方向にバイアスされたバイパスダイオード内及び遮光されたセルを含む回路内を流れる。遮光が取り除かれ、遮光されていたソーラーセルが適正な量の電流を発生し始め且つ再び順方向にバイアスされると、バイパスダイオードは逆方向にバイアスされた状態へと戻る。このようにして、バイパスダイオードは遮光されたソーラーセルを損傷又は破壊から保護する。
【0013】
従来の太陽電池モジュールにおいては、このようなバイパスダイオードは、濾波され且つモジュールの裏面一般的にはソーラーセルの裏側に対して嵌合されるか或いはシールされ、銅金属加熱延展プレートを含み且つより大きな接続箱内に配置された端子ボックスに取り付けられていた。最近では、バイパスダイオードは、ソーラーセルと同じ厚みを有するショットキーダイオードを使用することによってモジュール内にサンドイッチされて来ている。
【0014】
本発明の太陽電池モジュールの実施形態のうちの一つにおいては、1以上好ましくは全てがショットキーダイオードであるのが好ましい1以上のバイパスダイオード例えば1乃至約6個又は約8個又は約10個のダイオードが薄い導電性の基板に取り付けられ又は装填され、ダイオードが取り付けられた基板はモジュールの第一の基材シートと裏打ちシートとの間にサンドイッチされている。このような基板は、モジュール内で使用されるソーラーセルの厚みにほぼ等しいか又はそれ以上であるのが適切である。例えば、厚みは約0.1乃至約2ミリメートル、より好ましくは約0.2乃至約1ミリメートルとすることができる。例えば、厚みは約0.5ミリメートルとすることができる。基板は、例えば銅、錫、アルミニウム、銀又は金のような1以上の導電性金属のような導電性材料によって作ることができ、基板は、樹脂又は高分子材料のような適切な好ましくは誘電性の基板材料に、上記した金属のうちの1以上の導電性金属の膜を接着することによって作られるラミネートである。高分子材料は、例えば、ガラス繊維強化エポキシ樹脂とすることができる。このような金属膜は、約0.05ミリメートル乃至約0.25ミリメートルの厚みとすることができる。本発明のモジュールにおいて有用な好ましい薄い導電性基板は、典型的にはプリント回路すなわち所謂PC基板を製造するために使用されるタイプの基板である。
【0015】
薄い導電性の基板は、どのような適切な寸法とすることもできる。しかしながら、好ましい薄い導電性基板の長さは、モジュールの第一の基材シートと裏打ちシートとの間に容易に配置することができるように、ほぼモジュールの幅又は長さであるのが好ましい。これは如何なる適当な幅とすることもできる。従って、この薄い導電性の基板は、長さが約500乃至約2000ミリメートル、例えば約750乃至約1500ミリメートルとすることができる。この薄い導電性基板は、約10乃至約50ミリメートルの幅、例えば約25ミリメートルの幅とすることができる。
【0016】
各基板が同じか又は異なっている1以上のこのような基板をモジュール内に設けることができる。これらの基板は、モジュール内のどこにでも配置することができる。しかしながら、これらは、モジュールの側部に沿って又は端部に沿って配置され且つモジュールの端縁に隣接又は近接しているのが好ましい。
【0017】
導電性基板は、例えば2乃至10個の別個の導電性領域を基板上に備えることができる。このような領域は、ストリップ形状とすることができる。基板が導電性金属膜が非導電性ポリマー又は樹脂のような適切な非導電性基板上にラミネートされているタイプである場合には、金属膜は、1以上例えば2乃至数十個の非度導電性基板上のストリップのような導電性領域の形態とすることができる。このようにして、この薄い導電性の基板は、以下においてより詳細に説明するように、所望の電気回路の形態で使用することができる。
【0018】
薄い導電性基板は、上記したように、1以上の適切なバイパスダイオードを取り付けるために使用することができる。例えば、これは、薄いショットキー型のバイパスダイオードを取り付けるために使用することができる。以下に説明するように、このような基板は、他のデバイス好ましくは他の電子デバイスを取り付けるために使用することができる。この基板はまた、シリアルナンバー、製品番号、アドレス、モジュール性能情報、バーコード等又は異なる情報のような情報によって標識するか、さもなければ含むこともできる。これはまた、会社のロゴ又はその他のデザインのような表示によって標識するか又はさもなければ含むことができる。従って、導電性基板として機能することに加えて、本発明の太陽電池モジュール内の薄い導電性の基板は、情報及びデザインを表示するための媒体として機能する。上記したようにモジュール内に取り付けられたときには、このような情報又はデザインは第一の基材シートを通して見られる。
【0019】
この薄い導電性基板は、第一の基材プレートを介して見ることが出来るモジュール内の美観を誘うストリップ又は紋章を形成するようなものとすることができ且つそのような材料によって製造され且つ太陽電池モジュール内に装備されるのが好ましい。このようなストリップ又は紋章は、上記したようなロゴ又はその他のデザインをその表面上に有するときに特に美観を誘う。
【0020】
以下、本発明のこの特徴を、本発明のある種の実施形態を示している図面を参照して説明するが、これは、決して本発明の範囲を限定することを意味していない。
図1は、本発明の太陽電池モジュール1の一つの実施形態を示している。図1の太陽電池モジュールは、ガラスその他の適切な透明材料によって作られるのが好ましい第一の基材シート5と裏打ちシート10とを備えている。裏打ちシートは、第一の基材シート5と共に防水及び防湿のシールを形成するために使用することができるのが好ましい適切な材料のような1以上の高分子材料によっても作ることができる。例えば、裏打ちシート10は、ガラスによって作ることができ又はポリエステル材料のような1以上の高分子材料によって作ることができる。第一の基材シート5と裏打ちシート10との間には、電気的に直列に接続された複数のソーラーセル20がサンドイッチされている。第一の基材シート5と裏打ちシート10との間にはまた、ソーラーセルが間にシールされた状態で第一の基材シートを裏打ちシートにシールするエチレンビニルアセテート(EVA)又はその他の適切なシール材が設けられている。明確化のために、図1においては、符号20によって一つのソーラーセルのみが示されている。これらのソーラーセルは、多結晶又は単結晶のシリコンウェーハによって作られたセルのようなあらゆるタイプのソーラーセルとすることができる。図面に示されているように、各セルはグリッド型の前方電気接点25を備えている。(明確化のために、図面内で1つのグリッド型接点のみに符号が付されている。)太陽光は、第一の基材シート5を介して入射し且つソーラーセル20の前面を照射する。ソーラーセル20は、線30によって電気的に直列に接続されている。線30は、ソーラーセル20の後面(図示されていないソーラーセルの裏側の面)の後方接点及びソーラーセル20の前面の半田付け箇所35に取り付けられて直列接続のセルを形成している。(明確化のために、一組の線30及びソーラーセルの前面の一組の半田付け接点35のみが図面内で符号が付されている。)線は、適切な平らで錫メッキした銅製のリード線、電線又はその他の適切な導電体である。モジュール1はまた、厚みが約0.5ミリメートルで、幅が約25ミリメートルで、長さが約560ミリメートルであり、樹脂若しくは高分子材料によって作られ、42,43,44で示された3つの導電性部分又はストリップ内に(約0.15ミリメートルの厚みの)銅金属からなる薄い層の上にラミネートされている薄い導電性基板40をも含んでいる。従って、区分又はストリップ42,43及び44は、3つの異なる互いに接続されていない導電体を形成している。これら3つの区分又はストリップ間の隙間は、約1乃至約2ミリメートルとすることができる。区分43と44との間及び区分42と44との間には、バイパスダイオード50が配置されている。図面に示されているように、このダイオードの一つの端子は一つのストリップに電気的に接続されており、他方の端子は他のストリップに電気的に接続されている。電気的な接続を形成するためにはんだを使用することができる。好ましくは、このようなダイオードは薄い外形を有している。これらは、ソーラーセルの厚みよりも厚くないのが好ましい。これらは、ショットキー型のダイオードであるのが好ましい。例えば、これらは、タイプSBM1040(10アンペア順方向電流及び40ボルトのピーク逆電圧)とすることができる。区分42,43の各々は、はんだ付け箇所60を備えており、このはんだ付け箇所は、モジュールを、アレイ又はその他の装置又は太陽電池モジュールによって発生される電気エネルギを使用する電気デバイスに接続するために使用することができる。典型的には、このようなはんだ付け箇所に接続された電線又はリード線は、裏打ちシート10内の穴を介してモジュールの背面から突き出る。裏打ちシート上のこのような穴をシールするために適当な注封材を使用することができる。電気リード線31は、図面に示されているように、直列に接続されたソーラーセルをストリップ42及び43に接続する。
【0021】
図1に示されているように、バイパスダイオードは、導電基板40の区分42及び44並びに区分43及び44に電気的に接続されている。これらのダイオードは、ソーラーセル回路内のソーラーセルが全てそれらの順方向バイアス状態で通常の状態で機能して太陽放射線から電流を発生しているときに、逆バイアス状態にあるのが通常である。しかしながら、例えば遮光によりソーラーセル回路内のソーラーセルのうちの1以上が逆バイアス状態となると、バイパスダイオードは順方向バイアス状態となり且つソーラーセルによって形成された回路に並列である導電回路を形成するであろう。

順方向バイアスされたバイパスダイオードを含んでいる回路は、それがなければ太陽電池モジュール内の電気的に接続されたソーラーセル回路内を通過する電流がソーラーセル回路をバイパスするようにさせ且つ遮光された逆バイアスソーラーセルへの損傷を防止するであろう。このような遮光が取り除かれると、影響を受けたセルは、その順バイアス状態へと回復し、モジュールは再び電気エネルギ発生器として機能するであろう。
【0022】
図2は、薄い導電性の基板40をより詳細に示している。図2は薄い導電性基板40の平面図であり、一方、図3は側面図である。図1に示された薄い導電基板40の構成部品は、図2及び3におけるものと同じ番号が付されている。図2は、導電区分42,43及び44間の空隙又は空間46を更に詳細に示している。図3は、導電性ストリップ42,43及び44が樹脂又は高分子基板上にラミネートされた薄い(すなわち薄いゲージの)金属ストリップである形態を更に詳細に示している。図2はまた、バイパスダイオード50をも更に詳細に示している。図2に示されているように、バイパスダイオード50は、各組が2つのダイオードを備えているダイオードの2つの組とすることができる。ダイオード50aは、導電区分44及び43に電気的に接続されており、一方、ダイオード50bは、導電区分42及び44に電気的に接続されている。ダイオードから導電基板への電気的な接続は、はんだ付け箇所55によって行うことができる。(明確化のために、はんだ付け箇所55の一つの組のみに図2において符号が付されている。)
図3に示されているように、導電性基板40は、ダイオード50及びはんだ付け箇所60が取り付けられた状態でさえ低いすなわち薄い外形を有している。上記したように、ダイオードを含んでいる基板の全体の厚みは、モジュール内で使用されているソーラーセルの厚み以下であるのが好ましい。例えば、基板及び基板に取り付けられたダイオードの全体の厚みは、約0.5乃至約2.0ミリメートルとすることができる。
【0023】
同じく図2に示されているように、薄い導電性基板40は、印刷され、けがかれ、エッチングされ又は符号が付されても良いし、さもなければロゴ70、バーコード75又はシリアルナンバー80がその上に形成されても良い。ロゴ、バーコード及びシリアルナンバーのみが図2に例示されているけれども、上記したように、本発明の薄い導電性基板には、如何なるデザイン、文字入れ、番号付け又はその他の表示が付着するか又は形成することができる。従って、薄い導電性基板は、本発明の太陽電池モジュールの美観を誘う部分及び機能部分の両方である。これは1以上のバイパスダイオードのような電気デバイスを取り付ける取り付け構造として機能することができ且つロゴ、デザイン又はその他の情報を表示するための媒体として機能することができる。更に、本発明の導電性基板は、モジュール内のソーラーセルと同じ薄さとするか又はより薄くすることができるので、モジュール全体の厚みに影響しない。この基板はモジュール内にラミネートされているので、天候要素、湿気又は損傷源から保護される。基板はモジュール内にラミネートすることができるので、これは、モジュールの背面上に美観を損なう膨らみを形成しない。本発明の導電性基板はまた、ダイオードによって発生される熱を分散させ或いは消散させるようにも機能する。
【0024】
上記したように、電気を導く能力により、特に、モジュールの幅又は長さの大部分又は全てを横切って基板が伸長している場合には、これは、モジュール内のソーラーセルに対する電気的接続を形成するためのブスバーとして使用することができる。図1に示されているように、ソーラーセル回路からの電線又はリード線31は、導電性基板に接続されている。モジュール内でのこのような基板の使用はまた、モジュール内で個々のソーラーセルを整合させる一般的な方法を提供する。
【0025】
図1は、導電性ストリップ42,43及び44、はんだ付け箇所60並びに太陽電池モジュールの受光面に対向しているバイパスダイオードを有する側部を備えた薄い導電性基板を示しているけれども、基板がこのような形態でモジュール内に配置される必要はないことは理解されるべきである。この基板は、このような側部が他の方法で対向できるようにモジュール内に配置することができる。このような配置においては、ロゴ、デザイン例えばシリアルナンバー、製品情報、バーコード等のような特定の情報等は、導電ストリップ42,43及び44、はんだ付け箇所60並びにバイパスダイオード50を備えている基板側部と反対側の側部に付加され、従って、このような情報は透明な第一の基板シート5を通して見ることができる。図1には示されていないけれども、太陽電池モジュールはまた、モジュールを包囲しているか又は部分的に包囲しているフレームを備えることもできる。このようなフレームは、所望の場合にはモジュールに取り付けるために使用することができる。
【0026】
以上、本発明の一つの特徴を、太陽電池モジュールのための1以上のバイパスダイオードを支持し且つ電気的に接続するための導電性基板の使用に関して詳細に説明したけれども、本発明の太陽電池モジュールの別の特徴においては、このようなモジュールは、このような導電性の基板を備えた状態又は備えていない状態で、高い機能又は高い作動能力を備えた太陽電池モジュールを提供する1以上の他のデバイス好ましくは1以上の電子チップ又は電子デバイスを含むことができる。例えば、当該モジュールは、太陽電池モジュールの電圧を変化させるための電気出力コンバータ好ましくは固体デバイスすなわちモジュールの出力電圧を降圧させるか昇圧させるための所謂DC(直流)-DCコンバータ又は太陽電池モジュールからのDC電流をAC電流に変換するためのDC-AC(交流)コンバータを含むことができる。これらのコンバータ好ましくは特別に設計された集積回路(IC)モジュール又は特定用途向けIC(ASIC)を、太陽電池モジュールのDC集電ワイヤと例えばAC負荷との間に配置することができる。薄い導電性基板が太陽電池モジュールに含まれている場合には、このような電気出力コンバータは、薄い導電性基板上に物理的に配置させることができる。モジュールは、データキャリアチップ(RFIDチップ)を含むことができる。このようなチップは、他のデータに再分類する必要無くモジュールを容易に特定するために使用することができる。このようなチップは、製品の特定及び認証を可能にするテキサスインスツルメントのTag-it(登録商標)RI-I16-112A RFIDチップとするができることができる作動データ又はその他のデータを記憶するメモリーチップを含むことができる。これは、盗難防止チップを含むことができる。このような盗難防止デバイスは、モジュールが認証無しでその一部分である電気回路から切り離されたときに作動せしめられる電子チップとすることができ、その結果、チップは、それが切り離されるとモジュールによって発生される電流を停止させるであろう。このようなデバイスは、モジュールの盗難を遅らせるであろう。モジュールの電圧又は電流を変化させるための出力コンバータのような高い機能又は高い作動能力を備えた太陽電池モジュール、メモリーチップ、RFIDチップを提供するデバイスを、例えばモジュールがこのような導電性基板を備えている場合には、ここに記載された導電性基板上に取り付けることができる。このようなデバイスの1以上はまた、好ましくは基材シートと裏打ちシートとの間の位置においてモジュール上又はモジュール内に取り付けることもできる。作動が必要とされている場合には、このようなデバイスは、太陽電池モジュールの電気出力に電気的に接続することができる。当該モジュールは、第一の基材シートと裏打ちシート又はモジュールの外側との間に配置されたバッテリを含むことができ、この場合、バッテリは、電気的デバイス又はチップの1以上に接続することができ、その結果、太陽電池モジュールが電流を発生していないときに作動せしめられたままとすることができ、或いはバッテリは、太陽電池モジュールの電気出力に電気的に接続されることによって充電状態に維持することができる。
【0027】
図4及び5は、本発明の範囲を制限することを意図していないけれども本発明の付加的な実施形態を示している。
図4は、本発明の導電性基板が如何にして太陽電池モジュールの電気出力を変える出力コンバータを取り付けるために使用することができるかを示している。図4は、薄い導電性基板40上に配置されている出力コンバータ(例えば、DC-DCコンバータ又はDC-ACコンバータとすることができる)62を備えている以外は図2に示されているものと同じ薄い導電性基板を示している。図2及び4においては、同じ番号を付されている部材は同じ部材である。図4に示されているように、出力コンバータ62は、電気出力はんだ付け箇所65を備えている。出力コンバータ62は、基板40上のはんだ付け箇所60がコンバータ62の電気的入力に電気的に接続されるように薄い導電性基板40上に配置されている。このような接続はこの図面に示されていない。従って、箇所60における太陽電池モジュールの電気出力は出力コンバータ62内へ入り、出力コンバータ62は、所望の形態で太陽電池モジュールの電気出力を変化させ、変化せしめられた電気出力は出力はんだ付け箇所65において利用可能である。
【0028】
図5は、図4に示されている薄い導電性基板の側面図である。図4に示されている薄い導電性基板の構成要素は、図5におけるものと同じ番号が付されている。図5に示されているように、電気出力コンバータ62は、例えば、膨らみを形成することなく、太陽電池モジュールの基板シートと裏打ちシートとの間に嵌合できるように薄い外形を有するのが好ましい。電気出力コンバータばかりでなく本発明による高い機能又は高い作動能力を有する太陽電池モジュールを提供する他のデバイスも、モジュール内のソーラーセルと同じ程度に薄いか又は更に薄いのが好ましい。例えば、約2ミリメートル未満の厚みである。デバイスが本発明による薄い導電性基板上に取り付けられている場合には、基板及びデバイスの厚みは、モジュール内のソーラーセルと同じ程度の厚みか又はそれより薄いのが好ましい。
【0029】
図4及び5に示されている薄い導電性基板は図1に示されている太陽電池モジュール内に取り付けることができる。しかしながら、ここに記載されているように、高い機能又は高い作動能力を提供するデバイスを備えている本発明の太陽電池モジュールは、薄い導電性基板を備えている必要はない。このデバイスは、モジュール上好ましくは基材シートと裏打ちシートとの間に適切に取り付けることができ、必要ならば所望の高い機能又は作動能力を提供するためにソーラーセル回路に電気的に接続することができる。このような接続は、適切な電線又はその他の導電体によって行うことができる。
【0030】
図4及び5は、モジュールの電気的出力を変化させるためのデバイスを示しているけれども、ここに記載されているデバイスのうちの1以上のような1以上の付加的なデバイス又は1以上の異なるデバイスを、薄い導電性基板上又は幾つかの他の形態においては当業者にとって容易に明らかであるデバイスの所望の目的を達成するために、太陽電池上又は好ましくは太陽電池内に取り付けることができる。ここで使用されている“高い機能又は高い作動能力を備えた太陽電池モジュールを提供するデバイス”というここで使用されている用語又は同様に使用されている用語は、バイパスダイオードは含まない。
【0031】
以上、本発明をシリコンウェーハによって作られているソーラーセルを含んでいる太陽電池モジュールに関して説明したけれども、本発明はこのようなソーラーセルに限定されないことは理解されるべきである。ソーラーセルは、如何なるタイプとすることもできる。例えば、これらは薄膜アモルファスシリコンセル又はCdS/CdTeセルのような薄膜タイプのソーラーセルとすることができる。例えば、本発明において使用することができるアモルファスシリコンセルを形成するための方法は、米国特許4064,521号、第4,292,092号、英国特許出願第9916531.8(2000年2月9日、公開第233963号)(これら全てが本明細書に参考として組み込まれている)に記載されている。
【0032】
高い機能又は高い作動能力を有する太陽電池モジュールを提供する1以上のデバイスの使用方法を、1以上のソーラーセルを含んでいる太陽電池モジュールに関して説明した。太陽電池モジュールは、基材シート及び裏打ちシートを備えているものとして説明した。しかしながら、本発明は、この特別なタイプの光電デバイスに限定されない。本発明は、高い機能又は高い作動能力を備えている光電デバイスを提供する上記したような1以上のデバイスを備えている光電デバイスを含むことが理解されるべきである。例えば、本発明はまた、少なくとも1つのソーラーセル及び少なくとも1つのデバイス好ましくは電子デバイスが高い機能又は高い作動能力を有する光電デバイスを含んでいる光電デバイスでもある。
【0033】
本発明はまた、第一の基材シートと裏打ちシートとの間のシール、少なくとも1つのソーラーセル好ましくは電気的に接続された複数のソーラーセル、例えばバイパスダイオードのような少なくとも1つの電子デバイス又は上記した高い機能若しくは高い作動能力を備えた太陽電池モジュールを提供する電気デバイスを含んでいる太陽電池モジュールを作るプロセスでもあり、このプロセスにおいて、基板はその上に取り付けられた電子デバイスを任意に含んでいる。このプロセスは、ソーラーセル、高い機能又は高い作動能力を提供する電子デバイス、及び任意の導電性基板を、基材シートと裏打ちシートとの間にシールすることを含んでいる。シーラントは、エチレンビニルアセテートのシートのような1以上の高分子材料であるのが好ましい。シール過程中に、シーラント材は、軟化し又は溶融する温度まで加熱することができ、次いで、基材シートと裏打ちシートとの間の良好なシールを形成することができる。典型的な過程においては、基材シート、ソーラーセル、高い機能デバイス及び任意に導電性基板がシート間に配置されているシーラント材のシートとサンドイッチ型の配置に配列されており、サンドイッチ構造全体は、形成され得る空気泡を除去するために適切な真空下で相互にサンドイッチを加熱し且つプレスする装置内に配置される。
【0034】
本発明のある種の実施形態のみがここに記載されていることは理解されるべきである。代替的な実施形態及び種々の変形例が、上記の説明から当業者に明らかであろう。これらの及びその他の代替例は、本発明の精神及び範囲と等価であり且つ本発明の範囲に含まれると考えられるべきである。
【0035】

公称125ワットの太陽電池モジュールを、直列に接続された36個の多結晶セル(各セルは、157ミリメートル×157ミリメートルの大きさである)と、ショットキー型バイパスダイオード、BPSolarロゴ及びバーコードラベルを備えたラミネートされた基板によって形成した。使用したPC基板は、少なくとも145℃の規格温度を有し且つ94V乃至0VのUL規格に適合するFR4材料によって作られたものであった。基板面及びモジュール内の全ての導電体はリード線を含んでいない。
【0036】
2004年4月9日に出願された米国特許出願50/560,958は、その全体が参考として本明細書に組み入れられている。

PHOTOVOLTAIC MODULE WITH AN ELECTRIC DEVICE

This application claims the benefit of U.S Provisional Patent Application 60/560,958 filed on April 9, 2004.

Field of the Invention

The present invention relates to photovoltaic modules and methods for their manufacture. More particularly, the present invention relates to photovoltaic modules containing solar cells wherein a thin, electrically conducting board is contained within the module. This invention also relates to a photovoltaic module wherein the module also contains, in addition to the solar cells, one or more electronic devices preferably positioned between a substrate sheet and backing sheet that form the module, and wherein the electronic device provides the module with one or more enhanced functions or operating capabilities.

Background of the Invention

Photovoltaic devices convert light energy, particularly solar energy, into electrical energy. Photovoltaically generated electrical energy can be used for all the same purposes of electricity generated by batteries or electricity obtained from established electrical power grids, but is a renewable form of electrical energy. One type of photovoltaic device is known as a photovoltaic module or also referred to as a solar module. These modules contain one or, more typically and preferably, a plurality of photovoltaic cells or solar cells positioned between a substrate sheet, such as a sheet of clear glass or clear polymeric material, and a backing sheet, such as a polymeric material, a sheet of metal or another sheet of glass. The solar cells can be made from wafers of silicon or other suitable semiconductor material, or they can be a thin film type of cell typically deposited on the substrate or backing sheet by the various processes and methods known to those of skill in the art of manufacturing photovoltaic devices. One of the more common types of photovoltaic modules contains a plurality of individual solar cells made from silicon wafers. Such individual solar cells are typically made of either monocrystalline or multi-crystalline silicon wafers and, typically, a number of such individual cells are electrically linked in a desired arrangement to achieve a module having a desired electrical output upon exposure to the sun. Thσδe^slilfid ifftfte-iarT df manufacturing photovoltaic modules are continually striving to improve the efficiency and durability of such modules, and they are continually striving to reduce the manufacturing costs of photovoltaic modules. Since photovoltaic modules by their nature need to be exposed to the sun, they are necessarily either on the outside of a structure, such as building wall or roof, or otherwise incorporated into a building or positioned on some other supporting structure so that they are exposed to sunlight. Photovoltaic modules therefore form part of the outward appearance of a building or other structure they are mounted on or made part of. Thus, there is a need to make photovoltaic modules aesthetically appealing. While progress is being made in reducing the manufacturing costs of and increasing the efficiency of photovoltaic modules, purchasing and installing photovoltaic modules nevertheless usually involves a significant capital investment. Due to their value, installed photovoltaic modules are susceptible to theft. Replacement costs, which include the cost of the module itself and the cost of the repair work to replace the module, are typically high. Also, due to the cost of replacing photovoltaic modules, they must be manufactured so they resist premature failure. Photovoltaic modules having one or more enhanced functions would also be desirable for the user of the module; such as a function that automatically records the performance of the module for later retrieval or for transmission of the data to central location for processing, or a function that prevents the module from being operated if the module is disconnected from service without proper authorization, such as from theft. The art therefore needs a photovoltaic module that is easily manufactured. The art needs a photovoltaic module that is protected from failure and from theft. The art needs photovoltaic modules having enhanced functions. The art needs a photovoltaic module that can provide these and other features and is aesthetically appealing. The present invention provides such photovoltaic modules. Summary of the Invention This invention is a photovoltaic module comprising a first substrate, a backing sheet, a solar cell or a plurality of solar cells, each solar cell positioned between the substrate and the backing sheet, and at least one thin electrically conducting board positioned between the substrate and the backing sheet. Thfe'inVfe'htfb'n is also a' photovoltaic module comprising a first substrate sheet, a backing sheet, a solar cell or a plurality of solar cells, each positioned between the substrate and the backing sheet, and at least one device, preferably an electronic device, that provides the module with an enhanced function or operating capability. Preferably the device that provides enhanced function is positioned between the substrate sheet and the backing sheet and sealed within the module. This invention is also a method for manufacturing such photovoltaic modules. The photovoltaic modules of this invention are useful for converting sunlight into electrical energy. Brief Description of the Figures Figure 1 is drawing of one embodiment of the photovoltaic module of this invention comprising a thin, electrically conducting board. Figure 2 is a plan view drawing of one embodiment of this invention of the thin, electrically conducting board. Figure 3 is side view drawing of the thin electrically conducting board in Figure 2. Figure 4 is a drawing of one embodiment of an electrically conducting board used in the photovoltaic modules of this invention having an enhanced function device included within the module. Figure 5 is a side view drawing of the electrically conducting board shown in Figure 4. Detailed Description of the Invention In one aspect, this invention is a photovoltaic module comprising a thin, electrically conducting board contained within the module and a process for manufacturing such a module. This invention is also a photovoltaic module comprising a thin, electrically conducting board and one or more electronic devices contained within the module that provides the photovoltaic module with one or more enhanced functions or enhanced operating capabilities. The invention will now be described in detail with respect to embodiments of the invention comprising a photovoltaic module comprising a plurality of individual silicon wafer-type solar cells and one or more by-pass diodes that protect the module from damage when one or more cells in the module are shaded from exposure to sunlight. However, it is to be understood that the modules of this invention can be ar?f tyj^β of pft?tovoitafciMduie11 such as a thin film photovoltaic module where one or more solar cells are formed on a substrate sheet or a backing sheet. In the majority of applications for generating electrical energy from photovoltaic modules, a plurality of photovoltaic modules are arranged in an array or collection and positioned on a roof or other structure. In such an array a plurality of photovoltaic modules are usually connected in a series arrangement to achieve a desired voltage from the array. Within each photovoltaic module a number of, and typically all of, the individual solar cells are also usually connected in series. For example, each module may contain 1 to more than 100 individual solar cells. Thus, in such arrangement, each solar cell in the array is in series with a large number of other solar cells, and each cell is generating electrical current when the array is exposed to sunlight. In such an arrangement, one or more of the cells in a module may become shaded. For example, blowing debris, such as leaves or branches from a nearby tree, can settle on a module shading one of more solar cells from exposure to the sun. Ice or snow can also cause such shading. In some instances, a bird or other animal can rest on the module causing such shading of one or more solar cells. When such individual cell in a module is so shaded, it can become reversed biased. If the debris or other cause of the shading is not removed, the reversed biased cell will generally overheat and such cell, and the module it is within, can be damaged or possibly destroyed. The art, however, has developed a suitable preventative method to deal with the relatively common event of such shading and its potentially catastrophic results. In such preventative method, the module is provided with one or more by-pass diodes. The by-pass or shunt diode can be connected across rows of series-connected solar cells and in parallel therewith. When there is no shading, and all solar cells are converting solar energy into electrical current, the by-pass diode is in a reversed biased state and the flow of electrical current is through the solar cell circuit. When current flow through any of the cells in the circuit is substantially reduced, such as when it becomes reversed biased due to shading, the parallel-connected, by-pass diode becomes forward biased and the current flow, which would otherwise damage or destroy the shaded solar cell and module it is within, is through the forward biased by-pass diode and around the circuit containing the shaded cell. When the shading is removed, and the solar cell or cells that were shaded begin to generate the proper aWolifitof e?ectπc current and are again forward biased, the by-pass diode returns to its reversed biased state. In such a manner the by-pass diode protects the shaded solar cell from damage or destruction. In prior photovoltaic modules, such by-pass diodes were either fitted and sealed onto the back of the module, generally behind the solar cells, and included a copper metal heat spreader plate, or were mounted on a terminal block located in a larger junction box. More recently, by-pass diodes have been sandwiched within a module by using Schottky diodes that have the same thickness as the solar cells. In one of the embodiments of the photovoltaic modules of this invention, one or more by-pass diodes, for example, 1 to about 6 or to about 8 or to about 10 diodes, preferably where one or more and preferably all are Schottky by-pass diodes, are attached to or mounted on a thin electrically conducting board, and the board having the diode or diodes mounted thereon is sandwiched between the first substrate sheet and the backing sheet of the module. Such board is suitably about, or less than about, the thickness of the solar cells used in the module. For example, it can be about 0.1 to about 2 millimeters in thickness or, more preferably, about 0.2 to about 1 millimeter in thickness. For example, it can be about 0.5 millimeters in thickness. Although the board can be made of any electrically conducting material such as, for example, one or more conducting metals such as copper, tin, aluminum, silver or gold, preferably the board is a laminate made by adhering a film of a conducting metal, such as one or more of the metals mentioned above, to a suitable, preferably dielectric, substrate material such a resin or polymeric material. The polymeric material can be, for example, an epoxy reinforced with fiberglass. Such metal film can be about 0.05 millimeters to about 0.25 millimeters thick. The preferred thin conducting board useful in the module of this invention is the type of board typically used to manufacture printed circuits, or so-called PC boards. The thin conducting board can be of any suitable dimension. However, the length of the preferred thin, electrically conducting board is preferably approximately about the width or length of the module it is placed within so that it can be easily placed between a first substrate sheet and the backing sheet of the module. It can be of any suitable width. Thus, the thin, electrically conducting board can be about 500 to about 2000 millimeters in length, for example, about 750 to about 1500 mil?tmeters in tengfh. The thin conducting boards can be about 10 to about 50 millimeters in width, for example about 25 millimeters in width. There can be one or more such boards in the module where each board is the same or different. They can be located anywhere within the module. Preferably, however, they are positioned within the module along the side or along the end of the module and preferably next to or near to the edge of the module. The conducting board can have one or more, for example, 2 to about 10, separate electrically conducting regions on the board. Such regions can be in the form of strips. If the board is of the type where a film of conducting metal is laminated onto a suitable non-conducting substrate, such as a non-conducting polymer or resin, the metal film can be in the form of one or more, for example, 2 to about 10, separate electrically conducting regions, such as strips, on the non¬ conducting substrate. In such a manner the thin conducting board can be used, as will be discussed in more detail below, in the form of a desired electrical circuit. The thin electrically conducting board can, as mentioned above, be used to mount one or more suitable by-pass diodes. For example, it can be used to mount thin, Schottky-type, by-pass diodes. As will be discussed below, such board can be used to mount other devices, preferably other electronic devices. The board can also be marked with or otherwise contain information such as serial numbers, product numbers, addresses, module performance information, bar codes and the like, or different information. It can also be marked with or otherwise contain indicia such as a company logo or other designs. Thus, in addition to functioning as an electrically conducting board, the thin, electrically conducting board in the photovoltaic modules of this invention serves as a medium for displaying information and designs. When mounted in the module as described hereinabove, such information or designs can be seen through the first substrate sheet. The thin electrically conducting board can be and preferably is manufactured of materials and installed in the photovoltaic module so that it forms an aesthetically appealing strip or banner in the module visible through the first substrate plate. Such strip or banner is particularly aesthetically appealing when it has on its surface the logo or other design as mentioned above. Thltf -afejJβef of-the*-invention will now be described with reference to the figures, which show certain embodiments of the invention but are not meant in any way to limit the scope thereof. Figure 1 shows one embodiment of the photovoltaic module 1 of this invention. The photovoltaic module in Figure 1 has a first substrate sheet 5 preferably made of glass or other suitable transparent material, and backing sheet 10. Backing sheet can be made of any suitable material that, preferably, can be used to form a waterproof and moisture proof seal with the first substrate sheet. For example, the backing sheet can be made of glass or it can be made of one or more polymeric materials such as a polyester material. The backing sheet can be made of Tedlar. Between first substrate sheet 5 and backing sheet 10 is sandwiched a plurality of solar cells 20 electrically connected in series. Between the first substrate sheet and the backing sheet is also a sheet of ethylene vinyl acetate (EVA) or other suitable sealing material that seals the first substrate sheet to the backing sheet with the solar cells sealed therebetween. For clarity, in Figure 1 , only one solar cell is designated by a number 20. These solar cells can be any type of solar cell such as cells made from multi-crystalline or mono-crystalline silicon wafers. Each cell, as shown in the figure, has a grid-type, front electrical contact 25. (For clarity, only one grid-type front contact is labeled in the figure.) Sunlight enters through first substrate sheet 5 and impinges on front side of solar cells 20. Cells 20 are electrically connected in series by wires 30. Wires 30 are attached to the back contact on the back side of solar cells 20 (back side of solar cells not shown) and to solder contact points 35 on front side of solar cells 20 to form the series connected cells. (For clarity, only one set of wires 30 and one set of solder contact points 35 on front side of solar cells are labeled in the figure.) The wires are suitably flat, tinned-copper leads, electrical wires or other suitable electrical conduits. Module 1 also comprises thin, electrically conducting board 40 about 0.5 millimeters thick, about 25 millimeters wide and about 560 millimeters long and made of a resin or polymeric material and having laminated thereon a thin layer of copper metal (about 0.15 millimeters thick) in three electrically conducting sections or strips shown as 42, 43 and 44. The sections or strips 42, 43 and 44 thus form three different and unconnected electrical conduits. Spacing between the three sections or strips can be about 1 to about 2 millimeters. Positioned between sections 43 and 44, and between sections 42 and 44, are by-pass diodes 56. One terminal of the diode is electrically connected to one strip and the other terminal of the diode is electrically connected to the other strip, as shown in the figure. Solder can be used to make the electrical connections. Preferably, such diodes have a thin profile. Preferably they are no greater in thickness than the thickness of the solar cells. Preferably they are Schottky-type diodes. For example, they can be type SBM 1040 (10 amp forward current and 40 volt peak inverse voltage.) Each of sections 42 and 43 have solder points 60 which can be used to connect the module to the array or other system or electrical device that uses the electrical energy generated by the photovoltaic module. Typically, electrical wires or leads connected to such solder points protrude out the back of the module through holes in backing sheet 10. A suitable potting material can be used to seal such holes on the backing sheet. Electrical leads 31 connect the series-connected solar cells to the strips 42 and 43 as shown in the figure. As shown in Figure 1 , the by-pass diodes are electrically connected to sections 42 and 44, and to sections 43 and 44 of the electrically conducting board 40. These diodes are normally in a reverse biased state when the solar cells in the solar cell circuit are all functioning normally in their forward biased state generating electrical current from solar radiation. However, if one or more of the solar cells in the solar cell circuit become reversed biased, for example, due to shading, the by-pass diodes will become forward biased and form an electrically conducting circuit that is in parallel to the circuit formed by the solar cells. The circuit comprising the forward biased by-pass diodes will allow the electrical current that would otherwise pass through the circuit of electrically-connected solar cells in the photovoltaic module to by-pass the solar cell circuit and prevent damage to the shaded, reverse biased solar cell or cells. When such shading is removed, the affected cell will revert to its forward biased state and the module will once again function as a generator of electrical energy. Figure 2 shows a thin conducting board 40 in more detail. Figure 2 is a plan view while Figure 3 is side view of thin conducting board 40. Components of thin conducting board 40 shown in Figure 1 are numbered the same in Figures 2 and 3. Figure 2 shows in more detail the gaps or space 46 between electrically conducting sections 42, 43 and 44. Figure 3 shows in more detail how the electrically conducting strips 42, 43 and 44 are thin (i.e., thin gauge) metal strips laminated on resin or pδfyπfef Board' 4;f. F%?re'2' also shows in more detail the by-pass diodes 50. As shown in Figure 2, by-pass diodes 50 can be two sets of diodes where each set has two diodes. Diodes 50a are electrically connected to electrically conducting sections 44 and 43, while diodes 50b are electrically connected to electrically conducting sections 42 and 44. Electrical connections from the diode to the electrically conducting board can be made by solder points 55. (For clarity, only one set of solder points 55 is labeled in Figure 2). As shown in Figure 3, electrically conducting board 40 has a low or thin side profile even with diodes 50 and solder points 60 attached. As stated above, the overall thickness of the board, including the diodes, is preferably no more than about the thickness of the . solar cells used in the module. For example, the overall thickness of the board and the diode attached thereto can be about 0.5 to about 2.0 millimeters in thickness. As also shown in Figure 2, thin, electrically conducting board 40 may have printed, scribed, etched, or labeled thereon, or otherwise deposited or formed thereon, a logo 70, bar code 75 or serial number 80. While only a logo, bar code and serial number is exemplified in Figure 2, it is to be understood, as set forth hereinabove, that the thin electrically conducting board of this invention can have any design, lettering, numbering or other indicia deposited or formed thereon. Thus, the thin, electrically conducting board is both an aesthetically appealing and functional part of the photovoltaic module of this invention. It can serve as a mounting structure to mount electrical devices such as one or more by-pass diodes, and it can serve as a medium for displaying logos, designs, or other information. Additionally, because* the electrically conducting board of this invention can be as thin as or thinner than the solar cells in the module, it does not contribute to the overall thickness of the module. Since it is laminated within the module it Js protected from weather elements, from moisture or other sources of damage. Because it can be laminated within the module, it does not create an unappealing bulge on the back of the module. In addition to serving as a substrate for the attachment of the by-pass diode, the electrically conducting board of this invention also serves to distribute and dissipate heat that is generated by the diode. As mentioned above, due to its ability to conduct electricity, and particularly where the board extends across most or all of the width or length of the module, it cJBTrf b? αsed'-as -aisOsToar to make electrical connections to the solar cells within the module. As shown in Figure 1 , the electrical wires or leads 31 from the solar cell circuit are connected to the electrical conducting board. The use of such a board in the module also provides for a convenient way to align the individual solar cells within the module. While Figure 1 shows the thin, electrically conducting board having the side with the electrically conducting strips 42, 43 and 44, the solder points 60, and by-pass diodes 50 facing the light receiving side of the photovoltaic module, it is to be understood that it is not necessary for the board to be placed in the module in this manner. The board can be placed within the module so that such side is facing the other way. In such an arrangement, the logo, design, indicia information such as, for example, serial numbers, product information, bar code, etc, would be added to the side opposite to the side of the board having the electrically conducting strips 42, 43 and 44, solder points 60 and by-pass diodes 50, so such information can be viewed through the transparent first substrate sheet 5. Although not shown in Figure 1, photovoltaic module 1 can also have a frame surrounding or partially surrounding the module. Such frame can be used to mount the module where desired. Although one aspect of this invention has been described above in detail with respect to the use of an electrically conducting board to support and electrically connect one or more by-pass diodes for the photovoltaic module, in another aspect of the photovoltaic modules of this invention such modules can contain, with or without such electrically conducting board, one or more other devices, preferably one * or more electronic chips or electronic devices other than a solar cell or by-pass diode that provides the photovoltaic modules with an enhanced function or enhanced operating capability. For example, the module can contain an electrical output converter, preferably a solid state device, to provide for altering the voltage of the photovoltaic module, i.e., a so-called direct current (DC) to DC converter for stepping up or stepping down the output voltage of the module or a DC to alternating current (AC) converter for converting the DC current from the photovoltaic module to AC current. These converters, preferably a specifically designed integrated circuit (IC) module or an Application Specific Integrated Circuit (ASIC), can be placed between the DC collecting wires of the photovoltaic module and, for example, an AC load. If a thin electrically conducting board is included with the photovoltaic module, such elefctrteal btitp?f -convener can be physically located on the thin electrical conducting board. The module can contain a radio frequency identification chip (RF ID chip). Such chip can be used to readily identify the module without having to resort to other data. Such chip can preferably be a Texas Instruments Tag-it^(TM) Rl-116-112A RF ID chip that allows product identification and authentication. The module can contain a memory chip that stores, for example, operating or other data that can be retrieved after a period of data accumulation. It can contain an anti-theft chip. Such anti-theft device can be an electronic chip that is activated when the module is, without authorization, disconnected from the electrical circuit it is part of, so that the chip will stop the electrical current that would otherwise be generated by the module. Such device will deter theft of the module. The devices that provide the photovoltaic module with an enhanced function or enhanced operating capability, such as the output converters for altering the voltage or current of the module, a memory chip, the RF ID chip, or the anti-theft chip can be mounted on the electrically conducting board as described herein if, for example, the module has such an electrically conducting board. One or more of such devices can also be mounted on or in the module, preferably in a location between the substrate sheet and backing sheet. If required for operation such device can be electrically connected to the electrical output of the photovoltaic module. The module can contain a battery, located between the first substrate sheet and the backing sheet or outside the module, where the battery can be connected to one or more of the electrical devices or chips so that they remain activated when the photovoltaic module is not generating electrical current and where the battery can be maintained in the charge-state by being electrically connected to the electrical output of the photovoltaic module. Figures 4 and 5 show additional embodiments of this invention but are not intended to limit the scope of the invention. Figure 4 shows how the electrically conducting board of this invention can be used to mount an output converter for altering the electrical output of the photovoltaic module. Figure 4 shows the same thin electrically conducting board as shown in Figure 2 except that Figure 4 has output converter (for example, it can be a DC to DC converter or a DC to AC converter) 62 positioned on the thin electrically conducting board 40. Elements that are numbered the same in Figures 2 and 4 are the same elements. As shown, in Figure 4, output converter 62 has electrical output solder P1Ms 66. Θhiφut converter '621Is placed on the thin electrically conduction board 40 such that solder points 60 on the board 40 are electrically connected to the electrical inputs of converter 62. Such connection is not shown in the figure. Thus, electrical output of the photovoltaic module at points 60 enters output converter 62, output converter 62 alters the electrical output of the photovoltaic module in the desired fashion, and the altered electrical output is available at output solder points 65. Figure 5 is a side view of the thin electrically conducting board shown in Figure 4. Components of the thin electrically conducting board shown in Figure 4 are numbered the same as in Figure 5. As shown in Figure 5, electrical output converter 62 preferably has a thin profile so it can fit between, for example, a substrate sheet and a backing sheet of a photovoltaic module without forming a bulge. Preferably the electrical output converter, as well as any other device that provides the photovoltaic module with an enhanced function or enhanced operating capability in accordance with this invention, is as thin as or thinner than the solar cells in the module. For example, less than about 2 millimeters in thickness. If the device is mounted on a thin conducting board in accordance with this invention, the thickness of the board and the devices is preferably as thin as or thinner than the solar cells in the module. The thin electrically conducting board shown in Figures 4 and 5 can be mounted within a photovoltaic module as shown in Figure 1. However, as described herein, the photovoltaic modules of this invention having a device that provides for enhanced function or enhanced operating capabilities does not have to have the thin electrically conducting board. The device can be suitably mounted on the module or, preferably, between the substrate and backing sheets and electrically connected, if necessary, to the solar cell circuit to provide for the desired enhanced function or operating capability. Such connections can be made by appropriate electrical wiring or other electrical conductors. Although Figures 4 and 5 show a device for altering the electrical output of the module, it is to be understood that one or more additional devices or one or more different devices, such as one or more of the devices described herein, can be so mounted on the thin electrically conducting board or mounted in some other fashion on or preferably within the photovoltaic module to achieve the desired purpose of the device as would be readily apparent to one of skill in the art. As used herein the term or similarly used term "device that provides the photovoltaic module with an effltariced1 function' of--βritfafic?d operating capability" does not include by-pass diodes. Although the invention has been described with respect to photovoltaic modules containing solar cells made from silicon wafers, it is to be understood that the invention is not limited to such solar cells. The solar cells can be of any type. For example, they can be thin film-type solar cells such as thin film amorphous silicon cells or CdS/CdTe cells. Such solar cells are known in the art and can be deposited onto a suitable substrate material such as glass or metal by known methods. For example, methods for forming amorphous silicon cells which can be used in this invention are set forth in U.S. Patent Nos. 4,064,521 and 4,292,092, UK Patent Application 9916531.8 (Publication No. 2339963, February 9, 2000) all of which are incorporated herein by reference. The use of one or more devices that provide the photovoltaic module with an enhanced function or enhanced operating capability has been described herein with respect to a photovoltaic module containing one or more solar cells. The photovoltaic module has been described as having a substrate sheet and a backing sheet. However, this invention is not limited to that specific type of photovoltaic device. It is to be understood that this invention includes any photovoltaic device that has one or more devices, such as the devices described herein, that provides the photovoltaic device with an enhanced function or enhanced operating capability. For example, this invention is also a photovoltaic device comprising at least one solar cell and at least one device, preferably an electronic device such as a chip or an electrical output converter, wherein the electronic device provides the photovoltaic device with an enhanced function or enhanced operating capability. This invention is also a process of making a photovoltaic module comprising sealing between a first substrate sheet and a backing sheet at least one solar cell and preferably a plurality of electrically connected solar cells, at least one electronic device such as, for example, a by-pass diode, or an electrical device that provides the photovoltaic module with an enhanced function or an enhanced operating capability as described herein above, and, optionally, and at least one thin, electrically conducting board, and wherein the board optionally contains mounted thereon the electronic device. The process preferably comprises sealing the solar cells, the electronic device that provides for the enhanced function or enhanced operating cap?birity and1, optionally, the electrically conducting board, between the substrate sheet and the backing sheet. The sealant is preferably one or more polymeric materials such as a sheet of ethylene vinyl acetate. During the sealing process, the sealant material can be heated to a temperature where it softens or melts and can then form a good seal between the substrate sheet and the backing sheet. In a typical procedure the substrate sheet, the solar cells, the enhanced function device and, optionally, the electrically conducting board, are arranged in a sandwich type of arrangement with a sheet of sealant material placed between the sheets and the entire sandwich arrangement is placed in an apparatus that heats and presses the sandwich together under a suitable vacuum to eliminate any air bubbles that may otherwise form. It is to be understood that only certain embodiments of the invention have been described and set forth herein. Alternative embodiments and various modifications will be apparent from the above description to those of skill in the art. These and other alternatives are considered equivalents and within the spirit and scope of the invention. Example A 125 Watt nominal photovoltaic module was made with 36 multi-crystalline cells (each cell measuring 157 millimeters x 157 millimeters) connected in series and a laminated board with 4 Schottky by-pass diodes, BP Solar logo and bar-code label. The PC board used was made of FR4 material with a temperature rating of at least 145°C and meeting UL rating 94V-0. The board surface and all conductors in the modules did not contain lead. U.S Provisional Patent Application 60/560,958 filed on April 9, 2004, is incorporated herein by reference in its entirety.

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[Claims] 太陽電池モジュールにおける太陽電池の相互接続

【特許請求の範囲】
【請求項1】
太陽電池モジュールであって、
第1の裏側接点式太陽電池と、
第2の裏側接点式太陽電池と、
前記第1の裏側接点式太陽電池の裏側を前記第2の裏側接点式太陽電池の裏側に電気的に接続する相互接続部と、
該相互接続部と前記第1及び第2の裏側接点式太陽電池との間に配置されたシールドであって、該相互接続部を視覚的に遮る材料からなる、シールドと
を含む、太陽電池モジュール。
【請求項2】
前記シールドがテープからなる、請求項1に記載の太陽電池モジュール。
【請求項3】
前記シールドが前記相互接続部と一体の被覆からなる、請求項1に記載の太陽電池モジュール。
【請求項4】
前記シールドが、前記第1及び第2の裏側接点式太陽電池の裏側を押圧すると共に該第1及び第2の裏側接点式太陽電池間の空隙を充填する三次元体からなる、請求項1に記載の太陽電池モジュール。
【請求項5】
前記相互接続部が、前記第1の裏側接点式太陽電池の裏側にある第1の接点を前記第2の裏側接点式太陽電池の裏側にある第1の接点に電気的に接続する相互接続材料の第1のストリップを含む、請求項1に記載の太陽電池モジュール。
【請求項6】
前記相互接続部が、複数の張力緩和機構を有する単一の連続的な相互接続部からなる、請求項1に記載の太陽電池モジュール。
【請求項7】
前記相互接続部が、その本体から延びて前記第1の裏側接点式太陽電池の裏側にある接点を前記第2の裏側接点式太陽電池の裏側にある対応する接点に電気的に接続する複数のタブを含み、請求項6に記載の太陽電池モジュール。
【請求項8】
前記第1及び第2の裏側接点式太陽電池の正面側に配置された第1の保護層を更に含み、該第1の保護層が、該第1及び第2の裏側接点式太陽電池の該正面側に太陽エネルギーが到達することを可能にするよう構成される、請求項1に記載の太陽電池モジュール。
【請求項9】
前記第1の保護層上の第2の保護層を更に含み、該第2の保護層が、環境要素からの保護を行うよう構成されると共に、前記第1及び第2の裏側接点式太陽電池に太陽エネルギーが到達することを可能にする、請求項8に記載の太陽電池モジュール。
【請求項10】
前記相互接続部上に配置された第3の保護層を更に含む、請求項9に記載の太陽電池モジュール。
【請求項11】
前記第1及び第3の保護層がポリエチルビニルアセテート(EVA)からなり、前記第2の保護層がガラスからなる、請求項10に記載の太陽電池モジュール。
【請求項12】
前記第3の保護層のうち前記相互接続部から離れる側にバックシートを更に含む、請求項10に記載の太陽電池モジュール。
【請求項13】
太陽電池モジュールであって、
第1の太陽電池と、
第2の太陽電池と、
前記第1の太陽電池の裏側を前記第2の太陽電池の裏側に電気的に接続する相互接続アセンブリであって、相互接続部及び相互接続部シールドを含み、該相互接続部シールドが、前記第1及び第2の太陽電池の正面側から見た際に前記相互接続部が見えないよう遮るように構成されている、相互接続アセンブリと
を含む、太陽電池モジュール。
【請求項14】
前記相互接続部が、前記第1及び第2の太陽電池の裏側にある接点に接触させるための複数のタブを有する単一の連続的な導電性材料片からなる、請求項13に記載の太陽電池モジュール。
【請求項15】
前記相互接続部が、該相互接続部に張力の緩和を提供するための複数のスリットを更に含む、請求項14に記載の太陽電池モジュール。
【請求項16】
前記第1及び第2の太陽電池の正面側上の第1のカプセル材料と、
前記第1及び第2の太陽電池の裏側上の第2のカプセル材料と、
前記第1のカプセル材料上に透明カバーと、
前記第2のカプセル材料上にバックシートと
を更に含む、請求項13に記載の太陽電池モジュール。
【請求項17】
前記相互接続部シールドが、前記第1及び第2の太陽電池間の空隙を充填して、該第1及び第2の太陽電池間の間隔を調整する、請求項13に記載の太陽電池モジュール。
【請求項18】
太陽電池モジュールであって、
第1の裏側接点式太陽電池の裏側を第2の裏側接点式太陽電池の裏側に電気的に接続するための相互接続手段と、
前記第1及び第2の裏側接点式太陽電池間の空隙を介して前記相互接続手段を見ることができないように該相互接続手段を覆うためのシールド手段と
を含む、太陽電池モジュール。
【請求項19】
前記シールド手段が、電気的に絶縁性の両面テープからなる、請求項18に記載の太陽電池モジュール。
【請求項20】
前記相互接続手段が、前記第1及び第2の裏側接点式太陽電池の裏側にある接点に接触させるための複数のタブを有する単一の連続的な相互接続部からなる、請求項18に記載の太陽電池モジュール。

What is claimed is: 1. A solar cell module comprising: a first backside-contact solar cell; a second backside-contact solar cell; an interconnect electrically coupling a backside of the first backside-contact solar cell to a backside of the second backside-contact solar cell; and a shield placed between the interconnect and the first and second backside contact solar cells, the shield comprising a material which visually blocks the interconnect . 2. The solar cell module of claim 1 wherein the shield comprises a tape. 3. The solar cell module of claim 1 wherein the shield comprises a coating integral to the interconnect. 4. The solar cell module of claim 1 wherein the shield comprises a three-dimensional body that presses on the backsides of the first and second backside contact solar cells and fills a gap between the first and second backside contact solar cells. 5. The solar cell module of claim 1 wherein the interconnect comprises a first strip of interconnect material electrically coupling a first contact point on the backside of the first backside-contact solar cell to a first contact point on the backside of the second backside-contact solar cell. &'! The' solar' 'cell m?clule'of claim 1 wherein the interconnect comprises a single continuous interconnect having a plurality of strain relief features. 7. The solar cell module of claim 6 wherein the interconnect comprises a plurality of tabs extending from the body of the interconnect to electrically couple contact points on the backside of the first backside-contact solar cell to corresponding contact points on the backside of the second backside-contact solar cell. 8. The solar cell module of claim 1 further comprising: a first protection layer placed over front sides of first and second backside contact solar cells, the first protection layer being configured to allow solar energy to reach the front sides of the first and second backside-contact solar cells. 9. The solar cell module of claim 8 further comprising: a second protection layer over the first protection layer, the second protection layer being configured to protect from environmental elements while allowing solar energy to reach the first and second backside-contact solar cells. 10. The solar cell module of claim 9 further comprising: a third protection layer placed over the interconnect. 11. The solar cell module of claim 10 wherein the first and third protection layers comprise poly-ethyl-vinyl-acetate (EVA) and the second protection layer comprises glass. T2." the solar'ceir module of claim 10 further comprising a back sheet on a side of the third protection layer away from the interconnect. 13. A solar cell module comprising: a first solar cell; a second solar cell; and an interconnect assembly electrically coupling a backside of the first solar cell to a backside of the second solar cell, the interconnect assembly including an interconnect and an interconnect shield, the interconnect shield being configured to block from view the interconnect as viewed from front sides of the first and second solar cells. 14. The solar cell module of claim 13 wherein the interconnect comprises a single continuous piece of electrically conducting material having a plurality of tabs for contacting contact points on the backsides of the first and second solar cells. 15. The solar cell module of claim 14 wherein the interconnect further comprises: a plurality of slits for providing strain relief to the interconnect. 16. The solar cell module of claim 13 further comprising: a first encapsulant over front sides of the first and second solar cells; a second encapsulant over the backsides of the first and second solar cells; a transparent cover over the first encapsulant; and a'Εack'sheetOveTthe second encapsulant. 17. The solar cell module of claim 13 wherein the interconnect shield fills a gap between the first and second solar cells to control spacing between the first and second solar cells. 18. A solar cell module comprising: interconnect means for electrically coupling a backside of a first backside-contact solar cell to a backside of a second backside-contact solar cell; and shielding means for covering the interconnect means such that the interconnect means are not visible through a gap between the first and second backside-contact solar cells. 19. The solar cell module of claim 18 wherein the shielding means comprises a an electrically insulating double-sided tape. 20. The solar cell module of claim 18 wherein the interconnect means comprises a single continuous interconnect having a plurality of tabs for contacting contact points on the backsides of the first and second backside-contact solar cells.

「特表2008-502149およびWO2005122282より引用」

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太陽電池モジュールにおける太陽電池の相互接続

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、一般に太陽電池に関し、特に太陽電池モジュールにおける対応電池の相互接続のための方法及び構造に関する(但しこれには限定されない)ものである。
【背景技術】
【0002】
太陽電池は、「光電池」とも呼ばれ、太陽放射を電気エネルギーへ変換するための周知のデバイスである。太陽電池は、半導体プロセス技術を用いて半導体ウェハ上に作製することが可能である。概して言えば、太陽電池は、シリコン基板にPドープ領域及びNドープ領域を形成することにより作製することが可能である。太陽電池上に入射する太陽放射は、Pドープ領域及びNドープ領域へ移動する電子及び正孔を生成し、これによりそれらドープ領域間に電位差が生成される。裏側接点式(backside-contact)太陽電池では、それらドープ領域が該太陽電池の裏側にある導電性リードに接続され、これにより該太陽電池に外部の電気回路を接続して該太陽電池により給電することが可能となる。裏側接点式太陽電池については、米国特許第5,053,083号及び第 4,927,770号に開示されている。
【0003】
太陽電池によっては、互いに接続されて1つの太陽電池アレイを形成するものがある。太陽電池アレイでは、1つの太陽電池のPドープ領域に接続された導電領域(以下「正領域」)が、隣接する1つの太陽電池のNドープ領域に接続された導電領域(以下「負領域」)に接続される。次いで、該隣接する太陽電池の正領域が次の隣接する太陽電池の負領域に接続される、といった具合である(以下同様)。この太陽電池の連鎖化を繰り返して、太陽電池アレイの出力電圧を増大させるように複数の太陽電池を直列に接続することが可能である。複数の裏側接点式太陽電池は、穴のあいた導電材料の比較的長い単一ストリップを使用して共に接続されている。米国特許第6,313,395号もまた、太陽電池アレイを形成するための複数の裏側接点式太陽電池の相互接続について開示している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
従来の(すなわちフロントサイドコンタクト(正面側接点式の))太陽電池の正面側電気接続を視覚的に遮蔽するための試みがなされてきた。例えば、 Webasto Roof Systems, Inc.は、自動車の屋根で使用するために太陽電池アレイを視覚的に魅力的なものとすべく、塗料又はテープで覆われた母線を従来の太陽電池アレイに導入した。従来の太陽電池への電気的な接続は、太陽電池の正面側(すなわち太陽に面する側)にある接点部分に対して行われる。裏側接点式太陽電池は、全ての電気的な接続部を裏側に有しているため、従来の太陽電池における電気的な接続部を遮蔽するための従来の方法は、裏側接点式太陽電池に容易に適用することはできない。
【課題を解決するための手段】
【0005】
一実施形態では、太陽電池モジュールは、1つの太陽電池アレイとして相互接続された複数の太陽電池を含む。相互接続アセンブリが、2つの隣接する太陽電池の裏側を電気的に接続する。該相互接続アセンブリは、太陽電池の裏側の接点を別の太陽電池の裏側の接点に電気的に接続する相互接続部を有することが可能である。該相互接続アセンブリは更に、太陽電池と該相互接続部との間に配置された相互接続部シールドを含むことが可能である。
【0006】
本発明の上述その他の特徴は、図面及び特許請求の範囲を含む本開示全体を参照することにより当業者には容易に理解されよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【0007】
本出願は、2004年6月4日出願の「Solar Cell Interconnect Shield」と題する米国仮出願第60/577,056号の利益を請求するものである。
【0008】
異なる図面における同一符号の使用は、同一の又は類似した構成要素を示している。図面は、特に言及しない限り、必ずしも実際の縮尺にはなっていない。
【0009】
本開示では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するために、装置、構成要素、及び方法といった、多数の特定の細部を提供する。しかし、本発明は、かかる特定の細部のうちの1つ又は2つ以上なしでも実施することができるものである、ということが当業者には理解されよう。別の例では、本発明の特徴が不明瞭になるのを回避するために、周知の細部については図示せず又は説明しない。
【0010】
図1は、本発明の一実施形態による太陽電池モジュール150を概略的に示している。該太陽電池モジュール150は、太陽電池100、相互接続アセンブリ110、及び1つ又は2つ以上の母線120を含む。バックシート、保護層、追加の太陽電池、追加の母線及び相互接続アセンブリといった太陽電池モジュール150の他の構成要素は、図示の明瞭化のため図1には示さない。図1は、太陽電池100の裏側を示している。該太陽電池の裏側の反対側は「正面側」と呼ばれている。現場で取り付けられる際、太陽電池100の正面側が、太陽に面するように向けられる。
【0011】
一実施形態では、太陽電池100は裏側接点式太陽電池からなる。すなわち、該太陽電池100への電気的な接続はその裏側から行われる。相互接続アセンブリ 110は、太陽電池100をそれに隣接する太陽電池100へ又は母線120へ電気的に接続する。相互接続された太陽電池100は、包括的に「太陽電池アレイ」とも呼ばれる。図1の例では、相互接続アセンブリ110は、太陽電池100の正の接点を、もう1つの太陽電池100の対応する負の接点に電気的に接続する。太陽電池100を共に相互接続することにより、太陽電池アレイの出力電圧が増大する。
【0012】
図2(a)は、本発明の一実施形態による相互接続アセンブリ110Aを使用して共に電気的に接続された、太陽電池100の裏側を概略的に示している。該相互接続アセンブリ110Aは、図1に示す相互接続アセンブリ110の特定の一実施形態である。図2(a)の例では、相互接続アセンブリ110Aは、相互接続部210及び相互接続部シールド 220を含む。該相互接続部シールド220は、相互接続部210を太陽電池100の裏側の接点(例えばはんだパッド)に(例えばはんだ付けにより)電気的に接続する前に、相互接続部210に付与することが可能である。一実施形態では、相互接続部シールド220が相互接続部210に取り付けられて相互接続アセンブリ110Aが形成される。該相互接続アセンブリ110Aが太陽電池100の裏側上に押圧されて、相互接続部シールド220が太陽電池100に対して押圧される。次いで、該相互接続部210が、太陽電池100の裏側にあるはんだパッド上にはんだ付けされる。相互接続部210と太陽電池100との間に相互接続部シールド220が存在するため、該相互接続部シールド220は、太陽電池アレイの一体的な部分になり、好適には共に太陽電池アレイをアセンブルする前に太陽電池100又は相互接続部210に付与される、ということに留意されたい。
【0013】
相互接続部シールド220は、はんだパッド以外の領域で相互接続部210と太陽電池100の縁部との間の電気的な絶縁を有利にも提供し、これにより、太陽電池内の効率を低下させる電気経路が防止される。すなわち、相互接続部シールド220は、複数の太陽電池100を電気的に接続するために使用される材料と、該太陽電池100のうち望ましくない分路を形成することになる領域との間の電気的な接触を防止することにより、変換効率の改善に資するものとなる。該相互接続部シールド220はまた、製造プロセス中またはその後に物質が太陽電池100の正面側へ移動するのを有利にも防止する。例えば、相互接続部シールド220は、はんだ付け中に太陽電池100の正面側へはんだ付け用フラックスが移動するのを防止する。更に、図8に示すように、相互接続部シールド220は、太陽電池アレイ内で太陽電池100を隔置する際の基準として使用することが可能である。換言すれば、相互接続部シールド220は、アセンブリの対称性及び美学のため、並びに太陽電池の間隔を高い公差に規制することによる長期にわたる高信頼性の制御のための、太陽電池間ギャップスペーサとして使用することが可能である。
【0014】
図2(b)は、図2(a)の太陽電池100の正面側を概略的に示している。既述のように、太陽電池100の正面側は、典型的な取り付けでは太陽に面し、それ故、該太陽電池モジュールの目視可能な部分である。図2(b)に示すように、相互接続部シールド220は、相互接続部210(図2(a)参照)を視覚的に隠している。すなわち、該相互接続部シールド220が存在しなかった場合には、太陽電池100の正面側におけるギャップ間に相互接続部210が見えることになる。これは、太陽電池アレイを視覚的に魅力的なものにするだけでなく、隣接する太陽電池100へ光を送って該太陽電池100で光を捕捉し電気へと変換することを可能にする光散乱面を提供することによって変換効率の改善に有利にも資するものとなる。相互接続部シールドはまた、太陽電池間のCu相互接続部又はその他の材料との相互作用から茶色になる可能性のあるEVAを視覚的に遮る。更に、相互接続部シールド及びバックシートの色を選択することにより、様々な視覚的な外観が実施可能となる。
【0015】
図3(a)は、本発明の一実施形態による相互接続部210を概略的に示している。図3(a)の例では、相互接続部210は、複数の領域を有する単一の連続的な導電材料からなる。該相互接続部210の各領域は、ダイヤモンド形の本体、タブ301、及び面内スリット302又はその他の張力緩和機構を有することが可能である。タブ301は、太陽電池100上の接点上にはんだ付けすることが可能なものである。スリット302は、張力の緩和を有利にも提供し、これは太陽電池用途では特に重要なものである。熱への暴露に起因して太陽電池モジュールの構成要素が伸縮するからである。図3(a)から明らかであるように、相互接続部210は、ワンピース設計によるものであり、これにより、該相互接続部210 は、現場での使用にとって一層堅牢かつ耐久性のあるものとなり、及び自動組み立てにより太陽電池100に取り付けるのが一層容易なものとなる。
【0016】
図3(b)は、本発明の一実施形態による相互接続部210上の相互接続部シールド220を概略的に示している。該相互接続部シールド220は好適には、太陽電池100上の接点への取り付けのためのタブ301の湾曲を最小限にするために、厚さ約0.1mm(0.004インチ)未満となる。美学的な理由により、相互接続部シールド220は好適には、太陽電池モジュールのバックシート(例えば図7及び図8のバックシート703を参照のこと)と同じ色又は類似した色のものとなる(例えば、白色のバックシートには白色の相互接続部シールド220、黒色のバックシートには黒色の相互接続部シールド220)。相互接続部シールド220はまた、好適には、タブ301の位置合わせ不良に起因する電気的な短絡の発生を最小限にすべく、比較的良好な電気的絶縁を提供するものとなる。相互接続部シールド220は好適には、片面テープからなり、その接着面が太陽電池に向かって配置されて、視覚的に魅力的なテープ表面が該モジュールの正面側に向かって形成され、及び相互接続部の取り付けを行う前の太陽電池の位置決め手段として作用する。これと同等に好適な実施形態が、両面テープを使用して、相互接続部シールドを相互接続部210に取り付けること及び太陽電池100への取り付けのための外方に面する接着面を提供することを可能にするものである。このため、相互接続部シールド220は、用途に応じて片面テープ又は両面テープから構成することが可能である。相互接続部シールド220は、相互接続部を視覚的に遮る一体的な被覆を有することが可能である。相互接続部シールド220は、例えば、アクリルベースの接着剤を有する幅6.2mmのポリエステルテープから構成することが可能である。一実施形態では、相互接続部シールド220は、3M 社製の3M 850テープからなる。
【0017】
図4は、太陽電池100の裏側上に押圧された相互接続部シールド220、及び相互接続部シールド220上に押圧された相互接続部210の拡大図を概略的に示している。図4の例では、相互接続部210の外側領域の本体(スリット302-3をスリット302-1,302-2と比較されたい)は、太陽電池100と正しくフィットするようカットされている。破線領域401は、タブ301のための接点を有する太陽電池100の領域を概して示している。
【0018】
図5(a)は、本発明の一実施形態による相互接続アセンブリ110Bを使用して共に電気的に接続された太陽電池100の裏側を概略的に示している。該相互接続アセンブリ110Bは、図1に示す相互接続アセンブリ110の特定の一実施形態である。図5(a)の例では、相互接続アセンブリ110Bは、相互接続部510及び相互接続部シールド 220を含む。該相互接続部510は、「リボン」とも呼ばれ、1つの太陽電池100をもう1つの太陽電池100に電気的に接続するために複数の相互接続部 510が必要となる点でマルチピース設計とみなされるものである。相互接続部シールド220は、各相互接続部510を太陽電池100の裏側の対応する接点に取り付ける前に、太陽電池100の裏側に付与することが可能である。一実施形態では、太陽電池100の裏側のはんだパッドに相互接続部510がはんだ付けされる。図5(b)は、図5(a)の太陽電池100の正面側を概略的に示している。相互接続部シールド220は、相互接続アセンブリ110B,110A において、同じ役割を果たし、及び同じ利点を提供するものである。
【0019】
図6(a)ないし図6(b)は、本発明の一実施形態による相互接続部510の様々な外観を概略的に示している。図6(a)は、導電性材料のストリップから構成することが可能な相互接続部510の平面図を示している。一実施形態では、相互接続部510は、張力緩和のための湾曲した部分512を含む。図6(b)は、該湾曲した部分512を示す相互接続部510の側面図を示している。図6(c)は、相互接続部510の斜視図を示している。
【0020】
図7は、本発明の一実施形態による太陽電池モジュール150Aの断面を概略的に示している。太陽電池モジュール150Aは、図1に示す太陽電池モジュール150の特定の実施形態である。図7の例では、太陽電池モジュール150Aは、透明カバー701、カプセル材料702(すなわち702-1,702-2)、太陽電池100、相互接続部シールド220、バックシート703、及び1つ又は2つ以上の相互接続部710 を含む。相互接続部710は、単一の相互接続部210または複数の相互接続部510とすることが可能である。相互接続部シールド220は、既に説明した通りのものである。
【0021】
一実施形態では、太陽電池モジュール150Aは、住居又は商業ビルの屋上といった据え置き式用途で典型的に使用されるという点で、いわゆる「地上太陽電池モジュール」である。このため、太陽電池モジュール150Aは、太陽に面する透明カバー701と共に設置される。一実施形態では、透明カバー701はガラスからなる。太陽電池100の正面側721は、透明カバー701を介して太陽に向かって面する。カプセル材料702が、架橋し、太陽電池100、カバー701、及びバックシート703を接着して、保護パッケージを形成する。一実施形態では、カプセル材料702は、ポリエチルビニルアセテート(EVA)からなる。
【0022】
太陽電池100の裏側722はバックシート703に面し、該バックシート703がカプセル材料702-2に取り付けられる。一実施形態では、バックシート703は、Madico社製のTedlar/Polyester/EVA(TPE)からなる。TPEでは、Tedlarが、環境からの保護を行う最も外側の層であり、ポリエステルが更に電気的な絶縁を提供し、EVAは、カプセル材料702-2に対する接着を促進させる非架橋の薄層である。バックシート703として使用するためのTPEの代替物には、Tedlar/Polyester/Tedlar(TPT)が含まれる。
【0023】
図7に示すように、太陽電池モジュール150Aは、太陽電池100のための複数の保護層を提供し、この場合には、カバー701が正面層、カプセル材料702-1が正面側721とカバー701との間の層であり、カプセル材料702-2が裏側722とバックシート703との間の層であり、該バックシート703が裏側の層となる。カバー701及びカプセル材料702-1は、正面の保護及び絶縁層を形成し、一方、カプセル材料702-2及びバックシート703は、裏側の保護及び絶縁層を形成する。これら保護層は、太陽電池の比較的高い電圧(例えば、接地に対して600~1000V)から接地への低抵抗経路を形成することなく、太陽電池モジュール150Aを長年(例えば25年以上)にわたり環境に曝すことを有利にも可能とする。
【0024】
図8を参照すると、本発明の一実施形態による太陽電池モジュール150Bの断面が概略的に示されている。太陽電池モジュール150Bは、相互接続部シールド220ではなく相互接続部シールド220Aを使用することを除き、太陽電池モジュール150Aと同じものである。該相互接続部シールド220Aは、相互接続部シールド220の特定の実施形態である。図8の例では、相互接続部シールド220Aは、それ自体が裏側722上を押圧すると共に太陽電池100間の空隙を充填することを可能にする三次元形状を有している。これは、有利にも相互接続部シールド220Aを、太陽電池の位置合わせ及び間隔調整のための太陽電池間スペーサとして、より一層有効なものとする。
【0025】
本発明の特定の実施形態を提供したが、これら実施形態は例示を目的としたものであって制限を加えるものではない、ということが理解されよう。本開示を参照した当業者には多くの更なる実施形態が自明となろう。

NTERCONNECTION OF SOLAR CELLS IN A SOLAR CELL MODULE

CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATION(S) This application claims the benefit of U.S. Provisional Application No. 60/577,056, filed on June 4, 2004, entitled "Solar Cell Interconnect Shield," which is incorporated herein by reference in its entirety.

BACKGROUND OF THE INVENTION

1. Field of the Invention The present invention relates generally to solar cells, and more particularly but not exclusively to methods and structures for interconnecting solar cells in a solar cell module.

2. Description of the Background Art Solar cells, also referred to as "photovoltaic cells," are well known devices for converting solar radiation to electrical energy. They may be fabricated on a semiconductor wafer using semiconductor processing technology. Generally speaking, a solar cell may be fabricated by forming p-doped and n-doped regions in a silicon substrate. Solar radiation impinging on the solar cell creates electrons and holes that migrate to the p-doped and n-doped regions, thereby creating voltage differentials between the doped regions. In a backside-contact solar cell, the doped regions are coupled to conductive leads on the backside of the solar cell to allow an external electrical circuit to be coupled to and be powered by the solar cell. Backside-contact solar cells are disclosed in U.S. Patent Nos. 5,053,083 and 4,927,770, which are both incorporated herein by reference in their entirety. Several solar cells may be connected together to form a solar cell array. In a solar cell array, a conductive area coupled to a p-doped region (hereinafter "positive area") of one solar cell is connected to a conductive area coupled to an n-doped region (hereinafter "negative area") of an adjacent solar cell. The positive area of the adjacent solar cell is then connected to a negative area of a next adjacent solar cell and so on. This chaining of solar cells may be repeated to connect several solar cells in series to increase the output voltage of the solar cell array. Backside-contact solar cells have been connected together using a relatively long, single strip of perforated conductive material. U.S. Patent No. 6,313,395, which is incorporated herein by reference in its entirety, also discloses the interconnection of several backside-contact solar cells to form a solar cell array. Attempts have been made to visually shield front-side electrical connections of traditional (i.e., front side contact) solar cells. For example, Webasto Roof Systems, Inc. has introduced a traditional solar cell array with bus bars that are covered with paint or tape to make the solar cell array visually appealing for use in the roofs of automobiles. Electrical connections to a traditional solar cell are made to contact portions on the front side (i.e., the side facing the sun) of the solar cell. Because backside-contact solar cells have all the electrical connections on the backside, conventional approaches to shielding electrical con?ecti?hsln "traditional solar cells are not readily appncaoie to backside-contact solar cells.

SUMMARY

In one embodiment, a solar cell module comprises a plurality of solar cells interconnected as a solar cell array. An interconnect assembly electrically connects the backsides of two adjacent solar cells. The interconnect assembly may have an interconnect that electrically connects a contact point on a backside of a solar cell to a contact point on a backside of another solar cell. The interconnect assembly may further include an interconnect shield placed between the solar cells and the interconnect. These and other features of the present invention will be readily apparent to persons of ordinary skill in the art upon reading the entirety of this disclosure, which includes the accompanying drawings and claims.

DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 schematically shows a solar cell module in accordance with an embodiment of the present invention. FIGS. 2(a) and 2(b) schematically show the backsides and front sides, respectively, of solar cells interconnected using an interconnect assembly in accordance with an embodiment of the present invention. F1C3. 3(a) scπemat?caily snows an interconnect in accorαance witn an embodiment of the present invention. FIG. 3(b) schematically shows an interconnect shield over an interconnect, in accordance with an embodiment of the present invention. FIG. 4 schematically shows a close up view of an interconnect, an interconnect shield, and solar cells in accordance with an embodiment of the present invention. FIGS. 5(a) and 5(b) schematically show the backsides and front sides, respectively, of solar cells interconnected using an interconnect assembly in accordance with an embodiment of the present invention. FIGS. 6(a)-6(c) schematically show various views of an interconnect in accordance with an embodiment of the present invention. FIG. 7 schematically shows a cross-section of a solar cell module in accordance with an embodiment of the present invention. FIG. 8 schematically shows a cross-section of a solar cell module in accordance with another embodiment of the present invention. The use of the same reference label in different drawings indicates the same or like components. Drawings are not necessarily to scale unless otherwise noted.

DETAILED DESCRIPTION In the present disclosure, numerous specific details are provided, such as examples of apparatus, components, and methods, to provide a thorough understanding of embodiments of the invention. Persons of ordinary skill in the art will recognize, however, that the invention can be practiced without one or more of the specific details. In other instances, well-known details are not shown or described to avoid obscuring aspects of the invention. FIG. 1 schematically shows a solar cell module 150 in accordance with an embodiment of the present invention. The solar cell module 150 includes solar cells 100, interconnect assemblies 110, and one or more bus bars 120. Other components of the solar cell module 150, such as back sheets, protective layers, additional solar cells, additional bus bars and interconnect assemblies, are not shown in FIG. 1 for clarity of illustration. FIG. 1 shows the backsides of the solar cells 100. The side opposite to the backside of a solar cell is referred to as the "front side." As installed in the field, the front sides of the solar cells 100 are oriented to face the sun. In one embodiment, the solar cells 100 comprise backside-contact solar cells. That is, electrical connections to the solar cells 100 are made from their backsides. An interconnect assembly 110 electrically connects a solar cell 100 to an adjacent solar cell 100 or to a bus bar 120. Interconnected solar cells are also collectively referred to as a "solar cell array." In the example of FIG. 1 , an interconnect assembly 110 electrically connects the positive contact points of a solar cell 100 to corresponding negative contact points of another solar cell 100. Interconnecting the solar cells 100 together increases the output voltage of the solar cell array. "2"(a)"scHematic'aIly shows the backsides of solar cells 100 that are electrically connected together using an interconnect assembly 110A, in accordance with an embodiment of the present invention. The interconnect assembly 110A is a specific embodiment of the interconnect assemblies 110 shown in FIG. 1. In the example of FIG. 2(a), the interconnect assembly 110A comprises an interconnect 210 and an interconnect shield 220. The interconnect shield 220 may be applied to the interconnect 210 prior to electrically connecting (e.g., by soldering) the interconnect 210 to contact points (e.g., soldering pads) on the backsides of the solar cells 100. In one embodiment, the interconnect shield 220 is attached to the interconnect 210 to form the interconnect assembly 110A. The interconnect assembly 110A is pressed onto the backsides of the solar cells 100, with the interconnect shield 220 pressing against the solar cells 100. The interconnect 210 is then soldered onto soldering pads on the backsides of the solar cells 100. It is to be noted that since the interconnect shield 220 is between the interconnect 210 and the solar cells 100, the interconnect shield 220 is an integral part of the solar cell array and is preferably applied to either the solar cells 100 or the interconnect 210 prior to assembling the solar cell array together. The interconnect shield 220 advantageously provides electrical isolation between the interconnect 210 and the edges of the solar cells 100 in areas other than soldering pads, thereby preventing efficiency reducing electrical paths in cells susceptible to these paths. That is, the interconnect shield 220 helps improve conversion efficiency by preventing electrical contact between material that is used to electrically connect the solar cells 100 and areas of the solar cells TOO that' would f?πfi' unwanted shunt paths. The interconnect snieiα zzv aiso advantageously prevents substances from migrating to the front sides of the solar cells 100 during and after the manufacturing process. For example, the interconnect shield 220 prevents solder flux from migrating to the front sides of the solar cells 100 during soldering. Furthermore, as illustrated in FIG 8, the interconnect shield 220 may be used as reference in spacing solar cells 100 in the solar cell array. In other words, the interconnect shield 220 may be used as a cell-to-cell gap spacer for assembly symmetry and aesthetics and for long-term reliability control by regulating solar cell spacing to high tolerances. FIG. 2(b) schematically shows the front sides of the solar cells 100 of FIG. 2(a). As mentioned, the front sides of the solar cells 100 face the sun in a typical installation, and thus are visible portions of the solar cell module. As shown in FIG. 2(b), the interconnect shield 220 visually hides the interconnect 210 (see FIG. 2(a)) from the front sides of the solar cells 100. That is, without the interconnect shield 220, the interconnect 210 would be visible between gaps on the front sides of the solar cells 100. This not only makes the solar cell array more visually appealing, but also advantageously helps improve conversion efficiency by providing a light-scattering surface that directs light into adjacent solar cells 100 where the light may be captured and converted to electricity. The interconnect shield also visually blocks EVA that might have become brown from interaction with the Cu interconnect or other materials between cells. Furthermore, selection of colors of the interconnect shield and backsheet allow for a range of visual appearances. FIG. 3(a) scn'erftatica?ly shows an interconnect ziυ in accorαance witn an embodiment of the present invention. In the example of FIG. 3(a), the interconnect 210 comprises a single continuous electrically conductive material having several regions. Each region of the interconnect 210 may have a diamond-shaped body, tabs 301 and an in-plane slit 302 or other strain-relief features. Tabs 301 may be soldered onto contact points on the solar cells 100. Slits 302 advantageously provide strain relief, which is particularly important in solar cell applications because components of the solar cell module may expand and contract due to heat exposure. As is evident from FIG. 3(a), the interconnect 210 is a single-piece design, making the interconnect 210 more robust and durable for field use and easier to attach to solar cells 100 by automated assembly. FIG. 3(b) schematically shows an interconnect shield 220 over an interconnect 210, in accordance with an embodiment of the present invention. The interconnect shield 220 is preferably less than about 0.004" thick to minimize the bending of the tabs 301 for attachment to contact points on the solar cells 100. For aesthetic reasons, the interconnect shield 220 is preferably of the same or similar color as the back sheets (e.g., see back sheet 703 in FIGS. 7 and 8) of the solar cell module (e.g., white interconnect shield 220 with white back sheets, black interconnect shield 220 with black back sheets). The interconnect shield 220 also preferably provides relatively good electrical isolation to minimize the occurrence of electrical shorts due to misaligned tabs 301. The interconnect shield 220 preferably comprises a single-sided tape that is placed adhesive-side toward the cells to produce a visually-appealing surface " of the tape toward the front iside of the module and to act as a cell locator prior to attachment of the interconnect. An equally-preferred embodiment is the use of a double-sided tape to allow the interconnect shield to be attached to the interconnect 210 and still provide an outward facing adhesive surface for attachment to the solar cells 100. Thus, the interconnect shield 220 may comprise a single-sided or double-sided tape depending on the application. The interconnect shield 220 may have an integral coating that visually blocks the interconnect. The interconnect shield 220 may comprise a 6.2mm wide polyester tape with an acrylic-based adhesive, for example. In one embodiment, the interconnect shield 220 comprises a 3M 850 tape from the 3M company. FIG. 4 schematically shows a close up view of an interconnect shield 220 pressed onto the backsides of the solar cells 100, and an interconnect 210 pressed onto the interconnect shield 220. In the example of FIG. 4, the bodies of the outer regions of the interconnect 210 (compare slit 302-3 to slits 302-1 and 302-2) are cut for proper fit with the solar cells 100. Dashed regions 401 generally show the areas of the solar cells 100 having contact points for tabs 301. FIG. 5(a) schematically shows the backsides of solar cells 100 that are electrically connected together using an interconnect assembly 110B, in accordance with an embodiment of the present invention. The interconnect assembly 110B is a specific embodiment of the interconnect assemblies 110 shown in FIG. 1. In the example of FIG. 5(a), the interconnect assembly 110B comprises interconnects 510 and an interconnect shield 220. The interconnects 510, which are also referred to as "ribbons," are regarded as a multi-piece design in that several'lnterconnects 510 are needed to electrically connect one solar cell 100 to another solar cell 100. The interconnect shield 220 may be applied to the backsides of the solar cells 100 prior to attaching each interconnect 510 to corresponding contact points on the backsides of the solar cells 100. In one embodiment, the interconnects 510 are soldered to solder pads on the backsides of the solar cells 100. FIG. 5(b) schematically shows the front sides of the solar cells 100 of FIG. 5(a). The interconnect shield 220 serves the same purpose and provides the same advantages in interconnect assemblies 110B and 110A. FIGS. 6(a)-6(b) schematically show various views of an interconnect 510 in accordance with an embodiment of the present invention. FIG. 6(a) shows a top view of the interconnect 510, which may comprise a strip of electrically conductive material. In one embodiment, the interconnect 510 includes portions 512 that are curved for strain relief. FIG. 6(b) shows a side view of the interconnect 510 illustrating the curved portions 512. FIG. 6(c) shows a perspective view of the interconnect 510. FIG. 7 schematically shows a cross-section of a solar cell module 150A in accordance with an embodiment of the present invention. The solar cell module 15OA is a specific embodiment of the solar cell module 150 shown in FIG. 1. In the example of FIG. 7, the solar cell module 150A includes a transparent cover 701 , encapsulants 702 (i.e., 702-1 , 702-2), solar cells 100, an interconnect shield 220, a back sheet 703, and one or more interconnects 710. lnterconnect(s) 710 may be a single interconnect 210 or several interconnects 510. The interconnect shield 220 has already been described above. In one gftiboaitirie?t;' the solar cell module 150A is a so-caneα "terrestrial solar cell module" in that it is typically used in stationary applications, such as on residential or commercial building rooftops. As such, the solar cell module 150A is installed with the transparent cover 701 facing the sun. In one embodiment, the transparent cover 701 comprises glass. The front sides 721 of the solar cells 100 face towards the sun by way of the transparent cover 701. Encapsulants 702 crosslink and bond the solar cells 100, the cover 701 , and the back sheet 703 to form a protective package. In one embodiment, the encapsulants 702 comprise poly-ethyl-vinyl acetate ("EVA"). The backsides 722 of the solar cells 100 face the back sheet 703, which is attached to the encapsulant 702-2. In one embodiment, the back sheet 703 comprises Tedlar/Polyester/EVA ("TPE") from the Madico company. In the TPE, the Tedlar is the outermost layer that protects against the environment, the polyester provides additional electrical isolation, and the EVA is non-crosslinked thin layer that promotes adhesion to the encapsulant 702-2. Alternatives to TPE for use as the back sheet 703 include Tedlar/Polyester/Tedlar ("TPT"). As shown in FIG. 7, the solar cell module 150A provides several layers of protection for the solar cells 100, with the cover 701 being the front layer, the encapsulant 702-1 being the layer between the front sides 721 and the cover 701 , the encapsulant 702-2 being the layer between the backsides 722 and the back sheet 703, and the back sheet 703 being the back layer. The cover 701 and the encapsulant 702-1 form a front protective and isolating layer, while the encapsulant 702-2 and the back sheet 703 form a back protective and isolating layer. These layers of protection advantageously allow the solar cell module n T50A to" be exposed to "the environment for many years (e.g., greater than 25 years) without forming a low resistance path from the relatively high voltages (e.g., 600-1000V relative to ground) of the solar cell array to ground. Referring to FIG. 8, there is schematically shown a cross-section of a solar cell module 150B in accordance with an embodiment of the present invention. The solar cell module 150B is the same as the solar cell module 150A except for the use of an interconnect shield 220A rather than an interconnect shield 220. The interconnect shield 220A is a specific embodiment of the interconnect shield 220. In the example of FIG. 8, the interconnect shield 220A has a three-dimensional shape to allow it to press on the backsides 722 and to fill the gap between solar cells 100. This advantageously makes the interconnect shield 220A even more effective as a cell-to-cell spacer for solar cell alignment and spacing control. While specific embodiments of the present invention have been provided, it is to be understood that these embodiments are for illustration purposes and not limiting. Many additional embodiments will be apparent to persons of ordinary skill in the art reading this disclosure.

「特表2008-502149およびWO2005122282より引用」

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2009年7月 2日 (木)

[Claims] 光起電力装置とその製造方法

【特許請求の範囲】
独占所有権または守秘特権を主張するこの発明の実施態様を以下のように定義する。
1. 基板;
前記基板上にフロントコンタクトとして配置されたCd2SnO4の膜;
前記Cd2SnO4の膜上に配置された半導体材料製の二つ以上の層を含んでいる薄膜;および 前記半導体材料製薄膜上に配置されて、前記薄膜に対するリア電気コンタクトを形成する導電性膜;
を含んでなる薄膜光起電力装置。
2. 前記基板が、シリカおよびガラスからなる群から選択される請求の範囲第1項記載の光起電力装置。
3. 前記ガラスがソーダ石灰ガラスまたはホウケイ酸ガラスである請求の範囲第2項記載の光起電力装置。
4. 前記半導体材料製薄膜が硫化カドミウムを含んでいる請求の範囲第1項記載の光起電力装置。
5. 前記半導体材料製薄膜がテルル化カドミウムを含んでいる請求の範囲第1項記載の光起電力装置。
6. 前記基板および前記Cd2SnO4の膜が、約400nm~1000nmの光に対して実質的に透明である請求の範囲第1項記載の光起電力装置。
7. 前記基板が、約350nm~1000nmの波長の光を透過することができる請求の範囲第1項記載の光起電力装置。
8. 前記Cd2SnO4の膜の厚みが、約0.3~0.7ミクロンである請求の範囲第1項記載の光起電力装置。
9. 前記Cd2SnO4の膜の厚みが約0.5ミクロンである請求の範囲第1項記載の光起電力装置。
10.前記Cd2SnO4の膜の面積抵抗率が約10Ω/スクエアより小さい請求の範囲第1項記載の光起電力装置。
11.前記Cd2SnO4の膜の平均光透過率が、約400nm~1000nmの範囲を通じて約80%より大きい請求の範囲第1項記載の光起電力装置。
12.前記Cd2SnO4の膜の電子移動度が、約50cm2V-1s-1より大きい請求の範囲第1項記載の光起電力装置。
13.前記Cd2SnO4の膜の電荷担体密度が、約6×1020cm-3より大きい請求の範囲第1項記載の光起電力装置。
14.前記Cd2SnO4の膜の抵抗率が、約2.0×10-4Ω/cmより小さい請求の範囲第1項記載の光起電力装置。
15.基板にCd2SnO4の膜を被着させ;
前記Cd2SnO4の膜上に半導体材料製薄膜を被着させ;
ついで 前記半導体材料製薄膜上に導電性膜を被着させて電気コンタクトを設ける;
工程を含んでなる光起電力装置の製造方法。
16.基板上にCd2SnO4の膜を被着させる前記工程が、下記工程、すなわち (a)第一基板上に、実質的にアモルファスのCd2SnO4層をRFスパッターコートし;
(b)第二基板をCdS層でコートし;
(c)水と酸素を事実上含有していない環境内で、前記Cd2SnO4層を前記CdS層と接触させ;
(d)前記第一と第二の基板および前記Cd2SnO4層とCdS層を、前記Cd2SnO4層を均一な単相スピネル構造に結晶化させるのに充分な処理温度まで、その処理温度で前記Cd2SnO4層を完全に結晶化させるのに充分な時間、加熱して、結晶Cd2SnO4膜を製造し;
(e)前記第一と第二の基板を室温まで冷却し;
ついで、 (f)前記第二の基板およびCdS層からCd2SnO4層とともに第一の基板を除去する 工程を含んでなる請求の範囲第15項記載の方法。
17.前記実質的にアモルファスのCd2SnO4層を、室温で、前記第一基板上にスパッターコートする請求の範囲第16項記載の方法。
18.前記実質的にアモルファスのCd2SnO4層を、事実上、酸素からなる雰囲気内で、前記第一基板上にRFスパッターする請求の範囲第16項記載の方法。
19.前記処理温度が約600℃より低い請求の範囲第16項記載の方法。
20.前記CdS層を、前記第二基板上に、スパッターコートする請求の範囲第16項記載の方法。
21.前記CdS層を、化学浴被着法、密閉空間昇華法またはスパッタリングによって、前記第二基板上に被着させる請求の範囲第16項記載の方法。
22.前記第二基板と前記CdS層を、新しい第一基板とCd2SnO4層に対して再使用する請求の範囲第16項記載の方法。
23.前記第二基板をCdSの新しい層で再びコートし、次いで新しい第一基板とCd2SnO4層に対して再使用する請求の範囲第16項記載の方法。
24.前記第一基板が、シリカおよびガラスからなる群から選択される請求の範囲第16項記載の方法。
25.前記環境が、事実上、流動アルゴンからなる請求の範囲第16項記載の方法。
26.半導体材料製薄膜を、前記Cd2SnO4の膜上に被着させる前記工程が、化学浴による被着を含んでなる請求の範囲第15項記載の方法。
27.請求の範囲第15項記載の方法で製造された光起電力装置。

1. A thin-film photovoltaic device comprising: a substrate; a film of Cd2SnO4 disposed on said substrate as a front contact; a thin film comprising two or more layers of semiconductor materials disposed on said film of Cd2SnO4; and an electrically conductive film disposed on said thin film of semiconductor materials to form a rear electrical contact to said thin film.

2. The photovoltaic device of claim 1, wherein said substrate is selected from the group consisting of silica and glass.

3. The photovoltaic device of claim 2, wherein said glass is soda-lime or borosilicate glass.

4. The photovoltaic device of claim 1, wherein said thin film of semiconductor materials comprises cadmium sulfide.

5. The photovoltaic device of claim 1, wherein said thin film of semiconductor materials comprises cadmium telluride.

6. The photovoltaic device of claim 1, wherein said substrate and said film of Cd2SnO4 are substantially transparent to light between about 400 nm and 1000 nm.

7. The photovoltaic device of claim 1, wherein said substrate is capable of transmitting light between the wavelengths of about 350 nm and 1000 nm.

8. The photovoltaic device of claim 1, wherein said film of Cd2SnO4 is between about 0.3 and 0.7 microns thick.

9. The photovoltaic device of claim 1, wherein said film of Cd2SnO4 is about 0.5 microns thick.

10. The photovoltaic device of claim 1, wherein said film of Cd2SnO4 has a sheet resistivity less than about 10 ohm/square.

11. The photovoltaic device of claim 1, wherein said film of Cd2SnO4 has an average optical transmission greater than about 80 percent throughout the range of about 400 nm to 1000 nm.

12. The photovoltaic device of claim 1, wherein said film of Cd2SnO4 has a mobility greater than about 50 cm2V~ls~l.

13. The photovoltaic device of claim 1, wherein said film of Cd2SnO4 has a charge carrier density greater than about 6 x 1020 cm3 14. The photovoltaic device of claim 1, wherein said film of Cd2SnO4 has a resistivity less than about 2.0 x 10-4 ohm/cm.

15. A method for making a photovoltaic device, the method comprising the steps of: depositing a film of Cd2SnO4 onto a substrate; depositing a thin film of semiconductor materials onto said film of Cd2SnO4; and depositing an electrically conductive film onto said thin film of semiconductor materials to provide an electrical contact therewith.

16. The method of claim 15, wherein said step of depositing a film of Cd2SnO4 onto a substrate further comprises the steps of: (a) RF sputter coating a substantially amorphous Cd2SnO4 layer onto a first substrate; (b) coating a second substrate with a CdS layer; (c) contacting the Cd2SnO4 layer with the CdS layer in an environment essentially free of water and oxygen; (d) heating the first and second substrates and the Cd2SnO4 and CdS layers to a treatment temperature sufficient to induce crystallization of the Cd2SnO4 layer into a uniform single-phase spinel structure, for a time sufficient to allow full crystallization of the Cd2SnO4 layer at the treatment temperature to produce a crystal Cd2SnO4 film; (e) cooling the first and second substrates to room temperature; and (f) removing the first substrate with the Cd2SnO4 film from the second substrate and CdS layer.

17. The method of claim 16, wherein said substantially amorphous Cd2SnO4 layer is sputter coated onto said first substrate at room temperature.

18. The method of claim 16, wherein said substantially amorphous Cd2SnO4 layer is RF sputtered onto said first substrate in an atmosphere consisting essentially of oxygen.

19. The method of claim 16, wherein said treatment temperature is less than about 600"C.

20. The method of claim 16, wherein said CdS layer is sputter coated onto said second substrate.

21. The method of claim 16, wherein said CdS layer is deposited onto said second substrate by chemical bath deposition, close space sublimation or sputtering.

22. The method of claim 16, wherein said second substrate and said CdS layer are reused with a new first substrate and Cd2SnO4 layer.

23. The method of claim 16, wherein said second substrate is re-coated with a new layer of CdS and reused with a new first substrate and Cd2SnO4 layer.

24. The method of claim 16, wherein said first substrate is selected from the group consisting of silica and glass.

25. The method of claim 16, wherein said environment consists essentially of flowing argon.

26. The method of claim 15, wherein said step of depositing a thin film of semiconductor materials onto said layer of Cd2SnO4 comprises a chemical bath deposition.

27. A photovoltaic device produced by the method of claim 15.

「特表2001-504281およびWO9847702より引用」

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光起電力装置とその製造方法

【発明の詳細な説明】
光起電力装置とその製造方法他の出願とのクロスリファレンス この特許願は、光起電力装置とその製造方法がスズ酸カドミウム製の透明な導電性薄膜である1996年11月7日付で出願された米国特許願第08/740,347号の一部継続出願である。
発明の契約上の起源 アメリカ合衆国政府は、アメリカ合衆国エネルギー省と、ナショナル リニュウワラブル エナジー ラボラトリー、ア ディビジョンオブ ミッドウェスト インスティテュート(the National Renewable Energy Laboratory,a Division of Midwest Research Institute)との契約第DE-AC 36-83 CH 10093号に基づいて、この発明に権利を持っている。
技術分野 この発明は、一般に光起電力装置に関し、さらに詳しくは、スズ酸カドミウム製の透明な導電性薄膜を含んでいる薄膜太陽電池に関する。
背景技術 光起電力装置は、無数の用途に広く使用されているが、近年、学問上および商業上の関心がかなり起こっている。光起電力装置(太陽電池)は、太陽の可視光と近可視光のエネルギーを、使用するのに便利な電気エネルギーに変換する半導体の導電率特性を利用する。この変換は、半導体材料が放射エネルギーを吸収して、いくつかの原子価電子を放出して電子-正孔対が生成することによって起こる。半導体材料中に電子-正孔対が発生するのに必要なエネルギーは、バンドギャップエネルギー(band gap energy)と呼ばれ、一般に、電子を、原子価電子帯から伝導帯まで励起させるために必要な最小限のエネルギーである。
テルル化カドミウム(CdTe)は、近最適バンドギャップが1.5eVで、吸光係数が高いため、薄膜太陽電池用の有望な半導体材料として、長年にわたって認識されてきた。CdTeは、一般に硫化カドミウム(CdS)などの導電率が異なるタイプの第二の半導体材料と組み合わせて、効率が高いヘテロ接合光電池が製造される。太陽エネルギーから電気エネルギーへの変換効率が16%を超える小面積 CdS/CdTeヘテロ接合太陽電池および効率が約9%の商業規模のモジュールが、密閉空間昇華法(close space sublimation)すなわち“CSS”(1994年4月19日付けでBonnetらに発行された米国特許第5,304,499号)、噴霧被着法(たとえば、J.F.Jordan、Solar Cells、23巻、107~113頁、1988年)および電解被着法(たとえば、B.M.Basol、Solar Cells、23巻、69~88頁、1988年)を含む各種の被着技術を用いて製造されている。
薄膜太陽電池は、一般に、それを通過して放射エネルギーが光起電力装置に入る光学的に透明の基板、異なる半導体材料(たとえば、CdSとCdTe)製の中間層、および導電性膜のバック接点(back contact)を備えている。
一般に、基板が導電性でない場合、透明な導電性酸化物(TCO)の薄層を、基板と第一半導体層の間に被着させ、これが、フロントコンタクト集電装置(front contact current collector)として働く。しかし、酸化スズ、酸化インジウムおよび酸化亜鉛などの従来のTCO類は、面積抵抗率が(sheet resistivity)が高いので(一般に約10Ω/スクエア)、良好な光透過を行うのに必要な厚みでは導電率が劣っている。このように、従来のTCO 類は面積抵抗率が高いので、認めうる大きさ(すなわち約1cm2より大きい大きさ)の太陽電池、特に商業規模のモジュールにおける効率的な集電装置ではない。
上記集電法の限界を回避する一つの方法は、フロントコンタクト集電グリッドのようなより効率的な集電手段を、TCO層に組み込む方法である。これらの集電グリッドは、一般に、透明の導電性層から電流を集めてその電流を中央集電装置に導く、抵抗率が非常に低い材料で製造されたネットワークを備えている。たとえば、Basolらの米国特許第4,647,711号、同第4,595,790号および同第4,595,791号は、各々、そのTCO層に、金属製導電性グリッドを組み込んで、装置の直列抵抗を下げた光起電力装置を開示している。TCO層と金属製グリッドで補足すると、その太陽電池の集電性能は理論的に高められるが、グリッドの材料が光学的に透明でないので、グリッドが存在すると、実際には、その光起電力装置の全変換効率が低下する。集電グリッドを使用することに通常、関連する他の欠点と潜在的問題点としては、半導体層へのグリッド材料の拡散、装置の短絡、およびグリッドの形態に起因する半導体層の不完全なまたは凹凸のある被着がある。
Murataらの米国特許第4,808,242号は、各光電変換電池の複数の透明電極が配置されている基板を有する光起電力装置を開示している。各透明電極は、結合導体(coupling conductor)と、その結合導体に接続された複数のコレクテイング電極(collecting electrode)を有している。Murataらの装置は、透明な集電ネットワークを有し、光学的に透明でないシステムに関連する問題点を回避しているが、電極と結合導体の込み入った配置を組み込むのに追加の材料と加工工程が必要なため、製造することが困難でかつ費用がかかる。
基板と、シート電気抵抗が低くかつ光透過率が高い第一半導体層との間に、透明な導電性膜をつくることが望ましい。シート抵抗(sheet resistance)が低いことは、半導体装置と外部電子回路との間のキャリヤ流(carrier flow)に対する障壁を減らすための、半導体装置の接点の重要な要件である。また、高い光透過率は、前記半導体材料が吸収する電磁放射線の量を増やして、集電に利用できる光生成電子(photogenerated electron)の数を最大にすることによって、光起電力装置の作動を最適化するのに、最も重要である。これらの条件すなわち低いシート抵抗と高い光透過率の両方の条件を、従来の方法とTCO材料を用いて、透明な導電性層に、同時に付与することは、あいにく困難である。上記のように、従来のTCOは固有抵抗性が高い。シート抵抗が高いと、透明な導電性膜の抵抗損を生じ、そのため、装置の全変換効率が低下する。これら従来のTCO膜のシート抵抗を下げて、装置の性能を改良できるようにするには、TCOは比較的厚い層として被着させねばならない。しかし、透明導電性膜が厚くなればなるほど、光透過率は低下して、半導体材料に到達する電磁放射線が少なくなり、その太陽電池の変換効率が低下する。
薄膜太陽電池装置の従来のTCO層に関連する他の欠点は、一般に、その層の表面に凹凸があることである。たとえば、現在使用され最も普及しているTCO類のうちの一つの酸化スズ(SnO2)は、化学蒸着法(CVD)によって薄膜として被着させると、一般に、平均表面粗さは約100~250Åになる。このように高い表面粗さには、いくつもの重大な欠点がある。第一に、高効率の太陽電池(たとえば薄膜CdS/CdTe太陽電池)は、一般に、厚みが約600Åの非常に薄い半導体(CdS)ウィンド層を必要とすることは周知のことである。しかし、薄いCdS層と相まってこのSnO2の高い表面粗さは、CdS層および得られるCdS1-xTex混合層の均一性に対して著しく影響する。このことについては、以下に、一層詳細に説明する。CdS層とCdS1-xTex層が均質でも完全でもない場合、このことは、インターフェース欠点を増大させて、開路電圧とフィルファクター(fill factor)を低下させるという悪影響があり、結局、激しい劣化を起こすことがある。第二に、表面粗さが高いと、太陽電池の接合面積が増大して暗電流が増大し、開路電流とフィルファクターが低くなる。最終的に、透明導電性膜に滑らかな面を作って、半導体ウィンド層の厚みを最小にすることが望ましい。非常に薄いウィンド層を有していることは、半導体装置の活性領域でより多くの光量子(特に短波長のエネルギー)を吸収して、光起電力の変換効率が改良されることを意味する。
従来のSnO2に伴う他の問題点は、パターンを付けることが非常に困難であり、そのため商業的用途が限定されることである。その透明導電性膜がパターンを付けたりまたはエッチングを行うことが容易であることは、商業用途にとって、特に、高級なモジュールや表示装置を加工するのに特に重要である。また、商業用途に適した透明導電性膜は、製造し易く、安価で、耐久性があり、標準の加工条件下で安定であり、かつ、半導体材料、特にCdSのウィンド層と科学的に適合できなければならない。
したがって、高い効率の改良された薄膜光起電力装置が要望されている。この改良された装置は、各種の望ましい光学的、電子的および機械的特性を特徴とする透明導電性膜(TCO)を備えていなければならない。具体的に述べると、その透明導電性膜は、高い導電性、高い光透過率、比較的滑らかな表面形態、優れた科学的安定性と環境に対する安定性、製造し易くて安価に製造できることおよびモジュールを製造するため容易にパターンを付けることができることを示さねばならない。この高効率装置は、理想的には、面積抵抗率が2~5Ω/スクエアと低くかつ光透過率が85%より大きくなければならない。この発明がなされるまで、このような装置は存在しなかった。
発明の開示 したがって、この発明の一般的な目的は、改良された光学的および電気的特性を有する薄膜光起電力装置を提供することである。
この発明のさらに具体的な目的は、導電性の高いTCO層を有する薄膜太陽電池を提供することである。
この発明のさらなる目的は、光透過率が高いTCO層を有する薄膜太陽電池を提供することである。
この発明の他の目的は、優れた光透過率を得るのに必要な厚みで、シート抵抗が低いTCO層を有する薄膜太陽電池を提供することである。
この発明のさらに具体的な目的は、シート抵抗が3Ω/スクエアより小さくかつ光透過率が約85%より大きいTCO層を有する薄膜太陽電池を提供することである。
この発明の他の目的は、シート抵抗が低いので効率的な集電装置であるTCO層を有し、その大きさが約1cm2より大きい薄膜太陽電池を提供することである。
この発明のさらなる目的は、表面粗さが低いTCO層を有する薄膜太陽電池を提供することである。
この発明のさらに他の目的は、高度に安定なTCO層を有する薄膜太陽電池を提供することである。
この発明のさらに他の目的は、容易にパターンを付けることができるTCO層を有する薄膜太陽電池を提供することである。
この発明の他の一般的な目的は、上記特性をすべて有する光起電力装置を提供することである。
この発明のさらに他の一般的な目的は、上記特性をすべて有する光起電力装置の製造方法を提供することである。
上記目的およびその他の目的を達成するため、そして本明細書に具体的に示して広く説明しているように、この発明の目標にしたがって、この発明で製造される製品は、基板;フロントコンタクトとして前記基板上に配置されたスズ酸カドミウム(Cd2SnO4すなわち“CTO”)の層;前記Cd2SnO4の層の上に配置された二つ以上の半導体材料製の層を含む薄膜;および前記半導体材料製の前記薄膜の上に配置されて前記薄膜のリア電気コンタクト(rear electrical contact)を形成する導電性膜を有していても良い。
上記目的および他の目的を達成するため、そして本明細書に具体的に示して広く説明しているように、この発明にしたがって、この発明の一実施態様に、フロントコンタクトとして、Cd2SnO4の層を有する光起電力装置の製造方法が含まれている。この発明の方法は、基板にCd2SnO4層を被着させ、そのCd2SnO4層上に半導体材料製の薄膜を被着させ、次にその半導体材料製薄膜に導電性膜を被着させることからなる。
図面の簡単な説明 本発明書に組み込まれその一部を形成する添付図面は、この発明の好ましい実施態様を示し、詳細な説明とともに、この発明の原理を説明するのに役立つ。
図面: 図1は、この発明による太陽電池などの光起電力装置の断面図である(実際の縮尺または比率で示していない)。
図2は、熱処理前のCd2SnO4層と熱処理後のスズ酸カドミウム膜のX線回折ピークの相対強さを、2θの関数として示すグラフである。
図3aは、図2に示すスズ酸カドミウム膜と市販のSnO2薄膜の光透過率を示すグラフである。
図3bは、図2に示すスズ酸カドミウム膜と市販のSnO2薄膜の吸光度を示すグラフである。
図4aは、従来のSnO2膜の表面の形態を示す原子間力顕微鏡写真である。
図4bは、スズ酸カドミウム膜の表面の形態を示す原子間力顕微鏡写真である。
図5は、写真平版法を利用し、希HCl内で2分間エッチングを行ってパターンを付けたスズ酸カドミウム膜の光学顕微鏡写真である。
図6は、図3と4に示すスズ酸カドミウム膜とSnO2膜の、温度の関数として抵抗率を示すグラフである。
図7は、この発明の光起電力装置の電流と電圧のグラフである。
図8は、この発明の1台の光起電力装置および市販のSnO4薄膜を含んでなる1台の光起電力装置の開路電圧を、CdCl2の濃度の関数として示すグラフである。
好ましい実施態様の詳細な説明 図1は、この発明の光起電力装置の断面図を示す。この光起電力装置には一般に参照番号20が付けられ、放射エネルギーが通過して装置に入る透明基板22を備えている。スズ酸カドミウム(Cd2SnO4)の薄い透明導電性酸化物(TCO)膜24が透明基板22の上に配置され、その基板に隣接している。そのスズ酸カドミウム膜24は、透明基板22と第一半導体層26(以下に説明する)の間に配置されてフロントコンタクト集電装置として機能する。このように、スズ酸カドミウム膜24が、光起電力装置に通常用いられる従来のTCO膜の代わりに用いられている。第一半導体層26がスズ酸カドミウム膜24の上に配置され、そして第二半導体層28が第一半導体層 26の上に配置されている。半導体層26と28の導電性のタイプは同じではない。リア電気コンタクト30が第二半導体層28の上に配置され、その層にオーム接触している。
図1に示す光起電力装置20とその各種の部分または素子は、正確な縮尺率、または適正な比率で画こうとしたものではない。というのは光起電力装置20の非常に薄い素子と層は、正確な縮尺率または適正な比率で示すことは、たとえ不可能でなくても、実用的でない、したがって、この図は、当業技術者にはよく分かっているように、例示だけを目的としている。
また、この発明は、スズ酸カドミウムの膜24を透明基板22の上に被着させることを含んでなる光起電力装置20の製造方法を提供するものである。そのスズ酸カドミウム膜24は、適当な透明基板22の上に、実質的にアモルファスのCd2SnO4の層をRFスパッタリングすることによって形成される。CdSの層が、適当な方法、たとえば、RFスパッタリング法または化学浴被着法などによって、ソーダ石灰ガラスなどの第二基板(図示せず)の上に形成される。そのコートされたCdS層をCd2SnO4層と接触させて、Cd2SnO4層の結晶化を誘発させるのに充分な処理温度まで加熱する。得られた均一な結晶スズ酸カドミウム膜24は、従来、入手可能なTCO膜の特性と比べて、電気的特性と光学的特性が有意に改善されていた。スズ酸カドミウム膜24を透明基板22の上に被着させる上記方法は、関連する同時係属中の米国特許願「ThinTransparent Conducting Films of Cadmium Stannate」に記載されている。なお、この特許願は本明細書に援用するものである。上記スズ酸カドミウム膜24の被着に続いて、導電性のタイプが異なる少なくとも二つの半導体材料(半導体層26と28)を、スズ酸カドミウム膜24の上に被着させて、装置20の半導体として機能させる。
この発明を詳細に説明し実施するために、しかしこの発明を限定せずに、CdSの第一半導体層26とCdTeの第二半導体層28をここで説明する。しかし、この発明は、限定されないがCdS/CdTe、CdS/HgCdTe、CdS/CdZnTeおよびCdS/ZnTeを含む導電性のタイプが異なる半導体材料の適当な組合せを使って実施できる。
当業技術者にとって明らかなように、スズ酸カドミウム膜24に対する基板22は、これを透過することが望ましい光の波長の範囲にわたって光学的に透明でなければならない。可視光を透過させることができる適当な透明基板22としてはシリカとガラスがある。また、透明基板22は、以下に説明するように、 550℃以上の温度での熱処理に耐えることができる材料製でなければならず、そしてスズ酸カドミウム膜24は透明基板22の材料に固着しなければならない。透明基板22の熱膨張係数は、スズ酸カドミウム膜24の熱膨張係数に充分近くて、熱処理中にスズ酸カドミウム膜24がひび割れしたりまたは曲がるのを防止する値でなければならない。
この発明によれば、スズ酸カドミウム膜24は、化学量論的量のSnO2とCdOを含有するホットプレスされたターゲットから透明基板22上にRFスパッタリングを行うことによって製造される。このスパッタリングは、存在する金属酸化物と反応しうる不純物を実質的に含有しない実質的に純粋な酸素の雰囲気内で実施することができる。その酸素は好ましくは純度が99.999%である。
また、上記スパッタリングは室温で行うことが好ましい。Cd2SnO4層は、RFスパッタリングで被着させると、黄色を帯びた色であり実質的に、アモルファスである。当業技術者にとて明らかなように、膜は、厚みが薄ければ薄いほど、一層高い光透過率が得られ、そして厚みが厚ければ厚いほど一層低いシート抵抗が得られる。
CdS層は、当業技術者に知られている方法によって、第二基板(図示せず)上に生成させることができる。たとえば、CdS層は、化学浴被着法またはスパッタリング法によって生成させることができる。最大の層の厚みというものはないが、そのコーティングは、再使用するのに充分な厚みでなければならない。また CdS層は、表面が滑らかで、均一、かつピンホールなしでなければならない。
第二基板は、550℃以上の温度での熱処理に耐えることができる、当業技術者に知られている材料であればよい。その材料はCdSが固着する材料でなければならない。また、コートされた第二基板は、以下に説明するように、Cd2SnO4層に良好に接触するよう充分に平坦なCdS層の面を有していなければならない。その上、第二基板は、前記処理温度でCdSと化学的に反応してはならない。適切で安価な基板はソーダ石灰ガラスである。
次に、前記Cd2SnO4層とCdS層を、水と酸素を実質的に含有しない環境内で互いに接触させる。水と酸素はスズ酸カドミウム膜24に汚点を生じさせ、この汚点はこの膜の光学的特性と電気特性を阻害する。この方法において、適切な環境は、周囲圧力下の流動アルゴンである。次に、これらの基板と層を、Cd2SnO4層が、CdO、SnO2およびCd2SnO3の相を実質的に含有しない、スピネル結晶構造を有するCd2SnO4の均一単相層を形成するのに充分な期間加熱する。Cd2SnO4のこの均一単相層は、本明細書では、“スズ酸カドミウム膜24”と呼称して、本明細書で一般に“Cd2SnO4層”と呼ばれる熱処理する前の実質的にアモルファスのCd2SnO4の層と区別する。その処理温度は、透明基板22を軟化して損傷させるのを防ぐため充分に低くなければならない。処理温度は高い方が優れたスズ酸カドミウム膜 24の特性をもたらすが、600℃より低い温度で満足すべき膜が得られた。実験室の経験で、20分間が満足すべき処理時間であることが分かった。本明細書に記載の方法で製造され厚みが約0.5ミクロンのスズ酸カドミウム膜24が、望ましい光学特性と電気特性を有することが見出されたのである。
熱処理を行った後、これら二つの基板は、基板に応力が生じるのを避けるのに充分に遅い速度で冷却して、互いに引きはなす。そのスズ酸カドミウム膜24を有する透明基板22は、以下に説明するように、さらに加工してこの発明の光起電力装置20を製造する。そのCdS層を有する第二基板は、CdS層が薄くなりすぎて適正に機能できなくなるまで再使用することができる。次に、第二基板は、新しいCdS層で再びコートして再使用することができる。
熱処理中、CdSの蒸気が、CdS層から昇華してCd2SnO4の結晶格子中に拡散して、格子間型カドミウムと酸素の空格子点を生成し、存在する二次相の量が減少すると考えられる。図2は、熱処理前のアモルファスCd2SnO4層と熱処理後のスズ酸カドミウム膜のX線回折図形を比較して示す。そのデータは、格子間型カドミウムなしのCd2SnO4より格子定数がわずかに大きい単相スピネル結晶構造を示している。
冷却し、CdSでコートされた第二基板から分離した後、第一半導体層26を、スズ酸カドミウム膜24の上面に被着させる。第一半導体層26には、第一半導体層26とは導電性タイプが異なる第二半導体層28が隣接している。リア電気コンタクト30が、第二半導体層28上に被着され、その層にオーム接触している。半導体層26と28およびバック接点30は、公知の方法、たとえば化学浴被着法、蒸着法、電着法などで生成させることができる。好ましくは、第一半導体層26は化学浴被着法で被着させ、そして第二半導体層28は、以下の諸実施例で説明するように、密閉空間昇華法で被着させる。
光起電力装置20は、スズ酸カドミウム膜24上に電気コンタクトまたは電極パッド(図示せず)を備えており、その機能と構造は、該当技術分野で公知であり、この発明の部分ではない。光起電力装置20は、さらに、透明基板22のフロント面上に半導体材料中への光の初期透過を高めるため反射防止(AR)コーティング(図示せず)を設けてもよく、このコーティングも当該技術分野で公知であり、この発明の部分ではない。
この発明の光起電力装置に関連する重要な利点は、スズ酸カドミウム膜の高い導電性に起因する改良された装置の特性である。当業技術者であれば分かるように、透明導電性膜の導電性は、担体の濃度または電子移動度を増大することによって改良することができる。しかし、意外なことに、この発明の光起電力装置の透明導電性膜は、高い担体濃度の場合でも、著しく高い電子移動度を示す。この観察結果の根拠は充分に理解されていないが、熱処理中、CdS蒸気がCdS層から昇華してCd2SnO4の結晶格子中に拡散し、格子間型カドミウムと酸素の空格子点を生成して遊離電子が発生するためと考えられる。
表1は、2種の市販SnO2膜、テトラメチルスズ(TMT)法で製造したSnO2膜、および以下の実施例1に記載したようにして製造したスズ酸カドミウム膜類の厚みと電気特性を比較している。表1中、Rsは面積抵抗率であり、μは電子移動度、ηは電荷担体(charge carrier)の濃度であり、そしてρは抵抗率である。表1に示す値はすべて、同じ装置と分析法を使用して同じ実験室で得た。膜の厚みは、光透過率曲線の隣接する干渉極大点の位置から測定し、次にDektak厚みプロフィロメータを用いてクロスチェック(cross check)を行った。η、μおよびρの値はホール効果法で得た。またRsは4点プローブ法で測定した。
表1に示すように、担体濃度が約9×1020cm-3の場合でさえ、電子移動度が高いままである(約55cm2/Vs)。この電子移動度は、類似のレベルまでドープされた従来のSnO2膜よりかなり高い(約2~3倍である)。
また、表1に示すように、スズ酸カドミウム膜の抵抗率は、類似の基板上に被着させた従来のSnO2膜より著しく低い(約1/2~1/6である)。したがって、この発明の光起電力装置は、このような抵抗率が低いスズ酸カドミウム膜が存在しているため、直列抵抗が低くなりフィルファクターが増大して効率が改良されるという重要な利点を示している。この利点は、小面積と大面積の光起電力装置の両方に当てはまるが、商業的モジュールで直列抵抗が低下することは、レーザスクライブライン(laser scribe line)間の距離を、有意な抵抗電力損なしで大幅に増大できるので、特に興味深い。さらに、スクライブライン間の距離が増大するので、必要なスクライブラインが少なくなり、処理能力が改良されて製造コストが低下する。
この発明の光起電力装置に関連する他の著しい利点は、スズ酸カドミウム膜の光透過率と電気抵抗が、従来のTCO膜を有する既存の装置に比べて改良されていることである。先に考察したように、従来のTCO類は固有のシート抵抗が高いので、透明導電性膜に抵抗損を起こして装置の効率が低下する。これらの膜のシート抵抗を下げるには、通常、TCO層の厚みを増やさねばならないが、そうすると、光透過率が低下する。スズ酸カドミウム膜の導電性が優れているため、TCOを薄い層で被着させることができるので、光透過率が改善されて、半導体材料に到達する電磁放射線の量が改善される。この改良の根拠は充分に分かっていないが、先に考察したように、スズ酸カドミウム膜の電子移動度が非常に高いことに起因していると考えられる。したがって、この発明の光起電力装置は、短絡電流が改善されて、性能が従来技術の装置より改良されている。
この発明の光起電力装置のさらに著しい利点は、透明導電性膜の表面形態が改良されていることであり、この改良によって、装置の性能が改善されている。図4は、従来のSnO2膜(図4a)とスズ酸カドミウム膜(図4b)の表面形態を比較している。図4から分かるように、スズ酸カドミウム膜の表面は、SnO2膜の表面より著しく滑らかである。原子間力顕微鏡法から得たデータは、スズ酸カドミウム膜の平均表面粗さは、SnO2膜より一桁低い値である。ヘテロ接合太陽電池の場合、ウィンド層の吸光度を減らすと短絡電流(Jsc)が増大することは公知である。CdS/CdTe太陽電池の場合、このことは、CdSの厚みを減らすことによって一般に達成される(C.Ferekidesら、23rd IEEE SPVC Proc.
1993年、389~393頁)。一般に、薄いCdS層を有するCdS/CdTe太陽電池は、青色に、非常に優れた分光応答を示す。しかし、CdS膜の厚みを600Å~700Åの範囲内まで減らすと、開路電圧とフィルファクターが低下する。CdTeの被着と続いてCdCl2熱処理を行っている間に、CdS膜は、部分的にまた完全に消費されてCdS1-xTexの混合層が生成する。このCdSの消費は、報告によると、CdS膜の厚みが低下するにつれて増大する(B.E.McCandlessおよび S.S.Hegedus、22nd IEEE SPVC Proc.1991年、967~972頁)。CdS膜が薄くなると、ピンホールが発生してCdTe/TCO(具体的に述べるとCdTe/SnO2)接合を生成し、その結果、開路電圧とフィルファクターが低下する。ピンホールが生成する確率は、SnO2の表面粗さが増大するにつれて、特にスパッタ被着CdSまたはCSS被着CdSの場合に増大する(A.Rohatgiら、22nd IEEE SPVC Proc.1991年、962~966頁)。したがって、スズ酸カドミウム膜の表面形態がかなり改善されて同時にピンホールの生成が減るので、この発明の光起電力装置は、装置の性能が大幅に改善される。
また、スズ酸カドミウム膜は、従来のSnO2膜より、はるかに容易にパターンをつけることができる(HClまたはHF中でのエッチングによる)ので、この発明の光起電力装置の生産が容易になり、商業用途が著しく拡大する。図5は、写真平版法を利用し、希塩酸中2分間でエッチングを行ってパターンをつけたスズ酸カドミウム膜を示す。図5に示すように、スズ酸カドミウム膜は、エッジデフィニション(edge definition)に優れており、このことは、特定の商業用途、たとえば、最新の光起電カモジュールやフラットパネル表示装置を加工する場合に特に重要である。
また、この発明の光起電力装置は、スズ酸カドミウム膜の機械特性が改善されているので、既存の装置より耐久力がありかつ(化学的にかつ熱的に)安定である。特に、ガラス基板に被着されたスズ酸カドミウム膜は接着性に優れ、適度に硬質でかつスクラッチ抵抗性であり、高温で長時間にわたって高い安定性を示す。さらに、そのスズ酸カドミウム膜は、従来のTCO膜より、被着後の処理(すなわちCdCl2熱処理)によって余り影響を受けないので、工程の再現性と製品の収率が改善される。結局、この発明の光起電力装置は経済的にも有利である。低価格の基板、たとえばソーダ灰ガラスの基板を使用し生産コストを減らして、高い効率の薄膜装置を製造することができる。
以下の諸実施例は、この発明の実際と効用を示すが、この発明の範囲を限定するものではない。当業技術者に知られている適切な実験室装置を使用して、膜と太陽電池を製造し、電気特性と光学的特性を分析することができる。これら諸実施例で、Cd2SnO4層は、CVC Products,Inc.が生産している改良SC-3000蒸発システムを用いて基板に被着させる。光学的測定は、Varian Comanyが生産しているCary 2300分光光度計で行う。

Photovoltaic Device And Its Method Of Preparation.

Cross-Reference to Other Applications This patent application is a continuation-in-part of U.S. patent application Serial Number 08/740,347, filed November 7,1996, and entitled Thin Transparent Conducting Films of Cadmium Stannate.

Contractual Origin of the Invention The United States Government has rights in this invention under Contract No. DE-AC36-83CH10093 between the U.S. Department of Energy and the National Renewable Energy Laboratory, a Division of Midwest Research Institute.

Technical Field: The present invention relates generally to photovoltaic devices and more particularly to thin film solar cells comprising a thin transparent conducting film of cadmium stannate.

Background Art: Photovoltaic devices, used extensively in a myriad of applications, have generated considerable academic and commercial interest in recent years. Photovoltaic devices (solar cells) utilize the specific conductivity properties of semiconductors to convert the visible and near visible light energy of the sun into usable electrical energy.

This conversion results from the absorption of radiant energy in the semiconductor materials which frees some valence electrons, thereby generating electron-hole pairs.

The energy required to generate electron-hole pairs in a semiconductor material is referred to as the band gap energy, which in general is the minimum energy needed to excite an electron from the valence band to the conduction band.

Cadmium telluride (CdTe) has long been recognized as a promising semiconductor material for thin-film solar cells due to its near-optimum band gap of 1.5 eV and high absorption coefficient. CdTe is typically coupled with a second semiconductor material of different conductivity type such as cadmium sulfide (CdS) to produce a high efficiency heterojunction photovoltaic cell. Small-area CdS/CdTe heterojunction solar cells with solar energy to electrical energy conversion efficiencies of more than 16% and commercial-scale modules with efficiencies of about 9% have been produced using various deposition techniques, including close-space sublimation or "CSS" (U.S. Patent No. 5,304,499, issued April 19, 1994, to Bonnet et al.), spray deposition (e.g., J.F. Jordan, Solar Cells, 23 (1988) pp. 107-113), and electrolytic deposition (e.g., B.M. Basol, Solar Cells, 23 (1988), pp. 69-88).

Thin film solar cells typically comprise an optically transparent substrate through which radiant energy enters the device, the intermediate layers of dissimilar semiconductor materials (e.g., CdS and CdTe), and a conductive film back contact.

Generally, when the substrate is not electrically conductive, a thin layer of transparent conductive oxide (TCO) is deposited between the substrate and the first semiconductor layer to function as a front contact current collector. However, conventional TCOs, such as tin oxide, indium oxide, and zinc oxide, have high sheet resistivities (typically about 10 ohms per square), and hence poor conductivity, at thicknesses necessary for good optical transmission. Thus, because of their high sheet resistivities, conventional TCOs are not efficient current collectors in solar cells of any appreciable size (i.e., greater than about one square centimeter), particularly in commercial-scale modules.

One way around the current collection limitation described above is to incorporate a more efficient current collection means, such as a front contact current collector grid, into the TCO layer. These current collector grids generally comprise a network of very low resistivity material that collects electrical current from the transparent conductive layer and channels the current to a central current collector.

For example, U.S. Patent Nos. 4,647,711, 4,595,790 and 4,595,791 to Basol et al.

each disclose a photovoltaic device having a metallic conductive grid integrated into the TCO layer to decrease the series resistance of the device. Although supplementing the TCO layer with a metallic grid may theoretically enhance the current collecting capacity of the solar cell, because the grid material is not optically transparent, the presence of the grid can actually reduce the overall conversion efficiency of the photovoltaic device. Other disadvantages and potential problems commonly associated with the use of current collector grids include diffusion of the grid material into the semiconductor layers, short circuiting of the device, and incomplete or uneven deposition of the semiconductor layers due to the geometry of the grid.

U.S. Patent No. 4,808,242 to Murata et al. discloses a photovoltaic device having a substrate on which a plurality of transparent electrodes for each photoelectric conversion cell are arranged. Each transparent electrode has a coupling conductor and a plurality of collecting electrodes connected to the coupling conductor. Although the Murata et al. device includes a transparent current collecting network, and thus avoids the problems associated with a non-optically transparent system, it is difficult and expensive to produce due to the additional materials and processing steps required to integrate the intricate arrangement of electrodes and coupling conductors.

It is desirable to create a transparent conducting film between the substrate and the first semiconductor layer that has both low electrical sheet resistance and high optical transmission. Low sheet resistance is a primary requirement of any contact on a semiconductor device to reduce the barrier to carrier flow between the semiconductor device and the external electronic circuit. High optical transmission is also very important to increase the amount of electromagnetic radiation that is absorbed by the semiconductor material, thereby optimizing the operation of the photovoltaic device by maximizing the number of photogenerated electrons available for collection. Unfortunately, it is difficult to provide both of these conditions simultaneously, low sheet resistance and high optical transmission, in the transparent conducting layer using conventional methods and TCO materials. As previously stated, conventional TCOs have high inherent resistivity. High sheet resistance causes ohmic losses in the transparent conducting film, which decreases the overall conversion efficiency of the device. To reduce the sheet resistance of these conventional TCO films, and thus potentially improve device performance, the TCO must be deposited as a relatively thick layer. However, the thicker the transparent conducting film, the lower the transmission and thus the less electromagnetic radiation that reaches the semiconductor material, thereby reducing the conversion efficiency of the solar cell.

Another disadvantage associated with conventional TCO layers in thin film solar cell devices is their generally rough surface morphology. For example, one of the most popular TCOs currently in use, tin oxide (SnO2), when deposited as a thin film by chemical vapor deposition (CVD) typically produces an average surface roughness of between about 100 and 250 A*. Such high surface roughness has several significant disadvantages. First, it is well known that high efficiency solar cells (e.g., thin film CdS/CdTe solar cells) require a very thin semiconductor (CdS) window layer, typically with a thickness of around 600 A*. However, this high SnO2 surface roughness coupled with a thin CdS layer can significantly affect the uniformity of both the CdS layer and the resulting CdS, xTex intermixed layer, which will be described in more detail below.

If the CdS and CdS,,Te, layers are not uniform or complete, this has the adverse effect of increasing interface defects thus reducing open circuit voltage and fill factor, and can ultimately cause severe degradation. Second, a high surface roughness increases the junction area of the solar cell which causes an increased dark current, and hence a lower open circuit voltage and fill factor. Finally, it is desirable to create a smooth surface on the transparent conducting film so that the thickness of the semiconductor window layer can be minimized. Having a very thin window layer means more absorption of optical photons (particularly energy of short wavelength) in the active region of the semiconductor device, and thus improved photovoltaic conversion efficiency.

Another problem with conventional SnO2 is that they can be very difficult to pattern, which limits their commercial applications. It is especially important for commercial applications that the transparent conducting film be easy to pattern or etch, particularly for advanced module and display device processing. Transparent conducting films suitable for commercial use must also be easy to produce, inexpensive, durable, stable under standard processing conditions, and chemically compatible with the semiconductor material, specifically the CdS window layer.

A need therefore exists for an improved, high efficiency, thin film photovoltaic device. This improved device should include a transparent conducting film (TCO) which features a variety of desirable optical, electronic and mechanical properties.

Specifically, the transparent conducting layer should exhibit high electrical conductivity, high optical transmission, relatively smooth surface morphology, good chemical and environmental stability, be easy and inexpensive to produce, and be easily patternable for module production. Ideally, this high efficiency device should have a front contact with a sheet resistivity as low as 2-5 ohms per square and an optical transmittance greater than 85 percent. Until this invention, no such device existed.

Disclosure of the Invention Accordingly, it is a general object of this invention to provide a thin film photovoltaic device having improved optical and electrical properties.

It is a more specific object of this invention to provide a thin film solar cell having a highly conductive TCO layer.

It is a further object of this invention to provide a thin film solar cell having a TCO layer with high optical transmission.

It is yet another object of this invention to provide a thin film solar cell having a TCO layer with a low sheet resistance at thicknesses necessary for good optical transmission.

It is a more specific object of this invention to provide a thin film solar cell having a TCO layer with a sheet resistance less than 3 ohms per square and an optical transmittance greater than about 85 percent.

It is another object of this invention to provide a thin film solar cell having a TCO layer with a low sheet resistance, and hence an efficient current collector, at solar cell sizes greater than about one square centimeter.

It is a yet further object ofthis invention to provide a thin film solar cell having a TCO layer with low surface roughness.

It is a still further object ofthis invention to provide a thin film solar cell having a TCO layer which is highly stable.

It is vet another object of this invention to provide a thin film solar cell having a TCO layer which is easily patternable.

It is another general object ofthis invention to provide a photovoltaic device having all of the above attributes.

It is yet another general object of this invention to provide a method for making a photovoltaic device having all of the above attributes.

To achieve the foregoing and other objects and in accordance with the purposes of the present invention, as embodied and broadly described therein, the articles of manufacture of this invention may comprise a substrate, a layer of cadmium stannate (Cd2SnO4 or "CTO") disposed on said substrate as a front contact, a thin film comprising two or more layers of semiconductor materials disposed on said layer of Cd2SnO4, and an electrically conductive film disposed on said thin film of semiconductor materials to form a rear electrical contact to said thin film.

To further achieve the foregoing and other objects and in accordance with the purposes of the present invention, as embodied and broadly described therein, one embodiment of this invention comprises a process for preparing a photovoltaic device having a layer of Cd2SnO4 as a front contact. The method of this invention includes depositing a Cd2SnO4 layer onto a substrate, depositing a thin film of semiconductor materials onto the layer of Cd2SnO4, and depositing an electrically conductive film onto the thin film of semiconductor materials.

Brief Description of the Drawings The accompanying drawings, which are incorporated in and form a part of the specifications, illustrate the preferred embodiments of the present invention, and together with the descriptions serve to explain the principles of the invention.

In the Drawings: Figure 1 is a cross-sectional view (not in actual scale or proportion) of a photovoltaic device, such as a solar cell, in accordance with the present invention.

Figure 2 is a graph showing the relative intensities of x-ray diffraction peaks as a function of 2 theta for a Cd2SnO4 layer prior to heat treatment and the cadmium stannate film after treatment.

Figure 3a is a graph showing the transmittance for the cadmium stannate film shown in Figure 2 and a commercially available SnO2 thin film.

Figure 3b is a graph showing the absorbance for the cadmium stannate film shown in Figure 2 and a commercially available SnO2 thin film.

Figure 4a is an atomic force micrograph showing the surface morphology of a conventional SnO2 film.

Figure 4b is an atomic force micrograph showing the surface morphology of a cadmium stannate film.

Figure 5 is an optical micrograph of a photolithographically patterned cadmium stannate film which was etched in dilute HCl for 2 minutes.

Figure 6 is a graph of resistivity as a function of temperature for the cadmium stannate and SnO2 films shown in Figures 3 and 4.

Figure 7 is a graph of current and voltage for a photovoltaic device of the present invention. Figure 8 is a graph of open circuit voltage as a function of CdCl2 concentration for a set of photovoltaic devices of the present invention and a set of photovoltaic devices comprising a commercially available SnO2 thin film.

Detailed Description of the Preferred Embodiments Figure 1 shows a cross-sectional view of a photovoltaic device of the present invention. The photovoltaic device generally referred to by reference number 20 comprises a transparent substrate 22 through which radiant energy enters the device.

A thin transparent conducting oxide (TCO) film of cadmium stannate (Cd2SnO4) 24 is deposited onto the transparent substrate 22 and is contiguous thereto. The cadmium stannate film 24 is deposited between the transparent substrate 22 and the first semiconductor layer 26 (described below) to function as a front contact current collector. The cadmium stannate film 24 thus replaces the conventional TCO films commonly used in photovoltaic devices. A first semiconductor layer 26 is disposed on the cadmium stannate film 24 and a second semiconductor layer 28 is disposed on the first semiconductor layer 26. The conductivity types of semiconductor layers 26 and 28 are not the same. A back electrical contact 30 is disposed over the second semiconductor layer 28 and in ohmic contact therewith.

The illustrations of photovoltaic device 20 and its various portions or components in Figure 1 are not intended to be drawn to scale or even in proportion, because the very thin components and layers of the photovoltaic device 20 are impractical, if not impossible, to illustrate to scale or in proper proportion. Therefore.

this figure is for illustrative purposes only, as will be understood by persons skilled in this art.

The present invention also provides a method of making a photovoltaic device 20, which method includes depositing a film of cadmium stannate 24 onto a transparent substrate 22. The cadmium stannate film 24 is formed by RF sputtering a layer of substantially amorphous Cd2SnO4 onto a suitable transparent substrate 22. A layer of CdS is formed on a second substrate (not shown), such as soda lime glass, by a suitable technique, such as RF sputtering or chemical bath deposition. The coated CdS layer is placed in contact with the Cd2SnO4 layer and heated to a treatment temperature sufficient to induce crystallization of the Cd2SnO4 layer. The resulting uniform, crystalline cadmium stannate film 24 has significantly improved electrical and optical properties when compared to the properties of previously available TCO films. The above-described method for depositing a film of cadmium stannate 24 onto a transparent substrate 22 is described in a related copending U.S. patent application entitled "Thin Transparent Conducting Films of Cadmium Stannate," which is incorporated by reference herein. Following deposition of the cadmium stannate film 24, at least two semiconductor materials of differing conductivity types (semiconductor layers 26 and 28) are deposited on the cadmium stannate film 24 to function as a semiconductor for the device 20.

For the purpose of providing a detailed description and an enabling embodiment, but not for the purpose of limitation, this description refers to a first semiconductor layer 26 of CdS and a second semiconductor layer 28 of CdTe.

However, the present invention can be practiced using any suitable combination of semiconductor materials of differing conductivity types including, but not limited to, CdS/CdTe, CdS/HgCdTe, CdS/CdZnTe, and CdS/ZnTe.

As is apparent to one skilled in the art, the substrate 22 for the cadmium stannate film 24 must be optically transparent over the range of light wavelengths for which transmission through the substrate is desired. Suitable transparent substrates 22 allowing transmission of visible light include silica and glass. Also, the transparent substrate 22 must be of a material capable of withstanding heat treatment at temperatures of 550"C or more, as described below, and the cadmium stannate film 24 must adhere to the transparent substrate 22 material. The thermal expansion coefficient of the transparent substrate 22 must be close enough to the thermal expansion coefficient of the cadmium stannate film 24 to prevent cracking or buckling of the cadmium stannate film 24 during heat treatment.

In accordance with the present invention, a cadmium stannate film 24 is created by RF sputtering from a hot-pressed target containing stoichiometric amounts of SnO2 and CdO onto the transparent substrate 22. The sputtering can be conducted in substantially pure oxygen which is substantially free of impurities which could react with the metal oxides present. Preferably, the oxygen is 99.999% pure. It is also preferred that the sputtering is at room temperature. As deposited by RF sputtering, the Cd2SnO4 layer is yellowish in color and substantially amorphous. As is apparent to one skilled in the art, higher transmittance is obtained with a thinner film, and lower sheet resistance is obtained with a thicker film.

The CdS layer may be formed on a second substrate (not shown) by any method known to those skilled in the art. For example, the CdS layer may be formed by chemical bath deposition or sputtering. Although there is no maximum layer thickness, the coating should be thick enough for reuse. The CdS layer must also have a smooth surface and be uniform and free of pinholes.

The second substrate may be any material known to those skilled in the art which is capable of withstanding heat treatment up to 550"C or more. The material must be one to which CdS will adhere. Also, the coated substrate must have a CdS layer surface which is sufficiently flat to make good contact with the Cd2SnO4 layer, as described below. Further, the second substrate must not react chemically with CdS at the treatment temperature. A suitable, inexpensive substrate is soda lime glass.

The Cd2SnO4 and CdS layers are then placed in contact with each other in an environment substantially free of water and oxygen. Water and oxygen cause stains in the cadmium stannate film 24 which inhibit its optical and electrical properties. In this method, a suitable environment is flowing argon at ambient pressure. The substrates and layers are then heated for a period of time sufficient for the Cd2SnO4 layer to form a uniform single-phase layer of Cd2SnO4 with a spinel crystal structure, substantially free of CdO, SnO2 and CdSnO3 phases. This uniform single-phase layer of Cd2SnO4 is referred to herein as the "cadmium stannate film 24," as distinguished from the layer of substantially amorphous Cd2SnO4 prior to treatment, which is generally referred to herein as the "Cd2SnO4 layer." The treatment temperature should be low enough to prevent softening and damage to the transparent substrate 22. Although higher temperatures result in superior cadmium stannate film 24 properties, satisfactory films have been obtained at temperatures less than 600"C. Twenty minutes was found to be a satisfactory period for treatment in laboratory experiments. Cadmium stannate films 24 prepared by the method described herein and having thicknesses of about 0.5 microns were found to have desirable optical and electrical properties.

After the heat treatment, the two substrates are cooled at a rate slow enough to avoid stress in the substrates and removed from each other. The transparent substrate 22 with its cadmium stannate film 24 is further processed to produce the photovoltaic device 20 of the present invention, as described below. The second substrate with its CdS layer may be reused until the CdS layer is too thin to perform properly. The second substrate may then be re-coated with a new layer of CdS and reused.

It is believed that during the heat treatment, CdS vapor is sublimated from the CdS layer and diffuses into the Cd2SnO4 crystal lattice, creating interstitial cadmium and oxygen vacancies and reducing the quantity of secondary phases present. Figure 2 shows a comparison of the X-ray diffraction patterns for the amorphous Cd2SnO4 layer prior to heat treatment and the cadmium stannate film after treatment. The data indicate a single-phase spinel crystal structure having a slightly larger lattice constant than Cd2SnO4 without interstitial cadmium.

Following cooling and separation from the CdS-coated second substrate, a first semiconductor layer 26 is deposited on the top surface of the cadmium stannate film 24. Contiguous to the first semiconductor layer 26 is a second semiconductor layer 28 having a conductivity type that is different from the conductivity type of first semiconductor layer 26. A back electrical contact 30 is disposed over the second semiconductor layer 28 and in ohmic contact therewith. The semiconductor layers 26 and 28 and the back contact 30 may be formed by any known process, such as chemical bath deposition, vapor deposition, electro-deposition, and the like.

Preferably, the first semiconductor layer 26 is deposited by a chemical bath deposition and the second semiconductor layer 28 is deposited by close-space sublimation, as described in the Examples hereof.

The photovoltaic device 20 may include an electrical contact or electrode pad (not shown) on the cadmium stannate film 24, the function and construction of which is known in the art and not a part of this invention. The photovoltaic device 20 may further include an anti-reflective (AR) coating (not shown) on the front surface of the transparent substrate 22 to enhance the initial transmission of light into the semiconductor material, which is also known in the art and not a part of this invention A significant advantage associated with the photovoltaic device of the present invention is the improved device performance due to the high conductivity of the cadmium stannate film. As will be appreciated by those of skill in the art, the conductivity of the transparent conducting film can be improved by increasing either the carrier concentration or the electron mobility. Surprisingly, however, the transparent conducting films in the photovoltaic devices of the present invention exhibit unusually high electron mobilities, even at high carrier concentrations.

Although the basis for this observation is not fully understood, it is believed that during the heat treatment, CdS vapor is sublimated from the CdS layer and diffuses into the Cd,SnO4 crystal lattice, creating interstitial cadmium and oxygen vacancies and thus generating free electrons.

Table 1 compares the thicknesses and electrical properties of two commercially available SnO2 films, a SnO2 film prepared using a tetramethyltin (TMT) process, and cadmium stannate films prepared as described in Example 1 below. In the table, Ilk is the sheet reslstivity, cm is electron mobility, n is the charge carrier concentration, and p is the resistivity. All values reported in Table 1 were obtained in the same laboratory using the same equipment and analytical techniques. Film thicknesses were determined from the position of neighboring interference maxima in optical transmittance curves, and cross checks were performed using a Dektak thickness profilometer. The values for n, ?, and p were obtained by the Hall effect method, and Rs was measured by the four-point probe technique.

TABLE I Sample Thickness n ? # p Rs (substrate) (A) (cm-3) (cm2fVs) (Il-cm) (#/Sq.) Cd2SnO4-l 5100 8.94x1025 54.5 1.28 x 10-4 2.58 (7059 glass) Cd2SnO4-2 5500 6.58x1020 51.6 1.84x104 3.2 (soda-lime glass) SnO2-l ~lOooo 4.95 x 102° 15.4 8.18 x 10-4 8.6 (7059 glass) SnO2-2 3400 4.19 x 1020 33.0 4.53 x 10-4 13.4 (soda-lime glass) SnO2-3 10000 4.52 x 1020 42.0 3.29 x 10-4 3.3 (7059 glass) As shown in Table 1, even at a carrier concentration of about 9 x 1020 cm~3, the mobility remains high (about 55 cm2/Vs). These mobilities are substantially higher (approximately two to three times higher) than conventional SnO2 films doped to similar levels.

Also as shown in Table 1, the resistivity of cadmium stannate films is significantly lower (approximately two to six times lower) than that of conventional SnO2 films deposited on similar substrates. Thus, the photovoltaic devices of the present invention offer the important advantage of reduced series resistance and increased fill factor, and hence improved efficiency, due to the presence of these low- resistivity cadmium stannate films. Although this advantage applies to both small and large-area photovoltaic devices, reducing the series resistance in commercial modules is of particular interest, since the distance between laser scribe lines can be significantly increased without significant resistive power losses. Moreover, because the distance between scribe lines is increased, fewer scribe lines are required, thus improving throughput and reducing manufacturing costs.

Another significant advantage associated with the photovoltaic device of the present invention is the improved optical transmission and electrical resistance of the cadmium stannate film, as compared to existing devices comprising conventional TCO films. As previously discussed, conventional TCOs have high inherent sheet resistances, which causes ohmic losses in the transparent conducting film and reduces the efficiency of the device. Normally, to reduce the sheet resistance of these films, the thickness of the TCO layer must be increased, which decreases the optical transmission. Because of the superior conductivity of the cadmium stannate film, the TCO can be deposited in a thin layer, thereby improving the optical transmission and hence the amount of electromagnetic radiation that reaches the semiconductor material. Although the basis for this improvement is not fully understood, it is believed to result from the unusually high electron mobility of the cadmium stannate film, as previously discussed. Thus, the photovoltaic device of the present invention offers improved short circuit currents, and hence improved performance, over prior art devices.

A yet further significant advantage of the photovoltaic device of the present invention is the improved surface morphology of the transparent conducting film, which provides improved device performance. Figure 4 provides a comparison of the surface morphologies of a conventional SnO2 film (Figure 4a) and a cadmium stannate film (Figure 4b). As can be seen in Figure 4, the surface of the cadmium stannate film is significantly smoother than the surface of the SnO2 film. Data obtained from atomic force micrography indicate that the average surface roughness of the cadmium stannate film is an order of magnitude lower than that of the SnO2 film. It is well known that in a heterojunction solar cell, reducing the window layer absorption increases short circuit current (Jsc) In CdS/CdTe solar cells, this is typically achieved by reducing the CdS thickness (C. Ferekides, et al., 23rd IEEE SPVCProc. (1993) pp. 389-393). In general, a CdS/CdTe solar cell with a thin CdS layer has much better spectral response in the blue. However, reducing the thickness of the CdS film to between 600 A* and 700 A* can reduce the open circuit voltage and fill factor. During CdTe depositions and subsequent CdCl2 heat-treatment, the CdS film is either partially or completely consumed forming a CdS1.xTQ intermixed layer. The CdS consumption reportedly increases as the CdS film thickness decreases (B.E. McCandless and S.S. Hegedus, 22nd IEEE SPVC Proc. (1991) pp. 967-972). As the CdS film thins, pinholes can develop and create CdTe/TCO (specifically CdTe/SnO2) junctions, which reduces the open circuit voltage and fill factor. The probability of pinhole formation increases, particularly for sputter deposited or CSS deposited CdS, as the SnO2 surface roughness increases (A. Rohatgi, et al., 22nd IEEE SPVC Proc. (1991) pp. 962-966).

Thus, because of the considerable improvement in surface morphology of cadmium stannate films and the concomitant reduction in pinhole formation, the photovoltaic device of the present invention provides a significant improvement in device performance.

Cadmium stannate films are also much easier to pattern than conventional SnO2 films (by etching in either HCl or HF), thus facilitating production and significantly expanding commercial applications of the photovoltaic device of the present invention.

Figure 5 shows a photolithographically patterned cadmium stannate film which was etched in dilute HCI for 2 minutes. As shown in Figure 5, cadmium stannate films provide excellent edge definition, which is particularly important for certain commercial applications, such as in advanced photovoltaic module and flat panel display device processing.

The photovoltaic device of the present invention is also more durable and stable (chemically and thermally) than existing devices due to the improved mechanical properties of the cadmium stannate film. In particular, cadmium stannate films deposited on glass substrates have good adhesion, are reasonably hard and scratch resistant, and exhibit high stability at elevated temperatures and over long periods of time. Moreover, the cadmium stannate films are less affected by post-deposition processing (i.e., CdCl2 heat-treatment) than conventional TCO films, thus improving process reproducibility and product yield. Finally, the photovoltaic device of the present invention is also economically advantageous. Highly efficient thin film devices can be produced using low cost substrates, such as soda lime glass substrates, thus reducing production costs.

The following examples demonstrate the practice and utility of the present invention but are not to be construed as limiting the scope thereof. Any suitable laboratory equipment known to those skilled in the art can be utilized to fabricate films and solar cells and analyze electrical and optical properties. In the examples, Cd2SnO4 layers are deposited onto substrates using a modified SC-3000 evaporation system, manufactured by CVC Products, Inc. Optical measurements are made with a Cary 2300 spectrophotometer, manufactured by Varian Company.

「特表2001-504281およびWO9847702より引用」

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[Claims] 部分透過性光起電モジュール

【特許請求の範囲】
【請求項1】
直列接続された複数の電池と、少なくとも1層のアモルファス半導体層と、金属接点層と、該直列接続された複数の電池を接続させる相互接続と、を含む部分的に透過性である薄膜光起電性モジュールの製造方法であって、少なくとも該金属接点層を貫通して複数のレーザー刻印をレーザーにより刻む工程と、該レーザー刻印を該相互接続の方向を横断する方向に位置づける工程と、を含む方法。
【請求項2】
さらに、モジュール内の最初と最後の電池に隣接して位置づけられている母線を含み、前記レーザー刻印が、光起電性モジュールの該母線を含まない表面を横断して延在する請求項1に記載の方法。
【請求項3】
前記レーザー刻印は、半導体材料を融除するレーザーを用いて形成され、半導体材料は金属接点層を貫通してバーストして刻印を形成する請求項1に記載の方法。
【請求項4】
半導体材料を融除するために用いたレーザーは、Nd-YAG、Nd-YFL及びNd-YVO4レーザーからなる群より選択される請求項1に記載の方法。
【請求項5】
各刻印は、約0.01~約0.5mmの幅を有し、互いに約0.5~約5mm離隔している請求項1に記載の方法。
【請求項6】
各刻印は、約0.05~約0.2mmの幅を有する請求項5に記載の方法。
【請求項7】
刻印は、互いに約0.5~約2mm離隔している請求項6に記載の方法。
【請求項8】
金属接点層の面積の約50%以下がレーザー刻印を含む請求項6に記載の方法。
【請求項9】
金属接点層の面積の約20%以下がレーザー刻印を含む請求項6に記載の方法。
【請求項10】
レーザー刻印は、相互接続の方向に直交する方向に位置づけられている請求項1に記載の方法。
【請求項11】
刻印は、複数のホールが相互に連結されてなる一列のホールの形態である請求項1に記載の方法。
【請求項12】
ホールは円形で、約0.1~約0.2mmの直径を有する請求項11に記載の方法。
【請求項13】
刻印は互いに平行である請求項1に記載の方法。
【請求項14】
わずかな刻印を有するか又は刻印を持たないボンドによって分離されている近接しているが離れている刻印のバンドとして、刻印はグループ化されている請求項1に記載の方法。
【請求項15】
各刻印は、約0.05~約0.2mmの幅を有し、互いに約0.5~約2mmだけ離れている請求項14に記載の方法。
【請求項16】
レーザー刻印は、互いに離隔しており、その間隔はモジュールの少なくとも一部において徐々に変化する請求項1に記載の方法。
【請求項17】
直列に接続された複数の電池と、少なくとも1のアモルファス半導体層と、金属接点層と、該著くれるに接続された複数の電池を接続する相互接続とを含む部分透過性光起電モジュールの製作方法であって、(a)少なくとも金属接点を通して、相互接続の方向を横断する方向に、複数の刻印をレーザー刻印する工程、及び(b)光起電モジュールに、デザイン、レタリング、ロゴ又は他の記載パターンを付与するために、予め選択されたパターンで少なくとも金属接点の部分を選択的に除去する工程からなる群より選択される少なくとも1工程を含む方法。
【請求項18】
予め選択されたパターンで、少なくとも金属接点の部分を選択的に除去して、光起電モジュールにデザイン、レタリング、ロゴ又は他の記載パターンを付与する工程を含む請求項17に記載の方法。
【請求項19】
金属接点は、複数のホールの1パターンをレーザー刻印することにより除去される請求項18に記載の方法。
【請求項20】
複数のホールは連結されている請求項19に記載の方法。
【請求項21】
ホールは、円形で約0.1~約0.2mmの直径を有する請求項20に記載の方法。
【請求項22】
直列に接続された複数の電池と、少なくとも1のアモルファス半導体層と、金属接点層と、該直列に接続された複数の電池を接続する相互接続とを含む光起電モジュールの製作方法であって、金属を選択的に除去するモジュールに光を透過させる目的でレーザーを用いて、金属接点の部分を選択的に除去する工程を含む方法。
【請求項23】
除去された金属の部分は、複数のホールの形態である請求項22に記載の方法。
【請求項24】
少なくとも数個のホールは連結されている請求項23に記載の方法。
【請求項25】
ホールは円形である請求項26に記載の方法。
【請求項26】
レーザーを用いて、金属接点層を貫通してバーストする半導体物質を融除して、金属を除去する請求項22に記載の方法。
【請求項27】
モジュールは、少なくとも約5%の透過率を有する請求項22に記載の方法。
【請求項28】
直列に接続された複数の電池と、少なくとも1のアモルファス半導体層と、金属接点層と、該直列に接続された複数の電池を接続する相互接続とを具備し、相互接続の方向を横断する方向に位置づけられた金属接点層を少なくとも貫通する複数の刻印を含む薄膜部分透過性光起電モジュール。
【請求項29】
各刻印は、約0.01~約0.5mmの幅を有する請求項28に記載のモジュール。
【請求項30】
各刻印は、約0.05~約0.2mmの幅を有する請求項29に記載のモジュール。
【請求項31】
刻印は、互いに約0.5~約5mmだけ離隔している請求項30に記載のモジュール。
【請求項32】
少なくとも約10%の透過率を有する請求項28に記載のモジュール。
【請求項33】
少なくとも約20%の透過率を有する請求項28に記載のモジュール。
【請求項34】
刻印は、連結されたホールの形態である請求項28に記載のモジュール。
【請求項35】
ホールは円形であり、約0.01~約0.2mmの直径を有する請求項34に記載のモジュール。
【請求項36】
モジュール内の最初と最後の電池に隣接して位置づけられている母線を含み、レーザー刻印は母線を含まない光起電モジュールの表面を横断して延在する請求項28に記載のモジュール。
【請求項37】
直列に接続された複数の電池と、少なくとも1のアモルファス半導体層と、金属接点層と、該直列に接続された複数の電池を接続する相互接続とを含み、金属接点層に形成され且つ金属接点層を貫通して延在するレタリング、ロゴ又は他の記載パターンを含む光起電モジュール。
【請求項38】
記載パターンは、複数のホールの1パターンをレーザー刻印することにより形成されたものである請求項37に記載の光起電モジュール。
【請求項39】
ホールの少なくとも一部は連結されている請求項38に記載の光起電モジュール。
【請求項40】
ホールは円形であり、約0.01~約0.2mmの直径を有する請求項38に記載の光起電モジュール。
【請求項41】
請求項28に記載の光起電モジュールを含む窓。
【請求項42】
請求項28に記載の光起電モジュールを含む日よけ及び天蓋。
【請求項43】
わずかな刻印を有するか又は刻印を持たないバンドによって分離されている近接しているが離れている刻印のバンドとしてグループ化されている請求項28に記載の光起電モジュール。
【請求項44】
刻印の少なくとも一部の間の距離が徐々に変化する請求項28に記載の光起電モジュール。
【請求項45】
基板上の光起電デバイスを製作する方法であって、
(a)透明な導電性酸化物膜を基板上にデポジットして、フロント接点層を形成する工程と;
(b)フロント接点層内に実質的に平行な第1の溝をレーザービームでレーザー刻印して、基板上にフロント電極セグメントを形成する工程と;
(c)フロント電極セグメント上に、半導体物質の一層又は複数の層をデポジットして形成し、第1の溝を半導体物質で充填する工程と;
(d)第1の溝に対して実質的に平行な位置で、半導体物質の一層又は複数の層内に第2の溝をレーザー刻印する工程と;
(e)半導体物質の一層又は複数の層上の金属を含むバック接点層をデポジットして形成し、第2の溝を金属で充填してフロント電極セグメントとバック接点層とを接続する1の直列接続を形成する工程と;
(f)第2の溝に対して実質的に平行な位置に、レーザービームで第3の溝をレーザー刻印する工程と;
(g)第2の溝の方向を横断する方向で、バック接点層内に溝をレーザー刻印する工程と
を含む方法。
【請求項46】
基板上の光起電デバイスを製作する方法であって、
(a)基板上に、透明な導電性酸化物膜をデポジットして、フロント接点層を形成する工程と;
(b)レーザービームでフロント接点層内に実質的に平行な第1の溝をレーザー刻印して、基板上にフロント電極セグメントを形成する工程と;
(c)フロント電極セグメント上に半導体物質の一層又は複数の層をデポジットして形成し、第1の溝を半導体物質で充填する工程と;
(d)第1の溝に対して実質的に平行な位置で、半導体物質の一層又は複数の層内に第2の溝をレーザー刻印する工程と;
(e)半導体物質の層上に金属を含むバック接点層をデポジットして形成し、第2の溝を金属で充填してフロント電極セグメントとバック接点層とを接続する1の直列接続を形成する工程と:
(f)レーザービームで、第2の溝に対して実質的に平行な位置で、バック接点層内に第3の溝をレーザー刻印する工程と;
(g)レーザーを用いてバック接点の区域を選択的に除去して、所望のデザイン、レタリング、ロゴ又は他の輪郭を光起電デバイスに付与する工程と
を含む方法。
【請求項47】
さらに、複数のレーザー刻印をレーザー刻印した後に、モジュールをアニーリングする工程を含む請求項1に記載の方法。
【請求項48】
さらに、複数のレーザー刻印をレーザー刻印した後に、モジュールを超音波洗浄する工程を含む請求項1に記載の方法。

1. A method for making a thin film partially transparent photovoltaic module comprising series connected cells, at least one amorphous semiconductor layer, a metal contact layer, and interconnects connecting the series connected cells, the method comprising laser scribing a plurality of laser scribes at least through the metal contact and positioning the scribes in a direction that crosses the direction of the interconnects.

2. The method of Claim 1 further comprising bus bars located adjacent the first and last cell in the module and wherein the scribes extend across the surface of the photovoltaic module but not including the bus bars.

3. The method of Claim 1 wherein the laser scribes are formed by using a laser to ablate semiconductor material which bursts through the metal contact layer to form the scribes.

4. The method of Claim 1 wherein the laser used to ablate the semiconductor material is selected from the group consisting of Nd-YAG, Nd: YFL and Nd: YV04 lasers.

5. The method of Clam 1 wherein each scribe has a width of about 0.01 to about 0.5 mm and the scribes are spaced from each other about 0.5 to about 5 mm.

6. The method of Claim 5 wherein each scribe has a width of about 0.05 to about 0.2 mm.

7. The method of Claim 6 wherein the scribes are spaced from each other about 0.5 to about 2 mm.

8. The method of Claim 6 wherein no more than about 50 percent of the area of the metal contact layer comprises the laser scribes.

9. The method of Claim 6 wherein no more than about 20 percent of the area of the metal contact layer comprises the laser scribes.

10. The method of Claim 1 wherein the laser scribes are positioned in a direction that is perpendicular to the direction of the interconnects.

11. The method of Claim 1 wherein the scribes are in the form of a series of interconnected holdes.

12. The method of Claim 11 wherein the holes are round and have a diameter of about 0.1 to about 0.2 mm.

13. The method of Claim 1 wherein the scribes are parallel to each other.

14. The method of Claim 1 wherein the scribes are grouped in bands of closely spaced scribes separated by bonds having few or no scribes.

15. The method of Claim 14 wherein each scribe has a width of about 0.05 to about 0.2 mm and are spaced from each other about 0.5 to about 2 mm.

16. The method of Claim 1 wherein the laser scribes are spaced from each other and the spacing is graded in at least a portion of the module.

17. A method of making a partially transparent photovoltaic module comprising series connected cells, at least one amorphous semiconductor layer, a metal contact layer, and interconnects connecting the series-connected cells, the method comprising at least one selected from the group consisting of (a) laser scribing a plurality of scribes at least through the metal contact in a direction that crosses the direction of the interconnects and (b) selectively removing at least portions of the metal contact in a preselected pattern to impart a design, lettering, logo or other descriptive pattern on the photovoltaic module.

18. The method of Claim 17 wherein the method comprises selectively removing at least portions of the metal contact in a preselected pattern to impart a design, lettering, logo or other descriptive pattern on the photovoltaic module.

19. The method of Claim 18 wherein the metal contact is removed by laser scribing a pattern of holes.

20. The method of Claim 19 wherein the holes are connected.

21. The method of Claim 20 wherein the holes are round and have a diameter of about 0.1 to about 0.2 mm.

22. A method of making a photovoltaic module comprising series connected cells, at least one amorphous semiconductor layer, a metal contact layer, and interconnects connecting the series connected cells comprising selectively removing portions of the metal contact using a laser for the purpose of permitting light to pass through the module where the metal is selectively removed.

23. The method of Claim 22 wherein the portions of metal removed are in the form of a plurality of holes.

24. The method of Claim 23 wherein at least some of the holes are connected.

25. The method of Claim 26 wherein the holes are round in shape.

26. The method of Claim 22 wherein the metal is removed by using the laser to ablate semiconductor material which bursts through the metal contact layer to remove the metal.

27. The method of Claim 22 wherein the module has a transmission of at least about 5 percent.

28. A thin film partially transparent photovoltaic module comprising series connected cells, at least one amorphous semiconductor layer, a metal contact layer, and interconnects connecting the series-connected cells, the module comprising a plurality of scribes at least through the metal contact layer positioned in a direction that crosses the direction of the interconnects.

29. The module of Claim 28 wherein each scribe has a width of about 0.01 to about 0.5 mm.

30. The module of Claim 29 wherein each scribe has a width of about 0.05 to about 0.2 mm.

31. The module of Claim 30 wherein the scribes are spaced from each other about 0.5 to about 5 mm.

32. The module of Claim 28 having a transmission of at least about 10 percent.

33. The module of Claim 28 having a transmission of least about 20 percent.

34. The module of Claim 28 wherein the scribes are in the form of connected holes.

35. The module of Claim 34 wherein the holes are round and have a diameter of about 0.01 to about 0.2 mm.

36. The module of Claim 28 further comprising bus bars located adjacent to the first and last cell in the module and wherein the laser scribes extend across the surface of the photovoltaic module but not including the bus bars.

37. A photovoltaic module comprising series connected cells, at least one amorphous semiconductor layer, a metal contact layer, and interconnects connecting the series-connected cells, the module comprising lettering, a logo or other descriptive pattern formed in and extending through the metal contact layer.

38. The photovoltaic module of Claim 37 wherein the descriptive pattern is formed by laser scribing a pattern of holes.

39. The photovoltaic module of Claim 38 wherein at least a portion of the holes are connected.

40. The photovoltaic module of Claim 38 wherein the holes are round and have a diameter of about 0.01 to about 0.2 mm.

41. A window comprising the photovoltaic module of Claim 28.

42. Sun screens and canopies comprising the photovoltaic modules of Claim 28.

43. The photovoltaic module of Claim 28 wherein the scribes are grouped in bands of closely spaced scribe lines separated by bands having few or no scribes.

44. The photovoltaic module of Claim 28 wherein the distance between at least a portion of the scribes is graded.

45. A method of manufacturing a photovoltaic device on a substrate, comprising the steps of: (a) depositing a transparent conductive oxide film on a substrate to form a front contact layer; (b) laser scribing substantially parallel first grooves in the front contact layer with a laser beam to form front electrode segments on the substrate; (c) depositing and forming a layer or layers of a semiconductor material on said front electrode segments, and filling the first grooves with the semiconductor material; (d) laser scribing second grooves in the layer or layers of semiconductor material at positions substantially parallel to the first grooves; (e) depositing and forming a back contact layer comprising a metal on the layer or layers of semiconductor material, and filling the second grooves with the metal to form a series connection to connect the front electrode segments and the back contact layer; laser scribing third grooves in the back contact layer at positions substantially parallel to the second grooves with a laser beam; and (g) laser scribing grooves in the back contact layer at a direction which crosses the direction of the second groove.

46. A method of manufacturing a photovoltaic device on a substrate, comprising the steps of: (a) depositing a transparent conductive oxide film on a substrate to form a front contact layer; (b) laser scribing substantially parallel first grooves in the front contact layer with a laser beam to form front electrode segments on the substrate; (c) depositing and forming a layer or layers of a semiconductor material on the front electrode segments, and filling the first grooves with the semiconductor material; (d) laser scribing second grooves in the layer or layers of semiconductor material at positions substantially parallel to the first grooves; (e) depositing and forming a back contact layer comprising a metal on the layer of semiconductor material, and filling the second grooves with the metal to form a series connection to connect the front electrode segments and the back contact layer; laser scribing third grooves in the back contact layer at positions substantially parallel to the second grooves with a laser beam; and (g) selectively removing sections of the back contact using a laser to impart a desired design, lettering, logo or other feature to the photovoltaic device.

47. The method. of Claim 1 further comprising annealing the module after laser scribing the plurality of laser scribes.

48. The method of Claim 1 further comprising ultrasonically cleaning the module after laser scribing the plurality of laser scribes.

「特表特表2004-503112およびWO2002005352より引用」

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部分透過性光起電モジュール

【発明の詳細な説明】
【0001】
本出願は、2000年7月6日出願の米国仮出願U. S. Provisional Application No. 60/216,415、2000年7月24日出願の60/220,346及び2000年7月28日出願の60/221,627の利益を享受する。
【0002】
【発明の属する技術分野】
本発明は、部分透過性光起電力電池及びモジュール並びにこれらの製造方法に関する。特に、本発明は、透明性が光起電力電池のバック接点層の少なくとも一部を除去することにより与えられるものである部分透過性アモルファスシリコン光起電力電池及びモジュールに関する。本発明は、さらに、バック接点の除去が、前面又は背面から見たときにデザイン又はロゴが見えるように、光起電モジュール上のデザイン又はロゴを形成するために用いられ得る光起電モジュールに関する。
【0003】
慣用の薄膜光起電力電池は、典型的に、基板上にデポジットされた例えばスズ酸化物などの金属酸化物からなるフロント接点と、p-i-nすなわちPIN接合と、例えばアルミニウムなどの金属からなる背面すなわちバック接点と、を含む。p-i-nすなわちPIN接合は、p-層を形成するp-タイプドーパントでドープされた半導体物質の層と、真性すなわちi-層を形成するドープされていない半導体物質の層と、n-層を形成するn-タイプドーパントでドープされた半導体物質の層と、を含む。基板上の入射光は、基板、フロント接点、及びp-i-n接合を通過する。光は、バック接点により反射されてp-i-n接合に戻って入る。しかし、バック接点は一般に光起電力電池の全面をカバーするから、バック接点がアルミニウムなどの金属からなり且ついかなる光も透過又は通過させない場合には、電池は不透明である。しかし、ある用途においては、光が電池を透過するようにさせながら光エネルギーを電気エネルギーに効率的に変換する光起電力電池であることが望ましい。さらに、光起電力電池を製造する効果的な方法が望ましい。このような能力を有する光起電力電池は、窓、日よけ(サンスクリーン)、天蓋、そのほか光起電力電池を通して見ることが望ましい用途あるいは電池への多量の入射光が電池を通過することが望ましい用途などの光起電力電池の用途において非常に望ましい。本発明は、このような光起電力電池、このような電池を含むモジュール、及びこれらの効率的な製造を提供する。
【0004】
【発明の概要】
本発明は、モノリシック基板上の光起電デバイスを製造する方法であり、以下の工程:
(a)モノリシック基板上に、透明な導電性酸化物膜をデポジットして、フロント接点層を形成する工程;
(b)レーザービームでフロント接点層内に実質的に平行な第1の溝をレーザー刻印して、モノリシック基板上に電極セグメントを形成する工程;
(c)フロント電極セグメント上に、半導体物質の一層又は複数の層をデポジットして形成し、第1の溝を半導体物質で充填する工程;
(d)半導体物質の一層又は複数の層内に、第1の溝に対して実質的に平行な位置に、第2の溝をレーザー刻印する工程;
(e)半導体物質の一層又は複数の層上の金属を含むバック接点層をデポジットして形成し、第2の溝を金属で充填して、フロント電極セグメントにバック接点層を接続する1の直列接続を形成する工程;
(f)レーザービームで、バック接点層内に、第2の溝に対して実質的に平行な位置に、第3の溝をレーザー刻印する工程;
(g)第2の溝の方向を横断する方向に、バック接点層内に溝をレーザー刻印する工程
を含む。
【0005】
さらに本発明は、モノリシック基板上に光起電デバイスを製造する方法であり、以下の工程:
(a)モノリシック基板上に透明導電性酸化物膜をデポジットして、フロント接点層を形成する工程;
(b)レーザービームで、フロント接点層内に実質的に平行な第1の溝をレーザー刻印して、モノリシック基板上にフロント電極セグメントを形成する工程;
(c)フロント電極セグメント上に半導体物質の一層又は複数の層をデポジットして形成し、第1の溝を半導体物質で充填する工程;
(d)第1の溝に対して実質的に平行な位置に、半導体物質の一層又は複数の層内に第2の溝をレーザー刻印する工程;
(e)半導体物質の層上に金属を含むバック接点層をデポジットして形成し、第2の溝を金属で充填してフロント電極セグメントをバック接点層に接続する1の直列接続を形成する工程;
(f)レーザービームで、第2の溝に対して実質的に平行な位置に、バック接点層内に第3の溝をレーザー刻印する工程;
(g)レーザーを用いてバック接点の区域を選択的に除去して、所望のデザイン、レタリング、ロゴ又は他の輪郭を光起電デバイスに付与する工程
を含む。
【0006】
本発明はさらに、支持基板と、基板上のフロント接点層と、半導体物質の一層又は複数の層と、金属を含むバック接点層と、を含む光起電力電池であり、該バック接点層は金属を含まない領域を有し、電池に光を通過させる。
【0007】
本発明はさらに、直列に接続された複数の電池と、少なくとも1層のアモルファス半導体層と、金属接点層と、該直列に接続された複数の電池を接続する相互接続と、を含む部分透過性光起電モジュールの製造方法であり、該方法は、金属接点を少なくとも貫通して複数のレーザー刻印をレーザー刻印して、相互接続の方向を横断する方向に刻印を位置づけることを含む。
【0008】
本発明はさらに、直列に接続された複数の電池と、少なくとも1層のアモルファス半導体層と、金属接点層と、該直列に接続された複数の電池を接続する相互接続と、を含む光起電モジュールの製造方法であり、該方法は、金属が選択的に除去されたモジュールの部分に光を貫通させる目的で、レーザーを用いて金属接点の部分を選択的に除去することを含む。
【0009】
本発明はさらに、直列に接続された複数の電池と、少なくとも1層のアモルファス半導体層と、金属接点層と、該直列に接続された複数の電池を接続する相互接続と、を含む部分透過性光起電モジュールであり、該モジュールは、相互接続の方向を横断する方向に位置づけられた金属接点層を少なくとも貫通する複数の刻印を含む。
【0010】
[発明の詳細な説明]
放射線、特に太陽放射線を有用な電気エネルギーに変換する光起電力電池は、例えば米国特許U.S. Patent No. 4,064,521に開示されているアモルファスシリコンPIN構造体などのある種の半導体構造体を2個の電極の間にサンドウィッチすることにより製造することができる。一方の電極は、典型的には透明であり、太陽放射線を半導体物質に到達させることができる。この「フロント」電極(又は接点)は、薄膜、例えば、厚み10μm未満のスズ酸化物などの金属酸化物などの透明な導電性酸化物物質からなり、通常は、ガラス又はプラスチック製の透明な支持基板と光起電半導体物質との間に形成されている。フロント電極とは反対側の半導体物質の表面に形成されている「バック」又は「リア」電極(又は接点)は、一般的に、例えばアルミニウムもしくは銀などの金属薄膜又は金属薄膜及び半導体物質と金属薄膜との間の亜鉛酸化物などの金属酸化物薄膜を含む。金属酸化物は、ホウ素又はアルミニウムでドープされていてもよく、典型的には低圧化学蒸着によりデポジットされる。
【0011】
図1は、例えばガラスなどの透明な基板14上に形成され、基板14に太陽放射線又は他の光16を通過させる複数の直列に接続された光起電力電池12(1列の光起電力電池は1個のモジュールである)を含む薄膜光起電モジュール10を示す。各光起電力電池12は、透明な導電性酸化物のフロント電極18と、例えば水素添加アモルファスシリコンなどの半導体物質からなる透明な光起電要素20と、アルミニウムなどの金属のバック又はリア電極22と、を含む。光起電要素20は、例えばPIN構造体を含むものでもよい。隣接するフロント電極18同士は、光起電要素20の半導体物質で充填されている第1の溝24によって分離されている。第1の溝24内の誘電性半導体物質は、隣接するフロント電極18同士を電気的に絶縁する。隣接する光起電要素20は、バック電極22の金属で充填されており1個の電池のフロント電極と隣接する電池のバック電極との間に一列の直列接続を提供する第2の溝26によって分離されている。これらの接続は、本明細書において「相互接続」という。隣接するバック電極22同士は、第3の溝28によって互いに電気的に絶縁されている。
【0012】
本発明者らは、光起電力電池及びモジュールを通過する光の透過が、好ましくはレーザー刻印プロセスによって、バック接点から金属を除去することにより達成され得ることを開示する。本発明者らはさらに、本発明のレーザー刻印方法によるバック接点からの金属の除去が、光起電モジュール上に記載的パターン又はロゴを付与する態様で達成され得ることを開示する。加えて、本発明者らは、光起電モジュールの一方の側面から他方の側面に至り、相互接続を横断、好ましくは相互接続の方向に直交するように配置された溝をバック接点に形成することによって、非常に優れた光起電性能を有する部分透過性光起電モジュールを製造することができることを開示する。
【0013】
図1の薄膜光起電モジュールは、典型的にはデポジッション及びパターンニング方法により製造される。半導体物質を基板上にデポジットする適切な技術の一例は、例えば、米国特許U.S. Patent No.4,064,521に記載されているようなシラン中のグロー放電である。隣接する光起電力電池同士を分離する溝を形成するものとして数種のパターンニング技術が慣用的に知られており、レジストマスクによるシルクスクリーンニング、ポジ又はネガのフォトレジストによるエッチング、機械的スクライビング、放電スクライビング及びレーザー刻印(スクライビング)を挙げることができる。シルクスクリーンニング及び特にレーザー刻印方法は、薄膜アモルファスシリコン光起電モジュールを含む薄膜半導体デバイスを製造する実際的で費用効果的な大量生産プロセスとして出現した。レーザー刻印は、典型的なシルクスクリーニングによる溝が幅約300~500μmであるのに比較して、幅25μm未満の幅を有する分離溝を形成することによって多重電池(multi-cell)デバイス内の隣接する電池を分離することができるので、シルクスクリーンニングを凌駕するさらなる利点を有する。よって、レーザー刻印で製造された光起電モジュールは、シルクスクリーンニングにより製造されたモジュールよりも大きなパーセンテージの電気製造に携わる表面活性を有し、よって高い効率を有する。光起電モジュールの層をレーザー刻印する方法は米国特許U. S. Patent No. 4,292,092に開示されている。
【0014】
図1を参照する。レーザー刻印を用いる多重電池(multi-cell)光起電モジュールの製造方法は、透明な基板14上に透明な導電性酸化物の連続膜をデポジットすること、複数の第1の溝24を刻みつけて、透明な導電性酸化物膜を複数のフロント電極18に分離すること、半導体物質の連続膜を複数のフロント電極18の頂部及び第1の溝24内に作ること、第1の溝 24に平行に且つ隣接して第2の溝26を刻みつけて、半導体物質を個々の光起電要素20(すなわち「セグメント」)に分離し、第2の溝の底部にてフロント電極18の部分を露出させること、複数のセグメント20の上及び第2の溝26内に金属の連続膜を作り、金属が複数のフロント電極18と電気接続、すなわち相互接続を形成するようにさせること、及び第2の溝26に平行に且つ隣接して第3の溝28を刻みつけて、隣接するバック電極22同士を分離して電気的に絶縁させること、を含む。図1に示すように、第3の溝28は、光起電力電池のバック接点側又は面から金属性バック電極内に刻みつけられている。モジュールの最初及び最後の電池(cell)は、一般に、モジュールをワイヤ(電線)又はその他の電気的導電性要素に接続させる手段を提供する母線を有する。母線は、一般に、最初と最後の電池の外側の長い部分の全長に沿って存在する。
【0015】
本発明者らは、図1に示すような光起電力電池及びモジュールが、バック接点を刻みつけることによって部分透過性を得ることができることを開示する。本発明者らはさらに、光起電力電池又はモジュールを見たときにロゴ又は記号が非常に目立つように、電池又はモジュールがロゴ又は他の記号を有することができるべく、レーザー、好ましくはコンピュータ制御されたレーザーを用いることによって、光起電力電池又はモジュール上の特定のパターンでバック接点を除去できることを開示する。したがって、光起電力電池又はモジュールは、電流発生手段として、及び広告又は識別手段などの情報源として機能する。本発明者らはさらに、光起電力電池上にロゴもしくは他のデザイン又は情報を有する必要性にかかわらず、光を透過させる光起電モジュールが望ましい場合に、そのようなモジュールを製造する高効率な製造手段は、レーザーによる刻印、あるいはバック接点を通過して光起電モジュールの相互接続の方向を横断する方向に線を形成するか又はホールを相互連結させることを含むことを開示する。好ましくは、そのような刻印 線は、相互接続の方向に直交するかもしくは直交に近い状態で交差する。そのような刻印線が、光起電モジュール内の直列電池の最初と最後の電池の母線まで延びるが母線と交差しない状態で、光起電モジュールを完全に横断することもまた好ましい。バック接点上に作られるそのような刻印の数は、透過性の程度を決定するであろう。もちろん、各刻印に対して、電池の面積の多くは光起電不活性となる。しかし、本発明者らは、上述の態様で作られた刻印、特に刻印が連結された一列のホールを含み線を形成する場合には、光起電活性損失量が最小になることを知見した。
【0016】
【好ましい実施形態の記述】
本明細書の一部を構成する添付図面は、少なくとも1種の本発明の実施形態を示し、以下の記載と共に本発明の理論を説明する。
【0017】
さて、添付図面に示す例に基づいて本発明の好まし実施形態を詳細に説明する。
図2(g)は、参照符号110で概略的に示されている多重電池薄膜光起電モジュールの一部の概略断面図である。光起電モジュール110は、平坦で透明な基板114上に形成された直列に接続された複数の光起電力電池112からなる。作動時に、光起電モジュール110は、好ましくはガラスからなる基板114を通過する光、特に太陽放射線116に応答して電気を発生する。各光起電力電池112は、透明な導電性酸化物のフロント電極セグメント118と、例えば、水素添加アモルファスシリコンなどの半導体物質からなる光起電要素120と、金属、好ましくはアルミニウム、及び場合によっては亜鉛酸化物などの金属酸化物を含むバック電極122と、を含む。隣接するフロント電極セグメント118同士は、光起電要素120の半導体物質で充填されている第1の溝124によって分離されている。隣接する光起電要素120同士は、第2の溝126によって分離されており、さらには第3の溝128によっても分離されている。半導体物質の不活性部分130は、第2の溝126と第3の溝128との間に位置づけられている。不活性部分130は、光116を電気に変換するために寄与しないという意味で「不活性」である。第2の溝126は、バック電極122の物質で充填されていて、1個の電池のフロント電極と隣接する電池のバック電極との間に、1の直列接続を提供する。これらの接続を相互接続という。第3の溝128の頂部に位置するギャップ129は、隣接するバック電極122同士を分離して電気的に絶縁する。図2(g)に示すように、一列の光起電力電池112は、モジュールを構成する。モジュールは、多数の個々の電池を有し得る。2個以上のモジュールは、平行に連結されて、光起電デバイスの電流を増加させることができる。モジュールによって発生した電流を使用するデバイスにモジュールを連結させるために、一列の光起電力電池112を用いる場合には、最初と最後の電池の接続は、ワイヤ(電線)又は他の導電性要素を取り付けることによって可能となるはずである。一般に、導電性帯すなわち「母線」がモジュール内の最初と最後の電池の外側(すなわち、溝に平行)に加えられる。これらの母線は、モジュールが光に暴露される際に発生した電流を利用するデバイスに電気接続させるために用いられる。
【0018】
本発明の好ましい方法において、バック接点の一部は、レーザーにより選択的に除去又は融除されて、バック接点上にデザインを形成し、あるいは刻印されて部分透過性光電モジュールを作る。刻印は、マスキング及びエッチングなどの任意の手段又は機械的スクライビングによってなされてもよい。しかし、本発明者らは、バック接点の一部を除去する好ましい方法はレーザーを用いることであることを開示する。上述のように、バック接点の金属の選択的除去は、デザイン、レタリング又はロゴを光起電モジュールに付与する態様で達成することができる。こうして、シェーディング、テクスチャー又は三次元効果を達成することができる。光起電モジュールに加えられるべき特定のデザイン又はレタリング又はその他の輪郭は、コンピュータその他の記憶装置に保存可能であり、このような保存された情報を製造プロセス中に再度呼び出して、レーザーを放射してバック接点の適切な部分を選択的に除去し、モジュール上にパターンを刻みつけることによって、迅速に且つ正確に、所望のデザイン、レタリング、ロゴその他の輪郭を光起電モジュール上に再生することができる。
【0019】
透明性だけが所望でデザインが不要である場合には、上述の技術の1種以上によって再度、バック接点を刻みつけて、バック接点の少なくとも幾分かを除去することができる。好ましくは、この手順を良好に行うためにレーザー刻印プロセスを用いる。好ましくは、このような刻印は、相互接続と交差するパターンにてモジュールを横断する線又は溝、すなわち相互接続に平行であるよりはむしろ交差する部分透過性を作るための刻印線を刻みつけることによってなされる。好ましくは、光起電モジュールの部分透過性を作るために用いられる刻印線又は溝は、相互接続の方向に直交する。好ましくは、部分透過性を作るための刻印線は、互いに平行である。光起電モジュールの部分透過性を作るために光起電モジュールに加えられる刻印の数は、所望の透過度に応じて変えることができる。さらに、各刻印の幅も所望の透過度に応じて変えることができる。一般に、刻印によって除去されるバック接点の量は、バック接点の面積の約50%以下、より好ましくはバック接点の約20%以下、最も好ましくはバック接点の約10%以下である。 上述したように、除去されるバック接点の量が多いほど、より透明な光起電モジュールになるであろう。しかし、除去される接点が多いほど、太陽光その他の光源に暴露された際のモジュールの電流発生効率は低下するであろう。一般に、刻印線の間隔は、約0.5~約5mmであり、より好ましくは約0.5~約2mmであり、最も好ましくは約0.5~約1.0mmである。各刻印線の幅は、好ましくは約0.5~約0.01mmであり、より好ましくは約0.2~約0.05mmである。刻印線は、例えばレーザービームが直線ビーム(リニアビーム)として投射され、線を形成するためにレーザー刻印技術が用いられる場合には、実線であってもよい。刻印線は、ホール列又は段の形態であってもよい。ホールの形状は、円形、正方形又は矩形など任意の形状でよい。好ましくは、刻印線が小さなホール列の場合には、ホールは、母線を含まない光起電モジュールの表面の全部又は一部を横断する連続刻印を形成するように、好ましくは連結又は重複している。最も好ましくは、少なくとも約0.01mm直径、好ましくは約0.1~約0.2 mm直径を有する円形ホール形態である。本発明者らは、円形ホール、特に相互連結された円形ホールの場合に、光起電デバイスの出力損失を最小化し、光透過率を最大化することを導き出した。
【0020】
光起電モジュールに付与されたデザインその他の輪郭を有する本発明の光起電モジュールを形成するため、もしくは部分透過性である本発明の光起電モジュールを形成するために、バック接点の部分を除去するためにレーザーを用いる場合には、バック接点の所望の区域を除去するために用いられるレーザーは、好ましくは連続発振レーザー、又はより好ましくはパルスレーザーである。レーザーは、KrFもしくはArCIレーザーなどのエキシマレーザーなどの紫外線レーザー、又はNd-YAG、Nd-YLF及びNd-YV04レーザーの第三又は第四高調波でもよい。さらに、レーザーは、可視又は赤外レーザーであってもよい。最も好ましくは、用いられるレーザーは、可視レーザーであり、好ましくは緑色レーザー、例えば、周波数が2倍になったNd-YAG、Nd-YLFもしくはNd-YV04レーザーである。レーザーは、バック接点の頂部に向けられてもよく、バック接点がレーザーにより直接、融除又は除去されてもよい。好ましい技術において、レーザービームは、透明な基板を貫通して及び透明なPIN成分層を貫通して、バック接点を融除する。好ましい作動方法において、レーザーは、高いレーザービームエネルギーの短パルスを用いることによって衝撃波を発生させるために用いられる。本発明者らは、これがバック接点の除去を増強して、短絡を減少させることを知見した。バック接点の除去後、特にレーザー方法を用いた後、光起電力電池を好ましくは超音波浴を用いて、洗浄することが好ましい。洗浄プロセスは、刻印パターンの縁部に沿って汚染粒子及び溶融物質を除去し、こうして短絡を減少させる。本発明者らは、洗浄、特に高出力超音波洗浄が、洗浄を行わない場合には損失するであろう電池出力の3%程度を回復させることを知見した。光起電モジュール110を形成する方法を図2(a)~2(g)を参照しながら説明する。
【0021】
本発明の方法において、例えば、インジウム-スズ-オキサイド、亜鉛酸化物、カドミウムスズ酸塩又は好ましくはスズ酸化物(CTO)、好ましくはフッ化スズ酸化物などの透明な導電性酸化物をガラスなどの基板上にデポジットしてフロント接点層132を形成するか、あるいは既にデポジットされた導電性スズ酸化物を有するガラスを適切なガラス供給者から入手してもよい。透明な導電性酸化物層は、好ましくは約10,000Å未満の厚みである。スズ酸化物層は、滑らかな表面又はテクスチャード表面を有し得る。テクスチャード表面は、最大量の電力発生効率が望ましい本発明の光起電デバイスの用途に好ましい。しかし、部分透過性光起電力電池又はモジュールを通過する光のゆがみが最小量であることが望ましい場合には、滑らかなスズ酸化物表面が好ましい。このような低いゆがみの部分透過性光起電力電池及びモジュールは、窓として又は透過光のゆがみを最小化することが望ましい他の用途において、特に有用である。次に、導電性物質の帯、好ましくは銀(Ag)含有物質をCTO層132の2本の両側の外側縁部上にデポジットして母線を形成する。
【0022】
必要であれば、導電性物質の熱硬化に続いて、フロント接点層132をレーザー刻印して刻印線124を形成する。刻印線124のレーザー刻印に続いて、図2(c)~2(g)及び本明細書に記載されている光起電モジュール製造の残りの工程は、下記のように行われる。
【0023】
図2(a)~2(g)において、フロント接点層132は示されているが母線手段は示されていないことに留意されたい。しかし、母線手段は、図2(c)~2(g)に示す工程が行われた後、上述の態様で、フロント接点層132上に配置されることは理解されるであろう。
【0024】
図2(c)に示すように、半導体物質の実質的に連続な薄膜134からなる光起電領域は、フロント電極118を覆って第1の溝124内に作られる。第1の溝124を充填する半導体物質は、隣接するフロント電極118同士の間を電気的に絶縁する。好ましくは、光起電領域は、約30Å~約250Å、好ましくは約150Å未満、典型的には約100Åの厚みを有する適切なp-層と、2000~4500Åの厚みのi-層と、約200~400Åのn-層とからなる慣用のPIN構造(図示せず)内の水素添加アモルファスシリコンからなり、典型的には厚みが最大約5000Åである。デポジッションは、好ましくは、例えば、米国特許U.S. Patent No.4,064,521に記載されているようなシラン又はシランと水素との混合物中でのグロー放電により行われる。あるいは、半導体物質は、CdS/CulnSe2及びCdTeであってもよい。半導体層は、単一のPINタイプ層を含むこともできる。しかし、本発明の光起電デバイスは、他の半導体層、例えば、タンデム接合構造又はトリプル接合構造でもよい。本発明の光起電デバイス及びその製造方法に有用な適切な半導体層は、例えば、本明細書に参照として組み入れられる英国特許出願United KingdomPatent Application No. 9916531.8(公開No. 2339963、2000年2月9日)に記載されている。
【0025】
次いで、半導体膜134は、レーザーで刻まれて、半導体物質が線の第2の所定パターンに沿って融除されて、図2(d)に示すように、半導体膜134を複数の光起電要素120に分割する第2の溝126を形成する。フロント電極118は、第2の溝126の底部で露出する。刻印は、フロント電極118の導電性酸化物に影響を与えずに半導体物質を融除するレベルまで出力密度が典型的には減少される点を除いて、透明導電性酸化物層132を刻むために用いたレーザーと同じレーザーで行われてもよい。半導体膜134のレーザー刻印は、基板114の一方の側から行うことができる。第2の溝126は、好ましくは第1の溝124に隣接して且つ平行に刻まれて、好ましくは約20~約1000μm幅である。
【0026】
図2(e)に示すように、銀、モリブデン、白金、スチール、鉄、ニオブ、チタン、クロム、ビスマス、アンチモン又は好ましくはアルミニウムなどの金属136の薄膜は、光起電要素120を覆って第2の溝126内に作られる。第2の溝126を充填する導電性物質は、膜136と第2の溝126の底部にて露出したフロント電極118の部分との間に、電気接続を提供する。導電性膜136は、例えばスパッタリングその他の周知技術によって形成される。膜136の厚みは、意図されたモジュールの用途に依存する。例えば、12-ボルト蓄電池を充填するに十分な電力を発生させるためのモジュールとしては、金属膜136は、典型的にはアルミニウムからなり、約2000-6000Åの厚みである。
【0027】
次の工程は、金属膜136をレーザーで刻みつけて、線のパターンに沿って金属を融除し、膜136を複数のバック電極に分割する直列の溝を形成することである。このような方法の一つとして、例えば、米国特許U.S.Patent No.4,292,092に教示されているように、バック電極を形成するために慣用的に用いられているアルミニウム及び他の金属の高い反射性ゆえに、バック電極を刻むために用いられるレーザーは通常、半導体膜134内に第2の溝126を刻むために用いられる出力密度よりも大幅に高い、しばしば10~20倍高い出力密度で作動される。
【0028】
例えば、金属膜136がアルミニウムから形成されており約7000Åの厚さである場合、及び約0.53μmの波長を有しTEM. Sub. 00(球状)モードで作動する周波数が2倍になったネオジウム:YAGレーザー放射光でアルミニウムが直接融除されるべき場合に、レーザーは典型的には約0.25μmに焦点決めされ、約300mWで作動させる。短パルスの継続は、平均レーザー出力要求を減少させる。同じレーザーを用いて、半導体膜134を融除して第2の溝126を形成する場合には、好ましくは100μmに焦点をずらし(defocused)、約360mWで作動させる。レーザーは、アルミニウムの直接融除のためのわずかに低い出力で作動するであろうが、単位面積あたりの単位秒あたりの光子数、すなわちレーザーの出力密度もまた、レーザービームのスポットサイズの因子である。所定の出力レベルに対して、出力密度は、スポットの半径の二乗に反比例して変化する。ゆえに、上述の例において、アルミニウム膜の直接融除に必要なレーザー出力密度は、アモルファスシリコン膜を融除するために必要な出力密度の約13倍である。
【0029】
アルミニウムの直接融除に必要な出力密度でのレーザー作動によって、下層の半導体物質が損傷されることを防止することは困難である。特に、溶融金属が刻まれた溝内に流入して隣接するバック電極を電気的に接続するので、あるいは溶融金属が下層の半導体物質に拡散して光起電要素を横断する短絡を作るので、光起電力電池は短絡するようになるかもしれない。加えて、下層の半導体物質がアモルファスシリコンからなる場合には、下層のアモルファスシリコン物質が再結晶化するかもしれない。さらに、アモルファスシリコンPIN構造体において、n-層又はp-層からのドーパントが、i-層の再結晶化したアモルファスシリコン内に拡散するかもしれない。
【0030】
したがって、金属膜136の製造後、金属膜136下層の光起電領域120は、好ましくは、第2の溝126に平行で且つ隣接する第3の線の所定のパターンに沿って半導体物質を融除するに十分であるが、フロント電極118の導電性酸化物又は膜136の金属を融除するには不十分な出力密度で作動するレーザーで刻まれる。特に、レーザーは、構造的に脆弱で、第3の線に沿って位置づけられた金属膜の部分を通ってバーストして、第3の線に沿って金属膜内に実質的に連続するギャップを形成し、金属膜を複数のバック電極に分離する微粒子群を製造する出力レベルで作動されなければならない。レーザービームが参照符号138で概略的に示されている図2(e)に示すように、下層の半導体物質の融除による金属膜136のレーザーパターンニングは、基板114を貫通して行われる。
【0031】
第3の線のパターンに沿って光起電領域120の半導体物質を融除することによって、図2(f)に示すように、半導体物質内に第3の溝又は刻印128を形成する。第3の溝128は、好ましくは幅約100μmであり、半導体物質の不活性部130によって、第2の溝126から離隔されている。上述のように、第3の溝128内での以前の(formerly)半導体物質の融除は、微粒子群、例えば、アモルファスシリコンの融除に起因する粒子状シリコンを製造し、微粒子群は構造的に脆弱で融除された半導体物質が下層にある金属膜136の部分を貫通してバーストされ、膜136を複数のバック電極122に分離するギャップ129を形成する。
【0032】
ギャップ129は、好ましくは、図2(f)の平面に対して直交する線に沿って見た場合に実質的に連続である。金属膜136内に連続ギャップ129を製造するために必要なレーザーパラメータは、もちろん、金属膜の厚みや物質、レーザーの特性波長、レーザーの出力密度、レーザーのパルス速度及びパルス持続時間、及び刻み供給速度などの多数の因子に依存する。波長が約0.53μmの周波数が2倍になったネオジウム:YAGレーザー放射光で、下層のアモルファスシリコン膜を約6000Åの厚みで融除することによって、約2000~6000Åの厚みを有するアルミニウム膜をパターン化するために、レーザーのパルス速度が約5kHzである場合、供給速度は約13cm/secであり、レーザーはTEM. Sub.00(球状)モードで約100μmに焦点決めすることができ、約320~370mWで作動し得る。上記条件下で、レーザーを約320mW未満で作動させると、金属膜136の部分は、第3の溝128を横断するブリッジとして残り、隣接する電池の間に短絡を生じさせるかもしれない。レーザーを約370mWを超えて作動させると、連続ギャップ129は製造されるが、得られるモジュールの性能は、完全な因子によって測定した場合に(as measured bythe fillfactor)、劣化するかもしれない。性能劣化の正確な原因は現在のところ知られていないが、本発明者らは、より高いレーザー出力レベルが第3の溝128が融除された後に残るアモルファスシリコン光起電要素の部分の溶融を引き起こすかもしれないと考えている。加えて、増加した出力密度によって、レーザーがフロント電極118を切断し、直列抵抗を増加させ、出力密度が十分に高い場合には、隣接する電池の間の直列を切断することによってモジュールを作動不能にするかもしれない。
【0033】
本発明の光起電力電池を形成する次の工程は、バック接点から追加の金属を除去することである。上述のように、この金属は、予め選択されたパターンで除去されて、レタリング、ロゴ、又は他の視認可能な輪郭を光起電力電池上に形成することができる。さらに、バック接点の追加の金属を除去して、光起電力電池の透明性を増加させることもできる。バック接点の金属は、好ましくはレーザーにより除去される。レタリング、ロゴ又は他の輪郭が所望である場合には、例えばバック接点の複数のホールのパターンを用いて、金属を所望のパターンで除去する。ホールは、円形でも、四角形でもあるいは他の形状でもよい。ホールは、互いに連結されていてもあるいは連結されていなくてもよく、いくつかのホールだけが連結されていてもよい。透明度が所望である場合には、金属は、好ましくは、相互接続の方向に対して光起電力電池を横断するように、好ましくは相互接続の方向に直交する溝又は刻印として除去又は融除される。図3及び5は、光起電モジュール内の1個の透明な刻印又は溝140の三次元代表例を示す。図3は、追加の刻印140を除いて図1と同じである。図5は、追加の刻印140を除いて図4と同じである。図1及び3における符号は、同じ要素に引用する。図2(g)、4及び5における符号は、同じ要素に引用する。実際のモジュールにおいて、所望の透明度レベルを提供するために、このような溝の数は増加するであろうし、上述のような間隔、形状及びサイズである。図3に示すように、溝140は、金属層22だけを貫通して半導体層20まで延在する。図5に示すように、溝140は、金属バック接点層122から第1の接点118まで下方に延在する。図5において、溝は直線側面溝として表されている。しかし、上述のように、この溝は、多数のホールが連結された直列ホールであってもよい。
【0034】
本発明の部分透過性光起電モジュール及び電池もしくはデザイン、ロゴ、レタリングその他の輪郭を有する本発明の光起電モジュールを形成するために、レーザー刻印によるバック接点層の除去は、図2、4及び5のギャップ又は128及び129を製造する上述の技術を用いて達成することができるが、好ましい方法は、例えば約10~20m/secの迅速な刻み速度で、例えば0.1~約0.2mmのスポットサイズを有する好ましくは約20~100kHzのNd:YV04レーザーなどの高い繰り返し速度の高出力レーザーを用いることである。このような条件は、例えば、約1分未満で5%透過率を有する部分透過性光起電モジュール48インチ×26インチ(1.22m×0.66m)を形成するために用いることができる。レーザービームは、望遠鏡を通過し、ガルバノメータにより制御されたXY走査ミラーに向けられる。XY走査ミラーは、X及びY軸内にレーザービームを屈折させる。望遠鏡は、ビームを光起電モジュール上で焦点決めし、この方法により約5~20m/secの刻み速度が達成される。高出力エキシマレーザー及び筒状光を用いる別の方法において、全体の刻印線は単一のレーザーパルス内に作られ得る。
【0035】
図6は、光起電モジュールの部分としてデザイン又はロゴを代表する単語「logo」を有する本発明の一実施形態を示す。図6において、1は本発明の光起電モジュールの一区域である。図6において、2はモジュール内の1個の電池の部分であり、図示されたそのような電池の11個の区域があるが、1個のモジュールはより少数の電池又はより多数の電池を有することができる。図6には示していないが、各電池は、図4に示したような層状構造体を有することもできる。つまり、図6における各電池2は、図4に示す電池112に対応するものでもよい。図6において、黒い線3及び文字「L」、「o」、「g」、及び「o」を形成する「ドット」は、金属バック接点又はリア接点が存在しないモジュールの領域を表す。ゆえに、モジュールの背後からの光源でモジュールを見るときに、モジュールのこれらの領域は光を透過する。線3及び「logo」を綴る文字は、モジュールを見る人にとって視認可能である。図6中の線3は、バック接点又はリア接点を分離する刻印又は溝を表すので、モジュール内の各電池に1個のバック接点又はリア接点がある。刻印線又は溝3は、図4中の溝128に対応するものでもよい。図6中の文字4、5、6及び7は、例えば、バック接点又はリア接点内の金属層の選択的除去により、あるいは本明細書に記載するプロセスの1種以上などのレーザー刻印プロセスにより形成されたバック接点又はリア接点内のホールのパターンである。図6において、図6中の4として識別される文字「L」は、円形ホールの1パターンであり、それらのいくつかは互いに連結されているか又はオーバーラップしている。図6中の5として識別される文字「o」は、円形ホールの1パターンにより同様に形成されている。図6中6として識別される文字「g」は、円形ホールの1列により形成されていて、ホールのいくつかは連結されている。図6中7として識別される文字「o」もまた、金属バック接点層内に1のホール列により形成されていて、すべてのホールは互いにオーバーラップしている。図6において文字を形成するホールは、例えば、約0.1~約0.2mmの直径を有する。図6において、モジュールの区域は、モジュールの基板側から見える。つまり、図6において、モジュールは、光-電流変換用のモジュールに入る光を同じ側面から見るものである。
【0036】
本発明の別の実施形態において、スペースよりはむしろ溝又は刻印線が光起電力電池及びモジュールの表面を均一に横断して、本発明の部分透過性光起電力電池及びモジュールを形成し、部分透過性を作る刻印又は溝がバンド内でグループ化され得る。各バンド内では、各刻印線が近接しているが離れている。近接しているが離れている刻印線のバンドは、部分的に透過させるために刻印又は溝がないか、あっても少数の刻印又は溝を有するバンドと互い違いになっていてもよい。このような態様で互い違いのバンドで形成された光起電モジュールは、「ベネチアンブラインド様(Venetian Blind-like)」の外観を有する。このような光起電モジュールは、審美的に見える。このような実施形態の一つにおいて、高い透過率バンド、例えば約0.5~2cm幅で透過率20~40%のバンドは、不透明なバンド、例えば、約5%未満、より好ましくは約1%未満の透過率を有し、約0.5~約1.0cmの幅を有する不透明なバンドと互い違いになっている。ベネチアンブラインド様光起電デバイスは、さらに、光起電パネルの細片、例えば基板としてのプラスチック又は金属上に作られた光起電デバイスの細片をガラス又はその他の透明な基板上にちりばめることによっても作ることができる。
【0037】
本発明の別の実施形態において、本発明の部分透過性光起電力電池及びモジュールは、部分透過性を付与するために用いられる刻印又は溝に対する他の配列又は形状を有するものでもよい。本発明のモジュールは、モジュール内の刻印間の距離がモジュール全体又はモジュールの一部だけで段階的になっている部分透過性を付与する刻印又は溝を有するものでもよい。例えば、モジュールの一方の端部からモジュールの他方の端部へと進むにつれ、上述したような部分透過性を提供するために用いられる刻印間の距離又はスペースを段階的に増加又は減少させてもよい。例えば、線形的に、平方根的に、あるいは対数的に、その他適切な段階付けでよい。よって、得られるモジュールは、モジュールの一方の端部から他方の端部へと進む光透過率の段階的なレベル、例えばモジュールの一方の端部では1~約5%の光透過率で、モジュールの他方の端部では10~約50%の透過率を有する。モジュールの一方の端部上の最初の2個の刻印は、約0.2~約1mmほど分離していてもよく、介在する刻印間の距離が段階的に、好ましくは、線形的、平方根的又は対数的に徐々に増加しながら、モジュールの他方の端部上の最後の2個の刻印は約0.5~約5mmほど分離していてもよい。段階が対数的である場合には、例えば、最初の刻印は第2の刻印からlog(2)mmほど分離していて、第2の刻印と第3の刻印との間のスペースはlog(3)mmであり、第3の刻印と第4の刻印との間のスペースはlog(4)mmであり、以後同様に増える。別の実施形態において、部分透過性を付与するために用いられる刻印又は溝は、上述のように、刻印がないかあっても少数の刻印を有するバンドによって分離される複数の刻印を有するバンド内でグループ化されてもよく、複数の刻印を有するバンド内では、各刻印間の距離は上述のように段階的になっている。また別の実施形態において、本発明のモジュールは、上述するように等間隔で互いに離隔しているか又は上述のように段階的に離隔しいている複数の刻印を有するバンドを有する。このようなバンドは、刻印がないかあるいは少数の刻印を有するバンドによって分離されておおり、刻印がないかあるいは少数の刻印を有するバンドはモジュールの一方の端部から他方の端部へと段階的になっている幅を有する。このような段階付けは、例えば、線形、平方根又は対数その他の適切な段階付けでよい。複数の刻印又は少数のバンドを有するかもしくは刻印がないかのいずれかである上述のバンドは、任意の所望の幅を有することができる。しかし、このようなバンドの幅は、一般に約0.2~約5cmである。本明細書において、バンドを記載する際の少数の刻印を有するとは、約5%、好ましくは約1%未満の透過率を有するバンドを好ましくは意味する。本明細書において、透過率とは、モジュール又はモジュールの領域を通過するモジュール上又はモジュールの領域への入射光のパーセンテージを意味する。
【0038】
本発明の光起電モジュールを形成するためのレーザー刻印に続いて、モジュールをアニールすることが好ましい。本発明者らは、モジュールをアニールすることで、モジュールの性能を改良すること、例えば短絡損失を減少することを開示する。例えば、刻印されたモジュールを空気中で150~約175℃の温度で0.5~約1.0時間、アニールしてもよい。
【0039】
上述のように、部分透過性光起電力電池及びモジュール、特に本発明の部分透過性光起電力電池及びモジュール、もしくはロゴ、デザイン、記述的パターン、記号その他の輪郭を含む電池又はモジュール、特に本発明により作られたそのような電池及びモジュール、又は別個の若しくは同一のこれらの電池又はモジュールの組み合わせ(すなわち、部分透過性を付与する刻印、並びに同電池若しくはモジュール上のロゴ、デザイン、記述的パターン、記号などを付与する刻印を有するモジュール)は、天蓋(canopy)を形成するに適している。特に好ましい用途において、これらの電池及びモジュールは、ガソリン、ディーゼルその他の燃料を自己の自動車、トラックその他の車両に供給するために消費者が使用するステーションなどの燃料充填ステーションを覆う天蓋の部分を形成するか、同天蓋の部分である。部分透過性光起電力電池及びモジュールは、この目的のために特に有用である。なぜなら、これらは光、特に太陽光を部分的に透過させ、消費者その他の燃料ユーザーに自然光を与え、天蓋下で所望の操作を行わせ、同時に、例えば太陽光から電流を発生させるために天蓋を用いることができ、燃料充填ステーションその他のユーザーに電力を提供することができるからである。例えば、電気の全部又は一部が燃料充填ステーションで利用されない場合に、発生させた電流を局地的な電力送電系統に分配することもできる。よって、本発明の天蓋は、雨、雪その他の要素からの保護、並びに太陽の熱及び放射からの保護を提供し、さらに天蓋の下にいる消費者その他の人間が自然光を受けて車両に燃料を供給するなどの目的とする操作を進めさせる光透過を与え、及び/又は天蓋の下にいる消費者その他の人間の頭上でロゴ、デザイン、記述的パターン、記号(文字など)などを提供することができる。
【0040】
燃料充填ステーションに有用な本発明の天蓋は、部分透過性電池又はモジュール、好ましくは本発明の部分透過性電池及びモジュール及び/又はロゴ、デザイン、記述的パターン、記号などを有する電池及びモジュールを含む天蓋の表面のわずかなパーセンテージだけを有するものでもよい。例えば、天蓋の総表面積の約10%~表面積の約99%でもよい。しかし、光起電力電池又はモジュールを含む天蓋の面積の量は制限されず、天蓋の総表面積の50%を超えてもよい。例えば、少なくとも70%、あるいは少なくとも75%もしくは少なくとも80%又は90%をカバーしてもよい。いくつかの用途においては、天蓋の表面積の少なくとも95%が、部分透過性光起電力電池又はモジュール、好ましくは本発明の部分透過性光起電力電池又はモジュールの1種以上である。本明細書において、各電池又はモジュールを透過する光の量は、天蓋を透過すべき光の所望の量に応じて変わり得る。
【0041】
部分透過性光起電力電池及びモジュール、特に本発明の部分透過性光起電力電池及び/又はロゴ、デザイン、記述的パターン、記号などを含む電池若しくはモジュールを含む燃料充填ステーションを覆う天蓋は、任意の形状を有し得る。例えば、平坦でも、上方もしくは下方に湾曲していてもよい。傾斜面上であるが平坦な天蓋であってもよい。傾斜面は、太陽光の電気への変換を最大化するように、太陽の高度の違いを考慮して調節可能であってもよい。天蓋の固定屋根タイプの形状であってもよい。
【0042】
例えば、光起電力電池及びモジュールは、例えば、金属、プラスチックその他の適切な物質から作られた1個以上のフレーム内の天蓋上に載置してもよい。あるいは、例えば、天蓋に取り付けられ天蓋の一部となるガラス又はプラスチックなどの透明な基板上に載置してもよい。
【0043】
図7は、上方向に延在する湾曲部を有する湾曲形状天蓋、平坦な天蓋、及び傾斜すなわちある角度を有する平坦な天蓋の例を示す図である。図7において、1は天蓋であり、2は好ましくは部分透過性光起電力電池又は好ましくはモジュール、好ましくは本発明の部分透過性光起電力電池又はモジュール及び/又は部分的に透明な刻印を有する電池又はモジュールとして同電池又はモジュールから離隔しているかもしくは同じ電池又はモジュール上にあるロゴ、デザイン、記述的パターン、記号(文字など)などを有する電池又はモジュールであり、3は電池又はモジュールを保持するフレームであり、4は燃料充填ステーションを覆う天蓋を支持する柱である。本明細書に記載されている天蓋は、特に燃料充填ステーションを覆う天蓋として有用である。これらはさらに、天蓋を通過する光透過を有すること及び電力を発生することができる天蓋を有することが望ましい他の操作をカバーするにも有用である。
【0044】
2000年7月6日に出願した米国仮特許出願Provisional Patent Application No.60/216,415、2000年7月24日に出願した米国仮特許出願Provisional Patent Application No.60/220,346及び2000年7月28日に出願した米国仮特許出願Provisional Patent Application No.60/221,627を全体として本明細書に参照として組み入れる。
【0045】
【実施例】
実施例1
5%透過率の線パターンを有する部分透過性光起電(PV)モジュールを薄膜アモルファスシリコン BP Solar production PV モジュール(26インチ×48インチ、MV)から以下のようにして作った。
【0046】
用いた装置は、100kHz及び約10W出力で作動可能な高出力Nd:YV04レーザーと;高出力レーザー用途用のコートされたミラーを有するXYスキャナと;レーザー集束レンズと;ビームエクスパンダー及び2個のミラーである。XYスキャナーは、X軸及びY軸ミラーの組み合わせであり、それぞれ検流計により制御される。集束レンズは、レーザー焦点精度の調節を行うマイクロメーター上に載置した。レーザーからのレーザービームをビームエクスパンダーによって平行にして、次いで2個のミラーによって集束レンズに向けた。焦点決めされたレーザービームをXY走査ミラーによって加工面に投射した。検流計は、ビームをPVモジュール上の所望の位置に位置づけた。レーザービームをモジュールのガラス基板側から向けた。マイクロメータ制御集束レンズを用いて、レンズ位置を調節してモジュール全体を均一に加工した。XYスキャナはコンピュータにより制御した。Xミラー位置及びYミラー位置を制御することにより、PVプレート上のレーザービーム位置を正確に制御した。5%線パターンに対して、ビームは、相互接続の方向に対して垂直なX方向に沿って走査された。刻印線は、PVモジュール上の1本の母線から他の母線まで約2mm離れて延在していた。レーザー刻印線は、PVモジュールのアルミニウムバック接点及び半導体物質を除去したが、フロント接点を無傷のまま残した。集束レンズ(XYミラーも)とPVモジュール表面との間の距離は、約1800mmであり、用いたレーザーの平均出力は約8Wであり、レーザーパルス反復率は50kHzであった。PVモジュール表面におけるレーザーのスポットサイズは、直径約0.15mmであった。走査速度は約7.5m/secであり、全体のPVモジュールは、5%透過率を有する(入射光の約5%がモジュールを通過する)PVモジュールを製造することが1分未満で完了した。
【0047】
レーザー刻印後、部分透過性PVモジュールを水を用いる高出力超音波タンク内で洗浄し、次いで175℃で1時間乾燥しアニールした。上記操作は、ガラス基板上に形成された薄膜モジュールに第2のガラスプレートをシーリグする前に行った。
実施例2
10%透過率線パターンを有する部分透過性光起電(PV)モジュールを下記のようにレーザー調製した。
【0048】
刻印線の間隔を約1mmに減少させた以外は、実施例1と同様に行った。
実施例3
実施例1における集束レンズに代えて、ダイナミック集束ユニットを用いた。ダイナミック集束は、レーザー走査中ずっと、加工面にレーザーを確実に集束させ、PVモジュールを横断してより均一に被覆した。
実施例4
より骨の折れる製造のために(for more robustproduction)、2枚のレーザーミラーを取り除いて、レーザービーム、ビームエクスパンダー、集束系(集束レンズ又はダイナミック集束ユニット)及びXYスキャナー入口を同軸にした点を除いて実施例1及び3を繰り返した。
実施例5
PVモジュール(相互接続に直交する刻印線を含む部分透過性モジュール又は非透明なモジュールのいずれか)上にロゴ、デザイン、その他のパターンを作るために、ロゴ、デザインその他のパターンをベクトルフォーマットに、HPグラフィック言語(hpgl)を用いて転写した。実施例1に記載した装置を用いて、コンピュータは、ベクトルファイル(vectorfile)に従って、レーザービームをモジュール上の位置に向けた。レーザーは、PVモジュールの部分を透明にするベクトルファイル及びコンピュータにより指示されたバック接点を融除(除去)し、モジュール上に輪郭付けされたロゴ、デザイン又は他のパターンを有するモジュールを形成した。
【図面の簡単な説明】
【図1】
図1は、公知の方法により製造された典型的な薄膜光起電モジュールの概略斜視図である。
【図2】
図2(a)~2(g)は、別のタイプの薄膜光起電モジュールを製造する方法における工程を示す概略断面図である。
【図3】
図3は、単一のレーザー刻印が図1の光起電モジュールのバック接点上に位置づけられて、光起電力電池及びモジュールの部分透過性を提供する本発明の一実施形態の概略斜視図である。
【図4】
図4は、図2(g)のモジュールの概略斜視図である。
【図5】
図5は、図4の光起電モジュールのバック接点上に位置づけられたただ一つのレーザー刻印が部分透過性を提供し、刻印が光起電モジュールの基板側から向けられたレーザーにより形成されていることを示す本発明の一実施形態の概略斜視図である。
【図6】
図6は、光起電デバイスの金属背面すなわちバック接点層内に形成された「logo」を有する本発明の薄膜光起電デバイスの一区域の図である。
【図7】
図7は、本発明の光起電デバイスを用いて構成することができる天蓋の図である。

PARTIALLY TRANSPARENT PHOTOVOLTAIC MODULES

Field of the Invention

This application claims the benefit of U.S. Provisional Application No. 60/216,415 filed July 6,2000,60/220,346 filed July 24,2000 and 60/221,627 filed July 28, 2000.

The present invention relates to partially transparent photovoltaic cells and modules and methods for their manufacture. More particularly, the present invention relates to partially transparent amorphous silicon photovoltaic cells and modules wherein the transparency is provided by removing at least part of the back contact layer of the photovoltaic cell. This invention also relates to photovoltaic modules where the removal of the back contact can be used to form a design or logo on the photovoltaic modules so that when viewed from the front or back the design or logo is apparent.

A conventional thin film photovoltaic cell typically includes a front contact disposed on a substrate wherein the front contact is made of, for example, a metal oxide such as tin oxide, a p-i-n or PIN junction and a back or rear contact made of, for example, a metal such as aluminum. The p-i-n or PIN junction includes a layer of a semiconductor material doped with a p-type dopant to form a p-layer, an undoped layer of a semiconductor material that forms an intrinsic or i-layer, and a layer of a semiconductor material doped with an n-type dopant to form an n-layer. Light incident on the substrate passes through the substrate, the front contact, and the p-i-n junction. The light is reflected by the rear contact back into the p-i-n junction.

However, since the back contact generally covers the entire surface of the photovoltaic cell, the cell is opaque when the back contact is made of a metal such as aluminum and does not transmit or allow any light to pass through. In certain applications, however, it would be desirable to have a photovoltaic cell that is efficient for converting light energy into electrical energy yet provides for the transmission of light through the cell. It would also be desirable to have an efficient method to manufacture such photovoltaic cells. Photovoltaic cells with such capability would be very desirable in applications of the photovoltaic cell such as windows, sun screens, canopies and other uses where it is desirable to see through the photovoltaic cell or to have a certain amount of the light incident on the cell pass through the cell. The present invention provides for such a photovoltaic cell, modules comprising such cells, and an efficient method for their manufacture.

Summary of the Invention This invention is a method of manufacturing a photovoltaic device on a monolithic substrate, comprising the steps of: (a) depositing a transparent conductive oxide film on a monolithic substrate to form a front contact layer; (b) laser scribing substantially parallel first grooves in the front contact layer with a laser beam to form front electrode segments on the monolithic substrate; (c) depositing and forming a layer or layers of a semiconductor material on said front electrode segments, and filling the first grooves with the semiconductor material; (d) laser scribing second grooves in the layer or layers of semiconductor material at positions substantially parallel to the first grooves; (e) depositing and forming a back contact layer comprising a metal on the layer or layers of semiconductor material, and filling the second grooves with the metal to form a series connection to connect the front electrode segments and the back contact layer; laser scribing third grooves in the back contact layer at positions substantially parallel to said second grooves with a laser beam; (g) laser scribing grooves in the back contact layer at a direction which crosses the direction of the second groove.

This invention is also a method of manufacturing a photovoltaic device on a monolithic substrate, comprising the steps of: (a) depositing a transparent conductive oxide film on a monolithic substrate to form a front contact layer; (b) laser scribing substantially parallel first grooves in the front contact layer with a laser beam to form front electrode segments on the monolithic substrate; (c) depositing and forming a layer or layers of a semiconductor material on the front electrode segments, and filling the first grooves with the semiconductor material; (d) laser scribing second grooves in the layer or layers of semiconductor material at positions substantially parallel to the first grooves; (e) depositing and forming a back contact layer comprising a metal on the layer of semiconductor material, and filling the second grooves with the metal to form a series connection to connect the front electrode segments and the back contact layer; laser scribing third grooves in the back contact layer at positions substantially parallel to the second grooves with a laser beam; (g) selectively removing sections of the back contact using a laser to impart a desired design, lettering, logo or other feature to the photovoltaic device.

This invention is also a photovoltaic cell comprising a supporting substrate, a front contact layer on the substrate, a layer or layers of semiconductor material and a back contact layer comprising a metal, the back contact having areas without metal thereby permitting the passage of light through the cell.

This invention is also a method for making a partially transparent photovoltaic module comprising series connected cells, at least one amorphous semiconductor layer, a metal contact layer, and interconnects connecting the series-connected cells, the method comprising laser scribing a plurality of laser scribes at least through the metal contact and positioning the scribes in a direction that crosses the direction of the interconnects.

This invention is also a method of making a photovoltaic module comprising series connected cells, at least one amorphous semiconductor layer, a metal contact layer, and interconnects connecting the series-connected cells comprising selectively removing portions of the metal contact using a laser for the purpose of permitting light to pass through the module where the metal is selectively removed.

This invention is also a partially transparent photovoltaic module comprising series connected cells, at least one amorphous semiconductor layer, a metal contact layer, and interconnects connecting the series-connected cells, the module comprising a plurality of scribes at least through the metal contact layer positioned in a direction that crosses the direction of the interconnects.

Detailed Description of the Invention

Photovoltaic cells that convert radiation and particularly solar radiation into usable electrical energy can be fabricated by sandwiching certain semiconductor structures, such as, for example, the amorphous silicon PIN structure disclosed in U.S. Patent No. 4, 064, 521, between two electrodes. One of the electrodes typically is transparent to permit solar radiation to reach the semiconductor material. This"front" electrode (or contact) can be comprised of a thin film, for example, less than 10 micrometers in thickness of transparent conductive oxide material, such as tin oxide, and usually is formed between a transparent supporting substrate made of glass or plastic and the photovoltaic semiconductor material. The"back"or"rear"electrode (or contact), which is formed on the surface of the semiconductor material opposite the front electrode, generally comprises a thin film of metal such as, for example, aluminum or silver, or the like, or a thin film of metal and a thin film of a metal oxide such as zinc oxide between the semiconductor material and the metal thin film. The metal oxide can be doped with boron or aluminum and is typically deposited by low pressure chemical vapor deposition.

FIG. 1 shows thin film photovoltaic module 10 comprised of a plurality of series-connected photovoltaic cells 12 formed on a transparent substrate 14, e. g., glass, and subjected to solar radiation or other light 16 passing through substrate 14.

(A series of photovoltaic cells is a module.) Each photovoltaic cell 12 includes a front electrode 18 of transparent conductive oxide, a transparent photovoltaic element 20 made of a semiconductor material, such as, for example, hydrogenated amorphous silicon, and a back or rear electrode 22 of a metal such as aluminum. Photovoltaic element 20 can comprise, for example, a PIN structure. Adjacent front electrodes 18 are separated by first grooves 24, which are filled with the semiconductor material of photovoltaic elements 20. The dielectric semiconductor material in first grooves 24 electrically insulates adjacent front electrodes 18. Adjacent photovoltaic elements 20 are separated by second grooves 26, which are t filled with the metal of back electrodes 22 to provide a series connection between the front electrode of one cell and the back electrode of an adjacent cell. These connections are referred to herein as"interconnects."Adjacent back electrodes 22 are electrically isolated from one another by third grooves 28.

We discovered that the transmission of light through the photovoltaic cell and module can be accomplished by removing metal from the rear contact, preferably by a laser scribing process. We also discovered that the removal of metal from the back contact by the laser scribing method of this invention can be accomplished in a manner to impart a descriptive pattern or logo on the photovoltaic module.

Additionally, we discovered partially transparent photovoltaic modules having exceptional photovoltaic performance can be manufactured by forming grooves in the back contact where the grooves run from one side of the photovoltaic module to the other and are disposed so they cross the interconnects, and preferably, cross perpendicular to the direction of the interconnects.

The thin-film photovoltaic module of FIG. 1 typically is manufactured by a deposition and patterning method. One example of a suitable technique for depositing a semiconductor material on a substrate is glow discharge in silane, as described, for example, in U.S. Patent No. 4, 064, 521. Several patterning techniques are conventionally known for forming the grooves separating adjacent photovoltaic cells, including silkscreening with resist masks, etching with positive or negative photoresists, mechanical scribing, electrical discharge scribing, and laser scribing.

Silkscreening and particularly laser scribing methods have emerged as practical, cost-effective, high-volume processes for manufacturing thin-film semiconductor devices, including thin-film amorphous silicon photovoltaic modules. Laser scribing has an additional advantage over silkscreening because it can separate adjacent cells in a multi-cell device by forming separation grooves having a width less than 25 micrometers, compared to the typical silkscreened groove width of approximately 300-500 micrometers. A photovoltaic module fabricated with laser scribing thus has a large percentage of its surface area actively engaged in producing electricity and, consequently, has a higher efficiency than a module fabricated by silkscreening. A method of laser scribing the layers of a photovoltaic module is disclosed in U.S. Patent. No. 4, 292, 092.

Referring to FIG. 1, a method of fabricating a multi-cell photovoltaic module using laser scribing comprises; depositing a continuous film of transparent conductive oxide on a transparent substrate 14, scribing first grooves 24 to separate the transparent conductive oxide film into front electrodes 18, fabricating a continuous film of semiconductor material on top of front electrodes 18 and in first grooves 24, scribing second grooves 26 parallel and adjacent to first grooves 24 to separate the semiconductor material into individual photovoltaic elements 20 (or "segments") and expose portions of front electrodes 18 at the bottoms of the second grooves, forming a continuous film of metal on segments 20 and in second grooves 26 so that the metal forms electrical connections with front electrodes 18, i.e., the interconnects, and then scribing third grooves 28 parallel and adjacent to second grooves 26 to separate and electrically isolate adjacent back electrodes 22. As shown in Figure 1, the third grooves 28 are scribed in the metallic back electrode from the back contact side or face of the photovoltaic cell. The first and last cell of a module generally have bus bars which provide for a means to connect the module to wires or other electrically conductive elements. The bus bars generally run along the length of the outer, long portion of the first and last cell.

We discovered that the photovoltaic cells and modules such as the one described in Figure 1 can be made partially transparent by scribing the back contact.

We also discovered that the back contact can be removed in a specified pattern on the photovoltaic cell or module using a laser, and preferably a computer-controlled laser, such that the cell or module can have a logo or other sign such that when the photovoltaic cell or module is viewed the logo or sign is highly noticeable. The photovoltaic cell or module therefore functions both as a means for generating electric current and as a source of information such as an advertisement or means of identification. We also discovered that if it is desirable to have a photovoltaic module that transmits light without regard to the need to have a logo or other design or information on the photovoltaic cell, a highly efficient means for making such a module comprises scribing with a laser, or otherwise forming lines or interconnecting holes through the back contact and in a direction that crosses the direction of the interconnects of the photovoltaic module. Preferably, such scribe lines are perpendicular or nearly so to the direction of the interconnects. It is also preferable that such scribe lines run completely across the photovoltaic module up to but not crossing the bus bars of the first and last cells of the series of cells in a module. The number of such scribes which are made on the back contact will determine the degree of transparency. Of course, for each scribe, that amount of area of the cell becomes photovoltaically inactive. However, we determined that the scribes made in the manner described above, particularly where the scribe comprises a series of connected holes to form a line, provides for the least amount of loss of photovoltaic activity.

Brief Description of the Drawings The accompanying drawings, which are incorporated in and which constitute a part of the specification, illustrate at least one embodiment of the invention and, together with the description, explain the principles of the invention.

FIG. 1 is a schematic perspective view of a typical thin film photovoltaic module fabricated according to a known method; FIGS. 2 (a)-2 (g) are schematic cross sectional views depicting the steps in a method for fabricating another type of thin film photovoltaic module; FIG. 3 is a schematic perspective view of one embodiment of this invention where a single laser scribe is positioned on the back contact of the photovoltaic module of Figure 1 to provide for partial transparency of the photovoltaic cells and module.

FIG. 4 is a schematic perspective view of the module of Figure 2 (g).

FIG. 5 is a schematic perspective view of one embodiment of this invention showing only a single laser scribe positioned on the back contact of the photovoltaic module of Figure 4 to provide for partial transparency and where the scribe was formed by a laser directed from the substrate side of the photovoltaic module.

FIG. 6 is a view of a section of a thin film photovoltaic device of this invention having a"logo"formed in metal rear or back contact layer of the photovoltaic device.

FIG. 7 is a view of canopies that can be constructed using photovoltaic devices of this invention.

Description of the Preferred Embodiments Reference now will be made in detail to the presently preferred embodiments of the invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings.

FIG. 2 (g) is a schematic cross sectional view of a portion of a multi-cell thin-film photovoltaic module, designated generally by reference numeral 110.

Photovoltaic module 110 is comprised of a plurality of series-connected photovoltaic cells 112 formed on a flat, transparent substrate 114. In operation, photovoltaic module 110 generates electricity in response to light, particularly solar radiation, 116, passing through substrate 114, which preferably is formed of glass. Each photovoltaic cell 112 includes a front electrode segment 118 of transparent conductive oxide, a photovoltaic element 120 made of semiconductor material, such as, for example, hydrogenated amorphous silicon, and a back electrode 122 comprising a metal, preferably aluminum, and optionally a metal oxide such as zinc oxide. Adjacent front electrode segments 118 are separated by first grooves 124, which are filled with the semiconductor material of photovoltaic elements 120.

Adjacent photovoltaic elements 120 are separated by second grooves 126 and also by third grooves 128. An inactive portion 130 of semiconductor material is positioned between second groove 126 and third groove 128. Portions 130 are"inactive"in the sense that they do not contribute to the conversion of light 116 into electricity.

Second grooves 126 are filled with the material of back electrodes 122 to provide a series connection between the front electrode of one cell and the back electrode of an adjacent cell. These connections are referred to as interconnects. Gaps 129, located at the tops of third grooves 128, separate and electrically isolate adjacent back electrodes 122. A series of photovoltaic cells, 112 as shown in Figure 2 (g) comprise a module. The module can have a large number of individual cells. Two or more modules can be connected in parallel to increase the current of the photovoltaic device. If a series of photovoltaic cells 112 are used, the contact of the first and last cell must be available for attaching a wire or other conductive element in order to connect the module to a device that will use the electric current generated by the module. Generally, a conductive strip or"bus bar"is added to the outside of the first and last cell in the module (i. e., parallel to the grooves). These bus bars are used to make the electrical connection to the device that will utilize the electrical current generated when the module is exposed to light.

In the preferred method of this invention a portion of the back contact is selectively removed or ablated by lasers to form a design on the back contact, or is scribed to produce a partially transparent photoelectric module. The scribing can be done by any means such as masking and etching or by mechanical scribing.

However, we discovered that the preferred method for removing part of the rear contact is to use a laser. As described above, the selective removal of the metal of the rear contact can be accomplished in such a manner as to impart a design, lettering or logo to the photovoltaic module. This can be done to achieve shading, textures or three dimensional effects. The particular design or lettering or other feature to be added to the photovoltaic module can be stored in a computer or other memory system and such stored information can be recalled during the manufacturing process to quickly and accurately reproduce the desired design, lettering, logo or other feature on the photovoltaic module by directing the laser to scribe the pattern on the module by selectively removing the appropriate portions of the back contact.

If only transparency and not a design is desired, the rear contact can be scribed, again by one or more of the techniques mentioned above, to remove at least some of the back contact. Preferably a laser scribing process is used for this procedure as well. Preferably, such scribing is accomplished by scribing lines or grooves across the module in a pattern that crosses the interconnects, i. e., the scribe lines to produce partial transparency cross rather than run parallel to the interconnects. Preferably the scribe lines or grooves that are used to produce partial transparency of the photovoltaic module run perpendicular to the direction of the interconnects. Preferably the scribe lines for producing partial transparency are parallel to each other. The number of scribes that are added to the photovoltaic module to produce partial transparency of the module can vary depending on the desired transparency. Also the width of each scribe can vary depending on the desired transparency. Generally, the amount of back contact removed by the scribing is no more than about 50 percent of the area of the back contact, more preferably no more than about 20 percent of the back contact and most preferably no more than about 10 percent of the back contact. As stated above, the greater amount of the back contact removed, the more transparent the photovoltaic module will be. However, the more contact removed the less effective the module will be in generating electrical current when exposed to sunlight or other light sources.

Generally, the spacing of the scribe lines is about 0.5 to about 5 millimeters (mm).

More preferably about 0.5 to about 2 mm and most preferably about 0.5 to about 1.0 mm. The width of each scribe line is preferably about 0.5 to about 0.01 mm. More preferably about 0.2 to about 0.05 mm. The scribe line can be a solid line if, for example a laser scribing technique is used to form the line where the laser beam is projected as a linear beam. The scribe lines can also be in the form of a series or row of holes. The shape of the holes can be of any shape such as circles, squares or rectangles. Preferably, if the scribe lines are a series of small holes, and the holes are preferably connected or overlap so as to form a continuous scribe across all or a part of the surface of the photovoltaic module but not including the bus bars. Most preferably, the scribing is in the form of circular holes having a diameter of at least about 0.01 mm, preferably about 0.1 to about 0.2 mm. We have determined that circular holes, particularly when they are interconnected, lead to minimized power loss and maximized light transmission for the photovoltaic device.

When a laser is used to remove parts of the back contact to form the photovoltaic modules of this invention having the design or other such feature imparted to the photovoltaic module, or to form the photovoltaic module of this invention which is partially transparent, the laser used to remove the desired sections of the back contact is preferably a continuous wave laser or more preferably a pulsed laser. The laser can be an ultraviolet laser such as Excimer laser such as an KrF or ArCI laser and the like, or a third or forth harmonic of Nd : YAG, Nd : YLF and Nd: YV04 lasers. The laser can also be a visible or infrared laser. Most preferably, the laser used is a visible laser, preferably a green laser, for example, a frequency doubled Nd-YAG, Nd-YLF or Nd-YV04 laser. The laser can be directed to the top of the back contact so that the back contact is directly ablated or removed by the laser. In a preferred technique the laser beam is directed through the transparent substrate and through the transparent PIN component layers to ablate the rear contact. In a preferred method of operation, the laser is used to generate shock waves by using short pulses of high laser beam energy. We have determined that this enhances the removal of the back contact and reduces shunting. After the removal of the back contact, particularly after using the laser method, the photovoltaic cell is preferably cleaned, preferably using an ultrasonic bath. The cleaning process removes dust particles and melted materials along the edges of the scribe patterns thereby reducing shunting. We have determined that the cleaning, particularly high power ultrasonic cleaning, results in the recovery of as much as 3 percent of the cells power that would otherwise be lost if such cleaning was not conducted. The method for forming photovoltaic module 110 now will be described with reference to FIGS. 2 (a) through 2 (g).

In a method in accordance with the present invention, conductive transparent oxide, such as, for example, indium-tin-oxide, zinc oxide, cadmium stannate or preferably tin oxide (CTO), preferably a fluorinated tin oxide, is deposited on a substrate, such as glass, to form a front contact layer 132, or glass having the conductive tin oxide already deposited thereon can be obtained from suitable glass suppliers. The conductive transparent oxide layer is preferably less than about 10, 000 A in thickness. The tin oxide layer can have a smooth or textured surface.

The textured surface is preferred for application of the photoelectric device of this invention where the greatest electric generating efficiency is desired. However, where the least amount of distortion of light coming through the partially transparent photovoltaic cell or module is desired, a smooth tin oxide surface is preferred. Such lower distortion, partially transparent photovoltaic cells and modules are particularly useful as windows or in other applications where minimizing distortion of the transmitted light is desired. Next a strip of conductive material, preferably silver (Ag) containing materials, is deposited on the outside edges of two opposite sides of CTO layer 132 to form bus bars.

Following thermal cure, if required, of the conductive material, the front contact layer 132 is laser scribed to form scribe lines 124. Following laser scribing of scribe lines 124, the remaining steps in the fabrication of the photovoltaic module as shown in FIGS. 2 (c) to 2 (g) as described herein are performed as described below.

It should be noted that in FIGS. 2 (a) to 2 (g), the front contact layer 132 is shown but the bus means are not. It should be understood, however, that bus means are disposed on front contact layer 132 in the manner described above following which the steps shown in FIGS. 2 (c) to 2 (g) are performed.

A photovoltaic region comprised of a substantially continuous thin film 134 of semiconductor material is fabricated over front electrodes 118 and in first grooves 124, as shown in FIG. 2 (c). The semiconductor material filling first grooves 124 provides electrical insulation between adjacent front electrodes 118. Preferably, the photovoltaic region is made of hydrogenated amorphous silicon in a conventional PIN structure (not shown) and is typically up to about 5000 A in thickness, being typically comprised of a p-layer suitably having a thickness of about 30 A to about 250 A, preferably less than about 150 A, and typically of about 100 A, an i-layer of 2000-4500 A, and an n-layer of about 200-400 A. Deposition preferably is by glow discharge in silane or a mixture of silane and hydrogen, as described, for example, in U.S. Patent No. 4, 064, 521. Alternatively, the semiconductor material may be CdS/CulnSe2 and CdTe. The semiconductor layer can comprise a single PIN type layer. However, the photovoltaic devices of this invention can have other semiconductor layers, for example, it can be a tandem or triple-junction structure.

Suitable semiconductor layers useful in the photovoltaic devices of this invention and methods for their manufacture are described, for example, in United Kingdom Patent Application No. 9916531.8 (Publication No. 2339963, February 9, 2000) which is incorporated herein by reference.

The semiconductor film 134 then is scribed with a laser to ablate the semiconductor material along a second predetermined pattern of lines and form second grooves 126, which divide semiconductor film 134 into a plurality of photovoltaic elements 120, as shown in FIG. 2 (d). Front electrodes 118 are exposed at the bottoms of second grooves 126. Scribing may be performed with the same laser used to scribe transparent conductive oxide layer 132, except that power density is typically reduced to a level that will ablate the semiconductor material without affecting the conductive oxide of front electrodes 118. The laser scribing of semiconductor film 134 can be performed from either side of substrate 114. Second grooves 126 preferably are scribed adjacent and parallel to first grooves 124 and preferably are approximately about 20 to about 1000 micrometer in width.

A thin film of metal 136, such as one or more of silver, molybdenum, platinum, steel, iron, niobium, titanium, chromium, bismuth, antimony or preferably aluminum, is fabricated over photovoltaic elements 120 and in second grooves 126, as shown in FIG. 2 (e). The conductive material filling second grooves 126 provides electrical connections between film 136 and the portions of front electrodes 118 exposed at the bottoms of second grooves 126. Conductive film 136 is formed, for example, by sputtering or other well known techniques. The thickness of film 136 depends on the intended application of the module. As an example, for modules intended to generate sufficient power to charge a 12-volt storage battery, metal film 136 typically is formed of aluminum and is about 2000-6000 A thick.

The next step is to scribe metal film 136 with a laser to ablate the metal along a pattern of lines and form a series of grooves dividing film 136 into a plurality of back electrodes. In one such method, as taught, for example, in U.S. Patent No.

4, 292, 092, because of the high reflectivity of aluminum and other metals conventionally used to form the back electrodes, the laser used to scribe the back electrode usually is operated at a significantly higher power density than those used to scribe second grooves 126 in semiconductor film 134, often 10 to 20 times higher.

For example, if metal film 136 is formed of aluminum and is about 7000 A thick, and if the aluminum is to be directly ablated by a frequency-doubled neodymium: YAG laser emitting light having a wavelength of about 0.53 micrometers and operated in a TEM. sub. 00 (spherical) mode, the laser typically would be focused to about 0.25 micrometers and operated at about 300 mW. Shorter pulse duration may reduce average laser power requirements. When the same laser is used to ablate semiconductor film 134 and form second grooves 126, it preferably is defocused to 100 micrometers and is operated at about 360 mW. Although the laser would be operated at a slightly lower power level for direct ablation of aluminum, the number of photons per second per unit area, that is, the power density of the laser, also is a function of the spot size of the laser beam. For a given power level, power density varies inversely with the square of the radius of the spot. Thus, in the example described above, the laser power density required for direct ablation of the aluminum film is about 13 times the power density required to ablate the amorphous silicon film.

It is difficult to prevent a laser operating at the power density necessary for direct ablation of aluminum from damaging the underlying semiconductor material.

Specifically, the photovoltaic cell may become shorted due to molten metal flowing into the scribed groove and electrically connecting adjacent back electrodes, or due to molten metal diffusing into the underlying semiconductor material and producing a short across a photovoltaic element. In addition, where the underlying semiconductor material is comprised of amorphous silicon, the underlying amorphous silicon material may recrystallize : Moreover, in an amorphous silicon PIN structure dopants from the n-layer or p-layer may diffuse into the recrystallized amorphous silicon of the i-layer.

Therefore, after fabrication of metal film 136, the photovoltaic regions 120 underlying metal film 136 are preferably scribed with a laser operated at a power density sufficient to ablate the semiconductor material along a predetermined pattern of third lines parallel to and adjacent second grooves 126 but insufficient to ablate the conductive oxide of front electrodes 118 or the metal of film 136. More specifically, the laser must be operated at a power level that will ablate the semiconductor material and produce particulates that structurally weaken and burst through the portions of the metal film positioned along the third lines to form substantially continuous gaps in the metal film along the third lines and separate the metal film into a plurality of back electrodes. As shown in FIG. 2 (e), where the laser beams are shown schematically and designated by reference numerals 138, laser patterning of metal film 136 by ablation of the underlying semiconductor material is performed through substrate 114.

Abating the semiconductor material of photovoltaic regions 120 along the pattern of third lines forms third grooves or scribes 128 in the semiconductor material, as seen in FIG. 2 (f). Third grooves 128 preferably are about 100 micrometers wide and are spaced apart from second grooves 126 by inactive portions 130 of semiconductor material. As described above, the ablation of the semiconductor material formerly in third grooves 128 produces particulates, for example, particulate silicon from the ablation of amorphous silicon, which structurally weaken and burst through the portions of metal film 136 overlying the ablated semiconductor material to form gaps 129 that separate film 136 into a plurality of back electrodes 122.

Gaps 129 preferably are substantially continuous as viewed along a line orthogonal to the plane of FIG. 2 (f). The laser parameters required to produce continuous gaps 129 in metal film 136 will, of course, depend on a number of factors, such as the thickness and material of the metal film, the characteristic wavelength of the laser, the power density of the laser, the pulse rate and pulse duration of the laser, and the scribing feed rate. To pattern a film of aluminum having a thickness of about 2000-6000 A by ablation of an underlying amorphous silicon film approximately 6000 A in thickness with a frequency-doubled neodymium: YAG laser emitting light having a wavelength of about 0.53 micrometers, when the pulse rate of the laser is about 5 kHz, and the feed rate is about 13 cm/sec, the laser can be focused to about 100 micrometers in a TEM. sub. 00 (spherical) mode and operated at about 320-370 mW. Under the above conditions, when the laser is operated at less than about 320 mW, portions of metal film 136 may remain as bridges across third grooves 128 and produce shorts between adjacent cells. When the laser is operated above about 370 mW, continuous gaps 129 may be produced, but the performance of the resulting module, as measured by the fill factor, may be degraded. Although the precise cause of degraded performance presently is unknown, we believe that the higher laser power levels may cause melting of portions of the amorphous silicon photovoltaic elements that remain after third grooves 128 are abated. In addition, the increased power densities may cause the laser to cut into front electrodes 118, which would increase series resistance and, if the power density is sufficiently high, might render the module inoperable by cutting off the series connections between adjacent cells.

The next step to form the photovoltaic cells of this invention is to remove additional metal from the back contact. As described above, this metal can be removed in a preselected pattern to form lettering, a logo, or other visible feature on the photovoltaic cell. Additional metal of the back contact can also be removed to increase the transparency of the photovoltaic cell. The metal of the back contact is preferably removed by laser. If lettering, logo or other feature is desired, the metal is removed in the desired pattern using, for example, a pattern of holes on the back contact. The holes can be round, square or other shape. They can be connected or not connected to each other, or only some connected. If transparency is desired, the metal is preferably removed or ablated in grooves or scribes running across the photovoltaic cell relative to the direction of the interconnects, preferably perpendicular to the direction of the interconnects. Figures 3 and 5 show a three dimensional representation of one transparency scribe or groove 140 in the photovoltaic module. Figure 3 is the same as Figure 1 except for the added scribe 140. Figure 5 is the same as Figure 4 except for the added scribe 140. The numerals in Figures 1 and 3 refer to the same elements. The numerals in Figures 2 (g), 4 and 5 refer to the same elements. In the actual module, the number of such grooves would be increased and spaced, shaped and sized as described hereinabove, in order to provide for the desired level of transparency. As shown in Figure 3, the groove 140 extends only through the metal layer 22 to semiconductor layer 20. As shown in Figure 5 the groove 140 extends from the metal back contact layer 122 down to the first contact 118. In Figure 5 the groove is represented as a straight sided groove. However, as described above, this groove can be a series of connected holes.

Although removal of the back contact layer by laser scribing to form the partially transparent photovoltaic modules and cells of this invention, or to form the photovoltaic modules of this invention having designs, logos, lettering or other features can be accomplished using the techniques described hereinabove for producing gaps or grooves 128 and 129 in Figures 2, 4 and 5, a preferred method is to use a high repeating rate, high power laser such as Nd: YV04 laser, preferably, at about 20-100 kHz at a rapid scribing speed of, for example, about 10-20 meters per second with a spot size of, for example, 0.1 to about 0.2 mm. Such conditions can be used to form a partially transparent photovoltaic module 48 inches by 26 inches having, for example, a 5% transmission in less than about one minute. The laser beam passes through a telescope and is directed to XY scanning mirrors controlled by galvonometers. The XY scanning mirrors deflect the laser beam in the X and Y axes. The telescope focuses the beam on to the photovoltaic module and scribing rates of about 5 to 20 meters per second are achieved by this method. In another method, using a high power Eximer laser and cylindrical optics, an entire scribe line can be made in a single laser pulse.

Figure 6 shows an embodiment of the invention having the word"logo"as a representative design or logo as part of the photovoltaic module. In Figure 6, 1 is a section of a photovoltaic module of this invention. In Figure 6, 2 is part of one cell in the module and there are eleven such sections of cells shown, although a module can have a smaller or greater number of cells. Although not shown in Figure 6, each cell can have a layered structure as shown in Figure 4. That is, each cell 2 in Figure 6 can correspond to a cell 112 in Figure 4. In Figure 6, the dark lines 3 and the "dots" forming the letters "L","o","g", and "o", represent regions of the module where the metal back or rear contact is not present. Thus, these regions of the module would transmit light and when the module is viewed with a source of light from behind the module. Lines 3 and the letters spelling"logo"would be visible to a viewer of the module. Lines 3 in Figure 6 represent the scribes or grooves that separate the back or rear contact so that there is one back or rear contact per cell in the module.

Scribe lines or grooves 3 can correspond to grooves 128 in Figure 4. Letters 4, 5, 6 and 7 in Figure 6 are a pattern of holes in the back or rear contact formed, for example, by selective removal of the metal layer in the back or rear contact by a laser scribing process such as one or more of the processes described herein. In Figure 6, the letter"L"identified as 4 in Figure 6 is a pattern of round holes, some of which are connected or overlap with each other. The letter"o"identified as 5 in Figure 6 is similarly formed by a pattern of round holes. The letter"g"identified as 6 in Figure 6 is formed by rows of round holes where some of the holes are connected. The letter "o"identified as 7 in Figure 6 is also formed by a row of holes in the metal back contact layer where all the holes are connected or overlap. The holes which form the letters in Figure 6 can have, for example, a diameter of about 0.1 to about 0.2 mm.

In Figure 6, the section of the module is viewed from the substrate side of the module. That is, in Figure 6, the module is being viewed from the same side light would enter the module for conversion of the light to electrical current.

In another embodiment of this invention, rather than space the grooves or scribe lines evenly across the surface of the photovoltaic cells and module to form a partially transparent photovoltaic cell and module of this invention, the scribes or grooves to produce the partial transparency can be grouped in bands where, in each band, each scribe line is closely spaced. Bands of closely spaced scribe lines can alternate with bands having no or very few scribes or grooves for partial transparency. A photovoltaic module made in such a manner with alternating bands has a"Venetian Blind-like"appearance. Such a photovoltaic module is aesthetically appealing. In one such embodiment, high transmission bands, for example bands about 0.5 to 2 cm wide with transmission of 20-40% are alternated with opaque bands, for example, having a transmission of less than about 5%, more preferably less than about 1%, having a width of about 0.5 to about 1.0 cm. A Venetian Blind-like photovoltaic device can also be made by mounting strips of a photovoltaic panel, for example, strips of a photovoltaic device made on plastic or metal as a substrate, onto glass or some other transparent substrate.

In other embodiments of the invention, the partially transparent photovoltaic cells and modules of this invention can have other arrangements or configurations for the scribes or grooves used to impart partial transparency. The modules of this invention can have scribes or groves that impart partial transparency where the distance between the scribes within a module is graded either for the entire module or only a portion therof. For example, proceeding from one end of the module to the other end of the module the distances or spaces between the scribes used to provide partial transparency as described herein above can increase or decrease in a graded manner. For example, in a linear grading, a square root grading or by a logarithmic grading or other suitable grading. Thus, the resulting module has a graded level of transmission of light proceeding from one end of the module to the other, such as, for example, 1 to about 5 % transmission of light at one end of the module and 10 to about 50% transmission at the other end of the module. The first two scribes on one end of the module can be separated by about 0.2 to about 1 mm and the last two on the other end of the module can be separated by about 0.5 to about 5 mm with the distance between the intervening scribes increasing gradually and, preferably, in a linear grading, a square root grading or by a logarithmic grading. In a logarithmitic type of grading, for example, the first scribe would be separated from the second scribe by log (2) mm, the spacing between the second and the third scribe would be log (3) mm, the spacing between the third and the fourth scribe would be log (4) mm, and so forth. In another embodiment, the scribes or groves used to impart partial transparency can, as described herein above, be grouped in bands having a plurality of scribes separated by bands of few or no scribes where, within the bands having the plurality of scribes, the distance between each scribe is graded as described above. In yet another embodiment, the modules of this invention have bands having a plurality of scribes either spaced from each other with the regular spacing as described herein above or with the graded spacing as described hereinabove, where such bands are separated by bands having few or no scribes, and where the bands having few or no scribes have a width which is graded from one end of the module to the other end. Such grading can be, for example, linear, square root grading or logarithmic grading, or other suitable grading. The bands as described herein above either with a plurality of scribes or with few or no scribes can have any desired width.

However, the width of such bands generally is about 0.2 to about 5 cm. As used herein, with respect to describing a band, having few scribes preferably means that the band has a transparency of no more than about 5 %, preferably no more than about 1 %. As used herein, transmission means the percentage of light incident on the modules or region of the module that passes through the module or region of the module.

Following the laser scribing to form the photovoltaic modules of this invention, it is preferable to anneal the module. We have discovered that annealing the module improves performance of the module, for example, by decreasing shunting loss. For example, the scribed module can be annealed in air at a temperature of 150 to about 175°C for 0.5 to about 1.0 hour.

As mentioned above, partially transparent photovoltaic cells and modules, and particularly the partially transparent photovoltaic cells and modules of this invention, or cells or modules comprising a logo, design, descriptive pattern, sign or other feature, particularly such cells and modules made according to this invention, or a combination thereof either separately or on the same cell or module (i. e., a module having scribes imparting partial-transparency as well as the logo, design, descriptive pattern, sign, etc. on the same cell or module) are suitable for forming canopies. In one particular preferred use these cells and modules form or are part of a canopy over a fuel filling station such as a station used by consumers to fuel their automobiles or trucks or other vehicles with gasoline, diesel or other fuel. The partially transparent photovoltaic cells and modules are particularly useful for this purpose because they allow for the partial transmission of light, particularly sunlight, thereby providing natural light for the consumer or other user of the fuel to perform the desired operation under the canopy, and at the same time the canopy can be used to generate electric current from, for example, sunlight, thereby providing electrical power for the fuel filling station or for other uses. For example, the electric current generated can be distributed to the local electric power grid if either all or part of the electric is not utilized by the fuel filling station. Thus, the canopies of this invention can provide for protection from rain, snow and other elements, as well as from the full heat and radiation of the sun, yet provide for the transmission of light to allow the consumer or other person beneath the canopy to have natural light to proceed with their intended operations such as fueling a vehicle, and/or to provide for a logo, design, descriptive pattern, sign (letters etc.) and the like overhead of the consumer or other person beneath the canopy.

The canopy of this invention useful for a fuel filling station can have only a percentage of the surface of the canopy containing the partially transparent cells or modules, preferably the partially transparent cells and modules of this invention and/or cell and modules having a logo, design, descriptive pattern, sign and the like.

For example, from about 10% of the total surface area of the canopy to about 99% of the surface area. However, the amount of area of the canopy containing the photovoltaic cells or modules is not limited and can be greater than 50% of the total surface area of the canopy. For example it can cover at least 70%, or at least 75% or even at least 80% or 90%. In some applications, at least 95 % of the surface area of the canopy is one or more of the partially transparent photovoltaic cells or modules, preferably the partially transparent photovoltaic cells or modules of this invention. As described herein, the amount of light transmitted by each cell or module can also vary depending on the desired amount of light to be transmitted through the canopy.

The canopy over the fuel filling station containing the partially transparent photovoltaic cells and modules, particularly the partially transparent photovoltaic cells of this invention and/or cells or modules comprising a logo, design, descriptive pattern, sign, and the like, can have any shape. For example it can be flat, or curved upward or downward. It can be a flat canopy, but on an incline. The incline can be adjustable to account for different elevations of the sun so as to maximize the conversion of sunlight to electricity. It can also be in the shape of a pitched-roof type of canopy.

The photovoltaic cells and modules can, for example, be mounted on the canopy in one or more frames made from, for example, metal, plastic or other suitable material. Or they can, for example, be mounted on a transparent substrate such as glass or plastic which is attached to and part of the canopy.

Figure 7 is a drawing of an example of a curve-shaped canopy with the curve extending in an up direction, a flat canopy, and a flat canopy that is tilted or at an angle. In Figure 7,1 is the canopy, 2 are preferably partially transparent photovoltaic cells or preferably modules, preferably the partially transparent photovoltaic cells or modules of this invention and/or the cells or modules having a logo, design, descriptive pattern, sign (letters etc.) and the like either separately from or on the same cell or module as the cell or module with the partial transparency scribes, 3 is a frame for holding the cells or modules, and 4 are columns for supporting the canopy over the fuel filling station. The canopies described herein are particularly useful for canopies over fuel filling stations. They are also useful for covering other operations where it is desirable to have the combination of light transmission through the canopy and a canopy that can generate electric power.

Provisional Patent Application Nos. 60/216, 415 filed July 6, 200, 60/220, 346 filed July 24, 2000 and 60/221, 627 filed July 28, 2000, and the patents referred to herein by number are incorporated herein by reference in their entirety.

Examples Example 1 A partially transparent photovoltaic (PV) module with 5% transmission line pattern was made from what was otherwise a thin-film, amorphous silicon BP Solar production PV module (26 x 48 inches, MV) as follows.

The apparatus used was a high power Nd: YV04 laser capable of working at 100 kHz and output about 10 W; an XY scanner with mirrors coated for high power laser applications; a laser focusing lens; a beam expander and two mirrors. The XY scanner was a combination of X and Y axis mirrors each controlled by a galvanometer. The focusing lens was mounted on a micrometer that allowed adjustment of the laser focus accurately. The laser beam from the laser was collimated by the beam expander and then directed to the focusing lens by two mirrors. The focused laser beam was projected to the work surface by the XY scanning mirrors. The galvanometers positioned the beam to the desired location on the PV module. The laser beam was directed from the glass substrate side of the module. The micrometer controlled focusing lens was used to adjust the lens position to make sure the entire module was processed uniformly. The XY scanner was controlled by a computer. By controlling the X and Y mirror positions, the laser beam location on the PV plate was accurately controlled. For the 5% line pattern, the beam was scanned along the X direction which is perpendicular to the direction of the interconnects. The scribe lines were about 2 mm apart and extended from one buss bar to the other buss bar on the PV module. The laser scribe lines removed the back aluminum contact and the semiconductor material of the PV module but left the front contact intact. The distance between the focusing lens (also XY mirrors) and the surface of the PV module was about 1800 mm, the average laser power used was about 8W and the laser pulse repetition rate was 50 kHz. The spot size of the laser at the surface of the PV module was about 0.15 mm in diameter. The scan rate was about 7.5 meters per second and the entire PV module was completed in less than 1 minute to produce a PV module having 5% transmission (about 5% of the incident light passing through the module.) After laser scribing the partially transparent PV module was washed in a high power ultrasonic tank using water, and then it was dried and annealed at 175 C for one hour. The operations above were performed prior to sealing a second glass plate to the thin-film module formed on the glass substrate.

Example 2 A partially transparent photovoltaic (PV) module with 10% transmission line pattern was laser prepared as follows.

Same as Example 1, except the scribe line spacing was reduced to about 1 mm.

Example 3 A dynamic focusing unit was used to replace the focusing lens in Example 1.

The dynamic focusing ensured the laser focused on the working surface at all times during the laser scanning, leading to more uniform coverage across the PV module.

Example 4 Examples 1 and 3 were repeated except, for more robust production, two laser mirrors were removed and the laser beam, beam expander, focusing system (focus lens or dynamic focusing unit) and the entrance of the XY scanner were made coaxial.

Example 5 To produce a logo, design, or other pattern on the PV module (either a partially transparent module containing scribe lines perpendicular to the interconnects or a non-transparent module) the logo, design or other pattern was transformed into a vector format using HP graphics language (hpgl). Using the apparatus described in Example 1, a computer directed the laser beam to the location on the module according to the vector file. The laser ablated (removed) the back contact where directed by the vector file and the computer making that portion of the PV module transparent and thereby forming the module having the logo, design or other pattern featured on the module.

「特表特表2004-503112およびWO2002005352より引用」

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2009年7月 1日 (水)

[Claims] 薄膜光起電モジュールの製造方法

【特許請求の範囲】
【請求項1】
直列セルを含む薄膜光起電モジュールの製造方法であって、
該セルはフロント接点、バック接点並びにフロント接点及びバック接点の間に位置づけられた光起電活性領域を含み、
該直列セルは、基板上のフロント接点層、光起電活性層及びバック接点層をスクライブすることにより形成されており、
該方法は、層全体にわたって急速に走査されたレーザービームを用いてレーザースクライブを形成するために、該フロント接点層、該光起電活性層又は該バック接点層の少なくともひとつをレーザースクライブすることを含む製造方法。
【請求項2】
請求項1記載の方法であって、前記フロント接点層、前記光起電活性層及び前記バック接点層は、層全体にわたって走査されたレーザービームを用いてスクライブされている方法。
【請求項3】
請求項1記載の方法であって、前記光起電活性層及び前記光起電活性領域はアモルファスシリコンを含む方法。
【請求項4】
請求項1記載の方法であって、前記光起電活性層及び前記光起電活性領域は、CdS/CdTeを含む方法。
【請求項5】
請求項1記載の方法であって、前記レーザービームは、前記スクライブを形成するために約1.0~約50m/secの速度で走査される方法。
【請求項6】
請求項1記載の方法であって、レーザースクライブを行うために用いられる装置は、レーザー、ビーム拡大器、自動集束ユニット、及びスキャナーを含む方法。
【請求項7】
請求項6記載の方法であって、前記スキャナーは、ガルバノメーターによって操作されるX-Yミラーを含む方法。
【請求項8】
請求項6記載の方法であって、さらに線形レーザービーム形状を形成する光学部品を含む方法。
【請求項9】
請求項8記載の方法であって、前記レーザーがエキシマレーザーである方法。
【請求項10】
請求項1記載の方法であって、層全体にわたって走査されるレーザービームの形状が線形である方法。
【請求項11】
フロント接点層は低出力レーザーで走査されて、前記フロント接点層におけるスクライブにより引き起こされる低出力レーザービームの透過、反射又は散乱のひとつもしくはそれ以上における差を測定することにより及び測定された差を用いて光起電活性及びバック接点層の一方又は両方におけるスクライブを位置決めすることにより、フロント接点層におけるスクライブの位置を位置決めする、請求項1記載の方法。
【請求項12】
基板上光起電デバイスの製造方法であって、
(a)基板上に、透明導電性フィルムをデポジットして、フロント接点層を形成する工程と;
(b)レーザービームで迅速に走査することによって、該フロント接点層内に第1の溝をレーザースクライブして、基板上にフロント接点セグメントを形成する工程と;
(c)該フロント電極セグメント上に、一層もしくは複数層の半導体物質層をデポジットして形成し、該半導体物質で該第1の溝を充填する工程と;
(d)該第1の溝に近接する位置で、迅速にレーザービームを走査することで、該一層もしくは複数層の半導体物質層内に第2の溝をレーザースクライブする工程と;
(e)該一層もしくは複数層の半導体物質層上に金属を含むバック接点層をデポジットして形成し、該第2の溝を該金属で充填して、該フロント電極セグメントと該バック接点層とを接続させる直列接続を形成する工程と;
(f)該第2の溝に近接する位置で、レーザービームを迅速に走査することで、該バック接点層内に第3の溝をレーザースクライブする工程と;
を含む方法。
【請求項13】
請求項12記載の方法であって、前記半導体材料はアモルファスシリコンを含む方法。
【請求項14】
請求項12記載の方法であって、前記溝のスクライブは、約1.0~約50m/secにて行われる方法。
【請求項15】
請求項12記載の方法であって、スクライブ形成に用いられるレーザービームの形状は線形である方法。
【請求項16】
薄膜光起電デバイスの製造の間中に1又はそれ以上のレーザースクライブを形成するための装置であって、
レーザーと、ビーム拡大器と、レーザービーム集束手段と、スキャナーと、光起電デバイスを観察するカメラと、を含む装置。
【請求項17】
請求項16記載の装置であって、前記スキャナーは、X-Yミラーを含む装置。
【請求項18】
請求項16記載の装置であって、さらにレーザースクライブを形成する線形ビーム形状を形成するための筒状光学部品を含む装置。
【請求項19】
請求項1記載の方法により製造される光起電モジュール。
【請求項20】
少なくとも約10平方フィートのサイズである請求項19記載の光起電モジュール。
【請求項21】
アモルファスシリコンを含む請求項20記載の光起電モジュール。
【請求項22】
請求項1記載の方法であって、スクライブ形成に用いられるレーザービームが固体レーザーの2次高調波である方法。
【請求項23】
請求項16記載の方法であって、前記レーザービーム集束手段が、自動集束ユニットである装置。
【請求項24】
薄膜光起電デバイスの製造の間中に1又はそれ以上のレーザースクライブを形成するための装置であって、レーザー、ビーム拡大器、レーザー集束手段、スキャナー及びレーザービームの線形ビーム形状を形成する光学部品を含む装置。

1. A method for manufacturing a thin film photovoltaic module comprising series connected cells, the cells comprising a front contact, a back contact and a photovoltaically active region positioned between the front and back contacts, the series connected cell being formed by scribing a front contact layer, a photovoltaically active layer and a back contact layer on a substrate, the method comprising laser scribing at least one of the front contact layer, the photovoltaically active layer or the back contact layer to form laser scribes using a laser beam scanned rapidly over the layer.

2. The method of Claim 1 wherein the front contact layer, the photovoltaically active layer and the back contact layer are scribed using a laser beam scanned over the layer.

3. The method of Claim 1 wherein the photovoltaically active layer and the photovoltaically active region comprises amorphous silicon.

4. The method of Claim 1 wherein the photovoltaically active layer and photovoltaically active region comprises CdS/CdTe.

5. The method of Claim 1 wherein the laser beam is scanned at a rate of about 1.0 to about 50 meters/second to form the scribes.

6. The method of Claim 1 wherein the apparatus used to perform the laser scribing comprises a laser, a beam expander, a dynamic focusing unit and a scanner.

7. The method of Claim 6 wherein the scanner comprises X-Y mirrors operated by a galvanometer.

8. The method of Claim 6 further comprising optics for forming a linear laser beam shape.

9. The method of Claim 8 wherein the laser is an Eximer laser.

10. The method of Claim 1 wherein the shape of the laser beam scanned over the layer is linear.

11. The method of Claim 1 wherein the front contact layer is scanned with a low power laser to locate the position of the scribes in the front contact layer by measuring the difference in one or more of the transmission, reflection or scattering of the low-power laser beam caused by the scribes in the front contact layer and using the differences measured to position the scribes in one or both of the photovoltaically active and back contact layers.

12. A method of manufacturing a photovoltaic device on a substrate comprising the steps of: (a) depositing a transparent and electrically conductive film on a substrate to form a front contact layer ; (b) laser scribing first grooves in the front contact layer with a rapidly scanning laser beam to form front contact segments on the substrate; (c) depositing and forming a layer or layers of a semiconductor material on said front electrode segments, and filling the first grooves with the semiconductor material; (d) laser scribing second grooves in the layer or layers of semiconductor material with a rapidly scanning laser beam at positions adjacent to the first grooves; (e) depositing and forming a back contact layer comprising a metal on the layer or layers of semiconductor material, and filling the second grooves with the metal to form a series connection to connect the front electrode segments and the back contact layer ; and laser scribing third grooves in the back contact layer with a rapidly scanning laser beam at positions adjacent to said second grooves with a laser beam.

13. The method of Claim 12 wherein the semiconductor material comprises amorphous silicon.

14. The method of Claim 12 wherein the scribing of the grooves is at about 1.0 to about 50 meters/second.

15. The method of Claim 12 wherein the shape of the laser beam used to form the scribes is linear.

16. An apparatus for forming one or more laser scribes during the manufacture of thin-film photovoltaic devices comprising: a laser, a beam expander, a means for focusing a laser beam, a scanner and a camera for viewing the photovoltaic device.

17. The apparatus of Claim 16 wherein the scanner comprises X-Y mirrors.

18. The apparatus of Claim 16 further comprising cylindrical optics to form a linear beam shape for forming the laser scribes.

19. Photovoltaic modules made by the method of Claim 1.

20. The photovoltaic modules of Claim 19 that are at least about 10 square feet in size.

21. The photovoltaic module of Claim 20 comprising amorphous silicon.

22. The method of Claim 1 wherein the laser beam used to form the scribes is the second harmonic of a solid state laser.

23. The apparatus of Claim 16 wherein the means for focusing a laser beam is a dynamic focusing unit.

24. An apparatus for forming one or more laser scribes during the manufacture of a thin-film photovoltaic device comprising: a laser, a beam expander, a means for focusing the laser, a scanner and optics for forming a linear beam shape for the laser beam.

「特表2005-515639およびWO2003061013より引用」

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薄膜光起電モジュールの製造方法

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光起電セル及びモジュール、及びこれらの製造方法に関する。特に、本発明は、例えばモジュール内に個々の直列連結セルを製造するために用いられるスクライブ又は溝が、モジュールの表面上にわたって走査するレーザービームを利用する高速プロセスにより形成されたものである、アモルファスシリコン、CdS/CdTe、CIS及び他の薄膜をベースとする光起電セル及びモジュールに関する。
【背景技術】
【0002】
慣用の薄膜光起電モジュールは、典型的には、基板上に配設された、例えば錫酸化物又は酸化亜鉛などの金属酸化物製のフロント接点と、p-n(又はPN)、p-i-n(又はPIN)接合などの光起電活性領域又は層と、例えばアルミニウムなどの金属製のバックもしくはリア接点と、を含む。最も単純なp-i-n又はPIN接合は、p-型ドーパントでドープされてp-層を形成する半導体物質の一層と、真性層又はi-層を形成する半導体物質の未ドープ層と、n-型ドーパントでドープされてn-層を形成する半導体物質の一層と、を含む。光起電活性領域は、フロント接点とバック接点との間に位置づけられている。基板上の入射光は、基板と、フロント接点と、p-i-n接合を通過する。光は、リア接点により反射されて、p-i-n接合に戻される。
【0003】
このような光起電モジュールを製造する典型的な方法は、1種又は複数のレーザーを用いて、ほぼ平行な溝又はスクライブの一列をモジュールの上述の金属酸化物層、半導体層及び金属層に形成して、モジュールを個々の直列連結セルの集合体に分割又はセグメント化する。本明細書に参照として組み込まれる米国特許U.S. Patent No. 4,532,371号明細書は、光起電デバイスの製造方法を開示する。従来のプロセスにおいては、これらのスクライブラインは、半導体及び金属層を含む基板をレーザー光ビームの下方で、例えば空気ベアリングテーブルを用いて基板を移動させることにより形成されていた。このようなプロセスは、ゆっくりで、費用がかかる設備を必要とし、より大きな基板をレーザービームの下方で移動させるために必要となる移動テーブル又は他の装置のサイズゆえに、現存の標準的な0.65×1.2mモジュールよりも実質的に大きい光起電モジュールの製造には特に不適切である。しかし、より大きなサイズのモジュールは、ビルディング又は他の構造物の面に用いられていたガラスを光起電モジュールで置換して、構造及び審美的機能と光起電力発生能を一体化する場合のような建築用途には好ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
したがって、薄膜光起電デバイスの個々のセルを形成するために用いられるレーザースクライブを製造するためのより迅速で、より効率的な方法が必要である。本発明は、このような方法及びこのような方法により製造された光起電モジュールを提供する。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明は、基板上光起電デバイスを製造する方法である。本方法は、
(a)基板上に、透明で電気導電性の膜をデポジットして、フロント接点層を形成する工程と、
(b)該フロント接点層に、レーザービームを走査することによって実質的に平行な複数の第1の溝をレーザースクライブして、モノリシック基板上に複数のフロント接点セグメントを形成する工程と、
(c)該フロント電極セグメント上に半導体物質の一層又は複数層をデポジットし且つ形成して、該半導体物質で該第1の溝を充填する工程と、
(d)該半導体物質の一層又は複数層に、該第1の溝に隣接する位置にてレーザービームを走査することによって、第2の溝をレーザースクライブする工程と、
(e)該半導体物質の一層又は複数層上に、金属を含むバック接点層をデポジットし且つ形成して、金属で該第2の溝を充填して、フロント電極セグメントとバック接点層とを接続する一列の接続部を形成する工程と、
(f)第2の溝に隣接する位置にてレーザービームを走査することで、該バック接点層に第3の溝をレーザースクライブする工程と、
を含む。
【0006】
また本発明は、フロント接点層と、光起電活性半導体物質の一層又は複数層と、金属を含むバック接点層とを含み、フロント接点層と、半導体層と、バック接点層とは、直列連結された複数のセルを形成するために、レーザーを走査することにより形成されたスクライブを有する、担持基板上に直列連結された光起電セルを含む光起電モジュールでもある。
【0007】
[発明の詳細な説明]
放射線及び特に太陽放射線を有用な電気エネルギーに変換する光起電セルは、例えば、本願明細書に参照として組み込まれる米国特許U.S. Patent No. 4.064,521号明細書に開示されているアモルファスシリコンPIN構造又は硫化カドミウム/カドミウムテルライド(CdS/CdTe)構造などのある種の半導体構造を2個の電極の間にサンドウィッチすることにより製作することができる。CdS/CdTe光起電デバイスの製作方法は、例えば、N. R. Pavaskar, et al., J. Electrochemical Soc. 124 (1967) p. 743;I. Kaur, et al., J. Electrochem Soc. 127 (1981) p. 943;Panicker, et al., "Cathodic Deposition of CdTe from Aqueous Electolytes" J. Electrochem Soc. 125, No. 4, 1978, pp. 556-572;米国特許U.S. Patent No. 4,400,244明細書;欧州特許EP Patent 244963;米国特許U.S. Patent No. 4,458,681明細書;欧州特許EP Patent 0538041;米国特許U.S. Patent No. 4,388,483;米国特許U.S. Patent No. 4,735,662明細書;米国特許U.S. Patent No. 4,456,630明細書;米国特許U.S. Patent No. 5,472,910明細書;米国特許U.S. Patent No. 4,243,432明細書;米国特許U.S. Patent No. 4,383,022明細書、"Large Area Apollo(登録商標) Module Performance and Reliability" 28th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Anchorage, Alaska, September 2000(以上はすべて本明細書に参照として組み込まれる)に開示されている。
【0008】
電極のひとつは典型的には、透明で太陽放射線が半導体物質に到達できるようになされている。この「フロント」電極(又は接点)は、酸化錫や酸化亜鉛などの透明導電性酸化物物質の薄膜、例えば厚みが10マイクロメーター未満の薄膜で構成することができ、通常はガラス製又はプラスチック製の透明担体と光起電半導体物質との間に形成される。フロント電極とは反対側の半導体物質の表面上に形成される「バック」又は「リア」電極(又は接点)は、一般に、例えばアルミニウムもしくは銀などの少なくとも1種の金属の薄膜、又は半導体物質と金属薄膜との間に金属の薄膜及び酸化亜鉛などの金属酸化物の薄膜を含む。金属酸化物は、臭素もしくはアルミニウムでドープされてもよく、典型的には、低圧化学蒸着により蒸着される。
【0009】
図1は、例えばガラスである透明基板14上に形成され、基板14を通過する太陽放射線もしくは他の光16に晒される複数の直列接続光起電セル12から構成される薄膜光起電モジュール10を示す。(1列の光起電セルはモジュールである)。各光起電セル12は、透明な導電性酸化物のフロント電極18と、例えば水素化アモルファスシリコンなどの半導体物質から作られた透明な光起電要素20と、アルミニウムなどの金属のバック又はリア電極22と、を含む。光起電要素20は、例えば、PINもしくはPN構造を含み得る。隣接するフロント電極18は、光起電要素20の半導体物質で充填されている第1の溝24により分離されている。第1の溝24内の誘電性半導体物質は、隣接するフロント電極18とは電気的に絶縁されている。隣接する光起電要素20は、1個のセルのフロント電極及び隣接するセルのバック電極の間の直列接続を与えるためにバック電極22の金属で充填されている第2の溝26により分離されている。これらの接続を本明細書において「インターコネクト(相互接続)」という。隣接するバック電極22は、第3の溝28によって互いに電気的に絶縁されている。本発明の方法において、このようなフロント電極をセグメントに分離するスクライブ又は溝の1個以上、このようなインターコネクトを形成するために用いられるスクライブ又は溝、及びこのような電気的に絶縁された電極を形成するバック電極内のスクライブ又は溝は、モジュール製作工程中に、モジュール上にわたって走査するレーザービームによって形成される。好ましくは、走査プロセスにおいて、レーザーは、定置に固定され、レーザービームはスキャナーを通過し、ここで、X-Yミラーは好ましくはガルバノメーターにより操作されてレーザービームを反射してモジュール上の適切な位置に方向付けて、所望のレーザースクライブ又は溝を形成する。適切には、レーザービームは、スキャナデバイスに入る前に、ビーム拡大器を通過して、次いで自動集束光学機器ユニット(dynamic focusing optical unit)を通過する。よって、本発明の方法においては、レーザースクライブを形成するために、スクライビング方向に沿って、種々の金属酸化物、半導体及び金属層を含む基板を移動させる必要はない。むしろ、レーザービームは、好ましくはスキャナーの操作により、基板上全体を走査して、所望のスクライブを形成する。この方法によって、迅速且つ効果的な態様で、大型モジュールを含む広範囲の寸法を有する光起電モジュール上に、所望のスクライブを形成することが可能である。
【0010】
図1に示したような薄膜光起電モジュールは、典型的には、デポジッション(堆積)・パターンニング方法によって製作される。基板上に、アモルファスシリコン半導体物質をデポジット(堆積)させる適切な技術の一例は、例えば米国特許U.S. Patent No. 4,064,521明細書に記載されているように、シラン中グロー放電を用いることである。数種類のパターンニング技術は、上述のように隣接する光起電セルを分離する溝を形成するために慣用的に知られており、レジストマスクでのシルクスクリーニング方法、ポジ又はネガのフォトレジストでのエッチング方法、機械的スクライビング方法、放電スクライビング方法、及びレーザースクライビング方法を含む。レーザースクライビング方法は、薄膜アモルファスシリコン光起電モジュールを含む薄膜半導体デバイスの実用的で、費用効果的で、大容量の製作プロセスとして出現してきたものである。レーザースクライビング方法は、例えば典型的なシルクスクリーン方法による約300~500マイクロメーターの幅の溝と比較して、25マイクロメーター未満の幅を有する分離溝を形成することによって、マルチセルデバイス内の隣接するセルを分離することができるので、有利である。よって、レーザースクライビング方法で製作された光起電モジュールは、電力の発生に能動的に関与する表面の比率が大きく、したがって、例えばシルクスクリーニング方法により製作されたモジュールよりも高効率を有する。光起電モジュールの層をレーザースクライブする従来の方法は、米国特許U.S. Patent No. 4,292,092明細書(本明細書中に参照として組み入れる)に開示されている。
【0011】
図1を参照する。レーザースクライビング方法を用いるマルチセル光起電モジュールの製作方法は、透明基板14上に透明導電性酸化物の連続膜をデポジットさせる工程と、第1の溝24をレーザークスライブして透明導電性酸化物膜をフロント電極18に分離する工程と、フロント電極18の頂部及び第1の溝24内に半導体物質の連続膜を製造する工程と、第1の溝24に平行に且つ隣接して第2の溝26をレーザースクライブして半導体物質を個々の光起電要素20(又はセグメント)に分離し、第2の溝の底部にてフロント電極18の部分を露出させる工程と、金属がフロント電極18との電気的接続、すなわちインターコネクトを形成するようにセグメント20上及び第2の溝26内に金属の連続膜を形成する工程と、次いで、第2の溝26に平行に且つ隣接して第3の溝28をレーザースクライブして隣接するバック電極22を分離して電気的に絶縁させる工程と、を含む。図1に示すように、第3の溝28は、バック接点側すなわち光起電セルの面側から金属のバック電極内にスクライブされる。しかし、本明細書に記載するように、バック電極のスクライビングは、モジュールの他の側から生じてもよい。本発明の方法において、スクライブ又は溝は、迅速且つ制御された態様で製作工程中にレーザーを基板上全体に走査して所望のスクライブを形成する高速高効率レーザー走査プロセスにより形成される。
【0012】
モジュールの最初と最後のセルは、一般に、モジュールとワイヤ又は他の導電性要素とを接続する手段を提供する母線を有する。母線は、一般に、最初と最後のセルの外側の長い部分の長さ方向に沿って走る。
【実施形態の説明】
【0013】
添付図面は、本発明の原理を説明する記載とともに本発明の少なくとも1の実施形態を説明する。添付図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。
図2(g)は、概して符号110で示されるマルチセル薄膜光起電モジュールの概略断面図である。光起電モジュール110は、平坦な透明基板114上に形成された複数の直列接続光起電セル112から構成される。運転時には、光起電モジュール110は、好ましくはガラスで形成される基板114を通過する光116、特に太陽放射線に応答して、電力を発生する。各光起電セル112は、透明導電性酸化物を含むフロント電極セグメント118、例えば水素化アモルファスシリコンなどの半導体物質を含む光起電要素120、及び好ましくはアルミニウム、場合によっては酸化亜鉛などの金属酸化物である金属を含むバック電極122を含む。隣接するフロント電極セグメント118は、光起電要素120の半導体物質で充填されている第1の溝124によって分離される。隣接する光起電要素120は、第2の溝126によって、及び第3の溝128によって分離される。半導体物質の不活性部分130は、第2の溝126及び第3の溝128の間に位置づけられる。部分130は、光116を電力に変換可能ではないという意味において不活性である。第2の溝126は、バック電極122の物質で充填されて、1個のセルのフロント電極及び隣接するセルのバック電極の間に直列接続を与える。これらの接続は、インターコネクトといわれる。第3の溝128の頂部に位置づけられているギャップ129は、隣接するバック電極122を分離して電気的に絶縁する。図2(g)に示されるように、光起電セル112の列は、モジュールを構成する。モジュールは、個々のセルを多数個有し得る。2個以上のモジュールは、平行に接続されて、光起電デバイスの電流を増加させることができる。1個の光起電セル112の列を用いる場合には、モジュールによって発生する電流を使用するデバイス又はシステムにモジュールを接続させるために、ワイヤ又は他の導電性要素に取り付けるべく最初と最後のセルの接点を用いることができるに違いない。一般に、導電性ストリップすなわち「母線」は、モジュールの最初と最後のセルの外側に(すなわち溝に平行に)追加される。これらの母線を用いて、モジュールが光に晒されたときに発生する電流を利用するデバイスへの電気的接続を作ることができる。母線を塗布する方法及び高電流を有するモジュールを達成するために平行にサブモジュールを接続させる方法は、米国特許U.S. Patent No. 5,593,901明細書(本明細書に参照として組み入れる)に開示されている。
【0014】
光起電モジュール110を形成する方法を図2(a)~2(g)を参照しながら説明する。しかし、以下の記載はアモルファスシリコン含有薄膜光起電モジュールに関するものであるが、本発明はこれらに限定されず、光起電活性要素として、CdS/CdTe、銅-インジウムセレナイド(CIS)、有機染料及び他の物質を含む薄膜光起電デバイスなどの他の光起電デバイスを製作するためにも用いることができることは理解されるべきである。
【0015】
例えば、インジウム-錫-酸化物、亜鉛酸化物、錫酸カドミウム(cadmium stannate)、又は錫酸化物、好ましくはフッ化錫酸化物の1種以上などの導電性透明酸化物(CTO)は、ガラスなどの基板上に堆積して、フロント接点層132を形成する。又は、ガラス上にすでに堆積している錫酸化物などの導電性酸化物を有するガラスを適切なガラス供給者より得ることができる。CTO 層は、好ましくは約10,000Å未満の厚みを有する。CTO層は、滑らかな表面又はテクスチャード表面を有するものでもよい。テクスチャード表面は、最大の電力発生効率が望ましい本発明の光起電デバイスの用途に好ましい。次に、導電性物質、好ましくは銀(Ag)含有物質のビーズもしくはストリップをCTO層132の2つの反対側の外側縁部に堆積させて、母線を形成する。
【0016】
必要に応じて、導電性物質のビーズもしくはストリップの熱硬化に続いて、フロント接点層132をレーザースクライブして、スクライブライン124を形成する。
これらのスクライブは、例えば、約10マイクロメーターないし約150マイクロメーターの幅であってもよく、好ましくは約15マイクロメーターないし約80マイクロメーターの幅であり、適切には約0.5cmないし約2.5cm互いに離隔しており、より好ましくは約0.8cmないし約1.2cm互いに離隔している。これらのスクライブの離間は、光起電モジュール上の個々のセルの最大幅を決定するであろう。典型的にはフロント接点内のこれらのレーザースクライブは、基板の一方の縁部近くから反対側の縁部まで、例えば基板の縁部から約0.5cmないし約2.0cm、走る。しかし、スクライブは、基板の縁部あるいは縁部近くまで延びてもよい。スクライブは、典型的には、互いに平行であり、典型的には直線であり、典型的には基板の縁部に平行である。基板が矩形である場合には、これらのスクライブは基板の長いほうの縁部に平行に走ることが好ましい。
【0017】
フロント接点内にこれらのスクライブを形成するために、1種以上のレーザービームが基板に向けられ、フロント接点物質の表面を横断して走査し、こうして所望のパターンでフロント接点物質を取り除く。基板がスクライブを形成するために用いられるレーザー波長にて透過性である物質から作られている限り、スクライブは基板のいずれかの側、すなわち基板上に堆積されたフロント接点を有する側から、もしくはレーザービームを基板に通過させることによって反対側から、なされてもよい。選択されたレーザー、並びに、レーザー光の波長、レーザーのパルス幅、レーザービーム形状及び反復速度は、フロント接点を効果的に取り除くように選択される。本発明の方法においてフロント接点内にスクライブを形成するために用いられるレーザーは、好ましくは、エキシマレーザーであり、例えば、ArF(193nm)、KrF(248nm)、XeCl(308nm)、XeF(351nm)レーザーであり、あるいは固体レーザーであり、例えば、 Nd:YAG、Nd:YLFもしくはNd:YVO4レーザーである。固体レーザーとしては、2次高調波が好ましく用いられる。フロント接点内にスクライブを形成するために用いられるレーザーは、好ましくは、約190ナノメーター(nm)ないし約1,200nmの波長にて、適切には約1ナノ秒(ns)ないし約500nsのパルス幅、より好ましくは約5nsないし約100nsのパルス幅にて、適切には約100ヘルツ(Hz)ないし約400Hzの繰り返し速度(反復(reprate)又はパルス周波数)、より好ましくは約1kHzないし約200kHzの繰り返し速度にて、適切にはトップハットデルタ関数(top hat, delta function)又はガウス形(Gauusian)であるビーム形状にて、作用する。好ましくは、ガウス形(Gauusian)である。商業的に入手可能な光学部品を用いて、所望のビーム形状又はプロファイルにレーザービームを形作ることもできる。スクライブを形成するために、約0.1m/secないし約50m/secである速度にて、より好ましくは約0.5m/secないし約20m/secである速度にて、フロント接点を走査することが好ましい。1m /sec以上、又は5m/sec以上、又は10m/sec以上の速度もまた用いることができる。スクライブライン124のレーザースクライビングに続いて、図2(c)~2(g)に示すような光起電モジュールの製造の残りの工程を以下のように行う。
【0018】
図2(a)~2(g)において、フロント接点層132は示されているが母線は示されていないことに留意すべきである。しかし、母線は、典型的には、上述の態様にて、フロント接点層132上に堆積された後、図2(c)~2(g)に示した工程が行われる。
【0019】
半導体物質の実質的に連続の薄膜134から構成される光起電領域は、図2(c)に示すように、フロント電極118及び第1の溝124の上全体に作られる。第1の溝124を充填する半導体物質は、隣接するフロント電極118の間に電気的な絶縁を提供する。好ましくは、光起電領域は、慣用的なPIN構造(図示せず)内に水素化されたアモルファスシリコンを含み、適切には約30Å~約250Åの厚み、好ましくは約150Å未満の厚み、典型的には約100Åの厚みを有するp-層と、約2,000~4,500Åの厚みのi-層と、約200Å~約400Åの厚みのn-層とを典型的に含む典型的には約5,000Å以下の厚みである。堆積は、好ましくはシランもしくはシランと水素との混合物中でのグロー放電により、例えば米国特許U.S. Patent No. 4,064,521に記載されているように、なされる。あるいは、半導体物質は、CdS/CuInSe2、CdS/CdTeもしくは光起電的に活性な物質であってもよい。CdS/CdTeを作る方法は上述した。半導体層は、単独のPIN型層を含み得る。しかし、本発明の光起電デバイスは、追加の半導体層を有していてもよく、例えばタンデムもしくはトリプル接合構造でもよい。本発明の光起電デバイスに有用な適切な半導体層及びその製造方法は、例えば、英国特許出願U. K. Patent Application No. 9916531.8(公開No.2339963、2000年2月9日)(参照として本明細書に組み入れる)に記載されている。
【0020】
次いで、半導体層又は膜134は、レーザーでスクライブされて、第2の所定のラインパターンに沿って半導体物質が溶融除去されて、第2の溝126が形成され、半導体膜134を図2(d)に示すように複数の光起電要素120に分割する。フロント電極118は、第2の溝126の底部にて露出している。スクライビングは、フロント電極118の導電性酸化物に影響を与えずに、半導体物質を溶融除去するレベルまで出力密度を典型的には低下させる点を除いて、透明な導電性酸化物層132をスクライブするために用いたレーザーと同じレーザーで行うことができる。半導体膜134のレーザースクライビングは、基板114のいずれの側から行ってもよい。第2の溝126は、好ましくは、第1の溝124に隣接して且つ平行に、約10~約1,000マイクロメーター幅、好ましくは約30マイクロメーター~約150マイクロメーター幅、好ましくは約40マイクロメーター~約80マイクロメーター幅にて、フロント接点内のスクライブから適切には約25マイクロメーター~約150マイクロメーター離間して、より好ましくは約25マイクロメーター~約100マイクロメーター離間して、スクライブされる。
【0021】
本発明の方法によって、アモルファスシリコン層又は他の光起電活性層にスクライブを形成するために、1種以上のレーザービームをアモルファスシリコン層に向けて、所望のパターンにてアモルファスシリコン層の表面を横断するように走査して、アモルファスシリコン層を除去するが、このようなスクライブの下方に位置づけられているフロント接点層の導電性酸化物を除去しない。選択されたレーザー、並びに、レーザー光の波長、レーザーのパルス幅、レーザービーム形状及び繰り返し速度は、スクライブを形成するため所望領域でアモルファスシリコン層を効果的に除去するように選択される。例えば、レーザーは、約532nmの波長にて作用するNd:YAGレーザーでもよい。レーザーは、Nd:YLFレーザーもしくはNd:YVO4ベースのレーザーでもよい。1064nmにおける基本波長及び532nm及び335nmにおける高調波の両者を用いることができる。エキシマレーザー、例えば、ArF(193nm)、KrF(248nm)、XeCl(308nm)及びXeF(351nm)レーザーもまた、半導体層内にスクライブを形成するために用いることができる。用いられるレーザーは、適切には、約1ns~約500nsのパルス幅、より好ましくは約5ns~約100nsのパルス幅を有し、約10kHz~約400kHzの反復速度、より好ましくは約30kHz~約200kHzの反復速度を有し、適切にはガウス形、トップハットデルタ関数であるビーム形状を有する。好ましくは、インターコネクトスクライブを形成するためにアモルファスシリコン層をスクライブするビーム形状は、ガウス形である。インターコネクトスクライブを形成するために、約0.1m/sec~約50m/secの速度にて、より好ましくは約0.8m/sec~約20m/secの速度にて、半導体層を走査することが好ましい。1m/sec以上の速度、又は5m/sec以上の速度、又は10m/sec以上の速度もまた用いることができる。半導体層内のインターコネクトスクライブとして、スクライブは断続的であってもよい。つまり、スクライブは、その長さ全体を横断して連続していなくてもよい。例えば、半導体層が除去されなかったスペースによって分離される円形状もしくは直線形状のホールなどの一連の離間したホールであってもよい。
【0022】
銀、モリブデン、白金、銅、金、スチール、鉄、ニオブ、チタン、クロム、ビスマス、アンチモン、金属合金好ましくはアルミニウムの1種以上などの金属の薄膜136は、図2(e)に示すように、光起電要素120の上及び第2の溝126内全体に作られる。第2の溝126を充填する導電性物質は、膜136及び第2の溝126の底部にて露出したフロント電極118の部分の間に電気的接続を提供する。導電性膜136は、例えば、スパッタリング又は他の周知の技術によって形成される。膜136の厚みは、モジュールの意図された用途に依存する。例として、12ボルト容量の電池を充電するために十分な出力を発生させることを目的とするモジュールについては、金属膜136は典型的にはアルミニウムで作られ、約2,000~6,000Åの厚みを有し得る。
【0023】
次の工程は、金属膜136をレーザーでスクライブして、ラインのパターンに沿って金属を溶融除去して、金属膜136を複数のバック電極に分割する一連のスクライブを形成することである。本発明の方法によって、バック接点金属層内にスクライブを形成するために、1種以上のレーザービームを金属層に向けて、所望のパターンにて金属層表面を走査して、金属層を除去する。
【0024】
レーザーによりバック接点を直接、溶融又は除去するために、レーザーをバック接点の頂部に向けることもできる。好ましい技術において、特に光起電活性領域が1種以上のアモルファスシリコン含有層を含む場合、レーザービームは透明基板及び透明アモルファスシリコン含有層を通過して向けられ、リア接点を溶融・除去(アブレート)する。したがって、金属膜136の形成後、金属膜136の下層にある光起電領域120は、好ましくは第2の溝126に平行で且つ隣接する第3のラインの所定パターンに沿って半導体物質を溶融するために十分な出力密度であるが、フロント電極118の導電性酸化物又は膜136の金属を溶融するには不十分な出力密度にて運転されるレーザーでスクライブされることが好ましい。特に、レーザーは、第3のラインに沿って位置づけられた金属膜の部分を貫通するように半導体物質を溶融して、構造的に脆弱で破裂する微粒子を生成して、第3のラインに沿って金属膜内に実質的に連続するギャップを形成し、金属膜を複数のバック電極に分離する出力レベルにて運転されることが好ましい。図2(e)に示されるように、レーザービームは符号138で概略的に示され、下層にある半導体物質の溶融による金属膜136のレーザーパターンニングは、基板114を貫通して行われる。運転の好ましい方法において、高いレーザービームエネルギーの短いパルスを用いることによって、レーザーは衝撃波を発生させるために用いられる。これは、バック接点の除去を強化して、短絡化(シャンティング)を減少させる。
【0025】
バック接点の所望の区域を除去するために用いられるレーザーは、好ましくは連続波レーザーであり、より好ましくはパルスレーザーである。レーザーは、エキシマレーザー、例えばArF(193nm)、KrF(248nm)、XeCl(308nm)もしくはXeF(351nm)レーザーなどの紫外線レーザーであってもよく、Nd:YAGレーザー、Nd:YLFレーザー又はNd:YVO4レーザーの3次高調波もしくは4次高調波であってもよい。レーザーは、さらに、可視光レーザーでも赤外線レーザーでもよい。最も好ましくは、用いられるレーザーは、可視光レーザーであり、好ましくは緑色レーザー、例えば、周波数が2倍になった(frequency doubled)Nd-YAG、Nd-YLFレーザーもしくはNd:YVO4レーザーである。Nd:YVO4レーザーなどの高い反復速度、高出力レーザーを用いることが好ましい。好ましくは、用いられるレーザーは、例えば0.1~約0.2mmのスポットサイズで、約20kHz~100kHzにて、例えば約1~20m/secの迅速なスクライブ速度にて、運転する。
【0026】
用いられるレーザーは、適切には約10ns~約100nsのパルス幅、より好ましくは約10ns~約30nsのパルス幅を有し、適切には約1kHz~約200kHzの反復速度、より好ましくは約10kHz~約30kHzの反復速度を有し、適切にはガウス形、トップハットデルタ関数であるビーム形状を有する。あるスクライブに対して、ガウス形ビーム形状は、レーザーエネルギーをスポットの中心に濃縮する傾向にあるから、不利であるかもしれない。したがって、トップハットレーザープロファイルが好ましいかもしれない。トップハットレーザープロファイルは、一般にレーザースポット内に、より均一なエネルギー分布を提供するからである。本発明の方法におけるバック接点をレーザースクライブするために、このようなトップハットレーザープロファイルが好ましい。バック接点内に所望のスクライブを形成するために、約0.1m/sec~約50m/secの速度、より好ましくは約0.8m/sec~約20m/secの速度で、アモルファスシリコン層を走査することが好ましい。1m/sec以上のスクライブ速度、又は5m/sec以上のスクライブ速度、又は10m/sec以上のスクライブ速度もまた用いることができる。
【0027】
バック接点金属内の第3の溝又はスクライブ128は、好ましくは約10マイクロメーター~約150マイクロメーター幅であり、好ましくは約40マイクロメーター~約80マイクロメーター幅であり、半導体層内の溝126に平行で且つ適切には約25マイクロメーター~約100マイクロメーター、好ましくは約40マイクロメーター~約80マイクロメーターの間隔で半導体物質の不活性部分130によって第2の溝126から好ましくは適切に離隔している。
【0028】
上述のように、第3の溝128内にあった半導体物質の溶融は、微粒子を生じさせる。例えば、アモルファスシリコンの溶融からは微粒子シリコンが生じる。この微粒子は、構造的に脆弱で、溶融した半導体物質の下層にある金属膜136の部分を貫通して破裂して、膜136を複数のバック電極122に分割するギャップ129を形成する。ギャップ129は、好ましくは、図2(f)の平面に直交するラインに沿って示されるように、実質的に連続している。金属膜136内に連続ギャップ129を形成するために必要なレーザーパラメーターは、もちろん、金属膜の厚み及び材質、選択されたレーザーの特性波長、レーザーの出力密度、レーザーのパルス反復速度及びパルス持続時間、スクライビング供給速度などの多数の因子に依存する。バック接点の除去後、特にレーザー方法を用いる除去後、好ましくは超音波浴を用いて光起電セルを洗浄することが好ましい。洗浄プロセスは、汚染粒子及びスクライブパターンの縁部に沿って溶融した物質を除去するので、短絡化(シャンティング)を減少させる。本発明の光起電モジュールを形成するレーザースクライビングに続いて、モジュールをアニールすることが好ましい。モジュールのアニーリングは、例えば短絡化(シャンティング)損失を減少させることにより、モジュールの性能を改良する。例えば、スクライブされたモジュールは、空気中で、約150℃~約175℃の温度にて、約0.5時間~約1.0時間にわたり、アニールされてもよい。
【0029】
上述のように、本発明のレーザースクライビング方法は、CdS/CdTeモジュールなどの薄膜光起電モジュールの製造中に、スクライブを形成するために用いられてもよい。CdS/CdTe光起電デバイスを製造する方法は、上述の参照文献に開示されている。好ましい方法において、CdS/CdTeモジュールの製造は、CTO層を含む基板上にCdS の一層を堆積させることによって始める。次に、CdTeの一層を堆積させる。CTO、CdS及びCdTe層を貫通してレーザースクライブする。これらのスクライブは、互いに離隔しており、好ましくは互いに平行である。得られるスクライブは、フォトレジストで充填され、フォトレジストは硬化される。カーボンの一層を塗布して、カーボン、CdS及びCdTeを貫通する第2のレーザースクライブが、CTO、CdS及びCdTe層を貫通するスクライブに平行にかつ離隔して加えられる。金属バック接点層を塗布して、好ましくは第2のスクライブに平行に且つ離隔している第3のレーザースクライブが、金属、カーボン、 CdTe及びCdS層を貫通するがCTOを貫通せずに形成される。CdS/CdTeモジュールを形成するための上述のレーザースクライブの1種以上は、本発明の方法を用いて作られてもよい。
【0030】
本発明の方法において、線形レーザービーム形状を用いて、上述のように、薄膜光起電デバイスの種々の層内に、所望のスクライブを形成することもできる。商業的に入手可能な筒状光学部品を用いて、レーザービームを線形ビーム形状に集束してもよい。筒状光学部品は、自動集束ユニット(dynamic focusing unit)などの集束ユニットの一部であってもよいし、自動集束ユニットの前段階に適切に位置づけられる別個のユニットであってもよい。線形ビームとは、基板表面上に当たるレーザービームが長さ及び幅を有するバンド形状であることを意味する。例えば、長さは約0.01mm~約1mであってもよく、より好ましくは約10cm~約1mであってもよく、幅は約5ミクロン~約500ミクロンであってもよく、より好ましくは約20ミクロン~約100ミクロンであってもよい。このようなビームを用いて、シングルパルス内でビームの長さ及び幅を有する所望のスクライブを形成することができる。線形ビーム形状が望ましい場合には、上述のエキシマレーザーなどのエキシマレーザー、好ましくは248nmで作動するKrFエキシマレーザーが好ましい。なぜなら、このようなエキシマレーザーは、非常に高いピーク出力、短い波長、高いパルスエネルギー、及び短いパルス持続時間を典型的に有するからである。線形形状を用いることは、ビームの長い方向がスクライビング方向と同じである場合に、スクライビングをスピードアップさせることができるので有利である。さらに、線形ビーム形状を用いて、スクライブ幅を狭小化することができるので、最終的なモジュールにおいて、電気エネルギーを発生させるために光起電的により活性な表面を得ることができる。
【0031】
本発明の方法において、スクライブの幅は、好ましくは、おおよそスクライブを形成するために用いられたレーザーの幅である。しかし、スクライブ幅は、スクライブを作るために1回以上の走査を用いた場合には、より大きくすることができる。本発明の方法において、種々の層にスクライブを形成するために基板上に集束され且つ基板上を走査するビームの平均出力は、フロント接点もしくはCTO層をスクライブするために適切には約20W~約1,000Wであり、半導体及び金属バック接点層をスクライブするために適切には約10W~約20Wである。しかし、所望のスクライブを完了するために必要なレーザーの出力は、スクライビング速度、選択されたレーザー、基板プレート上の層に集束されたレーザースポットの寸法、及びスクライブされる物質などの複数の因子の関数であることは理解されるであろう。
【0032】
フロント接点、1層又は複数層の半導体層、及びバック接点内に溝を形成するために、光起電モジュールを横断してレーザービームを走査させるために適切な装置を図4に示す。図4において、例えば、ArF(193nm)、KrF(248nm)、XeCl(308nm)、XeF(351nm)などのエキシマレーザー又は例えばNd:YAG、Nd:YLFもしくはNd:YVO4レーザーなどの固体レーザーであるレーザー1は、所望の波長及びビーム形状を有するレーザービーム5を生じさせる。
【0033】
レーザービーム5は、ビーム拡大器10に入射して、拡幅されたレーザービーム12を生じさせる。適切なビーム拡大器は、例えば、CVI、Special Optics、OptoSigma、Coherentその他のソースから入手可能である。ビーム拡大器は、レーザービーム発散を低下させ、一般にビームクオリティを改良する。拡幅されたビーム12は、自動集束ユニット15に入射する。非常に大きな基板、例えば約10平方フィートもしくは約15平方フィートよりも大きな面積を有する基板に対して、基板の加工表面とレーザー集束光学部品との間の距離は、プレートのレーザービーム位置の関数として変動する。自動集束光学部品又は他の集束手段を用いて、基板上のビームの位置にかかわらず、走査中に、レーザービームを基板プレート上に集束させる。適切な自動集束ユニットは、例えば、Scanlab又はGeneral Scanningから入手することができる。自動集束ユニットを用いて、レーザービームは加工表面にて集束される。ビームが集束されない場合には、エネルギー密度はより小さい。ビームが適切な寸法のスポットに集束されると、エネルギー密度は除去されるべき物質の溶融閾値を越えるので、レーザースクライビングを効果的に行うことができる。集束されたビーム18は、自動集束ユニット15を出て、スキャナーユニット20に入る。スキャナーユニット20にて、レーザービームは、所望のパターンにて光起電基板30に向けられて、上述のように、フロント接点内、半導体層、バック金属接点内にスクライブを形成する。スキャナーは、適切には、ガルバノメーターで制御されたX-Y座標走査ミラーを利用する。ガルバノメーターは、好ましくはコンピュータボートでありX-Yミラー及び自動集束ユニットを制御するスキャナーコントローラに電気的に接続されていることが好ましい。スキャナーコントロールは、Xミラー及びYミラーを方向付けて、基板30上に所望のパターンにてビームを反射させる。よって、スキャナーを出たレーザービーム25が迅速に基板の表面上全体を走査して所望の溝又はスクライブを形成する間、基板30は動かないままである。直交形状に2個のミラー(X及びY)を有するガルバノメータースキャナーは、本発明の方法によりレーザースクライブを行うために用いることができる単純で、迅速で経済的な装置である。本発明の方法に用いることができるレーザースキャナーは、General Scanning及びScanlabなどのいくつかの企業から入手可能である。好ましくは、本発明の方法を行うための装置において、レーザー、自動集束ユニット及びX-Yスキャナーは、レーザーを切り替える(ゲートコントロール)時、及び所望の集束条件にてビームを向ける場所を決定する共通のコンピュータで制御される。例えば、市販されているHewlett Packard製などの標準的なPentium(登録商標)タイプPCコンピュータ、あるいはMicrosoft Visual Basic又は同等の制御ソフトウェアを用いる同等のコンピュータなどが、本発明の方法によりコンピュータ制御された運転を行うための適切なシステムである。
【0034】
上記に詳述したように、フロント接点又は透明導電性酸化物(TCO)層が好ましくは最初にスクライブされる。スクライブは、好ましくは互いに平行である。アモルファスシリコン層などの光起電活性層は、フロント接点層の後に基板に塗布される。上述したように、別のレーザースクライブのセットは、好ましくはフロント接点層内のスクライブに平行に且つ該スクライブの次に作られる。スクライブは、好ましくは互いに交差しないから、スクライブの第2のセットは好ましくはフロント接点層内のスクライブを基準とする(the second set of scribes is preferably referenced to the scribes in the front contact layer)。本発明の方法にて、フロント接点層内のスクライブのセットを検出して、光起電活性層内のスクライブ(インターコネクトスクライブ)並びにバックもしくはリア接点層のスクライブの第3のセットの配置及び位置を設定するために、いくつかの方法を用いることができる。一方法において、スキャナーを用いて、低出力レーザービーム、例えばレーザーダイオード電流を低下させることによって生じさせたビームを走査する。好ましくは、低出力ビームもまた、非常に高い反復速度を有する。低出力と高反復速度とを用いて、レーザーピーク出力を減少させ、さもなければモジュールの表面を走査する際に走査レーザーによって引き起こされるかもしれないいかなる損傷をも最小化し好ましくは排斥する。好ましくは、レーザーの出力は、約10mW以下であり、好ましくは約1~約10mWである。好ましくは、反復速度は、少なくとも約100kHzであり、好ましくは約100kHz~約1,000kHzである。低出力レーザービームは、モジュールの表面を走査するにつれ、フロント接点内のスクライブを通過する際に、このようなスクライブのないモジュール上での位置と比較して、より多くのレーザー出力がスクライブを通過するようになる。フロント接点内のスクライブは、スクライブのないモジュール上の領域と種々比較して、低出力レーザービームを反射し散乱させる。スクライブの縁部にて、レーザービームの反射及び散乱は、他の領域におけるものとは明瞭に異なる。スクライブ位置は、低出力レーザービームの透過差、反射又はスキャッタリングのいずれかを検出することにより、位置づけられる。好ましくは、CCD(電荷結合装置)などのカメラを用いて、全体の面積をモニターして、低出力レーザービームの透過がより大きな場所もしくはレーザービーム光が散乱又は反射する場所を識別する。望遠鏡をカメラに結合させて、プロセスをある距離にてモニターすることができるようにする。光ファイバベースのカメラを用いて、自由なハンドリングを行うことができる。カメラからのデータは、制御コンピュータ又は他のスキャナー制御手段に送られ、スキャナーを方向付けて所望のスクライブを形成するために用いられる。フロント接点内にスクライブを位置づけるこの方法は、赤外(IR)レーザービーム、例えば上述のNd:YAG又は他の固体レーザーの基本波長からのビームをフロント接点層内のスクライブを走査するために低出力ビームとして用いる場合に、アモルファスシリコンベースの光起電デバイスに特に有用である。なぜなら、IRレーザービームは、アモルファスシリコン層を通過して、フロント接点層にて反射するからである。走査されたビームがフロント接点層内のスクライブと出会うときに、ビーム出力のほとんどは層を貫通して透過し、ビームがスクライブされていないフロント接点層の一部上にある場合、ビームのほとんどは反射される。反射したビームと比較して透過したビーム内のこの差は、フロント接点層内のスクライブを位置づけるために用いられ、半導体層内及びバック接点層内のスクライブを位置づけるためにスキャナーを方向付ける指標として用いられ、その後、上述のように半導体層及びバック接点層内にスクライブを形成する。異なる出力レベルにて運転する同じレーザー及び同じスキャナーを用いて、フロント接点層内のスクライブを位置づけて、アモルファスシリコン光起電活性層内及びバック接点層内のスクライブを形成することができる。別の方法において、フロント接点層内のスクライブを位置づけるかもしくは照合するために、第2の別個のスキャナー及び場合によっては第2の別個のレーザーを用いることができる。
【0035】
また別の方法において、CCDカメラなどのカメラシステムを用いて、フロント接点層におけるスクライブ位置を決定することができる。この方法の一実施形態において、中心に穴を有するミラーをレーザービームが自動集束ユニットに入る直前の場所に位置付けることもできる。ミラーは、レーザービームを穴に通過させて、フロント接点層におけるスクライブを含む基板の像をカメラに反射させる。走査されている基板の像は、カメラから制御コンピュータに送られる。自動集束ユニットを有する走査システムは望遠鏡に似た機能を奏するから、フロント接点層におけるスクライブの像は、自動集束光学機器を通してみる場合に現出する。この像及びそこから派生したデータは、半導体層及びバック接点におけるスクライブを位置づけるために用いられる。図5は、図4の装置を示す。ただし、図5は、レーザービーム12が穴を通過することができるような穴を有するミラー40をさらに含む。図5に示すようなカメラ45は、プレート30の像を検出して、データを制御コンピュータに送る。この制御コンピュータは、レーザー及びスキャナーの運転を制御する。こうして、基板30上の層における所望のスクライブを正確な位置に作ることができる。図4及び図5における同じ符号が付された成分は、同じ成分を表す。
【0036】
また別の方法において、CCDカメラなどのカメラは、自動集束ユニットの後方位置に配置されて、基板上のフロント接点層におけるスクライブを直接「見る」ためのX-Yミラー像を見るように位置づけられる。図6は、図4の装置を示す。ただし、図6は、さらに、ミラー40及びカメラ45を含み、カメラ及びミラーはX-Yミラー(図示せず)を見るようにスキャナー内に位置づけられている。この装置で、カメラ45はプレート30の像を検出し、データを制御コンピュータに送る。この制御コンピュータは、レーザー及びスキャナーの運転を制御する。こうして、基板30上の層における所望のスクライブを正確な位置に作ることができる。図4及び図6における同じ符号が付された成分は、同じ成分を表す。別の実施形態において、ミラー40は用いられず、カメラ45はスキャナー内のX-Yミラーを直接、見る。スクライビングのために線形ビームが望ましい場合には、図4~6における自動集束ユニット15内に線形ビーム光学部品を含むものでもよく、あるいはこのような光学部品を分離して、図4~6に示すように、ビーム拡大器10及び集束ユニット15の間に適切に位置づけてもよい。
【0037】
本発明の方法において、単一のレーザー及び単一のスキャナーを用いて、本明細書に記載された1種以上の異なるタイプのスクライブを形成することができる。しかし、本発明は限定されるものではない。2種以上のレーザーを用いて、2種以上のスキャナーを用いて、所望のスクライブを形成してもよい。
【0038】
光起電モジュールを作るために本発明の方法において用いられる基板は、任意の寸法及び形状でよい。しかし、本発明の方法は、より大きな寸法の光起電モジュールを作るために、特に建築用途において用いられる大きな寸法の光起電モジュールを作るために、特に望ましい。このような用途において、基板及び結果として得られる光起電モジュールは、ガラスで作られることが好ましく、約10~15平方フィート乃至約200平方フィートの寸法であり、矩形形状又は四角形のいずれかの形状であることが好ましいが、本発明はこれらに限定されない。本発明のプロセスのひとつの特徴は、処理装置を変えることなく、基板形状及び寸法の範囲または多様性を有する能力である。よって、本発明のプロセスは、例えば特定の建築用途に適切な光起電デバイスを製作するために用いることができる。基板の厚みもまた変動し得るし、一般に光起電デバイスの用途の観点で選択される。例えば、光起電デバイスが基板としてガラスを用いる場合には、ガラスの厚みは0.088インチ~約0.500インチの厚み範囲であり得て、より好ましくは約0.125インチ~約0.250インチの範囲である。例えば、ガラスが少なくとも約60平方フィート、又は少なくとも約200平方フィートなどの大きな寸法で用いられる場合には、ガラスは、好ましくは少なくとも約0.125インチの厚みであり、より好ましくは少なくとも約0.187インチの厚みである。ガラス基板が少なくとも約0.187インチの厚みもしくは少なくとも約0.250インチの厚みを有する場合には、好ましくは低鉄ガラス(low iron glass)である。低鉄ガラスとは、好ましくは、鉄を約0.1wt%以下有するガラスを意味し、より好ましくは鉄を約0.1wt%未満有するガラスを意味する。好ましくは、本発明の方法において用いられる基板は、モノリシック、すなわち、一片の基板であり、こうしてモノリシックモジュールを形成する。
【0039】
本明細書にて記載したように、種々の層の堆積及び該層のスクライビングの完了時に、形成された光起電デバイスは、一般に別の基板に対してシールされて、シールされたモジュールを形成する。シーリングは、モジュールの性能を低下させ得る水分及び他の環境要素への暴露から光起電要素を保護する。モジュールをシーリングする方法は、当業者には公知である。しかし、ひとつの方法は、薄膜光起電デバイスを含む基板と第2のガラスシートなどの第2の基板との間にポリエチレンビニルアセテート(EVA)などの重合性カプセル化物質のシートを置き、次いで、基板及び第2のガラスシートを一緒に加熱しプレスして光起電デバイスを基板と第2のガラスシートとの間にシーリングする。Tedlarタイププラスチック、Nuvasilタイププラスチック、Tefzelタイププラスチック、紫外線硬化コーティングなど及びこれらの組み合わせなどのEVA以外の他のカプセル化剤をEVAに代えて又はEVAと一緒に用いることもできる。
【0040】
本明細書において上述したように、本発明の方法は、所望のスクライブを形成するために、レーザービームの下方で基板の移動を必要としない。むしろ、レーザービームが基板の上方で迅速に走査される。しかし、基板を本発明の方法に従って、例えば、モジュールを製作する一連のプロセス工程に沿って基板を起動させるアセンブリライン内にて、移動させてもよい。
【0041】
本発明のモジュールは、さらに、半透明性もしくは部分的に透明な薄膜モジュール、例えば、光を通過させてモジュールを通して像を見ることができるように金属接点の部分が除去された薄膜モジュールであってもよい。このようなモジュールは、発明の名称を「一部透明光起電モジュール(Partially Transparent Photovoltaic Modules)」とする2001年6月26日に出願された米国特許出願U.S. Patent Application No. 09/891,752(本明細書に参照として組み込まれる)に開示されている。
【0042】
本発明の数種の実施形態だけを上記に記載した。上述の記載から別の実施形態及び種々の変形例が当業者には明らかであろう。これら及び他の変形例は、本発明の範囲と等価であり、本発明の範囲に含まれる。
【実施例】
【0043】
図5に示した装置を用いて、フッ素でドープされた酸化錫の0.6~0.8マイクロメーターの層を有する48インチ長さ×26インチ幅の厚み1/8インチのガラス板をスクライブして、約1m/secの速度で酸化錫層上方を走査する平均レーザー出力5Wを繰り返し送る32nm、30kHzでのNd:YVO4レーザーを用いて、酸化錫を除去した。スクライブは、ガラス板の長さ方向に平行に且つ約9mmの距離で互いに離間させて、約50マイクロメーターの幅で、セットした。このような走査の結果、ガラス基板の表面全体を横断する幅50マイクロメーターのスクライブによって分離された約9mm幅の酸化錫層の一列のストリップを得た。銀含有フリットペーストのビーズを導電性酸化物の最初と最後のストリップの外側縁部に沿って置くことによって、母線を加えた。ビーズは、基板の一端の中心近傍のポイントまで延在し、モジュールに対する電気的接続を作るための正及び負のターミナルポイントとして機能する。フリットは、モジュールを約550℃にて約5分間加熱することによって硬化される。(母線は、酸化錫層のスクライブ前に加えられる。)化学蒸着技術を用いて、酸化錫層の上に、アモルファスシリコン製の光起電活性p-i-n接合を堆積させ、続いて酸化亜鉛の層を蒸着する。アモルファス層は約2000Åの厚みである。アモルファス層は、導電性酸化錫内に作られたスクライブを充填する。スクライブの第2のセットは、532nm、50kHz反復、約5W平均出力のNd:YVO4レーザーからのレーザービームを走査することによって、アモルファスシリコン及び酸化亜鉛層内に作られる。スクライビング速度は、約5m/secであり、スクライブ幅は100マイクロメーターである。アモルファスシリコン及び酸化亜鉛層内のスクライブは、酸化錫層内のスクライブと平行で酸化錫層内のスクライブから約150マイクロメーター離間している。酸化亜鉛層上方をマグネトロンスパッタリングして、アモルファスシリコン層内のスクライブをアルミニウムで充填することによって、約4000Åのアルミニウム層が堆積される。スクライブのダイ3のセットは、アルミニウム層内のスクライブが形成されるべきアルミニウム層の下方のアモルファスシリコン層に、532nm、50kHz反復、約4W平均出力のNd:YVO4レーザーからのレーザービームを走査することによって、アルミニウム層内に作られる。スクライビング速度は、約4m/secであり、スクライブ幅は150マイクロメーターである。第3のスクライブは、第2のスクライブと平行で第2のスクライブから約150マイクロメーター離間している。酸化錫層を貫通する第1のスクライブに対する第2及び第3のスクライブの配置は、低出力(約5mW)で運転されるNd:YVO4レーザーで基板を走査することによって、且つ酸化錫層内のスクライブを横断する際の低出力レーザーの反射、散乱又は透過の差を検出することにより第1のスクライブの配置を記録するためのカメラを用いて、決定される。コンピュータは、カメラによって第1のスクライブの配置が決定されたならば、150マイクロメーターの距離だけ、第2及び第3のスクライブのために、ビームを自動的にオフセットする。

METHOD OF MANUFACTURING THIN FILM PHOTOVOLTAIC MODULES Field of the Invention The present invention relates to photovoltaic cells and modules and methods for their manufacture. More particularly, the present invention relates to a method for manufacturing amorphous silicon, CdS/CdTe, CIS and other thin film based photovoltaic cells and modules wherein the scribes or grooves used, for example, to produce the individual series-connected cells in the modules are formed by a high speed process utilizing a laser beam scanned over the surface of the module.

A conventional thin film photovoltaic module typically comprises a front contact disposed on a substrate wherein the front contact is made of, for example, a metal oxide such as tin oxide or zinc oxide, a photovoltaically active region or layer such as a p-n (or PN), p-i-n (or PIN) junction, and a back or rear contact made of, for example, a metal such as aluminum. The simples p-i-n or PIN junction includes a layer of a semiconductor material doped with a p-type dopant to form a p-layer, an undoped layer of a semiconductor material that forms an intrinsic or i-layer, and a layer of a semiconductor material doped with an n-type dopant to form an n-layer.

The photovoltaically active region is positioned between the front and back contact.

Light incident on the substrate passes through the substrate, the front contact, and the p-i-n junction. The light is reflected by the rear contact back into the p-i-n junction.

Typical methods for the manufacture of such photovoltaic modules use a laser or lasers to form a series of generally parallel grooves or scribes in the above- mentioned metal oxide, semiconductor and metal layers of the module to divide or segment the module into a collection of individual, series connected cells. U.S.

Patent No. 4,532, 371, which is incorporated herein by reference, discloses methods for manufacturing photovoltaic devices. In prior processes, these scribe lines were formed by moving the substrate containing the semiconductor and metal layers under the laser light beam, for example, using air bearing tables to move the substrate.

Such a process is slow and requires costly equipment, and is particularly unsuitable for manufacturing photovoltaic modules that are substantially larger than the currently standard 0.65 x 1.2 meter modules because of the size of the moving table or other apparatus required to move the larger substrates under the laser beam. Larger sized modules, however, are preferred in architectural applications where a photovoltaic module replaces glass used to face a building or other structure thereby integrating photovoltaic generating capability with structural and aesthetic function.

The art therefore needs a more rapid, more efficient method to produce the laser scribes used to form the individual cells of thin film photovoltaic devices. The preset invention provides for such method and photovoltaic modules made by such method.

Summary of the Invention This invention is a method of manufacturing a photovoltaic device on a substrate, comprising the steps of: (a) depositing a transparent and electrically conductive film on the substrate to form a front contact layer ; (b) laser scribing substantially parallel first grooves in the front contact layer with a scanning laser beam to form front contact segments on the monolithic substrate; (c) depositing and forming a layer or layers of a semiconductor material on the front electrode segments, and filling the first grooves with the semiconductor material; (d) laser scribing second grooves in the layer or layers of semiconductor material with a scanning laser beam at positions adjacent to the first grooves; (e) depositing and forming a back contact layer comprising a metal on the layer or layers of semiconductor material, and filling the second grooves with the metal to form a series connection to connect the front electrode segments and the back contact layer ; and laser scribing third grooves in the back contact layer with a scanning laser beam at positions adjacent to said second grooves.

This invention is also a photovoltaic module comprising photovoltaic series connected cells on a supporting substrate, comprising a front contact layer, a layer or layers of photovoltaically active semiconductor material, and a back contact layer comprising a metal, the front contact layer, semiconductor layers and back contact layer having scribes formed by a scanning laser to form the series connected cells.

Detailed Description of the Invention Photovoltaic cells that convert radiation and particularly solar radiation into usable electrical energy can be fabricated by sandwiching certain semiconductor structures, such as, for example, the amorphous silicon PIN structure disclosed in U.S. Patent No. 4,064, 521, which is incorporated herein by reference, or cadmium sulfide/cadmium telluride (CdS/CdTe) structures between two electrodes. Methods for making CdS/CdTe photovoltaic devices are disclosed in, for example, N. R.

Pavaskar, et al., J. Electrochemical Soc. 124 (1967) p. 743 ; I. Kaur, et al., J.

Electrochem Soc. 127 (1981) p. 943; Panicker, et al.,"Cathodic Deposition of CdTe from Aqueous Electrolytes,"J. Electrochem Soc. 125, No. 4,1978, pp. 556-572, U.S.

Patent No. 4,400, 244; EP Patent 244963; U.S. Patent No. 4,548, 681; EP Patent 0538041; U.S. Patent No. 4,388, 483; U.S. Patent No. 4,735, 662; U.S. Patent No.

4,456, 630: U.S. Patent No. 5,472, 910; U.S. Patent No. 4,243, 432; U.S. Patent No. <BR> <BR> <P>4,383, 022, "Large Area Apollo@) Module Performance and Reliability"28"IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Anchorage, Alaska, September 2000; all of which are incorporated by reference herein.

One of the electrodes typically is transparent to permit solar radiation to reach the semiconductor material. This "front" electrode (or contact) can be comprised of a thin film, for example, less than 10 micrometers in thickness, of transparent conductive oxide material, such as tin oxide or zinc oxide, and usually is formed between a transparent supporting substrate made of glass or plastic and the photovoltaic semiconductor material. The "back" or "rear" electrode (or contact), which is formed on the surface of the semiconductor material opposite the front electrode, generally comprises at least a thin film of metal such as, for example, aluminum or silver, or the like, or a thin film of metal and a thin film of a metal oxide such as zinc oxide between the semiconductor material and the metal thin film. The metal oxide can be doped with boron or aluminum and is typically deposited by low- pressure chemical vapor deposition.

FIG. 1 shows a thin film photovoltaic module 10 comprised of a plurality of series-connected photovoltaic cells 12 formed on a transparent substrate 14, e. g., glass, and subjected to solar radiation or other light 16 passing through substrate 14.

(A series of photovoltaic cells is a module.) Each photovoltaic cell 12 includes a front electrode 18 of transparent conductive oxide, a transparent photovoltaic element 20 made of a semiconductor material, such as, for example, hydrogenated amorphous silicon, and a back or rear electrode 22 of a metal such as aluminum. Photovoltaic element 20 can comprise, for example, a PIN or PN structure. Adjacent front electrodes 18 are separated by first grooves 24, which are filled with the semiconductor material of photovoltaic elements 20. The dielectric semiconductor material in first grooves 24 electrically insulates adjacent front electrodes 18.

Adjacent photovoltaic elements 20 are separated by second grooves 26, which are filled with the metal of back electrodes 22 to provide a series connection between the front electrode of one cell and the back electrode of an adjacent cell. These connections are referred to herein as "interconnects. " Adjacent back electrodes 22 are electrically isolated from one another by third grooves 28. In the method of this invention, one or more of the scribes or grooves separating such a front electrode into segments, the scribes or grooves used to form such interconnects, and the scribes or grooves in the back electrode to form such electrically isolated electrodes, are formed by a laser beam scanned over the module during its stages of manufacture. Preferably, in the scanning process the laser is fixed in position and the laser beam passes through a scanner where X-Y mirrors, preferably operated by galvanometers, reflect and direct the laser beam to the appropriate locations on the module to form the desired laser scribes or grooves. Suitably, the laser beam, prior to entering the scanner device, is passed through a beam expander and then through a dynamic focusing optical unit. Thus, in the method of this invention it is not necessary to move the substrate along the scribing direction containing the various metal oxide, semiconductor and metal layers in order to form the laser scribes.

Rather the laser beam, preferably by operation of the scanner, scans over the substrate to form the desired scribes. It is possible by this method to form the desired scribes in a rapid and efficient manner on photovoltaic modules having a wide variety of dimensions, including large modules.

The thin-film photovoltaic module such as the one depicted in FIG. 1 typically is manufactured by a deposition and patterning method. One example of a suitable technique for depositing an amorphous silicon semiconductor material on a substrate is to use a glow discharge in silane, as described, for example, in U.S. Patent No.

4,064, 521. Several patterning techniques are conventionally known for forming the grooves separating adjacent photovoltaic cells as described above, including silkscreening with resist masks, etching with positive or negative photoresists, mechanical scribing, electrical discharge scribing, and laser scribing. Laser scribing has emerged as a practical, cost-effective, high-volume processes for manufacturing thin-film semiconductor devices, including thin-film amorphous silicon photovoltaic modules. Laser scribing has an advantage because it can separate adjacent cells in a multi-cell device by forming separation grooves having a width less than 25 micrometers, compared, for example, to a typical silkscreened groove width of approximately 300-500 micrometers. A photovoltaic module fabricated with laser scribing thus has a large percentage of its surface area actively engaged in producing electricity and, consequently, has a higher efficiency than a module fabricated by, for example, silkscreening. A prior method of laser scribing the layers of a photovoltaic module is disclosed in U.S. Patent. No. 4,292, 092, which is incorporated herein by reference.

Referring to FIG. 1, a method of fabricating a multi-cell photovoltaic module using laser scribing comprises; depositing a continuous film of transparent conductive oxide on a transparent substrate 14, laser scribing first grooves 24 to separate the transparent conductive oxide film into front electrodes 18, fabricating a continuous film of semiconductor material on top of front electrodes 18 and in first grooves 24, laser scribing second grooves 26 parallel and adjacent to first grooves 24 to separate the semiconductor material into individual photovoltaic elements 20 (or "segments") and expose portions of front electrodes 18 at the bottoms of the second grooves, forming a continuous film of metal on segments 20 and in second grooves 26 so that the metal forms electrical connections with front electrodes 18, i. e. , the interconnects, and then laser scribing third grooves 28 parallel and adjacent to second grooves 26 to separate and electrically isolate adjacent back electrodes 22. As shown in FIG. 1, the third grooves 28 are scribed in the metallic back electrode from the back contact side or face of the photovoltaic cell. However, as will be described herein, the scribing of the back electrode can occur from the other side of the module. In the method of this invention, scribes or grooves are formed by a high speed, efficient laser scanning process where the laser is scanned over the substrate during its stages of manufacture in a rapid, controlled manner to form the desired scribes.

The first and last cell of a module generally has bus bars that provide for a means to connect the module to wires or other electrically conductive elements. The bus bars generally run along the length of the outer, long portion of the first and last cell.

Brief Description of the Drawing The accompanying drawings, which are incorporated in and which constitute a part of the specification, illustrate at least one embodiment of the invention and, together with the description, explain the principles of the invention.

FIG. 1 is a schematic perspective view of a typical thin film photovoltaic module that can be fabricated according to the method of this invention.

FIGS. 2 (a) -2 (g) are schematic cross sectional views depicting the steps in a method for fabricating another type of thin film photovoltaic module that can be fabricated according to the method of this invention.

FIG. 3 is a schematic perspective view of the module of FIG. 2 (g).

FIG. 4 is a schematic diagram of a laser scanning apparatus useful in the method of this invention.

FIG. 5 is a schematic diagram of a laser scribing apparatus useful in the method of this invention.

FIG. 6 is a schematic diagram of a laser scribing apparatus useful in the method of this invention.

Description of the Preferred Embodiment (s) Reference now will be made in detail to embodiments of the invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings.

FIG. 2 (g) is a schematic cross sectional view of a portion of a multi-cell thin- film photovoltaic module, designated generally by reference numeral 110.

Photovoltaic module 110 is comprised of a plurality of series-connected photovoltaic cells 112 formed on a flat, transparent substrate 114. In operation, photovoltaic module 110 generates electricity in response to light, particularly solar radiation, 116, passing through substrate 114, which preferably is formed of glass. Each photovoltaic cell 112 includes a front electrode segment 118 comprising a transparent conductive oxide, a photovoltaic element 120 comprising a semiconductor material, such as, for example, hydrogenated amorphous silicon, and a back electrode 122 comprising a metal, preferably aluminum, and optionally a metal oxide such as zinc oxide. Adjacent front electrode segments 118 are separated by first grooves 124, which are filled with the semiconductor material of photovoltaic elements 120. Adjacent photovoltaic elements 120 are separated by second grooves 126 and also by third grooves 128. An inactive portion 130 of semiconductor material is positioned between second groove 126 and third groove 128. Portions 130 are"inactive"in the sense that they do not contribute to the conversion of light 116 into electricity. Second grooves 126 are filled with the material of back electrodes 122 to provide a series connection between the front electrode of one cell and the back electrode of an adjacent cell. These connections are referred to as interconnects. Gaps 129, located at the tops of third grooves 128, separate and electrically isolate adjacent back electrodes 122. A series of photovoltaic cells, 112 as shown in FIG. 2 (g) comprise a module. The module can have a large number of individual cells. Two or more modules can be connected in parallel to increase the current of the photovoltaic device. If a series of photovoltaic cells 112 are used, the contact of the first and last cell must be available for attaching a wire or other conductive element in order to connect the module to a device or system that will use the electric current generated by the module. Generally, a conductive strip or"bus bar"is added to the outside of the first and last cell in the module (i. e., parallel to the grooves). These bus bars are used to make the electrical connection to the device that will utilize the electrical current generated when the module is exposed to light. Methods for applying the bus bars and for connecting sub-modules in parallel to achieve modules with higher current are disclosed in U.S.

Patent No. 5,593, 901, which is incorporated herein by reference.

The method for forming a photovoltaic module 110 now will be described with reference to FIGS. 2 (a) through 2 (g). It should be understood however, that while the description below is directed to an amorphous silicon-containing thin film photovoltaic module, this invention is not so limited and can be used to make other photovoltaic devices such as the thin film photovoltaic devices containing CdS/CdTe, copper-indium selenide (CIS), organic dyes and other materials as the photovoltaically active elements.

Conductive transparent oxide (CTO), such as, for example, one or more of indium-tin-oxide, zinc oxide, cadmium stannate or tin oxide, preferably a fluorinated tin oxide, is deposited on a substrate, such as glass, to form a front contact layer 132, or glass having the conductive oxide, such as tin oxide, already deposited thereon can be obtained from suitable glass suppliers. The CTO layer is preferably less than about 10,000 A in thickness. The CTO layer can have a smooth or textured surface. The textured surface is preferred for application of the photoelectric device of this invention where the greatest electric generating efficiency is desired. Next a bead or strip of conductive material, preferably silver (Ag) containing materials, is deposited on the outside edges of two opposite sides of CTO layer 132 to form bus bars.

Following thermal cure, if required, of the beads or strips of conductive material, the front contact layer 132 is laser scribed to form scribe lines 124.

These scribes, for example, can be about 10 micrometers to about 150 micrometers wide, preferably about 15 micrometers to about 80 micrometers wide, and suitably spaced about 0.5cm to about 2.5cm, more preferably about 0.8cm to about 1.2cm from each other. The spacing of these scribes will determine the maximum width of the individual cells on the photovoltaic module. Typically, these laser scribes in the front contact run from near one edge of the substrate to the opposite edge, for example, from about 0.5cm to about 2. 0cm from the edge of the substrate. The scribes, however, can extend to the edge or close to the edge of the substrate. The scribes are typically parallel to one another, are typically straight, and typically parallel to the edge of the substrate. If the substrate is rectangular, these scribes preferably run parallel to the longer edge of the substrate.

To form these scribes in the front contact one or more laser beams are directed at the substrate and scanned across the surface of the front contact material thereby removing the front contact material in the desired pattern. As long as the substrate is made of a material that is transparent at the laser wavelength used to form the scribes, the scribes can be carried out from either side of the substrate, i. e., from the side with the front contact deposited thereon or from the other side by passing the laser beam through the substrate. The laser selected as well as the wavelength of the laser light, the pulse-width of the laser, the laser beam shape and the repetition rate are selected to efficiently remove the front contact. The laser used to form the scribes in the front contact in the method of this invention is preferably an eximer laser, for example, an ArF (193 nm), KrF (248 nm), XeCI (308 nm), XeF (351 nm) laser, or a solid state laser, for example, a Nd : YAG, Nd : YLF, or Nd: YV04 laser.

For solid state lasers the second harmonic is preferably used. The laser used to form the scribes in the front contact preferably operates at a wavelength of about 190 nanometers (nm) to about 1,200 nm and suitably at a pulse-width of about 1 nanosecond to about 500 nanoseconds, more preferably of about 5 to about 100 nanoseconds, a repetition rate (reprate or pulse frequency) suitably of about 100 Hertz (Hz) to about 400 kHz, more preferably about 1 kHz to about 200 kHz, a beam shape that is suitably top hat, delta function, or Gaussian. Preferably it is Gaussian.

Optics, available commercially, can be used to shape the laser beam to a desired beam shape or profile. It is preferable to scan the front contact to form the scribes at rate that is about 0.1 meters/second to about 50 meters/second, more preferably about 0.5 meters/second to about 20 meters/second. Scribe rates of 1 or more, or 5 or more, or 10 or more meters/second can also be used. Following laser scribing of scribe lines 124, the remaining steps in the fabrication of the photovoltaic module as shown in FIGS. 2 (c) to 2 (g) as described herein are performed as described below.

It should be noted that in FIGS. 2 (a) to 2 (g), the front contact layer 132 is shown but the bus means are not. It should be understood, however, that bus means are typically disposed on front contact layer 132 in the manner described above following which the steps shown in FIGS. 2 (c) to 2 (g) are performed.

A photovoltaic region comprised of a substantially continuous thin film 134 of semiconductor material is fabricated over front electrodes 118 and in first grooves 124, as shown in FIG. 2 (c). The semiconductor material filling first grooves 124 provides electrical insulation between adjacent front electrodes 118. Preferably, the photovoltaic region comprises hydrogenated amorphous silicon in a conventional PIN structure (not shown) and is typically up to about 5000 A in thickness, typically comprising a p-layer suitably having a thickness of about 30 A to about 250 A, preferably less than about 150 A, and typically of about 100 A, an i-layer of 2000- 4500 A, and an n-layer of about 200 to about 400 A. Deposition preferably is by glow discharge in silane or a mixture of silane and hydrogen, as described, for example, in U.S. Patent No. 4,064, 521. Alternatively, the semiconductor material may be CdS/CulnSe2, CdS/CdTe or other photovoltaically active materials. Methods for making CdS/CdTe are described hereinabove. The semiconductor layer can comprise a single PIN type layer. However, the photovoltaic devices of this invention can have additional semiconductor layers, for example, it can be a tandem or triple- junction structure. Suitable semiconductor layers useful in the photovoltaic devices of this invention and methods for their manufacture are described, for example, in United Kingdom Patent Application No. 9916531. 8 (Publication No. 2339963, February 9,2000), which is incorporated herein by reference.

The semiconductor layer or film 134 then is scribed with a laser to ablate the semiconductor material along a second predetermined pattern of lines to form second grooves 126, which divide semiconductor film 134 into a plurality of photovoltaic elements 120, as shown in FIG. 2 (d). Front electrodes 118 are exposed at the bottoms of second grooves 126. Scribing may be performed with the same laser used to scribe transparent conductive oxide layer 132, except that power density is typically reduced to a level that will ablate the semiconductor material without affecting the conductive oxide of front electrodes 118. The laser scribing of semiconductor film 134 can be performed from either side of substrate 114. Second grooves 126 preferably are scribed adjacent and parallel to first grooves 124 and about 10 to about 1000 micrometer in width, preferably, about 30 micrometers to about 150 micrometers in width, preferably from about 40 micrometers to about 80 micrometers in width and suitably spaced about 25 micrometers to about 150 micrometers, more preferably about 25 micrometers to about 100 micrometers from the scribes in the front contact.

To form scribes in the amorphous silicon layer or other photovoltaically active layers in accordance with the method of this invention, one or more laser beams are directed at the amorphous silicon layer and scanned across its surface in the desired pattern thereby removing the amorphous silicon layers but not the conductive oxide of the front contact located below such scribes. The laser selected as well as the wavelength of the laser light, the pulse-width of the laser, the laser beam shape and the repetition rate are selected to efficiently remove the amorphous silicon layer in the desired areas to form the scribes. For example, the laser can be a Nd : YAG laser operating at a wavelength of about 532 nanometers. The laser can be a Nd : YLF or Nd: YV04-based laser. Both fundamental wavelength at 1064 nm and harmonic wavelengths at 532 nm and 355 nm can be used. Eximer lasers, for example, ArF (193 nm), KrF (248 nm), XeCI (308 nm), and XeF (351 nm) lasers can also be used for forming the scribes in the semiconductor layer. The laser used suitably has a pulse-width of about 1 nanosecond to about 500 nanoseconds, more preferably of about 5 nanosecond to about 100 nanoseconds, a repetition rate suitably of about 10 kHz to about 400 kHz, more preferably about 30 kHz to about 200 kHz, a beam shape that is suitably Gaussian, top hat, delta function. Preferably, the beam shape for scribing the amorphous silicon layers to form the interconnect scribes is Gaussian. It is preferable to scan the semiconductor layers to form the interconnect scribes at a rate that is about 0.1 meters/second to about 50 meters/second, more preferably about 0.8 meters/second to about 20 meters/second. Scribe rates of 1 or more, or 5 or more, or 10 or more meters/second can also be used. For the interconnect scribes in the semiconductor layers, the scribes can be discontinuous.

That is, the scribe does not have to be continuous across all of its length. For example it can be a series of spaced holes such as round or linear shaped holes separated by spaces where the semiconductor layer was not removed.

A thin film of metal 136, such as one or more of silver, molybdenum, platinum, copper, gold, steel, iron, niobium, titanium, chromium, bismuth, antimony, metallic alloys or preferably aluminum, is fabricated over photovoltaic elements 120 and in second grooves 126, as shown in FIG. 2 (e). The conductive material filling second grooves 126 provides electrical connections between film 136 and the portions of front electrodes 118 exposed at the bottoms of second grooves 126. Conductive film 136 is formed, for example, by sputtering or other well-known techniques. The thickness of film 136 depends on the intended application of the module. As an example, for modules intended to generate sufficient power to charge a 12-volt storage battery, metal film 136 typically is formed of aluminum and can be about 2000-6000 A thick.

The next step is to scribe metal film 136 with a laser to ablate the metal along a pattern of lines and form a series of scribes dividing the metal film 136 into a plurality of back electrodes. To form scribes in a back contact metal layer in accordance with the method of this invention, one or more laser beams are directed at the metal layer and scanned across its surface in the desired pattern thereby removing the metal layer.

The laser can be directed to the top of the back contact so that the back contact is directly ablated or removed by the laser. In a preferred technique, particularly where the photovoltaically active region comprises one or more amorphous silicon-containing layers, the laser beam is directed through the transparent substrate and through the transparent amorphous silicon-containing layers to ablate the rear contact. Therefore, after fabrication of metal film 136, the photovoltaic regions 120 underlying metal film 136 are preferably scribed with a laser operated at a power density sufficient to ablate the semiconductor material along a predetermined pattern of third lines preferably parallel to and adjacent second grooves 126 but insufficient to ablate the conductive oxide of front electrodes 118 or the metal of film 136. More specifically, the laser is preferably operated at a power level that will ablate the semiconductor material and produce particulates that structurally weaken and burst through the portions of the metal film positioned along the third lines to form substantially continuous gaps in the metal film along the third lines and separate the metal film into a plurality of back electrodes. As shown in FIG. 2 (e), where the laser beams are shown schematically and designated by reference numerals 138, laser patterning of metal film 136 by ablation of the underlying semiconductor material is performed through substrate 114. In a preferred method of operation, the laser is used to generate shock waves by using short pulses of high laser beam energy. This enhances the removal of the back contact and reduces shunting.

The laser used to remove the desired sections of the back contact is preferably a continuous wave laser or more preferably a pulsed laser. The laser can be an ultraviolet laser such as an eximer laser, for example, an ArF (193 nm), KrF (248 nm), XeCI (308 nm), or XeF (351 nm) laser, and the like, or a third or forth harmonic of a Nd : YAG, Nd : YLF or Nd: YV04 laser. The laser can also be a visible or infrared laser. Most preferably, the laser used is a visible laser, preferably a green laser, for example, a frequency doubled Nd-YAG, Nd-YLF or Nd-YV04 laser. It is preferable to use a high repeating rate, high power laser, such as a Nd: YV04 laser.

Preferably, the laser used operates at about 20-100 kHz at a rapid scribing speed of, for example, about 1-20 meters per second with a spot size of, for example, 0.1 to about 0.2 mm.

The laser used suitably has a pulse-width of about 10 nanosecond to about 100 nanoseconds, more preferably about 10 to about 30 nanoseconds, a repetition rate suitably of about 1 kHz to about 200 kHz, more preferably about 10 to about 30 kHz, a beam shape that is suitably Gaussian, top hat, delta function. For certain scribes Gaussian beam shape may be disadvantageous because it tends to concentrate laser energy in the center of the spot. Therefore, a top hat laser profile may be preferred because it generally provides for more uniform energy distribution within the laser spot. For laser scribing the back contact in the method of this invention, such a top hat laser profile is preferred. It is preferable to scan the amorphous layer a rate that is about 0.1 meters/second to about 50 meters/second, more preferably about 0.8 meters/second to about 20 meters/second to form the desired scribes in the back contact. Scribe rates of 1 or more, or 5 or more, or 10 or more meters/second can also be used.

Third grooves or scribes 128 in the back contact metal preferably are about 10 micrometers to about 150 micrometers wide, preferably from about 40 micrometers to about 80 micrometers wide and are preferably parallel to and suitably spaced, suitably about 25 micrometers to about 100 micrometers, preferably from about 40 micrometers to about 80 micrometers from the grooves 126 in the semiconductor layer and are spaced apart from second grooves 126 by inactive portions 130 of semiconductor material.

As described above, the ablation of the semiconductor material formerly in third grooves 128 produces particulates, for example, particulate silicon from the ablation of amorphous silicon, which structurally weaken and burst through the portions of metal film 136 overlying the ablated semiconductor material to form gaps 129 that separate film 136 into a plurality of back electrodes 122. Gaps 129 preferably are substantially continuous as viewed along a line orthogonal to the plane of FIG. 2 (f). The laser parameters required to produce continuous gaps 129 in metal film 136 will, of course, depend on a number of factors, such as the thickness and material of the metal film, the characteristic wavelength of the laser selected, the power density of the laser, the pulse repetition rate and pulse duration of the laser, and the scribing feed rate. After the removal of the back contact, particularly after using the laser method, the photovoltaic cell is preferably cleaned, preferably using an ultrasonic bath. The cleaning process removes dust particles and melted materials along the edges of the scribe patterns thereby reducing shunting.

Following the laser scribing to form the photovoltaic modules of this invention, it is preferable to anneal the module. Annealing the module improves performance of the module, for example, by decreasing shunting loss. For example, the scribed module can be annealed in air at a temperature of 150 to about 175°C for 0.5 to about 1.0 hour.

As mentioned above, the laser scribing method of this invention can be used to form scribes during the manufacture of a thin film photovoltaic module such as a CdS/CdTe module. Methods for manufacturing CdS/CdTe photovoltaic devices are disclosed in the references set forth hereinabove. In a preferred method, the manufacture of a CdS/CdTe module starts by deposition a layer of CdS on a substrate containing a CTO layer. Next, a layer of CdTe is deposited. Laser scribes through the CTO, CdS and CdTe layers. These scribes are spaced from each other and are preferably parallel to each other. The resulting scribes are filled with a photoresist and the photoresist is cured. A layer of carbon is applied and second laser scribes through the carbon, CdS and CdTe are added parallel to and spaced from the scribes through the CTO, CdS and CdTe layers. A metal back contact layer is applied and third laser scribes preferably parallel to and spaced from the second scribes are made through the metal, carbon, CdTe and CdS layers but not the CTO layer. One or more of the above-described laser scribes for making a CdS/CdTe module can be made using the method of this invention.

In the method of this invention, a linear laser beam shape can be used to form the desired scribes, as described hereinabove, in the various layers of a thin film photovoltaic device. Commercially available cylindrical optics or lenses can be used to focus the laser beam in to a linear beam shape. The cylindrical optics can be part of the focusing unit, such as the dynamic focusing unit, or can be a separate unit suitably located prior to the dynamic focusing unit. By linear beam we mean that the laser beam falling on the substrate surface is in the form of a band having length and width. The length can for example be about 0.01 mm to about 1 meter, more preferably about 10 cm to about 1 meter, and a width, for example, of about 5 microns to about 500 microns, more preferably about 20 microns to about 100 microns. Such a beam can be used to form a desired scribe having the length and width of the beam in a single pulse. Eximer lasers, such as the eximer lasers mentioned above, and preferably a KrF eximer laser operating at 248 nm, are preferred, because they typically have a very high peak power, a short wavelength, a high pulse energy and a short pulse duration, are preferred when a linear beam shape is desired. Using a linear shape is advantageous because it can speed up the scribing if the long direction of the beam is same as scribing direction. Also, using a linear beam shape the scribe width can be narrowed so that in the finished module more photovoltaically active surface is available for generating electrical energy.

In the method of this invention, the width of the scribe is preferably about the width of the laser beam used to form the scribe. However, the scribe width can be greater if more than one scan is used to make the scribe. In the method of this invention, the average power of the beam focused on and scanned over the substrate to make the scribes in the various layers is suitably about 20 to about 1000 W for scribing the front contact or CTO layers and suitably about 10 to about 20 W for scribing the semiconductor and metal back contact layers. However, it is to be understood that the power of the laser necessary to complete the desired scribes will be a function of such factors as the scribing rate, the laser selected, the size of the laser spot focused on the layer on substrate plate, and the material being scribed.

A suitable apparatus for scanning the laser beam across the photovoltaic module to form the grooves in the front contact, semiconductor layer or layers and in the back contact is shown in FIG. 4. In FIG. 4, laser 1, for example, an eximer laser, such as an ArF (193 nm), KrF (248 nm), XeGI (308 nm), XeF (351 nm), or a solid state laser, for example, an Nd : YAG, Nd : YLF, or Nd: YV04 laser, produces laser beam 5 having the desired wavelength and beam shape.

Laser beam 5 enters beam expander 10 to produce expanded laser beam 12.

Suitable beam expanders are available from, for example, CVI, Special Optics, OptoSigma, Coherent, and other sources. Beam expander lowers laser beam divergence and generally improves beam quality. Expanded beam 12 enters dynamic focusing unit 15. For very large substrates, for example, substrates having an area of more than about 10 or more than about 15 square feet, the distance between the working surface of the substrate and the laser focusing optics varies as a function of laser beam location on the plate. Dynamic focusing optics or other means for focusing are used to focus the laser beam on the substrate plate during scanning irrespective of the location of the beam on the substrate. A suitable dynamic focusing unit can be obtained from, for example, Scanlab or General Scanning. Using the dynamic focusing unit, the laser beam is focused at the work surface. When the beam is not focused, the energy density is smaller. When the beam is focused into a suitably sized spot, the energy density exceeds ablation threshold of the material to be removed so that the laser scribing can be carried out efficiently. Focused beam 18 exits dynamic focusing unit 15 and enters scanner unit 20. In scanner unit 20 the laser beam is directed to the photovoltaic substrate 30 in the desired pattern to produce scribes in the front contact, the semiconductor layers and in the back metal contact as described hereinabove. The scanner suitably utilizes X-Y coordinate scanning mirrors controlled by galvanometers. The galvanometers are preferably connected electrically to a scanner controller, which is preferably a computer board, which controls the X-Y mirrors and the dynamic focusing unit. The scanner control directs the X and Y mirrors and reflects the beam onto the substrate 30 in the desired pattern. Thus, substrate 30 can remain motionless while laser beam 25 exiting the scanner scans rapidly over the surface of the substrate forming the desired scribes or grooves. A galvanometer scanner with two mirrors (X and Y) in an orthogonal configuration is a simple, fast and economical apparatus that can be used to perform the laser scribing in accordance with the method of this invention. Laser scanners, which can be used in the method of this invention, are available from several companies such as General Scanning and Scanlab. Preferably, in the apparatus for carrying out the method of this invention, the laser, dynamic focusing unit and the X-Y scanner are controlled by a common computer which determines when to switch the laser on (a gate control) and where to direct the beam to at a desired focusing condition. A computer such as a commercially available, standard Pentium-type PC computer made by, for example, Hewlett Packard, or equivalent computer, using Microsoft Visual Basic or equivalent control software, is a suitable system for performing the computer controlled operations in accordance with the method of this invention.

As discussed in detail above, the front contact or the transparent conductive oxide (TCO) layer is preferably scribed first. The scribes are preferably parallel to each other. Photovoltaically active layers such as the amorphous silicon layers are applied to the substrate after the front contact layer. As described above, another set of laser scribes are made preferably parallel to and next to the scribes in the front contact layer. Since the scribes preferably do not cross each other, the second set of scribes is preferably referenced to the scribes in the front contact layer. Several methods can be used in the method of this invention to detect the set of scribes in the front contact layer to set the location and position of the scribes in the photovoltaically active layers (the interconnect scribes) as well as the third set of scribes in the back or rear contact layer. In one method, the scanner is used to scan a low power laser beam, for example a beam produced by lowering the laser diode current. Preferably, the lower power beam also has a very high repetition rate. Low power and high repetition rate are used to reduce laser peak power to minimize and preferably preclude any damage which might otherwise be caused by the scanning laser as it scans the surface of the module. Preferably, the power of the laser is no more than about 10 mW preferably about 1 to about 10 mW. Preferably, the repetition rate is at least about 100 kHz, preferably about 100 to about 1000kHz.

When the low power laser beam passes a scribe in the front contact as it scans the surface of the module, more laser power will pass through the scribe compared to a location on the module without such scribe. The scribe in the front contact reflects and scatters the low power laser beam differently compared to the regions on the module without the scribe. At the edges of the scribes, reflection and scattering of the laser beam are distinctly different from that at other areas. Scribe positions are located by detecting either transmission differences, reflection or scattering of the low power laser beam. Preferably, a camera, such as a CCD (charge coupled device) camera is used to monitor the general area and identify locations where transmission of the low power laser beam is greater or where the laser beam light is scattered or reflected. A telescope may be coupled to the camera so that the process can be monitored at a distance. A fiber optic based camera can be used for flexible handling. Data from the camera is sent to the control computer or other scanner control means and is used to direct the scanner to form the desired scribes. This method of locating the scribes in the front contact is particularly useful for amorphous-silicon based photovoltaic devices when an infrared (IR) laser beam, for example a beam from the fundamental wavelength of a Nd : YAG or other solid state laser as mentioned hereinabove, is used as the low power beam to scan the scribes in the front contact layer because the IR laser beam passes through the amorphous silicon layers and reflects at the front contact layer. When the scanned beam encounters a scribe in the front contact layer most of the beam power is transmitted through the layer and when the beam is on a portion of the front contact layer that is not scribed, most of the beam power is reflected. This difference in the transmitted compared to the reflected beam is used to locate the scribes in the front contact layer and is used as an index to direct the scanner for locating the position of and thereafter forming the scribes in the semiconductor layer and in the back contact layer as described hereinabove. The same laser operating at different power levels and the same scanner can be use to scan for locating the scribe in the front contact layer and for forming the scribes in the amorphous silicon photovoltaically active layers and the back contact layer. In another method, a second, separate scanner and, optionally, a second, separate laser can be used for locating or referencing the scribes in the front contact layer.

In yet another method, a camera system, such as a CCD camera, can be used to detect the scribe positions in the front contact layer. In one embodiment of this method, a mirror with a hole in its center can be positioned just before where the laser beam enters the dynamic focusing unit. The mirror allows the laser beam to pass through the hole and reflects the image of the substrate containing the scribes in the front contact layer to the camera. The image of the substrate being scanned is sent from the camera to the control computer. Since the scanning system with the dynamic focusing unit functions like a telescope, the image of the scribes in the front contact layer is apparent when viewed through the dynamic focusing optics. This image and the data derived therefrom are used to position the scribes in the semiconductor layer and in the back contact. FIG. 5 shows the apparatus of FIG. 4 except that FIG. 5 also includes a mirror 40 with having a whole in it so that laser beam 12 can pass through the hole. Camera 45 as shown in FIG. 5 detects the image of the plate 30 and sends the data to a control computer that controls the operation of the laser and scanners so the desired scribes in the layers on substrate plate 30 can be made at precise locations. Components numbered the same in FIGS. 4 and 5 represent the same components.

In still another method, the camera, such as a CCD camera, is located after the dynamic focusing unit and positioned to view the X-Y mirror images directly to "see"the scribes in the front contact layer on the substrate. FIG. 6 shows the apparatus of FIG. 4 except that FIG. 6 also includes a mirror 40 and a camera 45 with the camera and mirror positioned to view the X-Y mirrors (not shown) within the scanner. With this apparatus camera 45 detects the image of the plate 30 and sends the data to a control computer that controls the operation of the laser and scanners so the desired scribes in the layers on substrate plate 30 can be made at precise locations. Components numbered the same in FIGS. 4 and 6 represent the same components. In an alternate embodiment, the mirror 40 is not used and camera 45 views the X-Y mirrors in the scanner directly. If linear beams are desired for scribing, linear beam optics can be included in the dynamic focusing unit 15 in FIGS. 4-6 or such optics can be separate and suitably located between bean expander 10 and focusing unit 15 in FIGS. 4-6.

In the method of this invention, a single laser and single scanner can be used to form one or more of the different types of scribes described herein. However, the invention is not so limited. Two or more lasers can be used and two or more scanners can be used to form the desired scribes.

The substrate used in the method of this invention to make the photovoltaic modules can be any size and shape. However, the method of this invention is particularly desirable for producing larger sized photovoltaic modules, particularly those used in architectural applications. In such applications the substrate and resulting photovoltaic module will preferably be made of glass and will range in size of about 10 to about 15 square feet to about 200 square feet and will preferably be either rectangular or square in shape, although the exact shape is not limited. One of the features of the process of this invention is the ability to have a range or variety of substrate shapes and sizes without changing the processing apparatus. Thus, the process of this invention can be used to manufacture photovoltaic devices suitable, for example, for specific architectural applications. The thickness of the substrate is also variable and will, in general, be selected in view of the application of the photovoltaic device. If, for example, the photovoltaic device uses glass as the substrate, the thickness of the glass can range in thickness from. 088 inches to about 0.500 inches, more preferably from about 0.125 inches to about 0.250 inches. If the glass will be used in large dimensions, such as for example, at least about 60, or at least about 200 square feet, the glass will preferably have a thickness of at least about 0.125 inches, more preferably of at least about 0.187 inches. When the glass substrate has a thickness of at least about 0.187 inches or at least about 0.250 inches, it will preferably be a low iron glass. By low iron we mean, preferably, that the glass has no more than about 0.1 wt% iron, more preferably less than about 0.1 wt% iron. Preferably, the substrate used in the method of this invention is monolithic, i. e. , one single piece of substrate, thus forming monolithic modules.

Upon completion of the deposition of the various layers and the scribing of the layers as set forth herein, the photovoltaic device formed is generally sealed to another substrate plate to form a sealed module. The sealing protects the photovoltaic elements from exposure to moisture and other elements of the environment that can cause deterioration in the performance of the module.

Methods for sealing the module are known to those of skill of the art. One method, however, comprises placing a sheet of polymeric encapsulant material such as polyethylene vinyl acetate (EVA) between the substrate containing the thin film photovoltaic device and a second substrate, such as a second glass sheet and then heating and pressing the substrate and the second glass sheet together sealing the photovoltaic device between the substrate and the second glass sheet. Other encapsulants besides EVA can be used with or in place of the EVA, such as: Tedlar type plastic, Nuvasil type plastic, Tefzel type plastic, ultraviolet (UV) curable coatings, etc. and combinations thereof.

As described hereinabove, the method of his invention does not require the movement of the substrate plates under the laser beam to form the desired scribes.

Rather, it is the laser beam that is rapidly scanned over the substrate plate.

However, the substrate can be in motion in accordance with the method of this invention as, for example, in an assembly line where the substrate is moving along in a series of process steps to manufacture the module.

The modules of this invention can also be semitransparent or partially transparent thin film modules, for example, thin film modules where portions of the metal contact has been removed in order to permit light to pass through and images to be seen through the modules. Such modules are disclosed in U.S. Patent Application 09/891,752, filed on June 26,2001, and titled"Partially Transparent Photovoltaic Modules", and which is incorporated herein by reference.

Only certain embodiments of the invention have been set forth above.

Alternative embodiments and various modifications will be apparent from the above description to those of skill in the art. These and other alternatives are considered equivalents and within the spirit and scope of the present invention.

Example Using the apparatus as shown in FIG. 5, a 48 inch long by 26 inch wide glass plate 1/8 inch in thickness having a 0.6-0. 8 micrometer layer of tin oxide doped with fluorine is scribed to remove the tin oxide using a Nd: YV041aser operating at 32 nm at 30 kHz reprate delivering an average laser power of about 5 W by scanning the laser over the tin oxide laser at a rate of about 1 meter per second. The scribes are set parallel to the length of the glass plate and are spaced from each other about 9 mm and are about 50 micrometers in width. Such scanning results in a series of strips of tin oxide layer approximately 9mm wide separated by 50 micrometer wide scribes across the entire surface of the glass substrate. Bus bars are added by placing a bead of silver-containing frit paste along the length of the outside edges of the first an last strip of conductive oxide. The beads are extended to a point near the center of one end of the substrate to function as positive and negative terminal points for making electrical connection to the module. The frit is cured by heating the module at about 550°C for about five minutes. (Bus bars are added prior to scribing of the tin oxide layer.) A photovoltaically active p-i-n junction made of amorphous silicon is deposited on the tin oxide layer using chemical vapor deposition techniques followed by a layer of zinc oxide. The amorphous layer is about 2000 A thick. The amorphous layers fill the scribes made in the conductive tin oxide. A second set of scribes are made in the amorphous silicon and zinc oxide layers by scanning a laser beam from a Nd: YV04 laser operating at 532 nm, 50 kHz (kilo Hertz) reprate and about 4 W average power. The scribing rate is approximately 5 meters/sec and the scribe width about 100 micrometers. The scribes in the amorphous silicon and zinc oxide layers are parallel to and spaced from the scribes in the tin oxide layer by about 150 micrometers. A layer of aluminum about 4000 A is deposited by magnetron sputtering over the zinc oxide layer and filling the scribes in the amorphous silicon layer with aluminum. A third set of scribes are made in the aluminum layer by scanning a laser beam from a Nd: YV04 laser operating at 532 nm, at 50 kHz reprate and about 5 W average power at the amorphous silicon layer under the aluminum layer where the scribes in the aluminum layer are to be formed. The scribing rate is about 4 meters/second and the scribe width is about 150 micrometers. The third scribes are parallel to the second scribes and spaced from the second scribes by about 150 micrometers. The location of the second and third scribes relative to the first scribes through the tin oxide layer is determined by scanning the substrate with the Nd: YV04 laser operating at low power (about 5mW) and using the camera to record the placement of the first scribe by detecting the difference in the reflectance, scattering or transmission of the low power laser beam as it crosses a scribe in the tin oxide layer. The computer automatically offsets the beam for the second and third scribes by the distance of 150 micrometers once the location of the first scribe is determined by the camera.

「特表2005-515639およびWO2003061013より引用」

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低水蒸気透過度の接着剤組成物を含むソーラパネル

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、低水蒸気透過度を有する接着剤組成物を含む接着層を含むソーラパネルに関する。本発明はまた、接着のため、およびソーラパネルのモジュール配線およびその他の構成要素の周りを封止するためにそのような組成物を使用するソーラパネルの製造に関する。
【背景技術】
【0002】
ソーラパネルとも略称される光起電性ソーラパネルには、概して2つの基本設計がある。1つの設計は、互いに接続されて積層膜に埋め込まれた結晶シリコンウエハを使用する。積層膜と積層膜に埋め込まれたウエハとは、典型的には、ガラス、高分子材料、またはその他の適切な材料からなる2つのライトまたはパネルの間に挟まれる。
【0003】
本明細書で主に関係のある第2のソーラパネル設計は、アモルファスシリコン、テルル化カドミウム(Cd-Te)、または二セレン化銅インジウムCuInSe2(一般に「CIS」と呼ばれる)、または下記のような同様の半導体材料のうち1つを使用し、これが基板上に薄膜として堆積される。これらの薄膜光起電性材料は、典型的には、スパッタリング、PVD、またはCVDなどの方法によりガラス基板上に薄膜として堆積される。個々の光セルは、典型的にはレーザエッチングプロセスによって形成され、バスバーなどの適切な回路によって互いに接続される。バスバーは、光セルから出力された電流を貯蔵装置に送る。薄膜光起電性材料および関連回路は、下にある構造を保護する役割を果たすアルミニウムのスパッタ層によって覆われてもよい。構造を完成させるために、光起電性材料、関連回路、および存在するいかなる保護層の上にも組み立て接着剤が塗布され、そしてバック材が付与される。バック材は、典型的にはガラスであるが、金属、複合材料、またはプラスチック材料であってもよい。
【0004】
上記CISの他に、I族、III族、およびIV族(I-III-IV族と呼ぶ)半導体材料のその他の組み合わせが光起電性材料として使用されており、および/または、光起電性材料として使用されるよう提案されてきた。多数の異なるI-III-VI族半導体材料が、光起電力セルにおいて使用されるよう提案されてきた。例としては、AgInS2、AgGaSe2、AgGaTe2、AgInSe2、AgInTe2、CuGaS2、CuInS2、CuInTe2、CuAlS2、およびCuGaSe2などが挙げられる。しかし最も注目されてきたのは、CISと、インジウムの一部がアルミニウムおよびガリウムのうち1つ以上に置き換えられる、および/または、セレンの一部が硫黄および/またはテルルに置き換えられるCISの変形物とである。これまでに提案された2つの有望なCISの変形物は、CuInxGa1-xSe2(一般に「CIGS」と呼ばれる)およびCuInxGa1-xSeyS2-y(一般に「CIGSS」と呼ばれる)を含む。当該分野において公知のように、これらのI-III-VI族半導体およびその他のI-III-VI族半導体は、光起電力セルに使用され得る。
【0005】
ソーラパネルによって発生された電流を集めるバスバーなどの回路は、配線によりバッテリなどの適切な貯蔵装置に接続されなければならない。そのような配線は「モジュール配線」または「モジュールリード」と呼ばれ得る。モジュール配線は、ある場所でソーラパネルの外に出なければならない。ソーラパネルの外に出たモジュール配線の周りを封止するために、追加の接着剤または封止剤材料が必要である。モジュール配線の周りを封止するために用いられる接着剤は、バック材をソーラパネルに接着するために使用される組み立て接着剤と同じであってもよく異なっていてもよい。
【0006】
ソーラパネルは屋外で使用されるため、風、水、および日光などの要素にさらされる。ソーラパネルは主に湿気により悪影響を受ける。湿気は、パネルに浸透して電気接続または光起電性材料に到達し得る。ソーラパネルへの水侵入は長年にわたる問題点である。したがって、水蒸気透過度(MVTR)を低減させるための様々な試みがなされてきた。ソーラパネルは、風や日光によっても悪影響を受け得る。風および日光は接着層を破壊し得る。風は明らかな物理的損傷を引き起こし、日光はソーラパネルを加熱し、紫外線(UV)照射にさらす。ソーラパネルの動作温度は110℃もの高温であると測定されている。熱可塑性接着剤は高温で柔らかくなり、UVによる破壊を受けやすい。多くの熱硬化性材料は、許容できないほど高いMVTRを有する。
【0007】
現在使用されている1つの組み立て接着剤はエチレン酢酸ビニル(EVA)である。EVAは、EVAを架橋することができる過酸化物とともにソーラパネルに塗布される。EVAはその後、過酸化物によるEVAの架橋を引き起こす熱または放射の付与により、ソーラパネル上の適切な場所で硬化される。架橋されたEVAは高強度を与えるが、比較的高いMVTRを有する。
【0008】
モジュール配線封止剤も組み立て接着剤と同じ問題点を有する。現在使用されているモジュール配線接着剤/封止剤は、エポキシ化合物およびホットメルトブチル化合物を含む。エポキシ化合物は比較的高いMVTRを有する。ホットメルトブチル系は高強度を達成できない。ホットメルトブチル系は概して熱可塑性材料として供給されるため、ホットメルトブチル系は、上述のように温度が高くなるに従って強度を失うからである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
ソーラパネルへの湿気の侵入を遮断するという課題、および適切に低いMVTR特性とその他の必要な特性とを有する接着剤を見つけるという課題は、長年にわたる課題である。適切な接着剤材料を提供しようとする多くの試みがなされてきたが、いずれの試みも必要な強度および関連特性と必要な低MVTR特性との両方を満足させることはできない。本発明は、ソーラパネルでの使用に適した低MVTR接着剤材料を提供することによりこの問題点の解決策を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明は、低MVTRと強度および関連特性との両方を与える、ソーラパネルでの使用に適した接着剤組成物に関する。
【0011】
ある実施の形態において、本発明は、光起電性材料層と、バックパネルと、光起電性材料層をバックパネルに接着する接着層とを含むソーラパネルであって、接着層が接着剤組成物を含み、接着剤組成物が、低MVTRポリマーまたはコポリマーとシラン変性ポリマーまたはコポリマーとを含むソーラパネルに関する。ある実施の形態では、接着層は、約3g/m2/d未満のMVTRを有する。
【0012】
別の実施の形態において、本発明は、光起電性材料層と、バックパネルと、光起電性材料層をバックパネルに接着する接着層と、光起電性材料層またはバックパネルの少なくとも一方を貫通するモジュール配線開口部と、モジュール配線開口部を封止するモジュール配線接着剤組成物とを含むソーラパネルであって、モジュール配線接着剤組成物が、低MVTRポリマーまたはコポリマーとシラン変性ポリマーまたはコポリマーとを含むソーラパネルに関する。ある実施の形態において、モジュール配線封止剤/接着剤組成物は、約3g/m2/d未満のMVTRを有する。
【0013】
ある実施の形態において、本発明は、光起電性材料層とバックパネルとを含むソーラパネルの製造方法であって、(a)低MVTRポリマーまたはコポリマーとシラン変性ポリマーまたはコポリマーとを組み合わせることにより、低水蒸気透過度を有する接着剤組成物を形成する工程と、(b)接着剤組成物を用いて光起電性材料層をバックパネルに接着する工程と、(c)シラン変性ポリマーまたはコポリマーを架橋する工程とを包含する方法に関する。ある実施の形態では、接着剤組成物は、約3g/m2/d未満のMVTRを有する。
【発明の効果】
【0014】
本発明の接着剤組成物は低MVTRを有する。その上、シラン変性ポリマーまたはコポリマーに余分なシラン基があるため、接着剤組成物に侵入し得るいかなる湿気も、単にシラン変性ポリマーまたはコポリマーのさらなる架橋を引き起こすだけであり、接着剤組成物またはソーラパネルのその他の構成要素の破壊または劣化を引き起こさない。この点で、本発明の接着剤組成物は利点を与える。したがって、シラン変性ポリマーまたはコポリマーは、接着剤組成物に対しより高い強度とより優れた基板への接着力とを与えるだけでなく、接着剤組成物に浸透し得るすべての湿気からの長期にわたる保護を与える。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
説明の簡略化および明瞭化のために、図示された要素は必ずしも正確な縮尺率で描かれているわけではないことが理解されるべきである。例えば、幾つかの要素の寸法は、明瞭化のために実際の相対比率よりも大きく描かれている。さらに、適切であると考えられる場合には、図面全体を通して、対応する要素に同じ参照番号を使用している。
【0016】
さらに、下記のプロセス工程および構造が完全なソーラパネル製造プロセスフローを構成するわけではないことが理解されるべきである。本発明は当該分野において現在使用されているソーラパネル製造技術とともに実施され得るものであり、一般に実施されるプロセス工程については、本発明の理解のために必要と思われる分だけを本明細書に含むものとする。
【0017】
ある実施の形態では、本発明は、光起電性材料層およびバックパネルを含み、接着層が光起電性材料層をバックパネルに接着するソーラパネルに関する。ある実施の形態では、接着層は、低水蒸気透過度(MVTR)のポリマーまたはコポリマーとシラン変性ポリマーまたはコポリマーとを含む接着剤組成物を含む。
【0018】
ソーラパネルは、当該分野において公知のいかなるタイプのものであってもよい。従ってソーラパネルは、ソーラパネルに入射する日光から電流を発生するための光起電性材料層を含む。ある実施の形態では、光起電性材料層は、アモルファスシリコン、テルル化カドミウム、二セレン化銅インジウム(CIS)、または上述のI-III-IV族半導体材料などの別のI-III-IV族半導体材料の層を含む。
【0019】
別の実施の形態では、ソーラパネルは、互いに接続されて積層膜に埋め込まれた結晶シリコンウエハを含む。結晶シリコンは、多結晶シリコンであってもよく単結晶シリコンであってもよい。本発明は、これらのタイプのソーラパネルの両方に適用可能である。さらに、本発明は、ゲルマニウム上にひ化ガリウムがあるもの(GaAs/Ge(i))、ひ化ガリウム上にひ化ガリウムがあるもの(GaAs/GaAs)、ひ化ガリウム/ゲルマニウム上にりん化ガリウムインジウムがあるもの(GaInP/GaAs/Ge)などのその他の光起電性材料を含むソーラパネルに適用可能である。アモルファスシリコン、テルル化カドミウム、または銅インジウム硫化物を含む光起電性材料層は、結晶シリコンを含むパネルよりも湿気が侵入しやすいため、本発明による利益をより多く受ける可能性がある。本発明は、いかなる特定のタイプのソーラパネルにも限定されない。従って、本明細書において、アモルファスシリコン、テルル化カドミウム、または銅インジウム硫化物を含む光起電性材料層、特にアモルファスシリコンを説明するが、これは例示であって本発明を限定する目的ではない。
【0020】
光起電性材料層は、例えば通常のホウケイ酸ガラスなどの材料のフロントパネル上に形成される。別の実施の形態では、フロントパネルは、より多くの日光を透過させる低鉄含有(low-iron)ガラスである。フロントパネル(およびバックパネル)は、ガラスの他、TEDLAR(登録商標)ブランドのポリフッ化ビニル(PVF)(E.I.du Pont De Nemours andCo.の製品)などの靱性のあるプラスチック膜からなっていてもよい。TEDLAR(登録商標)PVFなどのPVFは可視光透過係数が高く且つ赤外光透過係数が低いため、熱がフロントパネルを伝わって戻ることはない。フロントパネルは昼間絶え間なく紫外線にさらされるため、紫外光により害を受けない材料であるべきである。その他の光透過性耐UV性ポリマーが使用されてもよい。その他の光透過性耐UV性ポリマーとは、ダイキン工業からNEOFLON(登録商標)PFAフィルムとして市販されている四フッ化エチレン-パーフルオロビニルエーテルコポリマー(PFA)、東レからFEPタイプのToyoflonフィルムとして市販されている四フッ化エチレン-六フッ化プロピレンコポリマー(FEP)、およびE.I.duPont.からTEFZEL(登録商標)ETFEフィルムとして市販されている四フッ化エチレン-エチレンコポリマー(ETFE)などのコポリマーなどである。ある実施の形態では、フロントパネルはガラスであり、バックパネルはTEDLAR(登録商標)PVFまたは上記高分子材料の別のものなどの材料である。当該分野において公知のように、その他の適切な材料がフロントパネルおよびバックパネルとして使用されてもよい。
【0021】
フロントパネルおよび光起電性材料層はバックパネルに接着される。バックパネルは、ソーラパネルに追加の強度を与えるとともに、光起電性材料層に保護を与える。以下により詳細に説明するように、バックパネルを光起電性材料層に接着するために使用される接着剤は、ソーラパネルの重要な構成要素である。
【0022】
当該分野において公知のように、例えば入射日光がソーラパネルから反射するのを防ぐためにフロントパネルと光起電性材料層との間に形成される反射防止コーティングなどのその他の層が含まれていてもよい。当該分野において公知のように、光起電性材料層は、入射日光から実際に電気を発生するnドープ半導体材料層とpドープ半導体材料層との並置層を含んでいてもよい。
【0023】
本発明による典型的なソーラパネル100の1つの実施の形態が図1の概略断面図に示される。ソーラパネル100は、光起電性材料層102を含む。光起電性材料層102の第1の表面102aは、フロントパネル104上に配置され、フロントパネル104に付着される。光起電性材料層102の第2の表面102bには、低MVTR接着剤を含む接着剤組成物層106が配置される。接着層106は、光起電性材料層102とバックパネル108との間の接合を形成する。
【0024】
本発明による典型的なソーラパネル200の別の実施の形態が図2の概略断面図に示される。図2のソーラパネル200は、図1に示されたパネル100と実質的に同じ要素を含み、光起電性材料102と接着層106との間に配置された保護層110をさらに含む。保護層は、光起電性層102上に堆積されるアルミニウムなどの金属であってもよい。保護材料は、アルミニウム、銅、金、銀、これらの材料の合金、または適切に保護を与える別の金属など、この目的のために当該分野において公知のその他のいかなる材料であってもよい。ある実施の形態では、保護層110は電流キャリアとしても使用される。そのような実施の形態では、保護層110を形成する材料は、導電性であるとともに、所望の保護を与えるのに十分な強度を有するものであるべきである。
【0025】
パネル100などの典型的なソーラパネルは、例えばアモルファスシリコンなどの光起電性材料層102をフロントパネル104上に堆積させることにより製造され得る。なお、フロントパネル104はいかなる適切な材料からなっていてもよく、多くの場合この材料はガラスである。光起電性材料層102は当該分野において公知のいかなる適切な手段により堆積されてもよい。例えばアモルファスシリコンは、化学気相蒸着法(CVD)、物理気相蒸着法(PVD)、スパッタリング、またはその他のいかなる公知の方法によっても堆積され得る。CVD法は、例えばCVD、PECVD、RTCVD、ALCVD、MOCVD、またはLPCVDなどの種々の方法のいずれをも含み得る。
【0026】
図3は、本発明の別の実施の形態によるソーラパネル300のフロントパネル104の平面図である。フロントパネル104の外枠を破線で示しているのは、パネルが図3に示された小さい部分を超えて延びていることを示すためである。フロントパネル104に光起電性材料層102が堆積されると、図3に示されるように、光起電性層102は、複数の個々の光セル112を規定するようにエッチングされる。従って、図3の平面図に示される複数の個々の光セル112は、図2の断面図に示される層102と実質的に同じである。エッチングは、レーザエッチングを適用することにより行われてもよく、半導体分野において公知の化学エッチング法およびその他のエッチング法を含むその他の適切な手段によって行われてもよい。
【0027】
図3に示されるように、光セルにより発生される電流を集めて電流が使用され得る場所まで運ぶことができるように、個々の光セル112が電気的に接続されなければならない。したがって、複数の個々の光セル112のそれぞれとソーラパネル300の外部との間の電気接続を与えるように、バスバーまたはその他の適切な配線などの電気接続がソーラパネル300に付与される。配線は、当該分野において公知のように1つの光セル112から別の光セルに接続される。図3は、そのような配線の2つの実施の形態を示す。まず第1に、図3の光セル112の上側の列に、光セルから光セルへの一連の配線接続114が概略的に示されている。図示のように、この一連の配線接続114は、第1の光セル112の一方側から、隣接する光セル112の反対側またはソーラパネル300の外部に接続する。この一方側から他方側への接続は、配線接続114がそれぞれの光セル112に結合する結合点において点線および実線で示される。電気接続の第2の実施の形態は、光セル112の下側の列にバスバー116として概略的に示される。バスバー116は、光セルから光セルおよびソーラパネル300の外部への電気接続を与える。
【0028】
層110などの保護層が使用される場合、この保護層は典型的には、通常フロントパネル104上に形成されるエッチングされ「配線が設けられた」光起電性層102上に堆積される。保護層110は、使用される特定の材料を堆積させるための当該分野において公知の手段であって光起電性材料層を構成する材料と適合する手段であれば、いかなる手段によって堆積されてもよい。従って、例えば保護層110が金属である場合、保護層110は、上述のCVD法のうちの1つなどの適切なCVD法、またはPVD、またはスパッタリングにより堆積され得る。保護材料層110が高分子材料である場合、保護材料層110は、ラミネーション法、光起電性層102に直接重合する方法、溶媒を含まない(ニートな)または可溶化されたプレポリマーを塗布した後重合する方法、または当該分野において公知のその他のいかなる手段によって堆積されてもよい。その他の公知の保護材料が使用されてもよく、これらの保護材料は、適切な手段により光起電性層102上に堆積され得る。
【0029】
図1に示されるような実施の形態では、接着層106は、光起電性材料層102に直接接するよう付与され得る。図2に示されるような保護層110を有する実施の形態では、接着層106は、保護層110に接するよう付与され得る。どちらの実施の形態においても、接着層はバックパネル108にも接する。もちろん、接着剤は最初にバックパネル108または光起電性材料層102もしくは保護層110に付与され、その後2つのパネルが封止密着されるときに反対側の層に付与されてもよい。このように接着層106は、光起電性材料層102とバックパネル108との間に配置され、光起電性材料層102とバックパネル108とを接着する。いくつかの実施の形態では、これらの層の間に保護層110が介在する。
【0030】
接着層106は、ソーラパネルの要素を組み立てて結合するために使用されるため、しばしば組み立て接着剤と呼ばれる。本発明では、接着層106は、低水蒸気透過度(MVTR)を有する接着剤組成物を含む。本発明の1つの実施の形態によれば、接着剤組成物は、低MVTRポリマーまたはコポリマーとシラン変性ポリマーまたはコポリマーとを含む。
【0031】
ある実施の形態では、低MVTRポリマーまたはコポリマーは、ポリイソブチレン、イソブチレン-イソプレンコポリマー、イソブチレン-イソプレン-ジビニルベンゼンコポリマー、塩素化または臭素化ブチルゴム、イソブチレン-臭素化p-メチルスチレンコポリマー、イソブチレン-p-メチルスチレンコポリマー、クロロスルホン化ポリエチレン、エチレン-アルキル(メタ)アクリレートコポリマー、アクリロニトリル-ブタジエンコポリマー、ポリクロロプレン、エピクロロヒドリンゴム、またはこれらのうち2つ以上からなる混合物のうち少なくとも1つを含む。ある実施の形態では、低MVTRポリマーまたはコポリマーはポリクロロプレン以外である。ポリクロロプレンは、いくつかの形態では、十分なMVTRを与えない場合があるためである。
【0032】
ある実施の形態では、低MVTRポリマーまたはコポリマーはポリイソブチレンである。ある実施の形態では、ポリイソブチレンは、約20,000から約2,000,000の範囲の数平均分子量を有する。別の実施の形態では、ポリイソブチレンは、約50,000から約500,000の範囲の数平均分子量を有する。さらに別の実施の形態では、ポリイソブチレンは、約75,000から約300,000の範囲の数平均分子量を有する。
【0033】
ある実施の形態では、低MVTRポリマーまたはコポリマーは、イソブチレンと、イソプレン、1,3-ブタジエン、p-メチルスチレン、またはその他のスチレン誘導体などの別のモノマーとのモノマー単位を含むコポリマーである。
【0034】
本明細書および前掲の特許請求の範囲の全体を通して、開示された範囲および比率の限界値は組み合わされてもよい。
【0035】
ある実施の形態では、シラン変性ポリマーまたはコポリマーは、シラン変性アモルファスα-オレフィンポリマーまたはコポリマー、シラン架橋性ハロゲン化ポリマー組成物、およびモノオレフィンとビニル芳香族モノマーとのシラングラフトコポリマーのうち1つ以上を含む。
【0036】
ある実施の形態では、シラン変性アモルファスα-オレフィンポリマーまたはコポリマーは、プロピレンのモノマー単位を含む。別の実施の形態では、シラン変性アモルファスα-オレフィンポリマーまたはコポリマーは、プロピレンのホモポリマー、またはプロピレンと少なくとも1つのC2からC8のα-オレフィンとのコポリマーを含む。別の実施の形態では、シラン変性アモルファスα-オレフィンポリマーまたはコポリマーは、プロピレンと無水マレイン酸またはアルキル(メタ)アクリレートの1つ以上とのコポリマーを含む。
【0037】
ある実施の形態では、シラン変性アモルファスα-オレフィンポリマーまたはコポリマーは、以下の構造(I)を有するシリル基を含む:
-Si(OR1)n(R2)m (I)
ここで、R1の各々は独立して、C1からC8の分岐または非分岐アルキル基であり、R2の各々は独立して、R1またはC1からC8の分岐もしくは非分岐アルキル基であり、n=1~3、m=0~2、およびm+n=3である。従って、例えばシリル基は、トリメトキシシリル、トリエトキシシリル、またはメチルジメトキシシリルであってもよい。上式で示されるように、シリル基は、1から3個のOR1置換基を有していてもよく、0から2個のアルキル置換基を有していてもよい。
【0038】
ある実施の形態では、接着剤組成物は、低MVTRポリマーまたはコポリマーとしてポリイソブチレンを含み、シラン変性ポリマーまたはコポリマーとしてシラン変性アモルファスポリプロピレンを含む。
【0039】
ある実施の形態では、シラン変性ポリマーまたはコポリマーは、シラン架橋性ハロゲン化ポリマー組成物である。ある実施の形態では、シラン架橋性ハロゲン化ポリマー組成物は、100重量部のハロゲン化ポリマーと約0.1から約20重量部のアミノ基含有シラン化合物との混合物を含有する。ある実施の形態では、この組成物はシラノール触媒の存在下で架橋され得る。ある実施の形態では、ハロゲン化ポリマーは、ポリクロロプレン(例えば、Neoprene(登録商標))、クロロスルホン化ポリエチレン、エピクロロヒドリンゴム、およびハロゲン化ブチルゴムのうちの1つ以上である。ある実施の形態では、アミノ基含有有機シラン化合物は、以下の一般構造(II)を有する:
RHNR’Si(OR”)3 (II)
ここで、Rは水素、アルキルまたはフェニル基であり、R’はアルキレン基であり、OR”は1から6個の炭素原子を有するアルコキシまたはアルコキシアルコキシ基である。ある実施の形態では、アミノシラン化合物は、N-フェニルアミノプロピルトリメトキシシラン、N-フェニルアミノプロピルトリエトキシシラン、N-メチルアミノプロピルトリメトキシシラン、N-エチルアミノプロピルトリエトキシシラン、γ-アミノプロピルトリエトキシシラン、またはγ-アミノプロピルトリメトキシシランのうちの1つ以上である。
【0040】
ある実施の形態では、接着剤組成物は、低MVTRポリマーまたはコポリマーとしてポリイソブチレンを含み、シラン変性ポリマーまたはコポリマーとしてN-フェニルアミノプロピルトリメトキシシラン変性ポリクロロプレンを含む。
【0041】
ある実施の形態では、シラン変性ポリマーまたはコポリマーは、モノオレフィンとビニル芳香族モノマーとのシラングラフトコポリマーである。ある実施の形態では、モノオレフィンとビニル芳香族モノマーとの適切なシラングラフトコポリマーは、少なくとも50モル%の少なくとも1つのC3からC7のモノオレフィンと、約0.1から50モル%の少なくとも1つのビニル芳香族モノマーとを含有するコポリマーを含む。ある実施の形態では、ビニル芳香族モノマーは、スチレン、α-メチルスチレン、t-ブチルスチレンなどのアルキル置換スチレン、およびパラ-アルキル置換スチレン、などのモノビニル芳香族であってもよい。ここで、アルキル基は1から4個の炭素原子を含む。ある実施の形態では、ビニル芳香族化合物はp-メチルスチレンである。適切なモノオレフィンモノマーは、プロピレン、イソブチレン、2-ブテンなどを含む。ある実施の形態では、コポリマーのモノオレフィン含有量の実質的に100%がイソブチレンを含む。ある実施の形態では、コポリマーは、イソブチレンおよびp-メチルスチレンを含み、約0.1から約20モル%のp-メチルスチレンを含有する。
【0042】
ある実施の形態では、オレフィンコポリマーと反応してシラングラフトコポリマーを形成する有機シランは、以下の一般構造(III)有する:
RR’SiY2 (III)
ここで、Rは主鎖ポリマーに生じたフリーラジカル部位と反応する一価のオレフィン性不飽和炭化水素または炭化水素酸素ラジカルを表し、Yは加水分解可能な有機ラジカルを表し、R’はアルキルまたはアリールラジカルまたはYラジカルを表す。Rが炭化水素酸素ラジカルである場合、これは非加水分解性であるべきである。ある実施の形態では、Rは、ビニル、アリル、ブテニル、4-ペンテニル、5-ヘキセニル、シクロヘキセニル、またはシクロペンタジエニルラジカルであってもよい。ある実施の形態では、Rはビニルである。ある実施の形態では、Y基は、メトキシ、エトキシ、またはブトキシなどのC1からC4のアルコキシラジカルのうちの1つまたは混合物であってもよい。別の実施の形態では、Yは、アシルオキシラジカル(ホルミルオキシ、アセトキシ、もしくはプロピオンオキシなど)、またはオキシモラジカル(-ON=C(CH3)2、-ON=C(CH3)(C2H5)、および-ON=C(C6H5)2など)、または置換アミノラジカル(-NHCH3、-NHC2H5、および-NHC6H5ラジカルを含むアルキルアミノもしくはアリールアミノラジカルなど)である。ある実施の形態では、R’はアルキル基、アリール基、またはY基を表す。ある実施の形態では、R’基の例として、メチル、エチル、プロピル、ブチル、フェニル、アルキルフェニル基、またはY基が挙げられる。ある実施の形態では、R’ はメチルまたはアルコキシ基である。ある実施の形態では、シランは、R’およびYがメチル基およびアルコキシ基から選択されるものであり、例えば、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、およびメチルビニルジメトキシシランである。
【0043】
ある実施の形態では、接着剤組成物は、低MVTRポリマーまたはコポリマーとしてポリイソブチレンを含み、シラン変性ポリマーまたはコポリマーとしてイソブチレンとp-メチルスチレンとのビニルトリメトキシシラン変性コポリマーを含む。
【0044】
ある実施の形態では、シラン変性ポリマーまたはコポリマーは、ソーラパネルの製造中に接着剤が付与された後に架橋される。ある実施の形態では、この架橋は、大気中の酸素または湿気への曝露の結果として起こる。この架橋反応では、まずアルコキシシリル基が加水分解されてシラノールまたはヒドロキシ-シリル化合物を形成し、ヒドロキシ-シリル基が他のアルコキシシリルまたはヒドロキシ-シリル基と反応してSi-O-Si結合を含む架橋構造を形成する。シリル基はまた、接着剤組成物中の他の活性水素、または接着剤が付着するガラスパネルの表面上の他の活性水素と反応し得る。この架橋は、低MVTRポリマーが相互侵入する高分子網目を形成する。このように、接着剤組成物中の組み合わされたポリマーが、ソーラパネルの構成要素を互いに結合する高強度の接着剤を作りだして長い耐用年数を与え、低MVTRポリマーまたはコポリマーの存在により、湿気の浸透が実質的に減少する。
【0045】
架橋反応は、接着剤組成物を、ホットメルトまたは低粘度状態で付与され得る熱可塑性のような材料から、より熱硬化性ポリマーに近い材料に変える。接着剤組成物は、架橋前の最初の熱可塑性の形態では、特定のメルトフローインデックス範囲を有する。メルトフローインデックスは、例えばASTMD-1238-Aまたは-Bなどの方法で測定できる。架橋が、接着剤組成物が流れるのを防止し得るため、架橋後の接着剤組成物は、測定可能なメルトフローインデックスを有していない場合もある。
ある実施の形態では、接着剤組成物は架橋触媒をさらに含む。ある実施の形態では、架橋触媒は、有機スズ化合物またはチタン酸塩化合物であってもよい。ある実施の形態では、架橋触媒は、ジブチルスズジラウレート、酸化スズ、ジブチルスズジアセテート、ジブチルスズオキシド、およびチタン酸塩のうちの1つ以上を含む。架橋触媒は、水との反応を促進してさらなる架橋を開始する。
【0046】
ある実施の形態では、架橋時に、シラン変性ポリマーまたはコポリマーは、低MVTRポリマーまたはコポリマーが相互侵入する網目を形成する。
【0047】
ある実施の形態では、接着剤組成物は、シラン変性ポリマーまたはコポリマーのシリル基間の架橋を開始することができる架橋開始剤をさらに含む。ただし、概して本発明で使用される架橋開始剤は水である。ある実施の形態では、架橋反応を開始する水は大気中の湿気である。上記のように、本発明のソーラパネルの製造後に接着剤組成物内に入り込む大気中の湿気は、さらなる架橋を開始し得、および/または接着剤組成物に存在する残留シリル基と反応し得る。
【0048】
図4は、本発明のある実施の形態による架橋前のシラン変性ポリマーまたはコポリマーの分子の概略化学構造である。図4に示されるように、高分子鎖は、高分子鎖の様々な場所で結合されたシリル基を含む。図4に示された実施の形態では、シリル基はトリ-アルコキシ(-OR)置換シリル基である。ある実施の形態では、図4に示されたシリル基のR基は、上で規定したR1基のいずれであってもよい。図示されていない別の実施の形態では、シリル基は、構造(I)で規定されたシリル基のうちのいずれであってもよく、例えば、-Si(OR1)n(R2)mの構造を有するシリル基のいずれであってもよい。ここで、R1、R2、nおよびmは、構造(I)に関して上で説明した意味を有する。
【0049】
図5は、本発明のある実施の形態による、図4のシラン変性ポリマーまたはコポリマーなどのシラン変性ポリマーまたはコポリマーの架橋後の分子の概略化学構造である。図5に示されるように、シリル基はシリル基同士または基板(ガラスバック層108または光セル基板102など)の表面の-OH基と反応している。図5には示されていないが、残りの-OR1基は未反応のままであってもよく、Si原子から横に延びている「空の」結合で示唆されるように、隣接するシラン変性ポリマーまたはコポリマー層、すなわち図の紙面の奥または手前にある層と反応していてもよい。
【0050】
図には示されていないが、本明細書に開示されるその他のシラン変性ポリマーまたはコポリマーは、上の構造(II)および(III)に関して規定されたように、ポリマーの骨格および反応性の部分が適切に置換された、図4および図5に示された構造と類似した構造を形成する。
【0051】
図4および図5には示されていないが、本発明の接着層において低MVTRポリマーまたはコポリマーは、図4および図5において(およびその他のシラン変性ポリマーまたはコポリマーからの類似構造において)シラン変性ポリマーまたはコポリマー分子間の空間にある。従って上述のように、ある実施の形態では、接着層はシラン変性ポリマーまたはコポリマーと低MVTRポリマーまたはコポリマーとを含み、これらのシラン変性ポリマーまたはコポリマーと低MVTRポリマーまたはコポリマーとが一緒になって相互侵入網目を形成する。ある実施の形態では、接着層は、網目を形成する架橋されたシラン変性ポリマーまたはコポリマーと、架橋されたシラン変性ポリマーまたはコポリマーにより形成された網目に相互侵入する低MVTRポリマーまたはコポリマーとを含む。本発明の接着剤(ある実施の形態において接着剤は、架橋されたシラン変性ポリマーまたはコポリマーと低MVTRポリマーまたはコポリマーとを含む)は、ソーラパネルの要素を結合し且つ湿気に対する有効なバリアを与える高強度の低MVTR接着剤である。
【0052】
水蒸気透過度(MVTR)は、ASTMテスト法F1249-90により測定される。このASTM法を実行する際、試料は以下のように調製される。接着剤フィルムを型に押し込み、真空下で加熱および加圧して0.050から0.060インチ(1.27から1.52mm)の厚さにする。真空は、加熱および加圧工程の間使用され、フィルムが空洞または気泡を伴わずに形成されることを確実にする。加圧キャビティからフィルムを取り出した後、高湿度環境で湿気に曝露することによりフィルムを硬化させてもよい。MVTRを調べる前にフィルムを硬化させる必要はない。硬化フィルムであっても未硬化フィルムであってもMVTR値はほぼ同じであるからである。これは、エラストマー接着剤のMVTRが、ポリマーの架橋密度よりもフィルムのポリマーの骨格に関連が深いと考えられるためである。積層する接着剤フィルムの取り扱いをより容易にするために、5平方センチメートルのダイカットアルミニウムマスクを用いてフィルムを保持する。米国ニューヨーク州バッファローの装置メーカーであるMOKONから市販されているこのマスクは、テストチャンバ内でフィルムを保持するように設計されている。このダイカットアルミニウムマスクには、テストを進めることを可能にする5平方センチメートル(5cm2)の開口部が開けられている。低MVTR接着剤組成物フィルムの試料をダイカットアルミニウムマスクの上に置く。接着剤組成物フィルムを間に挟むように第2のダイカットアルミニウムマスクを第1のダイカットアルミニウムマスクの上に置く。そうすればこの剛直な構成物を、テストチャンバに容易に入れることができ、マスクから露出している5cm2の試料のMVTRをASTM法により容易にテストすることができる。
【0053】
本明細書において使用される「低MVTR」または「低水蒸気透過度」という用語は、この用語が使われている材料を水蒸気または湿気が透過する比率が、ASTM F1249-90による測定で1日あたり5グラム/平方メートル(g/m2/d)未満であることを意味する。この水蒸気透過度は一般に「低い」とみなされる。
【0054】
ある実施の形態では、接着剤組成物は約3g/m2/d未満の水蒸気透過度(MVTR)を有する。ある実施の形態では、接着剤組成物は約1g/m2/d未満のMVTRを有する。理想的には接着剤組成物のMVTRの最小値はゼロであるが、ある実施の形態では、MVTRの最低値は、PIBなどの低MVTRポリマーの約0.05g/m2/dである。従って、ある実施の形態では、本発明の接着剤組成物のMVTRは約0.075から約5g/m2/dの範囲である。別の実施の形態では、本発明の接着剤組成物のMVTRは約0.1から約3g/m2/dの範囲である。別の実施の形態では、本発明の接着剤組成物のMVTRは約0.5から約2g/m2/dの範囲である。
【0055】
ある実施の形態では、接着剤組成物は充填剤をさらに含む。ある実施の形態では、充填剤は、炭酸カルシウム、タルク、硫酸バリウム、粘土、シリカ、カーボンブラック、二酸化チタン、およびこれらの2つ以上からなる混合物を含む。
【0056】
接着剤組成物は非導電性すなわち誘電材料であるべきであるため、使用される充填剤材料は非導電性であるべきである。たとえ導電性であっても、充填剤材料は、接着剤組成物がASTM D257による測定で約1×108ohm・cm未満の絶縁耐力を有することのないレベルで使用されるべきである。接着剤材料の典型的な所望の絶縁耐力は、ASTM D257による測定で約1×109ohm・cmである。
【0057】
ある実施の形態では、接着剤組成物は接着促進剤をさらに含む。ある実施の形態では、接着促進剤は、シラン、チタン酸塩、ジルコン酸塩、およびジルコ-アルミネートのうちの1つ以上を含む。
【0058】
ある実施の形態では、シラン接着促進化合物は、ビニルシラン、アミン置換アルキルまたはアルキル/アルコキシシラン、およびその他の公知の接着促進シラン化合物を含む。ある実施の形態では、シラン接着促進化合物は、一般構造(IV)を有するシランを含む:
Si(OR1)n(R2)m (IV)
ここでR1の各々は独立して、C1からC8の分岐または非分岐アルキル基であり、R2の各々は独立して、R1またはC1からC8の分岐もしくは非分岐、置換もしくは非置換アルキル基もしくはハロゲンであり、n=1~3、m=1~3、およびm+n=4である。アルキル基の置換は、例えば、第一級または第二級アミンおよびハロゲンを含む。従って例えば、シリル基は、トリメトキシシリル、トリエトキシシリル、メチルジメトキシシリル、トリメトキシクロロシラン、γ-アミノプロピルトリメトキシシラン、またはγ-クロロブチルトリエトキシシランであってもよい。上式で示されるように、シリル基は1から3個のOR1置換基を有し得、1から3個のR2置換基を有し得る。
【0059】
ある実施の形態では、チタン酸塩およびジルコン酸塩接着促進化合物は、典型的には、中央のチタンまたはジルコニウム原子に結合した大きい(例えば約5から約20個の炭素原子を有する)炭化水素基または実質的に炭化水素の基を有する。従って、ある実施の形態では、これらのチタン酸塩およびジルコン酸塩促進化合物は約5から約100個の炭素原子を含み、ある実施の形態では約20から約60個の炭素原子を含む。「実質的に炭化水素」とは、その基の支配的な炭化水素の性質を変えないヘテロ原子置換基を含む基のことを指す。本発明の文脈において置換基の支配的な炭化水素の性質を変えない非炭化水素基を含むヘテロ原子置換基は、クロロおよびフルオロなどの基を含み、そのような基は当業者に知られている。概して炭化水素基には、炭素原子10個ごとに約2個以下、ある実施の形態では約1個以下のヘテロ原子置換基が存在する。典型的には、炭化水素基にそのようなヘテロ原子置換基は存在しない。
【0060】
適切なジルコ-アルミネート接着促進化合物は、Rhone-Poulencから市販されている。アルミニウム-ジルコニウム錯体の調製は、米国特許第4,539,048号および同第4,539,049号に記載されている。これらの特許は、実験式(V)に対応するジルコ-アルミネート錯体反応生成物を記載している:
(Al2(OR1O)aAbBc)X(OC(R2)O)Y(ZrAdBe)Z (V)
ここで、X、YおよびZは少なくとも1であり、R2は、2から17個の炭素原子を有するアルキル基、アルケニル基、アミノアルキル基、カルボキシアルキル基、メルカプトアルキル基、またはエポキシアルキル基であり、X:Zの比は約2:1から約5:1である。その他のジルコ-アルミネート錯体が米国特許第4,650,526号に開示されている。本明細書において、ジルコ-アルミネート接着促進化合物に関する上記3つの特許の開示を参照により援用する。
【0061】
ある実施の形態では、接着剤組成物は可塑剤をさらに含む。ある実施の形態では、可塑剤は、炭化水素油、二塩基酸のエステル誘導体、鉱油、パラフィン、パラフィン誘導体、およびポリブテンのうちの1つ以上を含む。
【0062】
ある実施の形態では、接着剤組成物は粘着付与樹脂をさらに含む。ある実施の形態では、粘着付与樹脂は、ロジンエステル、ポリテルペン、ポリテルペン誘導体、C5炭化水素樹脂、C9炭化水素樹脂、フェノール樹脂、および天然樹脂のうちの1つ以上を含む。
【0063】
ある実施の形態では、ソーラパネルは、モジュール配線開口部と、モジュール配線開口部を封止するモジュール配線接着剤組成物とをさらに含む。ある実施の形態では、モジュール配線接着剤組成物は、低MVTRポリマーまたはコポリマーとシラン変性ポリマーまたはコポリマーとを含むが、光起電性材料層とバックパネルとの間に配置されてこれらを接着させる接着層における処方とは異なる処方を有する。
【0064】
従って、ある実施の形態では、本発明はさらに、光起電性材料層と、バックパネルと、光起電性材料層またはバックパネルの少なくとも一方に形成されるモジュール配線開口部と、モジュール配線開口部を封止するモジュール配線封止剤/接着剤組成物とを含むソーラパネルであって、モジュール配線封止剤/接着剤組成物が低MVTRポリマーまたはコポリマーとシラン変性ポリマーまたはコポリマーとを含むソーラパネルに関する。ある実施の形態では、モジュール配線接着剤は、組み立て接着剤に使用される接着剤と同じ接着剤である。別の実施の形態では、モジュール配線接着剤は、組み立て接着剤の処方とは異なる処方を有する。
【0065】
図6は、本発明の別の実施の形態を含むソーラパネルの概略断面図である。図6は、図1から図3に関して上で説明したものと同じ要素を含み、モジュール配線118およびモジュール配線開口部120をさらに含むソーラパネル400を示す。図6に示されるように、ある実施の形態では、モジュール配線開口部120はバック層108を貫通しており、モジュール配線118がソーラパネル400の外部に延びる通路を形成する。従ってモジュール配線118は、電流を発生する複数の個々の光セル素子112から、電流が使用される外部への電気接続を与える。
【0066】
図7は、図6に示されたソーラパネルのようなソーラパネル400であって、モジュール配線118とモジュール配線開口部120とを封止するモジュール配線接着剤122をさらに含むソーラパネル400の概略断面図である。ある実施の形態では、モジュール配線接着剤122は、本発明による低MVTR接着剤である。ある実施の形態では、モジュール配線接着剤122は、組み立て接着剤106としての使用について上で説明したものと同じ接着剤である。ある実施の形態では、モジュール配線接着剤122は、シラン変性ポリマーまたはコポリマーの割合と比べて、より大きい割合の低MVTRポリマーまたはコポリマー成分を含む。モジュール配線接着剤は組み立て接着剤に必要とされる高強度を必要としないため、接着剤組成物において、シラン変性ポリマーまたはコポリマー成分と比べてMVTRポリマーまたはコポリマー成分の量を増やすことが可能である。この変形例は、MVTRポリマーまたはコポリマーの量の増加により、ソーラパネルに侵入できる湿気の絶対量がさらに低減されるという点で有益である。この変形例は次の点でも有益である。シラン変性ポリマーまたはコポリマーの量が減らされるため、モジュール配線接着剤122をより軟らかく、従ってモジュール配線118の起こり得る動きに対してより追従可能にすることができ、湿気がソーラパネルの内部に侵入し得る直接の通路を作り出す危険性もない。
【0067】
幾つかの実施の形態(図示せず)では、ソーラパネルの周りにアルミニウムフレームなどのフレームが形成されてもよい。そのようなフレームは、安定性と、実装が行われ得る場所とを与える。フレームは、適切な接着剤によりソーラパネルに封止され得る。ある実施の形態では、フレームは、本発明の低MVTR接着剤組成物などの低MVTR接着剤組成物によりソーラパネルに封止される。1つのそのような実施の形態では、フレームをソーラパネルに接着するために用いられる低MVTR接着剤組成物は、上述の組み立て接着剤である。別の実施の形態では、フレームをソーラパネルに接着するために用いられる低MVTR接着剤組成物は、上述のモジュール配線接着剤である。低MVTR接着剤組成物を用いてフレームをソーラパネルに接着するこれらの実施の形態の両方において、接着剤およびフレームは、ソーラパネルに、水蒸気の侵入に対してさらなる保護を与える。
【0068】
別の実施の形態では、フレームは、当該分野において公知でありこの目的で通常使用されているように、ブチルホットメルト接着剤などの接着剤によりソーラパネルに封止される。さらに、幾つかの実施の形態では、ブチルホットメルト接着剤は、モジュール配線の周りを封止するためのモジュール接着剤として使用されてもよい。
【0069】
(ソーラパネルの製造方法)
ある実施の形態では、本発明は、光起電性材料層とバックパネルとを含むソーラパネルの製造方法であって、(a)低MVTRポリマーまたはコポリマーとシラン変性ポリマーまたはコポリマーとを組み合わせることにより低水蒸気透過度を有する接着剤組成物を形成する工程と、(b)接着剤組成物を用いて光起電性材料層をバックパネルに接着する工程と、(c)シラン変性ポリマーまたはコポリマーを架橋する工程とを包含する方法に関する。ある実施の形態では、架橋時に、シラン変性ポリマーまたはコポリマーは、低MVTRポリマーまたはコポリマーが相互侵入する網目を形成する。
【0070】
ある実施の形態では、工程(b)は、光起電性材料の上に接着剤組成物の層を付与する工程を包含する。
【0071】
ある実施の形態では、ソーラパネルはモジュール配線開口部を含み、上記方法は、接着剤組成物をモジュール配線開口部に付与する工程をさらに包含する。
【0072】
図8は、本発明によるソーラパネルの製造方法の工程を概略的に示すフロー図である。図8に示されるように、工程S801として示される本方法の第1の工程において、光起電性層が提供される。通常の場合、光起電性層は、上述のプロセスなどの適切なプロセスによりフロントパネルの一方の表面に堆積されている。さらに、光起電性層は通常、個々の光起電力セルまたは光セルに分離されている。光セルの各々は、太陽電池の設計に応じて電気的に接続されている。そのような態様は、当業者により適切に設計または選択され得るものであり、本発明は、いかなる特定の形態の光起電性材料層にも限定されない。
【0073】
図8に工程S802として示される本方法の第2の工程において、低MVTRを有する接着剤組成物が形成される。この低MVTR接着剤組成物は、低MVTRポリマーまたはコポリマーとシラン変性ポリマーまたはコポリマーとを組み合わせることにより形成される。ある実施の形態では、低MVTRポリマーまたはコポリマーとシラン変性ポリマーまたはコポリマーとの混合物に、適切な架橋触媒が含まれる。
【0074】
低MVTRポリマーまたはコポリマーは、上に開示された材料のいずれであってもよい。ある実施の形態では、低MVTRポリマーまたはコポリマーはイソブチレンのポリマーまたはコポリマーであり、ある実施の形態では、低MVTRポリマーはポリイソブチレンである。
【0075】
シラン変性ポリマーまたはコポリマーは、上に開示されたポリマーまたはコポリマーのいずれであってもよく、ポリマーまたはコポリマーが変性されるシリル基は、上に開示されたシリル基のいずれであってもよい。ある実施の形態では、ポリマーまたはコポリマーはプロピレンを含み、ある実施の形態では、ポリマーはアモルファスポリプロピレンである。ある実施の形態では、シリル基は、トリメトキシシリル基、トリエトキシシリル基、トリメトキシシリル基もしくはトリエトキシシリル基のアルキル誘導体、アミノアルコキシシラン、またはビニルトリメトキシシランなどの不飽和有機シラン、またはこれらのシリル基の2つ以上からなる混合物、または本明細書に開示されたシランのいずれかである。
【0076】
工程S802は、バンバリーミキサなどの適切な混合装置において実行され得る。ある実施の形態では、混合工程は、シラン変性ポリマーまたはコポリマーの早期架橋を避けるために低湿気条件下で行われる。別の実施の形態では、混合工程は、シラン変性ポリマーまたはコポリマーの早期架橋を避けるために不活性ガス雰囲気下で行われる。不活性ガスは例えば窒素であってもよい。別の実施の形態では、混合工程は、シラン変性ポリマーまたはコポリマーの早期架橋を避けるために、空気が例えば冷却により乾燥された乾燥空気の雰囲気下で行われる。いずれの実施の形態でも、早期架橋を避ける条件下でシラン変性ポリマーまたはコポリマーを取り扱うことが賢明である。
【0077】
成分を完全に混ぜることにより低MVTR接着剤組成物が形成されると、この低MVTR接着剤組成物は付与可能な状態である。
【0078】
図8に示されるように、工程S803として示される本発明の第3の工程において、低MVTR接着剤組成物は、光起電性材料層およびバックパネルの少なくとも一方に付与される。上述のように、低MVTR接着剤組成物は、フロントパネルまたはバックパネルの一方または両方に付与され得る。低MVTR接着剤がフロントパネルに付与される実施の形態では、低MVTR接着剤は、保護層が存在するかどうかに応じて光起電性層または保護層のいずれかに全体的に付与される。
【0079】
選択された層またはパネルへの低MVTR接着剤組成物の付与は、当該分野において公知のいかなる適切な方法によって行われてもよい。例えば、低MVTR接着剤組成物は、スプレー、押し出し、ドクターブレードなどの適切な装置を用いた展着、および剥離ライナーなどの転写フィルムなどのその他の方法により付与され得る。適切な剥離ライナーは、水分をほとんどまたは全く含有していないものであるべきである。従って、剥離ライナーの適切な材料は、適切な剥離剤で処理されたポリオレフィンまたはポリエチレンである。ある実施の形態では、ナイロンは、残留水分またはその他の活性水素源を含み得るため、剥離ライナーには適していない。
【0080】
図8に示されるように、工程S804として示される本発明の第4の工程において、それぞれの層が合わされて封止密着される。従って、光起電性材料層、低MVTR接着剤組成物層およびバックパネルが合わされて1つのユニットを形成する。ある実施の形態では、低MVTR接着剤組成物は、フロントパネルとバックパネルとを互いに結合するのに十分な粘着性を有する。光起電性材料層、低MVTR接着剤組成物層およびバックパネルは、圧力、真空および熱のうち少なくとも1つが存在する状態で合わされる。そのような力の付与は、接着剤が、接着剤が付着される表面を濡らして密接で完全な結合を与えるのを助ける。接着剤は、フロントパネルとバックパネルとの間にエアポケットまたは気泡の形成を避けるような態様で付与されるべきである。当該分野において公知のように、そのようなエアポケットまたは気泡は、使用中のソーラパネルの故障を引き起こし得る。
【0081】
図8に示されるように、工程S805として示される本発明の第5の工程において、低MVTR接着剤組成物は、シラン変性ポリマーまたはコポリマーの反応により架橋される。ある実施の形態では、架橋は大気中の湿気により開始される。ある実施の形態では、低MVTR接着剤組成物は、上で開示された架橋触媒のうちのいずれかなどの適切な架橋触媒をさらに含む。そのような触媒を含む実施の形態では、架橋反応は触媒により加速される。触媒が無ければ架橋反応はかなり低速になり得る。
【0082】
ある実施の形態では、低MVTR接着剤組成物の架橋は、ソーラパネルの組み立て中または組み立て後に低MVTR接着剤組成物が大気中の湿気に曝露されることにより開始される。
【0083】
ある実施の形態では、上述のように、ソーラパネルはモジュール配線開口部を含み、モジュール配線開口部を通ってモジュール配線が延びる。そのような実施の形態では、低MVTR接着剤組成物は、ソーラパネルの組み立て中の適切な時点でモジュール配線開口部に挿入され得る。上述のように、モジュール配線接着剤は組み立て接着剤と同じ組成を有していてもよく、より多くの割合の低MVTRポリマーまたはコポリマーを含む組成を有していてもよい。以下の説明では、モジュール配線接着剤に使用される組成のどちらの実施の形態も、モジュール配線接着剤と呼ぶ。
【0084】
概して、ソーラパネルが組み立てられるとき、モジュール配線118はまず光起電性層102に電気的に接続される。バックパネル108とフロントパネル104(および光起電性層102)が合わされるとき、モジュール配線118は、付与された接着層106を貫通してモジュール配線開口部120に入り、モジュール配線開口部120を通って延びる。モジュール配線開口部120には、任意の適切な時点でモジュール配線接着剤122が充填され得る。
【0085】
ある実施の形態では、モジュール配線接着剤122は、低MVTR組み立て接着剤102がバックパネル108の表面に付与されるのと同時にモジュール配線開口部120に付与される。しかしこの場合、モジュール配線118を、接着剤が充填されたモジュール配線開口部120に通すことが必要であり、これは望ましくない場合がある。別の実施の形態では、モジュール配線接着剤122は、フロントパネル104とバックパネル108とが合わされて封止密着された後、シラン変性ポリマーまたはコポリマーの架橋開始前に、モジュール配線開口部120を充填するように付与される。さらに別の実施の形態では、モジュール配線接着剤122は、架橋開始後に付与されてもよい。組み立て中に大気中の湿気との接触により架橋が開始される実施の形態では、モジュール配線接着剤122は、架橋の開始後に付与される。架橋は、低MVTR接着剤組成物が大気中の湿気に曝露されるとすぐに開始されるからである。
【0086】
図8に示されるように、一旦架橋反応が開始されると、ソーラパネルの製造を続行してもよい。なお、架橋反応はしばらくの間続き得る。ある実施の形態では、架橋反応は、架橋開始後数時間続く。別の実施の形態では、架橋反応は、何日もの間または何週間もの間続く。別の実施の形態では、架橋反応は無限に続き、無視できる速度に低下し、しばらくして低MVTR接着剤組成物に湿気が入ると再開または加速され得る。

【0097】
以上、本発明を特定の好適な実施の形態に関して示し且つ説明したが、本明細書および添付の図面を読んで理解すれば、等価の改変例および変形例が当業者に明らかになる。特に上述の完全体(構成要素、アセンブリ、装置、組成物、工程など)が果たす様々な機能に関して、これらの完全体を説明するために用いた用語(「手段」の言及も含む)は、特に明記しない限り、説明した完全体の特定の機能を果たす(即ち、機能的に等価な)いかなる完全体にも対応することが意図される。これらの用語は、説明した完全体の特定の機能を果たす(即ち、機能的に等価な)完全体であれば、たとえ本明細書に示された本発明の1つまたは複数の例示的な実施の形態においてその機能を果たす開示された構造と構造的に等価でなくてもその完全体に対応することが意図される。さらに、本発明の特定の特徴は、示された幾つかの実施の形態のうち1つの実施の形態のみに関して説明されている場合があり得るが、そのような特徴は、おそらく任意の所与のまたは特定の応用例に望ましいまたは有利なように、その他の実施の形態における1つ以上のその他の特徴と組み合わされてもよい。

SOLAR PANEL INCLUDING A LOW MOISTURE VAPOR TRANSMISSION RATE ADHESIVE COMPOSITION

Field of the Invention This invention relates to a solar panel including an adhesive layer including an adhesive composition which has a low moisture vapor transmission rate. The invention also relates to the fabrication of solar panels using such compositions for adhesive and for sealing around module wires and other structural elements of solar panels.

Background of the Invention Photovoltaic solar panels, also referred to simply as solar panels, are generally of two basic designs.

One design employs crystalline silicon wafers connected together and embedded in a laminating film. The laminating film and the wafers embedded therein are typically sandwiched between two lights, or panels, of glass, a polymeric material or other suitable materials.

The second solar panel design, which is of primary interest herein, employs one of amorphous silicon, cadmium-telluride (Cd-Te) or copper-indium-diselenide, CuInSe2 (commonly referred to as"CIS"), or a similar semiconductor material such as mentioned below, which is deposited on a substrate in a thin film.

These thin film photovoltaic materials are typically deposited in a thin film on a glass substrate by a method such as sputtering, PVD or CVD. The individual photocells are typically formed by a laser etching process, and are connected together by suitable circuitry, such as a bus bar. The bus bar transfers to a storage device the electrical current output from the photocells. The thin film photovoltaic material and associated circuitry may be covered by a sputtered layer of aluminum, which acts to protect the underlying structures. To complete the construction, an assembly adhesive is applied over the photovoltaic material, associated circuitry, and any protective layer which is present, and a backing material is applied. The backing material is typically glass, but may be metal, a composite or a plastic material.

In addition to the above noted CIS, other combinations of Group i, Group 111 and Group IV (referred to as I-III-IV) semiconductor materials have been used and/or proposed for use as photovoltaic materials.

A number of different l-III-VI semiconductor materials have been proposed for use in photovoltaic cells. Some examples includeAginS2, AgGaSe2, AgGaTe2, AginSe2, AginTe2, CuGaS2, CulnS2, CulnTe2, CuAIS2, and CuGaSe2. Most attention, however, has been focused on CIS and variations of CIS in which a portion of the indium is replaced with one or more of aluminum and gallium and/or a portion of the selenium is replaced with sulfur and/or tellurium. Two promising variations of CIS that have been proposed include CuinGaSe (commonly referred to as"CIGS") and CulnxGa1 xSeyS2 y (commonly referred to as"CIGSS").

These and other l-III-VI semiconductors may be used in photovoltaic cells, as is known in the art.

The circuitry, such as a bus bar, which collects the electrical current generated by the solar panel must be connected by wiring to a suitable storage device, such as a battery. Such wiring may be referred to as a"module wire"or"module lead". The module wire must exit the solar panel at some point. Additional adhesive or sealant material is needed to seal around the module wire exiting the solar panel. The adhesive used for sealing around module wires may be the same as, or may differ from, the assembly adhesive used to attach the backing material to the solar panel.

Solar panels are used outdoors, and so are exposed to the elements, including wind, water and sunlight. Solar panels are deleteriously affected primarily by moisture which may permeate into the panel, reaching the electrical connections or the photovoltaic materials. Water penetration into solar panels has been a long-standing problem. Thus, various attempts have been made to reduce the moisture vapor transmission rate (MVTR). Solar panels may also be deleteriously affected by wind and sunlight, which may result in failure of the adhesive layer. Wind causes obvious physical damage, and sunlight results in heating of the solar panel and exposure to ultraviolet (UV) radiation. Operating temperatures of solar panels have been measured as high as 110°C. Thermoplastic adhesives soften at elevated temperatures and are susceptible to UV-induced breakdown. Many thermosetting materials suffer from unacceptably high MVTR.

One presently used assembly adhesive is ethylene vinyl acetate (EVA). The EVA is applied to the solar panel together with a peroxide which can crosslink the EVA. The EVA is then cured in place on the solar panel by application of heat or radiation, which causes the peroxide to crosslink the EVA. Crosslinked EVA provides high strength, but suffers from a relatively high MVTR.

Module wire sealing materials suffer from the same problems as do the assembly adhesives.

Presently used module wire adhesive/sealants include epoxy compounds and hot melt butyl compounds.

Epoxy compounds suffer from relatively high MVTR. The hot melt butyl systems suffer from the inability to achieve high strength since they are generally supplied as a thermoplastic material and they lose strength as temperatures increase, as noted above.

The problems of excluding moisture from solar panels, and of finding adhesives with suitably low MVTR properties, in addition to the other properties required of such adhesives, have been long standing.

Many attempts have been made to provide suitable adhesive materials. However, none has satisfactorily provided both the required strength and related properties, and the required low MVTR properties. The present invention provides a solution to this problem by providing a low MVTR adhesive material suitable for use in a solar panel.

Summary of the Invention The present invention relates to an adhesive composition suitable for use with solar panels which provides both a low MVTR and strength and related properties.

In one embodiment, the present invention relates to a solar panel including a photovoltaic material layer, a backing panel and an adhesive layer adhering the photovoltaic material layer to the backing panel, in which the adhesive layer comprises an adhesive composition, the adhesive composition comprising a low MVTR polymer or copolymer and a silane-modified polymer or copolymer. In one embodiment, the adhesive layer has a MVTR less than about 3 g/m 2/d.

In another embodiment, the present invention relates to a solar panel including a photovoltaic material layer, a backing panel, an adhesive layer adhering the photovoltaic material layer to the backing panel, module wire openings extending through at least one of the photovoltaic material layer or the backing panel, and a module wire adhesive composition sealing the module wire openings, the module wire adhesive composition including a low MVTR polymer or copolymer and a silane-modified polymer or copolymer. In one embodiment, the module wire sealant/adhesive composition has a MVTR less than about 3 g/m2/d.

In one embodiment, the present invention relates to a method of fabricating a solar panel comprising a photovoltaic material layer and a backing panel, the method including steps of (a) forming an adhesive composition having a low moisture vapor transmission rate by combining a low MVTR polymer or copolymer with a silane-modified polymer or copolymer; (b) adhering the photovoltaic material layer to the backing panel using the adhesive composition; and (c) cross-linking the silane-modified polymer or copolymer. In one embodiment, the adhesive composition has a MVTR less than about 3 g/m2/d.

The adhesive composition of the present invention provides an advantage in that, in addition to having a low MVTR, due to the presence of excess silane groups on the silane-modified polymer or copolymer, any moisture which may find its way into the adhesive composition merely results in further cross-linking of the silane-modified polymer or copolymer, rather than resulting in any break-down or deterioration of the adhesive composition or other components of the solar panel. Thus, in addition to providing enhanced strength and substrate adhesion to the adhesive composition, the silane-modified polymer or copolymer provides extended protection from any moisture which may penetrate into the adhesive composition.

Brief Description of Drawings Fig. 1 is a schematic cross-sectional view of layers of a solar panel, including a layer of the low MVTR adhesive material in accordance with the present invention.

Fig. 2 is a schematic cross-sectional view of layers of a solar panel, similar to Fig. 1, but also including a protective layer, and a layer of the low MVTR adhesive material, in accordance with the present invention.

Fig. 3 is a schematic plan view of a solar panel.

Fig. 4 is a schematic chemical structure of molecules of a silane-modified polymer prior to crosslinking, in accordance with one embodiment of the present invention.

Fig. 5 is a schematic chemical structure of molecules of a silane-modified polymer subsequent to crosslinking, in accordance with one embodiment of the present invention.

Fig. 6 is a schematic cross-sectional view of a solar panel including a module wire opening in accordance with an embodiment of the present invention.

Fig. 7 is a schematic cross-sectional view of the solar panel of Fig. 6 including the module wire opening filled with a module wire adhesive in accordance with an embodiment of the present invention.

Fig. 8 is a flow diagram schematically illustrating the steps of a method of fabricating a solar panel in accordance with an embodiment of the present invention.

It should be appreciated that for simplicity and clarity of illustration, elements shown in the figures have not necessarily been drawn to scale. For example, the dimensions of some of the elements are exaggerated relative to each other for clarity. Further, where considered appropriate, reference numerals have been repeated among the figures to indicate corresponding elements.

Furthermore, it should be appreciated that the process steps and structures described below do not form a complete process flow for manufacturing solar panels. The present invention can be practiced in conjunction with solar panel fabrication techniques currently used in the art, and only so much of the commonly practiced process steps are included as are necessary for an understanding of the present invention.

Detailed Description In one embodiment, the present invention relates to a solar panel, in which the solar panel includes a photovoltaic material layer and a backing panel, with an adhesive layer adhering the photovoltaic material layer to the backing panel. In one embodiment, the adhesive layer includes an adhesive composition including a low moisture vapor transmission rate (MVTR) polymer or copolymer and a silane-modified polymer or copolymer.

The solar panel may be of any type known in the art. The solar panel thus includes a photovoltaic material layer, for generating an electrical current from sunlight impinging upon the solar panel. In one embodiment, the photovoltaic material layer includes a layer of amorphous silicon, cadmium telluride, copper-indium-diselenide (CIS), or another Group I-III-IV semiconductor material, such as those discussed above.

In another embodiment, the solar panel comprises crystalline silicon wafers connected together and embedded in a laminating film. The crystalline silicon may be polycrystalline or monocrystalline silicon. The present invention is applicable to both of these types of solar panels. In addition, the present invention is applicable to solar panels including other photovoltaic materials, such as gallium arsenide on germanium (GaAs/Ge (i)), gallium arsenide on gallium arsenide (GaAs/GaAs), or gallium indium phosphide on gallium arsenide/germanium (GaInP/GaAs/Ge). The photovoltaic material layers including amorphous silicon, cadmium telluride or copper-indium-sulfide are more susceptible to intrusion of moisture than are the panels including crystalline silicon, so potentially benefit more from the present invention. The present invention is not limited to any particular type of solar panel. Accordingly, for exemplary but non-limiting purposes, photovoltaic material layers including amorphous silicon, cadmium telluride or copper-indium-sulfide, and in particular, amorphous silicon, are described herein.

The photovoltaic material layer is formed on a front panel of material which may be, for example, ordinary borosilicate glass. In another embodiment, the front panel is low-iron glass, which allows more sunlight to pass through the glass. In addition to glass, the front panel (and the backing panel) may be formed of a tough plastic film, such as TEDLARO brand of polyvinylfluoride (PVF) (a product of E. I. du Pont De Nemours and Co. ). PVF, such as TEDLARO PVF, has a high coefficient of visible light transmission and low coefficient of infrared light transmission so that heat is not transmitted back through the front panel. The front panel should be a material which is not harmed by ultraviolet light since it will be continuously exposed to ultraviolet radiation during daylight hours. Other light transmissive, UV resistant polymers may be used, such as copolymers such as ethylene tetrafluoride-perfluorovinyl ether copolymers (PFA), commercially available as NEOFLONO PFA film from Daikin Industry K. K. , ethylene tetrafluoride-propylene hexafluoride<BR> copolymers (FEP) commercially available as FEP type Toyoflon film from Toray K. K. , and ethylene tetrafluoride-ethylene copolymers (ETFE) commercially available as TEFZELO ETFE film from E. I. du Pont.

In one embodiment, the front panel is glass and the back panel is a material such as TEDLARO PVF, or another of the polymeric materials. Other suitable materials may be used as the front panel and the backing panel, as known in the art.

The front panel and the photovoltaic material layer are adhered to a backing panel. The backing panel provides additional strength to the solar panel and provides protection to the photovoltaic material layer.

The adhesive used to adhere the backing panel to the photovoltaic material layer is an important component of the solar panel, as described in more detail below.

As known in the art, other layers may be included, such as, for example, an anti-reflective coating formed between the front panel and the photovoltaic material layer, to prevent reflection of incoming sunlight out of the solar panel. As known in the art, the photovoltaic material layer may comprise juxtaposed layers of n-and p-doped semiconductor materials which actually generate the electricity from the incoming sunlight.

One embodiment of a typical solar panel 100 in accordance with the present invention is shown in a cross-sectional schematic view in Fig. 1. The solar panel 100 includes a photovoltaic material layer 102.

A first surface 102a of the photovoltaic material layer 102 is disposed on and attached to a front panel 104.

On a second surface 102b of the photovoltaic material layer 102 is disposed an adhesive composition layer 106, including a low MVTR adhesive. The adhesive layer 106 forms a bond between the photovoltaic material layer 102 and a backing panel 108.

Another embodiment of a typical solar panel 200 in accordance with the invention is shown in a cross-sectional schematic view in Fig. 2. The solar panel 200 of Fig. 2 includes substantially the same elements of the panel 100 shown in Fig. 1, and further includes a protective layer 110 disposed between the photovoltaic material 102 and the adhesive layer 106. The protective layer may be a metal such as aluminum, which is deposited over the photovoltaic layer 102. The protective material may also be any other material known in the art for this purpose, such as aluminum, copper, gold, silver, alloys of these materials, or another suitably protective metal. In one embodiment, the protective layer 110 is also employed as a current carrier. In such an embodiment, the material of which the protective layer 110 is formed should be conductive, as well as having sufficient strength to provide the desired protection.

A typical solar panel, such as the panel 100, may be fabricated by depositing the photovoltaic material layer 102, e.g., amorphous silicon, on the front panel 104. As noted, the front panel 104 may be formed of any appropriate material, and in many instances the material is glass. The photovoltaic material layer 102 may be deposited by any appropriate means known in the art. For example, amorphous silicon may be deposited by chemical vapor deposition (CVD), by physical vapor deposition (PVD), by sputtering or by any other known method. The CVD methods may include any of a variety of methods, for example, CVD, PECVD, RTCVD, ALCVD, MOCVD or LPCVD.

Fig. 3 is a plan view of the front panel 104 of a solar panel 300, in accordance with another embodiment of the present invention. The outer border of the front panel 104 is shown in broken lines to indicate that the panel extends beyond the small portion shown in Fig. 3. When the photovoltaic material layer 102 has been deposited on the front panel 104, the photovoltaic layer 102 is etched to define a plurality of individual photocells 112, as shown in Fig. 3. Thus, the plurality of individual photocells 112 shown in plan view in Fig. 3 are substantially the same as the layer 102 shown in cross-sectional view in Fig. 2. The etching may be by application of a laser etching, or by other suitable means, including chemical etching and other etching methods known in the semiconductor arts.

As shown in Fig. 3, the individual photocells 112 must be electrically connected so that the electrical current generated by the photocells can be collected and carried to a location at which the electrical current can be used. Thus, an electrical connection, such as a bus bar or other suitable wiring, is applied to the solar panel 300 to provide an electrical connection between respective ones of the plurality of individual photocells 112 and the exterior of the solar panel 300. The wiring is connected from one photocell 112 to another as known in the art. Fig. 3 shows two embodiments of such wiring. First, in the upper row of photocells 112 in Fig. 3, there is schematically shown a series of photocell to photocell wiring connections 114. As shown, this series of wiring connections 114 connects from one side a first photocell 112 to the opposite side of an adjacent photocell 112, or to the exterior of the solar panel 300. This side to side connection is indicated by the dashed and solid lines at the point of attachment of the wiring connection 114 to each respective photocell 112. The second embodiment of electrical connection is shown in the lower row of photocells 112, which schematically shows a bus bar 116. The bus bar 116 provides an electrical connection from photocell to photocell and to the exterior of the solar panel 300.

If a protective layer, such as the layer 110 is used, it typically is deposited on the etched,"wired-in" photovoltaic layer 102, which usually is formed on the front panel 104. The protective layer 110 may be deposited by any means which is known in the art for depositing the particular material used, and which is compatible with the material of which the photovoltaic material layer is made. Thus, for example, the protective layer 110, if a metal, may be deposited by an appropriate CVD method, such as one of those noted above, or by PVD or by sputtering. If the protective material layer 110 is a polymeric material, it may be deposited by a lamination procedure, by direct polymerization on the photovoltaic layer 102, by application of a solvent-free (neat) or solubilized prepolymer, followed by a polymerization thereof, or by any other means known in the art. Other known protective materials may be used, and these may be deposited on the photovoltaic layer 102 by appropriate means.

The adhesive layer 106 may be applied to be in direct contact with the photovoltaic material layer 102 in an embodiment such as shown in Fig. 1. In an embodiment having a protective layer 110, such as shown in Fig. 2, the adhesive layer 106 may be applied in contact with the protective layer 110. In both embodiments, the adhesive layer is also in contact with the backing panel 108. Of course, the adhesive may be initially applied to either the backing panel 108 or to the photovoltaic material layer 102 or the protective layer 110, and then subsequently applied to the opposite layer when the panels are brought into sealing contact. Thus, the adhesive layer 106 is disposed between and adheres together the photovoltaic material layer 102 and the backing panel 104, with the protective layer 110 intervening between these layers in some embodiments.

The adhesive layer 106 is often referred to as an assembly adhesive, since it is used to assemble and hold together the elements of the solar panel. In the present invention, the adhesive layer 106 includes an adhesive composition having a low moisture vapor transmission rate (MVTR). In accordance with one embodiment of the present invention, the adhesive composition includes a low MVTR polymer or copolymer and a silane-modified polymer or copolymer.

In one embodiment, the low MVTR polymer or copolymer includes at least one of a polyisobutylene, an isobutylene-isoprene copolymer, an isobutylene-isoprene-divinylbenzene copolymer, a chlorinated or brominated butyl rubber, an isobutylene-brominated p-methylstyrene copolymer, an isobutylene-p-methylstyrene copolymer, a chlorosulfonated polyethylene, an ethylene-alkyl (meth) acrylate copolymer, an acrylonitrile-butadiene copolymer, a polychloroprene, an epichlorohydrin rubber, or mixtures of two or more thereof. In one embodiment, the low MVTR polymer or copolymer is other than polychloroprene, which in some forms may not provide a satisfactory MVTR.

In one embodiment, the low MVTR polymer or copolymer is polyisobutylene. In one embodiment, the polyisobutylene has a number-average molecular weight in the range from about 20,000 to about 2,000, 000. In another embodiment, the polyisobutylene has a number-average molecularweight in the range from about 50,000 to about 500, 000. In another embodiment, the polyisobutylene has a number-average molecular weight in the range from about 75,000 to about 300,000.

In one embodiment, the low MVTR polymer or copolymer is a copolymer including monomeric units of isobutylene and another monomer such as isoprene, 1,3-butadiene, p-methylstyrene or other styrene derivatives.

Here and throughout the specification and claims, the limits of the disclosed ranges and ratios may be combined.

In one embodiment, the silane-modified polymer or copolymer includes one or more of a silane-modified amorphous a-olefin polymer or copolymer, asilane-crosslinkable halogenated polymer composition, and a silane grafted copolymer of a monoolefin and a vinyl aromatic monomer.

In one embodiment, the silane-modified amorphous a-olefin polymer or copolymer includes monomeric units of propylene. In another embodiment, the silane-modified amorphous a-olefin polymer or copolymer includes a homopolymer of propylene, or a copolymer of propylene and at least one C2-C8 a-olefin. In another embodiment, the silane-modified amorphous a-olefin polymer or copolymer includes a copolymer of propylene and one or more of maleic anhydride or an alkyl (meth) acrylate.

In one embodiment, the silane-modified amorphous a-olefin polymer or copolymer comprises silyl groups having a structure (I) : -Si (OR1) n (R2) m (1) wherein each Ri independently is a Cl-C8 branched or unbranched alkyl group, each R2 independently is either Ri or a Cl-C, branched or unbranched alkyl group, n = 1 to 3, m= 0 to 2, and m+n=3. Thus, for example, the silyl group may be trimethoxysilyl, triethoxysilyl, or methyidimethoxysilyl. As indicated by the formula, the silyl group may have from one to three OR1 substituents, and may have from zero to two alkyl substituents.

In one embodiment, the adhesive composition includes polyisobutylene as the low MVTR polymer or copolymer and silane-modified amorphous polypropylene as the silane-modified polymer or copolymer.

In one embodiment, the silane-modified polymer or copolymer is a silane-crosslinkable halogenated polymer composition. In one embodiment, the silane-crosslinkable halogenated polymer composition contains a mixture of 100 parts byweight of a halogenated polymer and about 0.1 to about 20 parts byweight of an amino group-containing silane compound. In one embodiment, the composition may be crosslinked in the presence of a silanol catalyst. In one embodiment, the halogenated polymer is one or more of polychloroprene (e. g., Neoprene@), chlorosulfonated polyethylene, epichlorohydrin rubber and halogenated butyl rubber. In one embodiment, the amino group-containing organic silane compound has the following general structure (11) : RHNR'Si (OR") 3 (II) wherein R is hydrogen, an alkyl or a phenyl group, R'is an alkylen group, OR"is an alkoxy or alkoxyalkoxy group having 1 to 6 carbon atoms. In one embodiment, the aminosilane compound is one or more of N-phenylaminopropyltrimethoxysilane, N-phenylaminopropyltriethoxysilane, N-methylaminopropyltrimethoxysilane, N-ethylaminopropyltriethoxysilane, y-aminopropyltriethoxysilane or y-aminopropyltrimethoxysilane.

In one embodiment, the adhesive composition includes polyisobutylene as the low MVTR polymer or copolymer and N-phenylaminopropyltrimethoxysilane modified polychloroprene as the silane-modified polymer or copolymer.

In one embodiment, the silane-modified polymer or copolymer is a silane grafted copolymer of a monoolefin and a vinyl aromatic monomer. In one embodiment, suitable silane grafted copolymer of a monoolefin and a vinyl aromatic monomer comprises copolymers containing at least 50 mole % of at least one C3-C7 monoolefin and from about 0.1 up to 50 mole % of at least one vinyl aromatic monomer. In one embodiment, the vinyl aromatic monomers may be a mono-vinyl aromatic such as styrene, alpha-methylstyrene, alkyl-substituted styrenes such as t-butylstyrene and para-alkyl substituted styrenes wherein the alkyl group contains from 1 to 4 carbon atoms. In one embodiment, the vinyl aromatic compound is p-methylstyrene. Suitable monoolefin monomers include propylene, isobutylene, 2-butene and the like.

In one embodiment, substantially 100% of the monoolefinic content of the copolymer comprises isobutylene.

In one embodiment, the copolymer comprises isobutylene and para-methylstyrene and contains from about 0.1 to 20 mole % of p-methylstyrene.

In one embodiment, the organic silanes which are reacted with the olefin copolymer to form the silane-grafted copolymer have the general structure (III) : RR'SiY2 (111) wherein R represents a monovalent olefinically unsaturated hydrocarbon or hydrocarbonoxy radical reactive with the free radical sites produced on the backbone polymer, Y represents a hydrolyzable organic radical and R'represents an alkyl or aryl radical or a Y radical. Where R is a hydrocarbonoxy radical, it should be non-hydrolyzable.

In one embodiment, R may be a vinyl, allyl, butenyl, 4-pentenyl, 5-hexenyl, cyclohexenyl or cyclopentadienyl radical. In one embodiment, R is vinyl. In one embodiment, the group Y may be one or a mixture of C1 to C4 alkoxy radical such as methoxy, ethoxy or butoxy. In another embodiment, Y is an acyloxy radical, such as formyloxy, acetoxy or propionoxy; or an oximo radical such as--ON=C (CH3) 2,--ON=C (CH3) (C2H5) and --ON=C (C6H5) 2; or a substituted amino radical such as alkylamino or arylamino radicals, including--NHCH3, --NHC2H5 and--NHC6H5 radicals. In one embodiment, R'represents an alkyl group, an aryl group or a Y group. In one embodiment, the group R'can be exemplified by a methyl, ethyl, propyl, butyl, phenyl, alkylphenyl group or a Y group. In one embodiment, R' is a methyl or alkoxy group. In one embodiment, the silanes are those where R'and Y are selected from methyl and alkoxy groups, e. g., vinyltriethoxysilane, vinyltrimethoxysilane and methyl vinyldimethoxysilane.

In one embodiment, the adhesive composition includes polyisobutylene as the low MVTR polymer or copolymer and a vinyltrimethoxysilane-modified copolymer of isobutylene and para-methylstyrene as the silane-modified polymer or copolymer.

In one embodiment, the silane-modified polymer or copolymer is crosslinked after the adhesive has been applied during the fabrication of the solar panel. In one embodiment, the crosslinking occurs as a result of exposure to atmospheric oxygen or moisture. In this crosslinking reaction, first the alkoxy silyl groups are hydrolyzed to form silanol or hydroxy-silyl compounds, and the hydroxy-silyl groups react with other alkoxy silyl or hydroxy-silyl groups to form cross links including Si-O-Si bonds. The silyl groups may also react with other active hydrogens in the adhesive composition or on the surface of glass panels to which the adhesive attaches. The crosslinking forms a polymer network, through which the low MVTR polymer interpenetrates.

Thus, the combined polymers of the adhesive composition create a high strength adhesive which holds the components of the solar panel together, to provide a long service life, and the presence of the low MVTR polymer or copolymer substantially reduces moisture penetration.

The crosslinking reaction transforms the adhesive composition from a thermoplastic-like material, which may be applied as a hot melt or in a low-viscosity state, to a material which is more like a thermosetting polymer. The initial, thermoplastic form of the adhesive composition, prior to crosslinking, has a specific melt flow index range. The melt flow index can be measured, for example, by a method such as ASTM D-1238-A or-B. The crosslinked adhesive composition may not have a measurable melt flow index, since the crosslinking may prevent the adhesive composition from flowing.

In. one embodiment, the adhesive composition further includes a crosslinking catalyst. In one embodiment, the crosslinking catalyst may be an organotin compound or a titanate compound. In one embodiment, the crosslinking catalyst includes one or more of dibutyl tin dilaurate, tin oxide, dibutyl tin diacetate, dibutyl tin oxide and a titanate. The crosslinking catalyst promotes the reaction with water to initiate further crosslinking.

In one embodiment, upon crosslinking, the silane-modified polymer or copolymer forms a network with the low MVTR polymer or copolymer interpenetrating therethrough.

In one embodiment, the adhesive composition further includes a crosslinking initiator capable of initiating crosslinking between silyl groups on the silane-modified polymer or copolymer. In general, however, the crosslinking initiator used in the present invention is water. In one embodiment, the water which initiates the crosslinking reaction is atmospheric moisture. As noted above, atmospheric moisture which finds its way into the adhesive composition subsequent to fabrication of the solar panel of the present invention may initiate further crosslinking and/or may react with residual silyl groups present in the adhesive composition.

Fig. 4 is a schematic chemical structure of molecules of a silane-modified polymer or copolymer prior to crosslinking, in accordance with one embodiment of the present invention. As shown in Fig. 4, the polymeric chain includes silyl groups attached at various positions on the chain. In the embodiment shown in Fig. 4, the silyl groups are tri-alkoxy (-OR) substituted silyl groups. In one embodiment, the R group of the silyl groups shown in Fig. 4 may be any of the Ri groups defined above. In another embodiment, not shown, the silyl group may be any of the silyl groups defined above in structure (I), e. g., silyl groups having the structure-Si (OR)" (RZ) m, wherein R, R2, n and m have the meanings set forth above with respect to structure (I).

Fig. 5 is a schematic chemical structure of molecules of the silane-modified polymer or copolymer such as that of Fig. 4 subsequent to crosslinking, in accordance with one embodiment of the present invention. As shown in Fig. 5, the silyl groups have reacted with each other, and with-OH groups on the surface of a substrate (such as the glass backing layer 108, or the photocell substrate 102). Although not shown in Fig. 5, the remaining-OR1 groups may either remain unreacted or may have reacted with adjacent layers of the silane-modified polymer or copolymer, i. e. , into or above the plane of the paper in which the drawing is shown, as suggested by the"empty"bonds extending laterally from the Si atoms.

Although not shown, the other silane-modified polymers or copolymers disclosed herein would form structures analogous to those shown in Figs. 4 and 5, with appropriate substitution of the polymer backbone and reactive moieties, as defined with respect to structures (II) and (III) above.

Although not shown in Figs. 4 and 5, in the adhesive layer of the present invention, the low MVTR polymer or copolymer would be in the spaces between the silane-modified polymer or copolymer molecules in both Fig. 4 and Fig. 5 (and in the analogous structures from other silane-modified polymers or copolymers).

Thus, as described above, in one embodiment, the adhesive layer includes the silane-modified polymer or copolymer and the low MVTR polymer or copolymer, which together form an interpenetrating network. In one embodiment, the adhesive layer includes the crosslinked silane-modified polymer or copolymer, which forms a network, and the low MVTR polymer or copolymer, which interpenetrates through the network formed by the crosslinked silane-modified polymer or copolymer. The adhesives of the present invention including, in one embodiment, the crosslinked silane-modified polymer or copolymer, and the low MVTR polymer or copolymer, are high strength low MVTR adhesives which both hold together the elements of the solar panel and provide a significant barrier to moisture.

Moisture Vapor Transmission Rate (MVTR) is measured according to ASTM Test Method F 1249-90.

In carrying out this ASTM method, the sample is prepared as follows. An adhesive film is pressed into a mold, heated and pressed under vacuum to a thickness from 0.050 to 0.060 inch (1.27 to 1.52 mm). The vacuum is used during the heating and pressing operation to insure that the film is created without air voids or bubbles. After the film is removed from the press cavity it may be cured via exposure to moisture in a high humidity environment. It is not necessary to cure the film prior to testing for MVTR, as the MVTR value for a cured film or an uncured film is nearly the same, since MVTR of elastomeric adhesives is believed to be more related to the backbone of the polymers in the film than to the crosslink density of the polymer. In order to facilitate the ease of handling of the laminating adhesive film, a five square centimeter die-cut aluminum mask is used to hold the film. The mask, available from the equipment manufacturer MOKON, Buffalo, New York, is designed to hold the film in the test chamber. The die-cut aluminum mask has a five square centimeter (5 cm2) opening cut into it that allows the testing to proceed. A sample of the low MVTR adhesive composition film is placed onto a die-cut aluminum mask. A second die-cut aluminum mask is placed over the first with the adhesive composition film in between. This now rigid structure can easily be placed into the testing chamber and the MVTR tested on the 5 cm2 sample exposed in the mask, according to the ASTM method.

As used herein, the term"low MVTR"or"low moisture vapor transmission rate"means that the rate at which water vapor or moisture is transmitted through the material to which this term is applied, as measured by ASTM F 1249-90, is less than 5 grams per square meter per day (g/m2/d). This rate of moisture vapor transmission is generally regarded as"low".

In one embodiment, the adhesive composition has a moisture vapor transmission rate (MVTR) less than about 3 g/m2/d. In one embodiment, the adhesive composition has a MVTR less than about 1 g/m2/d.

While ideallythe minimum MVTR of the adhesive composition would be zero, in one embodiment, the lowest MVTR is about 0.05 g/m2/d for a low MVTR polymer such as PIB. Thus, in one embodiment, the MVTR of the adhesive composition of the present invention is in a range from about 0.075 to about 5 g/m2/d. In another embodiment, the MVTR of the adhesive composition of the present invention is in a range from about 0.1 to about 3 g/m 2/d. In another embodiment, the MVTR of the adhesive composition of the present invention is in a range from about 0.5 to about 2 g/m2/d.

In one embodiment, the adhesive composition further includes a filler. In one embodiment, the filler includes calcium carbonate, talc, barium sulfate, clay, silica, carbon black, titanium dioxide, and a mixture of two or more thereof.

Since the adhesive composition should be non-conductive, i. e. , a dielectric material, the filler materials used should either be non-conductive or if possibly conductive, should be used at a level which does not result in the adhesive composition having a dielectric strength of less than about 1 x 108 ohm cm, as determined by ASTM D 257. A typical, desirable dielectric strength for the adhesive material is about 1 x 109 ohmcm, as determined by ASTM D 257.

In one embodiment, the adhesive composition further includes an adhesion promoter. In one embodiment, the adhesion promoter includes one or more of a silane, a titanate, a zirconate and a zirco-aluminate.

In one embodiment, the silane adhesion promoting compounds include vinyl silanes, amine-substituted alkyl or alkyl/alkoxy silanes, and other known adhesion promoting silane compounds. In one embodiment, the silane adhesion promoting compounds include silanes having a general structure (IV) : Si (OR1) n (il) wherein each Ri independently is a Cl-C. branched or unbranched alkyl group, each R2 independently is either R or a Cl-C8 branched or unbranched, substituted or unsubstituted alkyl group or halogen, n = 1 to 3, m= 1 to 3, and m+n=4. The substitution of the alkyl group may comprise, for example, primary or secondary amines and the halogens. Thus, for example, the silyl group may be trimethoxysilyl, triethoxysilyl, methyldimethoxysilyl, trimethoxychlorosilane, y-aminopropyltrimethoxysilane ory-chlorobutyltriethoxysilane.

As indicated by the formula, the silyl group may have from one to three OR'substituents, and may have from one to three R2 substituents.

In one embodiment, the titanate and zirconate adhesion promoting compounds typically have large (e.g., about 5 to about 20 carbon atoms) hydrocarbon or substantially hydrocarbon groups attached to a central titanium or zirconium atom. Thus, in one embodiment, these titanate and zirconate adhesion promoting compounds contain from about 5 to about 100 carbon atoms, and in one embodiment from about 20 to about 60 carbon atoms. "Substantially hydrocarbon"describes groups which contain heteroatom substituents which do not alter the predominantly hydrocarbon nature of the group. The heteroatom substituents containing non-hydrocarbon groups which, in the context of this invention, do not alter the predominantly hydrocarbon nature of the substituent, include groups such as chloro and fluoro; those skilled in the art will be aware of such groups. In general, no more than about 2, and in one embodiment, no more than one, heteroatom substituents are present for every ten carbon atoms in the hydrocarbon group.

Typically, there are no such heteroatom substituents in the hydrocarbon group.

Suitable zirco-aluminate adhesion promoting compounds are commercially available from Rhone-Poulenc. Preparation of aluminum-zirconium complexes is described in the U. S. Patent Nos.

4,539, 048 and 4,539, 049. These patents describe zirco-aluminate complex reaction products corresponding to the empirical formula (V): (At :, (ORiO), AbB,) x (OC (R2) 0) Y (ZrAB (V) wherein X, Y, and Z are at least 1, R2 is an alkyl, alkenyl, aminoalkyl, carboxyalkyl, mercaptoalkyl, or epoxyalkyl group, having from 2 to 17 carbon atoms, and the ratio of X: Z is from about 2: 1 to about 5: 1.

Additional zirco-aluminate complexes are described in U. S. Patent No. 4,650, 526. The disclosure of these three patents relating to zirco-aluminate adhesion promoting compounds is incorporated herein by reference.

In one embodiment, the adhesive composition further includes a plasticizer. In one embodiment, the plasticizer includes one or more of a hydrocarbon oil, an ester derivative of a dibasic acid, a mineral oil, a paraffin, a paraffin derivative and a polybutene.

In one embodiment, the adhesive composition further includes a tackifying resin. In one embodiment, the tackifying resin includes one or more of a rosin ester, a polyterpene, a polyterpene derivative, a C5 hydrocarbon resin, a Cg hydrocarbon resin, a phenolic resin and a natural resin.

In one embodiment, the solar panel further includes module wire openings and a module wire adhesive composition sealing the module wire openings. In one embodiment, the module wire adhesive composition includes a low MVTR polymer or copolymer and a silane-modified polymer or copolymer, but has a different formulation than that in the adhesive layer disposed between and adhering together the photovoltaic material layer and the backing panel.

Thus, in one embodiment, the present invention further relates to a solar panel including a photovoltaic material layer; a backing panel; module wire openings in at least one of the photovoltaic material layer or the backing panel; and a module wire sealant/adhesive composition sealing the module wire openings, the modulewire sealant/adhesive composition, the sealant/adhesive composition comprising a low MVTR polymer or copolymer and a silane-modified polymer or copolymer. In one embodiment, the module wire adhesive is the same adhesive as that used for the assembly adhesive. In another embodiment, the module wire adhesive has a different formulation from that of the assembly adhesive.

Fig. 6 is a schematic cross-sectional view of a solar panel including a further embodiment of the present invention. Fig. 6 shows a solar panel 400 which includes the same elements described above with respect to Figs. 1-3, and further includes a module wire 118 and a module wire opening 120. As shown in Fig. 6, in one embodiment, the module wire opening 120 extends through the backing layer 108, to form a passageway through which the module wire 118 extends outside of the solar panel 400. The module wire 118 thus provides an electrical connection from the plurality of individual photocell elements 112, which generate the electrical current, to the outside, where the electrical current is used.

Fig. 7 is a schematic cross-sectional view of a solar panel 400 such as that shown in Fig. 6, which further includes a module wire adhesive 122 sealing the module wire 118 and the module wire opening 120.

In one embodiment, the module wire adhesive 122 is a low MVTR adhesive in accordance with the present invention. In one embodiment, the module wire adhesive 122 is the same adhesive as that described above for use as the assembly adhesive 106. In one embodiment, the module wire adhesive 122 comprises a greater proportion level of the low MVTR polymer or copolymer component, relative to the proportion of the silane-modified polymer or copolymer. Since the module wire adhesive does not need the high strength needed by the assembly adhesive, it is possible to increase the loading of the MVTR polymer or copolymer component in the adhesive composition relative to the silane-modified polymer or copolymer component.

This modification is of benefit in further reducing the absolute amount of moisture which successfully enters the solar panel due to the increase in loading of the MVTR polymer or copolymer. This modification is also of benefit since the reduced amount of silane-modified polymer or copolymer allows the module wire adhesive 122 to be softer and therefore more compliant to the possible movements of the module wire 118 without the danger of creating a direct passageway through which moisture may enter the interior of the solar panel.

In some embodiments (not shown), a frame, such as an aluminum frame, may be formed around the solar panel. Such a frame provides stability and locations at which mounting may be made. The frame may be sealed to the solar panel by an appropriate adhesive. In one embodiment, the frame is sealed to the solar panel by a low MVTR adhesive composition, such as that of the present invention. In one such embodiment, the low MVTR adhesive composition used to adhere the frame to the solar panel is the assembly adhesive described above. In another embodiment, the low MVTR adhesive composition used to adhere the frame to the solar panel is the module wire adhesive described above. In both embodiments in which the frame is adhered to the solar panel with the low MVTR adhesive composition, additional protection from moisture vapor penetration is provided to the solar panel by the adhesive and the frame.

In other embodiments, the frame is sealed to the solar panel by an adhesive such as a butyl hot melt adhesive, as is known in the art and commonly used for this purpose. In addition, in some embodiments, a butyl hot melt adhesive may be used as the module adhesive for sealing around the module wires.

Method of Fabricating a Solar Panel In one embodiment, the present invention relates to method of fabricating a solar panel comprising a photovoltaic material layer and a backing panel, the method including steps of (a) forming an adhesive composition having a low moisture vapor transmission rate by combining a low MVTR polymer or copolymer with a silane-modified polymer or copolymer, (b) adhering the photovoltaic material layer to the backing panel using the adhesive composition, and (c) cross-linking the silane-modified polymer or copolymer. In one embodiment, upon crosslinking, the silane-modified polymer or copolymer forms a network with the low MVTR polymer or copolymer interpenetrating therethrough.

In one embodiment, step (b) includes applying a layer of the adhesive composition over the photovoltaic materials.

In one embodiment, the solar panel comprises module wire openings, and the method further includes applying the adhesive composition to the module wire openings.

Fig. 8 is a flow diagram schematically illustrating the steps of a method of fabricating a solar panel in accordance with the present invention. As shown in Fig. 8, in the first step of the method, shown as step S801, a photovoltaic layer is provided. In the usual case, the photovoltaic layer will have been deposited by an appropriate process to one surface of a front panel, such as that described above. In addition, the photovoltaic layer usually will have been separated into individual photovoltaic cells, or photocells. Each of the photocells will have been electrically connected, as appropriate to the design of the solar cell. Such matters may be appropriately designed or selected by those of skill in the art, and the present invention is not limited to any particular form of photovoltaic material layer.

In the second step of the method, shown in Fig. 8 as step S802, an adhesive composition having a low MVTR is formed. The low MVTR adhesive composition is formed by combining a low MVTR polymer or copolymer with a silane-modified polymer or copolymer. In one embodiment, a suitable crosslinking catalyst is included in the mixture of the low MVTR polymer or copolymer and silane-modified polymer or copolymer.

The low MVTR polymer or copolymer may be any of the materials disclosed above. In one embodiment, the low MVTR polymer or copolymer is a polymer or copolymer of isobutylene, and in one embodiment, the low MVTR polymer is polyisobutylene.

The silane-modified polymer or copolymer may be any of the polymers or copolymers disclosed above, and the silyl group with which the polymer or copolymer is modified may be any of the silyl groups disclosed above. In one embodiment, the polymer or copolymer comprises propylene, and in one embodiment, the polymer is amorphous polypropylene. in one embodiment, the silyl group is a trimethoxysilyl group, a triethoxysilyl group, an alkyl derivative of the trimethoxysilyl group or the triethoxysilyl group, an aminoalkoxysilane, or an unsaturated organic silane such as vinyltrimethoxysilane, or a mixture of any two or more of these silyl groups, or any of the silanes disclosed herein.

The step S802 may be carried out in a suitable mixing apparatus, such as a Banbury mixer. In one embodiment, the mixing step is carried out under low-moisture conditions, to avoid premature crosslinking of the silane-modified polymer or copolymer. In another embodiment, the mixing step is carried out under an inert gas atmosphere, to avoid premature crosslinking of the silane-modified polymer or copolymer. The inert gas may be, for example, nitrogen. In another embodiment, the mixing step is carried out in an atmosphere of dried air, in which the air has been dried by, e. g., chilling, to avoid premature crosslinking of the silane-modified polymer or copolymer. In any embodiment, it is prudent to handle the silane-modified polymer or copolymer under conditions which avoid premature crosslinking.

When the low MVTR adhesive composition has been formed by thoroughly mixing the ingredients, it is ready to be applied.

As shown in Fig. 8, in the third step of the present invention, shown as step S803, the low MVTR adhesive composition is applied to at least one of the photovoltaic material layer and the backing panel. As described above, the low MVTR adhesive composition may be applied to either or both of the front panel or the backing panel. In an embodiment in which the low MVTR adhesive is applied to the front panel, it is applied to and over either the photovoltaic layer or the protective layer, depending on whether the protective layer is present.

Application of the low MVTR adhesive composition to the selected layer or panel may be by any appropriate method known in the art. For example, the low MVTR adhesive composition may be applied by spraying, extrusion, spreading with an appropriate device such as a doctor blade, and other methods such as a transfer film such as a release liner. A suitable release liner should have little or no water content.

Thus, a suitable material for a release liner would be a polyolefin or polyethylene treated with a suitable release agent. In one embodiment, nylon is not suitable for the release liner, as it may contain residual water or other active hydrogen sources.

As shown in Fig. 8, in the fourth step of the present invention, shown as step S804, the respective layers are brought together, into sealing contact. Thus, the photovoltaic material layer, the low MVTR adhesive composition layer and the backing panel, are brought together to form a single unit. In one embodiment, the low MVTR adhesive composition is sufficiently tacky to hold the front panel and the backing panel together. The photovoltaic material layer, the low MVTR adhesive composition layer and the backing panel, are brought together in the presence of at least one of pressure, vacuum and heat. Application of such forces helps the adhesive to wet the surfaces to which it will be attached, to provide an intimate, complete attachment. The adhesive should be applied in a manner so as to avoid the formation of air pockets or bubbles between the respective front and back panels. As is known in the art, such air pockets or bubbles can lead to failure of the solar panel in use.

As shown in Fig. 8, in the fifth step of the present invention, shown as step S805, the low MVTR adhesive composition is crosslinked by a reaction of the silane-modified polymer or copolymer. In one embodiment, the crosslinking is initiated by atmospheric moisture. In one embodiment, the low MVTR adhesive composition further comprises a suitable crosslinking catalyst, such as any of those disclosed above. In an embodiment including such a catalyst, the crosslinking reaction is accelerated by the catalyst.

In the absence of the catalyst, the crosslinking reaction may be quite slow.

In one embodiment, crosslinking of the low MVTR adhesive composition is initiated by exposure of the low MVTR adhesive composition to atmospheric moisture during or after the assembly of the solar panel.

In one embodiment, as noted above, the solar panel includes module wire openings, through which module wires extend. In such an embodiment, the low MVTR adhesive composition may be inserted into the module wire openings at a suitable time during assembly of the solar panel. As noted above, the module wire adhesive may have the same composition as that of the assembly adhesive, or it may have a composition which includes a greater proportion of the low MVTR polymer or copolymer. Both embodiments of the composition used for the module wire adhesive are referred to in the following as the module wire adhesive.

In general, as the solar panel is assembled, the module wires 118 are first electrically connected to the photovoltaic layer 102. When the backing panel 108 and the front panel 104 (together with the photovoltaic layer 102) are brought together, the module wire 118 will extend through the applied adhesive layer 106 and into and through the module wire openings 120. The module wire openings 120 may be filled with the module wire adhesive 122 at any appropriate time.

In one embodiment, the module wire adhesive 122 is applied to the module wire openings 120 at the same time the low MVTR assembly adhesive 102 is applied to the surface of the backing panel 108.

However, this would require passing the module wire 118 through the adhesive-filled module wire opening 120, which may not be desirable. In another embodiment, the module wire adhesive 122 is applied to fill the module wire openings 120 after the front panel 104 and the backing panel 108 have been brought into sealing contact, but prior to the initiation of crosslinking of the silane-modified polymer or copolymer. In yet another embodiment, the module wire adhesive 122 may be applied after crosslinking has been initiated. In an embodiment in which the crosslinking is initiated by contact with atmospheric moisture during the assembly, the modulewire adhesive 122 will be applied after initiation of the crosslinking, since the crosslinking will have been initiated immediately upon exposure of the low MVTR adhesive composition to the atmospheric moisture.

As shown in Fig. 8, once the crosslinking reaction has been initiated, fabrication of the solar panel may continue. It is noted that the crosslinking reaction may continue for some time. In one embodiment, the crosslinking reaction continues for a period of hours after the crosslinking has been initiated. In another embodiment, the crosslinking reaction continues for a number of days or weeks. In another embodiment, the crosslinking reaction continues indefinitely, slows to a negligible rate and may be reinitiated or accelerated at some later time as result of the ingress of moisture into the low MVTR adhesive composition.

Although the invention has been shown and described with respect to certain preferred embodiments, equivalent alterations and modifications will occur to others skilled in the art upon reading and understanding this specification and the annexed drawings. In particular regard to the various functions performed by the above described integers (components, assemblies, devices, compositions, steps, etc.), the terms (including a reference to a"means") used to describe such integers are intended to correspond, unless otherwise indicated, to any integer which performs the specified function of the described integer (i. e., that is functionally equivalent), even though not structurally equivalent to the disclosed structure which performs the function in the herein illustrated exemplary embodiment or embodiments of the invention. In addition, while a particular feature of the invention may have been described above with respect to only one of several illustrated embodiments, such feature may be combined with one or more other features of the other embodiments, as maybe desired and advantageous for any given or particular application.

「特表2005-539374およびWO2004019421より引用」

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[Claims] 化合物伝達性基板を備えた光電子構造

【特許請求の範囲】
【請求項1】
光電子デバイスモジュールであって、
可撓性バルク導電体より形成された下部電極と、下部電極と導電性バックプレーンの間に挟まれた絶縁体層と、導電性バックプレーンと、を備えたスタート基板と;
活性層が下部電極と透明導電層の間にあるように配置された活性層および透明導電層と;
透明導電層とバックプレーンの間の1または複数の電気接点と、電気接点は透明導電層、活性層、可撓性バルク導電体および絶縁層を貫通して形成されており、電気接点は、活性層、下部電極および絶縁層から電気的に絶縁されていることと;
を備えたデバイスモジュール。
【請求項2】
可撓性バルク導電体が第1金属箔である請求項1に記載のデバイスモジュール。
【請求項3】
第1金属箔がアルミニウム箔である請求項2に記載のデバイスモジュール。
【請求項4】
第1金属箔の厚みが約1μmと約200μmの間にある請求項2に記載のデバイスモジュール。
【請求項5】
第1金属箔の厚みが約25μmと約50μmの間にある請求項4に記載のデバイスモジュール。
【請求項6】
バックプレーンが導電性グリッドである請求項2に記載のデバイスモジュール。
【請求項7】
絶縁層が第1金属箔の陽極酸化表面である請求項2に記載のデバイスモジュール。
【請求項8】
バックプレーンが第2金属箔である請求項2に記載のデバイスモジュール。
【請求項9】
絶縁層が第1金属箔と第2金属箔の間に積層されている請求項8に記載のデバイスモジュール。
【請求項10】
絶縁層がプラスチック箔より形成されている請求項8に記載のデバイスモジュール。
【請求項11】
プラスチック箔の厚みが約1μmと約200μmの間にある請求項10に記載のデバイスモジュール。
【請求項12】
プラスチック箔の厚みが約10μmと約50μmの間にある請求項11に記載のデバイスモジュール。
【請求項13】
第2金属箔の厚みが約1μmと約200μmの間にある請求項8に記載のデバイスモジュール。
【請求項14】
第2金属箔の厚みが約25μmと約50μmの間にある請求項13に記載のデバイスモジュール。
【請求項15】
絶縁層が第1金属箔または第2金属箔陽極酸化表面である請求項8に記載のデバイスモジュール。
【請求項16】
前記透明導電層と前記バックプレーンの間の前記1または複数の電気接点が、
第1デバイスモジュールの透明導電層、活性層、可撓性バルク導電体および絶縁層を貫
通して形成されたビア;
透明導電層、活性層、可撓性バルク導電体および絶縁層を貫通してバックプレーンまで通路が形成されるようにする、前記ビアの絶縁材被覆側壁;および
前記通路を少なくとも実質的に充填すると共に透明導電層とバックプレーンの間の電気接点を形成する、導電性材料より形成されたプラグ;
を備えた請求項1に記載のデバイスモジュール。
【請求項17】
前記ビアの直径が約0.1ミリメートルと約1.5ミリメートルの間にある請求項16に記載のデバイスモジュール。
【請求項18】
前記ビアの直径が約0.5ミリメートルと約1ミリメートルの間にある請求項17に記載のデバイスモジュール。
【請求項19】
前記ビアの側壁に沿った絶縁材の厚みが約1μmと約200μmの間にある請求項17に記載のデバイスモジュール。
【請求項20】
前記ビアの側壁に沿った絶縁材の厚みが約10μmと約100μmの間にある請求項19に記載のデバイスモジュール。
【請求項21】
前記プラグの直径が約5μmと約500μmの間にある請求項20に記載のデバイスモジュール。
【請求項22】
前記プラグの直径が約25μmと約100μmの間にある請求項21に記載のデバイスモジュール。
【請求項23】
隣接するビア間のピッチが約0.2cmと約2cmの間にある請求項16に記載のデバイスモジュール。
【請求項24】
プラグと電気接触した状態で透明導電層上に配置された1または複数の導電トレースをさらに備える請求項16に記載のデバイスモジュール。
【請求項25】
前記1または複数の導電トレースが、互いに隣接している2またはそれより多い電気接点と電気的に接続する請求項24に記載のデバイスモジュール。
【請求項26】
導電トレースが、複数のトレースが1または複数の電気接点から放射状に外側に広がるパタ-ンを形成する請求項25に記載のデバイスモジュール。
【請求項27】
導電トレースが分岐に分かれて「分水界」パタ-ンを形成する請求項26に記載のデバイスモジュール。
【請求項28】
導電トレースが電気接点の各々の周囲にパタ-ンを形成する請求項24に記載のデバイスモジュール。
【請求項29】
1または複数の電気接点が、透明導電層、活性層および下部電極の一部を包囲する閉ループトレンチを備える請求項1に記載のデバイスモジュール。
【請求項30】
1または複数の電気接点が、閉ループトレンチ内に配置された絶縁材をさらに備える請求項29に記載のデバイスモジュール。
【請求項31】
1または複数の電気接点が、第1デバイスモジュールの透明導電層、絶縁層、および下部
電極を貫通して絶縁材まで形成された閉ループトレンチを備え、閉ループトレンチは透明導電層、活性層、および下部電極の一部を分離し、閉ループトレンチにより閉じられた部分が、
閉ループトレンチ内に配置された電気絶縁材料;
分離された部分の透明導電層と分離された部分の下部電極との間の電気接続;
透明導電層の1または複数の部分の上に配置された1または複数の導電性フィンガーと、透明導電層の1または複数の部分は分離部分を有することと;
導電性フィンガーと分離された部分の下部電極との間の電気接点を作成することと;および
分離部分の下部電極とバックプレーンとの間の絶縁層を通る電気接続と;
を備える請求項1に記載のデバイスモジュール。
【請求項32】
透明導電層と活性層を貫通して下部電極まで形成され、前記閉ループトレンチを包囲する分離トレンチをさらに備える請求項31に記載のデバイスモジュール。
【請求項33】
絶縁性キャリア基板をさらに備え、バックプレーンがキャリア基板に取り付けられている請求項1に記載のデバイスモジュール。
【請求項34】
ポリマールーフィング膜材料から形成された構造膜をさらに備え、キャリア基板が構造膜に取り付けられている請求項33に記載のデバイスモジュール。
【請求項35】
ポリマールーフィング膜材料が熱可塑性ポリオレフィン(TPO)またはエチレンプロピレンジエンモノマー(EPDM)である請求項34に記載のデバイスモジュール。
【請求項36】
活性層が光起電性活性層である請求項1に記載のデバイスモジュール。
【請求項37】
光起電性活性層が、IB、IIIAおよびVIA群元素を含む材料に基づく吸収材層、シリコン(ドープまたは非ドープ)、マイクロまたはポリ結晶シリコン(ドープまたは非ドープ)、アモルファスシリコン(ドープまたは非ドープ)、CdTe、CdSe、Graetzelセル構造、有機材料により充填された孔を備えた無機多孔性鋳型を有するナノ構造化層(ドープまたは非ドープ)、ポリマー/混合セル構造、オリゴマー吸収材(ドープまたは非ドープ)、有機染料、C60および/または他の小分子、マイクロ結晶シリコンセル構造、ランダムに配置されたナノロッドおよび/または有機マトリックス中に分散された無機材料のテトラポッド、量子ドットセル、またはそれらの組み合わせの1または複数に基づいている請求項36に記載のデバイスモジュール。
【請求項38】
活性層が発光デバイスの活性層である請求項1に記載のデバイスモジュール。
【請求項39】
発光デバイスの活性層が有機発光ダイオードの活性層である請求項38に記載のデバイスモジュール。
【請求項40】
前記有機発光ダイオードの活性層が発光ポリマー系活性層である請求項39に記載のデバイスモジュール。
【請求項41】
デバイスモジュールの長さが約1cmと約30cmの間で、幅が約1cmと約30cmの間にある請求項1に記載のデバイスモジュール。
【請求項42】
直列に相互接続された光電子デバイスモジュールのアレイであって、
第1デバイスモジュールおよび第2デバイスモジュールと、各デバイスモジュールはa)可撓性バルク導電体より形成された下部電極、b)下部電極と導電性バックプレーンの
間に挟まれた絶縁体層、およびc)導電性バックプレーンを備えたスタート基板を有することと;
活性層が下部電極と透明導電層の間にあるように配置された活性層および透明導電層と;
透明導電層とバックプレーンの間の1または複数の電気接点と、電気接点は透明導電層、活性層、可撓性バルク導電体および絶縁層を貫通して形成されており、電気接点は、活性層、下部電極および絶縁層から電気的に絶縁されていることと;
を備えたアレイ。
【請求項43】
可撓性バルク導電体が第1金属箔である請求項42に記載のアレイ。
【請求項44】
絶縁層が第1金属箔の陽極酸化表面である請求項43に記載のアレイ。
【請求項45】
第1金属箔がアルミニウム箔、ステンレス鋼箔、銅箔、チタン箔またはモリブデン箔である請求項43に記載のアレイ。
【請求項46】
第1金属箔の厚みが約1μmと約200μmの間にある請求項43に記載のアレイ。
【請求項47】
第1金属箔の厚みが約25μmと約50μmの間にある請求項46に記載のアレイ。
【請求項48】
バックプレーンが導電性グリッドである請求項43に記載のアレイ。
【請求項49】
バックプレーンが第2金属箔である請求項43に記載のアレイ。
【請求項50】
絶縁層が第1金属箔および第2金属箔の少なくとも一方の陽極酸化表面である請求項49に記載のアレイ。
【請求項51】
絶縁層が第1金属泊と第2金属箔の間に積層されている請求項49に記載のアレイ。
【請求項52】
絶縁層がプラスチック箔より形成されている請求項43に記載のアレイ。
【請求項53】
プラスチック箔の厚みが約1μmと約200μmの間にある請求項52に記載のアレイ。
【請求項54】
プラスチック箔の厚みが約10μmと約50μmの間にある請求項53に記載のアレイ。
【請求項55】
第2金属箔の厚みが約1μmと約200μmの間にある請求項49に記載のアレイ。
【請求項56】
第2が金属箔の厚みが約25μmと約50μmの間にある請求項46に記載のアレイ。
【請求項57】
前記透明導電層と前記バックプレーンの間の前記1または複数の電気接点が、
第1デバイスモジュールの透明導電層、活性層、可撓性バルク導電体および絶縁層を貫通して形成されたビア;
透明導電層、活性層、可撓性バルク導電体および絶縁層を貫通してバックプレーンまで通路が形成されるようにする、前記ビアの絶縁材被覆側壁;および
前記通路を少なくとも実質的に充填すると共に透明導電層とバックプレーンの間の電気接点を形成する、導電性材料より形成されたプラグ;
を備えた請求項42に記載のアレイ。
【請求項58】
前記ビアの直径が約0.1ミリメートルと約1.5ミリメートルの間にある請求項57に記載のアレイ。
【請求項59】
前記ビアの直径が約0.5ミリメートルと約1ミリメートルの間にある請求項58に記載のアレイ。
【請求項60】
絶縁材の厚みが約1μmと約200μmの間にある請求項58に記載のアレイ。
【請求項61】
絶縁材の厚みが約10μmと約200μmの間にある請求項60に記載のアレイ。
【請求項62】
前記プラグの直径が約5μmと約500μmの間にある請求項57に記載のアレイ。
【請求項63】
前記プラグの直径が約25μmと約100μmの間にある請求項62に記載のアレイ。
【請求項64】
隣接するビア間のピッチが約0.2cmと約2cmの間にある請求項57に記載のアレイ。
【請求項65】
プラグと電気接触した状態で透明導電層上に配置された1または複数の導電トレースをさらに備える請求項57に記載のアレイ。
【請求項66】
前記1または複数の導電トレースが、互いに隣接している2またはそれより多い電気接点と電気的に接続する請求項57に記載のアレイ。
【請求項67】
導電トレースが、複数のトレースが1または複数の電気接点から放射状に外側に広がるパタ-ンを形成する請求項66に記載のアレイ。
【請求項68】
導電トレースが分岐に分かれて「分水界」パタ-ンを形成する請求項67に記載のアレイ。
【請求項69】
第1デバイスモジュールのバックプレーンが第2デバイスモジュールの下部電極に電気接続される請求項42に記載のアレイ。
【請求項70】
第2デバイスモジュールのバックプレーンの一部が、第2デバイスモジュールの絶縁層の一部を露出するよう切除され、絶縁層の露出部分は、第2デバイスモジュールの下部電極の一部を露出するように少なくとも部分的に露出され、アレイはさらに、第1デバイスモジュールのバックプレーンと第2デバイスモジュールの下部電極の露出部分との間の電気接点を備える請求項69に記載のアレイ。
【請求項71】
前記第1デバイスモジュールのバックプレーンと第2デバイスモジュールの下部電極の露出部分との間の電気接点が、第1デバイスモジュールの背面上部電極に近接してキャリア基板の一部の上に配置された導電性接着剤の層を含み、第1デバイスモジュールは、第1デバイスモジュールのバックプレーンが導電性接着剤と電気接触しつつ導電性接着剤の露出部分とは離れているようにキャリア基板に取り付けられ、第2デバイスモジュールの下部電極の露出部分は導電性接着剤の露出部分と電気接触する請求項70に記載のアレイ。
【請求項72】
絶縁性キャリア基板をさらに備え、第1および第2デバイスモジュールがキャリア基板に取り付けられている請求項42に記載のアレイ。
【請求項73】
ポリマールーフィング膜材料から形成された構造膜をさらに備え、キャリア基板が構造膜に取り付けられている請求項70に記載のアレイ。
【請求項74】
、光電子デバイスモジュールを製造する方法であって、
可撓性バルク導電体より形成された下部電極と、下部電極と導電性バックプレーンの間に挟まれた絶縁体層と、導電性バックプレーンと、を備えたスタート基板を形成する工程と;
活性層が下部電極と透明導電層の間にあるように、活性層と透明導電層とを形成する工程と;
透明導電層、活性層、可撓性バルク導電体および絶縁層を貫通して、透明導電層とバックプレーンとの間に1または複数の電気接点を形成する工程と;
活性層、下部電極および絶縁層から電気接点を電気的に絶縁する工程と;
からなる方法。
【請求項75】
スタート基板を形成する工程が、第1金属箔と第2金属箔の間にプラスチック箔を積層することを含む請求項74に記載の方法。
【請求項76】
第1金属箔および第2金属箔の少なくとも1つがアルミニウム箔である請求項75に記載の方法。
【請求項77】
2またはそれより多いデバイスモジュールが請求項54に記載されているように形成される請求項74に記載の方法。
【請求項78】
1または複数の性能特性に関して2またはそれより多いデバイスモジュールをテストする工程と、同1または複数の性能特性についての許容基準を満たす1または複数のデバイスモジュールを2またはそれより多いデバイスモジュールのアレイに使用する工程とをさらに含む請求項77に記載の方法。
【請求項79】
直列に相互接続された光電子デバイスモジュールのアレイの製造方法であって、各デバイスモジュールは下部電極と透明導電層の間に配置された活性層を備え、前記方法は、
第1デバイスモジュールの下部電極と第1デバイスモジュールの背面上部電極との間に絶縁層を配置する工程と;
第1デバイスモジュールの透明導電層、活性層、下部電極および絶縁層を貫通して、透明導電層と背面上部電極との間に電気接点を形成する1または複数の電気接点を形成する工程と;
絶縁層の一部を露出するために第2デバイスモジュールの背面上部電極の一部を切除する工程と;
第2デバイスモジュールの下部電極の一部を露出するために第2デバイスモジュールの絶縁層の一部を少なくとも部分的に切除する工程と;
絶縁キャリア基板に第1および第2デバイスモジュールを取り付ける工程と;および
第1デバイスモジュールの背面上部電極と、第2デバイスモジュールの下部電極の露出部分との間の電気接触を行なう工程と;
からなる方法。
【請求項80】
第1デバイスモジュールの背面上部電極と、第2デバイスモジュールの下部電極の露出部分との間の電気接触を行なう工程が、
絶縁性キャリア基板の一部の上に導電性接着剤の層を配置する工程と;
背面上部電極が導電性接着剤と電気接触しつつ導電性接着剤の露出部分とは離れているように第1デバイスモジュールがキャリア基板に取り付けられる工程と・
導電性接着剤の露出部分と第2デバイスモジュールの下部電極の露出部分とを電気接触する工程と、からなる請求項79に記載の方法。
【請求項81】
前記導電性接着剤の露出部分と第2デバイスモジュールの下部電極の露出部分とを電気接触する工程は、第2のデバイスモジュールの下部電極の露出部分と整列する位置で導電性
接着剤の層の上に導電性接着剤のバンプを配置することからなり、前記バンプは、前記第2のデバイスモジュールがキャリア基板に取り付けられた場合に下部電極の露出部分と接触するのに十分な長さがある請求項80に記載の方法。
【請求項82】
第2デバイスモジュールの背面上部電極の一部を切除する工程は、第2デバイスモジュールの第2デバイスモジュールの背面上部電極のエッジに1または複数の切欠を形成することを含む請求項79に記載の方法。
【請求項83】
第2デバイスモジュールの絶縁層の一部を少なくとも部分的に切除する工程は、背面上部電極のエッジに近接して絶縁層のエッジに1または複数の切欠を形成することを含む請求項82に記載の方法。
【請求項84】
絶縁層の切欠と背面上部電極の切欠とが、少なくとも部分的に重なっている請求項83に記載の方法。
【請求項85】
背面上部電極の切欠が絶縁層の切欠よりも大きい請求項84に記載の方法。
【請求項86】
第2デバイスモジュールの絶縁層の一部を切除する工程が、絶縁層を第2デバイスモジュールの残りの部分よりも短くし、下部電極の部分が絶縁層のエッジを超えて突出するようにすることを含む請求項79に記載の方法。
【請求項87】
背面上部電極の一部を切除する工程が、背面上部電極を絶縁層より短くし、絶縁層の部分が背面上部電極のエッジを超えて突出するようにすることを含む請求項86に記載の方法。
【請求項88】
第1および第2光電子デバイスモジュールが光起電性デバイスモジュールである請求項79に記載の方法。
【請求項89】
前記1または複数の電気接点を活性層、下部電極および絶縁層から電気的に絶縁する工程をさらに含む請求項79に記載の方法。
【請求項90】
第1デバイスモジュールの下部電極と背面上部電極との間に絶縁層を配置する工程は、背面上部電極に絶縁層を積層して積層物を形成することと、同積層物を第1デバイスモジュールの下部電極と背面上部電極との間の絶縁層へ取り付けることとを含む請求項79に記載の方法。
【請求項91】
絶縁層を切除し、背面上部電極層を切除する工程は、背面上部電極に絶縁層を積層する前に起こる請求項90に記載の方法。
【請求項92】
前記背面上部電極に絶縁層を積層して積層物を形成することは、積層物を背面上部電極に積層した後で積層物を所望の長さに切断することを含む請求項91に記載の方法。
【請求項93】
前記背面上部電極に絶縁層を積層して積層物を形成することは、積層物を背面上部電極に積層する前に絶縁層および背面上部電極を所望の長さに切断することを含む請求項91に記載の方法。
【請求項94】
前記1または複数の電気接点を形成する工程は、背面上部電極と下部電極との間の短絡接続を回避することを含む請求項79に記載の方法。
【請求項95】
前記短絡接続を回避することが、ビアのリップ付近で少量の材料をレーザ切除することに
よる機械的切断技術を補足することを含む請求項94に記載の方法。
【請求項96】
前記短絡接続を回避することが、ビアのリップ付近で少量の材料を化学エッチングすることによる機械的切断技術を補足することを含む請求項94に記載の方法。
【請求項97】
前記短絡接続を回避することが、透明導電層を形成する前にビアが形成される予定の領域に近接して活性層の上に絶縁材の薄層を堆積させることを含む請求項94に記載の方法。
【請求項98】
前記薄い絶縁層の厚みが約1μmから約100μmまでの範囲である請求項97に記載の方法。
【請求項99】
前記1または複数の電気接点を形成する工程が、
第1デバイスモジュールの活性層、透明導電層および絶縁層を貫通して1または複数のビアを形成することと;
絶縁材を貫通して第1デバイスモジュールの背面上部電極まで通路が形成されるように、絶縁材料でビアの側壁をコーティングすることと;
第1デバイスモジュールの透明導電層と背面上部電極との間の電気接点を構成するプラグを形成するために、導電材料で前記通路を少なくとも部分的に充填することと;
を含む請求項80に記載の方法。
【請求項100】
前記ビアを形成することが、絶縁層と活性層の間に下部電極が配置された複合体を形成し、ビアが形成された後であってかつビアが充填される前に同複合体を背面上部基板に積層することとを含む請求項99に記載の方法。1
【請求項101】
第1デバイスモジュールの下部電極と第1デバイスモジュールの背面上部電極との間に絶縁層を配置する工程は、電気絶縁接着剤を使用して下部電極にアルミニウムテープを積層することを含み、それによってアルミニウムテープは背面上部電極として機能すると共に絶縁接着剤は絶縁層として機能する請求項80に記載の方法。
【請求項102】
前記1または複数の電気的に絶縁された電気接点を形成する工程が、
第1デバイスモジュールの透明導電層、活性層および下部電極を貫通して、絶縁層まで閉ループトレンチを形成し、それにより閉ループトレンチにより閉じられた透明導電層、活性層および下部電極絶縁層の分離部分を形成する工程と;
閉ループトレンチに電気絶縁材を配置する工程と;
分離部分の下部電極に分離部分の透明導電層を電気接続する工程と;
前記分離部分を含む1または複数の透明導電層の部分の上に導電性フィンガーを形成する工程と;
導電性フィンガーと分離部分の下部電極との間で電気接点を形成する工程と;
分離部分の下部電極と背面上部電極層との間の絶縁層を通って電気接続を形成する工程と;
を含む請求項80に記載の方法。
【請求項103】
第1デバイスモジュールの下部電極と第1デバイスモジュールの背面上部電極との間に絶縁層を配置する工程は、電気絶縁接着剤を使用して下部電極にアルミニウムテープを積層することを含み、それによってアルミニウムテープは背面上部電極として機能すると共に絶縁接着剤は絶縁層として機能する請求項102に記載の方法。
【請求項104】
閉ループトレンチを包囲する分離トレンチを形成するために、透明導電層および活性層を貫通して下部電極までスクライブする工程をさらに含む請求項102に記載の方法。
【請求項105】
分離部分の下部電極と背面上部電極層との間の絶縁層を通って電気接続を形成する工程が、閉ループトレンチを形成する前に起こる請求項102に記載の方法。
【請求項106】
分離部分の下部電極と背面上部電極層との間の絶縁層を通って電気接続を形成する工程が、閉ループトレンチを形成した後に起こる請求項102に記載の方法。
【請求項107】
前記閉ループトレンチを形成し、電気接続を形成する工程が、第1レーザ光線を第2レーザ光線に関して整列すること;第1レーザ光線で閉ループトレンチを形成すること;および分離部分の下部電極と背面上部電極との間の絶縁層を通って第2レーザ光線により接合点を形成すること;を含む請求項102に記載の方法。
【請求項108】
分離部分の透明導電層を分離部分の下部電極に電気接続することが、閉ループトレンチの形成の間に、分離部分の透明導電層と分離部分の下部電極の間に短絡回路を形成することを含む請求項102に記載の方法。
【請求項109】
分離部分の透明導電層を分離部分の下部電極に電気接続することが、導電性フィンガーを形成する前に分離部分の透明導電層を貫通する開口部を形成することを含む請求項102に記載の方法。
【請求項110】
直列に相互接続された光電子デバイスモジュールのアレイであって、
絶縁性キャリア基板と;
キャリア基板に取り付けられた第1デバイスモジュールおよび第2デバイスモジュールと、各デバイスモジュールは、下部電極と透明導電層の間に配置された活性層と、下部電極と背面上部電極の間に配置された絶縁層とを備えていることと;
透明導電層と背面上部電極の間の1または複数の電気接点と、電気接点は、透明導電層、活性層、下部電極および絶縁層を貫通して形成され、電気接点は活性層、下部電極および絶縁層から電気的に絶縁されることと;
第2デバイスモジュールの背面上部電極は第2デバイスモジュールの絶縁層の一部を露出させるために切除されることと;
絶縁層の露出部分は第2デバイスモジュールの下部電極の一部を露出させるために部分的に切除されることと;
第1デバイスモジュールの背面上部電極と第2デバイスモジュールの下部電極の露出部分との間の電気接点と、
を備えたアレイ。
【請求項111】
第1デバイスモジュールおよび第2デバイスモジュールの少なくとも一方の活性層は光起電性活性層である請求項110に記載のアレイ。
【請求項112】
第1デバイスモジュールの背面上部電極と第2デバイスモジュールの下部電極の露出部分との間の電気接点が、第1デバイスモジュールの背面上部電極に近接してキャリア基板の一部の上に配置された導電性接着剤層を含み、第1デバイスモジュールは、第1デバイスモジュールのバックプレーンが導電性接着剤と電気接触しつつ導電性接着剤の露出部分とは離れているようにキャリア基板に取り付けられ、第2デバイスモジュールの下部電極の露出部分は導電性接着剤の露出部分と電気接触する請求項110に記載のアレイ。
【請求項113】
光起電性活性層が、IB、IIIAおよびVIA群元素を含む材料に基づく吸収材層、シリコン(ドープまたは非ドープ)、マイクロまたはポリ結晶シリコン(ドープまたは非ドープ)、アモルファスシリコン(ドープまたは非ドープ)、CdTe、CdSe、Graetzelセル構造、有機材料により充填された孔を備えた無機多孔性鋳型を有するナノ構造化層(ドープまたは非ドープ)、ポリマー/混合セル構造、オリゴマー吸収材(ドー
プまたは非ドープ)、有機染料、C60および/または他の小分子、マイクロ結晶シリコンセル構造、ランダムに配置されたナノロッドおよび/または有機マトリックス中に分散された無機材料のテトラポッド、量子ドットに基づくセル、またはそれらの組み合わせの1または複数に基づいている請求項112に記載のアレイ。
【請求項114】
前記1または複数の電気接点が、
第1デバイスモジュールの活性層、透明導電層および絶縁層を貫通して形成されたビア;
絶縁材を貫通して第1デバイスモジュールの背面上部電極まで通路が形成されるようにビアの側壁をコーティングする絶縁材;および
前記通路を部分的に充填すると共に、第1デバイスモジュールの透明導電層と背面上部電極との間に電気接点を形成する、導電性材料より形成されたプラグ;
を備えた請求項110に記載のアレイ。
【請求項115】
プラグと電気接触した状態で透明導電層上に配置された1または複数の導電トレースをさらに備える請求項114に記載のアレイ。
【請求項116】
前記1または複数の導電トレースが、互いに隣接している2またはそれより多い電気接点と電気的に接続する請求項114に記載のアレイ。
【請求項117】
1または複数の電気接点が、透明導電層、活性層および下部電極の一部を包囲する閉ループトレンチを備える請求項110に記載のアレイ。
【請求項118】
1または複数の電気接点が絶縁材をさらに備える請求項117に記載のアレイ。
【請求項119】
1または複数の電気接点が、第1デバイスモジュールの透明導電層、絶縁層、および下部電極を貫通して絶縁材まで形成された閉ループトレンチを備え、閉ループトレンチは透明導電層、活性層、および下部電極の一部を分離し、閉ループトレンチにより閉じられた部分が、
閉ループトレンチ内に配置された電気絶縁材料と;
分離部分の透明導電層と分離部分の下部電極との間の電気接続と;
透明導電層の1または複数の部分の上に配置された1または複数の導電性フィンガーと、透明導電層の1または複数の部分は分離部分を有することと;
導電性フィンガーと分離部分の下部電極との間の電気接点を作成することと;および
分離部分の下部電極と背面上部電極層との間の絶縁層を通る電気接続と;
を備える請求項110に記載のアレイ。
【請求項120】
透明導電層と活性層を貫通して下部電極まで形成され、前記閉ループトレンチを包囲する分離トレンチをさらに備える請求項119に記載のアレイ。
【請求項121】
ポリマールーフィング膜材料から形成された構造膜をさらに備え、キャリア基板が構造膜に取り付けられている請求項110に記載のアレイ。
【請求項122】
ポリマールーフィング膜材料が熱可塑性ポリオレフィン(TPO)またはエチレンプロピレンジエンモノマー(EPDM)である請求項121に記載のアレイ。
【請求項123】
第1および第2光電子デバイスが発光デバイスである請求項110に記載のアレイ。
【請求項124】
発光デバイスが有機発光ダイオードである請求項123に記載のアレイ。
【請求項125】
有機発光ダイオードが発光ポリマー系装置である請求項124に記載のアレイ。
【請求項126】
光電子デバイスモジュールであって、
下部電極と、下部電極と導電性バックプレーンの間に挟まれた絶縁体層と、導電性バックプレーンとを備えたスタート基板と;
活性層が下部電極と透明導電層の間にあるように配置された活性層および透明導電層と;
透明導電層とバックプレーンの間の1または複数の電気接点と、電気接点は透明導電層、活性層および絶縁層を貫通して形成されており、電気接点は、活性層、下部電極および絶縁層から電気的に絶縁されていることと;
を備えた光電子デバイスモジュール。

WHAT IS CLAIMED IS:

1. An optoelectronic device module, comprising: a starting substrate having a bottom electrode made of a flexible bulk conductor, an insulator layer and a conductive back plane, wherein the insulator layer is sandwiched between the bottom electrode and the back plane; an active layer and a transparent conducting layer disposed such that the active layer is between (.he bottom electrode and the transparent conducting layer; one or more electrical contacts between the transparent conducting layer and the back plane, the electrical contracts being formed through the transparent conducting layer, the active layer, the flexible bulk conductor and the insulating layer, wherein the electrical contacts are electrically isolated from the active layer, the bottom electrode and the insulating layer.

2. The device module of claim 1 wherein the flexible bulk conductor is a first metal foil.

3. The device module of claim 2 wherein the first metal foil is an aluminum foil.

4. The device module of claim 2 wherein the first metal foil is between about 1 micron thick and about 200 microns thick.

5. The device module of claim 4 wherein the first metal foil is between about 25 microns thick and about 50 microns thick.

6. The device module of claim 2 wherein the back plane is a conductive grid.

7. The device module of claim 2 wherein the insulating layer is an anodized surface of the first metal foil.

8. The device module of claim 2 wherein the back plane is a second metal foil.

9. The device module of claim 8 wherein the insulating layer is laminated between the first and second metal foils.

10. The device module of claim 8 wherein the insulating layer is made of plastic foil.

11. The device module of claim 10 wherein the plastic foil is between about 1 micron thick and about 200 microns thick.

12, The device module of claim 11 wherein the plastic foil is between about 10 microns thick and about 50 microns thick.

13. The device module of claim 8 wherein the second metal foil is between about 1 micron thick and about 200 microns thick.

14. The device module of claim 13 wherein the second metal foil is between about 25 microns thick and about 50 microns thick.

15. The device of claim 8 wherein the insulating layer is an anodized surface of the first and or second metal foil.

16. The device module of claim 1 wherein the one or more electrical contacts between the transpaient conducting layer and the back plane include: a via formed through the transparent conducting layer, the active layer, the flexible bulk conductor and the insulating layer of the first device module; an insulating material coating sidewalls of the via such that a channel is formed through the transparent conducting layer, the active layer, the flexible bulk conductor and the insulating layer to the back plane; a plug made of an electrically conductive material that at least substantially fills the channel and makes electrical contact between the transparent conducting layer and the back plane.

17. The device module of claim 16 wherein the via is between about 0.1 millimeters in diameter and about 1.5 millimeters in diameter.

18. The device of claim 17 wherein the via is between about 0.5 millimeters in diameter and about 1 millimeter in diameter.

19. The device module of claim 17 wherein the insulating material is between about 1 micron thick and about 200 microns thick along the via sidewall.

20. The device module of claim 19 wherein the insulating material is between about 10 microns thick and about 100 microns thick along the via sidewall.

21. The device module of claim 20 wherein the plug is between about 5 microns in diameter and about 500 microns in diameter.

22. The device module of claim 21 wherein the plug is between about 25 microns in diameter and about 100 microns in diameter.

23. The device module of claim 16 wherein a pitch between adjacent vias is between about 0.2 centimeters and about 2 centimeters.

24. The device module of claim 16 further comprising one or more conductive traces disposed on the transparent conducting layer in electrical contact with the plug.

25. The device module of claim 24 wherein the one or more conductive traces electrically connect two or more of the electrical contacts that are adjacent to each other.

26. The device module of claim 25 wherein the conductive traces form a pattern in which traces radiate outward from one or more of the electrical contacts.

27. The device module of claim 26 wherein the conductive traces branch out to form a "watershed" pattern.

28. The device module of claim 24 wherein the conductive traces form a pattern around each of the electrical contacts.

29. The device module of claim 1 wherein the one or more of the electrical contacts includes a closed-loop trench that surrounds a portion of the transparent conducting layer, active layer, and a bottom electrode.

30. The device module of claim 29 wherein one or more of the electrical contacts further includes an insulating material disposed in the closed-loop trench.

31. The device module of claim 1 wherein one or more of the electrical contacts includes a closed loop trench formed though the transparent conducting layer, active layer and bottom electrode of the first device module to the insulating layer, the trench isolating a portion of the transparent conducting layer, active layer and bottom electrode, the isolated portion bounded by the trench; an electrically insulating material disposed in the closed loop trench; an electrical connection between the transparent conducting layer of the isolated portion and the bottom electrode of the isolated portion; one or more conductive fingers disposed over one or more portions of the transparent conducting layer, wherein the one or more portions include the isolated portion; and making electrical contact between the conductive fingers and the bottom electrode of the isolated portion; and an electrical connection through the insulating layer between the bottom electrode of the isolated portion and the back plane.

32. The device module of claim 313 further comprising an isolation trench formed through the transpaient conducting layer and the active layer to the bottom electrode, wherein the isolation trench surrounds the closed-loop trench.

33. The device module of claim 1, further comprising an insulating carrier substrate, wherein the backplane is attached to the carrier substrate.

34. The device module of claim 33, further comprising a structural membrane made of a polymeric roofing membrane material, wherein the carrier substrate is attached to the structural membrane.

35. The device of claim 34 wherein the polymeric roofing membrane material is thermoplastic polyolefm (TPO) or ethylene propylene diene monomer (EPDM),

36. The device module of claim 1 wherein the active layer is a photovoltaic active layer.

37. The device module of claim 36 wherein the photovoltaic active layer is based on one or more of the following: an absorber layer based on materials containing elements of groups IB, IIIA and VIA, silicon (doped or undoped), micro- or poly-crystalline silicon (doped or undoped), amorphous silicon (doped or undoped), CdTe, CdSe, Graetzel cell architecture, a nanostructured layer having an inorganic porous template with pores filled by an organic material (doped or undoped), a polymer/blend cell architecture, oligimeric absorbers, organic dyes, Cgo and/or other small molecules, micro-crystalline silicon cell architecture, randomly placed nanorods and/or tetrapods of inorganic materials dispersed in an organic matrix, quantum dot-based cells, or combinations of the above.

38. The device module of claim 1 wherein the active layer is a light emitting device active layer.

39. The device module of claim 38 wherein the light emitting device active layer is an oiganic light emitting diode active layer.

40. The device module of claim 39 wherein the organic light emitting diode active layer is a light-emitting polymer based active layer.

41. The device module of claim 1 wherein the device module is between about 1 centimeter and about 30 centimeters in length and between about 1 centimeter and about 30 centimeters in width.

42. An array of series interconnected optoelectronic device modules, comprising: a first device module and a second device module, wherein each device module includes a starting substrate having a) a bottom electrode made of a flexible bulk conductor, b) an insulator layer and c) a conductive back plane, wherein the insulator layer is sandwiched between the bottom electrode and the back plane; an active layer and a transparent conducting layer disposed such that the active layer is between the bottom electrode and the transparent conducting layer; one or more electrical contacts between the transparent conducting layer and the back plane, the electrical contacts being formed through the transparent conducting layer, the active layer, the flexible bulk conductor and the insulating layer, wherein the electrical contacts are electrically isolated from the active layer, the bottom electrode and the insulating layer.

43. The array of claim 42 wherein the flexible bulk conductor is a first metal foil.

44. The array of claim 43 wherein the insulating layer is an anodized surface of the first metal foil.

45. The array of claim 43 wherein the first metal foil is an aluminum foil, a stainless steel foil, a copper foil a titanium foil or a molybdenum foil.

46. The array of claim 43 wherein the first metal foil is between about 1 micron thick and about 200 microns thick.

47. The array of claim 46 wherein the first metal foil is between about 25 microns thick and about 50 microns thick.

48. The array of claim 43 wherein the back plane is a conductive grid.

49. The array of claim 43 wherein the back plane is a second metal foil.

50. The array of claim 49 wherein the insulating layer is an anodized surface of the first and/or second metal foil.

51. The array of claim 49 wherein the insulating layer is laminated between the first and second metal foils.

52. The array of claim 43 wherein the insulating layer is made of plastic foil.

53. The array of claim 52 wherein the plastic foil is between about 1 micron thick and about 200 microns thick.

54. The array of claim 53 wherein the plastic foil is between about 10 microns thick and about 50 microns thick.

55. The array of claim 49 wherein the second metal foil is between about 1 micron thick and about 200 microns thick.

56. The array of claim 46 wherein the second metal foil is between about 25 microns thick and about 50 microns thick.

57. The array of claim 42 wherein the one or more electrical contacts between the transparent conducting layer and the back plane include: a via formed through the transparent conducting layer, the active layer, the flexible bulk conductor and the insulating Ia3'er of the first device module; an insulating material coating sidewalls of the via such that a channel is formed through the transparent conducting layer to the back plane; a plug made of an electrically conductive material that at least substantially fills the channel and makes electrical contact between the transparent conducting layer and the back plane.

58. The array of claim 57 wherein the via is between about 0.1 millimeters in diameter and about 1.5 millimeters in diameter.

59. The array of claim 58 wherein the via is between about 0.5 millimeters in diameter and about 1 millimeter in diameter.

60. The device module of claim 58 wherein the insulating material is between about 1 micron thick and about 200 microns thick.

61. The device module of claim 60 wherein the insulating material is between about 10 microns thick and about 200 microns thick,

62. The device module of claim 57 wherein the plug is between about 5 microns in diameter and about 500 microns in diameter.

63. The device module of the claim 62 wherein the plug is between about 25 microns in diameter and about 100 microns in diameter.

64. The array of claim 57 wherein a pitch between adjacent vias is between about 0.2 centimeters and about 2 centimeters.

65. The array of claim 57 further comprising one or more conductive traces disposed on the tianspaient conducting layer in electrical contact with the plug.

66. The array of claim 57 wherein the one or more conductive traces electrically connect two oi more of the electrical contacts that are adjacent to each other.

67. The array of claim 66 wherein the conductive traces form a pattern in which traces radiate outwaid from one or more of the electrical contacts.

68. The array of claim 67 wherein the conductive traces branch out to form a "watershed" pattern.

69. The array of claim 42 wherein the back plane of the first device module is electrically connected to the bottom electrode of the second device module.

70. The array of claim 69 wherein a portion of the back plane of the second device module has been cut back to expose a portion of the insulating layer of the second device module; wherein the exposed portion of the insulating layer has been at least partially cut back to expose a portion of the<bottom electrode of the second device module, wherein the array further comprises an electrical contact between the backplane of the first device module and the exposed portion of the bottom electrode of the second device module.

71. The array of claim 70 wherein the electrical contact between the back plane of the first device module and the exposed portion of the bottom electrode of the second device module includes a layer of conductive adhesive disposed over a portion of a carrier substrate proximate to "the backside top electrode of the fitst device module, wherein the first device module is attached to the carrier substrate such that the back plane of the first device module makes electrical contact with the conductive adhesive while leaving an exposed portion of the conductive adhesive, wherein the exposed portion of the bottom electrode of the second device module makes electrical contact with the exposed portion of the conductive adhesive.

72. The array of claim 42, further comprising an insulating carrier substrate, wherein the first and second device modules are attached to the carrier substrate.

73. The device module of claim 70 further comprising a structural membrane made of a polymeric roofing membrane material, wherein the carrier substrate is attached to the structural membrane.

74. A method for fabricating an optoelectronic device module, comprising the steps of: forming a starting substrate having a bottom electrode made of a flexible bulk conductor, an insulator layer and a conductive back plane, wherein the insulator layer is sandwiched between the bottom electrode and the back plane; forming an active layer and a transparent conducting layer such that the active layer is between the bottom electrode and the transparent conducting layer; foπning one or more electrical contacts between the transparent conducting layer and the back plane through the transparent conducting layer, the active layer, the flexible bulk conductor and the insulating layer, and electrically isolating the electrical contacts from the active layer, the bottom electrode and the insulating layer.

75. The method of claim 74 wherein forming a starting substrate includes laminating a plastic foil between first and second metal foils.

76. The method of claim 75 wherein at least one of the first and second metal foils is an aluminum foil.

77. The method of claim 74, wherein two or more device modules are formed as set forth in claim 54.

78. The method of claim 77, further comprising the step of testing the two or more device modules for one or more performance characteristics and using one or more of the device

modules that meet acceptance criteria for the one or more performance characteristics in an array of two or more device modules.

79. A method for fabricating an array of series interconnected optoelectronic device modules, wherein each device module includes an active layer disposed between a bottom electrode and a transparent conducting layer, the steps comprising: disposing an insulating layer between the bottom electrode of a first device module and a backside top electrode of the first device module, forming one or more electrical contacts through the transparent conducting layer, active layer, bottom electrode and insulating layer of the first device module that make electrical contact between the transparent conducting layer and the backside top electrode; cutting back a portion of the backside top electrode of a second device module to expose a portion of the insulating layer; at least partially cutting back a portion of the insulating layer of the second device module to expose a portion of the bottom electrode of the second device module; attaching the first and second device modules to an insulating earner substrate; and making electrical contact between the backside top electrode of the first device module and the exposed portion of the bottom electrode of the second device module.

80. The method of claim 79 wherein making electrical contact between the backside top electrode of the first device module and the exposed portion of the bottom electrode of the second device module includes disposing a layer of conductive adhesive over a portion of an insulating carrier substrate; attaching the first device module to the carrier substrate such that the backside top electrode makes electrical contact with the conductive adhesive while leaving an exposed portion of the conductive adhesive; and making electrical contact between the exposed portion of the conductive adhesive and the exposed portion of the bottom electrode of the second device module.

81. The method of claim 80 wherein making electrical contact between the exposed portion of the conductive adhesive and the exposed portion of the bottom electrode includes placing a bump of conductive adhesive on the layer of conductive adhesive at a location aligned with the exposed portion of the bottom electrode of the second device module, wherein the bump is sufficiently tall as to make contact with the exposed portion of the bottom electrode when the second device module is attached to the carrier substrate.

82. The method of claim 79 wherein cutting back a portion of the backside top electrode of the second device module includes forming one or more notches in an edge of the backside top electrode of the second device module.

83. The method of claim 82 wherein at least partially cutting back the portion of the insulating layer of the second device module includes forming one or more notches in an edge of the insulating layer proximate the edge of the backside top electrode.

84. The method of claim 83 wherein the notches in the insulating layer and backside top electrode at least partially overlap.

85. The method of claim 84 wherein the notches in the backside top electrode are larger than the notches in the insulating layer.

86. The method of claim 79 wherein cutting back a portion of the insulating layer of the second device module includes making the insulating layer shorter than the rest of the second device module such that part of the bottom electrode projects beyond an edge of the insulating layer.

87. The method of claim 86 wherein cutting back a portion of the backside top electrode includes making the backside top electrode shorter than the insulating layer such that part of the insulating layer projects beyond an edge of the backside top electrode.

88. The method of claim 79 wherein the first and second optoelectronic device modules are photovoltaic device modules.

89. The method of claim 79 further comprising electrically isolating the one or more electrical contacts from the active layer, the bottom electrode and the insulating layer.

90. The method of claim 79 wherein disposing an insulating layer between the bottom electrode and a backside top electrode of the first device module includes laminating the insulating layer to the backside top electrode to form a laminate and attaching the laminate to the first device module with the insulating layer between the bottom electrode and the backside top electrode.

91. The method of claim 90 wherein cutting back the insulating layer and cutting back the backside top electrode layer takes place before laminating the insulating layer to the backside top electrode.

92. The method of claim 91 wherein laminating the insulating layer to the backside top electrode to form a laminate includes cutting the laminate to a desired length after laminating the insulating layer to the backside top electrode.

93. The method of claim 91 wherein laminating the insulating layer to the backside top electrode to form a laminate includes cutting the insulating material and backside top electrode to desired lengths before laminating the insulating layer to the backside top electrode.

94. The method of claim 79 wherein forming the one or more electrical contacts includes avoiding shorting connections between the backside top electrode and the bottom electrode.

95. The method of claim 94 wherein avoiding shorting connections includes supplementing mechanical cutting techniques with laser ablative removal of a small volume of material near a lip of the via.

96. The method of claim 94 wherein avoiding shorting connections includes supplementing mechanical cutting techniques with chemical etch removal of a small volume of material 97. The method of claim 94 wherein avoiding shorting connections includes depositing a thin layer of insulating material on top of the active layer proximate an area where a via is to be formed prior to forming the transparent conducting layer.

98. The method of claim 97 wherein the thin insulating layer is in the range of about 1 micron to about 100 microns thick.

99. The method of claim 80 wherein forming the one or more electrical contacts includes forming one or more vias through the active layer, transparent conducting layer and insulating layer of the first device module; coating sidewalls of the vias with an insulating material such that a channel is formed through the insulating material to the backside top electrode of the first device module; at least partially filling the channel with an electrically conductive material to form a plug that makes electrical contact between the transparent conducting layer and the backside top eleciiode of the first device module.

100. The method of claim 99 wherein forming the vias includes forming a composite having the bottom electrode disposed between the insulating layer and the active layer and laminating the composite to the backside top electrode after the vias have been formed but before the vias are filled,

101. The method of claim 80 wherein disposing an insulating layer between the bottom electrode of a first devipe module and a backside top electrode of the first device module, includes laminating an aluminum tape to the bottom electrode using an electrically insulating adhesive, whereby the aluminum tape serves as the backside top electrode and the insulating adhesive serves as the insulating layer.

102. The method of claim 80 wherein forming the one or more electrically isolated electrical contacts includes the steps of: forming a closed-loop trench though the transparent conducting layer, active layer and bottom electrode of the first device module to the insulating layer thereby forming an isolated portion of the transparent conducting layer, active layer and bottom electrode, the isolated portion being bounded by the trench; disposing an electrically insulating material in the closed loop trench; electrically connecting the transparent conducting layer of the isolated portion to the bottom electrode of the isolated portion; forming conductive fingers over one or more portions of the transparent conducting layer, wherein the one or more portions include the isolated portion; and making electrical contact between the conductive fingers and the bottom electrode of the isolated portion; forming an electrical connection through the insulating layer between the bottom electrode of the isolated portion and the backside top electrode layer.

103. The method of claim 102 wherein disposing an insulating layer between the bottom electrode of a first device module and a backside top electrode of the first device module, includes laminating an aluminum tape to the bottom electrode using an electrically insulating adhesive, whereby the aluminum tape serves as the backside top electrode and the insulating adhesive serves as the insulating layer.

104. The method of claim 102 further comprising scribing through the transparent conducting layer and the active layer to the bottom electrode to form an isolation trench that surrounds the closed loop trench.

105. The method of claim 102 wherein forming the electrical connection through the insulating layer between the bottom electrode of the isolated portion and the backside top electrode layer takes place before forming the closed-loop trench.

106. The method of claim 102 wherein forming the electrical connection through the insulating layer between the bottom electrode of the isolated portion and the backside top electrode layer takes place after forming the closed-loop trench.

107. The method of claim 102 wherein forming the closed-loop Lrench and forming the electrical connection includes aligning a first laser beam with respect to a second laser beam; forming the closed-loop trench with the first laser beam; and forming a weld through the insulating layer between the bottom electrode of the isolated poition and the backside top electrode with the second laser beam.

108. The method of claim 102 wherein electrically connecting the transparent conducting layer of the isolated portion to the bottom electrode of the isolated portion includes forming a short circuit between the transparent conducting layer of the isolated portion and the bottom electrode of the isolated portion during the forming of the closed-loop trench.

109. The method of claim 102 wherein electrically connecting the transparent conducting layer of the isolated portion to the bottom electrode of the isolated portion includes making a opening through the transparent conductive layer and active layer of the isolated portion before forming the conductive fingers.

110 An array of series interconnected optoelectronic device modules, comprising: an insulating carrier substrate; a first device module and a second device module attached to the earner substrate, wherein each device module includes an active layer disposed between a bottom electrode and a transparent conducting layer and an insulating layer disposed between the bottom electrode and a backside top electrode; one or more electrical contacts between the transparent conducting layer and the backside top electrode, the electrical contracts being formed through the transparent conducting layer, the active layer, the bottom electrode and the insulating layer, wherein the electrical contacts are electrically isolated from the active layer, the bottom electrode and the insulating layer; and wherein a portion of the backside top electrode of the second device module has been cut back to expose a portion of the insulating layer of the second device module; wherein the exposed portion of the insulating layer has been at least partially cut back to expose a portion of the bottom electrode of the second device module; and an electrical contact between the backside lop electrode of the first device module and the exposed portion of the bottom electrode of the second device module.

111. The array of claim 110, wherein the active layer of the first and/or second device module is a photovoltaic active layer.

112. The device of claim 110 wherein the electrical contact between the backside top electrode of the first device module and the exposed portion of the bottom electrode of the second device module includes a layer of conductive adhesive disposed over a portion of the carrier substrate proximate the backside top electrode of the first device module, wherein the first device module is attached to the carrier substrate such that the backside top electrode makes electrical contact with the conductive adhesive while leaving an exposed portion of the conductive adhesive, wherein the exposed portion of the bottom electrode of the second device module makes electrical contact with the exposed portion of the conductive adhesive.

113. The array of claim 112 wherein the photovoltaic active layer is based on one or more of the following: an absorber layer based on materials containing elements of groups IB, MA and VIA, silicon (doped or undoped), micro- or poly-crystalline silicon (doped or undoped), amorphous silicon (doped or undoped), CdTe, CdSe, Graetzel cell architecture, a nanostructured layer having an inorganic porous template with pores filled by an organic material (doped or undoped), a polymer/blend cell architecture, oligimeric absorbers, organic dyes, Cso and/or other small molecules, micro-crystalline silicon cell architecture, randomly placed nanorods and/or tetrapods of inorganic materials dispersed in an organic matrix, quantum dot-based cells, or combinations of the above.

114. The array of claim 110 wherein one or more of the electrical contacts includes a via formed through the active layer, the transparent conducting layer and the insulating layer of the first device module; an insulating material coating sidewalls of the via such that a channel is formed through the insulating material to the backside top electrode of the first device module; a plug made of an electrically conductive material that at least partially fills the channel and makes electrical contact between the transparent conducting layer and the backside top electrode of the first device module.

115. The array of claim 114 further comprising one or more conductive traces disposed on the transparent conducting layer in electrical contact with the plug.

116. The array of claim 114 wherein the one or more conductive traces electrically connect two or more of the electrical contacts that are adjacent to each other.

117. The array of claim 110 wherein the one or more of the electrical contacts includes a closed-loop trench that surrounds a portion of the transparent conducting layer, active layer, and a bottom electrode.

118. The array of claim 117 wherein one or more of the electrical contacts further includes an insulating material.

119. The array of claim 110 wherein one or more of the electrical contacts includes a closed loop trench formed though the transparent conducting layer, active layer and bottom electrode of the first device module to the insulating layer, the trench isolating a portion of the transparent conducting layer, active layer and bottom electrode, the isolated portion bounded by the trench; an electrically insulating material disposed in the closed loop trench; an electrical connection between the transparent conducting layer of the isolated portion and the bottom electrode of the isolated portion; one or more conductive fingers disposed over one or more portions of the transparent conducting layer, wherein the one or more portions include the isolated portion; and making electrical contact between the conductive fingers and the bottom electrode of the isolated portion; and an electrical connection through the insulating layer between the bottom electrode of the isolated portion and the backside top electrode layer.

120. The array of claim 119, further comprising an isolation tench formed through the transpaient conducting layer and the active layer to the bottom elect. ode, wherein the isolation trench surrounds the closed-loop tench.

121. The array of claim 110 further comprising a structural membrane, wherein the carrier substrate is attached to the structural membrane made of a polymeric roofing membrane material.

122. The array of claim 121 wherein the polymeric roofing membrane material is thermoplastic polyolefin (TPO) or ethylene propylene diene monomer (EPDM).

123. The array of claim 110 wherein the first and second optoelectronic devices are light emitting devices.

124. The array of claim 123 wherein the light emitting devices are organic light emitting diodes.

125. The array of claim 124 wherein the organic light emitting diodes are light-emitting polymer based devices.

126. An optoelectronic device module, comprising: a starting substrate having a bottom electrode, an insulator layer and a conductive back plane, wherein the insulator layer is sandwiched between the bottom electrode and the back plane; an active layer and a transparent conducting layer disposed such that the active layer is between the bottom electrode and the transparent conducting layer; one or more electrical contacts between the transparent conducting layer and the back plane, the electrical contracts being formed through the transparent conducting layer, the active layer, and the insulating layer, wherein the electrical contacts are electrically isolated from the active layer, the bottom electrode and the insulating layer.

「特表2008-529281およびWO2006078985より引用」

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化合物伝達性基板を備えた光電子構造

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は光電子デバイスに関し、より詳細には太陽電池等の光電子デバイスの大量生産に関する。
【背景技術】
【0002】
光電子デバイスは放射エネルギーを電気エネルギーに変換したり、その逆を行ったりすることができる。これらのデバイスは通常、2つの電極間に挟まれた活性層を一般に備えている。2つの電極は、しばしば正面電極と背面電極と称される、少なくとも一方の電極は通常透明である。活性層は通常、1または複数の半導体材料を備えている。発光デバイス(例えば発光ダイオード)(LED)では、2つの電極間に印加された電圧により電流が活性層を通って流れる。この電流は活性層に光を放射させる。光起電性装置(例えば太陽電池)では、活性層は光からエネルギーを吸収し、このエネルギーを、2つの電極間の電圧および電流の少なくとも一方として示された電気エネルギーに変換する。このような太陽電池の大規模アレイは、化石燃料の燃焼に依存する従来の発電プラントに置き換わる潜在的可能性があるが、太陽電池が従来の発電に対するコスト効率の良い代替手段を供給するには、生成ワット当たりのコストが現在の配電網の率に匹敵しなければならない。現在、この目標に到達するには多くの技術的課題が存在する。
【0003】
従来の大半の太陽電池はシリコンベースの半導体によるものである。一般的なシリコンベースの太陽電池では、p型シリコン層の上にn型シリコン層(エミッタ層とも称される)が配置される。p型層とn型層の間の接合付近で吸収された放射線は、電子と正孔を生成する。電子はn型層に接する電極により集められ、正孔はp型層に接する電極により集められる。光が接合に到達しなければならないため、2つの電極のうちの少なくとも1つは少なくとも部分的に透明でなければならない。多くの現在の太陽電池の設計は、透明電極としてインジウム酸化錫(ITO)等の透明な導電性酸化物(TCO)を使用している。
【0004】
既存の太陽電池制作技術に関連するさらなる問題点は、個々の光電子デバイスが比較的小さな電圧しか生成しないという事実に起因する。したがって、高電圧-低電流動作に関連する効率を利用すべく高電圧を得るためには、いくつかの光電子デバイスを直列に電気接続することがしばしば必要である(例えば比較的高い電圧を用いて回路に送電すると、比較的高い電流を用いて回路に送電する間に起こり得る抵抗損失が低減される)。
【0005】
太陽電池をモジュールへ相互接続する設計がこれまでにいくつか開発されている。例えば、例えば、初期の光起電性モジュールの製造業者は、太陽電池を相互接続するために屋根板が屋根に配置されるのと同様に、一つの電池の底部を次の電池の上部エッジに配置するという「屋根板(shingle)」アプローチの使用を試みた。不運にも、ハンダとシリコ
ンウエハ材料は相性が悪く、シリコンとハンダの熱膨張率が異なることおよびウエハが堅いことにより、熱サイクルによるハンダ接合は早々に失敗した。
【0006】
光電子デバイスの直列的相互接続に関連するさらなる問題点は、透明電極に使用されるTCOに関連する電気抵抗が高いことに起因する。抵抗が高いと、直列に接続される個々の電池のサイズが制限される。1つのセルから次のセルに電流を流すには、透明電極がTCO層上に形成されたバスとフィンガーの導電性グリッドで増強されることが多い。しかしながら、フィンガーとバスはセル全体の効率を減少するシャドウイングを生じさせる。抵抗の有効損失とシャドウイングを小さくするためには、セルを比較的小さくしなければならない。従って、多数の小さなセルを共に接続しなければならず、これには多数の相互
接続と、セル間のより大きなスペースが必要となる。多数の小さなセルのアレイは製造が比較的困難で、コストもかかる。さらに、可撓性の太陽光モジュールでは、多数の屋根板の相互接続が比較的複雑で、時間も労力もかかり、モジュール設置プロセスの間にかかる費用も大きいという点で「屋根板」アプローチは不利である。
【0007】
これを克服するために、透明な「正面」電極から活性層および「背面」電極を通って背面電極の下に位置する電気絶縁電極までを通過する、電気絶縁された導電性接点を備えた光電子デバイスが開発された。特許文献1は、シリコンベースの太陽電池におけるそのような接点の使用例について記載している。この技術は抵抗損失を減少させ、太陽電池デバイスの全体効率を改善することができるが、セルの制作に真空加工技術が使用されると共に厚みのある単結晶シリコンウエハに費用がかかることから、シリコンベースの太陽電池のコストが依然として高いままである。
【0008】
このため、太陽電池の研究者や製造業者は、従来のシリコンベースの太陽電池よりもより少ない費用で大規模に製作することができる種々のタイプの太陽電池を開発している。そのような太陽電池の例には、シリコン(例えばアモルファスシリコンセル、マイクロ結晶シリコンセル、または多結晶シリコンセル用)を備えたセル;有機オリゴマーまたはポリマー(有機太陽電池用)、二層または相互貫通層もしくは無機および有機材料(有機/無機ハイブリッド太陽電池用)より構成された活性吸収材層を備えたセル、液状またはゲル状電解質に溶解した染料感知チタンナノ粒子(Graetzelセル用)を備えたセル、銅-インジウム― ガリウム-セレン(CIG太陽電池用)を備えたセル、活性層がCdSe、CdTe、および上記の組み合わせから構成され、活性物質がバルク材料、マイクロ粒子、ナノ粒子または量子ドットを含むがこれらに限定されないいくつかの形式のうちのいずれかであるセルが挙げられる。これらのセルのタイプの多くは可撓性基板(例えばステンレス鋼箔)上に製作することができる。これらのタイプの活性層は非真空環境中で製造することが可能であるが、セル内およびセル間の電気接続には通常1または複数の金属導電層の真空蒸着が必要である。
【0009】
例えば、図6Aは、先行技術の太陽電池アレイ600の一部を示している。アレイ600は可撓性絶縁基板602上に製造される。基板602には複数の直列の相互接続孔604が形成され、下部電極層606が蒸着されているが、これは例えば基板正面と孔604の側壁に対するスパッタリングによりなされる。その後、電流収集孔608が下部電極606および基板602を貫通するよう選択位置に形成され、次に1または複数の半導体層610が、下部電極606、直列相互接続孔604および電流収集孔608の上に配置される。その後、直列相互接続孔604をカバーするシャドウマスクを用いて透明導電体層612が配置される。次に、基板602の裏側に第2金属層614が配置される。第2金属層614は、電流収集孔608を介して透明導電体層612と電気接触すると共に、直列相互接続孔604によりセル間に直列相互接続を提供する。正面および背面におけるレーザスクライビング616,618により、モノリシックデバイスが個々のセルに分けられる。
【0010】
図6Bは、アレイ600上の変更態様である別の先行技術アレイ620を示している。アレイ620も可撓性絶縁基板622上に製造される。基板622には複数の直列相互接続孔624が形成され、下部電極層626が蒸着されているが、これは例えば基板622の正面および裏面ならびに孔624の側壁に対するスパッタリングによりなされる。その後、電流収集孔628が下部電極および基板を貫通するように選択位置に形成され、次に1または複数の半導体層630ならびに透明導電層632が、正面側の下部電極626の上と、直列相互接続孔624の側壁および電流収集孔628の上に配置される。その後、電流収集孔628以外のすべてをカバーするシャドウマスクを用いて第2の金属層634が基板622の裏側に配置され、第2の金属層634は透明導電体層632と電気接触す
る。正面および背面におけるレーザスクライビング636,638により、モノリシックデバイスが個々のセルに分けられる。
【0011】
図6A-6Bに示されるような太陽電池アレイの製造には2つの重大な欠点がある。第1には、金属層がスパッタリングにより蒸着されるが、これは真空技術である。真空技術は比較的時間がかかる上に、難しく、大規模なRoll-to-Roll生産環境で実施するには費用がかかる。第2には、製造プロセスによってモノリシックすなわち単一体のアレイが生産されるため、生産用に個々のセルをソートすることができない。これは、ほんの少数の品質の悪いセルがアレイを台無しにし、したがってコストが増大し得ることを意味する。さらに、この製造プロセスは、孔の形態および寸法に非常に対して大きく影響を受ける。正面から裏面への電気伝導は孔の側壁に沿って起こるので、孔を大きく製造されると導電性が十分に増加しない。したがって、狭いプロセスウィンドウが存在することとなるが、これは製造コストを増大させ、使用可能な装置の生産を減少させる可能性がある。さらに、真空蒸着はアモルファスシリコン半導体層には実用的であるが、非常に効率的な太陽電池(例えば銅、インジウム、ガリウム、およびセレンまたはイオウの組み合わせに基づく、CIGSセルと称される太陽電池)には非実用的である。CIGS層を蒸着するには、3つまたは4つの元素を正確に制御された比で蒸着しなければならない。これを真空蒸着プロセスを使用して達成することは非常に難しい。
【0012】
したがって、上記の欠点を克服する光電子デバイス構造およびそのようなセルの対応する製造方法が、当該技術分野において求められている。
本発明の教示は、以下の詳細な説明を添付図面と共に考慮すれば容易に理解される。
【特許文献1】米国特許第3,903,427号
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
以下の詳細な説明は例示の目的で多くの特定の詳細を含むが、当業者には以下の詳細に対する多くの変更が本発明の範囲内に包含されることが理解されるだろう。従って、以下に説明する発明の例証的実施形態は、本発明の一般法則を損なうことなく、また、本発明に対する限定を課すことなく、説明されるものである。
【0014】
図1A-IBは、本発明の1実施形態による光電子デバイスアレイ100を示す。いくつかの実施形態では、これは光電子デバイスアレイ100中の直列相互接続とみなされてもよい。アレイ100は第1デバイスモジュール101および第2デバイスモジュール111を備えている。デバイスモジュール101,111は太陽電池のような光起電性装置であってもよいし、または発光ダイオードのような発光装置であってもよい。好ましい実施形態では、デバイスモジュール101,111は太陽電池である。第1および第2デバイスモジュール101,111は絶縁性のキャリア基板103に取り付けられる。キャリア基板103は、例えば厚さ約50μmの、ポリエチレンテレフタレート(PET)等のプラスチック材料より形成される。次にキャリア基板103は、より厚みのある構造膜105に取り付けられる。構造膜105は、屋根等の戸外の場所でのアレイ100の設置を容易にするために、熱可塑性ポリオレフィン(TPO)またはエチレンプロピレンジエンモノマー(EPDM)等のポリマールーフィング膜材料により形成される。
【0015】
デバイスモジュール101,111は、例えば長さ約4インチ(約10.16cm)および幅約12インチ(約30.48cm)であるが、互いに積層されたいくつかの層を含むもっと長いシートから切断されてもよい。各デバイスモジュール101,111は通常、下部電極104,114に接触するデバイス層102,112と、下部電極104,114と導電性バックプレーン108,118の間の絶縁層106,116とを備えている。本発明のいくつかの実施形態では、バックプレーン108,118は背面上部電極108,118と称される場合がある。下部電極104,114、絶縁層106,116、お
よびバックプレーン108,118は、デバイス層102,112を上に形成する基板S1,S2を構成する。
【0016】
絶縁基板に薄い金属層を蒸着することにより基板が形成される先行技術のセルとは対照的に、本発明の実施形態は箔(foil)のような可撓性バルク導電性材料に基づく基板S1
,S2を使用する。箔のようなバルク材料は先行技術の真空蒸着金属層よりも厚みがある
が、より安価で、より容易に入手でき、加工が容易である。好ましくは、少なくとも下部電極104,114は、アルミニウム箔等の金属箔より形成される。代わりに、銅、ステンレス鋼、チタン、モリブデンまたは他の適切な金属箔が使用されてもよい。例として、下部電極104,114およびバックプレーン108,118は、アルミニウム箔で、厚さ約1μmから約200μm、好ましくは厚さ約25μmから約100μmに形成され、絶縁層106,116は、ポリエチレンテレフタレート(PET)等のプラスチック箔材料で、厚さ約1μmから約200μm、好ましくは厚さ約10μmから約50μmに形成される。1実施形態では、特に、下部電極104,114、絶縁層106,116、およびバックプレーン108,118は、スタート基板S1,S2を形成するために共に積層される。箔は下部電極104,114およびバックプレーン108,118の両方に使用されてもよいが、バックプレーンとして絶縁層106,116の背後にメッシュグリッドを使用することも可能である。そのようなグリッドは導電性塗料またはインクを使用して絶縁層106,116の背面に印刷され得る。適当な導電性塗料またはインクの例に、ミシガン州ミッドランド市のダウコーニング社(Dow Corning Corporation)から入手可能なDow Corning(登録商標) PI-2000 Highly Conductive Silver Inkがある。さらに、絶縁層
106,116は、下部電極104,114またはバックプレーン108,118もしくはその両方に使用される箔の表面を陽極酸化することにより、または当該技術分野で周知の噴霧、コーティング、印刷技術で絶縁コーティングを塗布することにより、形成され得る。
【0017】
デバイス層102,112は通常、透明導電層109と下部電極104の間に配置された活性層107を備えている。例えば、デバイス層102,112は厚さ約2μmである。少なくとも第1装置101は透明導電層109とバックプレーン108の間に1または複数の電気接点120を備えている。電気接点120は、透明導電層109、活性層107、下部電極104および絶縁層106により形成される。電気接点120は透明導電層109とバックプレーン108の間の導電性通路を提供する。電気接点120は活性層107、下部電極104および絶縁層106から電気的に絶縁される。
【0018】
接点120は、各々、活性層107、透明導電層109、下部電極104および絶縁層106を貫通するよう形成されたビアを備え得る。各ビアは、直径約0.1ミリメートルから約1.5ミリメートル、好ましくは直径約0.5ミリメートルから約1ミリメートルである。ビアはパンチングにより、またはドリリングにより(例えば機械的穿孔、レーザ穿孔または電子ビーム穿孔)、もしくはこれらの技術の組み合わせにより形成される。絶縁材122はビアの側壁をコートし、その結果絶縁材122の中を通ってバックプレーン108へ至る通路が形成される。絶縁材122の厚みは、約1μmと約200μmの間、好ましくは約10μmと約200μmの間である。
【0019】
絶縁材122の厚みは、その背後の露出した導電性表面の完全なカバーを保証するために、好ましくは少なくとも10μmの厚みとする。絶縁材122は、例えばインクジェット印刷や環状ノズルによるディスペンスを始めとする種々の印刷技術により形成可能である。導電性材料製のプラグ124は、通路を少なくとも部分的に充填し、透明導電層109とバックプレーン108の間の電気接触を形成する、すなわち透明導電層109とバックプレーン108の間に電流が流れるようにする。この導電性材料も同様に印刷可能である。適切な材料および方法は、例えば、テキサス州プレーノ市所在のマイクロファブ社(
Microfab, Inc.)(この目的に役立つ装置を販売している)の「solderjet」と称される
ハンダのインクジェット印刷である。ハンダの除去および硬化のための時間が引き続き許容されているならば、電子回路パッケージングの技術分野で周知の導電性接着材料の印刷も使用可能であるプラグ124は、約5μmと約500μmの間、好ましくは約25と約100μmの間の直径を有し得る。
【0020】
非限定的な例では、別の実施形態では、デバイス層102,112は厚さ約2μmであり、下部電極104,114は厚さ約100μmのアルミニウム箔より形成され、絶縁層106,116は、厚さ約25μmのポリエチレンテレフタレート(PET)等のプラスチック材料より形成され、背面上部電極108,118は厚さ約25μmのアルミニウム箔より形成される。デバイス層102,112は、透明導電層109と下部電極104の間に配置された活性層107を備え得る。そのような実施形態では、少なくとも第1装置101は、透明導電層109と背面上部電極108との間に1または複数の電気接点120を備える。電気接点120は、透明導電層109、活性層107、下部電極104および絶縁層106を貫通するように形成される。電気接点120は透明導電層109と背面上部電極108との間の導電性通路を提供する。電気接点120は、活性層107、下部電極104および絶縁層106から電気的に絶縁される。
【0021】
導電プラグ124と基板108の間の良好な接点の形成は、超音波溶接等の他の接点形成技術の使用により支援され得る。有用な技術の例は、金のスタッドバンプ(stud-bump
)の形成であり、これは例えば参照により本明細書に組み込まれる3-D Chip Scale with Lead-Free Processes" in Semiconductor International, October 1, 2003に記載されている。通常のハンダもしくは導電性インクまたは接着剤がスタッドバンプの上に印刷され得る。
【0022】
ビアを形成する際に、上部電極109と下部電極104の短絡接続を回避することは重要である。したがって、ドリリングまたはパンチングような機械的切断技術は、ビアのリップ付近の少量の材料(深さ数μmおよび幅数μm)をレーザアブレーション除去することにより補足され得る。代わりに、ビアよりもわずかに大きな直径にわたって透明導電層を除去するために、化学エッチングプロセスが使用されてもよい。エッチングは、例えば、インクジェット印刷またはステンシル印刷を使用して適切な場所にエッチ液の滴を印刷することにより、局所的に行うことが可能である。
【0023】
短絡を回避するさらなる方法は、透明導電層109の配置の前に、活性層107の上に絶縁材の薄層を配置することである。この絶縁層は好ましくは厚さ数μmで、1~100μmの範囲であり得る。この絶縁層はビアが形成される予定の領域(およびわずかにビアの境界線を超える)にのみ配置されるため、その存在が光電子デバイスの動作に干渉することはない。本発明のいくつかの実施形態では、層は参照により本明細書に組み込まれるKarl Pichlerの2004年3月25日出願の米国特許出願出願番号10/810,072号n記載されている構造と類似のものであってもよい。そのような構造を通って孔がドリリングまたはパンチングされる場合、透明導電層109と、下部電極104の間には絶縁体層が存在するが、これは層109,104よりも比較的厚みがあり、機械的切断よりも精度が優れているため、その結果短絡は生じなくなる。
【0024】
この層の材料は、任意の便利な絶縁体であってよく、好ましくはデジタルで(例えばインクジェット)印刷できるものである。ナイロンPA6(融点223℃)、アセタール(融点165℃)、PBT(PETと構造上似ているがブチル基がエチル基と置き換わっている)(融点217℃)およびポリプロピレン(融点165℃)のような熱可塑性ポリマーは、有用な材料のリストを網羅するわけではない例である。そのような材料は絶縁層122にも使用可能である。インクジェット印刷は絶縁体アイランドを形成する望ましい方
法であるが、他の印刷方法または堆積方法(従来のフォトリソグラフィを含む)も本発明の範囲内にある。
【0025】
ビアを形成する際に、第1は絶縁層106、下部電極104、およびその上の層102から構成されたもの、第2はバックプレーン108で構成されたものの、少なくとも2つの最初は分かれた要素に光電子デバイスを製作することは有用である。これらの2つの要素は、ビアが106/104/102の複合構造を貫通して形成された後であってビアが充填される前に、共に積層される。この積層およびビア形成後に、複合体にバックプレーン108が積層され、上述したようにビアが充填される。
【0026】
ジェット印刷ハンダまたは導電性接着剤には、導電性ビアプラグ124を形成するための有用な材料が含まれるが、機械的手段によってプラグを形成することも可能である。したがって、金のスタッドバンプの形成と同様な方法で、例えば適切な直径のワイヤがビアの中に配置され、それがバックプレーン108と接触するようにされ、そしてプラグ124を形成するよう所望の高さで切断されてもよい。代わりに、そのようなサイズを有する予め形成しておいたピンをロボットアームで孔の中に配置することも可能である。そのようなピンまたはワイヤは定位置に配置され、基板に対するそれらの電気接続は、ピンの配置に先立って導電性接着剤の非常に薄い層を印刷することにより支援または確保され得る。したがって、導電性接着剤からなる厚みのあるプラグの乾燥時間が長いという問題がなくなる。ピンは、接触をさらに支援するために、バックプレーン108にわずかに打ち込まれる先端または鋸歯状部分を備え得る。そのようなピンは絶縁ワイヤまたはコートされたワイヤ(例えば蒸着または酸化により)の場合と同様に、既に存在する絶縁材に設けられる。ピンは、絶縁材を適用する前にビアの中に配置され、これにより絶縁材の導入が容易となる。
【0027】
ピンが適切な硬い金属から形成され、わずかにテーパ状になった先端を有する場合、ピンはパンチング工程の間にビアを形成するために使用されてもよい。パンチまたはドリルを使用する代わりに、ピンは先端がちょうど底を貫通する深さまで複合体106/104/102に挿入され、その後、基板108がこの複合体に積層されると、先端はわずかに基板108に進入し、良好な接触を形成する。これらのピンは、例えばピンがちょうど中にはめ込まれるチューブを介して向けられた機械的圧力または空気圧により、パンチされていない基板の中に貫入され得る。
【0028】
透明導電層109の上には、導電性材料124と電気接触した状態で、1または複数の導電トレース126が配置され得る。導電トレース126は例えば、Al、NiまたはAgより形成される。図1Bに示されるように、トレース126は全体のシート抵抗を減少するために多数の接点120を相互接続してもよい。例えば、接点120は、トレース126が各接点をそれと最も近い隣接する接点と接続し、場合によってはその接点を方位する透明導電層と接続する状態で、互いに約1cm離間され得る。好ましくは、トレース126の数、幅および間隔は、接点120およびトレース126がデバイスモジュール101の表面の約1%未満を占めるように選択される。トレース126は約1μmと約200μmの間、好ましくは約5μmと約50μmの間の幅を有し得る。トレース126は、約0.1ミリメートルと約10ミリメートルの間、好ましくは約0.5ミリメートルと約2ミリメートルの間の中心-中心距離だけ好ましくは離れている。過度なシャドウイング損失を回避するために、ラインの幅を広くするにはより大きく離間させることが必要となる。ラインが互いにほぼ等距離にある限り(例えば2倍以内)、トレース126に対して種々のパターンまたは配向が使用され得る。トレース126が接点120から扇型に広がる代替パタ-ンが図1Cに示されている。図1Dに示される別の代替パタ-ンでは、トレース126は「分水界(watershed)」パタ-ンを形成し、接点120から放射状に延びる
より太いトレース126からより細いトレース126が分岐している。図1Eに示される
別の代替パタ-ンでは、トレース126が接点120から出て長方形のパタ-ンを形成している。各接点に接続されるトレース126の数は、図1Eに示された数より多くても少なくてもよい。いくつかの実施形態は、1つ多く、2つ多く、3つ多くのトレース126の数を有するといった具合である。図1B、図1C、図1D、1Eに示された例に描かれているトレースパターンは例示を目的とするものであって、本発明の実施形態に使用可能なトレースパタ-ンを制限するわけではない。導電性バックプレーン108,118は1つのデバイスモジュールから次のデバイスモジュールに電流を伝えるため、導電トレース126は太い「バス」を避けて「フィンガー」を備えることが可能である。これにより、バスによるシャドウイング量が減少すると共に、装置アレイ100により見た目に美しい外観が提供される。
【0029】
比較的厚く導電性が高い可撓性バルク導電体の下部電極104,114およびバックプレーン108より形成された基板S1,S2にデバイスモジュール101,111を製作し、透明導電層109、活性層130、下部電極104,114、および絶縁層106,116を貫通するように絶縁された電気接点120を形成すると、デバイスモジュール101,111が比較的大きくなる。従って、アレイ100は、先行技術のアレイと比較して、より少数の直列相互接続を必要とする、より少数のデバイスモジュールより形成され得る。例えば、デバイスモジュール101,111は長さが約1cmと約30cmの間で、幅が約1cmと約30cmの間である。より小さなセル(例えば長さが1cm未満および/または幅が1cm未満)も希望に応じて形成可能である。
【0030】
バックプレーン108,118が1つのデバイスモジュールからの次のデバイスモジュールに電流を伝えるため、トレース126のパタ-ンは、この目的で先行技術に使用されるような太いバスを備える必要はない。代わりに、トレース126のパタ-ンは、電流を接点120へ伝えるのに十分に導電性のある「フィンガー」を提供すればよい。バスがないので、活性層102,112のより大きな部分が露出され、これにより効率が上昇する。さらに、バスのないトレース126のパタ-ンは見た目にも美しい。
【0031】
第1デバイスモジュール101のバックプレーン108と第2デバイスモジュール111の下部電極114との間の電気接触は、第2デバイスモジュールのバックプレーン118および絶縁層116を切除して下部電極114の一部を露出させることにより実行され得る。図1Bはとりわけバックプレーン118および絶縁層116を切除する1つの方法の例を示している。特に、絶縁層116のエッジには切欠117が形成されうる。複数の切欠117は同様に整列しているが、バックプレーン118の切欠119はわずかに大きくなっている。切欠117,119の配列は第2デバイスモジュール111の下部電極114の一部を露出させる。
【0032】
電気接触は、第1デバイスモジュール101のバックプレーン108と、第2デバイスモジュール111の下部電極114の露出部分との間で、多くの異なる方法で形成され得る。例えば、図1Aに示されるように、切欠117,119と整列するパターンで、薄い導電層128がキャリア基板103の一部の上に配置される。
【0033】
薄い導電層128は、例えば導電性(充填)ポリマーまたは銀のインクである。導電層は非常に薄く、例えば厚さ約1μmである。薄い導電層128の最小厚さを決定する一般的基準は、この層で放散される部分出力p=(J/V)ρ(Lo2/d)が約10-5であることである。式中、Jは電流密度、Vは電圧、Loは薄い導電層128の長さ(ほぼ第1
デバイスモジュールと第2デバイスモジュールの間のギャップの幅に相当)であり、ρとdはそれぞれ導電層128の抵抗および厚さである。多くの用途の数値の例では、(J/V)は約)0.06のA/Vcm2であり、Lo=400μm=0.04cmの場合、pは約10-4(ρ/d)に等しい。したがって、抵抗ρが約10-5Ωcm(これは良好なバル
ク導電体よりも約10倍少ない)であってもdは厚さ約1μm(10-4cm)である。したがって、ほとんどの妥当な厚さの比較的抵抗の高いポリマー導電体でも機能する。
【0034】
薄い導電層128の一部を露出させたまま、バックプレーン108が薄い導電層128と電気接触するように、第1デバイスモジュール101はキャリア基板103に取り付けられる。その後、薄い導電層128の露出部分と、第2デバイスモジュール111の下部電極114の露出部分との間で電気接触が形成される。例えば、導電材料129のバンプ(例えばより導電率の高い接着剤)が、下部電極114の露出部分と整列した薄い導電層128上の位置に配置される。第2デバイスモジュール111がキャリア基板に取り付けられる際、導電材料129のバンプは下部電極114の露出部分と接触する程度に十分に高い。薄い導電層128が第2デバイスモジュール111のバックプレーン118と望ましくない接触を行なう可能性が実質的にないように、切欠117,119の寸法が選択され得る。例えば、下部電極114のエッジは、約400μmのカットバックCB1の量だ
け絶縁層116に対して切除され得る。バックプレーン118は、CB1より有意に大き
い量CB2dだけ絶縁層116に対して切除され得る。
【0035】
デバイス層102,112は、好ましくは大規模で(例えばRoll-to-Roll処理システムシステムで)製造可能なタイプである。デバイス層102,112で使用可能なデバイス構造には多数の異なるタイプのものが存在する。例えば、一般性を失わないとして、図1Aの挿入図はデバイス層102におけるCIGS活性層107およびその関連層の構造を示す。例えば、活性層107は、IB群、IIIA群およびVIA群の元素を含む材料に基づく吸収材層130を備え得る。好ましくは、吸収材層130は、IB群として銅(Cu)と、IIA群元素としてガリウム(Ga)および/またはインジウム(In)および/またはアルミニウム、ならびにVIA群としてセレン(Se)および/またはイオウ(S)を含んでいる。そのような材料(CIGS材料と称される場合もある)の例が、いずれも参照により本明細書に組み込まれるEberspacherらの2001年7月31日発行の米国
特許第6,268,014号およびBulent Basolの2004年11月4日公開の米国出願公開第2004-0219730号に記載されている。ウィンドウ層132は吸収材層130と透明導電層109の間の結合パートナーとして通常使用される。例えばウィンドウ層132は、硫化カドミウム(CdS)、硫化亜鉛(ZnS)またはセレン亜鉛(ZnSe)、またはこれらの2つ以上の組み合わせを含む。これらの材料の層は、例えば化学浴蒸着または化学表面蒸着により、約50nmから約100nmの厚さに堆積される。下部電極104から金属の拡散を阻止するために、下部電極と異なる金属の接触層134が、下部電極104と吸収材層130の間に配置され得る。例えば、下部電極104がアルミニウムにより形成されている場合、接触層134はモリブデン層であり得る。
【0036】
CIGS太陽電池を例として説明しているが、当業者には直列相互接続技術の実施形態がほとんどすべてのタイプの太陽電池構造に適用可能であることが理解されるであろう。そのような太陽電池の例には、アモルファスシリコンセル、Graetzelセル構造(サイズが数ナノメートルの二酸化チタン粒子から構成された透光性フィルムが、該フィルムの光収集に対する感受性を高めるために電荷移動染料によりコーティングされている)、有機材料により充填された孔を備えた無機多孔性鋳型を有するナノ構造化層(例えば参照により本明細書に組み込まれる米国出願公開第2005-0121068号参照)、ポリマー/混合セル構造、有機染料および/またはC60分子および/または他の小分子、マイクロ結晶シリコンセル構造、ランダムに配置されたナノロッドおよび/または有機マトリックス中に分散された無機材料のテトラポッド、量子ドットセル、またはそれらの組み合わせが含まれるが、それらに限定されるわけではない。さらに、本明細書で説明する直列相互接続技術の実施形態は、太陽電池以外の光電子デバイスと共に使用することができる。
【0037】
代わりに、光電子デバイス101,111は有機発光ダイオード(OLED)のような発光デバイスであってもよい。OLEDの例には発光ポリマー(LEP)デバイスが含まれる。そのような場合、活性層107は、ポリ(3,4)エチレンジオキシチオフェン:スルホン酸ポリスチレン(PEDOT:PSS)の層を含み、これはウェブコーティングや同様な方法により下部電極104,114上に通常50~200nmの厚さで堆積され、その後水を除去するためにベークされる。PEDOT:PSSはドイツ国レーバークーゼンのバイエル社(Bayer)から入手可能である。PEDOT:PSS層の上には、例え
ばウェブコーティングにより、ポリフルオレン系LEPが約60-70nmの厚さで配置され得る。適切なポリフルオレン系LEPはダウケミカルズ社(Dow Chemicals Company
)から入手可能である。
【0038】
透明導電層109は、例えば、酸化亜鉛(ZnO)またはアルミニウム添加酸化亜鉛(ZnO:Al)等の透明導電性酸化物(TCO)であってよく、これはスパッタリング、蒸発、CBD、電気めっき、CVD、PVD、ALDおよびその他同種のものを含むがこれらに限定されない任意の種々の手段を使用して配置することができる、代わりに、透明導電層109は透明の導電性ポリマー層、例えばドープPEDOT(ポリ-3,4-エチレンジオキシチオフェン)の透明層を含んでもよく、これはスピンコーティング、ディップコーティング、またはスプレーコーティング、および同種のものを使用して配置することができる。PSS:PEDOTはジエーテルにより架橋された複素環チオフェンに基づくドープされた導電性ポリマーである。ポリ(スルホン酸スチレン)(PSS)でドープされたPEDOTの水分散液はBaytron(登録商標)Pの商品名でマサチューセッツ州ニュートン市のH. C. Starckから入手可能である。Baytron(登録商標)はドイツ国レーバー
クーゼンのバイエル社(Bayer Aktiengesellshaft)の登録商標である。その導電性に加
えて、PSS:PEDOTは平坦化層として使用することができ、これはデバイス性能を改善できる。PEDOTの使用における欠点は通常のコーティングが酸性の性質であることであり、これはPEDOTが太陽電池中の他の材料を化学的に攻撃したり、反応したり、他の態様で品質を劣化させるソースとして機能する場合がある。PEDOT中の酸性成分の除去は陰イオン交換法により行なわれ得る。非酸性PEDOTは市場で購入することができる。代わりに、同様の材料を、コロラド州ウィートリッジ市のTDA社の材料、例えばOligotron(登録商標)およびAedotron(登録商標)から購入することができる。
【0039】
第1デバイスモジュール101と第2デバイスモジュール111の間のギャップは、硬化可能なポリマーエポキシ樹脂(例えばシリコーン)により充填され得る。環境への抵抗、例えば水や空気への露出に対する保護を与えるために、任意選択の封止材料層(図示しない)がアレイ100をカバーしてよい。封止材料は、その下にある層を保護するために、UV光をさらに吸収してもよい。適切な封止材料の例には、THV(例えばDyneonのTHV220フッ素化ターポリマー、テトラフロオルエチレンのフッ素系熱可塑性ポリマー、ヘキサフルオロプロピレン、およびフッ化ビニリデン)などのフルオロポリマー、 Tefzer(登録商標)(DuPont社)、Tefdel、エチレン酢酸ビニル、熱可塑性樹脂、ポリイミド、ポリアミド、プラスチックとガラスのナノ積層複合物(例えば参照により本明細書に組み込まれる本願出願人の同時継続のBrian SagerおよびMartin Roscheisenの発明の名称が「INORGANIC/ORGANIC HYBRID NANOLAMINATE BARRIER FILM」である米国出願公開第2005-0095422号に記載されているようなバリアフィルム)、およびこれらの組み合わせからなる1または複数の層を含む。
【0040】
本発明の実施形態による相互接続デバイスを製作する、多くの異なる方法がある。例えば、図2はそのような方法の1つを例証する。この方法では、例えば図1A-1Bに関して上述したように、デバイスは下部電極と透明導電層の間に活性層を備えた連続的なデバイスシート202の上で製作される。デバイスシート202には、図1Aに示された接点120のような接点203でパターンが形成される。接点203は、上述したように導電
トレース(図示しない)により電気接続されてもよい。絶縁層204およびバックプレーン206も、連続シートとして製作される。図2に示された例では、絶縁層204は例えば、バックプレーン層206の同様な切欠207と整列する切欠205を形成するよう切除される。バックプレーン層206の切欠207は絶縁層204の切欠205よりも大きい。デバイスシート202、絶縁層204およびバックプレーン層206は一つに積層されて、デバイスシート202とバックプレーン206の間に絶縁層204を備えた積層体208を形成する。その後、積層体208は、切欠205,207と交差する点線に沿って2つ以上のデバイスモジュールA,Bに切断される。その後、導電性接着剤210(例えば導電性ポリマーまたは銀のインク)のパタ-ンがキャリア基板211に配置され、キャリア基板211にモジュールが接着される。導電性接着剤210のより大きな領域212がモジュールAのバックプレーン206と電気接触する。導電性接着剤210のフィンガー214が、より大きな領域212から突出している。フィンガー214はモジュールBの切欠205,207と整列する。フィンガー214の上に追加の導電性接着剤が配置され、切欠205,207を通じたモジュールBの下部電極との電気接触を促進する。好ましくは、フィンガー214は、導電性接着剤210がモジュールBのバックプレーン206と望ましくない電気接触を形成しないように、バックプレーン206の切欠207よりも狭い。
【0041】
図2に示された実施形態では、デバイスシート、絶縁層およびバックプレーンは、個々のモジュールに切断される前に一つに積層された。別の実施形態では、これらの層がまず切断されてから、次に(例えば積層により)モジュールに組み立てられてもよい。例えば、図3に示されるように、第1および第2デバイスモジュールA’,B’は予め切断されたデバイス層302A,302B、絶縁層304A,304Bおよびバックプレーン306A,306Bからそれぞれ積層されてもよい。各デバイス層302A,302Bは、透明導電層と下部電極の間に活性層を備えている。少なくとも1つのデバイス層302Aは、上述したタイプの電気接点303A(および任意選択の導電トレース)を有する。
【0042】
この例では、モジュールBのバックプレーン層306Bは、絶縁層304Bがバックプレーン層306Bのエッジの上に突出するように、絶縁層304Bよりも短く切除される。同様に、絶縁層304Bは、デバイス層302Bよりも短く切除されるか、あるいはより詳しくはデバイス層302Bの下部電極よりも短く切除される。予め切除した層が一つに積層されてモジュールA’,B’を形成した後、モジュールがキャリア基板308に取り付けられ、モジュールA’のバックプレーン306AとモジュールB’のデバイス層302Bの下部電極との間に電気接続が形成される。図3に示された例では、高くした部分312を備えた導電性接着剤310により接続が形成され、高くした部分312は下部電極との接触を形成すると同時に、モジュールB’のバックプレーン306Bとの望ましくない接触を回避する。
【0043】
図4A-4Bは、導電性接着剤の使用を減らした図3に示した方法の変更態様を示す。第1および第2デバイスモジュールA”,B”が、予め切断されたデバイス層402A,402B、絶縁層404A,404Bおよびバックプレーン層406A,406Bから組み立てられ、キャリア基板408に取り付けられる。図4Bに示されるように、デバイス層402A、下部電極405Aおよび絶縁層404Aを貫通して電気接点403Aが形成される。絶縁層404Bの前方エッジおよびモジュールB”のバックプレーン406Bが図3に関して上述したようにデバイス層402Bに対して切除される。しかしながら、通電を容易にするため、モジュールA”のバックプレーン406Aの後方エッジはデバイス層402Aおよび絶縁層404Aの後方エッジを越えて延びる。その結果、モジュールB”のデバイス層402BはモジュールA”のバックプレーン406Aとオーバラップする。バックプレーン406Aの露出部分407Aの導電性接着剤412の隆起部分は、図4Bに示されるように、デバイス層402Bの下部電極405Bの露出部分と電気接触を形
成する。
【0044】
上述した方法の好ましい実施形態では、個々のモジュールが例えば上述したように製作され、次に収率を高めるためにソートされ得る。例えば、光電子効率、開回路電圧、短絡回路電流、充填比のような1または複数の性能特性に関して2つ以上のデバイスモジュールを試験することが可能である。性能特性の合格規準を満たすかまたは超えるデバイスモジュールは、アレイで使用され得るが、合格規準を満たさないデバイスモジュールは廃棄され得る。合格基準の例には、光電子効率または開回路電圧に対する閾値や許容範囲が含まれる。デバイスモジュールを個別にソートし、それらをアレイに形成することにより、デバイスのアレイをモノリシックに構成するよりも高い収率が得られる。
【0045】
透明導電層とバックプレーンの間の電気接点120の議論では、バイアが形成され、絶縁材で覆われ、導電性材料で充填された。別の実施形態では、透明導電層とバックプレーンの接続は電気接触の一部として下部電極の一部を使用して達成されてもよい。図5A-5Hは、それがどのように実現可能であるかの例を示している。詳細には、透明導電層502(例えばAl:ZnO、i:ZnO)、活性層504(例えばCIGS)、下部電極506(例えば100μmAl)、絶縁層508(例えば50μm PET)およびバックプレーン510(例えば25μmAl)を備えた構造500(図5Aに図示)から開始される。好ましくはバックプレーン510は絶縁層508として絶縁性接着剤を使用して下部電極506に積層された薄いアルミニウムテープの形をしている。これは製造を非常に容易にし、材料コストを低減させる。
【0046】
電気接続512は、図5Bに示されるような1または複数の位置で下部電極506とバックプレーンの510の間で形成され得る。例えば、レーザ溶接を例えば使用して、スポット溶接部が絶縁層508を貫通するように形成され得る。そのようなプロセスは一つのステップで電気接続を形成できるため魅力的である。代わりに、電気接続512は、バックプレーン510および絶縁層508を通って下部電極までブラインド孔をドリルで形成し、そのブラインド孔をハンダまたは導電性接着剤のような導電性材料で充填するプロセスにより形成することも可能である。
【0047】
その後、図5Cに示されるように、電気接続512の周囲に閉ループ(例えば円形)にトレンチ514が形成される。閉ループトレンチ514は、透明導電層502、活性層504および下部電極506を通ってバックプレーン510まで切り抜いている。トレンチ514は、下部電極506、活性層504および透明導電層502の一部を、構造500の残りの部分から分離する。レーザマシニング等の技術がトレンチ514を形成するために使用されてもよい。レーザ溶接がある1つのレーザ光線との電気接続512を形成し、第2レーザ光線がトレンチ514を形成する場合、2つのレーザ光線は互いに構造500の反対側から予め整列され得る。2つのレーザが予め整列されていると、電気接続512およびトレンチ514が一回の工程で形成可能であり、そのため全体の処理速度が向上する。
【0048】
分離トレンチを形成するプロセスにより、透明導電層502と下部電極506の間には電気短絡回路511,517が生じ得る。トレンチ514の外側壁513に形成された望ましくない短絡回路511を電気絶縁するために、図5Dに示されるように、透明導電層および活性層を貫通して下部電極506まで分離トレンチ516が形成される。分離トレンチ516は閉ループトレンチ514を包囲し、トレンチの外側壁513の短絡回路511を構造500の残りの部分から電気絶縁する。レーザスクライビングプロセスにより分離トレンチ516が形成され得る。材料をより薄い厚みでスクライブすると、分離トレンチ516の形成に起因する望ましくない短絡回路が生じる可能性が低下する。
【0049】
透明導電層502と下部電極506の間のすべての短絡回路が望ましくないとは限らない。トレンチ514の内側壁515に沿った電気的短絡517は、電気接続512に所望の電気的通路の一部を提供し得る。十分な量の望ましい短絡が存在する場合、電気接触は図5Eおよび5Fに示すように完了され得る。最初に、例えば図5Eに示されたような真ん中に孔がある「ドーナツ」のパターンで、閉ループトレンチ514および分離トレンチ516の中に絶縁材518が配置される。次に、図Fに示されたように、トレンチ514により包囲された分離部分と、分離部分とを含む構造500の一部の上に、電気導電性フィンガー520が配置される。絶縁材518は、導電性フィンガー520を形成するのに適する程度に十分に平面な表面を提供するように配置され得る。その後、フィンガー520、分離部分内の透明導電層、トレンチ514の内壁の電気的短絡517、トレンチ514の内部の下部電極506の部分および電気接続512を介して、トレンチ514の外側の非分離部分の透明導電層502とバックプレーン510との間で電気接触が形成される。
【0050】
代わりに、もし短絡517が十分な電気接点を提供しない場合には、ドリリングおよび充填プロセスがフィンガー520と下部電極506の分離部分との間の電気接点を提供してもよい。図5G-5Iに示された代替実施形態では、絶縁材料518’が図5Gに示されるように配置される場合、絶縁材518’が分離部分をカバーすることが可能である。分離部分をカバーする絶縁材518’は、図5Hに示されるように開口部519を介して下部電極506を露出させるように、透明導電層502および活性層504の対応部分と共に、レーザマシニングもしくはドリリングまたはパンチングのような機械的プロセスにより除去されてもよい。導電性材料520’は上述したように導電性フィンガーを形成する。図5Iに示されるように、導電性材料は開口部519を介して露出された下部電極506と接点を形成し、所望の電気接触を完成させる。
【0051】
図5A-5Iに関して上述された技術にはいくつかの変更態様があることに注意する。例えば、いくつかの実施形態では、閉ループトレンチが形成されて絶縁材料が充填された後で、電気接続512を形成することが望ましい。電気接触を形成する上述のプロセスにはいくつかの利点がある。プロセスの工程が単純化される。バックプレーンを完全に覆うことを心配せずに、絶縁層を容易に配置することが簡単である。このプロセスは、フィンガー520,520’を配置するための平坦な表面を可能にする。レーザ溶接により信頼性の高い電気接触を下部電極506とバックプレーン510の間に形成することができる。さらに、100%の収率を損なうことなく電気短絡を分離することができる。
【0052】
本発明の実施形態は、直列に接続している光電子デバイスの大規模アレイの、比較的低コストな製造を容易にする。バックプレーンと透明導電層がデバイスモジュールのそれらの層を貫通する接点を通じて接続された結果、シート抵抗が減少するため、大型装置が直列に接続され得る。導電トレースはシート抵抗をさらに減少させることが可能である。大型装置はより少ない接続で配列することができる。
【0053】
例示の目的であるが、本明細書に記載した例は直列に接続されたわずか2つの光電子デバイスモジュールのみを示しているが、3つ以上のそのようなデバイスモジュールが本発明の実施形態に従ってそのように接続可能である。
【0054】
本明細書で議論し引用した刊行物はもっぱら本願の出願日前の開示のために与えられたものである。本願発明が、先の発明によってそのような刊行物よりも前に予期できたものではないことを認めるものとして解釈されるべきではない。さらに、与えられた刊行物の日付は、それぞれに確認される必要がある実際の公表日とは異なっている場合がある。刊行物が引用されているものに関連する構造および/方法について開示および記載するために、本明細書で言及した刊行物はすべて参照により本明細書に組み込まれる。例えば20
05年1月20日出願の米国特許出願出願番号第11/039,053号および2005年8月16日出願の米国特許出願出願番号第11/207,157号はすべての目的でその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【0055】
上記のものは本発明の好ましい実施形態を十分に説明したものであるが、種々の代替物、改変物および等価物を使用することが可能である。したがって、本発明の範囲は上記の説明に関して決定されるべきではなく、特許請求の範囲と、それらの等価物の全範囲とに関して決定されるべきである。好むか好まざるかに関わらない本明細書で説明したいかなる特徴も、好むか好まざるかに関わらない本明細書で説明した他の特徴と組み合わせることが可能である。数詞を限定しない名詞は、特段明示しない限り、単数と複数の両方を含む。請求項は、「~のための手段」というフレーズを用いて請求項が明示的に記載されていない限り、ミーンズプラスファンクションの限定を含むものとして解釈されるべきではな