JP5901773B2 - 直列接続部を含む薄膜ソーラーモジュール、及び、複数の薄膜ソーラーセルを直列接続する方法 - Google Patents
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Description
本発明は、直列接続部を含む薄膜ソーラーモジュール、及び、複数の薄膜ソーラーセルを直列接続して薄膜ソーラーモジュールを製造する方法に関する。
太陽光を電気エネルギへ直接に変換する積層体状の光起電装置はよく知られている。各層の材料及び配置形態は、入射光が１つもしくは複数の半導体層に捕捉され、できるだけ高い光効率で直接に電流へ変換されるように調整される。平坦な広がりを有する積層体状の光起電装置はソーラーセルと称される。
ソーラーセルはいずれの場合にも半導体材料を含む。充分な機械的安定性を得るために支持体基板を必要とするソーラーセルは薄膜ソーラーセルと称されている。特に、物理的特性と技術的な取り扱いとの点で、アモルファスもしくはマイクロアモルファスもしくは多結晶のケイ素、又は、カドミウムテルル化物ＣｄＴｅ、又は、ガリウムヒ化物ＧａＡｓ、又は、銅インジウム／ガリウムセレン化物／硫化物Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓ，Ｓｅ）２、又は、銅亜鉛錫硫化物／セレン化物（黄錫亜鉛鉱群ＣＺＴＳ）、又は、有機半導体材料などを含む薄膜層列が、特にソーラーセルに適している。５価の半導体Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓ，Ｓｅ）２は黄銅鉱半導体群に属し、しばしばＣＩＳ（銅インジウム二セレン化物もしくは銅インジウム二硫化物）又はＣＩＧＳ（銅インジウムガリウム二セレン化物、銅インジウムガリウム二硫化物もしくは銅インジウムガリウム二硫化セレン化物）と称される。ＣＩＧＳなる略号におけるＳとは、セレン又は硫黄又は黄銅鉱混合物を表している。
薄膜ソーラーセルに対する公知の支持体基板は、無機のガラス、ポリマー、金属もしくは金属合金を含み、層厚さ及び材料特性に依存して、剛板又は可撓性シートとして構成される。こうした支持体基板は広汎に適用可能でありかつ簡単にモノリシックな直列接続を行えるため、複数の薄膜ソーラーセルから低コストに大面積のモジュールを製造することができる。
複数のソーラーセルを接続した電気回路は光起電モジュール又はソーラーモジュールと称される。ソーラーセルの回路は、天候に対して安定な公知の構造体内で用いられ、環境影響から持続的に保護される。通常、鉄含有量の少ないナトロンチョークガラスと接着媒介剤としてのポリマーシートとがソーラーセルに接合されて、天候に対して安定な光起電モジュールが形成される。光起電モジュールは端子ソケットを介して複数の光起電モジュールを含む回路に組み込まれる。複数の光起電モジュールから成る回路は、公知のパワーエレクトロニクス回路を介して、開放された給電回路網もしくは自律的な電気エネルギ供給部に接続される。
薄膜ソーラーモジュールの直列回路では、通常、直列接続部が集積されて用いられている。集積された直列接続部では、活性のセル面が複数の縦条片へ分割され、各縦条片が個々の薄膜ソーラーセルとなる。個々の薄膜ソーラーセルはその長辺で隣のセルに直列接続される。この場合、後部電極層と光活性半導体層と前部電極層とは複数のパターニング線ＰＲ，ＰＡ，ＰＦによって分割され、第１の領域の後部電極層が第２のパターニング線ＰＡを介して隣の領域の前部電極層へ接続される。
実際には、個々の薄膜ソーラーセルの効率は各セルの幅が増大するにしたがって低下することがわかっている。ソーラーモジュールの損失を抑えるには、個々のセル幅は、使用されるセルパターンにしたがって、ＣＩＳソーラーモジュールでは約１ｃｍ、また、アモルファスケイ素のソーラーモジュールでは１ｃｍから１．５ｃｍを上回ってはならない。大きな幅のソーラーセルを含む薄膜ソーラーモジュールは、電圧が小さく電流が大きくなるため、特定の用途、例えばバッテリ充電の用途に対しては有利である。
したがって、本発明の課題は、個々の薄膜ソーラーセルが広い幅で配置されている場合（直接接続された個々のソーラーセルのモジュール面積当たりの個数が小さい場合）にも高い効率を有する薄膜ソーラーモジュールを提供することである。
この課題は、請求項１記載の直列接続部を含む薄膜ソーラーモジュールによって解決される。有利な実施態様は従属請求項から得られる。
また、本発明は複数の薄膜ソーラーセルを直列接続して薄膜ソーラーモジュールを製造する方法に関する。
さらに、本発明の方法の使用も別の請求項に記載されている。
個々の薄膜ソーラーセルは主として３つの層から成っている。（光入射面の反対側の）後部電極層と、前部電極層と、その間に設けられる光活性半導体層との３層である。光入射によって生じる電流は、ソーラーセル内では、まず３つのパターニング線ＰＲ，ＰＡ，ＰＦに対して垂直に前部電極層で収集され、ついで第２のパターニング線ＰＡへ伝導され、そこから下方へ向かって隣のセルの後部電極層へ伝導される。
当該設計の基本的特性は、直列接続方向で、前部電極層において電流密度が強く増大すること、又は、後部電極層において電流密度が低下することである。通常高導電率を有する金属から形成される後部電極層に比べ、前部電極層は少なくとも係数２、多くの場合に係数１０から１００程度も低い導電率を有する。これは、高い透光性が要求されるために前部電極層にはあまり強いドープがなされないうえ、層が薄膜化されていることに起因している。前部電極層の導電率が低いため、著しく大きな抵抗損失が生じ、これはソーラーセルに対する横断方向で非線形に増大する。セル幅を大きく低減すれば抵抗損失を低下させることはできるが、この場合にはパターニング線ＰＲ，ＰＡ，ＰＦの本数すなわち光起電的に不活性な面の面積の割合が増えるため、活性面の損失も増大する。モジュール幅が定められている場合、個々のセル数ひいてはソーラーモジュールの全電圧が広い領域で変化してはならない。つまり、光活性半導体層及び前部電極層の光電特性が所定であるときの最適セル幅ｗｏｐｔはかなり狭い範囲に入っていなければならない。
本発明の課題の解決手段は、金属製の後部電極層の充分な伝導性を活用して、ふつうであれば前部電極層で引き取られるべき電流の流れを支援することである。このために、個々のソーラーセルは、厳密な長方形ではなく、長辺に切欠を有する形状に構成される。この切欠において、伝導性の小さい前部電極層の電流が、後部電極層を通り、特別な打ち抜きによって形成された第２のパターニング線ＰＡを介して引き取られる。これにより、電流収集に必要な前部電極層内の流路平均距離は低減される。こうして、直列抵抗損失が小さくなり、薄膜ソーラーモジュールの電気特性を調整する際に新たな自由度が得られる。所定の基板フォーマットで、個々のソーラーセルの数ひいてはソーラーモジュールの電圧対電流比をほぼ任意に選定できる。特に、光起電モジュールによるバッテリ充電の適用分野では、これは決定的な前提条件である。また、その他の適用分野においても、小さな電圧及び大きな電流を有するモジュール、例えば大規模な太陽光発電設備において複数のソーラーセルが直列接続された長いチェーンを構成できるので有利である。
ゆえに、本発明の直列接続部を含む薄膜ソーラーモジュールは、少なくとも、
・複数のパターニング線ＰＲによって分割された後部電極層と、
・後部電極層上に配置され、複数のパターニング線ＰＡによって分割された光活性半導体層と、
・後部電極層とは反対側の光活性半導体層上に配置され、複数のパターニング線ＰＦによって分割された前部電極層と
を含む。
・複数のパターニング線ＰＲによって分割された後部電極層と、
・後部電極層上に配置され、複数のパターニング線ＰＡによって分割された光活性半導体層と、
・後部電極層とは反対側の光活性半導体層上に配置され、複数のパターニング線ＰＦによって分割された前部電極層と
を含む。
パターニング線ＰＡを介して、隣り合う個々のセルの前部電極層と後部電極層との電気的接続が行われる。なお、複数の切欠及び複数のエッジを含む第１のパターニング線ＰＲと、複数の切欠及び複数のエッジを含む第２のパターニング線ＰＡとは、光起電半導体層で形成された電流の、前部電極層を通る流路の平均距離が低減されるような相互関係で、形成される。
なお、本発明におけるエッジとは、各パターニング線ＰＡ，ＰＲ，ＰＦのうち切欠以外の部分である。
本発明の薄膜ソーラーモジュールはいわゆる下部基板コンフィグレーション又はいわゆる上部基板コンフィグレーションとして構成される。どちらのコンフィグレーションにおいても、プレート状の絶縁材料上に半導体性の複数の薄い金属層が配設された構造体が用いられる。
本発明の直列接続部を含む薄膜ソーラーモジュールは、下部基板コンフィグレーションの場合、少なくとも、
・基板上に配置され、複数のパターニング線ＰＲによって分割された後部電極層と、
・後部電極層上に配置され、複数のパターニング線ＰＡによって分割された光活性半導体層と、
・光活性半導体層上に配置され、複数のパターニング線ＰＦによって複数の領域へ分割された前部電極層と
を含み、ここで、第１の領域の前部電極層が第２の領域の後部電極層に直列に電気的に接続され、複数の切欠及び複数のエッジを含むパターニング線ＰＲと複数の切欠及び複数のエッジを含むパターニング線ＰＡとが、光活性半導体層で形成された電流の、前部電極層を通る流路の平均距離が低下するような相互関係で、形成される。
・基板上に配置され、複数のパターニング線ＰＲによって分割された後部電極層と、
・後部電極層上に配置され、複数のパターニング線ＰＡによって分割された光活性半導体層と、
・光活性半導体層上に配置され、複数のパターニング線ＰＦによって複数の領域へ分割された前部電極層と
を含み、ここで、第１の領域の前部電極層が第２の領域の後部電極層に直列に電気的に接続され、複数の切欠及び複数のエッジを含むパターニング線ＰＲと複数の切欠及び複数のエッジを含むパターニング線ＰＡとが、光活性半導体層で形成された電流の、前部電極層を通る流路の平均距離が低下するような相互関係で、形成される。
本発明の薄膜ソーラーモジュールの有利な実施形態では、前部電極層と光活性半導体層とは複数のパターニング線ＰＦによって複数の領域へ分割される。
基板は、例えば、比較的小さい透光性を有するガラスから形成され、実行されるプロセスステップに対して所望の耐性及び不活性特性を有する他の電気的絶縁性材料を使用することができる。
高導電率を有する後部電極層は、金属、例えば、モリブデンＭｏ又はアルミニウムＡｌ又は銅Ｃｕ又はチタンＴｉを含み、例えば蒸着法又は磁場支援カソード噴霧法によって基板へ塗布される。後部電極層は第１のパターニング線ＰＲによって分割される。
後部電極層上には光活性半導体層が設けられ、この層によって各パターニング線ＰＲが充填される。光活性半導体層としては、薄膜ソーラーセルの製造に適した積層構造体が用いられる。こうした積層構造体は、有利には、種々のドープ物質を含むアモルファスもしくはマイクロアモルファスもしくは多結晶のケイ素、又は、カドミウムテルル化物ＣｄＴｅ、又は、ガリウムヒ化物ＧａＡｓ、又は、銅亜鉛錫硫化物／セレン化物ＣＺＴＳ、又は、有機半導体、又は、銅インジウム／ガリウムセレン化物／硫化物Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓ，Ｓｅ）２を含む。光活性半導体層は少なくともパターニング線ＰＡによって分割され、さらに付加的にパターニング線ＰＦによって分割されることもある。
光活性半導体層上には少なくとも１つの前部電極層が配置される。前部電極層はソーラーセルのスペクトル感度の領域の光に対して一貫して透明であるので、入射してくる太陽光は僅かしか減衰しない。前部電極層が光活性半導体層内のパターニング線ＰＡを充填することにより、第１の領域の前部電極層が第２の領域の後部電極層へ直列に接続される。
前部電極層は、有利には、透明導電性金属酸化物、特に亜鉛酸化物ＺｎＯ、又は、アルミニウムがドープされた亜鉛酸化物ＺｎＯ：Ａｌ、又は、ホウ素がドープされた亜鉛酸化物ＺｎＯ：Ｂ、又は、インジウムがドープされた亜鉛酸化物ＺｎＯ：Ｉｎ、又は、ガリウムがドープされた亜鉛酸化物ＺｎＯ：Ｇａ、又は、フッ素がドープされた錫酸化物ＳｎＯ２：Ｆ、又は、アンチモンがドープされた錫酸化物ＳｎＯ２：Ｓｂ、又は、インジウム錫酸化物ＩＴＯを含む。前部電極層は、例えば蒸着法、化学気相蒸着法ＣＶＤ、磁場支援カソード噴霧法などによって、光活性半導体層上に塗布される。前部電極層を堆積する前に、光電特性を改善するために、（例えばＩＩ族‐ＶＩ族半導体又はＩＩＩ族‐Ｖ族半導体から成る）付加的な薄いバッファ層を塗布することもできる。
下部基板コンフィグレーションでは、前部電極層及び場合により光活性半導体層は複数のパターニング線ＰＦによって分割され、これにより、薄膜ソーラーモジュールの個々の薄膜ソーラーセルが相互に直列接続される。
本発明の直列接続部を含む薄膜ソーラーモジュールは、上部基板コンフィグレーションの場合、少なくとも、
・透明基板上に配置され、複数のパターニング線ＰＦによって分割された前部電極層と、
・前部電極層上に配置され、複数のパターニング線ＰＡによって分割された光活性半導体層と、
・光活性半導体層上に配置され、少なくとも複数のパターニング線ＰＲによって複数の領域へ分割された後部電極層と
を含み、ここで、第１の領域の後部電極層が第２の領域の前部電極層へ直列に接続され、複数の切欠及び複数のエッジを含むパターニング線ＰＲと複数の切欠及び複数のエッジを含むパターニング線ＰＡとが、光活性半導体層で形成される電流の、前部電極層を通る流路の平均距離が低減されるような相互関係で、形成される。
・透明基板上に配置され、複数のパターニング線ＰＦによって分割された前部電極層と、
・前部電極層上に配置され、複数のパターニング線ＰＡによって分割された光活性半導体層と、
・光活性半導体層上に配置され、少なくとも複数のパターニング線ＰＲによって複数の領域へ分割された後部電極層と
を含み、ここで、第１の領域の後部電極層が第２の領域の前部電極層へ直列に接続され、複数の切欠及び複数のエッジを含むパターニング線ＰＲと複数の切欠及び複数のエッジを含むパターニング線ＰＡとが、光活性半導体層で形成される電流の、前部電極層を通る流路の平均距離が低減されるような相互関係で、形成される。
上部基板コンフィグレーションの構成では、透明基板のうち光入射面とは反対側の表面に設けられた積層構造体によって実現される。透明基板は例えば鉄含有量の小さいエクストラホワイト色のガラスから形成される。この場合、実行されるプロセスステップに対する所望の耐性及び不活性特性と電気的絶縁性及び透光性とを有する別の材料も利用可能である。
本発明の薄膜ソーラーモジュールの実施形態では、第１のパターニング線ＰＦによって前部電極層が分割され、第２のパターニング線ＰＡによって光活性半導体層が分割され、第３のパターニング線ＰＲによって、少なくとも後部電極層が分割され、さらに場合によりこれに接する吸収層も分割される。個々の薄膜ソーラーセルの直列接続は、この場合、第１の領域の後部電極層を第２の領域の前部電極層に接続することによって行われる。
本発明の薄膜ソーラーモジュールでは、複数の切欠及び複数のエッジを含むパターニング線ＰＲと複数の切欠及び複数のエッジを含むパターニング線ＰＡとが、光活性半導体層で形成される電流の、前部電極層を通る流路の平均距離が低減されるような相互関係で、形成される。
光活性半導体層で形成された電流は前部電極層によって収集され、第２のパターニング線ＰＡを介して、直列接続方向で見て続く薄膜ソーラーセルの後部電極層へ伝導される。第２のパターニング線ＰＡの切欠により、電流は薄膜ソーラーセルの長手方向もしくは直列接続方向に対して平行な直線流路で前部電極層を通っては流れず、電気抵抗の最も小さい流路へ流れるようになる。第２のパターニング線ＰＡの切欠により、前部電極層の種々の領域から第２のパターニング線ＰＡまでの平均距離が低減される。これにより、光活性半導体層で形成された電流の、前部電極層を通る流路の平均距離は低減され、前部電極層を介した平均電気抵抗も低下する。電流は第２のパターニング線ＰＡを介して良好な伝導率を有する後部電極層へ伝導される。これにより、薄膜ソーラーセルの全抵抗が低下する。
本発明の薄膜ソーラーモジュールの有利な実施形態では、パターニング線ＰＦにも同様に複数の切欠及び複数のエッジが形成される。こうした手段により、各薄膜ソーラーセルのうち光起電的に活性な面の面積が拡大される。なぜなら、第２のパターニング線ＰＡとその隣の第３のパターニング線ＰＲとの間の光起電的に不活性の面の面積が縮小されるからである。
本発明の薄膜ソーラーモジュールの別の有利な実施形態では、いずれかのパターニング線ＰＲ；ＰＡ；ＰＦの各切欠、又は、各パターニング線ＰＲ，ＰＡ，ＰＦの各切欠は、鋭角的に切れ込むように形成される。
本発明の薄膜ソーラーモジュールの別の有利な実施形態では、少なくとも１つのパターニング線ＰＲ；ＰＡ；ＰＦの各切欠は、三角形状に形成される。
本発明の薄膜ソーラーモジュールの別の有利な実施形態では、パターニング線ＰＡの各切欠は線形もしくは四角形状に形成される。パターニング線ＰＡのこうした形状は、技術的に特に簡単に実現可能である。
本発明の薄膜ソーラーモジュールの別の有利な実施形態では、隣り合うパターニング線ＰＲ，ＰＡ，ＰＦの各切欠は少なくとも近似的に並列に形成される。これにより、パターニング線ＰＦ，ＰＡ，ＰＲ間の光起電的に不活性の面の面積が小さくなり、個々の薄膜ソーラーセルの光起電的に活性の面の面積が拡大される。ここで、パターニング線ＰＲ，ＰＡ，ＰＦの各切欠は同じ方向（例えばパターニング線の延在方向に対して垂直な方向）へ配向される。つまり、パターニング線はそれぞれ同じ方向に（例えば延在方向に対して垂直な方向に）深さを有する。したがって、パターニング線ＰＲ，ＰＡ及び場合によりパターニング線ＰＦには同方向の切欠が設けられる。
光活性半導体層で形成された電流（以下では光電流と称する）の、前部電極層を通る流路の平均距離は、有利には、最適セル幅ｗｏｐｔに一致する。
上述したように、個々の薄膜ソーラーセルの効率はソーラーセル幅が増大するにつれて低下する。これは特に、セル幅の増大につれてオーム抵抗が増大した結果、第一義的に、透明な前部電極の導電率が制限されることから生じる。逆に、セル幅が低下すると、パターニング線に必要な、光電的に不活性な面の面積の相対的割合は増大する。これら２つの互いに反対の作用から生じる最適セル幅ｗｏｐｔは、従来の直列接続部では主として個々のソーラーセルの電圧と光電流密度とに依存して定められる。実験から、約０．５Ｖのフリーホイーリング電圧及び比較的高い光電流密度を有するＣＩＳ薄膜ソーラーモジュールもしくはＣＩＧＳ薄膜ソーラーモジュールでの最適セル幅ｗｏｐｔは約５ｍｍから約１０ｍｍであり、有利には４．５ｍｍから６．５ｍｍであると判明している。高いフリーホイーリング電圧及び比較的低い光電流密度を有するソーラーセル、例えばアモルファスのケイ素から成る、フリーホイーリング電圧約０．９Ｖのソーラーセルでは、最適セル幅ｗｏｐｔは約７ｍｍから約１５ｍｍであり、有利には７．５ｍｍから１０．５ｍｍである。
本発明の薄膜ソーラーモジュールの別の有利な実施形態では、パターニング線ＰＲの切欠から隣のセルのパターニング線ＰＦまでの最小間隔ｄは、最適セル幅ｗｏｐｔ以下となるように構成される。当該間隔ｄに関連するパターニング線ＰＦは隣のパターニング線ＰＡの反対側に位置している（例えば図４参照）。関連するパターニング線ＰＡは、直列接続方向で見て前方の薄膜ソーラーセルの前部電極層に接している。
本発明の薄膜ソーラーモジュールの別の有利な実施形態では、パターニング線に沿った切欠の間隔ａは、最適セル幅ｗｏｐｔの２倍以下である。これにより、２つの切欠間に生じる光電流が最適セル幅ｗｏｐｔ以下の経路を通り、パターニング線ＰＡを介して後部電極へ達することが保証されるという利点が得られる。
本発明の薄膜ソーラーモジュールの別の有利な実施形態では、後部電極層は前部電極層よりも低い面積電気抵抗を有しており、有利には係数１０、特に有利には係数１００だけ低い面電気抵抗を有する。これにより、後部電極層のパターニング線ＰＲの切欠の基本幅ｂＰＲを低減することができる。基本幅ｂＰＲが低減されれば、光電的に不活性な面の面積が低下し、ひいては効率を高めることができる。
また、本発明の別の特徴は、いわゆる下部基板コンフィグレーションでの、直列接続部を含む薄膜ソーラーモジュールの製造方法に関しており、この方法では、ａ）後部電極層が基板上に堆積されて、複数の第１のパターニング線ＰＲによって分割され、ｂ）光活性半導体層が後部電極層上に堆積されて複数の第２のパターニング線ＰＡによって分割され、ｃ）前部電極層が光活性半導体層上に堆積され、前部電極層と光活性半導体層とが複数の第３のパターニング線ＰＦによって複数の領域へ分割され、第１の領域の前部電極層と第２の領域の後部電極層とが直列に接続され、切欠及びエッジを含む第１のパターニング線ＰＲと切欠及びエッジを含む第２のパターニング線ＰＡとが、光活性半導体層で形成された電流の、前部電極層を通る流路の平均距離が低減されるような相互関係で、形成される。
さらに、本発明の別の特徴は、いわゆる上部基板コンフィグレーションでの、直列接続部を含む薄膜ソーラーモジュールの製造方法に関しており、この方法では、ａ）前部電極層が透明基板上に堆積されて、複数の第１のパターニング線ＰＦによって分割され、ｂ）光活性半導体層が前部電極層上に堆積されて複数の第２のパターニング線ＰＡによって分割され、ｃ）後部電極層が光活性半導体層上に堆積され、後部電極層と光活性半導体層とが複数の第３のパターニング線ＰＲによって複数の領域へ分割され、第１の領域の後部電極層と第２の領域の前部電極層とが直列に接続され、切欠及びエッジを含む第３のパターニング線ＰＲと切欠及びエッジを含む第２のパターニング線ＰＡとが、光活性半導体層で形成される電流の、前部電極層を通る流路の平均距離が低減されるような相互関係で、形成される。
さらに、本発明の別の特徴は、直列接続部を含む薄膜ソーラーモジュールの製造方法の使用に関しており、上述した製造方法は、特に、アモルファスもしくはマイクロアモルファスもしくは多結晶のケイ素、又は、カドミウムテルル化物（ＣｄＴｅ）、又は、ガリウムヒ化物（ＧａＡｓ）、又は、黄銅鉱ベースの半導体、例えば、銅亜鉛錫硫化物／セレン化物ＣＺＴＳ、又は、黄錫亜鉛鉱ベースの半導体、例えば銅インジウム／ガリウムセレン化物／硫化物Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓ，Ｓｅ）２、又は、有機半導体から成る薄膜ソーラーモジュールの製造に用いられる。
本発明を図示の実施例に則して詳細に説明する。ただし、図は縮尺どおりには描かれていない。また、図示の実施例は本発明を限定するものでない。
図の詳細な説明
図１には、全体として参照番号１で薄膜ソーラーモジュールが示されている。薄膜ソーラーモジュール１は集積された形態で直列接続された複数のソーラーセル１．１，１．２を含んでおり、そのうち２つのセルのみが示されている。図２には図１のモジュールを切断線Ａ−Ａ’に沿って切断した断面図が示されている。方向Ｌは長手方向又はパターニング線に対して平行な方向を表しており、方向Ｑは薄膜ソーラーモジュール１のパターニング線に対して垂直な横断方向を表している。
図１には、全体として参照番号１で薄膜ソーラーモジュールが示されている。薄膜ソーラーモジュール１は集積された形態で直列接続された複数のソーラーセル１．１，１．２を含んでおり、そのうち２つのセルのみが示されている。図２には図１のモジュールを切断線Ａ−Ａ’に沿って切断した断面図が示されている。方向Ｌは長手方向又はパターニング線に対して平行な方向を表しており、方向Ｑは薄膜ソーラーモジュール１のパターニング線に対して垂直な横断方向を表している。
薄膜ソーラーモジュール１はいわゆる下部基板コンフィグレーションに対応する構造を有する。つまり、薄膜ソーラーモジュール１は電気的絶縁性基板２の上方に複数の薄膜層から成る積層構造体１０を有する。積層構造体１０は基板２の光入射面ＩＩＩ上に配置されている。基板２はここでは例えば比較的小さな透光性を有するガラスから成っていてよい（ただしこれに限定されない）。
積層構造体１０は基板２の表面ＩＩＩに設けられた後部電極層３を含む。後部電極層３は複数のパターニング線ＰＲによって分割されている。後部電極層３は、例えば、モリブデンＭｏなどの不透光性の金属を含み、蒸着法もしくは磁場支援カソード噴霧法によって基板２上に堆積される。後部電極層３は１００ｎｍから６００ｎｍの層厚さ、特に有利には５００ｎｍの層厚さを有する。また、後部電極層３は例えば１Ω−２から０．０１Ω−２の面電気抵抗、特に有利には０．１Ω−２の面電気抵抗を有する。
後部電極層３上には光活性半導体層４が堆積されている。光活性半導体層４は複数のパターニング線ＰＡによって分割されている。光活性半導体層４は例えばドープされた半導体を含み、有利には、この半導体のバンドギャップは太陽光のできるだけ多くの成分を吸収できるように選定されている。光活性半導体層４は例えば吸収層４．１とバッファ層４．２とを含む。吸収層４．１は、例えば、ｐ導電型の黄銅鉱半導体、特にＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓ，Ｓｅ）２群の化合物を含む。吸収層４．１は例えば０．５μｍから５μｍの層厚さ、特に有利には約２μｍの層厚さを有する。
吸収層４．１上にはバッファ層４．２が堆積される。当該バッファ層はここでは例えばカドミウム硫化物ＣｄＳの単独層と真性亜鉛酸化物ｉ‐ＺｎＯの単独層とから形成される。ただしこのことは図１では詳細には図示されていない。
バッファ層４．２上には前部電極層５が例えばスパッタリングにより塗布される。前部電極層５はパターニング線ＰＡを充填するので、第１の領域６．１の前部電極層５と第２の領域６．２の後部電極層３との間の電気線路による接続が形成される。前部電極層５は可視スペクトル領域の光に対して透明であり（ウィンドウ電極）、このため入射してくる太陽光は殆ど弱まらない。透明な前部電極層５は、例えばｎ導電型のアルミニウムをドープされた亜鉛酸化物ＺｎＯ：Ａｌなど、ドープ物質を含む金属酸化物をベースとしている。こうした前部電極層５は一般にはＴＣＯ層（透明導電性酸化物層）と称される。前部電極層５とバッファ層４．２と吸収層４．１とによってヘテロ接合領域（すなわち反対の導電型の層どうしが接合した領域）が形成される。この場合、バッファ層４．２によって、吸収層４．１の半導体材料と前部電極層５の材料との間の電子適合性が改善される。前部電極層５は１００ｎｍから２０００ｎｍの層厚さ、特に有利には約１０００ｎｍの層厚さを有する。また、前部電極層５は例えば５Ω−２から２０Ω−２の面電気抵抗、特に有利には約１０Ω−２の面電気抵抗を有する。前部電極層５と光活性半導体層４とは複数のパターニング線ＰＦによって個々の薄膜ソーラーセル１．１，１．２へ分割される。
環境影響に対する保護を達成するために、前部電極層５上に、例えばポリマーから成る接着層８を被着し、これを積層構造体１０のカプセル化に利用することができる。基板２の光入射面ＩＩＩと透明基板９の光出射面ＩＩとは接着層８によって相互に固定に接合される。接着層８はここでは例えば加熱によって可塑変形して冷却時に基板２と透明基板９とを固定に相互接合する熱可塑性接着層である。カプセル化に適した接着層８は例えばポリビニルブチラールＰＶＢのシートもしくはエチレンビニルアセテートＥＶＡのシートである。これらのシートは例えば１ｍｍの厚さを有する。
透明基板９は、例えば、少量の鉄を含有するエクストラホワイト色のガラスから形成される。この場合、実行されるプロセスステップに対して所望の耐性及び不活性特性を有する他の電気的絶縁性材料を使用することもできる。
図１，図２では詳細には示されていないが、基板２と透明基板９との間の周囲空隙は、防水壁として用いられる密閉材料によって密閉される。当該密閉部で水の侵入が防止されることにより、薄膜ソーラーモジュール１の長期安定性が改善され、積層構造体１０の種々の層の腐食が低減される。適切な密閉材料は例えばポリイソブチレンＰＩＢである。
図３には、直列接続された２つの薄膜ソーラーセル１．１，１．２を通る電流が示されている。光活性半導体層４で形成された電流は第１の領域６．１の前部電極層５に収集され、電流路１１に沿ってパターニング線ＰＡへ伝導する。また、第２の領域６．２の後部電極層への電流の伝導もパターニング線ＰＡを介して行われる。
図示の実施例では、薄膜ソーラーモジュール１で得られる正の電圧端子＋と負の電圧端子−とが後部電極層３を介して導通され、そこで電気的にコンタクトされる。本発明の薄膜ソーラーモジュール１は例えば直列接続された約１００個の薄膜ソーラーセル１．１，１，２を含み、約５０Ｖのフリーホイーリング電圧を有する。個々の薄膜ソーラーセルの幅ｃは３ｍｍから２０ｍｍであり、特に有利には１０ｍｍである。
図４には、直列接続された４つの領域６．０，６．１，６．２，６．３のパターニング線ＰＲ，ＰＡ，ＰＲの列が示されている。隣り合うパターニング線ＰＲどうしの間隔又は隣り合うパターニング線ＰＡどうしの間隔は、個々の薄膜ソーラーセル１．１，１．２の幅ｃに相当する。
各パターニング線ＰＲは切欠７．１０を有し、各パターニング線ＰＡは切欠７．２０を有している。隣り合うパターニング線ＰＲとパターニング線ＰＡとは近似的に並列に形成されるか、又は、平行特性を有するように相互に接近して形成される。パターニング線ＰＲの各切欠７．１０間、及び、パターニング線ＰＡの各切欠７．２０間は、それぞれ例えば１２ｍｍの間隔ａを有する。当該間隔ａは６ｍｍの最適セル幅ｗｏｐｔの約２倍に相当する。各切欠７．１０間にはエッジ７．１１に沿った長手方向でパターニング線ＰＲが延在する。各切欠７．１０の基本幅ｂＰＲは例えば２ｍｍである。エッジ７．１１の長さｂ１は例えば１０ｍｍである。パターニング線ＰＡのエッジ７．２１の長さｂ２は例えば１１ｍｍである。パターニング線ＰＲの切欠７．１０から直列接続方向Ｌで見て前隣に位置するパターニング線ＰＦまでの最小間隔ｄは、最適セル幅ｗｏｐｔに相当し、例えば約６ｍｍである。この実施例ではパターニング線ＰＦは切欠なしで構成されており、唯一の一貫したエッジ７．３１を有する。切欠７．１０，７．２０はそれぞれパターニング線ＰＡ，ＰＲの延在方向Ｌに対して垂直に（方向Ｑで）切り欠かれている。
光活性半導体層４で形成された電流の、前部電極層５を通る流路が、矢印１１によって表されている。電流路１１は低抵抗の流路に沿って延在しており、これにより、前部電極層５を通る流路平均距離は、従来技術にしたがって直列接続されたソーラーセルに比べて低減されている。高抵抗の前部電極層５から低抵抗の後部電極層３へと電流輸送を移動させたことにより、薄膜ソーラーセルの全抵抗を低くすることができる。
図５には、代替的構成として、直列接続された４つの領域６．０，６．１，６．２，６．３のパターニング線ＰＲ，ＰＡ，ＰＦが示されている。パターニング線ＰＦは切欠７．３０及びエッジ７．３１を有するように構成されている。隣り合うパターニング線ＰＲ，ＰＡ，ＰＦは近似的に並列に形成されるか又は平行特性を有するように相互に接近して形成される。切欠７．１０，７．２０．７．３０はそれぞれパターニング線ＰＡ，ＰＲ，ＰＦの延在方向Ｌに対して垂直に（方向Ｑで）切り欠かれている。
エッジ７．３１の長さｂ３は例えば１１ｍｍである。これにより、パターニング線ＰＡと隣のパターニング線ＰＦとの間の光起電的に不活性の面の面積が最小化され、個々の薄膜ソーラーセル１．１，１．２，１．３の光起電的に活性の面の面積が拡大される。
図６には、本発明の薄膜ソーラーモジュール１のパターニング線ＰＲ，ＰＡ，ＰＦの別の構成の概略図が示されている。パターニング線ＰＡの切欠７．２０は、この実施例では、線状に構成されている。エッジ７．２１の長さｂ２は、この実施例では、各切欠７．２０間の間隔ａに相当する。
図７には図６の実施例の変形形態が示されている。隣り合う２つの領域のパターニング線ＰＲとパターニング線ＰＦとの間の間隔ｄは、図６に比べて低減されている。ここでは、エッジ７．１１の長さｂ１が増大され、かつ、基本幅ｂＰＲが低減されている。
図８には、本発明の薄膜ソーラーモジュール１のパターニング線ＰＲ，ＰＡ，ＰＦの別の代替的構成の概略図が示されている。パターニング線ＰＲの切欠７．１０及びパターニング線ＰＡの切欠７．２０は、端部が丸められてはいるが、鋭角的に切れ込むように形成されている。パターニング線ＰＲのエッジ７．１１の長さｂ１とパターニング線ＰＡのエッジ７．２１の長さｂ２とは極端な場合には０であってもよく、その場合、パターニング線ＰＲ，ＰＡは端部が丸められた切欠７．１０，７．２０のみから成る。切欠７．２０の端部が丸められた形状により、特に前部電極層５の流路１１の平均距離の効果的な低減が達成される。
図９には、直列接続された２つの薄膜ソーラーセル１．１，１．２を含む本発明の薄膜ソーラーモジュール１の代替的実施例の概略断面図が示されている。薄膜ソーラーモジュール１は、いわゆる上部基板コンフィグレーションに対応する構造、すなわち、透明基板９とそこに堆積された複数の薄膜層から成る積層構造体１０とを含む構造を有する。積層構造体１０は基板９の光出射面ＩＩに設けられている前部電極層５を含み、この前部電極層５は複数のパターニング線ＰＦによって分割されている。前部電極層５上には光活性半導体層４が堆積されている。光活性半導体層４は複数のパターニング線ＰＡによって分割されている。光活性半導体層４上には後部電極層３が設けられており、この後部電極層３は複数のパターニング線ＰＡによって充填されている。後部電極層３及び光活性半導体層４は複数のパターニング線ＰＲによって個々の薄膜ソーラーセル１．１，１．２へ分割されている。個々の薄膜ソーラーセル１．１，１．２の直列接続は、第１の領域６．１の後部電極層３と第２の領域６．１の前部電極層５とを導電接続するパターニング線ＰＡを介して行われる。基板２，９及び積層構造体１０の材料乃至材料パラメータは、図１の薄膜ソーラーモジュール１の下部基板コンフィグレーションの実施例に対応する。吸収層４．１は例えばカドミウムテルル化物ＣｄＴｅなどのｐ導電型の吸収層を含む。
図１０には、本発明の上部基板コンフィグレーションにおける薄膜ソーラーモジュールのパターニング線ＰＲ，ＰＡ，ＰＦの列の概略図が示されている。上部基板コンフィグレーションは例えば図９の実施例にしたがって構成されている。
図１１には、下部基板コンフィグレーションの本発明の薄膜ソーラーモジュール１を直列接続によって製造する方法の詳細なフローチャートが示されている。第１のステップａ）では、後部電極層３が基板２上に堆積され、この後部電極層３が複数のパターニング線ＰＲによって分割される。第２のステップｂ）では、光活性半導体層４が後部電極層３上に堆積され、この光活性半導体層４が複数のパターニング線ＰＡによって分割される。第３のステップｃ）では、前部電極層５が光活性半導体層４上に堆積され、前部電極層５と光活性半導体層４とが複数のパターニング線ＰＦによって複数の領域６へ分割され、ここで、第１の領域６の前部電極層５が第２の領域６の後部電極層３へ直列に接続される。この場合、切欠７．１０及びエッジ７．１１を有するパターニング線ＰＲと切欠７．２０及びエッジ７．２１を有するパターニング線ＰＡとは、光活性半導体層４で形成される電流の、前部電極層５を通る流路の平均距離が低減されるような相互関係で、形成される。
パターニング線ＰＲ，ＰＡ，ＰＦのための切欠形成は、適切なパターニング技術、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザーを用いたレーザー描画、又は、エンボスもしくはリセスを形成する機械加工などを利用して行われる。
図１２には、上部基板コンフィグレーションの本発明の薄膜ソーラーモジュール１を直列接続によって製造する方法の変形実施例のフローチャートが示されている。第１のステップａ）では、前部電極層５が透明基板９上に堆積され、この前部電極層５が複数のパターニング線ＰＲによって分割される。第２のステップｂ）では、光活性半導体層４が前部電極層５上に堆積され、この光活性半導体層４が複数のパターニング線ＰＡによって分割される。第３のステップｃ）では、後部電極層３が光活性半導体層４上に堆積され、後部電極層３と光活性半導体層４とが複数のパターニング線ＰＲによって複数の領域６へ分割され、ここで、第１の領域６の後部電極層３が第２の領域６の前部電極層５へ直列に接続される。この場合、切欠７．１０及びエッジ７．１１を有するパターニング線ＰＲと切欠７．２０及びエッジ７．２１を有するパターニング線ＰＡとは、光活性半導体層４で形成された電流の、前部電極層５を通る流路の平均距離が低減されるような相互関係で、形成される。
１ 薄膜ソーラーモジュール、 １．１，１．２，１．３ 薄膜ソーラーセル、 ２ 基板、 ３ 後部電極層、 ４ 光活性半導体層、 ４．１ 吸収層、 ４．２ バッファ層、 ５ 前部電極層、 ６；６．０，６．１，６．２，６．３ 領域、 ７．１０，７．２０，７．３０ 切欠、 ７．１１，７．２１，７．３１ エッジ、 ８ 接着層、 ９ 透明基板、 １０ 積層構造体、 １１ 電流（流路）、 ａ 各切欠間の間隔、 ｂ１ エッジ７．１１の長さ、 ｂ２ エッジ７．２１の長さ、 ｂ３ エッジ７．３１の長さ、 ＢＦ 前部電極層の領域、 ｂＰＲ 切欠７．１０の基本幅、 ＢＲ 後部電極層の領域、 ｃ 各薄膜ソーラーセルの幅、 ｄ 間隔、 ｗｏｐｔ 最適セル幅、 ＰＲ，ＰＡ，ＰＦ パターニング線、 ＩＩ 透明基板の光出射面、 ＩＩＩ 基板の光入射面、 Ｑ 横断方向、 Ｌ 長手方向（直列接続方向）、 Ａ−Ａ’ 切断線
Claims (14)
- 直列接続部を含む薄膜ソーラーモジュール（１）であって、少なくとも、
・複数のパターニング線ＰＲによって複数の領域ＢＲへ分割されている後部電極層（３）と、
・前記後部電極層（３）上に配置されており、複数のパターニング線ＰＡによって分割されている光活性半導体層（４）と、
・前記後部電極層（３）とは反対側の前記光活性半導体層（４）上に配置されており、複数のパターニング線ＰＦによって複数の領域ＢＦへ分割されている前部電極層（５）と、
を含んでおり、
前記薄膜ソーラーモジュール（１）は、長手方向（Ｌ）と横断方向（Ｑ）を有しており、前記パターニング線ＰＲ，ＰＡ及びＰＦは、前記長手方向（Ｌ）に沿って延在しており、
前記前部電極層（５）の各領域ＢＦは隣の前記後部電極層（３）の各領域ＢＲに前記複数のパターニング線ＰＡを介して直列に電気的に接続されており、
前記パターニング線ＰＲにはそれぞれ、該パターニング線ＰＲの延在方向に対して垂直な方向に切り欠かれた複数の切欠（７．１０）と、該複数の切欠（７．１０）間において前記パターニング線ＰＲの延在方向に延びている複数の直線部（７．１１）と、が設けられており、
前記パターニング線ＰＡにはそれぞれ、該パターニング線ＰＡの延在方向に対して垂直な方向に切り欠かれた複数の切欠（７．２０）と、該複数の切欠（７．２０）間において前記パターニング線ＰＡの延在方向に延びている複数の直線部（７．２１）と、が設けられており、
前記複数の切欠（７．１０）及び前記複数の直線部（７．１１）を含む前記パターニング線ＰＲと、前記複数の切欠（７．２０）及び前記複数の直線部（７．２１）を含む前記パターニング線ＰＡとは、前記光活性半導体層（４）で形成された電流の、前記前部電極層（５）を通る流路の平均距離が低減されて抵抗損失が低下するような相互関係で、形成されている
ことを特徴とする薄膜ソーラーモジュール（１）。 - 前記パターニング線ＰＦはそれぞれ、前記パターニング線ＰＦの延在方向に対して垂直な方向に切り欠かれた複数の切欠（７．３０）と、該複数の切欠（７．３０）間において前記パターニング線ＰＦの延在方向に延びている複数の直線部（７．３１）と、を含むように構成されている、
請求項１記載の薄膜ソーラーモジュール（１）。 - 前記パターニング線ＰＲ，又は前記パターニング線ＰＲ及びＰＡ，又は前記パターニング線ＰＲ及びＰＡ及びＰＦのいずれかの各切欠（７．１０，７．２０，７．３０）は、鋭角的に切れ込むように形成されている、
請求項１又は２記載の薄膜ソーラーモジュール（１）。 - 前記パターニング線ＰＲ又はＰＡ又はＰＦの少なくとも１つの各切欠（７．１０又は７．２０又は７．３０）は、三角形状に形成されている、
請求項１から３までのいずれか１項記載の薄膜ソーラーモジュール（１）。 - 前記パターニング線ＰＡの各切欠（７．２０）は線状もしくは四角形状に形成されている、
請求項１から４までのいずれか１項記載の薄膜ソーラーモジュール（１）。 - 隣り合うパターニング線ＰＲ，ＰＡ，ＰＦの各切欠（７，１０，７．２０，７．３０）は少なくとも近似的に相互に並列に形成されている、
請求項１から５までのいずれか１項記載の薄膜ソーラーモジュール（１）。 - 前記後部電極層（３）は、前記前部電極層（５）に比べて、有利には係数１０、特に有利には係数１００、低い面電気抵抗を有する、
請求項１から６までのいずれか１項記載の薄膜ソーラーモジュール（１）。 - 前記パターニング線ＰＲの切欠（７．１０）から隣の領域の前記パターニング線ＰＦまでの最小間隔ｄは、５ｍｍから１５ｍｍの最適セル幅ｗｏｐｔ以下である、
請求項１から７までのいずれか１項記載の薄膜ソーラーモジュール（１）。 - 前記パターニング線ＰＲの各切欠（７．１０）間の間隔ａは、５ｍｍから１５ｍｍの最適セル幅ｗｏｐｔ以下である、
請求項８記載の薄膜ソーラーモジュール（１）。 - 前記後部電極層（３）は金属を含み、例えば前記金属はモリブデン（Ｍｏ）又はアルミニウム（Ａｌ）又は銅（Ｃｕ）又はチタン（Ｔｉ）であり、及び／又は、前記前部電極層（５）は透明導電性金属酸化物の層を含み、例えば前記透明導電性金属酸化物は亜鉛酸化物（ＺｎＯ）又はアルミニウムがドープされた亜鉛酸化物（ＺｎＯ：Ａｌ）又はホウ素がドープされた亜鉛酸化物（ＺｎＯ：Ｂ）又はインジウムがドープされた亜鉛酸化物（ＺｎＯ：Ｉｎ）又はガリウムがドープされた亜鉛酸化物（ＺｎＯ：Ｇａ）又はフッ素がドープされた錫酸化物（ＳｎＯ２：Ｆ）又はアンチモンがドープされた錫酸化物（ＳｎＯ２：Ｓｂ）又はインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）である、
請求項１から９までのいずれか１項記載の薄膜ソーラーモジュール（１）。 - 前記光活性半導体層（４）は、アモルファスもしくはマイクロアモルファスもしくは多結晶のケイ素、又は、カドミウムテルル化物（ＣｄＴｅ）、又は、有機半導体、又は、ガリウムヒ化物（ＧａＡｓ）、又は、黄銅鉱ベースの半導体もしくは黄錫亜鉛鉱ベースの半導体を含む、
請求項１から１０までのいずれか１項記載の薄膜ソーラーモジュール（１）。 - 請求項１記載の薄膜ソーラーモジュール（１）の製造及び直列接続方法であって、
ａ）基板（２）上に後部電極層（３）を堆積し、該後部電極層（３）を複数のパターニング線ＰＲによって分割し、
ｂ）前記後部電極層（３）上に光活性半導体層（４）を堆積し、該光活性半導体層（４）を複数のパターニング線ＰＡによって分割し、
ｃ）前記光活性半導体層（４）上に前部電極層（５）を堆積し、該前部電極層（５）と前記光活性半導体層（４）とを複数のパターニング線ＰＦによって複数の領域（６）へ分割し、第１の領域（６）の前記前部電極層（５）と第２の領域（６）の前記後部電極層（３）とを直列に接続し、
複数の切欠（７．１０）及び複数の直線部（７．１１）を含む前記パターニング線ＰＲと複数の切欠（７．２０）及び複数の直線部（７．２１）を含む前記パターニング線ＰＡとを、前記光活性半導体層（４）で形成された電流の、前記前部電極層（５）を通る流路の平均距離が低減されて抵抗損失が低下するような相互関係で、形成する、
ことを特徴とする直列接続部を含む薄膜ソーラーモジュールの製造方法。 - 請求項１記載の薄膜ソーラーモジュール（１）の製造及び直列接続方法であって、
ａ）透明基板（９）上に前部電極層（５）を堆積し、該前部電極層（５）を複数のパターニング線ＰＦによって分割し、
ｂ）前記前部電極層（５）上に光活性半導体層（４）を堆積し、該光活性半導体層（４）を複数のパターニング線ＰＡによって分割し、
ｃ）前記光活性半導体層（４）上に後部電極層（３）を堆積し、該後部電極層（３）と前記光活性半導体層（４）とを複数のパターニング線ＰＲによって複数の領域（６）へ分割し、第１の領域（６）の前記後部電極層（３）と第２の領域（６）の前記前部電極層（５）とを直列に接続し、
複数の切欠（７．１０）及び複数の直線部（７．１１）を含む前記パターニング線ＰＲと複数の切欠（７．２０）及び複数の直線部（７．２１）を含む前記パターニング線ＰＡとを、前記光活性半導体層（４）で形成された電流の、前記前部電極層（５）を通る流路の平均距離が低減されて抵抗損失が低下するような相互関係で、形成する、
ことを特徴とする直列接続による薄膜ソーラーモジュールの製造方法。 - 請求項１２又は１３記載の薄膜ソーラーモジュールの製造及び直列接続方法を、例えば、アモルファスもしくはマイクロアモルファスもしくは多結晶のケイ素、又は、カドミウムテルル化物（ＣｄＴｅ）、又は、ガリウムヒ化物（ＧａＡｓ）、又は、黄銅鉱ベースの半導体、又は、黄錫亜鉛鉱ベースの半導体、又は、有機半導体から成る薄膜ソーラーモジュールの製造に用いる使用。
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