JP2000507393A - 耐候性かつ耐腐食性を備えた層構造 - Google Patents

耐候性かつ耐腐食性を備えた層構造

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Abstract

(57)【要約】 耐候性および耐腐食性層構造。たとえば太陽電池の、少なくとも1つの感腐食性および/または感湿性層を備えた層構造の耐候性および耐腐食性カプセル化構成を形成するために、遮断層がこの層上に配置される。この遮断層には、窒化チタン、窒化モリブデン、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、および酸化窒化ケイ素製の薄膜が提案されている。遮断層は、太陽電池で周知の追加積層構造と結合することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 耐候性かつ耐腐食性を備えた層構造 本発明は、少なくとも感湿性および/または感腐食性を備えた層を基板の上に 形成した層構造に関し、具体的には、光学活性および/または電気活性薄層(薄 膜)に関する。こうした層は、たとえば光学部品または電気部品に配置されてい る。その例としては、検出器、太陽電池または太陽モジュールなどの放射線感知 部品や、表示装置などの光電部品、中でもLCD(液晶表示)画面がある。 市場が要求している品質要件を満たすために、太陽モジュールは一連の様々な 検査手順をうまく通過しなければならない。こうした検査の1つは、太陽モジュ ールの耐候性を検査するよう意図されているもので、湿度−熱気候検査である。 周知の標準IEC1214によると、この場合には、こうしたモジュールは、な かんずく、85パーセントの相対空気湿度で85℃の温度に1000時間さらさ れる。 ホウ素添加酸化亜鉛電極層を備えた積層型太陽モジュールは、この検査手順に おいて著しく厳しい劣化を示している。言い換えれば、気候検査の後では許容で きないほど効率が低下した。この主な原因は、温度が上がるとホウ素添加CVD 酸化亜鉛層の水蒸気に対する導電性が不安定になることである。複数の検査電極 をもつ積層型酸化亜鉛層だけしか備えてない積層は検査で実証できたのだが、こ うした層のシート抵抗は検査の後で103を越える値分上昇して、1kΩ/スク エアの値になる。しかし、太陽モジュールで高充填率を達成するには10Ω/ス クエア未満の値が必要である。これは、接着性膜および適切なら第2ガラス板の 助けを借りた積層構造の単純なカプセル化では達成できない。 銅−インジウム(ガリウム)2亜セレン化物(CIGS(Copper-Indium(Gall ium)Diselenide))からなる薄膜太陽モジュールには、別の感候性および感腐食 性部品がある。この場合は、保護のない気候検査条件または従来の積層構造でし か保護されてない気候検査条件にさらされている表面で吸収材が劣化現象を示し ている。気候とは無関係の劣化がさらに、モリブデンから形成された背面電極、 すなわち、CIGS吸収材層との境界面で発生する。 積層体、なかでも太陽モジュールに湿気が拡散しないようにする1つの可能な 方法は、湿気の拡散距離を長くすることである。ホウ素添加酸化亜鉛層の劣化は 、15cmを越える十分に広い縁部をもつ積層体ではかなり遅くなる。しかし、 こうした広い縁部は、非活性モジュール面の面積の比率が高くなるので太陽モジ ュールの場合には受け入れられない。 ファサードや窓をつくる断熱性窓ガラスの場合には、ガラス版は感湿性薄層で 被覆されるが、この薄層は、今までのところ、たとえば2重に積層されたガラス 板に湿気吸収材を含有することで精巧な方法で保護される必要がある。 本発明の目的は、単純で過度に高い製造コストをかけることなく製造可能で、 指定された検査条件では従来通りに使用されても一層堅牢になる湿気および/ま たは腐食に反応しない層構造を特定することである。 この目的は、請求項1による層構造により本発明により達成される。本発明の 好ましい改善ならびに層構造を製造する方法が以下の請求項に見いだされる。 驚くべきことであるが、感湿性および/または感腐食性層は、気候誘導、なか でも湿気または腐食誘導劣化からは、層上に直接付加された追加遮断層により単 純に保護することができることが判明している。こうした追加遮断層を用いると 、たとえば、性能がそれほど低下することなく視認できる腐食損傷もない、導入 部で述べられた湿気−熱の気候検査に耐える薄膜太陽モジュールを獲得すること が可能である。 本発明の好ましい改良では、層構造は、電気または光学部品の一部である。こ うした部品の遮断層は、水蒸気遮断層および/または耐食性光学反応構成部品お よび/または絶縁遮断層で覆われた電位差で動作する構成部品を備え、他方で、 電位差のない層は導電遮断層で覆われている。 本発明の意味での感湿性および/または感腐食性層は、薄膜または厚膜として 付加可能な基板接着層であり、アモルファス性、多結晶性または金属性である。 本発明の好ましい実施例では、追加遮断層は、酸化アルミニウムAl2O3、窒 化ケイ素Si3N4、窒化チタンTiN、窒化モリブデンMoNおよび酸化窒化ケ イ素SiOxNyから選択された薄膜である。こうした薄膜は、単純で製造の費用 効果がよく、感湿性または感腐食性層またはこの層を含む部品または層構造の製 造工程で単純に統合可能である。層または層構造そのものが薄膜構造のときは特 にそうである。 結果として、本発明による層構造を製造するには追加装置は不必要である。遮 断層は被覆層の機能に一致し、たとえば、光透過性、電導性または絶縁性なので 、層構造には悪影響を及ぼさない。この遮断層は、層構造を含む光学部品または 電気部品の動作を損なうこともなく、前記の部品の特性を損なうこともない。 前記薄膜遮断層は、周知の方法により、緊密な、すなわち、無孔性で光透過性 かつ縁部被覆層として積層可能である。こうした層をつくる際の緊密性または無 孔性に応じて、湿気および/または腐食性に対する完全な保護を保証するために は遮断層の厚みは100nmであれば十分である。もちろん、遮断層を厚くする のも可能であるが不必要である。完全に無孔性ではなく、完全に均質ではなく、 縁部を十分被覆しているわけではない遮断層を形成する積層工程の場合には、層 を厚くすることもできる。極めて局所の製造工程が層構造になされる場合には、 遮断層による良好な縁部被覆のために最高で約2μmの層の厚みが選択される。 良好な縁部被覆は、CVD方法により達成される。プラズマ支援CVD方法は 、可能な最低の積層温度に関しては、緊密なだけでなく縁部を良好に被覆する厚 み の薄い遮断層を製造するのが特に好ましい。 遮断層は、電気または光学機能層として使用される大半の材料に対して良好に 接着する。適切なら、接着促進層をさらに追加する必要がある。 本発明による層構造は、従来の層構造に対する追加層として、1つまたは希望 されただけの数の層からなる遮断層を備えているので、前記の遮断層は、たとえ ば、積層構造による従来の被覆方法で被覆することもできる。太陽モジュールで は、この層構造は、特に、少なくとも1つのプラスチック層ならびに、適切なら 、保護膜および/または被覆ガラス板から成る積層体である。プラスチック層は 、被覆膜および、適切なら、ガラス板も積層されるホットメルト接着層であるの が好ましい。遮断層上では、他の構成部分を、注型用樹脂層または他の注封材料 などの他の被覆で追加的または代替的に覆ったり包装したりすることができる。 宇宙空間に適切であったり、そこでのみ使用可能な太陽電池に本発明を適用す る場合には、遮断層は、太陽電池の保護のための最頂部の被覆層としては十分で ある。 本発明による遮断層は、積層構造に特に適切である、というのはこの目的のた めに使用された従来のホットメルト接着層上またはその下への接着性が良好なた めである。ホットメルト接着層、したがって、積層構造全体の良好な接着性は、 密封性を一層改良することになる。このため湿気が層構造と積層体の間の境界お よび/または遮断層および積層体の間の境界に沿って拡散するのが防げる。 本発明による層構造では、遮断層は、保護される層の上に、側壁を含む後者の 層の全面が覆われるように縁部被覆方式で配置される。感知層の側部に向けて、 遮断層は耐候性層で終端する。これらの層は、湿気および/または高温多湿環境 に関し保護性を備え、後者の層に比較的長くさらされた後でさえ、全く腐食性を 示すこともなければ、他に不利益になる変化が発生するわけでもない。 遮断層は、上部および側部から感湿性の薄膜を囲み、下縁部においてガラスか ら構成される基板、たとえば、金属層またはパッシベーション層で終端する。パ ッシベーション層は遮断層と同様である。遮断層に対してすでに参照された材料 に加えて、酸化ケイ素も特定の用途には適切である。チタンや窒化モリブデンは 導電性をもち、さらに、特に固く傷がつきにくい。したがって、それらは電極層 のパッシベーション層にふさわしい。この電極層は、特に、金属製なので、原則 として、なかでも薄膜構成要素の下方電極として使用されたものの腐食に反応す る。上記の層すべての上で、遮断層は良好な接着性を示しているので、湿気から 保護され、これらの層との湿密で化学耐性のある境界面を形成する。 本発明の実施例では、層構造は、少なくとも2つの電極を備えた電気部品であ る。1方の電極は基板のすぐ上に配置された電極層から形成されている。この電 極層は、前記電極を作成するために構成されるので、統合された直列相互接続薄 膜太陽モジュールに特に適切な種類の電極構造を形成する。 必要な電極構造に加えて、少なくとも2つの電極の電気接続は、この下方電極 層からも形成でき、構成部品の領域から横方向に出る。こうした構成の利点は、 たとえば半田付けされた電気接続部を備えた従来の構成と比較して、追加構造工 程なしに特に平たんに形成できる。このため本発明による遮断層による縁部被覆 が容易になる。 遮断層の下の構成要索の層構造から出て第1電極層から形成された電気接続部 は、この場合、耐腐食金属から構成される。しかし、これらの接続部は、前記導 電性パッシベーション層、中でも窒化チタンまたはモリブデン層で被覆されるの が好ましい。パッシベーション層は下方電極層を完全に覆い、後者の層に応じて 構造化できる。電気接続部の領域でのみ、特に、接続部が遮断層の下から出てい る領域でのみ、パッシベーション層で下方電極層を覆うこともできる。 本発明の他の有益な改良点は、上記のCIGS薄膜太陽モジュールに関する。 たとえばドイツ特許DE44 42 824 C1で開示されたように、太陽電池の最大の効率 を引きだすためには規定のアルカリ量がCIGS吸収層に必要となる。ガラス基 板が使用されている場合、ガラス基板または背部電極層のすぐ上のアルカリ遮断 層によってしかCIGS吸収層の規定のアルカリ量は達成できないので、こうし た遮断層に対しては、基部または背部電極上のパッシベーション層として設計さ れた本発明による遮断層を使用することが有益である。窒化チタンまたはモリブ デンからなる遮断層は、外部に導出している電気接続部のパッシベーション層ま たは下方電極全体の遮断層としての役割も同時に果たす。遮断層は、太陽電池上 の追加遮断層に特に良好な接着性を備えており、したがって、その追加遮断層と 特に良好で緊密な境界面を形成することになる。 耐候性の層構造−−本件では薄膜構成−−を製造する本発明による方法を、例 示実施例を用いるとともに関連する8つの図を参照しながら以下により詳細に説 明する。 図1は、感候性薄膜を備えた検査構成の概略横断面である。 図2ないし図5は、耐候性層構成の概略横断面である。 図6は、概略横断面を用いて、遮断層を付加する前に複数の分離溝を形成した 層構成を示す。 図7および図8は、直接に接続された薄膜太陽電池の概略横断面を用いて本発 明の特定の適用分野を示す。 図1は、検査構造の役割をもつ周知のようにカプセル封じされた薄膜構成を示 す。厚みが1.5μmのホウ素添加酸化亜鉛層2が、厚みが2mmの窓ガラス板 (ソーダ石灰ガラス)を含む担体1に塗布される。これは担体1が周辺縁部領域 で自由になるようにCVD方法で実行される。次いで、酸化亜鉛層2の表面導電 性が確実に定められるように、金属接触片3を両側にハンダ付けされる。次に、 従来の積層構造5が、約0.5mmの厚みのEVA膜を援用して、約160℃で 、被覆上に積層することで層2や金属片3上に形成される。積層構造には、薄膜 構 成の両側までの基板と1cm重なる領域がある。 次に、この検査構造を、85℃で、1000時間の間、空気湿度85パーセン トの大気にさらす。この場合には、ホウ素添加酸化亜鉛層のシート抵抗は、気候 検査の後で2、3桁上昇することが判明した。この理由はこれまで知られてなか った。 図2は、本発明による第1構造を示す。この構造では、基板1上に配置され電 極細片3が付加されているホウ素添加酸化亜鉛層2が再び検査構造として使用さ れる。本発明によると、遮断層4がこの構成上に付加される。例示実施例では、 たとえば200ないし300℃の低処理温度で実行可能なプラズマCVD方法が この適用分野に使用される。この例では、厚みが約0.5ないし2μm、中でも 0.8μmの窒化ケイ素からなる遮断層4は200℃で積層される。薄膜2が遮 断層4で完全に被覆されるように実行される。同様の方法を用いると、遮断層と して同様に電気絶縁性のAl2O3およびSiOxNy層を代替層として積層するこ ともできる。積層構造5は、図1の場合にすでに記載されたようにこの層の上に 塗布される。 本発明による薄膜構成を気候検査しても、検出可能な劣化は発生しない。言い 換えれば、薄膜の初期表面導電性は低下しない。説明したように、このパラメー タは、湿気の変化を検出する良好な探針となるので、この検査の結果は、本発明 によるカプセル化構成の効率が高くなることを示している。 図3は、感湿性層、具体的には、薄膜2が基板1上の下方電極3aと上方電極 3bの間に配置されている層構造の概略横断面である。局所形態の追加工程を回 避しできるだけ平坦な構成に到達するためには、下方電極層3aの構造化により 基板のすぐ上に電気接続部6が形成される。電気接続部6を介して下方電極3a と接触している間に、上方電極3bは電気接続部6’に接続され、この電気接続 部6’は構造線により下方電極3aから電気絶縁されている。次に、遮断層4は 上記の構成上に付加され、上方電極3bと薄膜2を完全に覆う。遮断層のマスク 式塗布または以後の構造化の結果として、電気接続部6と6’は露呈し、遮断層 4により覆われることはなくなる。 例示された構成要素の耐候性カプセル化構成は、図1または図2に応じて積層 構造5を塗布することにより補強することができる。例示実施例では、電気接続 部6および6’はこの場合積層から自由である。薄膜構成部品は、たとえば、太 陽電池である。 図4は、本発明の他の実施例を示す。構造化されるまえに下方電極層3aが金 属性導電パッシベーション層7で完全に被覆されることが、図3による実施例と は異なる。別の構造は図3を参照した例示実施例に相当する。 この方法で達成すると、たとえば感腐食性金属から構成できる下方電極層は、 湿気や他の外的腐食促進効果に対して導電性パッシベーション層7により同様に 保護される。 この構成は、たとえばCIGS太陽電池で実現される。この太陽電池は、ガラ ス基板1と、モリブデン背部電極3aと、窒化チタンまたは窒化モリブデンパッ シベーション層7と、半導体接合部をもつCIGS吸収層を備えた薄膜2、なら びにホウ素添加酸化亜鉛電極のような上方電極3bから構成される。遮断層4は 、CVDまたはプラズマCVDにより塗布された酸化アルミニウム、窒化ケイ素 または酸化窒化ケイ素から成る薄膜である。 下方電極層3aが電気接続部6と6’の領域でのみ導電性パッシベーション層 7と7’で被覆されているとことが、図5による例示実施例は図4を参照して説 明された例示実施例とは異なる。この目的のため、下方電極層3aの構造化の直 前に、マスクをかけてパッシベーション層を塗布するか、または全領域にその層 を塗布して、その後その層を構造化することが可能である。しかし、薄膜2を塗 布し、上方電極層3bを塗布した後でパッシベーション層7と7’を形成するこ ともできる。 どの場合にも、パッシベーション層は、反応性スパッタ法またはプラズマ支援 CVD法などの薄膜法を用いて積層またはスパッタされる。窒化チタン層の場合 は、たとえば厚みが100ないし150nmであれば十分である。 図6は、概略横断面を用いて、耐候性層まで到達する2つの分離溝8により2 つの電極3aと3bの間に配置された薄膜2を構造化する可能な方法が示されて おり、分離溝8に遮断層4(図示せず)を塗布して、遮断層とその下の耐候性層 の耐候性密封または接着が達成されている。図6による例では、下方電極3a上 のパッシベーション層7は耐候性層としての役割を果たす。しかし、分離溝8中 では、たとえばガラスから構成されている基板1や耐腐食性電極層3aを露呈さ せることが可能である。これらの場合では、パッシベーション層7の全領域塗布 が処置される。 図7と図8は、薄膜設計の統合型連続接続太陽電池を備えた太陽モジュールの 概略横断面図で本発明の他の改良構成を示している。太陽電池は、たとえば、基 板1に塗布されており、下方電極3aと、半導体構造を備えた薄膜2と、上方電 極3bとから構成されている。太陽電池は、たとえば、細片形状で構造化され、 細片の形状で隣接太陽電池との連続相互接続が細片形状で上方電極3bを下方電 極3aの隣接片まで導くことにより確保される。 3つの構造化工程は、図7に示す薄膜太陽電池構成を製造するのに必要である 。第1構造化工程は、下方電極3aを構造化し、第2工程は半導体層(薄膜)2 を構造化し、第3工程は上方電極3bを分離する。後者の構造化工程では、半導 体層(薄膜2)または下方電極層3aが露呈される。下方電極3aまで到達する 構造化溝P3は図7に図示されている。 次いで、図8は、構造化溝P3が縁部被覆遮断層を塗布することで充填され、 過形成させて平準化される方法を示す。遮断層4は、この場合、層構造上に突出 する領域に塗布され、電気接続部6と6’にも重なる。次に、遮断層4は、電気 接続部6と6’上で再び部分的に除去可能であり、この方法では、例えば金属細 片9に半田付けすることで外部電気接続が可能になる。 半田点が損傷しないように、積層温度に応じて遮断層4の積層条件が選択され ている場合には、本発明の他の設計では、半田点が遮断層4によっても被覆され るように、金属細片9が半田付けされた後で、遮断層を塗布することも可能であ る。この方法では、下方電極3aのパッシベーション層(7)が処置できる。 本発明は、望ましい層構造、中でも、感候性および感腐食性層を備えた広領域 薄膜構成の耐候性および耐腐食性カプセル化構造を提供できる。本発明は、太陽 電池の耐候性カプセル化構造に特にふさわしいが、当然のことながら、それに制 限されるわけではない。本発明は、高温および/または多湿の環境にさらされる 薄膜構成にとくに適している。当然のことながら、これは、こうした腐食促進環 境条件に通常は露呈されることがない層構造にも適用される。
【手続補正書】特許法第184条の8第1項 【提出日】1998年2月5日(1998.2.5) 【補正内容】 請求の範囲 1. 光学および/または電気的に活性化しかつ基板(1)上に配置された層 構造であって、 少なくとも1つの感腐食および/または感湿性層(2)と、 前記感腐食および/または感湿性層(2)上に配置された少なくとも1つの遮 断層(4)とを備え、 前記遮断層(4)は薄膜でありかつAl2O3、Si3N4、TiN、MoNおよ びSiOxNyから選択され、 遮断層(4)は、感腐食性および/または感湿性層(2)を含む構造の側部に 至る前記基板(1)、金属層またはパッシベーション層(7)で終端することを 特徴とする層構造。 2. 少なくとも1つのプラスチック層を備えた積層構造(5)が遮断層(4 )上に配置されている請求項1に記載の層構造。 3. 気密に縁部を被覆するように遮断層(4)が形成されている請求項1ま たは2に記載の層構造。 4. 電気または光学構成部品の一部であり、 光で活性化する構成部品および/または電位差で動作する構成部品が絶縁性水 蒸気遮断または耐腐食層で被覆され、 電位差のない層が導電性水蒸気遮断または耐腐食層により被覆されている請求 項1ないし3のいずれかに記載の層構造。 5. 下方電極層(3a)が、少なくとも電気接続部(6、6’)の領域の導 電性遮断またはパッシベーション層(7)で被覆される請求項1ないし4のいず れかに記載の層構造。 6. 太陽電池または太陽モジュールとして設計される請求項5に記載の層構 造。 7. 遮断層(4)が基板(1)上に配置された感熱性および/または感腐食 性層(2)上に縁部を被覆するように積層され、 遮断層はMoN、TiN、Al2O3、Si3N4およびSiOxNyから選択され 、 遮断層は100nmないし2μmの厚みまで積層され、 周辺連続分離溝(8)は最初に薄膜(2)に作成され、溝では、薄膜構造の耐 候層の表面が露呈しており、 前記薄膜(2)は、前記遮断層が分離溝の中で耐候層の表面で終端するように 、遮断層(4)により表面上および全側縁部上が被覆される、耐候性および耐腐 食性層構造を製造する方法。 8. 遮断層(4)は選択的プラズマ支援CVD方法により積層されている請 求項7に記載の方法。 9. 少なくとも1つのプラスチック層を備えた積層構造(5)は遮断層(4 )上に追加塗布される請求項7または8のいずれかに記載の方法。 10. 太陽電池および太陽モジュールの耐候性カプセル化のための請求項7 ないし9のいずれかに記載の方法の使用。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L U,MC,NL,PT,SE),CN,JP,US (72)発明者 フォルカー、プロブシュト ドイツ連邦共和国ミュンヘン、エリーラン トシュトラーセ、13 (72)発明者 ヘルマン、カルバー ドイツ連邦共和国ミュンヘン、シュールシ ュトラーセ、37

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1. 光学および/または電気的に活性化しかつ基板(1)上に配置された層 構造であって、 少なくとも1つの感腐食および/または感湿性層(2)と、 前記感腐食および/または感湿性層(2)上に配置された少なくとも1つの遮 断層(4)とを備え、 前記遮断層(4)は薄膜でありかつAl2O3、Si3N4、TiN、MoNおよ びSiOxNyから選択されることを特徴とする層構造。 2. 少なくとも1つのプラスチック層を備えた積層構造(5)が遮断層(4 )上に配置されている請求項1に記載の層構造。 3. 遮断層(4)は気密に縁部を被覆するように形成されている請求項1ま たは2に記載の層構造。 4. 遮断層(4)は、感腐食性および/または感湿性層(2)を含む構造の 側部に至る前記基板(1)、金属層またはパッシベーション層(7)で終端する 請求項1ないし3のいずれかに記載の層構造。 5. 電気または光学構成部品の一部であり、 光で活性化する構成部品および/または電位差で動作する構成部品が絶縁性水 蒸気遮断または耐腐食層で被覆され、 電位差のない層が導電性水蒸気遮断または耐腐食層により被覆されている請求 項1ないし4のいずれかに記載の層構造。 6. 下方電極層(3a)が、少なくとも電気接続部(6、6’)の領域の導 電性遮断またはパッシベーション層(7)で被覆される請求項1ないし5のいず れかに記載の層構造。 7. 太陽電池または太陽モジュールとして設計される請求項6に記載の層構 造。 8. 遮断層(4)が基板(1)上に配置された感熱性および/または感腐食 性層(2)上に縁部を被覆するように積層され、 遮断層はMoN、TiN、Al2O3、Si3N4およびSiOxNyから選択され 、 遮断層は100nmないし2μmの厚みまで積層された、耐候性および耐腐食 性層構造を製造する方法。 9. 遮断層(4)は選択的プラズマ支援CVD方法により積層されている請 求項8に記載の方法。 10. 周辺連続分離溝(8)は最初に薄膜(2)に作成され、溝では、薄膜 構造の耐候層の表面が露呈しており、 前記薄膜(2)は、前記遮断層が分離溝の中で耐候層の表面で終端するように 、遮断層(4)により表面上および全側縁部上が被覆される請求項8および9の いずれか一方に記載の方法。 11. 少なくとも1つのプラスチック層を備えた積層構造(5)は遮断層( 4)上に追加塗布される請求項8ないし10のいずれかに記載の方法。 12. 太陽電池および太陽モジュールの耐候性カプセル化構成の請求項8な いし11のいずれかに記載の方法の使用。
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