JP5902199B2 - 太陽電池及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池及びその製造方法に関するものである。

最近、エネルギーの需要が増加するにつれて、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換させる太陽電池に対する開発が進められている。

特に、ガラス基板、金属後面電極層、ｐ型ＣＩＧＳ系光吸収層、高抵抗バッファ層、ｎ型透明電極層などを含む基板構造のｐｎヘテロ接合装置であるＣＩＧＳ系太陽電池が広く使われている。

また、このような太陽電池の効率を増加させるために多様な研究が進行中である。

米国特許出願公開第２０１０／０１８６８１６号明細書

本発明の目的は、向上した光−電変換効率を有する太陽電池及びその製造方法を提供することにある。

本発明の一実施形態に従う太陽電池は、支持基板、前記支持基板の上に配置される透明電極層、前記透明電極層の上に配置されるバッファ層、前記バッファ層の上に配置される光吸収層、前記光吸収層の上に配置される裏面電極層、及び前記透明電極層の上面に形成され、第１斜面及び第２斜面を有する複数のリセスを含む。

また、本発明の一実施形態に従う太陽電池の製造方法は、基板の上に透明電極層を形成するステップ、前記透明電極層の上面に第１斜面及び第２斜面を含む複数のリセスを形成するステップ、前記透明電極層の上にバッファ層を形成するステップ、前記バッファ層の上に光吸収層を形成するステップ、及び前記光吸収層の上に裏面電極層を形成するステップを含む。

本発明によれば、基板をエッチングして光吸収層の表面積が増加した太陽電池を提供する。これによって、外部の太陽光を効率的に吸収し、向上した光−電変換効率を有する。

本発明の実施形態に従う太陽電池を示す断面図である。 図１でＡの部分拡大図である。 太陽電池の製造方法を示す図である。 太陽電池の製造方法を示す図である。 太陽電池の製造方法を示す図である。 太陽電池の製造方法を示す図である。

本発明を説明するに当たって、各基板、層、膜、または電極などが、各基板、層、膜、または電極などの“上（on）”に、または“下（under）”に形成されることと記載される場合において、“上（on）”と“下（under）”は、“直接（directly）”または“他の構成要素を介して（indirectly）”形成されるものを全て含む。また、各構成要素の上または下に対する基準は、図面を基準として説明する。図面において、各構成要素のサイズは説明のために誇張することがあり、実際に適用されるサイズを意味するものではない。

図１は本発明の実施形態に従う太陽電池を示す断面図であり、図２は図１でＡの部分拡大図である。

図１及び図２を参照すると、実施形態に従う太陽電池は、支持基板１００、透明電極層２００、バッファ層３００、光吸収層４００、及び裏面電極層５００を含む。

前記支持基板１００はプレート形状を有し、前記透明電極層２００、バッファ層３００、光吸収層４００、及び裏面電極層５００を支持する。

前記支持基板１００は絶縁体でありうる。前記支持基板１００はガラス基板（Glass Substrate）、プラスチック基板、または金属基板でありうる。より詳しくは、前記支持基板１００はソーダライムガラス（soda lime glass）基板でありうる。

前記支持基板１００がソーダライムガラスに使われる場合、ソーダライムガラスに含まれたナトリウム（Ｎａ）が太陽電池の製造工程中にＣＩＧＳで形成された光吸収層４００に拡散できるが、これによって光吸収層４００の電荷濃度が増加するようになることができる。これは、太陽電池の光電変換効率を増加させることができる要因となることができる。

以外に、支持基板１００の材質にアルミナのようなセラミック基板、ステンレススチール、柔軟性のある高分子などが使われることもできる。前記支持基板１００は透明であることがあり、リジッドであるか、またはフレキシブルであることができる。

前記支持基板１００の上には透明電極層２００が形成できる。前記透明電極層２００は透明であり、導電層であって、ウィンドウ層として作用することができる。前記透明電極層２００は酸化物を含む。例えば、前記透明電極層２００は、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＩＴＯ（indium-tin oxide）、ＩＧＺＯ（indium-gallium-zinc oxide）、ＺｎＯ、ＡＺＯ（Aluminium-zinc oxide；ＺｎＯ：Ａｌ）、ＳｎＯ_２、ＦＴＯ（Fluorine-doped tin oxide；ＳｎＯ_２：Ｆ）、ＡＴＯ（Aluminium-tin oxide；ＳｎＯ_２：Ａｌ）などを含むことができる。

また、前記酸化物はアルミニウム（Ａｌ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、マグネシウム（Ｍｇ）、またはガリウム（Ｇａ）などの導電性不純物を含むことができる。より詳しくは、前記透明電極層２００はアルミニウムドーピングされたジンクオキサイド（Al doped zinc oxide；ＡＺＯ）またはガリウムドーピングされたジンクオキサイド（Ga doped zinc oxide；ＧＺＯ）などを含むことができる。

前記透明電極層２００の上面には複数のリセス２５０が形成される。前記複数のリセス２５０は前記透明電極層２００の一部がエッチングされて形成できる。

前記複数のリセス２５０により透明電極層２００及び光吸収層３００の面積が増加して太陽入射角が経時変化する時、太陽光の入射角度によって光を吸収することができる有効面積が増加するので、発電時間が増加する効果がある。

前記複数のリセス２５０の間の間隔（ｄ）は１μｍ乃至２μｍの範囲に形成されることが好ましい。

前記透明電極層２００の厚さ（ｈ）があまり厚ければ、太陽電池の透過率が低下することがあるので、このような点を考慮して前記透明電極層２００の厚さ（ｈ）は０．５μｍ乃至１μｍの範囲に形成することが好ましい。

前記複数のリセス２５０は前記範囲内で各々異なる形成長さを有することができる。前記複数のリセス２５０が形成される厚さは前記透明電極層２００厚さの１０％乃至７０％の範囲を有することができる。

前記複数のリセス２５０により透明電極層２００が突出し、前記透明電極層２００の上に積層されるバッファ層３００、光吸収層４００、及び裏面電極層５００が前記複数のリセス２５０が形成された位置に対応して連続的に突出してワッフル（waffle）構造を形成するようになる。この際、断面は四角形に形成できるが、これに対して限定するものではない。

前記複数のリセス２５０により透明電極層２００は上部へ行くほど幅が狭くなる突出構造を有するように形成できる。また、これと反対に上部へ行くほど幅が広くなる形状に形成されることもできる。

結果的に、前記複数のリセス２５０により光を吸収する光吸収層４００の面積が増加するので、外部の太陽光を効率的に吸収し、向上した光−電変換効率を有する。

前記バッファ層３００は前記透明電極層２００の上に配置される。本発明のように、ＣＩＧＳ化合物を光吸収層４００に有する太陽電池は、ｐ型半導体であるＣＩＧＳ化合物薄膜とｎ型半導体である透明電極層２００の薄膜との間にｐｎ接合を形成する。しかしながら、２物質は格子定数とバンドギャップエネルギーの差が大きいため、良好な接合を形成するためにはバンドギャップが２物質の中間に位置するバッファ層が必要である。

このようなバッファ層３００用の材料には硫化カドミウム（ＣｄＳ）が利用できるが、重金属であるＣｄを使用しないＺｎＳ、ＭｎＳ、Ｚｎ（Ｏ、Ｓ）、ＺｎＳｅ、（Ｚｎ、Ｉｎ）Ｓｅ、Ｉｎ（ＯＨ、Ｓ）、Ｉｎ_２Ｓ_２などが利用できる。バッファ層３００を形成するための方法には、化学浴蒸着（chemical bath deposition）方式やＩＬＧＡＲ（ion layer gas reaction）方式、あるいは真空下で蒸着させる方法が用いられることができ、１０〜５００ｎｍの厚さでありうる。このようなバッファ層３００は効率向上の面で助けになるが、太陽電池が作動するに当たって必ず必要なものではない。

前記バッファ層３００の上には光吸収層４００が形成できる。前記光吸収層４００はｐ型半導体化合物を含む。より詳しくは、前記光吸収層４００はＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族系化合物を含む。例えば、前記光吸収層４００は銅−インジウム−ガリウム−セレナイド系（Ｃｕ（Ｉｎ、Ｇａ）Ｓｅ_２；ＣＩＧＳ系）結晶構造、銅−インジウム−セレナイド系、または銅−ガリウム−セレナイド系結晶構造を有することができる。前記光吸収層４００のエネルギーバンドギャップ（band gap）は約１ｅＶ乃至１．８ｅＶでありうる。

前記光吸収層４００の上には裏面電極層５００が形成できる。前記裏面電極層５００は導電層である。前記裏面電極層５００は太陽電池のうち、前記光吸収層４００で生成された電荷が移動するようにして太陽電池の外部に電流を流れるようにすることができる。前記裏面電極層５００は、このような機能を遂行するために電気伝導度が高く、比抵抗が小さくなければならない。

また、前記裏面電極層５００は、ＣＩＧＳ化合物形成時に伴われる硫黄（Ｓ）またはセレニウム（Ｓｅ）雰囲気下での熱処理時、高温安全性が維持されなければならない。

このような裏面電極層５００は、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、及び銅（Ｃｕ）のうち、いずれか１つで形成できる。そのうち、特にモリブデン（Ｍｏ）は前述した裏面電極層５００に要求される特性を全般的に満たすことができる。

前記裏面電極層５００は２つ以上の層を含むことができる。この際、各々の層は同一な金属で形成されるか、互いに異なる金属で形成できる。

本発明の実施形態に従う太陽電池によれば、屈曲を有する光吸収層を形成することによって、太陽光発電装置に入射される光の量を効果的に吸収して光−電変換効率が向上できる。

また、既存の薄膜太陽電池構造とは反対に、ウィンドウ層が透明な基板と接するように形成されるため、空気／ガラス／透明電極層の屈折率の差が緩やかな構造で形成されるので、太陽電池に入射された光の反射損失が少なくて、向上した光−電変換効率を有し、ウィンドウ層が水（Ｈ_２Ｏ）または酸素（Ｏ_２）などにより酸化されて電気的特性が悪化することを防止できるので、信頼性が向上した太陽電池を提供することができる。

図３乃至図６は、本発明の実施形態に従う太陽電池の製造方法を示す断面図である。本製造方法に関する説明は前述した太陽電池に対する説明を参考にする。前述した太陽電池に対する説明は本製造方法に関する説明に本質的に結合できる。

図３に示すように、支持基板１００の上にウィンドウ層２００を形成することができる。前記ウィンドウ層２００はＣＶＤ工程またはスパッタリング工程により蒸着して形成できる。

図２及び図４を参照すると、前記ウィンドウ層２００の一部をエッチングして複数のリセス２５０を形成することができる。

例えば、前記ウィンドウ層２００の上にマスクパターンが形成される。前記マスクパターンはフォトリソグラフィ工程により形成できる。例えば、前記ウィンドウ層２００の上に感光性樹脂がコーティングされて、フォトレジストフィルムが形成される。前記フォトレジストフィルムの一部が露光され、エッチングされて、前記マスクパターンが形成できる。

前記マスクパターンは島（island）形状を有する。即ち、前記マスクパターンは島形状を有する多数個のマスクを含む。この際、前記マスクは互いに離隔する。また、前記マスクはマトリックス形態に配置できる。

前記複数のリセス２５０は、例えば、エッチング工程により形成できる。エッチング溶液は、フッ酸、硫酸、窒酸を混合して作ることができ、フッ素の濃度は１０〜２５ｗｔ％にし、ここに硫酸１５ｗｔ％、窒酸１５ｗｔ％などの酸を添加した混酸溶液を製造して、約１０分位常温でエッチングして形成できる。

前記複数のリセス２５０が形成される深さ（ｈ’）は前記ウィンドウ層２００の厚さ（ｈ）の半分以下に形成することが好ましいが、これに対して限定するものではない。

前記複数のリセス２５０は第１斜面２１０と第２斜面２２０とを含むことができる。前記支持基板１００の法線と前記第１斜面２１０とがなす角（θ）は１°＜θ＜４５゜の範囲に形成できる。

また、前記支持基板１００の法線と前記第１斜面２１０とがなす角（θ）を複数のリセス２５０と関連して見ると、θの値が必要以上に大きくなれば、有効面積の増加に制限的であるので、１°＜θ＜ｔａｎ^−１（ｄ／ｈ）の範囲に形成することが好ましい。

前記リセス２５０の形成過程で第１斜面２１０及び第２斜面２２０と傾斜をなす折曲面面ｌが形成できる。前記折曲面ｌの幅はθの値が増加するにつれて減少することがあり、第１斜面２１０及び第２斜面２２０が接する臨界角度で前記折曲面は形成されない。前記折曲面は前記支持基板１００と平行することができる。

前記第１斜面２１０及び第２斜面２２０は断面を眺めた状況での斜面であって、前記第１斜面２１０及び第２斜面２２０に隣接するように第３斜面及び第４斜面（図示せず）が形成できる。

即ち、第１斜面２１０及び第２斜面２２０が互いに対向し、第３斜面及び第４斜面が互いに対向するように形成できる。第３斜面及び第４斜面の角度は第１斜面２１０及び第２斜面２２０と同一に形成できる。

前記第１乃至第４斜面によりリセスが形成されることができ、これにより形成される複数の突起は錐台形状を有することができる。より詳しくは、前記複数の突起は多角錐台形状を有することができる。より詳しくは、前記複数の突起は四角錐台形状を有することができる。また、前記第１乃至第４斜面により形成される突起の上面は四角形状を有することができる。

図５を参照すると、前記ウィンドウ層２００の上にバッファ層３００が形成できる。前記バッファ層３００は硫化カドミウムがスパッタリング工程または溶液成長法（chemical bath deposition；ＣＢＤ）などにより蒸着して形成できる。

図６を参照すると、前記バッファ層３００の上に光吸収層４００及び裏面電極層５００が形成される。

前記光吸収層４００は、例えば、銅、インジウム、ガリウム、セレニウムを同時または区分して蒸発させながら銅−インジウム−ガリウム−セレナイド系（Ｃｕ（Ｉｎ、Ｇａ）Ｓｅ２；ＣＩＧＳ系）の光吸収層４００を形成する方法と金属プリカーソル膜を形成させた後、セレニゼーション（Selenization）工程により形成させる方法が幅広く使われている。

これとは異なり、銅ターゲット及びインジウムターゲットのみを使用したり、銅ターゲット及びガリウムターゲットを使用するスパッタリング工程及びセレニゼーション工程によりＣＩＳ系またはＣＩＧ系光吸収層４００が形成されることもできる。

次に、光吸収層４００の上に裏面電極層５００が形成できる。前記裏面電極層５００はモリブデンを使用してＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）またはメッキの方法により形成できる。

本発明の実施形態によれば、向上した光吸収率を有する太陽電池が提供できる。

以上、実施形態に説明された特徴、構造、効果などは、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれ、必ず１つの実施形態のみに限定されるものではない。延いては、各実施形態で例示された特徴、構造、効果などは、実施形態が属する分野の通常の知識を有する者により他の実施形態に対しても組合または変形されて実施可能である。したがって、このような組合と変形に関連した内容は本発明の範囲に含まれることと解釈されるべきである。

以上、本発明を好ましい実施形態をもとに説明したが、これは単なる例示であり、本発明を限定するのでない。本発明の本質的な特性を逸脱しない範囲内で、多様な変形及び応用が可能であることが同業者にとって明らかである。例えば、実施形態に具体的に表れた各構成要素は変形して実施することができ、このような変形及び応用にかかわる差異点も、特許請求の範囲で規定する本発明の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。

Claims (6)

1. 支持基板と、
   前記支持基板の上に配置される透明電極層と、
   前記透明電極層の上に配置されるバッファ層と、
   前記バッファ層の上に配置される光吸収層と、
   前記光吸収層の上に配置される裏面電極層と、
   前記透明電極層の上面に形成され、第１斜面及び第２斜面を有する複数の第１リセスと、
   前記バッファ層の上面に形成され、第１斜面及び第２斜面を有する複数の第２リセスと、
   前記光吸収層の上面に形成された複数の第３リセスと、
   前記裏面電極層の上面に形成された複数の第４リセスと、
   を含み、
   前記複数の第１リセスが形成される厚さは前記透明電極層厚さの１０％乃至７０％の範囲を有することを特徴とする、太陽電池。
2. 前記第１斜面と前記支持基板の法線とがなす第１角度（θ）は１°＜θ＜４５゜の範囲に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
3. 前記複数の第１リセスの中心の間の間隔はｄであり、前記透明電極層の厚さはｈである時、第１角度（θ）は１°＜θ＜ｔａｎ^−１（ｄ／ｈ）の範囲に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
4. 前記複数の第１リセスは前記バッファ層へ行くほど幅が広くなるように形成されることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
5. 前記複数の第１リセスの底面に形成され、前記第１斜面及び第２斜面と接する折曲面を含むことを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
6. 前記透明電極層の厚さ（ｈ）は０．５μｍ乃至１μｍに形成されることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。

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