JP2014503128A - 太陽電池及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明に従う太陽電池は、基板、基板の上に後面電極層、上記後面電極層の上に光吸収層、上記光吸収層の上にバッファ層、及び上記バッファ層の上にウィンドウ層が形成された複数個のセルを含み、上記複数個のセルの各々の幅をＷ１とし、上記ウィンドウ層の厚さをＷ２とした時、Ｗ２＝Ａ×Ｗ１の式を満たし、上記Ａは１×１０^−４乃至１．７×１０^−４の値を有する。
【選択図】図２

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、ガラス支持基板、金属後面電極層、ｐ型ＣＩＧＳ系光吸収層、バッファ層、ｎ型透明電極層などを含む支持基板構造の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。

本発明の目的は、セルＣ１、Ｃ２．．．の幅によってウィンドウ層の厚さを一定の割合で調節することによって、ウィンドウ層の厚さの減少を通じて生産性を向上することにある。

本発明の他の目的は、ウィンドウ層の厚さが減少して透過率が向上するので、光−電変換効率が向上した太陽電池及びその製造方法を提供することにある。

本発明に従う太陽電池は、基板、基板の上に後面電極層、上記後面電極層の上に光吸収層、上記光吸収層の上にバッファ層、及び上記バッファ層の上にウィンドウ層を含む複数個のセルを含み、上記複数個のセルの各々の幅をＷ１とし、上記ウィンドウ層の厚さをＷ２とした時、Ｗ２＝Ａ×Ｗ１の式を満たし、上記Ａは１×１０^−４乃至１．７×１０^−４の値を有する。

本発明に従う太陽電池の製造方法は、基板の上に裏面電極層を形成するステップ、上記裏面電極層の上に光吸収層、バッファ層、及びウィンドウ層を形成するステップ、及び上記光吸収層、バッファ層、及びウィンドウ層の一部を除去して多数個のウィンドウ及び複数個のセルＣ１、Ｃ２．．．が定義されるように貫通溝を形成するステップを含み、上記複数個のセルの各々の幅をＷ１とし、上記ウィンドウ層の厚さをＷ２とした時、Ｗ２＝Ａ×Ｗ１の式を満たし、上記Ａは１×１０^−４乃至１．７×１０^−４の値を有するように形成する。

本発明によれば、各セルＣ１、Ｃ２．．．の幅によってウィンドウ層の厚さを一定の割合で調節することによって、ウィンドウ層の厚さの減少を通じて生産性が向上できる。

また、ウィンドウ層の厚さが減少して透過率が向上するので、光−電変換効率が向上する。

本発明の実施形態に従う太陽光発電装置を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ’に沿って切断した断面を示す断面図である。 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。

本発明を説明するに当たって、各支持基板、層、膜、または電極などが、 各支持基板、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“他の層を介して（indirectly）”形成されることを全て含む。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便宜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光発電装置を示す平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ’に沿って切断した断面を示す断面図である。

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、上記支持基板１００の上に裏面電極層２００、上記裏面電極層２００の上に光吸収層３００、上記光吸収層３００の上にバッファ層４００、及び高抵抗バッファ層５００、上記高抵抗バッファ層５００の上にウィンドウ層６００を含む。

上記支持基板１００はプレート形状を有し、上記裏面電極層２００、光吸収層３００、バッファ層４００、高抵抗バッファ層５００、及びウィンドウ層６００を支持する。

上記支持基板１００は絶縁体でありうる。上記支持基板１００は、ガラス基板、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、上記支持基板１００はソーダライムガラス（soda lime glass）基板でありうる。

上記支持基板１００がソーダライムガラスの場合、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３００に拡散されることがあるが、これによって、光吸収層３００の電荷濃度が増加することがある。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になることができる。

その他、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用できる。上記支持基板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。

上記裏面電極層２００は、上記支持基板１００の上に配置される。上記裏面電極層２００は導電層である。上記裏面電極層２００は、太陽電池のうち、上記光吸収層３００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。上記裏面電極層２００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、上記裏面電極層２００は、ＣＩＧＳ化合物の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、高温安定性が維持されなければならない。また、上記裏面電極層２００は熱膨張係数の差によって上記支持基板１００と剥離現象が発生しないように上記支持基板１００と接着性に優れなければならない。

このような裏面電極層２００は、モリブデン（Ｍｏ）、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。このうち、特にモリブデン（Ｍｏ）は他の元素に比べて上記支持基板１００と熱膨張係数の差が小さいため、接着性に優れて剥離現象の発生を防止することができ、前述した裏面電極層２００に要求される特性を全般的に満たすことができる。

上記裏面電極層２００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。

上記裏面電極層２００には第１貫通溝ＴＨ１が形成される。上記第１貫通溝ＴＨ１は、上記支持基板１００の上面の一部を露出するオープン領域である。上記第１貫通溝ＴＨ１は平面視して、一方向に延びる形状を有することができる。

上記第１貫通溝ＴＨ１により露出された支持基板１００の幅は約８０μｍ乃至２００μｍである。

上記第１貫通溝ＴＨ１によって上記裏面電極層２００は多数個の裏面電極に区分される。即ち、上記第１貫通溝ＴＨ１によって裏面電極が定義される。

上記裏面電極はストライプ形態に配置される。これとは異なり、上記裏面電極はマトリックス形態に配置できる。この際、上記第１貫通溝ＴＨ１は平面視して、格子形態に形成できる。

上記裏面電極層２００の上には光吸収層３００が形成できる。上記光吸収層３００はｐ型半導体化合物を含む。より詳しくは、上記光吸収層３００はＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族系化合物を含む。例えば、上記光吸収層３００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。

上記光吸収層３００の上にはバッファ層４００及び高抵抗バッファ層５００が形成できる。ＣＩＧＳ化合物を光吸収層３００として有する太陽電池はｐ型半導体であるＣＩＧＳ化合物薄膜とｎ型半導体であるウィンドウ層６００の薄膜の間にｐｎ接合を形成する。しかしながら、２つ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つ物質の中間に位置するバッファ層が必要である。

上記バッファ層４００を形成する物質には、ＣｄＳ、ＺｎＳなどがあり、太陽電池の発電効率の面においてＣｄＳが相対的に優れる。

上記高抵抗バッファ層５００は不純物がドーピングされていないジンクオキサイド（ｉ−ＺｎＯ）を含む。上記高抵抗バッファ層５００のエネルギーバンドギャップは約３．１ｅＶ乃至３．３ｅＶである。

上記高抵抗バッファ層５００の上にウィンドウ層６００が形成される。上記ウィンドウ層６００は透明で、導電層である。また、上記ウィンドウ層６００の抵抗は上記裏面電極層２００の抵抗より高い。

上記ウィンドウ層６００は酸化物を含む。例えば、上記ウィンドウ層６００は、ジンクオキサイド（zinc oxide）、インジウムチンオキサイド（induim tin oxide；ＩＴＯ）、またはインジウムジンクオキサイド（induim zinc oxide；ＩＺＯ）などを含むことができる。

また、上記酸化物は、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、上記ウィンドウ層６００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。

従来、ウィンドウ層６００の厚さ（Ｗ２）は上記セルＣ１、Ｃ２．．．の各々の幅（Ｗ１）と一定の割合で形成された。これを式で表せば、例えば、次の通りである。

Ｗ２＝Ａ×Ｗ１

即ち、セルＣ１、Ｃ２．．．の各々の幅（Ｗ１）が３ｍｍの場合、ウィンドウ層６００の厚さ（Ｗ２）は６００ｎｍであり、セルＣ１、Ｃ２．．．の各々の幅（Ｗ１）が４ｍｍの場合、ウィンドウ層６００の厚さ（Ｗ２）は８００ｎｍであり、セルＣ１、Ｃ２．．．の各々の幅（Ｗ１）が５ｍｍの場合、ウィンドウ層６００の厚さ（Ｗ２）は１０００ｎｍの値を有するように形成された。

既存のウィンドウ層６００の厚さ（Ｗ２）は、上記のように上記セルＣ１、Ｃ２．．．の各々の幅（Ｗ１）と対比して厚く形成されたので、生産費用及び時間の面において改善の余地があり、厚いウィンドウ層６００の厚さ（Ｗ２）によって透過率の低下などの問題が存在した。

また、厚さが増加すれば、第３貫通溝ＴＨ３を形成する時、ウィンドウ層６００のパーティクル（particle）によって短絡される可能性も増加するようになる。

そして、セルＣ１、Ｃ２．．．の各々の幅（Ｗ１）が減少すれば、開放電圧（Ｖｏｃ）が増加することができるが、同時に合線電流（Ｉｓｃ）が減少するようになって、これによって太陽電池の効率が減少することがあり、幅（Ｗ１）が必要以上に増加すれば、開放電圧（Ｖｏｃ）が減少することがあるので、このような点を考慮して３ｍｍ乃至６ｍｍの範囲に形成することが好ましい。

上記セルＣ１、Ｃ２．．．の各々の幅（Ｗ１）の範囲と生産性を向上させるためのウィンドウ層６００の厚さ（Ｗ２）を最適化した関係式は、次の通りである。

Ｗ２＝Ａ×Ｗ１

上記Ａの値が１×１０^−４以下に減少すれば、上記ウィンドウ層６００の抵抗特性が悪化することがあり、１．５×１０^−４以上に増加すれば、上記ウィンドウ層６００の厚さが増加するようになって、透過率が減少し、生産費用が増加するようになる。

上記セルの各々の幅（Ｗ１）は１つの第３貫通溝ＴＨ３とこれと隣接した他の第３貫通溝ＴＨ３との間の間隔を意味する。

したがって、上記Ａは１×１０^−４乃至１．７×１０^−４の値を有することができる。好ましくは、１．２×１０^−４乃至１．３×１０^−４の値を有することができる。

即ち、セルＣ１、Ｃ２．．．の各々の幅（Ｗ１）が３ｍｍの場合、ウィンドウ層６００の厚さ（Ｗ２）は３７５ｎｍであり、セルＣ１、Ｃ２．．．の各々の幅（Ｗ１）が４ｍｍの場合、ウィンドウ層６００の厚さ（Ｗ２）は５００ｎｍであり、セルＣ１、Ｃ２．．．の各々の幅（Ｗ１）が５ｍｍの場合、ウィンドウ層６００の厚さ（Ｗ２）は６２５ｎｍの値を有するように形成された。

実施形態によれば、各セルＣ１、Ｃ２．．．の幅によってウィンドウ層の厚さを一定の割合で調節することによって、ウィンドウ層の厚さ減少を通じて生産性が向上できる。

また、ウィンドウ層の厚さが減少して透過率が向上するので、これによって光−電変換効率が向上する。

図３乃至図６は、本発明の実施形態に従う太陽光発電装置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光発電装置に対する説明を参考にする。

図３を参考すると、支持基板１００の上に裏面電極層２００が形成され、上記裏面電極層２００はパターニングされて第１貫通溝ＴＨ１が形成される。これによって、上記支持基板１００の上に多数個の裏面電極が形成される。上記裏面電極層２００はレーザーによってパターニングされる。

上記第１貫通溝ＴＨ１は上記支持基板１００の上面を露出し、約８０μｍ乃至約２００μｍの幅を有することができる。

また、上記支持基板１００及び上記裏面電極層２００の間に拡散防止膜などのような追加的な層が介されることができ、この際、上記第１貫通溝ＴＨ１は上記追加的な層の上面を露出するようになる。

上記第１貫通溝ＴＨ１は、例えば、約２００乃至６００ｎｍの波長を有するレーザーによって形成できる。

図４を参考すると、上記裏面電極層２００の上に光吸収層３００、バッファ層４００、及び高抵抗バッファ層５００が形成される。

上記光吸収層３００はスパッタリング工程または蒸発法等により形成できる。

例えば、上記光吸収層３００を形成するために、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）Ｓｅ_２；ＣＩＧＳ系）の光吸収層３００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。

金属プリカーソル膜を形成させた後、セレニゼーションすることを細分化すれば、銅ターゲット、インジウムターゲット、ガリウムターゲットを使用するスパッタリング工程により上記裏面電極２００の上に金属プリカーソル膜が形成される。

以後、上記金属プリカーソル膜は、セレニゼーション（selenization）工程により銅−インジウム−ガリウム−セレナイド系（Ｃｕ（Ｉｎ、Ｇａ）Ｓｅ_２；ＣＩＧＳ系）の光吸収層３００が形成される。

これとは異なり、上記銅ターゲット、インジウムターゲット、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上記セレニゼーション工程は同時に進行できる。

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３００が形成できる。

以後、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 depositon；ＣＢＤ）などにより蒸着され、上記バッファ層４００が形成される。

以後、上記光吸収層３００、バッファ層４００、及び高抵抗バッファ層５００の一部が除去されて第２貫通溝ＴＨ２が形成される。

上記第２貫通溝ＴＨ２は、チップなどの機械的な装置またはレーザー装置などにより形成できる。

例えば、約４０μｍ乃至約１８０μｍの幅を有するチップによって、上記光吸収層３００及び上記バッファ層４００はパターニングできる。また、上記第２貫通溝ＴＨ２は約２００乃至６００ｎｍの波長を有するレーザーにより形成できる。

この際、上記第２貫通溝ＴＨ２の幅は約１００μｍ乃至約２００μｍでありうる。

また、上記第２貫通溝ＴＨ２は上記裏面電極層２００の上面の一部を露出するように形成される。

図５を参考すると、上記光吸収層３００の上及び上記第２貫通溝ＴＨ２の内側にウィンドウ層６００が形成される。即ち、上記ウィンドウ層６００は、上記バッファ層４００の上及び上記第２貫通溝ＴＨ２の内側に透明な導電物質が蒸着されて形成される。

この際、上記第２貫通溝ＴＨ２の内側に上記透明な導電物質が詰められ、上記ウィンドウ層６００は上記裏面電極層２００に直接接触するようになる。

この際、上記ウィンドウ層６００は無酸素雰囲気で、上記透明な導電物質が蒸着されて形成できる。より詳しくは、上記ウィンドウ層６００は酸素を含まない不活性気体雰囲気でアルミニウムがドーピングされたジンクオキサイドが蒸着されて形成されることができ、ガリウムとアルミニウムとが同時にドーピングされたジンクオキサイドが蒸着されて形成されることもできる。

上記接続部７００は、上記第２貫通溝ＴＨ２の内側に配置される。上記接続部７００は上記ウィンドウ層６００から下方に延びて、上記裏面電極層２００に接続される。例えば、上記接続部７００は、上記第１セルのウィンドウから延びて、上記第２セルの裏面電極に接続される。

したがって、上記接続部７００は互いに隣接するセルを連結する。より詳しくは、上記接続部７００は互いに隣接するセルＣ１、Ｃ２．．．に各々含まれたウィンドウ層６００と裏面電極とを連結する。

上記接続部７００は、上記ウィンドウ層６００と一体に形成される。即ち、上記接続部７００で使われる物質は、上記ウィンドウ層６００に使われる物質と同一である。

図６を参照すると、上記バッファ層４００、高抵抗バッファ層５００、及び上記ウィンドウ層６００の一部が除去されて第３貫通溝ＴＨ３が形成される。これによって、上記ウィンドウ層６００はパターニングされて、多数個のウィンドウ及び多数個のセルＣ１、Ｃ２．．．が定義される。上記第３貫通溝ＴＨ３の幅は約８０μｍ乃至約２００μｍである。

このように、実施形態によれば、厚さが減少したウィンドウ層を形成して生産性を向上させることができ、透過率が向上して光−電変換効率が向上した太陽電池を提供することができる。

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 (7)

1. 基板と、
   基板の上に後面電極層と、
   前記後面電極層の上に光吸収層と、
   前記光吸収層の上にバッファ層と、
   前記バッファ層の上にウィンドウ層が形成された複数個のセルと、を含み、
   前記複数個のセルの各々の幅をＷ１とし、前記ウィンドウ層の厚さをＷ２とした時、
   Ｗ２＝Ａ×Ｗ１の式を満たし、前記Ａは１×１０^−４乃至１．７×１０^−４の値を有することを特徴とする、太陽電池。
2. 前記ウィンドウ層は３ｍｍ乃至６ｍｍの厚さで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. 前記ウィンドウ層は、ジンクオキサイド（zinc oxide）、インジウムチンオキサイド（induim tin oxide；ＩＴＯ）、インジウムジンクオキサイド（induim zinc oxide；ＩＺＯ）、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）のうち、少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
4. 前記バッファ層とウィンドウ層との間に形成される高抵抗バッファ層を含むことを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
5. 前記複数個のセルの間に形成される貫通溝をさらに含み、前記貫通溝は８０μｍ乃至２００μｍの幅で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。
6. 基板の上に裏面電極層を形成するステップと、
   前記裏面電極層の上に光吸収層、バッファ層、及びウィンドウ層を形成するステップと、
   前記光吸収層、バッファ層、及びウィンドウ層の一部を除去して多数個のウィンドウ及び複数個のセルＣ１、Ｃ２．．．が定義されるように貫通溝を形成するステップと、を含み、
   前記複数個のセルの各々の幅をＷ１とし、前記ウィンドウ層の厚さをＷ２とした時、
   Ｗ２＝Ａ×Ｗ１の式を満たし、前記Ａは１×１０^−４乃至１．７×１０^−４の値を有するように形成することを特徴とする、太陽電池製造方法。
7. 前記バッファ層とウィンドウ層との間に高抵抗バッファ層を形成するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載の太陽電池製造方法。

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