DE10393214T5

DE10393214T5 - Solarzelle und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE10393214T5
Application number: DE10393214T
Authority: DE
Inventors: Takayuki Negami; Shinichi Shimakawa; Takuya Satoh; Shigeo Hayashi
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-09-11
Filing date: 2003-09-10
Publication date: 2005-09-01
Also published as: WO2004025736A1; CN1682378A; JP2004103959A; US20050253142A1

Abstract

Solarzelle, umfassend:
ein leitfähiges Substrat; und
eine isolierende Schicht, eine leitende Schicht und eine Halbleiterschicht, die auf dem Substrat in dieser Reihenfolge angeordnet sind,
wobei ein Durchgangsloch gebildet ist, so dass es die isolierende Schicht und die leitende Schicht durchdringt, und
das Durchgangsloch mit einem Halbleiter gefüllt ist, welcher eine Zusammensetzungskomponente auch der Halbleiterschicht ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Solarzelle und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Technischer Hintergrund

Eine Dünnfilmsolarzelle, die CuInSe₂ (CIS) oder Cu(In,Ga)Se₂(CIGS), welches eine feste Lösung von CIS mit Ga ist, als eine optische Absorptionsschicht (im Folgenden kann sie als jeweils CIS-Solarzelle oder als CIGS-Solarzelle bezeichnet werden) verwendet, ist bekannt. CIS und CIGS sind Verbundhalbleiterschichten (Halbleiterschichten in Chalcopyrit-Struktur), welche Elemente von jeder der Gruppen Ib, IIIb und VIb umfassen. Es wird berichtet, dass solch eine CIS-Solarzelle und eine CIGS-Solarzelle den Vorteil eines hohen Energiekonvertierungs-Wirkungsgrades haben und frei von durch Einstrahlung mit Licht verursachter Verschlechterung des Wirkungsgrades sind.

Weil eine CIS-Solarzelle und eine CIGS-Solarzelle durch Schichten dünner Filme gebildet werden können, können sie auf einem flexiblen Substrat gebildet werden, und eine integrierte Solarzelle kann durch Bilden einer Mehrzahl von in Reihe verbundenen Zelleinheiten auf einem Substrat hergestellt werden. Um einen CIS- oder CIGS-Film von einer hohen Qualität zu bilden, ist zur Zeit eine Bildungstemperatur von 500°C oder mehr notwendig. Daher ist es vorteilhaft, als ein Substrat eine Metallfolie mit einer hohen Hitzebeständigkeit zu verwenden, um eine flexible CIS- oder CIGS-Solarzelle mit einem hohen Wirkungsgrad herzustellen. Wenn jedoch eine Metallfolie allein für ein Substrat verwendet wird, kann eine integrierte Solarzelle nicht hergestellt werden, weil die Metallfolie eine elektrische Leitfähigkeit aufweist. Daher wurde eine Solarzelle vorgeschlagen, die eine Metallfolie mit einer auf einer Oberfläche der Metallfolie gebildeten isolierenden Schicht aufweist.

Beispielsweise stellten Sato, et al. auf der in 2001 abgehaltenen 12th International Photovoltaic Science and Engineering Conference einen Bericht bezüglich einer CIGS-Solarzelle vor, welcher den Titel "CIGS Solar Cells on Stainless Steel Substrates Covered with Insulating Layers" hat (siehe Technical Digest of 12th International Photovoltaic Science and Engineering Conference, Korea, 2001, P. 93). Entsprechend dem Bericht bildeten Sato, et al. eine SiO₂-Schicht als eine isolierende Schicht auf einer rostfreien Metallfolie, welche als Substrat verwendet wurde, um auf diese Weise eine CIGS-Solarzelle mit einem Konvertierungswirkungsgrad von 12,2% zu erhalten. Ebenso stellten M. Powalla et al. auf der in 2001 abgehaltenen 17th European Photovoltaic Solar Energy Conference einen Bericht bezüglich einer CIGS-Solarzelle vor, welcher den Titel "First Results of the CIGS Solar Module Pilot Production" hat (siehe Proceedings of 17th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Germany, 2001, P. 983). Entsprechend diesem Bericht stellten Powalla et al. eine integrierte CIGS-Solarzelle her, indem sie als ein Substrat eine Cr-Folie verwendeten und hierauf eine isolierende Schicht bildeten, welche einen eine Al₂O₃-Schicht und eine SiO₂-Schicht umfassenden Zweischichtenaufbau aufweist. Jedoch war der Konvertierungswirkungsgrad mit 6,0% gering, weil die Isolationseigenschaften der isolierenden Schicht nicht ausreichend waren. Wie von den oben erwähnten Ergebnissen verstanden wird, sind die ausreichenden Isolationseigenschaften durch eine isolierende Schicht notwendig, um einen hohen Konvertierungswirkungsgrad von einer integrierten Solarzelle, welche ein flexibles Metallsubstrat umfasst, zu erhalten.

Inzwischen muss in einem Solarzellenfeld, in welchem Solarzellenmodule zum Erzielen einer hohen elektrischen Leistung in Reihe geschaltet sind, eine Umgehungsdiode (bypass diode), welche eine Gleichrichtung in einer umgekehrten Richtung zu der einer p-n-Verbindung in einer Solarzelle aufweist, parallel zu dem Solarzellenmodul aus dem folgenden Grund verbunden werden. Wenn einer der Module bei der Erzeugung von elektrischer Leistung versagt, beispielsweise, weil er beschädigt oder beschattet ist, kann durch normal arbeitende Module produzierter elektrischer Strom den unwirksamen Modul umgehen. Durch Bereitstellen solch einer Umgehungsdiode, kann elektrische Leistung normal bereitgestellt werden, sogar wenn ein unwirksamer Modul vorliegt. Obwohl solch eine Umgehungsdiode nicht allgemein in jeder Solarzelle in einem Modul bereitgestellt ist, wurde von einem Aufbau einer Si-Solarzelle berichtet, welche eine in einer Zelle gebildete Umgehungsdiode aufweist. Es gab kein Beispiel von solch einem Bericht hinsichtlich einer Dünnfilmsolarzelle.

In einem Solarzellenmodul produziert eine Zelleinheit nicht elektrische Leistung, wenn eine der Zelleinheiten beschädigt, oder auf ihrer Oberfläche teilweise fleckig oder teilweise abgeschattet ist, und entsprechend ist der Wir kungsgrad des Solarzellenmoduls verringert. Weiterhin können, falls der Solarzellenmodul unter solch einer Bedingung für eine lange Zeit der Sonnenstrahlung ausgesetzt ist, normal arbeitende Zellen ebenfalls beschädigt werden. Daher ist es bevorzugt, eine Umgehungsdiode in einem Solarzellenmodul zu bilden. Wenn jedoch eine Umgehungsdiode in einer Dünnfilmsolarzelle durch ein allgemeines herkömmliches Verfahren gebildet wird, können solche Probleme auftreten, dass eine Anzahl der Herstellungsschritte zunimmt und der Herstellungsprozess kompliziert wird, und dass sich während der Bildung einer Umgehungsdiode die Eigenschaft eines p-n-Flächengleichrichters (p-n junction diode) in einer Solarzelle verschlechtert.

Im Gegensatz hierzu ist es für eine Dünnfilmsolarzelle möglich, dass ihre Fläche vergrößert wird und die Herstellungskosten reduziert werden. Weil jedoch ein Metallsubstrat rauhere Unebenheiten auf seiner Oberfläche aufweist als ein Glas oder ein organischer Film, wird die Oberfläche möglicherweise teilweise nicht mit der isolierenden Schicht bedeckt, sogar wenn eine dicke isolierende Schicht auf der Oberfläche eines Metallsubstrates in einer großen Fläche gebildet ist. Ein leitfähiger Film (im Allgemeinen ein Metallfilm), der als eine Rückseitenelektrode einer Solarzelle dient, steht direkt in Verbindung mit dem von der isolierenden Schicht unbedeckten Teil des Metallsubstrates, was dort einen Kurzschluss erzeugt. Daher ist es zum Bilden einer Dünnfilmsolarzelle mit einem hohen Konvertierungswirkungsgrad unter Verwendung eines Metallsubstrates notwendig, einen Kurzschlussbereich zwischen dem Metallsubstrat und der Rückseitenelektrode (der leitfähige Film) nach der Bildung der isolierenden Schicht zu entfernen.

Offenbarung der Erfindung

Angesichts des Obigen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Solarzelle mit einem neuen Aufbau bereitzustellen, welche eine exzellente Eigenschaft und Zuverlässigkeit aufweist, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Um die oben erwähnte Aufgabe zu erreichen, umfasst eine erste Solarzelle der vorliegenden Erfindung: Ein leitfähiges Substrat; und eine isolierende Schicht, eine leitende Schicht und eine Halbleiterschicht, die auf dem Substrat in dieser Reihenfolge angeordnet sind. Ein Durchgangsloch ist gebildet, so dass es die isolierende Schicht und die leitende Schicht durchdringt, und das Durchgangsloch ist mit einem Halbleiter gefüllt, welcher eine Zusammensetzungskomponente auch der Halbleiterschicht ist.

Weiterhin umfasst eine zweite Solarzelle der vorliegenden Erfindung: ein leitfähiges Substrat; eine auf dem Substrat gebildete isolierende Schicht; und eine Mehrzahl von Zelleinheiten, die auf der isolierenden Schicht gebildet sind und in Reihe miteinander verbunden sind. Jede Zelleinheit umfasst eine leitende Schicht und eine Halbleiterschicht, die auf der isolierenden Schicht in dieser Reihenfolge angeordnet sind, in welcher ein Durchgangsloch gebildet ist, so dass es die isolierende Schicht und die leitende Schicht durchdringt, und das Durchgangsloch ist mit einem Halbleiter, welcher eine Zusammensetzungskomponente auch der Halbleiterschicht ist, gefüllt.

In der erfindungsgemäßen Solarzelle kann wenigstens ein von den das Substrat bildenden Elementen ausgewähltes Element in den Halbleiter diffundieren, mit welchem das Durchgangsloch gefüllt ist.

In der erfindungsgemäßen Solarzelle kann das Substrat aus einer wenigstens zwei von Ti, Cr, Fe und Ni ausgewählten Elementen umfassenden Metalllegierung oder rostfreiem Stahl gefertigt sein.

In der erfindungsgemäßen Solarzelle kann die isolierende Schicht aus wenigstens einem von der aus SiO₂, TiO₂, Al₂O₃, Si₃N₄, TiN und Glas bestehenden Gruppe Ausgewählten gefertigt sein.

In der erfindungsgemäßen Solarzelle kann die leitende Schicht Mo umfassen.

In der erfindungsgemäßen Solarzelle kann die Halbleiterschicht aus einem ein Element von der Gruppe Ib, ein Element von der Gruppe IIIb und ein Element von der Gruppe VIb umfassenden Verbundhalbleiter gefertigt sein.

In der erfindungsgemäßen Solarzelle kann das Element von Gruppe Ib Cu sein, das Element von der Gruppe IIIb kann wenigstens ein von In und Ga ausgewähltes Element sein und das Element von Gruppe VIb kann wenigstens ein von Se und S ausgewähltes Element sein.

In der erfindungsgemäßen Solarzelle kann der Verbundhalbleiter ein p-Typ-Halbleiter sein, und der Halbleiter, mit dem das Durchgangsloch gefüllt sein kann, kann ein p-Typ- oder n-Typ-Halbleiter mit einem höheren Widerstand als der p-Typ-Halbleiter des Verbundhalbleiters sein.

Weiterhin ist ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle, welche ein leitfähiges Substrat, und eine isolierende Schicht, eine leitende Schicht und eine Halbleiterschicht umfasst, welche auf dem Substrat in dieser Reihenfolge angeordnet sind, und umfasst die Schritte von:

(i) Schichten der isolierenden Schicht und der leitenden Schicht auf dem Substrat in dieser Reihenfolge;
(ii) Bilden eines Durchgangslochs zum Durchdringen der isolierenden Schicht und der leitenden Schicht; und
(iii) Bilden der Halbleiterschicht in dem Durchgangsloch und über der leitenden Schicht.

In dem oben erwähnten erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren kann das Durchgangsloch durch Hindurchfließenlassen eines elektrischen Stromes zwischen der leitenden Schicht und dem Substrat in dem Schritt (ii) gebildet werden.

Das oben erwähnte erfindungsgemäße Herstellungsverfahren kann weiterhin einen Schritt des Entfernens eines Teils der leitenden Schicht, so dass sie in einer Streifenform vorliegt, beinhalten, so dass die leitende Schicht in mehrere Streifen geteilt ist, wobei der Schritt des Entfernens nach dem Schritt (i) und vor dem Schritt (ii) durchgeführt wird. Zusätzlich kann in dem Schritt (ii) das Durchgangsloch durch Hindurchfließenlassen eines elektrischen Stromes zwischen zwei leitenden Schichten gebildet werden, welche von den mehreren Streifen der leitenden Schichten ausgewählt sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittsansicht eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Solarzelle.
2A ist eine Querschnittsansicht, die einen Prozess in einem Beispiel eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens zeigt.
2B ist eine Querschnittsansicht eines in dem in 2A gezeigten Prozess gebildeten Durchgangslochs.
3A ist eine Querschnittsansicht eines Teils einer erfindungsgemäßen Solarzelle.
3B ist eine schematische Ansicht der Funktion des in 3A gezeigten Teils.
4 ist eine Querschnittsansicht eines anderen Beispiels einer erfindungsgemäßen Solarzelle.
5A ist eine Querschnittsansicht eines Prozesses in einem anderen Beispiel eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.
5B ist eine Querschnittsansicht von Durchgangslöchern, welche in dem in 5A gezeigten Prozess gebildet werden.
6 ist eine Querschnittsansicht eines noch anderen Beispiels einer erfindungsgemäßen Solarzelle.
7 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Widerstandswert zwischen einem leitfähigen Substrat und einer leitenden Schicht sowie einer angelegten Spannung in einem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren zeigt.
8 ist ein Diagramm, welches eine Änderung des Widerstands zwischen zwei leitenden Schichten auf beiden Seiten einer Ausnehmung zeigt, und welches den Zustand vor und nach dem Anlegen der Spannung zwischen den zwei leitenden Schichten zeigt.
Bester Weg, die Erfindung auszuführen
Das Folgende ist eine Beschreibung der erfindungsgemäßen Ausführungsformen, mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen. Es sollte bemerkt werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die hierin beschriebenen Ausführungsformen eingeschränkt ist.
(Ausführungsform 1)
In der Ausführungsform 1 wird ein Beispiel eines Aufbaus einer erfindungsgemäßen Dünnfilmsolarzelle beschrieben.
Die Querschnittsansicht einer Solarzelle der Ausführungsform 1 ist in 1 gezeigt. Wie in 1 gezeigt, umfasst eine Solarzelle 10 der Ausführungsform 1 ein leitfähiges Substrat 11, eine auf dem leitfähigen Substrat 11 gebildete isolierende Schicht 12, eine auf der isolierenden Schicht 12 gebildete leitende Schicht 13, eine auf der leitenden Schicht 13 gebildete Halbleiterschicht 14, eine auf der Halbleiterschicht 14 gebildete Fensterschicht 15, einen auf der Fensterschicht 15 gebildeten transparenten leitfähigen Film 16, und eine auf dem transparenten leitfähigen Film 16 gebildete Extraktionselektrode 17. Weiterhin kann eine aus einem Halbleiter oder einem Isolator gefertigte zweite Fensterschicht zwischen der Fensterschicht 15 und dem transparenten leitfähigen Film 16 bereitgestellt sein.
In der isolierenden Schicht 12 und der leitenden Schicht 13 ist ein Durchgangsloch 18 gebildet, so dass es diese Schichten durchdringt. Das Durchgangsloch 18 ist mit einem Halbleiter gefüllt, welcher eine Zusammensetzungskomponente auch der Halbleiterschicht 14 ist. In die in dem Durchgangsloch 18 gebildete Halbleiterschicht 14 und in die über dem Durchgangsloch 18 angeordnete Halbleiterschicht 14 diffundiert wenigstens ein von den das leitfähige Substrat 11 bildenden Elemente ausgewähltes Element und bildet eine Halbleiterschicht 14a, welche andere Merkmale von denen des anderen Teils aufweist (siehe eine vergrößerte Ansicht in 3A). Beispielsweise ist, falls die Halbleiterschicht 14 ein p-Typ-Halbleiter ist, die Halbleiterschicht 14a ein p-Typ- oder n-Typ-Halbleiter mit einem höheren Widerstand als dem der Halbleiterschicht 14. Eine Trägerdichte der Halbleiterschicht 14a kann beispielsweise 10¹⁵ cm^–3 oder weniger betragen. Die Halbleiterschicht 14a, in welche das das leitfähige Substrat 11 bildende Element diffundiert, reicht zur Fensterschicht 15.
Das leitfähige Substrat 11 kann aus einem Metall gefertigt sein, beispielsweise einer Metalllegierung, die wenigstens zwei von Ti, Cr, Fe und Ni ausgewählten Elemente umfasst oder einem rostfreien Stahl. Für die Metalllegierung kann beispielsweise eine Fe-Ni-Legierung verwendet werden. Von diesen Materialien ist rostfreier Stahl bevorzugt, weil ein aus dem rostfreien Stahl gefertigtes Substrat seine Stärke bewahren kann, selbst wenn es dünn gefertigt ist.
Die isolierende Schicht 12 ist aus einem isolierenden Material zusammengesetzt, insbesondere wenigstens ein von der aus SiO₂, TiO₂, Al₂O₃, Si₃N₄, TiN und einem Glas bestehenden Gruppe ausgewähltes Material. Ein mehrere Schichten dieses Materials bildender Mehrschichtfilm kann auch für die isolierende Schicht 12 verwendet werden.
Die leitende Schicht 13 kann aus einem leitfähigen Metall (zum Beispiel einem Metall) gebildet sein, und kann Molybdän (Mo) enthalten. Insbesondere kann eine Schicht von Mo, eine Schicht einer Molybdänverbindung (zum Beispiel MoSe₂) oder ein diese beiden Schichten bildender Mehrschichtfilm für die leitende Schicht 13 verwendet werden.
Für die Halbleiterschicht 14, die als eine optische Absorptionsschicht arbeiten kann, kann beispielsweise ein Halbleiter in Chalcopyrit-Struktur verwendet werden, der ein Element von der Gruppe Ib, ein Element von der Gruppe IIIb und ein Element von der Gruppe VIb umfasst. Das Element von der Gruppe Ib kann Cu sein, und das Element von der Gruppe IIIb kann wenigstens ein von In und Ga ausgewähltes Element sein. Das Element von Gruppe VIb kann wenigstens ein von Se und S ausgewähltes Element sein. Insbesondere können Halbleiter, wie CuInSe₂, Cu(In,Ga)Se₂ oder ein Schwefel (S) enthaltender Halbleiter verwendet werden, wobei der Schwefel einen Teil des Se substituiert. Im Allgemeinen sind diese Halbleiter p-Typ-Halbleiter. Von diesen kann Cu(In,Ga)Se₂(CIGS) mit seinem Bandabstand von 1,0 eV bis 1,6 eV gesteuert werden, indem ein Festlösungsverhältnis (solid solution ratio) von In zu Ga angepasst wird. Daher kann unter Verwendung von CIGS eine Halbleiterschicht mit einem gewünschten Bandabstand zum Erhalten eines hohen Konvertierungswirkungsgrades leicht bereitgestellt werden. Da diese Chalcopyrit-Struktur-Halbleiter einen hohen optischen Absorptionskoeffizienten aufweisen, können sie Sonnenlicht hinreichend absorbieren, sogar wenn sie dünn sind. Auf diese Weise kann durch Verwendung eines flexiblen Substrats und eines Chalcopyrit-Struktur-Halbleiters eine flexible Solarzelle erhalten werden. In einer Solarzelle der Ausführungsform 1 ist eine Halbleiterschicht, die als eine optische Absorptionsschicht arbeitet, im Allgemeinen ein dünner Film mit einer Dicke von 3 μm oder weniger.
Die Fensterschicht 15 ist aus einem Halbleiter oder einem Isolator gefertigt. Beispielsweise können CdS, ZnO, ZnMgO, Zn(O,S), ZnIn_xSe_y, In_xSe_y oder In₂O₃ als die Fensterschicht 15 verwendet werden. Hier sind die Materialien, wie zum Beispiel ZnO, ZnMgO, ZnIn_xSe_y, In_xSe_y und In₂O₃ Halbleiter, weisen aber eine relativ hohe elektrische Isolation auf, und können daher sowohl als Halbleiter als auch als Isolatoren behandelt werden.
Weiterhin kann die zweite Fensterschicht zwischen der Fensterschicht 15 und dem transparenten leitfähigen Film 16 gebildet werden. Falls die zweite Fensterschicht gebildet ist, kann sie aus einem Halbleiter oder einem Isolator gebildet werden. Falls eine Zn(O,S)-Schicht für die erste Fensterschicht 15 verwendet wird, ist die zweite Fensterschicht vorzugsweise aus einem Material wie zum Beispiel ZnO und ZnMgO gefertigt. Die zweite Fensterschicht hat eine Wirkung, das Auftreten eines Kurzschlusses zwischen der Halbleiterschicht 14 und dem transparenten leitfähigen Film 16 zu verhindern, in dem Fall, wo die erste Fensterschicht 15 nicht dick genug ist, um die Halbleiterschicht 14 ausreichend abzudecken.
Der transparente leitfähige Film 16 kann beispielsweise aus ITO(In₂O₃:Sn), aus mit Bor (B) dotiertem ZnO (ZnO:B), aus mit Aluminium (Al) dotiertem ZnO (ZnO:Al) oder aus mit Gallium (Ga) dotiertem ZnO (ZnO:Ga) gebildet sein. Für den transparenten leitfähigen Film 16 kann ein geschichteter Film, in welchem zwei oder mehr Schichten der oben erwähnten Materialien gebildet sind, verwendet werden.
Für die Extraktionselektrode 17 kann ein Schichtfilm, in dem beispielsweise ein NiCr-Film (oder ein Cr-Film) und ein Al-Film (oder ein Ag-Film) geschichtet sind, verwendet werden.
Ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung der Solarzelle 10 wird unten beschrieben. Zuerst werden die isolierende Schicht 12 und die leitende Schicht 13 auf dem leitfähigen Substrat 11 in dieser Reihenfolge aufeinander gebildet (Prozeß (i)). Die isolierende Schicht 12 kann beispielsweise durch ein Sputter-Verfahren, ein Verdampfungsverfahren, oder chemischen Dampfniederschlag (chemical vapor deposition (CVD)) gebildet werden. Die leitende Schicht 13 kann beispielsweise durch ein Verdampfungsverfahren oder ein Sputter-Verfahren gefertigt werden.
Als nächstes wird das Durchgangsloch 18 gebildet, so dass es die isolierende Schicht 12 und die leitende Schicht 13 durchdringt (Prozess (iii)). Ein Beispiel eines Verfahrens zum Bilden des Durchgangslochs 18 wird mit Bezug auf 2A beschrieben. Wie in 2A beispielhaft gezeigt, wird eine elektrische Spannung zwischen dem leitfähigen Substrat 11 und der leitenden Schicht 13 angelegt, so dass ein Strom zwischen dem leitfähigen Substrat 11 und der leitenden Schicht 13 fließt. Dann konvergiert der Strom in den Bereich, wo der Widerstand zwischen dem leitfähigen Substrat 11 und der leitenden Schicht 13 gering ist, das heißt, in einen Bereich 12a geringen Widerstandes, wo die Abdeckung mit der isolierenden Schicht 12 nicht ausreichend ist, so dass die Temperatur in diesem Bereich erhöht wird. Als Ergebnis werden die isolierende Schicht 12 und die lei tende Schicht 13 in dem Bereich 12a geringen Widerstandes ausgebrannt und entfernt, wodurch das Durchgangsloch 18 in einem Teil der isolierenden Schicht 12 und der leitenden Schicht 13 gebildet ist, so dass es sie durchdringt. Die zwischen dem leitfähigen Substrat 11 und der leitenden Schicht 13 angelegte Spannung ist nicht besonders eingeschränkt, solange die Spannung zum Bilden des Durchgangslochs 18 das Entfernen des Teils gestattet, wo die Abdeckung mit der isolierenden Schicht 12 nicht ausreichend ist.
Danach wird die Halbleiterschicht 14, welche als eine optische Absorptionsschicht arbeitet, auf der leitenden Schicht 13 gebildet (Prozess (iii)). Die Halbleiterschicht 14 kann beispielsweise durch ein Verdampfungsverfahren oder ein Selenidierungsverfahren gebildet werden. Falls das Selenidierungsverfahren angewandt wird, nach Fertigen eines beispielsweise aus einem Element von der Gruppe Ib und einem Element von der Gruppe IIIb bestehenden Metallfilms durch ein Sputter-Verfahren, wird der Metallfilm einer Wärmebehandlung in einer gasförmigen Atmosphäre ausgesetzt, welche ein Element von der VIb-Gruppe (H₂Se) oder ähnliches enthält. In dem Prozess (iii) wird die Halbleiterschicht 14 auch in dem Durchgangsloch 18 gebildet.
Danach wird die Fensterschicht 15 beispielsweise durch chemische Badabscheidung (chemical bath deposition (CBD)), ein Verdampfungsverfahren oder ein Sputter-Verfahren gebildet. Dann wird der transparente leitfähige Film 16 auf der Fensterschicht 15 beispielsweise durch ein Sputter-Verfahren gebildet. Danach wird die Extraktionselektrode 17 beispielsweise durch ein Verdampfungsverfahren oder ein Druckverfahren gebildet. Falls die oben erwähnte zweite Fensterschicht zwischen der Fensterschicht 15 und dem transparen ten leitfähigen Film 16 gebildet ist, kann beispielsweise ein Sputter-Verfahren angewendet werden. Auf diese Weise kann die Solarzelle 10 hergestellt werden.
Entsprechend der Ausführungsform 1 diffundiert in dem Prozess des Bildens der Halbleiterschicht 14 wenigstens ein Element, welche eine Zusammenstzungskomponente des leitfähigen Substrats 11 ist, in die in dem Durchgangsloch 18 gebildete Halbleiterschicht 14. Das das leitfähige Substrat 11 bildende Element entwickelt einen Verunreinigungsgrad in der Halbleiterschicht 14 und ändert eine Trägerdichte oder einen Leitfähigkeitstyp der Halbleiterschicht 14. Beispielsweise werden die oben erwähnten Halbleiter CIS und CIGS, welche Materialien der Halbleiterschicht 14 sind, und welche p-Typ-Halbleiter mit einer angemessenen Trägerdichte für Solarzellen sind, in p-Typ- oder n-Typ-Halbleiter mit einem hohen Widerstand geändert, wenn wenigstens ein Element in sie hineindiffundiert, welches eine Zusammensetzungskomponente des leitfähigen Substrats 11 ist (wie zum Beispiel Fe, Cr oder Ni). Entsprechend wird, wie in 3A gezeigt, der in dem Durchgangsloch 18 gebildete Halbleiter 14 und der über dem Durchgangsloch 18 angeordnete Halbleiter 14 zu einer Halbleiterschicht 14a, welche ein p-Typ- oder n-Typ-Halbleiter mit einem hohen Widerstand ist. Solch eine Halbleiterschicht 14a bildet nicht einen p-n-Übergang (p-n-junction) mit der Fensterschicht 15 vom n-Typ (oder einer durch Kombinieren einer Fensterschicht hohen Widerstands vom n-Typ mit einem transparenten leitfähigen Film geringen Widerstandes vom n-Typ gebildeten n-Typ-Schicht). Ein Übergang (junction) zwischen der Halbleiterschicht 14a und der Fensterschicht 15 und ein Übergang (junction) zwischen der Fensterschicht 15 und dem transparenten leitfähigen Film 16 zeigen eine wesentliche Gleichrichtungseigenschaft.
Hingegen ist im Gegensatz zu dem Übergang zwischen der leitenden Schicht 13 und dem allgemeinen Halbleiter 14, welcher ein Gleichrichtungskontakt (rectification contact) ist, ein Schottky-Übergang (Schottky junction) zwischen der Halbleiterschicht 14a und der leitenden Schicht 13 gebildet. Als Ergebnis ist, wie in 3B gezeigt, eine Umgehungsdiode 19b in der Halbleiterschicht 14a gebildet, welche eine Gleichrichtungseigenschaft in einer entgegengesetzten Richtung zu der eines p-n-Flächengleichrichters 19a aufweist, welcher in dem anderen Teil als die Halbleiterschicht 14a gebildet ist. Angemerkt sei hier, dass bei dem Betriebspunkt der Solarzelle eine Sperrrichtungsspannung (reverse direction voltage) an der Umgehungsdiode 19b angelegt ist, und ein Sperrrichtungstrom (reverse direction current) in diesem Falle so gering ist, dass die Umgehungsdiode 19b keinen großen Einfluss auf die Solarzelle in einem allgemeinen Zustand aufweist.
Wie oben beschrieben, ist die Solarzelle der Ausführungsform 1 mit einer Umgehungsdiode versehen. In einem Solarzellenfeld, in welchem mehrere Solarzellen von Ausführungsform 1 in Reihe miteinander verbunden sind, fließt, falls nur ein Teil der Solarzellen keine elektrische Leistung erzeugt, ein von den anderen Solarzellen erzeugter fotoelektrischer Strom über die Umgehungsdiode zu der nächsten Zelle, und auf diese Weise kann eine Verschlechterung des Konvertierungswirkungsgrades unterdrückt werden. Also kann die Ausführungsform 1 eine Solarzelle mit einem hohen Konvertierungswirkungsgrad und einer exzellenten Stabilität bereitstellen.
(Ausführungsform 2)
In der Ausführungsform 2 wird ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Dünnfilmsolarzelle beschrieben. Insbesondere wird ein Beispiel eines integrierten Solarzellenmoduls, in welchem mehrere Solarzellen (Zelleinheiten) in Reihe miteinander auf einem Substrat verbunden sind, beschrieben.
Die Querschnittsansicht eines Solarzellenmoduls der Ausführungsform 2 ist in 4 gezeigt. Wie in 4 gezeigt, umfasst ein Solarzellenmodul der Ausführungsform 2 ein leitfähiges Substrat 21, eine auf dem leitfähigen Substrat 21 gebildete isolierende Schicht 22, eine leitende Schicht 23, die als eine Rückseitenelektrode arbeitet und auf der isolierenden Schicht 22 gebildet ist, eine Halbleiterschicht 24, die als eine optische Absorptionsschicht arbeitet und auf der leitenden Schicht 23 gebildet ist, eine aus einem Halbleiter oder einem Isolator gefertigte auf der Halbleiterschicht 24 gebildete Fensterschicht 25 sowie einen auf der Fensterschicht 25 gebildeten transparenten leitfähigen Film 26. Außerdem kann weiterhin eine aus einem Halbleiter oder einem Isolator gefertigte zweite Fensterschicht zwischen der Fensterschicht 25 und dem transparenten leitfähigen Film 26 bereitgestellt werden. In einem Teil der isolierenden Schicht 22 und der leitenden Schicht 23 ist ein Durchgangsloch 27 gebildet, so dass es diese durchdringt. Das Durchgangsloch 27 ist mit einem Halbleiter gefüllt, welcher eine Zusammensetzungskomponente auch der Halbleiterschicht 24 ist. Hier umfassen der Halbleiter in dem Durchgangsloch 27 und der Halbleiter über dem Durchgangsloch 27 wenigstens ein Element, welches von den Elementen ausgewählt ist, die das leitfähige Substrat 21 bilden, welches in einer ähnlichen Weise wie in der Halbleiterschicht 14a in 34A diffundiert, so dass von der übrigen Halbleiterschicht 24 abweichende Merkmale vorliegen.
Die leitende Schicht 23, die Halbleiterschicht 24 und die Fensterschicht 25 (umfassend die zweite Fensterschicht, falls sie zwischen der Fensterschicht 25 und dem transparenten leitfähigen Film 26 bereitgestellt ist), und der transparente leitfähige Film 26 sind in Streifen durch streifenförmige Ausnehmungen 23a, 24a, bzw. 26a geteilt. Jeder Schicht-Streifen in einer Streifenform bildet mehrere Zelleinheiten 28. Das heißt, jede der Zelleinheiten 28 ist mit der leitenden Schicht 23, der Halbleiterschicht 24, der Fensterschicht 25 und dem transparenten leitfähigen Film 26, die in einer Streifenform gebildet sind, versehen. Der transparente leitfähige Film 26 in jeder Zelleinheit 28 ist mit der leitenden Schicht 23 in der benachbarten Zelleinheit 28 über die Ausnehmung 24a verbunden. Auf diese weise sind alle die Zelleinheiten 28 in Reihe miteinander verbunden.
Für das leitfähige Substrat 21 können beispielsweise die oben beschriebenen Materialien für das leitfähige Substrat 11 der Ausführungsform 1 verwendet werden. Ähnlich sind die oben beschriebenen Materialien und Konfigurationen für die isolierende Schicht 12, die leitende Schicht 13, die Halbleiterschicht 14, die Fensterschicht 15 sowie den transparenten leitfähigen Film 16 der Ausführungsform 1 entsprechend ebenso auf die isolierende Schicht 22, die leitende Schicht 23, die Halbleiterschicht 24, die Fensterschicht 25 sowie den transparenten leitfähigen Film 26 anwendbar.
Ein Beispiel eines Herstellungsverfahrens der Solarzelle 20 wird unten beschrieben. Das Verfahren zur Herstellung der isolierenden Schicht 22, der leitenden Schicht 23, der Halbleiterschicht 24, der Fensterschicht 25, der zweiten Fensterschicht und des transparenten leitfähigen Films 26, welche dieselben wie in Ausführung 1 sind, ist weggelassen.
Als erstes werden die isolierende Schicht 22 und die leitende Schicht 23 auf dem leitfähigen Substrat 21 in dieser Reihenfolge geschichtet (Prozess (i)). Dann wird ein Teil der leitenden Schicht 23 entfernt, um in Streifenform zu sein, so dass die leitende Schicht 23 in mehrere streifenförmige leitende Schichten geteilt ist. Ein Beispiel eines Verfahrens zum Aufteilen der leitenden Schicht ist wie folgt beschrieben. Als erstes wird die isolierende Schicht 22 auf dem leitfähigen Substrat 21 gebildet. Dann wird ein streifenförmiges Resistmuster (resist pattern) teilweise auf der isolierenden Schicht 22 gebildet. Danach wird die leitende Schicht 23 so gebildet, dass sie das Resistmuster abdeckt, gefolgt durch ein Ablösen des Resistmusters unter Verwendung eines Lösungsmittels, um so die streifenförmigen Ausnehmungen 23a zu bilden. Ein anderes Beispiel eines Verfahrens zum Aufteilen der leitenden Schicht ist das Bilden der isolierenden Schicht 22 und der leitenden Schicht 23 in dieser Reihenfolge und dann Entfernen eines Teils der leitenden Schicht 23 in einer Streifenform durch Bestrahlung mit einem Laserstrahl oder einem linearen Plasma, um so die Ausnehmungen 23a zu bilden. Die leitende Schicht 23 ist in einer Streifenform durch die streifenförmigen Ausnehmungen 23a geteilt.
Als nächstes wird ein Durchgangsloch 27 gebildet, so dass es die isolierende Schicht 22 und die leitende Schicht 23 durchdringt (Prozess (ii)). Ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung des Durchgangslochs 27 wird mit Bezug auf 5A beschrieben. Das Durchgangsloch 27 kann durch Fließenlassen eines elektrischen Stromes zwischen wenig stens zwei von den mehreren streifenförmigen leitenden Schichten 23 ausgewählten leitenden Schichten gebildet werden. Beispielsweise, wie in 5A gezeigt, wird eine elektrische Spannung zwischen den beiden benachbarten leitenden Schichten 23 mit der dazwischen angeordneten Ausnehmung 23a angelegt. Während dieses Prozesses konvergiert ein Strom in einen Bereich 22a geringen Widerstandes, wo die Abdeckung der isolierenden Schicht 22 nicht ausreichend ist, so dass Wärme in dem Bereich erzeugt wird. Die so erzeugte Wärme lässt die isolierende Schicht 22 und die leitende Schicht 23 teilweise ausbrennen und entfernen, so dass auf diese Weise das Durchgangsloch 27, wie in 5B gezeigt, an einem Teil der isolierenden Schicht 22 und der leitenden Schicht 23 gebildet ist. Es ist auch möglich, das Durchgangsloch 27 durch Anlegen einer Spannung zwischen dem leitfähigen Substrat 21 und der leitenden Schicht 23 zu bilden, um so einem Strom zu gestatten, hier in derselben Weise wie in Ausführungsform 1 durchzufließen.
Danach wird die Halbleiterschicht 24 in dem Durchgangsloch 27 und auf der leitenden Schicht 23 gebildet (Prozess (iii)). Danach wird die Fensterschicht 25 auf der Halbleiterschicht 24 gebildet. Die oben beschriebene zweite Fensterschicht kann auf der Fensterschicht 25 gebildet werden.
Danach werden die Ausnehmungen 24a durch Entfernen eines Teils der Halbleiterschicht 24 und der Fensterschicht 25 gebildet, so dass sie in einer Streifenform sind, beispielsweise durch ein Ritzverfahren, in welchem ein dünner Film mechanisch unter Verwendung einer Metall- oder Diamantnadel abgelöst wird. Die Halbleiterschicht 24 und die Fensterschicht 25 (umfassend die zweite Fensterschicht) sind durch die Ausnehmungen 24a in einer Streifenform geteilt.
Danach wird der transparente leitfähige Film 26 auf der Fensterschicht 25 und auf dem offenen (exposed) Teil der leitenden Schicht 23 gebildet, wo die Fensterschicht 25 und die Halbleiterschicht 24 entfernt wurden.
Danach werden die Ausnehmungen 26a durch Entfernen eines Teils der Halbleiterschicht 24, der Fensterschicht 25 und des transparenten leitfähigen Films 26 in einer Streifenform gebildet, beispielsweise durch ein mechanisches Ritzverfahren. Die Halbleiterschicht 24, die Fensterschicht 25 (umfassend die zweite Fensterschicht) und der transparente leitfähige Film 26 sind durch die Ausnehmungen 26a in einer Streifenform geteilt. In der oben beschriebenen Weise kann ein integrierter Solarzellenmodul, in welchem mehrere Zelleinheiten miteinander in Reihe verbunden sind, hergestellt werden.
Entsprechend der Ausführungsform 2, ähnlich zur Ausführungsform 1, diffundiert während des Prozesses des Bildens der Halbleiterschicht 24 das Element, das eine Zusammensetzungskomponente des leitfähigen Substrats 21 ist, in die in dem Durchgangsloch 27 und der Halbleiterschicht über dem Durchgangsloch 27 gebildete Halbleiterschicht. Als ein Ergebnis ist der Halbleiter 24 in und um das Durchgangsloch 27 von einem p-Typ-Halbleiter mit einer angemessenen Trägerdichte für Solarzellen in einen p-Typ- oder n-Typ-Halbleiter hohen Widerstands umgewandelt. Entsprechend ist die Umgehungsdiode auf eine ähnliche Weise wie in der Ausführungsform 1 durch eine Schottky-Verbindung in der Nähe des Durchgangslochs 27 gebildet.
Außerdem wird in der vorliegenden Ausführungsform ein Kurzschluss zwischen dem leitfähigen Substrat 21 und der lei tenden Schicht 23, welcher durch die ungenügende Bildung der isolierenden Schicht 22 auftritt, durch die Bildung des Durchgangslochs 27 behoben. Entsprechend wächst der Wert des Widerstandes zwischen den benachbarten Streifen der leitenden Schichten 23, welche aufgrund des Kurzschlusses leitfähig waren. Als ein Ergebnis können Solarzellen mit einer exzellenten Eigenschaft erhalten werden.
Wie in der Ausführungsform 1 beschrieben, nimmt die Halbleiterschicht 24 in und über dem Durchgangsloch 27 aufgrund der Verunreinigungsdiffusion von dem leitfähigen Substrat 21 an Widerstand zu. Hierbei ist weiterhin ein Schottky-Übergang zwischen der Halbleiterschicht 24 und dem leitfähigen Substrat 21 auf eine ähnliche Weise gebildet wie die Grenzfläche zwischen der Halbleiterschicht 24 und der leitendem Schicht 23 in der Nähe des Durchgangslochs 27. Aufgrund dieser zwei Effekte sind ein von der Halbleiterschicht 24 zu dem leitfähigen Substrat 21 fließender Strom und der hieraus resultierende Spannungsabfall gering, so dass die Eigenschaft der Solarzelle in einem normalen Zustand kaum beeinträchtigt ist. Daher kann ein Solarzellenmodul mit einem Aufbau in Reihenschaltung und mit einem hohen Konvertierungswirkungsgrad hergestellt werden.
Entsprechend der Ausführungsform 2 kann nicht nur durch Bilden einer Umgehungsdiode verhindert werden, dass sich der Konvertierungswirkungsgrad der Solarzelle verschlechtert, sondern der Konvertierungswirkungsgrad kann auch durch Entfernen eines Kurzschlusses zwischen Zelleinheiten verbessert werden. Daher kann entsprechend der Ausführungsform 2 ein Solarzellenmodul mit einem hohen Konvertierungswirkungsgrad und einer exzellenten Stabilität bereitgestellt werden.
Das Folgende ist eine speziellere Beschreibung der vorliegenden Erfindung durch Beispiele.
Beispiel 1
Beispiel 1 ist auf eine Solarzelle von der Ausführungsform 1 und ein Beispiel eines Herstellungsverfahrens für diese gerichtet.
Ein Aufbau einer Solarzelle 30 wird mit Bezug auf 6 beschrieben. In Beispiel 1 wurden ein rostfreies Substrat 31 (Dicke: 50 μm) für das leitfähige Substrat 11, eine SiO₂-Schicht 32 (Dicke: 0,5 μm) für die isolierende Schicht 12, eine Mo-Schicht 33 (Dicke: 0,8 μm) für die leitende Schicht 13, eine CIGS-Schicht 34 (Dicke: 2 μm) für die Halbleiterschicht 14, welche als eine optische Absorptionsschicht arbeitet, eine CdS-Schicht 35a (Dicke: 0,1 μm) für die erste Fensterschicht der Fensterschicht 15, eine ZnO-Schicht 35b (Dicke: 0,1 μm) für die zweite Fensterschicht der Fensterschicht 15, ein ITO-Film 36 (Dicke: 0,1 μm) für den transparenten leitfähigen Film 16 und ein Schichtfilm 37 von NiCr/Al (Dicke über alles: 1,5 μm) für die Extraktionselektrode 17 verwendet.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle wie folgt beschrieben. Als erstes wurde eine SiO₂-Schicht 32 durch ein Sputter-Verfahren auf einem rostfreien Substrat 31 gebildet. Danach wurde eine Mo-Schicht 33 weiterhin durch ein Sputter-Verfahren auf der SiO₂-Schicht 32 gebildet.
Als nächstes wurde ein Durchgangsloch 38 durch das unter Bezugnahme auf 2A beschriebene Verfahren gebildet.
Eine elektrische Spannung wurde zuerst zwischen dem rostfreien Substrat 31 und der Mo-Schicht 33 angelegt. Hier wurde die Spannung als ein Puls angelegt, wobei sie graduell zu 5 V, 10 V, 15 V und 20 V erhöht wurde. Die Zeitdauer, einen Puls anzulegen, betrug 5 Sekunden oder kürzer und die pro jedem Spannungswert angelegten Spannungspulse waren in dem Bereich von 1 bis 5 Pulsen.
Danach wurde eine CIGS-Schicht 34 durch ein Verdampfungsverfahren auf der Mo-Schicht 33 und einem Teil des durch das Durchgangsloch 38 offenen rostfreien Substrats 31 gebildet. Als nächstes wurde das Substrat in eine Lösung getaucht, die Cd und S (Schwefel) enthält, um eine CdS-Schicht 35a (die erste Fensterschicht) auf der CIGS-Schicht 34 durch ein chemisches Abscheidungsverfahren zu bilden. Danach wurde eine ZnO-Schicht 35b (die zweite Fensterschicht) durch ein Sputter-Verfahren gebildet, auf welcher weiterhin ein ITO-Film 36 durch ein Sputter-Verfahren gebildet wurde.
Danach wurde ein Schichtfilm 37 von NiCr und Al durch ein Elektronenstrahlverdampfungsverfahren (electron beam evaporation method) unter Verwendung einer Schattenmaske gebildet. Auf diese Weise wurde eine Solarzelle gefertigt.
7 zeigt die Änderung des Widerstandes zwischen dem rostfreien Substrat 31 und der Mo-Schicht 33 in Übereinstimmung mit der angelegten Pulsspannung. Da der Widerstand kurz nach der Bildung der Mo-Schicht so niedrig wie 12 Ω war, kann es bestätigt werden, dass das rostfreie Substrat an vielen Punkten in Kontakt mit der Mo-Schicht war. Der Wert des Widerstandes nahm zu, wenn die Pulsspannung größer wurde. Dies ist, weil jeder der Punkte, wo das rostfreie Substrat in Kontakt mit der Mo-Schicht war, eine unter schiedliche Fläche aufwies, und daher war der Widerstandswert hiervon ebenso unterschiedlich. Wenn eine geringe Spannung angelegt wurde, konvergierte der Strom in den Kontaktpunkt geringen Widerstandes, und Mo an dem Punkt wurde sublimiert, so dass der Kontaktpunkt mit einer großen Fläche isoliert wurde. Danach konvergierte der Strom, wenn die angelegte Spannung erhöht wurde, in die Kontaktpunkte mit kleinen Flächen, wo Mo entsprechend sublimiert wurde. Das heißt, dass die Mo-Schicht, in Übereinstimmung mit einer Erhöhung der Spannung, an den Kontaktpunkten einer nach dem anderen von einem Kontaktpunkt mit einer großen Fläche zu einem Kontaktpunkt mit einer kleinen Fläche sublimiert wurde, wodurch der Widerstand zwischen dem rostfreien Substrat und der Mo-Schicht erhöht wurde. An den Punkten, wo die Mo-Schicht sublimiert wurde, wurden die Durchgangslöcher 38 gebildet.
Als ein Ergebnis einer Messung einer Strom-Spannungs-Eigenschaft der gefertigten CIGS-Solarzelle in der Dunkelheit, wurde beobachtet, dass sich der Strom erhöhte, wenn eine umgekehrte Vorspannung auf einen p-n-Flächengleichrichter in der Solarzelle angewandt wurde. Dies ist, weil eine Umgehungsdiode an dem Durchgangsloch 38 gebildet wurde. Aufgrund des Ergebnisses der Messung wurde sichergestellt, dass entsprechend der erfindungsgemäßen Solarzelle und dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung derselben eine Umgehungsdiode in einer Solarzelle gebildet wurde. Außerdem wurde die Eigenschaft der CIGS-Solarzelle durch Einstrahlung mit Dummy-Sonnenlicht mit einer Luftmasse (air mass) von 1,5 und einer Lichtintensität von 100 mW/cm² gemessen. Als ein Ergebnis der Messung wurde ein Konvertierungswirkungsgrad von 12,3% (Spannung des offenen Schaltkreises: Voc = 0,544 V, Kurzschlussstromdichte: Jsc = 31,7 mA/cm², ein Feldfaktor: FF = 0,712) angegeben. In Betrachtung zie hend, dass der Konvertierungswirkungsgrad der Solarzelle, welche keine SiO₂-Schicht umfasst, welche also ohne Umgehungsdiode ausgeführt war, 12,4% betrug, wurde sichergestellt, dass der Konvertierungswirkungsgrad sich nicht durch eine Umgehungsdiode in einer Solarzelle verschlechtert.
Ein rostfreier Stahl wurde für das leitfähige Substrat 11 in Beispiel 1 verwendet, aber die Verwendung von Ti, Cr, Fe, Ni oder einer Metalllegierung, welche zwei oder mehr von diesen Elementen enthält, ergibt auch ein zu Beispiel 1 ähnliches Ergebnis. Die SiO₂-Schicht 32 wurde für die isolierende Schicht 12 in Beispiel 1 verwendet, aber die Verwendung von TiO₂, Al₂O₃, Si₃N₄, TiN, einem Glasfilm oder einem Schichtfilm dieser Materialien ergibt ein ähnliches Ergebnis. Die Mo-Schicht 33 wurde für die leitende Schicht 13 verwendet, jedoch ergibt die Verwendung einer leitenden Schicht mit einem Zweischichtaufbau von Mo/MoSe₂ offensichtlich ein ähnliches Ergebnis, weil eine MoSe₂-Schicht auf einer Oberfläche der Mo-Schicht während der Bildung einer CIGS-Schicht gebildet werden kann.
Beispiel 2
Beispiel 2 ist auf einen Solarzellenmodul der Ausführungsform 2 und ein anderes Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung desselben gerichtet.
Ein spezifischer Aufbau eines Solarzellenmoduls von Beispiel 2 wird mit Bezug auf 4 beschrieben. Für das leitfähige Substrat 21, die isolierende Schicht 22, die leitende Schicht 23, die als eine optische Absorptionsschicht arbeitende Halbleiterschicht 24, die Fensterschicht 25 und den transparenten leitfähigen Film 26 wurden ent sprechend ein rostfreier Stahl (Dicke: 70 μm), eine Al₂O₃-Schicht (Dicke: 1 μm), eine Mo-Schicht (Dicke: 0,4 μm), eine CIGS-Schicht (Dicke: 1,5 μm), eine Zn_0,9Mg_0,1O-Schicht (Dicke: 0,1 μm) und ein ITO-Film (Dicke: 0,6 μm) verwendet.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung des Solarzellenmoduls wie folgt beschrieben. Als erstes wurde eine Al₂O₃-Schicht (die isolierende Schicht 22) auf einem rostfreien Substrat (das leitfähige Substrat 21) durch ein Sputter-Verfahren gebildet. Danach wurde eine Resistlösung in einer Streifenform angeordnet und getrocknet, und so wurde ein streifenförmiges Resistmuster gebildet. Als nächstes wurde eine Mo-Schicht 23 weiterhin durch ein Sputter-Verfahren gebildet, so dass sie die Al₂O₃-Schicht und das Resistmuster abdeckte. Danach wurde das Resistmuster von der Al₂O₃-Schicht abgelöst, indem mit reinem Wasser gewaschen wurde, und zur selben Zeit löste sich auch die auf dem Resistmuster abgelagerte Mo-Schicht ab. Auf diese Weise wurden streifenförmige Ausnehmungen 23a in der Mo-Schicht gebildet.
Als nächstes wurden Durchgangslöcher durch das in 5A gezeigte Verfahren gebildet. Insbesondere wurde eine elektrische Spannung zwischen den zwei benachbarten Mo-Schichten auf beiden Seiten der streifenförmigen Ausnehmung 23a angelegt. Hier wurde die Spannung in einem Muster eines Anwachsens bei einer bestimmten Rate angelegt, bis sie eine vorbestimmte Spannung erreichte, eines Aufrechterhaltens für eine bestimmte Zeit und eines Absenkens mit einer bestimmten Rate. In diesem Beispiel lagen die Raten zum Erhöhen und Absenken der Spannung von 10 V/sec. bis 20 V/sec. und die Zeit zum Aufrechterhalten der vorbestimmten Spannung lag im Bereich von 0,1 Sekunden bis 5 Sekunden. Zusätzlich wurde die aufrecht zu erhaltende vorbestimmte Spannung graduell zu 5 V, 10 V, 15 V und 20 V erhöht, so dass auf diese Weise das Durchgangsloch 27 gebildet wurde.
Danach wurde eine CIGS-Schicht (die Halbleiterschicht 24) durch ein Verdampfungsverfahren auf der Mo-Schicht, einem offenen Teil der Al₂O₃-Schicht, wo die Mo-Schicht in einer Streifenform abgelöst war, und einem Teil des durch das Durchgangsloch 27 offenen rostfreien Substrats, gebildet. Als nächstes wurde eine Zn_0,9Mg_0,1O-Schicht (die Fensterschicht 25) durch ein Sputter-Verfahren gebildet. Danach wurden streifenförmige Ausnehmungen 24a durch Ablösen eines Teils der CIGS-Schicht und der Zn_0,9Mg_0,1O-Schicht durch ein mechanisches Ritzverfahren unter Verwendung einer Metallnadel gebildet. Als nächstes wurde ein ITO-Film (der transparente leitfähige Film 26) auf der Zn_0,9Mg_0,1O-Schicht und auf einem Teil der durch die Ausnehmungen 24a offenen Mo-Schicht gebildet. Danach wurden der ITO-Film, die Zn_0,9Mg_0,1O-Schicht und die CIGS-Schicht teilweise durch dasselbe Verfahren wie das obige mechanische Ritzverfahren entfernt, so dass die Ausnehmungen 26a in einer Streifenform gefertigt wurden. In der oben beschriebenen Weise wurde der integrierte Solarzellenmodul hergestellt, so dass er mit mehreren Zelleinheiten, welche in Streifen geteilt und miteinander in Reihe geschaltet sind, versehen ist.
In Beispiel 2 wurde die Mo-Schicht durch die acht streifenförmigen Ausnehmungen 23a geteilt, und danach wurde ein Widerstand zwischen zwei benachbarten Mo-Schichten auf beiden Seiten der Ausnehmung gemessen. Außerdem wurde der Widerstand wieder gemessen, nachdem durch das oben beschriebene Verfahren eine Spannung bis zu 20 V auf die zwei Mo-Schichten angelegt wurde. Das Ergebnis der Messung ist in 8 gezeigt. Der Wert des Widerstandes zwischen diesen zwei Mo-Schichten kurz nach dem Bilden der streifenförmigen Ausnehmungen war in dem Bereich von 10 Ω bis 200 kΩ verteilt. Durch Anlegen einer Spannung bis zu 20 V in dem oben erwähnten Muster, wurden die Widerstandswerte zwischen den Mo-Schichten auf beiden Seiten von allen den Ausnehmungen auf jenseits 1 MΩ angehoben. Dies ist, weil durch Anlegen einer Spannung Strom in die Kontaktpunkte floss, wo die Mo-Schichten über das rostfreie Substrat eines Metalls auf beiden Seiten der Ausnehmung in Kontakt mit dem rostfreien Substrat waren. Entsprechend erzeugten die Kontaktpunkte Wärme, und auf diese Weise wurden die Mo-Schichten an diesen Kontaktpunkten sublimiert. An den Punkten, wo die Mo-Schicht sublimiert war, wurden die Durchgangslöcher 27 gebildet.
Wenn die Abdeckung mit Al₂O₃, welche die isolierende Schicht bildet, in einer großen Fläche nicht ausreichend ist, sind die Punkte, wo die Mo-Schicht und das rostfreie Substrat Kurzschlusskontakte aufweisen, nicht gleichmäßig in der Fläche, und eine Dichteverteilung der Kontaktpunkte tritt auf. Jedoch können die Kurzschlussbereiche, sogar in solch einem Zustand bearbeitet werden, indem eine Spannung angelegt wird, um Strom fließen zu lassen, und daher kann die vorliegende Erfindung die dramatische Verbesserung in Ausbeute und Wiederholbarkeit verwirklichen.
Um die Merkmale von einer der Zelleinheiten der hergestellten CIGS-Solarzelle zu messen, wurde eine Strom-Spannungs-Charakteristik zwischen den geteilten Mo-Schichten in der Dunkelheit gemessen. Es wurde beobachtet, dass der Strom vergrößert wurde, wenn eine umgekehrte Vorspannung auf den p-n-Flächengleichrichter in der Solarzelle angelegt wurde.
Auf diese Weise wurde bestätigt, dass eine Umgehungsdiode an einem Bereich des Durchgangslochs 27 gebildet war. Außerdem wurde, wenn die Merkmale der CIGS-Solarzelle durch Bestrahlung mit Dummy-Sonnenlicht mit einer Luftmasse von 1,5 und einer Lichtintensität von 100 mW/cm² gemessen wurden, ein Konvertierungswirkungsgrad von 10,6% erhalten. Dieser Wert war etwa gleich 11,0%, welches der Konvertierungswirkungsgrad der durch denselben Prozess hergestellten CIGS-Solarzelle ist, außer dass ein Glassubstrat verwendet wurde, wobei keine Umgehungsdiode gebildet wurde. Auf diese Weise wurde sichergestellt, dass sich ein Konvertierungswirkungsgrad nicht durch die Anwesenheit der Umgehungsdiode verschlechtert.
Wie oben beschrieben, ist eine erfindungsgemäße Solarzelle mit einer Umgehungsdiode hierin bereitgestellt. In einem allgemeinen Solarzellenmodul ist der Betrieb des ganzen Moduls verschlechtert, wenn ein Teil der Solarzelle aus irgend einem Grund keine elektrische Leistung produziert (wie zum Beispiel, weil er beschädigt ist, auf der Oberfläche befleckt ist oder beschattet ist), und daher verschlechtert sich sein Wirkungsgrad. Andererseits kann der durch die anderen Teile der Zelle produzierte elektrische Strom durch die Umgehungsdiode fließen, sogar wenn ein Teil der Solarzelle nicht elektrische Leistung produziert, weil die erfindungsgemäße Solarzelle mit einer Umgehungsdiode versehen ist. Auf diese Weise kann die Verschlechterung des Wirkungsgrades unterdrückt werden, und der Schaden an elektrische Leistung produzierenden Solarzellen kann verhindert werden. Auf diese Weise kann entsprechend der vorliegenden Ausführungsform eine Dünnfilmsolarzelle mit einem hohen Konvertierungswirkungsgrad und einer exzellenten Stabilität bereitgestellt werden.
Entsprechend eines Herstellungsverfahrens der vorliegenden Ausführungsform, vergrößert sich eine parallele Widerstandskomponente (Shunt-Widerstand) zwischen Zelleinheiten in einem integrierten Solarzellenmodul, weil ein Kurzschluss zwischen einem leitfähigen Substrat und einer leitenden Schicht auf einer isolierenden Schicht während der Bildung eines Durchgangslochs entfernt werden kann, und auf diese Weise kann der Wirkungsgrad des Solarzellenmoduls verbessert werden. Daher kann, entsprechend dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Ausführungsform, ein integrierter Solarzellenmodul mit einem hohen Konvertierungswirkungsgrad unter Verwendung eines leitfähigen Substrats erhalten werden.
Obwohl die erfindungsgemäßen Ausführungsformen oben mit Bezug auf die Beispiele beschrieben wurden, sollte angemerkt werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen begrenzt ist, und auf andere Ausführungsformen entsprechend der technischen Idee der vorliegenden Erfindung angewandt werden kann.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Eine erfindungsgemäße Solarzelle stellt einen hohen Konvertierungswirkungsgrad und eine exzellente Stabilität bereit. Zusätzlich kann, entsprechend eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens, ein integrierter Solarzellenmodul mit einem hohen Konvertierungswirkungsgrad unter Verwendung eines leitfähigen Substrats hergestellt werden.
Zusammenfassung
Eine Solarzelle (10) umfasst ein leitfähiges Substrat (11), und eine isolierende Schicht (12), eine leitende Schicht (13) und eine Halbleiterschicht (14), die auf dem Substrat (11) angeordnet sind. Ein Durchgangsloch (18) ist so gebildet, dass es die isolierende Schicht (12) und die leitende Schicht (13) durchdringt, und das Durchgangsloch (18) ist mit dem selben Halbleiter (14) gefüllt, welcher eine Zusammensetzungskomponente auch der Halbleiterschicht (14) ist. Wenigstens ein von den das leitfähige Substrat bildenden Elementen gewähltes Element diffundiert in den Halbleiter (14), mit welchem das Durchgangsloch (18) gefüllt ist.
(1)

Claims

Solarzelle, umfassend: ein leitfähiges Substrat; und eine isolierende Schicht, eine leitende Schicht und eine Halbleiterschicht, die auf dem Substrat in dieser Reihenfolge angeordnet sind, wobei ein Durchgangsloch gebildet ist, so dass es die isolierende Schicht und die leitende Schicht durchdringt, und das Durchgangsloch mit einem Halbleiter gefüllt ist, welcher eine Zusammensetzungskomponente auch der Halbleiterschicht ist.
Solarzelle umfassend: ein leitfähiges Substrat; eine auf dem Substrat gebildete isolierende Schicht; und eine Mehrzahl von Zelleinheiten, die auf der isolierenden Schicht gebildet sind und in Reihe verbunden sind, wobei jede Zelleinheit eine leitende Schicht und eine Halbleiterschicht umfasst, welche auf der isolierenden Schicht in dieser Reihenfolge angeordnet sind, ein Durchgangsloch gebildet ist, so dass es die isolierende Schicht und die leitende Schicht durchdringt, und das Durchgangsloch mit einem Halbleiter gefüllt ist, welcher eine Zusammensetzungskomponente auch der Halbleiterschicht ist.
Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei wenigstens ein von den das Substrat bildenden Elementen ausgewähltes Element in den Halbleiter diffundiert ist, mit welchem das Durchgangsloch gefüllt ist.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Substrat aus einer wenigstens zwei von Ti, Cr, Fe und Ni ausgewählten Elemente umfassenden Metalllegierung oder rostfreiem Stahl gefertigt ist.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die isolierende Schicht aus wenigstens einem aus der aus SiO₂, TiO₂, Al₂O₃, Si₃N₄, TiN und Glas bestehenden Gruppe Ausgewählten gefertigt ist.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die leitende Schicht Mo umfasst.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Halbleiterschicht aus einem ein Element von der Gruppe Ib, ein Element von der Gruppe IIIb sowie ein Element von der Gruppe VIb umfassenden Verbundhalbleiter gefertigt ist.
Solarzelle nach Anspruch 7, wobei das Element von der Gruppe Ib Cu ist, das Element von der Gruppe IIIb wenigstens ein von In und Ga ausgewähltes Element ist und das Element von der Gruppe VIb wenigstens ein von Se und S ausgewähltes Element ist.
Solarzelle nach Anspruch 8, wobei der Verbundhalbleiter ein p-Typ-Halbleiter ist, und der Halbleiter in dem Durchgangsloch ein p-Typ- oder n-Typ-Halbleiter mit einem höheren Widerstand als der p-Typ-Halbleiter des Verbundhalbleiters ist.
Verfahren zum Fertigen einer ein leitfähiges Substrat, und eine isolierende Schicht, eine leitende Schicht und eine Halbleiterschicht umfassende Solarzelle, welche Schichten auf dem Substrat in dieser Reihenfolge angeordnet sind, umfassend die Schritte von: (i) Schichten der isolierenden Schicht und der leitenden Schicht auf dem Substrat in dieser Reihenfolge; (ii) Bilden eines Durchgangslochs, so dass es durch die isolierende Schicht und die leitende Schicht dringt; und (iii) Bilden der Halbleiterschicht in dem Durchgangsloch und über der leitenden Schicht.
Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle nach Anspruch 10, wobei in dem Schritt (ii) das Durchgangsloch durch ein Hindurchfließenlassen von elektrischem Strom zwischen der leitenden Schicht und dem Substrat gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle nach Anspruch 10, weiterhin umfassend einen Schritt des Entfernens eines Teils der leitenden Schicht, so dass sie eine Streifenform aufweist, so dass die leitende Schicht in mehrere Streifen geteilt wird, wobei der Schritt des Entfernens nach dem Schritt (i) und vor dem Schritt (ii) durchgeführt wird, wobei in dem Schritt (ii) das Durchgangsloch durch das Hindurchfließenlassen eines elektrischen Stromes zwischen zwei leitenden Schichten gebildet wird, wel che von den mehreren Streifen der leitenden Schicht ausgewählt sind.