JP2007507867A - 太陽電池に利用される球状、又は、粒状の半導体素子、その生産方法、その半導体素子を含む太陽電池の生産方法、及び、太陽電池 - Google Patents
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Abstract
Description
また、本発明は、集積化された球状、又は、粒状の半導体素子を有する太陽電池、及び、その生産方法に関する。
また、本発明は、集積化された半導体素子を持っている太陽電池を少なくとも1つ有する光起電モジュールに関する。
この目的に使用される太陽電池は、主として従来のpn接合が実現されるプレーナ型ウェハーで作られる。pn接合と他の機能層を生産するためには、個々の連続した層の表面を形成し、処理することに加え、球状や粒状のフォームにて半導体物質を形成することが、多くの利点を有するということから、実用的であることが実証されている。
同様に、集積化された半導体素子を持っている太陽電池と、少なくとも1つの太陽電池を持っている光電池モジュールを提供することは、本発明の目的である。
そして、この半導体素子の生産方法は、球状又は粒状の基層コアへのバックコンタクト層の形成、銅又は銅・ガリウムで作られた第一の前駆層の形成、インジウムで作られた第二の前駆層の形成、及び、I―III―VI族化合物半導体を形成するための、前記前駆層と硫黄、及び/又は、セレンとの反応、によって特徴付けられる。
また、前記バックコンタクト層の厚さは、0.1μmから1μmの大きさにある。
また、I―III―VI族化合物半導体層は、例えば、銅・インジウム・ジセレニド、銅・インジウム・硫化物、銅・インジウム・硫化ガリウム、又は、銅・インジウム・ガリウム・ジセレニドから成る。この層の厚さは、1μmから3μmの大きさにある。
また、I―III―VI族化合物半導体を有する平らな太陽電池は、特定のパラメータに従うために、想定される太陽電池のサイズに正確に適合させる必要がある反応装置にて、従来生産されている。結果として、広い表面の太陽電池構造の場合では、例えば、広大な全範囲における熱の影響下での反応において、加熱と冷却を繰り返す必要があり、これに対応する大型の反応装置が要求されることもなる。このことは、高いエネルギー需要を必然的に伴うことになる。
対照的に、太陽電池に後に組み込むための、球状、又は、粒状の半導体素子の生産については、問題となる反応装置において、比較的小さな範囲だけ反応させることが必要となるため、はるかに少ないエネルギーが必要とされることになる。
たとえば、より大きい構造か、又は、より小さい構造を反応装置内で反応させる必要がある、従来の太陽電池の表面では、必要とされるパラメータを正確に設定するために、新規の適切な反応装置を提供する必要があった。このことは、非常にコストがかかるものである。
また、従来の薄層モジュール等の生産は、半導体層を製造するために使われる装置によって、制限されるものであった。
また、対照的に、本発明に従った球状の半導体素子の生産では、必要な量の半導体素子を生産する際に、既存の反応装置を、追加の反応装置によって補強することができる。したがって、このことは、反応装置が必要とされない太陽電池の後工程よりも、むしろ、追加層を形成するシステムを、大いに簡素化することになる。
望ましくは、いくつかの半導体素子のバックコンタクト層の表面を露出するために、支持層の片面において、半導体素子の一部が除去される。引き続き、この支持層の側(半導体素子が除去された側)に、バックコンタクト層が形成される。前記バックコンタクト層は、半導体素子の開放されたバックコンタクト層に接触する。フロントコンタクト層は、前記支持層の反対側(つまり、支持層に形成されたバックコンタクト層とは反対側)に形成される。フロントコンタクト層、及び、前記バックコンタクト層に加えて、他の機能層を形成することができる。
前述の除去については、例えば、研摩加工、磨き加工、熱エネルギーの入力、エッチング加工による。また、そこでは、バックコンタクト層とフロントコンタクト層が、それぞれ、PVD法又はCVD法にて蒸着される、ホトリソグラフィ処理加工で行うことができる。例えば、導電性ポリマーが、バックコンタクト層、又は、フロントコンタクト層として利用される場合では、ブラッシングや吹きつけによる手法が有効であることが判明している。
また、球状の半導体素子は、本発明による手段によって生産されることが望ましく、また、前記フロントコンタクト層は、例えば、透明導電性酸化物(TCO)から成ることが望ましい。前記バックコンタクト層は、金属、透明導電性酸化物(TCO)、導電性粒子を有するポリマーのような導電性材料から成る。また、前記太陽電池は、前記フロントコンタクト層、前記バックコンタクト層に加え、他の機能層を持つことができる。
本質的な利点は、生産の簡素化に加え、入射の向きの如何にかかわらず、入射光が当たることができる曲面を有するということにある。したがって、散光であっても、電気を起こすために、より効率的に利用することができる。
図1のイラスト(a)は、球状の半導体素子を生産する際における層構造の特に好適な実施例、イラスト(b)は、本発明に従った手段により生産された半導体素子を示す。
また、本発明に従った、球状の半導体素子11の生産方法の第一工程では、球状の基層コア20が、バックコンタクト層30でコーティングされる。前記球状の基層コア20は、ガラスから作られることが望ましいが、金属や、セラミックなどの他の材料で作られてもよい。ガラスが採用される場合では、例えば、後の層構造形成においてソジウムの良い原料となる、ソーダ石灰ガラスが採用される。また、他のガラス組成物も使用することができる。
この原子比は1よりも低いことが有効であると判明している。セレン化後のCIGS層の厚さは、1μmから3μmの大きさとするのが望ましい。仕上がったCIGS層の銅分は、化学量論において必然的な値よりも小さく設定できることが判明している。
また、前記反応は前記要素で作られた溶解物中で起こすこともできる。前記反応のための他の可能性として、硫黄、及び/又は、セレンを含む溶解塩がある。
例えば、本発明の他の側面として、球状の半導体素子は、図2のイラスト(a)〜(d)に示すように、太陽電池に埋め込まれる。
エポキシド、ポリウレタン、ポリアクリル酸、及び/又は、ポリイミド類のグループからの予備重合樹脂も使用できる。
また、前記球体(半導体素子11)が押された後に硬くなる液状ポリマーを使用することができる。
この実施例では、この除去は、半導体素子11のバックコンタクト層30(点のラインで示される)までいっぱいに達する。また、半導体素子が層の両側からはみ出るような方法で絶縁性支持層70に組み入れられる場合では、その処理の後に、半導体素子を絶縁性支持層70からさらにはみ出させるか、又は、絶縁性支持層70と平らとさせるために、前記絶縁性支持層70の追加的な除去をすることなく、半導体素子の片側に対して処理を施す、ということも可能である。
特に、好適な材料としては、エポキシ樹脂、ポリウレタン、及び/又は、ポリイミド類、であって、炭素、インジウム、ニッケル、モリブデン、鉄、ニッケルクロム、銀、アルミ、及び/又は、対応する合金、又は、酸化物などの適当な導電性の粒子が提供されたものがある。別の可能性として、本質的に導電性のポリマーが含まれる。これらは、例えば、PANisのグループからのポリマー類を含む。使用され得る他の材料としては、TCOや適当な金属がある。TCOと金属のケースでは、PVD法、又は、CVD法にてバックコンタクト層(80)を形成することができる。
また、必要とされる蒸着と処理ステップのすべてが、光電池モジュールを作ることができる太陽電池をもたらすことになる。
また、一つ、又は、複数の太陽電池を、直列に接続することができ、例えば、発生する電流を引き出すモジュールを形成するために、それらを結合させることができる。
11 半導体素子
20 基層、基層コア
30 半導体素子のバックコンタクト層
40 第一の前駆層
50 第二の前駆層
60 I―III―VI族化合物半導体、CIS層又はCIGS層
70 支持層、絶縁層
80 太陽電池のバックコンタクト層
90 太陽電池のフロントコンタクト層
Claims (59)
- 太陽電池に使用される球状、又は、粒状の半導体素子(11)の生産方法において、
球状、又は、粒状の基層コア(20)に対する導電性のバックコンタクト層(30)の形成と、
銅、又は、銅・ガリウムよりなる第一の前駆層(40)の形成と、
インジウムよりなる第二の前駆層(50)の形成と、
(d)I―III―VI族化合物半導体を形成するための、前記両前駆層(40)・(50)と、硫黄と、及び/又は、セレンとの反応と、を有することを特徴とする半導体素子の生産方法。 - 導電性のバックコンタクト層(30)の主な成分はモリブデンである、
ことを特徴とする、請求項1に記載の生産方法。 - 接着性を改良するために、前記導電性のバックコンタクト層(30)は、ガリウムを最大で20重量パーセントまで含む、
ことを特徴とする、請求項2に記載の生産方法。 - 前記層(30、40、50)は、それぞれ、PVD、及び/又は、CVDの方法によって形成される、
ことを特徴とする、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の生産方法。 - 前記前駆層(40、50)を含む前記層構造(10)が、I―III―VI族化合物半導体を形成する反応の前に、合金化される、
ことを特徴とする、請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の生産方法。 - 前記前駆層(40、50)を含む前記層構造(10)が、I―III―VI族化合物半導体を形成する反応の前に、220℃よりも高温(428°Fよりも高温)にて合金化される、
ことを特徴とする、請求項5に記載の生産方法。 - 前記I―III―VI族化合物半導体を形成するための前記前駆層(40、50)を含む前記層構造(10)の反応が、硫黄、及び/又は、セレンの反応要素の蒸気で行われる、
ことを特徴とする、請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の生産方法。 - 前記層構造(10)の反応が、大気圧下で行われる、
ことを特徴とする、請求項7に記載の生産方法。 - 前記層構造(10)の反応が、真空状態で行われる、
ことを特徴とする、請求項7に記載の生産方法。 - 前記I―III―VI族化合物半導体を形成するための前記前駆層(40、50)を含む前記層構造(10)の反応が、硫黄、及び/又は、セレンの反応要素の溶解物で行われる、
ことを特徴とする、請求項1乃至請求項9のいずれか1項に記載の生産方法。 - 前記I―III―VI族化合物半導体を形成するための前記前駆層(40、50)を含む前記層構造(10)の反応が、硫黄、及び/又は、セレンの反応要素の混合物を含む溶解塩で行われる、
ことを特徴とする、請求項1乃至請求項10のいずれか1項に記載の生産方法。 - 前記I―III―VI族化合物半導体を形成するための前記前駆層(40、50)を含む前記層構造(10)の反応が、硫黄、及び/又は、セレンの反応要素の水素化合物で行われる、
ことを特徴とする、請求項1乃至請求項11のいずれか1項に記載の生産方法。 - 前記層構造(10)の反応が、大気圧で行われる、
ことを特徴とする、請求項12に記載の生産方法。 - 前記層構造(10)の反応が、大気圧よりも低い圧力下で行われる、
ことを特徴とする、請求項12に記載の生産方法。 - 前記I―III―VI族化合物半導体を形成するための前記層構造(10)の反応の後に、KCN水溶液による処理が行われる、
ことを特徴とする、請求項1乃至請求項14のいずれか1項に記載の生産方法。 - 前記I―III―VI族化合物半導体を形成するための前記層構造(10)の反応の後に、バッファ層が蒸着される、
ことを特徴とする、請求項1乃至請求項15のいずれか1項に記載の生産方法。 - 前記I―III―VI族化合物半導体を形成するための前記層構造(10)の反応の後に、高抵抗ZnO層が蒸着される、
ことを特徴とする、請求項1乃至請求項16のいずれか1項に記載の生産方法。 - 前記高抵抗ZnO層の後に、低抵抗ZnO層が蒸着される、
ことを特徴とする、請求項17に記載の生産方法。 - 前記層は、PVD、及び/又は、CVDの方法によって蒸着される、
ことを特徴とする、請求項16乃至請求項18のいずれか1項に記載の生産方法。 - 前記層は、薬浴蒸着の方法によって蒸着される、
ことを特徴とする、請求項19に記載の生産方法。 - 太陽電池に使用するための球状、又は、粒状の半導体素子であって、少なくとも、1つのバックコンタクト層(30)と、少なくとも、1つのI―III―VI族化合物半導体によってコーティングされる、球状、又は、粒状の基層コア(20)を有する、半導体素子(11)。
- 前記基層コア(20)が、ガラス、金属、又は、セラミックから成る、
ことを特徴とする、請求項21に記載の半導体素子。 - 前記基層コア(20)がソーダ石灰ガラスから成る、
ことを特徴とする、請求項22に記載の半導体素子。 - 前記基層コア(20)の直径は、0.1mmから1mmの大きさにあり、特に、約0.2mmとする、
ことを特徴とする、請求項21乃至請求項23のいずれか1項に記載の半導体素子。 - 前記バックコンタクト層(30)の厚さは、0.1μmから1μmの大きさにある、
ことを特徴とする、請求項21乃至請求項24のいずれか1項に記載の半導体素子。 - 前記バックコンタクト層(30)の主な成分はモリブデンである、
ことを特徴とする、請求項21乃至請求項25のいずれか1項に記載の半導体素子。 - 前記バックコンタクト層(30)は、ガリウムを最大で20重量パーセントまで含む、
ことを特徴とする、請求項21乃至請求項26のいずれか1項に記載の半導体素子。 - 前記I―III―VI族化合物半導体層(60)は、銅・インジウム・硫化物、銅・インジウム・ジセレニド、銅・インジウム・硫化ガリウム、又は、銅・インジウム・ガリウム・ジセレニドのグループからの化合物から成る、
ことを特徴とする、請求項21乃至請求項27のいずれか1項に記載の半導体素子。 - 前記I―III―VI族化合物半導体層(60)の厚さは、1μmから3μmの大きさにある、
ことを特徴とする、請求項21乃至請求項28のいずれか1項に記載の半導体素子。 - 前記半導体素子(11)は、前記I―III―VI族化合物半導体層(60)の上にバッファ層を有する、
ことを特徴とする、請求項21乃至請求項29のいずれか1項に記載の半導体素子。 - 前記バッファ層は、CdS、ZnS、ZnSe、ZnO、インジウムセレン化合物、又は、インジウム硫黄化合物を含むグループからの材料から成る、
ことを特徴とする、請求項30に記載の半導体素子。 - 前記バッファ層の厚さは、20nmから200nmの大きさにある、
ことを特徴とする、請求項30又は請求項31に記載の半導体素子。 - 前記半導体素子は、前記I―III―VI族化合物半導体層(60)の上に高抵抗及び低抵抗のZnO層を有する、
ことを特徴とする、請求項21乃至請求項32のいずれか1項に記載の半導体素子。 - 前記高抵抗のZnO層の厚さは、10nmから100nmの大きさにある、
ことを特徴とする、請求項33に記載の半導体素子。 - 前記低抵抗のZnO層の厚さは、0.1μmから2μmの大きさにある、
ことを特徴とする、請求項33又は請求項34に記載の半導体素子。 - 前記半導体素子(11)は、請求項1乃至請求項20に記載された方法により生産される、
ことを特徴とする、請求項21乃至請求項35のいずれか1項に記載の半導体素子。 - 以下の内容を特徴とする、集積化された球状、又は、粒状の半導体素子を有する太陽電池の生産方法:
(a)いくつかの球状、又は、粒状の半導体素子(11)の絶縁性支持層(70)への組み込みであり、半導体素子(11)が少なくとも支持層の一側面の表面からはみ出ており、半導体素子(11)は、それぞれ、少なくとも1つの導電性のバックコンタクト層(30)と、少なくとも1つのI―III―VI族化合物半導体層(60)と、でコーティングされる球状、又は、粒状の基層コア(20)から成り;
(b)半導体素子(11)のバックコンタクト層(30)の表面を露出するために、支持層(70)の片面において、半導体素子(11)の一部を除去すること;
(c)半導体素子(11)の部分が除去された側の支持層(70)の面に対する、バックコンタクト層(80)の形成;
(d)半導体素子(11)の部分が除去されていない側の支持層(70)の面に対する、フロントコンタクト層(90)の形成。 - 前記半導体素子(11)の部分に加え、支持層(70)の部分も除去される、
ことを特徴とする、請求項37に記載の生産方法。 - 前記フロントコンタクト層(40)、前記バックコンタクト層(50)に加え、他の機能層が蒸着される、
ことを特徴とする、請求項37又は請求項38に記載の生産方法。 - 前記半導体素子(11)は、前記支持層(70)に対し、スキャタリング、ダスティング、及び/又は、プリンティングの手法によって取り付けられ、また、引き続き、前記半導体素子は、支持層に組み込まれる、
ことを特徴とする、請求項37乃至請求項39のいずれか1項に記載の生産方法。 - 前記支持層(70)は、前記半導体素子(11)が組み込まれる溝を有するマトリクスとして構成される、
ことを特徴とする、請求項37乃至請求項40のいずれか1項に記載の生産方法。 - 前記半導体素子(11)は、前記支持層(70)に対し、加熱、及び/又は、プレスの方法によって組み込まれる、
ことを特徴とする、請求項37乃至請求項41のいずれか1項に記載の生産方法。 - 前記半導体素子(11)、及び/又は、前記支持層(70)の除去は、研摩加工、磨き加工、エッチング加工、熱エネルギーの入力、及び/又は、ホトリソグラフィ処理加工による、
ことを特徴とする、請求項37乃至請求項42のいずれか1項に記載の生産方法。 - 前記バックコンタクト層(80)、及び/又は、前記フロントコンタクト層(90)は、PVD、又は、CVDの方法、又は、問題となる層の材質に適用される他の方法、によって蒸着される、
ことを特徴とする、請求項37乃至請求項43のいずれか1項に記載の生産方法。 - 集積化された球状、又は、粒状の半導体素子を有する太陽電池において、
球状、又は、粒状の半導体素子(11)が組み込まれる絶縁性支持層(70)であって、半導体素子(11)が少なくとも前記支持層(70)の一側面の表面からはみ出ており、前記半導体素子(11)は、それぞれ、少なくとも1つの導電性のバックコンタクト層(30)と、少なくとも1つのI―III―VI族化合物半導体層と、でコーティングされる球状、又は、粒状の基層コア(20)から成るものと、
前記支持層(70)の表面のうち、いくつかの半導体素子(11)が、前記I―III―VI族化合物半導体を有していない側の表面、にある、バックコンタクト層(80)と、
(c)前記支持層(70)の表面のうち、半導体素子(11)が、前記I―III―VI族化合物半導体を有していない表面を有していない側の表面、にある、フロントコンタクト層(90)と、
を少なくとも有することを特徴とする太陽電池。 - 請求項37乃至請求項44に記載された方法により生産される、
ことを特徴とする、請求項45に記載の太陽電池。 - 前記絶縁性支持層(70)が、熱可塑性の材料から成る、
ことを特徴とする、請求項45又は請求項46に記載の太陽電池。 - 前記支持層(70)は、エポキシド、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリウレタン、ポリアクリル酸、及び/又は、ポリイミド類のグループからのポリマーから成る、
ことを特徴とする、請求項45乃至請求項47のいずれか1項に記載の太陽電池。 - 球状、又は、粒状の半導体素子(11)が、請求項21乃至請求項36のいずれか1項に記載される半導体素子である、
ことを特徴とする、請求項45乃至請求項48のいずれか1項に記載の太陽電池。 - 前記半導体素子(11)が、銅・インジウム・ジセレニド、銅・インジウム・ジスルフィド、銅・インジウム・ガリウム・ジセレニド、及び、銅・インジウム・ガリウム・ジセレニドジスルフィドのグループからなるI―III―VI族化合物半導体でコーティングされる、
ことを特徴とする、請求項45乃至請求項49のいずれか1項に記載の太陽電池。 - 前記フロントコンタクト層(90)は、導電性の材料から成る、
ことを特徴とする、請求項45乃至請求項50のいずれか1項に記載の太陽電池。 - 前記フロントコンタクト層(90)は、透明導電性酸化物(TCO)から成る、
ことを特徴とする、請求項51に記載の太陽電池。 - 前記バックコンタクト層(80)は、導電性の材料から成る、
ことを特徴とする、請求項45乃至請求項52のいずれか1項に記載の太陽電池。 - 前記バックコンタクト層(80)は、金属、透明導電性酸化物(TCO)、又は、導電性粒子を有するポリマーから成る、
ことを特徴とする、請求項53に記載の太陽電池。 - 前記バックコンタクト層(80)は、エポキシ樹脂、ポリウレタン、及び/又は、ポリイミド類、であって、炭素、インジウム、ニッケル、モリブデン、鉄、ニッケルクロム、銀、アルミ、及び/又は、対応する合金、又は、酸化物のグループからなる導電性の粒子を有するグループからのポリマーから成る、
ことを特徴とする、請求項54に記載の太陽電池。 - 前記バックコンタクト層(80)は、本質的に導電性のポリマーから成る、
ことを特徴とする、請求項53に記載の太陽電池。 - 前記バックコンタクト層(80)は、PANisのグループからのポリマーから成る、
ことを特徴とする、請求項56に記載の太陽電池。 - 前記フロントコンタクト層(90)、及び、前記バックコンタクト層(80)に加え、他の機能層を有する、
ことを特徴とする、請求項45乃至請求項57のいずれか1項に記載の太陽電池。 - 請求項45乃至請求項58に記載の太陽電池を少なくとも一つ有する、
ことを特徴とする、光電池モジュール。
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