JP2009527123A - バイパスダイオードを包含する薄膜型太陽電池セル及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、バイパスダイオードを包含する薄膜型光起電力変換装置及びその製造方法に関する。本発明の光起電力変換装置は、少なくとも１つ以上の単位太陽電池セルからなる、少なくとも１つ以上の単位太陽電池モジュールと、前記単位太陽電池セルと電気的に連結されて、電流をバイパスさせる太陽電池セルを少なくとも１つ以上有するバイパス太陽電池モジュールを包含してなる。本発明によれば、高い光電変換効率を有する光起電力変換装置を製造することができる。また、次世代クリーンエネルギー源として地球環境保全に寄与し、公共施設、民間施設、軍需施設などに直接応用される場合、莫大な経済的価値を創出することができる。
【選択図】図１５
【選択図】図１５
Description
本発明は、バイパスダイオードを包含する光起電力変換装置及びその製造方法に関する。より詳細には、光電流が少なく生成される太陽電池セルによって電流が制限されるとともに、熱点（ｈｏｔ ｓｐｏｔ）の生成による問題を解決するために、バイパスダイオードを包含する太陽電池セルを有してなる太陽電池モジュールの構造及びその製造方法に関する。
現在、我々が使用している化石燃料の展望は明るくない。２００３年、イギリス精油会社（ＢＰ）の分析によれば、化石燃料の可採埋蔵量は原油４０年、天然ガス６２年、石炭２１６年間消費することができるだけの量が残っていると予測している。しかし、近来、中国やインドのような巨大エネルギー消費国の登場によって、その可用期間の短縮は容易に予想されるとともに、益々高騰するオイル価の上昇をみるとき、決して遠い未来の話ではないことが推察される。然して、化石燃料を代替することのできるエネルギーの開発は、近い未来の人類生存のためにも絶対的に必要とする課題となっている。
太陽電池は、太陽から地球に伝達される光エネルギーを電気エネルギーに変換させてエネルギーを生産するデバイスである。このような太陽電池の開発は、単結晶シリコンを成長させる技術が発達することによって本格的に活気を帯び始め、多様な原理と構造による太陽電池が開発されている。また、７０年代のオイルショック及び９０年代初から台頭した二酸化炭素による温室効果の深刻性が認識されながら、９０年代末からは地球温暖化防止のための二酸化炭素発生量を規制するための国際協定などによって、太陽電池のようなクリーンエネルギー開発の必要性が益々グローバル化される重要な契機になった。
ここで、太陽電池の開発は、光電変換効率の向上とともに製造に係るコストの経済性及び大面積化に向けた観点から進行されている。したがって、結晶質シリコンを利用する代わりに、非晶質シリコンを中心とする素材を、板型のガラスや金属に多層蒸着させた薄膜型太陽電池の開発が活発に進行されている。上記の非晶質シリコン系薄膜型太陽電池は、結晶質シリコン系太陽電池に比べて光電変換効率が比較的低いという問題を有しているものの、構造の多様化と材料の利用によっては光電変換効率をより向上させる可能性が多大であり、蒸着装備の大型化・自動化によって生産性を高めることにより製造コストの経済性を向上させることのできるメリットがある。
図１〜図７は、一般的に単一接合セル（ｓｉｎｇｌｅ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｃｅｌｌ）と呼ばれる光起電力変換装置、殊に、薄膜型シリコン系太陽電池の作製方法を示す模式図である。
図１〜図７を参照するとき、透光性基板１０１の上部に透明導電層１０２を蒸着した後（図２）、前記透明導電層１０２をパターニング１０２ａする（図３）。前記パターニング１０２ａの方向は縦方向であり、前記パターニング１０２ａ法はレーザースクライビング法を利用する。次いで前記パターニングされた透明導電層１０２の上部に光電変換層１０３を蒸着し（図４）、さらに前記透明導電層１０２が露出されるようにパターニング１０３ａを実施する（図５）。前記パターニングされた光電変換層１０３の上部に後面電極層１０４を蒸着した後（図６）、透明導電層１０２が露出されるように、さらにパターニング１０４ａを実施する(図７)。図８は、前記図１〜図７のように作製された太陽電池の等価回路を示す模式図である。
しかし、このような構造における問題点は、太陽電池セルが直列に連結されているため、連結された全ての単位セルにおいて光電流が同一の量に生成されなければならない。もし、それぞれの単位セルで生成する光電流の量が同一でない場合、光電流が少なく生成されたセルによって電流が制限されることにより、全てのセルで生成する光電流が減少し、これに基因して全体としての太陽電池モジュールの効率が低下するという問題がある。また、光電流が少なく生成されたセルは、熱点（Ｈｏｔ ｓｐｏｔ）として作用するため、時間が経過するほど熱膨張をもたらして素子が破壊される危険がある。このようなことは、非常に頻繁に発生する問題であり、例えば、特定部分のセル上に垂れる周辺建物の陰影、木の葉、微塵などによって太陽光の入射が遮られる場合にも発生することがある。
したがって、熱点が発生する場合に備えてバイパスダイオードを形成させた太陽電池モジュールを製造する必要がある。しかし、従来の薄膜型モジュールの製造法によってはこのような構造の太陽電池モジュールの製造が難しい。
本発明は、前記のような問題を解決するための発明であって、その目的は、光電流が少なく生成されたセルによって電流が制限されると同時に、熱点となって起る問題を解決するためのバイパスダイオードを包含してなる光起電力変換装置及びその製造方法を提供する。
前記の目的を達成するために、本発明の光起電力変換装置は、少なくとも１つ以上の単位太陽電池セルからなる、少なくとも１つ以上の単位太陽電池モジュールと、前記単位太陽電池セルと電気的に連結されて電流をバイパスさせる太陽電池セルを少なくとも１つ以上包含するバイパス太陽電池モジュールを包含してなる。
本発明において、前記単位太陽電池セルとバイパス太陽電池セルは、導電層を通じて電気的に連結されることができる。
本発明において、前記単位太陽電池セルと電気的に連結されて電流をバイパスさせる太陽電池セルは、前記単位太陽電池セルと上下・左右いずれの方向にも同一線上に位置しないことを特徴とする。
本発明において、前記単位太陽電池セル及びこれと電気的に連結されて電流をバイパスさせる太陽電池セルは、同一の物質からなり、同一の構造を有することができるが、同一でない物質と構造を有することもできる。
本発明において、単位太陽電池モジュールとバイパス太陽電池モジュールを構成する各太陽電池セルは、同一の物質と構造を有することが好ましいが、必ずこれに限定されるものではない。
本発明において、前記単位太陽電池セルとバイパス太陽電池セルは、基板上に順次に積層された導電層、光電変換層及び後面電極層を包含することができる。
前記導電層は、透明電極または金属電極であることができる。
前記透明電極は、ＺｎＯ、ＳｎＯ２及びＩＴＯから選択される１種の物質であることが好ましい。
本発明において、前記単位太陽電池セルを構成する光電変換層と、前記バイパス太陽電池セルを構成する光電変換層は、同一であるかまたは同一でないこともできる。
前記光電変換層は、シリコン半導体薄膜、化合物半導体薄膜及び有機型薄膜から選択される１種の薄膜によって構成することができ、単一接合層または異種接合層によって構成することができる。しかし、必ずしもこれに限定されるものではない。
前記光電変換層は、ｐ-ｎ単一接合層、ｐ-ｉ-ｎ単一接合層、前記ｐ-ｎ単一接合層の複数接合層、前記ｐ-ｉ-ｎ単一接合層の複数接合層、及び前記ｐ-ｎ単一接合層とｐ-ｉ-ｎ単一接合層との混合接合層の中のいずれか１つの形態で積層させることができる。
前記複数接合層及び混合接合層は、各単一接合層の間に透明導電層をさらに包含することを特徴とする。
本発明において、前記基板は、透明基板または不透明基板であることができ、ガラス基板または絶縁基板であることができる。
本発明において、前記導電層及び後面電極層の中、少なくとも１つが透明電極に形成されることができる。
前記後面電極層は、透明酸化物導電体層、金属単一層、及び透明酸化物導電層と金属層との混合層の中、いずれか１つであることが好ましい。
前記透明酸化物導電体層は、ＺｎＯ、ＳｎＯ２及びＩＴＯの中から選択される１種以上の物質からなることができる。
本発明による前記光起電力変換装置を作製する製造方法は、一定の方向にパターニングされた導電層の上部に光電変換層を積層する段階と、少なくとも１つ以上の単位太陽電池セルからなる、少なくとも１つ以上の単位太陽電池モジュールと、前記単位太陽電池セルと電気的に連結されて電流をバイパスさせる太陽電池セルを少なくとも１つ以上包含するバイパス太陽電池モジュールが形成されるように、前記光電変換層をパターニングする段階と、前記パターニングされた光電変換層の上部に後面電極層を積層する段階と、前記光電変換層のパターニング方向と同一の方向に前記後面電極層をパターニングする段階とを包含する。
前記光電変換層と後面電極層とをパターニングする段階において、前記導電層の一部が露出されるようにパターニングすることを特徴とする。
前記パターニングの方法は、レーザースクライビング法、機械的スクライビング法、フォトレジスト法、露光工程及びエッチング法の中いずれか１つの方法を利用することができる。
本発明による光起電力変換装置を作製する製造方法は、順次に積層された光電変換層及び後面電極層によって構成された単位太陽電池セルを導電層上部に少なくとも１つ以上配列して単位太陽電池モジュールを形成する段階と、前記導電層上部に前記単位太陽電池セルと電気的に連結されて電流をバイパスさせる太陽電池セルを少なくとも１つ以上包含するバイパス太陽電池モジュールを形成する段階を包含する。
本発明において、前記バイパス太陽電池セルは、前記単位太陽電池セルと同一または同一でないこともできる。即ち、これらの太陽電池セルを形成する物質と積層構造及び形状などは同一または同一でないこともできる。
本発明において、前記光電変換層は、シリコン半導体薄膜または化合物半導体薄膜の単一接合層、または異種接合層であることができ、１つ以上の光電変換層によって構成することもできる。
本発明において、太陽電池モジュールは、少なくとも１つ以上の太陽電池セルからなる単位集合体として定義することができる。
また、前記バイパス太陽電池セルは、特定の太陽電池セルが熱点として作用することにより、熱的過負荷によって破壊されたとき、電流の流れを変更してバイパスさせることのできる太陽電池セルを意味する。
つまり、前記バイパス太陽電池モジュールは、このようなバイパス役割をなす太陽電池セルを少なくとも１つ以上包含している集合体として定義することができる。
本発明によると、高い光電変換効率を有する光起電力変換装置を製造することができる。
以下、本発明の好ましい実施例を添付の図面を参照して説明する。各図面の構成要素に対する参照符号は、同一の構成要素に対しては他の図面上に表示されていても同一符号を付けるとともに、本発明の要旨が混同されると判断される公知機能及び構成に対する詳細な説明は省略する。
図９〜図１５は、本発明の１実施形態によるバイパスダイオードを包含する光起電力変換装置、特に、薄膜型太陽電池を作製する過程を示したものである。以下、本発明における光起電力変換装置は、薄膜型の太陽電池をその具体的な実施例として説明する。
また、図９〜図１５を参照して、本発明の薄膜型太陽電池を作製する方法を説明する。
図９〜図１２は、透明性基板３０１上に透明導電層３０２を蒸着し、前記透明導電層３０２をパターニング３０２ａした後、光電変換層３０３を積層する過程の模式図である。これは、従来の太陽電池を作製する過程と同一であるため、その詳細な説明は省略する。
図９〜図１５の図示による本発明の１実施形態においては、２つの単位太陽電池モジュールを想定する。
各単位太陽電池モジュールは一列に配列された複数個の単位太陽電池セルによって構成される。
図１３は、前記光電変換層３０３をパターニングする工程を図示している。まず、前記光電変換層３０３を２つの単位太陽電池モジュールに分割するパターニングを実施する。
つまり、上部単位太陽電池モジュール３０３ｂと、下部単位太陽電池モジュール３０３ａに分割するパターニング３０３ｃを行う。前記上部単位太陽電池モジュールと下部単位太陽電池モジュールの分割は左右（横）方向のパターニングによることができる。
前記上・下部に分離された単位太陽電池モジュールの中に単位太陽電池セルを形成するために、上部及び下部単位太陽電池モジュールに該当する光電変換層をそれぞれパターニングする（３０５、３０６）。前記単位太陽電池セルを形成するためのパターニング３０５、３０６は図示のように縦（上・下）方向に実施することができる。
ここで、上部単位太陽電池モジュール３０３ｂの単位太陽電池セルと、隣接する下部単位太陽電池モジュール３０３ａの単位太陽電池セルが、同一線上に位置されないように互い違いの位置に形成される。
これのために、上部単位太陽電池モジュール３０３ｂにおける単位太陽電池セルの形成と、下部単位太陽電池モジュール３０３ａにおける単位太陽電池セルの形成は、縦方向のパターニングであるとともに、その方向が互に一致されないように、互い違いの位置に形成されるようにする。
このような方式でパターニングされた上部単位太陽電池モジュール３０３ｂは、下部単位太陽電池モジュール３０３ａの中の太陽電池セルの一部が或る原因によって破壊されるか、機能されなくなった場合、電流をバイパスさせることのできるバイパス太陽電池モジュールとして機能することができる。
逆に、上部単位太陽電池モジュール３０３ｂの中、特定の太陽電池セルが或る原因によって破壊されるか、機能されなくなった場合、下部単位太陽電池モジュールがバイパス太陽電池モジュールとして機能することができる。
前記光電変換層３０３は、ｐ型半導体／ｉ型半導体／ｎ型半導体（或はｐ型半導体／ｎ型半導体）で構成される単一接合太陽電池ダイオードと複数の単一接合太陽電池ダイオードとが直列、または並列の連結によってなる積層型太陽電池ダイオードに形成することもできる。また、この積層型太陽電池を形成する過程で、単一接合太陽電池ダイオードの間の中間層に透明電極層を挿入して構成することもできる。
前記光電変換層を形成する半導体層は、シリコン半導体、化合物半導体、有機型半導体の薄膜であることができる。
図１４は、後面電極３０４を蒸着する過程を模式的に図示している、前記のようにパターニングされた光電変換層３０３の上部に後面電極層３０４が蒸着される。
前記後面電極層３０４は、透明酸化物導電体、金属の単一層または透明酸化物導電体と金属との複数層にして形成されることができる。
図１５は、後面電極層３０４をパターニングする過程を模式的に図示している。後面電極層３０４を透明導電層３０２が露出する深さまでパターニングする。前記後面電極層のパターニングもやはり上部単位太陽電池モジュール３０４ｂと下部単位太陽電池モジュール３０４ａとを分離するパターニングを実施し、上・下部に分離されたそれぞれの太陽電池モジュールをさらに縦方向にそれぞれパターニングする（３０７、３０８）。
前記後面電極層３０４の上・下部における単位太陽電池モジュールにそれぞれ形成する縦方向のパターニングの位置も、前記光電変換層３０３のパターニングと同様に互い違いに、ずらせる位置に形成することが好ましい。
前記パターニング方法は、同じくレーザースクライビング法、機械的スクライビング法、フォトレジスト法、露光工程及びエッチング法など当業者にとって公知の多様な方法を使用することができる。
なお、前記図９〜図１５に図示された実施形態では、薄膜型太陽電池の製造方法に対して説明しているが、本発明による太陽電池は、必ずしも薄膜型に限定されるものではない。
前記透光性基板３０１は、透明性基板であることができ、ガラス基板が好ましいが、ポリマーまたは金属、ＳＴＳ（ステンレススチール）上に絶縁層が積層された層を形成して使用することもできる。
前記透明導電層３０２は、金属電極として使用することができる。ただ、前記透明導電層が金属電極に代替される場合、後面電極層は、透明電極に形成することによって、外部からの光が透過されることができる。
前記光電変換層３０３もやはりシリコンｐ-ｉ-ｎ薄膜以外の他の光電変換層を使用することができる。前記他の光電変換層としては、化合物型ｐ-ｎ薄膜、有機型薄膜を使用することができる。なお、このような前記光電変換層は、当業者に公知の構成であって、これに対する詳細な説明は本発明の要旨を混同するおそれがあるため、詳細な説明は省略する。
上述のように、本発明による太陽電池は、基板において、透明基板及び絶縁基板を使用することができ、透明導電層及び後面電極層においても、透明電極及び金属電極を使用することができる。ただ、前記透明導電層及び後面電極層の中、少なくとも１つは透明導電物質によって形成しなければならない。前記光電変換層もやはり公知の光電変換層の中、１つの光電変換層を使用することができる。
前記のような工程を通じて作製された本発明の薄膜型太陽電池は、その平面が上・下２つの単位太陽電池モジュールに区画されるが、前記上部単位太陽電池モジュールは、本発明のバイパスダイオードを包含するバイパス太陽電池モジュールとなり、前記下部単位太陽電池モジュールは、太陽電池層となる。前記の工程によって形成された薄膜型太陽電池の等価回路は図１６に図示している。
図１６を参照するとき、下部には既存の太陽電池の等価回路が存在するが、前記太陽電池上部にはバイパスダイオードが存在し、それぞれのバイパスダイオードは透明導電層３０２によって連結される。
前記下部の光電変換ダイオード太陽電池セルに熱点が発生した場合、上部のバイパスダイオードに電流を流すことができるため、光電変換効率の減少が少なく、太陽電池モジュールの安定性を高めることができる。
従来の太陽電池モジュール及び本発明の提案する太陽電池モジュールにおいて、一般的な環境的影響及び熱点が発生したときの電流の流れを図１７〜図２０に示している。
図１７は、既存の薄膜型太陽電池の等価回路図である。一般的な太陽電池の場合、右側から左側方向に電流が生成されて流れることになる。この場合、図１８のように、太陽電池の特定の部分に熱点が発生すると、別段の解決手段を講じない限り、熱膨張により素子が破壊される場合がある。
図１９は、本発明の１実施形態による太陽電池の等価回路図である。既存の薄膜型太陽電池のそれぞれのセルにバイパスダイオードが連結されている。一般的に熱点の発生がない場合、下部の太陽電池層にのみに電流が流れることになるが、図２０のように、太陽電池の特定の部分に熱点が発生する場合、太陽電池層を流れる電流は熱点が発生した部分のセルをバイパスして、これと連結されたバイパスダイオードの部分を通過して熱点をバイパスすることになる。
以上、本発明の好適な実施形態を図面を参照して説明したが、該当技術分野の当業者であれば、本発明の要旨を外れない範囲内で多様な修正と変更によって実施することができる。
本発明によれば、高い光電変換効率を有する光起電力変換装置を製造することができる。また、次世代クリーンエネルギー源として地球環境保全に寄与し、公共施設、民間施設、軍需施設などに直接応用される場合、莫大な経済的価値を創出することができる。
３０１：透光性基板
３０２：透明導電層
３０３：光電変換層
３０４：後面電極層
３０５：上部光電変換層のパターニング
３０６：下部光電変換層のパターニング
３０２：透明導電層
３０３：光電変換層
３０４：後面電極層
３０５：上部光電変換層のパターニング
３０６：下部光電変換層のパターニング
Claims (20)
- 少なくとも１つ以上の単位太陽電池セルからなる、少なくとも１つ以上の単位太陽電池モジュールと、
前記単位太陽電池セルと電気的に連結されて電流をバイパスさせる太陽電池セルを少なくとも１つ以上包含するバイパス太陽電池モジュールと、
を備えた、バイパス太陽電池モジュールを包含してなる光起電力変換装置。 - 前記単位太陽電池セルとバイパス太陽電池セルは、導電層を通じて電気的に連結されることを特徴とする請求項１に記載の光起電力変換装置。
- 前記単位太陽電池セルと電気的に連結されて電流をバイパスさせる太陽電池セルは、前記単位太陽電池セルと上下・左右いずれの方向にも同一線上に位置しないことを特徴とする請求項１に記載の光起電力変換装置。
- 前記単位太陽電池セルとバイパス太陽電池セルは、基板上に順次に積層された導電層、光電変換層及び後面電極層を包含してなることを特徴とする請求項１に記載の光起電力変換装置。
- 前記導電層は、透明電極または金属電極であることを特徴とする請求項２または４に記載の光起電力変換装置。
- 前記透明電極は、ＺｎＯ、ＳｎＯ２及びＩＴＯから選択される１種の物質であることを特徴とする請求項５に記載の光起電力変換装置。
- 前記単位太陽電池セルを構成する光電変換層と、前記バイパス太陽電池セルを構成する光電変換層は、同一であるかまたは同一でないことを特徴とする請求項４に記載の光起電力変換装置。
- 前記光電変換層は、シリコン半導体薄膜、化合物半導体薄膜及び有機型薄膜から選択される１種の薄膜によってなることを特徴とする請求項４または７に記載の光起電力変換装置。
- 前記光電変換層は、ｐ-ｎ単一接合層、ｐ-ｉ-ｎ単一接合層、ｐ-ｎ単一接合層の複数接合層、前記ｐ-ｉ-ｎ単一接合層の複数接合層、及び前記ｐ-ｎ単一接合層とｐ-ｉ-ｎ単一接合層の混合接合層の中のいずれか１つの形態で積層されたことを特徴とする請求項４または７に記載の光起電力変換装置。
- 前記複数接合層及び混合接合層は、各単一接合層の間に透明電極層をさらに包含してなることを特徴とする請求項９に記載の光起電力変換装置。
- 前記基板は、透明基板または不透明基板であることを特徴とする請求項４に記載の光起電力変換装置。
- 前記基板は、ガラス基板または絶縁基板であることを特徴とする請求項４に記載の光起電力変換装置。
- 前記導電層及び後面電極層の中、少なくとも１つが透明電極に形成されることを特徴とする請求項４に記載の光起電力変換装置。
- 前記後面電極層は、透明酸化物導電体層、金属単一層、及び透明酸化物導電体層と金属層との混合層の中、いずれか１つであることを特徴とする請求項４に記載の光起電力変換装置。
- 前記透明酸化物導電体層は、ＺｎＯ、ＳｎＯ２及びＩＴＯの中から選択される１種以上の物質からなることを特徴とする請求項１４に記載の光起電力変換装置。
- 一定の方向にパターニングされた導電層の上部に光電変換層を積層する段階と、
少なくとも１つ以上の単位太陽電池セルからなる、少なくとも１つ以上の単位太陽電池モジュールと、前記単位太陽電池セルと電気的に連結されて電流をバイパスさせる太陽電池セルを、少なくとも１つ以上包含するバイパス太陽電池モジュールが形成されるように、前記光電変換層をパターニングする段階と、
前記パターニングされた光電変換層の上部に後面電極層を積層する段階と、
前記光電変換層のパターニング方向と同一の方向に前記後面電極層をパターニングする段階とを包含してなる光起電力変換装置の製造方法。 - 前記光電変換層と後面電極層をパターニングする段階において、前記導電層の一部が露出されるようにパターニングすることを特徴とする請求項１６に記載の光起電力変換装置の製造方法。
- 前記パターニングの方法は、レーザースクライビング法、機械的スクライビング法、フォトレジスト法、露光工程及びエッチング法の中いずれか１つの方法であることを特徴とする請求項１６に記載の光起電力変換装置の製造方法。
- 順次に積層された光電変換層及び後面電極層によって構成された単位太陽電池セルを、導電層の上部に少なくとも１つ以上配列して単位太陽電池モジュールを形成する段階と、
前記導電層の上部に前記単位太陽電池セルと電気的に連結されて電流をバイパスさせる太陽電池セルを、少なくとも１つ以上包含するバイパス太陽電池モジュールを形成する段階とを包含してなる光起電力変換装置の製造方法。 - 前記バイパス太陽電池セルは、前記単位太陽電池セルと同一であるかまたは同一でないことを特徴とする請求項１９に記載の光起電力変換装置の製造方法。
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