JP2010056525A - 太陽電池及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】陽極腐食により光を吸収する面積を極大化して、集光領域を広げることができ、マイクロサイズの半球状の透明電極を用いて、光の乱反射を防止し、光の吸収度を高めることができる太陽電池及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る太陽電池は、一面に複数のホールが形成された基板と、ホール内壁及び基板の一面に形成された金属層と、金属層にコーティングされたｐ型半導体と、ホールの内部及び基板の一面に形成されたｎ型半導体と、ｎ型半導体上に形成された透明電極と、ｐ型半導体及び透明電極に形成された電極端子と、を含むことを特徴とする。
【選択図】図９
【解決手段】本発明に係る太陽電池は、一面に複数のホールが形成された基板と、ホール内壁及び基板の一面に形成された金属層と、金属層にコーティングされたｐ型半導体と、ホールの内部及び基板の一面に形成されたｎ型半導体と、ｎ型半導体上に形成された透明電極と、ｐ型半導体及び透明電極に形成された電極端子と、を含むことを特徴とする。
【選択図】図９
Description
本発明は太陽電池及びその製造方法に関する。
太陽電池は、太陽光を半導体の性質を用いて電気エネルギーに変換する装置である。太陽電池は、電気エネルギーを光エネルギーに変換する発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオードとは逆の作用により、エネルギーを得る。太陽エネルギー技術はますます発展して、現在はその一部のシステムが商用化され、あるいは商用化を準備する段階にある。
太陽電池は、基本的にｐ−ｎ接合で構成されたダイオードである。光吸収層として用いられる物質に応じて、太陽電池は多様に区分される。光吸収層としてシリコンを用いた太陽電池は、結晶質（但し、多結晶）ウエハー型太陽電池、及び薄膜型（結晶質、非晶質）太陽電池に区分される。また、ＣｄＴｅやＣＩＳ（ＣｕＩｎＳｅ２）の化合物を用いた薄膜太陽電池、ＩＩＩ−Ｖ族太陽電池、染料感応太陽電池、有機太陽電池を代表的な太陽電池として挙げることができる。
太陽光発電技術の最大の問題点は、システムが高価であるために発電コストが高くなることである。この問題は、太陽光発電の大量普及における最大の障害となっている。シリコン基板を用いた太陽電池（但し、多結晶）の市場シェアが約９０％以上であることを鑑みると、現在の高価な太陽光発電システムは、高価な太陽光モジュール、すなわち、太陽電池を構成する高価なシリコン基板によると理解される。したがって、高価なシステムの主な要因であるシリコン基板の代わりに、太陽電池に必要とされる最小限の物質を、安価な基板上に薄膜状に蒸着して素子を製造すれば、太陽電池及びシステムの価格を著しく低減することが可能となる。
用いられる光吸収層物質に応じてシリコン系、ＣｕＩｎＳｅ２系、ＣｄＴｅ系の薄膜太陽電池が、代表的な薄膜太陽電池として挙げられる。これらの薄膜太陽電池の長所は、高価なシリコン基板の代わりに、ガラスや金属板のような低コストの基板を用いることができ、また約数μｍの厚さで薄膜蒸着することにより、物質消耗量を最小化して低コストの太陽電池を製造することができることである。また、大面積のモジュールをインライン工程で製造することにより、生産性の向上及び製造単価の低コスト化への改善が可能である。
図１を参照すると、シリコン薄膜太陽電池の一例としてガラス基板を用いた太陽電池が示されている。これは、基板としてガラス１を用い、一面に透明電極（ＴＣＯ）２を蒸着している。続いて、ｎ型半導体３、ｐ型半導体４をそれぞれ順に蒸着して、ｐ−ｎ接合が製作される。ガラス１面に入った光は、透明電極２及びｎ型半導体３を通過する。その結果、ｐ型半導体４に吸収される。この場合、起電力により励起された電子が流れ、その際に、電力を得ることができる。
このような従来技術の問題点に鑑み、本発明は、太陽電池の集光表面積を広げ、光の乱反射を防止することができるシリコン薄膜太陽電池及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、太陽電池の製造方法を特徴とする。本発明の一実施形態によれば、基板の一面に複数のホールを形成する工程と、ホールの内壁及び基板の一面に金属層を形成する工程と、金属層上にｐ型半導体をコーティングする工程と、ホールの内部及び基板の一面にｎ型半導体を形成する工程と、ｎ型半導体に透明電極を形成する工程と、ｐ型半導体及び透明電極に電極端子を形成する工程と、を含む太陽電池の製造方法が提供される。
ホールを形成する工程は、陽極酸化処理により行うことができる。特に、陽極酸化処理は、ｐ型シリコンウェハーを基板に用いて、フッ酸溶液中で行うことができる。
透明電極は、マイクロレンズ形状で形成できる。透明電極は、インクジェット方式を用いて、透明電極を構成する材料を含んだインクをｎ型半導体上にプリントすることにより、形成することができる。
透明電極を形成する工程は、ｎ型半導体上に透明電極を構成する材料を含んだ第１インク液滴を吐出する工程と、第１インク液滴を硬化させる工程と、第１インク液滴に隣接して透明電極を構成する材料を含んだ第２インク液滴を吐出する工程と、を含むことができる。
ｎ型半導体を形成する工程は、インクジェット方式で行われることができる。電極端子は、インクジェット方式で導電性インクをプリントすることにより形成されることができる。
本発明の他の態様は、太陽電池の製造方法を特徴とする。本発明の実施形態によれば、一面に複数のホールが形成された基板と、ホールの内壁及び基板の一面に形成された金属層と、金属層にコーティングされたｐ型半導体と、ホールの内部及び基板の一面に形成されたｎ型半導体と、ｎ型半導体上に形成された透明電極と、ｐ型半導体及び透明電極に形成された電極端子と、を含む太陽電池が提供される。
基板としてはｐ型シリコンウェハーを用いることができる。透明電極はマイクロレンズ形状であってもよい。複数のホールは、そのサイズが一定であり、各ホール間の間隔も一定であることがよい。
本発明の実施例によれば、陽極腐食により光を吸収する面積を極大化して、集光領域を広げることができ、また、マイクロサイズの半球形透明電極を用いて光の乱反射を防止でき、光の吸収度を高めることができる。
本発明は多様な変換を加えることができ、様々な実施例を有することができるため、本願では特定実施例を図面に例示し、詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に限定するものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるあらゆる変換、均等物及び代替物を含むものとして理解されるべきである。本発明を説明するに当たって、係る公知技術に対する具体的な説明が本発明の要旨をかえって不明にすると判断される場合、その詳細な説明を省略する。
本出願で用いた用語は、ただ特定の実施例を説明するために用いたものであって、本発明を限定するものではない。単数の表現は、文の中で明らかに表現しない限り、複数の表現を含む。本願において、「含む」または「有する」などの用語は明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品、またはこれらを組合せたものの存在を指定するものであって、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品、またはこれらを組合せたものの存在または付加の可能性を予め排除するものではないと理解しなくてはならない。
以下、本発明による太陽電池及びその製造方法の実施例を、添付図面を参照して詳細に説明する。添付図面を参照して説明するに当たって、同一かつ対応する構成要素は同一の図面番号を付し、これに対する重複説明は省略する。
図２は本発明の一実施形態による太陽電池の製造方法を示す順序図である。図３乃至図８は本発明の一実施形態による太陽電池の製造方法を示す工程図である。図３乃至図８を参照すると、基板１０、ホール１５、金属層２０、ｐ型半導体３０、ｎ型半導体４０、透明電極５０、第１インク液滴５１、第２インク液滴５２、及び電極端子６０が示されている。
図３に示すように、基板に複数のホール１５を形成する（Ｓ１００）。基板１０は、太陽電池の基礎、および各層状構造を形成するための基礎となる構造体の両方になる。多様な材質の基板１０を用いることができるが、本実施例では、基板１０にホール１５を形成するのに適切な硬度を有する材質であることが好ましい。
ホール１５を形成する方法の一つとして、基板１０表面に陽極酸化処理する方法がある。陽極酸化処理とは、処理対象（本実施例では基板１０）に陽極を印加して陽極酸化皮膜を形成する表面処理方式である。陽極酸化処理をすると、表面が凹凸状の多孔性表面になる。陽極酸化の効果は、添加溶液の種類により異なる。添加溶液としては、酸性溶液の硫酸、クロム酸、リン酸、フッ酸などがある。
このような陽極酸化処理をするために、基板１０として、ｐ型のシリコンウェハーを用いることができる。図１０は、ｐ型のシリコンウェハーをフッ酸（ＨＦ）を用いて陽極酸化処理した基板の表面写真である。図１０において、陽極酸化処理により一定間隔でホール１５が形成される。酸化処理時間を調節することにより、ホール１５のサイズを多様にすることができる。図１１はｐ型のシリコン基板をフッ酸（ＨＦ）で陽極酸化処理した基板の断面図である。直径が約１〜２μｍの細長いホール１５が形成されたことが分かる。
このようにホール１５を形成すると、光を吸収するｐ−ｎ接合の面積が増加して同一のサイズの基板１０を用いてより多くの光を集めることができるという長所がある。また、ホール１５内に入った光はホールの内壁から反射されても反対側の内壁に反射されて、結局、ホール内部で吸収されホール１５から容易に抜けない。このため、光の反射による効率の低下を防止することができる。
図４に示すように、ホール１５の内壁及び基板１０の一面に金属層２０を形成する（Ｓ２００）。金属層２０は、ホール１５の内壁及び基板１０の一面に伝導性物質を塗布することにより薄膜状に形成される。このために、スパッタリング、電子ビーム蒸着法、熱蒸着法、レーザー分子線エピタキシー（Ｌ−ＭＢＥ）、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ）など、多様な薄膜形成方法を用いることができる。金属層２０は、ｐ型半導体３０に接して、後述するｐ型半導体３０と電極端子６０とを電気的に接続させる。
図５に示すように、金属層２０上にｐ型半導体３０をコーティングする（ステップＳ３００）。半導体物質であるケイ素（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）などの４族元素に、不純物を添加することによって抵抗が低減されるドーピング（ｄｏｐｉｎｇ）工程を行って、正孔数を増加させることにより、伝導性を高めて抵抗を低減させたｐ型半導体３０が作成される。
純粋な半導体における正孔数を増加させるために、不純物であるアルミニウム（Ａｌ）・ホウ素（Ｂ）・ガリウム（Ｇａ）・インジウム（Ｉｎ）などの元素を添加することができる。ホウ素を例としてより具体的に説明する。純粋なケイ素にホウ素を添加すると、これらは互いに共有結合しようとする。ケイ素の最外殻電子は４つで、ホウ素の場合は３つであるため、共有結合するのに電子１つが足りない。この場合、電子の不足によりできた孔を正孔と言う。ｐ型半導体３０では自由電子よりも、正（＋）の電荷を有する正孔が電荷運搬体（ｃａｒｒｉｅｒ）となる。
ｐ型半導体は薄膜状で金属層上に形成される。金属層を形成する方法と同様に、スパッタリング、電子ビーム蒸着法、熱蒸着法、レーザー分子線エピタキシー（Ｌ−ＭＢＥ）、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ）などを用いることができる。
図６に示すように、ホール１５の内部及び基板１０の一面にｎ型半導体４０を形成する（Ｓ４００）。図面にはインクジェットヘッドを用いた塗布方式が示されているが、必ずしもインクジェット方法に限定されるものではない。ｎ型半導体４０でホールを満たすことができ、基板の一面をｎ型半導体４０で覆うことができる塗布方式であれば、どんな方法でも利用できる。
ケイ素やゲルマニウムのような４価原子結晶構造における一部をリン、砒素、アンチモンのような５価原子で置換すると、共有結合を形成する場合、５価原子の電子が一つ残る。この電子は、原子の間を自由に動き回る自由電子になる。このように電子を失ってイオン化された不純物原子をドナー（ｄｏｎｏｒ）と言い、４価原子にドナーがドーピングされた半導体をｎ型半導体４０と言う。ｎ型半導体４０は電子を提供し、ｐ型半導体は電子を受け入れるため、ｐ−ｎ型半導体間の電子濃度勾配により電子の流れ、すなわち、電流が流れることになる。
図７に示すように、ｎ型半導体４０に透明電極５０を形成する（Ｓ５００）。透明電極５０は光を反射せず、ｎ型半導体４０に光を透過する。透明電極５０は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、ＺｎＯなどの透明で電気伝導性のある材質が用いられる。特に、図７に示すように透明電極５０がマイクロ半球状のレンズあれば、入射された光を損なうことなく透過させ、透明電極５０とｎ型半導体４０との間の界面表面積を増加させるため、より多くの電子が励起されるようにする効果があり、より効率的に太陽電池を製造することができる。
このようなマイクロ半球状のレンズは、インクジェット方式で数十マイクロサイズのインク液滴を吐出してプリントすることができる。すなわち、透明電極５０を構成する材料を含んだインクをインクジェット方式でプリントする工程において、第１インク液滴５１と、それに隣接した第２インク液滴５２との間の吐出時間に差を設けて、第１インク液滴５１が硬化されて半球状を維持した状態で、第２インク液滴５２が吐出されるようにする。
したがって、本実施例によりマイクロレンズ状の透明電極５０を形成するためには、第１インク液滴５１を吐出し（Ｓ５０２）、ｎ型半導体４０上に接着された第１インク液滴５１を硬化させた後（Ｓ５０４）、第１インク液滴５１に隣接して第２インク液滴５２を吐出する方法を用いることができる（Ｓ５０６）。
インク液滴の硬化方法としては、単に所定時間間隔で液滴を吐出する方法、および基板１０を加熱、またはインク液滴に紫外線を照射したりして接着されたインク液滴を乾燥させる方法などを利用できる。第１インク液滴５１が硬化された後、それに隣接して第２インク液滴５２を吐出するためには、図７に示されたように、第１インク液滴５１が硬化されるほどの時間間隔を設けてインク液滴を吐出することができる。所定間隔離隔されるように、第１インク液滴５１を吐出し、第１インク液滴５１が硬化された後に第１インク液滴５１の間の空間に第２インク液滴５２を吐出することができる。
このように、所定間隔離隔されるようにインク液滴を吐出した後に、接着されたインク液滴の間に再びインク液滴を吐出するためには、インク液滴の吐出間隔、接着されたインク液滴間の空間の大きさ、インク液滴の硬化時間などを考慮して最も効率的な吐出方法を決めることがよい。
次に、ｐ型半導体３０及び透明電極５０に電極端子６０を形成する（Ｓ６００）。電極端子６０は、太陽電池の陰極及び陽極の端子の役割をするものである。図８に示すように、伝導性のある金属を透明電極５０及び露出されているｐ型半導体３０に形成する。形成方法としては、図８に示されたインクジェット方式でプリントする方法だけではなく、薄膜蒸着方法を用いることもできる。
以上、陽極酸化方式を用いた太陽電池の製造方法を説明した。以下、基板にホールを形成して表面積を増加させた太陽電池の構造について説明する。
図９は、本発明の他の実施形態による太陽電池を示す断面図である。基板１０、ホール１５、金属層２０、ｐ型半導体３０、ｎ型半導体４０、透明電極５０、第１インク液滴５１、第２インク液滴５２、電極端子６０が示されている。
基板１０は太陽電池の層状構造の基底となる構造体であって、その材質は制限されることはない。陽極酸化方式でホール１５を形成するためにｐ型シリコンウェハーを用いることができる。
基板１０に形成されたホール１５は、機械的な方法で形成するか、陽極酸化方式で表面処理して形成できることは、上述の通りである。ホール１５の内壁及び基板１０の一面には、金属層２０及びｐ型半導体３０を形成することができる。基板１０の一面にはｎ型半導体４０が形成される。このとき、ホール１５の内部もｎ型半導体４０で満たされる。
ホール１５により、ｎ型半導体４０とｐ型半導体３０とが接するｐ−ｎ接合面積が広くなるため、同一面積の太陽電池でも効率を高めることができる。また、入った光が反射されてもホール１５の内部だけで光が動き、結局、ｐ型半導体３０に吸収されるので、半導体内に入った光の大部分を用いることができる。
ｎ型半導体４０上には透明電極５０が形成される。透明電極５０は光を集光する集光層の役割もする。特に、透明電極５０をマイクロレンズ状に形成すると、入射された光の損失をさらに防止でき、より多くの電子が励起されるようにして、太陽電池の性能を向上させることができる。
図１２は、本発明の他の実施形態による太陽電池の作動原理を示す概念図である。マイクロレンズを介した光の流れが示されている。マイクロレンズ状の透明電極５０のため、入射された光が乱反射せずに矢印方向にｎ型半導体４０に伝達されて、より多くの電子が励起されることができる。よって、太陽電池の効率を向上させることができる。
電極端子６０は金属層２０及び透明電極５０に形成され、かつ伝導性のある物質で構成されている。電極端子６０は、ｐ型半導体３０とｎ型半導体４０間のイオン濃度勾配による電子の移動通路となる。
上述した太陽電池は陽極腐食を用いて光を吸収する面積を極大化することにより、集光領域を広げることができ、マイクロサイズの半球状の透明電極を用いることにより、光の乱反射を防止し、光の吸収度を高めることができる。
以上、本発明の好ましい実施例を参照して説明したが、当該技術分野で通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載した本発明の思想及び領域から脱しない範囲内で本発明を多様に修正及び変更させることができることを理解できよう。
上述した実施例の他、多くの実施例が、本発明の特許請求の範囲内に存在する。
１０ 基板
１５ ホール
２０ 金属層
３０ ｐ型半導体
４０ ｎ型半導体
５０ 透明電極
５１ 第１インク液滴
５２ 第２インク液滴
６０ 電極端子
１５ ホール
２０ 金属層
３０ ｐ型半導体
４０ ｎ型半導体
５０ 透明電極
５１ 第１インク液滴
５２ 第２インク液滴
６０ 電極端子
Claims (13)
- 基板の一面に複数のホールを形成する工程と、
前記ホールの内壁及び前記基板の一面に金属層を形成する工程と、
前記金属層上にｐ型半導体をコーティングする工程と、
前記ホールの内部及び前記基板の一面にｎ型半導体を形成する工程と、
前記ｎ型半導体に透明電極を形成する工程と、
前記ｐ型半導体及び前記透明電極に電極端子を形成する工程と、
を含む、太陽電池の製造方法。 - 前記ホールを形成する工程は、陽極酸化処理する工程を含む、請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記陽極酸化処理はフッ酸溶液で行われる、請求項２に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記基板はｐ型シリコンウェハーである、請求項２に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記透明電極はマイクロレンズ状である、請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記透明電極を形成する工程は、インクジェット方式を用いて、前記透明電極を構成する材料を含んだインクを前記ｎ型半導体上にプリントする工程を含む、請求項５に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記透明電極を形成する工程は、
前記ｎ型半導体上に前記透明電極を構成する材料を含んだ第１インク液滴を吐出する工程と、
前記第１インク液滴を硬化させる工程と、
前記第１インク液滴に隣接して前記透明電極を構成する材料を含んだ第２インク液滴を吐出する工程と、
を含む、請求項６に記載の太陽電池の製造方法。 - 前記ｎ型半導体を形成する工程は、インクジェット方式で行われる、請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記電極端子を形成する工程は、インクジェット方式で導電性インクをプリントする工程を含む、請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
- 一面に複数のホールが形成された基板と、
前記ホールの内壁及び前記基板の一面に形成された金属層と、
前記金属層にコーティングされたｐ型半導体と、
前記ホールの内部及び前記基板の一面に形成されたｎ型半導体と、
前記ｎ型半導体上に形成された透明電極と、
前記ｐ型半導体及び前記透明電極に形成された電極端子と、
を含む、太陽電池。 - 前記基板は、ｐ型シリコンウェハーである、請求項１０に記載の太陽電池。
- 前記透明電極は、マイクロレンズ形状である、請求項１０に記載の太陽電池。
- 前記複数のホールは、そのサイズが一定であり、各ホール間の間隔も一定である、請求項１０に記載の太陽電池。
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