JP2012510730A - 間隔をおいて配置された傾斜部を有する光電池および製造方法 - Google Patents
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Abstract
光電池と、光電池の製造方法が記載されている。光電池の作用層を、間隔をおいて配置された複数の傾斜部を有する上板の上に堆積させることで、個々の電池が直列に接続され、電池間の不感帯に起因する効率の低下を最小限に抑えることができる。
Description
本発明の実施形態は、一般に、光電池および光電池の作製方法に関する。具体的な実施形態は、光電池と、不感帯（ｄｅａｄ ｚｏｎｅ）が実質的に最小化された光電池の作製方法とに関する。
太陽電池の典型的な製造工程を図１に示す。１００から始めると、太陽電池の製造は、ガラス板、すなわち基板１１４から開始される。ガラス板の例示的な厚さは約３ｍｍである。太陽光がこの支持ガラスを通って入射することから、当該技術においてこのガラス基板は典型的にガラス上板（ｇｌａｓｓ ｓｕｐｅｒｓｔｒａｔｅ）と呼ばれる。太陽電池の製造中、ステップ１０２に示すように、ガラス基板１１４上に、一連の均一な透明導電性酸化物（ＴＣＯ）層１１６が堆積される。ＴＣＯ層１１６の厚さは、典型的には数百ナノメートルである。このＴＣＯ層１１６が最終的には太陽電池の表面電極を形成する。ＴＣＯ層１１６に適した材料としては、アルミニウムドープ亜鉛酸化物（ＡＺＯ）、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、インジウムモリブデン酸化物（ＩＭＯ）、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、およびタンタル酸化物が挙げられるが、これらに限定されない。ＴＣＯ層１１６は、化学気相成長法（ＣＶＤ）などの任意の好適な工程によって堆積され得る。
ステップ１０４では、ＴＣＯ層１１６を堆積した後に、しばしばＰ１と呼ばれるレーザスクライビング工程によって、ＴＣＯ層１１６の全厚にわたってストリップ１１８をスクライブする。スクライブされた複数のストリップは、通常５〜１０ｍｍ離れている。ステップ１０６に示すように、スクライビング工程Ｐ１後には、ＴＣＯ層１１６の全面にｐ型とｎ型のシリコン層１２０が堆積される。シリコン層１２０の総厚は典型的には約２〜３μｍであり、通常この層は、化学気相成長法または他の好適な工程によって堆積される。
ステップ１０８を参照すると、シリコン堆積ステップに続いて、しばしばＰ２と呼ばれる第２のレーザスクライビングステップが行われ、シリコン層１２０中にストリップ１２２が完全に切り込まれる。ステップ１１０に示すように、シリコン層１２０の全面に背面電極を形成する金属層１２４が堆積される。この金属層１２４は、物理気相成長法（ＰＶＤ）などの任意の好適な堆積工程によって堆積され得る。次にステップ１１２を参照すると、Ｐ３と呼ばれる第３のスクライビング工程を使用して、金属層１２４とシリコン層１２０中にストリップ１２６をスクライブする。次いで、通常、このパネルは背面ガラス積層（図示せず）で封止される。Ｐ１とＰ３のスクライブ部とを含むＰ１とＰ３のスクライブ部の間の領域が、電池の全体的な効率を低下させる不感帯１２８となる。この不感帯は、典型的には約１００μｍから約５００μｍの範囲内であり、スクライビング工程で用いられるレーザや光学部品の精度に依存する。
したがって、光電池の効率を向上させる方法を提供することが求められている。
本発明の一実施形態は、表面と裏面とを有する上板を提供するステップであって、この裏側が間隔をおいて配置された複数の傾斜部を上に有し、この間隔をおいて配置された傾斜部が、傾斜面と、上板の裏側と実質的に直角な垂直面とを含むステップと、間隔をおいて配置された傾斜部の垂直面を、透明導電性酸化物が実質的に被覆しないように、上板の裏側上に透明導電性酸化物層を堆積させるステップと、間隔をおいて配置された傾斜部の垂直面上に堆積されたシリコン層が、間隔をおいて配置された傾斜部の傾斜面上の頂部で、透明導電性酸化物層と接触しないように、透明導電性酸化物層上にシリコン層を堆積させるステップと、シリコン層上に金属層を堆積させて、傾斜面から金属層を通って延在する複数の先端部を得るステップと、金属層を通って延在する先端部の少なくとも一部を除去して上板の全面を実質的に平坦にすることにより、光電池を製造するステップとを含む光電池の作製方法に関する。
一実施形態では、この方法は、平坦化された金属層にポリマー積層を付着させ、続いてガラスの層を付着させるステップをさらに含む。
一実施形態では、間隔をおいて配置された傾斜部それぞれの間に、平坦な上板の領域ができるように、間隔をおいて配置された傾斜部が分離されている。一実施形態では、透明導電性酸化物層は、物理気相成長法によって堆積される。一実施形態では、透明導電性酸化物層は、間隔をおいて配置された傾斜部の垂直面が傾斜面によって遮蔽されるような角度で堆積される。
ある実施形態によれば、シリコン層は、化学気相成長法によって堆積される。ある実施形態では、金属層内における先端部が、バフ研磨、研削、および切削を含む１つまたは複数の工程によって平坦化される。
一実施形態では、この方法は、透明導電性酸化物層を堆積した後に、実質的に垂直面のみを照射するようなグレージング角で行われるレーザアブレーションによって、間隔をおいて配置された傾斜部の垂直面をクリーニングするステップをさらに含む。ある実施形態によれば、上板はガラスまたはプラスチックであり、凹刻印刷、グラビア印刷、エッチング、エングレービング、凸版印刷、およびリソグラフィのうちの１つまたは複数によって、間隔をおいて配置された傾斜部が上板上に形成される。
本発明の別の態様は、表側と裏側を有する上板であって、この裏側が間隔をおいて配置された複数の傾斜部を有し、間隔をおいて配置された複数の傾斜部が、傾斜面と、上板の裏側と実質的に直角な垂直面とを含む上板と、上板の裏側上の透明導電性酸化物の層と、透明導電性酸化物層の上の非晶質シリコンの層と、シリコン層に積層し、シリコン層に面する表側と裏側とを有する金属の層とを備える光電池に関する。一実施形態では、間隔をおいて配置された傾斜部が、上板から少なくとも複数の層の一部を通って延在し、金属層が平滑化されることで、裏面が実質的に平坦になり、シリコン層が部分的に露出する。
一実施形態では、シリコン層が間隔をおいて配置された傾斜部の垂直側を越えて延在することはない。一実施形態では、光電池は、金属層上のポリマー層と、ポリマー積層上のガラスとをさらに含む。ある実施形態では、間隔をおいて配置された傾斜部間の距離は、約５ｍｍから約１０ｍｍの範囲内である。ある実施形態によれば、間隔をおいて配置された傾斜部は、上板の裏側から約５ミクロンの高さまで外向きに延在する。
ある実施形態では、上板の厚さは約３ｍｍである。１つまたは複数の実施形態によれば、上板は、ガラスまたはプラスチックで構成され得る。一実施形態では、光電池は約１００ミクロン未満の不感帯を有する。
上記は、本発明のかなり概括的な特定の特徴と、技術的な利点を概説したものである。開示された具体的な実施形態は、本発明の範囲内において変形するか、他の構成または工程を設計する基礎として容易に利用され得るということが、当業者によって理解されるべきである。また、これと均等の構造も、添付の特許請求の範囲で述べる本発明の精神および範囲から逸脱するものではないということも、当業者によって理解されるべきである。
先に述べた本発明の特徴が詳細にわたって理解され得るように、先に簡単に要約された本発明のより詳細な説明を、実施形態を参照することによって行うことができ、実施形態のいくつかは、添付図面に図示されている。しかし、添付の図面は、本発明の典型的な実施形態のみを図示するものであり、したがって本発明は他の同等に効果的な実施形態を許容し得るので、これにより、本発明の範囲を限定するものとみなされるべきではないということを留意されたい。
本発明の例示的な実施形態をいくつか説明する前に、本発明は以下の説明に記載する構造または工程段階の詳細に限定されるものではないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態が可能であり、さまざまな方法で実施または実行可能である。
本発明の１つまたは複数の実施形態は、光電池および光電池の作製方法に関する。図２を参照すると、表側２０２と裏側２０４とを有する上板２００が提供されている。この上板２００の裏側２０４には、間隔をおいて配置された一連の傾斜部２０６が設けられる。間隔をおいて配置された傾斜部２０６は、傾斜面２０８と上板２００の裏側２０４と実質的に直角な垂直面２１０とを含む。この間隔をおいて配置された傾斜部２０６は、上板２００の裏側２０４に蒸着された任意の材料の層を通って延在する。間隔をおいて配置された傾斜部２０６は、基板２００の裏側２０４の表面から約１０μｍ未満の高さまで外向きに延在する。詳細な態様では、間隔をおいて配置された傾斜部２０６は、上板２００の裏側２０４から約５μｍの高さまで延在する。
間隔をおいて配置された傾斜部２０６は、任意の好適な技術によって形成することができる。好適な技術の非限定的な例としては、凹刻印刷、グラビア印刷、エッチング、エングレービング、凸版印刷、およびリソグラフィが挙げられる。図２はグラビア印刷タイプの工程を示し、この工程では上板２００が右から左２１２に移動して、フラットローラ２１４とパターンニングローラ２１６の間を通過する。フラットローラ２１４は反時計方向２１８に回転するように示されており、パターンニングローラ２１６は時計方向２２０に回転する。これにより、上板２００が所望の方向２１２に移動する。図２に示した工程では、上板が右から左に移動しているが、これにより上板の移動方向が限定されるものと解釈されるべきではない。１つまたは複数の実施形態では、間隔をおいて配置された傾斜部は、上板の形成中でガラス板材料またはプラスチック板材料が軟化状態にあるとき、例えば、炉または徐冷窯から板を延出させるなどの板形成作業中にガラス板またはプラスチック板が形成されている間に、上板に形成される。別法としては、板上に間隔をおいて配置された傾斜部を形成できるように、平坦なガラス板またはプラスチック板を、少なくとも表面が軟化するように加熱してもよい。ある種の材料およびエッチングなどのある種の工程では、傾斜部を形成するのに加熱は必要とされないということが理解されるであろう。
間隔をおいて配置された傾斜部２０６間の間隔２２２は、作製される太陽電池の所望のサイズに応じて変更可能である。この間隔２２２は、一般的には約２０ｍｍ未満である。本発明の詳細な態様では、間隔をおいて配置された傾斜部２０６間の間隔２２２は約１０ｍｍ未満である。より詳細な態様では、間隔２２２は約５ｍｍから約１０ｍｍの間である。他の詳細な態様では、間隔をおいて配置された傾斜部２０６の間に間隔２２２は存在しない。傾斜部２０６の間に間隔がある場合は、間隔２２２は上板２００の実質的に平坦な領域２２４とすることができる。
上板２００は、例えばガラスまたはプラスチックなどの、任意の好適な材料とすることができ、意図する用途で所望される任意の厚さとすることができる。本発明の詳細な態様には、約５ｍｍ未満の上板が含まれる。他の詳細な態様によれば、上板は厚さ約３ｍｍである。
図３に、本発明の１つまたは複数の実施形態による、光電池の加工ステップを示す。先に述べたように、上板３００は、垂直面３０４を備える、間隔をおいて配置された傾斜部３０２を有するように加工される。上板３００の裏側に、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）層３１０が堆積される。好適なＴＣＯが当業者には知られている。透明導電性酸化物の非限定的な例としては、アルミニウムドープ亜鉛酸化物（ＡＺＯ）、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、インジウムモリブデン酸化物（ＩＭＯ）、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、およびタンタル酸化物が挙げられる。このＴＣＯ層３１０は、間隔をおいて配置された傾斜部３０２の垂直面３０４を、ＴＣＯが実質的に被覆しないような形で堆積される。上板３００の間隔をおいて配置された傾斜部３０２は、ＴＣＯ層３１０を通って延在する。
当業者には知られているであろうが、ＴＣＯ層３１０は、任意の好適な手段によって堆積され得る。本発明の詳細な態様では、ＴＣＯ層３１０は、物理気相成長法によって堆積される。他の態様では、ＴＣＯ層３１０は、間隔をおいて配置された傾斜部３０２の傾斜面３０６に向ってある角度で堆積される。ある角度でＴＣＯを堆積させることで、間隔をおいて配置された傾斜部３０２の垂直面３０４が部分的に遮蔽され、その結果ＴＣＯが垂直面３０４を被覆してしまう可能性が低減する。
いくつかの詳細な態様によれば、ＴＣＯ層３１０の厚さは最大約５００ｎｍである。他の詳細な態様では、ＴＣＯ層３１０の厚さは約３００ｎｍである。
いくつかの詳細な実施形態では、ＴＣＯ層３１０が堆積された後、間隔をおいて配置された傾斜部３０２の垂直面３０４をクリーニングするために、レーザアブレーションまたは他の好適な技術が使用される。レーザアブレーションによるクリーニングは、間隔をおいて配置された傾斜部３０６の垂直面３０４のみをレーザが実質的に照射するように、上板３００を被覆するＴＣＯにレーザをグレージング角で向けることによって行うことができる。
ＴＣＯ層３１０を堆積した後は、透明導電性酸化物層３１０上にシリコン層３２０が堆積される。このシリコン層３２０は、シリコン層３２０が傾斜面３０６の頂部で透明導電性酸化物層３１０と接触しないような形で、間隔をおいて配置された傾斜部３０２の間に堆積される。例えば、シリコン層３２０が、間隔をおいて配置された傾斜部３０２の垂直面３０４の先端部３０８を実質的に越えて延在することはない。シリコン層３２０の厚さは、間隔をおいて配置された個々の傾斜部３０２の高さよりも僅かに薄く、典型的には約２〜３μｍである。図４は、ＴＣＯ層３１０とシリコン層３２０とが堆積された間隔をおいて配置された複数の傾斜部３０２のうちの１つの頂部領域を拡大した図である。上板３００の間隔をおいて配置された傾斜部３０２は、ＴＣＯ層３１０とシリコン層３２０とを通って延在する。シリコン層３２０は、任意の好適な方法によって堆積させることができる。本発明の詳細な態様では、シリコン層３２０は、化学気相成長法によって堆積される。
シリコン層３２０を堆積した後は、このシリコン層３２０上に金属層３３０が堆積される。上板３００の間隔をおいて配置された傾斜部３０２は、ＴＣＯ層３１０と、シリコン層３２０と、金属層３３０とを通って延在し、その結果、金属層３３０から突出する複数の先端部３０８が生じる。いくつかの態様では、金属層は厚さ約２μｍ未満である。他の詳細な態様では、金属層の厚さは約１μｍ未満である。光電池に用いるのに適した金属が当業者には知られている。非限定的な例として、アルミニウム、モリブデン、およびこれらの混合物が挙げられる。
金属層３３０を堆積した後は、図３の最終ステップに示すように、上板３００からＴＣＯ層３１０と、シリコン層３２０と、金属層３３０とを通って延在する先端部３０８の少なくとも一部が除去される。これらの突出する先端部３０８を除去することにより、シリコン層３２０の一部が露出している実質的に平坦な裏面３４０が得られる。突出する先端部を除去する方法と技術が当業者には知られている。好適な方法としては、バフ研磨、研削、および切削が挙げられるが、これらに限定されない。
図５は、記載された方法の１つまたは複数の実施形態に従って作製した光電池５００を示す。この光電池５００は、間隔をおいて配置された傾斜部５１２を有する上板５１０を備える。この光電池５００は一定の尺度で描かれたものではなく、説明のために、間隔をおいて配置された傾斜部５１２の高さが誇張されている。上板５１０上に透明導電性酸化物層５２０が堆積される。このＴＣＯ層５２０上にシリコン層５３０が堆積され、シリコン層５３０上には金属層５４０が堆積される。平滑化された後の金属層５４０の裏側が示されている。ポリマー積層５５０が付着され、続いてガラスまたは他の適した材料の層５６０が付着される。
作製される光電池５００は、個々の光電池５７０を複数個集めて直列につなげたものである。個々の光電池５７０は、間隔をおいて配置された１つの傾斜部５１２の垂直面５１４から、それに隣接する間隔をおいて配置された傾斜部５１２の垂直面５１４まで延在している。この個々の光電池５７０は、隣接する電池に直列接続で接続される。つまり、１つの電池５７０のＴＣＯ層５２０が、隣接する電池５７０の金属層５４０に接続する。
従来の工程では、個々の光電池間には、「不感帯」と呼ばれ得るものが、レーザスクライビングＰ１による溝とレーザスクライビングＰ３による溝との間に生じる。これらの不感帯は典型的には約１００〜５００μｍである。本明細書に記載の方法と光電池によってもたらされる不感帯は約１００ミクロン未満である。具体的な態様では、不感帯は約７５μｍ未満である。他の特定の態様の不感帯は、約５０μｍ未満である。このように不感帯の範囲が狭まることにより、作製される光電池における無駄を大幅に少なくすることができる。
本明細書中の「一実施形態」、「ある種の実施形態」、「１つまたは複数の実施形態」、「ある実施形態」、「一態様」、「ある種の態様」、「１つまたは複数の実施形態」および「１つの態様」という表現は、実施形態に関連して記載される特定の特徴、構造、材料、または特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれるということを意味する。したがって、「１つまたは複数の実施形態では」、「ある種の実施形態では」、「一実施形態では」、「ある実施形態では」、「１つまたは複数の態様による」、「ある態様では」などの、本明細書中のあらゆる箇所にある言い回しの表現が、必ずしも本発明の同一の実施形態または態様を表す訳ではない。さらに、１つまたは複数の実施形態または態様では、特定の特徴、構造、材料、または特性を、任意の好適な形で組み合わせることができる。上述の方法の記載順序は、限定的なものとみなされるべきではなく、記載されている作業を順不同で行ったり、省略したり追加したりして行う方法も可能である。
上記の記載は、説明することを目的としているものであって、限定することを目的としてはいないことを理解されたい。上記記載を読めば、他の多くの実施形態が当業者にとって明らかになるであろう。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲と、この特許請求の範囲が享受する均等物の全範囲とに関連して確定されるべきである。
Claims (15)
- 表側と裏側とを有する上板を提供するステップであって、前記裏側が間隔をおいて配置された複数の傾斜部を有し、前記間隔をおいて配置された傾斜部が、傾斜面と、前記上板の前記裏側と実質的に直角な垂直面とを含むステップと、
前記間隔をおいて配置された傾斜部の前記垂直面を透明導電性酸化物が実質的に被覆しないように、前記上板の前記裏側に前記透明導電性酸化物層を堆積させるステップと、
前記間隔をおいて配置された傾斜部の前記垂直面上に堆積されたシリコン層が、前記間隔をおいて配置された傾斜部の前記傾斜面の頂部で前記透明導電性酸化物層と接触しないように、前記透明導電性酸化物層上に前記シリコン層を堆積させるステップと、
前記シリコン層上に金属層を堆積させて、前記傾斜面から前記金属層を通って延在する複数の先端部を得るステップと、
前記金属層を通って延在する前記先端部の少なくとも一部を除去して前記上板の全面を実質的に平坦にすることにより、光電池を製造するステップと
を含む光電池の作製方法。 - 前記平坦化された金属層にポリマー積層を付着させ、続いてガラスの層を付着させるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
- 間隔をおいて配置された傾斜部それぞれの間に平坦な上板の領域ができるように、前記間隔をおいて配置された傾斜部が分離されている、請求項１に記載の方法。
- 前記透明導電性酸化物層が物理気相成長法によって堆積され、前記透明導電性酸化物層が、前記間隔をおいて配置された傾斜部の前記垂直面が前記傾斜面によって遮蔽されるような角度で堆積される、請求項１に記載の方法。
- 前記シリコン層が化学気相成長法によって堆積される、請求項１に記載の方法。
- 前記金属層における前記先端部が、バフ研磨、研削、および切削を含む１つまたは複数の工程によって平坦化される、請求項１に記載の方法。
- 前記透明導電性酸化物層を堆積した後に、実質的に前記垂直面のみを照射するようなグレージング角で行われるレーザアブレーションによって、前記間隔をおいて配置された傾斜部の前記垂直面をクリーニングするステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
- 前記上板がガラスまたはプラスチックであり、凹刻印刷、グラビア印刷、エッチング、エングレービング、凸版印刷、およびリソグラフィのうちの１つまたは複数によって、前記間隔をおいて配置された傾斜部が前記上板上に形成される、請求項１に記載の方法。
- 表側と裏側とを有する上板であって、前記裏側が、間隔をおいて配置された複数の傾斜部を有し、前記間隔をおいて配置された傾斜部が、傾斜面と、上板の前記裏側と実質的に直角な垂直面とを含む上板と、
前記上板の前記裏側上の透明導電性酸化物の層と、
前記透明導電性酸化物層の上の非晶質シリコンの層と、
前記シリコン層の上の金属層であって、前記シリコン層に面する表側と裏側とを有する金属の層と
を備える光電池。 - 前記間隔をおいて配置された傾斜部が、前記上板から少なくとも前記複数の層の一部分を通って延在し、前記金属層が平滑化されることで裏面が実質的に平坦になり、前記シリコン層が部分的に露出し、前記シリコン層が前記間隔をおいて配置された傾斜部の前記垂直側を越えて延在することがない、請求項９に記載の光電池。
- 前記金属層上のポリマー層と、前記ポリマー積層上のガラスとをさらに含む、請求項１０に記載の光電池。
- 前記間隔をおいて配置された傾斜部間の距離が約５ｍｍから約１０ｍｍの範囲内であり、前記間隔をおいて配置された傾斜部が、前記上板の前記裏側から約５ミクロンの高さまで外向きに延在する、請求項９に記載の光電池。
- 前記上板の厚さが約３ｍｍであり、前記上板がガラスである、請求項９に記載の光電池。
- 前記金属層が、アルミニウム、モリブデン、およびこれらの混合物からなる群から選択される、請求項９に記載の光電池。
- 約１００ミクロン未満の不感帯を有する、請求項９に記載の光電池。
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