JP2012517112A - 貫通シリコンビアを用いて改善された光起電電池の効率 - Google Patents

Abstract

光起電電池は、第一のノード及び第二のノードを有する光起電層を含む。第一の導電層は、光起電層の第二のノードに電気的に結合されて、その第一の導電層が光起電層から光をブロックしないようにする。第二の導電層は第一の導電層に隣接するが電気的に絶縁されて、その第二の導電層が光起電層から光をブロックしない箇所に配置される。少なくとも一つの貫通シリコンビアが光起電層の第一のノード及び第二の導電層に結合されるが、光起電層及び第一の導電層の少なくとも一部分から電気的に絶縁される。

Description

本開示は、一般的に光起電電池に関する。特に、本開示は貫通シリコンビアを用いることによって光の妨害を低減することに関する。

従来の太陽電池は、太陽等の光源からエネルギーを受けて、そのエネルギーを電気に変換する。従来の太陽電池は一般的に、光子を受け取りその光子を電気に変換する光起電層を含む。効率を増強するため、非規則な表面を備えた導電電極層（インジウム錫酸化物製のもの等）を用いて、より多くの光子を光起電層内に偏向させるようにされている。こうした構成では、金属トレースが、一方の側の電極層の頂部の上に配置されて、金属層が光起電層の他方の側の上に配置される。光起電層の一方の側の上の金属トレースと他方の側の上の金属層との間に接続された負荷が、発生した電気用の導電経路を提供する。こうした構成では、金属トレースが、光起電電池の受光側に存在していて、一部の光が光起電層内に入射することを妨害して、太陽電池の効率を低下させる。

効率を上昇させる方法の一つは、より多くの光子が光起電層に入射するように金属トレースのサイズを減少させることである。しかしながら、トレースサイズの減少は、太陽電池の内部抵抗を上昇させて、効率を低下させる。他の解決策は、電極層によって吸収される光量を減らすために金属トレースのサイズを減少させずに電極層の厚さを減少させることである。しかしながら、電極層の厚さの減少は、内部抵抗の上昇をもたらし、金属トレースによって光が妨害され続ける。

国際公開第２００８／０７８７４１号 米国特許出願公開第２００９／２７２４１９号明細書 米国特許第３９０３４２７号明細書 米国特許第６３３１２０８号明細書

従って、金属トレースからの光起電電池に対する光の妨害を低減することによって、光起電電池の内部抵抗を上昇させることなく、光起電電池の効率を上昇させる光起電電池の構造が必要とされている。

一実施形態では、光起電電池は、第一のノード及び第二のノードを備えた光起電層を含む。第一の導電層は、光起電層の第二のノードに電気的に結合される。第二の導電層は、光起電層の第二のノード上の第一の導電層に隣接するが電気的に絶縁されて配置されて、第二の導電層が、光起電層の第一のノードに当たる光をブロックしないようにする。少なくとも一つの貫通シリコンビアが、光起電層の第一のノードから第二の導電層まで電気的に結合され、その貫通シリコンビアは、光起電層の本体及び第一の導電層を貫通するが電気的には絶縁される。

他の実施形態では、光屈折層が、光起電層の第一のノードに結合されて、光起電層内に光を偏向させることができる。しかしながら、貫通シリコンビアが第一のノードに直接電気的に結合されるので、光屈折層は、電極層である必要がなく、導電性である必要がないので、内部抵抗を上昇させることなく光の吸収を低減する構造を有することができる。

更に他の実施形態では、光起電電池に対する光の妨害を低減する装置は、光を受光し、その光を吸収して分極ノード間に電気を発生させる手段を含む。受光手段から光をブロックせずに、その受光手段の第一の分極ノードから電気を伝える第一の手段も含まれる。最後に、受光手段から光をブロックせずに、その受光手段の第二の分極ノードから電気を伝える手段も装置に含まれる。

更に他の実施形態では、太陽電池に対してブロックされる光を低減する方法は、第一のノード及び第二のノードを有する光起電層を配置するステップを含む。第一の導電層は、光起電層の第二のノードに隣接して電気的に結合されるように配置されて、第一の導電層が光起電層から光をブロックしないようにする。第二の導電層は、第一の導電層に隣接するが電気的に絶縁されるように配置されて、第二の導電層が光起電層から光をブロックしないようにする。最後に、少なくとも一つの貫通シリコンビアが、光起電層及び第一の導電層を貫通して光起電層の第一のノードと第二の導電層との間に形成されるが、その少なくとも一つの貫通シリコンビアは光起電層及び第一の導電層から電気的に絶縁される。

上記説明は、以下の詳細な説明をより良く理解してもらうために、本開示の特徴及び技術的利点を広範に概説したものである。本開示の特許請求の範囲の対象を形成する追加の特徴及び利点については、これから説明する。当業者は、開示されるコンセプト及び具体的な実施形態を、本開示と同一の目的を達成するための他の構造を修正又は設計するための基礎として容易に利用することができる点を理解されたい。また、当業者は、そうした等価な構成が、添付の特許請求の範囲に記載されるような本開示の技術から逸脱するものではない点も理解されたい。本開示の特徴であると考えられる新規特徴は、その構成及び動作方法の両方に関して、更なる対象及び利点と共に、添付図面を参照しながら以下の説明を考慮することによって、より良く理解されるものである。しかしながら、各図面は、例示及び説明目的としてのみ提供されるものであって、本開示の限定を定義するものではないことは明確に理解されたい。

本開示のより完全な理解のため、添付図面を参照しながら以下の説明をこれから見ていく。

従来の太陽電池の断面図である。 図１に示される従来の太陽電池の上面図である。 貫通シリコンビアを用いた例示的な光起電電池の断面図である。 図３に示される光起電電池の上面図である。

図１は、光起電層１０２と、金属層１０４と、電極層１０６と、金属層１０８とを含む従来の太陽電池１００の断面図である。金属層１０４は、光起電層１０２の底部ノード１０２に電気的に結合され、且つ、負荷１１６に電気的に結合される。電極層１０６は従来、インジウム錫酸化物材料製であり、略９０％のＩｎ_２Ｏ_３と１０％のＳｎＯ_２である。電極層１０６は、光起電層１０２の受光頂部ノード１０２ａに電気的に結合される。電極層１０６は、光を光起電層１０２内に偏向させて電気発生を増大させる導電層である。電極層１０６は従来、波形の表面を含み、光子１１２ａ及び光子１１４ｂが、表面から反射されるか（例えば光子１１２ｂ及び光子１１４ｂ）、又は光起電層１０２内に偏向されて吸収される角度で電極層１０６に侵入する。金属層１０８は、金属トレース１０８ａ及び１０８ｂ等の金属トレース（又は電気的リード）を有し、電極層１０６の上方に、導電性の関係で配置されている。

図２は、図１に示される太陽電池１００の上面図であり、光起電層１０２の受光頂部ノード１０２ａと導電性の関係の電極層１０６（図１）の上に配置された金属トレース１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ及び１０８ｄを備えた金属層１０８を示す。金属層１０８は、Ｙ_金属として定義されるｙ軸寸法と、Ｘ_金属として定義されるｘ軸寸法とを有する。また、光起電層１０２は、Ｙ_セルとして定義されるｙ軸寸法と、Ｘ_セルとして定義されるｘ軸寸法とも有する。金属層１０６（図１）に対する従来の金属接続部は、光起電層１０２上の領域を覆い且つ光起電層１０２上に光が当たることを防止するトレース１０８ａ、１９８ｂ、２０２、２０４を有する金属メッシュとして構成される。従来の金属メッシュによってブロックされる光子を、（Ｘ_金属×（Ｙ_セル＋Ｙ_金属）＋Ｘ_セル×Ｙ_金属）／（（Ｙ_セル＋Ｙ_金属）×（Ｘ_セル＋Ｘ_金属））との式を用いて見積もることができる。その結果は、金属層１０８によってブロックされる太陽電池１００の表面積の比の見積もりである。金属トレース１０８ａ、１０８ｂ、２０２、２０４によってブロックされる光起電層１０２の受光頂部ノード１０２ａの面積が大きくなるほど、発生する電気が少なくなり、光起電層１０２の効率が低くなる。

図３は、貫通シリコンビアを備えた例示的な光起電電池３００の断面図を示し、その貫通シリコンビアは、光起電層３０２を貫通して延伸して、従来の太陽電池の金属トレースによってブロックされる側部の面積を減らしている。光子が光起電電池３００に当たると、相補的な電荷が形成されて、反対方向へと光起電層３０２内を流れて、分極ノード（例えば陽極及び負極）をもたらす。光起電電池３００は、分極ノード（受光頂部ノード３０２ａ、受光頂部ノード３０２ａの反対側の底部ノード３０２ｂ等）を有する光起電層３０２を含む。頂部ノード及び底部ノードが示されているが、勿論、他の配置も可能である。一部実施形態では、光起電層３０２は、半導体製であり、シリコン（Ｓｉ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）及び銅インジウム二セレン化物（ＣｕＩｎＳｅ_２）のうち一つが挙げられる。第一の導電層３０３は、光起電層３０２の底部ノード３０２ｂに電気的に結合される。第二の導電層３０４は、光起電層３０２に向かう光をブロックしない箇所に配置される。例えば、第二の導電層３０４は、第一の導電層３０３に隣接するが電気的には絶縁されて配置され得る。第二の導電層３０４が第一の導電層３０３に隣接するので、第二の導電層３０４の表面領域が連続的なものとなり、第二の導電層２０４の内部抵抗を低下させて、効率を改善することができる。第一の導電層３０３及び第二の導電層３０４は、金属等の導電体製であり得る。第一の導電層３０３及び第二の導電層３０４の両方が、負荷３１８に電気的に結合されるので、負荷３１８が、第一の導電層３０３と第二の導電層３０４との間の電流を促進することができる。

一部実施形態では、貫通シリコンビア（ＴＳＶ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｉｌｉｃｏｎ ｖｉａ）等の少なくとも一つのビアが、第二の導電層３０４及び受光頂部ノード３０２ａに電気的に結合されて、光起電層３０２によって発生した電気が、光起電層３０２の本体を介して第二の導電層３０４に伝わる。貫通シリコンビア３０６及び３０８は、傾斜プロファイルを有し得る（例えば湿式エッチングプロセスの結果として）。貫通シリコンビア３０６及び３０８は、光起電セル３００を介して電気を伝える金属やシリコン材料等の導電体であり得る。貫通シリコンビア３０６及び３０８の各々は、受光頂部ノード３０２ａに電気的に結合された第一の端部３０６ａ、３０８ａを有する。第一の端部３０６ａ及び３０８ａのフットプリントが、図１に示されるような金属層１０８よりも実質的に小さいので、光起電層３０２に入射する光がブロックされることが少なくなることによって、光起電層３０２の電気を発生させる性能を上昇させる。また、貫通シリコンビア３０６及び３０８は、第二の導電層３０４に電気的に結合された反対側の第二の端部３０６ｂ、３０８ｂも有する。各貫通シリコンビアは、光起電層３０２の受光頂部ノード３０２ａから、光起電層３０２及び第一の導電層３０３を貫通して第二の導電層３０４まで延伸することができて、受光頂部ノード３０２ａと第二の導電層３０４との間の導電経路３２０及び３２２が存在するようになる。導電経路３２０及び３２２は、図３に示されるような垂直の構成に限定されるものではなく、水平や他の傾斜の構成ともなり得る。導電経路３２０及び
３２２を含む貫通シリコンビア３０６及び３０８は、光起電層３０２及び第一の導電層３０３から電気的に絶縁される。更に、複数の貫通シリコンビアを光起電層３０２にわたって配置して、光起電層３０２の頂面上の電気コンタクトポイントを提供することができる。

光屈折層３１４が、受光頂部ノード３０２ａの上に配置されて、光起電層３０２内に光を偏向させて、反射される光量（例えば光子３１６ｂ）を減らす。他の実施形態では、光屈折層３１４が、受光頂部ノード３０２ａに電気的に結合される。半透明性の光屈折層３１４は、光起電層３０２内に光子（例えば光子３１６ａ）を偏向させて、発生した電気を光起電層３０２から貫通シリコンビアアレイ４００（図４において後述する）に電気的に伝えることができる。更に、光屈折層３１４は、インジウム錫酸化物又は他の導電体製であり得る。更に、互いに比較的近い間隔の貫通シリコンビアを有することは、内部抵抗を低下させることによって、光屈折層３１４の厚さを減少させて、より多くの光が光起電層３０２に侵入できるようにする。

光屈折層３１４に対する貫通シリコンビアの接続は、光起電層３０２の上方に存在する金属化の要求の必要性を低減又は排除するが、これは、貫通シリコンビアが、光起電層３０２の本体を介する第二の導電層３０２への経路を提供することができるからである。例えば、図２に示されるような光起電セル３００の頂部上に位置する金属トレースを有する代わりに、受光頂部ノード３０２ａと第二の導電層３０４との間の電気接続が、貫通シリコンビア３０６及び３０８を介して伝わる一方で、光が光起電層３０２に入射することを妨害する受光頂部ノード３０２ａの領域を減らして、効率を改善する。“貫通シリコンビア”との用語にはシリコンとの単語が含まれるが、貫通シリコンビアは必ずしもシリコンに構築されるものではない。むしろ、その材料は、あらゆるデバイス基板材料であり得る。一部実施形態では、光起電セル３００及び上述の素子が変更され得て、提供された機能、構造、構成、実施形態及び例に限定されるものではない。

図４は、光起電電池３００（図３）の頂面図であり、その光起電電池３００は、受光頂部ノード３０２ａ（図３）に電気的に結合された貫通シリコンビア３０６、３０７、３０８及び３０９を備えた光起電層３０２を含む。貫通シリコンビア３０６、３０７、３０８及び３０９は、光起電層３０２上において互いに導電性の関係にあり、貫通シリコンビア間の内部抵抗に対する効果を有する。貫通シリコンビアは、光起電層３０２の受光頂部ノード３０２ａに沿って互いに間隔の空けられた関係に配置可能であり、貫通シリコンビアアレイ４００を形成する。貫通シリコンビアアレイ４００は、光起電層３０２と光屈折層３１４との間に所望の数の電気コンタクトポイントを提供して、第二の導電層３０４に対するより多くの導電経路を提供して、効率を改善する。更に、光起電電池３００の内部抵抗は、貫通シリコンビアの間隔を互いにより近くにするか、又は第二の導電層３０４（図３）の表面積を増やすことによって低減可能である。各貫通シリコンビア間の間隔は、設計要求によって許容される内部抵抗の量に応じて調節可能である。一部実施形態では、貫通シリコンビアアレイ４００及び上述の素子が変更され得て、提供された機能、構造、構成、実施形態又は例に限定されるものではない。

本開示及びその利点について詳述してきたが、添付の特許請求の範囲によって定められるような開示の技術から逸脱することなく、本願において多様な変更、置換及び代替がなされ得ることは理解されたい。更に、本願の範囲は、本明細書で説明された特定の実施形態のプロセス、機械、製造、物質組成、手段、方法及びステップに限定されるものではない。当業者は、本願で説明される対応する実施形態と実質的に同一の機能を果たし又は実質的に同一の結果を達成する既存の又は後に開発されるプロセス、機械、製造、物質組成、手段、方法、ステップを、本開示に従って利用することができることを本開示から容易に理解するものである。従って、添付の特許請求の範囲は、そのようなプロセス、機械、製造、物質組成、手段、方法、又はステップをその範囲内に含むものである。

３０２ａ 受光頂部ノード
３０２ｂ 底部ノード
３０３ 第一の導電層
３０４ 第二の導電層
３０６、３０８ 貫通シリコンビア
３１４ 光屈折層
３１６ 光子
３１８ 負荷
３２０、３２２ 導電経路

Claims (18)

1. 第一のノード及び第二のノードを有する光起電層と、
   前記光起電層から光をブロックしないように前記光起電層の前記第一のノードに電気的に結合された第一の導電層と、
   前記第一の導電層に隣接するが電気的に絶縁された第二の導電層であって、該第二の導電層が前記光起電層から光をブロックしないように配置された第二の導電層と、
   前記光起電層の前記第一のノード及び前記第二の導電層の両方に電気的に結合された少なくとも一つの貫通シリコンビアであって、前記光起電層及び前記第一の導電層の少なくとも一部分から電気的に絶縁された貫通シリコンビアとを備えた光起電電池。
2. 前記光起電層内に光を偏向させて且つ前記光起電層の前記第一のノードに隣接している光屈折層を更に備えた請求項１に記載の光起電電池。
3. 前記光屈折層が、前記光起電層及び前記少なくとも一つの貫通シリコンビアに電気的に結合されている、請求項２に記載の光起電電池。
4. 前記貫通シリコンビアが、前記光起電層の前記第一のノードから前記光起電層及び前記第一の導電層を貫通して前記第二の導電層まで延伸していて、前記第一のノードから前記第二の導電層までの導電経路を提供する、請求項１に記載の光起電電池。
5. 受光頂部ノード及び底部ノードを有する光起電層と、
   前記光起電層の前記受光頂部ノードに隣接して電気的に結合されていて、前記光起電層内に光を偏向させる電極層と、
   前記光起電層の前記底部ノードに電気的に結合された第一の導電層と、
   光から前記光起電層をブロックしないように前記第一の導電層に隣接するが電気的に絶縁された第二の導電層と、
   前記光起電層及び前記第一の導電層を貫通して前記光起電層の前記受光頂部ノードと前記第二の導電層との間で電気的に結合されているが、前記光起電層及び前記第一の導電層から電気的に絶縁されている少なくとも一つの貫通シリコンビアとを備えた太陽電池。
6. 前記貫通シリコンビアが、前記受光頂部ノードにおいて露出されていて前記電極層に電気的に結合された第一の端部を更に備える、請求項５に記載の太陽電池。
7. 前記貫通シリコンビアが、導電性の関係で他の貫通シリコンビアに対して間隔が空けられていて、貫通シリコンビアアレイを形成している、請求項５に記載の太陽電池。
8. 前記電極層がインジウム錫酸化物を更に備える、請求項５に記載の太陽電池。
9. 前記電極層が前記少なくとも一つの貫通シリコンビアから反射された光を吸収する、請求項５に記載の太陽電池。
10. 前記第一の導電層と前記第二の導電層との間の電流を促進する負荷を更に備えた請求項５に記載の太陽電池。
11. 光起電電池に対する光の妨害を低減する装置であって、
    光を受光して該光を吸収して分極ノード間に電気を発生させる受光手段と、
    前記受光手段から光をブロックせずに、前記受光手段の第一の分極ノードから電気を伝える第一の手段と、
    前記受光手段から光をブロックせずに、前記受光手段の第二の分極ノードから電気を伝える第二の手段とを備えた装置。
12. 前記電気を伝える第一の手段が、前記受光手段を貫通して前記第一の分極ノードに導電層を電気的に結合する電気結合手段を更に備え、前記電気結合手段が、前記受光手段から電気的に絶縁されている、請求項１１に記載の装置。
13. 前記電気結合手段が貫通シリコンビアを更に備える、請求項１２に記載の装置。
14. 前記受光手段内に光を偏向させる手段を更に備えた請求項１１に記載の装置。
15. 太陽電池に対してブロックされる光を低減する方法であって、
    第一のノード及び第二のノードを有する光起電層を配置するステップと、
    前記光起電層から光をブロックしないように、前記光起電層の前記第二のノードに隣接して電気的に結合された第一の導電層を配置するステップと、
    前記光起電層から光をブロックしないように、前記第一の導電層に隣接するが電気的に絶縁された第二の導電層を配置するステップと、
    前記光起電層及び前記第一の導電層を貫通して前記光起電層の前記第一のノードと前記第二の導電層との間に少なくとも一つの貫通シリコンビアを形成するステップとを備え、
    前記少なくとも一つの貫通シリコンビアが前記光起電層及び前記第一の導電層から電気的に絶縁される、方法。
16. 前記光起電層の前記第一のノードに隣接して電気的に結合されて前記光起電層内に光を偏向させる電極層を配置するステップを更に備えた請求項１５に記載の方法。
17. 前記第二の導電層を少なくとも前記第一の導電層のサイズにして前記電極層の厚さを減少させるステップを更に備えた請求項１６に記載の方法。
18. 前記少なくとも一つの貫通シリコンビアを形成するステップが、前記少なくとも一つの貫通シリコンビアを導電性の関係で他の少なくとも一つの貫通シリコンビアに対して間隔を空けて貫通シリコンビアアレイを形成するステップを更に備えた請求項１５に記載の方法。

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