JP2014036227A - 太陽電池および太陽電池の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】後面電極層と基板との接着力に優れた太陽電池および太陽電池の製造方法を提供する。
【解決手段】基板と、基板上に配置され、複数の金属柱状晶層を含む後面電極層と、前記後面電極層上に配置される光吸収層と、前記光吸収層上に配置される透明電極層と、を含む太陽電池。
【選択図】図2

Description

本発明は、太陽電池および太陽電池の製造方法に関する。
太陽電池は、太陽の光エネルギーを電気エネルギーに変換させる光電変換素子である。太陽電池は、基本構造として、基板上に形成された後面電極層と、その上に位置する光吸収層および透明電極層とを含む。また、太陽電池には光吸収層(または光電変換層)として、例えば、シリコンを用いるシリコン太陽電池、CIS(Cu、In、Se)またはCIGS(Cu、In、Ga、Se)などの化合物を用いる化合物半導体太陽電池などがある。
ここで、化合物半導体太陽電池において、光吸収層の光吸収効率を増加させるために、アルカリ金属元素(例えば、ナトリウムなど)を光吸収層に含ませることができる。そのため、光吸収層へのアルカリ金属元素の添加について、多様な研究が行われている。例えば、アルカリ金属元素を含む化合物を直接添加したり、または基板などに含まれているアルカリ金属元素を光吸収層側に拡散させたりすることが検討されている。特に、後面電極層を通じて基板内のアルカリ金属元素を光吸収層に拡散させる技術が研究されている。
しかし、後面電極層を通じて基板内のアルカリ金属元素を光吸収層に拡散させる場合、後面電極層と基板間の接着力が低下するなど様々な問題が発生する。
そこで、本発明は、基板と後面電極層との接着力に優れた、新規かつ改良された太陽電池および太陽電池の製造方法を提供する。
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、基板と、基板上に配置され、複数の金属柱状晶層を含む後面電極層と、前記後面電極層上に配置される光吸収層と、および前記光吸収層上に配置される透明電極層と、を含む太陽電池が提供される。
前記金属柱状晶層の各々は、モリブデン(Mo)を含んでもよい。
前記金属柱状晶層の各々の厚さは、20nm〜500nmであってもよい。
前記金属柱状晶層の各々の厚さは、50nm〜100nmであってもよい。
前記太陽電池は、隣接した2つの前記金属柱状晶層の間に位置する界面をさらに含み、前記界面は、酸素原子を含んでもよい。
前記酸素原子の量は、前記後面電極層の原子全体に対して、1原子%〜70原子%であってもよい。
前記酸素原子の量は、前記後面電極層の原子全体に対して、1原子%〜20原子%であってもよい。
前記後面電極層は、9つ以下の前記金属柱状晶層を含んでもよい。
前記光吸収層は、Cu、In、GaおよびSeのうちの少なくとも一つの元素を含んでもよい。
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、蒸着チャンバー内に基板を配置する段階と、複数の金属柱状晶層を含む後面電極層を形成する段階と、前記後面電極層上に光吸収層を形成する段階と、前記光吸収層上に透明電極層を形成する段階と、を含む太陽電池の製造方法が提供される。
前記後面電極層を形成する段階は、前記基板上または先に形成された金属柱状晶層上にモリブデンを蒸着することによって、一つの金属柱状晶層を形成する段階と、前記一つの金属柱状晶層を形成した後に休止期を設け、前記休止期の後、前記一つの金属柱状晶層上にモリブデンを蒸着して、次の金属柱状晶層を形成する段階と、を含んでもよい。
前記休止期は、1秒〜1時間であってもよい。
前記休止期の間に、前記後面電極層内に酸素原子が導入されてもよい。
前記後面電極層内に導入される前記酸素原子の量は、前記休止期の長さおよび前記休止期の回数のうちの少なくともどちらかに対応して決定されてもよい。
また、上記課題を解決するために、本発明のさらに別の観点によれば、蒸着チャンバー内に基板を配置する段階と、後面電極層を形成する段階と、を含み、前記後面電極層を形成する段階は、前記基板上にモリブデンを蒸着して第1金属柱状晶層を形成する段階、および前記第1金属柱状晶層を形成した後に休止期を設け、前記休止期の後、前記第1金属柱状晶層上にモリブデンを蒸着して前記第1金属柱状晶層上に第2金属柱状晶層を形成する段階を含む、太陽電池の製造方法が提供される。
前記休止期の間に、前記後面電極層内に酸素原子が導入されてもよい。
前記酸素原子の量は、前記休止期の長さおよび前記休止期の回数のうちの少なくともどちらかに対応して決定されてもよい。
前記休止期は、1秒〜1時間であってもよい。
前記モリブデンは、0.05Pa〜5Paの圧力下で蒸着されてもよい。
前記モリブデンは、スパッタリングにより蒸着されてもよい。
本発明によれば、基板と後面電極層との接着力に優れた、新規かつ改良された太陽電池および太陽電池の製造方法が提供される。
本発明の一実施形態に係る太陽電池の概略的な断面図である。 図1に示した太陽電池のII部分を拡大した拡大図である。 本発明の一実施形態に係る太陽電池の後面電極層の製造方法を示した図面である。 本発明の一実施形態に係る太陽電池の後面電極層の製造方法を示した図面である。 本発明の一実施形態に係る太陽電池の後面電極層の製造方法を示した図面である。 本発明の一実施形態に係る太陽電池の後面電極層における厚さ方向の原子比をX線光電子分光法(XPS、X−ray Photoelectron Spectroscopy)によって測定した結果示したグラフである。 実施例に係る後面電極層の断面を走査電子顕微鏡(SEM、scanning electron microscope)で観察した写真である。 比較例に係る後面電極層の断面を走査電子顕微鏡で観察した写真である。 実施例および比較例に対する剥離強度試験の結果を示したグラフである。
本発明は、後面電極層を通じて基板内のアルカリ金属元素を光吸収層に拡散させる場合に発生する、後面電極層と基板間の接着力の低下、工程の複雑化、アルカリ金属濃度の制御の困難性などの様々な問題を解決する太陽電池および太陽電池の製造方法を提供することを目的とする。本発明によれば、例えば、簡単な工程によって、後面電極層を介して拡散するアルカリ金属元素の濃度を制御することが可能である。また、本発明は、基板と後面電極層との接着力にも優れた太陽電池を提供することができる。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施することができるように、詳細に説明を行う。なお、本発明は多様な形態で実現することができ、ここで説明する実施形態に限定されるものではない。また、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
図1は、本発明の一実施形態に係る太陽電池の概略的な断面図であり、図2は、図1に示した太陽電池のII部分を拡大した拡大図である。
図1および図2を参照すると、本実施形態に係る太陽電池100は、基板10、後面電極層20、光吸収層30、バッファー層40、および透明電極層50を含む。
なお、本願明細書では、太陽電池の厚さ方向において、太陽光の入射面(透明電極層50側)を上と定義し、前記入射面と対向する面(基板10側)を下と定義して説明を行う。
本実施形態に係る太陽電池100は、例えば、光吸収層30としてシリコンを使用するシリコン太陽電池、または光吸収層30としてCIS(Cu、In、Se)またはCIGS(Cu、In、Ga、Se)を含む化合物半導体太陽電池のいずれであってもよい。本願明細書では、以下、光吸収層30がCISまたはCIGSを含む場合を例に挙げて説明を行う。
基板10は、太陽電池100の最外郭側に配置される。具体的には、基板10は、太陽光が入射する面から最も遠くに配置される。また、基板10は、例えば、板状部材であるガラス、セラミック、ステンレス鋼、金属、またはフィルム形態の高分子など多様な素材で形成されてもよい。
基板10上に後面電極層20が配置される。後面電極層20は、光反射効率が高く、基板10との接着性に優れた金属で形成される。例えば、後面電極層20は、モリブデン(Mo)を含んで形成されてもよい。モリブデン(Mo)は、電気伝導度が高く、また、光吸収層30とオーミック接合(ohmic contact)を形成することができる。さらに、モリブデン(Mo)は、光吸収層30を形成するための高温の熱処理過程において高い安定性を発揮する。以下では、後面電極層20がモリブデン(Mo)からなることを例に挙げて説明する。
図2に図示するように、後面電極層20は、複数の金属柱状晶(columnar crystal)層20〜20n+1を含む多層構造を有する。ここで、nは後述する後面電極層20形成工程において、後面電極層20を形成する金属を蒸着する工程中に含まれる休止期(break time)の回数であり、例えば、1≦n≦8の整数である。複数の金属柱状晶層20〜20n+1は、それぞれモリブデン(Mo)からなり、各金属柱状晶層20〜20n+1は互いに異なる柱状晶形態で結晶が垂直成長した層である。そのため、金属柱状晶層20〜20n+1は、金属柱状晶層20〜20n+1間の界面において結晶粒界が存在することによって区分される。
金属柱状晶層20〜20n+1の厚さは、例えば、20nm〜500nmであってもよく、より具体的には50nm〜100nmであってもよい。また、複数の金属柱状晶層20〜20n+1からなる後面電極層20の全体厚さは、100nm〜1000nmであってもよい。
ここで、金属柱状晶層20〜20n+1の界面には、酸素原子が含まれる。酸素原子の含量は、後面電極層20に含まれる全体原子に対して、1原子%〜70原子%であってもよく、より具体的には1原子%〜20原子%であってもよい。
後面電極層20の上に光吸収層(または光電変換層)30が配置される。光吸収層30は、透明電極層50とバッファー層40を透過した太陽光の光エネルギーを用いて電子と正孔を生成する。光吸収層30は、CuInSe、CuInSe、CuInGaSe、およびCuInGaSeからなる群より選択されたいずれか一つの黄銅鉱(chalcopyrite)系化合物半導体を含んでもよい。
光吸収層30は、例えば、後面電極層20の上に銅(Cu)とインジウム(In)、または銅(Cu)、インジウム(In)、ガリウム(Ga)をスパッタリングしてプリカーサー層を形成する段階と、プリカーサー層上にセレン(Se)を熱蒸着する段階と、550℃以上の高温で1分以上急速な熱処理を行い、CIS(Cu、In、Se)またはCIGS(Cu、In、Ga、Se)結晶を成長させる段階とを経て製造される。この時、急速な熱処理過程においてセレン(Se)の蒸発を防止するためにSeの一部を硫黄(S)で代替してもよい。かかる構成によれば、光吸収層30のエネルギーバンドギャップが大きくなるため、太陽電池100の開放電圧をより高めることができる。
光吸収層30の上にバッファー層40を配置することができる。バッファー層40は、光吸収層30と透明電極層50とのエネルギーバンドギャップの差を緩和させる機能を果たす。また、バッファー層40は、光吸収層30と透明電極層50との格子定数の差を緩和させることにより光吸収層30および透明電極層50を良好に接合させる。バッファー層40は、カドミウム硫化物(CdS)、亜鉛硫化物(ZnS)、およびインジウム酸化物(In)のうちのいずれか一つを含んでもよい。また、バッファー層40は、必要に応じて省略することが可能である。
バッファー層40の上に透明電極層50が配置される。透明電極層50は、例えば、光透過度に優れたBZO(boron doped zinc oxide)、亜鉛酸化物(ZnO)、インジウム酸化物(In)、インジウム錫酸化物(ITO)などを含む金属酸化物で形成されてもよい。このような透明電極層50は、高い電気伝導度と高い光透過度を有する。また、透明電極層50は、別途のテクスチャリング(texturing)工程により、表面に粗い凹凸が形成されてもよい。さらに、透明電極層50上に反射防止膜(図示せず)が形成されてもよい。透明電極層50表面の凹凸、および反射防止膜は、外光の反射を減らすことによって光吸収層30に向う太陽光の透過効率を高める効果を果たす。
以上、説明したように、本実施形態に係る太陽電池100は、複数の金属柱状晶層20〜20n+1からなる後面電極層20を含む。また、各金属柱状晶層20〜20n+1間の界面には酸素原子が含まれているため、光吸収層30の形成時に行われる熱処理によって、基板10からアルカリ金属元素(特にナトリウム)を光吸収層30内部に効率的に拡散させることができる。また、本実施形態に係る太陽電池は、後面電極層20と基板10との間において、優れた接着力を有する。
次に、図3A〜3Cを参照して本発明の実施形態に係る太陽電池100の後面電極層20の製造方法について説明する。なお、以下で説明する後面電極層20以外の太陽電池100の製造工程の詳細については、当業者にとっては広く知られた内容であるため、ここでの説明は省略する。
図3Aに示すように、基板10上に第1金属柱状晶層20を形成する。第1金属柱状晶層20は、スパッタリング(sputtering)を用いて、モリブデン(Mo)を基板10上に蒸着することによって形成することができる。ここで、モリブデンの蒸着は、例えば、0.05Pa〜5Paの圧力下で行われてもよい。該蒸着は、第1金属柱状晶層20が所定の厚さに到達するまで行われる。第1金属柱状晶層20の厚さは、例えば、20nm〜500nmであってもよく、具体的には、50nm〜100nmであってもよい。第1金属柱状晶層20を形成した後、第1休止期(break time)を設け、所定時間、モリブデンの蒸着を中止する。第1休止期は、例えば、1秒〜1時間であってもよい。
次に、図3Bに示すように、第1金属柱状晶層20上に、第2金属柱状晶層20を形成する。第2金属柱状晶層20の蒸着は、第1金属柱状晶層20と同一の条件で行われる。具体的には、第1金属柱状晶層20と第2金属柱状晶層20の形成工程は、同一のチャンバー内において同一の蒸着条件下で行われる工程であり、両者は第1休止期により区分される。第2金属柱状晶層20の厚さは、例えば、20nm〜500nmであってもよく、具体的には、50nm〜100nmであってもよい。第2金属柱状晶層20を形成した後、第2休止期(break time)を設け、所定時間、モリブデンの蒸着を中止する。第2休止期は、例えば、1秒〜1時間であってもよい。
続いて、図3Cに示すように、第2金属柱状晶層20上に、さらに第3金属柱状晶層20を形成する。第3金属柱状晶層20の形成も、同一のチャンバー内において、同一の蒸着条件下で行われ、それぞれの金属柱状晶層の間に有する休止期により区分される。なお、金属柱状晶層20〜20n+1の個数は、必要に応じて適切に選択することが可能である。例えば、1回〜8回の休止期を有することによって、2層〜9層の金属柱状晶層を形成することができる。
本実施形態では第4金属柱状晶層20まで形成することを例として説明する。具体的には、第2金属柱状晶層20の形成後に所定期間の第2休止期を設けた後、第3金属柱状晶層20を形成する。その後、所定期間の第3休止期を設けた後、第4金属柱状晶層20を形成する。
モリブデンの蒸着中に上記のような休止期を設けることによって、金属柱状晶層20〜20n+1間の界面に酸素原子を含ませることができる。含まれる酸素原子の量は、休止期の長さにより増加または減少し、また、後面電極層20全体に含まれる酸素原子の量は、金属柱状晶層20〜20n+1の界面の個数によっても変化する。ここで、後面電極層20における酸素原子の含量は、後面電極層20に含まれているモリブデン原子に対して、例えば、1原子%〜70原子%であってもよく、より具体的には1原子%〜20原子%であってもよい。
このように、本実施形態によれば、特に工程を追加することなく、後面電極層20の形成時において、モリブデン金属の蒸着工程中に休止期を設けることによって、後面電極層20内に容易に酸素原子を含ませることができる。かかる構成により、後面電極層20内に酸素原子が含まれるため、太陽電池100の製造における熱処理工程時に、基板10内部のアルカリ金属元素(特に、ナトリウム)を効率的に光吸収層30内部に拡散させることができる。したがって、本発明の実施形態に係る太陽電池100は、開放電圧(Voc)を増加させ、効率を向上させることができる。
図4は、本発明の一実施形態に係る太陽電池100の後面電極層20における厚さ方向の原子比をX線光電子分光法(XPS、X−ray Photoelectron Spectroscopy)によって測定した結果を示したグラフである。図4に示すように、モリブデン蒸着工程における休止期に該当する部分で酸素原子の含量が増加していることが分かる。本実施形態では、全体で3回の休止期を設けたため、3ヶ所において酸素原子が導入されている。
また、本実施形態によれば、比較的低い圧力下でモリブデンを蒸着することが可能である。一般に、後面電極層20の形成のために、スパッタリングによってモリブデンを蒸着する場合、基板10との十分な接着力を確保するために、高い圧力下でスパッタリングを行わなければならない。しかし、高い圧力下でモリブデンを蒸着した場合、後面電極層20の残留応力(Residual Stress)特性の悪化、後面電極層20の比抵抗が高くなることによる電極厚さの増加などの様々な問題が発生する。一方、本実施形態に係る太陽電池100は、前述のように低い圧力下でモリブデン金属を蒸着した場合であっても、後面電極層20と基板10間の接着力を確保することが可能であり、上述の問題を回避することができる。
図5Aおよび図5Bは、実施例1および比較例1に係る後面電極層20の断面を走査電子顕微鏡(SEM、scanning electron microscope)で観察した写真である。また、図6は、実施例1および比較例1の後面電極層20に対する剥離強度試験の結果を示したグラフである。
実施例1は、後面電極層20の形成時に、3回の休止期を設けた場合であり、比較例1は、後面電極層の形成時に、休止期を設けずにモリブデンを連続蒸着した場合である。実施例1および比較例1において、モリブデンの蒸着は、休止期の有無を除いては同一の条件下で行われた。具体的には、圧力1.8Pa、スパッタパワー8kWで、スパッタリングを行い、全体電極厚さが約300nmである後面電極層20を形成した。
図5Aに示すように、3回の休止期を設けた実施例の場合、後面電極層20に計4層の金属柱状晶層20〜20が形成されたことが分かる。一方、図5Bに示すように、休止期を設けずに連続蒸着した場合、後面電極層20は柱状晶層の区分がなく、単一の金属層で形成されたことが分かる。
次に、かかる実施例1と比較例1の後面電極層において、剥離強度試験を行った。図6は、実施例1および比較例1の後面電極層に対して剥離強度試験を行った結果である。実施例1および比較例1の後面電極層20に対して、後面電極層20の厚さ方向に圧力を加えて、剥離が発生する地点を評価した。図6に示すように、実施例1で剥離が発生した地点は約13MPaの圧力が加わった場合であり、約7MPaの圧力によって剥離が発生した比較例1に比べて、剥離強度が非常に優れていることが分かる。
また、実施例2、3、4、5および比較例2、3、4、5に対してテープテストを実施した。実施例2、3、4、5は、それぞれ蒸着条件のみを変更し、3回の休止期を設けたことは同一にした条件下で後面電極層20を形成している。比較例2、3、4、5は、実施例2、3、4、5のそれぞれと蒸着条件を同一として、休止期を設けずに連続蒸着して後面電極層を形成している。なお、テープテストでは、完成した後面電極層20の表面に市販の3M接着テープを貼付し、その後、テープを除去し、後面電極層20が一部でも剥離した場合、不合格(X)、後面電極層20が全く剥離しない場合、合格(O)として評価した。実施例2、3、4、5および比較例2、3、4、5の蒸着条件およびテープテスト結果を下記表1に示す。
表1に示すように、実施例2〜5は、スパッタリング条件に関係なく優れた剥離強度を有していることが分かった。すなわち、本発明の実施形態によれば、低いスパッタリング圧力および高いスパッタリングパワーの条件下であってもと基板10の間に優れた接着力を有する後面電極層20を形成することが可能である。
以上説明したように、本発明によれば、簡単な工程により後面電極層内に酸素原子を含ませることができ、また、かかる酸素原子によりアルカリ金属元素を光吸収層内に効果的に拡散させることができる。さらに、本発明によれば、基板と後面電極層間の接着力に優れた太陽電池を得ることができる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
100 太陽電池
10 基板
20 後面電極層
30 光吸収層
40 バッファー層
50 透明電極層

Claims (20)

  1. 基板と、
    基板上に配置され、複数の金属柱状晶層を含む後面電極層と、
    前記後面電極層上に配置される光吸収層と、
    前記光吸収層上に配置される透明電極層と、
    を含む太陽電池。
  2. 前記金属柱状晶層の各々は、モリブデン(Mo)を含む、請求項1に記載の太陽電池。
  3. 前記金属柱状晶層の各々の厚さは、20nm〜500nmである、請求項1または2に記載の太陽電池。
  4. 前記金属柱状晶層の各々の厚さは、50nm〜100nmである、請求項3に記載の太陽電池。
  5. 前記太陽電池は、隣接した2つの前記金属柱状晶層の間に位置する界面をさらに含み、
    前記界面は、酸素原子を含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の太陽電池。
  6. 前記酸素原子の量は、前記後面電極層の原子全体に対して1原子%〜70原子%である、請求項5に記載の太陽電池。
  7. 前記酸素原子の量は、前記後面電極層の原子全体に対して1原子%〜20原子%である、請求項6に記載の太陽電池。
  8. 前記後面電極層は、9つ以下の前記金属柱状晶層を含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載の太陽電池。
  9. 前記光吸収層は、Cu、In、GaおよびSeのうちの少なくとも一つの元素を含む、請求項1〜8のいずれか一項に記載の太陽電池。
  10. 蒸着チャンバー内に基板を配置する段階と、
    複数の金属柱状晶層を含む後面電極層を形成する段階と、
    前記後面電極層上に光吸収層を形成する段階と、
    前記光吸収層上に透明電極層を形成する段階と、
    を含む太陽電池の製造方法。
  11. 前記後面電極層を形成する段階は、
    前記基板上または先に形成された金属柱状晶層上にモリブデンを蒸着することによって、一つの金属柱状晶層を形成する段階と、
    前記一つの金属柱状晶層を形成した後に休止期を設け、前記休止期の後、前記一つの金属柱状晶層上にモリブデンを蒸着して、次の金属柱状晶層を形成する段階と、
    を含む、請求項10に記載の太陽電池の製造方法。
  12. 前記休止期は、1秒〜1時間である、請求項11に記載の太陽電池の製造方法。
  13. 前記休止期の間に、前記後面電極層内に酸素原子が導入される、請求項11または12に記載の太陽電池の製造方法。
  14. 前記後面電極層内に導入される前記酸素原子の量は、前記休止期の長さおよび前記休止期の回数のうちの少なくとも一つに対応して決定される、請求項13に記載の太陽電池の製造方法。
  15. 蒸着チャンバー内に基板を配置する段階と、
    後面電極層を形成する段階と、を含み、
    前記後面電極層を形成する段階は、
    前記基板上にモリブデンを蒸着して第1金属柱状晶層を形成する段階、および
    前記第1金属柱状晶層を形成した後に休止期を設け、前記休止期の後、前記第1金属柱状晶層上にモリブデンを蒸着して前記第1金属柱状晶層上に第2金属柱状晶層を形成する段階を含む、太陽電池の製造方法。
  16. 前記休止期の間に、前記後面電極層内に酸素原子が導入される、請求項15に記載の太陽電池の製造方法。
  17. 前記酸素原子の量は、前記休止期の長さおよび前記休止期の回数のうちの少なくとも一つに対応して決定される、請求項16に記載の太陽電池の製造方法。
  18. 前記休止期は、1秒〜1時間である、請求項15〜17のいずれか一項に記載の太陽電池の製造方法。
  19. 前記モリブデンは、0.05Pa〜5Paの圧力下で蒸着される、請求項15〜18のいずれか一項に記載の太陽電池の製造方法。
  20. 前記モリブデンは、スパッタリングにより蒸着される、請求項15〜19のいずれか一項に記載の太陽電池の製造方法。
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