JP2014135486A - 太陽電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】太陽電池の製造方法に関する。
【解決手段】太陽電池の製造方法は、基板に第１電極を形成し、第１電極開口を形成するために前記第１電極の一部分を除去し、前記第１電極開口内および前記第１電極に光吸収層を形成し、そして、前記第１電極と少なくとも前記光吸収層との間に界面反応を起こすように前記基板にレーザビームを供給して、光吸収層開口を形成できるように前記光吸収層の一部分を除去する段階を含む。
【選択図】図４
【解決手段】太陽電池の製造方法は、基板に第１電極を形成し、第１電極開口を形成するために前記第１電極の一部分を除去し、前記第１電極開口内および前記第１電極に光吸収層を形成し、そして、前記第１電極と少なくとも前記光吸収層との間に界面反応を起こすように前記基板にレーザビームを供給して、光吸収層開口を形成できるように前記光吸収層の一部分を除去する段階を含む。
【選択図】図４
Description
本発明は、太陽電池の製造方法に関するものである。
太陽電池をモジュール化するためには、基板上に形成された電極および光吸収層を複数の単位セルに区分し、これらの単位セルを直列に接続させる工程が必要である。
単位セルが個別に分割されかつ、互いに電気的に接続されるためには、電極および光吸収層が適切にパターニングされなければならないが、この時、パターニングは、電極、例えば、基板と光吸収層との間に配置される下部電極に損傷を与えると、完成した太陽電池の特性を低下させることがある。
本発明は、太陽電池を構成する電極および光吸収層をパターニングして太陽電池のモジュールを構成する時、電極の損傷を低減させることができる太陽電池の製造方法を提供する。
本発明の実施形態にかかる太陽電池の製造方法は、基板に第１電極を形成し、第１電極開口を形成するために前記第１電極の一部分を除去し、前記第１電極開口内および前記第１電極に光吸収層を形成し、そして、前記第１電極と少なくとも前記光吸収層との間に界面反応を起こすように前記基板にレーザビームを供給して、光吸収層開口を形成できるように前記光吸収層の一部分を除去する段階を含む。
前記界面反応は、前記光吸収層内のセレン（Ｓｅ）の蒸気化を含むことができる。
前記界面反応は、前記光吸収層内の硫黄（Ｓ）の蒸気化を含むことができる。
前記光吸収層開口内および前記光吸収層に第２電極を形成し、そして、前記第１電極と少なくとも前記光吸収層との間に他の界面反応を起こすように前記基板にレーザビームを供給して、第２電極開口を形成できるように前記第２電極の対応部分と前記光吸収層の他の部分を除去することができる。
前記光吸収層は、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物を含むことができる。
前記光吸収層は、ＣｕＩｎＳｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＩｎＧａＳｅ、またはＣｕＩｎＧａＳｅ２を含むことができる。
前記光吸収層は、硫黄、およびＣｕＩｎＳｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＩｎＧａＳｅ、またはＣｕＩｎＧａＳｅ２のうちの１つを含むことができる。
前記第２電極は、ＢＺＯ、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、またはＩＴＯを含むことができる。
前記第２電極に反射防止膜を形成することができる。
前記第２電極を形成する前に、前記光吸収層にバッファ層を形成することができる。
前記バッファ層は、ＣｄＳ、ＺｎＳ、またはＩｎ２Ｏ３を含むことができる。
前記光吸収層を形成する前に、前記第１電極に中間層を形成することができる。
前記中間層は、ＭｏＳｅ２を含むことができる。
前記レーザビームは、前記中間層のセレンを蒸気化することができる。
前記中間層は、５０Å〜２００Åの範囲の厚さを有することができる。
前記第１電極は、不透明であるとよい。
前記第１電極は、ニッケル、銅、金、またはモリブデンを含むことができる。
本実施形態の太陽電池の製造方法によれば、基板上に複数の単位セルを形成する時、単位セルを構成する電極の損傷を低減しながら、単位セルの分割を均一な状態になすことができ、製造された太陽電池の効率が低下するのを防止することができる。また、同じレーザを用いて他のパターンに対するパターニングを行うことができ、製造コストの低減に有利である。
以下、添付した図面を参考にして、本発明の実施形態について、本発明の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できるように詳細に説明する。本発明は、様々な異なる形態で実現可能であり、ここで説明する実施形態に限定されない。
図１は、本発明の一実施形態にかかる太陽電池の基本構造を示した断面図である。
図１を参照すれば、本実施形態の太陽電池１００は、基板１０と、第１電極（下部電極または不透明電極）２０と、光吸収層３０と、バッファ層４０と、第２電極（上部電極または透明電極）５０とを含む。
本実施形態の太陽電池１００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であるとよい。以下では、光吸収層３０がＣＩＳまたはＣＩＧＳを含む場合を例として説明する。
基板１０は、太陽電池１００の最外郭側（例：一端）に位置する。つまり、基板１０は、光（例：太陽光）が入射する面（例：光が一番最初に当たる面）から最も遠く位置する。基板１０は、板状部材のガラス、セラミック、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上に第１電極２０が位置する。第１電極２０は、光反射効率が高く、基板１０との粘着性に優れた金属で形成されるとよい。例えば、第１電極２０は、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、またはモリブデン（Ｍｏ）を含むことができる。モリブデン（Ｍｏ）は、電気伝導度が高く、光吸収層３０とオーミック接合（ｏｈｍｉｃ ｃｏｎｔａｃｔ）を形成し、光吸収層３０を形成するための高温熱処理過程で高い安定性を実現する。
第１電極２０上に光吸収層（または光電変換層）３０が位置する。光吸収層３０は、第２電極５０および／またはバッファ層４０を経て透過した光エネルギーを利用して電子と正孔を生成する。光吸収層３０は、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物を含むことができる。例えば、光吸収層３０は、ＣｕＩｎＳｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＩｎＧａＳｅ、およびＣｕＩｎＧａＳｅ２からなる群より選択されたいずれか１つのカルコパイライト（ｃｈａｌｃｏｐｙｒｉｔｅ）系化合物半導体を含むことができる。
光吸収層３０は、例えば、（１）第１電極２０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レカーサー層を形成する段階と、（２）プレカーサー層上にセレン（Ｓｅ）を熱蒸着する段階と、（３）５５０℃以上の高温で１分以上急速熱処理して、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とよい。この時、急速熱処理過程において、セレン（Ｓｅ）の蒸発を防止するために、セレン（Ｓｅ）の一部を硫黄（Ｓ）に代替することができる。この場合、光吸収層３０のエネルギーバンドギャップを大きくして、太陽電池１００の開放電圧を高めることができる。
光吸収層３０上にバッファ層４０が位置できる。バッファ層４０は、光吸収層３０と第２電極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、バッファ層４０は、光吸収層３０と上部電極５０との格子定数の差を緩和させて、２つの層３０、５０を良好に接合させる。バッファ層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（Ｉｎ２Ｏ３）のうちのいずれか１つを含むことができる。バッファ層４０は、必要によって省略可能である。
バッファ層４０上に第２電極５０が位置する。第２電極５０は、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（Ｉｎ２Ｏ３）、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）などを含む金属酸化物で形成されるとよい。このような第２電極５０は、高い電気伝導度と高い光透過度を有する。第２電極５０は、別のテクスチャリング（ｔｅｘｔｕｒｉｎｇ）工程によって粗い凸部および／または凹部（例：表面凹凸）を有することができる。他方で、第２電極５０上に反射防止膜（図示せず）がさらに形成（コーティング）されてもよい。第２電極５０の表面凹凸および／または反射防止膜の形成は、外光反射を低減させて、光吸収層３０に向かう太陽光の透過効率を高める機能を果たす。
このように形成される第１電極２０、光吸収層３０、バッファ層４０、および第２電極５０は、基板１０上で複数のセルに区分され、互いに電気的に連結されて太陽電池のモジュールを構成することができる。
以下、本発明の実施形態にかかる太陽電池の製造方法について説明する。
まず、基板１０の一面に、第１電極２０がスパッタリングなどの方法によって所定の厚さに形成され、次に、複数個に分割される。つまり、第１電極２０は、図示しない第１レーザ（Ｌａｓｅｒ１）のような分離手段によって所定の箇所で第１パターニングされ、複数個に分けられる。これにより、第１電極２０と第１電極２０との間には、第１電極開口（例：第１パターン）Ｐ１が形成される（図２参照）。
次に、第１電極２０上に、光吸収層３０と共にバッファ層４０がそれぞれ所定の厚さを維持して形成される。光吸収層３０は、第１電極２０の上部だけでなく、第１電極２０と第１電極２０との間である第１電極開口Ｐ１部位にも満たされる（図３参照）。
次に、光吸収層３０およびバッファ層４０に対する第２パターニングが行われる。本実施形態において、光吸収層３０およびバッファ層４０に対する第２パターニングは、図３に示しているように、光吸収層３０およびバッファ層４０に向かう方向と反対方向の基板１０側から提供される第２レーザ（Ｌａｓｅｒ２）によって行われる。
本実施形態において、このように基板１０側から第２レーザ（Ｌａｓｅｒ２）を用いて光吸収層３０とバッファ層４０を第２パターニングさせると、レーザビームによって第１電極２０がヒーティングされながら、第１電極２０と光吸収層３０との間の界面からセレン（Ｓｅ）および／または硫黄（Ｓ）成分が蒸気化され、この時発生する圧力によって光吸収層３０が第１電極２０から分離（ｌｉｆｔ ｏｆｆ）できるようになる（図４参照）。
このように、本実施形態では、第２パターニング時、レーザビームの熱エネルギーによるセレンの蒸気化を利用してパターニングを行う。ここで、第２パターニングのための第２レーザ（Ｌａｓｅｒ２）は、第１電極２０を損傷させることなく、セレンの蒸気化を誘導できる適正なエネルギーを有するのが良い。
さらに、セレンの蒸気化は、第１電極と光吸収層との間に形成された中間層（例：ＭｏＳｅ２層）を利用することができる。この時、ＭｏＳｅ２層は、５０〜２００Åの厚さを有することができる。
このような界面反応により、第２パターニングは、第１電極２０に対する損傷を与えることなく実施可能であり、第１電極２０上に残り得る光吸収層３０の残留を防止することができる。
これにより、光吸収層３０とバッファ層４０は、図５に示しているように、所定の箇所で形成された第２パターンＰ２によって複数個に分離できる。
次に、バッファ層４０上には、第２電極５０が所定の厚さを有して形成される。第２電極５０は、バッファ層４０の上面だけでなく、光吸収層３０／バッファ層４０と光吸収層３０／バッファ層４０との間である光吸収層開口（例：第２パターン）Ｐ２部位にも満たされる（図６参照）。
次に、光吸収層３０、バッファ層４０、および第２電極５０に対する第３パターニングが行われる。本実施形態において、この第３パターニングも、第２パターニングと同様に、図６に示しているように、基板１０側から提供される第３レーザ（Ｌａｓｅｒ３）によって行われる。第３パターニングのための第３レーザ（Ｌａｓｅｒ３）は、第２パターニングのための第２レーザ（Ｌａｓｅｒ２）と同じレーザが使用されるとよい。
この第３レーザ（Ｌａｓｅｒ３）の照射によって、第３パターニング部位の第１電極２０と光吸収層３０との界面にも、前記第２パターニング時と同様の界面反応が起こって光吸収層３０が第１電極２０から分離（ｌｉｆｔ ｏｆｆ）され、これと共に、光吸収層３０、バッファ層４０、および第２電極５０が除去されながら、基板１０上において前記第１電極開口Ｐ１および前記光吸収層開口Ｐ２と異なる位置には第２電極開口（例：第３パターン）Ｐ３が形成される（図７参照）。
図８は、本発明の実施形態にかかる第３パターンを示すイメージであり、図９は、その比較例による第３パターンのイメージである。比較例は、基板側でない上部電極からカッティングヒールやナイフなどの機械的な器具物を用いて第３パターンを形成した場合である。
２つのイメージから明らかなように、本発明の実施形態（図８）が、比較例（図９）に比べて、パターニングされたパターンの両周縁を滑らかに形成していることが分かる。さらに、下部電極に損傷を与えることなく、この下部電極上に何らかの膜が残留しないようにすることを確認することができた。
このような一連の工程を経て、基板１０上には、太陽電池のための複数の単位セルが直列状態で電気的に接続された構造が備えられる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明および添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり、これも本発明の範囲に属することは当然である。
１００：太陽電池
１０：基板
２０：第１電極
３０：光吸収層
４０：バッファ層
５０：第２電極
１０：基板
２０：第１電極
３０：光吸収層
４０：バッファ層
５０：第２電極
Claims (17)
- 基板に第１電極を形成し、
第１電極開口を形成するために前記第１電極の一部分を除去し、
前記第１電極開口内および前記第１電極に光吸収層を形成し、そして、
前記第１電極と少なくとも前記光吸収層との間に界面反応を起こすように前記基板にレーザビームを供給して、光吸収層開口を形成できるように前記光吸収層の一部分を除去する段階を含むことを特徴とする太陽電池の製造方法。 - 前記界面反応は、前記光吸収層内のセレンの蒸気化を含むことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記界面反応は、前記光吸収層内の硫黄の蒸気化を含むことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記光吸収層開口内および前記光吸収層に第２電極を形成し、そして、
前記第１電極と少なくとも前記光吸収層との間に他の界面反応を起こすように前記基板にレーザビームを供給して、第２電極開口を形成できるように前記第２電極の対応部分と前記光吸収層の他の部分を除去する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の製造方法。 - 前記光吸収層は、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物を含むことを特徴とする請求項４に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記光吸収層は、ＣｕＩｎＳｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＩｎＧａＳｅ、またはＣｕＩｎＧａＳｅ２を含むことを特徴とする請求項４に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記光吸収層は、硫黄、およびＣｕＩｎＳｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＩｎＧａＳｅ、またはＣｕＩｎＧａＳｅ２のうちの１つを含むことを特徴とする請求項４に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記第２電極は、ＢＺＯ、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、またはＩＴＯを含むことを特徴とする請求項４に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記第２電極に反射防止膜を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記第２電極を形成する前に、前記光吸収層にバッファ層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記バッファ層は、ＣｄＳ、ＺｎＳ、またはＩｎ２Ｏ３を含むことを特徴とする請求項１０に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記光吸収層を形成する前に、前記第１電極に中間層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記中間層は、ＭｏＳｅ２を含むことを特徴とする請求項１２に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記レーザビームは、前記中間層のセレンを蒸気化させることを特徴とする請求項１３に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記中間層は、５０Å〜２００Åの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項１２に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記第１電極は、不透明であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記第１電極は、ニッケル、銅、金、またはモリブデンを含むことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
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