JP2014503125A - 太陽電池及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
太陽電池及びその製造方法が開示される。太陽電池は、基板、上記基板の上に配置される裏面電極層、上記裏面電極層の上に配置される光吸収層、上記光吸収層の上に配置される第１バッファ層、及び上記第１バッファ層の上に配置されるウィンドウ層を含み、上記第１バッファ層は（ＡｘＺｎ１−ｘ）０（０≦ｘ≦１）の化学式で形成され、 上記Ａは金属元素を含む。
【選択図】図１
【選択図】図１
Description
本発明は、太陽電池及びその製造方法に関するものである。
最近、エネルギーの需要が増加するにつれて、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換させる太陽電池に対する開発が進められている。
特に、ガラス基板、金属後面電極層、ｐ型ＣＩＧＳ系光吸収層、高抵抗バッファ層、ｎ型ウィンドウ層などを含む基板構造のｐｎヘテロ接合装置であるＣＩＧＳ系太陽電池が広く使われている。
このような太陽電池において、低い抵抗、高い透過率などの電気的な特性を向上させるための研究が進められている。
本発明の目的は、向上した効率を有し、高い生産性を有する太陽電池を提供することにある。
一実施形態に従う太陽電池は、基板、上記基板の上に配置される裏面電極層、上記裏面電極層の上に配置される光吸収層、上記光吸収層の上に配置される第１バッファ層、及び上記第１バッファ層の上に配置されるウィンドウ層を含み、上記第１バッファ層は（ＡｘＺｎ１−ｘ）０（０≦ｘ≦１）の化学式で形成され、上記Ａは金属元素を含む。
一実施形態に従う太陽電池製造方法は、上記基板の上に裏面電極層を形成するステップ、上記裏面電極層の上に光吸収層を形成するステップ、上記光吸収層の上に（ＡｘＺｎ１−ｘ）０（０≦ｘ≦１）の化学式（Ａは金属元素）を有するバッファ層を形成するステップ、及び上記バッファ層の上にウィンドウ層を形成するステップを含む。
本発明によれば、カドミウムを含まないバッファ層によって環境汚染の問題が改善された太陽電池を提供することができる。
そして、バッファ層とウィンドウ層が同一なＰＶＤ工程で形成されるので、工程が連続的に進行されて生産性が向上した太陽電池を提供することができる。
また、亜鉛を含むバッファ層によって透過率が増加して短絡電流密度（short circuit currrent）が増加して光−電変換効率が向上した太陽電池を提供することができる。
本発明を説明するに当たって、各基板、層、膜、または電極などが、各基板、層、膜、または電極などの“上（on）”に、または“下（under）”に形成されることと記載される場合において、“上（on）”と“下（under）”は、“直接（directly）”または“他の構成要素を介して（indirectly）”形成されることを全て含む。また、各構成要素の上または下に対する基準は、図面を基準として説明する。図面において、各構成要素のサイズは説明のために誇張することがあり、実際に適用されるサイズを意味するものではない。
図１は、本発明の実施形態に従う太陽電池を示す断面図である。図１を参照すると、太陽電池パネルは、支持基板１００、裏面電極層２００、光吸収層３００、バッファ層４００、及びウィンドウ層５００を含む。
上記支持基板１００はプレート形状を有し、上記裏面電極層２００、上記光吸収層３００、上記バッファ層４００、及び上記ウィンドウ層５００を支持する。
上記支持基板１００は絶縁体でありうる。上記支持基板１００は、ガラス、ポリマー、または金属を含むことができる。より詳しくは、上記支持基板１００はソーダライムガラス（soda lime glass）基板でありうる。
上記支持基板１００がソーダライムガラスで使われる場合、ソーダライムガラスに含まれたナトリウム（Ｎａ）が太陽電池の製造工程中にＣＩＧＳで形成された光吸収層３００に拡散できるが、これによって光吸収層３００の電荷濃度が増加するようになる。これは、太陽電池の光電変換効率を増加させる要因となることができる。
その他、支持基板１００の材質にアルミナのようなセラミック基板、ステンレススチール、柔軟性のある高分子などが使用できる。上記支持基板１００は透明であり、リジッドであるか、フレキシブルであることができる。
上記裏面電極層２００は上記支持基板１００の上に配置される。上記裏面電極層２００は導電層である。上記裏面電極層２００は太陽電池のうち、上記光吸収層３００で生成された電荷が移動するようにして太陽電池の外部に電流を流れるようにすることができる。上記裏面電極層２００はこのような機能を遂行するために電気伝導度が高く、比抵抗が小さくなければならない。
また、上記裏面電極層２００は光吸収層３００を形成するＣＩＧＳ化合物と接触するので、光吸収層３００と裏面電極層２００は接触抵抗値の小さい抵抗性接触（ohmic contact）にならなければならない。
また、上記裏面電極層２００はＣＩＧＳ化合物の形成時に伴われる硫黄（Ｓ）またはセレニウム（Ｓｅ）雰囲気下での熱処理時、高温安定性が維持されなければならない。また、上記裏面電極層２００は熱膨張係数の差によって上記支持基板１００と剥離現象が発生しないように上記支持基板１００と接着性が優れなければならない。
このような裏面電極層２００は、モリブデン（Ｍｏ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、及び銅（Ｃｕ）のうちのいずれか１つで形成される。その中で、特にモリブデン（Ｍｏ）は他の元素に比べて上記支持基板１００と熱膨張係数の差が少ないため、接着性が優れて剥離現象が発生することを防止することができ、前述した裏面電極層２００に要求される特性を全般的に満たすことができる。
上記裏面電極層２００は２つ以上の層を含むことができる。この際、各々の層は同一な金属で形成されたり、互いに異なる金属で形成される。
上記裏面電極層２００の上には光吸収層３００が形成される。上記光吸収層３００はｐ型半導体化合物を含む。より詳しくは、上記光吸収層３００はＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族系化合物を含む。例えば、上記光吸収層３００は銅−インジウム−ガリウム−セレナイド系（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２；ＣＩＧＳ系）結晶構造、銅−インジウム−セレナイド系、または銅−ガリウム−セレナイド系結晶構造を有することができる。
上記光吸収層３００のエネルギーバンドギャップ（band gap）は約１．１ｅＶ乃至約１．２ｅＶでありうる。
バッファ層４００は上記光吸収層３００の上に配置される。ＣＩＧＳ化合物を光吸収層３００として有する太陽電池は、ｐ型半導体であるＣＩＧＳ化合物薄膜とｎ型半導体であるウィンドウ層５００の薄膜の間にｐｎ接合を形成する。しかしながら、２つの物質は格子定数とバンドギャップエネルギーの差が大きいため、良好な接合を形成するためにはバンドギャップが２つの物質の中間に位置するバッファ層が必要である。
バッファ層４００を形成する物質には、ＣｄＳ、ＺｎＳなどがあり、太陽電池の発電効率の面でＣｄＳが相対的に優れるが、カドミウムを含むバッファ層は環境汚染の問題がある。本発明ではこれを考慮してＣｄＳバッファ層の代りに亜鉛（Ｚｎ）を含む有機金属化合物でバッファ層を形成した。
本発明のバッファ層４００は（ＡｘＺｎ１−ｘ）０（０≦ｘ≦１）の物質で形成され、Ａは２族元素で構成されることができる。実施形態では、ＭｇＺｎＯでバッファ層を形成したが、その他に亜鉛を含む化合物で形成されることができ、マグネシウムの代わりにＣａ、Ｓｒなどの元素を使用して形成することができる。
上記バッファ層４００の化学式において、ｘは０．１乃至０．５の値を有することができる。上記バッファ層４００のエネルギーバンドギャップは約３．３ｅＶ乃至約３．６ｅＶであり、約１０ｎｍ乃至約１００ｎｍの厚さで形成できる。
上記光吸収層３００とバッファ層４００とが接する領域には亜鉛拡散層３５０が形成される。上記亜鉛拡散層３５０は上記バッファ層４００の形成時に含まれる亜鉛が上記光吸収層３００に拡散されて形成され、例えばＣＩＧＳ：Ｚｎの化学式で形成される。
上記亜鉛拡散層３５０は１０ｎｍ乃至１００ｎｍの厚さで形成される。上記亜鉛拡散層３５０はｎ型半導体で形成される。ｎ型半導体である上記バッファ層４００と亜鉛拡散層３５０は同種接合（Homo-Junction）を形成するので、上記光吸収層３００と上記バッファ層４００との境界面でのキャリア再結合を減少させることができるので、太陽電池の電気的特性を向上させることができる。
上記亜鉛拡散層３５０のエネルギーバンドギャップは約２．４ｅＶ乃至約２．８ｅＶの範囲に形成される。
上記ウィンドウ層５００は上記バッファ層４００の上に配置される。上記ウィンドウ層５００は透明で、導電層である。また、上記ウィンドウ層５００の抵抗は上記裏面電極層２００の抵抗より高い。
上記ウィンドウ層５００は酸化物を含む。例えば、上記ウィンドウ層５００はジンクオキサイド（zinc oxide）、インジウムチンオキサイド（induim tin oxide；ＩＴＯ）、またはインジウムジンクオキサイド（induim zinc oxide；ＩＺＯ）などを含むことができる。
本実施形態では上記ウィンドウ層５００がガリウムドーピングされたジンクオキサイド（ＺｎＯ：Ｇａ）で形成された場合を例として説明する。上記ＺｎＯ：ＧａでＧａの質量比は約０．１％以上約３％以下の割合で形成される。これは、上記バッファ層４００よりエネルギーバンドギャップを高く形成するためのものであって、上記ウィンドウ層５００のエネルギーバンドギャップは約３．６ｅＶ乃至約３．８ｅＶでありうる。
また、上記酸化物は、アルミニウム（Ａｌ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、マグネシウム（Ｍｇ）、またはガリウム（Ｇａ）などの導電性不純物を含むことができる。より詳しくは、上記ウィンドウ層５００はアルミニウムドーピングされたジンクオキサイド（Al doped zinc oxide；ＡＺＯ）、またはガリウムドーピングされたジンクオキサイド（Ga doped zinc oxide；ＧＺＯ）などを含むことができる。
本発明の実施形態に従う太陽電池によれば、カドミウムを含まないバッファ層を形成することによって環境汚染の問題を減少させることができ、バッファ層が亜鉛を含むので透過率が増加して短絡電流密度（Ｊｓｃ）が増加することができる。
また、バッファ層とウィンドウ層が同一なＰＶＤ工程で形成されるので、工程が連続的に進行されて生産性が向上できる。
図２乃至図５は、本発明の実施形態に従う太陽電池の製造方法を示す断面図である。本製造方法に関する説明は前述した太陽電池に対する説明を参考する。前述した太陽電池に対する説明は本製造方法に関する説明に本質的に結合できる。
図２を参照すると、支持基板１００の上に裏面電極層２００が形成される。上記裏面電極層２００はモリブデンを使用して蒸着できる。上記裏面電極層２００はＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）またはメッキの方法により形成される。
また、上記支持基板１００及び裏面電極層２００の間に拡散防止膜などの追加的な層が介される。
図３を参照すると、上記裏面電極層２００の上に光吸収層３００が形成される。
上記光吸収層３００は、例えば、銅、インジウム、ガリウム、セレニウムを同時または区分して蒸発させながら銅−インジウム−ガリウム−セレナイド系（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２；ＣＩＧＳ系）の光吸収層３００を形成する方法と、金属前駆体膜を形成させた後、セレン化（Selenization）工程により形成させる方法が幅広く使われている。
金属前駆体膜を形成させた後にセレン化することを細分化すれば、銅ターゲット、インジウムターゲット、ガリウムターゲットを使用するスパッタリング工程により上記裏面電極層２００の上に金属前駆体膜が形成される。
以後、上記金属前駆体膜はセレン化（selenization）工程により銅−インジウム−ガリウム−セレナイド系（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２；ＣＩＧＳ系）の光吸収層３００が形成される。これとは異なり、上記銅ターゲット、インジウムターゲット、ガリウムターゲットを使用するスパッタリング工程及び上記セレン化工程は同時に進行できる。
これとは異なり、銅ターゲット及びインジウムターゲットのみを使用したり、銅ターゲット及びガリウムターゲットを使用するスパッタリング工程及びセレン化工程によりＣＩＳ系またはＣＩＧ系光吸収層３００が形成できる。
図４を参照すると、上記光吸収層３００の上にバッファ層４００が形成される。上記バッファ層４００は亜鉛を含んで形成され、本実施形態ではマグネシウムと酸素を含む有機金属化合物であるＭｇＺｎＯで形成されたが、マグネシウムの他に、Ｃａ、Ｓｒの２族元素を含んで形成できる。上記バッファ層４００は、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）の方法により形成されることができ、約１０ｎｍ乃至約１００ｎｍの厚さで形成されることができる。
上記バッファ層４００に含まれる亜鉛が上記光吸収層３００に拡散されて亜鉛拡散層３５０が形成されることもできる。上記亜鉛拡散層３５０は上記光吸収層３００と上記バッファ層４００との間のバンドギャップを有するように形成されることができ、例えば、約２．２ｅＶ乃至約２．８ｅＶのバンドギャップを有するように形成できる。
図５を参照すると、上記バッファ層４００の上にウィンドウ層５００が形成される。上記ウィンドウ層５００は上記バッファ層４００の上部に透明な導電物質が蒸着して形成される。
このように、実施形態によってカドミウムを含まないバッファ層によって環境汚染の問題が改善された太陽電池を提供することができる。
そして、バッファ層とウィンドウ層が同一な真空工程で形成されるので、工程が連続的に進行されて生産性が向上した太陽電池を提供することができる。
また、亜鉛を含むバッファ層によって透過率が増加して短絡電流密度（short circuit currrent）が増加して光−電変換効率が向上した太陽電池を提供することができる。
以上、実施形態に説明された特徴、構造、効果などは、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれ、必ず１つの実施形態のみに限定されるものではない。延いては、各実施形態で例示された特徴、構造、効果などは、実施形態が属する分野の通常の知識を有する者により他の実施形態に対しても組合または変形されて実施可能である。したがって、このような組合と変形に関連した内容は本発明の範囲に含まれることと解釈されるべきである。
以上、本発明を好ましい実施形態をもとに説明したが、これは単なる例示であり、本発明を限定するのでない。本発明の本質的な特性を逸脱しない範囲内で、多様な変形及び応用が可能であることが同業者にとって明らかである。例えば、実施形態に具体的に表れた各構成要素は変形して実施することができ、このような変形及び応用にかかわる差異点も、特許請求の範囲で規定する本発明の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。
Claims (14)
- 基板と、
前記基板の上に配置される裏面電極層と、
前記裏面電極層の上に配置される光吸収層と、
前記光吸収層の上に配置されるバッファ層と、
前記バッファ層の上に配置されるウィンドウ層と、を含み、
前記バッファ層は（ＡｘＺｎ１−ｘ）０（０≦ｘ≦１）の化学式で形成され、前記Ａは金属元素を含むことを特徴とする、太陽電池。 - 前記バッファ層のＡは２族元素を含むことを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
- 前記バッファ層のＡはＭｇであることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
- 前記ｘは約０．１乃至約０．５の値を有することを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
- 前記バッファ層のバンドギャップは約３．３ｅＶ乃至約３．６ｅＶの値を有することを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
- 前記バッファ層は約１０ｎｍ乃至約１００ｎｍの厚さで形成されることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
- 前記バッファ層と接する光吸収層領域に形成された亜鉛拡散層を含むことを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
- 前記亜鉛拡散層は約２．２ｅＶ乃至約２．８ｅＶのバンドギャップを有することを特徴とする、請求項７に記載の太陽電池。
- 前記亜鉛拡散層は約１０乃至約１００ｎｍの厚さで形成されることを特徴とする、請求項７に記載の太陽電池。
- 前記基板は、ガラス、ポリマー金属のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
- 前記基板の上に裏面電極層を形成するステップと、
前記裏面電極層の上に光吸収層を形成するステップと、
前記光吸収層の上に（ＡｘＺｎ１−ｘ）０（０≦ｘ≦１）の化学式（Ａは金属元素）を有するバッファ層を形成するステップと、
前記バッファ層の上にウィンドウ層を形成するステップと、
を含むことを特徴とする、太陽電池製造方法。 - 前記バッファ層はＰＶＤにより形成されることを特徴とする、請求項１１に記載の太陽電池製造方法。
- 前記ｘは約０．１乃至約０．５の値を有することを特徴とする、請求項１１に記載の太陽電池製造方法。
- 前記ウィンドウ層はＰＶＤ工程で形成されることを特徴とする、請求項１１に記載の太陽電池製造方法。
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