JP2014503129A - 太陽電池及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明による太陽電池は、支持基板と、前記支持基板上の反射層と、前記反射層上に配置され、前記反射層と同一の物質を含む酸化層と、前記酸化層上の裏面電極層と、前記裏面電極層上の光吸収層と、前記光吸収層上のバッファ層と、前記バッファ層上のウィンドウ層とを含む。
【選択図】図１
【選択図】図１
Description
開示の実施形態は、太陽電池及びその製造方法に関する。
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光発電に関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系光吸収部、バッファ層、ｎ型透明電極層などを含む支持基板構造の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。また、このような太陽電池の効率を増加するため、様々な研究が進行しつつある。
開示の実施形態は、向上した光電変換効率を有する太陽電池及びその製造方法を提供するものである。
本発明による太陽電池は、支持基板と、前記支持基板上の反射層と、前記反射層上に配置され、前記反射層と同一の物質を含む酸化層と、前記酸化層上の裏面電極層と、前記裏面電極層上の光吸収層と、前記光吸収層上のバッファ層と、及び前記バッファ層上のウィンドウ層とを含む。
本発明による太陽電池の製造方法は、金属を含む支持基板上に反射層を形成するステップと、前記反射層の上部を酸化して酸化層を形成するステップと、前記酸化層上に裏面電極層を形成するステップと、前記裏面電極層上に光吸収層を形成するステップと、前記光吸収層上にバッファ層を形成するステップと、前記バッファ層上にウィンドウ層を形成するステップとを含む。
本発明によると、支持基板上に反射層を形成し、前記反射層の上面を酸化して、酸化層を形成する。これにより、信頼性が向上し、向上した光電変換効率を有する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、各支持基板、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よる太陽電池の断面図である。図１を参照すると、実施形態による太陽電池は、支持基板１００と、前記支持基板１００上の反射層２００と、前記反射層２００上の酸化層２５０と、前記酸化層２５０上の裏面電極層３００（後面電極層）と、前記裏面電極層３００上の光吸収層４００と、前記光吸収層４００上のバッファ層５００と、前記バッファ層５００上のウィンドウ層６００とを含む。
前記支持基板１００は、プレート状を有し、前記反射層２００と、酸化層２５０と、裏面電極層３００と、光吸収層４００と、バッファ層５００と、ウィンドウ層６００とを支持する。
前記支持基板１００は、絶縁体であるか、前記支持基板１００は、透明であるか、また、前記支持基板１００は、リジッドであるか、フレキシブルである。
前記支持基板１００は、金属(metal)を含んで形成される。より詳しくは、前記支持基板１００は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒなどの物質を含んで形成され得る。前記支持基板１００は、透明であるか、リジッドであるか、フレキシブルである。
前記支持基板１００が金属を含んで形成される場合、ガラスを含む支持基板に比べて、生産コストが節減されて、経済性の点で有利であるか、フレキシブルであって、可搬性の点で有利である。
しかし、金属を含む支持基板１００を形成する場合、前記支持基板１００に含まれた金属イオンが上部層に拡散されることがあり、これにより、太陽電池の電気的特性が悪化するなどの問題点が発生し得る。
したがって、酸化層２５０を形成することにより、支持基板１００に含まれたイオンが上部に拡散することを防止することができる。すなわち、前記酸化層２５０は、拡散防止層として働くことができる。
また、光吸収層４００を通って支持基板１００に入射する光が、前記反射層２００により、前記光吸収層４００に再反射することがあるので、光電変換効率を向上させることができる。
このような反射層としては、シリコンオキサイド(ＳｉＯｘ)、または、アルミニウム(Ａｌ２Ｏ３)などの物質、又は、異種接合層が使用され得る。
前記反射層２００として、Ｔｉ／ＳｉＯｘなどの異種接合層が使用される場合、Ｔｉを蒸着した後、ＳｉＯｘなどの物質を蒸着するので、工程が増加して、生産性の面で改善の余地がある。
本発明の実施形態では、支持基板１００上に反射層２００を形成し、前記反射層２００を酸化させて酸化層２５０を形成するので、工程の便宜性が増大する。
前記反射層２００は、酸化膜を形成することのできる物質を使用し、例えば、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ネオジウム、ジルコニア、ベリリウム（Ｂｅ）、チタン（Ｔｉ）などの物質を使用することができる。
前記反射層２００は、光吸収層４００を通って支持基板１００の方向に入射する光を、光吸収層４００へ反射して、太陽電池の光電変換効率を増加させる。
前記反射層２００の厚さが１０ｎｍ以下であると、前記光吸収層４００を通った光の反射効率が減少し、５０００ｎｍ以上であると、素子の小型化を具現しにくいので、このような点を考えて、１０ｎｍ乃至５０００ｎｍの厚さで形成するのが望ましい。
前記酸化処理により、前記反射層２００の厚さは、初期厚さに比べて減少する。また、前記酸化処理後の反射層２００及び酸化層２５０の厚さを合わせた値は、前記酸化処理前の反射層２００の厚さよりも大きい値を有することがある。
前記酸化層２５０は、前記支持基板１００に含まれるイオンの、高温での経路を長くし、また、共有結合及びイオン結合をなしている酸化層２５０の特性上、前記支持基板１００に含まれるイオンが、裏面電極層３００以上の上部に拡散することを防止することができる。
前記酸化処理により形成される酸化層２５０の厚さが、前記反射層２００の初期厚さの５％以下に形成されると、前記支持基板１００に含まれるイオンが、裏面電極層３００以上の上部に拡散することを防止する効果が不十分であり、前記反射層２００の初期厚さの８０％以上に形成されると、前記反射層２００の反射効果が減少することがあるので、これを考えて、前記酸化層２５０の厚さは、前記反射層２００の初期厚さの５％乃至８０％の範囲で形成することが望ましい。
前記酸化層２５０の上には、裏面電極層３００が形成される。前記裏面電極層３００は、導電層である。前記裏面電極層３００は、太陽電池のうち、前記光吸収層４００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すようにすることができる。前記裏面電極層３００は、このような機能を果たすために、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、前記裏面電極層３００は、ＣＩＧＳ化合物の形成の際に伴う硫黄（Ｓ）、または、セレニウム（Ｓｅ）の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。
このような裏面電極層３００は、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、及び銅（Ｃｕ）のいずれかで形成される。このうち、特に、モリブデン（Ｍｏ）は、上述した裏面電極層３００に要求される特性を全般的に満たすことができる。
前記裏面電極層３００は、２以上の層を含むことができる。この場合、それぞれの層は、同一の金属で形成されるか、互いに異なる金属で形成される。
前記裏面電極層３００の上には、光吸収層４００が形成される。前記光吸収層４００は、ｐ型半導体化合物を含む。より詳しくは、前記光吸収層４００は、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族係化合物を含む。例えば、前記光吸収層４００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−セレナイド系結晶を有することができる。前記光吸収層４００のエネルギーバンドギャップ（band gap）は、約１ｅＶ乃至１．８ｅＶである。
前記光吸収層４００の上には、バッファ層５００が形成される。本実施形態のように、ＣＩＧＳ化合物を光吸収層４００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６００とがｐｎ接合を形成する。しかし、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。
前記バッファ層５００を形成する物質としては、ＣｄＳ、ＺｎＳなどがあるが、太陽電池の発電効率の面で、ＣｄＳが相対的に優れている。ＣｄＳ薄膜は、ｎ型半導体であり、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）などをドーピングすることで、低い抵抗値を得ることができる。
前記バッファ層５００の上には、ウィンドウ層６００が形成される。前記ウィンドウ層６００は、透明であり、導電層として働くことができる。前記ウィンドウ層６００は、酸化物を含む。例えば、前記ウィンドウ層６００は、酸化亜鉛（zinc oxide）、インジウムスズ酸化物（indium tin oxide；ＩＴＯ）、または、インジウム亜鉛酸化物（indium zinc oxide；ＩＺＯ）などを含むことができる。
また、前記酸化物は、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、前記ウィンドウ層６００は、アルミニウムがドーピングされた酸化亜鉛（Al doped zinc oxide；ＡＺＯ）、または、ガリウムがドーピングされた酸化亜鉛（Ga doped zinc oxide；ＧＺＯ）などを含むことができる。
以上で検討したように、本発明の実施形態によれば、反射層２００により、向上した光電換効率を有する。
また、酸化層２５０により、支持基板１００に含まれたイオンが上層に拡散することを防止して、信頼性の向上した太陽電池を提供することができる。
また、前記酸化層２５０は、反射層２００の上部に酸化処理を施して形成されることで、工程の便宜性が増大し、生産性が向上される。
図２乃至図５は、本発明の施形態による太陽電池の製造方法を示す断面図である。
本実施形態の製造方法に関する説明は、前述した太陽電池に関する説明を参考する。前述した太陽電池に関する説明は、本実施形態の製造方法に関する説明に、本質的に組み合わせることができる。
図２に示しているように、支持基板１００の上に反射層２００が形成される。
前記反射層２００は、スパッタリング（Sputtering）法、または、真空蒸着（Vacuum Evaporation）法で形成することができる。
図３を参照すると、前記反射層２００の上に酸化層２５０が形成される。前記酸化層２５０は、前記反射層２００の上部を酸化処理して形成することができる。すなわち、前記酸化層２５０は、前記反射層２００の酸化物として形成され得る。
前記酸化処理は、ＰＥＯ（plasma-electrolyte oxidization）、または、電着（ＥＤ：electro deposition）の方法を用いることができる。
前記酸化処理により形成される前記酸化層２５０の厚さは、前記反射層２００の厚さの５％乃至８０％範囲で形成することができる。
また、前記酸化処理後の反射層２００と酸化層２５０との厚さを合わせた値は、酸化処理前の反射層２００の厚さよりも大きい値を有することがある。
図４を参照すると、前記酸化層２５０の上に裏面電極層３００が形成される。前記裏面電極層３００は、モリブデンを用いて、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）、または、メッキの方法で形成される。
ついで、前記裏面電極層３００の上に光吸収層４００が形成される。前記光吸収層４００は、例えば、銅、インジウム、ガリウム、セレニウムを、同時又は別々に蒸発させながら、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４００を形成する方法と、金属プリカーサ膜を形成させた後、セレン化（selenization）工程により形成させる方法とが幅広く使われている。
金属プリカーサ膜を形成させた後、セレン化することを詳述すると、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、前記裏面電極層３００の上に金属プリカーサ膜が形成される。
図５を参照すると、前記光吸収層４００の上にバッファ層５００が形成される。前記バッファ層５００は、硫化カドミウムが、スパッタリング工程、または、溶液成長法（chemical bath deposition；ＣＢＤ）などにより蒸着されて形成される。
ついで、前記バッファ層５００の上にウィンドウ層６００が形成される。前記ウィンドウ層６００は、ＣＶＤ工程、または、スパッタリング工程により蒸着されて形成される。
このように、本発明の実施形態によると、反射層２００により、向上した光電変換効率を有する太陽電池を提供することができる。
また、酸化層２５０により、支持基板１００に含まれたイオンが上層に拡散することを防止して、信頼性の向上した太陽電池を提供することができる。
更に、前記反射層２００の上に酸化処理を施すことで、工程の便宜性が増大して、生産性が向上される。
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、本発明を限定するものではなく、本発明が属する分野の通常の知識を有する者であれば、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分かるであろう。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る。そして、このような変形及び応用にかかわる差異点は、添付の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 (10)
- 支持基板と、
前記支持基板上の反射層と、
前記反射層上に配置され、前記反射層と同一の物質を含む酸化層と、
前記酸化層上の裏面電極層と、
前記裏面電極層上の光吸収層と、
前記光吸収層上のバッファ層と、
前記バッファ層上のウィンドウ層とを含むことを特徴とする太陽電池。 - 前記反射層は、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ニオジウム、ジルコニア、チタン（Ｔｉ）、または、ベリリウム（Ｂｅ）の少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
- 前記反射層は、１０ｎｍ乃至５０００ｎｍの厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
- 前記酸化層は、前記反射層の厚さの５％乃至８０％の範囲の厚さを有することを特徴とする請求項３に記載の太陽電池。
- 前記支持基板は、Ｆｅ、Ｎｉ、または、Ｃｒの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
- 前記裏面電極層は、金属物質を含み、複数の層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。
- 金属を含む支持基板の上に反射層を形成するステップと、
前記反射層の上部を酸化させて酸化層を形成するステップと、
前記酸化層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の製造方法。 - 前記酸化層は、前記反射層の上に、ＰＥＯ（plasma-electrolyte oxidization）、または、電着（ＥＤ：electro deposition）の方法を用いて形成されることを特徴とする請求項７に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記反射層は、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、 ニオジウム、ジルコニア、チタン（Ｔｉ）、または、ベリリウム（Ｂｅ）の少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項７に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記酸化層は、前記反射層の厚さの５％乃至８０％の範囲で形成されることを特徴とする請求項７に記載の太陽電池の製造方法。
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