JP4833236B2 - 球形表面を有する太陽電池およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、太陽電池およびその製造方法に関し、より詳しくは、ＰＮ接合層に光を入射させて電力を発生する、特に小型電子製品に好適な太陽電池およびその製造方法に関するものである。
一般的に、太陽電池（Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌ）では、シリコン（Ｓｉｌｉｃｏｎ）等の半導体基板の内部にＰＮ接合層が形成されて、上部および下部に電極が配置されている。このような太陽電池の発電原理は適当なエネルギを有する光が単結晶シリコンまたは非晶質シリコン半導体層に入射すると、入射した光と半導体層との相互作用によって電子と正孔が発生し、半導体層中にＰＮ接合にともなう電界がある場合、電子と正孔がそれぞれｎ型半導体層とｐ型半導体層に拡散し、この時両電極を結線することによって電力を発生できるものである。
このような発電原理の太陽電池が、小型バッテリーとして製作され、携帯用小型電子製品の電源に適用されているが、最近、電子および半導体技術などが急激に進歩するにつれて太陽電池の特性向上と費用節減を中心に活発な研究開発がなされてきている。
以下、関連図を参照して、従来技術による太陽電池の製造工程について詳しく説明すれば次の通りである。
図１〜図４は、従来技術による太陽電池の製造工程を示す断面図である。
まず、図１に示すように、従来技術による太陽電池の製造工程では基板１１０を準備する。次に、準備された基板１１０上に透明な伝導性物質を蒸着させて背面電極層１２０を形成する。
背面電極層１２０を形成した後、図２に示すように、背面電極層１２０上にＮ接合層１３０を蒸着させる。この時、Ｎ接合層１３０は背面電極層１２０の一側端の上面が外部に露出するように形成する。
次に、図３に示すように、形成されたＮ接合層１３０上にＰ接合層１４０を蒸着させることでＰＮ接合層１３０，１４０を完成する。
ＰＮ接合層１３０，１４０を形成した後、図４に示すように、外部に露出した背面電極層１２０の一側端の上面に第１電極１５０を形成し、Ｐ接合層１４０の一側端の上面に第２電極１６０を形成する。
このような方法によって形成された太陽電池は、基板１１０が上部に位置するように装着され、入射する太陽光が透明電極１２０を通過してＮ接合層１３０およびＰ接合層１４０で吸収され、それによって励起された電子が起電力を生じて流れ、この時、第１電極１５０および第２電極１６０を通じて電力を発生する。
しかし、上記のような製造方法によって形成される従来の太陽電池には、次のような問題点があった。
従来技術による太陽電池では、Ｎ接合層１３０およびＰ接合層１４０が板形に形成されることによって表面積が限定されて、光効率を増加させるのに限界があるという問題点がある。
また、従来の太陽電池には、入射する太陽光が基板１１０によって反射したり散乱したりして、Ｎ接合層１３０およびＰ接合層１４０に到達する光に損失が生じることにより、光効率が落ちるという問題点がある。
本発明は、前記の問題点を解決するために為されたものであり、光を効率的に集光して、光効率を向上させることができる太陽電池およびその製造方法を提供することにその目的がある。
上述の目的を達成するための本発明に係わる球形表面を有する太陽電池は、上部に背面電極層が形成された基板と、背面電極層上に背面電極層と直交するように形成された複数の炭素ナノ電極と、複数の炭素ナノ電極を覆う球形に形成された複数のＰ接合層と、Ｐ接合層上に順次積層されたＮ接合層および透明電極層と、背面電極層の一端上部に形成された第１電極と、透明電極層の一端上部に形成された第２電極と、を含む。このような構成からなる太陽電池はＰ接合層、Ｎ接合層および透明電極層が球形に形成されて、入射する太陽光を集光することができ、表面積を増加させて光効率を向上させる効果がある。
この時、基板は、銅箔、アルミ箔、ガラスウェーハまたはシリコンウェーハのうち選択されたいずれか１つから形成するのが好ましく、炭素ナノ電極の高さは３μｍ〜４μｍの範囲とするのが好ましい。
また、球形のＰ接合層は１３μｍ〜１４μｍの範囲の直径を有するように形成し、Ｎ接合層および透明電極層は１５μｍ〜１６μｍの範囲の直径を有するように形成するのが好ましい。
そして、透明電極層はＩＴＯ、ＺｎＯまたはＭｇＦ2のうち選択されたいずれか１つを用いて形成するのが好ましい。
さらに、前述の目的を達成するための本発明に係わる球形表面を有する太陽電池の製造方法は、基板上に背面電極層を形成するステップと、形成された背面電極層上に複数の遷移金属を形成するステップと、複数の遷移金属を背面電極層に垂直な複数の炭素ナノ電極に成長させるステップと、形成された複数の炭素ナノ電極上に、インクジェットプリント工程を用いて、複数の炭素ナノ電極を覆う球形のＰ接合層を複数形成するステップと、球形のＰ接合層上にＮ接合層および透明電極層を順次形成するステップと、背面電極層の一端上部に第１電極を形成するステップと、透明電極層の一端上部に第２電極を形成するステップと、を含む。
この時、基板は銅箔、アルミ箔、ガラスウェーハまたはシリコンウェーハのうち選択されたいずれか１つから形成するのが好ましく、遷移金属は、ＦｅまたはＮｉを用い、電子線蒸着工程によって形成するのが好ましい。
また、炭素ナノ電極は、ＰＥＣＶＤ工程を用いて成長させるのが好ましく、３μｍ〜４μｍの範囲の高さに成長させるのが好ましい。
また、球形のＰ接合層は１３μｍ〜１４μｍの範囲の直径を有するように形成し、Ｎ接合層および透明電極層はインクジェットプリント工程によって形成し、１５μｍ〜１６μｍの範囲の直径を有するように形成するのが好ましい。
そして、透明電極層はＩＴＯ、ＺｎＯまたはＭｇＦ2のうち選択されたいずれか１つを用いて形成するのが好ましい。
本発明に係わる球形の表面を有する太陽電池およびその製造方法によれば、インクジェットプリント工程を用いて炭素ナノ電極上に球形表面を有する複数のＰ接合層とＮ接合層を形成することにより表面積を増加させ太陽光を集光させることによって光効率を向上させることができる効果が得られる。
また、Ｐ接合層およびＮ接合層と透明電極層をインクジェットプリント工程により形成することによって製造工程時間を短縮させることができ、工程を簡素化することができる効果が得られる。
本発明に係わる球形の表面を有する太陽電池の構成と製造方法およびその効果に関する事項は、本発明の好ましい実施形態を示す図面を参照した下記の詳細な説明によって明確に理解できるはずである。
＜実施形態＞
以下、関連図を参照しながら、本発明に係わる太陽電池およびその製造方法についてより詳細に説明すれば次の通りである。
以下、関連図を参照しながら、本発明に係わる太陽電池およびその製造方法についてより詳細に説明すれば次の通りである。
図５は、本発明に係わる球形の表面を有する太陽電池の断面図であり、図６は、図５のＥ部分の拡大図であり、図７〜図１３は本発明に係わる球形の表面を有する太陽電池の製造工程を示す断面図である。
まず、図５に示すように、本発明に係わる球形の表面を有する太陽電池は、基板２１０上に背面電極層２２０が形成され、背面電極層２２０上に球形のＰ接合層２５０、Ｎ接合層２６０および透明電極層２７０が順次積層された構造を有している。
また、太陽電池はＰ接合層２５０内に複数の炭素ナノ電極２４０を形成されており、この炭素ナノ電極２４０は背面電極層２２０の上面に対して垂直に形成されている。
この時、基板２１０はガラスウェーハ（Ｇｌａｓｓ Ｗａｆｅｒ）、銅箔（Ｃｕ Ｆｏｉｌ）、アルミ箔（Ａｌ Ｆｏｉｌ）またはシリコンウェーハ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｗａｆｅｒ）のうち選択されたいずれか１つから形成することが好ましい。
また、球形のＰ接合層２５０は、１３μｍ〜１４μｍの範囲の直径を有するように形成することが好ましい。その理由は、Ｐ接合層２５０の直径を１３μｍ以下のサイズにする場合、表面積が小さくなって光効率の向上作用が制限され、１４μｍ以上のサイズにする場合、太陽電池のサイズが大きくなることによって小型化の要求を満足させられないという問題点があるためである。
そして、炭素ナノ電極２４０は、３μｍ〜４μｍの高さに形成することが好ましい。その理由は、炭素ナノ電極２４０の高さを３μｍ以下に形成する場合、Ｐ接合層２５０の表面との距離が大きくなって光効率が低下し、４μｍ以上の高さに形成する場合、Ｐ接合層２５０の表面から突き出る可能性があるためである。
また、Ｎ接合層２６０および透明電極層２７０は１５μｍ〜１６μｍの範囲の直径を有するように形成することが好ましく、前記透明電極層２７０は透明な伝導性物質であるＩＴＯ、ＺｎＯまたはＭｇＦ2のうち選択されたいずれか１つの物質で形成することが好ましい。
このような構造で形成された本発明に係わる球形の表面を有する太陽電池は、図５のＥ部分を拡大した図６に示すように、Ｐ接合層２５０、Ｎ接合層２６０および透明電極層２７０が球形に形成され、Ｐ接合層２５０の内部に背面電極層２２０から垂直に炭素ナノ電極２４０が形成されている。
これにより、外部から入射する太陽光が球形の表面を有する透明電極層２７０、Ｎ接合層２６０およびＰ接合層２５０を順次通過しながら、図に「Ｆ」で示すようにその内部で屈折して集光するようにされることによって、従来の平面状に形成された太陽電池よりも光効率を向上させることができるという利点が得られる。
また、透明電極層２７０、Ｎ接合層２６０およびＰ接合層２５０が球形に形成されることによって表面積を増加させることができ、炭素ナノ電極２４０を内部に形成することによって背面電極層２２０まで到達しなければならない正孔（＋）を、炭素ナノ電極２４０を用いて伝達することによって光効率を向上させることができるという長所が得られる。
以下、上記のような構成からなる本発明に係わる球形表面を有する太陽電池の製造方法について図７〜図１３を参照して、より詳しく説明すれば次の通りである。
まず、図７に示すように、基板２１０を準備する。この時、基板２１０はガラスウェーハ、銅箔、アルミ箔またはシリコンウェーハのうち選択されたいずれか１つから形成することが好ましい。
次に、準備された基板２１０上に背面電極層２２０を形成する。この時、前記背面電極層２２０は、インクジェットプリンタ３００を用いて所定の直径を有する液滴ａを吐出するインクジェットプリント工程を用いて形成する。
背面電極層２２０を形成した後、背面電極層２２０上に複数の遷移金属２３０を形成する。複数の遷移金属２３０はＦｅまたはＮｉを用いて３ｎｍ〜１０ｎｍの高さに形成し、電子線蒸着（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−Ｂｅａｍ Ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）工程を用いて形成することが好ましい。
次に、遷移金属２３０を成長させて、図９に示すように、複数の炭素ナノ電極２４０を形成する。この時、複数の炭素ナノ電極２４０はＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）工程を用いて形成し、３μｍ〜４μｍの範囲の高さに形成することが好ましい。
複数の炭素ナノ電極２４０を形成した後、図１０に示すように、複数の炭素ナノ電極２４０を覆うように球形のＰ接合層２５０を複数形成する。この時、Ｐ接合層２５０はインクジェットプリント工程を用いて形成する。特に、このインクジェットプリント工程では、１３μｍ〜１４μｍの範囲の直径を有するようにＰ接合層２５０を形成することが好ましく、インクジェットプリント工程に用いられるインクジェットプリンタ３００はインクジェットヘッドのサイズを調節することによって液滴ｂの直径を調節することができる。
また、Ｐ接合層２５０は背面電極層２２０の上面全体を覆うように形成するのではなく、後述する第１電極が形成される領域で背面電極層２２０の一側端の上面を露出するように形成する。
その次に、図１１に示すように、球形に形成された複数のＰ接合層２５０上にインクジェットプリント工程を用いて、球形のＮ接合層２６０を形成する。この時、インクジェットプリント工程では、液滴ｃのサイズを調節して、１５μｍ〜１６μｍの範囲の直径を有するようにＮ接合層２６０を形成する。
Ｎ接合層２６０を形成した後、図１２に示すように、球形のＮ接合層２６０上にインクジェットプリント工程を用いて球形の透明電極層２７０を形成する。この時、透明電極層２７０としては、透明な伝導性物質を用いること好ましく、その物質としては、ＩＴＯ、ＺｎＯまたはＭｇＦ2のうち選択されたいずれか１つの物質を用いることが好ましい。
上記のような方法によって透明電極層２７０を形成した後、背面電極層２２０の一側端の、露出した上面上に第１電極２８０を形成し、透明電極層２７０の一側端の上面に所定のパターンを有する第２電極２９０を形成する。
このように、本発明に係わる球形の表面を有する太陽電池の製造方法は、Ｐ接合層２５０、Ｎ接合層２６０および透明電極層２７０をインクジェットプリント工程を用いて球形に形成することによって表面積を増やすことができ、入射する太陽光を集光させることができるようになり、光効率を向上させることができるという利点を有している。
また、本発明では、従来のフォトリソグラフィ工程より工程が単純なインクジェットプリント工程を用いて太陽電池を製造することによって製造工程を短縮させることができるという効果が得られる。
上述した本発明の好ましい実施形態は、例示の目的のために開示されたものであり、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、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形、及び変更が可能であり、このような置換、変更などは、特許請求の範囲に属するものである。
２１０ 基板
２２０ 背面電極層
２３０ 遷移金属
２４０ 炭素ナノ電極
２５０ Ｐ接合層
２６０ Ｎ接合層
２７０ 透明電極層
２８０ 第１電極
２９０ 第２電極
３００ インクジェットプリンタ
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Claims (10)
- 基板上に背面電極層を形成するステップと、
形成された前記背面電極層上に複数の遷移金属を形成するステップと、
複数の遷移金属を前記背面電極層に垂直な複数の炭素ナノ電極に成長させるステップと、
形成された前記複数の炭素ナノ電極上にインクジェットプリント工程によって、前記複数の炭素ナノ電極を覆う球形のＰ接合層を複数形成するステップと、
前記球形のＰ接合層上にＮ接合層および透明電極層を順次形成するステップと、
前記背面電極層の一端上部に第１電極を形成するステップと、
前記透明電極層の一端上部に第２電極を形成するステップと、
を含む球形表面を有する太陽電池の製造方法。 - 前記基板を、銅箔、アルミ箔、ガラスウェーハまたはシリコンウェーハのうち選択されたいずれか１つから形成することを特徴とする請求項１に記載の球形表面を有する太陽電池の製造方法。
- 前記遷移金属を、ＦｅまたはＮｉで形成することを特徴とする請求項１または２に記載の球形表面を有する太陽電池の製造方法。
- 前記遷移金属を、電子線蒸着工程によって形成することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の球形表面を有する太陽電池の製造方法。
- 前記炭素ナノ電極を、ＰＥＣＶＤ工程によって成長させることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の球形表面を有する太陽電池の製造方法。
- 前記炭素ナノ電極を、３μｍ〜４μｍの範囲の高さに成長させることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の球形表面を有する太陽電池の製造方法。
- 前記球形のＰ接合層を、１３μｍ〜１４μｍの範囲の直径を有するように形成することを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の球形表面を有する太陽電池の製造方法。
- 前記Ｎ接合層および前記透明電極層を、インクジェットプリント工程によって形成することを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の球形表面を有する太陽電池の製造方法。
- 前記Ｎ接合層および前記透明電極層を、１５μｍ〜１６μｍの範囲の直径を有するように形成することを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の球形表面を有する太陽電池の製造方法。
- 前記透明電極層を、ＩＴＯ、ＺｎＯまたはＭｇＦ2のうち選択されたいずれか１つを用いて形成することを特徴とする請求項１から９のいずれか１つに記載の球形表面を有する太陽電池の製造方法。
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