JP5346121B2 - 薄膜太陽電池構造の製造方法及び薄膜太陽電池アレイ - Google Patents
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Description
本発明は太陽電池製造の分野に関し、特に、新型、高効率、低コストの薄膜太陽電池構造の製造方法及び薄膜太陽電池アレイに関する。
薄膜太陽電池とは、その名前が示すように、1層の薄膜が太陽電池として製造されたものである。薄膜太陽電池は、使用する半導体材料が極めて少ないので、低コスト化を実現しやすい。また、薄膜太陽電池は、高効率のエネルギー製品だけではなく、新型の建築材として、建築物との完璧な結合をより容易に実現できる。世界市場でのシリコン素材の供給不足が持続している背景の下に、薄膜太陽電池は既に国際光起電力市場の発展の新たなトレンド及び新たな話題になってくる。現在では、大規模産業化されている薄膜電池は、主に薄膜シリコン太陽電池、CIGS薄膜太陽電池、テルル化カドミウム薄膜太陽電池という3つの種類がある。薄膜太陽電池は用材が少なく、技術が簡単で、エネルギー消費が低く、コスト面において優位に立つので、急速に発達している。
図1、2は、従来技術の薄膜太陽電池構造及び太陽エネルギーを電気エネルギーに変換することを示す略図である。図1に示すように、従来技術では、ウェハの厚さ方向に形成された薄膜太陽電池構造200は、その電極230が夫々電池基板210の両側にあり、両電極230の間の領域が入光領域220であり、電池基板200内がPN接合である。図2は図1に示す薄膜太陽電池構造200のAA’方向の図である。図2に示すように、電池基板210にて受光した後、PN接合においては、N型半導体の正孔240がP型領域へ移動し、P型領域における電子241がN型領域へ移動することにより、N型領域からP型領域への電流が形成される。それから、PN接合において電位差が形成され、このように、電源は形成される。
図1、2を参照すると、このような構造の薄膜太陽電池は、その電極230の面積が小さく、抵抗が大きい。太陽エネルギーの吸収面積を増加させるために、入光領域220の面積を大きくする必要があるが、2つの電極230の間の距離が入光領域220の幅と同じである（一般的に0.5mmより大きい）ため、2つの電極230の間の再結合領域260が大きくなり、ボディ電流及び表面再結合電流が過大になり、発電効率が低下する。また、従来の太陽電池構造の投資コストが高いということも、薄膜太陽電池の普及及び応用に影響を与えている。
本発明は、少なくとも前記技術課題の1つを解決し、特に2つの電極の間の再結合領域が大きくなり、発電効率が低下する、という課題を解決することを目的とする。
前記目的を達するために、本発明は、薄膜太陽電池構造の製造方法を提供する。前記方法は、第１の表面及び該第１の表面に対向する第２の表面を備える第１の導電型の半導体基材を用意するステップと、前記第１の表面から半導体基材をエッチングして少なくとも２つの第１の溝を形成し、前記第２の表面から半導体基材をエッチングして、隣り合う２つの前記第１の溝の間に位置する第２の溝を少なくとも１つ形成することとし、前記第１の溝及び第２の溝の間にある前記半導体基材の残部が薄膜太陽電池構造の半導体基板を形成し、隣り合う半導体基板は複数の屈曲可能な絶縁層により接続されるステップと、少なくとも前記第１の溝の側壁に第１の構造を形成するステップと、少なくとも前記第２の溝の側壁に第２の構造を形成するステップと、前記半導体基材を、切断するか又は引き伸ばして、前記第１の構造、第２の構造又はその組合せを薄膜太陽電池構造の入光面とするように薄膜太陽電池構造を形成するステップとを含む。
また、本発明は薄膜太陽電池構造を提供する。前記構造は、第3の表面及びそれに対向する第4の表面を備える第1の導電型の半導体基板と、前記半導体基板の第3の表面上に位置する第1の構造、及び第4の表面上に位置する第2の構造と、前記半導体基板の両側に位置する側壁部とを有し、前記第1構造、第2の構造、又はその組合せは太陽電池構造の入光面として形成されている。
また、本発明は薄膜太陽電池アレイを提供する。薄膜太陽電池アレイは、前記薄膜太陽電池構造を複数備え、前記薄膜太陽電池構造が二つずつ並列接続されている。
さらに、本発明は薄膜太陽電池アレイを提供する。前記アレイは、第3の表面及びそれに対向する第4の表面を備える第1の導電型の半導体基板を有する複数の薄膜太陽電池構造と、隣り合う基板の対向する2つの表面上に形成され、前記隣り合う基板を接続する複数の屈曲可能な絶縁層と、前記複数の屈曲可能な絶縁層に整合した複数の第1の導電層及び第2の導電層とを有し、前記半導体基板は、前記第3の表面上に位置する第1の構造と、前記第4の表面上に位置する第2の構造とを備え、前記第1の構造は、少なくとも、第2の導電型の第1の半導体層及び第1の電極層を備え、前記第2の構造は少なくとも第2の電極層を備え、前記第2の導電型は第1の導電型と異なり、前記第1の構造、第2の構造又はその組み合わせは前記薄膜太陽電池構造の入光面として形成されており、前記第1の導電層及び第2の導電層は絶縁層の両側に位置し、前記第1の導電層は隣り合う2つの薄膜太陽電池構造の第1の電極層を接続し、前記第2の導電層は隣り合う2つの薄膜太陽電池構造の第2の電極層を接続する。
本発明の製造方法によれば、基材（又はウェハ）の厚さを有効に利用し、電極の有効な面積を増加させると共に、電極と入光面とを同一側に設置して、再結合距離を有効に減少させ、電極の間の距離を短縮し、キャリアの再結合電流を減少させ、発電の効率を向上させることができる。本発明の電池構造は、半導体基板の側壁に絶縁層が形成されているため、キャリアの側壁部分での再結合を減少させ、発電効率を更に向上させるとともに、絶縁層上に電極と接続する導電層を形成し、導電層を隔離することにより、両電極の可能な短絡を防止し、導電層にて電池アレイにおける各構造間の並列接続を実現し、接続抵抗を減少させ、発電効率を向上させることができる。
本発明の付加的な面及び利点は、以下のように説明され、一部が下記の説明により明らかとなり、又は本発明の実施により知られるようになる。
本発明の前記及び/又は他の特徴及び利点は、図面を参照する以下の実施例に対する説明から明らかとなり、理解し易くなる。
従来技術の薄膜太陽電池構造の略図である。
図1に示す薄膜太陽電池構造のAA’方向の図である。
本発明の実施例に係る薄膜太陽電池構造の製造方法を説明するためのフローチャートである。
本発明の実施例に係る薄膜太陽電池構造の製造段階の断面図である。
本発明の実施例に係る薄膜太陽電池構造の製造段階の断面図である。
本発明の実施例に係る薄膜太陽電池構造の製造段階の断面図である。
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本発明の実施例に係る薄膜太陽電池構造の製造段階の断面図である。
本発明の実施例に係る太陽電池の構造及びその動作原理を説明するための図である。
以下、本発明の実施例について詳しく説明する。前記実施例の例は図面に示され、最初から最後まで同一若しくは類似的な符号で、同一若しくは類似的な素子、又は同一若しくは類似的な機能を有する素子を示している。下記の図面を参照して説明する実施例は、例示的であり、本発明を解釈するためのものであり、本発明を制限するものではない。
本発明は主に基材の厚さを利用して、基材の厚さの方向に平行な平面に電極を形成するとともに、太陽電池の電極と入光面とを同一側に設置することにより、再結合距離を有効に短くさせ、電極の間の距離を短くさせ、ボディ再結合電流を減少させ、発電効率を向上させることができる。また、本発明の構造は電池基板の両側に絶縁層を有し、キャリアの側面での再結合を更に減少させ、発電効率を向上させることができる。
図3は、本発明の実施例の薄膜太陽電池構造を形成する方法を説明するためのフローチャートであり、下記のスッテプを含む。
ステップS301では、半導体基材101を用意する。図4、5に示すように、前記半導体基材101は、第1の導電型であり、第1の表面101-1と、それに対向する第2の表面101-2とを備える。本発明の1つの実施例では、半導体基材101は単結晶シリコン、単結晶ゲルマニウム、又は単結晶ゲルマニウムシリコンである。好ましくは、表面101-1、101-2の結晶方向が｛110｝又は{112}であり、第1の表面及び第2の表面に垂直な半導体基材101の厚さ方向の結晶方向が｛111｝である。他の実施例では、半導体基材101は多結晶シリコン(多結晶Si)、多結晶ゲルマニウム(多結晶Ge)、多結晶シリコンゲルマニウム(多結晶SiGe)、III- V若しくはII-VI化合物半導体、又はその組合せであってもよい。前記半導体基材101は、第1の導電型であり、前記第1の導電型はp型ドーピング又はn型ドーピングであってもよく、本発明の1つの実施例では、p型ウェハ又はn型ウェハを選択してもよいが、他の実施例では、必要に応じて、半導体基材に対してドーピングを行うことにより形成されるものであってもよい。前記半導体基材の厚さは0.2〜3mmであってもよい。
ステップS302では、前記第1の表面101-1から半導体基材101をエッチングして少なくとも2つの第1の溝123を形成し、前記第2の表面101-2から半導体基材101をエッチングして少なくとも1つの第2の溝124を形成する。前記第2の溝124夫々は、図9に示すように、隣り合う2つの前記第1の溝123の間に位置している。本発明の1つの実施例におけるステップは、図4〜9に示されている。
具体的には、先ず、図4（平面図）及び図5（AA’方向図）に示すように、半導体基材101の第1の表面101-1、第2の表面101-2及び側面に、例えば窒化物層の絶縁層100を形成する。該実施例では、前記絶縁層100は窒化物材料であり、エッチング停止層及び絶縁層の作用を有している。次に、絶縁層100上に、パターン化されたフォトレジスト110（又は光レジスト）を形成する。前記フォトレジスト110のパターンは、エッチングすべき少なくとも2つの第1の溝に対応する。好ましくは、前記第1の溝が等間隔で配列される。図4は本発明の実施例における絶縁層100及びパターン化されたフォトレジスト110を堆積したシリコンウェハの平面図であり、シリコンウェハの結晶方向は図示された通りであり、パターン化されたフォトレジスト110が公知の方法により形成される。図5は、本発明の実施例の図4に示す絶縁層100とパターン化されたフォトレジスト110とを堆積したシリコンウェハのA-A’断面図である。次に、絶縁層100を半導体基材101までエッチングして、第1の開口121を形成し、パターン化されたフォトレジスト110を除去して、図6に示すようなパターン化された絶縁層120を形成する。
次に、図6、図7に示すように、半導体基材の第2の表面上の絶縁層100に第2の溝に対応する第2の開口122を形成し、各第2の開口122は、2つの第1の開口121の間に位置している。本発明の1つの好ましい実施例としては、各第1の開口121と各第2の開口122との間の間隔を等しくすることにより、後述するステップにおいて形成される第2の溝から両側の第1の溝までの距離が等しくされ、生産効率を有効に向上させ、コストを低減させることができる。図7は、本発明の実施例の半導体基材の第1の表面のフォトレジストを除去した後に第2の表面の絶縁層100に対してパターン化されたフォトレジスト130を形成する略図である。具体的には、窒化物層100を半導体基材101までエッチングして、第2の開口122を形成し、パターン化されたフォトレジスト130を除去して、パターン化された絶縁層120を形成する（図8を参照）。
その後、製造時間の節約及び製造コストの低減のために、絶縁層120をマスクとし、第1の開口121及び第2の開口122から同時に半導体基材101をエッチングして、開口方向が相反する第1の溝123及び第2の溝124を形成することにより、第1の溝123と第2の溝124との間の半導体基材101が薄膜太陽電池構造の半導体基板150として形成される。前記半導体基板150は厚さがほぼ5〜120μmであり、幅がほぼ0.2〜3mmである。図9に示すように、前記厚さは、同一の基板150に属する、隣り合う溝123、124の側壁が対応する表面の間の距離であり、前記幅は第1の表面101-1と第2の表面101-2との間の距離である。具体的には、例えばRIEのドライエッチング、又はウェットエッチングにより半導体基材を異方性エッチングして第1の溝123と第2の溝124とを形成するようにしてもよい。特に、前記基材は単結晶材、例えば、単結晶シリコン(単結晶Si)、単結晶ゲルマニウム(単結晶Ge)、単結晶シリコンゲルマニウム(単結晶SiGe）、又はその組合せを含む場合には、ウェットエッチングを利用してもよく、例えば、水酸化カリウム（KOH）、水酸化テトラメチルアンモニウム（TMAH）、又はエチレンジアミンピロカテコール（EDP）等の溶剤でエッチングしてもよい。このように形成された第1の溝と第2の溝とは、その側壁が対応する表面の結晶方向が{111}である。第1の溝123と第2の溝124との間の距離（即ち、半導体基材101の水平方向の幅）が薄膜太陽電池構造の厚さを左右するため、本方法はリソグラフィーにより薄膜太陽電池構造の厚さを制御する。薄膜太陽電池構造の厚さは10〜120μmである。また、本発明の実施例では、第1の溝と第2の溝とをエッチングした後に、絶縁層120を除去する必要はない。
また、本発明では、第1の溝123及び第2の溝124の深さは半導体基材101の厚さ以下であってもよい。例えば、一部の半導体基材のみをエッチングし、即ち、第1の溝123及び第2の溝124の底部が絶縁層120に達しなくても、同様に本発明の目的を実現することができる。
第1の溝123、124を形成する前記方法は、本発明の1つの実施例である。当然ながら、当業者は他の方法を選択して形成することができる。これらの本発明と同等な効果を奏する方法はすべて本発明の保護範囲に含まれる。
ステップS303では、少なくとも第1の溝123の側壁に第1の構造160を形成する。前記第1の構造160は、図10に示すように、多層構造であってもよい。本発明の1つの実施例では、第1の構造160は、第1の半導体層160-1と第1の電極層160-2とを備え、前記第1の半導体層は第2の導電型であり、前記第2の導電型は第1の導電型と異なる。言い換えれば、第1のタイプのドーピングがp型である場合に、第2のタイプのドーピングはn型であり、第1のタイプのドーピングがn型である場合に、第2のタイプのドーピングはp型である。前記第1の半導体層160-1については、ドーピングイオン拡散のプロセスにより、第1の溝123の側壁内に第2の導電型の第1の半導体層160-1を形成してもよく、前記構造に第2の導電型の第1の半導体層160-1を堆積して形成してもよく、その後、更に拡散を行ってもよい。当該実施例では、前記第1の半導体層160-1は非晶質シリコンa-Si、多結晶シリコンpoly−Si、単結晶シリコン又はその組合せであってもよい。特に、第1の溝123全体を被覆するように前記第1の構造160を形成してもよい。
本発明のもう1つの実施例では、第1の半導体層160-1を形成する前に、少なくとも前記第1の溝123の側壁に第1の真性非晶質シリコン層i−a−Siを形成してもよい。第1の真性非晶質シリコン層はドーピングされない非晶質シリコンであり、厚さがほぼ1〜10nmである。当該実施例では、第1の半導体層160-1は第2の導電型の非晶質シリコンa−Siであり、その厚さがほぼ10〜50nmである。
第1の半導体層160-1を形成した後、その上に第1の電極層160-2を形成する。本発明の1つの好ましい実施例としては、透明導電酸化物TCO (Transparent ConductiveOxide)を堆積して第1の電極層160-2を形成することにより、抵抗を減少させ、電池の発電効率を向上させることができる。本発明の1つの好ましい実施例としては、堆積時に、温度を550℃以下に制御する。本発明の1つの好ましい実施例としては、TCOがSnO2及びZnOである。他の実施例では、TCOはIn2O3、ITO、CdO、Cd2SnO4、FTO、AZO、又はその組合せであってもよい。
ステップS304において、図11に示すように、少なくとも第2の溝214の側壁に第2の構造170を形成する。前記第2の構造170は単層又は多層の構造であってもよい。本発明の1つの実施例では、前記第2の構造170は、単層構造であり、第2の電極層170-2を備え、第2の溝を被覆することにより形成されればよい。
本発明のもう1つの実施例では、前記第2の構造170は多層構造であり、第2の構造170は第1の導電型の第2の半導体層170-1と第2の電極層170-2とを備えるように構成されてもよい。前記第2の半導体層170-1については、ドーピングイオン拡散のプロセスにより、第2の溝124の側壁内に第1の導電型の第2の半導体層170-1を形成してもよく、前記構造上に第1の導電型の第2の半導体層170-1を堆積して形成してもよく、その後、更に拡散を行なってもよい。当該実施例では、前記第2の半導体層170-1は非晶質シリコンa−Si、多結晶シリコンpoly−Si、単結晶シリコン、又はその組合せであってもよい。特に、第2の溝124全体を被覆するように前記第2の構造170を形成してもよい。
本発明のもう1つの実施例では、第2の半導体層170-1を形成する前に、少なくとも前記第2の溝124の側壁に第2の真性非晶質シリコン層i−a−Siを形成してもよい。第2の真性非晶質シリコン層はドーピングされない非晶質シリコンであり、その厚さがほぼ1〜10nmである。当該実施例では、第2の半導体層170-1は、第1の導電型の非晶質シリコンa−Siであり、厚さがほぼ10〜50nmである。
第2の半導体層170-1を形成した後、その上に第2の電極層170-2を形成する。同様に、第2の電極層170-2は任意の導電材料、例えば、金属材料から形成されるものであってもよい。本発明の1つの好ましい実施例としては、透明導電酸化物TCO (Transparent ConductiveOxide)を堆積して第2の電極層170-2を形成することにより、抵抗を減少させ、電池の発電効率を向上させることができる。本発明の1つの好ましい実施例としては、堆積時に、温度を550℃以下に制御する。本発明の1つの好ましい実施例としては、TCOがSnO2及びZnOである。他の実施例では、TCOはIn2O3、ITO、CdO、Cd2SnO4、FTO、AZO又はその組合せであってもよい。
ステップS305では、前記半導体基板を、前記第1の溝及び第2の溝で切断し、又は引き伸ばして薄膜太陽電池の構造を形成する。前記第1の溝と第2の溝との間の半導体基材は、前記薄膜太陽電池の構造の半導体基板として形成されており、前記第1の構造、第2の構造又はその組み合わせは、前記薄膜太陽電池構造の入光面として形成されている。
まず、レーザービーム又は他の切断ツールで辺縁のウェハを切断する。図12は本発明の実施例の辺縁のウェハを切り除いた後の平面図であり、図13は、本発明の実施例の辺縁のウェハを切り除いた後の断面図である。
その後、当該半導体基材を、第1の溝及び第2の溝で切断し、又は引き伸ばして、薄膜太陽電池構造を形成する。前記第1の構造で被覆された第1の溝の部分は、該薄膜太陽電池構造の第1の構造として形成されており、第2の構造で被覆された第2の溝の部分は、該薄膜太陽電池構造の第2の構造として形成されており、第1の構造、第2の構造又はその組合せは、太陽電池構造の入光面として形成されている。図14は、引き伸ばして形成された完全な薄膜太陽電池190の略図（A-A’に沿う断面）であり、このように形成された太陽電池構造は、隣り合う絶縁層の屈曲曲率が相反する。図15は、切断後に接続して形成された完全な薄膜太陽電池190の略図（A-A’に沿う断面）である。
図16は前記ステップにて形成された太陽電池の構造及び動作原理を示す図であり、太陽光が太陽電池に照射する時には、シリコン又は半導体基板150において電子及び正孔が生じ、電子と正孔とがPN接合の電界により分離され、端末T1及びT2まで拡散され、最終的に、端末のT1とT2との間にほぼ0.3〜0.8Vの電圧が生じ、太陽エネルギーから電気エネルギーへの変換が実現される。通常、光の照射は第1の構造160から薄膜太陽電池構造に入るが、薄膜太陽電池構造の厚さが薄いため、第2の構造170から入ることも選択できる。このような方法にて形成された薄膜太陽電池構造の厚さは第1の溝と第2の溝との間の距離により左右され（図9）、つまり、リソグラフィーにて制御することにより、周知のリソグラフィー技術で、例えば、5μmの薄い厚さを容易に達成することができる。一方で、当該厚さは、第1の構造と第2の構造との間の距離を左右している。また、このような方法にて形成された薄膜太陽電池構造の幅は、溝の深さにより左右され、最も深い場合には、当該半導体基材の厚さであってもよい（図9）。図1における従来技術と比べて、このような方法にて形成された薄膜太陽電池構造の第1の構造と第2の構造との間の距離は、薄膜太陽電池構造の厚さにより左右され、幅とは関係がないので、第1の構造と第2の構造との間の距離を大幅に短縮することができる。また、当該方法は、厚い半導体基材（例えば、1〜3mm）を用いて広い薄膜太陽電池構造を実現することができるとともに、第1の構造と第2の構造との間の距離を増加させることはなく、発電効率に影響を与えない。薄い半導体基材と比べて、厚い半導体基材を用いる方法は、薄膜太陽電池構造の単位面積当たりのコストを更に低減させることができる。
上記の実施例の方法により製造された太陽電池は、太陽電池の製造コストを有効に低減させることができる。また、本発明の太陽電池構造によれば、再結合距離を有効に減少させ、電極の間の距離を短縮し、ボディ再結合電流を減少させ、発電効率を向上させることができる。また、本発明によれば、更に電極の有効面積を増大させ、直列抵抗を減少させることができる。さらに、本発明の薄膜太陽電池の側壁は絶縁層を有するので、電子と正孔との側面での再結合を有効に減少させ、発電効率を更に向上させることができる。
更に、図15に示すように、形成された電池構造を切断することにより、新たな薄膜太陽電池構造を形成する。当該構造は、第3の表面150-1及びそれに対向する第4の表面150-2を備える、第1の導電型の半導体基板150と、前記半導体基板150の第3の表面150-1上に位置する第1の構造160及び第4の表面150-2上に位置する第2の構造170と、側壁部とを有する。前記第1の構造160、第2の構造170、又はその組み合わせは太陽電池構造の入光面として形成されている。前記側壁部は、半導体基板150の両側と、前記第3の表面150-1及び第4の表面150-2の間とに位置している。1つの実施例では、前記側壁部は絶縁層120を備える。好ましくは、前記側壁部は更に絶縁層120上の導電層180を備える。ここで、前記導電層180-1は第1の電極層160-2に接続しており、前記導電層180-2は第2の電極層170-2に接続している。また、前記導電層180-1は前記第1の電極層160-2と一体化されているように構成してもよい。前記導電層180-2は、前記第2の電極層170-2と一体化され、TCO材料から形成されるものであってもよい。前記絶縁層120の材料は、窒化シリコン、酸化シリコン、酸窒化シリコン、TiO2、HfO2、ZrO2、Al2O3、又はその組み合わせを含む。
本発明の1つの実施例では、前記半導体基板は単結晶シリコン、単結晶ゲルマニウム、単結晶シリコンゲルマニウムであり、好ましくは、前記第3の表面及び第4の表面の結晶方向が{111}であり、第3の表面に垂直な面の結晶方向が{110}又は{112}である。他の実施例では、前記半導体基板は多結晶シリコン、多結晶ゲルマニウム、多結晶シリコンゲルマニウム、III-V若しくはII-VI化合物半導体、又はその組み合わせであってもよい。前記半導体基板は第1の導電型である。前記第1の導電型はp型又はn型ドーピングであってもよい。前記半導体基板は、第3の表面と第4の表面との間の厚さがほぼ5〜120μmであり、幅がほぼ0.2〜3mmである。
前記第1の構造160は多層構造であってもよい。本発明の1つの実施例では、第1の構造160は、第2の導電型の第1の半導体層160-1と、第1の電極層160-2とを備え、前記第1の半導体層160-1は、非晶質シリコンa−Si、多結晶シリコンpoly−Si、単結晶シリコン、又はその組み合わせであってもよい。もう1つの実施例では、第1の構造160は第2の導電型の第1の半導体層160-1と、第1の電極層160-2と、第1の半導体層160-1及び半導体基板150の間に位置する第1の真性非晶質シリコン層i−a−Siとを備え、前記第1の半導体層160-1は、非晶質シリコンa−Siであり、厚さがほぼ10〜50nmであり、前記第1の真性非晶質シリコン層は厚さがほぼ1〜10nmである。
前記第2の構造170は単層又は多層構造であってもよい。本発明の1つの実施例では、前記第2の構造170は単層構造であり、第2の電極層170-2を備える。本発明のもう1つの実施例では、前記第2の構造170は多層構造であり、第2の構造170は、第1の導電型の第2の半導体層170-1と第2の電極層170-2とを備え、前記第2の半導体層170-1は非晶質シリコンa−Si、多結晶シリコンpoly−Si、単結晶シリコン、又はその組み合わせであってもよい。もう1つの実施例では、第2の構造170は、第1の導電型の第2の半導体層170-1と、第2の電極層170-2と、第2の半導体層170-1及び半導体基板150の間に位置する第2の真性非晶質シリコン層i−a−Siとを備え、前記第2の半導体層170-1は非晶質シリコンa−Siであり、厚さがほぼ10〜50nmであり、前記第2の真性非晶質シリコン層は厚さがほぼ1〜10nmである。
上述した第1及び第2の電極層は、TCO材料から形成されることが好ましい。前記TCOはSnO2、In2O3、ZnO、ITO、CdO、Cd2SnO4、FTO、AZO、又はその組み合わせである。
前記第1の導電型と第2の導電型とは異なる導電型であり、つまり、第1の導電型がp型である場合に、第2の導電型はn型であり、第1の導電型がn型である場合に、第2の導電型はp型である。
以上では、本発明のもう1つの実施例に基づいて本発明の薄膜太陽電池構造を説明したが、前記構造は絶縁層を備え、第1、第2の電極層を隔離して短絡を防止するとともに、光励起されたキャリアの側面での再結合を減少させることができ、発電効率を向上させることができる。また、好ましい実施例では、前記絶縁層上には導電層が設けられ、前記導電層と電極とは一体化され、前記導電層は入光面を遮らない。これにより、電極の導電性を向上させ、薄膜太陽電池の抵抗を減少させ、発電効率を向上させることができる。
また、本発明では、前記薄膜太陽電池を組み合わせることにより、薄膜太陽電池アレイが形成される。図14を参照すると、前記アレイは複数の前記薄膜太陽電池構造190を備え、前記薄膜太陽電池構造が二つずつ並列接続されている。前記方法にて複数の前記薄膜太陽電池構造190を形成し、導電層180-1を介して、隣り合う2つの前記薄膜太陽電池構造190の第1の電極層160-2を接続し、導電層180-2を介して、第2の電極層170-2を接続することにより、複数の薄膜太陽電池を並列接続してなる薄膜太陽電池アレイを形成することができる。前記導電層180-1、180-2は任意の導電材料である。本発明の1つの実施例では、導電層180-1、180-2は第1、第2の電極層を形成する時に共に形成され、即ち、導電層180-1と第1の電極層160-2とが一体され、導電層180-2と第2の電極層170-2とが一体化されるように構成してもよいが、他の実施例では、分けて形成してもよい。
薄膜太陽電池構造を接続してなる前記電池アレイでは、前記構造は絶縁層を備え、第1の電極層及び第2の電極層を隔離して短絡を防止するとともに、光励起されたキャリアの側面での再結合を減少させて、発電効率を向上させることができる。また、好ましい実施例では、前記絶縁層は更に導電層を備え、前記導電層と電極とは一体化され、前記導電層は入光面を遮らない。これにより、電極の導電性を増加させ、薄膜太陽電池構造の間の接続抵抗を減少させて、発電効率を向上させることができる。
また、図14に示すように、形成された電池構造を引き伸ばすことにより、新たな薄膜太陽電池アレイが形成される。複数の薄膜太陽電池構造190では、前記太陽電池構造190は、第3の表面150-1及びそれに対向する第4の表面150-2を備える第1の導電型の半導体基板150と、第3の表面150-1上に位置する第1の構造160及び第4の表面150-2上に位置する第2の構造170とを有する。前記第1の構造160は第2の導電型の第1の半導体層160-1と第1の電極層160-2とを備える。前記第2の構造170は第2の電極層170-2を備える。前記第2の導電型は第1の導電型と異なる。前記第1の構造160、第2の構造170、又はその組合せは前記薄膜太陽電池構造190の入光面として形成されている。
前記太陽電池構造190は、更に、複数の屈曲可能な絶縁層120と、前記複数の屈曲可能な絶縁層120に整合（match）した複数の第1の導電層180-1及び第2の導電層180-2とを備える。前記屈曲可能な絶縁層120は、隣り合う半導体基板150の対向する2つの表面上に形成されており、前記隣り合う基板150を接続し、隣り合う前記屈曲可能な絶縁層120の屈曲曲率は相反する。前記第1の導電層180-1と第2の導電層180-2とは絶縁層120の両側に位置しており、前記第1の導電層180-1は隣り合う2つの薄膜太陽電池構造190の第1の電極層160-2を接続し、前記第2の導電層180-2は隣り合う2つの薄膜太陽電池構造190の第2の電極層170-2を接続する。
前記アレイは、前記薄膜太陽電池構造の実施例に記載の方法により、ステップS305で引き伸ばして本発明の実施例の薄膜太陽電池アレイを形成してもよい。引き伸ばされた後、前記半導体基板150は基本的に同一の平面にあり、絶縁層は屈曲された絶縁層120となり、隣り合う2つの基板150の対向する表面から隣り合う2つの基板150を接続し、他の方法により実現してもよい。1つの好ましい実施例では、第1の導電層180-1と第2の導電層180-1とは、第1、第2の電極層を形成する時に共に形成され、即ち、第1の導電層と第1の電極層とが一体化され、第2の導電層と第2の電極層とが一体化されるように構成してもよい。第1、2の電極層は、TCO材料から形成される方が好ましい。前記TCOはSnO2、In2O3、ZnO、ITO、CdO、Cd2SnO4、FTO、AZO、又はその組み合わせである。
本発明の前記電池アレイの実施例では、前記半導体基板は、単結晶シリコン、単結晶ゲルマニウム、単結晶シリコンゲルマニウム、多結晶シリコン、多結晶ゲルマニウム、多結晶シリコンゲルマニウム、III-V若しくはII-VI化合物半導体、又はその組み合わせである。好ましい実施例では、前記半導体基板が単結晶シリコン、単結晶ゲルマニウム、単結晶シリコンゲルマニウムである場合、前記半導体基板の第3の表面の結晶方向が{111}であってもよく、第3の表面に垂直な面の結晶方向が{110}又は{112}である。前記半導体基板は、第3の表面と第4の表面との間の厚さがほぼ5〜120μmであり、幅がほぼ0.2〜3mmである。前記厚さは第3の表面と第4の表面との間の距離であり、前記幅は半導体基板の2つの屈曲可能な絶縁層の内側の間の距離である。
前記第1の構造160は多層構造であってもよい。本発明の1つの実施例では、第1の構造160は、第2の導電型の第1の半導体層160-1と、第1の電極層160-2とを備え、前記第1の半導体層160-1は非晶質シリコンa−Si、多結晶シリコンpoly−Si、単結晶シリコン、又はその組合せであってもよい。もう1つの実施例では、第1の構造160は、第2の導電型の第1の半導体層160-1と、第1の電極層160-2と、第1の半導体層160-1及び半導体基板150の間に位置する第1の真性非晶質シリコン層i−a−Siとを備え、前記第1の半導体層160-1は非晶質シリコンa−Siであり、厚さがほぼ10〜50nmである。前記第1の真性非晶質シリコン層は厚さがほぼ1〜10nmである。
前記第2の構造170は単層又は多層構造であってもよい。本発明の1つの実施例では、前記第2の構造170は単層構造であり、第2の電極層170-2を備える。本発明のもう1つの実施例では、前記第2の構造170は多層構造であり、第2の構造170は第1の導電型の第2の半導体層170-1と、第2の電極層170-2とを備え、前記第2の半導体層170-1は非晶質シリコンa−Si、多結晶シリコンpoly−Si、単結晶シリコン、又はその組み合わせであってもよい。もう1つの実施例では、第2の構造170は、第1の導電型の第2の半導体層170-1と、第2の電極層170-2と、第2の半導体層170-1及び半導体基板150の間に位置する第2の真性非晶質シリコン層i−a−Siとを備える。前記第2の半導体層170-1は非晶質シリコンa-Siであり、厚さがほぼ10〜50nmである。前記第2の真性非晶質シリコン層は厚さがほぼ1〜10nmである。
前記第2の導電型と第1の導電型とは異なるタイプのドーピングであり、つまり、第1の導電型がp型である場合に、第2の導電型がn型であり、第1の導電型がn型である場合に、第2の導電型がp型である。
前述した電池アレイは、基板の側壁に屈曲可能な絶縁層が設けられているため、光励起されたキャリアの基板側壁での再結合を減少させ、発電効率を向上させるとともに、第1及び第2の電極層を隔離して、電極の短絡による失効を防止することができる。また、基板の側壁部分の絶縁層上に更に導電層が形成されているため、電池構造間の接続抵抗を減少させ、電池アレイの導電性を増加させ、更に発明効率を向上させることができる。
以上では、本発明の実施例について説明したが、当業者にとって、本発明の原理及び要旨を逸脱しない範囲において、これらの実施例に対して多種な変化、修正、差替え、変更することができ、本発明の範囲は添付される請求項及びその同等のものにより限定されることは理解できる。
Claims (10)
- Ａ．第１の表面及び該第１の表面に対向する第２の表面を備える第１の導電型の半導体基材を用意するステップと、
Ｂ．前記第１の表面から半導体基材をエッチングして少なくとも２つの第１の溝を形成し、前記第２の表面から半導体基材をエッチングして、隣り合う２つの前記第１の溝の間に位置する第２の溝を少なくとも１つ形成することとし、前記第１の溝及び第２の溝の間にある前記半導体基材の残部が薄膜太陽電池構造の半導体基板を形成し、隣り合う前記半導体基板は複数の屈曲可能な絶縁層により接続されるステップと、
Ｃ．少なくとも前記第１の溝の側壁に第１の構造を形成するステップと、
Ｄ．少なくとも前記第２の溝の側壁に第２の構造を形成するステップと、
Ｅ．前記半導体基材を、切断するか又は引き伸ばして、前記第１の構造、第２の構造又はその組合せを前記薄膜太陽電池構造の入光面とするように薄膜太陽電池構造を形成するステップと
を含むことを特徴とする薄膜太陽電池構造の製造方法。 - 前記ステップＣは、少なくとも前記第１の溝の側壁に、第１の導電型と異なる第２の導電型の第１の半導体層を形成し、該第１の半導体層上に第１の電極層を形成することを含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
- 前記ステップＤは、少なくとも前記第２の溝の側壁に第２の電極層を形成すること、又は
少なくとも前記第２の溝の側壁に第１の導電型の第２の半導体層を形成し、前記第２の半導体層上に第２の電極層を形成することを含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。 - 前記半導体基材は単結晶シリコン、単結晶ゲルマニウム、単結晶シリコンゲルマニウム、多結晶シリコン、多結晶ゲルマニウム、多結晶シリコンゲルマニウム、III-V若しくはII-VI化合物半導体、又はその組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
- 第３の表面及び該第３の表面に対向する第４の表面を備える第１の導電型の半導体基板を有する複数の薄膜太陽電池構造と、
隣り合う半導体基板の対向する２つの表面上に形成され、前記隣り合う半導体基板を接続する複数の屈曲可能な絶縁層と
を有し、
前記半導体基板は、前記第３の表面上に位置する第１の構造と、前記第４の表面上に位置する第２の構造とを備え、前記第１の構造は、少なくとも、第２の導電型の第１の半導体層及び第１の電極層を備え、前記第２の構造は少なくとも第２の電極層を備え、前記第２の導電型は第１の導電型と異なり、前記第１の構造、第２の構造又はその組み合わせは前記薄膜太陽電池構造の入光面として形成されていることを特徴とする薄膜太陽電池アレイ。 - 前記複数の屈曲可能な絶縁層に沿う形状の第１の導電層及び／又は第２の導電層を複数備え、前記第１の導電層及び／又は第２の導電層は絶縁層の両側に位置し、前記第１の導電層は隣り合う２つの薄膜太陽電池構造の第１の電極層を接続し、前記第２の導電層は隣り合う２つの薄膜太陽電池構造の第２の電極層を接続することを特徴とする請求項５に記載の薄膜太陽電池アレイ。
- 隣り合う前記屈曲可能な絶縁層の屈曲曲率は相反していることを特徴とする請求項５に記載の薄膜太陽電池アレイ。
- 前記第１の導電層と前記第１の電極層とは一体化されており、及び／又は
前記第２の導電層と前記第２の電極層とは一体化されていることを特徴とする請求項５に記載の薄膜太陽電池アレイ。 - 前記半導体基板は、単結晶シリコン、単結晶ゲルマニウム、単結晶シリコンゲルマニウム、多結晶シリコン、多結晶ゲルマニウム、多結晶シリコンゲルマニウム、III-V若しくはII-VI化合物半導体、又はその組み合わせであることを特徴とする請求項５に記載の薄膜太陽電池アレイ。
- 前記半導体基板は厚さがほぼ５〜１２０μｍであり、幅がほぼ０．２〜３ｍｍであることを特徴とする請求項５に記載の薄膜太陽電池アレイ。
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