JP5576489B2 - 太陽光発電装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
実施例は、太陽光発電装置及びその製造方法に関するものである。
最近、エネルギの需要が増加するに連れ、太陽光エネルギを電気エネルギに変換させる太陽電池に関する開発が進められている。特に、ガラス基盤、金属裏面電極層、ｐ型ＣＩＧＳ系光吸収層、高抵抗バッファ層、ｎ型窓層などを含む基板構造のｐｎへテロ接合装置であるＣＩＧＳ系太陽電池が広く使用されている。
前記ＣＩＧ系光吸収層を形成するため、ＣＩＧ層の形成の後にセレニゼーション（ｓｅｌｅｎｉｚａｔｉｏｎ）工程を解して形成した。
しかし、このような工程は、ＣＩＧＳ光吸収層におけるセレン（Ｓｅ）の化学量論的組成比の制御が困難であり、セレンの消耗量が増加される問題がある。
実施例は、向上された特性を有する光吸収層を含む太陽光発電装置及びこれの製造方法を提供しようとする。
一実施例による太陽光発電装置は、基板と、前記基板上に配置される後面電極層と、前記後面電極層上に配置され、VI族系元素を含む薄膜層と、前記薄膜層上に配置される光吸収層と、前記光吸収層上に配置される前面電極層と、を含む。
一実施例による太陽光発電装置は、基板と、前記基板上に配置される後面電極層と、前記後面電極層上に配置され、I族−III族−VI族系化合物を含む光吸収層と、前記光吸収層上に配置される前面電極層と、を含み、前記光吸収層は前記後面電極層に隣接し、第１組成でVI族系元素を含む第１領域と、前記第１領域上に配置され、前記第１組成より更に低い第２組成で前記VI族系元素を含む第２領域を含む。
一実施例による太陽光発電装置の製造方法は、基板上に後面電極層を形成する段階と、前記後面電極層上にVI族系元素を含む薄膜層を形成する段階と、前記薄膜層上にI族系元素及びIII族系元素を供給し、前記後面電極層上にI族−III族−VI族系の化合物を含む光吸収層を形成する段階と、前記光吸収層上に前面電極層を形成する段階と、を含む。
実施例による太陽光発電装置に含まれる光吸収層は、まずVI族元素を含む薄膜層を形成した後、I族系元素及びIII族系元素を使用して形成される。すなわち、前記光吸収層はVI族元素をまず蒸着した後、I族元素及びIII族元素が蒸着されて形成されてもよい。
したがって、前記光吸収層には、VI族元素が均等に分布されてもよい。すなわち、前記VI族元素は、低い気化温度を有することができるため、VI族元素が前記光吸収層に均等に含まれにくい。
この際、薄膜層が先に形成され、次に、I族元素及びIII族元素が蒸着され、薄膜層のVI族元素がI族−III族系金属プリカーサ膜に拡散され、前記光吸収層が形成される。したがって、前記光吸収層にはVI族元素が均等に分布され、VI族元素が欠乏される減少を防止することができる。
したがって、実施例による太陽光発電装置はVI族元素の欠乏による光吸収層の性能低下を防止し、向上された特性を有する光吸収層を有することができる。したがって、実施例による太陽光発電装置は、向上された光−電変換効率を有することができる。
また、後面電極層が多数個の貫通ホールによって多数個の後面電極層に区分される場合、貫通ホールの内側面には薄膜層が残っていてもよい。すなわち、後面電極の側面には薄膜層が配置され、それぞれの光面電極が互いに効率的に絶縁され得る。したがって、後面電極の間における短絡が防止され、実施例による太陽光発電装置は向上された電気的な特性を有することができる。
実施例の説明に当たって、各基板、層、膜又は電極などが各基板、層、膜、又は電極などの「上（ｏｎ）」に、又は「下（ｕｎｄｅｒ）」に形成されるものとして記載される場合において、「上（ｏｎ）」と「下（ｕｎｄｅｒ）」は、「直接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ）」又は「他の構成要素を介在して（ｉｎｄｉｒｅｃｔｌｙ）」形成されるものを全て含む。また、各構成要素の上又は下に対する基準は、図面を基準に説明する。図面における各構成要素の大きさは説明のために誇張されてもよく、実際に適用される大きさを意味するものではない。
図１乃至図９を参照して、実施例による太陽電池及びこれの製造方法を具体的に説明する。
図１を参照して、基板１００上に後面電極層２００が形成され、前記後面電極層２００に多数個の第１貫通ホールＰ１が形成される。これによって、前記後面電極層２００は前記第１貫通ホールＰ１によって多数個の後面電極で区分される。
前記基板１００はガラスが使用されてもよく、セラミック基板、金属基板又はポリマ基板などが使用されてもよい。
例えば、ガラス基板としては、ソーダライムガラス（ｓｏｄａｌｉｍｅ ｇｌａｓｓ）又は高変形点ソーダガラス（ｈｉｇｈ ｓｔｒａｉｎｅｄ ｐｏｉｎｔ ｓｏｄａ ｇｌａｓｓ）を使用してもよい。金属基板としては、ステンレススチール又はチタンを含む基板を使用してもよい。ポリマ基板としては、ポリイミド（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）を使用してもよい。
前記基板１００は透明であってもよい。前記支持基板１００はリジッド（ｒｉｇｉｄ）であるかフレキシブル（ｆｌｅｘｉｂｌｅ）であってもよい。
前記後面電極層２００は、金属などの導電体で形成されてもよい。
例えば、前記後面電極層２００はモリブデン（Ｍｏ）をターゲットとして使用し、スパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）工程によって形成されてもよい。
これは、モリブデンが有する高い伝導度、光吸収層とのオーミック（ｏｈｍｉｃ）接合、Ｓｅ雰囲気下での高温安定性のためである。
前記後面電極層２００であるモリブデン薄膜は電極として比抵抗が低くなるべきであり、熱膨張係数の差によって剥離現象が行われないよう、基板１００への粘着性が優れるべきである。
一方、前記後面電極層２００を形成する物質はこれに限らず、ナトリウム（Ｎａ）イオンがドーピングされたモリブデンで形成してもよい。
図示されていないが、前記後面電極層２００は少なくとも一つ以上の層で形成されてもよい。前記後面電極層２００が複数個の層で形成される際、前記後面電極層２００を成す層は互いに異なる物質で形成されてもよい。
前記後面電極層２００が前記基板１００上に形成された後、前記第１貫通ホールＰ１はパターニング工程によって形成されてもよい。すなわち、前記第１貫通ホールＰ１によって、前記後面電極層２００は多数個の後面電極で区分され得る。
前記第１貫通溝Ｐ１は、前記基板１００の上面を選択的に露出させてもよい。
例えば、前記第１貫通ホールＰ１は、機械的装置又はレーザ装置によってパターニングされ得る。前記第１貫通ホールＰ１の幅は、８０μｍ±２０であってもよい。
前記第１貫通ホールＰ１によって前記後面電極層２００はストライプ（ｓｔｒｉｐｅ）形態又はマトリックス（ｍａｔｒｉｘ）形態の光面電極で分けられ、前記後面電極はそれぞれのセルに対応してもよい。
しかし、前記後面電極層２００は前記の形態に限らず、多様な形態で形成されてもよい。
図２を参照して、前記後面電極層２００が形成された前記基板１００上にVI族系元素を含む薄膜層４００が形成される。例えば、前記薄膜層４００は、セレンで形成されてもよい。前記薄膜層４００は、約１μｍ乃至約５μｍの厚さで形成されてもよい。
前記薄膜層４００は、セレンをターゲットとして使用するスパッタリング工程によって形成されてもよい。又は、前記薄膜層４００は、セレンセルを使用する蒸発法（ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）を介して形成されてもよい。
前記薄膜層４００は、前記後面電極層２００の厚さより約１倍乃至５倍ほど厚い厚さで形成されてもよい。
前記薄膜層４００は、前記第１貫通ホールＰ１の内部をギャップフィルするように形成され、露出された前記基板１００の表面と接するように形成されてもよい。すなわち、前記薄膜層４００は前記第１貫通ホールＰ１の内側面にも形成される。
前記薄膜層４００が前記第１貫通ホールＰ１の底面に形成され、多数個に分離された前記後面電極層２００の間の漏洩電流の発生を防止し得る。
前記薄膜層４００が前記後面電極層２００を含む基板１００上に所定の厚さで形成され、次に形成されるＣＩＧＳ光吸収層の形成の際、VI族系元素の化学量論的組成比の制御が容易になり得る。
前記薄膜層４００が前記後面電極層２００上に形成される際、前記後面電極層２００を成す金属元素と前記薄膜層４００のVI族元素が相互反応によって結合されてもよい。
これによって、前記後面電極層２００と前記薄膜層４００の界面に合金膜３００が形成され得る。
例えば、前記合金膜３００は、モリブデンとセレンの化合物であるモリブデンセレナイドを含んでもよい。更に詳しくは、前記合金膜３００は二セレン化モリブデン（ＭｏＳｅ２）を含んでもよい。
すなわち、前記合金膜３００は、前記後面電極層２００の表面に沿って形成され、前記後面電極層２００の保護層の役割又は吸収層とのオーミック接触を誘導することができる。
図３及び図４参照して、前記後面電極層２００上にI族−III族−VI族系化合物を含む光吸収層５００が形成される。
詳しくは、前記光吸収層５００は、銅−インジウム−ガリウム−セレナイド系（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２，ＣＩＧＳ系）化合物を含んでもよい。
これとは異なって、前記光吸収層５００の厚さは、銅−インジウム−セレナイド系（ＣｕＩｎＳｅ２，ＣＩＳ系）化合物又は 銅−ガリウム−セレナイド系（ＣｕＧａＳｅ２，ＣＧＳ系）化合物を含んでもよい。
例えば、前記光吸収層５００は約２μｍ乃至４μｍであってもよい。
前記光吸収層５００は外部の光を入射され、電気エネルギに変換させる。前記光吸収層５００は、光電効果によって光起電力を生成する。
再び図３を参照して、前記光吸収層５００は蒸発法によって形成されてもよい。特に、前記光吸収層５００は同時蒸発法（ｃｏ−ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）を介して形成されてもよい。
前記光吸収層５００を形成するため、前記薄膜層４００上にI族元素及びIII族元素が蒸発法によって供給される。
例えば、前記光吸収層５００は、銅、インジウム及びガリウムを前記薄膜層４００に供給することで形成されてもよい。又は、前記光吸収層５００は、銅、インジウム、ガリウム及びセレンを前記薄膜層４００に供給することで形成されてもよい。
すなわち、前記光吸収層５００は、I族元素を含む第１ソース及びIII族元素を含む第２ソースを使用する蒸発法によって形成されてもよい。例えば、前記光吸収層５００は、銅ソース、インジウムソース、ガリウムソース及び／又はセレンソースを含む蒸発法によって形成されてもよい。
この際、前記銅ソースは、約１３００℃乃至１５００℃に加熱される銅を含む銅セルである。前記インジウムソースは、約１１００℃乃至１２００℃に加熱されるインジウムを含むインジウムセルである。前記ガリウムソースは、約１１００℃乃至１３００℃に加熱されるガリウムを含むガリウムセルである。前記セレンソースは、約２００℃乃至４００℃に加熱されるセレンを含むセレンセルである。
前記光吸収層５００を形成する過程において、前記銅ソース、インジウムソース、ガリウムソース及びセレンソースは、高温で一定な速度で銅、インジウム、ガリウム及びセレンをそれぞれ蒸発させる。これによって、蒸発された銅、インジウム及びガリウムは前記薄膜層４００に含まれたセレンと反応し、銅−インジウム−ガリウム−セレナイド系化合物を形成する。また、前記蒸発されたセレンも一緒に前記薄膜層４００上に提供されることで、均一な組成のＣＩＧＳ光吸収層が形成され得る。
この際、前記薄膜層４００上に蒸着される銅、インジウム及びガリウムによって、前記薄膜層４００に含まれた揮発性の高いセレンの離脱が抑制される。これによって、前記薄膜層４００に含まれたセレンの大部分は蒸着される銅、インジウム及びガリウムと反応し、銅−ガリウム−インジウム−セレン系結晶構造を有する光吸収層５００を形成し得る。
すなわち、前記薄膜層４００上に銅−インジウム−ガリウム系金属プリカーサ膜が形成され、前記金属プリカーサ膜に前記薄膜層４００に含まれたセレンが拡散され、前記光吸収層５００が形成され得る。この際、前記金属プリカーサ膜によって、前記薄膜層４００に含まれたセレンの離脱が防止され得る。
前記光吸収層５００を形成する過程において加えられる熱エネルギによって、前記薄膜層４００の下部に位置する二セレン化モリブデン層にセレンの拡散が再び進行され、前記二セレン化モリブデン層の厚さは初期に比べ増加するが、セレンの臨界拡散距離以上になるとそれ以上の反応は進行されない。
また、前記薄膜層４００の大部分は銅、インジウム及びガリウムと結合し、前記光吸収層５００が形成される際、前記後面電極層２００と隣接する前記薄膜層４００の下部領域４１０は前記物質と反応せずにそのまま残っていてもよい。この際、前記残っている薄膜層４１０の厚さは約１０ｎｍ乃至約１００ｎｍであってもよい。
これとは異なって、前記薄膜層４００に含まれたセレンは全て反応し、前記後面電極層２００及び前記光吸収層５００の間に前記薄膜層４００が残っていなくてもよい。すなわち、前記合金層３００は、前記光吸収層５００と直接接触されてもよい。
一般的に光吸収層を形成する際、セレンは銅、インジウム及びガリウムより１５〜２０倍ぐらい消耗量が多い。また、セレンは揮発性が高いため、銅、インジウム及びガリウムより蒸着されにくくなり、ＣＩＧＳ系高吸収層でセレンの組成が不均一である可能性があった。
実施例では、セレンで形成された前記薄膜層４００が前記光吸収層５００を形成する前に前記基板１００上に形成させた後、ＣＩＧＳ系光吸収層５００を形成することができるため、前記光吸収層５００の化学量論的組成比を制御することができるようになる。
また、前記薄膜層４００に含まれたセレンの気化が抑制されるため、セレンの消耗を減らせられる。すなわち、銅、インジウム及びガリウムが前記薄膜層４００に蒸着され、前記薄膜層４００に含まれたセレンの気化が抑制され得る。
また、図５に示したように、セレンの濃度分布は、前記残っている薄膜層４１０で最も高くてもよい。また、前記光吸収層５００は、第１領域及び第２領域を含んでもよい。
前記第１領域は、前記後面電極層２００に隣接する。詳しくは、前記残っている薄膜層４１０に隣接する。更に詳しくは、前記第１領域は前記残っている薄膜層４１０上に配置される。
前記第１領域は、相対的に多い量のセレンを含む。更に詳しくは、前記第１領域はセレンの組成が高い銅−インジウム−ガリウム−セレナイド系化合物を含んでもよい。
前記第２領域は、前記前面電極層８００に隣接する。更に詳しくは、前記第２領域は、前記バッファ層６００に隣接する。前記第２領域は、前記第１領域上に配置される。前記第２領域の厚さは、前記光吸収層５００の厚さの約８０％乃至約９９％であってもよい。
前記第２領域は、相対的に少ない量のセレンを含む。更に詳しくは、前記第２領域は前記第１領域及び前記残っている薄膜層４１０より更に少ない量のセレンを含む。
前記第２領域は、セレンの組成が低い銅−インジウム−ガリウム−セレナイド系化合物を含む。前記第２領域のセレンの組成は、前記第１領域のセレンの組成より更に低くてもよい。また、前記第２領域は、位置に関係なく一定な濃度分布を有してもよい。
前記残っている薄膜層４１０は、前記第１貫通ホールＰ１の内側面に配置されてもよい。これによって、前記第１貫通ホールＰ１の内側面に前記残っている薄膜層４１０が配置され、前記後面電極層の間のシャントパス（ｓｈｕｎｔ ｐａｔｈ）を防止することができる。
図６を参照して、前記光吸収層５００上にバッファ層６００及び高抵抗バッファ層７００が形成される。
前記バッファ層６００は、前記光吸収層５００上に少なくとも一つ以上の層に形成されてもよく、化学溶液蒸着法（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｂａｔｈ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＢＤ）によって硫化カドミウム（ＣｄＳ）で形成されてもよい。
この際、前記バッファ層６００はｎ型半導体層であり、前記光吸収層５００はｐ型半導体層である。したがって、前記光吸収層５００及びバッファ層６００は、ｐｎ接合を形成する。
前記高抵抗バッファ層７００は、前記バッファ層６００の上に透明電極層で形成されてもよい。
例えば、前記高抵抗バッファ層７００は、ＩＴＯ，ＺｎＯ及びｉ−ＺｎＯのうちいずれか一つで形成されてもよい。
前記高抵抗バッファ層７００は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）をターゲットにしたスパッタリング工程を進行し、酸化亜鉛層で形成されてもよい。
前記バッファ層６００及び高抵抗バッファ層７００は、前記光吸収層５００と次に形成される前面電極との間に配置される。
すなわち、前記光吸収層５００と前面電極は格子常数とエネルギバンドギャップの差が大きいため、バンドギャップが２つの物質の中間に位置する前記バッファ層６００及び高抵抗バッファ層７００を挿入して、良好な接合を形成することができる。
本実施例では、２つのバッファ層６００を前記光吸収層５００上に形成したが、これに限らず、前記バッファ層６００は単一層で形成されてもよい。
図７を参照して、前記高抵抗バッファ層７００、バッファ層６００、光吸収層５００、残っている薄膜層４１０及び合金膜３００を貫通する第２貫通ホールＰ２が形成される。前記第２貫通ホールＰ２は、前記後面電極層２００を露出させてもよい。
又は、前記第２貫通ホールＰ２は、前記合金膜３００の表面を露出させてもよい。
前記第２貫通ホールＰ２は、レーザ工程又は機械的パターニング工程によって形成されてもよい。
前記第２貫通ホールＰ２は、前記第１貫通ホールＰ１に隣接して形成されてもよい。例えば、前記第２貫通ホールＰ２の幅は８０μｍ±２０であり、前記第２貫通ホールＰ２と前記第１貫通ホールＰ１のギャップは８０μｍ±２０であってもよい。
図８を参照して、前記高抵抗バッファ層７００上に透明な導電物質を積層し、前面電極層８００が形成される。
前記前面電極層８００が形成される際、前記透明な導電物質が前記第２貫通ホールＰ２に挿入されて接続配線９００を形成してもよい。
前記接続配線９００は、前記第２貫通ホールＰ２を介して前記後面電極層２００と直接連結されてもよい。
前記前面電極層８００は、スパッタリング工程を進行してアルミニウム（Ａｌ）又はアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）でドーピングされた酸化亜鉛で形成される。
前記前面電極層８００は、前記光吸収層５００とｐｎ接合を形成するウィンドウ（ｗｉｎｄｏｗ）層であり、太陽電池の前面の透明電極の機能を果たすため、光透過率が高くて電気伝導性のよい酸化亜鉛で形成される。
したがって、前記酸化亜鉛にアルミニウム又はアルミナをドーピングすることで、低い抵抗値を有する電極を形成することができる。
前記前面電極層８００である酸化亜鉛薄膜は、ＲＦスパッタリング方法でＺｎＯターゲットを使用して蒸着する方法と、Ｚｎターゲットを利用した反応性スパッタリング、そして有機金属化学蒸着法などで形成されてもよい。
また、電気光学的特性の優れたＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）薄膜を酸化亜鉛薄膜上に蒸着した２重構造を形成してもよい。
図９を参照して、前記前面電極層８００、高抵抗バッファ層７００、バッファ層６００、光吸収層５００、残っている薄膜層４１０及び合金膜３００を貫通する第３貫通ホールＰ３が形成される。
前記第３貫通ホールＰ３は、前記後面電極層２００を選択的に露出させてもよい。又は、前記第３貫通ホールＰ３は、前記合金膜３００の表面を選択的に露出させてもよい。
前記第３貫通ホールＰ３は、前記第２貫通ホールＰ２に隣接するように形成されてもよい。
例えば、前記第３貫通ホールＰ３の幅は８０μｍ±２０であり、前記第３貫通ホールＰ３と前記第２貫通ホールＰ２のギャップは８０μｍ±２０であってもよい。
前記第３貫通ホールＰ３はレーザ（ｌａｓｅｒ）を照射するか、チップ（Ｔｉｐ）のような機械的（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ）方法で形成されてもよい。
前記第３貫通ホールＰ３が形成される際、前記合金膜３００によって前記後面電極層２００の表面が保護されてもよい。
すなわち、前記合金膜３００が前記後面電極層２００の表面が形成されているため、前記レーザ又はチップを使用したエッチング工程の際、前記合金膜３００が前記後面電極層２００の保護層の役割をするようになり、前記後面電極層２００が損傷されることを防止し得る。
前記第３貫通ホールＰ３によって高吸収層３００、バッファ層４００、高抵抗バッファ層５００及び前面電極層６００はセル別に相互分離されることができる。
前記接続配線７００によって、それぞれのセルは互いに連結されてもよい。すなわち、前記接続配線７００は、相互隣接するセルの後面電極層２００と前面電極６００を物理的、電気的に連結することができる。
前記光吸収層５００は、まずVI族元素を含む前記薄膜層４００を形成した後、I族系元素及びIII族系元素を使用して形成される。すなわち、前記光吸収層５００はVI族元素を先に蒸着した後、I族元素及びIII族元素が蒸着されて形成されてもよい。
したがって、前記光吸収層５００には、VI族元素が均等に分布され得る。すなわち、前記VI族元素は低い気化温度を有することができるため、VI族元素が前記光吸収層５００に均等に含まれにくい。
この際、前記薄膜層４００が先に形成され、次に、I族元素及びIII族元素が蒸着され、薄膜層４００のVI族元素がI族−III族系金属プリカーサ膜に拡散されて前記光吸収層５００が形成されてもよい。したがって、前記光吸収層５００にはVI族元素が均等に分布され、VI族元素が欠乏される現象を防止することができる。
したがって、実施例による太陽光発電装置はVI族元素の欠乏による光吸収層５００の性能低下を防止し、向上された特性を有する光吸収層５００を有することができる。したがって、実施例による太陽光発電装置は、向上された光−電変換効率を有することができる。
また、前記後面電極の間に前記残っている薄膜層４１０が配置され、セル間の漏洩電流を防止することができる。
これによって、実施例による太陽光発電装置の電気的特性を向上させることができる。
以上で実施例を中心に説明したが、これはただの例示であって本発明を限るものではなく、本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、本実施例の本質的な特性を逸脱しない範囲内で、以上に例示されていない多様な変形と応用が可能であるということを分かるはずである。例えば、実施例に具体的に示した各構成要素は変形して実施してもよいものである。そして、このような変形と応用に関する差は、添付した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して解釈されるべきである。
実施例による太陽光発電装置は、太陽光発電分野に利用される。
Claims (5)
- 基板と、
前記基板上に配置される後面電極層と、
前記後面電極層上に配置され、VI族系元素を含む薄膜層と、
前記薄膜層上に配置される光吸収層と、
前記光吸収層上に配置される前面電極層と、
前記後面電極層及び前記薄膜層の間に介在される合金層と、を含む太陽光発電装置。 - 前記後面電極層には多数個の貫通ホールが形成され、
前記薄膜層は、貫通ホールの内側に配置される請求項１に記載の太陽光発電装置。 - 前記薄膜層は、セレンを含む請求項１または２に記載の太陽光発電装置。
- 前記合金層は、モリブデンセレナイドを含む請求項１乃至３のいずれか１項に記載の太陽光発電装置。
- 前記薄膜層の厚さは、約１０ｎｍ乃至１００ｎｍである請求項１乃至４のいずれか１項に記載の太陽光発電装置。
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