JP5624152B2 - 太陽電池及びその製造方法 - Google Patents

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Description

実施例は、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ことによって、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池等に対する開発が進行されている。
特に、硝子基板、金属後面電極層、ｐ型ＣＩＧＳ系光吸収層、バッファ層、ｎ型窓層などを含む基板構造のｐｎヘテロ接合装置であるＣＩＧＳ系太陽電池が使用されている。
前記後面電極層とｎ型窓層は、前記光吸収層及びバッファ層で形成された貫通ホールを通じて連結されることができる。
前記貫通ホールは、機械的またはレーザーを利用したパターニング工程によって形成されるので、パーティクルなどが残っていることがあるようになって、太陽電池セルの直列抵抗及び漏洩電流を発生させる要因になることがある。
また、前記光吸収層は高温で形成されるので、高温工程に耐えることができる剛性の基板を使用するようになる。よって、基板使用に制約がともなうことがある。
実施例では、電気的特性を向上させることができる太陽電池及びその製造方法を提供する。
実施例による太陽電池は、基板上に形成されて第１貫通ホールによって分離した後面電極と、前記第１貫通ホールを含む前記後面電極上に形成された光吸収層と、該光吸収層を貫通して前記後面電極を露出させる第２貫通ホールと、前記光吸収層の表面に形成されたバッファ層と、該バッファ層上に形成された前面電極層と、及び前記前面電極層から延長されて前記第２貫通ホール内部に形成された接続配線と、を含む。
実施例による太陽電池の製造方法は、支持基板上に後面電極層を形成して、前記後面電極層が相互分離されるように第１貫通ホールを形成する段階と、キャリア基板上に光吸収層を形成する段階と、前記第１貫通ホールと接する位置を有するように前記光吸収層を貫通する第２貫通ホールを形成する段階と、前記支持基板と前記キャリア基板をボンディングして、前記後面電極層上に前記光吸収層を形成する段階と、前記キャリア基板をとり除いて、前記光吸収層を露出させる段階と、前記光吸収層の表面にバッファ層を形成する段階と、前記バッファ層上に前面電極層を形成して、前記第２貫通ホールの内部には接続配線を形成する段階と、を含む。
実施例によると、太陽電池の電気的特性を向上させることができる。
特に、光起電力を発生させるＣＩＧＳ光吸収層がセル別にパターニングされて、前記光吸収層の露出された表面にバッファ層が形成されているので、リーケージカレントを防止することができる。
また、前記光吸収層とバッファ層の接合面積の拡張によって、光電荷発生率を向上させることができる。
また、前記光吸収層はキャリア基板に別に形成した後、後面電極層が形成された支持基板とボンディングされることができる。
これによって、前記支持基板は多様な基板、すなわち、ハードまたはフレキシブルな基板の使用が可能である。また、前記基板はスリム化、軽量化されることができるので、多様な領域に適用されることができる。
また、前記光吸収層はキャリア基板上に形成されて、高温工程が可能であるので、前記光吸収層の結晶化度を高めることができる。
これによって、前記光吸収層の電気的特性を向上させることができる。
実施例による太陽電池は、多様な基板、すなわちハードまたはフレキシブルな基板の適用が可能である。
実施例による太陽電池の製造方法を示す断面図である。 同じく、実施例による太陽電池の製造方法を示す断面図である。 同じく、実施例による太陽電池の製造方法を示す断面図である。 同じく、実施例による太陽電池の製造方法を示す断面図である。 同じく、実施例による太陽電池の製造方法を示す断面図である。 同じく、実施例による太陽電池の製造方法を示す断面図である。 同じく、実施例による太陽電池の製造方法を示す断面図である。 同じく、実施例による太陽電池の製造方法を示す断面図である。 同じく、実施例による太陽電池の製造方法を示す断面図である。 同じく、実施例による太陽電池の製造方法を示す断面図である。
実施例の説明において、各基板、層、膜、結晶または電極などが各基板、層、膜、結晶または電極などの“上（ｏｎ）”にまたは“下の（ｕｎｄｅｒ）”に形成されることで記載される場合において、“上（ｏｎ）”と“下の（ｕｎｄｅｒ）”は“直接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ）”または“他の構成要素を介して（ｉｎｄｉｒｅｃｔｌｙ）”形成されることをすべて含む。また、各構成要素の上または下に対する基準は、図面を基準に説明する。図面での各構成要素等の大きさは、説明のために誇張されることがあり、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１０は、実施例による太陽電池の製造方法を示した断面図である。
図１を参照して、支持基板１００上に、後面電極層２００及び伝導性接着層３００が形成される。
前記支持基板１００は、硝子（ｇｌａｓｓ）が使用されることができるし、セラミックス基板、金属基板またはポリマー基板なども使用されることができる。
例えば、硝子基板としては、ソーダライム硝子（ｓｏｄａ ｌｉｍｅ ｇｌａｓｓ）または高変形点ソーダ硝子（ｈｉｇｈ ｓｔｒａｉｎｅｄ ｐｏｉｎｔ ｓｏｄａ ｇｌａｓｓ）を使用することができる。金属基板としては、ステンレススチールまたはチタンを含む基板を使用することができる。ポリマー基板としては、ポリイミド（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）を使用することができる。
前記支持基板１００は、透明であることがある。前記支持基板１００は、リジット（ｒｉｇｉｄ）であるか、またはフレキシブル（ｆｌｅｘｉｂｌｅ）であることができる。
特に、実施例では、前記支持基板１００は、フレキシブルな軟性基板を使用することができる。例えば、前記支持基板１００は、プラスチックのようなポリマー系列及びステンレス（ＳＵＳ）系列のフレキシブル基板が使用されることができる。
前記後面電極層２００は、金属などの導電体で形成されることができる。
例えば、前記後面電極層２００は、モリブデン（Ｍｏ）をターゲットで使用して、スパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）工程によって形成されることができる。
これは、モリブデン（Ｍｏ）が有する高い電気伝導度、光吸収層とのオーミック（ｏｈｍｉｃ）接合、Ｓｅ雰囲気下での高温安全性のためである。
前記後面電極層２００であるモリブデン（Ｍｏ）薄膜は、電極として比抵抗が低くなければならず、熱膨張係数差によって剥離現象が起きないように基板１００への粘着性がすぐれなければならない。
図面に示されなかったが、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ることができる。前記後面電極層２００が複数個の層で形成される場合、前記後面電極層２００をなす層らは、お互いに異なる物質で形成されることができる。
前記後面電極層２００上に、伝導性接着層３００が形成される。
前記伝導性接着層３００は、伝導性接着剤であることができる。
例えば、前記伝導性接着層３００は、カーボン、アルミニウムまたはタングステンのような金属、樹脂及びフリット（ｆｒｉｔ）が混合されている接着性物質であることができる。
前記伝導性接着層３００の抵抗率は、１×１０−５〜１０×１０−５として、前記後面電極層２００と電気的に連結されることができる。前記伝導性接着層は、０．５乃至２μmの厚さで形成されることができる。
図２を参照して、前記後面電極層２００及び伝導性接着層３００を貫通する第１貫通ホールＰ１が形成される。前記第１貫通ホールＰ１は、前記支持基板１００の上面を露出させることができる。
前記第１貫通ホールＰ１によって、前記後面電極層２００及び伝導性接着層３００は、多数個に分離されることができる。
前記第１貫通ホールＰ１によって、前記後面電極層２００及び伝導性接着層３００は、ストライプ（ｓｔｒｉｐｅ）形態またはマトリックス（ｍａｔｒｉｘ）形態で配置されることができるし、それぞれのセルに対応することができる。
一方、前記後面電極層２００は、前記の形態に限定されないで多様な形態で形成されることができる。
図３を参照して、キャリア基板１１０上にサブ電極層２１０及び光吸収層４００が形成される。
前記キャリア基板１１０は、硝子（ｇｌａｓｓ）が使用されることができるし、セラミックス基板、金属基板またはポリマー基板なども使用されることができる。
前記キャリア基板１００は、リジット（ｒｉｇｉｄ）な剛性の基板を使用することができる。
例えば、前記キャリア基板１１０は、ソーダライムガラス、ノン（ｎｏｎ）−アルカリガラス及びロー−アルカリガラスが使用されることができる。
前記キャリア基板１１０は、前記支持基板１００に比べて相対的に厚い厚さで形成されることができる。
例えば、前記支持基板１００とキャリア基板１１０は、１：３〜１０の厚さを有するように形成されることができる。
これは前記光吸収層４００が高温で形成されるために、前記キャリア基板１１０は、高温工程に耐えることができるように、充分に厚い厚さ及び堅い性質を持たなければならないからである。
前記キャリア基板１１０上に前記サブ電極層２１０が形成される。前記サブ電極層２１０は、金属などの導電体で形成されることができる。
前記サブ電極層２１０は、熱膨脹係数の差によって剥離現象が起きないように、前記キャリア基板１１０との粘着性がすぐれなければならない。
例えば、前記サブ電極層２１０は、モリブデン（Ｍｏ）をターゲットで使用して、スパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）工程によって形成されることができる。
一方、前記サブ電極層２１０は、形成されないこともある。
前記サブ電極層２１０上に光吸収層４００が形成される。
前記光吸収層４００は、Ｉｂ−ＩＩＩｂ−ＶＩｂ系化合物を含む。
さらに詳しくは、前記光吸収層４００は、銅−インジウム−ガリウム−セレン系（Ｃｕ（Ｉｎ、Ｇａ）Ｓｅ２、ＣＩＧＳ系）化合物を含む。
これとは異なるように、前記光吸収層４００は、銅−インジウム−セレン系（ＣｕＩｎＳｅ２、ＣＩＳ系）化合物または銅−ガリウム−セレン系（ＣｕＧａＳｅ２、ＣＧＳ系）化合物を含むことができる。
例えば、前記光吸収層４００を形成するために、銅ターゲット、インジウムターゲット及びガリウムターゲットを使用して、前記サブ電極層２１０上にＣＩＧ系金属プレカーソル（ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ）膜が形成される。
以後、前記金属プレカーソル膜は、セレニゼイション（ｓｅｌｅｎｉｚａｔｉｏｎ）工程によって、セレニウム（Ｓｅ）と反応してＣＩＧＳ系光吸収層４００が形成される。
また、前記光吸収層４００は、銅、インジウム、ガリウム、セレン（Ｃｕ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅ）を同時蒸着法（ｃｏ−ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）によって形成することもできる。
前記光吸収層４００は、外部の光の入射を受けて、電気エネルギーに変換する。前記光吸収層４００は、光電効果によって光起電力を生成する。
前記光吸収層４００は、１０００℃以上の高温で形成されるので、ＣＩＧＳ化合物の結晶化度が向上されることができる。
図４を参照して、前記光吸収層４００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、前記サブ電極層２１０を露出させることができる。
前記第２貫通ホールＰ２によって、前記光吸収層４００は、隣り合う光吸収層と相互分離されて、セル別に分離されることができる。
図５及び図６を参照して、前記支持基板１００と前記キャリア基板１１０のボンディング工程を進行する。
前記ボンディング工程によって、前記支持基板１００と前記キャリア基板１１０は一体になる。
前記ボンディング工程は、前記支持基板１００上に形成された伝導性接着層３００と前記キャリア基板１１０の光吸収層４００を向い合うように位置させた後、進行することができる。
特に、前記ボンディング工程時に熱または圧力が印加されて、前記支持基板１００と前記キャリア基板１１０のボンディング力を向上させることもできる。
前記伝導性接着層３００によって、前記後面電極層２００上に前記光吸収層４００が形成されることができる。
図７を参照して、前記キャリア基板１１０及びサブ電極層２１０が除去されて、前記光吸収層４００が露出されることができる。
前記キャリア基板１１０及びサブ電極層２１０は、リフトオフ（ｌｉｆｔ−ｏｆｆ）を通じて前記光吸収層４００で除去されることができる。
したがって、前記支持基板１００上には、後面電極層２００、伝導性接着層３００、光吸収層４００が積層された状態になる。
前記伝導性接着層３００は、伝導性物質であるので、前記後面電極層２００及び光吸収層４００は、電気的に連結されることができる。
また、前記後面電極層２００の第１貫通ホールＰ１と前記光吸収層４００の第２貫通ホールＰ２は、隣接して形成されることができる。
例えば、前記第１貫通ホールＰ１と前記第２貫通ホールＰ２は、第１ギャップＧ１はおおよそ８０±２０μｍであることがある。
前記のように光吸収層４００は、別途のキャリア基板１１０に形成した後、前記支持基板１００とボンディングして、前記後面電極層２００上に光吸収層４００が形成されることができる。
これによって、前記支持基板１００には光吸収層形成のための高温工程が進行されないので、前記支持基板１００のディフェクトを防止することができる。
また、前記支持基板１００に高温工程が印加されないので、前記支持基板１００は軽量化、スリム化されることができる。
また、前記光吸収層４００がキャリア基板１１０で形成されるので、高温工程の進行が可能で、前記光吸収層４００をなすＣＩＧＳ化合物の結晶化を高めることができる。
これによって、前記光吸収層４００の電気的特性を向上させることができる。
図８を参照して、前記光吸収層４００の表面に沿ってバッファ層５００及び高抵抗バッファ層６００が積層される。
前記バッファ層５００及び高抵抗バッファ層６００は、前記光吸収層４００の上面及び側面のみに選択的に形成されて、前記第２貫通ホールＰ２の底面である前記伝導性接着層３００の一部を選択的に露出させることができる。
例えば、前記バッファ層５００を前記光吸収層４００及び第２貫通ホールＰ２の表面プロファイルに従って形成した後、前記高抵抗バッファ層６００を前記バッファ層の表面プロファイルに従って形成する。
そして、前記第２貫通ホールＰ２の底面である前記伝導性接着層３００が露出するようにスクライビング工程を進行することができる。前記スクライビング工程は、レーザーまたは機械的パターニングで進行されることができる。
この時、前記第２貫通ホールＰ２は、前記伝導性接着層３００の表面を露出させることもできるが、前記後面電極層２００の表面を露出させるように形成されることができる。
前記バッファ層５００は、前記光吸収層４００上に少なくとも一つ以上の層で形成されることができる。前記バッファ層は、ＣＢＤ工程を通じて硫化カドミウム（ＣｄＳ）が積層されて形成されることができる。
この時、前記バッファ層５００は、ｎ型半導体層であり、前記光吸収層４００は、ｐ型半導体層である。よって、前記光吸収層４００及びバッファ層５００は、ｐｎ接合を形成する。
特に、前記バッファ層５００は、前記光吸収層４００の上面及び側面を囲むように形成されるので、前記バッファ層５００と光吸収層４００の接触面積は、拡張されることができる。これによって、ｐｎ接合領域が拡張されて、光電荷発生率を高めることができる。
また、前記バッファ層５００が前記光吸収層４００の表面のみに選択的に形成されているので、隣接するセル間の漏洩電流を防止することができる。
前記高抵抗バッファ層６００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て、前記硫化カドミウム（ＣｄＳ）上に酸化亜鉛層がさらに形成されることができる。
前記高抵抗バッファ層６００は、前記バッファ層５００上に透明電極層で形成されることができる。
例えば、前記高抵抗バッファ層６００は、ＩＴＯ、ＺｎＯ及びｉ−ＺｎＯのうちで何れか一つで形成されることができる。
前記バッファ層５００及び高抵抗バッファ層６００は、前記光吸収層４００と以後に形成された前面電極との間に配置される。
すなわち、前記光吸収層４００と前面電極層は、格子定数とエネルギーバンドギャップの差が大きいために、バンドギャップが二つの物質の中間に位置する前記バッファ層５００及び高抵抗バッファ層を挿入して良好な接合を形成することができる。
本実施例では二つのバッファ層５００を前記光吸収層４００上に形成したが、これに限定されないで、前記バッファ層５００は一つの層だけで形成されることができる。
図９を参照して、前記第２貫通ホールＰ２を含む前記高抵抗バッファ層６００上に透明な導電性物質を積層して、前面電極層７００が形成される。
前記前面電極層７００が形成される時、前記透明な導電性物質が前記第２貫通ホールＰ２にも挿入されて接続配線８００を形成することができる。すなわち、前記接続配線８００は、前記伝導性接着層３００と接触することができる。
前記前面電極層７００は、スパッタリング工程を進行してアルミニウム（Ａｌ）またはアルミナ（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７００は、前記光吸収層４００とｐｎ接合を形成するウィンドウ（ｗｉｎｄｏｗ）層として、太陽電池前面の透明電極の機能をするために光透過率が高くて、電気伝導性が良い酸化亜鉛（ＺｎＯ）で形成される。
したがって、前記酸化亜鉛にアルミニウムまた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７００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ることができる。
また、電気光学的特性がすぐれたＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｈｉｎ Ｏｘｉｄｅ）薄膜を酸化亜鉛薄膜上に蒸着した二重構造を形成することもできる。
前記接続配線８００によって、それぞれのセルは、お互いに連結されることができる。すなわち、前記接続配線８００は、相互隣接するセルの後面電極層２００と前面電極層７００を物理的、電気的に連結することができる。
図示されなかったが、前記接続配線８００は、前記第２貫通ホールＰ２を通じて前記後面電極層２００と直接接触することもできる。これによって、前記接続配線８００と前記後面電極層２００のコンタクト特性を向上させることができる。
前記接続配線８００の周りに前記バッファ層５００及び高抵抗バッファ層６００が形成されているので、前記接続配線８００と後面電極層２００の電気的接合特性が向上して電流の移動が良好なことがある。
すなわち、前記光吸収層４００と前記接続配線８００との間にバッファ層５００及び高抵抗バッファ層６００が配置されているので、前記接続配線８００のリーケージカレント発生を完全に遮断させて直列抵抗成分を減少させることで、太陽電池の電気的特性を向上させることができる。
図１０を参照して、前記前面電極層７００、高抵抗バッファ層６００、バッファ層５００及び光吸収層４００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ることができる。前記第３貫通ホールＰ３は、前記第２貫通ホールＰ２と隣接するように形成されることができる。
例えば、前記第２貫通ホールＰ２と第３貫通ホールＰ３の第２ギャップＧ２は８０±２０μｍであることがある。
前記第３貫通ホールＰ３は、レーザー（ｌａｓｅｒ）を照射（ｉｒｒａｄｉａｔｅ）するか、またはチップ（Ｔｉｐ）のような物理的な（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ）方法で形成することができる。
したがって、前記第３貫通ホールＰ３によって前記光吸収層４００、バッファ層５００、高抵抗バッファ層６００及び前面電極層７００は単位セル別に分離することができる。
以上で実施例を中心に説明したが、これは単に例示であるだけで本発明を限定するものではなくて、本発明が属する分野の通常の知識を有した者なら本実施例の本質的な特性を脱しない範囲で、以上に例示されないさまざまの変形と応用が可能であることが分かることができるであろう。例えば、実施例に具体的に現われた各構成要素は、変形して実施することができるものである。そして、このような変形と応用に係る差異点らは、添付された請求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なければならないであろう。
１００ 支持基板
２００ 後面電極層
３００ 伝導性接着層

Claims (17)

  1. 基板上に形成されて第１貫通ホールによって分離した後面電極と、
    前記第１貫通ホールを含む前記後面電極上に形成された光吸収層と、
    前記光吸収層を貫通して前記後面電極を露出させる第２貫通ホールと、
    前記光吸収層の上面及び側面に形成されたバッファ層と、
    前記バッファ層の表面上に形成された高抵抗バッファ層と、
    前記高抵抗バッファ層上に形成された前面電極層と、及び
    前記前面電極層から延長されて前記第２貫通ホール内部に形成された接続配線を含む太陽電池。
  2. 前記後面電極上に形成された伝導性接着層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
  3. 前記基板は、フレキシブル（ｆｌｅｘｉｂｌｅ）基板またはリジット（ｒｉｇｉｄ）基板であることを含むことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
  4. 前記基板はポリマー基板またはステンレス基板であることを含むことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
  5. 前記伝導性接着層の抵抗率は、１×１０−５〜１０×１０−５Ωｃｍであることを含むことを特徴とする請求項２に記載の太陽電池。
  6. 前記第１貫通ホールと第２貫通ホールは、６０乃至１００μｍの間隔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。
  7. 前記伝導性接着層は、０．５乃至２μｍの厚さで形成されることを特徴とする請求項２に記載の太陽電池。
  8. 支持基板上に後面電極層を形成して、前記後面電極層が相互分離されるように第１貫通ホールを形成する段階と、
    キャリア基板上に光吸収層を形成する段階と、
    前記第１貫通ホールと隣接する位置を有するように前記光吸収層を貫通する第２貫通ホールを形成する段階と、
    前記支持基板と前記キャリア基板をボンディングして、前記後面電極層上に前記光吸収層を形成する段階と、
    前記キャリア基板をとり除いて、前記光吸収層を露出させる段階と、
    前記光吸収層の表面にバッファ層を形成する段階と、
    前記バッファ層上に前面電極層を形成して、前記第２貫通ホールの内部には接続配線を形成する段階と、を含む太陽電池の製造方法。
  9. 前記支持基板の後面電極層上に伝導性接合層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の太陽電池の製造方法。
  10. 前記伝導性接合層は、カーボン、アルミニウム、タングステンのような金属粉末、樹脂及びフリット（ｆｒｉｔ）が混合されて形成されて、前記伝導性接合層の抵抗率は、１×１０−５〜１０×１０−５Ωｃｍであることを含むことを特徴とする請求項９に記載の太陽電池の製造方法。
  11. 前記支持基板は、ポリマーまたはステンレス系列の軟性基板で形成されて、
    前記キャリア基板は、ソーダライムガラス、ノン（ｎｏｎ）−アルカリガラス及びロー（ｌｏｗ）−アルカリガラスのような剛性基板で形成されることを特徴とする請求項９に記載の太陽電池の製造方法。
  12. 前記キャリア基板上に前記光吸収層を形成する前に、モリブデンでなされたサブ電極層を形成する段階を含むことを特徴とする請求項８に記載の太陽電池の製造方法。
  13. 前記バッファ層は複数の層で形成されることを特徴とする請求項８に記載の太陽電池の製造方法。
  14. 前記バッファ層が複数の層で形成される場合、複数バッファ層はそれぞれ抵抗が異なる値を有するように形成されることを特徴とする請求項１３に記載の太陽電池の製造方法。
  15. 前記前面電極層、バッファ層及び光吸収層を貫通する第３貫通ホールを形成することを特徴とする請求項８に記載の太陽電池の製造方法。
  16. 前記第１及び第２貫通ホールのギャップと、前記第２貫通ホールと第３貫通ホールはそれぞれ６０乃至１００μｍの間隔で形成されることを特徴とする請求項１５に記載の太陽電池の製造方法。
  17. 前記キャリア基板は、前記支持基板の３倍乃至１０倍の厚さで形成されることを特徴とする請求項８に記載の太陽電池の製造方法。
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