JP5654425B2 - 太陽電池 - Google Patents

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Description

本発明は、太陽電池に関する。
太陽電池は、光電效果を利用して太陽光エネルギーを電気エネルギーに変える装置である。ＣＯ２排出による温室效果を起こす化石エネルギーと、放射性廃棄物による大気汚染などの地球環境を汚染させる原子力エネルギーなどを代替できる清浄エネルギーまたは次世代エネルギーとして重要である。
太陽電池は、基本的にＰ型半導体とＮ型半導体という２種類の半導体を用いて電気を生成し、光吸収層として用いられる物質によって多様な種類に区分される。
一般的な太陽電池の構造は、基板の上にウィンドー層（前面透明電導膜）、ＰＮ膜、後面反射電極膜の順に蒸着される。このような構造の太陽電池に太陽光が入射すると、電子はＮ層、正孔はＰ層に収集されて電流を発生するようになる。
化合物太陽電池（例：ＣＩＧＳ化合物太陽電池）は、ガラス基板は勿論、ステンレス、チタンなど柔軟な基板の上に形成された電極の上に銅（Ｃｕ）、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、セレニウム（Ｓｅ）、及び硫黄（Ｓ）などの化合物を蒸着する方式で既存のシリコン系列の太陽電池とは異なって、シリコンを使用することなく太陽光を電気に変換し、效率が高いことが特徴である。
ＣＩＧＳ化合物太陽電池でｐ型半導体として使用されるＣＩＧＳ層と、ｎ型半導体として使用されるＺｎＯ：Ａｌ層とがｐ−ｎ接合を形成することができ、ｐ型半導体とｎ型半導体との間に良好な接合を形成するために、バンドギャップが上記二つの物質の中間に位置するか、または上記二つの物質より大きいバッファ層として硫化カドミウム（ＣｄＳ）などが使用された。
特開２００２−３２９８７７号公報
しかし、硫化カドミウムなどは短波長領域で光吸収損失が生じ、そのため光效率が低下する恐れがある。
本発明の目的は、光透過率を高めて效率を改善することができる太陽電池を提供することにある。
本発明の実施形態による太陽電池は、基板、前記基板の上に位置する第１電極、前記第１電極の上に位置する光吸収層、前記光吸収層の上に位置するバッファ層、及び前記バッファ層の上に位置する第２電極を含み、前記バッファ層は下記化学式（１）及び下記化学式（２）のいずれか一つで表される化合物で形成される。
Figure 0005654425
Figure 0005654425
 ここで、前記ｘは、０＜ｘ＜１である。
前記光吸収層は、ＣｄＴｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ、Ｇａ）Ｓｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ、Ｇａ）（Ｓｅ、Ｓ）２、Ａｇ（ＩｎＧａ）Ｓｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ、Ａｌ）Ｓｅ２、及びＣｕＧａＳｅ２のうちから選択された少なくとも一つで形成することができる。
前記第１電極は、反射伝導性金属で形成することができる。
前記第１電極は、モリブデン（ＭＯ）、銅（Ｃｕ）、及びアルミニウムのいずれか一つで形成することができる。
前記第２電極は、透明な伝導性酸化物で形成することができる。
前記第２電極は、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯ、ＧａＺＯ、ＺｎＭｇＯ、及びＳｎＯ２のいずれか一つで形成することができる。
前記第２電極の上に位置する反射防止膜をさらに含むことができる。
本発明の他の実施形態による太陽電池は、基板、前記基板の上に位置する第１電極、前記第１電極の上に位置する光吸収層、前記光吸収層の上に位置するバッファ層、及び前記バッファ層上に位置する第２電極を含み、前記バッファ層は、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）にシリコン（Ｓｉ）及び錫（Ｓｎ）のいずれか一つをドーピングして形成することができる。
前記光吸収層は、ＣｄＴｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ、Ｇａ）Ｓｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ、Ｇａ）（Ｓｅ、Ｓ）２、Ａｇ（ＩｎＧａ）Ｓｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ、Ａｌ）Ｓｅ２、及びＣｕＧａＳｅ２のうちから選択された少なくとも一つで形成することができる。
前記第１電極は、反射伝導性金属で形成することができる。
前記第１電極は、モリブデン（ＭＯ）、銅（Ｃｕ）、及びアルミニウムのいずれか一つで形成することができる。
前記第２電極は、透明な伝導性酸化物で形成することができる。
前記第２電極は、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯ、ＧａＺＯ、ＺｎＭｇＯ、及びＳｎＯ２のいずれか一つで形成することができる。
前記第２電極の上に位置する反射防止膜をさらに含むことができる。
本発明の他の実施形態による太陽電池は、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層との間に形成されたバッファ層を含み、前記バッファ層は下記化学式（１）及び下記化学式（２）のうちのいずれか一つで表される化合物で形成される。
Figure 0005654425
Figure 0005654425
 ここで、前記ｘは、０＜ｘ＜１である。
本発明の実施形態によれば、新しい組成を有するバッファ層を適用して短波長領域で光損失を減らすことによって、光效率を向上することができる。
本発明の実施形態に係る太陽電池を示す概略的な断面図である。 硫化カドミウム（ＣｄＳ）で形成されたバッファ層の厚さを変化させる時、波長による外部量子效率（ＥｘｔｅｒｎＡｌ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；ＥＱＥ）を示すグラフである。 バッファ層の材料を変化させる時、波長による光透過率を示すグラフである。 バッファ層の材料を変化させる時、波長による光透過率を示すグラフである。 本発明の実施形態によるバッファ層でガリウムの含量によるバンドギャップを示すグラフである。 本発明の実施形態によるバッファ層でアルミニウムの含量によるバンドギャップを示すグラフである。 本発明の他の実施形態によるバッファ層でシリコン（Ｓｉ）の含量によるバンドギャップを示すグラフである。 本発明の他の実施形態によるバッファ層で錫（Ｓｎ）の含量によるバンドギャップを示すグラフである。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
添付した図面を参照して、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。しかし、本発明はここで説明する実施形態に限定されず、他の形態に具体化することも可能である。むしろ、ここで紹介する実施形態は、開示された内容を徹底でかつ完全なものとなるようにし、また当業者に本発明の思想を充分に伝達するために提供されるものである。
図面において、層及び領域の厚さは明確性を期するために誇張して示した。また、層が他の層または基板の「上」にあるという場合に、それは他の層または基板の上に直接形成できるか、またはそれらの間に第３の層が介在されることもできる。明細書の全体にわたって、同一の参照番号に表示された部分は同一の構成要素を意味する。
図１は、本発明の実施形態による太陽電池を示す概略的な断面図である。
図１を参照すると、本発明の実施形態による太陽電池は、基板１００、基板１００の上に位置する第１電極１１０、第１電極１１０の上に位置する光吸収層１２０、光吸収層１２０の上に位置するバッファ層１３０、バッファ層１３０の上に位置する第２電極１４０、第２電極１４０の上に位置する反射防止膜１５０、及びグリッド電極１６０を含む。反射防止膜１５０は省略可能である。
他の実施形態において、反射防止膜１５０は、基板１００と第１電極１１０との間に位置することができる。
第１電極１１０は、モリブデン（ＭＯ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）のような反射伝導性金属で形成することができる。
光吸収層１２０は、１族元素、３族元素、及び６族元素のうちから選択された少なくとも一つの元素を含むことができる。
光吸収層１２０は、化合物半導体で形成することができ、ＣｄＴｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ、Ｇａ）Ｓｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ、Ｇａ）（Ｓｅ、Ｓ）２、Ａｇ（ＩｎＧａ）Ｓｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ、Ａｌ）Ｓｅ２、及びＣｕＧａＳｅ２
からなる群より選択された少なくとも一つの物質で形成することができる。
バッファ層１３０はｐｎ接合をなすＰ型半導体層とＮ型半導体層との間に形成されて、ｐ型半導体とｎ型半導体との格子定数及びエネルギーバンドギャップの差を緩和させる役割をする。したがって、バッファ層１３０として用いられる物質のエネルギーバンド値は、Ｎ型半導体とＰ型半導体のエネルギーバンドギャップの中間くらいの値を有するか、またはＮ型半導体とＰ型半導体のバンドギャップより大きい値を有することができる。
本発明の実施形態によるバッファ層１３０は、下記化学式（１）及び下記化学式（２）のいずれか一つで表される化合物で形成することができる。
Figure 0005654425
Figure 0005654425
 上記ｘは、０＜ｘ＜１である。
本発明の他の実施形態によるバッファ層１３０は、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）にシリコン（Ｓｉ）、錫（Ｓｎ）、及び窒素（Ｎ）のいずれか一つをドーピングして形成することができる。バッファ層１３０にシリコン（Ｓｉ）、錫（Ｓｎ）、及び窒素（Ｎ）のいずれか一つをドーピングすることによって、抵抗率またはキャリアの密度を調節することができる。
本実施形態によるバッファ層１３０は、下記化学式（３）乃至下記化学式（５）のいずれか一つで表される化合物で形成することができる。
Figure 0005654425
Figure 0005654425
Figure 0005654425
 上記ｘは、０＜ｘ＜１である。
バッファ層１３０は、スピンコーティング（Ｓｐｉｎ−ｃｏａｔｉｎｇ）方法、ディッピング（Ｄｉｐｐｉｎｇ）方法、化学的溶液成長法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｂａｔｈ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＣＢＤ）、原子蒸着法（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＡＬＤ）などを利用して形成することができる。
第２電極１４０は透明伝導性酸化物で形成することができる。第２電極１４０は、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯ、ＧａＺＯ、ＺｎＭｇＯ、またはＳｎＯ２のいずれか一つの物質で形成することができる。
第１電極１１０または第２電極１４０を通じて光吸収層１２０に光が入射すると、電子と正孔が生成され、電子が第１電極１１０に移動され、正孔は第２電極１４０に移動されて、電流が流れるようになる。または、光吸収層の種類によって電子が第２電極１４０に移動され、正孔が第１電極１１０に移動されて、電流が流れることも可能である。光吸収層１２０の光吸収率が高いほど、太陽電池の光效率が高くなることができる。
反射防止膜１５０はフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）で形成でき、グリッド電極１６０は銀（Ａｇ）、銀ペースト（Ｓｉlｖｅｒ ｐａｓｔｅ）、アルミニウム（Ａｌ）またはニッケルアルミニウム合金などを利用して形成することができる。
図２は、硫化カドミウム（ＣｄＳ）で形成されたバッファ層の厚さを変化させる時、波長による外部量子效率（ ＥｘｔｅｒｎＡｌ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；ＥＱＥ）を示すグラフである。
図２を参照すると、従来の硫化カドミウム（ＣｄＳ）でバッファ層を形成した場合に、５００ｎｍ以下の短波長で、その厚さが増加するほど透過率が落ちる。そのため、５００ｎｍ以下の短波長で光損失が発生し得る。
図３及び図４は、バッファ層の材料を変化させる時、波長による光透過率を示すグラフである。
図３を参照すると、バッファ層の物質として、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、ＩｎＧａＯ、及びＩｎＡｌＯを使用した。特に、ＩｎＧａＯは（Ｉｎ１−ｘＧａｘ）２Ｏ３でｘが０．１である場合であり、ＩｎＡｌＯは（Ｉｎ１−ｘＡｌｘ）２Ｏ３でｘが０．３４である場合を測定した。この時、５００ｎｍ以下の短波長領域での透過率が、既存の硫化カドミウム（ＣｄＳ）を使用した場合よりも、本発明の実施形態によるバッファ層として酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）にガリウムまたはアルミニウムを混合した場合にさらに良いことが確認できる。
図４を参照すると、バッファ層の物質として、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、シリコン（Ｓｉ）がドーピングされた酸化インジウム（ＩｎＯ：Ｓｉ）、及び錫（Ｓｎ）がドーピングされた酸化インジウム（ＩｎＯ：Ｓｎ）を使用した。特に、シリコン（Ｓｉ）がドーピングされた酸化インジウム（ＩｎＯ：Ｓｉ）は、Ｉｎ２Ｏ３にＳｉを０．１４ａｔ％（ａｔｏｍｉｃ％）を添加し、錫（Ｓｎ）がドーピングされた酸化インジウム（ＩｎＯ：Ｓｎ）は、Ｉｎ２Ｏ３にＳｎを０．１５ａｔ％を添加した場合を測定した。この時、５００ｎｍ以下の短波長領域での透過率が、既存の硫化カドミウム（ＣｄＳ）を使用した場合よりも、本発明の他の実施形態によるバッファ層としてシリコン（Ｓｉ）がドーピングされた酸化インジウム（ＩｎＯ：Ｓｉ）または錫（Ｓｎ）がドーピングされた酸化インジウム（ＩｎＯ：Ｓｎ）を使用した場合にさらに良いことが確認できる。
図５は、本発明の実施形態によるバッファ層でガリウムの含量によるバンドギャップを示すグラフである。
具体的に、化学式（Ｉｎ１−ｘＧａｘ）２Ｏ３で、ｘが０、０．１０、０．２８、０．７９である場合に、分光光度計（ＵＶ／Ｖｉｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）で測定した結果を光エネルギーによる（αｈν）２の値に表した。
バンドギャップ（Ｅｇ）は、次の式（１）によって分かる。
Figure 0005654425
ここで、Ａは定数で、αは光学的吸収係数、ｈνは光エネルギー（ｐｈｏtｏｎ ｅｎｅｒｇｙ）、ｎはエネルギー遷移（ｓｈｉｆｔ）による値である。直接遷移半導体の場合ｎ＝１／２と知られている。
バンドギャップは、図５において、グラフの扇形領域を横軸に向けて延長する時、延長された扇形領域が横軸と会う地点での横軸の値を示す。
図５を参照すると、ｘが０の時に３．６５ｅＶ、ｘが０．１の時に３．８５ｅＶ、ｘが０．２８の時に３．９ｅＶ、ｘが０．７９の時に４．３ｅＶ程度のバンドギャップを示す。つまり、酸化インジウムに合金として添加されたガリウム（Ｇａ）の量が増加することによって、バンドギャップ値が大きくなる。
図６は、本発明の実施形態によるバッファ層でアルミニウムの含量によるバンドギャップを示すグラフである。
具体的に、化学式（Ｉｎ１−ｘＡｌｘ）２Ｏ３でｘが０、０．１５、０．２８、０．３４である場合に、分光光度計（ＵＶ／Ｖｉｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）で測定した結果を光エネルギーによる（αｈν）２の値に表した。
図６を参照すると、ｘが０の時に３．６５ｅＶ、ｘが０．１５の時に３．８５ｅＶ、ｘが０．２８の時に３．９ｅＶ、ｘが０．３４の時に４．３ｅＶ程度のバンドギャップを示す。つまり、酸化インジウムに合金として添加されたアルミニウム（Ａｌ）の量が増加するによって、バンドギャップ値が大きくなる。
図７は、本発明の他の実施形態によるバッファ層でシリコン（Ｓｉ）の含量によるバンドギャップを示すグラフである。
具体的に、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）にシリコン（Ｓｉ）を０．１５ａｔ％不純物として添加した場合に、分光光度計（ＵＶ／Ｖｉｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）で測定した結果を光エネルギーによる（αｈν）２の値に表した。
図７を参照すると、本発明の実施形態によるバッファ層にシリコン（Ｓｉ）が不純物として添加された酸化インジウム（ＩｎＯ：Ｓｉ）のバンドギャップは３．６７ｅＶ程度であって、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）よりバンドギャップが大きくなる。
図８は、本発明の他の実施形態によるバッファ層で錫（Ｓｎ）の含量によるバンドギャップを示すグラフである。
具体的に、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）に錫（Ｓｎ）を０．１４ａｔ％不純物として添加した場合に、分光光度計（ＵＶ／Ｖｉｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）で測定した結果を光エネルギーによる（αｈν）２の値に表した。
図８を参照すると、本発明の実施形態によるバッファ層として錫（Ｓｎ）が不純物として添加された酸化インジウム（ＩｎＯ：Ｓｎ）のバンドギャップは３．７０ｅＶ程度であって、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）よりバンドギャップが大きくなる。
このように、本発明の実施形態によるバッファ層として、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）にインジウム（Ｉｎ）と同一の３族元素であるガリウム（Ｇａ）またはアルミニウム（Ａｌ）を合金して所望のバンドギャップに調節することができ、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）にシリコン（Ｓｉ）または錫（Ｓｎ）をドーピングすることによって、抵抗率、キャリア密度を調節することができる。したがって、短波長領域における光吸収損失を最小化して、光效率を高めることができる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。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、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
１００ 基板
１１０ 第１電極
１２０ 光吸収層
１３０ バッファ層
１４０ 第２電極
１５０ 反射防止膜
１６０ グリッド電極

Claims (7)

  1. 基板、
    前記基板の上に位置する第１電極、
    前記第１電極の上に位置する光吸収層、
    前記光吸収層の上に位置するバッファ層、及び
    前記バッファ層上に位置する第２電極を含み、
    前記バッファ層は、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）にシリコン（Ｓｉ）及び錫（Ｓｎ）のいずれか一つをドーピングして形成される太陽電池。
  2. 前記光吸収層は、ＣｄＴｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ、Ｇａ）Ｓｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ、Ｇａ）（Ｓｅ、Ｓ）２、Ａｇ（ＩｎＧａ）Ｓｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ、Ａｌ）Ｓｅ２、及びＣｕＧａＳｅ２のうちから選択された少なくとも一つで形成される、請求項１に記載の太陽電池。
  3. 前記第１電極は反射伝導性金属で形成される、請求項２に記載の太陽電池。
  4. 前記第１電極は、モリブデン（ＭＯ）、銅（Ｃｕ）、及びアルミニウムのいずれか一つで形成される、請求項３に記載の太陽電池。
  5. 前記第２電極は透明な伝導性酸化物で形成される、請求項４に記載の太陽電池。
  6. 前記第２電極は、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯ、ＧａＺＯ、ＺｎＭｇＯ、及びＳｎＯ２のいずれか一つで形成される、請求項５に記載の太陽電池。
  7. 前記第２電極の上に位置する反射防止膜をさらに含む、請求項１に記載の太陽電池。
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