JP5775165B2 - 太陽電池 - Google Patents
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Description
本発明は、太陽電池に関するものである。
最近、エネルギーの需要が増加するにつれて、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に対する開発が進められている。このような太陽電池では、光電変換効率を向上させることが重要な課題である。
光電変換効率を向上させるための方法の１つとして、太陽電池の前面に金属からなる不透明なグリッドを形成する方法がある。これによれば、グリッドの優れる電気伝導性によって集電特性を向上させることができる。しかしながら、不透明なグリッドが形成された部分は太陽光が通過できない領域、即ち、一種の死角地帯（dead zone）となって、太陽電池の有効領域を減少させる問題がある。
本発明の目的は、有効領域を減少させないながらも集電特性を向上して光電変換効率が向上できる太陽電池を提供することにある。
本発明に従う太陽電池は、基板、上記基板の上に位置する第１電極層、上記第１電極層の上に位置する光吸収層、上記光吸収層の上に位置し、透光性伝導性物質を含む第２電極層、及び上記第２電極層の上に位置し、透光性伝導性物質を含むグリッド電極を含む。
上記グリッド電極は透明伝導性物質を含むことができる。上記グリッド電極がアルミニウムドーピングされた酸化亜鉛（aluminum doped zinc oxide；ＡＺＯ）、ふっ素ドーピングされた酸化スズ（fluorine-doped tin oxide；ＦＴＯ）、ガリウムドーピングされた酸化亜鉛（gallium doped zinc oxide；ＧＺＯ）、及びボロンドーピングされた酸化亜鉛（boron doped zinc oxide；ＢＺＯ）からなる群から選択された物質を少なくとも１つ含むことができる。
上記グリッド電極の一部が上記第２電極層と一体形成される。
上記グリッド電極は金属を含むことができる。上記グリッド電極は、少なくとも２層の金属層が積層して形成される。上記グリッド電極は、上記第２電極層の上に位置し、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、及びこれらを含む合金からなる群から選択された物質を含む第１金属層、及び上記第１金属層の上に位置し、金（Ａｕ）を含む第２金属層を含むことができる。
上記グリッド電極は、上記第２電極層の上に位置し、透明伝導性物質を含む第１層、及び上記第１層の上に位置し、金属を含む第２層を含むことができる。上記第１層がアルミニウムドーピングされた酸化亜鉛、ふっ素ドーピングされた酸化スズ、ガリウムドーピングされた酸化亜鉛、及びボロンドーピングされた酸化亜鉛からなる群から選択された物質を少なくとも１つ含むことができる。上記第２層は、ニッケル、銀、白金、金、及びこれらを含む合金からなる群から選択された物質を少なくとも１つ含むことができる。
上記第２電極層の厚さに対する上記グリッド電極の厚さの比率が０．５乃至３でありうる。
本発明に従う太陽電池は、透光性伝導性物質を含むグリッド電極を形成して、有効領域を低減させないながらも集電特性を向上させることができる。これによって、太陽電池の光電変換効率を効果的に向上させることができる。また、グリッド電極が反射防止壁として機能して光電変換効率をより向上させることができる。
この際、グリッド電極は透明伝導性物質または薄い厚さの金属層で形成される。グリッド電極の一部を透明伝導性物質で形成してグリッド電極の一部と第２電極層とを一体形成すれば、工程を単純化しながら接合特性を向上させることができる。グリッド電極の一部を金属層で形成すれば、優れる電気伝導性を有する金属に集電特性をより向上させることができる。
本発明を説明するに当たって、各層（膜）、領域、パターン、または構造物が、基板、各層（膜）、領域、パッド、またはパターンの“上（on）”に、または“下（under）”に形成されるという記載は、直接（directly）または他の層を介して形成されることを全て含む。また、各層の上または下に対する基準は、図面を基準として説明する。
図面において、各層（膜）、領域、パターン、または構造物の厚さやサイズは説明の明確性及び便宜のために変形できるので、実際のサイズを全的に反映するものではない。
以下、添付した図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明すると、次の通りである。
図１は、本発明の第１実施形態に従う太陽電池の概略的な断面図である。
図１を参照すると、実施形態に従う太陽電池１００は、基板１０、この基板１０の上に位置する第１電極層３１、光吸収層３３、第２電極層３９、及びグリッド電極４２を含む。そして、バリア層２０、バッファ層３５、及び高抵抗バッファ層３７を含むことができる。これをより詳しく説明すれば、次の通りである。
基板１０はプレート形状を有し、これに形成される第１電極層３１、光吸収層３３、第２電極層３９などを支持する。このような基板１０は、ガラスまたはプラスチックなどの絶縁体で形成される。一例として、基板１０がソーダライムガラス（soda lime glass）でありうる。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではなく、基板１０が金属基板からなることができる。即ち、要求される太陽電池の特性によって、基板１０をリジッド（ligid）な物質で形成したり、またはフレキシブル（flexible）な物質で形成することができる。
基板１０の上に形成されるバリア層２０は、基板１０の物質が第１電極層３１側に広がることを防止する役割をする。このようなバリア層２０は酸化物を含むことができる。一例として、バリア層２０は、酸化アルミニウム、酸化チタニウム、酸化マグネシウム、酸化タングステンなどを含むことができる。このようなバリア層２０は必ず必要とするものではなく、省略することができる。
バリア層２０の上に第１電極層３１が位置する。第１電極層３１は伝導性のある多様な物質を含むことができるが、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、これらの合金などを含むことができる。このような第１電極層３１は、多様な工程により形成できる。一例として、第１電極層３１はスパッタリング工程によりモリブデンを蒸着して形成することができる。
また、第１電極層３１は２つ以上の層を含むことができるが、この各々の層は同じ金属で構成されることもでき、互いに異なる金属で構成されることもできる。このように２つ以上の層を含む第１電極層３１は、工程条件が互いに異なる２回の工程により形成できる。
第１電極層３１の上に光吸収層３３が位置する。
このような光吸収層３３は、非シリコン系半導体物質からなることができる。一例として、光吸収層３３がI-III-IV族化合物を含むことができる。例えば、光吸収層３３が銅−インジウム−ガリウム−セレナイド系（ＣＩＧＳ系）化合物、銅−インジウム−セレナイド系（ＣＩＳ系）化合物、または銅−ガリウム−セレナイド系（ＣＧＳ系）化合物を含むことができる。
または、光吸収層３３がII-IV族化合物またはIII-IV族化合物を含むことができる。例えば、光吸収層３３は、カドミウム（Ｃｄ）−テルニウム（Ｔｅ）化合物、またはガリウム（Ｇａ）−砒素（Ａｓ）化合物を含むことができる。
このような光吸収層３３のエネルギーバンドギャップ（band gap）は、約１ｅＶ乃至１．８ｅＶでありうる。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではなく、光吸収層３３が多様なエネルギーバンドギャップを有することができることは勿論である。
このような光吸収層３３は多様な方法により形成できるが、一例として、蒸発法またはスパッタリング工程などにより形成できる。
一例として、蒸発法またはスパッタリング法を用いてＣＩＧＳ系光吸収層３３を形成する方法をより詳しく説明すれば、次の通りである。
蒸発法では、銅、インジウム、ガリウム、及びセレニウムを同時または区分して蒸発させてＣＩＧＳ系光吸収層３３を形成することができる。
スパッタリング法を用いる場合には、スパッタリング工程により金属プリカーサ膜を形成した後、セレン化（selenization）工程を遂行してＣＩＧＳ系光吸収層３３を形成することができる。即ち、スパッタリング法において、銅ターゲット、インジウムターゲット、ガリウムターゲットを使用して、銅、インジウム、及びガリウムを含む金属プリカーサ膜を形成し、以後にセレン化工程を遂行してＣＩＧＳ系光吸収層３３を形成することができる。または、スパッタリング工程とセレン化工程を同時に進行してＣＩＧＳ系光吸収層３３を形成することもできる。
前述した方法では、ＣＩＧＳ系光吸収層３３を形成することを例示したが、所望の物質によって、ターゲット、蒸発物質などを異にして多様な種類の光吸収層３３を形成することができる。
この光吸収層３３の上にバッファ層３５が位置することができる。バッファ層３５は、第２電極２９との格子定数差及びエネルギーバンドギャップ差を緩和するための層であって、一例として、硫化カドミウム（ＣｄＳ）または硫化亜鉛（ＺｎＳ）などからなることができる。
このようなバッファ層３５は、化学溶液成長法（chemical bath depositon；ＣＢＤ）により形成できる。一例として、化学溶液成長法を用いて硫化カドミウムを含むバッファ層３５を形成する方法をより詳しく説明すれば、次の通りである。
硫化カドミウムを含むバッファ層３５は、Ｃｄ２+及びＳ２−を過飽和した状態で含んだバッファ層形成溶液に光吸収層３３をディッピング（dipping）した後、一定の反応温度に維持して形成される。一例として、バッファ層形成溶液がカドミウムアセテート（cadmium acetate）及びチオウレア（thiourea）を含むことができ、緩衝剤及びアンモニアなどをさらに含むことができる。そして、反応温度は約５０℃乃至約１００℃でありうる。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。
このバッファ層３５の上に高抵抗バッファ層３７が位置する。高抵抗バッファ層３７は、第２電極層３９の形成時、バッファ層３５の損傷を防止するために形成される層である。一例として、高抵抗バッファ層３７は酸化亜鉛（ＺｎＯ）からなることができる。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではなく、多様な方法を用いて多様な物質で構成された高抵抗バッファ層３７を形成することができる。
この高抵抗バッファ層３７の上に第２電極層（または、ウィンドウ層）３９が位置する。このような第２電極層３９は透明で、光の入射が可能であり、伝導性により電極として機能できる透光性伝導性物質で形成される。また、ｎ型半導体の特性を有するので、バッファ層３５と共にｎ型半導体層を形成してｐ型半導体層である光吸収層３３とｐｎ接合を形成することができる。
このために、第２電極層３９は、例えば、アルミニウムドーピングされた酸化亜鉛（aluminum doped zinc oxide；ＡＺＯ）、ふっ素ドーピングされた酸化スズ（fluorine-doped tin oxide；ＦＴＯ）、ガリウムドーピングされた酸化亜鉛（gallium doped zinc oxide；ＧＺＯ）、ボロンドーピングされた酸化亜鉛（boron doped zinc oxide；ＢＺＯ）などの透明伝導性物質で形成される。
この第２電極層３９の上にグリッド電極４２が位置する。
本実施形態では、グリッド電極４２と第２電極層３９が同じ物質からなることができる。これによって、グリッド電極４２と第２電極層３９との接合特性を向上することができる。
一例として、グリッド電極４２がアルミニウムドーピングされた酸化亜鉛、ふっ素ドーピングされた酸化スズ、ガリウムドーピングされた酸化亜鉛、ボロンドーピングされた酸化亜鉛などの透明伝導性物質を含むことができる。即ち、グリッド電極４２が透光性伝導性物質からなることができる。
これによれば、グリッド電極４２が形成された部分で透明伝導性物質の厚さが厚くなるので、他の部分より抵抗を低めることができ、これによって、集電特性を向上させることができる。そして、本実施形態では、グリッド電極４２が透光性伝導性物質で形成されて、従来の金属グリッドによって発生していた死角地帯をなくすことができる。即ち、本実施形態では透光性伝導性物質を含むグリッド電極４２によって集電特性を向上させて太陽電池１００の電気的特性を向上させると共に、有効領域を増やすことができる。結果的に、太陽電池１００の光電変換効率を向上させることができる。
第２電極層３９の厚さ（Ｔ１）は０．５乃至１mmでありうる。この際、第２電極層３９の厚さ（Ｔ１）に対するグリッド電極４２の厚さ（Ｔ２）の割合（Ｔ２／Ｔ１）が０．５乃至５でありうる。この割合（Ｔ２／Ｔ１）を満たすと、グリッド電極４２による抵抗低減効果を一定水準以上に維持することができる。また、グリッド電極４２が反射防止壁（anti-reflection wall）として機能して太陽電池１００の内部に入射される光量を増加させて光電変換効率を向上させることができる。
上記割合（Ｔ２／Ｔ１）が３を超過する場合には、グリッド電極４２の厚さが厚くて安定した形成が困難であり、グリッド電極４２の厚さ（Ｔ２）により太陽電池１００の厚さが厚くなることがある。また、上記割合（Ｔ２／Ｔ１）が０．５未満であれば、抵抗低減効果が所望の水準より低いことがある。しかしながら、実施形態はこのような割合に限定されるものではない。
本実施形態において、グリッド電極４２が第２電極層３９と一体形成される。これによって、互いに異なる物質を使用して別途にグリッド電極４２を形成する場合に比べて工程を単純化することができる。
ここで、第２電極層３９及び／またはグリッド電極４２は、スパッタリング法、蒸発法、噴霧法などの方法により形成される。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではなく、多様な方法により第２電極層３９及び／またはグリッド電極４２が形成できることは勿論である。
図１ではグリッド電極４２が直四角形の断面を有するものと図示したが、実施形態はこれに限定されるものではない。したがって、図２に示すように、グリッド電極４２ａが上部に行くほど、幅が狭くなる断面の形状を有することができる。
以下、図３及び図４を参照して他の実施形態に従う太陽電池を詳細に説明する。第１実施形態と同一または極めて類似の部分に対しては詳細な説明を省略し、互いに異なる部分に対してのみ詳細に説明する。
図３は、本発明の第２実施形態に従う太陽電池の概略的な断面図である。
図３を参照すると、本実施形態のグリッド電極４４は、第２電極層３９と同じ物質で構成される第１層４４ａと、この第１層４４ａより低い抵抗を有する物質で構成される第２層４４ｂを含む。
一例として、第１層４４ａは第２電極層３９と同じ物質であるアルミニウムドーピングされた酸化亜鉛、ふっ素ドーピングされた酸化スズ、ガリウムドーピングされた酸化亜鉛、ボロンドーピングされた酸化亜鉛などの透明伝導性物質で形成される。そして、第２層４４ｂは、ニッケル、銀、白金、金、これらを含む合金などの金属で形成される。このような第２層４４ｂは透過性を有することができる程度の薄い厚さで形成されて金属からなるが、透過性を有することができる。
このように、グリッド電極４４は透明伝導性物質を含む第１層４４ａと透光性を有する金属層からなる第２層４４ｂを含むので、グリッド電極４４が透光性伝導性物質からなる。
本実施形態では、グリッド電極４４の一部である第１層４４ａを第２電極層３９と同じ物質で形成して、第２電極層３９とグリッド電極４４との接合特性を向上させることができる。そして、グリッド電極４４の他の一部である第２層４４ｂを第２電極層３９より低い抵抗の金属で形成して、抵抗低減効果を向上させることができる。
即ち、本実施形態ではグリッド電極４４が互いに異なる物質である第１層４４ａと第２層４４ｂを含んで接合特性と抵抗特性を同時に向上させることができる。これによって、太陽電池の光電変換効率をより向上させることができる。
図４は、本発明の第３実施形態に従う太陽電池の概略的な断面図である。
図４を参照すると、本実施形態のグリッド電極４６は、互いに異なる金属層である第１金属層４６ａと第２金属層４６ｂが第２電極層３９の上に順次に積層して形成される。
一例として、第１金属層４６ａは、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、これらを含む合金などで形成され、第２金属層４６ｂは金（Ａｕ）を含むことができる。このような第１金属層４６ａと第２金属層４６ｂは、透過性を有することができる程度の薄い厚さで形成されるので、グリッド電極４６が透過性及び伝導性を有することができる。
本実施形態では、グリッド電極４６が金属からなって抵抗をより低減させることができる。これによって、太陽電池の光電変換効率をより向上させることができる。
グリッド電極４６の抵抗及び透過性を考慮すれば、第２電極層３９の厚さ（Ｔ３）に対するグリッド電極４６の厚さ（Ｔ４）の割合（Ｔ４／Ｔ３）が０．３乃至１でありうる。
このような第１及び第２金属層４６ａ、４６ｂは、マスク（図示せず）を用いた蒸発法、スパッタリング法等により形成される。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではなく、多様な方法により形成できることは勿論である。
図４及び前述した説明では、グリッド電極４６が第１及び第２金属層４６ａ、４６ｂの２層を含むものと図示及び説明したが、実施形態はこれに限定されるものではない。したがって、グリッド電極４６は３層以上の金属層が積層して形成されることもできる。即ち、グリッド電極４６が少なくとも２層の金属層が積層して形成されればよい。
以上、実施形態に説明された特徴、構造、効果などは、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれ、必ず１つの実施形態のみに限定されるものではない。延いては、各実施形態で例示された特徴、構造、効果などは、実施形態が属する分野の通常の知識を有する者により他の実施形態に対しても組合または変形されて実施可能である。したがって、このような組合と変形に関連した内容は本発明の範囲に含まれることと解釈されるべきである。
以上、本発明を好ましい実施形態をもとに説明したが、これは単なる例示であり、本発明を限定するのでない。本発明の本質的な特性を逸脱しない範囲内で、多様な変形及び応用が可能であることが同業者にとって明らかである。例えば、実施形態に具体的に表れた各構成要素は変形して実施することができ、このような変形及び応用にかかわる差異点も、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解釈されるべきである。
Claims (3)
- 基板と、
前記基板の上に位置する第１電極層と、
前記第１電極層の上に位置する光吸収層と、
前記光吸収層の上に位置し、透光性伝導性物質を含む第２電極層と、
前記第２電極層の上に位置し、透光性伝導性物質を含むグリッド電極と、を含み、
前記グリッド電極は、透明伝導性物質を含む第１層と、前記第１層より低い抵抗を有する透光性金属である第２層とから形成され、
前記グリッド電極の第１層は、前記第２電極層と一体形成され、
前記第１層の上に第２層が配置され、
前記グリッド電極の第１層と前記第２電極層は、同一物質で構成されることを特徴とする、太陽電池。 - 前記グリッド電極の第１層及び前記第２電極層は、アルミニウムドーピングされた酸化亜鉛（aluminum doped zinc oxide；ＡＺＯ）、ふっ素ドーピングされた酸化スズ（fluorine-doped tin oxide；ＦＴＯ）、ガリウムドーピングされた酸化亜鉛（gallium doped zinc oxide；ＧＺＯ）、及びボロンドーピングされた酸化亜鉛（boron doped zinc oxide；ＢＺＯ）からなる群から選択された物質を少なくとも１つ含むことを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
- 前記金属は、
ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、及びこれらを含む合金からなる群から選択された物質を含むことを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
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