JP5775586B2 - 太陽電池及びこれを含む太陽電池モジュール - Google Patents
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Description
本発明は、太陽電池及びこれを含む太陽電池モジュール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。
本発明の目的は、太陽光を吸収して電気エネルギーを生成できる有効領域を増加させることができる太陽電池及びこれを含む太陽電池モジュールを提供することにある。
本発明に従う太陽電池は、互いに反対になる第１面及び第２面を備える支持基板、上記第１面側に位置し、第１電極、光吸収層、及び第２電極を含む光電変換部、及び上記第１電極及び上記第２電極のうち、少なくともいずれか１つに電気的に連結され、上記第２面側に位置する集電電極を含む。
一方、本発明に従う太陽電池モジュールは、上述した太陽電池、及び上記支持基板の上記第２面に位置するジャンクションボックスを含む。
本発明に従う太陽電池は、集電電極が支持基板の下面に位置するので、支持基板の上面に位置する光電変換部の面積を最大化することができる。これによって、太陽電池の有効面積を増大させることができる。また、延長部及び集電電極を太陽光が入射されない支持基板の後面に位置するようにして、これらを広い面積に形成することができる。これによって、接触抵抗を低めて太陽電池の効率の向上に寄与することができる。
また、延長部が支持基板の側面を覆いかぶせながら支持基板の下面まで延びて、簡単な構造で集電電極を支持基板の下面に位置するようにすることができる。
ひいては、支持基板の下面にジャンクションボックスを位置するようにして、集電電極とジャンクションボックスが同一な面に位置するようにすることができる。これによって、集電電極とジャンクションボックスとの連結構造を単純化することができる。
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。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実施形態を詳細に説明すれば、次の通りである。
図１は本発明の実施形態に従う太陽電池モジュールの前面平面図であり、図２は図１のII−II線に沿う断面図である。図３は本発明の実施形態に従う太陽電池モジュールの背面平面図である。
図１乃至図３を参照すると、本実施形態に従う太陽電池モジュール１００は、太陽電池１１０、そして、該太陽電池１１０で生成された電気を安定的に集めて前記の逆流を防止するジャンクションボックス１２０を含む。
ここで、図２を参照すると、太陽電池１１０は、支持基板１０、この支持基板１０の上に形成された光電変換部２０、及びこの光電変換部２０で生成された電気を集電する集電電極３０を含む。本実施形態では、光電変換部２０を複数に形成し、隣り合う光電変換部２０を直列に連結して、複数の太陽電池セルＣが定義される。これをより詳しく説明すれば、次の通りである。
支持基板１０はプレート形状を有し、これに形成される光電変換部２０及び集電電極３０を支持する。このような支持基板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、支持基板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、支持基板１０が金属基板からなることができる。即ち、求められる太陽電池モジュール１００の特性によって、支持基板１０をリジッド（rigid）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。
支持基板１０の第１面（図面の上面；以下、“上面”）１２に形成される光電変換部２０は、各々、第１電極２１、光吸収層２３、第２電極（Windows層）２９などを含む。以下では、１つの光電変換部２０を基準として説明した後、隣り合う光電変換部２０の連結構造を説明する。
第１電極２１は、優れる電気的特性を有する物質で構成される。一例として、第１電極２１は、モリブデン、銅、ニッケル、アルミニウム、これらの合金などからなることができる。
この第１電極２１の上に太陽光を電気エネルギーに変換する光吸収層２３が形成される。本実施形態では、このような光吸収層２３が非シリコン系半導体物質からなることができる。
即ち、光吸収層２３がI−III−IV族化合物を含むことができる。例えば、光吸収層２３が銅−インジウム−ガリウム−セレナイド系（Ｃｕ（Ｉｎ、Ｇａ）Ｓｅ２；ＣＩＧＳ系）化合物、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２３は、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２３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。
光吸収層２３の上にバッファ層２５及び高抵抗バッファ層２７が形成される。
バッファ層２５は、光吸収層２３の上に形成され、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）からなることができる。
高抵抗バッファ層２７は、第２電極２９の形成時、バッファ層２５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２７は酸化亜鉛（ＺｎＯ）からなることができる。
第２電極２９は、透明で光が入射することができ、かつ伝導性により電極として機能することが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してバッファ層２５とともにｎ型半導体層を形成してｐ型半導体層である光吸収層２３とｐｎ接合を形成することができる。このために、第２電極２９は、例えば、アルミニウムドーピングされたジンクオキサイド（ＡＺＯ）で形成される。
本実施形態では、ＣＩＧＳ系化合物、ＣＩＳ系化合物、ＣＧＳ系化合物、Ｃｄ−Ｔｅ化合物、またはＧａ−Ａｓ化合物を含む光吸収層２３を備えて、優れる光電変換効率を有することができる。これによって、太陽電池モジュール１００を薄い厚さで形成することができるので、材料の消耗を減らし、かつ太陽電池モジュール１００の活用範囲を広めることができる。また、上述した光吸収層２３は、光による劣化現象が少なくて、太陽電池モジュール１００の寿命を増やすことができる。
しかしながら、本実施形態はこれに限定されるものではない。したがって、染料感応型太陽電池、有機太陽電池、シリコン太陽電池を構成する光電変換部を備えることもできる。
このような各々の光電変換部２０は、各太陽電池１１０のセルＣに対応して形成され、隣り合う光電変換部２０が互いに直列に連結される。より詳しく説明すれば、第１電極２１が各太陽電池１１０のセルＣに対応するパターンを有しながら互いに離隔形成される。そして、光吸収層２３、バッファ層２５、高抵抗バッファ層２７、及び第２電極２９が分離パターン４４により各太陽電池１１０のセルＣに対応するように離隔される。そして、光吸収層２３、バッファ層２５、及び高抵抗バッファ層２７に形成されたコンタクトパターン４２を通じて特定セルＣに対応する第１電極２１に、それに隣り合うセルＣに対応する第２電極２９が連結できる。
これによって、各太陽電池１１０のセルＣに対応する各々の光電変換部２０は、第１電極２１、光吸収層２３、バッファ層２５、高抵抗バッファ層２７、及び第２電極２９が順次に積層されている部分として定義できる。
このような光電変換部２０の第１電極２１及び第２電極２９のうち、少なくともいずれか１つに連結されて電流を集電する集電電極３０が電気的に連結される。本実施形態では、集電電極３０が第１集電電極３１及び第２集電電極３２を含み、この第１及び第２集電電極３１、３２が第１電極２１の延長部２１４ａ、２１４ｂに位置することを例示した。
より詳しくは、第１電極２１が支持基板１０の上面１２に位置しながら光電変換部２０を構成する電極部２１２と、支持基板１０の上面１２から第２面（図面の下面；以下、“下面”）１４まで延びる延長部２１４ａ、２１４ｂを含む。この延長部２１４ａ、２１４ｂは、支持基板１０の一側（図面の左側；以下、“左側”）に位置した電極部２１２から支持基板１０の下面１４に延びる第１延長部２１４ａと、支持基板１０の他側（図面の右側；以下、“右側”）に位置した電極部２１２から支持基板１０の下面１４に延びる第２延長部２１４ｂを含む。第１延長部２１４ａと第２延長部２１４ｂは、支持基板１０の下面１４で互いに離隔して形成される。
この際、第１延長部２１４ａはコンタクトパターン４２が位置しない第１電極２１の電極部（図面で最左側の電極部）２１２から延びて、第２延長部２１４ｂはコンタクトパターン４２により第２電極２９と直接連結された第１電極２１の電極部２１２（図面で最右側の電極部）から延びる。これによって、同一な第１電極２１に第１及び第２集電電極３１、３２が全て位置しながらも光電変換部２０を直列に連結することができる。
第１集電電極３１は支持基板１０の下面１４で第１延長部２１４ａに接触形成され、第２集電電極３２は支持基板１０の下面１４で第２延長部２１４ｂに接触形成される。
このように、本実施形態では第１及び第２集電電極３１、３２が支持基板１０の下面１４に位置するので、支持基板１０の上面１２に位置する光電変換部２０の面積を最大化することができる。即ち、従来には第１及び第２集電電極３１、３２が光電変換部２０と一緒に支持基板１０の上面１２に形成されるので、第１及び第２集電電極３１、３２の面積だけ光電変換部２０の面積を縮めなければならないので、太陽電池１１０の有効面積が減る問題があった。しかしながら、本実施形態では第１及び第２集電電極３１、３２が光電変換部２０と異なる面に形成されるので、光電変換部２０の形成面積を最大化して、太陽電池１１０の有効面積を増大させることができる。
また、第１及び第２延長部２１４ａ、２１４ｂ、第１及び第２集電電極３１、３２を太陽光が入射されない支持基板１０の後面１４に位置するようにして、これらを広い面積に形成することができる。これによって、接触抵抗を低めて太陽電池１１０の効率の向上に寄与することができる。
この際、支持基板１０の後面１４で第１延長部２１４ａと第２延長部２１４ｂは約６０μｍ以上の間隔を置いて離隔できる。即ち、第１延長部２１４ａと第２延長部２１４ｂとは互いに電気的に短絡されない程度だけ離隔すればよいので、第１及び第２延長部２１４ａ、２１４ｂと第１及び第２集電電極３１、３２の面積を最大化することができる。
図３には、延長部２１４ａ、２１４ｂと第１及び第２集電電極３１、３２が四角形の平面形状を有することと図示したが、本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４に示すように、延長部２１６ａ、２１６ｂが突出部Ｐ１、Ｐ２を備えて、第１延長部２１６ａの突出部Ｐ１と第２延長部２１６ｂの突出部Ｐ２とが互いに交互に位置し、第１及び第２集電電極１３１、１３２が第１及び第２延長部２１６ａ、２１６ｂに各々対応する形状に形成されることもできる。
このように、第１及び第２延長部、そして第１及び第２集電電極の形状は多様に変形可能であり、これもまた本実施形態に属する。参照に、図４では簡単な説明のために保護フィルム（図２の参照符号５０）及びジャンクションボックス（図３の参照符号１２０）を図示しなかった。
また、図１及び図２を参照すると、第１及び第２延長部２１４ａ、２１４ｂは支持基板１０の側面を覆いかぶせながら支持基板１０の下面１４まで延びて、簡単な構造で第１及び第２集電電極３１、３２を支持基板１０の下面１４に位置するようにすることができる。即ち、支持基板１０に別途に貫通ホールを形成する等の工程が要求されない単純な製造工程により第１及び第２集電電極３１、３２を支持基板１０の下面１４に位置するようにすることができる。
本実施形態では、一例として、支持基板１０に隣接した第１電極２１に集電電極３０を形成したが、本実施形態はこれに限定されるものではない。したがって、第２電極２９に集電電極３０を形成したり、第１電極２１と第２電極２９に各々集電電極３０を形成することも可能である。
そして、太陽電池１１０を保護する保護フィルム５０を太陽電池１１０を覆いかぶせながら形成し、太陽電池１１０の側面に絶縁性封入材６０を形成して太陽電池１１０をモジュール化することができる。これとともに、太陽電池１１０の側面を覆いかぶせるフレーム７０を用いて太陽電池１１０を構成する物質を硬く固定することができる。
また、図３を参照すると、第１及び第２集電電極３１、３２が形成された支持基板１０の下面１４に保護フィルム５０の上にジャンクションボックス１２０が位置する。このジャンクションボックス１２０は、ダイオードなどが設置された回路基板を収容することができ、ケーブル１２２等を介して第１及び第２集電電極３１、３２に連結できる。本実施形態では、第１及び第２集電電極３１、３２とジャンクションボックス１２０とが同一な面に位置するので、これらを連結するための別途のホールを支持基板１０に形成しなくてもよい。このように、第１及び第２集電電極３１、３２とジャンクションボックス１２０との連結構造を単純化することができるので、太陽電池モジュール１００のサイズを減らし、製造工程を単純化することができる。
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、上述したジャンクションボックス１２０及びケーブル１２２が形成されないこともできる。
以下、図５ａ乃至図５ｄを参照して、第１実施形態に従う太陽電池の製造方法をより詳しく説明すれば、次の通りである。図５ａ乃至図５ｄは、本発明の第１実施形態に従う太陽電池の製造方法の工程を示す断面図である。
まず、図５ａに示すように、支持基板１０の後面１４にテープ１６を形成する。このテープ１６は、第１延長部（図２の参照符号２１４ａ；以下、同一）及び第２延長部（図２の参照符号２１４ｂ；以下、同一）が形成されない部分に形成される。
上記テープ１６は、金属、セラミック、ポリマーなどのマスク素材で形成することができる。
次に、図５ｂに示すように、支持基板１０の全体面に伝導性物質を含む伝導性物質層２２０を形成する。伝導性物質層２２０の形成工程では、伝導性物質の供給源または／及び支持基板１０をティルティング（tilting）して支持基板１０の前面、後面、及び側面の全てに伝導性物質が形成されるようにする。蒸着方法には、電気化学蒸着（electrochemical vapor deposition；ＥＶＤ）、スプレー工程などの多様な工程が使用できる。
次に、図５ｃに示すように、テープ（図５ｃの参照符号１６；以下、同一）を除去する。すると、テープ１６の上に形成された伝導性物質層２２０が除去されて、電極部と第１及び第２延長部を備えた第１電極層２２２が形成される。
次に、図５ｄに示すように、第１電極層２２２をパターニングして各太陽電池セルに対応するパターンの電極部２１２を有する第１電極２１を形成する。
次に、光吸収層（図２の参照符号２３）、バッファ層（図２の参照符号２５）、高抵抗バッファ層（図２の参照符号２７）を形成した後、コンタクトパターン（図２の参照符号４２）を形成し、第２電極（図２の参照符号２９）を形成した後、分離パターン（図２の参照符号４４）を形成することができる。これによって、図２の太陽電池１１０を形成することができる。このような工程は多様な工程により遂行できるので、詳細な説明を省略する。
本実施形態では、支持基板１０の後面１４に第１及び第２延長部２１４ａ、２１４ｂを有する第１電極２１を単純な工程により形成することができる。
上述した実施形態ではテープ１６を使用することを例示したが、マスクを使用する等の多様な方法を使用することができる。
以下、図６ａ乃至図６ｃを参照して第２実施形態に従う太陽電池の製造方法を説明する。図６ａ及び図６ｃは、本発明の第２実施形態に従う太陽電池の製造方法の工程を示す断面図である。第１実施形態と同一または極めて類似の工程に対しては詳細な説明を省略し、異なる工程に対してのみ詳細に説明する。
まず、図６ａに示すように、支持基板１０をメッキ液などに浸漬させて支持基板１０の全体面に伝導性物質層２２０を形成する。
次に、図６ｂに示すように、第１延長部（図２の参照符号２１４ａ；以下、同一）及び第２延長部（図２の参照符号２１４ｂ；以下、同一）の伝導性物質層（図５ａの参照符号２２０；以下、同一）を除去して第１電極層２３２を形成することができる。第１延長部２１４ａと第２延長部２１４ｂとの間の伝導性物質層２２０を除去する方法には、チップなどを用いてスクライビングする機械的な方法、またはレーザー、エッチング、またはサンドブラストなどを用いる方法が使用できる。
次に、図６ｃに示すように、第１電極層２３２をパターニングして各太陽電池セルに対応するパターンの電極部２１２を有する第１電極２１を形成する。
次に、光吸収層（図２の参照符号２３）、バッファ層（図２の参照符号２５）、高抵抗バッファ層（図２の参照符号２７）を形成した後、コンタクトパターン（図２の参照符号４２）を形成し、第２電極（図２の参照符号２９）を形成した後、分離パターン（図２の参照符号４４）を形成することができる。これによって、図２の太陽電池１１０を形成することができる。このような工程は多様な工程により遂行できるので、詳細な説明を省略する。
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。ひいては、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。
１０ 支持基板、 ２０ 光電変換部、 ２１ 第１電極、 ２３ 光吸収層、 ２５ バッファ層、 ２７ 高抵抗バッファ層、 ２９ 第２電極、 ３０ 集電電極、 ３１ 第１集電電極、 ３２ 第２集電電極、 １００ 太陽電池モジュール、 １１０ 太陽電池、 １２０ ジャンクションボックス、 ２１２ 電極部、 ２１４ａ 第１延長部、 ２１４ｂ 第２延長部。
Claims (8)
- 互いに反対になる第１面及び第２面を備える支持基板と、
前記第１面側に位置し、第１電極、光吸収層、及び第２電極を含む光電変換部と、
前記第１電極に連結され、前記第２面側に位置する集電電極と、
を含み、
前記第１電極は、前記基板の第１面に位置する電極部と、前記第１面から前記第２面に延びて前記第２面に位置する延長部を含み、
前記集電電極は、前記延長部に接触形成され、
前記第１電極の電極部の上には光吸収層が配置され、前記光吸収層の上に第２電極が配置され、
前記光吸収層は、前記第１電極の電極部と前記第２電極との間に配置され、
前記第１電極は、モリブデン、銅、ニッケル、アルミニウム及びこれらの合金のうち、少なくとも一つからなることを特徴とする、太陽電池。 - 前記延長部は、前記第１面から前記支持基板の側面を覆いかぶせながら前記第２面まで延びることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
- 前記第２電極は、透光性伝導性物質で形成され、
前記第１電極、前記光吸収層、及び前記第２電極が前記支持基板の前記第１面の上に順次に積層されることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。 - 前記延長部は、前記第１電極の電極部の一側から延びる第１延長部と、前記第１電極の電極部の他側から延びて前記第２面で前記第１延長部と隔離する第２延長部を含み、
前記集電電極は、前記第１延長部に接触形成される第１集電電極及び前記第２延長部に接触形成される第２集電電極を含むことを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。 - 前記第１延長部と前記第２延長部は、６０μｍ以上離隔し
前記第１延長部と前記第２延長部は、各々突出部を含み、
前記第１延長部の突出部と前記第２延長部の突出部は、互いに交互に配置されることを特徴とする、請求項４に記載の太陽電池。 - 前記光電変換部は互いに直列に連結される複数の光電変換部を含んで前記第１電極の電極部、前記光吸収層、及び前記第２電極が複数に備えられ、
前記第１延長部は前記第２電極とコンタクトパターンを通じて連結されない前記第１電極の電極部から延びて、前記第２延長部は前記第２電極とコンタクトパターンを通じて連結された前記第１電極の電極部から延びることを特徴とする、請求項５に記載の太陽電池。 - 互いに反対になる第１面及び第２面を備える支持基板、前記第１面側に位置し、第１電極、光吸収層、及び第２電極を含む光電変換部、及び前記第１電極に電気的に連結され、前記第２面側に位置する集電電極を含む太陽電池と、
前記支持基板の前記第２面に位置するジャンクションボックスと、
を含み、
前記第１電極は、前記基板の第１面に位置する電極部と、前記第１面から前記第２面に延びて前記第２面に位置する延長部を含み、
前記集電電極は、前記延長部に接触形成され、
前記第１電極の電極部の上には光吸収層が配置され、前記光吸収層の上に第２電極が配置され、
前記光吸収層は、前記第１電極の電極部と前記第２電極との間に配置され、
前記第１電極は、モリブデン、銅、ニッケル、アルミニウム及びこれらの合金のうち、少なくとも一つからなることを特徴とする、太陽電池モジュール。 - 前記第２電極は、透光性伝導性物質で形成され、
前記延長部は、前記第１面から前記支持基板の側面を覆いかぶせながら前記第２面まで延びることを特徴とする、請求項７に記載の太陽電池モジュール。
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