JP5784129B2 - 太陽電池及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、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につれて、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換させる太陽電池に対する開発が進められている。
特に、ガラス基板、金属後面電極層、ｐ型ＣＩＧＳ系光吸収層、高抵抗バッファ層、ｎ型ウィンドウ層などを含む基板構造のｐｎヘテロ接合装置であるＣＩＧＳ系太陽電池が広く使われている。
本発明の目的は、高い光吸収率を有する太陽電池及びその製造方法を提供することにある。
本発明に従う太陽電池は、基板、上記基板の上に配置される裏面電極層、上記裏面電極層の上に配置される光吸収層、及び上記光吸収層の上に配置されるウィンドウ層を含み、上記ウィンドウ層は、上記光吸収層の上に配置されるベース層、及び上記ベース層の上に配置される反射防止パターンを含み、上記反射防止パターンは、上面、及び上記上面から傾斜する方向に延びる傾斜面を含む。
本発明に従う太陽電池は、基板、上記基板の上に配置される裏面電極層、上記裏面電極層の上に配置される光吸収層、及び上記光吸収層の上に配置されるウィンドウ層を含み、上記ウィンドウ層は上面に形成され、第１方向に延びて、互いに離隔する多数個の第１溝、及び上記第１方向と交差する第２方向に延びて、互いに離隔する多数個の第２溝を含む含む太陽電池。
本発明に従う太陽電池の製造方法は、基板の上に裏面電極層を形成するステップ、上記裏面電極層の上に光吸収層を形成するステップ、上記光吸収層の上にウィンドウ層を形成するステップ、上記ウィンドウ層の上にマスクパターンを形成するステップ、及び上記マスクパターンをエッチングマスクとして使用して上記ウィンドウ層をエッチングするステップを含む。
本発明に従う太陽電池は、反射防止パターンを使用して、より多い光の入射を受けることができる。即ち、反射防止パターンはウィンドウ層で反射される光を減らし、光吸収層に入射する光を増加させる。
特に、反射防止パターンは平平な上面及び傾斜面を含む。したがって、上記反射防止パターンの上面及び傾斜面の面積が適当に調節できる。即ち、反射防止パターンが最適の入射率を有するように上面及び傾斜面の面積が調節され、傾斜面の角度が調節できる。
したがって、本発明に従う太陽電池は向上した光学的特性を有し、向上した光−電変換効率を有することができる。
本発明を説明するに当たって、各基板、層、膜、または電極などが、各基板、層、膜、または電極などの“上（on）”に、または“下（under）”に形成されることと記載される場合において、“上（on）”と“下（under）”は、“直接（directly）”または“他の構成要素を介して（indirectly）”形成されることを全て含む。また、各構成要素の上または下に対する基準は、図面を基準として説明する。図面において、各構成要素のサイズは説明のために誇張することがあり、実際に適用されるサイズを意味するものではない。
図１は、本発明の実施形態に従う太陽電池のウィンドウ層を示す斜視図である。図２は、本発明の実施形態に従う太陽電池を切断した断面を示す断面図である。図３は、反射防止パターンを示す平面図である。
図１乃至図３を参照すると、太陽電池は、支持基板１００、裏面電極層２００、光吸収層３００、バッファ層４００、高抵抗バッファ層５００、及びウィンドウ層６００を含む。
上記支持基板１００はプレート形状を有し、上記裏面電極層２００、上記光吸収層３００、バッファ層４００、高抵抗バッファ層５００、及び上記ウィンドウ層６００を支持する。
上記支持基板１００は絶縁体でありうる。上記支持基板１００は、ガラス基板、プラスチック基板、または金属基板でありうる。より詳しくは、上記支持基板１００はソーダライムガラス（soda lime glass）基板でありうる。上記支持基板１００は透明でありえる。上記支持基板１００はリジッドまたはフレキシブルである。
上記裏面電極層２００は上記支持基板１００の上に配置される。上記裏面電極層２００は導電層である。上記裏面電極層２００に使われる物質の例としては、モリブデン（Ｍｏ）などの金属が挙げられる。
また、上記裏面電極層２００は２つ以上の層を含むことができる。この際、各々の層は同一な金属で形成されたり、互いに異なる金属で形成される。
上記光吸収層３００は上記裏面電極層２００の上に配置される。上記光吸収層３００はＩ-ＩＩＩ-ＶＩ族系化合物を含む。例えば、上記光吸収層３００は、銅−インジウム−ガリウム−セレナイド系（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２；ＣＩＧＳ系）結晶構造、銅−インジウム−セレナイド系、または銅−ガリウム−セレナイド系結晶構造を有することができる。
上記光吸収層３００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。
上記バッファ層４００は上記光吸収層３００の上に配置される。上記バッファ層４００は上記光吸収層３００に直接接触する。上記バッファ層４００は硫化カドミウムを含む。上記バッファ層４００のエネルギーバンドギャップは約１．９ｅＶ乃至約２．３ｅＶでありうる。
上記高抵抗バッファ層５００は上記バッファ層４００の上に配置される。上記高抵抗バッファ層５００は不純物がドーピングされていないジンクオキサイド（ｉ−ＺｎＯ）を含む。上記高抵抗バッファ層５００のエネルギーバンドギャップは約３．１ｅＶ乃至３．３ｅＶでありうる。
上記ウィンドウ層６００は上記光吸収層３００の上に配置される。より詳しくは、上記ウィンドウ層６００は上記高抵抗バッファ層５００の上に配置される。上記ウィンドウ層６００は透明で、導電層である。上記ウィンドウ層６００に使われる物質の例としては、アルミニウムがドーピングされたジンクオキサイドなどが挙げられる。
上記ウィンドウ層６００はベース層６１０及び反射防止パターン６２０を含む。
上記ベース層６１０は上記光吸収層３００の上に配置される。より詳しくは、上記ベース層６１０は上記高抵抗バッファ層５００の上に配置される。上記ベース層６１０は上記高抵抗バッファ層５００を全体的に覆うことができる。上記ベース層６１０の厚さは上記ウィンドウ層６００の厚さの１／２より大きいことがある。
上記反射防止パターン６２０は上記ベース層６１０の上に配置される。上記反射防止パターン６２０は上記ベース層６１０と一体形成される。上記反射防止パターン６２０の高さは上記ウィンドウ層６００の厚さの１／２より小さいことがある。即ち、上記反射防止パターン６２０の高さ（Ｈ）は上記ベース層６１０の厚さより小さいことがある。
上記反射防止パターン６２０は突起パターンである。即ち、上記反射防止パターン６２０は上記ベース層６１０から突起される多数個の突起６０２を含む。
各々の突起６０２は上面６２１及び多数個の傾斜面６２２を含む。より詳しくは、各々の突起６０２は上面６２１及び４個の傾斜面６２２を含むことができる。
各々の突起６０２の上面６２１は上記光吸収層３００の上面と同一な方向に延びる。即ち、各々の突起６０２の上面６２１は上記光吸収層３００の上面と実質的に平行である。また、各々の突起６０２の上面６２１は、上記支持基板１００の上面、上記裏面電極層２００の上面、及び上記高抵抗バッファ層５００の上面と同一な方向に延びる。
各々の突起６０２の上面６２１は多角形状を有することができる。より詳しくは、各々の突起６０２の上面６２１は四角形状を有することができる。より詳しくは、各々の突起６０２の上面６２１は直四角形状を有することができる。より詳しくは、各々の突起６０２の上面６２１は正四角形状を有することができる。
各々の突起６０２の傾斜面６２２は上記上面６２１から下方に延びる。より詳しくは、各々の突起６０２の傾斜面６２２は上記上面６２１から上記ベース層６１０に向けて延びる。即ち、上記傾斜面６２２は上記上面６２１に対して傾斜する。
上記傾斜面６２２は、例えば、第１傾斜面６２２ａ、第２傾斜面６２２ｂ、第３傾斜面６２２ｃ、及び第４傾斜面６２２ｄでありうる。この際、上記第２傾斜面６２２ｂは上記第１傾斜面６２２ａ及び上記第３傾斜面６２２ｃに隣接し、上記第３傾斜面６２２ｃは上記第２傾斜面６２２ｂ及び上記第４傾斜面６２２ｄに隣接する。また、上記第４傾斜面６２２ｄは、上記第１傾斜面６２２ａ及び上記第３傾斜面６２２ｃに隣接する。また、上記第１傾斜面６２２ａ及び上記第３傾斜面６２２ｃは互いに対向し、上記第２傾斜面６２２ｂ及び上記第４傾斜面６２２ｄは互いに対向する。
各々の突起６０２の上面６２１に垂直な方向に対して上記傾斜面６２２の角度（θ）は以下の式を満たすことができる。
θ＜ｔａｎ−１（Ｌ／Ｔ）
θ＜ｔａｎ−１（Ｌ／Ｔ）
ここで、Ｌは互いに隣接する突起６０２の上面６２１の間の距離であり、Ｔは上記ウィンドウ層６００の厚さである。
上記突起６０２は錐台形状を有することができる。より詳しくは、上記突起６０２は多角錐台形状を有することができる。より詳しくは、上記突起６０２は四角錐台形状を有することができる。
各々の突起６０２の上面６２１の幅（Ｗ）は約０．５μｍ乃至約１．５μｍであり、各々の突起６０２の上面６２１の間の距離（Ｌ）は約０．５μｍ乃至約４μｍでありうる。また、上記反射防止パターンの高さ（Ｈ）は約０．５μｍ乃至約１μｍでありうる。
上記反射防止パターン６２０に対し、突起パターンにて説明したが、これとは異なり、溝パターン３２３にて説明できる。即ち、上記反射防止パターン６２０は、上記ウィンドウ層６００が一部エッチングされて形成された溝パターン３２３でありうる。
この際、上記溝パターン３２３は第１方向に延びる多数個の第１溝３２３ａ及び上記第１方向と交差する第２方向に延びる多数個の第２溝３２３ｂを含む。この際、上記第１溝３２３ａ及び上記第２溝３２３ｂは互いに交差する。より詳しくは、上記第１溝３２３ａ及び上記第２溝３２３ｂはメッシュ（mesh）形状を有し、互いに交差する。
また、上記第１溝３２３ａは互いに離隔する。上記第１溝３２３ａは上記光吸収層３００の上面に対して傾斜する第１内側面及び第２内側面を含む。この際、上記第１内側面及び上記第２内側面は相接する。即ち、上記第１溝３２３ａの断面はＶ字形状を有することができる。また、上記第１内側面及び上記第２内側面は、上記第２傾斜面６２２ｂ及び上記第４傾斜面６２２ｄと実質的に同一である。
また、上記第２溝３２３ｂは互いに離隔する。上記第２溝３２３ｂは、上記光吸収層３００の上面に対して傾斜する第３内側面及び第４内側面を含む。上記第３内側面及び上記第４内側面は相接する。即ち、上記第１溝３２３ａ及び上記第２溝３２３ｂの断面はＶ字形状を有することができる。また、上記第３内側面及び上記第４内側面は、上記第１傾斜面６２２ａ及び上記第３傾斜面６２２ｃと実質的に同一である。
上記第１溝３２３ａ及び上記第２溝３２３ｂによって上記突起６０２が形成される。これによって、上記第１溝３２３ａ及び上記第２溝３２３ｂの入口の幅は各々の突起６０２の上面６２１の間の距離と同一である。また、上記第１溝３２３ａ及び上記第２溝３２３ｂの深さは上記突起６０２の高さ（Ｈ）と同一である。
実施形態に従う太陽電池は上記反射防止パターン６２０を使用して、より多い光の入射を受けることができる。即ち、上記反射防止パターン６２０は、上記ウィンドウ層６００で反射される光を減らし、上記光吸収層３００に入射する光を増加させる。
特に、上記反射防止パターン６２０の上面６２１及び傾斜面６２２の面積が適当に調節できる。即ち、上記反射防止パターン６２０が最適の入射率を有するように、上記反射防止パターン６２０の上面６２１及び傾斜面６２２の面積が各々調節され、上記傾斜面６２２の角度が調節される。
したがって、本発明に従う太陽電池は向上した光学的特性を有し、向上した光−電変換効率を有することができる。
図４乃至図７は、本発明の実施形態に従う太陽電池を製造するための工程を示す図である。本製造方法では前述した太陽電池を参考して説明する。本製造方法に対する説明に、前述した太陽電池に関する説明は本質的に結合できる。
図４を参照すると、支持基板１００の上にスパッタリング工程によりモリブデンなどの金属が蒸着され、裏面電極層２００が形成される。上記裏面電極層２００は工程条件が互いに異なる２回の工程により形成される。
上記支持基板１００及び上記裏面電極層２００の間には拡散防止膜のような追加的な層が介される。
図５を参照すると、上記裏面電極層２００の上に光吸収層３００が形成される。
上記光吸収層３００はスパッタリング工程または蒸発法等により形成される。
例えば、上記光吸収層３００を形成するために、銅、インジウム、ガリウム、セレニウムを同時または区分して蒸発させながら銅−インジウム−ガリウム−セレナイド系（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２；ＣＩＧＳ系）の光吸収層３００を形成する方法と、金属プリカーサ膜を形成させた後、セレン化（selenization）工程により形成させる方法が幅広く使われている。
金属プリカーサ膜を形成させた後、セレン化することを細分化すれば、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するスパッタリング工程により上記裏面電極２００の上に金属プリカーサ膜が形成される。
以後、上記金属プリカーサ膜はセレン化（selenization）工程により、銅−インジウム−ガリウム−セレナイド系（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２；ＣＩＧＳ系）の光吸収層３００が形成される。
これとは異なり、上記銅ターゲット、インジウムターゲット、ガリウムターゲットを使用するスパッタリング工程及び上記セレン化工程は同時に進行できる。
これとは異なり、銅ターゲット及びインジウムターゲットのみを使用したり、銅ターゲット及びガリウムターゲットを使用するスパッタリング工程、及びセレン化工程により、ＣＩＳ系またはＣＩＧ系光吸収層３００が形成される。
図６を参照すると、上記光吸収層３００の上にバッファ層４００及び高抵抗バッファ層５００が形成される。
上記バッファ層４００は化学溶液蒸着工程（chemical bath deposition；ＣＢＤ）により形成される。例えば、上記光吸収層３００が形成された後、上記光吸収層３００は硫化カドミウムを形成するための物質を含む溶液に浸漬され、上記光吸収層３００の上に硫化カドミウムを含む上記バッファ層４００が形成される。
以後、上記バッファ層４００の上にジンクオキサイドがスパッタリング工程などにより蒸着され、上記高抵抗バッファ層５００が形成される。
図７を参照すると、上記高抵抗バッファ層５００の上にウィンドウ層６００が形成される。上記ウィンドウ層６００を形成するために、上記高抵抗バッファ層５００の上に透明な導電物質が積層されて、透明導電層６０１が形成される。上記透明な導電物質の例としては、アルミニウムドーピングされたジンクオキサイド、インジウムジンクオキサイド、またはインジウムチンオキサイドなどが挙げられる。
図８及び図９を参照すると、上記透明導電層６０１の上にマスクパターン７００が形成される。上記マスクパターン７００は、フォトリソグラフィ工程により形成される。例えば、上記透明導電層６０１の上に感光性樹脂がコーティングされて、フォトレジストフィルムが形成される。上記フォトレジストフィルムの一部が露光され、エッチングされて、上記マスクパターン７００が形成される。
上記マスクパターン７００は島（island）形状を有する。即ち、上記マスクパターン７００は島形状を有する多数個のマスク７０１を含む。この際、上記マスク７０１を互いに離隔する。また、上記マスク７０１はマトリックス形態に配置される。
上記マスク７０１の幅は約１μｍであり、上記マスク７０１の間の間隔は約３μｍでありうる。
上記マスクパターン７００に使われる物質の例としてはシリコンオキサイドまたはシリコンナイトライドなどを挙げることができ、上記マスクパターン７００の厚さは約１μｍでありうる。
図１０及び図１１を参照すると、上記透明導電層６０１は上記マスクパターン７００をエッチングマスクとして使用してエッチングされる。この際、上記透明導電層６０１は湿式エッチング工程または乾式エッチング工程などによりパターニングされる。
これによって、上記マスクパターン７００が配置されていない部分の透明導電層６０１は傾斜しながらエッチングされる。
これによって、上記光吸収層３００の上にベース層６１０及び反射防止パターン６２０を含むウィンドウ層６００が形成され、以後、上記マスクパターン７００は除去される。
上記エッチング工程により上記透明導電層６０１に第１溝３２３ａ及び第２溝３２３ｂが形成され、上記第１溝３２３ａ及び上記第２溝３２３ｂによって上記反射防止パターン６２０が形成される。上記第１溝３２３ａ及び上記第２溝３２３ｂの内側面は上記光吸収層３００の上面に対して傾斜する。
この際、上記透明導電層６０１がエッチングされる深さは、上記透明導電層６０１の厚さの１／２より小さいことがある。即ち、上記第１溝３２３ａ及び上記第２溝３２３ｂの深さは、上記透明導電層６０１の厚さの１／２より小さいことがある。
このように、実施形態に従う太陽電池の製造方法は、向上した入射率を有する太陽電池が容易に提供できる。
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。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。
本発明に従う太陽電池及びその製造方法は、太陽光発電分野に利用できる。
Claims (4)
- 基板と、
前記基板の上に配置される裏面電極層と、
前記裏面電極層の上に配置される光吸収層と、
前記光吸収層の上に配置されるウィンドウ層と、を含み、
前記ウィンドウ層は、
上面に形成され、互いに離隔する多数個の第１溝と、
前記第１溝と交差し、互いに離隔する多数個の第２溝と、
前記第１溝と前記第２溝との間に配置され、前記光吸収層から上方に突出する第１突起及び前記第１突起に隣接する第２突起と、を含み、
前記突起は、上面及び前記上面から傾斜する方向に延びる傾斜面を含み、
前記第１突起の上面と前記第２突起の上面との間の距離は、０．５μｍ乃至４μｍであり、
前記突起の高さは０．５μｍ乃至１μｍであり、前記突起の上面の幅は０．５μｍ乃至１．５μｍであり、
前記溝の深さは前記ウィンドウ層の厚さの１／２より小さく、
前記突起の上面に垂直な方向に対する前記傾斜面の角度（θ）は以下の＜数式１＞を満たし、
前記ウィンドウ層は、アルミニウムがドーピングされたジンクオキサイド、インジウムジンクオキサイド及びインジウムチンオキサイドのうちの一つで形成されたことを特徴とする、太陽電池。
θ＜ｔａｎ−１（Ｌ／Ｔ）・・・＜数式１＞
ここで、Ｌは前記第１突起の上面及び前記第２突起の上面の間の距離であり、Ｔは前記ウィンドウ層の厚さである。 - 前記第１溝は、
前記光吸収層の上面に対して傾斜する第１内側面と、
前記光吸収層の上面に対して傾斜する第２内側面と、を含み、
前記第１内側面及び前記第２内側面は相接す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溝は、
前記光吸収層の上面に対して傾斜する第３内側面と、
前記光吸収層の上面に対して傾斜する第４内側面と、を含み、
前記第３内側面及び前記第４内側面は相接することを特徴とする、請求項２に記載の太陽電池。 - 前記第１溝及び前記第２溝はＶ形状を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽電池。
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