JP5881717B2 - 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する太陽電池に対する開発が進められている。
太陽電池は、シリコン系太陽電池、非シリコン系太陽電池、染料感応太陽電池などに分けられる。そのうち、中非シリコン系太陽電池は薄膜で形成可能であるので、材料の消耗を減らし、かつ太陽電池の活用範囲を広げることができる。また、非シリコン系太陽電池に使われる光吸収層は、光による劣化現象が少なくて寿命が長いという長所がある。
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、光電変換効率が向上でき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の製造方法は、基板に第１電極層を形成するステップ、上記第１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バッファ層を形成するステップ、上記バッファ層の酸素含有量を減少させるように熱処理するステップ、及び上記バッファ層の上に第２電極層を形成するステップを含む。
上記熱処理するステップは、急速アニーリング（rapid thermal annealing；ＲＴＡ）工程により遂行できる。上記熱処理するステップの熱処理温度が２５０乃至４００℃でありうる。上記熱処理するステップは、真空または水素雰囲気下で遂行できる。
上記熱処理するステップにより熱処理されたバッファ層の酸素含有量が２乃至５ａｔ％でありうる。上記熱処理するステップの以前に上記バッファ層の酸素含有量が６ａｔ％以上でありうる。
上記バッファ層を形成するステップでは、化学溶液成長法（chemical bath depositon；ＣＢＤ）により上記バッファ層を形成することができる。上記バッファ層が硫化カドミウム（ＣｄＳ）または硫化亜鉛（ＺｎＳ）を含むことができる。
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、酸素含有量が２乃至５ａｔ％であるバッファ層、及び上記バッファ層の上に位置する第２電極層を含む。
上記バッファ層が硫化カドミウム（ＣｄＳ）または硫化亜鉛（ＺｎＳ）を含むことができる。
本発明によれば、バッファ層を熱処理して酸素含有量を調節することによって、光吸収層の界面での再結合を防止しながらも光電変換効率が向上できる太陽電池を製造することができる。
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。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の製造方法を示す工程流れ図である。そして、図２乃至図７は、本発明の実施形態に従う太陽電池の製造方法の各ステップを示す断面図である。
図１を参照すると、実施形態に従う太陽電池の製造方法は、第１電極層を形成するステップ（ＳＴ１０）、光吸収層を形成するステップ（ＳＴ２０）、バッファ層を形成するステップ（ＳＴ３０）、熱処理するステップ（ＳＴ４０）、高抵抗バッファ層を形成するステップ（ＳＴ５０）、及び第２電極層を形成するステップ（ＳＴ６０）を含むことができる。このようなステップを各々図２乃至図７を参照してより詳細に説明する。
まず、図２に示すように、第１電極層を形成するステップ（ＳＴ１０）では、基板１０を用意し、この基板１０に第１電極層３１を形成する。
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。一例に、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。
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される。
図面では基板１０の上に直ぐ第１電極層３１が形成されることが例示として図示されたが、これに限定されるものではない。したがって、基板１０と第１電極層３１との間に拡散防止膜（図示せず）のような層が介されることもできる。
次に、図３に示すように、光吸収層を形成するステップ（ＳＴ２０）では、第１電極層３１の上に光吸収層３３を形成する。
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、スパッタリング工程で、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。
次に、図４に示すように、バッファ層を形成するステップ（ＳＴ３０）では、光吸収層３３の上にバッファ層３５ａを形成する。
バッファ層３５ａ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、一例に、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３５ａは、化学溶液成長法（chemical bath depositon；ＣＢＤ）により形成される。
一例に、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３５ａ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３５ａ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。
このように形成されたバッファ層３５ａは、酸素含有量が略６ａｔ％以上でありうる。次に、図５に示すように、熱処理するステップ（ＳＴ４０）では、バッファ層３５ａの酸素含有量を減少させる熱処理を行なって酸素含有量が低減したバッファ層（以下、“熱処理されたバッファ層”）３５を形成する。
本実施形態では、急速アニーリング（rapid thermal annealing；ＲＴＡ）工程によりバッファ層３５ａを熱処理してバッファ層３５ａの酸素含有量を低減させることができる。
この場合、熱処理温度は２５０乃至４００℃でありうる。熱処理温度が４００℃を超過する場合には、再蒸着（redeposition）現象及び亀裂現象によってバッファ層３５ａが損傷されることがあり、熱処理温度が２５０℃未満の場合には熱処理による酸素含有量を減らす効果が小さいことがある。即ち、このような熱処理温度はバッファ層３５ａを損傷させないながら、バッファ層３５ａの酸素含有量を適切に低減できる温度に決定されたものである。
そして、熱処理ステップは、バッファ層３５ａの酸素含有量の低減に適した雰囲気で遂行できる。一例として、真空または水素雰囲気で遂行できる。
このような熱処理ステップ（ＳＴ４０）により形成された、熱処理されたバッファ層３５は酸素含有量が２乃至５ａｔ％でありうる。
次に、図６に示すように、高抵抗バッファ層を形成するステップ（ＳＴ５０）では熱処理されたバッファ層３５の上に高抵抗バッファ層３７を形成することができる。
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）を蒸着して形成することができる。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、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。
しかしながら、このような高抵抗バッファ層３７が必須のものではなく、省略することもできる。
次に、図７に示すように、第２電極層を形成するステップ（ＳＴ６０）では、バッファ層３５の上に、より正確には高抵抗バッファ層３７の上に第２電極層（または、ウィンドウ層）３９を形成する。
このような第２電極層３９は透明であるので、光の入射が可能であり、かつ伝導性により電極として機能できる投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。このような第２電極層３９は、多様な方法により形成できる。
前述したような太陽電池の製造方法により製造された太陽電池は、基板１０、第１電極層３１、光吸収層３３、熱処理されたバッファ層３５、及び第２電極層３９を含む。そして、バッファ層３５と第２電極層３９との間に高抵抗バッファ層３７が位置する。
この際、熱処理されたバッファ層３５は、硫化カドミウム（ＣｄＳ）または硫化亜鉛（ＺｎＳ）を含み、酸素含有量が２乃至５ａｔ％でありうる。
このような熱処理されたバッファ層３５の酸素含有量が５ａｔ％以下であるので、太陽電池の光電変換効率を向上することができる。即ち、熱処理されたバッファ層３５の内に酸素含有量が５ａｔ％を超過すれば、熱処理されたバッファ層３５の内の酸素が電子トラップ（electron trap）として作用して光電変換効率を低下させることができる。これによって、本実施形態では熱処理されたバッファ層３５の酸素含有量を５ａｔ％以下に維持して光電変換効率を向上することができる。
そして、熱処理されたバッファ層３５の酸素含有量が２ａｔ％以上であるので、光吸収層３３との界面での再結合（recombination）を効果的に防止することができる。熱処理されたバッファ層３５と光吸収層３３との界面で再結合を防止する物質が概して酸化物（一例として、酸化ナトリウム）であるが、熱処理されたバッファ層３５の酸素含有量があまり低くなれば、このような酸化物の量が減って再結合が発生することがある。これによって、本実施形態では熱処理されたバッファ層３５の酸素含有量を２ａｔ％以上に維持して光吸収層３３の界面での再結合を防止することができる。
図８は、バッファ層の酸素含有量に従う太陽電池の相対的効率を示すグラフである。図８を参照すると、即ち、バッファ層３５の酸素含有量が２％未満または５％を超過する場合には、太陽電池の相対的な効率が９０％未満と低い一方、バッファ層３５の酸素含有量が２〜５ａｔ％の時、太陽電池の相対的な効率が９０％以上と優れる値を有することが分かる。即ち、本実施形態によれば、バッファ層３５の酸素含有量を制御して太陽電池の効率が向上できることが分かる。
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。
Claims (5)
- 基板に第１電極層を形成するステップと、
前記第１電極層の上に光吸収層を形成するステップと、
前記光吸収層の上にバッファ層を形成するステップと、
前記バッファ層の酸素含有量を減少させるように熱処理するステップと、
前記バッファ層の上に第２電極層を形成するステップと、
を含み、
前記熱処理するステップは、急速アニーリング（rapid thermal annealing；ＲＴＡ）工程によって行われ、
前記熱処理するステップの熱処理温度が２５０乃至４００℃であり、
前記熱処理するステップにより熱処理されたバッファ層の酸素含有量が２乃至５ａｔ％であり、相対的な効率が９０％以上であることを特徴とする、太陽電池の製造方法。 - 前記熱処理するステップは、真空または水素雰囲気下で遂行されることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記熱処理するステップの以前に前記バッファ層の酸素含有量が６ａｔ％以上であることを特徴とする、請求項１または２に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記バッファ層を形成するステップでは、化学溶液成長法（chemical bath depositon；ＣＢＤ）により前記バッファ層を形成することを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記バッファ層が硫化カドミウム（ＣｄＳ）または硫化亜鉛（ＺｎＳ）を含むことを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の太陽電池の製造方法。
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