JP5947315B2 - 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。
太陽電池は、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換させる。このような太陽電池は、最近、エネルギーの需要が増加するにつれて商業的に広く用いられている。
太陽電池は、構造によってスーパーストレート（Super Straight）型またはサブストレート（Sub Straight）型に分けられる。スーパーストレート型太陽電池は、透光性基板から光を入射させる形態であって、透光性基板−透明電極層−光吸収層−裏面電極層の順に形成される。
特開２０１０−２５１７０４号公報
上記のような太陽電池の光電変換効率を上げるためには、ＰＮ接合面の面積を増加させなければならないが、ＰＮ接合面をなす光吸収層は基板と平行に形成されることが一般的であるので、光電変換効率を極大化させるには限界がある。
本発明は、光吸収層の有効面積を増加させて光−電変換効率が向上した太陽電池及び太陽電池の製造方法を提供することをその目的とする。
本発明の実施形態に従う太陽電池は、基板の上に配置される透明電極層、上記透明電極層の上に配置され、傾斜した側面を含むパターン部を多数個含むパターン層、上記パターン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裏面電極層を含む。
本発明の他の実施形態に従う太陽電池は、基板の上に配置される透明電極層、上記透明電極層の上に配置され、傾斜した側面を含むパターン部を多数個含むパターン層、上記パターン層の上に配置され、上記パターン部に対応する第１パターンを含む光吸収層、及び上記光吸収層の上に配置され、上記パターン部に対応する第２パターンを含む裏面電極層を含む。
本発明の一実施形態に従う太陽電池の製造方法は、基板の上に透明電極層を形成するステップ、上記透明電極層の上に、傾斜した側面を含むパターン部を多数個含むパターン層を形成するステップ、上記パターン層の上に光吸収層を形成するステップ、及び上記光吸収層の上に裏面電極層を形成するステップを含む。
本発明に従う太陽電池は、透明電極層の上にパターン部を含むパターン層を形成することによって、透明電極層の上に形成される光吸収層の有効表面積を増加させることができる。したがって、本発明に従う太陽電池は、向上した光−電変換効率を有することができる。
また、光吸収層で吸収できず、透明電極層に入射される光は、傾斜をなすパターン部の側面によりまた光吸収層に乱反射される。即ち、本発明に従う太陽電池は、上記パターン部によって光の乱反射効率を上げて太陽電池の効率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、各パネル、配線、電池、装置、面、またはパターンなどが、各パネル、配線、電池、装置、面、またはパターンなどの“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を示す断面図であり、図２は本発明の実施形態に従う透明電極層を示す平面図である。また、図３は本発明の実施形態に従う透明電極層を中心として示す断面図である。
図１を参照すると、実施形態に従う太陽電池は、基板１００、上記基板１００の上に形成された透明電極層２００、上記透明電極層２００の上に形成されたパターン層２１０、上記パターン層２１０の上に形成されたバッファ層３００、上記バッファ層３００の上に形成された光吸収層４００、及び上記光吸収層４００の上に形成された裏面電極層５００を含む。また、図１に図示してはいないが、上記透明電極層２００と上記バッファ層３００との間には高抵抗バッファ層がさらに配置される。
上記基板１００はプレート形状を有し、上記透明電極層２００、上記パターン層２１０、上記バッファ層３００、上記光吸収層４００、及び上記裏面電極層５００を支持する。
上記基板１００は透明であり、リジッドまたはフレキシブルでありうる。
上記基板１００は絶縁体でありうる。例えば、上記基板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、上記基板１００はナトリウム成分が含まれたソーダライムガラス（soda lime glass）基板でありうる。これとは異なり、上記基板１００の材質に、アルミナのようなセラミック基板、ステンレススチール、柔軟性のある高分子などが使われる。
上記透明電極層２００は透光性伝導性物質で形成される。また、上記透明電極層２００はｎ型半導体の特性を有することができる。この際、上記透明電極層２００は上記バッファ層３００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４００とＰＮ接合を形成することができる。
上記透明電極層２００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。但し、上記透明電極層２００の材質はこれに限定されず、光透過率と電気伝導性の高い物質である酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）のうち、いずれか１つの物質を含んで形成される。また、上記透明電極層２００の厚さは約１００ｎｍ乃至約５００ｎｍでありうる。
上記透明電極層２００の上にはパターン層２１０が配置される。上記パターン層２１０は傾斜した側面を有するパターン部２２０を多数個含む。上記パターン層２１０は、上記基板１００に入射される太陽光を効果的に捕獲して太陽電池効率を向上させる役割をする。上記のような構造を含むパターン層２１０については、今後、図面を参照して詳細に説明する。
上記透明電極層２００の上にはバッファ層３００が配置される。上記バッファ層３００は、上記光吸収層４００と以後に説明される裏面電極層５００とのエネルギーギャップ差を緩和させる役割をする。
上記バッファ層３００は、硫化カドミウム、ＺｎＳ、ＩｎＸＳＹ及びＩｎＸＳｅＹＺｎ（Ｏ，ＯＨ）などを含む。上記バッファ層３００の厚さは約５０ｎｍ乃至約１５０ｎｍであり、上記バッファ層３００のエネルギーバンドギャップは、約２．２ｅＶ乃至２．４ｅＶでありうる。
これとは異なり、上記バッファ層３００の上には高抵抗バッファ層がさらに配置される。上記高抵抗バッファ層は高い抵抗を有するように形成されて、上記透明電極層２００との絶縁及び衝撃ダメージ（Damage）を防止することができる。上記高抵抗バッファ層に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）を使用することができる。上記高抵抗バッファ層のエネルギーバンドギャップは、約３．１ｅＶ乃至約３．３ｅＶでありうる。
上記バッファ層３００の上には光吸収層４００が配置される。上記光吸収層４００はＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族系化合物を含み、ＣＩＧＳ、ＣＩＳ、ＣＧＳ、ＣｄＴｅのうち、少なくともいずれか１つの物質で形成される。例えば、上記光吸収層４００は、ＣｄＴｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ、Ｓ）２、Ａｇ（ＩｎＧａ）Ｓｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ、Ａｌ）Ｓｅ２、ＣｕＧａＳｅ２からなるグループから選択された少なくとも１つの物質からなることができる。
上記光吸収層４００の上には裏面電極層５００が配置される。上記裏面電極層５００は導電層である。上記裏面電極層５００は、モリブデン（Ｍｏ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、及び銅（Ｃｕ）のうち、いずれか１つで形成されるが、これに制限されるものではない。
一方、図２及び図３に示すように、上記透明電極層２００の上にはパターン層２１０が形成される。上記パターン層２１０は上記透明電極層２００の一面の上に形成される。より具体的に、上記パターン層２１０は上記透明電極層２００の上面に直接接触して配置される。上記パターン層２１０と上記透明電極層２００は一体形成されたものであるが、これに制限されるものではない。
上記パターン層２１０は傾斜した側面２２４を有するパターン部２２０を多数個含む。上記多数個のパターン部２２０は、透明電極層２００の上部に向けて突出した形状を有する。例えば、上記パターン部２２０はワッフル形成であるが、これに制限されるものではない。
上記多数個のパターン部２２０は、図２及び図３のように、上記透明電極層２００の上に一定間隔で離隔形成される。即ち、上記多数個のパターン部２２０は、上記透明電極層２００の上に規則的に配列される。一方、本願はこれに制限されず、上記多数個のパターン部２２０は上記透明電極層２００の上に不規則的に形成される。より詳しくは、上記多数個のパターン部２２０は上記透明電極層２００の上に規則的に配列されることが好ましい。
上記多数個のパターン部２２０の各々は上記基板１００と水平した水平面２２２及び傾斜した側面２２４を有する。上記傾斜した側面２２４は上記透明電極層２００または上記基板１００に対して一定角度に傾斜しながら形成される。即ち、上記パターン部２２０の側面２２４は下方に向けて外向傾斜して形成される。
上記多数個のパターン部２２０は、上記傾斜した側面２２４により互いに連結される。より詳しくは、どのパターン部の傾斜した側面２２４の下端部は離隔形成されたパターン部２２０側面の下端部と連結される。このような方法により上記パターン部２２０は互いに連結される。
上記パターン部の高さ（ｈ２）は上記透明電極層の厚さ（ｈ１）と対応するように形成される。例えば、上記パターン部の高さ（ｈ２）は上記透明電極層の厚さ（ｈ１）の約０．５倍乃至約１．５倍であるが、これに制限されない。より詳しくは、上記パターン部の高さ（ｈ２）は上記透明電極層の厚さ（ｈ１）と同一であるが、これに制限されるものではない。また、上記パターン部２２０の長さ（Ｌ１）は上記パターン部２２０の間の長さ（Ｌ２）と対応するように形成される。また、上記パターン部２２０の中心の間の距離（ｄ）は約２μｍ乃至約４μｍに形成されるが、これに制限されるものではない。
上記パターン部２２０がなす角度（θ）、即ち、上記パターン部２２０の各々の側面２２４がなす角度（θ）は、上記透明電極層２００及び上記パターン層２１０の厚さの和（ｈ）と上記パターン部２２０の中心の間の距離（ｄ）によって決まる。より詳しくは、上記パターン部２２０がなす角度（θ）は、下記の＜数式１＞により決まる。
ここで、パターン部２２０の側面２２４が同一な長さを有する場合、ａ１、ａ２は同一な角度を有する。したがって、パターン部２２０の間になす角度（θ）は、＜数式２＞乃至＜数式４＞により決まる。
したがって、最終のパターン部の間の角度（θ）は、＜数式４＞による値から決まる角度以下に形成されることが好ましい。
図４は、本発明の実施形態（ａ）及び比較例（ｂ）に従う太陽電池の効率を示すグラフである。より詳しくは、図４は、本発明の実施形態に従うパターン層を含む太陽電池（ａ）と従来の太陽電池（ｂ）の電流密度と電圧との間の相関関係を示すグラフである。図４を参照すると、実施形態に従うパターン層２１０を含む太陽電池（ａ）の効率は従来のパターン層が形成されていない太陽電池（ｂ）に比べて約２０％増加した。
即ち、図４を参照すると、実施形態に従う太陽電池は、透明電極層２００の上にパターン層２１０を形成することによって、太陽電池の有効面積を増加させて効率を上げることができることが分かる。特に、前述した＜数式１＞乃至＜数式４＞を参照して、パターン層２１０の構造を最適化することで、光捕集力を高めて既存の構造に比べて相当な効果を得ることができる。
図５乃至図７は、本発明の実施形態に従う透明電極層２００の変形例を示す断面図である。図５を参照すると、実施形態に従う透明電極層２００の上には多数個のパターン部２２０がワッフル構造で形成されてパターン層２１０を形成することができる。上記パターン部２２０の上面２２２は上記基板１００と水平に形成され、上記パターン部の側面２２４は上記透明電極層２００に対して傾斜を有するように形成される。また、ある１つのパターン部の側面は、上記パターン部と離隔配置された更に他のパターン部の側面と連結され、これによって、多数のパターン部２２０は一定角度をなすように形成される。ここで、多数のパターン部がなす角度（θ）は上記透明電極層２００の厚さと上記パターン部２２０との間の中心距離によって決まり、前述したような方法により求められる。
一方、図５を参照すると、上記パターン部２２０の表面には凹凸がさらに形成される。即ち、上記パターン部２２０の上面２２２及び側面２２４には有効表面積を増加させるために凹凸がさらに形成される。このような凹凸は多様な形状に形成され、例えば、上記凹凸の断面は、多角形、球形、半球形、または楕円形及びこれを組み合わせて形成される断面を含むことができる。また、上記凹凸はパターン部２２０の表面に不規則または規則的に形成される。
このように、上記透明電極層２００の上に形成された凹凸を含むパターン層２１０は太陽電池の有効表面積をより増加させて、太陽電池の効率をより高めることができる効果がある。
また、図６に示すように、実施形態に従う透明電極層２００の上には一定の傾斜をなす多数のパターン部２２０だけで構成されたパターン層２１０が形成される。図６を参照すると、上記パターン部２２０の上部は三角形状で形成され、側面は傾斜をなすように形成される。ここで、多数のパターン部がなす角度（θ）は前述したように、透明電極層２００の厚さとパターン部２２０との間の中心距離によって決まる。上記のような構造は、多数のパターン部２２０が一定の間隔をなすように形成して太陽電池の効率を上げることができ、特に、パターン部２２０の傾斜を含む側面のみからなるようにすることで、光の乱反射効率を上げて、太陽電池の効率をより向上させることができる。
また、図７に示すように、実施形態に従う太陽電池は、段部２２６をさらに含むことができる。即ち、上記透明電極層２００の上には多数のパターン部２２０がワッフル構造で形成されてパターン層２１０をなして、上記パターン部２２０の側面は段部２２６をなすように形成される。上記段部２２６は、図７のように、水平部で形成されたり、これとは異なり、垂直部で形成される。図７では上記パターン部２２０の側面に１つの段部２２６をなすように形成したが、２つ以上の段部が形成できる。また、図７では上記パターン部２２０の上部が山形状に形成されたが、上記基板１００と水平をなすように形成できる。
上記のような構造は、パターン部２２０の側面に１つ以上の段部２２６を形成することによって、太陽電池の有効表面積をより増加させて太陽電池効率を向上させることができる効果を有する。
図８は、本発明の他の実施形態に従う太陽電池の断面を示す断面図である。図８を参照すると、実施形態に従う太陽電池は、基板１００の上に配置される透明電極層２００、上記透明電極層２００の上に配置され、傾斜した側面を有するパターン部２２０を多数個含むパターン層２１０、上記パターン層２１０の上に配置され、上記パターン部２２０に対応する第３パターンを含むバッファ層３００、上記バッファ層３００の上に配置され、上記パターン部２２０に対応する第１パターンを含む光吸収層４００、及び上記光吸収層の上に配置され、上記パターン部に対応する第２パターンを含む裏面電極層５００を含む。上記第１パターン乃至上記第３パターンは、上記パターン部２２０と対応して形成される。即ち、上記第１パターン乃至上記第３パターンは、上記パターン部２２０と同一な形状を有することができる。例えば、上記第１パターン乃至上記第３パターンはワッフル形状であるが、これに制限されるものではない。
即ち、実施形態に従う太陽電池は、上記透明電極層２００の上に上記パターン層２１０を形成することによって、上記パターン層２１０の上に形成される各層も上記パターン層２１０と対応する構造を有することができる。
図９乃至図１２は、本発明の実施形態に従う太陽電池の製造方法を示す断面図である。本製造方法に関する説明は、前述した太陽電池に対する説明を参考にする。前述した太陽電池に対する説明は、本製造方法に関する説明に本質的に結合できる。
図９に示すように、基板１００が設けられれば、上記基板１００の一面に透明電極層２００を形成するステップを遂行する。上記透明電極層２００はＡＺＯをスパッタリングにより上記基板１００の上に蒸着される。また、上記透明電極層２００は、約２μｍ乃至約４μｍの厚さで蒸着されるが、これに制限されるものではない。
次に、図１０に示すように、上記透明電極層２００の上にパターン層２１０を形成する。上記パターン層２１０は、上記透明電極層２００の一部をエッチングして形成される。より詳しくは、上記パターン層２１０は、上記透明電極層２００の上部のうち、一定の部分をエッチングすることにより製造できる。即ち、上記透明電極層２００及び上記パターン層２１０は一体に形成される。
例えば、上記パターン層２１０は、上記透明電極層２００の上にマスクを配置して露光工程及び／または湿式エッチング工程を遂行することにより形成できる。この際、上記パターン層２１０の傾斜面２２４は湿式エッチングにより、垂直、水平のエッチング率が同一に形成できる。即ち、上記傾斜面２２４は、上記湿式エッチング工程で自然的に傾斜エッチングされて形成されたものでありうる。
一方、今までは上記パターン層２１０を形成するための方法として湿式エッチング工程のみを言及したが、これとは異なり、当業界で通常的に使われる多様なエッチング工程が使われることができる。例えば、上記パターン層２１０は湿式エッチングの他にプラズマを用いたＰＶＤまたはＣＶＤを使用して傾斜面を形成することができるが、これに制限されるものではない。
次に、図１１を参照すると、上記パターン層２１０が形成された透明電極層２００の上にバッファ層３００と光吸収層４００を形成するステップを遂行する。
上記バッファ層３００は硫化カドミウムをスパッタリング工程または化学溶液成長法（Chemical Bath Deposition：ＣＢＤ）により蒸着して形成することができる。
上記光吸収層４００は、Ｉ族−ＩＩＩ族−ＶＩ族系化合物で形成される。より詳しくは、上記光吸収層４００は、銅−インジウム−ガリウム−セレナイド系（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２；ＣＩＧＳ系）化合物を含む。これとは異なり、上記光吸収層３００は銅−インジウム−セレナイド系（ＣｕＩｎＳｅ２；ＣＩＳ系）化合物、または銅−ガリウム−セレナイド系（ＣｕＧａＳｅ２；ＣＩＳ）系化合物を含むことができる。
例えば、上記バッファ層３００の上に光吸収層４００を形成するために、上記バッファ層３００の上に銅ターゲット、インジウムターゲット、及びガリウムターゲットを使用してＣＩＧ系金属プリカーサ（precursor）膜が形成される。以後、上記金属プリカーサ膜はセレニゼーション（selenization）工程により、セレニウム（Ｓｅ）と反応してＣＩＧＳ系光吸収層４００が形成される。
これとは異なり、上記光吸収層４００は、銅、インジウム、ガリウム、セレナイド（Ｃｕ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅ）を同時蒸着法（co-evaporation）により形成することもできる。
次に、図１２に示すように、上記光吸収層４００の上に裏面電極層５００を形成するステップを遂行する。上記裏面電極層５００はＭｏをスパッタリング工程により一定の厚さ、例えば、１μｍで蒸着される。
上記のように裏面電極層５００を形成するステップを終わると、実施形態に従う太陽電池の製造が完了する。
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。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 (9)
- 基板の上に配置される透明電極層と、
前記透明電極層の上に配置され、上面が水平な水平面と側面が傾斜した傾斜面とを含む多数個のパターン部が規則的に配列されるように含まれるパターン層と、
前記パターン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裏面電極層と、
を含み、
前記パターン部の高さは前記透明電極層の高さと対応するように形成され、
前記多数個のパターン部の各々は前記傾斜した側面により互いに連結されることを特徴とする、太陽電池。 - 前記パターン部の表面には凹凸がさらに形成されることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
- 前記凹凸の断面は、多角形、球形、半球形、または楕円形であることを特徴とする、請求項２に記載の太陽電池。
- 前記パターン部の側面は段部を含むことを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
- 前記傾斜は以下の式から決まった角度以下に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
- 基板の上に配置される透明電極層と、
前記透明電極層の上に配置され、上面が水平な水平面と側面が傾斜した傾斜面とを含む多数個のパターン部が規則的に配列されるように含まれるパターン層と、
前記パターン層の上に配置され、前記パターン部に対応する第１パターンを含む光吸収層と、
前記光吸収層の上に配置され、前記パターン部に対応する第２パターンを含む裏面電極層と、
を含み、
前記パターン部の高さは前記透明電極層の高さと対応するように形成され、
前記多数個のパターン部の各々は前記傾斜した側面により互いに連結されることを特徴とする、太陽電池。 - 前記パターン部の表面には凹凸がさらに形成されることを特徴とする、請求項６に記載の太陽電池。
- 前記凹凸の断面は、多角形、球形、半球形、または楕円形であることを特徴とする、請求項７に記載の太陽電池。
- 前記傾斜は以下の式から決まった角度以下に形成されることを特徴とする、請求項６に記載の太陽電池。
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