JP7064591B2 - 薄膜太陽電池の製造方法及び薄膜太陽電池 - Google Patents

薄膜太陽電池の製造方法及び薄膜太陽電池 Download PDF

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Description

本発明は、太陽電池製造の技術分野に関し、より具体的には、薄膜太陽電池の製造方法及び薄膜太陽電池に関する。
技術の進歩及びエネルギー問題の解決の緊急の必要性に伴い、太陽電池は、エネルギー変換デバイスとして広く研究・使用されている。たとえば、太陽電池は表示可能な電子製品（ウェアラブルデバイスなど）に適用され、一般に、電子製品には額縁領域と中央表示領域があり、製品の表示外形の特性に応じて、単電池または複数の電池を直列接続する設計が採用され、また、電池の太陽光変換効率を向上させるために、通常、表示領域にも太陽光変換ユニットが設置される。ただし、表示領域の光透過率及び視覚的効果の両方を考慮すると、表示領域の光電変換ユニットの幅は非常に狭く設計されており、金属電極の幅は一般に約１０μｍである。
幅が非常に狭く設計されているため、製造プロセスは、光電変換ユニットの有効面積と製品の信頼性に大きな影響を与える。
前記従来技術の欠点を解決するために、本発明は、前記絶縁層の外周と前面電極との間に角度範囲３５°～７５°のＴａｐｅｒ角を形成することによって、最大の太陽光吸収面積と最低の金属補助電極の反射視認性を両立させ、且つ製品の信頼性を確保することができる、薄膜太陽電池の製造方法及び薄膜太陽電池を提供する。
本発明が実現しようとする技術的効果は、以下の技術案によって実現される。薄膜太陽電池の製造方法であって、
透明基板を提供し、表示モジュールに向かう透明基板の一方側に、前面電極、光吸収層及び裏面電極を順次堆積して成膜するステップＳ１００と、
裏面電極、光吸収層及び前面電極を順次エッチングするステップＳ２００と、
前記裏面電極と光吸収層を覆い、前面電極に接触して接続するまで延びている絶縁層を成膜により製造するステップＳ３００と、
絶縁層上に、前面電極に接触するまで延びている金属補助電極を成膜してエッチングする、ステップＳ４００と、を含み、
前記絶縁層の製造過程において、前記絶縁層の外周と前面電極との間に、角度範囲３５°～７５°のＴａｐｅｒ角を形成することを特徴とする。
好ましくは、ステップＳ２００では、前記裏面電極と光吸収層には、ビア領域がさらに開口しており、ステップＳ３００では、前記絶縁層は、ビア領域において前面電極に接触するまで延びている。
好ましくは、前記絶縁層は、ビア領域を不完全に充填することで、前記金属補助電極をビア領域で前面電極に接触させる。
好ましくは、前面電極を製造する前に、透明基板に対してセル分割ラインの遮蔽層を製造する。
好ましくは、前記金属補助電極を製造した後、前記金属補助電極を覆う反射防止層を製造する。
薄膜太陽電池であって、透明基板と、前記透明基板上に設けられ、表示モジュールに向かって配置される太陽光ユニットと、を備え、前記太陽光ユニットは、前記透明基板上に設けられる前面電極、前記前面電極上に設けられる光吸収層、及び前記光吸収層上に設けられる裏面電極を備え、金属補助電極と絶縁層をさらに備え、前記絶縁層は、前記裏面電極及び光吸収層を覆い、前面電極に接触して接続するまで延びており、前記金属補助電極は、前面電極に接触して接続され、絶縁層まで延びており、前記絶縁層の外周と前面電極との間に、角度範囲３５°～７５°のＴａｐｅｒ角が形成される。
好ましくは、前記裏面電極と光吸収層には、ビア領域がさらに開口しており、前記絶縁層は、ビア領域において前面電極に接触して接続される。
好ましくは、前記絶縁層は、ビア領域を不完全に充填し、そして、前記金属補助電極は、ビア領域で前面電極に接触する。
好ましくは、前記金属補助電極には、前記金属補助電極を覆う反射防止層がさらに設けられる。
本発明は、以下の利点を有する。
１、前記絶縁層の外周と前面電極との間に角度範囲３５°～７５°のＴａｐｅｒ角を形成することで、最大の太陽光吸収面積と最低の金属補助電極の反射視認性を両立させ、且つ製品の信頼性を確保することができる。
２、裏面電極と光吸収層にビア領域が開口し、前記絶縁層がビア領域を不完全に充填することで、前記金属補助電極をビア領域で前面電極と接触させ、それによって、前面電極の抵抗をさらに低減させる。
本発明における薄膜太陽電池の平面構造模式図である。 図１のＡ－Ａ部の一実施形態の断面構造模式図１（大Ｔａｐｅｒ角）である。 図１のＡ－Ａ部の一実施形態の断面構造模式図２（小Ｔａｐｅｒ角）である。 図１のＡ－Ａ部の別の実施形態の断面構造模式図１（大Ｔａｐｅｒ角）である。 図１のＡ－Ａ部の別の実施形態の断面構造模式図２（小Ｔａｐｅｒ角）である。
以下、図面及び実施例を参照しながら本発明を詳しく説明し、前記実施例の例示は図面に示され、図面を通じて同じ又は類似した符号は、同じ又は類似した素子又は同じ又は類似した機能を有する素子を表す。以下、図面を参照しながら説明する実施例は、例示的なものである。実施例は、本発明を解釈するものではあるが、本発明を制限するものとして理解されるべきではない。
なお、本発明の説明では、用語「長さ」、「幅」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「垂直」、「水平」、「頂」、「底」、「内」、「外」などにより示される方位又は位置関係は、図面に示される方位又は位置関係に基づくものであり、説明の便宜及び説明の簡素化のために過ぎず、示される装置又は素子が、必ず特定の方位を有したり、特定の方位で構成・操作されたりすることを指示又は示唆するものではなく、このため、本発明を制限するものとして理解されるべきではない。
本発明では、特に明確な規定や限定がない限り、用語「取り付け」、「連結」、「接続」、「固定」、「設置」などの用語は、広義で理解すべきであり、たとえば、固定して接続されてもよく、取り外し可能に接続されてもよく、一体にしてもよい。機械的に接続してもよく、電気的に接続してもよい。直接連結してもよく、中間物を介して間接的に連結してもよく、また、２つの素子の内部が連通してもよく、２つの素子が互いに作用してもよい。当業者であれば、具体的な状況に応じて本発明での上記用語の意味を把握できる。
実施例１
図１－図３に示されるように、本発明の実施例は、薄膜太陽電池の製造方法を提供し、薄膜太陽電池は、透明基板１０と、前記透明基板１０上に設けられ、表示モジュールに向かって配置される太陽光ユニットと、を備え、前記太陽光ユニットは、前記透明基板上に設けられる前面電極２０、前記前面電極２０上に設けられる光吸収層３０、及び前記光吸収層３０上に設けられる裏面電極４０を備え、絶縁層５０と金属補助電極６０をさらに備え、前記絶縁層５０は、前記裏面電極４０及び光吸収層３０を覆い、前面電極２０に接触して接続するまで延びており、前記金属補助電極６０は、前面電極２０に接触して接続され、絶縁層５０まで延びている。
前記薄膜太陽電池の製造方法は、ステップＳ１００～ステップＳ４００を含む。
ステップＳ１００：透明基板１０を提供し、表示モジュールに向かう透明基板１０の一方側に、前面電極２０、光吸収層３０及び裏面電極４０を順次堆積して成膜する。
あるいは、太陽エネルギーの吸収を向上させるために、前面電極２０をテクスチャリングして凹凸のある面を形成するステップをさらに含んでもよい。前記前面電極２０、光吸収層３０及び裏面電極４０の堆積成膜プロセスは従来の一般的な技術であり、特に限定しない。
ステップＳ２００：裏面電極４０、光吸収層３０及び前面電極２０を順次エッチングしてパターニングする。
前記ステップＳ２００のエッチング・パターニングには、上から下へ、裏面電極４０、光吸収層３０及び前面電極２０を順次エッチングしてパターニングし、それによって、裏面電極４０、光吸収層３０及び前面電極２０の性能を確保するとともに、エッチング中に別の層へダメージを与えることを回避する。
ステップＳ３００：前記裏面電極４０上に、前記裏面電極４０及び光吸収層３０を覆い、前面電極２０に接触して接続するまで延びている絶縁層５０を成膜により製造する。前記絶縁層５０は、前記裏面電極４０及び光吸収層３０を保護し、且つ、裏面電極４０と前面電極２０の接触による短絡を防止できる。
ステップＳ４００：絶縁層５０上に、前面電極２０に接触するまで延びている金属補助電極６０を成膜してエッチングする。
前記絶縁層５０の製造には、前記絶縁層５０の外周と前面電極２０との間に、角度範囲３５°～７５°Ｔａｐｅｒ角を形成する。
前記絶縁層のＴａｐｅｒ角をこのような角度範囲に設定することで、最大の太陽光吸収面積と最低の金属補助電極６０の反射視認性を両立できる。
図４－図５に示されるように、本発明のさらなる改良として、ステップＳ２００では、前記裏面電極４０及び光吸収層３０には、ビア領域がさらに開口しており、ステップＳ３００では、前記絶縁層５０は、ビア領域において前面電極２０に接触するまで延びている。前記開口ステップは、裏面電極４０、光吸収層３０をエッチングするときに、マスクを用いてこの領域をエッチングにより除去することでビアを形成することができるが、それに制限されない。
本発明のさらなる改良として、前記絶縁層５０は、ビア領域を不完全に充填することで前記金属補助電極６０をビア領域で前面電極２０に接触させ、それによって、金属補助電極６０と前面電極２０との接触面積を増大し、前面電極２０の抵抗をさらに低減させる。
前記絶縁層５０と透明基板１０との間のＴａｐｅｒ角の形成の原理は、以下のとおりである。図２－図５に示されるように、太陽光ユニットの総幅をＷ／Ｗ’、太陽光ユニットの外エッジ（又はビア領域）内の前面電極２０と光吸収層３０が設置されていない部位の幅をγ／γ’とすれば、金属補助電極６０と前面電極の接触面積の設計値（接触幅又はビアのサイズφ）が一定である場合、絶縁層５０のＴａｐｅｒ角（θ／θ’）の大きさは、金属補助電極６０と太陽光ユニットの外エッジ（又はビア領域内）にある前面電極との接触信頼性に影響する要因である。また、Ｔａｐｅｒ角は、太陽光ユニットの外エッジ（又はビア領域）の周辺にある光吸収層３０の面積に影響する主因でもあり、θが大きいほど、その周辺に残った太陽光吸収有効面積が大きく、ただし、θ値が７５°を超えると、前面電極２０の太陽光ユニットの外エッジ（又はビア領域の底面の円周）での金属補助電極６０の金属堆積層が薄くなり、接合効果が悪くなり（異なる平面の境界では、結晶粒堆積にはずれが存在する）、逆には、Ｔａｐｅｒ角が小さいほど、前面電極２０の太陽光ユニットの外エッジ（又はビア領域の底面の円周）での金属補助電極６０の金属堆積層が厚くなり、接合効果が良好であり（結晶粒の堆積接合状態が平面領域での効果にほぼ相当）、前面電極２０との接合効果もより良好であり、ただし、裏面電極４０を完全に覆うために（光吸収層３０と裏面電極４０の総堆積厚さが一定である場合、絶縁層５０の塗布厚さが十分でなければならない）、また、その周辺にある太陽光吸収有効幅［（Ｗ－γ）＝（Ｗ’－γ’）］を一定に保持するために、この位置での太陽光吸収層の寸法を広くする必要がある。さらに、θ値が減少するのに伴い、太陽光ユニットの外エッジ（又はビア領域内）領域の金属反射面積が倍増し、透明基板１０側から金属が視認されることが明らかになり、製品の信頼性を確保するとともに、太陽光ユニットの外エッジ（又はビア領域内）の金属の反射視認性を制御するために、絶縁層５０のＴａｐｅｒ角を３５°～７５°にする必要がある。
本発明の実施例では、前記絶縁層５０は、好ましくは有機類の感光材料を用いるが、無機類のＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、α－Ｓｉなどを用いてもよい。有機感光材料を用いる場合、前記絶縁層５０の製造プロセスは、Ｓ１塗布、Ｓ２予備硬化、Ｓ３露光、Ｓ４現像、Ｓ５本硬化である。前記有機感光材料を製造するときに、現像と本硬化との間には、退色ステップをさらに含む。
無機類のＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、α－Ｓｉなどの材料を用いる場合、前記絶縁層５０の製造プロセスは、Ｓ１ ＣＶＤ化学気相成膜／マグネトロンスパッタリング成膜、Ｓ２ ＰＲ塗布、Ｓ３予備硬化、Ｓ４露光、Ｓ５現像、Ｓ６ケミカルドライエッチング、Ｓ７剥離である。
本発明の実施例１の薄膜太陽電池の製造には、材料の種類及び特性によって、この角度要件を満たすために異なるプロセス条件が設定されなければならない。ネガティブ有機感光材料を用いる場合、製造プロセスの露光及び本硬化条件はＴａｐｅｒ角に影響する要因である。一般には、正常な露光プロセスのパラメータに対して、低露光量を用いる場合、小さなＴａｐｅｒ角が得られ、逆に、高露光量を用いる場合、大きな（シャープ）Ｔａｐｅｒ角が得られる。ポジティブフォトレジストを用いる場合、露光パラメータの設定とＴａｐｅｒ角の大きさの関係は逆になる。デバイスの構造及び材料の許容温度範囲で、本硬化温度の上昇及び時間の経過に伴い、Ｔａｐｅｒ角も適切に減少する（勾配が小さくなる）。
無機材料及びケミカルドライエッチング方式を用いて絶縁層５０を製造する場合、所望の角度を得るために、ＣＶＤの成膜速度及びケミカルドライエッチング速度を調整する必要がある。小さなＴａｐｅｒ角が必要である場合、膜層が厚くなるのに伴い、ＣＶＤチャンバーの堆積間隔と堆積圧力値を徐々に増大し（増大すると、成膜速率が高くなる）、それによって、膜層の緻密性を徐々に減少させ、ケミカルドライエッチングの場合、最初にエッチングされる絶縁層５０の膜層がよりエッチングされやすくなり、前面電極２０に近い一方側の絶縁層５０がより緻密になり、エッチングによる除去量が少なくなり、エッチングの異方性の結果、小さなＴａｐｅｒ角が形成される。
大きなＴａｐｅｒ角が必要である場合、ＣＶＤチャンバーの堆積間隔と堆積圧力値を増大する程度をその分低減させ、最初にエッチングされる層の緻密性を高めると、好ましい結果が得られる。
本発明のさらなる改良として、前面電極２０を製造する前に、透明基板１０に対してセル分割ラインの遮蔽層を製造し、この分割ラインは、直列接続された複数の薄膜太陽電池の分割に用いられる。
本発明のさらなる改良として、前記金属補助電極６０を製造した後（ステップＳ６後）、反射防止層をさらに製造し、前記反射防止層は、前記金属補助電極６０を覆い、金属補助電極６０による光の反射を防止する。
なお、前記薄膜太陽電池の製造には、最外層となる保護層の製造がさらに含まれ、前記保護層は、裏面電極４０、光吸収層３０、前面電極２０及び金属補助電極６０を保護する。前記保護層の製造には、従来技術の任意の常法が利用できるが、本実施例では、特に説明したり限定したりしない。
本発明の実施例１の前記前面電極２０、光吸収層３０、裏面電極４０、金属補助電極６０、絶縁層５０、セル分割ラインの遮蔽層及び反射防止層の製造方法は、従来技術のいずれも利用でき、したがって、詳しく説明しない。前記光吸収層３０、裏面電極４０及び絶縁層５０上の孔の構造は、それぞれのプロセスによって製造され、本発明では特に制限がない。
実施例２
図１－図３に示されるように、本発明の実施例２は、薄膜太陽電池を提供し、前記薄膜太陽電池は、表示モジュールの表示面側に設けられ、透明基板１０と、前記透明基板１０上に設けられ、表示モジュールに向かって配置される太陽光ユニットと、を備え、前記太陽光ユニットは、前記透明基板１０上に設けられる前面電極２０、前記前面電極２０上に設けられる光吸収層３０、及び前記光吸収層３０上に設けられる裏面電極４０を備える。
前記薄膜太陽電池は、絶縁層５０と金属補助電極６０をさらに備え、前記絶縁層５０は、前記裏面電極４０と光吸収層３０を覆い、前面電極２０に接触して接続するまで延びており、前記金属補助電極６０は、前面電極２０に接触して接続され、絶縁層５０まで延びており、前記絶縁層５０の外周と前面電極２０との間に、角度範囲３５°～７５°のＴａｐｅｒ角が形成される。
本発明の実施例の前記薄膜太陽電池では、前記絶縁層のＴａｐｅｒ角の角度範囲を設定することで、最大の太陽光吸収面積と最低の金属補助電極６０の反射視認性を両立できる。
図４－図５に示されるように、本発明の実施例２のさらなる改良として、前記裏面電極４０と光吸収層３０には、ビア領域がさらに開口しており、前記絶縁層５０は、ビア領域において前面電極２０に接触するまで延びている。
本発明の実施例２のさらなる改良として、前記絶縁層５０は、ビア領域を不完全に充填し、前記金属補助電極６０はビア領域で前面電極２０に接触し、それによって、絶縁層５０と前面電極２０の接触面積を増大し、前面電極２０の抵抗をさらに低減させる。
本発明の実施例２のさらなる改良として、前記金属補助電極６０には、前記金属補助電極６０を覆う反射防止層（未図示）が設けられる。
本発明の実施例の前記薄膜太陽電池は、単体として利用してもよく、複数を直列接続したものとして利用してもよく、本発明では限定しない。複数の薄膜太陽電池を直列接続して使用する場合、前記薄膜太陽電池の間には、セル分割ラインが設けられる。
本発明の実施例では、前記前面電極２０は、ＳｎＯ２、ＩＴＯ、ＡＺＯ、ＢＺＯ、ＧＺＯ又はＺｎＯ等の金属酸化物材質を利用できるが、これらに制限されない。
前記裏面電極４０は、好ましくは、単層電極膜又は多層電極膜を用いるが、単体金属材質、合金材質又は金属酸化物／窒化物／ハライド材質などを用いるが、それに制限されず、これら単体金属材質、合金材質又は金属酸化物／窒化物／ハライド材質に含有される金属元素は、低抵抗率の金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル又はモリブデンなどのうちの１種である。
なお、以上の実施例は、本発明の実施例の技術案を説明するものに過ぎず、制限するものではなく、好適実施例を参照しながら本発明の実施例を詳細に説明したが、当業者であれば、本発明の実施例の技術案を修正したり同等置換を行ったりすることができ、これら修正又は同等置換により、修正された技術案が本発明の実施例の技術案の範囲を逸脱することはない。

Claims (9)

  1. 薄膜太陽電池の製造方法であって、
    透明基板を提供し、表示モジュールに向かう透明基板の一方側に、前面電極、光吸収層及び裏面電極を順次堆積して成膜するステップＳ１００と、
    裏面電極、光吸収層及び前面電極を順次エッチングするステップＳ２００と、
    前記裏面電極と光吸収層を覆い、前面電極に接触して接続するまで延びている絶縁層を成膜により製造するステップＳ３００と、
    絶縁層上に、前面電極に接触するまで延びている金属補助電極を成膜してエッチングする、ステップＳ４００と、を含み、
    前記絶縁層の製造過程において、前記絶縁層の外周と前面電極との間に、角度範囲３５°～７５°のＴａｐｅｒ角を形成し、
    前記金属補助電極の製造過程において、前記絶縁層において前記Ｔａｐｅｒ角が形成された面上から前記前面電極まで延在するように形成する
    ことを特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。
  2. ステップＳ２００では、前記裏面電極と光吸収層には、ビア領域がさらに開口しており、ステップＳ３００では、前記絶縁層は、ビア領域において前面電極に接触するまで延びている、
    ことを特徴とする請求項１に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
  3. 前記絶縁層は、ビア領域を不完全に充填することで、前記金属補助電極をビア領域で前面電極に接触させる、
    ことを特徴とする請求項２に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
  4. 前面電極を製造する前に、透明基板に対してセル分割ラインの遮蔽層を製造する、
    ことを特徴とする請求項１に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
  5. 前記金属補助電極を製造した後、前記金属補助電極を覆う反射防止層を製造する、
    ことを特徴とする請求項１に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
  6. 薄膜太陽電池であって、透明基板と、前記透明基板上に設けられ、表示モジュールに向かって配置される太陽光ユニットと、を備え、前記太陽光ユニットは、前記透明基板上に設けられる前面電極、前記前面電極上に設けられる光吸収層、及び前記光吸収層上に設けられる裏面電極を備え、金属補助電極と絶縁層をさらに備え、前記絶縁層は、前記裏面電極及び光吸収層を覆い、前面電極に接触して接続するまで延びており、前記金属補助電極は、前面電極に接触して接続され、絶縁層まで延びており、前記絶縁層の外周と前面電極との間に、角度範囲３５°～７５°のＴａｐｅｒ角が形成され、前記金属補助電極は、前記絶縁層において前記Ｔａｐｅｒ角が形成された面上から前記前面電極まで延在するように形成される
    ことを特徴とする薄膜太陽電池。
  7. 前記裏面電極と光吸収層には、ビア領域がさらに開口しており、前記絶縁層は、ビア領域において前面電極に接触して接続される、
    ことを特徴とする請求項５に記載の薄膜太陽電池。
  8. 前記絶縁層は、ビア領域を不完全に充填し、そして、前記金属補助電極は、ビア領域で前面電極に接触する、
    ことを特徴とする請求項６に記載の薄膜太陽電池。
  9. 前記金属補助電極には、前記金属補助電極を覆う反射防止層がさらに設けられる、
    ことを特徴とする請求項５－７のいずれか一項記載の薄膜太陽電池。
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