JP5873881B2 - 太陽光発電装置及びその製造方法。 - Google Patents
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Description
本発明は、太陽光発電装置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光発電装置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、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系太陽光発電装置が広く使われている。
また、このような太陽光発電装置を製造するために、多数個のセルに分離するためのパターニング工程が進行されなければならない。
また、このような太陽光発電装置を製造するために、多数個のセルに分離するためのパターニング工程が進行されなければならない。
本発明の目的は、向上した効率を有し、高い生産性を有する太陽光発電装置及びその製造方法を提供することにある。
太陽光発電装置及びその製造方法が開示される。太陽光発電装置は、基板、上記基板の上に配置されるモリブデン（Ｍｏ）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、上記裏面電極層は上記基板の上に第１電極層、上記第１電極層の上にバリア層、上記バリア層の上に第２電極層を含む。
一実施形態に従う太陽光発電装置の製造方法は、基板の上に裏面電極層を形成するステップ、上記裏面電極層に上記裏面電極層を形成する物質と異なる金属元素をドーピングするステップ、上記裏面電極層の上に光吸収層を形成するステップ、及び上記光吸収層の上にウィンドウ層を形成するステップを含む。
本発明による太陽光発電装置は、開放電圧（Ｖｏｃ）及びＦＦ（Fill factor）が上昇できるので、太陽電池の光電変換効率が増加する。
また、光吸収層の電荷濃度を向上させることができるので、光吸収層の厚さが減少して透過される光に対する損失が低くなる。
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を示す断面図である。
図１を参照すると、太陽電池パネルは、支持基板１００、第１電極層２１０、バリア層２２０、及び第２電極層２３０を含む裏面電極層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、上記バッファ層４００、上記高抵抗バッファ層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がソーダライムガラスで使われる場合、ソーダライムガラスに含まれたナトリウム（Ｎａ）が太陽電池の製造工程中にＣＩＧＳで形成された光吸収層３００に拡散できるが、これによって光吸収層３００の電荷濃度が増加するようになる。これは、太陽電池の光電変換効率を増加させる要因となることができる。
しかしながら、ソーダライムガラス基板の全体にＮａが均一に分布しなかった場合、むしろ各セル別に太陽電池の光電変換効率は不均一になるので、効率上昇に寄与する程度は微々たる。したがって、Ｎａを定量的にドーピングするための試みとして基板でのＮａ拡散を防止するためのバリア層を形成し、別途の均一なＮａ層を形成したりＮａイオンを直接注入する。
その他、支持基板１００の材質として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ことができる。上記支持基板１００は透明であり、リジッドであるか、フレキシブルであることができる。
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は太陽電池のうち、上記光吸収層３００で生成された電荷が移動するようにして太陽電池の外部に電流を流れるようにすることができる。上記裏面電極層２００はこのような機能を遂行するために電気伝導度が高く、比抵抗が小さくなければならない。
また、上記裏面電極層２００は光吸収層３００を形成するＣＩＧＳ化合物と接触するので、光吸収層３００と裏面電極層２００は接触抵抗値の小さい抵抗性接触（ohmic contact）にならなければならない。
また、上記裏面電極層２００はＣＩＧＳ化合物の形成時に伴われる硫黄（Ｓ）またはセレニウム（Ｓｅ）雰囲気下での熱処理時に高温安定性が維持されなければならない。また、上記裏面電極層２００は熱膨張係数の差によって上記支持基板１００と剥離現象が発生しないように上記支持基板１００と接着性が優れなければならない。
このような裏面電極層２００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）うちのいずれか１つで形成される。その中で、特にモリブデン（Ｍｏ）は前述した裏面電極層２００に要求される特性を全般的に満たすことができる。
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。本実施形態では上記裏面電極層２００が第１電極層２１０、バリア層２２０、第２電極層２３０を含んで形成される。
第１電極層２１０はモリブデンを用いて形成され、上記支持基板１００と接するように形成される。モリブデンは他の元素に比べて上記支持基板１００と熱膨張係数の差が少ないため、接着性が優れて剥離現象が発生することを防止することができる。
上記第１電極層２１０の上にはバリア層２２０が形成される。上記バリア層２２０は第１電極層２１０及び第２電極層２３０の間に形成されて上記第２電極層２３０に含まれたイオンの上記第１電極層２１０及び支持基板１００への拡散を防止する。
また、上記バリア層２２０は反射層でも機能することができる。即ち、太陽電池に入射した光が上記支持基板１００に吸収されることを防止し、光吸収層３００に再反射して太陽電池の効率を向上させることができる。上記反射層は反射率が５０％以上の物質で形成することができる。
上記バリア層２２０は５０乃至２００ｎｍの厚さで形成される。上記バリア層２２０はＴｉＮ、ＴａＮなどの窒化物（ナイトライド）を含んで形成される。
上記バリア層２２０の上には第２電極層２３０が形成される。上記第２電極層２３０は、例えば、モリブデンを用いて形成されることができ、上記第２電極層２３０は金属イオンをドーピングすることができ、例えば、ナトリウムイオンをドーピングして形成されることができる。
上記第２電極層２３０に含まれたナトリウムイオンは上記光吸収層３００に拡散できるが、これによって上記光吸収層３００の電荷濃度が増加するようになることができる。これは、太陽電池の光電変換効率を増加させることができる。
上記ナトリウムイオンは光吸収層３００だけでなく、支持基板１００と第１電極層２１０に拡散できるが、上記バリア層２２０によってこのような現象が防止できるので、ナトリウムイオンを効果的に制御できるようになって、光吸収層３００の電荷濃度を効果的に増加させることができる。
したがって、開放電圧（Ｖｏｃ）及びＦＦ（Fill Factor）が上昇する。また、光吸収層３００の電荷濃度を向上させることができるので、透過される光に対する損失が減少して吸収層３００の厚さを減少させることができる。
上記第２電極層２３０は上記裏面電極層２００の全体厚さの１％乃至３０％に該当する厚さで形成され、上記裏面電極層２００は１μｍ以下の厚さで形成される。
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は硫化カドミウム（ＣｄＳ）を含み、上記バッファ層４００のエネルギーバンドギャップは約２．２ｅＶ乃至２．４ｅＶである。
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である。
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。また、上記ウィンドウ層６００の抵抗は上記裏面電極層２００の抵抗より高い。
上記ウィンドウ層６００は酸化物を含む。例えば、上記ウィンドウ層６００はジンクオキサイド（zinc oxide）、インジウムチンオキサイド（induim tin oxide；ＩＴＯ）またはインジウムジンクオキサイド（induim zinc oxide；ＩＺＯ）などを含むことができる。
また、上記酸化物は、アルミニウム（Ａｌ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、マグネシウム（Ｍｇ）、またはガリウム（Ｇａ）などの導電性不純物を含むことができる。より詳しくは、上記ウィンドウ層６００はアルミニウムドーピングされたジンクオキサイド（Al doped zinc oxide；ＡＺＯ）、またはガリウムドーピングされたジンクオキサイド（Ga doped zinc oxide；ＧＺＯ）などを含むことができる。
上記ウィンドウは上記裏面電極と対応する形状を有する。即ち、上記ウィンドウはストライプ形態に配置される。これとは異なり、上記ウィンドウはマトリックス形態に配置される。
以上、検討したように、裏面電極層２００は、第１電極層２１０、バリア層２２０、及び第２電極層２３０を含み、上記バリア層２２０により上記第２電極層２３０に含まれたナトリウムイオンが光吸収層３００に拡散されるので、ナトリウムイオンを効果的に制御できるようになって、光吸収層３００の電荷濃度を増加させることができるようになる。また、光吸収層３００の電荷濃度の向上により透過される光に対する損失が減少して効率が増加するので、光吸収層３００の厚さを減少させることができ、生産性が増加することができる。
図２乃至図６は、本発明の実施形態に従う太陽光発電装置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、前述した太陽光発電装置に対する説明を参考する。前述した太陽光発電装置に対する説明は、本製造方法に関する説明に本質的に結合できる。
図２及び図３を参照すると、支持基板１００の上に第１電極層２１０が形成される。上記第１電極層２１０はモリブデンを使用して蒸着できる。上記第１電極層２１０はＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）またはメッキの方法により形成できる。
また、上記支持基板１００及び第１電極層２１０の間に拡散防止膜などの追加的な層が介される。
次に、上記第１電極層２１０の上に順次にバリア層２２０及び第２電極層２３０が形成される。上記バリア層２２０はＣＶＤ方法により形成できるが、これに対して限定しない。
上記第２電極層２３０はモリブデンを使用して蒸着することができ、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）またはメッキの方法により形成された後、金属イオンをドーピングして形成できる。
図４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などにより形成できる。
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前駆体膜を形成させた後、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。
金属前駆体膜を形成させた後に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の上に金属前駆体膜が形成される。
以後、上記金属前駆体膜はセレン化（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が形成できる。
図５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。
上記バッファ層４００及び上記高抵抗バッファ層５００は低い厚さで蒸着される。例えば、上記バッファ層４００及び上記高抵抗バッファ層５００の厚さは約１ｎｍ乃至約８０ｎｍである。
図６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は上記高抵抗バッファ層５００の上部に透明な導電物質が蒸着して形成される。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。
このように、実施形態に従う太陽光発電装置の製造方法により生産性及び信頼性が向上した裏面電極層２００を含む太陽光発電装置が提供できる。
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。
Claims (5)
- 基板と、
前記基板の上に配置されるモリブデン（Ｍｏ）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、
前記裏面電極層は前記基板の上に第１電極層、前記第１電極層の上にバリア層、前記バリア層の上に第２電極層を含み、
前記基板は、ソーダライムガラス基板であり、
前記裏面電極層は、１μｍ以下の厚さを有し、
前記バリア層は、反射率が５０％以上の窒化物を含み、
前記第２電極層は、モリブデンと、前記モリブデンにドーピングされたナトリウムイオンとを含み、
前記第２電極層は、前記光吸収層と直接接触することを特徴とする、太陽光発電装置。 - 前記第１電極層はモリブデンを含むことを特徴とする、請求項１に記載の太陽光発電装置。
- 前記バリア層は５０乃至２００ｎｍの厚さで形成されることを特徴とする、請求項１に記載の太陽光発電装置。
- 前記第２電極層は前記裏面電極層厚さの１％乃至３０％に該当する厚さで形成されることを特徴とする、請求項１に記載の太陽光発電装置。
- 前記窒化物はＴｉＮまたはＴａＮのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１に記載の太陽光発電装置。
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