JP2011511470A

JP2011511470A - 多層透明導電層を備えた太陽電池及びその製造方法

Info

Publication number: JP2011511470A
Application number: JP2010545806A
Authority: JP
Inventors: スンジ，クァン; ジュイォ，ユン; ミンイ，ホン
Original assignee: LG Electronics Inc
Current assignee: LG Electronics Inc
Priority date: 2008-02-04
Filing date: 2009-02-02
Publication date: 2011-04-07
Also published as: WO2009099282A2; US20090194161A1; CN101933159B; CN101933159A; EP2238627A2; EP2238627A4; US9209326B2; KR101000057B1; WO2009099282A3; KR20090085324A

Abstract

本発明によれば、太陽電池の透明導電層を互いに異なる酸素含有量及び互いに異なる光吸収係数を有する複数個の層で構成することで、光電変換層に吸収される太陽光の割合を増加させる太陽電池及びその製造方法が提供される。本発明によれば、基板、透明導電層、及び光電変換層を含む太陽電池であって、上記透明導電層は、第１の光吸収係数を有する第１層と、上記第１層の上に形成され、上記第１の光吸収係数より高い第２の光吸収係数を有する第２層と、を含む太陽電池が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、多層構造透明導電層を適用した太陽電池及びその製造方法に関し、より詳しくは、透明導電層を互いに異なる酸素含有量及び互いに異なる光吸収係数を有する複数個の層で構成することによって、光電変換層に吸収される太陽光の割合を増加させる太陽電池及びその製造方法に関する。

最近、急騰する油価上昇と地球環境問題と化石エネルギーの枯渇、原子力発電の廃棄物処理、及び新規発電所の建設に従う位置選定などの問題によって、新・再生エネルギーに対する関心が高まっており、その中でも無公害エネルギー源である太陽電池に対する研究開発が活発に進行されている。

太陽電池とは、光起電力効果（Photovoltaic Effect）を用いて光エネルギーを電気エネルギーに変換させる装置であって、最近、代替エネルギーに対する必要性が増加するにつれて太陽電池に対する関心が高まっている。

このような太陽電池では、入射される太陽光を電気エネルギーに変換させる割合と関連した変換効率（Efficiency）を高めることが極めて重要である。変換効率を高めるために、種々の研究が行なわれており、できる限り光損失を減らすことによって、太陽電池セルに吸収される太陽光の割合を高めて、太陽電池の効率を上げる研究が進行中である。

本発明は、太陽電池に含まれる透明導電層を互いに異なる酸素含有量と互いに異なる吸収係数を有する複数個の層を含む多層構造にして、太陽光の透過率を高めることによって、効率を向上させることができる太陽電池及びその製造方法を提供することをその目的とする。

本発明の他の目的は、太陽電池に含まれる透明導電層を互いに異なる屈折率を有する複数個の層を含む多層構造にすることで、入射された太陽光が光電変換層を経て背面電極で反射されて透明導電層にまた到達する場合でも、光電変換層にまた吸収できるようにして、効率を向上させることが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。

本発明の更に他の目的は、太陽電池に含まれる透明導電層を酸素含有量の高い第１層及び上記第１層の上に蒸着される第２層を含む構造にすることで、第１層の優れる結晶性及び大きい結晶粒のサイズが第２層まで維持できるようにして、全体として結晶性が優れるし、結晶粒の大きい透明導電層を含む太陽電池及びその製造方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の太陽電池は、基板、透明導電層、及び光電変換層を含む太陽電池であって、上記透明導電層は、第１の光吸収係数を有する第１層と、上記第１層の上に形成され、上記第１の光吸収係数より高い第２の光吸収係数を有する第２層と、を含む。上記各透明導電層は、単数の層または複数の層から構成できる。

本発明において、上記第１層の酸素含有量は、上記第２層の酸素含有量より相対的に高いことがある。

本発明において、上記第１層と第２層の酸素含有量は、上記基板からの距離が遠くなるにつれて減少することを特徴とすることができる。

本発明において、上記第１層の結晶度が上記第２層の結晶度より相対的に高いことがある。本発明の透明導電層の第１層と第２層の上記結晶度は、層を構成する物質が結晶化した程度、即ち単位体積当たり結晶粒が占める体積の割合を含む概念であることができ、また、これら層の結晶粒のサイズを含む概念に定義できる。

本発明において、上記第１層と第２層の屈折率は互いに異なることができる。

本発明において、上記第１層の光学的バンドギャップ（band gap）エネルギーは、上記第２層のバンドギャップエネルギーより相対的に低いことがある。

本発明において、上記第１層の比抵抗は、上記第２層の比抵抗より相対的に高いことを特徴とすることができる。

本発明において、上記透明導電層は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）系物質、酸化スズ（ＳｎＯ₂）、及び酸化インジウムスズ（Ｉｎ₂Ｏ₃：ＳｎＯ₂、ＩＴＯ）のうちから選択されたいずれか１つの物質、またはこれらの物質にアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、フッ素（Ｆ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ボロン（Ｂ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、リチウム（Ｌｉ）のうちから選択された少なくとも１つの物質がドーピングされたものであることができる。

本発明の太陽電池は、前述した多層の第１層及び第２層の構成される透明導電層の間にこれら各層の上記特性の中間的特性を有する層を中間層にして構成できる。

本発明において、透明導電層の第１層は状態的に光透過度が優れて透過層と名付けられることもでき、透明導電層の第２層は第１層に比べて光透過度は減少できるが、比抵抗が相当に減るようになって、以後、蒸着される光電変換層との接触抵抗が低くなって光電変換層で発生したキャリヤが移動するようになるので、導電層に使用できるところ、導電層と名付けられることもできる。

上記の目的を達成するための本発明の太陽電池は、基板、透明導電層、及び光電変換層を含む太陽電池であって、上記透明導電層は、光が入射される面の光吸収係数より上記光電変換層に隣接した面の光吸収係数がより高いことを特徴とする。

本発明において、上記光が入射される面の酸素濃度が上記光電変換層に隣接した面の酸素濃度より高いことがある。

本発明において、上記透明導電層は、同一な層で酸素濃度を減少させたものでありうる。

上記の目的を達成するための本発明の太陽電池の製造方法は、基板、透明導電層、及び光電変換層を含む太陽電池の製造方法であって、上記基板の上に、上記基板からの距離が遠くなるにつれて酸素含有量が減少する透明導電層を蒸着するステップを含む。

上記透明導電層は、蒸着時に流入されるガスのうち、酸素の体積分率を徐々に減少しながら蒸着することができる。

上記の目的を達成するための本発明の太陽電池の製造方法は、基板、透明導電層、及び光電変換層を含む太陽電池の製造方法であって、上記透明導電層を形成するために、基板の上に酸素が含まれたガス雰囲気下で第１層を蒸着するステップと、上記第１の層の蒸着ステップに使われた酸素の濃度より低い濃度の酸素が含まれたガス雰囲気下で上記第１層の上に第２層を蒸着するステップと、を含む。

本発明の太陽電池の製造方法において、上記透明導電層は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）系物質、酸化スズ（ＳｎＯ₂）、及び酸化インジウムスズ（Ｉｎ₂Ｏ₃：ＳｎＯ₂、ＩＴＯ）のうちから選択されたいずれか１つの物質、またはこれらの物質にアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、フッ素（Ｆ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ボロン（Ｂ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、リチウム（Ｌｉ）のうちから選択された少なくとも１つの物質がドーピングされたものでありうる。

本発明によれば、太陽電池に含まれる透明導電層を互いに異なる酸素含有量と互いに異なる吸収係数を有する複数個の層を含む多層構造にして太陽光の透過率を高めることによって、太陽電池の効率が向上できる。

また、太陽電池に含まれる透明導電層を互いに異なる屈折率を有する複数個の層を含む多層構造にすることで、入射された太陽光が光電変換層を経て背面電極で反射されて透明導電層にまた到達する場合でも、光電変換層にまた吸収できるようにして太陽電池の効率を向上させることができる。

一方、太陽電池に含まれる透明導電層を酸素含有量の高い第１層及び上記第１層の上に蒸着される第２層を含む構造にすることで、第１層の優れる結晶性及び大きい結晶粒サイズが第２層まで維持できるようにして、全体として結晶性が優れるし、結晶粒の大きい透明導電層を含む太陽電池が得られる。

本発明の一実施形態に係る透明導電層の構成を模式的に示す断面図である。図１の透明導電層に含まれる各層に含まれる酸素の量を示すグラフである。本発明の一実施形態に係る表面テクスチャリング（texturing）された透明導電層の透過度を示すグラフである。本発明の一実施形態に係る表面テクスチャリング（texturing）された透明導電層の透過度を示すグラフである。本発明の一実施形態に係る透明導電層のヘイズ率を示すグラフである。本発明の一実施形態に係る透明導電層が適用された太陽電池の光特性を示す図である。本発明の一実施形態に係る透明導電層の電気的特性を示す図である。本発明の一実施形態に係る透明導電層の電気的特性を示す図である。本発明の一実施形態に係る透明導電層の表面形状を示すイメージである。本発明の一実施形態に係る透明導電層の蒸着時に酸素が添加される場合の透明導電層の結晶性向上を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る太陽電池に適用される透明導電層の構成を示す断面模式図である。

図１に示すように、本発明の太陽電池に適用される透明導電層１００は、ガラス基板１１０の上に順次に蒸着される透過層１３０、中間層１５０、及び導電層１７０を含む。

透過層１３０、中間層１５０、及び導電層１７０は、各層に含まれる酸素の量によって分けられる。各層は互いに同じ物質からなり、かつその酸素の量を異にして形成される。各層の酸素含有量を示す図２を参照すると、透過層１３０は酸素含有量が最も高い層であり、導電層１７０は酸素含有量が最も低い層であり、中間層１５０は透過層１３０の蒸着の以後に酸素の量が減少する間に蒸着される層であって、透過層１３０と導電層１７０との間の境界層である。

一方、透過層１３０、中間層１５０、及び導電層１７０の組成物質は、酸化亜鉛系（ＺｎＯ）を基本にすることができ、酸化スズ（ＳｎＯ₂）及び酸化インジウムスズ（Ｉｎ₂Ｏ₃：ＳｎＯ₂、ＩＴＯ）などを含むことができ、上記基本物質に、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、フッ素（Ｆ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ボロン（Ｂ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、リチウム（Ｌｉ）などの物質がドーピングできる。また、この中でも高いヘイズ率（haze ratio）を有する酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用いることが好ましいが、ここで、ヘイズ率という（拡散透過率）／（直線透過率）×１００％により定義される値をいうものであって、数式により表せば、次の＜数式１＞のように表現される。

ここで、Ｔ_Dは拡散透過率、Ｔ_Sは直線透過率、Ｔ_Tは総透過率を示す。

高いヘイズ率を有するということは、ガラス基板１１０を通じて入射された太陽光のうち、拡散されて透過される光も高い割合を占めることによって、入射される太陽光の大部分が後に蒸着される光電変換層に吸収できるということを意味する。

前述したように、透過層１３０は相対的に高い酸素含有量を有する層である。このような高い酸素含有量の特性により光透過度が相対的に優秀になることができ、これによって透過層１３０はガラス基板１１０を通じて入射される太陽光の損失を減らす役目をすることができる。一方、透過層１３０は酸素含有量が高いので、結晶性が優秀になり、結晶粒のサイズも増加する。

導電層１７０は、透過層１３０に比べて極めて少ない量の酸素が含まれる層であって、蒸着工程中、酸素の量が減少する間に蒸着される層である。このような特性に従って、導電層１７０は透過層１３０に比べて光吸収係数が相対的に高まるようになり、光学的バンドギャップ（band gap）エネルギー（Ｅｇ）も高まるようになる。

一方、導電層１７０が蒸着される際、透過層１３０は種層（seeding layer）としての役目をするようになり、酸素含有量の高い透過層１３０の特性は導電層１７０の成長に有利に作用する。

導電層１７０は、低い酸素の含有量のため、光透過度は相対的に低いことがあるが、比抵抗が相当に減るようになる。このような低い比抵抗により、後に蒸着される光電変換層との接触抵抗が低くなるようになり、これによって光電変換層で光吸収により発生したキャリヤが導電層１７０から移動できるようになる。

一方、中間層１５０は、前述したように、透過層１３０と導電層１７０の順次的な蒸着工程中、酸素の量が減少する間に蒸着される層であり、透過層１３０の結晶性を導電層１７０まで維持されるようにする役目をする。

＜表１＞は、太陽電池の主要吸収波長帯域に対する透過層１３０と導電層１７０の各々の吸収係数の差を示す。

＜表１＞に表れたように、４００ｎｍ乃至１０００ｎｍ波長帯域で平均的に９％位の吸収係数の差を表すことが分かる。したがって、吸収係数が相対的に小さい膜を透過層１３０として使用する本発明の場合、太陽電池の効率向上に寄与するようになることが分かる。

一方、図３及び図４は、表面テクスチャリング（texturing）された透明導電層１００の透過度を示すグラフである。

図３及び図４に示すように、本発明の透明導電層１００は、従来技術と比較して４００ｎｍ乃至１２００ｎｍの波長帯域で総透過度（Ｔ_T）が向上したことが分かる。

一方、図５は、本発明の透明導電層１００のヘイズ率を示すグラフである。

図５に示すように、本発明の透明導電層１００は、約５５０ｎｍの波長領域で約６０％のヘイズ率を有し、平均的には４０％以上のヘイズ率を有するので、太陽電池への適用に適したことが分かる。

本発明の透明導電層１００に従う太陽電池効率の上昇効果は、下記の＜数式２＞を用いた光特性模写結果により詳細に分かる。

ここで、Ｒは太陽電池効率、ｎ_Sは透過層の屈折率、ｎ_cは導電層の屈折率を示す。

この光特性模写は、上板型構造（superstrate）の太陽電池で約５５０ｎｍの波長を有する光が垂直に入射される場合を仮定して遂行された。このような光特性模写に使われる各物質の屈折率は＜表２＞の通りであり、＜数式２＞と＜表２＞のデータを用いて模写される本発明の透明導電層１００を適用した太陽電池の光特性は図７の通りである。

図６は、ガラス基板１１０を通じて入射された光が光電変換層を経て金属または金属酸化物からなる背面電極で反射されてガラス基板１１０に向けてまた戻る場合の光特性を示す。

図６に示すように、従来の透明導電層を用いた太陽電池においては、入射された光が光電変換層を経て背面電極で反射されてまた戻る場合、約８５％位がそのままガラス基板まで到達するようになるが、本発明の透明導電層を用いた太陽電池の場合には、導電層１７０と透過層１３０が各々異なる屈折率を有しているため、光がまた光電変換層に反射されることで、約７１％位だけガラス基板に到達するようになる。

即ち、本発明の透明導電層１００を用いた太陽電池は、ガラス基板１１０を通じて入射された光が背面電極で反射されてまた戻る場合、約１４％位の光量がまた光電変換層に反射されることで、光の再吸収による太陽電池効率の向上を図れるようになる。

一方、図７及び図８は、本発明に係る透明導電層１００の電気的特性を示す。

図７に示すように、透明導電層１００は通常的に求められる透明導電層の表面抵抗（Ｒｓ）値である１０Ω以下の値を示し、比抵抗も通常的に求められる透明導電層の比抵抗値である５×１０^-4以下の値を示すので、太陽電池への適用に無理がないことが分かる。

また、図８に示すように、光学的バンドギャップ（band gap）エネルギー（Ｅｇ）は、酸素の添加により多少低くなったが、通常的に求められるＥｇ値である３．０ｅＶ以上の値を示すので、このような特性やはり太陽電池に適用できる。

一方、図９は、透明導電層１００の表面形状を示すイメージである。図９に示すように、従来の透明導電層と比較して見ると、不規則な小さいサイズのクレーター（crater）が相当量減少して均一になったことが分かる。

また、透明導電層１００に表面テクスチャリング構造を形成させるための目的などによってエッチングを遂行する場合、従来の透明導電層エッチングと比較して見ると、透明導電層の損傷が少なく、表面に微細なしわのみ形成されることが観察できる。これは、前述したような透過層１３０の高い酸素含有量及びこれに従う優れる結晶性と大きい結晶粒サイズが導電層１７０まで維持されていることを見せる。

以下、本発明に従う透明導電層１００の製造方法を説明する。

まず、酸素雰囲気下でガラス基板１１０の上に透明導電層に使われる物質を蒸着する。上記物質は、前述したように酸化亜鉛（ＺｎＯ）系を基本物質とする物質になることができる。蒸着は公知の蒸着法であるスパッタリング法（sputtering）または化学的気相蒸着法（Chemical Vapor deposition）などにより遂行できる。初期酸素割合の高い雰囲気下でガラス基板１１０の上に蒸着されることは透過層１３０として機能できる。

その後、ガラス基板１１０の上に透明導電層用物質を続けて蒸着するようになれば、周辺の酸素の量が減少して酸素含有量の少ない層が上部に蒸着されるが、このような過程により導電層１７０が形成できるようになる。導電層１７０の蒸着時には透過層１３０が種層としての役目をすることもできる。

図１０は、蒸着時に酸素が添加される場合、透明導電層の結晶性の向上を示すグラフであるが、図１０を参照すると、蒸着時に流入するガスのうち、酸素が占める体積分率が高いほどその結晶性が増加するようになって、高い酸素割合を示す雰囲気で蒸着される透過層１３０は優れる結晶性の特性を見せるようになり、このような透過層１３０は導電層１７０の成長に有利に作用するようになり、優れる結晶性及び大きい結晶粒などの特性が導電層１７０にまで伝達できるようにする。

一方、上記のように酸素雰囲気下で続けて蒸着して、自然的に酸素の分率が低くなることを用いて、透過層１３０と導電層１７０を順次に形成させることもできるが、高い酸素分率を有する雰囲気下で透過層１３０を蒸着した後、酸素分率の低い雰囲気で導電層１７０を別に蒸着させることもできる。

本発明の透明導電層を備える太陽電池構造の一実施形態には、ガラス基板、下部透明導電層により本発明の透明導電層、光電変換層により非晶質シリコン太陽電池層（ａ−Ｓｉ：Ｈｐ／ｉ／ｎ層）、下部透明導電層により本発明の透明導電層、及び後面電極層が順次に形成されている太陽電池が挙げられる（図示せず）。上記本発明の透明導電層を備える太陽電池は、既に当業者に公知された方法により製造できるので、その製造方法に対する詳細な説明は省略する。

以上、本発明の具体的な実施形態と関連して本発明を説明したが、これは例示に過ぎないものであり、本発明はこれに制限されるのではない。当業者は本発明の範囲を逸脱することなく説明された実施形態を変更または変形することができ、このような変更または変形も本発明の範囲に属する。また、本明細書で説明した各構成要素の物質は当業者が公知された多様な物質から容易に選択して代替することができる。また、当業者は本明細書で説明された構成要素のうちの一部を性能の劣化無しで省略するか、性能を改善するために構成要素を追加することができる。だけでなく、当業者は工程環境や装備によって本明細書で説明した方法ステップの順序を変更することもできる。したがって、本発明の範囲は説明された実施形態でなく、特許請求範囲及びその均等物により決定されるべきである。

本発明の透明導電層が使われる太陽電池は、非晶質シリコンタイプの太陽電池について説明したが、化合物、染料感応や有機物質のような光電変換層を有する太陽電池でも適用できる。

Claims

基板、透明導電層、及び光電変換層を含む太陽電池であって、
前記透明導電層は、
第１の光吸収係数を有する第１層と、
前記第１層の上に形成され、前記第１の光吸収係数より高い第２の光吸収係数を有する第２層と、
を含むことを特徴とする太陽電池。
前記第１層の酸素含有量は、前記第２層の酸素含有量より相対的に高いことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
前記第１層と第２層の酸素含有量は、前記基板からの距離が遠くなるにつれて減少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１層の結晶度が前記第２層の結晶度より相対的に高いことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
前記第１層と第２層の屈折率は互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
前記第１層の光学的バンドギャップエネルギーは、前記第２層のバンドギャップエネルギーより相対的に低いことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
前記第１層の比抵抗は、前記第２層の比抵抗より相対的に高いことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
前記透明導電層は、
酸化亜鉛（ＺｎＯ）系物質、酸化スズ（ＳｎＯ₂）、及び酸化インジウムスズ（Ｉｎ₂Ｏ₃：ＳｎＯ₂、ＩＴＯ）のうちから選択されたいずれか１つの物質、またはこれらの物質にアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、フッ素（Ｆ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ボロン（Ｂ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、リチウム（Ｌｉ）のうちから選択された少なくとも１つの物質がドーピングされたことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
基板、透明導電層、及び光電変換層を含む太陽電池であって、
前記透明導電層は、
光が入射される面の光吸収係数より前記光電変換層に隣接した面の光吸収係数がより高いことを特徴とする太陽電池。
前記光が入射される面の酸素濃度が前記光電変換層に隣接した面の酸素濃度より高いことを特徴とする請求項９に記載の太陽電池。
前記透明導電層は、同一な層で酸素濃度を減少させたことを特徴とする請求項９に記載の太陽電池。
基板、透明導電層、及び光電変換層を含む太陽電池の製造方法であって、
前記基板の上に、前記基板からの距離が遠くなるにつれて酸素含有量が減少する透明導電層を蒸着するステップを含むことを特徴とする太陽電池の製造方法。
前記透明導電層は、蒸着時に流入されるガスのうち、酸素の体積分率を徐々に減少しながら蒸着することを特徴とする請求項１２に記載の太陽電池の製造方法。
基板、透明導電層、及び光電変換層を含む太陽電池の製造方法であって、
前記透明導電層を形成するために、基板の上に酸素が含まれたガス雰囲気下で第１層を蒸着するステップと、
前記第１の層の蒸着ステップに使われた酸素の濃度より低い濃度の酸素が含まれたガス雰囲気下で前記第１層の上に第２層を蒸着するステップを含むことを特徴とする太陽電池の製造方法。
前記透明導電層は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）系物質、酸化スズ（ＳｎＯ₂）、及び酸化インジウムスズ（Ｉｎ₂Ｏ₃：ＳｎＯ₂、ＩＴＯ）のうちから選択されたいずれか１つの物質、またはこれらの物質にアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、フッ素（Ｆ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ボロン（Ｂ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、リチウム（Ｌｉ）のうちから選択された少なくとも１つの物質がドーピングされたことを特徴とする請求項１２乃至請求項１４のうち、いずれか１つに記載の太陽電池の製造方法。