(57)【要約】  本発明は、背面金属接点及びモノリシック集積を有する新規な薄膜光起電力装置及びこの装置を製造するための方法を開示する。本発明に開示された革新的な手法は、完全に薄膜プロセスによって形成される装置及び方法を可能にする本発明に従う太陽電池は、透明導電電極における電流ロスの低減のため、大規模装置のための増大した出力を提供する。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光起電力セルを有し、
前記光起電力セルが、それぞれ独立に、透明導電電極、ウィンド層、吸収体層、底部電極、導電性基板及び背面電極を含み、
前記底部電極及び前記背面電極が前記基板の反対側に在ることを特徴とする光起電力装置。
【請求項２】
前記基板が、前記基板を貫通して延びる複数のビアを有する請求項１の光起電力装置。
【請求項３】
前記ビアが、前記ビアの内側の薄い絶縁層により前記導電基板から絶縁されている請求項２の光起電力装置。
【請求項４】
第１のセルの前記底部電極と隣接するセルの前記背面電極が少なくとも１の第１接点を介して電気的に接続され、
前記少なくとも１の第１接点が前記ビアを通って延びており、
前記第１のセルの前記底部電極と前記隣接するセルの前記背面電極は、前記導電基板を介して電気的に接続されていない請求項３の光起電力装置。
【請求項５】
少なくとも１の第１接点がビア壁上の連続的な被覆を有する請求項４の光起電力装置。
【請求項６】
少なくとも１の第１接点が導電材料で充填されたビアを有する請求項４の光起電力装置。
【請求項７】
少なくとも１のセルが、少なくとも１の第１接点によって隣接のセルに直列に接続され、
前記少なくとも１の第１接点が、前記少なくとも１のセルの前記底部電極と、隣接のセルの前記背面電極の間の電気接続を形成する請求項４の光起電力装置。
【請求項８】
前記背面電極は、第１接点の近くのスクライブを有し、
前記スクライブは、前記背面電極を貫通して延び、
前記隣接のセルは、前記底部電極のスクライブを有し、
前記スクライブは、前記第１接点の近くに位置し、底部電極を貫通して延びている請求項７の光起電力装置。
【請求項９】
前記透明導電電極を貫通する第１スクライブを更に有し、
前記第１スクライブは、前記第１接点の近くに位置する請求項８の光起電力装置。
【請求項１０】
前記透明導電電極を貫通する前記第１スクライブは、前記ウィンド層、前記吸収体層及び前記底部電極層を貫通して延びている請求項９の光起電力装置。
【請求項１１】
前記透明導電電極を貫通する第２スクライブを更に有し、
前記第２スクライブは、前記第１スクライブの逆側で前記第１接点の近くに位置する請求項９の光起電力装置。
【請求項１２】
前記第２スクライブは、前記ウィンド層及び前記吸収体層を貫通して延びている請求項１１の光起電力装置。
【請求項１３】
前記第１及び第２スクライブは、実質的に相互に平行である請求項１１の光起電力装置。
【請求項１４】
複数の第２接点を更に有し、
前記複数の第２接点は、それぞれ独立に、前記透明導電電極と前記背面電極の間に並列の接続を形成し、前記複数の第２接点は、前記底部電極から電気的に絶縁されており、前記底部電極は、前記背面電極と電気的に接続されていない請求項３の光起電力装置。
【請求項１５】
前記第２接点と前記背面電極がビア壁上の連続的な被覆を介して電気的に接続されている請求項１４の光起電力装置。
【請求項１６】
前記第２接点と前記背面電極が導電材料で充填されたビアを介して電気的に接続されている請求項１４の光起電力装置。
【請求項１７】
少なくとも２つのセルの間で直列の接続を形成する第１接点と、セル内での並列の接続を形成する第２接点を更に有する請求項１の光起電力装置。
【請求項１８】
少なくとも１の第１接点と複数の第２接点を更に有し、
前記第１接点及び前記第２接点が、それぞれ独立に、前記基板を貫通して延びる導電材料の薄い層を有する請求項１の光起電力装置。
【請求項１９】
少なくとも１の第１接点と複数の第２接点と、
前記第１接点及び／又は前記第２接点の内側に配された薄い絶縁層を更に有する請求項１の光起電力装置。
【請求項２０】
少なくとも１の第１接点と複数の第２接点と、
前記第１接点及び／又は前記第２接点の内側に配された薄いバリア層を更に有する請求項１の光起電力装置。
【請求項２１】
前記吸収体材料が、ＩＶ族材料、ＩＩ−ＶＩ族材料、ＩＩＩ−Ｖ族材料、Ｉ−ＩＩＩ−Ｖ族材料及び有機高分子からなる群より選ばれる材料を含む請求項１の光起電力装置。
【請求項２２】
前記光吸収材料が、シリコン、アモルファスシリコン、結晶シリコン、微結晶シリコン、ゲルマニウム及びＳｉＧｅからなる群より選ばれる材料を含む請求項２１の光起電力装置。
【請求項２３】
前記吸収体材料が、ＣｄＴｅ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＳｎＳｅ、ＳｎＳ及びＳｎＴｅからなる群より選ばれる化合物を含む請求項２１の光起電力装置。
【請求項２４】
前記吸収体材料が、ＧａＡｓ及びＩｎＰからなる群より選ばれる化合物を含む請求項２１の光起電力装置。
【請求項２５】
前記吸収体材料が、ＣＩＳ及びＣＩＧＳからなる群より選ばれる化合物を含む請求項２１の光起電力装置。
【請求項２６】
前記吸収体層が、ＣｄＴｅを含み、前記ウィンド層が、ＣｄＳを含む請求項２３の光起電力装置。
【請求項２７】
複数の光起電力セルが非線形配置で接続されている請求項１の光起電力装置。
【請求項２８】
複数の光起電力セルを有し、
前記セルが、それぞれ独立に、透明導電電極、ウィンド層、吸収体層、底部電極、絶縁基板及び背面電極を含み、
前記底部電極及び前記背面電極が前記基板の反対側に在る光起電力装置。
【請求項２９】
少なくとも１のセルが、隣接のセルに少なくとも１の第１接点を介して直列に接続され、
前記少なくとも１の接点が、前記少なくとも１のセルの前記底部電極と、隣接するセルの前記背面電極の間の電気接続を形成する請求項２８の光起電力装置。
【請求項３０】
複数の第２接点を更に有し、
前記複数の第２接点が、それぞれ独立に、前記透明導電電極と前記背面電極の間の並列の接続を形成し、
前記複数の第２接点は、前記底部電極から電気的に絶縁され、
前記底部電極は、光起電力セル内の前記背面電極に電気的に接続されていない請求項２９の光起電力装置。
【請求項３１】
複数の孔を有する基板を提供するステップと、
前記基板の両側に金属電極層を堆積して底部及び背面電極を形成するステップと、
１以上の前記孔の外周から前記金属層の一部をスクライブして前記孔を前記底部電極から電気的に絶縁するステップと、
前記底部及び背面電極を縦方向にスクライブして隣接するセルを規定するステップとを有し、
これにより、少なくとも１の孔を介する１のセルの底部電極と隣接のセルの背面電極の間の少なくとも１の接点を介して隣接するセル同士が相互に電気的に接続され、
前記孔は、前記底部のスクライブと前記背面電極のスクライブの間に配置され、
吸収体層を提供するステップと、
透明導体層を提供するステップとを更に有する光起電力装置の製造方法。
【請求項３２】
直列相互接続ビアの一方の側でセルを横断して縦方向に前記透明導電電極をスクライブするステップと、
同一の直列相互接続ビアの他方の側でセルを横断して縦方向に前記透明導電電極をスクライブするステップとを更に有し、
前記スクライブ（複数）は、前記直列相互接続ビアの近傍に在り、前記スクライブ（複数）が前記ＴＣＯ層を除去する請求項３１の光起電力装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願はその内容がともに参照により本願に組み込まれる２００８年６月４日に出願された米国仮出願番号第６１／１３０，９２６号及び２００８年６月７日に出願された第６１／１３１，１７９号の利益を主張する。
【背景技術】
【０００２】
現在の太陽エネルギー技術は広くは結晶シリコンと薄膜技術に分類される。太陽電池の約９０％はシリコン−単結晶シリコン又は多結晶シリコンから製造される。結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）は、比較的劣った光吸収体であり、材料の相当の厚み（数百ミクロン）を必要とするものの、殆どの太陽電池で光吸収半導体として使用されてきた。にもかかわらず、これは、良好な効率（１３−１８％，理論最大値の１／２〜２／３）の安定な太陽モジュールがもたらされ、マイクロエレクトロニクス産業の知識ベースから発展した生産技術を使用するために、幸便であるとされている。
【０００３】
第２世代の太陽電池技術は薄膜に基づき、薄膜の語は当業界で認識されている。主な薄膜技術は、アモルファスシリコン、セレン化銅インジウムガリウム（ＣＩＧＳ）、カドミウムテルリド（ＣｄＴｅ）である。ＣｄＴｅ薄膜太陽電池は製法が極めて単純で、他のすべての太陽電池技術と比較して最も低い製造コストを達成する可能性がある。１６．５％の効率のＣｄＴｅ太陽電池は、米国立再生可能エネルギー研究所（ＮＲＥＬ）により実証された。従来技術は、３ｍｍ厚のガラス基板にＣｄＴｅを堆積し、第２の３ｍｍのカバーガラスで被包することでＣｄＴｅ太陽電池を製造する。このように、これらは遅い１品毎の製造プロセスにより製造される。これらのＣｄＴｅ太陽電池は非常に重く、太陽電池産業の最も大きいマーケット部分である住居の屋根用途に使用することが困難である。可撓性太陽電池は軽く、このことが、重いガラス基板上のＣｄＴｅの適用ができない住居の屋根への適用を可能にする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
薄膜技術を用いたより効率的な構造が求められている。カネカ（登録商標）、シャープ（登録商標）、ショットソーラー（登録商標）、Ｅｒｓｏｌ（登録商標）等の多くの会社は、当初平面パネルディスプレイの製造に開発され、商業的に実証されたａ−Ｓｉを堆積するためのＣＶＤプロセスを採用することでガラス基板上のアモルファスシリコンを製造している。アプライドマテリアルズなどの装置会社は、ガラス基板上のａ−Ｓｉを製造する完成したシステムを提供している。
【０００５】
スーパーストレート構造は、ガラスなどの透明基板上に従来のＣｄＴｅ及びアモルファスシリコン太陽電池を製造するために使用されている。ガラス基板上に作られる従来の薄膜ソーラーモジュールは、セルを分離し、直列に接続するためにレーザースクライブ及び機械的スクライブ工程の組み合わせを用いてモノリシック集積される。薄膜太陽電池の１つの欠点は、すべての電流が限定された電導性を有する透明導電性酸化物を通らなければならないために、これらのセル／モジュールにより生成される電流が限定されることである。このように、モジュール当たりの利用可能な最大電流の制限が、システムコストのバランスを顕著に増大させることで、大きい太陽光利用施設市場における薄膜太陽電池の使用に制限が課される。この問題に対処するため、背面金属接点技術がシリコン太陽電池に使用されてきた。しかし、ガラス基板上に作られた太陽電池に背面接点を形成することが、不可能ではないにしても、困難であるために、これらの技術は、ガラス基板上に作られた伝統的なスーパーストレート構造の薄膜太陽電池には使用できない。
【０００６】
太陽電池におけるサブストレート構造は、アモルファスシリコン、ＣＩＧＳ又はＣｄＴｅ太陽電池を製造するために不透明金属泊又は半透明高分子基板などの可撓性基板が使用される場合に用いられている。ソレクサント・コーポレイションは、ＣｄＴｅサブストレート構造太陽電池のための背面接点形成のための新規な発案を開示した。その内容が参照により本明細書に組み込まれる２００９年３月２日に出願され、本出願人に譲渡された継続中の米国出願番号第１２／３８９，６３８号を参照。
【０００７】
従来技術は、更に、モノリシック集積と、透明導電体を背面金属に接続する方法を組み合わせた絶縁基板構造を開示する。その内容がすべて参照により本明細書に組み込まれる米国特許第５，６２６，６８６号、５，７３３，３８１号、５，４２１，９０８号及び５，９２８，４３９号を参照。これらの技術は、絶縁基板を用いた太陽電池にのみ有効である。これらの装置は、導電基板では動作しないし、導電性基板を考えるときに直面する問題への解決手段も示唆しない。
【０００８】
導電性基板は従来技術において使用されてきたが、可撓性基板上の光起電力装置のための薄膜吸収体材料を用いて、直列相互接続及び並行電流収集で導電性基板を成功裏に集積させた者はいなかった。ＣＩＧＳ太陽電池は通常、導電性基板上に作られているが、その相互接続構造は改善を必要とする。オーデルサンなどの幾つかの会社は、これらの薄膜のロールを１ｃｍのストリップに切断し、これらを手作業で接着して直列相互接続を形成している。これは手間を要し、高価なプロセスである。他の従来方法は、吸収体層を貫通するビアを形成し、これを導電性ペーストで充填してエミッターラップを形成することで透明導電体を背面金属電極に接続する。その内容が参照により本明細書に組み込まれる米国特許番号７，２７６，７２４号及び米国特許公開公報第２００７／０１８６９７１号を参照。
【０００９】
ＣｄＴｅ及び類似の吸収体材料を用いた絶縁基板上の薄膜太陽電池は従来公知である。その内容が参照により本明細書に組み込まれるマクキャンドレス，ビー等の米国特許第４，７０９，４６６及びチャン，ワイ−エス等の米国特許第４，２０７，１１９参照。ユナイテッドソーラーシステムズコーポレーション（登録商標）による可撓性金属箔上に作られたアモルファスシリコン太陽電池は、モノリシック集積を用い、これらのモジュールの低い電流の欠点を有している。その内容が参照により本明細書に組み込まれる米国特許第６，８０３，５１３号参照。透明導電体の抵抗による制限を克服するために、ユナイテッドソーラーシステムズコーポレーション（登録商標）は、透明導電体の表面に細い金属ワイヤーを取り付ける面倒で高価なプロセスを用いて抵抗損失を最小化している。他の直列相互接続構造を有する金属基板は従来公知である。米国特許第５，４６８，９８８号参照。
【００１０】
本発明は、背面接点を有するモノリシック集積薄膜太陽電池を製造するための新規な手法を開示する。本発明に記載されるこの革新的な手法の１つの利点は、完全に薄膜プロセスを通して製造される装置及び方法を可能にする。本発明に従う太陽電池は、ＴＣＯ層での減少した電流損失のために、大型装置のための増大した出力を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の１実施形態では、複数の光起電力セル（電池）を有し、前記光起電力セルが、それぞれ独立に、透明導電電極、ウィンド層、吸収体層、底部電極、導電性基板及び背面電極を有し、前記底部電極及び前記背面電極が前記基板の反対側に在ることを特徴とする光起電力装置が請求される。１実施形態では、前記基板が、前記基板を貫通して延びる複数のビアを有する。他の実施形態では、前記ビアが、前記ビアの内側の薄い絶縁層により前記導電基板から絶縁されている。他の実施形態では、第１のセルの前記底部電極と隣接するセルの前記背面電極が少なくとも１の第１接点を介して電気的に接続され、前記少なくとも１の第１接点が前記ビアを通って延びており、前記第１のセルの前記底部電極と前記隣接するセルの前記背面電極は、前記導電基板を介して電気的に接続されていない。他の実施形態では、少なくとも１の第１接点がビア壁上の連続的な被覆を有する。他の実施形態では、少なくとも１の第１接点が導電材料で充填されたビアを有する。他の実施形態では、少なくとも１のセルが、少なくとも１の第１接点によって隣接のセルに直列に接続され、前記少なくとも１の第１接点が、前記少なくとも１のセルの前記底部電極と、隣接のセルの前記背面電極の間の電気接続を形成する。他の実施形態では、前記背面電極は、第１接点の近くのスクライブを有し、前記スクライブは、前記背面電極を貫通して延び、前記隣接のセルは、前記底部電極のスクライブを有し、前記スクライブは、前記第１接点の近くに位置し、底部電極を貫通して延びている。他の実施形態では、第１スクライブが前記透明導電電極を貫通して延びており、前記第１スクライブは、前記第１接点の近くに位置する。他の実施形態では、前記透明導電電極を貫通する前記第１スクライブは、前記ウィンド層、前記吸収体層及び前記底部電極層を貫通して延びている。他の実施形態では、第２スクライブが前記透明導電電極を貫通して延びており、前記第２スクライブは、前記第１スクライブの逆側で前記第１接点の近くに位置する。他の実施形態では、前記第２スクライブは、前記ウィンド層及び前記吸収体層を貫通して延びている。他の実施形態では、前記第１及び第２スクライブは、実質的に相互に平行である。他の実施形態では、複数の第２接点を更に有し、前記複数の第２接点は、それぞれ独立に、前記透明導電電極と前記背面電極の間に平行接点を形成し、前記複数の第２接点は、前記底部電極から電気的に絶縁されており、前記底部電極は、前記背面電極と電気的に接続されていない。他の実施形態では、前記第２接点と前記背面電極がビア壁上の連続的な被覆を介して電気的に接続されている。他の実施形態では、前記第２接点と前記背面電極が導電材料で充填されたビアを介して電気的に接続されている。他の実施形態では、少なくとも２つのセルの間で直列接続を形成する第１接点と、セル内での並列接続を形成する第２接点を有する。他の実施形態では、少なくとも１の第１接点と複数の第２接点を有し、前記第１接点及び前記第２接点が、それぞれ独立に、前記基板を貫通して延びる導電材料の薄い層を有する。他の実施形態では、少なくとも１の第１接点と複数の第２接点と、前記第１接点及び／又は前記第２接点の内側に配された薄い絶縁層を有する。少なくとも１の第１接点と複数の第２接点と、前記第１接点及び／又は前記第２接点の内側に配された薄いバリア層を有する。他の実施形態では、複数の光起電力セルが非線形配置で接続されている。
【００１２】
本発明の他の実施形態では、複数の光起電力セルを有し、前記セルが、それぞれ独立に、透明導電電極、ウィンド層、吸収体層、底部電極、絶縁基板及び背面電極を有し、前記底部電極及び前記背面電極が前記基板の反対側に在る光起電力装置が開示される。１実施形態では、前記基板が、前記基板を貫通して延びる複数のビアを有する。他の実施形態では、第１のセルの前記底部電極と隣接するセルの前記背面電極が少なくとも１の第１接点を介して電気的に接続され、前記少なくとも１の第１接点が前記ビアを通って延びておいる。他の実施形態では、少なくとも１の第１接点がビア壁上の連続的な被覆を有する。他の実施形態では、少なくとも１の第１接点が導電材料で充填されたビアを有する。他の実施形態では、少なくとも１のセルが、少なくとも１の第１接点によって隣接のセルに直列に接続され、前記少なくとも１の第１接点が、前記少なくとも１のセルの前記底部電極と、隣接のセルの前記背面電極の間の電気接続を形成する。他の実施形態では、前記背面電極は、第１接点の近くのスクライブを有し、前記スクライブは、前記背面電極を貫通して延び、前記隣接のセルは、前記底部電極のスクライブを有し、前記スクライブは、前記第１接点の近くに位置し、底部電極を貫通して延びている。他の実施形態では、前記透明導電電極を貫通して延びる第１スクライブを有し、前記第１スクライブは、前記第１接点の近くに位置する。他の実施形態では、前記透明導電電極を貫通する前記第１スクライブは、前記ウィンド層、前記吸収体層及び前記底部電極層を貫通して延びている。他の実施形態では、前記透明導電電極を貫通して延びる第２スクライブを有し、前記第２スクライブは、前記第１スクライブの逆側で前記第１接点の近くに位置する。他の実施形態では、前記第２スクライブは、前記ウィンド層及び前記吸収体層を貫通して延びている。他の実施形態では、前記第１及び第２スクライブは、実質的に相互に平行である。他の実施形態では、複数の第２接点を更に有し、前記複数の第２接点は、それぞれ独立に、前記透明導電電極と前記背面電極の間に平行接点を形成し、前記複数の第２接点は、前記底部電極から電気的に絶縁されており、前記底部電極は、前記背面電極と電気的に接続されていない。他の実施形態では、前記第２接点と前記背面電極がビア壁上の連続的な被覆を介して電気的に接続されている。他の実施形態では、前記第２接点と前記背面電極が導電材料で充填されたビアを介して電気的に接続されている。他の実施形態では、少なくとも２つのセルの間で直列接続を形成する第１接点と、セル内での並列接続を形成する第２接点を有する。他の実施形態では、少なくとも１の第１接点と複数の第２接点を有し、前記第１接点及び前記第２接点が、それぞれ独立に、前記基板を貫通して延びる導電材料の薄い層を有する。他の実施形態では、少なくとも１の第１接点と複数の第２接点と、前記第１接点及び／又は前記第２接点の内側に配された薄い絶縁層を有する。少なくとも１の第１接点と複数の第２接点と、前記第１接点及び／又は前記第２接点の内側に配された薄いバリア層を有する。他の実施形態では、複数の光起電力セルが非線形配置で接続されている。
【００１３】
本明細書に開示される装置の吸収体層は、ＩＶ族材料、ＩＩ−ＶＩ族材料、ＩＩＩ−Ｖ族材料、Ｉ−ＩＩＩ−Ｖ族材料及び有機高分子からなる群より選ばれる材料を有する。他の実施形態では、前記光吸収材料が、シリコン、アモルファスシリコン、結晶シリコン、微結晶シリコン、ゲルマニウム及びＳｉＧｅからなる群より選ばれる材料を有する。他の実施形態では、前記吸収体材料が、ＣｄＴｅ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＳｎＳｅ、ＳｎＳ及びＳｎＴｅからなる群より選ばれる化合物を有する。他の実施形態では、前記吸収体材料が、ＧａＡｓ及びＩｎＰからなる群より選ばれる化合物を有する。他の実施形態では、前記吸収体材料が、ＣＩＳ及びＣＩＧＳからなる群より選ばれる化合物を有する。他の実施形態では、前記吸収体層が、ＣｄＴｅを有し、前記ウィンド層が、ＣｄＳを有する。
【００１４】
本発明の他の実施形態では、複数の孔を有する基板を提供するステップと、前記基板の両側に金属電極層を堆積して底部及び背面電極を形成するステップと、１以上の前記孔の外周から前記金属層の一部をスクライブして前記孔を前記底部電極から電気的に絶縁するステップと、前記底部及び背面電極を縦方向にスクライブして隣接するセルを規定するステップとを有し、これにより、少なくとも１の孔を介する１のセルの底部電極と隣接のセルの背面電極の間の少なくとも１の接点を介して隣接するセル同士が相互に電気的に接続され、前記孔は、前記底部のスクライブと前記背面電極のスクライブの間に配置され、吸収体層を提供するステップと、透明導体層を提供するステップとを更に有する光起電力装置の製造方法が開示される。他の実施形態では、１部の前記孔を被覆し、１部の前記孔を充填することが開示される。他の実施形態では、直列相互接続ビアの一方の側でセルを横断して縦方向に前記透明導電電極をスクライブし、同一の直列相互接続ビアの他方の側でセルを横断して縦方向に前記透明導電電極をスクライブすることが開示される。他の実施形態では、前記直列相互接続ビアの一方の側でセルを横断して縦方向に前記透明導電電極をスクライブし、前記スクが前記直列相互接続ビアの近傍にあり、前記スクライブが前記ＴＣＯ層、前記ウィンド層、前記吸収体層及び前記底部電極層を除去し、更に、同一の直列相互接続ビアの反対側で前記背面接点電極をスクライブするステップを有することが開示される。他の実施形態では、集電ビアの周囲で前記透明導電電極から前記底部電極まで外周領域をスクライブすることが開示される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、直列相互接続装置と接続された隣接する隣接光起電力セルを有する光起電力装置の側面図を示す。
【００１６】
【図２】図２は、集電ビア及び直列相互接続ビアを有する光起電力セルの側面図を示す。
【００１７】
【図２Ａ】図２Ａは、絶縁基板上の図２の集電ビアの拡大側面図を示す。
【００１８】
【図２Ｂ】図２Ｂは、絶縁基板上の直列相互接続ビアの側面図を示す。
【００１９】
【図３】図３は、集電ビアを有する光起電力セルの部分側面図を示す。
【００２０】
【図４】図４は、直列相互接続ビアと接続された隣接する光起電力セルを有する光起電力装置の部分側面図を示す。
【００２１】
【図４Ａ】図４Ａは、スクライブパターンによって透明導電電極で絶縁された隣接する光起電力セルを有する光起電力装置の部分側面図を示す。
【００２２】
【図５】図５は、導電基板上の隣接する光起電力セルを接続する直列相互接続ビアの部分側面図を示す。
【００２３】
【図６】図６は、導電基板上の直列相互接続ビア及び集電ビアを有する光起電力セルの側面図を示す。
【００２４】
【図７】図７は、本発明の装置の接続のための基板の平面図及び対応する側面図を示す。
【００２５】
【図８】図８は、集電ビア及び直列相互接続ビアのための孔を有する基板の平面図及び対応する側面図を示す。
【００２６】
【図９】図９は、絶縁層を形成した後の平面図及び対応する側面図を示す。
【００２７】
【図１０】図１０は、バリア層の堆積の後の平面図及び対応する側面図を示す。
【００２８】
【図１１】図１１は、正面及び背面電極の堆積の後の平面図及び対応する側面図を示す。
【００２９】
【図１２】図１２は、底部電極が隣接セルの絶縁を形成するようにスクライブされ、底部電極が集電ビアを絶縁するようにスクライブされた後の隣接するセルを有する光起電力装置の平面図及び対応する側面図を示す。
【００３０】
【図１３】図１３は、吸収体層の堆積の後の平面図及び対応する側面図を示す。
【００３１】
【図１４】図１４は、ウィンド層の堆積の後の平面図及び対応する側面図を示す。
【００３２】
【図１５】図１５は、透明導電電極の堆積の後の平面図及び対応する側面図を示す。
【００３３】
【図１６】図１６は、光起電力セルを絶縁する正面及び反対面のスクライブの形成後の平面図及び対応する側面図を示す。
【００３４】
【図１７】図１７は、直線状に接続された複数のセルを有する光起電力装置を示す。
【００３５】
【図１８】図１８は、タイル状のパターンに接続された複数のセルを有する光起電力装置を示す。
【００３６】
【図１９】図１９は、タイル−直交状に接続された複数のセルを有する光起電力装置を示す。
【００３７】
【図２０】図２０は、環状に接続された複数のセルを有する光起電力装置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
本発明者により考案された本発明を実施するための最良の形態を含む本発明の幾つかの特定の実施形態について詳細に説明する。これらの特定の実施形態の例は添付図面に示されている。これらの特定の実施形態との関連で発明を説明するが、本発明を記載された実施形態に限定することが意図されないことが理解される。反対に、添付特許請求の範囲に規定される発明の精神及び範囲に含まれ得る代替、改変及び均等のものを包含することが意図されている。後述の記述には、本発明の完全な理解を与えるために多くの特定の詳細が説明される。本発明は、これらの特定の詳細の一部又は全部無しで実施し得る。本明細書及び添付特許請求の範囲において、「１つ」（「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」）などの単一形は、文脈がそうでないことを明示していない限り、複数物への参照を含む。異なるように定義されない限り、本明細書で使用されるすべての技術及び科学用語は本発明が属する技術分野の当業者に通常に理解されるものと同じ意味を有する。
【００３９】
本明細書における「光起電力装置」により、動作環境において光を電気に変換できる多層構造を意味する。本明細書に記載される本発明は、サブストレート又はスーパーストレート構造で太陽電池を製造する場合に適している。装置は、リードや接続など、装置を実用するために必要な任意の更なる構造を有し得る。本明細書における「前記セルが、それぞれが独立に、〜を有する」により、「セル」が「複数のセル」であり、複数のセルを構成する個々のセルのそれぞれが記述の層を有し得ることが意味される。
【００４０】
本明細書における「光起電力セル」は、光電変換を行うことができ、一般に光起電力装置における最小単位である装置の部分として広く定義される。ここで、セルの境界は、様々な電極層に存在するスクライブ（scribe／切削）の位置により規定される。本発明の別の実施形態は、スクライブの異なる配置及び異なるセル構造を必要とする。好ましくは、本明細書で更に規定されるように、底部電極及び背面接点電極のスクライブにより分離される。好ましい１実施形態では、隣接する光起電力セルは、セルの端部における相互接続ビア近傍の底部電極におけるスクライブにより分離される。各光起電力セルは、好ましくは、基板、基板の両（反対）側に配置される電極、絶縁層、バリア層、吸収体層、ウィンド層及び透明導電性酸化物電極層を有する。本明細書に開示される光起電力セルに好適な非限定的な例は、その内容が参照により本明細書に組み込まれるDurstock, M. 等による「光起電力のための材料：アメリカ合衆国マサチューセッツ州ボストンで２００４年１２月２９日に開催されたシンポジウム」（Symposium proceedings/Materials Research Society v. 836 (2005)）に見出し得る。本明細書の発明は、タンデムの光起電力セルにも適している。本発明に有用なタンデムの装置に好適な構造は、その内容が参照により本明細書に組み込まれる「モノリシックＨｇＣｄＴｅ／ＣｄＴｅタンデムセル」（Mater. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 836, p. 265-270 (2008)）に記載されている。本発明では、光起電力装置のすべての光起電力セルが独特である必要はない。これらは、層構造、材料、形状などによって変化し得る。
【００４１】
「複数の光起電力セル」により、少なくとも２つの光起電力セルが意味される。好ましくは、セルは、相互に隣接して配列される。本発明では、任意の個数のセルが相互に直列に接続されることができ、光起電力セルの相互接続のための新規な構造を提供する。好ましい実施形態では、１のセルの底部電極と隣接するセルの背面電極は、直列相互接続ビアを除いて電気的に接続されない。
【００４２】
「モノリシック集積」により、複数の光起電力セルを結合させることが意味される。
【００４３】
本発明のビアを形成するのに適する孔は、「集電ビア」及び「直列相互接続ビア」の型式である。「ビア」により、かつては基板の孔であり、現在は充填された装置の部分が意味される。「ビア」は、孔から開始する以外の方法で形成された装置における孔又は他の構造も示称し得る。基板の孔は、最初に基板の箔にパンチ、ドリリング又は他の手段により形成され、そのサイズは同一又は非同一であり得、好ましくは、サイズは約２５−５００μｍの間で均一である。他の実施形態では、集電孔は、直列相互接続孔と異なるサイズを有し得る。集電孔は相互に相違するサイズを有することができ、直列相互接続孔は、相互に異なるサイズを有し得る。本発明では、正方形孔、三角形孔、複雑な形状の孔など任意の形状の孔が適切であり得る。孔は、基板を貫通して延在する。基板上の孔のパターンは、好ましくは均一であるが、任意の所望の形状であり得る。
【００４４】
「基板を通って延びる」により、ビア又は接点が、基板の１表面から反対表面まで、基板材料を他のものに置換することが意味される。
【００４５】
「一連相互接続ビア」により、孔又はビアが意味され、孔又はビア壁の導電コーティングを介して、又は、孔又はビアの導電充填物を介して隣接セルとの電気接続を有する光起電力セルのいくつかの実施形態においては、「第１接点」と示称される。「直列」及び「一連」は、本明細書では、互換的に使用される。本発明では、１の「一連相互接続ビア」は、隣接のアレイに接続するために使用されるが、同一のアレイ上の１以上の一連相互接続ビアを使用し得る。好ましくは、相互接続ビアは、セル又は隣接セルのＴＣＯ層と電気的に非接続であり、したがって、電気的に絶縁されている。１実施形態では、絶縁は、相互接続ビアの近く及び／又は周囲のＴＣＯ層のスクライブパターンにより達成され得る。更に、絶縁を生じさせるために、ＴＣＯ層及び／又はその近くの相互接続ビアにプラグ（複数）が絶縁層として堆積されることができ、膜（複数）が絶縁体として堆積されることができる。
【００４６】
「直列に相互接続される」により、好ましくは隣接する２つのセルが直列に接続されることが意味される。
【００４７】
「集電ビア」により、ビア又は孔を好ましくは有する接点が意味され、背面接点からＴＣＯ層への接続を有する光起電力セルにおける「第２接点」とも示称され、好ましくは、少なくとも１の他の「集電ビア」に並列に接続される。この語は、「集電孔」とも称される。
【００４８】
本発明の光起電力セルとの関連で使用される吸収体層は、Ｉ−ＶＩ、ＩＩ−ＶＩ、ＩＩＩ−Ｖ及びＩＶ−ＶＩ族化合物及びＩＶ族半導体及び有機半導体からなる群より選ばれる光電変換が可能な化合物半導体を含む膜を含む。好ましいのは、ＣｄＴｅであり、より良い熱整合のためにＭｏがＣｄＴｅ堆積に最も適している。ＣｄＴｅの堆積方法は、近接空間昇華法（ＣＳＳ／close space sublimation）、スプレイ堆積（ＳＤ）、スクリーン印刷及び電子堆積（electrodeposition）を含む。他の吸収体材料は、ＣＩＧＳなどのＩ−ＩＩＩ−ＶＩ化合物も含む。ＣＩＧＳは、０≦ｘ＜１のＣｕＩｎｘＧａ１−ｘＳｅであり、ＣＩＳ、ＣＩＳｅ、ＣＩＧＳｅ、ＣＩＧＳＳｅを含む当業界でＣＩＧＳとして知られる類縁材料が含まれる。本発明での使用に好適な有機半導体は、当業界で知られるポリ（３−ヘキシルチオフェン）、ポリ（３−オクチルチオフェン）などを含む。例えば、その内容が参照により本明細書に組み込まれるドルンディック，エム等の２００６年２月６日に出願された米国特許出願公開第２００７０１０２６９４号を参照。吸収体層は、好ましくは、約１−１０μｍの間の膜厚を有する。
【００４９】
本明細書におけるウィンド層は、本発明との関連で使用される吸収体層と接合を形成するように設計され、好ましくは、ｎ型材料を含む。好ましいウィンド材料は、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ及びオキシ硫化物である。ＣｄＳは、現状でＣｄＴｅと最良のヘテロ接合を形成し、したがって、好ましい。ウィンド層は、５０−２００ｎｍの膜厚を有し得る。ＣｄＳは、スパッタリング又は蒸着などのＰＶＤプロセスを用いて堆積され得る。
【００５０】
本発明に従って使用される基板は、絶縁又は導電性基板を含み得る。基板は、導電性不透明金属箔（ステンレス鋼、アルミ又は銅）、可撓性透明高分子膜（例えば、ポリイミド、ポリアミド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリエチレンナフタレート、ポリエステル）、又は、剛性の透明ガラス（ホウケイ酸塩又はソーダ石灰）であり得る。好ましくは、基板は可撓性である。基板の厚みは、所望の最終用途に応じて任意の好適なサイズであり得るが、可撓性金属泊では２５−２５０ミクロンであり、可撓性高分子膜では１０−１００ミクロンであり、又は、ガラスでは１−５ｍｍであることが好ましい。
【００５１】
本発明に従う電極層は、透明導電性電極及び底部及び背面電極を含み、底部及び背面電極は、好ましくは、金属電極であり、基板の反対面上に配置される。電極と基板の間に中間層が存在し得るため、「基板の１面上の電極」及び「反対面上の電極」により、必ずしも、電極が基板上に直接配置されることは意味されない。金属電極に好適な材料は、非限定的な例として、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｗ、Ｃｒ、Ｃｕを含む。好ましいのは、Ｍｏ、Ｔｉ及びＮｉである。金属電極層の膜厚は、５０ｎｍ−２０００ｎｍの範囲であり得、より好ましいのは、２５０−２０００ｎｍである。金属層は、公知の物理蒸着技術により堆積され得る。このことは、電極層が、実際に、基板表面上に配されることを意味しない。透明導電性電極は、通常は、良好な導電性と可視領域での高い透明性を有するｎ型物質であり、ＺｎＯ、ＩＴＯ、ＳｎＯ２、Ｃｄ２ＳｎＯ４、Ｉｎ２Ｏ３又はＺｎ２ＳｎＯ４からなる群より選ばれる材料を有する。好ましくは、その光電子特性及びその機械的、熱的、化学的安定性からＺｎＯが使用される。所望であれば、２つの異なる透明導電性電極層を使用することができ、２つの異なる材料の異なる特性を活かし得る。ＺｎＯは、その内容が参照により本明細書に組み込まれる米国特許第７，２６５，０３７号に開示されたナノワイヤーを含み得る。
【００５２】
本発明では、隣接層の結晶構造、微細構造、格子常数、電子親和性／仕事関数、熱膨張係数、拡散係数、化学的親和性及び移動性、機械的接着性及び移動性、界面張力、欠陥及び界面状態、表面再結合センターなどを整合させるために、光起電力セルに種々の界面層が存在し得る。本明細書における「界面層」は、吸収体層とウィンド層の間、又は、吸収体層と底部電極の間の１又は複数の層を含む意味であり得る。定義により、「界面層」は、単一層でもあり得るし、１，２，３，４，５又はそれ以上であり得る多数層の組でもあり得る。各層は、独立に、薄膜、ナノ粒子、焼結されたナノ粒子又はこの３つのうちの１以上の組み合わせを含み得る。本発明では、複数の界面層は、同一及び／又は異なる粒子サイズの膜を含み得るし、異なる化学組成のナノ粒子、焼結ナノ粒子及び／又は薄膜からなる層（複数）を含み得るし、同一及び／又は異なる粒子サイズの膜を含み得る。電極層と吸収体層の間の界面層に好適な材料は、その内容が参照により本明細書に組み込まれる本願出願人に譲渡された同時係属の２００９年３月１３日に出願された米国出願番号１２／３８１，６３７号に開示された材料及び層を含む。いくつかの実施形態では、特に、吸収体層とウィンド層の間に、その内容が参照により本明細書に組み込まれる本願出願人に譲渡された同時係属の２００９年３月２４日に出願された米国出願番号第１２／３８３，５３２号に教示される界面層を含むことが有用であり得る。
【００５３】
本発明に有用なバリア層は、ガラス、窒化物、酸化物、炭化物又はこれらの混合物を含み、５０−５００ｎｍの厚みを有し得る。バリア層は、任意的であり、汚染拡散に対する追加の保護を提供する。絶縁基板が使用される場合、バリア層は、好ましくは、底部酸化物層ではなく、頂部酸化物層上に適用される。導電性基板が使用される場合、バリア層は、好ましくは、頂部酸化物層及び底部酸化物層上に適用され、孔又はビアの内側を薄くそして実質的に均一に被覆する。
【００５４】
本発明に好適な絶縁層材料は、金属酸化物ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ、ジルコニウム、ランタン、ニオブ、スズ、インジウム、インジウムスズ（ＩＴＯ）、バナジウム、モリブデン、タングステン、ストロンチウムなどの酸化物などの無機材料を含む。同様に好ましいのは、Ｉ−ＶＩ、ＩＩ−ＶＩ、ＩＩＩ−Ｖ及びＩＶ−ＶＩ族化合物及びＩＶ族半導体及び有機半導体からなる群より選ばれる材料である。「ビアの内側の薄い絶縁層」により、孔又はビアの内径と同程度であり得る厚みを有する層を意味する。好ましくは、この膜厚は、２−２０μｍ、より好ましくは、２−１０μｍの間又はそれ以下である。
【００５５】
「層を形成する」により、層を堆積し、エッチングし、反応させ、スクライブし、さもなければ、生成し又は追加し、又は既に存在する層に作用するためのＰＶＤ、ＣＶＤ、蒸着、昇華を含むステップを意味する。本明細書に開示される層を形成する好適な技術は、その内容が参照により本明細書に組み込まれる本願出願人に譲渡された同時係属の２００９年３月２日に出願された米国出願番号第１２／３８０，６３８号に開示されたロールツーロールの連続工程を含む。
【００５６】
名詞として使用される場合は、「スクライブ」により、通常はレーザーパターニングにより除去又は切り取られた部分が意味される。
【００５７】
「表面処理」は、ウェットエッチング、ドライエッチング、スパッタリング、還元、電気化学、熱処理及びイオンミリングを含む意味を有する。これらの例は単なる例示であり、網羅的なものではない。
【００５８】
本発明では、ナノ粒子及び／又は焼結ナノ粒子が本発明の光起電力セルにおいて有用である。本発明における有用な種は、Ｉ−ＶＩ、ＩＩ−ＶＩ、ＩＩＩ−Ｖ及びＩＶ−ＶＩ族化合物及びＩＶ族半導体を含む化合物半導体を含む。これは、ＣＩＧＳなどのＩ−ＩＩＩ−ＶＩ化合物も含む。ＣＩＧＳは、０≦ｘ＜１のＣｕＩｎｘＧａ１−ｘＳｅであり、ＣＩＳ、ＣＩＳｅ、ＣＩＧＳｅ、ＣＩＧＳＳｅを含む当業界でＣＩＧＳとして知られる類縁材料が含まれる。ここで使用される球状ナノ粒子は、約１−１００ｎｍの間、好ましくは約２−２０ｎｍの間のサイズを有する。本発明では、本明細書での「ナノ粒子」は球状又は実質的に球状の粒子に限られず、テトラポッド（４本足）、ベントロッド（屈曲棒）、ナノワイヤー、ナノロッド、粒子、中空粒子、単一材料、合金材料、均質材料、混成材料などの種々の形状のナノ構造を含むことが理解される。ナノ粒子のサイズは可変であるが、粒子がナノロッド状（微小棒状）などの細長い構造の場合は、約１００ｎｍの最大長さを有し、約１−２０ｎｍ、好ましくは５ｎｍの最大径を有することが好ましい。
【００５９】
本発明に従うナノ粒子又は焼結ナノ粒子は、コア（core）／殻（shell）又はコア／殻／殻又はコア／殻／殻／殻構造を有し得る。コア及び／又は殻は、これには限られないが、ＩＩ−ＶＩ族（ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＭｇＴｅなど）、ＩＩＩ−Ｖ族（ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＡｌＡｓ、ＡｌＰ、ＡｌＳｂ、ＡｌＳなど）、ＩＶ−Ｖ族化合物及びＩＶ（Ｇｅ，Ｓｉ）物質、及びその合金又はその混合物を含む半導体材料であり得る。ＩＩ型ヘテロ構造（その内容が本明細書に組み込まれるS. Kim, B. Fisher, H.J. Eisler, M. Bawendi著、「ＩＩ型量子ドット：ＣｄＴｅ／ＣｄＳｅ（コア／殻）及びＣｄＳｅ／ＺｎＴｅ（コア／殻）ヘテロ構造」、J. Am. Chem. Soc. 125 (2003)11466-11467を参照）、及び、合金化された量子ドット（その内容が共に本明細書に組み込まれるX.H. Zhong, Y.Y. Feng, W. Knoll, M.Y. Han著、「極めて狭い蛍光スペクトル幅を有する合金化されたＺｎｘＣｄ１−ｘＳナノ結晶」、J. Am. Chem. Soc. 125 (2003) 13559-13563、及び、R.E. Bailey, S.M. Nie著、「合金化された半導体量子ドット：粒子サイズを変化させずに光学特性を同調する」、J. Am. Chem. Soc. 125 (2003) 7100-7106）が好適と考えられる。ナノ粒子及び焼結ナノ粒子は、コーティング又はこれに結合したリガンドを有し得る。上に列記した物質の多くは量子閉じ込めされている。しかし、本発明はナノ粒子が量子閉じ込めされていることを必要としない。
【００６０】
「電気的絶縁」により、少なくとも１０ｋΩ／□（ohms/square）の抵抗を有することを意味する。
【００６１】
「電気導電性」により、１００Ω／□未満の抵抗を有することを意味する。
【００６２】
１実施形態では、光起電力装置は、基板を提供し、これに１組の孔を形成することで製造される。これらの孔の１組は、直列相互接続に使用され、他の１組は、透明導体電極と背面電極の接続を形成するために使用される（集電ビア）。導電性基板が使用される場合、最初に孔が形成され、その後、正面、背面、及び孔の壁上の絶縁層が形成される（絶縁基板が使用される場合、このステップは不要）。導電金属層は、金属層が、正面及び裏面の双方を被覆し、直列相互接続ビア及び集電ビアを介して、これらを完全に充填することで（充填ビア）、又は、側壁を被覆することで（被覆ビア）、正面及び背面金属の間の接続を形成するように、正面及び背面に堆積される。底面電極金属及び背面接点電極は、レーザーによりスクライブされて、隣接セルの絶縁を形成する。底面電極スクライブ及び背面接点電極スクライブは、隣接セルの直列接続を可能にするように、直列相互接続ビアの周囲でオフセットしている。集電ビアの周囲の金属は、これらの孔の周りの底部電極金属をレーザースクライブすることで除去され、これらがセル内の連続的な正面電極面と接続を形成しないように絶縁される。集電ビアが被覆ビアである場合、界面層（単一又は複数）、吸収体層、ウィンド層（単一又は複数）及びＴＣＯは、堆積されてセル間を絶縁するようにスクライブされる。集電ビアが充填ビアの場合、界面層（単一又は複数）、吸収体層、ウィンド層（単一又は複数）は堆積されて、集電ビア上及びその周囲のこれらの層を除去して充填ビアを露出させるように（機械的に又はレーザーで）領域がスクライブされる。透明導電性酸化物層は、その後、堆積され、続いて、隣接セル間を絶縁するようにスクライブされる。
【００６３】
図面を参照しつつ本発明が以下に説明される。以下に述べる実施形態、材料及び範囲は、異なるように示されない限り、例示的な実施形態に過ぎず、限定的で網羅的なものを意味しない。
【００６４】
実施例１：直列相互接続及び背面金属接点を有する可撓性絶縁基板上の薄膜ＣｄＴｅ太陽電池
【００６５】
図１を参照すると、本発明の１実施形態に従う光起電力装置１０１の断面が示されている。光起電力セル１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃが示され、隣接するセル１０２ａ，１０２ｂは、直列相互接続ビア１０３により相互接続されている。ビア１０３ａの詳細は、図２Ｂに拡大されている。スクライブ１０４ａ，１０４ｂが光起電力セル１０２ａ，１０２ｂを分離する。底部電極１１２を貫通するスクライブ１０４ａは、背面接点１０７のスクライブ１０５と協力して、相互接続ビア１０３により接続された隣接セル間を電気的に絶縁するように機能する。スクライブ１０４ａはビア１０３の近くにあり、ビア１０３をセル１０２ａの底部電極との電気接続から絶縁するが、セル１０２ａの背面電極１０７ａへのビア１０３接点（不図示）を介するセル１０２ｂの底部電極との電気接点を介するセル１０２ａとの電気接続は形成する。孔１０６ａ，１０６ｂは、背面電極層１０７との電気接続を形成する集電ビア（不図示）の頂部を規定する。図１では、次の層構造を有し、実施例２に記載される方法に従って製造された：背面金属電極１０７、下方酸化物層１０８、基板１０９、頂部酸化物層１１０、バリア層１１１、底部電極１１２、吸収体層１１３、ウィンド層１１４及び正面電極（透明導電体層又は透明導電性電極）１１５。
【００６６】
実施例２：充填ビアを有する背面金属接点及び直列相互接続を有する可撓性絶縁基板上の薄膜ＣｄＴｅ太陽電池
【００６７】
本発明に従う太陽電池の製造方法が、特に図１−３を参照しつつ説明される。絶縁基板１０９にそれぞれの直径を有する複数の孔１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ，１０６ｄが形成される。孔は、孔の材料、サイズ、形状、個数に応じて適切な方法で形成され得る。孔間の距離は可変である。１実施形態では、直列相互接続孔は、箔上で横方向に１０ｃｍ離間して、縦方向又は長手方向に１００ｃｍ離間して並べて穿孔される。集電孔の行は、直列相互接続孔の行の間でｘ及びｙ方向の双方に１ｃｍ離間して穿孔される。抵抗を最小化するが、実効的な電流生成領域が無くならないことを確実にするように接点数も最小化するために、集電孔間の距離を最小化することが好ましい。
【００６８】
任意的に、基板１０９は、基板から能動層への任意の汚染が拡散することを防ぐために、頂部側がＳｉＯ２などの５０−５００ｎｍ厚の頂部酸化物層１１０により、底部側が底部酸化物層１０８により被覆される。
【００６９】
５０−５００ｎｍ厚の任意的なバリア層１１１が、汚染物の拡散に対する追加的な保護を与えるために、頂部酸化物層１１０上に任意的に堆積され得る。窒化チタンが好ましい。導電性金属が正面及び背面に堆積されて、（存在する場合は）バリア層１１１の頂部の底部電極層１１２及び底部酸化物層１０８に接着された基板１０９の反対側の背面電極層１０７が形成される。好ましい電極材料は、約５０−２０００ｎｍの厚みを有するＭｏである。１実施形態では、ビア２０３を完全に充填し、又は、側壁（不図示）を被覆することによりビア２０３を介する接点が背面電極層１０７と底部電極１１２の間に形成される。背面電極層１０７，２０７及び底部電極１１２，２１２は、直列相互接続ビア１０３，２０３の任意の側部でスクライブ１０５，２０５されることで、隣接セルの絶縁が形成され得る。これが、隣接するセルの背面金属電極を相互に絶縁させる。
【００７０】
１−１０ミクロンの厚みを有するＣｄＴｅを含む吸収体層１１３，２１３が底部電極層１１２，２１２上に形成される。底部電極層１１２，２１２は、ビア又はその側壁に堆積された任意の物質が底部電極１１２から絶縁されるように、集電孔２１６の周囲で領域を形成するようにスクライブ２１７ａ，２１７ｂ，３１７ａ，３１７ｂされる。１実施形態では、吸収体層１１３の堆積の前に、ＺｎＴｅなどの物質を含む界面層（不図示）が５０−５００ｎｍの厚みで底部電極層１１２上に堆積され得る。１実施形態では、吸収体層１１３は、スパッタリング又はこの目的に当業界で知られる近接空間昇華法（ＣＳＳ／close space sublimation）、気相輸送蒸着法（ＶＴＤ／vapor transport deposition）、閉空間蒸気輸送法（ＣＳＶＴ／close-space vapor transport）、又は化学蒸着法（ＣＶＤ）などの他の物理蒸着法（ＰＶＤ）により成長させることができる。
【００７１】
図２は、図１に示されない他の特徴を有する図１のセル１０２ｂのより完全な図面である。集電ビア２１６、直列相互接続ビア２０３及び集電孔２０６ａ，２０６ｂを有する光起電力セル２０２の製造プロセスに続いて、約５０−２００ｎｍの厚みを有するウィンド層２１４が吸収体層２１３上に堆積される。
【００７２】
図２を参照して、約１００−１０００ｎｍの厚みを有するＺｎＯなどの酸化物を含む透明導電性電極２１５がウィンド層２１４上に堆積される。透明導電性電極２１５は集電孔の金属と接触し、背面接点を形成する。最後に、背面金属接点を有する直列に接続されたセルを規定するように、ＺｎＯ及び背面電極がスクライブ２０５される。
【００７３】
ビア２１６の拡大図２１９が図２Ａに示され、集電ビア２１６上の被覆が詳細に示されている。装置のための堆積工程がビアの内側の多層構造を形成する。背面金属電極２０７の堆積工程は、電気導電材料のビア２１６の内壁被覆２２０を形成する。ビアの内室から外方に向けて、背面金属電極層２０７までずっと延在し、これと電気接触を形成する透明導電体層２２１がある。ある実施形態では、被覆２２０は、透明導電体層のビア被覆２２２とのみ接触を形成し、被覆層２２１は、電気接触を形成するように背面電極２０７まで延在する必要はない。ビア層２２５（従って、底部電極）は、集電ビア２１６からスクライブ２１７ａ，２１７ｂにより電気的に絶縁され、スクライブ２１７ａ，２１７ｂは、集電チューブの周囲にこれを底部電極２１２から絶縁する電気絶縁領域を規定する。また、集電ビア２１６を絶縁するものは、ビア壁の吸収体材料の層２２４及びウィンド層を含む層２２３である。図示のスクライブ２１７ａ，２１７ｂは、実際には、円環状のスクライブの断面の２端であることに留意されたい。非限定的な１実施形態では、集電孔の外周から１００ミクロン幅である。スクライブのサイズは、使用される材料、ビアの形状及び他の要因に依存する明らかな設計上の変形形態である。
【００７４】
ビア２０３の詳細２０３ａが図２Ｂに示されている。図２Ｂは、絶縁基板上の直列相互接続ビア１０３ａ，２０３ａの拡大図を示す。直列相互接続ビア２０３は、底部電極２１１においてスクライブ２３１により、背面金属電極２０７においてスクライブ２０５により分離された２つの隣接する光起電力セル２０２ａ，２０２ｂを接続する。ビア２０３は、酸化物２２７の薄い層、バリア層２２６、金属層２２５を有する。ビア２０３の頂部切欠図は、更に、透明導電体材料、ウィンド材料、吸収体材料をそれぞれ含む内層２２２，２２３，２２４を示す。セル２０２ｂの底部電極から、セル２０２ａの背面電極層２０７に、絶縁スクライブ２０５の左側の電極２０７に接続されたビア被覆２２５を介する接続が形成される。ビア壁層２２６，２２７は、処理中の汚染拡散の低減を助ける。
【００７５】
図３は、それぞれの集電ビア（不図示）の頂部を規定する集電ビア開口３０６ａ，３０６ｂを有する光起電力セル３０２において並列に接続された２つの集電ビア３１６ａ，３１６ｂの断面を示し、底部電極層から集電ビアを絶縁するスクライブの他の実施形態を示す。スクライブ３１７ａ，３１７ｂは、底部電極３１２から集電ビア３１６ｂを外周で絶縁する。他の実施形態では、ウィンド層３１４，吸収体層３１３，底部電極層３１２は、集電ビア３１６ａの周囲に延びるスクライブを示す接触領域３１８ａ，３１８ｂを開口させるように、集電孔の周りでスクライブ３１８ａ，３１８ｂされる。本発明では、一方又は双方のスクライブ構造が、同一の装置での同時使用に好適である。
【００７６】
実施例３：背面金属接点及び直列相互接続を有する可撓性導電性基板上の薄膜ＣｄＴｅ太陽電池
【００７７】
図４を参照すると、直列相互接続ビア４０３により接続された光起電力セル４０２ａ及び隣接の光起電力セル４０２ｂを有する本発明の１実施形態に従って設計された光起電力装置が示されている。各セル４０２ａ，４０２ｂは、好ましくは、底部から頂部に少なくとも下記の順序の層構造を有する：背面金属電極４０７、下方バリア層４３０、下方酸化物層４０８、基板４０９、頂部酸化物層４１０、頂部バリア層４１１、底部電極４１２、吸収体層４１３、ウィンド層４１４及び透明導電体層４１５。孔４０６ａ，４０６ｂがそれぞれ集電ビア４１６ａ，４１６ｂの頂部の開口を規定する。集電ビア４１６ａ，４１６ｂは、それぞれ隣接の光起電力セル４０２ａ，４０２ｂにあり、直列相互接続ビア４０３により直列に相互接続される。背面電極４０７のスクライブ４０５及び底部電極４１２のスクライブ４３１が隣接のセルを分割する。透明導電体層４１５は、直列相互接続ビア（複数）４０３（及び不図示の他の相互接続ビア）を絶縁して隣接セルを規定するスクライブ４３２を有する。集電ビア４１６ａは、底部電極４１２からビア４１６ａ，４１６ｂを絶縁するように底部電極層４１２を貫通する環状のスクライブ４１７ａ，４１７ｂを有する。１実施形態では、スクライブ４１７ａは、底部電極層の堆積後のビアの内径よりも約１００ミクロン広い。集電ビア４１６ｂは、底部電極４１２からビアを絶縁するように金属層４１２を貫通する環状のスクライブ４１７を有する。
【００７８】
図４の実施形態では、「光起電力セル」は、３つのスクライブを参照して規定される。スクライブ４３２は、透明導電体電極を貫通してセル４０２ａ，４０２ｂの頂部部分を分離する。スクライブ４３１は、底部電極においてセル４０２ａ，４０２ｂを分離する。この実施形態のように、透明導電体電極４１５及び底部電極層４１２を貫通するスクライブ４３２，４３１がオフセットしている場合、すなわち、これらのスクライブが接触していない場合、底部電極層に領域４４０が形成される。この領域及び上記領域は、スクライブ４３２の広さに依存して、光電変換を可能にし、セルの歩留まりを増大させる。このように、この実施形態では、スクライブ４３２を可能な限り薄くすることが有利である。１実施形態では、スクライブ４３５，４３６を相互に及びビア４０３に出来るだけ近づけて配置することが好ましい。
【００７９】
図４Ａは、本発明の代替実施形態を示し、ここでは、直列相互接続ビア４０３は、透明導電体層、ウィンド層、吸収体層及び底部電極を貫通して延びるスクライブ４３５と、単一の透明導電体層を貫通して延びてはいるが、ウィンド層、吸収体層及び任意の存在する界面層を含む複数層を貫通して延びることができ、好ましくは底部電極層は貫通しないスクライブ４３６を用いて絶縁されている。
【００８０】
図５は、図４の直列相互接続ビア４０３の拡大図を示す。直列相互接続ビア５０３は、底部電極５１１のスクライブ５３１及び背面金属電極５０７のスクライブ５０５により分離された２つの隣接する光起電力セルを接続する。このビアは、絶縁体材料５２７の薄い層、バリア層５２６及び金属層５２５を有する。
【００８１】
図６は、図４の装置の集電構造の他の実施形態を示す。集電ビア６１６ａ，６１６ｂは、外周スクライブ６１７ａ，６１７ｂにより正面電極から電気的に絶縁される。スクライブ６３２は、直列相互接続ビア６０３を透明導電体層６１５から絶縁するチャネルを形成する。
【００８２】
実施例４：背面金属接点及び直列相互接続を有する可撓性導電性基板上の薄膜ＣｄＴｅ太陽電池の製造方法
【００８３】
図７を参照して、所望の導電材料を有する基板７０９ａ（平面図），７０９ｂ（側面図）が提供される。図８は、ビアをするために、約２５−５００ミクロンの間の選択されたサイズを有する集電ビア孔８０６ａ（平面図），８０６ｂ（側面図）及び直列相互接続孔８３７ａ（平面図），８３７ｂ（側面図）がそこに形成されたものを示す。１実施形態では、直列相互接続孔（複数）８３７ａは、ｘ及びｙ方向の双方に１００ｃｍだけ離間している。集電孔８０６ａは、直列相互接続孔の間でｘ及びｙ方向の双方に１ｃｍ離間して穿孔される。図９は、基板９０９ａ（平面図），９０９ｂ（側面図）が頂部酸化物層９１０ａ（平面図），９１０ｂ（側面図）及び底部酸化物層９０８ｂ（側面図）により被覆された任意的な実施形態を示す。ビアは、最初、酸化物材料により被覆９２７される。アルミ基板が使用される場合、両面及び孔の内側に酸化アルミ層（２−２９ミクロン）を形成して絶縁表面及び絶縁孔を形成するために陽極酸化技術が使用され得る。ステンレス鋼基板が使用される場合、孔の内側が酸化物層により完全に被覆されて絶縁孔を形成することを確実にするように、酸化アルミ又は酸化シリコンが基板の頂部及び底部表面とともに孔壁にも堆積される。図１０は、次に、頂部酸化物層１０１０（平面図）上，底部酸化物層１００８（側面図）上とともにビア１０２１の内側にバリア層１０１１ａ（平面図），１０１１ｂ（側面図）及び１０３０（底部バリア層）が堆積される任意的な実施形態を示す。図１１は、５０−２０００ｎｍ、より好ましくは、２５０−２０００ｎｍの厚みを有するＭｏなどの材料を含む背面金属電極層１１０７及び底部電極１１１２ａ（平面図），１１１２ｂ（側面図）の付加を示す。好ましい実施形態では、材料は、ビア１１２５の内側も被覆する。図１２は、金属電極層がスクライブ１２３１ａ，１２３１ｂされて隣接するセル１２０２ａ，１２０２ｂが形成されることを示す。１実施形態では、スクライブは、１００ｃｍ×１００ｃｍのセルを形成するように１００ｃｍ離間している。外周スクライブ１２１７（平面図），１２１７ａ，１２１７ｂ（側面図）が集電孔１２０６の周囲に形成されて集電ビアが底部電極１２１２ａ（平面図）から絶縁される。好ましくは、スクライブは、集電孔の内径よりも約１００ミクロン広い。
【００８４】
図１３は、好ましくは、約１−１０ミクロンの間の厚みを有するＣｄＴｅを有する吸収体層１３１３ａ（平面図），１３１３ｂ（底面図）の堆積を示す。代替的には、ＣｄＴｅ吸収体層の堆積前に、ＺｎＴｅなどの界面層（不図示）がＭｏ上に５００ｎｍの厚みで堆積され得る。図１４は、好ましくは、約５０−２００ｎｍの厚みを有するＣｄＳを含むウィンド層１４１４ａ（平面図），１４１４ｂ（底面図）の堆積を示す。これらの層は、集電孔の直上がスクライブされてこれらの孔における接触領域が開口される。非限定的な１実施形態では、このスクライブは、集電孔よりも１００μｍだけ広い。このスクライブのサイズは、使用材料に応じた自明な設計上の変形形態である。図１５は、好ましくは、約１００−１０００ｎｍでＺｎＯを含む透明導電性酸化物層１５１５ａ（平面図），１５１５ｂ（底面図）の堆積を示す。透明導電性酸化物層は、集電孔の金属と接触し、背面接点を形成する。図１６は、透明導電層がバリア層１６０４ａ（平面図），１６０４ｂ（底面層）まで掘り下げられて（スクライブされて）隣接するセル（複数）を絶縁することを示す。このスクライブは、直列相互接続ビアに出来るだけ近く、出来るだけ狭いことが好ましい。背面金属電極はスクライブ１６０５されて、背面金属接点を有する直列接続されたセル（複数）が規定される。
【００８５】
実施例５：被覆ビアを有する背面金属接点及び直列相互接続を有する可撓性基板上の薄膜ＣｄＴｅ太陽電池
【００８６】
本発明の代替実施形態では、ビアは被覆ビア又は充填ビアのいずれでもあり得る。どちらの場合でも、基板は絶縁性又は電気伝導性であり得る。光起電力層は、実施例１−４のいずれかと同様に形成される。Ｍｏなどの金属電極層が５０−１０００ｎｍの厚みで基板の底部又は反対面に堆積される。本発明では、この背面金属層が唯一の電極層又は１，２又はそれ以上の形成された背面電極層の一部であり得る。この金属層の堆積がビアの内壁を部分的に被覆し、又は、他の実施形態では、ビアの内壁を上から下まで全周的に完全に被覆する。１実施形態では、底部の２つの金属層は同一である。他の実施形態では、この２つの金属層は異なる。透明導電体層及び背面金属電極は、少なくとも部分的に、これらが電流伝導のための電気接点を形成すうりょうに、開口したビアを介して電気的に接続する。装置の頂部の透明導体層は、隣接セルの直列接続のために個々の光起電力セルを絶縁するようにスクライブされる。
【００８７】
実施例６：異なるサイズのビアを有する背面金属接点及び直列相互接続ビアを有する可撓性基板上の薄膜ＣｄＴｅ太陽電池
【００８８】
光起電力装置は、実施例１−４に開示したと同様に製造される。基板の孔は、直径、形状及び／又はその双方が異なるように形成される。これは、本明細書に記載したプロセスを用いて一部のビアを被覆ビアにし、他を充填ビアにすることを可能にする。非限定的な実施形態では、２５−１００ミクロンのサイズを有する直列接続孔が基板に穿孔され、１００−５００ミクロンの集電孔が基板に穿孔される。直列接続孔（複数）は、ある方向には１０ｃｍ離間し、その直交する方向には１００ｃｍ離間する。集電孔は、直列接続孔の間で、ｘ及びｙの双方向に１ｃｍ離間して穿孔される。この実施形態では、直列接続孔は、堆積プロセスの間にビアを容易に充填して充填ビアを形成するのに十分に小さく、集電孔は大きく、被覆ビアを形成するように、充填されない。直列接続充填ビアは、ＴＣＯから完全には絶縁されず、したがって、特別の絶縁を要しないので、直列接続充填ビアは、最終的な絶縁スクライブの位置により大きい柔軟性を与える。
【００８９】
実施例７：異なるセル相互接続パターンを用いた光起電力装置構造
【００９０】
本発明に従う直列相互接続及び集電ビアを採用した光起電力セルは、製造プロセスを簡略化し、コストを低減できる構造パターンで接続されることができる。図１７は、隣接する光起電力セル１７０２ａ，１７０２ｂ，１７０２ｃを有する光起電力装置１７０１の平面図を示す。透明導体層を貫通するスクライブ１７３２は隣接するセルを絶縁し、直列相互接続ビア１７０３を透明導体電極から絶縁する。矢印１７５０は電流の方向を示す。図１８は、タイルサーキュラーパターンで接続された隣接する光起電力セル１８０２ａ，１８０２ｂ，１８０２ｃを有する光起電力装置１８０１の平面図を示す。透明導体層を貫通するスクライブ１８３２は隣接するセルを絶縁し、直列相互接続ビア１８０３を透明導体電極から絶縁する。矢印１８５０は電流の方向を示す。図１９は、タイル蛇行パターンで接続された隣接する光起電力セル１９０２ａ，１９０２ｂ，１９０２ｃを有する光起電力装置１９０１の平面図を示す。透明導体層を貫通するスクライブ１９３２は隣接するセルを絶縁し、直列相互接続ビア１９０３を透明導体電極から絶縁する。矢印１９５０は電流の方向を示す。図２０は、環状パターンで接続された隣接する光起電力セル２００２ａ，２００２ｂ，２００２ｃを有する光起電力装置２００１の平面図を示す。透明導体層を貫通するスクライブ２０３２は隣接するセルを絶縁し、直列相互接続ビア２００３を透明導体電極から絶縁する。矢印２０５０は電流の方向を示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００９１】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００７／０１８６９７１号公報
【図１】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図４Ａ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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