JP2001007356A - 薄膜太陽電池 - Google Patents
薄膜太陽電池Info
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Abstract
高い利用効率を維持しつつ、その電極層と光電変換層と
の間の界面特性が改善された高性能の薄膜太陽電池を提
供する。 【解決手段】 薄膜太陽電池は平均表面粗さRaが50
nmを超える凹凸表面テクスチャを有する第1電極層1
2上に順次積層された透明絶縁体層13、半導体光電変
換層14、および第2電極層15を備え、透明絶縁体層
13は第1電極層12の表面テクスチャにおける凹凸の
最大高低差より大きな厚さを有していて半導体層14と
の界面において50nm未満の平均表面粗さRaを有す
るとともに、半導体層14を第1電極層12に接続する
ための複数の開口13aを含んでいる。
Description
し、特に、電極層が光を散乱させるための凹凸表面テク
スチャを有する薄膜太陽電池の改善に関するものであ
る。
例が模式的な断面図で示されている。なお、本願の各断
面図においては、図面の明瞭化のために凹凸表面テクス
チャは誇張されて示されており、また、それぞれの層の
厚さなどは実際の寸法関係を反映してはいない。
81上にITO等の透明電極層82が形成されている。
この透明電極層82の表面は、微細な凹凸を含む表面テ
クスチャを有している。透明電極層82の凹凸表面テク
スチャ上には半導体光電変換層が形成されており、これ
は順次積層されたpサブ層83、iサブ層84、および
nサブ層85を含んでいる。半導体層83〜85上に
は、銀、アルミニウム等からなる裏面電極層86が形成
されている。なお、図8の例では透明電極層82側から
pinの順に半導体サブ層が積層されているが、これと
は逆にnipの順に積層されてもよいことは言うまでも
ない。
ャが設けられる理由は、たとえば特開昭58−5775
6に開示されているように、入射光を半導体光電変換層
83〜85内へ散乱させて、その半導体層内で光電変換
のために吸収される光量を増大させるためである。これ
によって、太陽電池の出力電流を増大させることができ
る。しかし、この反面において、透明電極層82の凹凸
表面テクスチャは、n半導体サブ層83と透明電極層8
2との間の界面特性を劣化させるなどの問題を生じ得
る。
に、特開昭61−216489においては、比較的大き
な結晶粒度によって大きな平均表面粗さRaの凹凸表面
テクスチャを有する第1の透明電極層上に、小さな結晶
粒度による小さな平均表面粗さRaの表面テクスチャを
有する第2の透明電極層を重ねて形成し、その上に半導
体光電変換層を形成することが開示されている。また、
特開平3−344262においては、透明電極層の凹凸
表面テクスチャ上に厚さが1〜10nm程度の薄いパッ
シベーション層を設けることによって、半導体光電変換
層と透明電極層との間の界面特性を改善することが提案
されている。
おいては、製造の容易さとコストの低さなどの観点か
ら、主として非晶質の半導体光電変換層が利用されてい
る。しかし、非晶質光電変換層は長時間の光照射によっ
て特性が劣化するという光劣化の問題を含んでいる。そ
こで、近年では、結晶成分を含む(以下「微結晶」と称
す)半導体光電変換層が光劣化に対して安定でかつ高い
光電変換特性を達成し得るものとして期待されている。
スチャを有する基板上に微結晶シリコン薄膜を気相成長
によって堆積すれば、平坦な基板上に堆積した場合に比
べて、優先結晶配向性が低下するとともに結晶粒度が小
さくなることが明らかになっている。また、凹凸表面テ
クスチャを有する透明電極層上にシリコン層が堆積され
る場合、微結晶層は非晶質層に比べて剥離しやすいこと
もわかっている。すなわち、入射光の利用効率を高める
ための凹凸表面テクスチャを有する電極層上に半導体光
電変換層を堆積する場合、その半導体層の結晶粒度を大
きくすることが困難で、また、光電変換層と電極層との
間における不所望な界面エネルギー準位の低減も困難で
あり、その界面での剥離も生じやすいという課題があ
る。
み、本発明は、凹凸表面テクスチャによる入射光の高い
利用効率を維持しつつ、改善された品質の半導体光電変
換層の積層を可能にするとともに、光電変換層と電極層
との間の界面特性が改善された高性能の薄膜太陽電池を
提供することを目的としている。
池では、光を散乱させるための微細な凹凸を含み平均表
面粗さRaが50nmを超える表面テクスチャを有する
第1電極層のその表面テクスチャ上に、順次積層された
透明絶縁体層、半導体光電変換層、および第2電極層を
備え、透明絶縁体層は、第1電極層の表面テクスチャに
おける凹凸の最大高低差より大きな厚さを有していて半
導体層との界面において50nm未満の平均表面粗さR
aを有するとともに、半導体層を第1電極層に接続する
ための複数の開口を含んでいることを特徴としている。
電極の凹凸表面テクスチャの平均表面粗さRaに比べて
透明絶縁体層の表面テクスチャ7Raが減少させられて
いるので、その透明絶縁体層上において結晶配向性が高
くて結晶粒度の大きな高品質の微結晶半導体光電変換層
が形成され得る。また、透明絶縁体層を介在させること
によって半導体光電変換層と第1電極層との間の界面エ
ネルギー準位を低減させることができるので、界面にお
けるキャリアの再結合が抑制され、それによる光電変換
効率の向上も期待され得る。
第2の透明絶縁体層が挿入されてもよく、そのような第
2絶縁体層は半導体層を第2電極層に接続するための複
数の開口を含んでいる。このような付加的な第2透明絶
縁体層によって、半導体層と第2電極層との間の界面特
性をも改善することができる。
において光を散乱させるための凹凸表面テクスチャを有
することが好ましい。このような第2透明絶縁体層の凹
凸表面テクスチャによっても、入射光の利用効率をさら
に高めることができる。
電極として形成することができ、第2電極層は裏面電極
として形成することができる。一般には、SnO2 、Z
nO等からなる透明電極上に半導体層をプラズマCVD
で堆積させる場合には、その透明電極が直接プラズマに
晒されて水素原子による還元反応が生じ、それによって
透明電極の透光性が劣化することが知られている。しか
し、本発明による薄膜太陽電池においては透明電極が直
接プラズマに晒されることを透明絶縁体層によって防止
し得るので、透明電極の透光性の劣化を防止することが
できる。
面電極であって、第2電極層が透明電極であってもよ
い。この場合には、裏面電極は透明である必要がないの
で、光の反射率の高い金属材料で形成することができ
る。また、第1電極がそのような金属材料からなる裏面
電極である場合には、それが基板を兼ねることも可能で
ある。裏面電極が金属電極で形成される場合には、透明
絶縁体層は裏面電極から半導体層への金属元素の拡散を
防止するように作用し得るとともに、金属電極の表面に
反射率の小さな化合物層が形成されることを防止するよ
うにも作用し得る。
態をより具体化したいくつかの実施例について説明す
る。なお、これらの実施例における薄膜太陽電池は公知
の種々の方法によって形成することができ、その製造方
法は特定の方法に限定されるものではない。
例1による薄膜太陽電池が模式的な断面図で示されてい
る。この太陽電池においては、透明なガラス基板11上
にSnO2 からなる透明電極層12が堆積された。この
透明電極層12は、その凹凸表面テクスチャの平均表面
粗さRaが150nmになるように500nmの厚さに
堆積された。このような表面テクスチャを有する透明電
極層12上にSiOX からなる透明絶縁体層13が25
0nmの厚さに形成され、その平均表面粗さは20nm
程度になった。すなわち、透明電極層12の平均表面粗
さRa=150nmに対して、透明絶縁体層13の表面
においてはその平均表面粗さがRa=20nmに減少さ
せられたことになる。
と透明電極層12の光透過率に対してほとんど影響を与
えなかった。すなわち、透明絶縁体層13内において、
光吸収はほとんど生じていないといえる。また、この実
施例1では、透明絶縁体層13がマグネトロンスパッタ
リング法によって堆積された後に、フォトリソグラフィ
を利用したパターニングによって複数の開口13aが設
けられた。
させられて平坦化された表面上に微結晶シリコンからな
る半導体層14が形成された。この半導体層14は、透
明基板11側から順にnサブ層14n、iサブ層14
i、およびpサブ層14pを含んでいる。この実施例1
においては、半導体層14はプラズマCVDによって堆
積され、その堆積条件としては、RF(高周波)周波数
が81MHz、RFパワーが50mW、ガス圧が0.3
mTorrであった。原料ガスとしては、nサブ層の堆
積のためには、流量2sccmのSiH4 、2sccm
のPH3 、および100sccmのH2 が用いられた。
iサブ層の堆積のためには、2sccmのSiH4 と1
00sccmのH2 が用いられた。そしてpサブ層の堆
積のためには、2sccmのSiH4 、10sccmの
B2 H6 、および200sccmのH2 が用いられた。
また、nサブ層、iサブ層、およびpサブ層の膜厚は、
それぞれ10nm、1000nm、および10nmに設
定された。
る場合と設けられていない場合について、上記のプラズ
マCVD条件の下で基板温度を100℃〜300℃の範
囲で変化させたときの微結晶シリコンの結晶性について
調べられた。
折から求めた結晶粒度の基板温度依存性を示している。
すなわち、このグラフの横軸は基板温度(℃)を表わ
し、縦軸は結晶粒径(nm)を表わしている。また、○
は透明絶縁体層13上に堆積されたシリコン層を表わ
し、●は透明絶縁体層13を設けることなく透明電極層
12上に直接に堆積されたシリコン層を表わしている。
温度が150℃以下では透明絶縁体層13の有無にかか
わらず、いずれの試料においてもシリコン層の結晶粒径
は20nm以下でほぼ同程度である。しかし、基板温度
が150℃以上になれば、透明電極層12上に直接堆積
されたシリコン層の結晶粒径は20nm程度を上限とし
てそれ以上に粒成長していないが、透明絶縁体層13上
に堆積されたシリコン層においては300℃までほぼ直
線的に結晶粒径が大きくなっていることがわかる。これ
は、大きな平均表面粗さRaを有する透明電極層12上
に直接シリコン層を堆積した場合には結晶粒径の増大に
限界が生じるが、より平坦な表面を有する透明絶縁体層
13上に堆積されるシリコン層においては結晶粒径の増
大に対してそのような上限が存在しないと考えられる。
そして、結晶粒度が大きくなれば結晶粒界領域が減少
し、そのような粒界領域におけるキャリアの再結合が低
減されるので、そのことによる光電変換効率の向上が期
待され得る。
コン層のラマン分光測定結果を示すグラフである。すな
わち、このグラフの横軸におけるAは透明電極層12上
に直接堆積されたシリコン層を表わし、Bは透明絶縁体
層13上に堆積されたシリコン層を表わしており、そし
て縦軸はそれらのシリコン層の表面から散乱されたラマ
ンスペクトルのピーク位置(cm-1)を表わしている。
ラマンスペクトルのピーク位置520cm-1は単結晶シ
リコンの場合のピーク位置を表わしている。すなわち、
シリコン層についてのラマン分光測定におけるピーク位
置が520cm -1に近いほど単結晶状態に近いことを表
わし、結晶粒度が小さくなったり外部応力が加わってい
る場合や、結晶欠陥や不純物元素の混入などによる内部
応力が存在する場合などにピーク位置が520cm-1か
らシフトすると考えられる。
凹凸表面テクスチャ上に直接堆積されたシリコン層Aに
関してはピーク位置が約3cm-1だけ低波数側にシフト
しているのに対して、透明絶縁体層13のより平坦な表
面上に堆積されたシリコン層Bにおいてはラマンピーク
が0.5cm-1程度しかシフトしていない。すなわち、
大きな平均表面粗さRaを有する透明電極層12上に直
接堆積されたシリコン層Aに比べて、より平坦な表面を
有する透明絶縁体層13上に堆積されたシリコン層Bの
方がより大きな結晶粒度と小さな欠陥密度を有していて
単結晶に近似の構造を有していると考えられる。そし
て、このように結晶質の改善されたシリコン層に基づい
て、光電変換効率の向上が期待され得る。また、ラマン
ピークのシフト量の小さなシリコン層Bは界面などから
の外部応力も受けていないと考えられるので、下地層か
らのシリコン層の剥離も起こりにくくなると期待され得
る。
gからなる裏面電極層15がスパッタリングを利用して
形成されることによって実施例1の太陽電池が得られ
る。
について、25℃においてAM1.5の光を100mW
の光量で照射した場合の出力特性が測定された。この測
定結果は、図8に示された従来例の薄膜太陽電池の光電
変換特性を基準にした相対値として表1に示されてい
る。この表1から明らかなように、実施例1の薄膜太陽
電池は従来例のものに比べてすべての出力特性値におい
て改善されていることがわかる。すなわち、実施例1の
薄膜太陽電池においては従来と同等の光利用効率を維持
しつつ、半導体光電変換層を高品質化させることによっ
て、短絡電流、開放電圧、曲線因子、および変換効率の
いずれもが改善されていることがわかる。
る薄膜太陽電池が模式的な断面図で示されている。この
図4の太陽電池は図1のものに類似しており、複数の層
41〜45は図1中の複数の層11〜15にそれぞれ対
応している。しかし、図4の太陽電池においては、半導
体層44と裏面電極層45との間に第2の透明絶縁体層
46が設けられている。そして、半導体層44は透明絶
縁体層46に設けられた複数の開口46aを介して裏面
電極45に接続されている。このような第2の透明絶縁
体層46の存在によって、半導体層44と裏面電極45
との間の界面エネルギー準位を低減させることができ、
キャリアの再結合を抑制することができる。そして、こ
れによって光電変換効率がさらに改善され得る。
ても、実施例1の場合と同様の光照射によって出力特性
が測定された。この実施例2の太陽電池について測定さ
れた出力特性も、表1において示されている。表1に見
られるように、実施例2の太陽電池においては、すべて
の出力特性が従来の太陽電池に比べて改善されているの
みならず、開放電圧、曲線因子、および変換効率につい
ては実施例1に比べてもさらに改善されている。
よる薄膜太陽電池が模式的な断面図で示されている。図
5の太陽電池は図4のものに類似しており、複数の層5
1〜55は図4中の複数の層41〜45にそれぞれ対応
している。しかし、図5中の第2の透明絶縁体層56に
おいては、裏面電極層55との界面が凹凸を含む表面テ
クスチャを有している。したがって、図5の太陽電池に
おいては、銀の裏面電極55と第2透明絶縁体層56と
の界面における凹凸表面テクスチャによって光の散乱効
果を生じることができ、特に半導体層54を透過してき
た長波長の光を再度半導体層54内へ散乱反射させるこ
とができる。その結果、特に長波長の光の利用効率を高
めることができ、光電変換効率のさらなる向上が期待さ
れ得る。
ロンスパッタリングによって酸素欠陥のないZnO層と
して200nmの厚さに堆積したところ、平均表面粗さ
Ra=100nmの凹凸表面テクスチャが形成された。
その後、複数の開口46aはフォトリソグラフィを利用
したパターニングによって形成された。
に関しても実施例1の場合と同様に光照射して出力特性
を測定したところ、表1に示されているような結果が得
られた。その表1に示されているように、実施例3の太
陽電池は従来の太陽電池に比べてすべての出力特性が向
上していることはもちろんのこと、短絡電流と変換効率
については実施例2に比べてもさらに向上していること
がわかる。
る薄膜太陽電池が模式的な断面図で示されている。図6
の太陽電池においては、ステンレスからなる基板61上
に、銀の裏面電極62が平均表面粗さRa=150nm
の凹凸表面テクスチャを有するように厚さ500nmま
でスパッタリングによって堆積された。その裏面電極6
2上には、実施例1の場合と同様にSiOX からなる透
明絶縁体層63が厚さ250nmに堆積され、その凹凸
表面テクスチャにおける平均表面粗さRaは約20nm
であった。このとき、透明絶縁体層63は、実施例1の
場合と同様にマグネトロンスパッタリング法によって形
成され、フォトリソグラフィを利用したパターニングに
よって複数の開口63aが設けられた。
は、250℃の基板温度の下に実施例1の場合と同じプ
ラズマCVD条件の下でnサブ層64n、iサブ層64
i、およびpサブ層64pを含む半導体層64が堆積さ
れた。
Oからなる第2の透明絶縁体層65が形成された。第2
透明絶縁体層65は、マグネトロンスパッタリング法を
利用して厚さ200nmに堆積され、平均表面粗さRa
=80nmの凹凸表面テクスチャを有していた。その
後、フォトリソグラフィを利用したパターニングによっ
て、複数の開口65aが設けられた。第2透明絶縁体層
65上には、SnO2 からなる透明前面電極66をスパ
ッタリングで形成することによって、図6に示されてい
るような実施例4の太陽電池が完成する。
ても実施例1の場合と同様の光照射試験を行なったとこ
ろ、表1に示された実施例3の太陽電池と同等の出力特
性が得られた。
る薄膜太陽電池が模式的な断面図で示されている。この
太陽電池においては、まず、ステンレスからなる導電性
基板71上に電解複合研磨(ECB)法によって平均表
面粗さRa=100nmの凹凸表面テクスチャが形成さ
れた。この導電性基板71は裏面電極の機能をも兼ねる
ように用いられ、その凹凸表面テクスチャ上には図6に
おける複数の層63〜66のそれぞれに対応する複数の
層72〜75が対応する条件の下に積層された。こうし
て得られた実施例5の太陽電池に対して実施例1の場合
と同様の光照射試験を行なったところ、表1に示された
実施例3と同様の出力特性が得られた。
の凹凸表面テクスチャによる入射光の高い利用効率を維
持しつつ、改善された品質の半導体光電変換層の積層を
可能にするとともに光電変換層と電極層との間の界面特
性が改善された高性能の薄膜太陽電池を提供することが
できる。
示す模式的な断面図である。
晶粒度の基板温度依存性を示すグラフである。
すグラフである。
示す模式的な断面図である。
示す模式的な断面図である。
示す模式的な断面図である。
示す模式的な断面図である。
図である。
ブ層 14i,44i,54i,64i,73i,84:iサ
ブ層 14p,44p,54p,64p,73p,83:pサ
ブ層
Claims (6)
- 【請求項1】 光を散乱させるための微細な凹凸を含み
平均表面粗さRaが50nmを超える表面テクスチャを
有する第1電極層の前記表面テクスチャ上に、順次積層
された透明絶縁体層、半導体光電変換層、および第2電
極層を備え、 前記透明絶縁体層は、前記第1電極層の前記表面テクス
チャにおける凹凸の最大高低差より大きな厚さを有して
いて、前記半導体層との界面において50nm未満の平
均表面粗さRaを有するとともに、前記半導体層を前記
第1電極層に接続するための複数の開口を含むことを特
徴とする薄膜太陽電池。 - 【請求項2】 前記半導体層と前記第2電極層との間に
付加的な第2の透明絶縁体層をさらに備え、前記第2絶
縁体層は前記半導体層を前記第2電極層に接続するため
の複数の開口を含むことを特徴とする請求項1に記載の
薄膜太陽電池。 - 【請求項3】 前記第2透明絶縁体層は、前記第2電極
層との界面において光を散乱させるための凹凸表面テク
スチャを有することを特徴とする請求項2に記載の薄膜
太陽電池。 - 【請求項4】 前記第1電極層は透明基板上に形成され
た透明電極であり、前記第2電極層は裏面電極であるこ
とを特徴とする請求項1から3のいずれかの項に記載の
薄膜太陽電池。 - 【請求項5】 前記第1電極層は基板上に形成された裏
面電極であり、前記第2電極層は透明電極であることを
特徴とする請求項1または3に記載の薄膜太陽電池。 - 【請求項6】 前記第1電極は基板を兼ねる裏面電極で
あり、前記第2電極は透明電極であることを特徴とする
請求項1または3に記載の薄膜太陽電池。
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