JP2003243676A - 薄膜光電変換装置 - Google Patents
薄膜光電変換装置Info
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Abstract
0nm)を有効に利用することによって、薄膜光電変換
装置の変換効率を向上させることを目的とする。 【解決手段】 ガラス基板1上に順次堆積された絶縁性
微粒子およびバインダーからなる薄膜10と、前面透明
電極11と、少なくとも1つの結晶質光電変換ユニット
12と、裏面電極13とを具備した薄膜光電変換装置に
おいて、絶縁性微粒子の平均粒径は0.1〜1.0μm
であり、前記絶縁性微粒子およびバインダーからなる薄
膜とこの上に形成される層の界面が凹凸形状を有してい
る。
Description
に関し、特に薄膜光電変換装置の低コスト化と性能改善
に関するものである。なお、本願明細書において、「結
晶質」と「微結晶」の用語は、部分的に非晶質を含むも
のをも意味するものとする。
率化を両立するために資源面での問題もほとんど無い薄
膜光電変換装置が注目され、開発が精力的に行われてい
る。薄膜光電変換装置の一つである非晶質シリコン太陽
電池は、低温で大面積のガラス基板やステンレス基板上
に形成できることから、低コスト化が期待できる。この
非晶質シリコン太陽電池の変換効率を向上させるため
に、従来、太陽光の吸収量を増加させる方法として、光
電変換層に入射する光の光路長を増加させる工夫がなさ
れてきた。ガラス基板を使用した非晶質シリコン太陽電
池の場合は、ガラス表面を研磨する方法、熱CVD法に
より酸化錫(SnO2)膜を形成する方法など、基板表
面に凹凸を形成させることが行われている。(特開昭5
8−57756、特開平2−164077等)
を研磨する方法では微細な凹凸を有する表面を得ること
が難しく、また熱CVD法によりSnO2膜を形成する
場合は、大きな設備が必要で、生産性が悪くコスト高に
なるという欠点がある。
効率化の両立を目指すという点では、太陽光の主波長領
域(400〜1200nm)を有効に利用できる光電変
換層材料が検討されており、近年、結晶質シリコンを含
む薄膜、例えば低温で形成する多結晶シリコンや微結晶
シリコン薄膜等を用いた光電変換装置の開発が精力的に
行われている。これらの材料は、非晶質シリコンで利用
される波長(〜800nm程度)に加えて、さらに長波
長の光を利用することから、光電変換層に入射する光の
光路長を増加させるための基板表面形状も従来非晶質シ
リコン光電変換装置用に最適化されてきた形状を改良す
る必要が生じてきた。しかし、熱CVD法により形成さ
れるSnO2膜単独では、透明電極として必要な導電性
と透過率を維持した状態で凹凸形状を大きく変えること
は困難である。
鑑み鋭意検討を行った結果、ガラス基板の表面に形成す
る透明で均一な絶縁性微粒子によって微細な凹凸を形成
することにより、光電変換効率が高く、しかも安価に薄
膜光電変換装置を提供できることを見出した。即ち、本
発明の一つの態様による薄膜光電変換装置は、ガラス基
板上に順次堆積された絶縁性微粒子およびバインダーか
らなる薄膜、前面透明電極、少なくとも1つの結晶質光
電変換ユニット、裏面電極を含み、絶縁性微粒子の平均
粒径は0.1〜1.0μmであり、前記絶縁性微粒子お
よびバインダーからなる薄膜とこの上に形成される層の
界面が凹凸形状を有していることを特徴としている。こ
こで、前記絶縁性微粒子およびバインダーからなる薄膜
の80%以上の領域が絶縁性微粒子により占められてい
ることが好ましい。
換装置は、結晶質光電変換ユニットに加えて、非晶質光
電変換ユニットをさらに含むことを特徴としている。
本発明において使用されるガラス基板は、光電変換層へ
より多くの太陽光を吸収させるために、できるだけ透明
であることが好ましい。同様の意図から、太陽光が入射
するガラス表面での光反射ロスを低減させるために無反
射コーティングを行うと高効率化が図れる。
は、屈折率がガラスに近い材料が好ましく、例えば、シ
リカ(SiO2)、酸化チタン(TiO2)、酸化アルミ
ニウム(Al2O3)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、
酸化インジウム錫(ITO)またはフッ化マグネシウム
(MgF2)等が用いられる。屈折率の値としては、
1.4〜2.5のものが好ましい。材料の透明度やガラ
ス基板との相性という点では、シリカ微粒子が特に好ま
しい。微粒子の平均粒径は、0.1〜1.0μmであ
る。該範囲は、太陽光の主波長400〜1200nmの
範囲に対応したものであり、0.1μm未満あるいは
1.0μmを超えると光路長の増加効果が減少し、光線
吸収効率が低下するので好ましくない。また、できるだ
け微細な凹凸を均一に形成するために、微粒子の形状は
球状であることが好ましい。
させる方法は特に限定されないが、溶媒を含んだバイン
ダー形成材料と共に微粒子を塗布する方法が望ましい。
微粒子同士、および微粒子とガラスとの間の付着強度を
向上させる役目を果たすバインダーは、長期信頼性や光
電変換層形成条件(特に温度)に対する耐久性を考慮す
ると、無機材料が好ましい。具体的には、シリコン酸化
物、アルミニウム酸化物、チタン酸化物、ジルコニウム
酸化物およびタンタル酸化物のうち、少なくとも一つの
金属酸化物が好ましい。特に、ガラス基板にシリカ微粒
子を付着させる場合、同じシリコンを主成分とするシリ
コン酸化物をバインダーとして用いると、付着力が強
く、透明性も良く、屈折率も基板や微粒子に近いため、
好ましい。
方法としては、ディッピング法、スピンコート法、バー
コート法、スプレー法、ダイコート法、ロールコート
法、フローコート法等が挙げられるが、特に緻密な単微
粒子層を形成するにはロールコート法が好適に用いられ
る。塗布操作が完了したら、直ちに塗布薄膜を加熱乾燥
する。加熱乾燥の方法は、乾燥の初期を無風状態で乾燥
し、溶媒が飛散したら400℃程度まで昇温し薄膜を形
成させる。形成された、絶縁性微粒子およびバインダー
からなる薄膜の80%以上の領域が絶縁性微粒子により
占められており、凹凸形状を形成していることが好まし
い。ここで言う、前記絶縁性微粒子およびバインダーか
らなる薄膜の80%以上の領域が絶縁性微粒子により占
められているとは、ガラス基板に垂直な方向から見た時
に、絶縁性微粒子とバインダーからなる薄膜の80%以
上の面積に絶縁性微粒子が配置されていることを意味す
る。このような膜は、微粒子が緻密に並んでいるため、
凹凸形状の均一性が良く、凹凸の高さも揃っている。従
って、後に形成される薄膜光電変換ユニットの電気的ま
たは機械的な短絡を防止できる。
たとえばAlドープされたZnOを形成し、光電変換装
置用基板とする。透明電極の材料としては、Al、B、
Ga等がドープされたZnOやITO、SnO2等の酸
化物が用いられる。微粒子にて微細な凹凸がガラス基板
上に形成されていることから、酸化物自体には特に凹凸
は必要ない。従って、透明電極部の形成方法は、大きな
設備を要する熱CVD法よりも簡便なスパッタ法や蒸着
法、MOCVD法等を用いることができる。本基板を用
いた薄膜光電変換装置は、基板上に形成された微小な凹
凸により入射した太陽光の光路長を増加させ、吸収量を
増大することにより、光電変換効率を向上できる(光閉
じ込め効果)。加えて、微粒子の球面形状を反映し、丸
みを帯びた電極の凹凸形状は、その上に形成される結晶
質薄膜光電変換ユニットの電気的または機械的な短絡を
防止し、歩留まりが向上する。
置の模式的な断面を図1に示す。この薄膜光電変換装置
では、ガラス板1上に絶縁性微粒子およびバインダーか
らなる層10および透明導電膜11がこの順に形成され
た導電膜付きガラス基板上に、光電変換ユニット12が
形成され、さらに裏面電極13が形成されている。
よいが、複数層を積層してもよい。光電変換ユニットと
しては、太陽光の主波長域(400〜1200nm)に
吸収を有するものが好ましく、結晶質シリコン系薄膜や
非晶質シリコン系薄膜を光電変換層としたユニットが挙
げられる。特に約800nmまでしか吸収を有しない非
晶質シリコン系薄膜に比べ、結晶質シリコン系薄膜は1
200nmあたりまで吸収を有することから、光電変換
層として好適である。また、「シリコン系」の材料に
は、非晶質または結晶質のシリコンに加え、非晶質また
は結晶質のシリコンカーバイドやシリコンゲルマニウム
など、シリコンを50%以上含む半導体材料も該当する
ものとする。
結晶質シリコン系薄膜光電変換ユニットは、pin型の
順にプラズマCVD法により各半導体層を積層して形成
される。具体的には、例えば導電型決定不純物原子であ
るボロンが0.01原子%以上ドープされたp型微結晶
シリコン系層、光電変換層となる真性結晶質シリコン
層、および導電型決定不純物原子であるリンが0.01
原子%以上ドープされたn型微結晶シリコン系層をこの
順に堆積すればよい。しかし、これら各層は上記に限定
されず、例えばp型層として非晶質シリコン系膜を用い
てもよい。またp型層として、非晶質または微結晶のシ
リコンカーバイド、シリコンゲルマニウムなどの合金材
料を用いてもよい。なお、導電型(p型、n型)微結晶
シリコン系層の膜厚は3nm以上100nm以下が好ま
しく、5nm以上50nm以下がさらに好ましい。
によって下地温度400℃以下の低温で形成することが
好ましい。低温で形成することにより、結晶粒界や粒内
における欠陥を終端させて不活性化させる水素原子を多
く含む。具体的には、光電変換層の水素含有量は1〜3
0原子%の範囲内にある。この層は、導電型決定不純物
原子の密度が1×1018cm-3以下である実質的に真性
半導体である薄膜として形成される。さらに、真性結晶
質シリコン層に含まれる結晶粒の多くは、前面電極側か
ら柱状に延びて成長しており、その膜面に平行に(11
0)の優先配向面を有することが好ましい。真性結晶質
シリコン層の膜厚は0.1μm以上10μm以下が好ま
しい。ただし、薄膜光電変換ユニットとしては、太陽光
の主波長域(400〜1200nm)に吸収を有するも
のが好ましいため、真性結晶質シリコン層に代えて、合
金材料である非晶質シリコンカーバイド層(例えば10
原子%以下の炭素を含有する非晶質シリコンからなる非
晶質シリコンカーバイド層)や非晶質シリコンゲルマニ
ウム層(例えば30原子%以下のゲルマニウムを含有す
る非晶質シリコンからなる非晶質シリコンゲルマニウム
層)を形成してもよい。
u、PtおよびCrから選ばれる少なくとも一つの材料
からなる少なくとも一層の金属層をスパッタ法または蒸
着法により形成することが好ましい。また、光電変換ユ
ニットと金属電極との間に、ITO、SnO2、ZnO
等の導電性酸化物からなる層を形成しても構わない。
は、図2に示されるような非晶質シリコン系光電変換ユ
ニット20と結晶質シリコン系光電変換ユニット21を
順に積層したタンデム型薄膜光電変換装置である。非晶
質シリコン系光電変換層は約360〜800nmの光に
感度を有し、結晶質シリコン系光電変換層はそれより長
い約1200nmまでの光を光電変換することが可能で
あるため、光入射側から非晶質シリコン系光電変換ユニ
ット、結晶質シリコン系光電変換ユニットの順で配置さ
れる光電変換装置は、入射光をより広い範囲で有効に利
用可能なため、高効率の光電変換装置となる。
するが、本発明はその趣旨を超えない限り以下の記載例
に限定されるものではない。
るような薄膜光電変換装置を作製した。厚み4mm、1
27mm角のガラス板1の片面にゾルゲル法によりシリ
カ微粒子膜10を形成した。コーティング液は、平均粒
径が0.3μmの球状シリカ分散液、テトラエトキシシ
ラン、水、エチルセロソルブおよび塩酸を混合したもの
を用いた。コーティング液を塗布した後、90℃で30
分乾燥し、その後400℃で10分間加熱焼成して表面
に微小な凹凸が形成されたガラス基板を得た。この基板
の表面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察したとこ
ろ、球状シリカが均一に分散され一層配列されており、
シリカ微粒子でガラスの表面が90%以上被覆された緻
密な凹凸が確認された。
球状シリカの積層されていない側から光を入射し、測定
した。波長400nm〜1200nmの範囲で88%以
上の透過率を示した。
されている側に、スパッタ法でAlドープされたZnO
膜を0.5μmの厚みで形成し、透明電極11とした。
透明電極のシート抵抗は約9Ω/□であった。この透明
電極の上に、厚さ15nmのp型微結晶シリコン層12
1、厚さ2μmの真性結晶質シリコン光電変換層12
2、及び厚さ15nmのn型微結晶シリコン層123か
らなる結晶質シリコン光電変換層ユニット12を順次プ
ラズマCVD法で形成した。その後、裏面電極13とし
て厚さ90nmのAlドープされたZnO131と厚さ
300nmのAg132をスパッタ法にて順次形成し
た。
光電変換装置(受光面積1cm2)にAM1.5の光を
100mW/cm2の光量で照射して出力特性を測定し
たところ、開放電圧(Voc)が0.511V、短絡電
流密度(Jsc)が27.3mA/cm2、曲線因子
(F.F.)が69.3%、そして変換効率が9.7%
であった。
1と同様にシリコン系薄膜光電変換装置を作製した。た
だし、実施例1と異なるのは、ガラス基板として厚み
1.1mmのものを用いた点である。シリカ微粒子付き
ガラス基板の透過率は、波長400nm〜1200nm
の範囲で90%以上を示した。
光面積1cm2)にAM1.5の光を100mW/cm2
の光量で照射して出力特性を測定したところ、Vocが
0.520V、Jscが28.0mA/cm2、F.
F.が69.1%、そして変換効率が10.1%であっ
た。
は、ガラス基板の透過率が高く透明性が優れていたため
に、光電変換層へ吸収される太陽光の量が多くなり、J
scの向上につながったものと考えられる。従って、使
用するガラス基板およびそれを構成するガラス板、微粒
子、バインダーのそれぞれは、透過率の高いものが好ま
しい。
1と同様にシリコン系薄膜光電変換装置を作製した。た
だし、実施例1と異なるのは、シリカ微粒子付きガラス
基板上に形成する前面透明電極のZnO膜厚を0.8μ
mとした点である。透明電極のシート抵抗は約7.5Ω
/□であった。
光面積1cm2)にAM1.5の光を100mW/cm2
の光量で照射して出力特性を測定したところ、Vocが
0.526V、Jscが27.0mA/cm2、F.
F.が70.1%、そして変換効率が9.9%であった
実施例1よりもVocおよびF.F.が改善された理由
は、厚めに形成したZnOにより、シリカ微粒子凹凸形
状の特に凹部がなだらかになり、続いて堆積される結晶
質シリコン層の膜質が改善されたためと考えられる。ま
た、F.F.が改善されているもう一つの理由として
は、出力特性の直列抵抗が低下していることより、透明
電極のシート抵抗値が低いことに起因していると考えら
れる。従って、用いられる前面電極部は、透過率ととも
に抵抗が低いこと、そして、微粒子の凹凸形状をなだら
かにする役割を有するものが好ましい。
1と同様にシリコン系薄膜光電変換装置を作製した。た
だし、実施例1と異なるのは、シリカ微粒子の粒径が
0.11μmのものを用いた点である。この場合も球状
シリカが均一に分散され一層配列されており、シリカ微
粒子でガラスの表面が90%以上被覆された緻密な凹凸
が確認された。シリカ微粒子付きガラス基板の透過率
は、波長400nm〜1200nmの範囲で88%以上
を示した。
光面積1cm2)にAM1.5の光を100mW/cm2
の光量で照射して出力特性を測定したところ、Vocが
0.528V、Jscが26.2mA/cm2、F.
F.が70.3%、そして変換効率が9.7%であった
実施例1よりもVocおよびF.F.が改善された理由
は、シリカ微粒子の粒径が小さいことにより、前面透明
電極上の凹凸形状がなだらかになり、続いて堆積される
結晶質シリコン層の膜質が改善されたためと考えられ
る。しかし、Jscが若干低くなっていることから、実
施例1ほど光が光電変換層内に閉じ込められていないと
考えられる。
きガラス基板を用いて図2に示すタンデム型薄膜光電変
換装置を作製した。前面電極付きガラス基板上に、プラ
ズマCVD法により、厚さ15nmのp型非晶質シリコ
ン層201、厚さ300nmの真性非晶質シリコン光電
変換層202、及び厚さ15nmのn型微結晶シリコン
層203からなる非晶質シリコン光電変換層ユニット2
0を形成し、続いて実施例1と同様に結晶質シリコン光
電変換層ユニット21を形成した。その後、裏面電極1
3として厚さ90nmのAlドープされたZnO131
と厚さ300nmのAg132をスパッタ法にて順次形
成し、タンデム型シリコン系薄膜光電変換装置を得た。
得られたシリコン系薄膜光電変換装置(受光面積1cm
2)にAM1.5の光を100mW/cm2の光量で照射
して出力特性を測定したところ、Vocが1.35V、
Jscが12.2mA/cm2、F.F.が70.5
%、そして変換効率が11.6%であった。
ガラス板の片面に、熱CVD法にて厚さ800nmのピ
ラミッド状SnO2膜を形成した。このSnO2膜の形状
は、非晶質シリコン薄膜光電変換装置用に最適化された
形状をしている。
抵抗は約8Ω/□であった。この透明電極の上に、実施
例1と同様の厚さ15nmのp型微結晶シリコン層、厚
さ2μmの真性結晶質シリコン光電変換層、及び厚さ1
5nmのn型微結晶シリコン層からなる結晶質シリコン
光電変換層ユニットを順次プラズマCVD法で形成し
た。その後、裏面電極として厚さ90nmのAlドープ
されたZnOと厚さ300nmのAgをスパッタ法にて
順次形成した。
光電変換装置(受光面積1cm2)にAM1.5の光を
100mW/cm2の光量で照射して出力特性を測定し
たところ、Vocが0.490V、Jscが25.6m
A/cm2、F.F.が62.3%、そして変換効率が
7.8%であった。
scや光電変換効率が得られていないことから、実施例
の方が結晶質を含む薄膜光電変換装置に適した前面透明
電極の凹凸であることを示している。
1で用いた透明電極付きガラス基板に厚さ50nmのZ
nO膜を形成した以外は同じ方法で結晶質シリコン系薄
膜光電変換装置を作製した。
光電変換装置(受光面積1cm2)にAM1.5の光を
100mW/cm2の光量で照射して出力特性を測定し
たところ、Vocが0.495V、Jscが26.0m
A/cm2、曲線因子F.F.が63.7%、そして変
換効率が8.2%であった。
ているのは、厚さ50nmのZnO膜により、結晶質シ
リコン層形成時のプラズマによって前面電極であるSn
O2膜が還元されるのを防止することができたためと考
えられる。しかし、実施例ほどのJscや光電変換効率
が得られていないことから、実施例の方が結晶質を含む
薄膜光電変換装置に適した前面透明電極の凹凸であるこ
とを示している。
ば、製造工程が複雑でなく安価に製造可能な薄膜光電変
換装置用基板を用いて、性能の改善された薄膜光電変換
装置を提供することができる。
断面図。
一例を示す断面図。
Claims (7)
- 【請求項1】 ガラス基板上に順次堆積された絶縁性微
粒子およびバインダーからなる薄膜、前面透明電極、少
なくとも1つの結晶質光電変換ユニット、裏面電極を含
み、 前記絶縁性微粒子の平均粒径が0.1〜1.0μmであ
り、前記絶縁性微粒子およびバインダーからなる薄膜と
この上に形成される層の界面が凹凸形状を有しているこ
とを特徴とする薄膜光電変換装置。 - 【請求項2】 前記絶縁性微粒子およびバインダーから
なる薄膜の80%以上の領域が絶縁性微粒子により占め
られていることを特徴とする請求項1に記載の薄膜光電
変換装置。 - 【請求項3】 前記バインダーがシリカからなることを
特徴とする請求項1または2に記載の薄膜光電変換装
置。 - 【請求項4】 前記絶縁性微粒子は透明でかつ1.4〜
2.5の屈折率を有する材料であることを特徴とする請
求項1から3の各項に記載の薄膜光電変換装置。 - 【請求項5】 前記透明電極は酸化亜鉛、酸化錫、また
はインジウム錫酸化物の透明導電性酸化物を少なくとも
1つ含むことを特徴とする請求項1から4の各項に記載
の薄膜光電変換装置。 - 【請求項6】 前記裏面電極は順に積層された酸化物透
明導電層と金属層とを含むことを特徴とする請求項1か
ら5の各項に記載の薄膜光電変換装置。 - 【請求項7】 前記結晶質光電変換ユニットに加えて、
非晶質光電変換ユニットの少なくとも1つを積層してい
ることを特徴とする請求項1から6の各項に記載の薄膜
光電変換装置。
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---|---|---|---|
JP2002041893A JP3706835B2 (ja) | 2002-02-19 | 2002-02-19 | 薄膜光電変換装置 |
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