JP2004071716A - タンデム型光起電力素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】非晶質シリコン系素子をトップセルと、微結晶シリコン系素子をボトムセルとするタンデム型光起電力素子において、トップセルを構成する非晶質i層の光劣化現象を抑制するために薄膜化したうえで、かつ良好な電流値を有するタンデム型光起電力素子を提供することにある。
【解決手段】光透過性基板1上に、非晶質シリコン系素子のトップセル11と、微結晶シリコン系素子のボトムセル12とが順次積層されたタンデム型光起電力素子20であって、ボトムセル12とトップセル11との間に、金属の中間層6が設けられ、この中間層6には、少なくとも一部に開口部21、22が設けられている。
【選択図】 図1
【解決手段】光透過性基板1上に、非晶質シリコン系素子のトップセル11と、微結晶シリコン系素子のボトムセル12とが順次積層されたタンデム型光起電力素子20であって、ボトムセル12とトップセル11との間に、金属の中間層6が設けられ、この中間層6には、少なくとも一部に開口部21、22が設けられている。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマCVD法によって製造され、太陽電池あるいはセンサー等に適用されるタンデム型光起電力素子及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
シリコン系薄膜を用いた光起電力素子の代表格として、非晶質シリコン系の太陽電池がある。非晶質シリコンは、通常、原料ガスとしてシランあるいはジシラン等の水素化珪素ガスを用いるプラズマCVD法によって製造される。プラズマの発生には、通常、周波数13.56MHzの高周波電源が最も一般的に用いられる。非晶質シリコンは、200℃以下の低温でガラス、金属あるいはプラスチック等の安価な基板上に製膜することができ、かつ、大面積製膜が可能であることを特徴とする。非晶質シリコン系太陽電池は、この特徴を活かし、量産時の低コスト化が可能であることから、バルクシリコン型太陽電池を凌駕するものとして開発が進められている。
【0003】
しかし、非晶質シリコン系太陽電池に光を照射すると光電変換層であるi層内に欠陥が発生し、光電変換効率が初期状態と比較して、1割から3割程度低下する光劣化現象(いわゆるステブラーロンスキー効果)が実用化上の大きな障害となっている。光劣化現象のメカニズムについては種々の研究が精力的に行われているにもかかわらず、完全には解明されていないため、その抜本的な解決策も確立されていないのが現状である。
【0004】
これに対し、近年、実質的にi型の光電変換層として非晶質シリコンの代わりに微結晶シリコンを用いる試みが報告されている(J. Meier et A1., Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vo.420. p3(1996))。これによると、周波数110MHzのVHF帯の電源を用いた高周波プラズマCVD法によりpin型の光起電力素子を形成しており、非晶質シリコンのような光劣化現象を伴わないと報告されている。また、光電変換層として微結晶シリコンを用いた光起電力素子は、非晶質シリコンを用いた光起電力素子と比較して、分光感度スペクトルのピークが長波長側に存在するため、非晶質シリコン素子をトップセル、微結晶シリコン素子をボトムセルの光電変換層とする積層型の光起電力素子、いわゆるタンデム化も可能である。
【0005】
このタンデム型光起電力素子の一般的な構成を図5に示す。
図5に示すタンデム型光起電力素子100は、ガラス基板1と、透明電極2と、非晶質シリコン素子からなるトップセル101と、微結晶シリコン素子からなるボトムセル102と、裏面電極10とを備え、ガラス基板1上に、透明電極2、トップセル101、ボトムセル102、裏面電極10が順次積層された構成となっている。
【0006】
トップセル101は、非晶質p層3と、非晶質i層4と、非晶質n層5とを備え、これらが順次積層された構成となっており、トップセル101は、非晶質p層3を介して透明電極2上に設けられた構成となっている。また、ボトムセル102は、微結晶p層7と、微結晶i層8と、微結晶n層9とを備え、これらが順次積層された構成となっており、ボトムセル102は、微結晶p層7を介してトップセル101の非晶質n層5上に設けられ、微結晶n層9上に裏面電極10が設けられた構成となっている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、このように構成されたタンデム型光起電力素子において光電変換の高効率化を図るためには、トップセルで発生する電流と、ボトムセルで発生する電流とを同一にする、すなわち、トップセルの非晶質i層を厚膜化することが望まれる。この一方で、トップセルの非晶質i層は、光劣化による電流値の低下を抑制するために、薄膜化することが望まれる。このように、トップセルを構成する非晶質i層4の膜厚は、電流値を稼ぐための厚膜化と光劣化現象を抑制するための薄膜化という矛盾した要求が求められる。
【0008】
本発明は前記課題を解決するためになされたものであって、その目的は非晶質シリコン系素子をトップセルと、微結晶シリコン系素子をボトムセルとするタンデム型光起電力素子において、トップセルを構成する非晶質i層の光劣化現象を抑制するために薄膜化したうえで、かつ良好な電流値を有するタンデム型光起電力素子を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決して、このような目的を達成するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明の光起電力素子は、光透過性基板上に、非晶質シリコン系素子のトップセルと、微結晶シリコン系素子のボトムセルとが順次積層されたタンデム型光起電力素子であって、前記ボトムセルと前記トップセルとの間に、金属の中間層が設けられ、該中間層には、少なくとも一部に開口部が設けられていることを特徴とする。
【0010】
この光起電力素子では、ボトムセルとトップセルとの間に金属の中間層が設けられているため、光透過性基板側から入射した光の一部がトップセルの光電変換層である非晶質i層で吸収され、吸収されなかった光の一部は、中間層で反射された後、再び非晶質i層に戻り吸収されることになる。これにより、光透過性基板側から入射した光を非晶質i層に高効率に供給することができ、トップセルの非晶質i層の膜厚を薄くした構成とすることができる。従って、非晶質i層内の内部電界が強くなり、光劣化現象を緩和することができる。
また、中間層には、少なくとも一部に開口部が設けられているため、従来と同様にボトムセルにも光を供給することができ、これにより、従来の機能を最小限確保し、前述した効果を奏することができる。
【0011】
また、本発明の光起電力素子は、前記開口部は、前記中間層表面における面積占有率が50%以上90%以下であることを特徴とする。
【0012】
この光起電力素子では、中間層表面に形成された開口部が、中間層表面における面積占有率を50%以上90%以下として形成されているため、後述するように、光透過性基板側から入射した光を非晶質i層及びボトムセルの双方に高効率に供給することができる。これにより、光電変換を高効率に実現することができる。
【0013】
また、本発明の光起電力素子は、前記中間層が、アルミニウムAl、銀Ag、チタンTiのうちいずれか1つからなることを特徴とする。
【0014】
この光起電力素子では、中間層が、可視光領域での反射率の高いAl(アルミニウム)、Ag(銀)、Ti(チタン)のうちいずれか1つから形成されているため、光透過性基板側から入射した光を非晶質i層へ高効率に供給することができる。
【0015】
本発明の光起電力素子の製造方法は、光透過性基板上に、非晶質シリコン系素子のトップセルを形成するトップセル形成工程と、該トップセル上に、微結晶シリコン系素子のボトムセルを形成するボトムセル形成工程とを有するタンデム型光起電力素子の製造方法であって、前記トップセル形成工程後、前記ボトムセル形成工程前に、前記トップセル上に少なくとも一部に開口部を有する金属の中間層を形成する中間層形成工程を有し、該中間層形成工程は、前記トップセル上に金属膜を形成後、該金属膜にフォトリソグラフィー法により前記開口部をパターン形成し、前記中間層を形成することを特徴とする。
【0016】
この光起電力素子の製造方法では、中間層表面に開口部を形成するに際し、フォトリソグラフィー法によりパターン形成するため、高精度に前記開口部を形成することができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図1〜図4を参照して本発明に係る第一実施形態について説明する。
図1に示すタンデム型光起電力素子20は、ガラス基板1と、透明電極2と、非晶質シリコン素子からなるトップセル11と、可視光領域での反射率が高いアルミニウムAl、銀Ag、チタンTi等のうちいずれか1つ、本実施形態においては、アルミニウムAlからなる中間層6と、微結晶シリコン素子からなるボトムセル12と、裏面電極10とを備え、ガラス基板1上に、透明電極2、トップセル11、ボトムセル12、裏面電極10が順次積層された構成となっている。
【0018】
トップセル11は、p型の非晶質シリコンである非晶質p層3と、i型の非晶質シリコンである非晶質i層4と、n型の非晶質シリコンである非晶質n層5とを備え、これらが順次積層された構成となっており、トップセル11は、非晶質p層3を介して透明電極2上に設けられ、非晶質n層5上に中間層6が設けられた構成となっている。また、ボトムセル12は、p型の微結晶シリコンである微結晶p層7と、i型の微結晶シリコンである微結晶i層8と、n型の微結晶シリコンである微結晶n層9とを備え、これらが順次積層された構成となっており、ボトムセル12は、微結晶p層7を介して中間層6上に設けられ、微結晶n層9上に裏面電極10が設けられた構成となっている。すなわち、トップセル11の上端層である非晶質n層5と、ボトムセル12の下端層である微結晶p層7との間に中間層6が介装された構成となっている。
【0019】
ここで、トップセル11とボトムセル12との間に介装された中間層6の表面は、図2に示すように、例えば、一辺の長さLが500μmの正方形状に形成された開口部21が同一の間隔d、例えば200μmで複数設けられ、中間層6は格子状に形成されている。この開口部21の配設ピッチd及び面積は、開口部21の中間層6表面における面積占有率(以下、中間層6の開口率という)が50%以上90%以下となるように設定され、本実施形態においては、開口率80%に設定されている。
【0020】
以上のように構成されたタンデム型光起電力素子20の製造方法について説明する。
まず、脱脂、洗浄したガラス基板1上にCVD法、またはスパッタ法等のPVD法を施し、透明電極2を形成する。ここで、透明電極2はITO、酸化スズSnO2または酸化亜鉛ZnO等の金属酸化物により形成するが、本実施形態においては、酸化スズSnO2を膜厚700nmで形成する。
【0021】
次に、透明電極2上にトップセル11を形成する。すなわち、透明電極層2上にプラズマCVD法を施し、非晶質p層3、非晶質i層4及び非晶質n層5を順次積層する。ここで、プラズマCVD法に用いる原料ガスは、シランSiH4あるいはジシランSi2H6等の水素化珪素ガス、またはジクロロシラン、トリクロロシラン等のハロシラン系ガスを用い、このときの電源周波数は、13.56MHzに設定する。非晶質p層3を製膜する場合は、ドーピングガスとして、III族元素を含むB2H6、BF3等を添加する。また、非晶質n層5を製膜する場合には、ドーピングガスとして、V族元素を含むPH3等を添加する。
【0022】
ここで、非晶質p層3は、膜厚5nm以上50nm以下で形成される。これは、非晶質p層3の膜厚が5nm未満の場合、部分的に透明電極2が露出した状態、いわゆる島状成長となる。この場合、非晶質p層3が形成されなかった部分は、正常な半導体pn接合が形成されないため、光起電力素子としての特性が著しく低下するからである。一方、非晶質p層3の膜厚が50nmを超える場合、非晶質p層3での光吸収量が過多となり、非晶質i層4に到達する光量が減少するため、光起電力素子としての短絡電流が低下するからである。
【0023】
また、非晶質i層4の膜厚は、中間層6の開口率と反射率との兼ね合いにより決定され、例えば100nm以上500nm以下で形成される。これは、非晶質i層4の膜厚が100nm未満の場合、入射光を十分に吸収できないため、光起電力素子としての短絡電流が低下するからである。一方、非晶質i層4の膜厚が500nmを超える場合、非晶質i層4の内部電界が弱くなり、光劣化による短絡電流及び形状因子の低下が大きくなるからである。
【0024】
また、非晶質n層5の膜厚は、5nm以上50nm以下で形成される。これは、非晶質n層5の膜厚が5nm未満の場合、部分的に非晶質i層4が露出した状態、いわゆる島状成長となる。この場合、非晶質n層5が製膜されなかった部分は、正常な半導体pn接合が形成されないため、光起電力素子としての特性が著しく低下するからである。一方、非晶質n層5の膜厚が50nmを超える場合、非晶質n層5での光吸収量が過多となり、中間層6及び微結晶i層8に到達する光量が減少するため、光起電力素子としての短絡電流が減少するからである。
【0025】
次に、トップセル11上に真空蒸着法等のPVD法を施して製膜したアルミニウムAl層表面に、フォトリソグラフィー法によりレジスト等の所定のマスクパターンを形成し、これをエッチング処理することにより、図2に示すように、開口率80%の開口部21を備えた中間層6を形成する。ここで、中間層6の膜厚は、100nm以上500nm以下で形成する。これは、中間層6の膜厚が100nm未満の場合、中間層6が有する入射光の反射効果が十分に発揮されないからである。一方、中間層6の膜厚が500nmを超える場合、中間層6表面の表面粗さが大きくなり、次工程で製膜されるボトムセル12の形成精度に悪影響を及ぼすからである。
【0026】
次に、中間層6上にプラズマCVD法を施し、微結晶p層7、微結晶i層8及び微結晶n層9を順次積層する。この場合の原料ガスには、シラン、ジシラン等の水素化珪素ガスもしくはジクロロシラン、トリクロロシラン等のハロシランガスと水素を用いる。この際、原料ガスにIII族元素を含むガス、例えばB2H6、BF3等のボロンを含むガスを添加すると、微結晶p層7が製膜され、原料ガスにV族元素を含むガス、例えばPH3等のリンを含むガスを添加すると、微結晶n層9が製膜される。
【0027】
ここで、シリコンを含むガスの流量に対する水素の流量比は、5倍以上100倍以下に設定する。これは、水素の流量比が5倍未満の場合、水素ラジカルの発生量が少ないため、成長中の膜表面のダングリングボンドの終端が不十分となる。この結果、製膜に関与するシリコン系ラジカルの表面拡散が不十分となり、結晶性が良好な微結晶シリコンが十分に成長しないからである。一方、水素の流量比が100倍を超える場合、微結晶シリコンは成長するものの、製膜に関与するシリコン系ラジカルが少ないため、その製膜速度が極めて小さくなり、非晶質シリコンよりも厚い光電変換層を必要とする微結晶シリコン系光起電力素子の場合、生産性が著しく低下するからである。
【0028】
また、プラズマCVDの電源周波数は、10MHz以上300MHz以下に設定される。これは、周波数が10MHz未満の場合、プラズマ密度が低く、プラズマ中で励起される水素ラジカルが少ないため、成長中の膜表面のダングリングボンドの終端が不十分となる。その結果、製膜に関与するシリコン系ラジカルの表面拡散が不十分となり、微結晶シリコンの結晶化が促進されないという問題があるからである。一方、周波数が300MHzを超える場合、電極内での電圧分布が大きくなり、均一な放電が困難となるからである。
【0029】
また、プラズマCVDの圧力は、圧力は、13.3Pa以上665Pa以下に設定される。圧力が13.3Pa未満の場合、製膜に関与するシリコン系ラジカルが少ないため、製膜速度が極めて小さく、生産性が著しく低下するからである。一方、圧力が665Paを超える場合、製膜中に気相中で粉が生じ易くなり、この粉は、膜中に取り込まれ、微結晶シリコンの膜質を極端に低下させる他、真空容器の開放保守の頻度を高める等の悪影響を及ぼすからである。
【0030】
ここで、微結晶p層7の膜厚は、5nm以上50nm以下で形成される。これは、微結晶p層7の膜厚が5nm未満になると、部分的に非晶質n層5が露出した状態、いわゆる島状成長となる。この場合、微結晶p層7が製膜されていない部分は、正常な半導体pn接合が形成されないため、光起電力素子としての特性が著しく低下するからである。一方、微結晶p層7の膜厚が50nmを超えると、光入射側の層である微結晶p層で吸収する光量が過多となり、光電変換層である微結晶i層8に到達する光量が低減するため、光起電力素子としての光電変換効率が却って低下するからである。
【0031】
また、微結晶i層8の膜厚は、透明電極2、微結晶i層8の表面形状により決定され、例えば1000nm以上10000nm以下で形成される。これは、微結晶i層8の膜厚が1000nm未満になると、入射光を十分に吸収できなくなるため、光起電力素子としての短絡電流が小さくなるという問題を生じるからである。一方、微結晶i層8の膜厚が10000nmを超えると、微結晶i層8に生じる内部電界が弱くなり、光起電力素子としての開放電圧が低下するとともに、製膜時間が長くなるからである。
【0032】
また、微結晶n層9の膜厚は、5nm以上100nm以下で形成される。これは、微結晶n層9の膜厚が5nm未満になると、部分的に微結晶i層8が露出した状態、いわゆる島状成長となる。この場合、微結晶n層9が製膜されていない部分は、正常な半導体pn接合が形成されないため、光起電力素子としての特性が著しく低下するからである。一方、微結晶n層9の膜厚が100nmを超えると、微結晶n層9で吸収される光量が過多となり、裏面電極10で反射された光を有効に活用できないという問題が生じるからである。
【0033】
次に、ボトムセル12上に、アルミニウムAl、銀Ag、チタンTi、ニッケルNi、クロムCr、銅Cuあるいはそれらの合金から成る裏面電極10を、真空蒸着法またはスパッタ法等のPVDを用い、膜厚500μm以上で形成する。この膜厚により、微結晶i層8を透過した光を充分に反射できるようになる。ここで、本実施形態においては、裏面電極10を、真空蒸着法を施してアルミニウムAlにより形成した。
【0034】
以上により形成された図1に示すタンデム型光起電力素子20及び、図5に示す従来のタンデム型光起電力素子100に、ガラス基板1側から模擬太陽光(AM(通過空気量)1.5、100mW/cm2)を照射し、このときの光電変換効率をそれぞれ計測した結果を表1に示す。ここで、従来のタンデム型光起電力素子100を構成するボトムセル102を形成するに際してのプラズマCVD法による製膜条件は、前述した実施形態と同一とした。
【0035】
【表1】
【0036】
表1は、従来のタンデム型光起電力素子100の光電変換効率を1.00とした相対値で示している。本実施形態では、トップセル11とボトムセル12との間に、Alからなり開口率が80%の中間層6を介装して、トップセル11の電流増加を図った結果、従来例と比較して、光電変換効率が約12%改善されたことが確認できる。
【0037】
次に、本発明に係る第二実施形態として、中間層6を銀Agにより形成した。さらに、本発明に係る第三実施形態として、中間層6をチタンTiにより形成した。これら第二、第三実施形態ともに、開口部21の開口率を80%に設定した。
このように構成された第二実施形態及び第三実施形態のタンデム型光起電力素子20に、ガラス基板1側から模擬太陽光(AM1.5、100mW/cm2)を照射し、この際の光電変換効率を計測した結果を、第一実施形態及び従来例と併せて表2に示す。
【0038】
【表2】
【0039】
表2は、第一〜第三実施形態の光起電力素子20の光電変換効率を、従来例の光起電力素子100の光電変換効率を1.00とした相対値で示している。これにより、中間層6としてアルミニウムAl、銀Ag、チタンTiともに、従来例と比較して、光電変換効率が11%〜14%改善されたことが確認でき、中間層6の有効性が確認できる。
【0040】
次に、本発明に係る第四実施形態として、図3に示すように、開口部22が形成された中間層6を形成した。開口部22は、幅Lが160μmで縦方向に延在する帯状に形成されるとともに、この開口部22は、幅方向に同一の間隔d、例えば40μmを配し複数設けられている。この開口部22は、開口率が80%に設定されている。ここで、本実施形態による中間層6は、開口部の形態を除き、第一実施形態と同一条件下で形成した。
このように構成された第四実施形態のタンデム型光起電力素子20に、ガラス基板1側から模擬太陽光(AM1.5、100mW/cm2)を照射し、この際の光電変換効率を計測した結果を、第一実施形態及び従来例と併せて表3に示す。
【0041】
【表3】
【0042】
表3は、第一、第四実施形態の光起電力素子20の光電変換効率を、従来例の光起電力素子100の光電変換効率を1.00とした相対値で示している。これにより、中間層6の開口部の開口率が同等であれば、開口部の形状によらず同様の効果が得られることが確認できる。
【0043】
次に、それぞれで中間層6の開口率が異なる複数のタンデム型光起電力素子20を形成し、前述と同様にして、それぞれのタンデム型光起電力素子20について光電変換効率を計測した。なお、これらのタンデム型光起電力素子2を形成するに際して、中間層6を全てアルミニウムAlとした。図4に光電変換効率と中間層6の開口率との関係を示す。図4は、開口率100%、すなわち中間層6を設けない従来のタンデム型光起電力素子100の光電変換効率を1.00とした相対値で示している。
図4において、中間層6の開口率が50以上90%以下の範囲では、光電変換効率の改善が確認できる。すなわち、開口率が50%未満の場合、ボトムセル11に到達する光量が減少し、ボトムセル11の電流値が不足するため、全体の光電変換効率としては低下することが確認できる。
【0044】
以上説明したように、第一〜第四実施形態によるタンデム型光起電力素子20によれば、ボトムセル12とトップセル11との間に金属からなる中間層6が設けられているため、光透過性基板1側から入射した光の一部がトップセル11の光電変換層である非晶質i層4で吸収され、吸収されなかった光の一部は、中間層6で反射された後、再び非晶質i層4に戻り吸収されることになる。これにより、光透過性基板1側から入射した光を非晶質i層4に高効率に供給することができ、トップセル11の非晶質i層4の膜厚を薄くした構成とすることができる。従って、非晶質i層4内の内部電界が強くなり、光劣化現象を緩和することができる。
【0045】
また、中間層6に形成された開口部21、22が、中間層6表面における面積占有率を50%以上90%以下として形成されているため、光透過性基板1側から入射した光を非晶質i層4及びボトムセル12の双方に高効率に供給することができる。これにより、光電変換効率の高いタンデム型光起電力素子を提供することができる。また、中間層6が、可視光領域での反射率の高いアルミニウムAl、銀Ag、チタンTiのうちいずれか1つから形成されているため、光透過性基板1側から入射した光を非晶質i層4へさらに高効率に供給することができる。
【0046】
さらに、中間層6に開口部21、22を形成するに際し、フォトリソグラフィー法によりパターン形成するため、高精度に開口部21、22を形成することができる。
【0047】
なお、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【0048】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係るタンデム型光起電力素子によれば、光透過性基板側から入射した光を非晶質i層に高効率に供給することができ、トップセルの非晶質i層の膜厚を薄くした構成とすることができる。従って、非晶質i層内の内部電界が強くなり、光劣化現象を緩和することができるとともに、良好な電流値を得ることができる。
【0049】
本発明に係るタンデム型光起電力素子の製造方法によれば、中間層表面に開口部を形成するに際し、フォトリソグラフィー法によりパターン形成するため、高精度に前記開口部を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る第一実施形態において、タンデム型起電力素子を示す断面図である。
【図2】本発明に係る第一実施形態において、図1のX1−X1線矢視断面図である。
【図3】本発明に係る第四実施形態において、図1の図1のX1−X1線矢視断面図である。
【図4】本発明に係るタンデム型光起電力素子の光電変換効率と中間層の開口率との関係を示す図である。
【図5】本発明に係る従来例において、タンデム型起電力素子を示す断面図である。
【符号の説明】
1…ガラス基板
2…透明電極
3…非晶質p層
4…非晶質i層
5…非晶質n層
6…中間層
7…微結晶p層
8…微結晶i層
9…微結晶n層
10…裏面電極
11…トップセル
12…ボトムセル
20…タンデム型光起電力素子
21、22…開口部
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマCVD法によって製造され、太陽電池あるいはセンサー等に適用されるタンデム型光起電力素子及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
シリコン系薄膜を用いた光起電力素子の代表格として、非晶質シリコン系の太陽電池がある。非晶質シリコンは、通常、原料ガスとしてシランあるいはジシラン等の水素化珪素ガスを用いるプラズマCVD法によって製造される。プラズマの発生には、通常、周波数13.56MHzの高周波電源が最も一般的に用いられる。非晶質シリコンは、200℃以下の低温でガラス、金属あるいはプラスチック等の安価な基板上に製膜することができ、かつ、大面積製膜が可能であることを特徴とする。非晶質シリコン系太陽電池は、この特徴を活かし、量産時の低コスト化が可能であることから、バルクシリコン型太陽電池を凌駕するものとして開発が進められている。
【0003】
しかし、非晶質シリコン系太陽電池に光を照射すると光電変換層であるi層内に欠陥が発生し、光電変換効率が初期状態と比較して、1割から3割程度低下する光劣化現象(いわゆるステブラーロンスキー効果)が実用化上の大きな障害となっている。光劣化現象のメカニズムについては種々の研究が精力的に行われているにもかかわらず、完全には解明されていないため、その抜本的な解決策も確立されていないのが現状である。
【0004】
これに対し、近年、実質的にi型の光電変換層として非晶質シリコンの代わりに微結晶シリコンを用いる試みが報告されている(J. Meier et A1., Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vo.420. p3(1996))。これによると、周波数110MHzのVHF帯の電源を用いた高周波プラズマCVD法によりpin型の光起電力素子を形成しており、非晶質シリコンのような光劣化現象を伴わないと報告されている。また、光電変換層として微結晶シリコンを用いた光起電力素子は、非晶質シリコンを用いた光起電力素子と比較して、分光感度スペクトルのピークが長波長側に存在するため、非晶質シリコン素子をトップセル、微結晶シリコン素子をボトムセルの光電変換層とする積層型の光起電力素子、いわゆるタンデム化も可能である。
【0005】
このタンデム型光起電力素子の一般的な構成を図5に示す。
図5に示すタンデム型光起電力素子100は、ガラス基板1と、透明電極2と、非晶質シリコン素子からなるトップセル101と、微結晶シリコン素子からなるボトムセル102と、裏面電極10とを備え、ガラス基板1上に、透明電極2、トップセル101、ボトムセル102、裏面電極10が順次積層された構成となっている。
【0006】
トップセル101は、非晶質p層3と、非晶質i層4と、非晶質n層5とを備え、これらが順次積層された構成となっており、トップセル101は、非晶質p層3を介して透明電極2上に設けられた構成となっている。また、ボトムセル102は、微結晶p層7と、微結晶i層8と、微結晶n層9とを備え、これらが順次積層された構成となっており、ボトムセル102は、微結晶p層7を介してトップセル101の非晶質n層5上に設けられ、微結晶n層9上に裏面電極10が設けられた構成となっている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、このように構成されたタンデム型光起電力素子において光電変換の高効率化を図るためには、トップセルで発生する電流と、ボトムセルで発生する電流とを同一にする、すなわち、トップセルの非晶質i層を厚膜化することが望まれる。この一方で、トップセルの非晶質i層は、光劣化による電流値の低下を抑制するために、薄膜化することが望まれる。このように、トップセルを構成する非晶質i層4の膜厚は、電流値を稼ぐための厚膜化と光劣化現象を抑制するための薄膜化という矛盾した要求が求められる。
【0008】
本発明は前記課題を解決するためになされたものであって、その目的は非晶質シリコン系素子をトップセルと、微結晶シリコン系素子をボトムセルとするタンデム型光起電力素子において、トップセルを構成する非晶質i層の光劣化現象を抑制するために薄膜化したうえで、かつ良好な電流値を有するタンデム型光起電力素子を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決して、このような目的を達成するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明の光起電力素子は、光透過性基板上に、非晶質シリコン系素子のトップセルと、微結晶シリコン系素子のボトムセルとが順次積層されたタンデム型光起電力素子であって、前記ボトムセルと前記トップセルとの間に、金属の中間層が設けられ、該中間層には、少なくとも一部に開口部が設けられていることを特徴とする。
【0010】
この光起電力素子では、ボトムセルとトップセルとの間に金属の中間層が設けられているため、光透過性基板側から入射した光の一部がトップセルの光電変換層である非晶質i層で吸収され、吸収されなかった光の一部は、中間層で反射された後、再び非晶質i層に戻り吸収されることになる。これにより、光透過性基板側から入射した光を非晶質i層に高効率に供給することができ、トップセルの非晶質i層の膜厚を薄くした構成とすることができる。従って、非晶質i層内の内部電界が強くなり、光劣化現象を緩和することができる。
また、中間層には、少なくとも一部に開口部が設けられているため、従来と同様にボトムセルにも光を供給することができ、これにより、従来の機能を最小限確保し、前述した効果を奏することができる。
【0011】
また、本発明の光起電力素子は、前記開口部は、前記中間層表面における面積占有率が50%以上90%以下であることを特徴とする。
【0012】
この光起電力素子では、中間層表面に形成された開口部が、中間層表面における面積占有率を50%以上90%以下として形成されているため、後述するように、光透過性基板側から入射した光を非晶質i層及びボトムセルの双方に高効率に供給することができる。これにより、光電変換を高効率に実現することができる。
【0013】
また、本発明の光起電力素子は、前記中間層が、アルミニウムAl、銀Ag、チタンTiのうちいずれか1つからなることを特徴とする。
【0014】
この光起電力素子では、中間層が、可視光領域での反射率の高いAl(アルミニウム)、Ag(銀)、Ti(チタン)のうちいずれか1つから形成されているため、光透過性基板側から入射した光を非晶質i層へ高効率に供給することができる。
【0015】
本発明の光起電力素子の製造方法は、光透過性基板上に、非晶質シリコン系素子のトップセルを形成するトップセル形成工程と、該トップセル上に、微結晶シリコン系素子のボトムセルを形成するボトムセル形成工程とを有するタンデム型光起電力素子の製造方法であって、前記トップセル形成工程後、前記ボトムセル形成工程前に、前記トップセル上に少なくとも一部に開口部を有する金属の中間層を形成する中間層形成工程を有し、該中間層形成工程は、前記トップセル上に金属膜を形成後、該金属膜にフォトリソグラフィー法により前記開口部をパターン形成し、前記中間層を形成することを特徴とする。
【0016】
この光起電力素子の製造方法では、中間層表面に開口部を形成するに際し、フォトリソグラフィー法によりパターン形成するため、高精度に前記開口部を形成することができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図1〜図4を参照して本発明に係る第一実施形態について説明する。
図1に示すタンデム型光起電力素子20は、ガラス基板1と、透明電極2と、非晶質シリコン素子からなるトップセル11と、可視光領域での反射率が高いアルミニウムAl、銀Ag、チタンTi等のうちいずれか1つ、本実施形態においては、アルミニウムAlからなる中間層6と、微結晶シリコン素子からなるボトムセル12と、裏面電極10とを備え、ガラス基板1上に、透明電極2、トップセル11、ボトムセル12、裏面電極10が順次積層された構成となっている。
【0018】
トップセル11は、p型の非晶質シリコンである非晶質p層3と、i型の非晶質シリコンである非晶質i層4と、n型の非晶質シリコンである非晶質n層5とを備え、これらが順次積層された構成となっており、トップセル11は、非晶質p層3を介して透明電極2上に設けられ、非晶質n層5上に中間層6が設けられた構成となっている。また、ボトムセル12は、p型の微結晶シリコンである微結晶p層7と、i型の微結晶シリコンである微結晶i層8と、n型の微結晶シリコンである微結晶n層9とを備え、これらが順次積層された構成となっており、ボトムセル12は、微結晶p層7を介して中間層6上に設けられ、微結晶n層9上に裏面電極10が設けられた構成となっている。すなわち、トップセル11の上端層である非晶質n層5と、ボトムセル12の下端層である微結晶p層7との間に中間層6が介装された構成となっている。
【0019】
ここで、トップセル11とボトムセル12との間に介装された中間層6の表面は、図2に示すように、例えば、一辺の長さLが500μmの正方形状に形成された開口部21が同一の間隔d、例えば200μmで複数設けられ、中間層6は格子状に形成されている。この開口部21の配設ピッチd及び面積は、開口部21の中間層6表面における面積占有率(以下、中間層6の開口率という)が50%以上90%以下となるように設定され、本実施形態においては、開口率80%に設定されている。
【0020】
以上のように構成されたタンデム型光起電力素子20の製造方法について説明する。
まず、脱脂、洗浄したガラス基板1上にCVD法、またはスパッタ法等のPVD法を施し、透明電極2を形成する。ここで、透明電極2はITO、酸化スズSnO2または酸化亜鉛ZnO等の金属酸化物により形成するが、本実施形態においては、酸化スズSnO2を膜厚700nmで形成する。
【0021】
次に、透明電極2上にトップセル11を形成する。すなわち、透明電極層2上にプラズマCVD法を施し、非晶質p層3、非晶質i層4及び非晶質n層5を順次積層する。ここで、プラズマCVD法に用いる原料ガスは、シランSiH4あるいはジシランSi2H6等の水素化珪素ガス、またはジクロロシラン、トリクロロシラン等のハロシラン系ガスを用い、このときの電源周波数は、13.56MHzに設定する。非晶質p層3を製膜する場合は、ドーピングガスとして、III族元素を含むB2H6、BF3等を添加する。また、非晶質n層5を製膜する場合には、ドーピングガスとして、V族元素を含むPH3等を添加する。
【0022】
ここで、非晶質p層3は、膜厚5nm以上50nm以下で形成される。これは、非晶質p層3の膜厚が5nm未満の場合、部分的に透明電極2が露出した状態、いわゆる島状成長となる。この場合、非晶質p層3が形成されなかった部分は、正常な半導体pn接合が形成されないため、光起電力素子としての特性が著しく低下するからである。一方、非晶質p層3の膜厚が50nmを超える場合、非晶質p層3での光吸収量が過多となり、非晶質i層4に到達する光量が減少するため、光起電力素子としての短絡電流が低下するからである。
【0023】
また、非晶質i層4の膜厚は、中間層6の開口率と反射率との兼ね合いにより決定され、例えば100nm以上500nm以下で形成される。これは、非晶質i層4の膜厚が100nm未満の場合、入射光を十分に吸収できないため、光起電力素子としての短絡電流が低下するからである。一方、非晶質i層4の膜厚が500nmを超える場合、非晶質i層4の内部電界が弱くなり、光劣化による短絡電流及び形状因子の低下が大きくなるからである。
【0024】
また、非晶質n層5の膜厚は、5nm以上50nm以下で形成される。これは、非晶質n層5の膜厚が5nm未満の場合、部分的に非晶質i層4が露出した状態、いわゆる島状成長となる。この場合、非晶質n層5が製膜されなかった部分は、正常な半導体pn接合が形成されないため、光起電力素子としての特性が著しく低下するからである。一方、非晶質n層5の膜厚が50nmを超える場合、非晶質n層5での光吸収量が過多となり、中間層6及び微結晶i層8に到達する光量が減少するため、光起電力素子としての短絡電流が減少するからである。
【0025】
次に、トップセル11上に真空蒸着法等のPVD法を施して製膜したアルミニウムAl層表面に、フォトリソグラフィー法によりレジスト等の所定のマスクパターンを形成し、これをエッチング処理することにより、図2に示すように、開口率80%の開口部21を備えた中間層6を形成する。ここで、中間層6の膜厚は、100nm以上500nm以下で形成する。これは、中間層6の膜厚が100nm未満の場合、中間層6が有する入射光の反射効果が十分に発揮されないからである。一方、中間層6の膜厚が500nmを超える場合、中間層6表面の表面粗さが大きくなり、次工程で製膜されるボトムセル12の形成精度に悪影響を及ぼすからである。
【0026】
次に、中間層6上にプラズマCVD法を施し、微結晶p層7、微結晶i層8及び微結晶n層9を順次積層する。この場合の原料ガスには、シラン、ジシラン等の水素化珪素ガスもしくはジクロロシラン、トリクロロシラン等のハロシランガスと水素を用いる。この際、原料ガスにIII族元素を含むガス、例えばB2H6、BF3等のボロンを含むガスを添加すると、微結晶p層7が製膜され、原料ガスにV族元素を含むガス、例えばPH3等のリンを含むガスを添加すると、微結晶n層9が製膜される。
【0027】
ここで、シリコンを含むガスの流量に対する水素の流量比は、5倍以上100倍以下に設定する。これは、水素の流量比が5倍未満の場合、水素ラジカルの発生量が少ないため、成長中の膜表面のダングリングボンドの終端が不十分となる。この結果、製膜に関与するシリコン系ラジカルの表面拡散が不十分となり、結晶性が良好な微結晶シリコンが十分に成長しないからである。一方、水素の流量比が100倍を超える場合、微結晶シリコンは成長するものの、製膜に関与するシリコン系ラジカルが少ないため、その製膜速度が極めて小さくなり、非晶質シリコンよりも厚い光電変換層を必要とする微結晶シリコン系光起電力素子の場合、生産性が著しく低下するからである。
【0028】
また、プラズマCVDの電源周波数は、10MHz以上300MHz以下に設定される。これは、周波数が10MHz未満の場合、プラズマ密度が低く、プラズマ中で励起される水素ラジカルが少ないため、成長中の膜表面のダングリングボンドの終端が不十分となる。その結果、製膜に関与するシリコン系ラジカルの表面拡散が不十分となり、微結晶シリコンの結晶化が促進されないという問題があるからである。一方、周波数が300MHzを超える場合、電極内での電圧分布が大きくなり、均一な放電が困難となるからである。
【0029】
また、プラズマCVDの圧力は、圧力は、13.3Pa以上665Pa以下に設定される。圧力が13.3Pa未満の場合、製膜に関与するシリコン系ラジカルが少ないため、製膜速度が極めて小さく、生産性が著しく低下するからである。一方、圧力が665Paを超える場合、製膜中に気相中で粉が生じ易くなり、この粉は、膜中に取り込まれ、微結晶シリコンの膜質を極端に低下させる他、真空容器の開放保守の頻度を高める等の悪影響を及ぼすからである。
【0030】
ここで、微結晶p層7の膜厚は、5nm以上50nm以下で形成される。これは、微結晶p層7の膜厚が5nm未満になると、部分的に非晶質n層5が露出した状態、いわゆる島状成長となる。この場合、微結晶p層7が製膜されていない部分は、正常な半導体pn接合が形成されないため、光起電力素子としての特性が著しく低下するからである。一方、微結晶p層7の膜厚が50nmを超えると、光入射側の層である微結晶p層で吸収する光量が過多となり、光電変換層である微結晶i層8に到達する光量が低減するため、光起電力素子としての光電変換効率が却って低下するからである。
【0031】
また、微結晶i層8の膜厚は、透明電極2、微結晶i層8の表面形状により決定され、例えば1000nm以上10000nm以下で形成される。これは、微結晶i層8の膜厚が1000nm未満になると、入射光を十分に吸収できなくなるため、光起電力素子としての短絡電流が小さくなるという問題を生じるからである。一方、微結晶i層8の膜厚が10000nmを超えると、微結晶i層8に生じる内部電界が弱くなり、光起電力素子としての開放電圧が低下するとともに、製膜時間が長くなるからである。
【0032】
また、微結晶n層9の膜厚は、5nm以上100nm以下で形成される。これは、微結晶n層9の膜厚が5nm未満になると、部分的に微結晶i層8が露出した状態、いわゆる島状成長となる。この場合、微結晶n層9が製膜されていない部分は、正常な半導体pn接合が形成されないため、光起電力素子としての特性が著しく低下するからである。一方、微結晶n層9の膜厚が100nmを超えると、微結晶n層9で吸収される光量が過多となり、裏面電極10で反射された光を有効に活用できないという問題が生じるからである。
【0033】
次に、ボトムセル12上に、アルミニウムAl、銀Ag、チタンTi、ニッケルNi、クロムCr、銅Cuあるいはそれらの合金から成る裏面電極10を、真空蒸着法またはスパッタ法等のPVDを用い、膜厚500μm以上で形成する。この膜厚により、微結晶i層8を透過した光を充分に反射できるようになる。ここで、本実施形態においては、裏面電極10を、真空蒸着法を施してアルミニウムAlにより形成した。
【0034】
以上により形成された図1に示すタンデム型光起電力素子20及び、図5に示す従来のタンデム型光起電力素子100に、ガラス基板1側から模擬太陽光(AM(通過空気量)1.5、100mW/cm2)を照射し、このときの光電変換効率をそれぞれ計測した結果を表1に示す。ここで、従来のタンデム型光起電力素子100を構成するボトムセル102を形成するに際してのプラズマCVD法による製膜条件は、前述した実施形態と同一とした。
【0035】
【表1】
【0036】
表1は、従来のタンデム型光起電力素子100の光電変換効率を1.00とした相対値で示している。本実施形態では、トップセル11とボトムセル12との間に、Alからなり開口率が80%の中間層6を介装して、トップセル11の電流増加を図った結果、従来例と比較して、光電変換効率が約12%改善されたことが確認できる。
【0037】
次に、本発明に係る第二実施形態として、中間層6を銀Agにより形成した。さらに、本発明に係る第三実施形態として、中間層6をチタンTiにより形成した。これら第二、第三実施形態ともに、開口部21の開口率を80%に設定した。
このように構成された第二実施形態及び第三実施形態のタンデム型光起電力素子20に、ガラス基板1側から模擬太陽光(AM1.5、100mW/cm2)を照射し、この際の光電変換効率を計測した結果を、第一実施形態及び従来例と併せて表2に示す。
【0038】
【表2】
【0039】
表2は、第一〜第三実施形態の光起電力素子20の光電変換効率を、従来例の光起電力素子100の光電変換効率を1.00とした相対値で示している。これにより、中間層6としてアルミニウムAl、銀Ag、チタンTiともに、従来例と比較して、光電変換効率が11%〜14%改善されたことが確認でき、中間層6の有効性が確認できる。
【0040】
次に、本発明に係る第四実施形態として、図3に示すように、開口部22が形成された中間層6を形成した。開口部22は、幅Lが160μmで縦方向に延在する帯状に形成されるとともに、この開口部22は、幅方向に同一の間隔d、例えば40μmを配し複数設けられている。この開口部22は、開口率が80%に設定されている。ここで、本実施形態による中間層6は、開口部の形態を除き、第一実施形態と同一条件下で形成した。
このように構成された第四実施形態のタンデム型光起電力素子20に、ガラス基板1側から模擬太陽光(AM1.5、100mW/cm2)を照射し、この際の光電変換効率を計測した結果を、第一実施形態及び従来例と併せて表3に示す。
【0041】
【表3】
【0042】
表3は、第一、第四実施形態の光起電力素子20の光電変換効率を、従来例の光起電力素子100の光電変換効率を1.00とした相対値で示している。これにより、中間層6の開口部の開口率が同等であれば、開口部の形状によらず同様の効果が得られることが確認できる。
【0043】
次に、それぞれで中間層6の開口率が異なる複数のタンデム型光起電力素子20を形成し、前述と同様にして、それぞれのタンデム型光起電力素子20について光電変換効率を計測した。なお、これらのタンデム型光起電力素子2を形成するに際して、中間層6を全てアルミニウムAlとした。図4に光電変換効率と中間層6の開口率との関係を示す。図4は、開口率100%、すなわち中間層6を設けない従来のタンデム型光起電力素子100の光電変換効率を1.00とした相対値で示している。
図4において、中間層6の開口率が50以上90%以下の範囲では、光電変換効率の改善が確認できる。すなわち、開口率が50%未満の場合、ボトムセル11に到達する光量が減少し、ボトムセル11の電流値が不足するため、全体の光電変換効率としては低下することが確認できる。
【0044】
以上説明したように、第一〜第四実施形態によるタンデム型光起電力素子20によれば、ボトムセル12とトップセル11との間に金属からなる中間層6が設けられているため、光透過性基板1側から入射した光の一部がトップセル11の光電変換層である非晶質i層4で吸収され、吸収されなかった光の一部は、中間層6で反射された後、再び非晶質i層4に戻り吸収されることになる。これにより、光透過性基板1側から入射した光を非晶質i層4に高効率に供給することができ、トップセル11の非晶質i層4の膜厚を薄くした構成とすることができる。従って、非晶質i層4内の内部電界が強くなり、光劣化現象を緩和することができる。
【0045】
また、中間層6に形成された開口部21、22が、中間層6表面における面積占有率を50%以上90%以下として形成されているため、光透過性基板1側から入射した光を非晶質i層4及びボトムセル12の双方に高効率に供給することができる。これにより、光電変換効率の高いタンデム型光起電力素子を提供することができる。また、中間層6が、可視光領域での反射率の高いアルミニウムAl、銀Ag、チタンTiのうちいずれか1つから形成されているため、光透過性基板1側から入射した光を非晶質i層4へさらに高効率に供給することができる。
【0046】
さらに、中間層6に開口部21、22を形成するに際し、フォトリソグラフィー法によりパターン形成するため、高精度に開口部21、22を形成することができる。
【0047】
なお、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【0048】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係るタンデム型光起電力素子によれば、光透過性基板側から入射した光を非晶質i層に高効率に供給することができ、トップセルの非晶質i層の膜厚を薄くした構成とすることができる。従って、非晶質i層内の内部電界が強くなり、光劣化現象を緩和することができるとともに、良好な電流値を得ることができる。
【0049】
本発明に係るタンデム型光起電力素子の製造方法によれば、中間層表面に開口部を形成するに際し、フォトリソグラフィー法によりパターン形成するため、高精度に前記開口部を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る第一実施形態において、タンデム型起電力素子を示す断面図である。
【図2】本発明に係る第一実施形態において、図1のX1−X1線矢視断面図である。
【図3】本発明に係る第四実施形態において、図1の図1のX1−X1線矢視断面図である。
【図4】本発明に係るタンデム型光起電力素子の光電変換効率と中間層の開口率との関係を示す図である。
【図5】本発明に係る従来例において、タンデム型起電力素子を示す断面図である。
【符号の説明】
1…ガラス基板
2…透明電極
3…非晶質p層
4…非晶質i層
5…非晶質n層
6…中間層
7…微結晶p層
8…微結晶i層
9…微結晶n層
10…裏面電極
11…トップセル
12…ボトムセル
20…タンデム型光起電力素子
21、22…開口部
Claims (4)
- 光透過性基板上に、非晶質シリコン系素子のトップセルと、微結晶シリコン系素子のボトムセルとが順次積層されたタンデム型光起電力素子であって、
前記ボトムセルと前記トップセルとの間に、金属の中間層が設けられ、
該中間層には、少なくとも一部に開口部が設けられていることを特徴とするタンデム型光起電力素子。 - 請求項1記載のタンデム型光起電力素子において、
前記開口部は、前記中間層表面における面積占有率が50%以上90%以下であることを特徴とするタンデム型光起電力素子。 - 請求項1又は2に記載のタンデム型光起電力素子において、前記中間層が、アルミニウムAl、銀Ag、チタンTiのうちいずれか1つからなることを特徴とするタンデム型光起電力素子。
- 光透過性基板上に、非晶質シリコン系素子のトップセルを形成するトップセル形成工程と、
該トップセル上に、微結晶シリコン系素子のボトムセルを形成するボトムセル形成工程とを有するタンデム型光起電力素子の製造方法であって、
前記トップセル形成工程後、前記ボトムセル形成工程前に、前記トップセル上に少なくとも一部に開口部を有する金属の中間層を形成する中間層形成工程を有し、
該中間層形成工程は、前記トップセル上に金属膜を形成後、該金属膜にフォトリソグラフィー法により前記開口部をパターン形成し、前記中間層を形成することを特徴とするタンデム型光起電力素子。
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