JP2005072332A

JP2005072332A - 薄膜太陽電池

Info

Publication number: JP2005072332A
Application number: JP2003301197A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Tanaka; 政博田中
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-08-26
Filing date: 2003-08-26
Publication date: 2005-03-17

Abstract

【課題】光の反射を効果的に抑制できる薄膜太陽電池を提供することを目的とする。
【解決手段】基板１１上に光電変換素子１７、１９を積層し、光電変換素子１７、１９の表面に透明導電膜２１を設けてなる薄膜太陽電池であって、透明導電膜層２１に、５角錐以上の多角錐状凹凸３３を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は薄膜太陽電池に関し、特に高い光電変換効率を有する薄膜太陽電池に関する。

将来の需給が懸念され、かつ地球温暖化現象の原因となる二酸化炭素排出の問題がある石油等の化石燃料の代替エネルギー源として太陽電池が注目されている。

従来の太陽電池セルとして、太陽電池セルの受光面に、反射を抑制すべく凹凸を形成することが行われており、近年では、ピラミッド形状もしくは逆ピラミッド形状の凹凸が形成され、光の反射を効果的に抑制することが行われている（特許文献１参照）。
特開２０００−２２１８５号

しかしながら、従来のピラミッド形状もしくは逆ピラミッド形状（４角錐）の凹凸では、未だ光反射抑制率が小さいという問題があった。

本発明は、光の反射を効果的に抑制できる薄膜太陽電池を提供することを目的とする。

本発明の薄膜太陽電池は、基板上に光電変換素子を積層し、該光電変換素子の表面に透明導電膜を設けてなる薄膜太陽電池であって、前記透明導電膜の表面に、５角錐以上の多角錐状凹凸を複数設けてなることを特徴とする。このような薄膜太陽電池では、薄膜太陽電池の表面側に５角錐以上の多角錐状凹凸を有するため、多角となった側面での反射回数が増大し、太陽光を薄膜太陽電池の外部に漏らしにくくし、光の反射を効果的に抑制できる。

また、本発明の薄膜太陽電池は、多角錐状凹凸の高さｈと幅Ｂとの比（ｈ／Ｂ）が０．０１〜０．５であることを特徴とする。このような薄膜太陽電池では、薄膜太陽電池の厚み方向の多重反射を増大させ、太陽光を薄膜太陽電池内にさらに閉じ込めることができる。

さらに、本発明の薄膜太陽電池は、透明導電膜よりも基板側に形成された層が５角錐以上の多角錐形凹凸をなしていることを特徴とする。このような薄膜太陽電池では、５角錐以上の多角錐形状をなしている層に薄膜を積層して薄膜太陽電池が作製されるため、５角錐以上の多角錐形状をなしている層に反映して、表面側に形成された透明導電膜の形状が５角錐以上の多角錐状凹凸形状となり、これにより、一度透明導電膜層に侵入した光の反射を効果的に抑制できる。

また、本発明の薄膜太陽電池は、基板上に複数の光電変換素子が積層されていることを特徴とする。例えば、第１導電型半導体層、真性半導体層および第２導電型半導体層を順次積層してなる光電変換素子を複数積層することにより、広波長帯域に亘る太陽光を吸収することができる。

さらに、本発明の薄膜太陽電池は、透明導電膜の表面には、８角錐状凹凸又は１６角錐状凹凸が設けられていることを特徴とする。このような薄膜太陽電池では、光の反射を効果的に抑制できるとともに、複数の凹凸の配列が容易になる。

また、本発明の薄膜太陽電池は、多角錐状凹凸の角部が面取りされていることを特徴とする。このような薄膜太陽電池では、光の反射をさらに効果的に抑制できる。

本発明の薄膜太陽電池では、５角錐以上の多角錐状凹凸により、光閉込構造を等方的に実現し、通常の４角錐状凹凸以上の光閉込効果を得ることができる。また、凹凸を光変換素子構造自体にではなく、その上に積層される透明導電膜に形成することで、光変換素子中の欠陥密度の増大を抑制できる。

本発明の薄膜太陽電池を図１を基に説明する。本発明の薄膜太陽電池は、平滑な表面を有するガラス基板１１上に、銀電極１３、平坦な透明導電膜１５が形成されている。

この透明導電膜１５の上には、ｎ型微結晶シリコン層１７ｃ、ｉ型微結晶シリコン層１７ｂ、ｐ型微結晶シリコン層１７ａがプラズマＣＶＤ装置により順に積層され、第１の光電変換素子構造１７が構成されている。

同様に、ｐ型微結晶シリコン層１７ａの上には、ｎ型アモルファスシリコン層１９ｃ、ｉ型アモルファスシリコン層１９ｂ、ｐ型アモルファスシリコン層１９ａがプラズマＣＶＤ装置により順に積層され、これにより第２の光電変換素子構造１９が構成されている。

ｐ型アモルファスシリコン層１９ａの上には、透明導電膜２１が形成され、この透明導電膜２１の表面にはカバーガラス２２が形成されている。このカバーガラス２２の表面は平坦とされている。透明導電膜２１は６００ｎｍ以下の厚みを有することが好ましい。

透明導電膜２１は、酸化錫、酸化インジウム、酸化亜鉛からなることが好適である。また、これらのうちの単一の材料から成るものであってもよいし、あるいはこれらの材料を含む層を複数積層したものであっても構わない。特に、主として酸化亜鉛からなる透明導電膜は、安価であり、耐プラズマ性が高く変質しにくいという利点を有するためより好ましい。

これらの透明導電膜２１は、例えばスパッタリング法、常圧ＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法、電子ビーム蒸着法、ゾルゲル法、電析法等の公知の方法により作製できる。その中でも特に、スパッタリング法は、透明導電膜２１の透過率や抵抗率を薄膜太陽電池に適したものに制御することが容易であるので望ましい。

これらの透明導電膜２１中に微量の不純物が添加されていてもよい。また、これらの透明導電膜２１の厚さは、薄すぎると特性の均一性に問題が生じ、厚すぎると透過率の減少および直列抵抗の増加による光電変換効率の低下やコストの増大を引き起こすため、好ましくは１０〜５００ｎｍである。

この太陽電池構造は２層の光電変換素子部を有した多接合型薄膜太陽電池であるので、タンデム型薄膜太陽電池と呼ばれる構造である。つまり、２層の光電変換素子１７、１９が直列につながっている状態であり、全体の電圧はそれら個々電圧の和になり、全体の電流はそれらの電流値の小さい方で決まる。各光電変換素子１７、１９の合計厚みは３０００ｎｍ以下とされていることが好ましい。

そして、本発明では、図２〜図５に示すように、透明導電膜２１はその表面が多角錐形状に形成されており、透明導電膜２１の表面には５角錐以上の多角錐形状凹凸（図１では多角錐形状凸）３３が、図３及び図４に示すように、多数配列して形成されており、その表面をカバーガラス２２が被覆している。

尚、図１では、一つの多角錐形状凹凸３３とその上下の構造のみ記載した。また、透明導電膜２１よりも基板１１側に形成された層、例えば透明導電膜１５が５角錐以上の多角錐形状をなしていてもよい。この場合にも、多角錐形状を為している層の上に形成された層は、多角錐形状をなした層に反映して多角錐形状となり、透明導電膜２１の表面には多角錐形状凹凸が形成されることになる。

さらに、上記形態では、第２の光電変換素子１９のｐ、ｉ、ｎ全ての層をアモルファスシリコンにより形成しているが、ｉ層については第２の光電変換素子のｉ層となる結晶シリコンよりエネルギーギャップ大きい材料であればよく、例えばａ−ＳｉＣ：Ｈ等を用いてもよい。導電型層についてもｐ、ｎともにアモルファスシリコン層である必要はなく、いずれもシリコン結晶質半導体層等で形成しても構わない。

本発明では、５角以上の多角錐状凹凸３３を形成することで光閉込構造の等方性を実現し、通常の３角錐、４角錐状凹凸以上の光閉込効果を得ることができる。また、凹凸を光変換素子自体にではなく、その上に積層される透明導電膜２１に形成することで、光変換素子中の欠陥密度の増大を防止できる。特に、８角錐以上の多角錐形状の凹凸であることが望ましい。

また、図５に示すように、多角錐状凹凸３３の高さｈと幅Ｂの比（ｈ／Ｂ）が０．０１〜０．５を満足することが望ましい。これにより薄膜太陽電池の厚み方向の多重反射を増大させ、太陽光を薄膜太陽電池内にさらに閉じ込めることができる。尚、図５では、理解し易いように、透明導電膜２１の突出している部分（多角錐状凹凸３３）のみを記載した。

透明導電膜表面に凹凸３３を設ける手段として、例えば、堆積すると同時に表面に凹凸が形成されるような条件により中間層を形成し、この表面に透明導電膜を形成してもよい。また、透明導電膜表面に対してサンドブラストのような機械加工、あるいはエッチングといった化学的加工処理を行うことで凹凸を形成することも可能である。

エッチャントの種類、濃度あるいはエッチング時間等を適宜変更することにより、透明導電膜の表面形状を容易に制御できるので、凹凸を作製する手段としてエッチングを行うことが特に好ましい。エッチャントとして酸またはアルカリ溶液を用いることは、より安価に製造できるので、さらに好ましい。この場合、酸溶液には、塩酸、硫酸、硝酸、フッ酸、酢酸、蟻酸、過塩素酸等の１種または２種以上の混合物を用いることができる。中でも、塩酸、酢酸が好ましい。これらの酸溶液は、例えば０．０５〜５質量％程度の濃度で使用できる。特に酢酸のような比較的弱い酸の場合には、０．１〜５質量％程度の濃度で使用することが好ましい。また、アルカリ溶液には、水酸化ナトリウム、アンモニア、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、水酸化アルミニウム等の１種または２種以上の混合物を用いることができる。なかでも水酸化ナトリウムが好ましい。これらのアルカリ溶液は１〜１０質量％程度の濃度で使用することが好ましい。

特に、透明導電膜２１に凹凸の浅いイオンエッチング加工（ＲＩＥ加工）を複数回繰りかえすことで、一回のＲＩＥ加工では３角錐または４角錐だった凹凸を次第に５角錐以上の多角錐形状とできる。特に、多角錐状凹凸３３の各面で構成される角部を面取りすることが望ましい。

本発明の多接合型薄膜太陽電池に用いる基板１１の材料としては、ガラス、金属、あるいはポリイミドやポリビニルといった２００℃程度の耐熱性を有する樹脂、さらにはそれらが積層されたもの等、種々のものが使用できる。また、それらの表面に金属膜、透明導電膜、あるいは絶縁膜等を被覆したものも含まれる。また、基板１１厚さは特に限定されるものではないが、構造を支持し得るよう適当な強度や重量を有するように、例えば０．１〜３０ｍｍ程度である。

基板１１の表面に凹凸を形成しても良い。凹凸を設ける手段としては、例えば、平滑な表面を有する基板１１上に、堆積すると同時に表面に凹凸が形成されるような膜を形成してもよい。該表面に凹凸が形成される膜は基板と同じ材料であっても、または異なる材料であっても構わない。また、基板表面に対してサンドブラストのような機械加工、あるいはエッチングといった化学的加工処理を行って凹凸を形成することもできる。この凹凸を反映して、その表面に形成される層は凹凸となり、透明導電膜２１に表面が多角錐状凹凸となる。

本発明の薄膜太陽電池では、ボトムセルの光電変換素子が、主として微結晶シリコンから成るものとすることにより、アモルファスシリコンでは光電変換に利用できない波長７００ｎｍ以上の長波長光も光電変換に利用できる。これにより、高い光電変換効率が得られるとともに、光劣化が抑制された安定な太陽電池を得ることができる。なお主としてシリコンから成る半導体層には、実質的にシリコンのみからなるものの他、シリコンと他の元素との組み合わせからなるもの、例えばシリコンが添加されたＳｉ_ｘＳｎ_１−ｘおよびゲルマニウムが添加されたＳｉ_ｘＧｅ_１−ｘ等も含まれる。

尚、上記形態では、凸状の多角錐状凹凸３３を形成したが、凹状の多角錐状凹凸を形成してもよいことは勿論である。

図１の薄膜太陽電池を作製した。先ず、平滑な表面を有するガラス基板１１上に銀電極１３を形成した。その上に平坦な透明導電膜１５を形成し、この後、透明導電膜１５の上にｎ型微結晶シリコン層１７ｃ、ｉ型微結晶シリコン層１７ｂ、ｐ型微結晶シリコン層１７ａをプラズマＣＶＤ装置により順に積層して第１の光電変換素子１７を構成し、ｐ型微結晶シリコン層１７ａの上にｎ型アモルファスシリコン層１９ｃ、ｉ型アモルファスシリコン層１９ｂ、ｐ型アモルファスシリコン層１９ｃをプラズマＣＶＤ装置により順に積層することで第２の光電変換素子構造１９を形成した。この後、第２の光電変換素子構造１９上に透明導電膜２１をプラズマＣＶＤ装置により積層した。

その透明導電膜２１に凹凸の浅いイオンエッチング加工（ＲＩＥ加工）を複数回繰りかえすことで、８角錐状凹凸、１６角錐状凹凸を形成した。また、１回のイオンエッチング加工（ＲＩＥ加工）により４角錐状凹凸を形成した。

そして、４角錐状凹凸、８角錐状凹凸、１６角錐状凹凸の場合で光電流値を比較した。また、多角錐の幅Ｂは３００ｎｍ、高さｈは１００ｎｍであり、ｈ／Ｂは０．３３であった。光電流値は、透明導電膜上に配置された棒状電極とＡｇ電極１３の間に電流計を設置することにより測定した。その結果を表１に記載した。

変換効率は光電流値に比例しており、特に凹凸構造を変化させる場合にはその変化は直接光電流値にのみ反映されると考えてよい。タンデム型薄膜太陽電池の光電流値は、トップセルの光電流値とボトムセルのそれの内の小さい方である。トップセルはアモルファスシリコンからなる光電変換素子１９のことであり、ボトムセルは微結晶シリコンからなる光電変換素子１７のことである。

ボトムセル単独の光電流値に関しては、８角錐状凹凸、１６角錐状凹凸を形成することで、４角錐状凹凸よりも０．０９ｍＡ／ｃｍ^２増大することが判る。表面に４角錐状凹凸、８角錐状凹凸、１６角錐状凹凸を形成した透明導電膜を有する薄膜太陽電池の光吸収スペクトルを図６に示す。この図６から、４００〜６００ｎｍあたりの短波長域で多角錐であれば有るほど吸収率が向上していることがわかる。

本発明の多接合型薄膜太陽電池の一部を示す断面図である。透明導電膜に形成された８角錐形状凹凸を示す平面図である。透明導電膜に形成された８角錐形状凹凸の配列状態を示す平面図である。透明導電膜に形成された８角錐形状凹凸の他の配列状態を示す平面図である。透明導電膜に形成された８角錐形状凹凸の寸法を説明するための説明図である。透明導電膜の凹凸の違いによる光吸収スペクトルの図である。

符号の説明

１１・・・基板
１７・・・第１の光電変換素子
１９・・・第２の光電変換素子
１５、２１・・・透明導電膜
２２・・・カバーガラス
３３・・・多角錐状凹凸
ｈ・・・多角錐状凹凸の高さ
Ｂ・・・多角錐状凹凸の幅

Claims

基板上に光電変換素子を積層し、該光電変換素子の表面に透明導電膜を設けてなる薄膜太陽電池であって、前記透明導電膜の表面に、５角錐以上の多角錐状凹凸を複数設けてなることを特徴とする薄膜太陽電池。
多角錐状凹凸の高さｈと幅Ｂとの比（ｈ／Ｂ）が０．０１〜０．５であることを特徴とする請求項１記載の薄膜太陽電池。
透明導電膜よりも基板側に形成された層が５角錐以上の多角錐形状凹凸をなしていることを特徴とする請求項１又は２記載の薄膜太陽電池。
基板上に複数の光電変換素子が積層されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちのいずれかに記載の薄膜太陽電池。
透明導電膜の表面には、８角錐状凹凸又は１６角錐状凹凸が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の薄膜太陽電池。
多角錐状凹凸の角部が面取りされていることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載の薄膜太陽電池。