JP2008192754A - 薄膜太陽電池および薄膜太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】ダイオードによるモジュール面積の増大が抑えられるとともに、発熱や性能の面でも問題がないダイオードの備わった薄膜太陽電池および薄膜太陽電池モジュールをコスト増加なしに得ること。
【解決手段】基板１の上には、相互に分離された複数の第１電極２が熱ＣＶＤ法などで形成されている。第１電極２の上には、例えばｐ型、ｉ型、ｎ型の半導体を順次、ＣＶＤ法などで成膜することにより、光電変換膜層３が積層状に形成される。その後、接続溝１７をレーザスクライブにより形成し、第２電極４をスパッタ法などで形成する。これにより、接続溝１７を介して分離された光電変換膜層３の第２電極４とその隣の光電変換膜層３の第１電極２とが接続されて、薄膜太陽電池のセルどうしが直列接続される。電極取り出し領域６の光電変換膜層３はダイオードとして保持され、逆流防止ダイオード９として機能する。
【選択図】図４

Description

本発明は、薄膜太陽電池および薄膜太陽電池モジュールに関するものであり、さらに詳しくは、基板の上に形成した薄膜太陽電池素子を複数接続して構成する薄膜太陽電池、およびこのような薄膜太陽電池を複数接続して構成する薄膜太陽電池モジュールに関するものである。

複数の太陽電池を直列接続し、それらを他の直列接続された複数の太陽電池やインバータあるいは充電池などの他の機器に接続する場合がある。このような場合において、直列接続された複数の太陽電池と他の機器との間に逆流防止ダイオードを設けて、他の機器から太陽電池への電流の逆流を防止することで、太陽電池で無駄な電力が消費されたり、太陽電池自体が逆流電流で破壊されたり劣化したりするのを防ぐ方法は、既に広く使われている。

また、この逆流防止ダイオードの導入コストを抑えることを目的として、同一の支持基板の上に太陽電池と逆流防止ダイオードとを形成する方法もよく知られている。この方法は例えば特許文献１〜７に記載されている。

特開昭５８−１８２２７９号公報 特開昭６０−２２４２８４号公報 特開平１−１７５７７４号公報 実開平３−１１２９５１号公報 特開昭６０−１００４８３号公報 特開昭６２−２４４１７９号公報 特開昭６０−３２３７１号公報

しかし、以上の公知の方法にもいくつかの課題が残されている。例えば、特許文献１〜７に記載された方法では、太陽電池と逆流防止ダイオードとを同一の基板のまったく別の領域に形成するため、ダイオードが基板の一部を占有してしまい、その分、モジュール変換効率が下がってしまうおそれがある。

また、これらの特許文献１〜７に記載された方法は、主として小面積の小型太陽電池に関するものである。このため、大面積の大型太陽電池では、発電電流がより大きいことからダイオードの発熱による影響を無視することができなくなり、ダイオードの面積をあまり小さくすることができない。

特に、特許文献７に記載された方法では、光電変換部の基板側電極と逆流防止ダイオードの基板側電極との共通化ができないため、ダイオードの性能および基板占有面積の点で問題がある。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、従来、第１電極取り出し用の電極領域として使用していた部分に逆流防止ダイオードを形成することにより、ダイオードによるモジュール面積の増大が抑えられるとともに、発熱や性能の面でも問題がないダイオードの備わった薄膜太陽電池および薄膜太陽電池モジュールをコスト増加なしに得ることを目的とする。

本発明の１つの観点によれば、支持基板と、この支持基板の上に形成された第１電極と、少なくとも第１電極の上に形成された光電変換膜層と、少なくとも光電変換膜層の上に形成された第２電極とを備えてなり、光電変換膜層には、少なくともｐ型領域およびｎ型領域が備わった電極であって、少なくともｐ型領域およびｎ型領域を備えているダイオードにおける型領域と同じ型領域を接続するための接続用電極が設けられ、前記ダイオードの上には、接続用電極を取り出すための取り出し用電極が積層されていることを特徴とする薄膜太陽電池が提供される。

このような薄膜太陽電池によれば、ダイオードの電極が従来の第１電極取り出し電極を兼ねることになり、ダイオードによる面積の増大なしに逆流防止ダイオードを追加することができる。

図１には、本発明の実施の形態１に係る薄膜太陽電池における電極付近の断面構造が示されている。図２には、従来の１つの薄膜太陽電池における電極付近の構造が示されている。図３には、従来の別の薄膜太陽電池（特許文献６などに使われているもの）における電極付近の構造が示されている。

本発明に係る薄膜太陽電池では、電極取り出しのための集電電極の直下に逆流防止ダイオードが設けられているので、ダイオード形成による面積の増大はない。

また、本発明に係る図１の方法は、従来における図２の方法に比べると、光電変換膜層３を短絡させるための工程が省略されている。従って、本発明に係る図１の方法によれば、製造コストが下がることはあっても上がることはない。

さらに、従来における図３の方法によれば、電極取り出し領域６に光電変換膜層３が形成されないように工夫するか、形成された光電変換膜層３を取り除くかに手間がかかる。これに対して、図１の方法による薄膜太陽電池は、図３の方法に比べて、いっそう簡単に作成することができる。

一般に薄膜太陽電池においては、電流密度が上がりすぎないように逆流防止ダイオードの面積をある程度確保する必要があるが、本発明に係る図１の方法によれば、その面積は電極取り出し領域６内で充分に確保することができる。

例えば、通常の屋外使用型薄膜太陽電池であれば、発電される光電流密度は数〜数十ｍＡ／ｃｍ²である。この数値は、同一基板上に形成した薄膜の逆流防止ダイオードが流すことのできる電流密度である数百〜数千ｍＡ／ｃｍ²に対して１〜２桁程度小さい。従って、逆流防止ダイオード９の面積は、発電領域７の面積に対して１〜０．０１倍程度、確保することができればよい。

大面積で大型の薄膜太陽電池の場合には、セルの集積方向の幅は数ｍｍ〜数十ｍｍ程度であるのに対し、電極取り出し領域６の幅は数ｍｍ程度である。従って、電極取り出し領域６の部分だけで、ダイオード９を作成する面積を充分に確保することができる。

本発明の別の観点によれば、本発明の１つの観点による薄膜太陽電池を備えてなる薄膜太陽電池モジュールが提供される。

本発明に係る薄膜太陽電池および薄膜太陽電池モジュールによれば、ダイオードによるモジュール面積の増大が抑えられるとともに、発熱や性能の面でも問題がないダイオードの備わった薄膜太陽電池および薄膜太陽電池モジュールをコスト増加なしに得ることが可能になる。

以下、本発明に係るいくつかの実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、本発明はこれらの実施の形態によって限定されるものではない。

＜実施の形態１＞
図４は、本発明の実施の形態１に係る集積型薄膜太陽電池の説明図である。図４は、この太陽電池の構造をより詳しく示すために、同じ実施の形態１に係る図１よりも詳細なものになっている。

支持基板１は、例えば透光性のガラス基板である。この基板１の上（表面）には、相互に分離された複数の第１電極２(例えばＳｎＯ₂（酸化錫）の透明導電膜)が熱ＣＶＤ法などで形成されている。

すなわち、基板１の上に透明導電膜を形成した後、この透明導電膜を適宜パターニング除去して第１電極分離溝１６を形成することにより、相互に分離された複数の第１電極２が形成される。分離溝１６は、例えばレーザスクライブビームで透明導電膜を溝状（スクライブライン状）に除去することにより、形成される。

相互に分離された複数の第１電極２を形成した後、第１電極２の上に、例えばｐ型、ｉ型、ｎ型の半導体（例えば、アモルファスシリコンや微結晶シリコンなど）を順次、ＣＶＤ法などで成膜することにより、光電変換膜層３が積層状に形成される。

図４では、アモルファスシリコンｐ−ｉ−ｎ（１０，１１，１２）型膜と微結晶シリコンｐ−ｉ−ｎ（１３，１４，１５）型膜とを積層している。この光電変換膜層３はもちろん、ｐｎ接合によるものであってもよく、ｐｉｎ接合によるものであってもよく、さらに、それらが２段や３段、あるいはそれ以上積層されたものであってもかまわない。また、これらのうちのいくつかを微結晶シリコンまたは多結晶シリコンの厚い膜から構成することにより、逆流防止ダイオード９の逆方向耐圧を上げて、この薄膜太陽電池の対応可能なシステム電圧を上げる工夫を採り入れてもよい。

光電変換膜層３を形成した後に、接続溝１７をレーザスクライブにより形成し、第２電極４（ＺｎＯ／Ａｇ電極など）をスパッタ法などで形成する。これにより、接続溝１７を介して分離された光電変換膜層３の第２電極４とその隣の光電変換膜層３の第１電極２とが接続されて、薄膜太陽電池のセルどうしが直列接続されることになる。

このとき、従来の方法では電極取り出し領域６にも接続溝が設けられており、電極取り出し領域６の第１電極２と第２電極３とが接続されているが、本実施の形態ではそのような接続溝は形成されていない。これによって、電極取り出し領域６の光電変換膜層３はダイオードとして保持され、逆流防止ダイオード９として機能するようになる。

このようにして形成された逆流防止ダイオード９は、光が当たると光電流が流れ、光電流分だけ逆電流が流れてしまうことになる。しかし、ダイオード部分の受光面積が個々の発電領域７の面積よりも小さいので、ダイオード９の光電流は発電領域７の光電流よりも小さくなる。

電流の逆流による不要な電力消費を抑えるという点ではこのダイオード９の光電流は小さいほど好ましい。しかしながら、これでも、ダイオード９がまったく存在しないときよりも逆電流を抑止することができている。従って、逆電流による不要電力消費の削減および太陽電池の破壊や劣化の防止の観点からは、充分機能する。

また、上述のような逆電流をなくす必要がある場合には、このダイオード９の部分を何らかの部材で覆って遮光すればよい。通常、電極取り出し領域６は太陽電池モジュールの周辺部分に近い部分にあり、枠を付けているモジュールであれば、その枠の形状を工夫することにより遮光することも可能である。

＜実施の形態２＞
図５は、本発明の実施の形態２に係る集積型薄膜太陽電池の説明図である。

図４に示された実施の形態１では、逆流防止ダイオード９の中に複数の接合があるが、この接合の数が増えると、逆方向耐圧が上がるという利点と順方向電圧が上がるという欠点とがある。

すなわち、逆方向耐圧は、高ければ高いほど高システム電圧に対応できるようになるので、できるだけ高い方が望ましい。一方、順方向電圧は、高くなるほどダイオードでの電圧降下が大きくなり電力損失が増えてしまうため、できるだけ低い方が望ましい。どちらがどの程度であるのが最適かというのは、その太陽電池の使途によって変わる。

太陽電池の使途が、電圧のより低いシステムについてのものであるときには、逆方向耐圧を上げるよりも順方向電圧を下げる方がよい。従って、その場合には、複数ある接合のうちのいくつかを短絡させることで、実質的な接合数を減らすことが望ましい。

図５に示された実施の形態２では、光電変換膜層３のｐ−ｉ−ｎ（１０，１１，１２）−ｐ−ｉ−ｎ（１３，１４，１５）構造のうち、最初のｐ−ｉ−ｎ型膜（１０，１１，１２）を形成した後にダイオードの領域にのみ接続溝１７を形成して、その後に作るｐ−ｉ−ｎ（１３，１４，１５）型膜のｐ型層が第１電極２に接続されるように構成されている。

このように構成することにより、後から作るｐ−ｉ−ｎ層（１３，１４，１５）のみが逆流防止ダイオードとして機能するようになり、ダイオード内の接合数を減らし、順方向電圧を下げることができる。

また、図６に示された実施の形態２の変形例では、光電変換膜層３のｐ−ｉ−ｎ（１０，１１，１２）−ｐ−ｉ−ｎ（１３，１４，１５）構造を形成し、ダイオードの領域のうち後半のｐ−ｉ−ｎ（１３，１４，１５）型膜だけをレーザー加工などで取り除き、接続溝を形成して、最初のｐ−ｉ−ｎ（１０，１１，１２）型膜のn型層が第２電極４に接続されるように構成されている。

このように構成することにより、先に作るｐ−ｉ−ｎ層（１０，１１，１２）のみが逆流防止ダイオードとして機能するようになり、ダイオード内の接合数を減らし、順方向電圧を下げることができる。

＜実施の形態３＞
図７は、本発明の実施の形態３に係る集積型薄膜太陽電池の説明図である。この図は、図１〜図６とは違って、断面図ではなく、薄膜太陽電池を上方から見た平面図である。

また、比較のため、図８には、図１、図４、図５、図６のそれぞれの薄膜太陽電池を上方から見た平面図を示す。

これまで実施の形態１および２で見てきた例では、逆流防止ダイオード９およびその上部の電極５はすべて帯状に形成されていた。しかしながら、この部分は、必要に応じて、図７に示されたように島状の接合部１９に形成してもよい。島状に形成した逆流防止ダイオード９の上部が集電電極５に接し、集電電極５が島状の接合部１９どうしを結ぶことにより、集電を行う。

このとき、集電電極５と光電変換部分の電極との絶縁には気をつけなければならないが、このような島状接合部１９の形状にすると、ダイオード９の占有面積と電極取り出し領域の占有面積をさらに減らすことができ、モジュール変換効率の向上を図ることができる。

＜実施の形態４＞
図９および図１０は、薄膜ダイオードをチップダイオード２０に置き換えた、実施の形態４に係る集積型薄膜太陽電池の説明図である。

チップダイオード２０に置き換えたことにより、薄膜ダイオードと薄膜太陽電池との同時形成という利点はなくなるが、よりさまざまな特性が備わったダイオード９を使用することが可能になる。

＜実施の形態５＞
図１１は、上述しているようなスーパーストレート型の太陽電池ではなく、実施の形態５に係るサブストレート型の太陽電池の説明図である。

この太陽電池では、第２電極２２として透明導電膜が使用されている。光の入射方向は図の上方から下方へ向かう方向である。この場合、第１電極２１は厚い金属膜のような不透明なものでもかまわなく、基板１も不透明なものでもよい。

この向きで太陽電池を形成すると、逆流防止ダイオード９の光入射側には集電電極５があり、この集電電極５により逆流防止ダイオード９への光の入射を抑制することができる。従って、実施の形態１で議論していたような逆電流を小さくすることが可能になる。

本発明の実施の形態１に係る薄膜太陽電池における電極付近の断面構造を示す説明図である。 従来の１つの薄膜太陽電池における電極付近の断面構造を示す説明図である。 従来の別の薄膜太陽電池における電極付近の断面構造を示す説明図である。 本発明の実施の形態１に係る薄膜太陽電池における電極付近の断面構造を詳細に示す説明図である。 本発明の実施の形態２に係る薄膜太陽電池における電極付近の断面構造を詳細に示す説明図である。 本発明の実施の形態２の変形例に係る薄膜太陽電池における電極付近の断面構造を詳細に示す説明図である。 本発明の実施の形態３に係る薄膜太陽電池における電極付近の平面構造を示す説明図である。 本発明の実施の形態１〜２のそれぞれに係る薄膜太陽電池における電極付近の平面構造を示す説明図である。 本発明の実施の形態４に係る薄膜太陽電池における電極付近の断面構造を詳細に示す説明図である。 本発明の実施の形態４に係る薄膜太陽電池における電極付近の平面構造を示す説明図である。 本発明の実施の形態５に係る薄膜太陽電池における電極付近の断面構造を示す説明図である。

符号の説明

１ 基板
２ 第1電極（ＴＣＯ）
３ 光電変換膜層
４ 第２電極
５ 集電電極
６ 電極取り出し領域
７ 発電領域
８ セル間接続領域
９ 逆流防止ダイオード
１０ アモルファスシリコンｐ型膜
１１ アモルファスシリコンｉ型膜
１２ アモルファスシリコンｎ型膜
１３ 微結晶シリコンｐ型膜
１４ 微結晶シリコンｉ型膜
１５ 微結晶シリコンｎ型膜
１６ 第１電極分離溝
１７ 接続溝
１８ セル分離溝
１９ 集電電極との接合部
２０ チップダイオード
２１ 第１電極（Ｍｅｔａｌ）
２２ 第２電極（ＴＣＯ）

Claims (8)

1. 支持基板と、この支持基板の上に形成された第１電極と、少なくとも第１電極の上に形成された光電変換膜層と、少なくとも光電変換膜層の上に形成された第２電極とを備えてなり、光電変換膜層には、少なくともｐ型領域およびｎ型領域が備わった電極であって、少なくともｐ型領域およびｎ型領域を備えているダイオードにおける型領域と同じ型領域を接続するための接続用電極が設けられ、前記ダイオードの上には、接続用電極を取り出すための取り出し用電極が積層されていることを特徴とする薄膜太陽電池。
2. 接続用電極は第１電極であり、取り出し用電極は第２電極と同時に形成された電極である請求項１に記載の薄膜太陽電池。
3. 光電変換膜層は、複数のｐｎ接合またはｐｉｎ接合から構成されている請求項１に記載の薄膜太陽電池。
4. 光電変換膜層は、微結晶シリコンまたは薄膜多結晶シリコンから構成されている請求項１に記載の薄膜太陽電池。
5. ダイオードを構成する半導体層に含まれる接合数は、光電変換膜層の接合数以下である請求項１に記載の薄膜太陽電池。
6. ダイオードの集積方向に対して垂直な方向におけるダイオードの幅は、光電変換膜層の幅と同じである請求項１に記載の薄膜太陽電池。
7. ダイオードの集積方向に対して垂直な方向におけるダイオードの幅は、光電変換膜層の幅よりも狭い請求項１に記載の薄膜太陽電池。
8. 請求項１に記載の薄膜太陽電池を備えてなる薄膜太陽電池モジュール。

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