JP2009049247A - 複合型太陽電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体基板で形成したPN接合型のシリコン太陽電池の陰極上に、色素増感太陽電池の陽極を配置して積層した複合型太陽電池の、シリコン太陽電池の陰極と、色素増感太陽電池の陽極との間にシリサイド層を形成する。
【選択図】 図1
Description
現在生産されている太陽電池の90%以上はシリコン(Si)太陽電池であり、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコンの形態に分類され、これらのシリコン太陽電池は、光電変換効率、コスト、加工性能が異なり、搭載製品、用途、設置場所等に応じて選択されている。
また、人工衛星向け等の特殊用途においては、超高変換効率や優れた耐放射線劣化特性を有する化合物半導体が用いられる場合もある。
ところで、太陽電池を始めとした再生可能エネルギは環境負荷がほとんどない理想的なエネルギ資源と言われているが、これまでのところ、普及は十分には進んでいない状況にある。
第1は、シリコン太陽電池それ自体の高効率化を実現していくことにある。仮に同じ製造コストでも発電効率が倍になれば、製品コストは半分になったことと同等である。
この代表が湿式の色素増感太陽電池(グレッツェルセル)と、乾式の有機薄膜太陽電池である。
このような色素増感太陽電池は低コスト化に関しては、他のシリコン太陽電池等をはるかに凌ぐ特長を有しているが、現状での光電変換効率は、トップデータでも11%程度で、単結晶シリコン太陽電池の半分以下となっており、実用化レベルの大面積セルとなると、その光電変換効率が面積の増加に伴い急激に低下するという問題を抱えている。
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、色素増感太陽電池とシリコン太陽電池とを積層した複合型太陽電池の光電変換効率を向上させる手段を提供することを目的とする。
図1に示す本実施例の複合型太陽電池1は、シリコン太陽電池3上に色素増感太陽電池10を積層して構成されている。
本実施例のシリコン太陽電池3は、ボロン(B)や二フッ化ボロン(BF2)等のP型不純物を拡散させた抵抗率が10Ωcm以上のP型の単結晶シリコンからなる半導体基板としてのシリコン基板5で形成されたPN接合型のシリコン太陽電池であって、P型のシリコン基板5のおもて面側の表層に、リン(P)や砒素(As)等のN型不純物を比較的低濃度に拡散させて形成されたN型拡散層6と、N型拡散層6のおもて面に、N型不純物を比較的高濃度に拡散させて形成されたN型高濃度拡散層7と、シリコン基板5の裏面にチタン(Ti)やニッケル(Ni)等の金属材料を単層または積層して形成された金属電極8とで構成されている。
これにより、シリコン基板5の内部に、P型のシリコン基板5とN型拡散層6とによるPN接合が形成され、N型高濃度拡散層7がシリコン太陽電池3の陰極3bとして機能すると共に、金属電極8のニッケル層8bがシリコン太陽電池3の陽極3aとして機能する。
20はシリサイド層であり、チタン、コバルト(Co)、白金等のシリサイド化材料とシリコンとの化合物からなる導電層であって、シリコン太陽電池3の陰極3bであるN型高濃度拡散層7と、色素増感太陽電池10の陽極10aである透光性導電層15との間に形成されており、これらの間をオーミック接続により電気的に接続する機能を有している。
まず、図2を用いて、本実施例の第1の構造体の製造方法について説明する。
P1(図2)、抵抗率が10Ωcm以上のP型のシリコン基板5を準備する。
P2(図2)、準備したシリコン基板5のおもて面を薄く酸化させて薄いシリコン酸化膜(不図示)形成した後、ドーズ量1×1013ions/cm2、加速エネルギ200KeVの条件で、N型不純物であるリンをイオン注入し、窒素(N2)雰囲気中での900℃、60分間のアニール処理を行い、P型のシリコン基板5の表層をN型に反転させてN型不純物を比較的低濃度に拡散させたN型拡散層6を形成する。これによりシリコン基板5の内部にPN接合が形成される。
そして、750℃程度の温度でのRTA(Rapid Thermal Anneal)処理により、チタン層20aをその下層のN型高濃度拡散層7のシリコンとシリサイド反応させてチタンシリサイドからなるシリサイド層20を形成する。
シリサイド層20の形成後に、透光性導電層15上に、スパッタ法により白金を堆積して膜厚100Å以上、200Å以下の触媒層16を形成する。
このようにして、P型のシリコン基板5で形成されたPN接合型のシリコン太陽電池3の陰極3bであるN型高濃度拡散層7と、色素増感太陽電池10の陽極10aである透光性導電層15とをシリサイド層20により電気的に導通させ、透光性導電層15上に触媒層16を形成した本実施例の第1の構造体が形成される。
PA1(図3)、ガラス基板11の一の面に、酸化スズを主成分としたFTOからなる膜厚0.5μm程度の、シート抵抗値が10Ω/□以下の透明導電膜12をコーティングした透明基板を形成する。
PA2(図3)、次いで、透明基板の透明導電膜12上の中央部に、スクリーン印刷法により、10〜30nm程度の酸化チタンの微粒子を含んだ酸化チタンペーストを50μm程度の厚さに塗布し、大気雰囲気中での500℃、2時間程度のアニール処理を行い、酸化チタンペーストを焼結して10μm程度の厚さの多孔質層14を形成する。
そして、アセトニトリルとtブチルアルコール(2−ブチル−2−プロパノール)との混合溶媒に、ルテニウム金属錯体からなる増感色素13(例えば、Solaronix社製ルテニウム系増感色素、N719)を4mM(ミリモル)で溶かした溶液に、多孔質層14を12時間以上(本実施例では、20時間)浸漬し、多孔質状態の酸化チタンの表面に増感色素13を吸着させ、エタノール(CH3CH2OH)で洗浄した後に暗所にて乾燥させる。
上記のようにして、第1および第2の構造体を形成した後に、図4に示す工程に従って本実施例の複合型太陽電池1が製造される。
PB1(図4)、厚さ60μmのフィルム部材17を、図5に示すように、多孔質層14と所定の間隔を隔てた内周形状を有する枠状に形成し、その枠の一箇所に注入口17aを形成する。
PB2(図4)、そして、第2の構造体の透明導電膜12の周縁部をフィルム部材17に押圧し、130℃程度の温度で透明導電膜12および触媒層16と、フィルム部材17とをそれぞれ熱圧着する。
次いで、フィルム部材17の注入口17aから、ヨウ素等を混合した電解液18を、多孔質層14の周囲の空間に注入して充填し、その後にフィルム部材17の注入口17aをエポキシ系樹脂材料等で封止する。
このような複合型太陽電池1は、図6の太陽光スペクトルと、単結晶シリコンからなるシリコン基板5で形成されたシリコン太陽電池3、および色素増感太陽電池10の波長毎の光吸収特性に示すように、色素増感太陽電池10のガラス基板11側から太陽光が照射されると、色素増感太陽電池10で主に800nm以下の波長領域の光吸収を行った後、色素増感太陽電池10では吸収できない800nm以上、1.2μm以下の波長領域の光をシリコン太陽電池3により吸収して光電変換することができる。
このように、本実施例の複合型太陽電池1においては、それぞれの太陽電池が吸収できない波長領域の光を互いに補完しあって、より広範囲な太陽光スペクトルを吸収すること可能になる。
更に、色素増感太陽電池10のシリコン太陽電池3の側の極板として形成された、色素増感太陽電池10の陽極10aである窒化チタンからなる極薄の透過性導電層15が透光性を有しているので、色素増感太陽電池10側から照射された光の透過性導電層15における反射を抑制して、色素増感太陽電池10を通過した太陽光をシリコン太陽電池3へ効率的に入射させることができる。
以上説明したように、本実施例では、シリコン基板で形成されたPN接合型のシリコン太陽電池の陰極上に、色素増感太陽電池の陽極を配置し、これらの間にシリサイド層を形成するようにしたことによって、シリサイド層によるオーミック接続により、シリコン太陽電池の陰極であるN型高濃度拡散層と、色素増感太陽電池の陽極である極薄の透過性導電層とを、内部で直列に接続することができ、シリサイド層の表裏に形成され、内部で直列に接続されたシリコン太陽電池の陰極と色素増感太陽電池の陽極とを流れる電流を、それぞれの厚さ方向に流すことが可能になり、内部における電圧損失を極めて小さくして、色素増感太陽電池とシリコン太陽電池とを積層した複合型太陽電池の光電変換効率を向上させることができる。
なお、上記実施例1と同様の部分は、同一の符号を付してその説明を省略する。
本実施例の複合型太陽電池1は、シリコン太陽電池23上に色素増感太陽電池30を積層して構成されている。
本実施例の色素増感太陽電池30は、上記実施例1と同様の材料で形成されているがその構成が異なっている。
これらのシリコン太陽電池23の陽極23aと色素増感太陽電池30の陰極30bとが、上記実施例1と同様に、シリサイド層20を介して複合型太陽電池1の内部で直列に接続され、色素増感太陽電池30の陽極30aとシリコン太陽電池23の陰極23bとを外部配線21により外部負荷Fに接続すれば、色素増感太陽電池30のガラス基板11側から太陽光が照射されると、図7に矢印で示すように、外部配線21に導かれて、色素増感太陽電池30の陽極30aである透明導電膜12からシリコン太陽電池23の陰極23bである金属電極8に向かって電流が流れ、色素増感太陽電池30とシリコン太陽電池23とが内部で直列に接続された本実施例の複合型太陽電池1が形成される。
まず、図8を用いて、本実施例の第1の構造体の製造方法について説明する。
PC1(図8)、抵抗率が20Ωcm以上のN型のシリコン基板25を準備する。
PC2(図8)、準備したシリコン基板25のおもて面を薄く酸化させて薄いシリコン酸化膜(不図示)形成した後、P型不純物をイオン注入し、窒素雰囲気中での900℃、60分間のアニール処理を行い、N型のシリコン基板25の表層をP型に反転させてP型不純物を比較的低濃度に拡散させたP型拡散層26を形成する。これによりシリコン基板25の内部にPN接合が形成される。
PC3(図8)、シリコン酸化膜を除去して露出させたP型高濃度拡散層27上に、上記実施例1の工程P3(図2)と同様にして、膜厚100Å程度のチタン層20aを形成し、その上に窒化チタンからなる膜厚100Å程度の透光性導電層15を形成し、RTA処理により、チタン層20aをその下層のP型高濃度拡散層27のシリコンとシリサイド反応させてチタンシリサイドからなるシリサイド層20を形成する。
シリサイド層20の形成後に、上記実施例1の工程P4(図2)と同様にして、シリコン基板25の厚さを350μm程度にした後に、そのシリコン基板25の裏面にチタン層8aとニッケル層8bを形成してシリコン基板25の裏面に金属電極8を形成する。
このようにして、N型のシリコン基板25で形成されたPN接合型のシリコン太陽電池23の陽極23aであるP型高濃度拡散層27と、色素増感太陽電池30の陰極30bである透光性導電層15とをシリサイド層20により電気的に導通させ、透光性導電層15上に増感色素13を吸着させた多孔質層14を形成した本実施例の第1の構造体が形成される。
上記のようにして、第1および第2の構造体を形成した後に、図9に示す工程に従って本実施例の複合型太陽電池1が製造される。
これにより、透光性導電層15と触媒層16とフィルム部材17とにより囲まれた領域に多孔質層14が配置されると共に、多孔質層14と触媒層16との間に所定の隙間(本実施例では、50μm程度)が形成され、多孔質層14の周囲に空間が形成される。
このようにして、図7に示す、N型のシリコン基板25で形成されたPN接合型のシリコン太陽電池23の陽極23a上に、色素増感太陽電池30の陰極30bを配置し、これらをシリサイド層20を介して積層した本実施例の複合型太陽電池1が製造される。
この場合に、複合型太陽電池1の内部を流れる電子は、複合型太陽電池1の陽極として機能する色素増感太陽電池30の陽極30aである透明導電膜12から、複合型太陽電池1の陰極として機能するシリコン太陽電池23の陰極23bである金属電極8へ向かって複合型太陽電池1の内部を積層方向に流れ、これにより形成されるサイクルが繰り返されることによって、複合型太陽電池1に定常的な光照射に伴う光起電力が発生する。
更に、通常、内部抵抗の影響が大きいとされている色素増感太陽電池30の陰極30bを窒化チタンからなる透光性導電層15で形成するので、実施例1の透明導電膜12で色素増感太陽電池30の陰極30bを形成する場合に較べて、内部抵抗の影響を更に小さくすることができる。
以上説明したように、本実施例では、シリコン基板で形成されたPN接合型のシリコン太陽電池の陽極上に、色素増感太陽電池の陰極を配置し、これらの間にシリサイド層を形成するようにしたことによって、シリサイド層によるオーミック接続により、シリコン太陽電池の陽極であるP型高濃度拡散層と、色素増感太陽電池の陰極である極薄の透過性導電層とを、内部で直列に接続することができ、シリサイド層の表裏に形成され、内部で直列に接続されたシリコン太陽電池の陽極と色素増感太陽電池の陰極とを流れる電流を、それぞれの厚さ方向に流すことが可能になり、内部における電圧損失を極めて小さくして、色素増感太陽電池とシリコン太陽電池とを積層した複合型太陽電池の光電変換効率を向上させることができる。
なお、上記実施例1および本実施例では、シリコン太陽電池を形成する半導体基板は、100%純粋なシリコンからなるシリコン基板として説明したが、ゲルマニウム(Ge)を1%以上、20%以下の組成比で混入して単結晶化したシリコンゲルマニウム基板としてもよい。
なお、上記実施例1および実施例2と同様の部分は、同一の符号を付してその説明を省略する。
本実施例の複合型太陽電池1は、上記実施例1および実施例2のPN接合型のシリコン太陽電池3、23に代えて、ショットキー接合型のシリコン太陽電池43を用い、その上に実施例2と同様の色素増感太陽電池30を積層して構成されている。
本実施例の色素増感太陽電池30は、上記実施例2と同様であるので、その説明を省略する。
まず、図11を用いて、本実施例の第1の構造体の製造方法について説明する。
PE1(図11)、抵抗率が20〜30ΩcmのN型のシリコン基板45を準備する。
PE2(図11)、準備したシリコン基板45のおもて面に、スパッタ法により膜厚200Å程度の白金層46を形成し、白金層46上に、スパッタ法により膜厚100Å程度の窒化チタンからなる透光性導電層15を形成する。
そして、RTA処理により、N型のシリコン基板45のおもて面と白金層46との界面、およびN型のシリコン基板45の裏面とチタン層8aとの界面のそれぞれのシリサイド化材料をシリコンとシリサイド反応させてN型のシリコン基板45の裏面側にチタンシリサイドからなるチタンシリサイド層を形成すると共に、N型のシリコン基板45のおもて面側に白金シリサイドからなる白金シリサイド層47を形成する。これによりシリコン基板45の内部にショットキー接合が形成される。
PE3(図11)、白金シリサイド層47の形成後に、上記実施例1の工程PA2(図3)と同様にして、透光性導電層15上の中央部に、酸化チタンからなる厚さ10μm程度の多孔質層14を形成し、この多孔質状態の酸化チタンの表面に増感色素13を吸着させる。
本実施例の第2の構造体は、上記実施例2と同様に、ガラス基板11上の色素増感太陽電池30の陽極30aである透明導電膜12上に、スパッタ法により白金を堆積して膜厚100Å以上、200Å以下の触媒層16を形成して構成される。
PF1(図12)、上記実施例1の工程PB1(図4)と同様にして、注入口17aを設けたフィルム部材17を形成し、このフィルム部材17を第1の構造体の透光性導電層15の周縁部上に載置して多孔質層14を枠状のフィルム部材17の内部に配置し、この透光性導電層15上の多孔質層14に、第2の構造体の触媒層16を対向させ、その周縁部の位置を、透光性導電層15の周縁部に合せて配置する。
これにより、透光性導電層15と触媒層16とフィルム部材17とにより囲まれた領域に多孔質層14が配置されると共に、多孔質層14と触媒層16との間に所定の隙間(本実施例では、50μm程度)が形成され、多孔質層14の周囲に空間が形成される。
このようにして、図10に示す、N型のシリコン基板45で形成されたショットキー接合型のシリコン太陽電池43の陽極43a上に、色素増感太陽電池30の陰極30bを直接重ね合せて積層した本実施例の複合型太陽電池1が製造される。
この場合に、複合型太陽電池1の内部を流れる電子は、複合型+太陽電池1の陽極として機能する色素増感太陽電池30の陽極30aである透明導電膜12から、複合型太陽電池1の陰極として機能するシリコン太陽電池43の陰極43bである金属電極8へ向かって複合型太陽電池1の内部を積層方向に流れ、これにより形成されるサイクルが繰り返されることによって、複合型太陽電池1に定常的な光照射に伴う光起電力が発生する。
更に、通常、内部抵抗の影響が大きいとされている色素増感太陽電池30の陰極30bを窒化チタンからなる透光性導電層15で形成するので、実施例1の透明導電膜12で色素増感太陽電池30の陰極30bを形成する場合に較べて、内部抵抗の影響を更に小さくすることができる。
更に、色素増感太陽電池30のシリコン太陽電池43の側の極板として形成された、色素増感太陽電池30の陰極30bである窒化チタンからなる極薄の透過性導電層15が透光性を有しているので、色素増感太陽電池30側から照射された光の透過性導電層15における反射を抑制して、色素増感太陽電池30を通過した太陽光をシリコン太陽電池43へ効率的に入射させることができる。
更に、シリコン太陽電池43をショットキー接合型としたので、シリコン基板45内にPN接合を形成する必要がなくなり、実施例1および実施例2に較べて工程数を削減することが可能になり、複合型太陽電池1の低コスト化を図ることができる他、複合型太陽電池1の開放電圧を、色素増感太陽電池の開放電圧に、ショットキー接合によるバリアハイト(0.3〜0.5V)が加算された電圧にすることが可能になる。
なお、上記各実施例においては、色素増感太陽電池の多孔質層を形成するための酸化チタンペーストは、スクリーン印刷法により塗布するとして説明したが、塗布法により酸化チタンペーストを塗布するようにしてもよく、Solaronix社製の各種酸化チタンペーストを単層、もしくは積層して多孔質層を形成するようにしてもよい。
更に、上記各実施例においては、シリコン太陽電池は単結晶シリコンからなるシリコン基板で形成するとして説明したが、多結晶シリコンからなるシリコン基板やアモルファスシリコンからなるシリコン基板で形成するようにしてもよい。
3、23、43 シリコン太陽電池
3a、10a、23a、30a、43a 陽極
3b、10b、23b、30b、43b 陰極
5、25、45 シリコン基板
6 N型拡散層
7 N型高濃度拡散層
8 金属電極
8a、20a チタン層
8b ニッケル層
10、30 色素増感太陽電池
11 ガラス基板
12 透明導電膜
13 増感色素
14 多孔質層
15 透光性導電層
16 触媒層
17 フィルム部材
17a 注入口
18 電解液
20 シリサイド層
21 外部配線
26 P型拡散層
27 P型高濃度拡散層
46 白金層
47 白金シリサイド層
Claims (10)
- 半導体基板で形成したPN接合型のシリコン太陽電池と色素増感太陽電池とを積層した複合型太陽電池であって、
前記シリコン太陽電池と前記色素増感太陽電池が積層された方向に、前記シリコン太陽電池と前記色素増感太陽電池との間の電流が流れることを特徴とする複合型太陽電池。 - 半導体基板で形成したPN接合型のシリコン太陽電池の陰極上に、色素増感太陽電池の陽極を配置して積層した複合型太陽電池であって、
前記シリコン太陽電池の陰極と、前記色素増感太陽電池の陽極との間にシリサイド層を形成したことを特徴とする複合型太陽電池。 - 半導体基板で形成したPN接合型のシリコン太陽電池の陽極上に、色素増感太陽電池の陰極を配置して積層した複合型太陽電池であって、
前記シリコン太陽電池の陽極と、前記色素増感太陽電池の陰極との間にシリサイド層を形成したことを特徴とする複合型太陽電池。 - 請求項1ないし請求項3のいずれか一項において、
前記半導体基板が、シリコン基板であることを特徴とする複合型太陽電池。 - 請求項1ないし請求項3のいずれか一項において、
前記半導体基板が、シリコンゲルマニウム基板であることを特徴とする複合型太陽電池。 - シリコン基板で形成したショットキー接合型のシリコン太陽電池の陽極上に、色素増感太陽電池の陰極を、直接重ね合せて積層したことを特徴とする複合型太陽電池。
- 請求項1ないし請求項6のいずれか一項において、
前記色素増感太陽電池の前記シリコン太陽電池側の極板が、透光性および導電性を有する透光性導電層で形成されていることを特徴とする複合型太陽電池。 - 請求項7において、
前記透光性導電層は、窒化チタンで形成されていることを特徴とする複合型太陽電池。 - 請求項1ないし請求項7のいずれか一項において、
前記色素増感太陽電池の陽極上に、電解液の還元反応を促進する触媒からなる触媒層が形成されていることを特徴とする複合型太陽電池。 - 請求項9において、
前記触媒層は、膜厚100Å以上、200Å以下の白金で形成されていることを特徴とする複合型太陽電池。
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