JP2009117463A - 薄膜光電変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 光入射側に位置する透光性絶縁基板上に、光入射側の反対面に透明導電膜、少なくとも1つの光電変換ユニット、酸化亜鉛に代表される導電性を有する透明電極層、ダイヤモンドライクカーボンに代表される導電性を有する硬質炭素層、高反射電極層の順に積層された光電変換装置であることを特徴としている。
【選択図】 図1
Description
光電変換ユニットの厚さの大部分は、実質的に真性の半導体層であるi型層によって占められ、光電変換作用は主としてこのi型層内で生じる。従って、光電変換層であるi型層の膜厚は光吸収のためには厚いほうが好ましいが、必要以上に厚くすればその堆積のためのコストと時間が増大することになる。他方、p型やn型の導電型層は光電変換ユニット内に拡散電位を生じさせる役目を果たし、この拡散電位の大きさによって薄膜太陽電池の重要な特性の1つである開放端電圧の値が左右される。しかし、これらの導電型層は光電変換には寄与しない不活性な層であり、導電型層にドープされた不純物によって吸収される光は発電に寄与せず損失となる。したがって、p型とn型の導電型層の膜厚は、十分な拡散電位を生じさせる範囲内で可能な限り薄くすることが好ましい。
上記の光電変換ユニットは、それに含まれるp型とn型の導電型層が非晶質か結晶質かに関わらず、i型の光電変換層が非晶質なものは非晶質光電変換ユニットと称され、i型層が結晶質のものは結晶質光電変換ユニットと称される。尚、本願における「結晶質」との用語は、薄膜光電変換装置の技術分野で一般に用いられている様に、部分的に非晶質状態を含むものをも含むものとする。非晶質光電変換ユニットを含む薄膜太陽電池の一例として、i型の光電変換層に非晶質シリコンを用いた非晶質薄膜シリコン太陽電池が挙げられる。また結晶質光電変換ユニットを含む薄膜太陽電池の一例として、i型の光電変換層に微結晶シリコンや多結晶シリコンを用いた結晶質薄膜シリコン太陽電池が挙げられる。
ところで、薄膜太陽電池の変換効率を向上させる方法として、2以上の半導体薄膜光電変換ユニットを積層してタンデム型にする方法がある。この方法においては、薄膜太陽電池の光入射側に光電変換層のバンドギャップが大きい光電変換ユニットを配置し、その後ろに順に光電変換層のバンドギャップが小さい光電変換ユニットを配置することで、入射光の広い波長範囲にわたって光電変換を可能にし、これによって太陽電池全体としての変換効率の向上が図られる。このようなタンデム型薄膜太陽電池の中でも、非晶質光電変換ユニットと結晶質光電変換ユニットの両方を含むものは、特にハイブリッド型薄膜太陽電池と称されることもある。
一方、光電変換ユニットと高反射電極層の間には透明電極層が設けられ、光電変換ユニットと高反射電極層の密着性向上を図ると共に、高反射電極層の金属材料が光電変換ユニットに拡散、混入することが防止される。
n型シリコン層3nの上には、透明電極層4が形成される。透明電極層4は非晶質シリコン光電変換ユニット3と高反射電極層6との間に十分な密着性が得られると共に、膜の緻密性が保たれ、高反射電極層6の金属材料が非晶質シリコン光電変換ユニット3に拡散、混入することを防止することができる。また、裏面電極での光学反射において最適な反射特性を得ることが出来る。透明電極層4は、酸化錫、酸化亜鉛、ITO等を用いることが出来るが中でも酸化亜鉛が好ましい。何故なら酸化亜鉛は材料自体が豊富に存在し安価であること、高透過であり拡散防止層としても優れていることが挙げられる。形成方法は均一な薄膜が形成される手段であれば特に限定されない。例えば、スパッタリングや蒸着などのPVD法や、各種CVD法などの化学気相法などの他に、透明電極層の原料を含む溶液をスピンコート法やロールコート法、スプレー塗布やディッピング塗布などにより塗布した後に加熱処理などで透明電極層を形成する方法が挙げられるが、ナノメートルレベルの薄膜を形成しやすいという観点から化学気相法が好ましい。膜厚は50Å以上5000Å以下であり、さらに望ましくは150オングストローム以上900オングストローム以下であることが好ましい。透明電極層の膜厚が薄い場合は、透明電極層の導電性が極めて低く、有効な透明導電膜が得られない。また透明電極層の膜厚が厚い場合は、透明性が悪くなり、生産コストも高くなる可能性がある。
図1は、実施例1で作製した非晶質シリコン太陽電池を模式的に示す断面図である。まず、透光性絶縁基板1として125mm×125mm×0.7mm厚の白板ガラスを用いた。透光性絶縁基板1の一主面上に、酸化錫からなる表面に微細な凹凸構造を有する、透明導電膜2を熱CVD法により形成した。得られた透明導電膜2の膜厚は0.8μm、日本電色社製ヘイズメーターNDH5000W型にて透明導電膜2側よりC光源で測定したヘイズ率は11%、シート抵抗は8Ω/□であった。
実施例2においては、透明電極層4の膜厚および硬質炭素層5の形成方法においてのみ実施例1と異なっていた。すなわち、実施例1と同様の方法で非晶質シリコン光電変換ユニット3を形成し膜厚150Åにて透明電極層4を形成した。続いてスパッタ法で硬質炭素層5を形成するためにスパッタ装置に投入した。スパッタターゲットとしてカーボンを用い、スパッタガスとしてH2ガスを導入し、基板を150℃に加熱、圧力を8Paとした上で、DCスパッタ法によりダイヤモンドライクカーボンを膜厚1500Åで形成した。以上のようにして得られた非晶質シリコン太陽電池から1cm角の受光面積を有する光電変換ユニットを分離し、その光電変換特性を測定した。すなわちAM1.5のスペクトル分布を有するソーラシミュレータを用いて、擬似太陽光を25℃の下で100mW/cm2のエネルギー密度で照射して出力特性を測定したところ、開放端電圧が0.85V、短絡電流密度が17.0mA/cm2、曲線因子が70.9%、そして変換効率が10.24%であった。
図2の比較例1においては、実施例1と同様の方法で非晶質シリコン光電変換ユニット3を形成した基板上に、酸化亜鉛からなる膜厚900Åの透明電極層4を同様の方法で形成した。引き続き実施例1と同様のAgからなる高反射電極層6を形成した。
実施例1と比較例1を比較すると、透明電極層4の膜厚は同じだが硬質炭素層5を挿入することで、短絡電流密度および曲線因子が改善し変換効率が向上している。これは、硬質炭素層が挿入されることにより透明電極層の表面状態が改質され、高反射電極層との良好な電気的接合が形成される。加えて反射特性の優れた高反射電極層が形成されると共に、界面における吸収ロスも低減されるため発電層に入射する光が増大する効果によるものと推定される。
図2の比較例2においては、実施例1と同様の方法で非晶質シリコン光電変換ユニット3を形成した基板上に、酸化亜鉛からなる膜厚150Åの透明電極層4を同様の方法で形成した。引き続き実施例1と同様のAgからなる高反射電極層6を形成した。
実施例2と比較例2を比較すると、透明電極層4の膜厚は同じだが硬質炭素層5を挿入することで、短絡電流密度および曲線因子が改善し変換効率が向上している。これは、実施例1の時と同様に硬質炭素層が挿入されることにより透明電極層の表面状態が改質され、高反射電極層との良好な電気的接合が形成される。加えて反射特性の優れた高反射電極層が形成されると共に、界面における吸収ロスも低減されるため発電層に入射する光が増大する効果によるものと推定される。
図3の比較例3においては、透明電極層4の膜厚が異なることおよび硬質炭素層5の代わりにSiO2層7が挿入されていることのみにおいて実施例1と異なっていた。すなわち実施例1と同様の方法で非晶質シリコン光電変換ユニット3を形成した基板上に、膜厚400Åの酸化亜鉛からなる透明電極層4を同様の方法で形成した。そしてスパッタターゲットとしてSiO2を用い、スパッタガスとしてArガスを導入し、基板を150℃に加熱、圧力を0.27Paとした上で、DCスパッタ法によりSiO2層7を膜厚400Åで形成した。引き続き実施例1と同様のAgからなる高反射電極層6を形成した。
実施例1および2と比較例3を比較すると、SiO2層を用いた場合、曲線因子を中心に特性が大きく低下している。これは、SiO2層は絶縁膜であるため電気的な接合が形成できず直列抵抗となるのに対し、硬質炭素層は導電性を有しているため高反射電極層との良好な電気的接合を形成することが出来たことによるものと推定される。
2 透明導電膜
3 非晶質シリコン光電変換ユニット
3p 非晶質p型シリコンカーバイド層
3i 非晶質i型シリコン光電変換層
3n n型シリコン層
4 透明電極層
5 硬質炭素層
6 高反射電極層
7 SiO2層
Claims (6)
- 光入射側に位置する透光性絶縁基板上に、光入射側の反対面に透明導電膜、少なくとも1つの光電変換ユニット、導電性を有する透明電極層、導電性を有する硬質炭素層、高反射電極層の順に積層された光電変換装置。
- 前記硬質炭素層が、ダイヤモンドライクカーボンであることを特徴とする、請求項1に記載の光電変換装置。
- 前記透明電極層が、酸化亜鉛からなることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の光電変換装置。
- 前記透明電極層の膜厚が、50Å以上5000Å以下であり、且つ硬質炭素層の膜厚が5Å以上2000Å以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の薄膜光電変換装置。
- 前記透明電極層の膜厚が、150Å以上900Å以下であり、且つ硬質炭素層の膜厚が400Å以上1500Å以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の光電変換装置。
- 前記光電変換ユニットはシリコンを主成分とする請求項1〜5のいずれかに記載の光電変換装置。
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