JP2009529236A - 薄膜型太陽電池及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】光電変換効率の高い薄膜型太陽電池素子を提供する。
【解決手段】ガラス基板２００、透明導電層２１０，２１１，２１２、多重接続された太陽電池層２２０，２３０、及び電極層２４０の積層構造を有し、多重接続された第１太陽電池層２２０と第２太陽電池層２３０とが互いに電気的に並列接続され、この並列接続された単位セルが一つ以上集まって互いに電気的に直列接続されている。これにより、異なる特性を有する２つの太陽電池層が並列接続された構造の単位セルを有し、これらの単位セルの数個を直列に接続する構造を有する薄膜型太陽電池は、数個の太陽電池層を直列に接続する構造を有する薄膜型太陽電池に比べて高い出力と光電変換効率を達成することができる。
【選択図】図３
【解決手段】ガラス基板２００、透明導電層２１０，２１１，２１２、多重接続された太陽電池層２２０，２３０、及び電極層２４０の積層構造を有し、多重接続された第１太陽電池層２２０と第２太陽電池層２３０とが互いに電気的に並列接続され、この並列接続された単位セルが一つ以上集まって互いに電気的に直列接続されている。これにより、異なる特性を有する２つの太陽電池層が並列接続された構造の単位セルを有し、これらの単位セルの数個を直列に接続する構造を有する薄膜型太陽電池は、数個の太陽電池層を直列に接続する構造を有する薄膜型太陽電池に比べて高い出力と光電変換効率を達成することができる。
【選択図】図３
Description
本発明は、薄膜型太陽電池及びその製造方法に関し、詳しくは、相異する特性によって短絡電流の差異が大きい２つの太陽電池層が積層された構造の単位セルを有する太陽電池において、電力の損失を最少化するとともに、高い光電変換効率を有するように隣接する単位セル相互間の接続形態を改善した薄膜型太陽電池及びその製造方法に関する。
太陽電池は、クリーンエネルギー源として、数十年間、数多くの研究が進められている。今まで太陽電池の素材としては、単結晶シリコン、多結晶シリコン、非晶質シリコン、非晶質ＳｉＣ、非晶質ＳｉＮ、非晶質ＳｉＧｅ、非晶質ＳｉＳｎ等のＩＶ族の材料、又は、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）、インジウムリン（ＩｎＰ）等のＩＩＩ−Ｖ族や、ＣｄＳ、ＣｄＴｅ、Ｃｕ２Ｓ等のＩＩ−ＶＩ族の化合物半導体などが使用されている。また、太陽電池の構造としては、背面電界型を含むｐｎ構造、ｐｉｎ構造、ヘテロ接合構造、ショットキー構造、タンデム型や、垂直接合型を含む多重接合構造等が採用されている。
一般に、太陽電池に要求される特性としては、例えば、高い光電変換効率であること、製造コストが安いこと、エネルギーの回収タームが短くて済むこと等を挙げることができる。
現在、商用化されている単結晶シリコン及び多結晶シリコンを使用する太陽電池は、光電変換効率は高いが、製造コスト及び設置費が高いという問題がある。このような問題を解決するために、薄膜型太陽電池、特に非晶質シリコンを使用する薄膜型太陽電池が大面積の太陽電池モジュールを低コストで作製することができ、エネルギー回収タームが短いということから注目されている。しかし、光電変換効率が単結晶シリコン太陽電池と比べて低く、光にさらされると、その効率がさらに減少するという問題を有している。
他の材料を使用する太陽電池においても、変換効率が高い場合には、製造コストが高くなると共に、エネルギーの回収タームも延びる。反面、製造コストが低くエネルギーの回収タームが短い場合には、光電変換効率が低いという問題がある。
そこで、非晶質シリコンを利用した薄膜型太陽電池の光電変換効率が低いという問題を解決するために、バンドギャップの異なる複数の半導体層の間に緩衝層を形成する構造が提案されたことがある。特に、バンドギャップが異なり、結晶格子が不整合を成す非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）及び微結晶シリコン（ｕｃ−Ｓｉ：Ｈ）の積層構造が提案された。
図１は、従来技術の一実施形態による薄膜型太陽電池素子の積層構造を示す断面図である。
上記従来技術の一実施形態において、特性及び結晶構造の異なる第１の太陽電池層１２０と、第２の太陽電池層１３０とが順次積層されている。そして、これらの２つの太陽電池層は、第２の太陽電池層の上に積層された透明導電層１１１を隣接するセルの第１の太陽電池層の下に積層されている透明導電層１１０と接続することによって、電気的に直列に接続されている。
上記従来技術の一実施形態において、特性及び結晶構造の異なる第１の太陽電池層１２０と、第２の太陽電池層１３０とが順次積層されている。そして、これらの２つの太陽電池層は、第２の太陽電池層の上に積層された透明導電層１１１を隣接するセルの第１の太陽電池層の下に積層されている透明導電層１１０と接続することによって、電気的に直列に接続されている。
図２は、このような半導体層の直列接続を模式化したダイオードの等価回路図である。一般的に太陽光が入射する側の第１の太陽電池層は、非晶質シリコンから成り、１．７〜１．９ｅＶ程度の高いバンドギャップエネルギーを有し、一方、第１の太陽電池層の上側に積層された第２の太陽電池層は、微結晶シリコンから成り、約１．１ｅＶのバンドギャップエネルギーを有している。このように互に異なる吸収帯を有する太陽電池層が積層されているため、非晶質シリコン等の単一の太陽電池層から成る薄膜型太陽電池に比べて高い光電変換効率を有することになる。研究結果によると、初期の光電変換効率は、３ｃｍ２面積の小さなモジュールにおいては、約１４．５％であり、大面積のモジュールにおいては、約１２％程度であることが知られている。
ただ、異なる二つの太陽電池層が積層された太陽電池構造の問題点は、二つの太陽電池層が直列に接続されているため、二つの太陽電池層の電流が同じに設計されなければならないという点である。このような制約のため、下部に位置する第１の太陽電池層である非晶質シリコン真性半導体層の厚さが必要以上に厚く形成されなければならなく、これと比例して、非晶質太陽電池層に生成される電力の比率が高くなるにつれ、ステイブラー・ウロニスキ（Stabler-Wronski）効果によって全体効率が著しく減少する。逆に、真性半導体層の厚さを最適化して薄くすると、その下部に位置する第１の太陽電池層の短絡電流が小さくなる。したがって、二つの太陽電池層の短絡電流の差が大きくなるにつれ、二つの層が直列に接続された全素子の効率は、短絡電流が第１の太陽電池層の短絡電流に制限されるため、二つの太陽電池層において、それぞれが達成する効率の合計に比べて非常に小さくなるという問題がある。
このように、異なる二つの太陽電池層が積層された太陽電池において、最適の光電変換効率を得るためには、真性半導体層の厚さの制御が容易でないことによる製造工程の困難性を解決し、生産された太陽電池の効率性に対する一定の信頼度を築くために、特許文献１においては、下部に位置する第１の太陽電池層と上部に位置する第２の太陽電池層とを透明絶縁層によって分離し、各太陽電池層から２つのターミナルを引き出した形態の４−Ｔ構造を提供し、第１の太陽電池層と第２の太陽電池層をそれぞれ独立的に隣接するセルと直列に接続する太陽電池モジュールを提案している。このような方法を利用すると、第１及び第２の太陽電池層の短絡電流の不整合を考慮せずに、光電変換効率を最適化した太陽電池モジュールを作製することができる利点がある。しかし、第１及び第２の太陽電池層をそれぞれ独立的に作製しなければならず、また絶縁層を挿入する工程を要し、製造工程が却って複雑化してコストアップとなるという問題をもたらす。
米国特許２００５／０１５０５４２ Ａ１号
このような問題を解決するべく、薄膜型太陽電池モジュールにおいて、光電変換効率の高い太陽電池素子の構造を提供し、このような太陽電池を比較的簡単な工程で製造することによって、他の薄膜型シリコン太陽電池と比べて製造コストの低い太陽電池素子の製造方法を提供する。
本発明の他の目的は、異なる特性を有し、短絡電流の差が大きい二つのシリコン太陽電池層が積層された構造を有する太陽電池において、短絡電流の不整合による電力の損失を最小化することができる薄膜型太陽電池及びその製造方法を提供する。
また、本発明の他の目的は、異なる特性を有し、短絡電流の差が大きい二つのシリコン太陽電池層が積層された構造を有する太陽電池において、第１の太陽電池層と、第２の太陽電池層とを独立的に作製して接続するなど、別の工程による従来技術における製造工程の複雑性を解決すると共に、高い光電変換効率を得ることができるように、一連の製造工程を通じて簡単に薄膜型太陽電池の素子を製造する方法を提供する。
上記目的を達成するために、本発明の薄膜型太陽電池は、多重接合構造からなる第１の太陽電池層と第２の太陽電池層とが互いに電気的に並列に接続された単位セルを含んで構成されたものである。
本発明において、前記単位セルは、少なくとも一つ含まれ、前記各単位セルは直列に連結されていることが好ましい。
本発明において、前記第１の太陽電池層及び第２の太陽電池層は、非晶質シリコン太陽電池層又は微結晶シリコン太陽電池層からそれぞれ個別に選択される一つの太陽電池層であることを特徴とする。
本発明において、前記非晶質シリコン太陽電池層は、非晶質シリコンｐ層、非晶質シリコンｉ層、非晶質シリコンｎ層が順次積層されていることが好ましい。
本発明において、前記微結晶シリコン太陽電池層は、微結晶シリコンｐ層、微結晶シリコンｉ層、微結晶シリコンｎ層が順次積層されていることが好ましい。
本発明において、前記第１の太陽電池層と前記第２の太陽電池層とは、共通電極を使用することが好ましい。
本発明において、前記各単位セルの隣接部分には、電気的に絶縁させる透明絶縁層をさらに含んで構成されていることが好ましい。
本発明の薄膜型太陽電池の製造方法は、基板上に形成された複数の単位セルを透明導電層で直列に接続する段階を含んで構成された薄膜型太陽電池の製造方法であって、前記各単位セルは、第１の太陽電池層と第２の太陽電池層とを互に並列に接続する段階と、前記第２の太陽電池層上に後面電極層を形成する段階と、前記第２の太陽電池層を互に電気的に絶縁する段階と、を含むことを特徴とする。
本発明において、並列に接続して前記単位セルを形成する段階は、基板上に形成された第１の太陽電池層の下層と、前記第１の太陽電池層から分離して形成された他の第１の太陽電池層の上層とを電気的に接続する透明導電層を形成する段階と、前記第１の太陽電池層及び透明導電層上に分離独立して複数の第２の太陽電池層を形成する段階と、を含んで構成されることが好ましい。
上述のように、本発明は、光電変換効率が高く、信頼性に優れた薄膜型太陽電池素子の構造を提供し、比較的単純な一連の製造工程によって低コストで大面積の太陽電池を生産することができる。
また、高い光電変換効率を有し、大面積のモジュールを低価で作製することのできる太陽電池の構造及び製造方法を開示することによって、本発明が商用化される場合、次世代クリーンエネルギー源として地球環境の保全にも寄与するだけでなく、公共施設、民間施設、軍需施設など多方面に直接応用されて、莫大な経済的価値を創出する効果を期待するものである。
以下、本発明の好ましい実施形態を添付の図面を参照して説明する。各図面における構成要素に対する参照符号は、異なる図面においても同一の構成要素に対しては同一の符号を付して説明する。また、本発明の要旨が混同されるのを避けるために公知機能及び構成の詳細な説明は省略する。
図３は本発明の一実施形態による薄膜型太陽電池素子の積層構造を示す断面図であり、図４は本発明の一実施形態による薄膜型太陽電池素子を構成するダイオード等価回路図である。
本発明の一実施形態による薄膜型太陽電池素子は、ガラス基板２００、第１の太陽電池層２２０、第２の太陽電池層２３０、透明導電層２１０、２１１、２１２、後面電極層２４０及び透明絶縁層２５０を含んで構成される。
本実施形態によれば、薄膜型太陽電池素子は、基板上に形成された第１の透明導電層と、第１の透明導電層上に形成された第１の太陽電池と、第１の太陽電池上に形成された第２の透明導電層と、第２の透明導電層上に形成された第２の太陽電池と、その上に形成された上部電極層とを含んで構成された繰り返し単位を有する。前記繰り返し単位は互に直列で接続されている。
好ましい実施形態において、上部電極層は、第３電極層を含んで構成され、繰り返し単位は、第１の透明導電層と、第２の透明導電層と、第３の透明導電層とによって互に直列に接続される。
図３は、第１の太陽電池層２２０と第２の太陽電池層２３０とを接続する方法を概略的に示している。
図３に示すように、薄膜型太陽電池は、多重接合構造からなる一つの太陽電池層と、また他の太陽電池層が互いに電気的に並列に接続されて単位セルを形成する。
上記単位セルの並列接続は、第１の太陽電池層のｐ層と第２の太陽電池層のｐ層とを透明導電層に接続し、第１の太陽電池層のｎ層と第２の太陽電池層のｎ層とを透明導電層に接続することによって実現される。
上記太陽電池層は、結晶系シリコン太陽電池層、又は非晶質シリコン太陽電池層からそれぞれ個別に選択された１種類の太陽電池層によって構成され、好ましくは、結晶系シリコン太陽電池層としては、微結晶シリコン太陽電池層が使用される。
上記非晶質シリコン太陽電池層で構成された太陽電池層は、非晶質シリコンのｐｎ型接合構造か、非晶質シリコンのｐｉｎ型接合構造のうち、いずれか一つの構造を形成する。
上記微結晶シリコン太陽電池層で構成された太陽電池層は、微結晶シリコンのｐｎ型接合構造か、微結晶シリコンのｐｉｎ型接合構造のうち、いずれか一つの構造を形成する。
内部で並列に接続された単位セルは、一つ以上が集まって互いに電気的に直列に接続され、大面積に集積化された薄膜型太陽電池を構成する。各単位セル間の直列接続は、隣接する単位セル間に透明絶縁層２５０を含んでいる。
詳細には、例えばガラス基板のような基板２００上に下部透明導電層２１０（ＴＣＯ；Transparent Conductive Oxide）を積層し、その上にｐ型非晶質シリコン層２２１、ｉ型非晶質シリコン層２２２及びｎ型非晶質シリコン層２２３を順次積層した第１の太陽電池層２２０を搭載する。次に、第１の太陽電池層２２０上に中間透明導電層２１１をさらに積層し、その上にｐ型微結晶シリコン層２３１、ｉ型微結晶シリコン層２３２及びｎ型微結晶シリコン層２３３を順次積層した第２の太陽電池層２３０を搭載する。続いて、上部透明導電層２１２及び後面電極層２４０を積層して接合構造体として構成される。
上記薄膜型太陽電池の断面構造における下部に位置する第１の太陽電池層のｎ層上に積層された中間透明導電層２１１は、隣接する太陽電池層の上部に位置する第２の太陽電池層のｎ層上に積層された上部透明導電層２１２に電気的に接続される。
また、上記薄膜型太陽電池の断面構造における下部に位置する第１の太陽電池層のｐ層の下に設けられた下部透明導電層２１０は、隣接する太陽電池層の上部に位置する第２の太陽電池層のｐ層の下に設けられた中間透明導電層２１１に電気的に接続される。その結果、薄膜型太陽電池の下部に位置する第１の太陽電池層と隣接してその上部に位置する第２の太陽電池層とが内部で並列に接続されて一つの単位セルを構成する。
本実施形態において、薄膜型太陽電池素子は、上から順に後面電極層２４０、上部透明導電層２１２及び第２の太陽電池層２３０のｐ層に至るまで、パターン状にカッティングする工程を実施して各セル間に間隙を形成し、これらの間隙の空気層に透明絶縁層２５０を形成して、隣接する単位セル間を電気的に直列に接続した構造を含んでいる。
上記薄膜型太陽電池素子において、光起電力が誘導される過程は、ガラス基板を通して入射した光が、第１の太陽電池層又は第２の太陽電池層のｐ型シリコン層を透過してその上のｉ型シリコン層に吸収されると同時に開始する。
この場合、上記入射した光が非晶質シリコン又は微結晶シリコンの光学的バンドギャップより大きいエネルギーを有すると、電子が励起され、電子−正孔対が発生する。そして、発生した電子と正孔とは、内部電界によって分離されて、それぞれｎ型シリコン層と、ｐ型シリコン層に向かって移動する。したがって、ｐ型及びｎ型シリコン層の両電極間に発生した光起電力が外部回路に接続されると、太陽電池として作動することになる。
さらに、図４に示す等価回路図を参照すると、下部に位置する第１の太陽電池層２２０と上部に位置する第２の太陽電池層２３０とにそれぞれ光起電力が誘導され、これらの太陽電池層の各共通電極同士を透明導電層によって互いに接続することによって並列に接続された一つの単位セル３００を構成し、全体的に複数個の単位セル３００が透明導電酸化物層で直列に接続された構造で外部回路と接続することにより、太陽電池として作動することになる。
図３及び図４に示すように、本実施形態は、短絡電流の差異が大きい微結晶シリコン層と、非晶質シリコン層とを上下に積層して直列に直接接続したときに、電力損失を最少にすることができる。
即ち、微結晶シリコン層を第２の太陽電池層として上部に積層し、非晶質シリコン層を第１の太陽電池層として下部に積層して、これらの二つの太陽電池層を並列に接続した構造のものを更に直列に接続することによって、電力損失を最少にし、シリコン積層構造による高い光電変換効率を維持する。
本実施形態は、二つの異なる太陽電池層の積層構造をそのまま維持しながら、電気的な並列接続を形成した構造であると共に、本発明の製造方法に蒸着、カッティング工程の順に使用してパターニングすることにより、内部の層構造を調整するものである。したがって、別途の独立的な工程を追加することなしに、上記構造を形成することができるので製造工程が簡単である。
図５は、本発明の一実施形態による薄膜型太陽電池素子と非晶質及び微結晶シリコン層の二重太陽電池層によって構成され、これらが互に直列で連結された従来技術の一実施形態による薄膜型太陽電子素子間の電圧に対する短絡電流密度の変化を示すグラフである。また、図６は、これらの電圧に対する光電変換効率を示すグラフである。
図６は、従来技術の薄膜型太陽電池素子と本発明の薄膜型太陽電池素子との間の光電変換効率を比較するために、数値解析を実施した結果をグラフ化したものである。
図５及び図６によれば、非晶質シリコンから成り、下部に形成された第１の太陽電池層（上記グラフにおいてＤ１で示す）の開放電圧（Ｖ）は０．９８Ｖで、短絡電流密度は８．０ｍＡ／ｃｍ２である。このとき、光電変換効率は、約５．３％である。
また、微結晶シリコンから成り、上部に形成された第２の太陽電池層（上記グラフにおいてＤ２で示す）の開放電圧は０．６４Ｖであり、短絡電流密度は２０ｍＡ／ｃｍ２で、光電変換効率は約８．８％である。
従来技術の方式によって二つの太陽電池層を直列に接続した場合（上記グラフにおいてＤ１＋Ｄ２で示す）には、電圧は１．６２Ｖであり、短絡電流密度は８．０ｍＡ／ｃｍ２、光電変換効率は略９．７％を示している。
上述において、非晶質シリコン層と微結晶シリコン層との短絡電流密度の差異によって、全体短絡電流密度が第１の太陽電池層の短絡電流密度である８．０ｍＡ／ｃｍ２に制限され、これによって全体素子の光電変換効率は、第１及び第２の太陽電池層においてそれぞれ達成される効率の合計である１４．１％に大きく及ばないので効率があまり高くないことが分る。
しかし、本実施形態のように並列に接続した場合（上記グラフにおいてＤ１‖Ｄ２で示す）には、電圧は０．６６Ｖであり、短絡電流密度は２８ｍＡ／ｃｍ２で、光電変換効率は約１２．９％を示す。したがって、従来の直列接続の場合より約３．２％程度、効率が向上する。
このように本発明によれば、従来の単一のシリコン層で構成された太陽電池素子の構造よりも二重のシリコン積層構造の方が高い光電変換効率を達成することができ、多重積層構造から成る太陽電池モジュールにおいて、太陽電池層間の直列接続より並列接続の構造の方が高い光電変換効率を達成することができるため、二重のシリコン積層構造とする薄膜型太陽電池素子の作製は非常に有効である。
図７〜図２１は、本発明の一実施形態による薄膜型太陽電池の製造方法を工程順に示す素子の積層構造断面図である。
図７〜図２１に示すように、本実施形態による薄膜型太陽電池の製造方法は、まず、ガラス基板上に透明導電層を蒸着し、非晶質シリコン層を有する第１の太陽電池層を蒸着し、透明導電層をさらに蒸着した後、微結晶シリコン層を有する第２の太陽電池層を蒸着し、その上に透明導電層をさらに蒸着した後、続いて後面電極層を蒸着する段階を含むものである。
図７に示すように、本実施形態による薄膜型太陽電池の製造工程は、まず、ガラス基板２００上に下部透明導電層２１０（ＴＣＯ）を蒸着する段階から開始される。
次に、図８に示すように、切断工程を経て下部透明導電層２１０をパターン状に切断する。そして、図９に示すように、下部透明導電層２１０の上に、ｐ型非晶質シリコン層２２１（ａ−Ｓｉ：Ｈ）を蒸着する。
続いて、図１０のように、ｐ型非晶質シリコン層２２１上に、ｉ型非晶質シリコン層２２２（ａ−Ｓｉ：Ｈ）を蒸着し、さらに、図１１に示すように、ｉ型非晶質シリコン層２２２上に、ｎ型非晶質シリコン層２２３（ａ−Ｓｉ：Ｈ）を蒸着する。
本実施形態において、非晶質シリコン半導体層の蒸着法としては、従来の周知の方法を利用することができる。例えば、スパッタ法、高周波プラズマ化学気相蒸着法、マイクロ波プラズマ化学気相蒸着法、熱化学気相蒸着法、及び低圧化学気相蒸着法（ＬＰＣＶＤ）等から適当な方法を選択して使用することが好ましい。
特に、非結晶シリコンの場合、シランガスなどを利用するプラズマ化学気相蒸着法（ＰＥＣＶＤ）が一般的に使用されている。このＰＥＣＶＤは、原料ガスをプラズマによって分解し、気相状態の原料ガスを堆積させるものである。
本実施形態において、図１２に示すように、切断工程を経て上記ｐｉｎ型非晶質シリコン層で構成された第１の太陽電池層２２０をパターニングし、図１３に示すように、このパターニング後、中間透明導電層２１１を蒸着し、さらに、図１４に示すように切断工程を経て上記蒸着した中間透明導電層２１１を含めて下部の第１の太陽電池層２２０のｐ層２２１まで一部パターニングする。
次に、図１５に示すように、上記パターニングした上に、ｐ型微結晶シリコン層２３１を蒸着し、図１６に示すように、ｐ型微結晶シリコン層２３１上にｉ型微結晶シリコン層２３２を蒸着し、その後、図１７に示すように、上記ｉ型微結晶シリコン２３２上にｎ型微結晶シリコン層２３３を蒸着する。
この場合も前述と同様に、プラズマ化学気相蒸着法を使用して微結晶シリコン層を比較的低温で迅速に蒸着することができる。
続いて、本実施形態においては、図１８に示すように、切断工程により上記ｐｉｎ型微結晶シリコン層で構成された第２の太陽電池層２３０を含めて中間透明導電層２１１まで一部パターニングを行う。そして、このパターニング後、図１９に示すように、上部透明導電層２１２を蒸着し、図２０に示すように、上部透明導電層２１２の上に後面電極層２４０を蒸着する。
下部透明導電層２１０、中間透明導電層２１１、上部透明導電層２１２は、それぞれ積層される太陽電池素子の断面図における位置によって便宜上区分しただけであり、それらの全てを同一の物質で同一の方法によって蒸着することができる。また、当業者であれば誰にも分る導電層として使用可能な公知物質を使用して、公知の蒸着法によって成膜することができる。特に、透明で導電性の良い物質である、例えば酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などを使用することが好ましい。
後面電極層２４０は、当業者であれば一般的に電極層として使用することのできる公知の物質と、公知の方法を使用して形成することができる。特に、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、チタニウム（Ｔｉ）、パラジウム（Ｐｄ）等をスクリーン印刷、スプレーなどの方法によって金属層を形成して作製することが好ましい。銀ペーストをスクリーン印刷した後、オーブンの中で安定化させて乾燥させることが必要であり、そのような熱処理が一般に使用される。
さらに、本実施形態における薄膜型太陽電池の製造方法は、切断工程によって後面電極層２４０及び上部透明導電層２１２を含めて第２の太陽電池層２３０のｐ層２３１まで一部パターニングする工程を含む。
上記切断工程は、隣接する単位セルの間に微細な間隙を形成するためのもので、その間隙の空気層が透明絶縁層２５０として作用することになる。
本発明の実施形態で使用する上記切断工程は、当業者に周知の従来の切断方法により実行することができる。例えば、レーザースクライビング法、湿式エッチング法、乾式エッチング法、リフト・オフ（lift-off）法、及びワイヤーマスク法のうち、いずれか一つを選択することができる。
なお、本発明の実施形態において、特に、薄膜型太陽電池モジュールの場合には、パルスレーザー光を基板に対して相対的に走査させ、基板上に薄膜を加工する、即ち、パターニングするいわゆるレーザースクライビング法を使用することが好ましい。
上述のような積層配列、又は構造を有する本発明の薄膜型太陽電池とその製造方法によれば、連続的に配列された微結晶シリコンから成り、上部に位置した第２の太陽電池層と、構造上第２の太陽電池層の直ぐ下部に位置し、非晶質シリコンから成る第１の太陽電池層とが一つの単位セルとして並列に電気的に接続が可能になる。
また、これらの単位セルの並列接続構造は、隣接する単位セルの並列接続構造と接触しているため、並列構造が直列に接続されるモジュール構造を形成することになる。
結局、これらの構造は、従来の周知技術のように、単位セル間に絶縁層が形成されて直列に接続しただけのものでなく、上部透明導電層、中間透明導電層、下部透明導電層が、隣接する単位セルの上部透明導電層、中間透明導電層、下部透明導電層とそれぞれ直接的に接続される構造を採用している。
また、単位セル間に電気が通じない絶縁層、特に、空気層から成る絶縁層を形成することによって、上部透明導電層が上部に位置する第２の太陽電池層を介して隣接するセルの中間透明導電層と接続された形態で、透明導電層の電気的絶縁が改善されて単位セルを分離し、単位セルが直列に接続されることになる。
上述のように、本発明の好ましい実施形態を参照して説明したが、当業者であれば、本発明の技術的思想を外れない範囲で、本発明を多様に修正及び変更することができる。
本発明は、光電変換効率が高く、優れた信頼度を有する薄膜型太陽電池素子の構造を提供し、比較的単純な一連の製造工程によって低コストで大面積の太陽電池を生産することができる。
２００…基板
２１０…下部透明導電層（第１の透明導電層）
２１１…中間透明導電層（第２の透明導電層）
２１２…上部透明導電層（第３の透明導電層）
２２０…第１の太陽電池層
２２１…ｐ型非晶質シリコン層
２２２…ｉ型非晶質シリコン層
２２３…ｎ型非晶質シリコン層
２３０…第２の太陽電池層
２３１…ｐ型微結晶シリコン層
２３２…ｉ型微結晶シリコン層
２３３…ｎ型微結晶シリコン層
２４０…後面電極層
２５０…透明絶縁層
２１０…下部透明導電層（第１の透明導電層）
２１１…中間透明導電層（第２の透明導電層）
２１２…上部透明導電層（第３の透明導電層）
２２０…第１の太陽電池層
２２１…ｐ型非晶質シリコン層
２２２…ｉ型非晶質シリコン層
２２３…ｎ型非晶質シリコン層
２３０…第２の太陽電池層
２３１…ｐ型微結晶シリコン層
２３２…ｉ型微結晶シリコン層
２３３…ｎ型微結晶シリコン層
２４０…後面電極層
２５０…透明絶縁層
Claims (20)
- 多重接合構造からなる第１の太陽電池層と、第２の太陽電池層とが互いに電気的に並列に接続された単位セルを含んで構成されたことを特徴とする薄膜型太陽電池。
- 前記単位セルは、少なくとも１つ含まれ、前記各単位セルは直列に連結されていることを特徴とする請求項１に記載の薄膜型太陽電池。
- 前記第１の太陽電池層及び第２の太陽電池層は、非晶質シリコン太陽電池層又は微結晶シリコン太陽電池層からそれぞれ個別に選択される一つの太陽電池層であることを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜型太陽電池。
- 前記非晶質シリコン太陽電池層は、非晶質シリコンｐ層、非晶質シリコンｉ層、非晶質シリコンｎ層が順次積層されていることを特徴とする請求項３に記載の薄膜型太陽電池。
- 前記微結晶シリコン太陽電池層は、微結晶シリコンｐ層、微結晶シリコンｉ層、微結晶シリコンｎ層が順次積層されていることを特徴とする請求項３に記載の薄膜型太陽電池。
- 前記第１の太陽電池層と前記第２の太陽電池層とは、共通電極を使用することを特徴とする請求項１又は２に記載の薄膜型太陽電池。
- 前記各単位セルの隣接部分には、電気的に絶縁させる透明絶縁層をさらに含んで構成されたことを特徴とする請求項２に記載の薄膜型太陽電池。
- 基板上に形成された第１の透明導電層と、
前記第１の透明導電層上に形成された第１の太陽電池と、
前記第１の太陽電池上に形成された第２の透明導電層と、
前記第２の透明導電層上に形成された第２の太陽電池と、
前記第２の太陽電池上に形成された上部電極層と、
を含んで構成された少なくとも１つの繰り返し単位を備えたことを特徴とする薄膜型太陽電池。 - 前記第１の太陽電池は、非晶質シリコン又は微結晶シリコンであることを特徴とする請求項８に記載の薄膜型太陽電池。
- 前記第２の太陽電池は、非晶質シリコン又は微結晶シリコンであることを特徴とする請求項８に記載の薄膜型太陽電池。
- ｐ型、ｉ型及びｎ型の非晶質シリコン又はｐ型、ｉ型及びｎ型の微結晶シリコンが順次積層されたことを特徴とする請求項９又は１０に記載の薄膜型太陽電池。
- 基板上に形成された第１の透明導電層と、
前記第１の透明導電層上に形成された第１の太陽電池と、
前記第１の太陽電池上に形成された第２の透明導電層と、
前記第２の透明導電層上に形成された第２の太陽電池と、
前記第２の太陽電池上に形成された上部電極層と、
を含んで構成された繰り返し単位を備え、
前記繰り返し単位は、互に直列に接続されていることを特徴とする薄膜型太陽電池。 - 前記上部電極層は、第３の透明導電層を含んで構成されたことを特徴とする請求項１に記載の薄膜型太陽電池。
- 前記繰り返し単位は、前記第１の透明導電層と、前記第２の透明導電層と、前記第３の透明導電層とによって互に直列に接続されていることを特徴とする請求項１３に記載の薄膜型太陽電池。
- 基板上に形成された複数の単位セルを透明導電層を介して直列に接続する段階を含んで構成された薄膜型太陽電池の製造方法であって、
前記各単位セルは、
第１の太陽電池層と第２の太陽電池層とを互に並列に接続する段階と、
前記第２の太陽電池層上に後面電極層を形成する段階と、
前記第２の太陽電池層を互に電気的に絶縁する段階と、
を含むことを特徴とする薄膜型太陽電池の製造方法。 - 並列に接続して前記単位セルを形成する段階は、
基板上に形成された第１の太陽電池層の下層と、前記第１の太陽電池層から分離して形成された他の第１の太陽電池層の上層とを電気的に接続する透明導電層を形成する段階と、
前記第１の太陽電池層及び透明導電層上に分離独立して複数の第２の太陽電池層を形成する段階と、
を含んで構成されたことを特徴とする請求項１５に記載の薄膜型太陽電池の製造方法。 - 前記第１の太陽電池層及び第２の太陽電池層は、非晶質シリコン又は微結晶シリコン太陽電池層から個別に選択された１つの太陽電池層であることを特徴とする請求項１５に記載の薄膜型太陽電池の製造方法。
- 前記非晶質シリコン太陽電池層は、非晶質シリコンｐ層、非晶質シリコンｉ層、非晶質シリコンｎ層が順次積層されていることを特徴とする請求項１５に記載の薄膜型太陽電池の製造方法。
- 前記微結晶シリコン太陽電池層は、微結晶シリコンｐ層、微結晶シリコンｉ層、微結晶シリコンｎ層が順次積層されていることを特徴とする請求項１５に記載の薄膜型太陽電池の製造方法。
- 前記第１の太陽電池層及び前記第２の太陽電池層は、共通電極を使用することを特徴とする請求項１５に記載の薄膜型太陽電池の製造方法。
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