JP2010034525A - Thin-film solar cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thin-film solar cell forming a series connection structure, suppressing degradation of light absorption of an n-layer in the lowest layer, and high in conversion efficiency. <P>SOLUTION: A first electrode 2, a photoelectric conversion layer 4 and a second electrode 3 are sequentially formed on an insulating substrate 1, the photoelectric conversion layer 4 is formed with a pin structure cell comprising a plurality of nonmonocrystalline silicon-based thin films, the photoelectric conversion layer 4 formed on the first electrode 2 has an i-layer 6 formed of a microcrystalline silicon thin film, and an under layer 5 of the i-layer 6 in the photoelectric conversion layer 4 is formed of an amorphous silicon-based material having a film thickness of 200-600 nm, whereby this thin-film solar cell of an SCAF structure suppressing degradation of light absorption of the under layer 5 in the photoelectric conversion layer 4, and high in conversion efficiency can be provided. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、微結晶シリコン系薄膜を光電変換層に用いた薄膜太陽電池に関する。   The present invention relates to a thin film solar cell using a microcrystalline silicon-based thin film as a photoelectric conversion layer.

微結晶シリコンあるいは多結晶シリコンを材料とする薄膜を光電変換層に用いた薄膜太陽電池は、アモルファスシリコン(a−Si)を光電変換層に用いた薄膜太陽電池にみられるような光劣化現象が生じにくい。また、長波長光に対する感度が高いため、微結晶シリコンあるいは多結晶シリコンを材料とする薄膜を光電変換層に用いた薄膜太陽電池は、近年、活発に開発が進められている。   A thin film solar cell using a thin film made of microcrystalline silicon or polycrystalline silicon as a photoelectric conversion layer has a light deterioration phenomenon as seen in a thin film solar cell using amorphous silicon (a-Si) as a photoelectric conversion layer. Hard to occur. In addition, since a sensitivity to long wavelength light is high, a thin film solar cell using a thin film made of microcrystalline silicon or polycrystalline silicon as a photoelectric conversion layer has been actively developed in recent years.

そして現在では、微結晶シリコン層とa−Si層とを積層したタンデム構造、あるいはトリプル構造の太陽電池モジュールにおいて10%を超える変換効率が得られている。
一方、多結晶シリコンを用いた薄膜太陽電池としては、その構造として、a−Siを用いた薄膜太陽電池と同様にpin構造を採用することが多い。具体的には、透明電極が形成されたガラス基板上に多結晶シリコン薄膜からなるp層、i層、及びn層を順次積層するか、あるいは、ステンレス等の不透光性基板の上にn層、i層、及びp層を順次積層することにより構成される。
At present, conversion efficiency exceeding 10% is obtained in a solar cell module having a tandem structure or a triple structure in which a microcrystalline silicon layer and an a-Si layer are stacked.
On the other hand, a thin film solar cell using polycrystalline silicon often employs a pin structure as its structure, similar to a thin film solar cell using a-Si. Specifically, a p layer, an i layer, and an n layer made of a polycrystalline silicon thin film are sequentially laminated on a glass substrate on which a transparent electrode is formed, or n on an opaque substrate such as stainless steel. A layer, an i layer, and a p layer are sequentially stacked.

基板の材料としては、屋根や外壁への取付けの自由度を高めるための可撓性や軽量化を実現するという点で、プラスチックフィルムが好ましく、その中でも、耐熱性に優れたアラミド、ポリイミド等が特に好ましい。但し、これらの材料は不透光性であるため、基板上に金属電極、光電変換層、透明電極の順に積層するいわゆるサブストレート構造が採用される。サブストレート構造を採用した薄膜太陽電池の例としては、特許文献1及び特許文献2に記載されている。   As a material of the substrate, a plastic film is preferable in terms of realizing flexibility and weight reduction for increasing the degree of freedom of mounting on a roof or an outer wall. Among them, aramid, polyimide, etc. excellent in heat resistance are preferable. Particularly preferred. However, since these materials are opaque, a so-called substrate structure in which a metal electrode, a photoelectric conversion layer, and a transparent electrode are sequentially laminated on a substrate is employed. Examples of thin film solar cells that employ a substrate structure are described in Patent Document 1 and Patent Document 2.

図10は、特許文献1に開示された従来の太陽電池の構造を示す断面図である。図10に示す太陽電池は、基板101の上に、短冊状の第一電極102a〜102c、光電変換層103a〜103c、及び第二電極104a〜104cを順次形成することにより作製される。なお、各層の分離にはマスク製膜あるいはレーザーや超音波振動子等によるパターニング等の方法が用いられる。   FIG. 10 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional solar cell disclosed in Patent Document 1. In FIG. The solar cell illustrated in FIG. 10 is manufactured by sequentially forming strip-shaped first electrodes 102 a to 102 c, photoelectric conversion layers 103 a to 103 c, and second electrodes 104 a to 104 c on a substrate 101. For the separation of each layer, a mask film forming method or a patterning method using a laser or an ultrasonic vibrator is used.

図11は、特許文献2に開示された従来の太陽電池の構造を示す断面図である。図11に示す太陽電池は、ガラス基板201上に、裏面下地電極210、シリコン系光電変換ユニット220、上部電極としての透明導電膜ITO202、及び電流取り出しのための櫛形Ag電極203がこの順で積層されてなる。裏面下地電極210は、ガラス基板201側からTi膜211、Ag膜212、及びZnO膜213をこの順で積層してなる。シリコン系光電変換ユニット220は、裏面下地電極210側から、n型シリコン層221、ノンドープの光電変換層(i層)222、及びp型シリコン層223をこの順で積層してなる。ここで、光電変換層(i層)222中の酸素原子の平均濃度は、1×1019cm-3以上1×1020cm-3以下の範囲内であり、かつ光電変換層(i層)222中の炭素原子の平均濃度が1×1019cm-3以下である。 FIG. 11 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional solar cell disclosed in Patent Document 2. In the solar cell shown in FIG. 11, a back base electrode 210, a silicon-based photoelectric conversion unit 220, a transparent conductive film ITO 202 as an upper electrode, and a comb-shaped Ag electrode 203 for extracting current are stacked in this order on a glass substrate 201. Being done. The back base electrode 210 is formed by laminating a Ti film 211, an Ag film 212, and a ZnO film 213 in this order from the glass substrate 201 side. The silicon-based photoelectric conversion unit 220 is formed by laminating an n-type silicon layer 221, a non-doped photoelectric conversion layer (i layer) 222, and a p-type silicon layer 223 in this order from the back base electrode 210 side. Here, the average concentration of oxygen atoms in the photoelectric conversion layer (i layer) 222 is in the range of 1 × 10 19 cm −3 to 1 × 10 20 cm −3 and the photoelectric conversion layer (i layer). The average concentration of carbon atoms in 222 is 1 × 10 19 cm −3 or less.

ここで、特許文献1に開示されたような短冊状の電極を直列接続するサブストレート構造の太陽電池においては、レーザーパターニング(特に、透明電極のパターニング)が非常に困難であるため、実用化に至っていない。また、絶縁性の基板を用いて大面積の太陽電池を作製する場合には、「外部電気配線の簡素化」、及び「集電ロスの低減」という二つの目的を達成するために、サブストレート型の直列接続構造を採用することが多い。サブストレート型の直列接続構造を採用した薄膜太陽電池の例としては、特許文献3に記載されている。   Here, in a solar cell having a substrate structure in which strip-shaped electrodes as disclosed in Patent Document 1 are connected in series, laser patterning (particularly, patterning of a transparent electrode) is very difficult. Not reached. In addition, when a large-area solar cell is manufactured using an insulating substrate, a substrate is used to achieve the two purposes of “simplification of external electrical wiring” and “reduction of current collection loss”. In many cases, a series connection structure of the mold is adopted. An example of a thin film solar cell employing a substrate type series connection structure is described in Patent Document 3.

図12は、特許文献3に開示された従来の太陽電池の構造を示す断面図であり、図13(a)は、図12の11a−11a線に沿った断面図であり、図13(b)は、図12の11b−11b線に沿った断面図である。図12に示す太陽電池は、フィルム基板301に穴を開け、スルーホールコンタクトで直列接続を形成する構造であり、SCAF(Series-Connection through Apertures on Film)と呼ばれる。この構造では、フィルム基板301の一方の面に、金属電極302、光電変換層としてのa−Si系膜303、及び透明電極304がこの順で積層されている。フィルム基板301の他方の面には、背面電極305が形成される。   12 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional solar cell disclosed in Patent Document 3, and FIG. 13A is a cross-sectional view taken along line 11a-11a in FIG. 12, and FIG. ) Is a cross-sectional view taken along line 11b-11b of FIG. The solar cell shown in FIG. 12 has a structure in which a hole is formed in a film substrate 301 and series connection is formed by through-hole contact, and is called SCAF (Series-Connection through Apertures on Film). In this structure, a metal electrode 302, an a-Si film 303 as a photoelectric conversion layer, and a transparent electrode 304 are laminated in this order on one surface of the film substrate 301. A back electrode 305 is formed on the other surface of the film substrate 301.

ここで、フィルム基板301の両面において完全に分離されて形成された金属電極302及び背面電極305を直列接続するために、集電ホール306及び直列接続ホール307が形成されている(図13(a)及び図13(b)参照)。
図13(a)に示すように、集電ホール306が形成されることによって露出したフィルム基板301の端面には、a−Si系膜303、透明電極304、及び背面電極305が順次成膜され、透明電極304と背面電極305とが接続される。一方、図13(b)に示すように、直列接続ホール307が形成されることによって露出したフィルム基板301の端面には、a−Si系膜303、透明電極304、及び背面電極305が順次成膜され、金属電極302と背面電極305とが接続される。
Here, a current collection hole 306 and a series connection hole 307 are formed in order to serially connect the metal electrode 302 and the back electrode 305 formed on both surfaces of the film substrate 301 (see FIG. 13A). ) And FIG. 13B).
As shown in FIG. 13A, an a-Si-based film 303, a transparent electrode 304, and a back electrode 305 are sequentially formed on the end surface of the film substrate 301 exposed by forming the current collecting hole 306. The transparent electrode 304 and the back electrode 305 are connected. On the other hand, as shown in FIG. 13B, an a-Si-based film 303, a transparent electrode 304, and a back electrode 305 are sequentially formed on the end surface of the film substrate 301 exposed by forming the series connection holes 307. The metal electrode 302 and the back electrode 305 are connected.

特開昭55−123177号公報JP-A-55-123177 特開2000−58889号公報JP 2000-58889 A Y.Ichikawa,K.Tabuchi,T.Yoshida,S.Kato,A.Takano,S.Saito,H.Sato,S.Fujikake,T.Yoshida and H.Sakai: Conference Record 1994 IEEE 1st World Conference on Photovoltaic Energy Conversion(1994)441.Y. Ichikawa, K .; Tabuchi, T .; Yoshida, S .; Kato, A .; Takano, S .; Saito, H .; Sato, S .; Fujikake, T .; Yoshida and H.K. Sakai: Conference Record 1994 IEEE 1st World Conference on Photovoltaic Energy Conversion (1994) 441. Sakai: Conference Record 1994 IEEE 1st World Conference on Photovoltaic Energy Conversion (1994) 441.

しかしながら、フィルム基板を用いて直列接続構造の太陽電池を作製する場合においては、脱ガス及び不純物の影響でセル特性が低下するという問題がある。
まず、脱ガスの影響によってセル特性が低下する一例として、直列接続ホールを形成した基板(参考例1)、及び直列接続ホールを形成しない基板(参考例2)を用い、その上に積層した薄膜よりなるセルを形成して、各特性を評価した結果を表1に示す。表1において、「VOC」は開放電圧値(V)を示し、「JSC」は短絡光電流密度(mA/cm2)を示し、「FF」はフィルファクターを示し、「Eff」は変換効率(%)を示す。
However, when a solar cell having a series connection structure is manufactured using a film substrate, there is a problem that cell characteristics are deteriorated due to degassing and the influence of impurities.
First, as an example in which cell characteristics deteriorate due to the effect of degassing, a thin film laminated on a substrate having a series connection hole (Reference Example 1) and a substrate having no series connection hole (Reference Example 2). Table 1 shows the result of forming the cell and evaluating the characteristics. In Table 1, “V OC ” indicates an open circuit voltage value (V), “J SC ” indicates a short circuit photocurrent density (mA / cm 2 ), “FF” indicates a fill factor, and “Eff” indicates a conversion. Indicates efficiency (%).

Figure 2010034525
Figure 2010034525

表1に示す結果から、直列接続ホールが形成された参考例1の方が、参考例2よりも、フィルム基板上に形成された薄膜中の酸素濃度が高く、かつ、変換効率が低くなっていることが分かる。これは以下の理由による。すなわち、フィルム基板上にa−Siや微結晶Siのような薄膜を成膜する場合、大気中においてフィルム基板に吸収された水分が気化して放出される(脱ガス)ため、薄膜中の酸素濃度が増加する。フィルム基板の表面が全て金属電極で被覆されていれば脱ガスは防げるが、直列接続構造の薄膜太陽電池の作製においては、フィルム基板の一部を露出する直列接続ホールの形成工程を要するため、脱ガスの問題は避けられない。例えば、背面電極のレーザーパターニングライン、集電ホール、及び直列接続ホールを形成する場合は、露出したそれぞれの端面が脱ガス発生源となる。   From the results shown in Table 1, Reference Example 1 in which series connection holes are formed has higher oxygen concentration in the thin film formed on the film substrate and lower conversion efficiency than Reference Example 2. I understand that. This is due to the following reason. That is, when a thin film such as a-Si or microcrystalline Si is formed on a film substrate, moisture absorbed in the film substrate is vaporized and released (degassing) in the atmosphere. Concentration increases. Degassing can be prevented if the entire surface of the film substrate is covered with metal electrodes, but in the production of a thin film solar cell having a series connection structure, a process of forming a series connection hole exposing a part of the film substrate is required. The problem of degassing is inevitable. For example, when forming a laser patterning line, a current collecting hole, and a series connection hole for the back electrode, each exposed end face becomes a degassing source.

脱ガスの抑制方法としては、CVD装置にフィルム基板を搬入した後に、30分程度の加熱処理を行なう方法が挙げられる。しかし、薄膜太陽電池の製造工程において歩留まりを低下させないように、3〜5分程度のタクトタイムでこのような加熱処理を実施することは困難である。
従って、フィルム基板上にa−Siや微結晶Siのような薄膜を成膜し、直列接続構造のセルを作製してなる薄膜太陽電池においては、通常1×1020atoms/cm3程度の酸素が薄膜中に混入することになる。
As a method for suppressing degassing, there is a method of performing a heat treatment for about 30 minutes after carrying a film substrate into a CVD apparatus. However, it is difficult to carry out such a heat treatment with a tact time of about 3 to 5 minutes so as not to reduce the yield in the manufacturing process of the thin film solar cell.
Therefore, in a thin film solar cell in which a thin film such as a-Si or microcrystalline Si is formed on a film substrate to produce a cell having a series connection structure, oxygen of about 1 × 10 20 atoms / cm 3 is usually used. Will be mixed in the thin film.

次に、不純物の影響によってセル特性が低下する理由としては、まず、微結晶Si膜の欠陥密度が、a−Si膜(実使用状態:光劣化後)に比べ一桁程度低いため、構造敏感性(structure sensitivity)が高く、少量の不純物でフェルミレベルが大きく変化することにある。
また、多結晶シリコンの吸収係数は、a−Siの吸収係数に比べると一桁程度小さいため、十分な光電流を得るには、薄膜の厚さを比較的厚くする必要がある。しかし、このように膜厚が厚いと、電界プロファイルが歪みやすく、内部電界0の領域が容易にできてしまう。特に、膜厚が1〜3μm程度に厚くされたi層においては、膜中酸素量が多いと、弱n型化することにより、キャリアを取り出せないデッドレイヤーがi層のn層側にでき(図11(b)参照)、短絡光電流密度(Jsc)が低下してしまう。
Next, the reason why the cell characteristics deteriorate due to the influence of impurities is that the defect density of the microcrystalline Si film is lower by an order of magnitude than that of the a-Si film (actual use state: after photodegradation). The structure sensitivity is high and the Fermi level changes greatly with a small amount of impurities.
Further, since the absorption coefficient of polycrystalline silicon is about an order of magnitude smaller than that of a-Si, it is necessary to make the thickness of the thin film relatively thick in order to obtain a sufficient photocurrent. However, when the film thickness is large in this way, the electric field profile is easily distorted, and the region of the internal electric field 0 is easily formed. In particular, in the i layer whose film thickness is increased to about 1 to 3 μm, if the amount of oxygen in the film is large, a dead layer that cannot extract carriers can be formed on the n layer side of the i layer due to weak n-type ( In FIG. 11B, the short-circuit photocurrent density (J sc ) decreases.

このように、フィルム基板を用いた直列接続構造の太陽電池においては、脱ガス及び不純物の存在が、薄膜太陽電池のセル特性の指標である変換効率(Eff)や短絡光電流密度(Jsc)の低下を招く。
そこで、本発明は上記の問題点に着目してなされたものであり、その目的は、直列接続構造をなす薄膜太陽電池であって、最下層セルにおけるn層の光吸収の低下を抑制し、変換効率が高いSCAF構造の薄膜太陽電池を提供することにある。
Thus, in a solar cell having a series connection structure using a film substrate, degassing and the presence of impurities are the conversion efficiency (Eff) and the short-circuit photocurrent density (J sc ), which are indicators of cell characteristics of the thin-film solar cell. Cause a decline.
Therefore, the present invention has been made paying attention to the above problems, the purpose of which is a thin-film solar cell having a series connection structure, suppressing the decrease in light absorption of the n layer in the lowest layer cell, An object of the present invention is to provide a thin film solar cell having an SCAF structure with high conversion efficiency.

前記課題を解決するため、本発明者が鋭意検討を重ねた結果、脱ガス抑制の保護層として機能し、光吸収の低下を抑制するためにn層の条件を規定することが有効であることを知見した。
本発明は、本発明者による前記知見に基づくものであり、上記課題を解決するための本発明の請求項1に係る薄膜太陽電池は、絶縁性の基板上に第一電極、光電変換層、及び第二電極を順次形成してなる薄膜太陽電池において、前記光電変換層が、複数の非単結晶シリコン系薄膜からなるpin構造セルを一層又は複数層積層してなり、前記第一電極上に形成された最下層セルが微結晶シリコン薄膜からなるi層を有し、前記最下層セルにおける前記i層の下層を、膜厚200〜600nmの非晶質シリコン系材料としたことを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventor has made extensive studies and as a result, it functions as a protective layer for suppressing degassing, and it is effective to define the conditions of the n layer in order to suppress the decrease in light absorption. I found out.
This invention is based on the said knowledge by this inventor, The thin film solar cell which concerns on Claim 1 of this invention for solving the said subject is a 1st electrode, a photoelectric converting layer on an insulating board | substrate, In the thin film solar cell formed by sequentially forming the second electrode and the second electrode, the photoelectric conversion layer is formed by laminating one or more pin structure cells made of a plurality of non-single-crystal silicon thin films on the first electrode. The formed lowermost cell has an i layer made of a microcrystalline silicon thin film, and the lower layer of the i layer in the lowermost cell is an amorphous silicon-based material having a thickness of 200 to 600 nm. .

上記請求項1に係る薄膜太陽電池では、最下層セル(光電変換層)における前記下層を、脱ガス抑制の保護層として機能させるために、前記下層を非晶質シリコン系材料で構成し、その膜厚を規定した。ここで、前記下層は、前記最下層セルにおける前記i層と前記第一電極との間に形成された一層以上の層である。前記下層の例としては、n層が挙げられる。   In the thin film solar cell according to claim 1, in order to make the lower layer in the lowermost layer cell (photoelectric conversion layer) function as a protective layer for suppressing degassing, the lower layer is made of an amorphous silicon-based material, The film thickness was defined. Here, the lower layer is one or more layers formed between the i layer and the first electrode in the lowermost layer cell. An example of the lower layer is an n layer.

前記下層の材料を非晶質シリコン系材料とした第一の理由は、微結晶シリコンよりも非晶質シリコン系材料の方が、脱ガス抑制機能が高いことが確認されているからである。これは、非晶質シリコン系材料は微結晶シリコン系材料のような柱状結晶構造がなく均質な構造であるため、水蒸気のバリア効果が高いものと考える。   The first reason that the lower layer material is an amorphous silicon material is that it has been confirmed that an amorphous silicon material has a higher degassing suppression function than microcrystalline silicon. This is because the amorphous silicon-based material has a uniform structure without a columnar crystal structure like the microcrystalline silicon-based material, and thus is considered to have a high water vapor barrier effect.

また、前記下層の材料を非晶質シリコン系材料とした第二の理由は、波長700nm以上の光に対する吸収係数が微結晶シリコンよりも低いからである。非晶質シリコン系材料は、直接遷移型として振舞うため、波長600nm以下の短波長光に対する吸収係数は結晶シリコン系材料よりも高い。しかし、バンドギャップが広いことにより、光に対する吸収係数は、波長700nm以上では非晶質シリコン系材料の方が低い。この効果で、前記下層に適用したときの光吸収の低下は、非晶質シリコン系材料の方が小さくなる。   The second reason why the lower layer material is an amorphous silicon material is that the absorption coefficient for light having a wavelength of 700 nm or more is lower than that of microcrystalline silicon. Since an amorphous silicon-based material behaves as a direct transition type, the absorption coefficient for short-wavelength light with a wavelength of 600 nm or less is higher than that of a crystalline silicon-based material. However, due to the wide band gap, the absorption coefficient for light is lower for amorphous silicon-based materials at wavelengths of 700 nm or more. Due to this effect, the decrease in light absorption when applied to the lower layer is smaller for amorphous silicon-based materials.

また、最下層セルの前記下層の膜厚が200nm付近では、変換効率のピークの存在を確認することができる。また、最下層セルの前記下層の膜厚が600nm付近では、最下層セルのi層の膜中酸素濃度に顕著な低下が見られない。
したがって、非晶質シリコン系材料よりなる前記下層の膜厚を200〜600nmとすることで、光吸収の低下を抑制し、変換効率が高い薄膜太陽電池を提供することができる。
Further, when the thickness of the lower layer of the lowermost layer cell is around 200 nm, the presence of a peak of conversion efficiency can be confirmed. Further, when the film thickness of the lower layer of the lowermost cell is around 600 nm, the oxygen concentration in the i layer of the lowermost cell is not significantly reduced.
Therefore, by setting the film thickness of the lower layer made of an amorphous silicon-based material to 200 to 600 nm, it is possible to provide a thin-film solar cell that suppresses a decrease in light absorption and has high conversion efficiency.

また、本発明の請求項2に係る薄膜太陽電池は、請求項1に記載の薄膜太陽電池において、前記下層が、n層と、n層に実質的に真性なn/i界面層との積層構造であることを特徴とする。すなわち、前記下層を、n層と、該n層に実質的に真性なn/i界面層との積層構造とすることが有効である。前記下層を厚膜n層単体で形成した場合、数%の吸収ロスが生じるが、アクティブなn/i界面層と積層化してn層を薄くすれば、吸収ロスをさらに抑制することが可能となる。   The thin-film solar battery according to claim 2 of the present invention is the thin-film solar battery according to claim 1, wherein the lower layer is a laminate of an n layer and an n / i interface layer substantially intrinsic to the n layer. It is a structure. That is, it is effective that the lower layer has a stacked structure of an n layer and an n / i interface layer substantially intrinsic to the n layer. When the lower layer is formed of a single thick film n layer, an absorption loss of several percent occurs. However, if the n layer is thinned by stacking with an active n / i interface layer, the absorption loss can be further suppressed. Become.

また、本発明の請求項3に係る薄膜太陽電池は、請求項1又は2に記載の薄膜太陽電池において、前記非晶質シリコン系材料が、アモルファスシリコン、アモルファスシリコンオキサイド、アモルファスシリコンカーバイド、アモルファスシリコンナイトライド、アモルファスシリコンオキシカーバイド、アモルファスシリコンオキシナイトライドのいずれかであることを特徴とする。   The thin-film solar battery according to claim 3 of the present invention is the thin-film solar battery according to claim 1 or 2, wherein the amorphous silicon-based material is amorphous silicon, amorphous silicon oxide, amorphous silicon carbide, amorphous silicon. It is one of nitride, amorphous silicon oxycarbide, and amorphous silicon oxynitride.

また、本発明の請求項4に係る薄膜太陽電池は、請求項1〜3のいずれかに記載の薄膜太陽電池において、前記最下層セルのi層中の酸素濃度が、4×1019atoms/cm3以下であることを特徴とする。 Moreover, the thin film solar cell according to claim 4 of the present invention is the thin film solar cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the oxygen concentration in the i layer of the lowermost cell is 4 × 10 19 atoms / It is characterized by being cm 3 or less.

以上説明したように、本発明に係る薄膜太陽電池によれば、最下層セルにおけるn層の光吸収の低下を抑制し、変換効率が高いSCAF構造の薄膜太陽電池を提供することができる。   As described above, according to the thin film solar cell according to the present invention, it is possible to provide a SCAF structure thin film solar cell that suppresses a decrease in light absorption of the n layer in the lowermost layer cell and has high conversion efficiency.

本発明に係る薄膜太陽電池の第1の実施形態における構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure in 1st Embodiment of the thin film solar cell concerning this invention. 本発明に係る薄膜太陽電池の製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the thin film solar cell which concerns on this invention. n層の膜厚と、i層中の酸素濃度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the film thickness of n layer, and the oxygen concentration in i layer. n層における光吸収の低下を示すグラフである。It is a graph which shows the fall of the light absorption in n layer. n層の膜厚と、短絡光電流及び変換効率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the film thickness of n layer, a short circuit photocurrent, and conversion efficiency. 微結晶シリコンよりなるi層中の酸素量と酸素起因のJscの低下率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the oxygen amount in i layer which consists of microcrystal silicon, and the fall rate of Jsc resulting from oxygen. 酸素に起因するJsc低下モデルを示す概略図である。It is the schematic which shows the Jsc fall model resulting from oxygen. 本発明に係る薄膜太陽電池の第2の実施形態における構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure in 2nd Embodiment of the thin film solar cell which concerns on this invention. 本発明に係る薄膜太陽電池の第2の実施形態におけるn/i界面層の膜厚と、短絡光電流及び変換効率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the film thickness of the n / i interface layer in 2nd Embodiment of the thin film solar cell which concerns on this invention, a short circuit photoelectric current, and conversion efficiency. 従来の薄膜太陽電池の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the conventional thin film solar cell. 従来の薄膜太陽電池の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the conventional thin film solar cell. 従来の薄膜太陽電池の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the conventional thin film solar cell. 従来の薄膜太陽電池の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the conventional thin film solar cell.

以下、本発明に係る薄膜太陽電池の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(第1の実施形態)
図1は、本発明に係る薄膜太陽電池のセル構成を示す模式的な断面図である。本実施形態の薄膜太陽電池は、絶縁性のフィルム基板1上に、少なくとも第一電極、光電変換層、及び第二電極を順次形成してなる。具体的には、図1に示すように、フィルム基板1と、フィルム基板1の両面に形成された金属電極2,3と、第一電極としての金属電極2上に形成された光電変換層4と、光電変換層4上に順次形成された第二電極としての透明電極8及び集電電極9とを有する。光電変換層4は、金属電極2側から順に下層5、i層6、及びp層7からなる。光電変換層4は、一層又は複数層積層されてなる。なお、本実施形態においては、下層5としてn層5aを採用している。また、図示はしないが、フィルム基板1には、集電ホール及び直列接続ホールが形成されている。これら集電ホール及び直列接続ホールの端面においては、フィルム基板1が露出しているため、大気中の水分を吸収し、成膜中に脱ガスとして水蒸気が放出される。
Hereinafter, embodiments of a thin film solar cell according to the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a cell configuration of a thin-film solar battery according to the present invention. The thin film solar cell of this embodiment is formed by sequentially forming at least a first electrode, a photoelectric conversion layer, and a second electrode on an insulating film substrate 1. Specifically, as shown in FIG. 1, a photoelectric conversion layer 4 formed on a film substrate 1, metal electrodes 2 and 3 formed on both surfaces of the film substrate 1, and a metal electrode 2 as a first electrode. And a transparent electrode 8 and a current collecting electrode 9 as second electrodes sequentially formed on the photoelectric conversion layer 4. The photoelectric conversion layer 4 includes a lower layer 5, an i layer 6, and a p layer 7 in order from the metal electrode 2 side. The photoelectric conversion layer 4 is formed of one layer or a plurality of layers. In the present embodiment, the n layer 5 a is employed as the lower layer 5. Although not shown, the film substrate 1 has a current collecting hole and a series connection hole. Since the film substrate 1 is exposed at the end faces of these current collecting holes and series connection holes, the film substrate 1 absorbs moisture in the atmosphere, and water vapor is released as degassing during film formation.

(薄膜太陽電池の製造方法)
本発明の薄膜太陽電池を作製する装置としては、CVD3室、スパッタ2室からなる作製装置を用いる。CVD室の電極サイズは625cm2であり、約25cm幅のフィルム基板1上に20cm□の薄膜太陽電池を作製することができる。各部屋はフィルム基板1を挟んで完全に封止することが可能であり、成膜と搬送を交互に繰り返すステッピングロール成膜法によりセルを作製することができる。
(Method for manufacturing thin film solar cell)
As an apparatus for manufacturing the thin film solar cell of the present invention, a manufacturing apparatus including a CVD 3 chamber and a sputtering 2 chamber is used. The electrode size of the CVD chamber is 625 cm 2 , and a 20 cm □ thin film solar cell can be produced on the film substrate 1 having a width of about 25 cm. Each chamber can be completely sealed with the film substrate 1 interposed therebetween, and a cell can be manufactured by a stepping roll film forming method in which film formation and conveyance are alternately repeated.

以下、この作製装置を用いて、セル面積を1cm2とした薄膜太陽電池を製造する方法について図2を参照して説明する。
<第一電極の形成>
まず、図2(a)〜(b)に示すように、フィルム基板1に直列接続ホール11を形成した。
Hereinafter, a method for manufacturing a thin-film solar cell having a cell area of 1 cm 2 using this manufacturing apparatus will be described with reference to FIG.
<Formation of the first electrode>
First, as shown in FIGS. 2A to 2B, series connection holes 11 were formed in the film substrate 1.

次に、図2(c)に示すように、フィルム基板1の両面に第一電極層2及び第三電極層(背面電極の一部)3を形成した後、図2(c)に示すように、直列接続ホール11と所定の距離離れた位置に集電ホール10を形成した。
次に、図2(d)に示すように、第三電極層3の形成と集電ホール10の形成との間に、第一電極層2を所定の形状にレーザー加工して、第一電極2をパターニングした。
Next, as shown in FIG. 2 (c), after forming the first electrode layer 2 and the third electrode layer (a part of the back electrode) 3 on both surfaces of the film substrate 1, as shown in FIG. 2 (c). In addition, a current collecting hole 10 was formed at a position away from the series connection hole 11 by a predetermined distance.
Next, as shown in FIG. 2 (d), the first electrode layer 2 is laser-processed into a predetermined shape between the formation of the third electrode layer 3 and the formation of the current collecting holes 10, so that the first electrode 2 was patterned.

<n層の形成>
その後、図1及び図2(e)に示すように、第一電極層2上に光電変換層4を形成する。第一電極層2上に形成される光電変換層4は、まず、第1のCVD室にフィルム基板1を送り、3分間の脱ガスの後にCVD装置により第一電極層2上にn層5aが形成される。n層5aの材料としては、「微結晶シリコン(Si)」、「アモルファスシリコン(a−Si)」、及び「アモルファスシリコンオキサイド(a−SiO)」をそれぞれ採用し、異なるn層5aが形成されたフィルム基板1を3種類作製した。
<Formation of n layer>
Thereafter, as shown in FIG. 1 and FIG. 2 (e), the photoelectric conversion layer 4 is formed on the first electrode layer 2. The photoelectric conversion layer 4 formed on the first electrode layer 2 first sends the film substrate 1 to the first CVD chamber, and after degassing for 3 minutes, the n layer 5a is formed on the first electrode layer 2 by the CVD apparatus. Is formed. As the material of the n layer 5a, "microcrystalline silicon (Si)", "amorphous silicon (a-Si)", and "amorphous silicon oxide (a-SiO)" are respectively employed, and different n layers 5a are formed. Three types of film substrates 1 were produced.

ここで、n層5aにa−SiOを採用したセルは、セルの直列抵抗を増加させないように膜中酸素濃度を5〜10at%とした。n層5aにa−Siを採用したセル、及びn層5aにa−SiOを採用したセルの光学バンドギャップはそれぞれ1.75ev及び1.82evとした。
n層5aに微結晶Siを採用したセル、及びn層5aにa−Siを採用したセルは、ともに主ガスとしてモノシランを用い、希釈ガスとして水素を用い、ドーピングガスとしてホスフィンを用いた。n層5aにa−SiOを採用したセルはさらに主ガスとしてCO2を添加することにより成膜した。3種類のn層5aとも成膜速度60nm/分の成膜速度で形成した。
Here, in the cell employing a-SiO for the n layer 5a, the oxygen concentration in the film was set to 5 to 10 at% so as not to increase the series resistance of the cell. The optical band gaps of the cell employing a-Si for the n layer 5a and the cell employing a-SiO for the n layer 5a were 1.75ev and 1.82ev, respectively.
Both the cell employing microcrystalline Si for the n layer 5a and the cell employing a-Si for the n layer 5a used monosilane as the main gas, hydrogen as the diluent gas, and phosphine as the doping gas. It was formed by adding CO 2 as adopted cell further main gas a-SiO the n layer 5a. The three types of n layers 5a were formed at a film formation rate of 60 nm / min.

<i層の形成>
次に、真空引きの後に、第2のCVD室に、n層5aが形成された各フィルム基板1を送り、膜厚1μmのi層6をn層5a上にそれぞれ成膜した。このときの成膜温度は200〜250℃とし、主ガスとしてモノシランを用い、希釈ガスとして水素を用いて成膜した。
<Formation of i layer>
Next, after evacuation, each film substrate 1 on which the n layer 5a was formed was sent to the second CVD chamber, and an i layer 6 having a thickness of 1 μm was formed on the n layer 5a. The film formation temperature at this time was 200 to 250 ° C., monosilane was used as the main gas, and hydrogen was used as the dilution gas.

<p層の形成>
その後、真空引きの後に、第3のCVD室に、n層5a及びi層6が形成された各フィルム基板1を送り、膜厚20nmの微結晶Siのp層をi層上にそれぞれ形成した。このときの成膜温度は150〜200℃とし、主ガスとしてモノシランを用い、希釈ガスとして水素を用い、ドーピングガスとしてジボランを用いて成膜した。
<Formation of p layer>
Then, after vacuuming, each film substrate 1 on which the n layer 5a and the i layer 6 were formed was sent to the third CVD chamber, and a p-layer of microcrystalline Si having a thickness of 20 nm was formed on the i layer. . The film formation temperature at this time was 150 to 200 ° C., monosilane was used as the main gas, hydrogen was used as the dilution gas, and diborane was used as the doping gas.

<第二電極の形成>
その後、図1及び図2(f)に示すように、真空引き、大気開放した後に、n層5a、i層6及びp層7からなる光電変換層4が形成されたフィルム基板1を搬出し、小型スパッタ装置で約70nmの透明電極8を第二電極としてp層7上にそれぞれマスク成膜する。
<Formation of second electrode>
Thereafter, as shown in FIGS. 1 and 2 (f), after evacuation and release to the atmosphere, the film substrate 1 on which the photoelectric conversion layer 4 composed of the n layer 5a, the i layer 6 and the p layer 7 is formed is carried out. Then, a mask film is formed on the p-layer 7 using the transparent electrode 8 of about 70 nm as the second electrode by a small sputtering apparatus.

さらに、小型蒸着装置で集電電極9を透明電極8上に形成し、図2(g)に示すように、第三電極層3の上に背面電極層3を形成する。この後、レーザービームを用いて、フィルム基板1の両側の薄膜を分離加工してセル面積を1cm2とし、最下層セル(第一電極2上に形成された一単位セルの光電変換層4)のn層5aの材料を3種類とした直列接続構造の薄膜太陽電池を作製した。 Further, the collector electrode 9 is formed on the transparent electrode 8 by a small vapor deposition apparatus, and the back electrode layer 3 is formed on the third electrode layer 3 as shown in FIG. Thereafter, the thin film on both sides of the film substrate 1 is separated using a laser beam to make the cell area 1 cm 2 , and the lowermost cell (the photoelectric conversion layer 4 of one unit cell formed on the first electrode 2). A thin film solar cell having a series connection structure in which the material of the n layer 5a was made of three types was prepared.

(考察)
以上のようにして作製された3種類の薄膜太陽電池について、膜中酸素濃度、光吸収の低下、短絡光電流密度、変換効率、及びJSCの低下分について以下のとおり考察した。
<膜厚と膜中酸素濃度との関係>
図3は、3種類の薄膜太陽電池における最下層セルのn層の膜厚と、最下層セルのi層の膜中酸素濃度との関係を示すグラフである。膜中酸素濃度は、深さ方向にプロファイルを持っているので、SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)装置を用いて最下層セルのi層中の平均酸素濃度を測定した。
(Discussion)
Regarding the three types of thin film solar cells produced as described above, the oxygen concentration in the film, the decrease in light absorption, the short-circuit photocurrent density, the conversion efficiency, and the decrease in J SC were considered as follows.
<Relationship between film thickness and oxygen concentration in film>
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the film thickness of the n layer of the lowermost layer cell and the oxygen concentration in the film of the i layer of the lowermost layer cell in three types of thin film solar cells. Since the oxygen concentration in the film has a profile in the depth direction, the average oxygen concentration in the i layer of the lowermost cell was measured using a SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) apparatus.

図3に示す結果から、3種類の薄膜太陽電池における最下層セルのn層について、膜厚の増加と共に膜中酸素濃度が減少していることがわかる。特に、最下層セルのn層にa−Si及びa−SiOを採用した薄膜太陽電池が、最下層セルのn層に多結晶シリコンを採用した薄膜太陽電池よりも膜中酸素濃度の低下の度合いが著しいことが分かる。これは、非晶質シリコン系材料の方が柱状構造を持たないために、微結晶シリコンよりも水蒸気に対するガスバリア性が高いことによると考えられる。   From the results shown in FIG. 3, it can be seen that the oxygen concentration in the film decreases as the film thickness increases for the n layer of the lowermost cell in the three types of thin film solar cells. In particular, the thin film solar cell employing a-Si and a-SiO for the n-layer of the lowermost cell has a lower degree of oxygen concentration in the film than the thin-film solar cell employing polycrystalline silicon for the n-layer of the lowermost cell. It turns out that is remarkable. This is presumably because the amorphous silicon-based material does not have a columnar structure and thus has a higher gas barrier property against water vapor than microcrystalline silicon.

また、図3に示す結果から、非晶質シリコン系材料をn層に用いると、膜厚200nm以上で膜中酸素濃度が4×1019atoms/cm3以下になることも分かった。また、n層の膜厚が600nmを超えると、膜中酸素濃度の低下に顕著な低下が見られないことから、n層の膜厚は600nm以下が好ましいと考えられる。 From the results shown in FIG. 3, it was also found that when an amorphous silicon-based material is used for the n layer, the oxygen concentration in the film becomes 4 × 10 19 atoms / cm 3 or less when the film thickness is 200 nm or more. In addition, when the film thickness of the n layer exceeds 600 nm, no significant reduction is observed in the decrease in the oxygen concentration in the film, so it is considered that the film thickness of the n layer is preferably 600 nm or less.

<膜厚と光吸収の低下率との関係>
次に、3種類の薄膜太陽電池における最下層セルのn層の吸収係数データ、及びシミュレーションプログラムを用いてn層の光吸収の低下を導出した。シミュレーションプログラムとしては、入射光の散乱による光閉じ込めを考慮したシミュレーションプログラムを用いた。各種n層を適用したときに、本シミュレーション結果と実際の太陽電池の分光感度特性が良く一致することは別途確認済みである。
<Relationship between film thickness and reduction rate of light absorption>
Next, a decrease in the light absorption of the n layer was derived using the absorption coefficient data of the n layer of the lowest layer cell in the three types of thin film solar cells and a simulation program. As a simulation program, a simulation program considering light confinement due to scattering of incident light was used. It has been separately confirmed that the simulation results and the spectral sensitivity characteristics of the actual solar cell agree well when various n layers are applied.

図4は、n層の膜厚と、光吸収の低下率との関係を示すグラフである。
図4に示すように、微結晶Siを最下層セルのn層に採用した薄膜太陽電池に比べて非晶質シリコン系材料を最下層セルのn層に採用した薄膜太陽電池の方が、最下層セルのn層の膜厚の増加に伴って光吸収の低下率が小さくなっていることが分かる。これは、n層に入射する長波長光に対して、非晶質シリコン系材料の方が光吸収が小さいことに起因する。特に、a−SiOは光吸収の低下が微結晶Siの約半分になっている。そしてこれは、a−Si系ワイドギャップ合金材料の適用が有効であることを示唆している。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the film thickness of the n layer and the reduction rate of light absorption.
As shown in FIG. 4, the thin-film solar cell employing an amorphous silicon-based material for the n-layer of the lowermost cell is lower than the thin-film solar cell employing microcrystalline Si for the n-layer of the lowermost cell. It can be seen that the rate of decrease in light absorption decreases as the thickness of the n layer of the lower layer cell increases. This is because the light absorption of the amorphous silicon-based material is smaller with respect to the long wavelength light incident on the n layer. In particular, the decrease in light absorption of a-SiO is about half that of microcrystalline Si. This suggests that application of an a-Si wide gap alloy material is effective.

<膜厚と短絡光電流及び変換効率との関係>
図5は、3種類の薄膜太陽電池における最下層セルのn層の膜厚と、短絡光電流密度及び変換効率との関係を示すグラフであり、図5(a)は、3種類の薄膜太陽電池における最下層セルのn層の膜厚と、短絡光電流密度との関係を示すグラフであり、図5(b)は、3種類の薄膜太陽電池における最下層セルのn層の膜厚と、変換効率との関係を示すグラフである。
<Relationship between film thickness, short-circuit photocurrent and conversion efficiency>
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the film thickness of the n-layer of the lowest layer cell in three types of thin film solar cells, the short-circuit photocurrent density, and the conversion efficiency, and FIG. It is a graph which shows the relationship between the film thickness of n layer of the lowest layer cell in a battery, and a short circuit photocurrent density, FIG.5 (b) is the film thickness of n layer of the lowest layer cell in three types of thin film solar cells. It is a graph which shows the relationship with conversion efficiency.

図5(a),(b)に示すように、n層の膜厚に対する短絡光電流密度の傾向と、n層の膜厚に対する変換効率の傾向とは類似していることが分かる。特に、図5(b)では、3種類の薄膜太陽電池における最下層セルのn層の膜厚が200nm付近のときに変換効率のピークの存在を確認することができる。また、n層に微結晶Siを適用した薄膜太陽電池よりも、非晶質シリコン系材料を適用した薄膜太陽電池の方が、短絡光電流密度及び変換効率が高くなっていることが分かる。これは、前述したn層の高ガスバリア性及び低光吸収性によると考えられる。特に、光吸収が小さいa−SiOを採用した薄膜太陽電池の方が、a−Siを採用した薄膜太陽電池よりも変換効率が高くなっている。
このように、図3〜図5に示す結果から、非晶質シリコン系材料を用いてn層の膜厚を200nm〜600nmとすることが有効であると結論する。
As shown in FIGS. 5A and 5B, it can be seen that the tendency of the short-circuit photocurrent density with respect to the thickness of the n layer is similar to the tendency of the conversion efficiency with respect to the thickness of the n layer. In particular, in FIG. 5B, the presence of a peak of conversion efficiency can be confirmed when the thickness of the n layer of the lowermost cell in the three types of thin film solar cells is around 200 nm. It can also be seen that the thin film solar cell using amorphous silicon-based material has higher short-circuit photocurrent density and conversion efficiency than the thin film solar cell using microcrystalline Si for the n layer. This is considered to be due to the high gas barrier property and low light absorption property of the n layer described above. In particular, the conversion efficiency of the thin film solar cell employing a-SiO, which has low light absorption, is higher than that of the thin film solar cell employing a-Si.
As described above, from the results shown in FIGS. 3 to 5, it is concluded that it is effective to use an amorphous silicon-based material so that the thickness of the n layer is 200 nm to 600 nm.

<膜中酸素濃度とJSC低下率との関係>
図6は、図3〜図5の結果に基づいて、3種類の薄膜太陽電池における最下層セルのi層の膜中酸素濃度と、酸素に起因したJsc低下率との関係を示すグラフである。具体的には、3種類の薄膜太陽電池における最下層セルのn層について、光学吸収以外の低下成分を導出し、最下層セルのi層の膜中酸素量に対してプロットした。
<Relationship between oxygen concentration in film and JSC reduction rate>
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the oxygen concentration in the i-layer of the lowermost cell and the J sc decrease rate due to oxygen based on the results of FIGS. is there. Specifically, for the n layer of the lowermost layer cell in the three types of thin film solar cells, lower components other than optical absorption were derived and plotted against the amount of oxygen in the film of the i layer of the lowermost layer cell.

図6に示す結果から、3種類の薄膜太陽電池では、i層の膜中酸素濃度の増加に伴って、これに起因したJsc低下率が大きくなっていることが分かる。これは、図7に示すモデルで説明できる。すなわち、i層中に空間電荷がない場合は、図7(a)のように直線的な電界プロファイルであるが、酸素が増加するとこれがドナーイオンとして作用することによってバンドプロファイルが歪み、n層側にキャリア収集ができないデッドレイヤーが生ずると考えられる。 From the results shown in FIG. 6, it can be seen that in the three types of thin-film solar cells, the J sc decrease rate due to this increases as the oxygen concentration in the i-layer increases. This can be explained by the model shown in FIG. That is, when there is no space charge in the i layer, the electric field profile is linear as shown in FIG. 7A. However, when oxygen increases, this acts as a donor ion and the band profile is distorted. It is thought that there will be a dead layer where carriers cannot be collected.

図6の結果から、膜中酸素量は低い方が良いと考えられるが、量産対応で脱ガス時間を短縮すると膜中酸素量は増加する。すなわち、フィルム基板を用いた場合の膜中酸素量とスループットはトレードオフの関係にあると考えられる。
したがって、図6における酸素起因のJscの低下率を10%以下程度とすることが妥当な条件と考えられ、i層中の酸素濃度としては4×1019atoms/cm3以下とすることが妥当と考えられる。
From the results shown in FIG. 6, it is considered that the amount of oxygen in the film should be low. However, if the degassing time is shortened for mass production, the amount of oxygen in the film increases. That is, it is considered that the amount of oxygen in the film and the throughput when using a film substrate are in a trade-off relationship.
Therefore, it is considered appropriate to set the rate of decrease in J sc due to oxygen in FIG. 6 to about 10% or less, and the oxygen concentration in the i layer is set to 4 × 10 19 atoms / cm 3 or less. It is considered reasonable.

(第2の実施形態)
図8は、本発明に係る薄膜太陽電池の第2の実施形態における構造を示す断面図である。
図8に示すように、本実施形態は、i層6と第一電極2との間に形成される下層5をn層5a及びn/i界面層5bの二層構造とした点が、前述の第1の実施形態と異なる。
このような構成をなす本実施形態の薄膜太陽電池について、上述の第1の実施形態と同様に、n/i界面層5bの膜厚による依存性を調べた。なお、本実施形態においては、n層5aの材料をa−SiOとし、n/i界面層5bの材料をa−Siとした。また、n/i界面層5bは、モノシランを原料ガス、水素を希釈ガスとし、ドーピングガスを添加せずに成膜した。さらに、保護層としての条件を揃えるため、n層5aと、n/i界面層5bとの膜厚の合計を一定値(400nm)とした。
(Second Embodiment)
FIG. 8 is a cross-sectional view showing the structure in the second embodiment of the thin-film solar cell according to the present invention.
As shown in FIG. 8, in the present embodiment, the lower layer 5 formed between the i layer 6 and the first electrode 2 has a two-layer structure of an n layer 5a and an n / i interface layer 5b. This is different from the first embodiment.
Regarding the thin-film solar cell of the present embodiment having such a configuration, the dependency on the film thickness of the n / i interface layer 5b was examined as in the first embodiment. In the present embodiment, the material of the n layer 5a is a-SiO, and the material of the n / i interface layer 5b is a-Si. The n / i interface layer 5b was formed using monosilane as a source gas and hydrogen as a diluent gas, and without adding a doping gas. Furthermore, in order to make the conditions as a protective layer uniform, the total thickness of the n layer 5a and the n / i interface layer 5b was set to a constant value (400 nm).

このようにして得られたn/i界面層の膜厚と、Jsc及び変換効率との関係を図9に示す。図9(a)はn/i界面層の膜厚と、Jscとの関係を示す図であり、図9(b)は、n/i界面層の膜厚と、変換効率との関係を示す図である。図9(a)に示すように、n/i界面層の膜厚が大きくなる(n層の膜厚が小さくなる)に従って、Jscが増加していることがわかる。また、図9(b)に示すように、n/i界面層の膜厚が大きくなる(n層の膜厚が小さくなる)に従って、変換効率も増加していることがわかる。これは、n層がデッドレイヤーであるのに対し、n/i界面層がアクティブレイヤーであるため、n層の膜厚が薄くなるほど光吸収ロスが減少して、Jscが増加したことによる。これらの結果から、本実施形態によれば、前述の第1の実施形態よりも高い変換効率が得られることがわかった。 FIG. 9 shows the relationship between the film thickness of the n / i interface layer thus obtained, J sc, and conversion efficiency. FIG. 9A is a diagram showing the relationship between the film thickness of the n / i interface layer and J sc, and FIG. 9B shows the relationship between the film thickness of the n / i interface layer and the conversion efficiency. FIG. As shown in FIG. 9A, it can be seen that J sc increases as the thickness of the n / i interface layer increases (the thickness of the n layer decreases). Further, as shown in FIG. 9B, it can be seen that the conversion efficiency increases as the thickness of the n / i interface layer increases (the thickness of the n layer decreases). This is because the n layer is a dead layer, whereas the n / i interface layer is an active layer, so that the light absorption loss decreases as the film thickness of the n layer decreases, and J sc increases. From these results, it has been found that according to the present embodiment, higher conversion efficiency can be obtained than in the first embodiment.

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されずに、種々の変更、改良を行うことができる。例えば、光電変換層は複数層のpin構造によって構成されてもよい。また、本発明がタンデムあるいはトリプル構造の薄膜太陽電池の変換効率向上に有効であることは明らかである。また、本発明は、短冊状の電極をずらして積層されたサブストレート型太陽電池に対しても有効である。さらに、非晶質シリコン系材料は、a−Si及びa−SiO以外の材料でも良い。波長700nm以上の光に対する吸収係数が微結晶シリコンよりも低い非晶質シリコン系材料として、最もシンプルな材料はアモルファスシリコンであるが、合金化してバンドギャップを広くすると光吸収をより小さくする上で有効である。代表的な材料としては、アモルファスシリコンオキサイド、アモルファスシリコンカーバイド、アモルファスシリコンナイトライド、アモルファスシリコンオキシカーバイド、アモルファスシリコンオキシナイトライドが有効である。   As mentioned above, although embodiment of this invention has been described, this invention is not limited to this, A various change and improvement can be performed. For example, the photoelectric conversion layer may be configured by a plurality of pin structures. Further, it is apparent that the present invention is effective for improving the conversion efficiency of a tandem or triple structure thin film solar cell. The present invention is also effective for a substrate type solar cell in which strip-shaped electrodes are shifted and stacked. Furthermore, the amorphous silicon-based material may be a material other than a-Si and a-SiO. As an amorphous silicon-based material whose absorption coefficient for light with a wavelength of 700 nm or more is lower than that of microcrystalline silicon, the simplest material is amorphous silicon. However, when the band gap is widened by alloying, It is valid. As typical materials, amorphous silicon oxide, amorphous silicon carbide, amorphous silicon nitride, amorphous silicon oxycarbide, and amorphous silicon oxynitride are effective.

ここで、微結晶シリコン太陽電池は、i層の製膜条件によっては、大気中に1ヶ月程度放置すると特性が劣化することがある。この原因は、よくわかっていないが、微結晶シリコンの表面から柱状構造内部に酸素や水蒸気が侵入し、酸化するためではないかと考えられている。例えば、プラスチックフィルム基板上に、微結晶シリコンセルを用いてタンデムセル、あるいはトリプルセルを作製する場合、表面側は均質構造のa−Siトップセルによって保護されているが、裏面側は保護されていない。したがって、高温高湿試験等で裏面から水蒸気や酸素が侵入すると微結晶セルを劣化させる可能性がある。   Here, the characteristics of the microcrystalline silicon solar cell may deteriorate when left in the atmosphere for about one month depending on the film formation conditions of the i layer. The cause of this is not well understood, but it is thought that oxygen and water vapor enter the columnar structure from the surface of microcrystalline silicon and oxidize. For example, when a tandem cell or a triple cell is produced using a microcrystalline silicon cell on a plastic film substrate, the front side is protected by a homogeneous a-Si top cell, but the back side is protected. Absent. Therefore, if water vapor or oxygen enters from the back surface in a high temperature and high humidity test or the like, the microcrystalline cell may be deteriorated.

これに対し、本発明では、表面側だけでなく、裏面側も厚さ200nm〜600nmの非晶質シリコン系薄膜で保護されるため、水蒸気等の影響を完全にブロックすることができるという効果をも奏する。   On the other hand, in the present invention, not only the front side but also the back side is protected by an amorphous silicon thin film having a thickness of 200 nm to 600 nm, so that the influence of water vapor and the like can be completely blocked. Also play.

1 フィルム基板
2,3 金属電極
4 光電変換層
5 下層
5a n層
5b n/i界面層
6 i層
7 p層
8 透明電極
9 集電電極
10 集電ホール
11 直列接続ホール
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Film substrate 2,3 Metal electrode 4 Photoelectric conversion layer 5 Lower layer 5a n layer 5b n / i interface layer 6 i layer 7 p layer 8 Transparent electrode 9 Current collecting electrode 10 Current collecting hole 11 Series connection hole

Claims (4)

絶縁性の基板上に第一電極、光電変換層、及び第二電極を順次形成してなる薄膜太陽電池において、
前記光電変換層が、複数の非単結晶シリコン系薄膜からなるpin構造セルを一層又は複数層積層してなり、前記第一電極上に形成された最下層セルが、微結晶シリコン薄膜からなるi層を有し、前記最下層セルにおける前記i層の下層を膜厚200〜600nmの非晶質シリコン系材料としたことを特徴とする薄膜太陽電池。
In a thin film solar cell in which a first electrode, a photoelectric conversion layer, and a second electrode are sequentially formed on an insulating substrate,
The photoelectric conversion layer is formed by laminating one or more pin structure cells made of a plurality of non-single-crystal silicon thin films, and the lowermost cell formed on the first electrode is made of a microcrystalline silicon thin film. A thin-film solar cell comprising: an amorphous silicon-based material having a thickness of 200 to 600 nm as a lower layer of the i layer in the lowermost cell.
前記下層が、n層と、該n層に実質的に真性なn/i界面層との積層構造であることを特徴とする請求項1に記載の薄膜太陽電池。   The thin film solar cell according to claim 1, wherein the lower layer has a stacked structure of an n layer and an n / i interface layer substantially intrinsic to the n layer. 前記非晶質シリコン系材料が、アモルファスシリコン、アモルファスシリコンオキサイド、アモルファスシリコンカーバイド、アモルファスシリコンナイトライド、アモルファスシリコンオキシカーバイド、アモルファスシリコンオキシナイトライドのいずれかであることを特徴とする請求項1又は2に記載の薄膜太陽電池。   The amorphous silicon-based material is any one of amorphous silicon, amorphous silicon oxide, amorphous silicon carbide, amorphous silicon nitride, amorphous silicon oxycarbide, and amorphous silicon oxynitride. The thin film solar cell according to 1. 前記最下層セルのi層中の酸素濃度が、4×1019atoms/cm3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太陽電池。 4. The thin film solar cell according to claim 1, wherein an oxygen concentration in the i layer of the lowermost cell is 4 × 10 19 atoms / cm 3 or less.
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