JP2010135636A - 光電変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高い変換効率を得るためのトリプル型光電変換装置の適切な膜厚構成を提供する。
【解決手段】基板１上に、透明電極層２と、ｐｉｎ接合を有する電池層９１，９２，９３を３層積層された光電変換層３と、裏面電極層４とを備える光電変換装置１００であって、光の入射側に設けられた入射部の電池層９１が、膜厚が１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下の非晶質シリコンｉ層を有し、光の入射側に対して反対側に設けられた底部の電池層９３が、膜厚が７００ｎｍ以上１６００ｎｍ以下の結晶質シリコンゲルマニウムｉ層を有し、前記結晶質シリコンゲルマニウムｉ層中のゲルマニウム原子とシリコン原子との和に対する前記ゲルマニウム原子の割合が１５原子％以上２５原子％以下であり、前記入射部の電池層９１と前記底部の電池層９３との間に設けられた中間部の電池層９２が、膜厚が１０００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の結晶質シリコンｉ層を有することを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】基板１上に、透明電極層２と、ｐｉｎ接合を有する電池層９１，９２，９３を３層積層された光電変換層３と、裏面電極層４とを備える光電変換装置１００であって、光の入射側に設けられた入射部の電池層９１が、膜厚が１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下の非晶質シリコンｉ層を有し、光の入射側に対して反対側に設けられた底部の電池層９３が、膜厚が７００ｎｍ以上１６００ｎｍ以下の結晶質シリコンゲルマニウムｉ層を有し、前記結晶質シリコンゲルマニウムｉ層中のゲルマニウム原子とシリコン原子との和に対する前記ゲルマニウム原子の割合が１５原子％以上２５原子％以下であり、前記入射部の電池層９１と前記底部の電池層９３との間に設けられた中間部の電池層９２が、膜厚が１０００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の結晶質シリコンｉ層を有することを特徴とする。
【選択図】図１
Description
本発明は、光電変換装置に関し、特にトリプル型太陽電池に関する。
太陽光のエネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池に用いられる光電変換装置としては、ｐ型シリコン系半導体（ｐ層）、ｉ型シリコン系半導体（ｉ層）及びｎ型シリコン系半導体（ｎ層）の薄膜をプラズマＣＶＤ法等で製膜して形成したｐｉｎ接合を有する光電変換層を備えた薄膜シリコン系光電変換装置が知られている。
薄膜シリコン系光電変換装置の長所としては、結晶系光電変換装置に比べて大面積化が容易であり、また、光電変換層の膜厚が結晶系光電変換装置の１／１００程度であるために少量の材料にて生産可能な点が挙げられる。したがって、結晶系光電変換装置に比べ、光電変換層の生産に要する時間およびコストを低減させることが可能となる。一方、薄膜シリコン系光電変換装置の短所としては、結晶系光電変換装置に比べて変換効率が低い点が挙げられる。
変換効率を上げる手法としては、薄膜シリコン材料（非晶質シリコン、非晶質シリコンゲルマニウム、微結晶シリコン等）の膜の品質を向上させることの他、バンドギャップの異なる光電変換層を複数積層した多接合型光電変換装置、特に、光電変換層を３層積層したトリプル型光電変換装置を採用することが知られている。バンドギャップの異なる光電変換層を組み合わせることで、波長範囲の広い太陽光エネルギーの有効利用を図れるとともに、各変換素子におけるフォトンエネルギーの変換効率の向上が可能なことが主な理由である。
トリプル型光電変換装置として、例えば、光電変換層として光入射側から順にアモルファスシリコン層、微結晶シリコン層、及び微結晶シリコンゲルマニウム層が積層された構造（特許文献１）や、光入射側から順にアモルファスシリコン層、２層のアモルファスシリコンゲルマニウム層が積層された構造（特許文献２）が採用されている。
特開平１０−１２５９４４号公報
特開平７−２９７４２０号公報
特許文献１には、変換効率に優れ、光劣化率を低減させた光起電力素子を作製するために、ｐｉｎ接合を複数有する光起電力素子において、光入射側から数えて第一のｐｉｎ接合のｉ型半導体層がアモルファスシリコンを有し、第二のｐｉｎ接合のｉ型半導体層が微結晶シリコンを有し、第三のｐｉｎ接合のｉ型半導体層が微結晶シリコンゲルマニウムを有することを特徴とするスタックセルが有効であると記載されている。また、実用上必要な安定化変換効率を得るために、微結晶ＳｉＧｅのＧｅ組成比が４５％以上必要であると記載されている。この理由としては、上記Ｇｅ濃度が高くなるほどバンドギャップが狭くなり、長波長光を効率良く吸収することができるためである。
ところが、薄膜シリコン太陽電池変換効率を向上させるために微結晶シリコンゲルマニウム膜質向上を進める過程で、微結晶シリコンゲルマニウム膜も、アモルファスシリコンゲルマニウム膜と同様に、Ｇｅ濃度が増加するにつれて膜質が低下した結果、長波長光に対して高い感度を有する事が期待される高Ｇｅ濃度（Ｇｅ濃度４５％以上）であっても、発電電流が増加せず、むしろ性能が低下することが分かった。これは、高Ｇｅ濃度域では、微結晶シリコンゲルマニウムが実質的にｉ型からｐ型へ移行するためだと予想される。
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、高い変換効率を得るためのトリプル型光電変換装置の適切な膜厚構成を提供する。
高Ｇｅ濃度の微結晶シリコンゲルマニウムがｐ型化する原因は、膜中のダングリングボンドなどの欠陥が多く存在し、この欠陥が正孔供給源となるためと考えられる。本発明では、微結晶シリコンゲルマニウム中のＧｅ濃度をより低い濃度としたｐ型化を抑制できる条件において、微結晶シリコンゲルマニウム特有の高い長波長感度を生かしたトリプル構造光電変換装置を実現した。
すなわち、本発明の光電変換装置は、基板上に、透明電極層と、ｐｉｎ接合を有する電池層を３層積層させた光電変換層と、裏面電極層とを備える光電変換装置であって、前記電池層のうち、光の入射側に設けられた入射部の電池層が、膜厚が１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下の非晶質シリコンｉ層を有し、前記電池層のうち、光の入射側に対して反対側に設けられた底部の電池層が、膜厚が７００ｎｍ以上１６００ｎｍ以下の結晶質シリコンゲルマニウムｉ層を有し、前記結晶質シリコンゲルマニウムｉ層中のゲルマニウム原子とシリコン原子との和に対する前記ゲルマニウム原子の割合が１５原子％以上２５原子％以下であり、前記入射部の電池層と前記底部の電池層との間に設けられた中間部の電池層が、膜厚が８００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の結晶質シリコンｉ層を有することを特徴とする。
このように、電池層を３層積層させた光電変換層を備える光電変換装置において、底部の電池層の結晶質シリコンゲルマニウムｉ層中のゲルマニウム原子とシリコン原子との和に対するゲルマニウム原子の割合が１５原子％以上２５原子％以下の場合、各電池層のｉ層の膜厚が上記範囲内であれば、高い変換効率を有する光電変換装置を得ることができる。
この場合、前記結晶質シリコンｉ層の膜厚に対する前記結晶質シリコンゲルマニウムｉ層の膜厚の比が、０．６以上１．０以下であることが好ましい。
本発明者らの検討によって、結晶質シリコンｉ層の膜厚に対する結晶質シリコンゲルマニウムｉ層の膜厚の比と変換効率との間に強い相関が見られることを見出した。このように、結晶質シリコンｉ層の膜厚に対する結晶質シリコンゲルマニウムｉ層の膜厚の比が０．６以上１．０以下、好ましくは０．７以上１．０以下であれば、高い変換効率を有する光電変換装置を確実に得ることができる。
本発明の光電変換装置は、基板上に、透明電極層と、ｐｉｎ接合を有する電池層を３層積層された光電変換層と、裏面電極層とを備える光電変換装置であって、前記電池層のうち、光の入射側に設けられた入射部の電池層が、膜厚が１５０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下の非晶質シリコンｉ層を有し、前記電池層のうち、光の入射側に対して反対側に設けられた底部の電池層が、膜厚が１０００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下の結晶質シリコンゲルマニウムｉ層を有し、前記結晶質シリコンゲルマニウムｉ層中のゲルマニウム原子とシリコン原子との和に対する前記ゲルマニウム原子の割合が２５原子％より多く３５原子％以下であり、前記入射部の電池層と前記底部の電池層との間に設けられた中間部の電池層が、膜厚が１０００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下の結晶質シリコンｉ層を有することを特徴とする。
このように、電池層を３層積層させた光電変換層を備える光電変換装置において、底部の電池層の結晶質シリコンゲルマニウムｉ層中のゲルマニウム原子とシリコン原子との和に対するゲルマニウム原子の割合が２５原子％より多く３５原子％以下の場合、各電池層のｉ層の膜厚が上記範囲内であれば、高い変換効率を有する光電変換装置を得ることができる。
この場合、前記結晶質シリコンｉ層の膜厚に対する前記結晶質シリコンゲルマニウムｉ層の膜厚の比が、０．９以上１．６以下であることが好ましい。
このように、結晶質シリコンｉ層の膜厚に対する結晶質シリコンゲルマニウムｉ層の膜厚の比が０．９以上１．６以下、好ましくは１以上１．６以下であれば、高い変換効率を有する光電変換装置を確実に得ることができる。
本発明の光電変換装置は、基板上に、透明電極層と、ｐｉｎ接合を有する電池層を３層積層された光電変換層と、裏面電極層とを備える光電変換装置であって、前記電池層のうち、光の入射側に設けられた入射部の電池層が、膜厚が１５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の非晶質シリコンｉ層を有し、前記電池層のうち、光の入射側に対して反対側に設けられた底部の電池層が、膜厚が１０００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の結晶質シリコンゲルマニウムｉ層を有し、前記結晶質シリコンゲルマニウムｉ層中のゲルマニウム原子とシリコン原子との和に対する前記ゲルマニウム原子の割合が３５原子％より多く４５原子％以下であり、前記入射部の電池層と前記底部の電池層との間に設けられた中間部の電池層が、膜厚が１０００ｎｍ以上２５００ｎｍ以下の結晶質シリコンｉ層を有することを特徴とする。
このように、電池層を３層積層させた光電変換層を備える光電変換装置において、底部の電池層の結晶質シリコンゲルマニウムｉ層中のゲルマニウム原子とシリコン原子との和に対するゲルマニウム原子の割合が３５原子％より多く４５原子％以下の場合、各電池層のｉ層の膜厚が上記範囲内であれば、高い変換効率を有する光電変換装置を得ることができる。
この場合、前記結晶質シリコンｉ層の膜厚に対する前記結晶質シリコンゲルマニウムｉ層の膜厚の比が、０．７以上１．２以下であることが好ましい。
このように、結晶質シリコンｉ層の膜厚に対する結晶質シリコンゲルマニウムｉ層の膜厚の比が０．７以上１．２以下、好ましくは０．８以上１．１以下であれば、高い変換効率を有する光電変換装置を確実に得ることができる。
上記発明において、前記入射部の電池層と前記中間部の電池層との間に、中間コンタクト層を設けることができる。
中間コンタクト層を設けることにより、入射部の電池層を薄くできるとともに、光劣化を抑制して高い安定化出力を得ることができる。
上記発明において、前記底部の電池層と前記裏面電極層との間に、第２の透明電極層を設けることができる。
底部の電池層と裏面電極層との間に第２の透明電極層を設けることにより、裏面電極層の内部に染み込む光の電界強度分布が浅くかつ小さくすることができるため、裏面電極層での光吸収量を減少させることができる。
本発明によれば、電池層を３層積層させた光電変換層を備える光電変換装置において、底部の電池層の結晶質シリコンゲルマニウムｉ層中のゲルマニウム原子とシリコン原子との和に対するゲルマニウム原子の割合に対応させて、各電池層のｉ層の膜厚を上記の如く設定することにより、高い変換効率を有する光電変換装置を得ることができる。
＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る光電変換装置の構成について説明する。
図１は、本実施形態に係る光電変換装置の構成を示す概略図である。光電変換装置１００は、シリコン系太陽電池であり、基板１、第１透明電極層２、光電変換層３、第２透明電極層５、及び裏面電極層４を備える。光電変換層３は、非晶質シリコンｉ層を含む第１電池層９１（入射部の電池層）、結晶質シリコンｉ層を含む第２電池層９２（中間部の電池層）及び結晶質シリコンゲルマニウムｉ層を含む第３電池層９３（底部の電池層）を備える。ここで、結晶質シリコンとは、非晶質シリコン以外のシリコンを意味するものであり、微結晶シリコンや多結晶シリコンも含まれる。
本発明の第１実施形態に係る光電変換装置の構成について説明する。
図１は、本実施形態に係る光電変換装置の構成を示す概略図である。光電変換装置１００は、シリコン系太陽電池であり、基板１、第１透明電極層２、光電変換層３、第２透明電極層５、及び裏面電極層４を備える。光電変換層３は、非晶質シリコンｉ層を含む第１電池層９１（入射部の電池層）、結晶質シリコンｉ層を含む第２電池層９２（中間部の電池層）及び結晶質シリコンゲルマニウムｉ層を含む第３電池層９３（底部の電池層）を備える。ここで、結晶質シリコンとは、非晶質シリコン以外のシリコンを意味するものであり、微結晶シリコンや多結晶シリコンも含まれる。
次に、本実施形態の光電変換装置として、太陽電池パネルを製造する工程を図２から図５を用いて説明する。
（１）図２（ａ）
基板１としてソーダフロートガラス基板（例えば、１．４ｍ×１．１ｍ×板厚：３〜６ｍｍの一辺が１ｍを超える大面積基板）を使用する。基板端面は熱応力や衝撃などによる破損防止にコーナー面取りやＲ面取り加工されていることが望ましい。
基板１としてソーダフロートガラス基板（例えば、１．４ｍ×１．１ｍ×板厚：３〜６ｍｍの一辺が１ｍを超える大面積基板）を使用する。基板端面は熱応力や衝撃などによる破損防止にコーナー面取りやＲ面取り加工されていることが望ましい。
（２）図２（ｂ）
第１透明電極層２として酸化錫（ＳｎＯ２）を主成分とする膜厚約５００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の透明電極膜を、熱ＣＶＤ装置にて約５００℃で製膜する。この際、透明電極膜の表面には、適当な凹凸のあるテクスチャが形成される。透明電極層２として、透明電極膜に加えて、基板１と透明電極膜との間にアルカリバリア膜（図示されず）を形成しても良い。アルカリバリア膜は、膜厚５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の酸化シリコン膜（ＳｉＯ２）を熱ＣＶＤ装置にて約５００℃で製膜する。
第１透明電極層２として酸化錫（ＳｎＯ２）を主成分とする膜厚約５００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の透明電極膜を、熱ＣＶＤ装置にて約５００℃で製膜する。この際、透明電極膜の表面には、適当な凹凸のあるテクスチャが形成される。透明電極層２として、透明電極膜に加えて、基板１と透明電極膜との間にアルカリバリア膜（図示されず）を形成しても良い。アルカリバリア膜は、膜厚５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の酸化シリコン膜（ＳｉＯ２）を熱ＣＶＤ装置にて約５００℃で製膜する。
（３）図２（ｃ）
その後、基板１をＸ−Ｙテーブルに設置して、ＹＡＧレーザーの第１高調波（１０６４ｎｍ）を、図の矢印に示すように、透明電極層の層面側から入射する。加工速度が適切となるようにレーザーパワーを調整して、透明電極膜を発電セルの直列接続方向に対して垂直な方向へ、基板１とレーザー光を相対移動して、溝１０を形成するように幅約６ｍｍから１５ｍｍの所定幅の短冊状にレーザーエッチングする。
その後、基板１をＸ−Ｙテーブルに設置して、ＹＡＧレーザーの第１高調波（１０６４ｎｍ）を、図の矢印に示すように、透明電極層の層面側から入射する。加工速度が適切となるようにレーザーパワーを調整して、透明電極膜を発電セルの直列接続方向に対して垂直な方向へ、基板１とレーザー光を相対移動して、溝１０を形成するように幅約６ｍｍから１５ｍｍの所定幅の短冊状にレーザーエッチングする。
（４）図２（ｄ）
第１電池層９１として、非晶質シリコンｐ層、非晶質シリコンｉ層、結晶質シリコンｎ層をプラズマＣＶＤ装置により製膜する。ＳｉＨ４ガス及びＨ２ガスを主原料にして、減圧雰囲気：３０Ｐａ以上１０００Ｐａ以下、基板温度：約２００℃にて、透明電極層２上に太陽光の入射する側からｐ層、ｉ層、ｎ層の順で製膜する。非晶質シリコンｐ層は非晶質のボロンドープシリコン膜であり、膜厚１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。非晶質シリコンｉ層は、膜厚１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは１２０ｎｍ以上１６０ｎｍ以下である。結晶質シリコンｎ層はリンドープ結晶質シリコン膜であり、膜厚３０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。非晶質シリコンｐ層３１と非晶質シリコンｉ層３２の間には界面特性の向上のためにバッファー層を設けても良い。
第１電池層９１として、非晶質シリコンｐ層、非晶質シリコンｉ層、結晶質シリコンｎ層をプラズマＣＶＤ装置により製膜する。ＳｉＨ４ガス及びＨ２ガスを主原料にして、減圧雰囲気：３０Ｐａ以上１０００Ｐａ以下、基板温度：約２００℃にて、透明電極層２上に太陽光の入射する側からｐ層、ｉ層、ｎ層の順で製膜する。非晶質シリコンｐ層は非晶質のボロンドープシリコン膜であり、膜厚１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。非晶質シリコンｉ層は、膜厚１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは１２０ｎｍ以上１６０ｎｍ以下である。結晶質シリコンｎ層はリンドープ結晶質シリコン膜であり、膜厚３０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。非晶質シリコンｐ層３１と非晶質シリコンｉ層３２の間には界面特性の向上のためにバッファー層を設けても良い。
第１電池層９１上に、第２電池層９２として結晶質シリコン薄膜からなるｐ層、i層及びｎ層を、プラズマＣＶＤ装置により製膜する。ＳｉＨ４ガス及びＨ２ガスを主原料にして、減圧雰囲気：３０００Ｐａ以下、基板温度：約２００℃、プラズマ発生周波数：４０ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下にて、ｐ層、ｉ層、ｎ層の順で製膜する。結晶質シリコンｐ層はボロンドープした結晶質シリコン膜であり、膜厚１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。結晶質シリコンｉ層の膜厚は、１０００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下、好ましくは１０００ｎｍ以上１６００ｎｍ以下である。結晶質シリコンｎ層はリンドープした結晶質シリコン膜であり、膜厚２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。
第２電池層９３上に、第３電池層９３として結晶質シリコン薄膜からなるｐ層及びｎ層、結晶質シリコンゲルマニウム薄膜からなるｉ層を、プラズマＣＶＤ装置により製膜する。ＳｉＨ４ガス、ＧｅＨ４ガス及びＨ２ガスを主原料にして、減圧雰囲気：３０００Ｐａ以下、基板温度：約２００℃、プラズマ発生周波数：４０ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下にて、ｐ層、ｉ層、ｎ層の順で製膜する。ｐ層、ｎ層製膜時にはＧｅＨ４ガスは使用しない。結晶質シリコンゲルマニウムｉ層中のゲルマニウム原子とシリコン原子との和に対するゲルマニウム原子の割合（以下、Ｇｅ組成比と称する）は、原料ガスの流量比を調整することによって制御する。本実施形態において、Ｇｅ組成比は、１５原子％以上２５原子％以下とされる。結晶質シリコンゲルマニウムｐ層はボロンドープした結晶質シリコン膜であり、膜厚１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。結晶質シリコンゲルマニウムｉ層の膜厚は、７００ｎｍ以上１６００ｎｍ以下、好ましくは８００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下である。結晶質シリコンｎ層はリンドープした結晶質シリコン膜であり、膜厚１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。
本実施形態において、第２電池層９２の結晶質シリコンｉ層の膜厚に対する第３電池層９３の結晶質シリコンゲルマニウムｉ層の膜厚の比が、０．６以上１．０以下、好ましくは０．７以上１．０以下とされる。
第１電池層９１上に、第１電池層９１と第２電池層９２との接触性を改善するとともに電流整合性を取るために半反射膜となる中間コンタクト層を形成しても良い。中間コンタクト層として、ＤＣスパッタリング装置により、ターゲット：ＧａドープＺｎＯ焼結体を用いて、膜厚２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下のＧＺＯ（ＧａドープＺｎＯ）膜を形成する。
（５）図２（ｅ）
基板１をＸ−Ｙテーブルに設置して、レーザーダイオード励起ＹＡＧレーザーの第２高調波（５３２ｎｍ）を、図の矢印に示すように、光電変換層３の膜面側から入射する。パルス発振：１０ｋＨｚ以上２０ｋＨｚ以下として加工速度に適切となるようにレーザーパワーを調整して、透明電極層２のレーザーエッチングラインの約１００μｍから１５０μｍの横側を、溝１１を形成するようにレーザーエッチングする。またこのレーザーは基板１側から入射しても良い。この場合は光電変換層３の第１電池層９１で吸収されたエネルギーで発生する高い蒸気圧を利用できるので、更に安定したレーザーエッチング加工を行うことが可能となる。レーザーエッチングラインの位置は前工程でのエッチングラインと交差しないように位置決め公差を考慮して選定する。
基板１をＸ−Ｙテーブルに設置して、レーザーダイオード励起ＹＡＧレーザーの第２高調波（５３２ｎｍ）を、図の矢印に示すように、光電変換層３の膜面側から入射する。パルス発振：１０ｋＨｚ以上２０ｋＨｚ以下として加工速度に適切となるようにレーザーパワーを調整して、透明電極層２のレーザーエッチングラインの約１００μｍから１５０μｍの横側を、溝１１を形成するようにレーザーエッチングする。またこのレーザーは基板１側から入射しても良い。この場合は光電変換層３の第１電池層９１で吸収されたエネルギーで発生する高い蒸気圧を利用できるので、更に安定したレーザーエッチング加工を行うことが可能となる。レーザーエッチングラインの位置は前工程でのエッチングラインと交差しないように位置決め公差を考慮して選定する。
（６）図３（ａ）
裏面電極層４としてＡｇ膜をスパッタリング装置により減圧雰囲気、約１５０℃にて順次製膜する。裏面電極層４は本実施形態では、Ａｇ膜を膜厚２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下、これを保護するものとして防食効果の高いＴｉ膜：１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下をこの順に積層させたものとされる。また、Ｔｉ膜に変えてＡｌ膜：２５０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下としてもよい。ＴｉをＡｌとすることで、防食効果を保持しつつ、材料コストを低減することが可能となる。
さらに第３電池層のｎ層と裏面電極層４との接触抵抗低減と光反射向上を目的に、光電変換部３と裏面電極層４との間に膜厚５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下のＺｎＯ系膜（例えばＧＺＯ（ＧａドープＺｎＯ）膜）をスパッタリング装置により製膜して設ける。
裏面電極層４としてＡｇ膜をスパッタリング装置により減圧雰囲気、約１５０℃にて順次製膜する。裏面電極層４は本実施形態では、Ａｇ膜を膜厚２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下、これを保護するものとして防食効果の高いＴｉ膜：１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下をこの順に積層させたものとされる。また、Ｔｉ膜に変えてＡｌ膜：２５０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下としてもよい。ＴｉをＡｌとすることで、防食効果を保持しつつ、材料コストを低減することが可能となる。
さらに第３電池層のｎ層と裏面電極層４との接触抵抗低減と光反射向上を目的に、光電変換部３と裏面電極層４との間に膜厚５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下のＺｎＯ系膜（例えばＧＺＯ（ＧａドープＺｎＯ）膜）をスパッタリング装置により製膜して設ける。
（７）図３（ｂ）
基板１をＸ−Ｙテーブルに設置して、レーザーダイオード励起ＹＡＧレーザーの第２高調波（５３２ｎｍ）を、図の矢印に示すように、基板１側から入射する。レーザー光が光電変換層３で吸収され、このとき発生する高いガス蒸気圧を利用して裏面電極層４が爆裂して除去される。パルス発振：１ｋＨｚ以上１０ｋＨｚ以下として加工速度に適切となるようにレーザーパワーを調整して、透明電極層２のレーザーエッチングラインの約２５０μｍから４００μｍの横側を、溝１２を形成するようにレーザーエッチングする。
基板１をＸ−Ｙテーブルに設置して、レーザーダイオード励起ＹＡＧレーザーの第２高調波（５３２ｎｍ）を、図の矢印に示すように、基板１側から入射する。レーザー光が光電変換層３で吸収され、このとき発生する高いガス蒸気圧を利用して裏面電極層４が爆裂して除去される。パルス発振：１ｋＨｚ以上１０ｋＨｚ以下として加工速度に適切となるようにレーザーパワーを調整して、透明電極層２のレーザーエッチングラインの約２５０μｍから４００μｍの横側を、溝１２を形成するようにレーザーエッチングする。
（８）図３（ｃ）
発電領域を区分して、基板端周辺の膜端部においてレーザーエッチングによる直列接続部分が短絡し易い影響を除去する。基板１をＸ−Ｙテーブルに設置して、レーザーダイオード励起ＹＡＧレーザーの第２高調波（５３２ｎｍ）を、基板１側から入射する。レーザー光が透明電極層２と光電変換層３とで吸収され、このとき発生する高いガス蒸気圧を利用して裏面電極層４が爆裂して、裏面電極層４／光電変換層３／透明電極層２が除去される。パルス発振：１ｋＨｚ以上１０ｋＨｚ以下として加工速度に適切となるようにレーザーパワーを調整して、基板１の端部から５ｍｍから２０ｍｍの位置を、図３（ｃ）に示すように、Ｘ方向絶縁溝１５を形成するようにレーザーエッチングする。このとき、Ｙ方向絶縁溝は後工程で基板１周囲領域の膜面研磨除去処理を行うので、設ける必要がない。
発電領域を区分して、基板端周辺の膜端部においてレーザーエッチングによる直列接続部分が短絡し易い影響を除去する。基板１をＸ−Ｙテーブルに設置して、レーザーダイオード励起ＹＡＧレーザーの第２高調波（５３２ｎｍ）を、基板１側から入射する。レーザー光が透明電極層２と光電変換層３とで吸収され、このとき発生する高いガス蒸気圧を利用して裏面電極層４が爆裂して、裏面電極層４／光電変換層３／透明電極層２が除去される。パルス発振：１ｋＨｚ以上１０ｋＨｚ以下として加工速度に適切となるようにレーザーパワーを調整して、基板１の端部から５ｍｍから２０ｍｍの位置を、図３（ｃ）に示すように、Ｘ方向絶縁溝１５を形成するようにレーザーエッチングする。このとき、Ｙ方向絶縁溝は後工程で基板１周囲領域の膜面研磨除去処理を行うので、設ける必要がない。
絶縁溝１５は基板１の端より５ｍｍから１０ｍｍの位置にてエッチングを終了させることにより、太陽電池パネル端部からの太陽電池モジュール６内部への外部湿分浸入の抑制に、有効な効果を奏するので好ましい。
尚、以上までの工程におけるレーザー光はＹＡＧレーザーとしているが、ＹＶＯ４レーザーやファイバーレーザーなどが同様に使用できるものがある。
（９）図４（ａ）
後工程のＥＶＡ等を介したバックシート２４との健全な接着・シール面を確保するために、基板１周辺（周囲領域１４）の積層膜は、段差があるとともに剥離し易いため、積層膜を除去する。基板１の端から５ｍｍから２０ｍｍで基板１の全周囲にわたり、Ｘ方向は前述の図３（ｃ）工程で設けた絶縁溝１５よりも基板端側において、Ｙ方向は基板端側部付近の溝１０よりも基板端側において、裏面電極層４／光電変換層３／透明電極層２を、砥石研磨やブラスト研磨などを用いて除去を行う。研磨屑や砥粒は基板１を洗浄処理して除去する。
後工程のＥＶＡ等を介したバックシート２４との健全な接着・シール面を確保するために、基板１周辺（周囲領域１４）の積層膜は、段差があるとともに剥離し易いため、積層膜を除去する。基板１の端から５ｍｍから２０ｍｍで基板１の全周囲にわたり、Ｘ方向は前述の図３（ｃ）工程で設けた絶縁溝１５よりも基板端側において、Ｙ方向は基板端側部付近の溝１０よりも基板端側において、裏面電極層４／光電変換層３／透明電極層２を、砥石研磨やブラスト研磨などを用いて除去を行う。研磨屑や砥粒は基板１を洗浄処理して除去する。
（１０）図４（ｂ）
端子箱取付け部分はバックシート２４に開口貫通窓を設けて集電板を取出す。この開口貫通窓部分には絶縁材を複数層設置して外部からの湿分などの浸入を抑制する。
端子箱取付け部分はバックシート２４に開口貫通窓を設けて集電板を取出す。この開口貫通窓部分には絶縁材を複数層設置して外部からの湿分などの浸入を抑制する。
直列に並んだ一方端の太陽電池発電セルと、他方端部の太陽電池発電セルとから銅箔を用いて集電して太陽電池パネル裏側の端子箱部分から電力が取出せるように処理する。銅箔は各部との短絡を防止するために銅箔幅より広い絶縁シートを配置する。
集電用銅箔などが所定位置に配置された後に、太陽電池モジュール６の全体を覆い、基板１からはみ出さないようにＥＶＡ（エチレン酢酸ビニル共重合体）等による接着充填材シートを配置する。
ＥＶＡの上に、防水効果の高いバックシート２４を設置する。バックシート２４は本実施形態では防水防湿効果が高いようにＰＥＴシート／ＡＬ箔／ＰＥＴシートの３層構造よりなる。
バックシート２４までを所定位置に配置したものを、ラミネータにより減圧雰囲気で内部の脱気を行い約１５０℃から１６０℃でプレスしながら、ＥＶＡを架橋させて密着させる。
（１１）図５（ａ）
太陽電池モジュール６の裏側に端子箱２３を接着剤で取付ける。
太陽電池モジュール６の裏側に端子箱２３を接着剤で取付ける。
（１２）図５（ｂ）
銅箔と端子箱２３の出力ケーブルとをハンダ等で接続し、端子箱内部を封止剤（ポッティング剤）で充填して密閉する。これで太陽電池パネル５０が完成する。
銅箔と端子箱２３の出力ケーブルとをハンダ等で接続し、端子箱内部を封止剤（ポッティング剤）で充填して密閉する。これで太陽電池パネル５０が完成する。
（１３）図５（ｃ）
図５（ｂ）までの工程で形成された太陽電池パネル５０について発電検査ならびに、所定の性能試験を行う。発電検査は、ＡＭ１．５、全天日射基準太陽光（１０００Ｗ／ｍ２）のソーラシミュレータを用いて行う。
図５（ｂ）までの工程で形成された太陽電池パネル５０について発電検査ならびに、所定の性能試験を行う。発電検査は、ＡＭ１．５、全天日射基準太陽光（１０００Ｗ／ｍ２）のソーラシミュレータを用いて行う。
（１４）図５（ｄ）
発電検査（図５（ｃ））に前後して、外観検査をはじめ所定の性能検査を行う。
発電検査（図５（ｃ））に前後して、外観検査をはじめ所定の性能検査を行う。
＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態に係る光電変換装置において、第１電池層９１の非晶質シリコンｉ層の膜厚が、１５０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下、好ましくは１６０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とされる。第２電池層９２の結晶質シリコンｉ層の膜厚が、１０００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下、好ましくは１６００ｎｍ以上２４００ｎｍとされる。第３電池層９３の結晶質シリコンゲルマニウムｉ層におけるＧｅ組成比は、２５原子より多く３５原子％以下とされ、膜厚が、１０００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下、好ましくは１５００ｎｍ以上２５００ｎｍ以下とされる。
本発明の第２実施形態に係る光電変換装置において、第１電池層９１の非晶質シリコンｉ層の膜厚が、１５０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下、好ましくは１６０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とされる。第２電池層９２の結晶質シリコンｉ層の膜厚が、１０００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下、好ましくは１６００ｎｍ以上２４００ｎｍとされる。第３電池層９３の結晶質シリコンゲルマニウムｉ層におけるＧｅ組成比は、２５原子より多く３５原子％以下とされ、膜厚が、１０００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下、好ましくは１５００ｎｍ以上２５００ｎｍ以下とされる。
第２実施形態において、第２電池層９２の結晶質シリコンｉ層の膜厚に対する第３電池層９３の結晶質シリコンゲルマニウムｉ層の膜厚の比は、０．９以上１．６以下、好ましくは１．１以上１．６以下とされる。
＜第３実施形態＞
本発明の第３実施形態に係る光電変換装置において、第１電池層９１の非晶質シリコンｉ層の膜厚が、１５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下、好ましくは１６０ｎｍ以上２４０ｎｍ以下とされる。第２電池層９２の結晶質シリコンｉ層の膜厚が、１０００ｎｍ以上２５００ｎｍ以下、好ましくは１４００ｎｍ以上２０００ｎｍとされる。また、第３電池層９３の結晶質シリコンゲルマニウムｉ層におけるＧｅ組成比は、３５原子％より多く４５原子％以下とされ、膜厚が、１０００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下、好ましくは１２００ｎｍ以上１８００ｎｍ以下とされる。
本発明の第３実施形態に係る光電変換装置において、第１電池層９１の非晶質シリコンｉ層の膜厚が、１５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下、好ましくは１６０ｎｍ以上２４０ｎｍ以下とされる。第２電池層９２の結晶質シリコンｉ層の膜厚が、１０００ｎｍ以上２５００ｎｍ以下、好ましくは１４００ｎｍ以上２０００ｎｍとされる。また、第３電池層９３の結晶質シリコンゲルマニウムｉ層におけるＧｅ組成比は、３５原子％より多く４５原子％以下とされ、膜厚が、１０００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下、好ましくは１２００ｎｍ以上１８００ｎｍ以下とされる。
第３実施形態において、第２電池層９２の結晶質シリコンｉ層の膜厚に対する第３電池層９３の結晶質シリコンゲルマニウムｉ層の膜厚の比は、０．７以上１．２以下、好ましくは０．８以上１．１以下とされる。
（実施例１）
ガラス基板１上に、第１透明電極層２、第１電池層９１、第２電池層９２、第３電池層９３、第２透明電極層５、裏面電極層４を順次積層させた太陽電池セルの構造モデルについて、ガラス基板側から光が入射した場合のＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）法による光学解析計算を行った。
ガラス基板１上に、第１透明電極層２、第１電池層９１、第２電池層９２、第３電池層９３、第２透明電極層５、裏面電極層４を順次積層させた太陽電池セルの構造モデルについて、ガラス基板側から光が入射した場合のＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）法による光学解析計算を行った。
第１透明電極層２は、第１電池層との界面が山型の凹凸が存在するテクスチャ構造を有すると仮定した。第１透明電極層２の膜厚を７００ｎｍ、テクスチャ構造の平均ピッチ（１周期分の幅）４００ｎｍ以上８００ｎｍ以下、仰角（ガラス基板面からの角度）３０°とした。
第１電池層９１は、非晶質シリコンｐ層の膜厚を１０ｎｍ、結晶質シリコンｎ層の膜厚を４０ｎｍとした。非晶質シリコンｉ層の膜厚を、１２０ｎｍ、１４０ｎｍ、１６０ｎｍに設定した。
第２電池層９２は、結晶質シリコンｐ層の膜厚を３０ｎｍ、結晶質シリコンｎ層の膜厚を３０ｎｍとした。結晶質シリコンｉ層の膜厚を、１０００ｎｍから１６００ｎｍの範囲で適宜設定した。
第３電池層９３は、結晶質シリコンｐ層の膜厚を３０ｎｍ、結晶質シリコンｎ層の膜厚を３０ｎｍとした。結晶質シリコンゲルマニウムｉ層のＧｅ組成比を２０原子％とし、膜厚を８００ｎｍから１２００ｎｍの範囲で適宜設定した。
第２電池層９２は、結晶質シリコンｐ層の膜厚を３０ｎｍ、結晶質シリコンｎ層の膜厚を３０ｎｍとした。結晶質シリコンｉ層の膜厚を、１０００ｎｍから１６００ｎｍの範囲で適宜設定した。
第３電池層９３は、結晶質シリコンｐ層の膜厚を３０ｎｍ、結晶質シリコンｎ層の膜厚を３０ｎｍとした。結晶質シリコンゲルマニウムｉ層のＧｅ組成比を２０原子％とし、膜厚を８００ｎｍから１２００ｎｍの範囲で適宜設定した。
第２透明電極層５は、膜厚８０ｎｍのＧＺＯ膜とした。裏面電極層４は、膜厚１６０ｎｍのＡｇ膜とした。
第１電池層から裏面電極層までの各層の界面の形状は、第１透明電極層と同一形状と仮定した。また、第１電池層乃至第３電池層の各層の媒質データは、実測した電流特性から得た値を用いた。従って、本計算においては、電子の再結合による損失も考慮するため、実際の太陽電池セルの変換効率に近い値を得ることができる。
図６は、実施例１の太陽電池セルにおける第２電池層の結晶質シリコンｉ層の膜厚と変換効率との関係を表すグラフである。同図において、横軸は結晶質シリコンｉ層の膜厚、縦軸は変換効率である。図７は、実施例１の太陽電池セルにおける第３電池層の結晶質シリコンゲルマニウムｉ層の膜厚と変換効率との関係を表すグラフである。同図において、横軸は結晶質シリコンゲルマニウムｉ層の膜厚、縦軸は変換効率である。結晶質シリコンｉ層及び結晶質シリコンゲルマニウムｉ層が同じ膜厚であっても、変換効率にばらつきが見られた。
図８は、実施例１の太陽電池セルにおける結晶質シリコンｉ層の膜厚に対する結晶質シリコンゲルマニウムｉ層の膜厚の比と変換効率との関係を表すグラフである。同図において、横軸は膜厚比（結晶質シリコンゲルマニウムｉ層膜厚／結晶質シリコンｉ層膜厚）、縦軸は変換効率である。膜厚比が０．６以上１．０以下の範囲で、太陽電池セルの変換効率が１２〜１３％程度となり、高い変換効率を得ることができた。
（実施例２）
実施例１と同じ太陽電池セルの構造モデルについて、光学解析計算を行った。実施例２では、第１電池層９１の非晶質シリコンｉ層の膜厚を１２０ｎｍ及び１６０ｎｍとした。第２電池層９２の結晶質シリコンｉ層の膜厚を、１６００ｎｍから２４００ｎｍの範囲で適宜設定した。第３電池層９３の結晶質シリコンゲルマニウムｉ層のＧｅ組成比を３０原子％とし、膜厚を１５００ｎｍから２５００ｎｍの範囲で適宜設定した。
実施例１と同じ太陽電池セルの構造モデルについて、光学解析計算を行った。実施例２では、第１電池層９１の非晶質シリコンｉ層の膜厚を１２０ｎｍ及び１６０ｎｍとした。第２電池層９２の結晶質シリコンｉ層の膜厚を、１６００ｎｍから２４００ｎｍの範囲で適宜設定した。第３電池層９３の結晶質シリコンゲルマニウムｉ層のＧｅ組成比を３０原子％とし、膜厚を１５００ｎｍから２５００ｎｍの範囲で適宜設定した。
図９は、実施例２の太陽電池セルにおける第２電池層の結晶質シリコンｉ層の膜厚と変換効率との関係を表すグラフである。同図において、横軸は結晶質シリコンｉ層の膜厚、縦軸は変換効率である。図１０は、実施例２の太陽電池セルにおける第３電池層の結晶質シリコンゲルマニウムｉ層の膜厚と変換効率との関係を表すグラフである。同図において、横軸は結晶質シリコンゲルマニウムｉ層の膜厚、縦軸は変換効率である。結晶質シリコンｉ層、及び、結晶質シリコンゲルマニウムｉ層が同じ膜厚であっても、変換効率にばらつきがあった。
図１１は、実施例２の太陽電池セルにおける結晶質シリコンｉ層の膜厚に対する結晶質シリコンゲルマニウムｉ層の膜厚の比と変換効率との関係を表すグラフである。同図において、横軸は膜厚比、縦軸は変換効率である。膜厚比が０．９以上１．６以下の範囲で、太陽電池セルの変換効率が１３％以上となり、高い変換効率を得ることができた。
（実施例３）
実施例１と同じ太陽電池セルの構造モデルについて、光学解析計算を行った。実施例３では、第１電池層９１の非晶質シリコンｉ層の膜厚を２００ｎｍとした。第２電池層９２の結晶質シリコンｉ層の膜厚を、１４００ｎｍから１８００ｎｍの範囲で適宜設定した。第３電池層９３の結晶質シリコンゲルマニウムｉ層のＧｅ組成比を４０原子％とし、膜厚を１４００ｎｍから１８００ｎｍの範囲で適宜設定した。
実施例１と同じ太陽電池セルの構造モデルについて、光学解析計算を行った。実施例３では、第１電池層９１の非晶質シリコンｉ層の膜厚を２００ｎｍとした。第２電池層９２の結晶質シリコンｉ層の膜厚を、１４００ｎｍから１８００ｎｍの範囲で適宜設定した。第３電池層９３の結晶質シリコンゲルマニウムｉ層のＧｅ組成比を４０原子％とし、膜厚を１４００ｎｍから１８００ｎｍの範囲で適宜設定した。
図１２は、実施例３の太陽電池セルにおける第２電池層の結晶質シリコンｉ層の膜厚と変換効率との関係を表すグラフである。同図において、横軸は結晶質シリコンｉ層の膜厚、縦軸は変換効率である。図１３は、実施例３の太陽電池セルにおける第３電池層の結晶質シリコンゲルマニウムｉ層の膜厚と変換効率との関係を表すグラフである。同図において、横軸は結晶質シリコンゲルマニウムｉ層の膜厚、縦軸は変換効率である。結晶質シリコンｉ層、及び、結晶質シリコンゲルマニウムｉ層が同じ膜厚であっても、変換効率にばらつきがあった。
図１４は、実施例３の太陽電池セルにおける結晶質シリコンｉ層の膜厚に対する結晶質シリコンゲルマニウムｉ層の膜厚の比と変換効率との関係を表すグラフである。同図において、横軸は膜厚比、縦軸は変換効率である。膜厚比が０．８以上１．２以下の範囲で、太陽電池セルの変換効率が１４〜１５％程度となり、非常に高い変換効率を得ることができた。
１ 基板
２ 第１透明電極層
３ 光電変換層
４ 裏面電極層
５ 第２透明電極層
９１ 第１電池層
９２ 第２電池層
９３ 第３電池層
１００ 光電変換装置
２ 第１透明電極層
３ 光電変換層
４ 裏面電極層
５ 第２透明電極層
９１ 第１電池層
９２ 第２電池層
９３ 第３電池層
１００ 光電変換装置
Claims (8)
- 基板上に、透明電極層と、ｐｉｎ接合を有する電池層を３層積層させた光電変換層と、裏面電極層とを備える光電変換装置であって、
前記電池層のうち、光の入射側に設けられた入射部の電池層が、膜厚が１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下の非晶質シリコンｉ層を有し、
光の入射側に対して反対側に設けられた底部の電池層が、膜厚が７００ｎｍ以上１６００ｎｍ以下の結晶質シリコンゲルマニウムｉ層を有し、前記結晶質シリコンゲルマニウムｉ層中のゲルマニウム原子とシリコン原子との和に対する前記ゲルマニウム原子の割合が１５原子％以上２５原子％以下であり、
前記入射部の電池層と前記底部の電池層との間に設けられた中間部の電池層が、膜厚が８００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の結晶質シリコンｉ層を有することを特徴とする光電変換装置。 - 前記結晶質シリコンｉ層の膜厚に対する前記結晶質シリコンゲルマニウムｉ層の膜厚の比が、０．６以上１．０以下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。
- 基板上に、透明電極層と、ｐｉｎ接合を有する電池層を３層積層させた光電変換層と、裏面電極層とを備える光電変換装置であって、
前記電池層のうち、光の入射側に設けられた入射部の電池層が、膜厚が１５０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下の非晶質シリコンｉ層を有し、
光の入射側に対して反対側に設けられた底部の電池層が、膜厚が１０００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下の結晶質シリコンゲルマニウムｉ層を有し、前記結晶質シリコンゲルマニウムｉ層中のゲルマニウム原子とシリコン原子との和に対する前記ゲルマニウム原子の割合が２５原子％より多く３５原子％以下であり、
前記入射部の電池層と前記底部の電池層との間に設けられた中間部の電池層が、膜厚が１０００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下の結晶質シリコンｉ層を有することを特徴とする光電変換装置。 - 前記結晶質シリコンｉ層の膜厚に対する前記結晶質シリコンゲルマニウムｉ層の膜厚の比が、０．９以上１．６以下であることを特徴とする請求項３に記載の光電変換装置。
- 基板上に、透明電極層と、ｐｉｎ接合を有する電池層を３層積層させた光電変換層と、裏面電極層とを備える光電変換装置であって、
前記電池層のうち、光の入射側に設けられた入射部の電池層が、膜厚が１５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の非晶質シリコンｉ層を有し、
光の入射側に対して反対側に設けられた底部の電池層が、膜厚が１０００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の結晶質シリコンゲルマニウムｉ層を有し、前記結晶質シリコンゲルマニウムｉ層中のゲルマニウム原子とシリコン原子との和に対する前記ゲルマニウム原子の割合が３５原子％より多く４５原子％以下であり、
前記入射部の電池層と前記底部の電池層との間に設けられた中間部の電池層が、膜厚が１０００ｎｍ以上２５００ｎｍ以下の結晶質シリコンｉ層を有することを特徴とする光電変換装置。 - 前記結晶質シリコンｉ層の膜厚に対する前記結晶質シリコンゲルマニウムｉ層の膜厚の比が、０．７以上１．２以下であることを特徴とする請求項５に記載の光電変換装置。
- 前記入射部の電池層と前記中間部の電池層との間に、中間コンタクト層を有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
- 前記底部の電池層と前記裏面電極層との間に、第２の透明電極層を有することを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の光電変換装置。
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