JP2010135708A

JP2010135708A - 太陽電池の透明導電薄膜電極及びその製造方法

Info

Publication number: JP2010135708A
Application number: JP2008335892A
Authority: JP
Inventors: Akitoshi O; 明利王; Shiki O; 之▲キ▼ 王
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-12-03
Filing date: 2008-12-03
Publication date: 2010-06-17

Abstract

【課題】光電変換効率がすくなかったものを大幅に増すことができるとともに、製造コストが安く、酸化物薄膜を薄くすることができる。
【解決手段】太陽電池受光面上の薄い金属網（または島状）と透明酸化物導電薄膜で積層構成する透明導電薄膜電極を用い、前記薄い金属の網はＡｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｏ中の少なくとも一つの金属または合金材料から成り、その厚さを１ｎｍから３０ｎｍ範囲にするのが好ましい。また、薄膜太陽電池の透明導電薄膜電極上に減反射効果を有するＭｇＦ２、ＳｉＯ２などの誘電体薄膜を積層するのが好ましい。
【選択図】図４

Description

本発明は薄膜太陽能電池の透明導電薄膜電極に関する

今日、太陽電池は最も期待されている中、非晶質、多晶質シリコン太陽電池と化合物ＣＩＧＳ薄膜太陽電池用透明導電薄膜として、酸化スズ系の薄膜（例えば、ＳｎＯ２：Ｆ）または酸化インジウム系の薄膜（例えば、Ｉｎ２Ｏ３：Ｓｎ）が現在の主力となっている。

近年、安価な材料である酸化亜鉛系の薄膜が注目されている。
非晶質、多晶質シリコン太陽電池に用いる透明導電膜の透明性と導電性が高いことから、太陽光を有効利用するために、その表面を凹凸構造にすることが好ましいとされている（日本特許２００１−１５７８７）。

一般的に、シリコン太陽電池においては、ガラス基板の透明電極に凹凸の面形をもたせ、光を基板側（透明電極との反対側）から入射する構造として、光閉じ込め効果を発現させている。凹凸膜の形成法としては、酸化スズ系の薄膜に四塩化スズ（ＳｎＣｌ４）やテトラメチルスズ（Ｓｎ（ＣＨ３）４）を原料とし、熱ＣＶＤにより形成される。また、酸化亜鉛系の膜にジェチル亜鉛（Ｚｎ（Ｃ２Ｈ５）２）と水を原料としたＭＯＣＶＤ（有機金属化学蒸着法）によって形成される
（ＴｈｅＴｅｃｈｎｉｃａｌｄｉｇｅｓｔｏｆｔｈｅ５ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＰｈｏｖｏｌｔａｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（１９９０）１０３２）。

透光性基板側から入射された光を有効に光電変換ニュット内に閉じ込めるために、その表面には通常微細な凹凸が多数形成されており、その高低差は一般的には１００ｎｍ〜３００ｎｍ程度である。１００ｎｍより薄いと酸化亜鉛系透明導電薄膜の凹凸構造が現れにくくなり、４００ｎｍ厚さを越えると凹凸テクスチャ化構造が現れる。４００ｎｍ厚さを越えるＺｎＯ系薄膜の透過率は約８２％である。１０００ｎｍ厚さを超えると薄膜の形成時間がかかるため実用化が出来ず、さらに薄膜の吸収は多く、光エネルギーの損失が多くなる。図１は４００ｎｍ厚さのＺｎＯ：Ａｌ薄膜のスペクトル曲線である。

ＣＩＧＳ系太陽電池の構造を図２に示す。
青板ガラス基板上にＭｏを裏面薄膜電極としてスパッタ法で作製し、その上面にＣＩＧＳ薄膜層を作製する（２μｍ）、さらにバッファ−膜層として化学析出（ＣＢＤ）法でＣｄＳ膜層（５０ｎｍ〜１００ｎｍ）、ＺｎＯ半絶縁膜層、ＺｎＯ２：Ａｌ透明導電薄膜（０．６μｍ）をそれぞれスパッタで、ＭｇＦ２反射防止膜を真空蒸着法で作製する。
上述の各種透明導電薄膜の厚さは約４００ｎｍ〜６００ｎｍ程度、シート抵抗値は約１０−２０Ω／□、透過率は約７０％である。

ＣＩＧＳ系タンデム型太陽電池の実現に上部セルの高透過率が必要な条件である、このために、透光性裏面電極の利用や光吸収層膜厚さの最適化も必要となる。裏面電極の材料には、インジウム、スズ酸化物（ＩＴＯ）やフッ素添加スズ酸化物（ＳｎＯ２：Ｆ）などの透明導電膜が用いられている。また、透明導電膜自身によって長波長領域の自由電子吸収による透過率の低下も問題になる。Ｓｉ系薄膜太陽電池に対する本発明はガラス基板／凹凸テクスチャ化電極／光電変換層／透明導電薄膜を採用し、ＣＩＧＳ系太陽電池に対して透明導電薄膜（表面電極）を直接受光面とする。

光電変換効率がすくなかったものを大幅に増すことが出来る。
本発明は製造コストが安く・酸化物薄膜を薄くすることができる。

太陽電池受光面上に透明導電薄膜電極を積層構成する薄い金属網と透明酸化物導電薄膜を用いる。

本発明の透明導電膜は凹凸表面または化合物表面に薄い金属網、酸化物導電薄膜を蒸着し、その酸化物導電薄膜上に反射防止薄膜を再蒸着することができる。金属網の材料としてはＡｇ，Ａｌなどそれぞれ金属材料または合金で厚さ１ｎｍ〜５０ｎｍであり、特に、１ｎｍ〜１０ｎｍであることが好ましい。酸化物導電薄膜の厚さは２０ｎｍ〜１０００ｎｍ、特に５０ｎｍ〜２００ｎｍであることが好ましい。
本発明の透明導電電極の透過率は＞８０％になる（波長は４００ｎｍ〜１０００ｎｍ）。シリコン表面凹凸テクスチャ（Ｔｅｘｔｕｒｅ）構造は光を反射させ、入射光の光路長さを実効的に増大し、導電率のＳｈｅｅｔ抵抗値が５Ω／□以下になる。
これを太陽電池に用いた場合、光電変換効率が大幅に増える。
本発明の製造コストは安く、酸化物薄膜は薄くすることができる。

基板プラスチックフィルム上に凹凸表面の構造、裏面電極、銀薄膜電極を順番に形成することで、具体の作製する方法はＺｎＯやＳｎＯ２などの微量酸化物を含有した銀ターグットとＡｒガス用スパッタリングにより銀電極を製膜したところで電極薄膜の表面に凹凸表面形状を形成しそして凹凸表面を基礎として、シリコン多層薄膜を蒸着する。シリコン薄膜の表面形状が蒸着する各種パラメーターの調整によって凹凸表面のよい形状になる様に制御し、シリコン凹凸表面形状が形成してから透明導電の網状層をスパッタリング方法で６ｎｍ厚さの銀網に形成する。銀網の厚さは精密制御のためスパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒ）の速率を１−２Å／Ｓに守らなければならない。金属銀網の形態は不連続の網状構造である。
金属銀網を形成してからスパッタリングで（ｓｐｕｔｔｅｒ）６０ｎｍ厚さのＳｎＯ２薄膜を形成する。スパッタリングする速率は１０Å／Ｓに、温度を２００度に守る。
図３は新しい透明導電電極のスペクトル曲線である。
ＺｎＯ２：Ａｌ薄膜を形成後にスパッタリング蒸着方法で２０ｎｍ厚さのＳｉＯ２薄膜を完成させると、それは減反射効果となる。

フレキシブル基板としては厚さ２５μｍのＴｉ箔を用いるが，ＣＩＳ太陽電池との熱膨張の差があるため、基板の彎曲が発生し、これを防ぐ為にＴｉ箔を金属フレームに固定する。Ｔｉ箔を金属フレームに固定することで、フレキシブル基板を用いた場合にもガラス基板を用いる場合と同様に取り扱うことができる。
まず、Ｔｉ箔の表面に付着している異物や有機物質を洗浄し、次に厚さ１．２μｍのＭｏ膜層をＤＣスパッタ法で形成する。更にこのＭｏ膜層上にＣＩＧＳ光吸収層を同時蒸着法で形成する。基板温度はガラス基板を用いる場合と同様の５５０度である。この際に、もっとも重要なことはＣＩＧＳ光吸収層へのＮａを供給することである。ソーダライムガラスを基板に用いる場合にガラス基板からＣＩＧＳ層にＮａが拡散するので、Ｎａを添加しなくても高効率セルが得られる。厚さ５０ｎｍのＣｄＳ膜層をＣＢＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＢａｔｈＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で形成し、次に６μｍＡｇをＤＣスパッタ法で形成する，厚さ６０ｎｍのＺｎＯ：Ａｌ膜層をＲｆスパッタ法で形成する。その上にＡｌＮｉのグリッド電極を形成する。

４００ｎｍ厚さのＺｎＯ：Ａｌ薄膜のスペクトル曲線を表す。ＣＩＧＳ系太陽電池の構造を表す説明である。本発明を表すスペクトル曲線である。本発明を表すＣＩＧＳ系太陽電池の構造である。

Claims

太陽電池受光面上の薄い金属網（または島状）と透明酸化物導電薄膜で積層構成する透明導電薄膜電極。
請求項１に記載の薄い金属の網はＡｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｏ中の少なくとも一つの金属または合金材料から成り、その厚さを１ｎｍから３０ｎｍ範囲を特徴とする薄膜太陽電池の透明導電薄膜電極。
請求項１に記載の透明酸化物導電薄膜の材料はＳｎＯ２，ＺｎＯ：Ａｌ，ＩＴＯなどＴＣＯ酸化物材料から成り、その厚さを４２０ｎｍから２０００ｎｍ範囲を特徴とする薄膜太陽電池の透明導電薄膜電極。
請求項１に記載の薄膜太陽電池の透明導電薄膜電極において、太陽電池受光面に形成し、請求項２あるいは請求項３に記載した薄膜の構成材料の１種類導電性材料を有したことを特徴とする太陽電池の透明導電薄膜電極。
請求項１に記載の薄膜太陽電池の透明導電薄膜電極上に減反射効果を有するＭｇＦ２、ＳｉＯ２などの誘電体薄膜。