JP2010287715A - 薄膜太陽電池およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光利用効率を向上させて発電効率を向上させるとともに、その効果を維持することが可能な薄膜太陽電池およびその製造方法を得ること。
【解決手段】透光性絶縁基板１上に透明電極層３と光電変換層４と裏面電極層５とが順に積層された複数の単位太陽電池セル２が所定の方向に配列され、各単位太陽電池セル２が直列に接続されて構成された太陽電池において、反射構造体１０を備える。この反射構造体１０は、頂部の内角が鋭角となるように交わる２つの光反射面を有し、頂部が透光性絶縁基板１の光の入射面側に配置された状態で、透光性絶縁基板１内部の単位太陽電池セル２間の接続部分に対応する位置に埋置される。
【選択図】図２

Description

本発明は、薄膜太陽電池およびその製造方法に関する。

従来から、太陽光をエネルギー源とする光電変換装置である薄膜太陽電池が知られている。この薄膜太陽電池の大面積化されたモジュールは、大面積の基板上に複数の単位太陽電池セルが互いに所定の間隔を隔てて配列された構造を有し、各単位太陽電池セルが電気的に直列接続されて構成されている。

ところで、隣接する単位太陽電池セル間を接続する接続部分は、発電効果の得られない非発電領域として存在するため、その分光利用効率が低下し、発電効率が低下してしまう。この種の問題を解決するための技術として、この非発電領域に入射する光を発電領域へと導くようにしたものが知られている（例えば特許文献１を参照）。この特許文献１では、薄膜太陽電池の光の入射側の面の非発電領域に対応する位置を透明カバーで覆って非平面部を形成し、この非平面部に対する入射光を屈折させて発電領域へと導くようにしている。

特開昭６３−２２６９７１号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、非平面部を形成することで薄膜太陽電池の光の入射側の面に凹凸が発生してしまい、この凹凸部分に汚れが付着・蓄積して発電効率が低下するという問題があった。特に、薄膜太陽電池を屋外に設置して使用する場合、風雨などによって汚れが付着・蓄積し易い。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光利用効率を向上させて発電効率を向上させるとともに、その効果を維持することが可能な薄膜太陽電池およびその製造方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、透光性絶縁基板に対し、透明電極層、光電変換層および裏面電極層が順に積層された複数の光電変換セルが所定の間隔を隔てて配列され、各光電変換セルが直列に接続されて構成された薄膜太陽電池において、前記透光性絶縁基板内部の前記光電変換セル間の接続部分に対応する位置に、頂部の内角が鋭角となるように交わる２つの光反射面を有する反射構造体が、前記頂部が前記透光性絶縁基板の光の入射面側に配置された状態で埋置されたことを特徴とする。

本発明によれば、透光性絶縁基板内部の光電変換セル間の接続部分に対応する位置において、頂部の内角が鋭角となるように交わる２つの光反射面を有する反射構造体が、頂部が透光性絶縁基板の光の入射面側に配置された状態で埋置される。これによれば、透光性絶縁基板を介して光電変換セル間の接続部分に入射する光を反射構造体の２つの光反射面によって反射し、光電変換層へと導入することができる。したがって、薄膜太陽電池の光の入射側の面を平滑に保ったままで薄膜太陽電池に入射する光の利用効率の向上が図れ、発電効率の向上が図れるとともに、その効果を維持できるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１における薄膜太陽電池の構成例を示す平面図である。 図２は、図１のＡ−Ａ矢視断面図である。 図３−１は、実施の形態１における薄膜太陽電池の製造工程例を説明する説明図である。 図３−２は、図３−１に続く薄膜太陽電池の製造工程例を説明する説明図である。 図３−３は、図３−２に続く薄膜太陽電池の製造工程例を説明する説明図である。 図３−４は、図３−３に続く薄膜太陽電池の製造工程例を説明する説明図である。 図３−５は、図３−４に続く薄膜太陽電池の製造工程例を説明する説明図である。 図４−１は、図３−５に続く薄膜太陽電池の製造工程例を説明する説明図である。 図４−２は、図４−１に続く薄膜太陽電池の製造工程例を説明する説明図である。 図４−３は、図４−２に続く薄膜太陽電池の製造工程例を説明する説明図である。 図４−４は、図４−３に続く薄膜太陽電池の製造工程例を説明する説明図である。 図４−５は、図４−４に続く薄膜太陽電池の製造工程例を説明する説明図である。 図５は、実施の形態２における薄膜太陽電池の構成例を示す断面図である。 図６−１は、実施の形態２における薄膜太陽電池の製造工程例を説明する説明図である。 図６−２は、図６−１に続く薄膜太陽電池の製造工程例を説明する説明図である。 図６−３は、図６−２に続く薄膜太陽電池の製造工程例を説明する説明図である。

以下、図面を参照し、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、図面に示される薄膜太陽電池の断面図は模式図であり、層の厚みや幅、これらの比率などは必ずしも正確ではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１における薄膜太陽電池の構成例を示す平面図である。また、図２は、図１のＡ−Ａ矢視断面図である。図１に示すように、実施の形態１の薄膜太陽電池は、透光性絶縁基板１上に短冊状の光電変換セルである単位太陽電池セル２が所定の方向（図１では左右方向）に配列されて構成されている。各単位太陽電池セル２は、それぞれ隣接する単位太陽電池セル２との間に所定の間隔を隔てて配置され、電気的に直列接続される。この単位太陽電池セル２（２−１，２−２，・・・）は、図２に示すように、透光性絶縁基板１に対して透明電極層３（３−１，３−２，・・・）、光電変換層４（４−１，４−２，・・・）および裏面電極層５（５−１，５−２，・・・）が順に積層された構成を有する。

透明電極層３は、例えば、ＺｎＯ、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＳｎＯ₂などの透明導電性酸化膜、あるいはＺｎＯにアルミニウムやガリウムなどの金属材料を添加した膜などによって構成される。

光電変換層４は、ＰＮ接合またはＰＩＮ接合を有し、薄膜太陽電池の光の入射側の面（図２では上側の面）に入射する入射光によって発電を行う薄膜半導体層が１層または複数層積層されて構成される。薄膜半導体層としては、例えば、水素化アモルファスシリコン、微結晶シリコン、アモルファスシリコンゲルマニウム、微結晶シリコンゲルマニウム、アモルファス炭化シリコン、微結晶炭化シリコンなどを用いることができる。また、複数の薄膜半導体層を積層して光電変換層４を構成する場合には、薄膜半導体層間に、ＩＴＯやＺｎＯなどの透明導電性膜、あるいは不純物をドーピングして導電性を向上させたＳｉＯ₂やＳｉＮなどの珪素化合物膜を中間層として挿入してもよい。

裏面電極層５は、導電率が高く、且つ光反射率の高い材料で構成されるのが望ましい。例えば、銀や金、クロム、チタン、ニッケルなどの金属を材料として用いることができる。

この薄膜太陽電池は、隣接する単位太陽電池セル２間で透明電極層３と裏面電極層５とを接続した構成となっている。すなわち、図２に示す１つの単位太陽電池セル２−１に着目すれば、この単位太陽電池セル２−１の透明電極層３−１は、溝６１によって隣接する透明電極層３と分離された構造となっている。また、単位太陽電池セル２−１の光電変換層４−１および裏面電極層５−１は、溝６３によって隣接する光電変換層４および裏面電極層５と分離された構造となっており、これら光電変換層４−１と裏面電極層５−１との積層体は、透明電極層３−１と、隣接する一方の単位太陽電池セル２（図２では、図２に向かって左側に隣接する単位太陽電池セル２−２）の透明電極層３−２とにまたがるように形成されている。また、この積層体が隣接する単位太陽電池セル２の透明電極層３と重なる位置（例えば単位太陽電池セル２−２の透明電極層３−２と重なる位置）には、この透明電極層３−２と、単位太陽電池セル２−１の裏面電極層５−１とを接続するための接続溝７が形成されている。そして、この接続溝７には、裏面電極層５−１を形成する導電性材料と同じ材料が埋め込まれ、裏面電極層５−１と、隣接する単位太陽電池セル２−２の透明電極層３−２とを接続する接続部８を形成して単位太陽電池セル２−１，２−２間が電気的に接続された構造を実現している。

ここで、単位太陽電池セル２間の接続部８および単位太陽電池セル２間を隔てている溝６３に対応する薄膜太陽電池の光の入射側（図２では上側）の領域（互いに隣接する接続部８および溝６３上方の領域）は、光が入射しても発電効果が得られない非発電領域となり、この非発電領域以外の領域が発電領域となる。実施の形態１の薄膜太陽電池は、透光性絶縁基板１の内部において、この非発電領域となる接続部８および溝６３の上方位置に埋め込まれた反射構造体１０を備える。詳細には、透光性絶縁基板１の単位太陽電池セル２が配置される面内の接続部８および溝６３の上方となる位置に、Ｖ字状の溝である断面形状がＶ字状のＶ溝９が単位太陽電池セル２の長手方向に沿って形成されており、反射構造体１０は、単位太陽電池セル２の長手方向に沿って延在するようにＶ溝９内に配置される。

この反射構造体１０は、Ｖ溝９の断面形状と略一致する三角形状の断面形状を有し、Ｖ溝９の内面に沿って配置されて光反射面となる金属層１１と、金属層１１の内側に配置される絶縁性樹脂１２とを備える。金属層１１は、例えば、銀やアルミニウム、金、クロム、チタンなどの反射率の高い金属で構成される。

ここで、Ｖ溝９は、２つの斜面によってその内角が鋭角に交わる頂部を形成している。そして、このＶ溝９内に配置されて透光性絶縁基板１の内部に埋置される反射構造体１０は、Ｖ溝９の内面に沿う金属層１１によって、４５度よりも傾斜が急な２つの光反射面を形成するとともに、これら２つの光反射面が成す鋭角な頂部を透光性絶縁基板１の光の入射面側（図２の上側）に配置し、各光反射面によって接続部８および溝６３上方を覆う構成となっている。なお、光反射面は、必ずしも直線状である必要はなく、多少湾曲していてもよい。また、これら光反射面同士が交差する頂部部分は、ある程度は丸くても構わない。

以上説明した構成の実施の形態１の薄膜太陽電池では、薄膜太陽電池の光の入射側の面（透光性絶縁基板１の光の入射面）に入射した入射光によって、光電変換層４に光電流が発生する。このとき、図２中に矢印で示すように、接続部８および溝６３上方の非発電領域に入射した入射光は、透光性絶縁基板１の内部に埋置された反射構造体１０の光反射面によって反射され、発電領域へと導かれて光電変換層４に導入される。この光電変換層４で発生した光電流は、透明電極層３と裏面電極層５とを介して隣接する単位太陽電池セル２へと流れ込み、電力を発生して発電を行う。

次に、実施の形態１における薄膜太陽電池の製造工程について説明する。図３−１〜図３−５および図４−１〜図４−５の各図は、実施の形態１における薄膜太陽電池の製造工程例を説明する説明図であり、製造工程順にその一部断面を示している。

実施の形態１の製造工程では先ず、図３−１に示すように、先ず透光性絶縁基板１を準備する。この透光性絶縁基板１としては、例えば白板ガラスを用いる。そして、図３−２に示すように、透光性絶縁基板１上の所定位置を加工して、断面形状が略Ｖ字状のＶ溝９を形成する。ここで、Ｖ溝９は、その開口位置が、後段の工程（図４−４を参照）で得られる接続部８および工程（図４−５を参照）で形成される溝６３の下方となるように形成される。このＶ溝９の形成は、例えば、レーザ加工、あるいはＶ字ブレードを用いた精密切削加工などによって行う。なお、断面形状がＶ字状となるような加工が実現できれば、その加工方法は特に限定されない。この工程によって、透光性絶縁基板１上の接続部８および溝６３の下方となる位置において、単位太陽電池セル２の長手方向に延在するように開口する断面形状がＶ字状のＶ溝９が形成される。

続いて、図３−３に示すように、Ｖ溝９の内面に例えば銀薄膜の鏡面加工を施し、金属層１１を形成する。例えば、マスクを用いた蒸着法やスパッタリング法などの方法で金属層１１を形成する。あるいは、Ｖ溝９内に銀粒子を含むペーストやインクを印刷する方法を用いて金属層１１を形成してもよい。

続いて、図３−４に示すように、形成した金属層１１の内側に絶縁性樹脂１２を充填し、硬化させる。この工程によって、反射構造体１０が、単位太陽電池セル２の長手方向に延在するように透光性絶縁基板１内に埋置される。そして、後段の工程でＶ溝９の開口上方に形成される接続部８および溝６３を光反射面によって覆う反射構造体１０の構成が実現される。なお、絶縁性樹脂１２を充填後、研磨などの処理を行って透光性絶縁基板１と反射構造体１０（金属層１１および絶縁性樹脂１２）との段差を平坦にしておくのが望ましい。

その後、図３−５に示すように、反射構造体１０を配置した透光性絶縁基板１上にアルミニウムを添加したＺｎＯ膜を成膜し、透明電極層３を形成する。成膜方法としては、例えばスパッタリング法を用いることができるが、これに限らず、化学気相堆積法（ＣＶＤ法）などの他の方法を用いてもよい。

続いて、図４−１に示すように、レーザスクライブ法を用い、単位太陽電池セル２の短手方向の幅に応じた所定の間隔毎に透明電極層３を切断して下層の透光性絶縁基板１が露出するように溝６１を形成する。この溝６１は、Ｖ溝９の近傍位置において、Ｖ溝９の縁部に沿って形成するのが望ましい。この工程によって、溝６１が単位太陽電池セル２の長手方向に延在するように形成され、透明電極層３が単位太陽電池セル２毎に分離される。

続いて、図４−２に示すように、透明電極層３上に、例えば水素化アモルファスシリコン薄膜の薄膜半導体層をＣＶＤ法によって堆積し、光電変換層４を形成する。

続いて、図４−３に示すように、レーザスクライブ法を用い、単位太陽電池セル２の短手方向の幅に応じた所定の間隔毎に光電変換層４を切断して下層の透明電極層３が露出するように接続溝７を形成する。この接続溝７は、Ｖ溝９の開口上方において、このＶ溝９と同方向に沿って形成される。この工程によって、接続溝７がＶ溝９の開口上方において単位太陽電池セル２の長手方向に延在するように形成され、光電変換層４が単位太陽電池セル２毎に分離される。

その後、図４−４に示すように、接続溝７を形成した光電変換層４上に例えば銀とアルミニウムの積層膜を成膜し、裏面電極層５を形成する。成膜方法としては、例えばスパッタリング法を用いることができるが、これに限らず、ＣＶＤ法や塗布法などの他の方法を用いてもよい。この工程によって、裏面電極層５が、隣接する単位太陽電池セル２の透明電極層３と電気的に接続され、接続部８を得る。

そして、図４−５に示すように、レーザースクライビング法を用い、単位太陽電池セル２の短手方向の幅に応じた所定の間隔毎に光電変換層４および裏面電極層５を切断して透明電極層３が露出するように溝６３を形成する。なお、この溝６３は、図４−３の工程で形成した接続溝７の隣接位置であって、Ｖ溝９の開口上方となる位置に形成される。この工程によって、溝６３が単位太陽電池セル２の長手方向に延在するように形成され、光電変換層４および裏面電極層５が単位太陽電池セル２毎に分離される。

以上の製造工程によって、隣接する単位太陽電池セル２間で透明電極層３と裏面電極層５とが直列に接続された薄膜太陽電池が得られる。

以上説明したように、実施の形態１によれば、単位太陽電池セル２間を隔てる溝６３が形成され、単位太陽電池セル２間を電気的に接続する接続部８が形成されたことで非発電領域となる透光性絶縁基板１内部の位置に、鋭角な頂部を形成する光反射面によってこれら接続部８および溝６３を覆う反射構造体１０を埋置することができる。したがって、薄膜太陽電池の光の入射側の面から透光性絶縁基板１に入射した入射光のうち、非発電領域に入射した入射光を反射構造体１０の光反射面によって反射させ、発電領域に導くことができる。このとき、反射率の高い金属を用いた金属層１１によって反射構造体１０の光反射面を形成することで、非発電領域に入射した入射光を高反射率で発電領域へと導くことができる。これによれば、非発電領域に入射する入射光を効率良く利用して光電変換を行うことができるので、入射する光利用効率を向上させて発電効率を向上させることができる。

また、透光性絶縁基板１の内部に反射構造体１０を埋置しているので、薄膜太陽電池の光の入射側の面（透光性絶縁基板１の光の入射面）の平滑性を保つことができる。したがって、従来のように、反射構造体１０を設けることでこの光の入射面に凹凸が発生しないため、例えば屋外に設置した場合の風雨などによる汚れが付着・蓄積するといった事態が生じない。これにより、光利用効率を向上させ、発電効率を向上させる効果の維持が可能となる。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２における薄膜太陽電池の構成例を示す断面図である。図５に示すように、実施の形態２の薄膜太陽電池は、実施の形態１の薄膜太陽電池と同様に、透光性絶縁基板１上に、短冊状の単位太陽電池セル２が、所定の方向に所定の間隔を隔てて配置され、これらが電気的に直接接続されて構成されている。そして、この単位太陽電池セル２は、透光性絶縁基板１に対して透明電極層３、光電変換層４および裏面電極層５が順に積層された構成を有する。

また、実施の形態２の薄膜太陽電池は、透光性絶縁基板１の内部において、単位太陽電池セル２間の接続部８および単位太陽電池セル２間を隔てている溝６３を覆う反射構造体２０が埋置されている。詳細には、実施の形態１と同様に、透光性絶縁基板１の単位太陽電池セル２が配置される面内の接続部８および溝６３の上方となる位置に、断面形状が略Ｖ字状のＶ溝９が単位太陽電池セル２の長手方向に沿って形成されており、反射構造体２０は、単位太陽電池セル２の長手方向に沿って延在するようにＶ溝９内に配置される。

この反射構造体２０は、透明な絶縁性樹脂層２１で構成される。この絶縁性樹脂層２１は、光に対する反射率が高く、その誘電率によって定まる屈折率が透光性絶縁基板１と異なる誘電体材料を用いて構成される。例えば、透光性絶縁基板１を構成している材質（実施の形態１では白色ガラス）との誘電率の比が２．６〜７．０程度の誘電体材料を適宜採用して用いるのが望ましい。この誘電体材料としては、例えば塩化ビニール樹脂や尿素樹脂などが挙げられる。そして、反射構造体２０は、透光性絶縁基板１と絶縁性樹脂層２１とが接触する異なる媒質の境界面によって光反射面を形成し、光の全反射を利用する構成となっている。

この実施の形態２の薄膜太陽電池では、薄膜太陽電池の光の入射側の面（透光性絶縁基板１の入射面）に入射した入射光によって、光電変換層４に光電流が発生する。このとき、図５中に矢印で示すように、接続部８および溝６３上方の非発電領域に入射した入射光は、透光性絶縁基板１の内部に埋置された反射構造体２０の光反射面である透光性絶縁基板１と絶縁性樹脂層２１の境界面によって反射され、発電領域へと導かれて光電変換層４に導入される。この光電変換層４で発生した光電流は、透明電極層３と裏面電極層５とを介して隣接する単位太陽電池セル２へと流れ込み、電力を発生して発電を行う。

図６−１〜図６−３の各図は、実施の形態２における薄膜太陽電池の製造工程例を説明する説明図であり、製造工程順にその一部断面を示している。

実施の形態２の製造工程では先ず、図６−１に示すように、実施の形態１と同様に透光性絶縁基板１を準備する。そして、図６−２に示すように、実施の形態１と同様に透光性絶縁基板１上の所定位置を加工し、断面形状が略Ｖ字状のＶ溝９を形成する。

続いて、図６−３に示すように、Ｖ溝９の内側に透光性絶縁基板１と誘電率または屈折率の異なる誘電体材料を充填し、絶縁性樹脂層２１を形成する。なお、誘電体材料を充填して絶縁性樹脂層２１を形成した後、研磨などの処理を行って透光性絶縁基板１と反射構造体２０（絶縁性樹脂層２１）との段差を平坦にしておくのが望ましい。

その後の製造工程は、実施の形態１で図３−５および図４−１〜図４−５に示して説明した工程と同様に行う。

以上説明したように、実施の形態２によれば、光に対する反射率が高く、透光性絶縁基板１と誘電率または屈折率の異なる誘電体材料を用いて反射構造体２０を構成し、透光性絶縁基板１と絶縁性樹脂層２１とが接触する異なる媒質の境界面によって光反射面を形成することができる。したがって、光の全反射を利用して非発電領域に入射した入射光を高反射率で発電領域へと導くことができる。これによれば、実施の形態１と同様の効果を奏することができ、非発電領域に入射する入射光を効率良く利用して光電変換を行うことができるので、入射する光利用効率を向上させて発電効率を向上させることができる。また、実施の形態１のように、Ｖ溝９の内面に金属層１１を形成し、形成した金属層１１の内側に絶縁性樹脂１２を充填する場合と比べて製造工程を簡略化でき、低コスト化が図れる。

以上のように、本発明にかかる薄膜太陽電池およびその製造方法は、光利用効率を向上させ、発電効率を向上させるのに有用である。

１ 透光性絶縁基板
２ 単位太陽電池セル
３ 透明電極層
４ 光電変換層
５ 裏面電極層
６１，６３ 溝
７ 接続溝
８ 接続部
９ Ｖ溝
１０，２０ 反射構造体
１１ 金属層
１２ 絶縁性樹脂
２１ 絶縁性樹脂層

Claims (6)

1. 透光性絶縁基板に対し、透明電極層、光電変換層および裏面電極層が順に積層された複数の光電変換セルが所定の間隔を隔てて配列され、各光電変換セルが直列に接続されて構成された薄膜太陽電池において、
   前記透光性絶縁基板内部の前記光電変換セル間の接続部分に対応する位置に、頂部の内角が鋭角となるように交わる２つの光反射面を有する反射構造体が、前記頂部が前記透光性絶縁基板の光の入射面側に配置された状態で埋置されたことを特徴とする薄膜太陽電池。
2. 前記各光電変換セルは、前記光電変換セル間に該光電変換セルの長手方向に沿って延在する接続部によって接続されており、
   前記反射構造体は、前記頂部が前記接続部の延在方向に沿うように前記透光性絶縁基板内部に埋置されたことを特徴とする請求項１に記載の薄膜太陽電池。
3. 前記透光性絶縁基板は、前記透明電極層と接する面に前記接続部の延在方向に沿って形成された断面形状Ｖ字状の溝を有し、
   前記反射構造体は、前記Ｖ字状の溝の内部に配置されたことを特徴とする請求項２に記載の薄膜太陽電池。
4. 前記反射構造体は、少なくとも前記光反射面が金属で形成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の薄膜太陽電池。
5. 前記反射構造体は、前記透光性絶縁基板と異なる屈折率を有する誘電体材料で形成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の薄膜太陽電池。
6. 透光性絶縁基板上の、後に光電変換セル間を接続する接続部が形成される位置に、頂部の内角が鋭角となるように交わる２つの光反射面を有する反射構造体を、前記頂部が前記透光性絶縁基板の光の入射面側に配置されるように埋置する埋置工程と、
   前記透光性絶縁基板上に、透明電極層、光電変換層および裏面電極層が積層された複数の光電変換セルを所定の間隔を隔てて形成するとともに、前記複数の光電変換セル間に該光電変換セル間を接続する接続部を形成するセル形成工程と、
   を含むことを特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。

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