JP2011029289A - 薄膜付基板及びそれを用いた太陽電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】透明基板に入射された光が途中の経路で反射されるのを極力抑えるとともに光閉じこめ効果を十分に発揮させることにより、光電変換層への光の吸収性を向上させる薄膜付基板及びそれを用いた太陽電池を提供する。
【解決手段】透明基板とシリコン化合物膜と透明導電膜とがこの順に積層されて形成される薄膜付基板であって、シリコン化合物膜の透明導電膜側が凹凸に形成された凹凸形成面を有しているとともに、前記透明導電膜の前記シリコン化合物膜と反対側の面が前記凹凸形成面に沿う形状の凹凸面を有しており、さらに、前記シリコン化合物膜には、このシリコン化合物膜の屈折率と異なる屈折率を有する透明微粒子が含まれている。
【選択図】図１
【解決手段】透明基板とシリコン化合物膜と透明導電膜とがこの順に積層されて形成される薄膜付基板であって、シリコン化合物膜の透明導電膜側が凹凸に形成された凹凸形成面を有しているとともに、前記透明導電膜の前記シリコン化合物膜と反対側の面が前記凹凸形成面に沿う形状の凹凸面を有しており、さらに、前記シリコン化合物膜には、このシリコン化合物膜の屈折率と異なる屈折率を有する透明微粒子が含まれている。
【選択図】図１
Description
本発明は、特に太陽電池に使用される基板であって、太陽電池の光電変換効率を向上させるのに好適な薄膜付基板及び、この基板を用いた太陽電池に関するものである。
従来より、シリコン膜を用いた太陽電池の研究が進められており、実用化に至っている。このような太陽電池は、下記特許文献１に示されるように、透明な部材で形成される透明基板上に、酸化亜鉛等の透明導電膜を積層して薄膜付基板を形成し、さらに光を電気に変換する光電変換層と裏面電極をこの順に積層させることにより形成されている。具体的には、図３に示すように、太陽電池１００は、透明基板１０１と透明導電膜１０２とで構成される薄膜付基板１１０に、光電変換層１０３と裏面電極１０４とが積層されて構成されており、太陽などの光（図３における矢印）が透明基板１０１、透明導電膜１０２を透過し、光電変換層１０３で吸収されることにより電気を取り出すことができるようになっている。
そして、光電変換層１０３で光の吸収を向上させるために、透明導電膜１０２と光電変換層１０３との界面は凹凸形状（テクスチャ構造１０２ａ）に形成されており、これにより効率よく光を吸収できるようになっている。すなわち、透明基板１０１から透明導電膜１０２に入射された光が凹凸によって散乱されることにより、いわゆる光閉じこめ効果が発揮され、光電変換層１０３に効率よく光が吸収されるようになっている（図３の領域Ａ）。
しかし、従来の太陽電池１００では、光閉じこめ効果が発揮されても光の吸収は十分でないという問題があった。すなわち、図３に示すように、透明導電膜１０２に達した光が
凹凸形状に衝突することにより光が散乱されるが、透明導電膜１０２の光の一部には、図３の領域Ｂに示すように凹凸形状で反射され、そのまま透明基板１０１に入射し、光電変換層１０３に吸収されずに抜けていくものが存在している。
凹凸形状に衝突することにより光が散乱されるが、透明導電膜１０２の光の一部には、図３の領域Ｂに示すように凹凸形状で反射され、そのまま透明基板１０１に入射し、光電変換層１０３に吸収されずに抜けていくものが存在している。
特に、テクスチャ構造の凹凸は、化学的なエッチング処理やＣＶＤ法、スパッタリング法などによって形成されるが、これらの方法では、凹凸形状を所定形状に制御したり、凹凸の形状を均一に成形するのが困難である。仮に、凹凸形状に形成不良部分が存在する場合には、その形成不良部分で反射され、光電変換層１０３に吸収されずに抜けていく光の割合が増大する。したがって、現状のテクスチャ構造では、光電変換層１０３での光の吸収効率を設計通りに発揮させることが困難であるという問題があった。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、光閉じこめ効果を十分に発揮させることにより、光電変換層への光の吸収性を向上させることができる薄膜付基板及びそれを用いた太陽電池を提供することを目的としている。
上記課題を解決するために本発明の薄膜付基板は、透明基板とシリコン化合物膜と透明導電膜とがこの順に積層されて形成される薄膜付基板であって、前記シリコン化合物膜の透明導電膜側が凹凸に形成された凹凸形成面を有しているとともに、前記透明導電膜の前記シリコン化合物膜と反対側の面が前記凹凸形成面に沿う形状の凹凸面を有しており、前記シリコン化合物膜には、このシリコン化合物膜の屈折率と異なる屈折率を有する透明微粒子が含まれていることを特徴としている。
上記薄膜付基板によれば、前記凹凸形成面によりテクスチャ構造が設計通りに形成できるとともに、シリコン化合物膜の透明微粒子の存在により、光閉じこめ効果を向上させることができる。具体的には、シリコン化合物膜の透明導電膜側には、凹凸形成面（テクスチャ構造）が形成されており、このシリコン化合物膜は、押圧成形によりその表面形状をナノオーダーで制御することができる。すなわち、シリコン化合物膜の凹凸形成面を押圧形成等により成形すれば、所定形状の均一なテクスチャ構造を形成することができる。そして、シリコン化合物膜に積層される透明導電膜の凹凸面は、この凹凸形成面に沿う形状を有していることにより、シリコン化合物膜と透明導電膜との界面、及び、透明導電膜と光電変換層との界面に形成されるテクスチャ構造は、従来の製法によるテクスチャ構造に比べて均一な形状に制御される。したがって、入射した光がこれらのテクスチャ構造の凹凸部分で散乱されることにより、設計通りの光閉じこめ効果が発揮され、光閉じこめ効果を向上させることができる。また、シリコン化合物膜に入射された光が微粒子に衝突すると、シリコン化合物膜と微粒子との屈折率の違いから、当該入射した光はシリコン化合物膜内に散乱する。すなわち、シリコン化合物膜に入射した光は、テクスチャ構造と同様の光閉じこめ効果が得られるため、シリコン化合物膜に入射した光が透明基板側に反射されるのを抑えて光電変換層への光の吸収性を向上させることができる。仮に、シリコン化合物膜と透明導電膜との界面のテクスチャ構造で光が反射されると、光はシリコン化合物膜内を進行する。ところが、光が透明微粒子に衝突することにより、シリコン化合物と透明微粒子との屈折率が異なるため、その光が透明微粒子によって散乱され、再度、テクスチャ構造側に反射される。したがって、入射した光がテクスチャ構造の凹凸部分で反射される場合であっても、シリコン化合物膜の透明微粒子の存在により、光を有効に閉じこめることができる。これにより、均一形状のテクスチャ構造を形成できることから光閉じこめ効果を十分に発揮させて、光電変換層への光の吸収性を向上させることができる。
また、前記透明微粒子は、透明基板側よりも透明導電膜側に偏在していることが好ましい。
この構成によれば、シリコン化合物膜と透明導電膜との界面のテクスチャ構造で反射された光が、すぐに透明微粒子に衝突することにより散乱し、再度テクスチャ構造側に反射させることにより、透明導電膜に光を閉じこめることができる。
また、前記透明微粒子は、前記凹凸形成面が透明導電膜側に凸となる領域に他の領域より多く存在する構成としてもよい。
この構成によれば、前記凹凸形成面の凸となる領域に他の領域より多く透明微粒子が存在していることにより、シリコン化合物膜において透明微粒子が存在する表面積が増加する。したがって、一度透明導電膜に入射した光が反射されてシリコン化合物膜に入射する光が透明微粒子に衝突する確率が高くなるため、光が透明導電膜からシリコン化合物膜側に抜けるのを抑えることができる。
また、前記透明基板とシリコン化合物膜とが略同一の屈折率を有する材料で形成されている構成とすることもできる。
この構成によれば、透明基板に入射された光が、透明基板とシリコン化合物膜との界面で反射されるのを抑えることができるため、透明基板に入射した光を効率よく閉じこめることができる。
また、上記課題を解決するために本発明の太陽電池は、上記薄膜付基板の透明導電膜側に光電変換層と裏面電極とがこの順に積層させて形成されることを特徴としている。
上記太陽電池によれば、光閉じこめ効果を十分に発揮させて、光電変換層への光の吸収性を向上させることができる。
本発明の薄膜付基板及びそれを用いた太陽電池によれば、光閉じこめ効果を十分に発揮させることにより、光電変換層への光の吸収性を向上させることができる。
図１は、本発明の一実施形態における太陽電池２０の構成部分断面図である。
図１に示すように、太陽電池２０は、透明基板１と、シリコン化合物膜２と、透明導電膜３と、光電変換層４と、裏面電極５とを有しており、これらがこの順に積層されることによって形成されている。そして、太陽光等の光（図１における矢印）が透明基板１側から入射されると、シリコン化合物膜２と透明導電膜３を透過し、光電変換層４に入射されることにより、入射された光が電気に変換されるようになっている。
透明基板１は、透明導電膜３や光電変換層４を保護するものである。そして、光電変換層４に太陽光等の光を供給するために透明性を有しているとともに、光電変換層４における発熱に耐える耐熱性を有している。本実施形態では、一般的に入手しやすいガラスが使用されており、表面がほぼ平坦の平板形状を有している。なお、透明性及び耐熱性を有していれば、プラスチックフィルムを使用することもできる。この場合には、巻回による生産が可能になるため、生産速度を速めることができる。
シリコン化合物膜２（以下、単に樹脂膜２ともいう）は、透明導電膜３のテクスチャ構造を形成するためのものであり、透明導電膜３と接する側にテクスチャ構造に形成された凹凸形成面２１を有している。この凹凸形成面２１により、樹脂膜２に入射された光が樹脂膜２と透明導電膜３との界面で反射されるのを抑えて、効率よく透明導電膜３に入射されるようになっている。
この樹脂膜２は、本実施形態では、シロキサンを含むシリコン樹脂により形成されている。このシロキサンを含むシリコン樹脂は、その屈折率が透明基板１（本実施形態ではガラス）の屈折率とほぼ同一になるように調整されている。具体的には、ガラスの屈折率はほぼ１．５であるため、樹脂膜２を形成する樹脂もほぼ１．５に調整されている。すなわち、透明基板１の屈折率と樹脂膜２の屈折率とがほぼ同一に形成されているため、透明基板１に入射された光は、透明基板１と樹脂膜２との界面で反射されることなく、そのまま樹脂膜２に入射される。したがって、透明基板１と樹脂膜２との屈折率異なる場合に比べて、光電変換層４に供給される光が多くなるため、光電変換層４における光の吸収性を向上させることができる。
ここで、図３の従来の太陽電池１００と比較すると、従来では、透明基板１０１としてガラスが用いられており、このガラス基板上に、透明導電膜１０２として酸化亜鉛が積層されている。この場合、ガラス基板の屈折率が１．５であり、酸化亜鉛の屈折率は、１．９であるため、反射率は、約１．４％である。したがって、透明基板１に入射された光の１．４％は反射されることになる。すなわち、透明基板１と樹脂膜２の屈折率をほぼ同じにした本実施形態の構成では、従来の構成に比べて、単純に１．４％光の吸収性を向上させることができる。これは、太陽電池２０の変換効率が一般に６〜８％と考えられている点からすれば、１．４％の向上は大きな向上である。
なお、透明基板１と樹脂膜２とは材料が異なるため、それらの屈折率を完全に一致させるのは困難であるが、略同一とは、透明基板１の屈折率に対して樹脂膜２の屈折率が−０．１〜＋０．１の範囲にあることをいい、より好ましくは、−０．０５〜＋０．０５の範囲にあることをいう。この屈折率の範囲であれば、界面で反射される損失はほぼないものと考えることができる。
また、シロキサンを含むシリコン樹脂は、シロキサンを含まないシリコン樹脂に比べて分子構造が安定しているため、加工後の形状安定性に優れている。したがって、光閉じこめ効果に有効なテクスチャ構造が微細で複雑なものであっても、安定して加工形成することができる。
この樹脂膜２における凹凸形成面２１の形成は、インプリントによって行うことができる。すなわち、テクスチャ構造の凹凸形状が形成された別体のプリント基材に未硬化のシロキサンを含むシリコン樹脂を塗布させた後、加熱押圧又は紫外線照射によって硬化させる。そして、プリント基材を剥離させることにより、当該シリコン樹脂にテクスチャ構造の凹凸形状が転写されることにより凹凸形成面２１が形成される。このようにして、例えば、プリント基材にナノレベルの凹凸パターンを形成すれば、この凹凸パターンがシリコン樹脂に転写される。これにより、従来の化学的なエッチング処理やＣＶＤ法、スパッタリングに比べて、所望のテクスチャ構造が容易に均一に形成することができる。これにより、光閉じこめ効果が設計通りに得られやすくなり、光電変換層４における光吸収性を向上させることができる。
また、樹脂膜２には、この樹脂膜２の屈折率と異なる屈折率の透明微粒子２２が含まれている。ここで、図２は、透明微粒子２２を含有させた樹脂膜２を有する薄膜付基板１０の構成部分断面図である。本実施形態では、高純度の酸化亜鉛をナノレベルに透明微粒子化したものを樹脂膜２に含有させている。これにより、樹脂膜２に入射された光を透明導電膜３、ひいては光電変換層４に効率よく吸収させることができる。
すなわち、樹脂膜２に入射された光は、透明微粒子２２に衝突すると、樹脂膜２の屈折率１．５に対し透明微粒子２２の屈折率１．９であるため、入射された光が屈折して透過するとともに、光の一部が散乱する。そして、入射された光が透明微粒子２２により散乱されることにより、透明導電膜３に入射され（β部分）、また、仮に透明導電膜３で反射される場合であっても（テクスチャ構造で反射される場合であっても）、透明微粒子２２により反射されることにより、再度、透明導電膜３に入射される（γ部分）。したがって、樹脂膜２に含有された透明微粒子２２の光閉じこめ効果により、光電変換層４における光の吸収性を向上させることができる。
この透明微粒子２２は、樹脂膜２に一様に存在するように構成してもよいが、透明導電膜３側に偏在していることが好ましい。すなわち、透明微粒子２２が凹凸形成面２１付近に偏在させることにより、透明導電膜３との界面で反射される光が透明微粒子２２により再度反射されたときに、透明導電膜３に吸収される確率が高くなり、結果として光電変換層４における光の吸収性を向上させることができる。さらに、凹凸形成面２１の凸となる領域に他の領域より透明微粒子２２を多く存在させると、シリコン化合物膜２において透明微粒子２２が存在する表面積が増加する。これにより、一度透明導電膜３に入射した光が反射されてシリコン化合物膜２に入射する光が透明微粒子２２に衝突する確率が高くなるため、光が透明導電膜３からシリコン化合物膜２側に抜けるのを効果的に抑えることができる。
このように透明微粒子２２を透明導電膜３側により多く存在させた樹脂膜２は、例えば上述のプリント基材にシリコン樹脂を塗布させる際に、シリコン樹脂を複数回に分けて塗布することにより形成することができる。すなわち、まず、上述のテクスチャ構造が形成されたプリント基材に透明微粒子２２を含むシリコン樹脂を塗布する。そして、その上に透明微粒子２２を含まないシリコン樹脂を塗布することにより、透明導電膜３側により多く透明微粒子２２が存在する樹脂膜２を形成することができる。なお、２回の塗布に限らず、複数回の塗布を行う際に、プリント基材側ほど、より高濃度の透明微粒子２２を含んだシリコン樹脂を塗布することにより、プリント基材側に近づくにつれて透明微粒子２２が徐々に増えるように形成したものであってもよい。これにより、樹脂膜２に入射された光が、すぐ透明微粒子２２に衝突して反射されてしまうのを抑えることができる。
なお、この透明微粒子２２は、酸化錫の透明微粒子であってもよく、透明で樹脂膜２の屈折率と異なる屈折率を有するものであればよい。
また、透明導電膜３は、光電変換層４によって発電された電気を取り出すための電極膜である。この透明導電膜３は、酸化亜鉛によって形成されており、透明性を有している。また、透明導電膜３の樹脂膜２と反対側の面には、凹凸面３１が形成されている。
この凹凸面３１は、テクスチャ構造を有しており、透明導電膜３に入射された光が光閉じこめ効果により、効率よく光電変換層４に入射されるようになっている。この凹凸面３１は、凹凸形成面２１に沿う形状を有している。すなわち、透明導電膜３は、樹脂膜２の凹凸形成面２１にスパッタ法等により成膜されることにより、凹凸形成面２１に微小厚さの酸化亜鉛膜が一様に形成される。これにより、凹凸形成面２１に沿った一定厚さの透明導電膜３が形成される。したがって、この透明導電膜３は、樹脂膜２側の面と、光電変換層４側の面との両方にテクスチャ構造が形成されている。
上述のように、透明基板１に樹脂層２及び透明導電膜３をこの順に積層させることにより、薄膜付基板１０が形成される。そして、この薄膜付基板１０の透明導電膜３に光電変換層４及び裏面電極５をこの順に積層させることにより太陽電池２０を得ることができる。
光電変換層４は、ＰＮ接合又はＰＩＮ接合を有しており、入射された光を電気に変換するものである。この光電変換層４は、シリコン材料等を用いることができ、透明導電膜３にＣＶＤ法などによって成膜して形成することができる。
裏面電極５は、光電変換層４によって発電された電気を取り出すための電極膜であるとともに、光電変換層４で吸収されずに透過した光を光電変換層４に戻すものである。具体的には、アルミニウムや銀等の反射性を有する金属膜が用いられ、光電変換層４を透過した光を金属反射により光電変換層４に戻すことができる。なお、裏面電極５は、金属層に酸化亜鉛等の透明導電膜３を積層させたものを用いてもよい。
上述の太陽電池２０に太陽光が照射されると、透明基板１に光が入射され、透明基板１と樹脂膜２の界面で反射されることなく、そのまま樹脂膜２に入射される（図１、図２におけるα部分）。そして、樹脂膜２に入射された光は、樹脂膜２と透明導電膜３とに形成されるテクスチャ構造の凹凸に衝突することにより発散され、光閉じこめ効果により透明導電膜３に入射される。すなわち、透明基板１に入射した光は、積層異種部材間による反射のロスなく、直接、樹脂膜２と透明導電膜３とに形成されるテクスチャ構造の凹凸に到達し、光閉じこめ効果により透明導電膜３に入射される。そして、透明導電膜３に入射された光は、透明導電膜３と光電変換層４との界面に形成されるテクスチャ構造の凹凸に衝突することにより、光閉じこめ効果を受け光電変換層４に入射して吸収される。
以上、本実施形態における薄膜付基板１０及びそれを用いた太陽電池２０によれば、透明基板１に入射された光が途中で反射されるのを極力抑えるとともに、均一形状のテクスチャ構造を形成できることから光閉じこめ効果を十分に発揮させて、光電変換層４への光の吸収性を向上させることができる。
１ 透明基板
２ シリコン化合物膜（樹脂膜）
３ 透明導電膜
４ 光電変換層
５ 裏面電極
１０ 薄膜基板
２０ 太陽電池
２１ 凹凸形成面
２２ 透明微粒子
３１ 凹凸面
２ シリコン化合物膜（樹脂膜）
３ 透明導電膜
４ 光電変換層
５ 裏面電極
１０ 薄膜基板
２０ 太陽電池
２１ 凹凸形成面
２２ 透明微粒子
３１ 凹凸面
Claims (5)
- 透明基板とシリコン化合物膜と透明導電膜とがこの順に積層されて形成される薄膜付基板であって、
前記シリコン化合物膜の透明導電膜側が凹凸に形成された凹凸形成面を有しているとともに、前記透明導電膜の前記シリコン化合物膜と反対側の面が前記凹凸形成面に沿う形状の凹凸面を有しており、
前記シリコン化合物膜には、このシリコン化合物膜の屈折率と異なる屈折率を有する透明微粒子が含まれていることを特徴とする薄膜付基板。 - 前記透明微粒子は、透明基板側よりも透明導電膜側に偏在していることを特徴とする請求項１に記載の薄膜付基板。
- 前記透明微粒子は、前記凹凸形成面が透明導電膜側に凸となる領域に他の領域より多く存在することを特徴とする請求項１又は２に記載の薄膜付基板。
- 前記透明基板とシリコン化合物膜とが略同一の屈折率を有する材料で形成されてい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付基板。
- 前記請求項１〜４のいずれかに記載の薄膜付基板に、光電変換層と裏面電極とがこの順に積層させて形成されることを特徴とする太陽電池。
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