JP2011060811A - 太陽電池モジュール及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】太陽電池モジュールの面内における微結晶シリコン膜の結晶性の不均一性による特性の低下を抑制する。
【解決手段】光電変換ユニット14に微結晶シリコン膜のi型層を発電層として含み、そのi型層は、面内において第1の領域30と、第1の領域30より結晶化率が低い第2の領域32とを有しており、太陽電池モジュール100の端子ボックス24へのタブ電極22を第2の領域32に重畳させて配置する。
【選択図】図1

Description

本発明は、太陽電池モジュール及びその製造方法に関する。
太陽電池モジュールは、表面が絶縁性の基板上に第1電極、1以上の半導体薄膜光電変換ユニット及び第2電極を順に積層して形成される。それぞれの光電変換ユニットは、光入射側からp型層、発電層となるi型層及びn型層を積層して構成される。
こうした太陽電池モジュールは、微結晶シリコン膜の光電変換ユニットを単独に備えたシングル型太陽電池モジュール、アモルファスシリコン膜の光電変換ユニットと微結晶シリコン膜の光電変換ユニットを積層したタンデム型太陽電池モジュールがある(例えば、特許文献1参照)。
特開平11−274530号公報
通常、太陽電池モジュールにおいて発電特性を向上するためには、微結晶シリコン膜の面内の結晶性を均一にすることが好ましいと考えられている。しかしながら、現実的には、微結晶シリコン膜の成膜装置の性能や太陽電池モジュールのさらなる大面積化に起因して、微結晶シリコン膜の面内の結晶性を十分に均一化することが困難である。その結果、微結晶シリコンの光電変換ユニットを備えた太陽電池モジュールでは、その面内の中央領域よりも周辺領域の結晶化率が低くなり、発電時において中央領域よりも周辺領域でのキャリアの発生量が少なくなり、発電効率が面内において不均一となってしまう。そのため、太陽電池モジュール全体として特性低下が生じてしまう場合がある。
本発明は、上記課題を解決することができる太陽電池モジュール及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の1つの態様は、発電層として微結晶シリコン膜を有する太陽電池モジュールであって、発電層の微結晶シリコン膜は、太陽電池モジュールの面内の第1領域と、第1領域より結晶化率が低い第2領域と、を有し、太陽電池モジュールの端子ボックスへのタブ電極は第2領域に重畳させて配置されている、太陽電池モジュールである。
また、本発明の別の態様は、発電層として微結晶シリコン膜を有する太陽電池モジュールの製造方法であって、太陽電池モジュールの面内の第1領域と、第1領域より結晶化率が低い第2領域と、を有する微結晶シリコン膜を形成する工程と、第2領域に重畳させて太陽電池モジュール端子ボックスへのタブ電極を形成する工程と、を有する、太陽電池モジュールの製造方法である。
本発明によれば、太陽電池モジュールの面内における微結晶シリコン膜の結晶性の不均一性による特性の低下を抑制することができる。
本発明の実施の形態におけるタンデム型太陽電池モジュールの構成を示す平面図である。 本発明の実施の形態におけるタンデム型太陽電池モジュールの構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態におけるタンデム型太陽電池モジュールの構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態におけるμc−Siユニットのi型層の面内の構造分布例を示す図である。 本発明の実施の形態におけるμc−Siユニットのi型層の面内の結晶化率を示す図である。 本発明の実施の形態におけるμc−Siユニットのi型層の面内のキャリアのライフタイムを示す図である。
<第1の実施の形態>
図1〜図3は、本発明の実施の形態におけるタンデム型太陽電池モジュール100の構造を示す図である。図1は光入射側の反対側からみた平面図であり、図2は図1のラインa−aの断面図であり、図3は図1のラインb−bの断面図である。なお、実際のタンデム型太陽電池モジュール100にはタブ電極を覆う絶縁性テープ、保護材となるEVAやバックシートが設けられるが、ここでは構造をより明確に示すために図示していない。
タンデム型太陽電池モジュール100は、透明絶縁基板10を光入射側として、光入射側から、透明導電膜12、光電変換ユニット14、裏面電極16、絶縁性テープ18、タブ電極20,22及び端子ボックス24を含んで構成される。
以下、本発明の実施の形態におけるタンデム型太陽電池モジュール100の構成及び製造方法について説明する。
透明絶縁基板10は、例えば、ガラス基板、プラスチック基板等の少なくとも可視光波長領域において透過性を有する材料を適用することができる。透明絶縁基板10上に透明導電膜12が形成される。透明導電膜12は、酸化錫(SnO)、酸化亜鉛(ZnO)、インジウム錫酸化物(ITO)等に錫(Sn)、アンチモン(Sb)、フッ素(F)、アルミニウム(Al)等を含有させた透明導電性酸化物(TCO)のうち少なくとも一種類又は複数種を組み合わせて用いることが好適である。特に、酸化亜鉛(ZnO)は、透光性が高く、抵抗率が低く、耐プラズマ特性にも優れているので好適である。透明導電膜12は、例えば、スパッタリング等により形成することができる。透明導電膜12の膜厚は500nm以上5000nm以下の範囲とすることが好適である。また、透明導電膜12の表面には光閉じ込め効果を有する凹凸を設けることが好適である。
図2及び図3に示すように、タンデム型太陽電池モジュール100を複数のセルを直列に接続した構成とする場合、透明導電膜12に透明絶縁基板10の表面が露出するスリットS1を形成し、透明導電膜12が短冊状となるようにパターニングする。また、図1の平面図に示すように、スリットS1の延設方向に交差する方向に透明絶縁基板10の表面が露出するスリットS2を形成し、直列接続される複数の光電変換セル群が並列に並ぶ構成としてもよい。
例えば、波長1064nm、エネルギー密度13J/cm、パルス周波数3kHzのYAGレーザを用いてスリットS1,S2を形成することができる。
透明導電膜12上に、光電変換ユニット14を形成する。本実施の形態におけるタンデム型太陽電池モジュール100では、光電変換ユニット14は、トップセルとして広いバンドギャップを有するアモルファスシリコン光電変換ユニット(a−Siユニット)、中間層、ボトムセルとしてa−Siユニットよりバンドギャップの狭い微結晶シリコン光電変換ユニット(μc−Siユニット)を順に積層した構造とする。例えば、表1に示すような形成条件で光電変換ユニット14を形成することができる。
Figure 2011060811
まず、透明導電膜12上に、p型層、i型層、n型層のシリコン系薄膜を順に積層してa−Siユニットを形成する。a−Siユニットは、シラン(SiH)、ジシラン(Si)、ジクロルシラン(SiHCl)等のシリコン含有ガス、メタン(CH)等の炭素含有ガス、ジボラン(B)等のp型ドーパント含有ガス、フォスフィン(PH)等のn型ドーパント含有ガス及び水素(H)等の希釈ガスを混合した混合ガスをプラズマ化して成膜を行うプラズマ化学気相成長法(プラズマCVD法)により形成することができる。
プラズマCVD法は、例えば、13.56MHzのRFプラズマCVD法を適用することが好適である。RFプラズマCVD法は平行平板型とすることができる。平行平板型の電極のうち透明絶縁基板10を配しない側には原料の混合ガスを供給するためのガスシャワー孔を設けた構成としてもよい。プラズマの投入電力密度は、5mW/cm以上100mW/cm以下とすることが好ましい。
a−Siユニットのp型層は、p型ドーパント(ボロン等)を添加した膜厚5nm以上50nm以下のアモルファスシリコン層、微結晶シリコン薄膜、微結晶炭化シリコン薄膜等の単層又は積層構造とする。p型層の膜質は、シリコン含有ガス、p型ドーパント含有ガス及び希釈ガスの混合比、圧力及びプラズマ発生用高周波パワーを調整することによって変化させることができる。a−Siユニットのi型層は、p型層上に形成されたドーパントが添加されていない膜厚50nm以上500nm以下のアモルファスシリコン膜とする。i型層の膜質は、シリコン含有ガス及び希釈ガスの混合比、圧力及びプラズマ発生用高周波パワーを調整することによって変化させることができる。i型層は、a−Siユニットの発電層となる。a−Siユニットのn型層は、i型層上に形成されたn型ドーパント(リン等)を添加した膜厚10nm以上100nm以下のn型微結晶シリコン層(n型μc−Si:H)とする。n型層の膜質は、シリコン含有ガス、炭素含有ガス、n型ドーパント含有ガス及び希釈ガスの混合比、圧力及びプラズマ発生用高周波パワーを調整することによって変化させることができる。
a−Siユニット上に、中間層を形成する。中間層は、酸化亜鉛(ZnO)、酸化シリコン(SiOx)等の透明導電性酸化物(TCO)を用いることが好適である。特に、マグネシウム(Mg)を含有させた酸化亜鉛(ZnO)や酸化シリコン(SiOx)を用いることが好適である。中間層は、例えば、スパッタリング等により形成することができる。中間層の膜厚は10nm以上200nm以下の範囲とすることが好適である。なお、中間層は、設けなくてもよい。
中間層上に、p型層、i型層、n型層を順に積層したμc−Siユニットを形成する。μc−Siユニットは、シラン(SiH)、ジシラン(Si)、ジクロルシラン(SiHCl)等のシリコン含有ガス、メタン(CH)等の炭素含有ガス、ジボラン(B)等のp型ドーパント含有ガス、フォスフィン(PH)等のn型ドーパント含有ガス及び水素(H)等の希釈ガスを混合した混合ガスをプラズマ化して成膜を行うプラズマCVD法により形成することができる。
プラズマCVD法は、a−Siユニットと同様に、例えば、13.56MHzのRFプラズマCVD法を適用することが好適である。RFプラズマCVD法は平行平板型とすることができる。平行平板型の電極のうち透明絶縁基板10を配しない側には原料の混合ガスを供給するためのガスシャワー孔を設けた構成としてもよい。プラズマの投入電力密度は、5mW/cm以上1500mW/cm以下とすることが好ましい。
μc−Siユニットのp型層は、膜厚5nm以上50nm以下のp型ドーパント(ボロン等)が添加された微結晶シリコン層(μc−Si:H)とする。p型層の膜質は、シリコン含有ガス、p型ドーパント含有ガス及び希釈ガスの混合比、圧力及びプラズマ発生用高周波パワーを調整することによって変化させることができる。
μc−Siユニットのi型層は、p型層上に形成された膜厚500nm以上5000nm以下のドーパントが添加されていない微結晶シリコン層(μc−Si:H)である。i型層の膜質は、シリコン含有ガス及び希釈ガスの混合比、圧力及びプラズマ発生用高周波パワーを調整することによって変化させることができる。
μc−Siユニットのi型層は、基板ヒータ、基板キャリア、プラズマ電極を内蔵した成膜チャンバにて成膜される。成膜チャンバは、真空ポンプによって真空排気される。基板ヒータは加熱面がプラズマ電極に対向して配置される。また、基板キャリア上に載せ置かれた透明絶縁基板10は、プラズマ電極に対向するようにプラズマ電極と基板ヒータとの間に搬送される。プラズマ電極は、成膜チャンバ外に設けられたマッチングボックスを介してプラズマ電源に電気的に接続される。このような構成において、原料ガスを成膜条件の流量及び圧力で供給しつつ、プラズマ電源からプラズマ電極へ電力を投入することによって、プラズマ電極と透明絶縁基板10との間隙に原料ガスのプラズマを発生させて透明絶縁基板10の表面に成膜を行う。
μc−Siユニットのi型層は、タンデム型太陽電池モジュール100の光の入射面の面内において結晶性が互いに異なる第1の領域30及び第2の領域32を有する。例えば、図4に示すように、タンデム型太陽電池モジュール100の光の入射面の面内の中央領域は結晶性が高い第1の領域30(図4中、一点鎖線で囲まれた領域)となり、周辺領域は第1の領域30に対して相対的に結晶性が低い第2の領域32(図4中、実線と一点鎖線とで囲まれた領域)となる場合が多い。
ここで、結晶性は、タンデム型太陽電池モジュール100のi型層(μc−Siユニットのi型層)を生成する条件と同じ成膜条件下において、ガラス基板上に微結晶シリコン膜を600nmの膜厚に成膜した上でラマン分光法を用いて測定するものとする。具体的には、ガラス基板上に形成した微結晶シリコン膜の面内の各領域に光を照射し、ラマン散乱のスペクトルから結晶シリコンから由来する520cm−1付近のピーク強度I520とアモルファスシリコンから由来する480cm−1のピーク強度I480から数式(1)を適用して結晶化率X(%)として算出する。
(数1)
結晶化率X(%)=I520/(I520+I480)・・・(1)
図5は、本実施例で形成したタンデム型太陽電池モジュール100のμc−Siユニットのi型層の面内における結晶化率の分布の測定例を示している。結晶化率は、タンデム型太陽電池モジュール100のi型層を生成する条件と同じ成膜条件下においてガラス基板上に微結晶シリコン膜を600nmの膜厚に成膜した上でラマン分光法を用いて測定した。図5の測定結果は、図4に示したタンデム型太陽電池モジュール100の領域A〜Eにおける結晶化率を示している。図5に示すように、面内周辺部における第2の領域32(領域A及びE)の結晶化率を1とした場合に、面内中央部における第1の領域30(領域B,C及びD)の結晶化率は1.1倍以上、最大で1.2倍程度となる。
μc−Siユニットのn型層は、膜厚5nm以上50nm以下のn型ドーパント(リン等)が添加された微結晶シリコン層(n型μc−Si:H)を積層して構成される。n型層の膜質は、シリコン含有ガス、炭素含有ガス、n型ドーパント含有ガス及び希釈ガスの混合比、圧力及びプラズマ発生用高周波パワーを調整することによって変化させることができる。
複数の光電変換セルを直列接続する場合、光電変換ユニット14を短冊状にパターニングする。透明導電膜12を分断するスリットS1のパターンニング位置から50μm程度横の位置にスリットS1に平行にYAGレーザを照射してスリットS3を形成し、光電変換ユニット14を短冊状にパターニングする。YAGレーザは、例えば、エネルギー密度0.7J/cm、パルス周波数3kHzのものを用いることが好適である。
μc−Siユニット上に、裏面電極16を形成する。裏面電極16は、第1裏面電極及び第2裏面電極を積層して構成することが好適である。第1裏面電極としては、酸化錫(SnO)、酸化亜鉛(ZnO)、インジウム錫酸化物(ITO)等の透明導電性酸化物(TCO)が用いられる。また、第2裏面電極としては、銀(Ag)、アルミニウム(Al)等の金属が使用できる。TCOは、例えば、スパッタリング等により形成することができる。第1裏面電極及び第2裏面電極は、合わせて1000nm程度の膜厚とすることが好適である。第1裏面電極及び第2裏面電極の少なくとも一方には、光閉じ込め効果を高めるための凹凸が設けることが好適である。
複数のセルを直列接続する場合、裏面電極16及び光電変換ユニット14を短冊状にパターニングする。光電変換ユニット14を分断するスリットS3のパターンニング位置から50μm程度横の位置にスリットS1,S3に平行にYAGレーザを照射してスリットS4を形成し、裏面電極16及び光電変換ユニット14を短冊状にパターニングする。YAGレーザは、エネルギー密度0.7J/cm、パルス周波数4kHzのものを用いることが好適である。
さらに、図1に示すように、スリットS2に重ねるようにYAGレーザを照射してスリットS5を形成し、裏面電極16及び光電変換ユニット14を除去して光電変換セルを並列に分離する。スリットS5の幅はスリットS2の幅よりも狭くすることが好適である。また、スリットS5は、スリットS4と同じ条件で形成することができる。
また、太陽電池モジュール100の周辺部cにおいて透明絶縁基板10の表面が露出するように透明導電膜12、光電変換ユニット14及び裏面電極16を除去してもよい。これにより、太陽電池モジュール100に支持枠等を取り付けた際に、支持枠との電気的な絶縁を確実なものとすることができる。
スリットS2及びS5を形成することによって、直列接続された複数の光電変換セルの群が複数並列に配置された構成が得られる。タブ電極20は、並列に配置された光電変換セル群を電気的に並列に接続するように配設される。タブ電極20は、スリットS4と平行な方向に形成される。タブ電極20は、銅(Cu)、銀(Ag)、アルミニウム(Al)等の導電性金属を含む材料により構成することができる。例えば、銅(Cu)からなる芯線の表面を半田により被覆(メッキ)した構造とすることが好適である。
タブ電極20は、直列接続された複数の光電変換セルの一番端のセルの裏面電極16上に裏面電極16と電気的に接続されるように形成することが好適である。本実施の形態におけるタンデム型太陽電池モジュール100では、直列接続された光電変換セル群の両端のセルをそれぞれ互いに電気的に接続するようにタブ電極20を設けている。
タブ電極22は、タブ電極20を端子ボックス24へ電気的に接続するために設けられる。タブ電極22は、スリットS2及びS5に平行に、タブ電極20から端子ボックス24に亘って形成される。絶縁性テープ18は、直列に接続された複数の光電変換セルがタブ電極22によって並列に接続されないようにタブ電極22を形成する領域下に形成される。タブ電極22は、絶縁性テープ18上に配設される。
さらに、タブ電極20及びタブ電極22を絶縁性テープで被ってもよい。また、保護材となるEVAやバックシートによってタンデム型太陽電池モジュール100の表面を被って保護してもよい。これによって、タンデム型太陽電池モジュール100の発電層への水分の侵入等を防ぐことができる。
ここで、タブ電極22は、図1に示すように、タンデム型太陽電池モジュール100の第2の領域32に重ね合わせて配置する。すなわち、タンデム型太陽電池モジュール100の面内の中央領域における結晶性が高い第1の領域30ではなく、第1の領域30よりも結晶性が低い第2の領域32に重畳させるようにタブ電極22を形成する。
透明絶縁基板10側から入射した光は裏面電極16を分割するスリットS4を通して裏面側に透過してしまうが、タブ電極22が形成された領域では、スリットS4を透過した光はタブ電極22により光電変換ユニット14側へ反射される。本実施の形態では、結晶性の低いi型層の微結晶シリコン膜が形成されたモジュール周辺領域である第2の領域32にタブ電極22は形成されるので、スリットS4を透過した光が再利用され、タブ電極22が形成された領域近傍における電流の発生量を増加し、モジュール中央領域である第1の領域30における電流の発生量とのバランスが改善される。これにより、タンデム型太陽電池モジュール100の発電層全体での発電効率の均一化を図ることができる。
<第2の実施の形態>
上記第1の実施の形態で説明したタンデム型太陽電池モジュール100において、光電変換ユニット14の微結晶シリコンのi型層(μc−Siユニットのi型層)は、第1の領域30におけるキャリアのライフタイムが第2の領域32におけるキャリアのライフタイムよりも低くなるようにすることが好適である。
ここで、第1の領域30のキャリアのライフタイムを1とした場合、第2の領域32のキャリアのライフタイムは1.05倍以上とすることが好ましい。キャリアのライフタイムは、タンデム型太陽電池モジュール100のi型層を生成する条件と同じ成膜条件下において、ガラス基板上に微結晶シリコン膜を600nmの膜厚に成膜した上でマイクロ波光導電減衰法(μ−PCD法:Microwave Photo Conductivity Decay)を用いて測定する。具体的には、『半導体プロセスにおける重金属汚染の検出−キャリアライフタイム測定装置−』(神戸製鋼技法、Vol.52、No.2、2002年9月、pp87−93)に記載された方法を適用する。μ−PCD法では、ガラス基板上に形成した微結晶シリコン膜の面内の各領域に光を一瞬照射し、その光によって膜内に発生したキャリアの再結合による減衰を微結晶シリコン膜に別に照射しているマイクロ波の反射強度の変化として測定する。
μc−Siユニットのi型層は、成膜時に第1の領域30と第2の領域32に対する原料ガスのプラズマの状態を異ならせることによって形成することができる。第1の方法として、スリットS1によって短冊状にパターニングされた透明導電膜12の各領域の電位を異ならせた状態で成膜を行う。例えば、第1の領域30に対応する透明導電膜12をフローティングとし、第2の領域32に対応する透明導電膜12を接地した状態でプラズマCVD法を適用することによってi型層の面内分布を得ることができる。
第2の方法として、プラズマ電極の形状を第1の領域30と第2の領域32とに対応させて異ならせ、発生する原料ガスのプラズマの状態を面内で調整してもよい。第3の方法として、プラズマ電極に設けられたガスシャワー孔の形状、大きさ、個数等を第1の領域30と第2の領域32とに対応させて異ならせ、発生する原料ガスのプラズマの状態を面内で調整してもよい。
図6は、本実施例で形成したタンデム型太陽電池モジュール100のμc−Siユニットのi型層の面内におけるキャリアのライフタイムの分布の測定例を示している。キャリアのライフタイムは、タンデム型太陽電池モジュール100のi型層を生成する条件と同じ成膜条件下において、ガラス基板上に微結晶シリコン膜を600nmの膜厚に成膜した上でμ−PCD法を適用して測定した。図6の測定結果は、図4に示したタンデム型太陽電池モジュール100の領域A〜Eにおけるライフタイムを示している。図6に示すように、面内中央部における第1の領域30(領域C)のライフタイムを1とした場合に、面内周辺部における第2の領域32(領域A及びE)のライフタイムは1.14倍程度まで高められる。
このように、本実施の形態では、タンデム型太陽電池モジュール100の面内においてμc−Siユニットのi型層に結晶化率が高く、且つ、キャリアのライフタイムが低い第1の領域30と、第1の領域30より結晶化率が低く、且つ、キャリアのライフタイムが高い第2の領域32と、を配している。
これによって、基板周辺部等の成膜条件によってi型層の結晶性が低くなってしまう領域ではキャリアのライフタイムを高くし、それらの領域よりも結晶性が高くなる領域ではキャリアのライフタイムを低くすることができ、タンデム型太陽電池モジュール100の面内における発電効率をより均一化させることができる。これは、タンデム型太陽電池モジュール100をモジュール化する際に有利である。
また、タンデム型太陽電池モジュール100をパネル化した場合、基板の周辺部分において外部から水分が入り込んだとしても、周辺部分のi型層の結晶性を低くしておくことによってより剥離を生じ難くさせることができる。
10 透明絶縁基板、12 透明導電膜、14 光電変換ユニット、16 裏面電極、18 絶縁性テープ、20,22 タブ電極、24 端子ボックス、100 タンデム型太陽電池モジュール。

Claims (4)

  1. 発電層として微結晶シリコン膜を有する太陽電池モジュールであって、
    前記発電層の微結晶シリコン膜は、太陽電池モジュールの面内の第1領域と、前記第1領域より結晶化率が低い第2領域と、を有し、
    太陽電池モジュールの端子ボックスへのタブ電極は前記第2領域に重畳させて配置されていることを特徴とする太陽電池モジュール。
  2. 請求項1に記載の太陽電池モジュールであって、
    前記第1領域は、太陽電池モジュールのパネルにおける中央領域であり、
    前記第2領域は、太陽電池モジュールのパネルにおける周辺領域であることを特徴とする太陽電池モジュール。
  3. 請求項1又は2に記載の太陽電池モジュールであって、
    前記第1領域におけるキャリアのライフタイムは、前記第2領域におけるキャリアのライフタイムよりも低いことを特徴とする太陽電池モジュール。
  4. 発電層として微結晶シリコン膜を有する太陽電池モジュールの製造方法であって、
    太陽電池モジュールの面内の第1領域と、前記第1領域より結晶化率が低い第2領域と、を有する前記微結晶シリコン膜を形成する工程と、
    前記第2領域に重畳させて太陽電池モジュール端子ボックスへのタブ電極を形成する工程と、
    を有することを特徴とする太陽電池モジュールの製造方法。
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