JP2011249645A - 多接合型薄膜光電変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】光吸収率を高めた多接合型薄膜光電変換装置を提供する。
【解決手段】本発明の多接合型薄膜光電変換装置は、透明基板と、該透明基板上に形成された透明導電膜と、該透明導電膜上に形成された第1光電変換素子と、該第1光電変換素子上に形成された中間層と、該中間層上に形成された第2光電変換素子と、該第2光電変換素子上に形成された裏面電極とを有し、中間層の平均厚みよりも厚みが厚い厚膜部と、中間層の平均厚みよりも厚みが薄い薄膜部とを有し、厚膜部の厚みは、薄膜部の厚みの1.5倍以上であることを特徴とする。
【選択図】図1
【解決手段】本発明の多接合型薄膜光電変換装置は、透明基板と、該透明基板上に形成された透明導電膜と、該透明導電膜上に形成された第1光電変換素子と、該第1光電変換素子上に形成された中間層と、該中間層上に形成された第2光電変換素子と、該第2光電変換素子上に形成された裏面電極とを有し、中間層の平均厚みよりも厚みが厚い厚膜部と、中間層の平均厚みよりも厚みが薄い薄膜部とを有し、厚膜部の厚みは、薄膜部の厚みの1.5倍以上であることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
本発明は、多接合型薄膜光電変換装置に関し、特に光電変換素子の光吸収の効率を高めるための中間層を備える多接合型薄膜光電変換装置に関する。
近年、地球温暖化を防止する観点から、従来の化石燃料を用いたエネルギから自然エネルギへの変換が要求されている。自然エネルギ用いる技術として、光電変換素子を用いる太陽電池はすでに実用化されているが、さらなる性能向上とコストダウンが要求されている。
太陽電池は、pn接合またはpin接合を有する半導体により光エネルギを電気エネルギに変換する。pn接合またはpin接合を構成する半導体としてはシリコンが一般的に用いられる。シリコンの中でも単結晶シリコンは、光電変換効率を高めることができるというメリットを有する。その反面、単結晶シリコンは、原料供給、大面積化、低コスト化の面での問題がある。
そこで、大面積化、および低コスト化の課題を解決する材料として、非晶質シリコンを光電変換素子として用いた薄膜太陽電池が実用化されている。この薄膜太陽電池は、一般的にp型層とn型層とでi型層を挟んだ構造の光電変換素子を有する。
ここで、i型層は、実質的に真性の半導体であって、光電変換作用を示すものであり、光電変換素子の厚みの大部分を占める。i型層の厚みを厚くすることにより、i型層の光吸収を大きくすることができ、もって得られる光電流を大きくすることができる。
ところで、太陽電池の高効率化と低コスト化を両立する手段として、多接合型太陽電池の研究開発が盛んに行なわれている。たとえば特許文献1には、エネルギーギャップが異なる光電変換素子を複数積層した多接合型薄膜太陽電池が開示されている。
特許文献1に開示される多接合型薄膜太陽電池は、エネルギーギャップが大きい材料を太陽光の入射側から順に配置することにより、単接合型の薄膜太陽電池よりも効率的に太陽光エネルギを利用するというものである。しかも、複数の光電変換素子を直列に接続することにより、開放電圧を高めることができる。
このような多接合型薄膜太陽電池は、複数の光電変換素子が直列に接続されている。このため、多接合型薄膜太陽電池から取り出せる電流は、各光電変換素子で発生する電流のうちの最小のものに依存する。よって、たとえば多接合型薄膜太陽電池を構成するいずれか1つの光電変換素子の性能が低下すると、多接合型薄膜太陽電池全体の出力が低下する。このため、多接合型薄膜太陽電池を構成するそれぞれの光電変換素子の特性をバランスよく高度に保つことが要求される。
入射光に近い側の光電変換素子には、エネルギーギャップが大きい非晶質シリコンを用いる。非晶質シリコンの膜厚を薄くすることにより、Staebler-Wronski効果に起因する光電変換効率の経時劣化を抑制するとともに、生産性の向上およびコストダウンも実現し得る。
また、特許文献2には、2つの光電変換素子の間に導電性の中間層を配置した多接合型薄膜太陽電池が開示されている。このような位置に中間層を設けることにより、特定の波長のみを優先的に反射することができ、もって中間層の上下に位置する光電変換素子にそれぞれ、吸収係数の高い波長の光を透過させることができる。
ところで、特許文献3には、2つの光電変換素子の間に位置する中間層の表面に微細な凹凸を形成することにより、微細な凹凸が形成された側の光電変換素子の光電変換効率を高める技術が開示されている。
表面に凹凸形状を有する光電変換素子に太陽光が入射すると、光電変換素子の入射面で様々な方向に拡散される。そして、特許文献2および3のように光電変換素子の下面に中間層を配置する場合、中間層には様々な方向の光が入射する。中間層に入射した光が回析して、光電変換素子側に反射するためには、中間層の屈折率と膜厚とを調整する必要がある。
しかしながら、たとえば中間層に対して垂直に入射した光が反射しやすいように中間層の屈折率および膜厚を最適化すると、中間層に一定の角度をもって入射する光が反射されにくくなる。一方、中間層に対して一定の角度をもって入射する光が反射しやすいように中間層の屈折率および膜厚を最適化すると、中間層に垂直に入射した光が反射されにくくなる。
すなわち、中間層に入射する光の拡散度合に適した膜厚にする必要があるが、中間層に入射する光は一定の角度分布を有しているため、最適な中間層の膜厚を一意的に決定することはできなかった。
また、凹凸を形成した中間層の表面上に、結晶質からなる第2光電変換素子を結晶成長させると、かかる凹凸により結晶成長が阻害されて、粒界の発生が増加し、第2光電変換素子から取り出せる電圧が低下するという問題があった。
一方、平坦で滑らかな中間層の表面上に、結晶質からなる光電変換素子を結晶成長させると、光の拡散性が低下して、光電変換阻止を通過する光路長が短くなるという問題があった。
本発明は、上記のような現状に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、幅広い角度に拡散した光を効果的に反射することができる中間層を備えることにより、光吸収率を高めた多接合型薄膜光電変換装置を提供することである。
本発明者らは上記のような課題を解決するために、中間層の最適厚みを検討したところ、中間層が一定の間隔で厚い部分と薄い部分とを有することにより、幅広い角度に拡散した入射光を効果的に反射するとともに、その上に形成される第2光電変換素子に粒界が生じにくくなることを見い出した。
すなわち、本発明の多接合型薄膜光電変換装置は、透明基板と、該透明基板上に形成された透明導電膜と、該透明導電膜上に形成された第1光電変換素子と、該第1光電変換素子上に形成された中間層と、該中間層上に形成された第2光電変換素子と、該第2光電変換素子上に形成された裏面電極とを有し、中間層の平均厚みよりも厚みが厚い厚膜部と、中間層の平均厚みよりも厚みが薄い薄膜部とを有し、厚膜部の厚みは、薄膜部の厚みの1.5倍以上であることを特徴とする。
上記の厚膜部の厚みは、薄膜部の厚みの2倍以上であることが好ましい。
第1光電変換素子の透明導電膜側の凹凸の表面粗さは、20nm以上200nm以下であることが好ましい。中間層の第1光電変換素子側の凹凸の表面粗さは、中間層の第2光電変換素子側の凹凸の表面粗さよりも大きいことが好ましい。中間層の第2光電変換素子側の凹凸の表面粗さは、2nm以上20nm以下であることが好ましい。
第1光電変換素子の透明導電膜側の凹凸の表面粗さは、20nm以上200nm以下であることが好ましい。中間層の第1光電変換素子側の凹凸の表面粗さは、中間層の第2光電変換素子側の凹凸の表面粗さよりも大きいことが好ましい。中間層の第2光電変換素子側の凹凸の表面粗さは、2nm以上20nm以下であることが好ましい。
本発明は、上記の構成を有することにより、幅広い角度に拡散した光であっても効果的に反射することができ、もって中間層から見て入射光側の光電変換素子の光吸収率を高めることができる。これにより光電変換素子が薄膜であっても多くの電流を取り出すことができる。しかも、上記の構成を有する中間層は、その上に形成される第2光電変換素子に粒界が生じにくいという優れた効果を有する。
以下、本発明の多接合型薄膜光電変換装置を説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表わすものではない。
図1は、本実施の形態の多接合型薄膜光電変換装置の模式的な断面図である。本実施の形態の多接合型薄膜光電変換装置1は、図1に示されるように、透明基板11と、該透明基板11上に形成された透明導電膜12と、該透明導電膜12上に形成された第1光電変換素子13と、該第1光電変換素子13上に形成された中間層14と、該中間層14上に形成された第2光電変換素子15と、該第2光電変換素子15上に形成された裏面電極17とを有し、中間層14は、中間層14の平均厚みよりも厚みが厚い厚膜部と、中間層14の平均厚みよりも厚みが薄い薄膜部とを有し、該厚膜部の厚みは、薄膜部の厚みの1.5倍以上であることを特徴とする。なお、図1に示されるように、第2光電変換素子15と裏面電極17との間に、透明導電性薄膜16を形成してもよい。
このように中間層14が厚膜部と薄膜部とを有することにより、たとえば厚膜部が中間層14に対して角度をもって入射した光を反射し、薄膜部が中間層14に対して垂直に入射した光を反射するというように機能し、幅広い角度をもって中間層14に入射した光を効果的に反射することができる。なお、本実施の形態の多接合型薄膜光電変換装置1は、透明基板11側から光を入射させる。以下、本実施の形態の多接合型薄膜光電変換装置1を構成する各部を説明する。
<中間層>
本実施の形態において、中間層14は入射光のうちの第1光電変換素子が吸収しやすい波長の光のみを反射し、それ以外の波長の光を透過させる機能を有するものである。本実施の形態の中間層14は、均一な膜厚のものではなく、上述のように厚膜部と薄膜部とを有するものであるが、中間層14の厚みを平均すると5nm以上200nm以下であることが好ましい。このような中間層14の平均厚みは、走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)を用いて断面形状を観察することにより測定された値を平均したものを採用するものとする。ここで、厚膜部とは、中間層14の平均厚みよりも厚みが厚い部分のことをいい、薄膜部とは、中間層14の平均厚みよりも厚みが薄い部分をいう。
本実施の形態において、中間層14は入射光のうちの第1光電変換素子が吸収しやすい波長の光のみを反射し、それ以外の波長の光を透過させる機能を有するものである。本実施の形態の中間層14は、均一な膜厚のものではなく、上述のように厚膜部と薄膜部とを有するものであるが、中間層14の厚みを平均すると5nm以上200nm以下であることが好ましい。このような中間層14の平均厚みは、走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)を用いて断面形状を観察することにより測定された値を平均したものを採用するものとする。ここで、厚膜部とは、中間層14の平均厚みよりも厚みが厚い部分のことをいい、薄膜部とは、中間層14の平均厚みよりも厚みが薄い部分をいう。
本実施の形態において、中間層14の厚膜部の厚みは、薄膜部の厚みの2倍以上であることが好ましい。このような膜厚の分布を有することにより、中間層14に入射した光のうちの特定波長を効率的に反射させることができる。
このような中間層14は、蒸着法、CVD法、またはスパッタリング法により形成することができるが、所望の膜厚を形成するという観点から、化学的成膜法を用いることが好ましい。化学的成膜法としては、たとえばCVD法、ミストデポジション法、スプレー法などを挙げることができる。
上記の中間層14に用いられる材料としては、透明性と導電性とを有する酸化物膜を用いることができる他、導電性を有するシリコン酸化物層、またはシリコン窒化物層などを用いてもよい。このような酸化物膜としては、たとえばITO膜、SnO2膜、またはZnO膜を挙げることができる。
ここで、中間層14は、その表裏に凹凸を有するものであり、中間層14の第1光電変換素子13側に形成された凹凸の表面粗さRaは、中間層14の第2光電変換素子15側に形成された凹凸の表面粗さRaよりも大きいことが好ましい。このように中間層14の第2光電変換素子15側の凹凸を平坦化するように、中間層14の膜厚を分布させることにより、結晶質を含む第2光電変換素子15を結晶成長させるときに、粒界が生じにくくなり、第2光電変換素子15の結晶性を向上させることができる。
中間層14の第2光電変換素子15側に形成される凹凸の表面粗さは、2nm以上20nm以下であることが好ましい。このような表面粗さの凹凸は、後に中間層14上に形成される第2光電変換素子15の結晶性を高めるだけでなく、光閉じ込め効果にも優れた効果を示す。ここで、凹凸の表面粗さは、原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscope)により測定した表面粗さRaの値を採用する。なお、以下における表面粗さはいずれも、この測定方法に従うものとする。
なお、ここでは、中間層14の表裏に形成される凹凸の表面粗さを規定するが、かかる凹凸の平均間隔Smは、従来公知の範囲であればよく、たとえば100nm以上1μm以下であればよい。また、第1光電変換素子13側に形成された凹凸の平均間隔と、第2光電変換素子15側に形成された凹凸の平均間隔とは同程度であることが好ましいが、必ずしも同程度でなくてもよく、異なるものであってもよい。
中間層14の第2光電変換素子側に、凹凸を形成するためには、CVD法により第1光電変換素子13の凹部に選択的に中間層14を形成することが好ましいが、この方法のみに限られるものではなく、従来公知の凹凸形成方法を用いることができる。一方、中間層14の第1光電変換素子側に形成される凹凸の表面粗さは、第1光電変換素子13の中間層14側の表面粗さによる。
<透明基板>
本実施の形態の多接合型薄膜光電変換装置1に用いられる透明基板11としては、ガラス、ポリイミド等の透光性樹脂フィルム等を用いることができる。ガラスの中でも、ソーダライムガラスを用いることが好ましい。ソーダライムガラスは、大面積な板を安価に入手することができるとともに、透明性および絶縁性にも優れるというメリットがある。
本実施の形態の多接合型薄膜光電変換装置1に用いられる透明基板11としては、ガラス、ポリイミド等の透光性樹脂フィルム等を用いることができる。ガラスの中でも、ソーダライムガラスを用いることが好ましい。ソーダライムガラスは、大面積な板を安価に入手することができるとともに、透明性および絶縁性にも優れるというメリットがある。
このような透明基板11は、プラズマCVDを用いて各層を形成するプロセスに耐え得る程度の耐熱性を有することが好ましい。透明基板1の厚みは特に限定されず、いかなる厚みであってもよいし、透明基板1の形状も所望のものを用いてよい。
<透明導電膜>
本実施の形態において、透明導電膜12としては、透明性と導電性とを有する酸化物を用いることができる。このような酸化物としては、たとえばITO、SnO2、ZnOなどを挙げることができる。透明導電膜12の厚みは、特に限定されることなくいかなる厚みであってもよい。
本実施の形態において、透明導電膜12としては、透明性と導電性とを有する酸化物を用いることができる。このような酸化物としては、たとえばITO、SnO2、ZnOなどを挙げることができる。透明導電膜12の厚みは、特に限定されることなくいかなる厚みであってもよい。
このような透明導電膜12は、従来公知の方法により製膜することができるが、蒸着法、CVD法、スパッタリング法等を用いることが好ましい。ここで、図1に示されるように、透明導電膜12の表面に微細な凹凸を含むテクスチャ構造を形成することが好ましい。このようなテクスチャ構造を形成することにより、光閉じ込め効果を向上させることができる。
なお、透明導電膜12に微細な凹凸を形成する方法としては、たとえば熱CVD法、LP−CVD等を挙げることができる。
<第1光電変換素子>
本実施の形態において、第1光電変換素子13は、光入射側の面に形成される光電変換素子であることから、エネルギーギャップの高い材料を用いることが好ましい。エネルギーギャップの高い材料としては、たとえば非晶質シリコンやシリコンカーバイドを挙げることができる。
本実施の形態において、第1光電変換素子13は、光入射側の面に形成される光電変換素子であることから、エネルギーギャップの高い材料を用いることが好ましい。エネルギーギャップの高い材料としては、たとえば非晶質シリコンやシリコンカーバイドを挙げることができる。
このような第1光電変換素子13は、選択する材料により最適な膜厚は異なり、たとえば非晶質シリコンを第1光電変換素子13として用いると、第1光電変換素子13の膜厚は、0.1μm以上0.5μm以下であることが好ましい。
このような第1光電変換素子13は、透明導電膜12側からp型層、i型光電変換層、およびn型層を順次積層したpin構造を有することが好ましい。ここでのi型光電変換層は、実質的に真性な半導体膜である非晶質水素化Siからなるものを用いることが好ましい。同様にp型層およびn型層はいずれも、非晶質水素化Siからなるものを用いることが好ましい。なお、p型層とi型光電変換層との間に、たとえば非晶質水素化Siを設けてもよいし、i型非晶質層などのバッファ層を設けてもよい。
ここで、「実質的に真性な半導体層」とは、完全にノンドープのものに限られるものではなく、微量のp型不純物を含んでもよいし、微量のn型不純物を含んでもよい。ちなみに、p型層は、ボロン、アルミニウム等のp型不純物原子がドープされた半導体層であり、n型層は、リン等のn型不純物原子がドープされた半導体層である。なお、第1光電変換素子13は、複数の光電変換素子を積層させたものであってもよい。上記のような第1光電変換素子13を構成する各層は、いずれもプラズマCVD法により作製することができる。
第1光電変換素子13の透明導電膜12側(すなわち入射光側)の凹凸の表面粗さは、20nm以上200nm以下であることが好ましい。このような凹凸を第1光電変換素子13の光入射面側に形成することにより、入射光が散乱し、第1光電変換素子13の内部の光路長を長くすることができ、もって光電変換効率を高めることができる。
<第2光電変換素子>
本実施の形態において、第2光電変換素子15は、第1光電変換素子13を構成する材料よりもエネルギーギャップの少ない材料であることが好ましい。このような材料を用いることにより、第1光電変換素子13で光エネルギから電気エネルギに変換し得なかった波長領域の光エネルギを電気エネルギに変換することができ、もって光電変換効率を高めることができる。
本実施の形態において、第2光電変換素子15は、第1光電変換素子13を構成する材料よりもエネルギーギャップの少ない材料であることが好ましい。このような材料を用いることにより、第1光電変換素子13で光エネルギから電気エネルギに変換し得なかった波長領域の光エネルギを電気エネルギに変換することができ、もって光電変換効率を高めることができる。
このような第2光電変換素子15は、第1光電変換素子13と同様に、中間層14側から順にp型層、i型光電変換層、およびn型層を作製したものであることが好ましい。第2光電変換素子15の材料としては、たとえば非晶質のシリコンゲルマニウム、微結晶のシリコン、またはシリコンゲルマニウムを用いることができる。
このような第2光電変換素子15は、選択する材料により最適な膜厚は異なり、たとえば微結晶シリコンを第2光電変換素子15として用いると、第2光電変換素子15の膜厚は、出力電流が最大となるように調整することが好ましく、たとえば0.5μm以上2μm以下であることが好ましい。第2光電変換素子15は、上記の第1光電変換素子13と同様にプラズマCVD法により形成することができる。このような第2光電変換素子15は、複数の光電変換素子を積層させたものであってもよい。
また、第2光電変換素子15の裏面電極17側にも凹凸を形成することが好ましい。裏面電極17側に凹凸を形成することにより、光電変換素子の膜厚を増加する必要がなく、生産性を維持したまま光電変換効率を高めることができる。第2光電変換素子15の裏面電極17側に形成する凹凸の表面粗さは、20nm以上200nm以下であることが好ましい。
<裏面電極>
本実施の形態において、裏面電極17は、電極としての機能のみならず、第1光電変換素子13および第2光電変換素子15を透過して裏面電極17に到達した光を反射させる機能を有することが好ましい。反射する機能を有することにより、一度透過した第1光電変換素子13および第2光電変換素子15に再度光を入射させることができ、もって光電変換効率を高めることができる。
本実施の形態において、裏面電極17は、電極としての機能のみならず、第1光電変換素子13および第2光電変換素子15を透過して裏面電極17に到達した光を反射させる機能を有することが好ましい。反射する機能を有することにより、一度透過した第1光電変換素子13および第2光電変換素子15に再度光を入射させることができ、もって光電変換効率を高めることができる。
このような裏面電極17は、200nm以上400nm以下の膜厚であることが好ましい。裏面電極17を構成する材料としては、たとえば銀、アルミニウム等を挙げることができる。また、裏面電極17を形成する方法としては、蒸着法やスパッタリング法を用いることができる。
なお、図1に示されるように、第2光電変換素子15と裏面電極17との間に、透明導電性薄膜16を設けてもよい。透明導電性薄膜16を設けることにより、裏面電極17での反射率を高めることができる他、第2光電変換素子15と裏面電極17との密着性を向上させることもできる。このような透明導電性薄膜16を構成する材料は、ZnOのような非金属材料からなることが好ましい。
本発明において上記で好適な実施形態を説明した多接合型薄膜光電変換装置は、上記に限定されるものではなく、上記以外の構成とすることもできる。
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
<実施例1>
本実施例では、図1に示される多接合型薄膜光電変換装置を作製した。まず、透明導電膜12付きの透明基板11(Asahi−U(旭硝子株式会社製))を用いた。透明基板11としては、膜厚が1.8mmのガラス基板であり、このガラス基板には、SnO2からなる透明導電膜12が形成されたものであり、かかる透明導電膜12の表面には、27nmの表面粗さの凹凸が形成されていた。
本実施例では、図1に示される多接合型薄膜光電変換装置を作製した。まず、透明導電膜12付きの透明基板11(Asahi−U(旭硝子株式会社製))を用いた。透明基板11としては、膜厚が1.8mmのガラス基板であり、このガラス基板には、SnO2からなる透明導電膜12が形成されたものであり、かかる透明導電膜12の表面には、27nmの表面粗さの凹凸が形成されていた。
かかる透明導電膜12上に、プラズマCVD法を用いて、非晶質シリコンからなるi型層を含む膜厚が150nmの第1光電変換素子13を形成した。このようにして形成した第1光電変換素子13の透明導電膜側の凹凸の表面粗さは、上記の透明導電膜12の表面粗さと一致しており、27nmであった。
そして、同様のプラズマCVD法を用いて、平均膜厚が120nmのZnOからなる中間層14を、中間層14の第2光電変換素子15側の凹凸の表面粗さが10nmとなるように形成した。このとき薄膜部の厚みは60nmであり、厚膜部の厚みは180nmであった。このことから、厚膜部の厚みは薄膜部の厚みの3倍であった。
次に、上記の中間層14上に膜厚が2μmの微結晶シリコンからなるi型層を含む第2光電変換素子15を形成した。かかる第2光電変換素子15上に、スパッタ法を用いて、ZnOからなる透明導電性薄膜16と、Agからなる裏面電極17を形成した。以上のようにして、本実施例の多接合型薄膜光電変換装置を作製した。
<実施例2〜3、比較例1>
実施例1の多接合型薄膜光電変換装置に対し、中間層の第2光電変換素子側の凹凸の表面粗さ、薄膜部の膜厚、および厚膜部の膜厚が以下の表1のように異なる他は、実施例1と同様の方法により、実施例2〜3、および比較例1の多接合型薄膜光電変換装置を作製した。
実施例1の多接合型薄膜光電変換装置に対し、中間層の第2光電変換素子側の凹凸の表面粗さ、薄膜部の膜厚、および厚膜部の膜厚が以下の表1のように異なる他は、実施例1と同様の方法により、実施例2〜3、および比較例1の多接合型薄膜光電変換装置を作製した。
<実施例4>
本実施例では、図2に示される多接合型薄膜光電変換装置2を作製した。図2は、本発明による多接合型薄膜光電変換装置の模式的な断面図の一例である。まず、実施例1と同様の方法により、透明基板21、透明導電膜22、第1光電変換素子23、および中間層24をこの順に形成した。次に、中間層24の第2光電変換素子25側の凹凸の表面粗さを20nmとした。
本実施例では、図2に示される多接合型薄膜光電変換装置2を作製した。図2は、本発明による多接合型薄膜光電変換装置の模式的な断面図の一例である。まず、実施例1と同様の方法により、透明基板21、透明導電膜22、第1光電変換素子23、および中間層24をこの順に形成した。次に、中間層24の第2光電変換素子25側の凹凸の表面粗さを20nmとした。
次に、中間層24上に、膜厚が1.5μmの微結晶シリコンからなるi型層を含む第2光電変換素子25を形成した。そして、第2光電変換素子25の表面をエッチングすることにより、第2光電変換素子25の透明導電性薄膜26と接する側に表面粗さが30nmの凹凸を形成した。
その後、実施例1と同様の方法により、第2光電変換素子25上に、透明導電性薄膜26および裏面電極27をスパッタ法により形成した。以上のようにして本実施例の多接合型薄膜光電変換装置を作製した。
<比較例2>
本比較例では、図3に示される多接合型薄膜光電変換装置3を作製した。図3は、従来の多接合型薄膜光電変換装置の模式的な断面図の一例である。まず、実施例1と同様の方法により、透明基板31、透明導電膜32、および第1光電変換素子33を形成した。第1光電変換素子33上に、平均膜厚が150nmのZnOからなる中間層34を形成した。
本比較例では、図3に示される多接合型薄膜光電変換装置3を作製した。図3は、従来の多接合型薄膜光電変換装置の模式的な断面図の一例である。まず、実施例1と同様の方法により、透明基板31、透明導電膜32、および第1光電変換素子33を形成した。第1光電変換素子33上に、平均膜厚が150nmのZnOからなる中間層34を形成した。
次に、中間層34上に膜厚が1.5μmの微結晶シリコンからなるi型層を含む第2光電変換素子35を形成した。かかる第2光電変換素子35上に、スパッタ法を用いて、ZnOからなる透明導電性薄膜36と、Agからなる裏面電極37を形成した。以上のようにして本比較例の多接合型薄膜光電変換装置を作製した。
<出力特性の評価>
実施例1〜4および比較例1〜2で作製した多接合型薄膜光電変換装置に対し、ソーラシュミレータによりAM1.5の光を100mW/cm2の光強度で照射した。このようにして25℃での各多接合型薄膜光電変換装置の出力特性を測定したところ、実施例1〜4、および比較例1〜2の多接合型薄膜光電変換装置の短絡電流密度は以下の表2に示す値となった。
実施例1〜4および比較例1〜2で作製した多接合型薄膜光電変換装置に対し、ソーラシュミレータによりAM1.5の光を100mW/cm2の光強度で照射した。このようにして25℃での各多接合型薄膜光電変換装置の出力特性を測定したところ、実施例1〜4、および比較例1〜2の多接合型薄膜光電変換装置の短絡電流密度は以下の表2に示す値となった。
このような結果から、本発明の多接合型薄膜光電変換装置は、第1光電変換素子のi型層の膜厚を変えることなく、短絡電流密度を向上させることができることが明らかとなった。このように短絡電流密度を向上させることができたのは、厚膜部と薄膜部とを有する中間層を形成したことにより、中間層に入射した拡散光を第1光電変換素子側に反射させることができたことによるものと考えられる。
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1,2,3 多接合型薄膜光電変換装置、11,21,31 透明基板、12,22,32 透明導電膜、13,23,33 第1光電変換素子、14,24,34 中間層、15,25,35 第2光電変換素子、16,26,36 透明導電性薄膜、17,27,37 裏面電極。
Claims (5)
- 透明基板と、該透明基板上に形成された透明導電膜と、
前記透明導電膜上に形成された第1光電変換素子と、
前記第1光電変換素子上に形成された中間層と、
前記中間層上に形成された第2光電変換素子と、
前記第2光電変換素子上に形成された裏面電極とを有し、
前記中間層は、前記中間層の平均厚みよりも厚みが厚い厚膜部と、前記中間層の平均厚みよりも厚みが薄い薄膜部とを有し、
前記厚膜部の厚みは、前記薄膜部の厚みの1.5倍以上である、多接合型薄膜光電変換装置。 - 前記厚膜部の厚みは、前記薄膜部の厚みの2倍以上である、請求項1に記載の多接合型薄膜光電変換装置。
- 前記第1光電変換素子の透明導電膜側の凹凸の表面粗さは、20nm以上200nm以下である、請求項1または2に記載の多接合型薄膜光電変換装置。
- 前記中間層の前記第1光電変換素子側の凹凸の表面粗さは、前記中間層の前記第2光電変換素子側の凹凸の表面粗さよりも大きい、請求項1〜3のいずれかに記載の多接合型薄膜光電変換装置。
- 前記中間層の前記第2光電変換素子側の凹凸の表面粗さは、2nm以上20nm以下である、請求項1〜4のいずれかに記載の多接合型薄膜光電変換装置。
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-
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US10333016B2 (en) | 2015-09-30 | 2019-06-25 | Kaneka Corporation | Multi-junction photoelectric conversion device and photoelectric conversion module |
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