JP2012174735A - Thin film solar cell - Google Patents

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崇 口山
Osamu Inagi
修 稲木
Kenji Yamamoto
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To increase the amount of light that is incorporated into a photoelectric conversion unit by controlling the refraction index of an uneven layer using specific nanoparticles.SOLUTION: A thin film solar cell that includes: an uneven layer, a transparent electrode layer, at least one or more photoelectric conversion units, a back electrode on a base material in this order. The uneven layer includes nanoparticles of at least one metal oxide selected from the group consisting of zinc, niobium, titanium, zirconium, aluminum, cerium, and yttrium, and a matrix material.

Description

本発明は、主として非単結晶シリコン系などの薄膜太陽電池の透明電極において、高い光取り込み効率または光取り出し効率を可能とするものである。   The present invention enables high light capturing efficiency or light extracting efficiency mainly in transparent electrodes of non-single crystal silicon-based thin film solar cells.

非単結晶シリコン系を代表とする薄膜太陽電池は、透明基板上に形成された透明電極層上に、光電変換層となる半導体シリコン層が形成されているものであり、光電変換効率を向上させるための研究が精力的に行われている。光電変換効率を向上させるための一つの方策として、「光閉じ込め効率の向上」が挙げられる。光閉じ込め効率は、透明基板より入射した光が透明電極層または光電変換層内で拡散され、光路長を長くするために、基板/透明電極層や、透明電極層/光電変換層の界面において、各層の屈折率差に起因して基板に対して垂直に入射した光も屈折する。この光の屈折により光電変換ユニットを通る光の進行距離は膜厚方向よりも長くなる。これにより「見かけ上の膜厚」が増加することになり、結果として短絡電流を大きくすることができる。   A thin-film solar cell typified by a non-single-crystal silicon system has a semiconductor silicon layer as a photoelectric conversion layer formed on a transparent electrode layer formed on a transparent substrate, and improves photoelectric conversion efficiency. Research is being conducted vigorously. One measure for improving the photoelectric conversion efficiency is “improvement of light confinement efficiency”. The light confinement efficiency is such that light incident from the transparent substrate is diffused in the transparent electrode layer or photoelectric conversion layer, and in order to increase the optical path length, at the interface between the substrate / transparent electrode layer and the transparent electrode layer / photoelectric conversion layer, Light incident perpendicularly to the substrate due to the refractive index difference of each layer is also refracted. Due to this light refraction, the traveling distance of the light passing through the photoelectric conversion unit becomes longer than the film thickness direction. As a result, the “apparent film thickness” increases, and as a result, the short-circuit current can be increased.

上記の手段の一つとして、透明基板上に凹凸形状を有する凹凸層を設ける手法が知られている。特許文献1には、薄膜太陽電池の裏面電極側に、金属酸化物やシリコン酸化物などからなる透光性導電膜に、金属酸化物材料などからなる散乱体を添加して凹凸形状を形成し、光散乱効果を高める旨が記載されている。   As one of the above-mentioned means, a method of providing an uneven layer having an uneven shape on a transparent substrate is known. In Patent Document 1, a concavo-convex shape is formed by adding a scatterer made of a metal oxide material or the like to a light-transmitting conductive film made of a metal oxide or silicon oxide on the back electrode side of the thin film solar cell. It is described that the light scattering effect is enhanced.

しかしながら、上記のような透光性導電膜を用いる技術は裏面電極側には有効であるが、以下に示すように吸収等の観点から光入射側に用いることは困難であると考えられる。すなわち上記透光性導電膜として用いられる金属酸化物やシリコン酸化物などは、長波長側には「自由電子に由来する反射・吸収」、短波長側には「バンド間の励起子吸収」が存在し、いずれも透過率を低下させる。このため、例えば凹凸層を形成しうるような厚みの透光性導電膜を、光入射側の透明電極層として形成した場合、この透明電極層自体への光の吸収があるため、使用し難いと考えられる。   However, although the technique using the translucent conductive film as described above is effective on the back electrode side, it is considered difficult to use it on the light incident side from the viewpoint of absorption and the like as described below. That is, the metal oxide or silicon oxide used as the translucent conductive film has “reflection / absorption derived from free electrons” on the long wavelength side and “exciton absorption between bands” on the short wavelength side. Present and both reduce the transmittance. For this reason, for example, when a transparent conductive film having a thickness capable of forming an uneven layer is formed as a transparent electrode layer on the light incident side, it is difficult to use because the transparent electrode layer itself absorbs light. it is conceivable that.

ここで入射した光は一番初めに到達する光入射側の透明基板〜透明電極層間で最も光量が高いため、光入射側に凹凸形状を設けることは極めて重要である。このため、光入射側に凹凸層を形成して光閉じ込め効率を高める研究が精力的に行われている。   Since the incident light has the highest amount of light between the transparent substrate and the transparent electrode layer on the light incident side that reaches first, it is extremely important to provide an uneven shape on the light incident side. For this reason, intensive research has been conducted to increase the light confinement efficiency by forming an uneven layer on the light incident side.

例えば特許文献2では、酸化ケイ素を主成分とし、屈折率が1.4〜1.5程度のゾルゲル材料を薄膜太陽電池の光入射側の凹凸層として用いている。これは後述するように、光学的なロスがほとんどない状態で光を取り込めるためと考えられる。
しかしながらゾルゲル材料のみによって凹凸層を形成した場合、凹凸層が透明基板よりも低い屈折率となり、光学的には不利となる。すなわち透明基板と凹凸層との界面で反射が起こり、さらに大きな屈折率差が生じる凹凸層と透明電極層との界面で大きな反射が起こるため、光電変換層に導入される光が少なくなることが想定される。
For example, in Patent Document 2, a sol-gel material having silicon oxide as a main component and a refractive index of about 1.4 to 1.5 is used as an uneven layer on the light incident side of a thin film solar cell. This is considered to be because light can be taken in with almost no optical loss, as will be described later.
However, when the concavo-convex layer is formed only by the sol-gel material, the concavo-convex layer has a lower refractive index than the transparent substrate, which is optically disadvantageous. That is, reflection occurs at the interface between the transparent substrate and the concavo-convex layer, and a large reflection occurs at the interface between the concavo-convex layer and the transparent electrode layer, where a large refractive index difference occurs. is assumed.

このため、特許文献2には、凹凸層の屈折率を調整する為に、ケイ素やチタンなどの金属酸化物を添加する技術が記載されており、このような金属酸化物は、空気中でケイ素やチタンのカップリング剤を反応させることにより形成している。   For this reason, Patent Document 2 describes a technique of adding a metal oxide such as silicon or titanium in order to adjust the refractive index of the concavo-convex layer. It is formed by reacting a titanium coupling agent.

しかしながら、特許文献2では、特にチタンのカップリング剤を用いる場合、酸化が十分に起こらずにチタンが低酸化状態になりやすく、チタンに由来する電子移動遷移による吸収が発生するため光学的に不利になりやすいことが懸念される。特にプラズマ等で処理する場合には、表面のみが酸化され、内部にある低酸化状態のチタンを処理できずに、吸収ロスが懸念される。また充分に酸化させるためには1000℃近くの高温にする必要があるため基板の種類が限定されてしまい、一般的に使用されるガラスが使用できないためコスト的に不利となる。   However, in Patent Document 2, particularly when a titanium coupling agent is used, oxidation does not occur sufficiently, and titanium tends to be in a low oxidation state, and absorption due to electron transfer transition derived from titanium occurs, which is optically disadvantageous. There is a concern that it is likely to become. In particular, when treating with plasma or the like, only the surface is oxidized, and the low-oxidized titanium inside cannot be treated, and there is a concern about absorption loss. Moreover, in order to fully oxidize, since it is necessary to make it high temperature near 1000 degreeC, the kind of board | substrate will be limited, and since generally used glass cannot be used, it becomes disadvantageous in cost.

特開2003−179241号公報JP 2003-179241 A 特開2006−168147号公報JP 2006-168147 A

以上のことに鑑み、本発明は、薄膜太陽電池の光入射側の透明基板と透明電極層間に、金属酸化物のナノ粒子を用いて凹凸層を設けることで、基板〜透明電極における光の反射を低減し、太陽電池特性の向上が可能となる薄膜太陽電池を提供することを目的としている。   In view of the above, the present invention provides a reflection layer for light from a substrate to a transparent electrode by providing a concavo-convex layer using metal oxide nanoparticles between the transparent substrate and the transparent electrode layer on the light incident side of the thin film solar cell. It aims at providing the thin film solar cell which can improve solar cell characteristics and can improve.

上記課題を解決する為に、本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、所定の凹凸層を用いることで、太陽電池特性を向上することが可能であることを見出した。すなわち、本発明は以下に関する。   In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have conducted intensive studies and found that the use of a predetermined uneven layer can improve the solar cell characteristics. That is, the present invention relates to the following.

(1)基材上に凹凸層、透明電極層、少なくとも1つ以上の光電変換ユニット、裏面電極をこの順に有する薄膜太陽電池であって、
前記凹凸層は、亜鉛・ニオブ・チタン・ジルコニウム・アルミニウム・セリウム・イットリウムの中から選ばれる少なくとも1種類の金属酸化物のナノ粒子およびマトリクス材料を有することを特徴とする薄膜太陽電池。
(2)上記凹凸層は、ゾルゲル材料により形成されるマトリクス材料を有することを特徴とする(1)に記載の薄膜太陽電池。
(3)上記凹凸層は、屈折率が1.55〜2.25の範囲であることを特徴とする(1)〜(2)のいずれかに記載の薄膜太陽電池。
(4)上記ナノ粒子は、粒径が10〜60nmの範囲であることを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載の薄膜太陽電池。
(5)上記光電変換ユニットは、非単結晶シリコン層を有することを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載の薄膜太陽電池。
(1) A thin-film solar cell having an uneven layer, a transparent electrode layer, at least one photoelectric conversion unit, and a back electrode in this order on a substrate,
The thin-film solar cell, wherein the uneven layer includes at least one metal oxide nanoparticle selected from zinc, niobium, titanium, zirconium, aluminum, cerium, and yttrium, and a matrix material.
(2) The thin film solar cell according to (1), wherein the uneven layer includes a matrix material formed of a sol-gel material.
(3) The thin film solar cell according to any one of (1) to (2), wherein the uneven layer has a refractive index in a range of 1.55 to 2.25.
(4) The thin film solar cell according to any one of (1) to (3), wherein the nanoparticles have a particle size in a range of 10 to 60 nm.
(5) The thin film solar cell according to any one of (1) to (4), wherein the photoelectric conversion unit includes a non-single-crystal silicon layer.

本発明の凹凸層を薄膜太陽電池の光入射側に用いることにより、透明基板から透明電極層にかけて起こる各界面での光の反射を抑制することができ、光電変換ユニットに多くの光を取り込むことが可能となり、結果として太陽電池特性を向上させることができる。   By using the concavo-convex layer of the present invention on the light incident side of the thin-film solar cell, reflection of light at each interface occurring from the transparent substrate to the transparent electrode layer can be suppressed, and a large amount of light is taken into the photoelectric conversion unit. As a result, the solar cell characteristics can be improved.

本発明における透明電極付き基板の断面概略図である。It is a section schematic diagram of a substrate with a transparent electrode in the present invention. 本発明における薄膜太陽電池の断面概略図である。It is a section schematic diagram of a thin film solar cell in the present invention.

本発明は、「基材上に凹凸層、透明電極層、少なくとも1つ以上の光電変換ユニット、裏面電極をこの順に有する薄膜太陽電池であって、前記凹凸層は、亜鉛・ニオブ・チタン・ジルコニウム・アルミニウム・セリウム・イットリウムの中から選ばれる少なくとも1種類の金属酸化物のナノ粒子およびマトリクス材料を有することを特徴とする薄膜太陽電池。」に関するものである。   The present invention provides a thin film solar cell having a concavo-convex layer, a transparent electrode layer, at least one photoelectric conversion unit, and a back electrode in this order on a base material, wherein the concavo-convex layer comprises zinc, niobium, titanium, zirconium A thin film solar cell comprising at least one metal oxide nanoparticle selected from aluminum, cerium, and yttrium and a matrix material.

図1に、本発明の薄膜太陽電池の代表的な模式図を示す。   In FIG. 1, the typical schematic diagram of the thin film solar cell of this invention is shown.

図1における薄膜太陽電池は、透明基板1上に、透明電極層3、光電変換ユニット4、裏面電極5がこの順に形成されているものであり、本発明の凹凸層2は透明基板と透明電極層の間に設けられるものである。   In the thin film solar cell in FIG. 1, a transparent electrode layer 3, a photoelectric conversion unit 4, and a back electrode 5 are formed in this order on a transparent substrate 1, and the uneven layer 2 of the present invention has a transparent substrate and a transparent electrode. It is provided between the layers.

上記透明基板1については、公知の透明材料を用いることができる。その中でもガラス、サファイヤなどを用いることが好ましい。ガラスの具体例としては、アルカリガラスやホウ珪酸ガラス、無アルカリガラスなどがあげられる。   A known transparent material can be used for the transparent substrate 1. Of these, glass, sapphire, etc. are preferably used. Specific examples of the glass include alkali glass, borosilicate glass, and non-alkali glass.

ガラスあるいはサファイヤを用いた透明基板の厚みは使用目的により任意に選択することができるが、取り扱いと重量のバランスを加味して、0.5mm〜10.0mmが好ましい範囲として例示できる。薄すぎると強度が不足するために、衝撃により割れやすい。また厚すぎると重量が重くなることと、機器の厚みに影響を及ぼすことから、ポータブル機器への利用は困難となる上、透明性とコストの面からも好ましくない。   The thickness of the transparent substrate using glass or sapphire can be arbitrarily selected depending on the purpose of use, but 0.5 to 10.0 mm can be exemplified as a preferable range in consideration of the balance between handling and weight. If it is too thin, the strength will be insufficient and it will be easily broken by impact. On the other hand, if the thickness is too large, the weight becomes heavy and the thickness of the device is affected. Therefore, it is difficult to use the portable device, and it is not preferable in terms of transparency and cost.

上記透明基板1に凹凸層2を形成する方法としては、特に限定されないが、インプリント技術がもっとも簡便でパターニングの再現性が高い方法として使用できる。インプリント技術は、所望するパターンの反転パターンをモールドに作製し、モールドのパターンを基板に転写することで基板上にパターンを形成する方法であり、モールドのパターンをナノメートルレベルの微細にすることで、ナノ凹凸構造の形成が可能である。また透明基板とモールドの温度を設定することで、透明基板として熱可塑性樹脂などの低融点材料やガラスなどの高融点材料を用いた場合にも凹凸構造を形成することができる。   The method for forming the uneven layer 2 on the transparent substrate 1 is not particularly limited, but the imprint technique is the simplest and can be used as a method with high patterning reproducibility. Imprint technology is a method of forming a reverse pattern of a desired pattern in a mold and transferring the pattern of the mold to the substrate to form a pattern on the substrate. Thus, it is possible to form a nano uneven structure. In addition, by setting the temperature of the transparent substrate and the mold, the concavo-convex structure can be formed even when a low melting point material such as a thermoplastic resin or a high melting point material such as glass is used as the transparent substrate.

モールドの材質は、特に限定されないが、熱による劣化や変形が少なく、複数回のインプリントに耐えられる材質のものが好ましく、例えばシリコンやニッケル、モリブデンなどの金属材料も使用可能である。光で硬化する場合には石英製のモールドを使用することで対応することが可能となる。モールドとしては例えば、単結晶シリコン基板をアルカリ処理して該基板に微細凹凸を作ることにより作製することが出来る。モールドには公知の離型剤を用いて表面処理することで、パターン形成時のバリ不良が低減し、凹凸構造を精度よく転写可能であり、また複数回使用時のモールドの耐久性が向上する。   The material of the mold is not particularly limited, but a material that is less susceptible to deterioration and deformation due to heat and can withstand multiple imprints is preferable. For example, metal materials such as silicon, nickel, and molybdenum can be used. When curing with light, it is possible to cope with this by using a quartz mold. For example, the mold can be produced by subjecting a single crystal silicon substrate to an alkali treatment to form fine irregularities on the substrate. Surface treatment using a known release agent for the mold reduces burr defects during pattern formation, enables accurate transfer of the concavo-convex structure, and improves the durability of the mold when used multiple times. .

上記モールドには、一般的な凹凸構造を有するものを使用することができ、例えばピラミッド型や逆ピラミッド型、円柱型やライン&スペース型などがあるが、本発明においてはいずれの形状でも使用できる。   As the mold, a mold having a general uneven structure can be used. For example, there are a pyramid type, an inverted pyramid type, a cylindrical type, a line & space type, etc., but any shape can be used in the present invention. .

本発明における凹凸層2は、ナノ粒子2−1とマトリクス材料2−2を有する。凹凸層2の屈折率は、500nmの波長で測定される値として1.55〜2.25が好ましく、1.60〜2.05の範囲にあることがより好ましい。   The uneven layer 2 in the present invention includes nanoparticles 2-1 and a matrix material 2-2. The refractive index of the uneven layer 2 is preferably 1.55 to 2.25 as a value measured at a wavelength of 500 nm, and more preferably 1.60 to 2.05.

上記マトリクス材料2−2としては、ゾルゲル材料を用いることが好ましい。この理由としては、透明なゾルゲル材料を光入射側に用いることで光学的なロスがほとんどない状態で光を取り込めることである。ここで上記ゾルゲル材料は導電性を持たない、すなわち絶縁性の材料であるため、裏面電極側(すなわち光電変換層〜裏面電極の間)に設けた場合、直列抵抗が大幅に上昇してしまう。従って光電変換層で生成した導電性キャリアは全て熱として消費され、電気として取り出せなくなるため、ゾルゲル材料を裏面電極側に用いることは困難である。   A sol-gel material is preferably used as the matrix material 2-2. The reason is that light can be taken in with almost no optical loss by using a transparent sol-gel material on the light incident side. Here, since the sol-gel material does not have conductivity, that is, is an insulating material, when it is provided on the back electrode side (that is, between the photoelectric conversion layer and the back electrode), the series resistance is significantly increased. Therefore, since all the conductive carriers generated in the photoelectric conversion layer are consumed as heat and cannot be taken out as electricity, it is difficult to use the sol-gel material on the back electrode side.

一方、本発明のように光入射側の凹凸層としてゾルゲル材料を用いる場合、凹凸層が絶縁であっても、光誘起キャリアを取り出すことができるため好ましい。またゾルゲル材料は凹凸形状の設計自由度が高いため、光電変換層の材料やバンドギャップに適した凹凸形状の設計・実現が可能となり、さらにナノ粒子が分散しやすくなるため好ましい。   On the other hand, when a sol-gel material is used as the uneven layer on the light incident side as in the present invention, it is preferable because photo-induced carriers can be taken out even if the uneven layer is insulating. In addition, since the sol-gel material has a high degree of freedom in designing the concavo-convex shape, it is preferable because the concavo-convex shape suitable for the material and band gap of the photoelectric conversion layer can be designed and realized, and the nanoparticles can be easily dispersed.

上記ゾルゲル材料としては、耐熱性と広い波長領域での透明性の観点から無機材料を用いることが好ましい。中でも、酸化アルミニウム・酸化マグネシウム・酸化珪素・酸化チタンの中から1種類以上選択した材料を有することがより好ましい。これらの材料を凹凸層に使用することで、光線透過率の高い透明電極付き基板を作製することができる。特に、ナノ粒子との相溶性を考えると酸化珪素を用いることが好ましい。   As the sol-gel material, it is preferable to use an inorganic material from the viewpoint of heat resistance and transparency in a wide wavelength region. Among these, it is more preferable to have a material selected from one or more of aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide, and titanium oxide. By using these materials for the uneven layer, a substrate with a transparent electrode having a high light transmittance can be produced. In particular, it is preferable to use silicon oxide in consideration of compatibility with nanoparticles.

本発明におけるマトリクス材料の屈折率は、1.35〜1.55であることが好ましく、1.40〜1.50であることがより好ましい。   The refractive index of the matrix material in the present invention is preferably 1.35 to 1.55, and more preferably 1.40 to 1.50.

本発明において、凹凸層2に含まれるナノ粒子2−1は、亜鉛・ニオブ・チタン・ジルコニウム・アルミニウム・セリウム・イットリウムの中から選ばれる少なくとも1種類の金属酸化物のナノ粒子であることを特徴とする。上記金属酸化物のナノ粒子を用いることで、凹凸層中に分散しやすく、凹凸層を形成した時の屈折率の制御が可能となる。また上記金属酸化物は高屈折で透明であるため、最低限の添加量で最適の屈折率を制御することができ、光学特性の向上とそれに伴う太陽電池特性の向上が期待できる。
中でも、透明性や生産性の観点から、亜鉛・ニオブ・チタン・ジルコニウム・アルミニウムが好ましい。この場合、凹凸層付き基板の透過率が向上し、その結果、薄膜太陽電池の短絡電流の向上が期待できる。また上記ナノ粒子を用いることにより、カップリング剤を使用する特許文献2のものと比べて、凹凸層の透明性を上げることができる。これは、カップリング剤に必ず含まれる有機官能基が存在しない為、可視光領域でのCT遷移に由来する吸収がないためと考えられる。
In the present invention, the nanoparticle 2-1 contained in the uneven layer 2 is a nanoparticle of at least one metal oxide selected from zinc, niobium, titanium, zirconium, aluminum, cerium, and yttrium. And By using the metal oxide nanoparticles, it is easy to disperse in the concavo-convex layer, and the refractive index when the concavo-convex layer is formed can be controlled. In addition, since the metal oxide is highly refractory and transparent, the optimum refractive index can be controlled with a minimum addition amount, and improvement of optical characteristics and accompanying solar cell characteristics can be expected.
Of these, zinc, niobium, titanium, zirconium, and aluminum are preferable from the viewpoints of transparency and productivity. In this case, the transmittance | permeability of a board | substrate with an uneven | corrugated layer improves, As a result, the improvement of the short circuit current of a thin film solar cell can be anticipated. Moreover, by using the above nanoparticles, the transparency of the concavo-convex layer can be increased as compared with that of Patent Document 2 using a coupling agent. This is presumably because there is no absorption derived from CT transition in the visible light region because there is no organic functional group necessarily contained in the coupling agent.

ナノ粒子の屈折率は、バルク換算で、550nmの波長において1.60〜2.50であることが好ましい。ナノ粒子に上記の屈折率の材料を用いることで、凹凸層2の屈折率を1.55〜2.25の範囲にすることができる。この範囲の屈折率とすることで、透明基板〜透明電極層の各界面での光の反射を抑制することができ、より多くの光を透過させることができる。   The refractive index of the nanoparticles is preferably 1.60 to 2.50 at a wavelength of 550 nm in terms of bulk. By using the material having the above refractive index for the nanoparticles, the refractive index of the uneven layer 2 can be in the range of 1.55 to 2.25. By setting it as the refractive index of this range, reflection of the light in each interface of a transparent substrate-a transparent electrode layer can be suppressed, and more light can be permeate | transmitted.

ここで、より多くの光を透過させるためには、ナノ粒子はマトリクス材料に混練・分散する必要がある。マトリクス材料として例えば酸化珪素を用いる場合には、凹凸層形成前の原料にナノ粒子を混ぜることで、塗布液を作製することができる。
酸化珪素の原料としては、例えばポリジメチルシロキサンがあり、これは極性のある化合物であり、酸化物のナノ粒子を良好に分散させることができる為好ましく用いられる。マトリクス材料として、酸化珪素以外のものを用いた場合にも同様にして塗布液を作製することができる。
Here, in order to transmit more light, the nanoparticles need to be kneaded and dispersed in the matrix material. When, for example, silicon oxide is used as the matrix material, the coating liquid can be prepared by mixing nanoparticles with the raw material before forming the uneven layer.
As a raw material of silicon oxide, for example, there is polydimethylsiloxane, which is a polar compound, and is preferably used because it can disperse oxide nanoparticles well. Even when a material other than silicon oxide is used as the matrix material, the coating liquid can be similarly produced.

ナノ粒子の添加量は、マトリクス材料(上記ではポリジメチルシロキサン)100重量部に対して50〜200重量部が好ましく、さらには75〜150重量部、特には80〜120重量部が好ましい。この範囲で混合することで、加工性と光学特性を両立することが可能となる。   The added amount of the nanoparticles is preferably 50 to 200 parts by weight, more preferably 75 to 150 parts by weight, and particularly preferably 80 to 120 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the matrix material (polydimethylsiloxane in the above). By mixing in this range, it becomes possible to achieve both workability and optical characteristics.

ナノ粒子の粒径は、例えば透過型電子顕微鏡(TEM)などで知ることができるが、10〜60nmが好ましく、さらには20〜50nmが好ましい。この範囲とすることで、凹凸層中に均一に分散した時に、良好な光学特性を得ることが可能となる。
さらにナノ粒子の形状は、特に限定されず、球形であっても多角体であってもよく、上記粒径の範囲に入っていれば、良好な凹凸層を形成することができる。ここで言う粒径とは、最も長い径(Lmax)と最も短い径(Lmin)の平均((Lmax+Lmin)/2)のことを示す。なお、本発明における凹凸層2としては、本発明の機能を損なわない限り、上記ナノ粒子2−1とマトリクス材料2−2以外の別の材料を含有していても良い。
Although the particle diameter of a nanoparticle can be known, for example with a transmission electron microscope (TEM) etc., 10-60 nm is preferable and 20-50 nm is more preferable. By setting it in this range, it becomes possible to obtain good optical characteristics when uniformly dispersed in the uneven layer.
Furthermore, the shape of the nanoparticles is not particularly limited, and may be spherical or polygonal, and a satisfactory uneven layer can be formed as long as the particle diameter is within the above range. The particle diameter referred to here indicates an average ((Lmax + Lmin) / 2) of the longest diameter (Lmax) and the shortest diameter (Lmin). In addition, as the uneven | corrugated layer 2 in this invention, unless the function of this invention is impaired, you may contain other materials other than the said nanoparticle 2-1 and the matrix material 2-2.

基板1と透明電極層3の間に、上記の屈折率を有する凹凸層2を設けることで、基板1/凹凸層2、および凹凸層2/透明電極層3の各界面で、光の反射を抑制することが可能となる。さらに凹凸形状が存在することで、界面での光の全反射を抑制することができるため、結果として光線透過率の向上が可能となる。屈折率の測定は特に限定はないが、例えば分光エリプソメーターを用いて測定することが出来る。   By providing the concavo-convex layer 2 having the above refractive index between the substrate 1 and the transparent electrode layer 3, light is reflected at each interface of the substrate 1 / concavo-convex layer 2 and the concavo-convex layer 2 / transparent electrode layer 3. It becomes possible to suppress. Furthermore, since the uneven shape can suppress total reflection of light at the interface, the light transmittance can be improved as a result. The measurement of the refractive index is not particularly limited, but for example, it can be measured using a spectroscopic ellipsometer.

ここでの入射角とは、反射面(基板面)に垂直な線分と入射光に平行な線分とがなす角度である。さらに、凹凸層の屈折率を基板と透明電極層の中間的な値とすることで、それぞれの界面での反射ロスを抑制し、多くの光をデバイス特性に活用することが可能となる。   The incident angle here is an angle formed by a line segment perpendicular to the reflecting surface (substrate surface) and a line segment parallel to the incident light. Furthermore, by setting the refractive index of the concavo-convex layer to an intermediate value between the substrate and the transparent electrode layer, it is possible to suppress reflection loss at each interface and to use a lot of light for device characteristics.

凹凸層2を基板1上に形成する方法としては、例えば塗布などが挙げられ、塗布はスピンコートやディッピング、ロールコート、スプレーコートなど任意の手法で塗布が可能である。このとき、無溶媒で塗布することが好ましいが、溶媒を用いる場合には高級アルコールなどの室温での揮発性が低いものなどを好ましく用いることができる。これにより、塗布液を塗布した直後の乾燥を防ぐことができ、さらに凹凸形状加工後の加熱によって充分に溶媒を除去することができる。   Examples of a method for forming the uneven layer 2 on the substrate 1 include application, and the application can be performed by any method such as spin coating, dipping, roll coating, spray coating, and the like. At this time, it is preferable to apply without solvent, but when a solvent is used, a higher alcohol or the like having low volatility at room temperature can be preferably used. Thereby, drying immediately after apply | coating a coating liquid can be prevented, and also a solvent can fully be removed by the heating after uneven | corrugated shape processing.

塗布後は溶媒を除去する為の予備加熱を、溶媒の沸点±20℃で行うことが好ましい。温度が高すぎるとマトリクス材料の酸化・硬化が促進してしまい、インプリントできなくなる為好ましくない。一方温度が低いと溶媒の除去ができずに、インプリント後に流れやすくなり、パターンの消滅の原因となるため好ましくない。   After coating, preheating for removing the solvent is preferably performed at the boiling point of the solvent ± 20 ° C. If the temperature is too high, oxidation / curing of the matrix material is promoted and imprinting becomes impossible, which is not preferable. On the other hand, if the temperature is low, the solvent cannot be removed, and the solvent tends to flow after imprinting, which causes the disappearance of the pattern.

上記のような塗布液を基板上に塗布した後、その上にモールドをのせて、上述したように加熱・転写することにより、凹凸層2を形成することができる。インプリント後は大気中で200℃〜500℃で焼成することができる。このように焼成を行うことにより、凹凸層の硬化と溶媒の除去を充分に行うことが可能となる。   After the coating liquid as described above is applied onto the substrate, the concavo-convex layer 2 can be formed by placing a mold on the substrate and heating and transferring as described above. After imprinting, it can be fired at 200 ° C. to 500 ° C. in the atmosphere. By firing in this way, it is possible to sufficiently cure the uneven layer and remove the solvent.

上記のように形成した凹凸層2は、Ra(算術平均粗さ)が100nm以上250nm以下であることが好ましく、105以上200nm以下がより好ましい。この範囲とすることで透明電極付き基板の透過率の向上が期待できる。またこれを用いた薄膜太陽電池では、光電変換ユニットへの光の取り込み量が多くなることが期待される。   As for the uneven | corrugated layer 2 formed as mentioned above, it is preferable that Ra (arithmetic mean roughness) is 100 nm or more and 250 nm or less, and 105 or more and 200 nm or less are more preferable. By setting it as this range, the improvement of the transmittance | permeability of a board | substrate with a transparent electrode can be anticipated. Moreover, in the thin film solar cell using this, it is expected that the amount of light taken into the photoelectric conversion unit is increased.

凹凸層2は、Rmax(最大高低差)が700nm以上1300nm以下であることが好ましく、さらには750nm以上1200nm以下がより好ましい。この範囲とすることで、薄膜太陽電池に用いた時に、正極と負極の接触(短絡)の抑制が期待される。   The concavo-convex layer 2 preferably has an Rmax (maximum height difference) of 700 nm to 1300 nm, more preferably 750 nm to 1200 nm. By setting it as this range, when it uses for a thin film solar cell, suppression of the contact (short circuit) of a positive electrode and a negative electrode is anticipated.

また単位面積当たりの頂点の数を表す指標としてSdsがあるが、本発明における凹凸層2のSdsは、3.5μm−2以上14.5μm−2以下が好ましく、5.0μm−2以上10.0μm−2以下がより好ましい。この範囲とすることで、透明電極付き基板の透過率の向上が期待できる。またこれを用いた薄膜太陽電池では、光電変換ユニットへの光の取り込み量が多くなることが期待できる。 Although there is Sds as an index representing the number of vertices per unit area, Sds of uneven layer 2 in the present invention is preferably 3.5 [mu] m -2 or 14.5 [mu] m -2 or less, 5.0 .mu.m -2 least 10. 0 μm −2 or less is more preferable. By setting it as this range, the improvement of the transmittance | permeability of a board | substrate with a transparent electrode can be anticipated. Moreover, in the thin film solar cell using this, it can be expected that the amount of light taken into the photoelectric conversion unit is increased.

これら凹凸を表す指標は、例えばAFMなどにより測定することが出来る。Ra、Rmaxについては、SEM等の断面画像を座標化して計算することでも算出することができ、これらの値はAFMでの測定結果と概ね一致するものである。   These indices representing the unevenness can be measured by, for example, AFM. Ra and Rmax can also be calculated by converting a cross-sectional image of SEM or the like into coordinates, and these values almost coincide with the measurement results by AFM.

ここで、本発明における凹凸層2の形状は、特に限定されるものではなく、例えばランダム構造や、周期的構造などの形状が好ましい。このような構造は、上述したナノインプリント法により形成する場合、モールドの形状を設計することにより容易に形成することができる。なかでもランダム構造は、幅広い波長の光に対して均等に散乱を起こすことにより、光電変換特性を向上させることができるため、好ましい。   Here, the shape of the uneven | corrugated layer 2 in this invention is not specifically limited, For example, shapes, such as a random structure and a periodic structure, are preferable. Such a structure can be easily formed by designing the shape of the mold when formed by the nanoimprint method described above. Among these, a random structure is preferable because photoelectric conversion characteristics can be improved by causing scattering uniformly with respect to light having a wide wavelength.

凹凸層の膜厚は、凹凸形状を維持できる膜厚(凹凸形状の最高点と最低点の差)より大きいことが好ましく、さらに光学的な観点から0.5〜5.0ミクロン程度が好ましく、さらには0.6〜2.5ミクロンが好ましい。この範囲の膜厚とすることで、膜厚が薄すぎることによって凹凸形状が形成できないという欠点を解消し、さらに厚すぎることによる光の吸収ロスを抑制することができる。ここで、凹凸層の膜厚とは、凹凸形状の頂点部と、基板/凹凸層の界面の距離をいう。   The film thickness of the concavo-convex layer is preferably larger than the film thickness that can maintain the concavo-convex shape (difference between the highest point and the lowest point of the concavo-convex shape), and is preferably about 0.5 to 5.0 microns from the optical viewpoint, Furthermore, 0.6 to 2.5 microns are preferable. By setting it as the film thickness of this range, the fault that uneven | corrugated shape cannot be formed when a film thickness is too thin can be eliminated, and the light absorption loss by being too thick can be suppressed. Here, the film thickness of the concavo-convex layer refers to the distance between the apex of the concavo-convex shape and the interface between the substrate and the concavo-convex layer.

凹凸層2上に設けられる透明電極層3は、350〜1500nmの波長領域において高い透明性を示し、且つ導電性のものであれば制限なく使用可能であるが、例えば太陽電池や有機ELデバイスとして用いた場合、これらの作製時にかかる熱履歴の観点から、酸化物を用いることが好ましく、特には酸化亜鉛を主成分とする透明導電性酸化物や、酸化インジウム、インジウム−錫複合酸化物、インジウム−モリブデン複合酸化物、インジウム−チタン複合酸化物などが使用できる。ここで「酸化亜鉛を主成分とする」とは、透明電極層3に酸化亜鉛を50%より多く含むことを意味し、好ましくは70%以上含む。これらの酸化物を100〜2000nmの膜厚で製膜することにより透明電極層3を形成できる。この範囲の膜厚とすることで、導電性と透明性に優れた透明導電層を形成することができる。   The transparent electrode layer 3 provided on the concavo-convex layer 2 can be used without limitation as long as it exhibits high transparency in the wavelength region of 350 to 1500 nm and is conductive. For example, as a solar cell or an organic EL device When used, it is preferable to use an oxide from the viewpoint of the thermal history during the production thereof. In particular, a transparent conductive oxide mainly composed of zinc oxide, indium oxide, indium-tin composite oxide, indium -Molybdenum complex oxide, indium-titanium complex oxide, etc. can be used. Here, “having zinc oxide as a main component” means that the transparent electrode layer 3 contains more than 50% of zinc oxide, preferably 70% or more. The transparent electrode layer 3 can be formed by forming these oxides with a film thickness of 100 to 2000 nm. By setting it as the film thickness of this range, the transparent conductive layer excellent in electroconductivity and transparency can be formed.

透明電極層3の形成方法としては、導電性の観点から気相堆積法が好ましい。気相堆積法には大きく分けて「化学的気相堆積法(CVD)」と「物理的気相堆積法(PVD)」があり、どちらの手法を用いても構わない。具体的にはCVDであれば、気化した有機金属化合物と水や酸素との反応による有機金属CVD(MOCVD)やプラズマCVDがある。PVDであれば、透明電極材料をアルゴンイオンでスパッタするマグネトロンスパッタリングやパルスレーザー堆積や反応性イオン蒸着などがあるが、生産性の観点からマグネトロンスパッタリングが好ましい。   As a method for forming the transparent electrode layer 3, a vapor deposition method is preferable from the viewpoint of conductivity. Vapor deposition is roughly classified into “chemical vapor deposition (CVD)” and “physical vapor deposition (PVD)”, and either method may be used. Specifically, in the case of CVD, there are organometallic CVD (MOCVD) and plasma CVD by reaction between a vaporized organometallic compound and water or oxygen. In the case of PVD, there are magnetron sputtering in which a transparent electrode material is sputtered with argon ions, pulse laser deposition, reactive ion deposition, and the like, but magnetron sputtering is preferable from the viewpoint of productivity.

また、透明電極層3として、結晶性や配向性が異なる複数の層を積層することで、凹凸層2上にさらに微細な凹凸を形成してもよい。デバイス設計に拠るが、これにより凹凸層2のみよりもさらに広い波長領域において光学特性の向上が予想される。   Further, as the transparent electrode layer 3, a plurality of layers having different crystallinity and orientation may be stacked to form finer unevenness on the uneven layer 2. Although it depends on the device design, it is expected that the optical characteristics will be improved in a wider wavelength region than that of the uneven layer 2 alone.

上記のように、基板1上に、凹凸層、透明導電層3を形成することにより、本発明における透明電極付き基板を形成することができる。   As described above, by forming the concavo-convex layer and the transparent conductive layer 3 on the substrate 1, the substrate with a transparent electrode in the present invention can be formed.

本発明の透明電極付き基板は、少なくとも1つ以上の光電変換ユニット、裏面電極をこの順に有する薄膜太陽電池の光入射側の透明電極層として用いることを特徴とする。
上記光電変換ユニットは、結晶シリコン層を有することが好ましい。具体的には、透明電極層上に、非晶質および/または結晶質のシリコン半導体が積層されたアモルファスシリコン太陽電池や薄膜多結晶シリコン太陽電池、またはその両者を直列接続したような多接合型太陽電池に適用すると、基板から光電変換層に向けて屈折率が順次に高くなるため、反射ロスが少なくなり効果的に光を発電層に取り込むことができる。
The substrate with a transparent electrode of the present invention is characterized in that it is used as a transparent electrode layer on the light incident side of a thin film solar cell having at least one photoelectric conversion unit and a back electrode in this order.
The photoelectric conversion unit preferably has a crystalline silicon layer. Specifically, an amorphous silicon solar cell in which an amorphous and / or crystalline silicon semiconductor is laminated on a transparent electrode layer, a thin film polycrystalline silicon solar cell, or a multi-junction type in which both are connected in series When applied to a solar cell, the refractive index sequentially increases from the substrate toward the photoelectric conversion layer, so that reflection loss is reduced and light can be effectively taken into the power generation layer.

光電変換ユニット4は、例えば1ユニットがp−i−n接合からなるシリコン半導体積層構造体を少なくとも1つ配置して構成することができる。用いられるシリコンの構造は多結晶構造や非晶質構造のものが用いることができ、p/i/nで結晶構造が異なっても構わない。なお、非晶質あるいは結晶質のシリコン系材料としては、半導体を構成する主要元素としてシリコンのみを用いる場合だけでなく、炭素、酸素、窒素、ゲルマニウムなどの元素をも含む合金材料であってもよい。   For example, the photoelectric conversion unit 4 can be configured by arranging at least one silicon semiconductor laminated structure in which one unit is composed of a pin junction. The silicon structure used may be a polycrystalline structure or an amorphous structure, and the crystal structure may be different depending on p / i / n. Note that the amorphous or crystalline silicon-based material is not only a case where only silicon is used as a main element constituting a semiconductor, but also an alloy material including elements such as carbon, oxygen, nitrogen, and germanium. Good.

各々の半導体層は、プラズマCVD法により好適に作製することができる。プラズマCVD法とは、シランガスをシリコン材料と用い、プラズマエネルギーを利用してシリコンを形成する方法であり、p型層やn型層の製膜には、それぞれジボランやホスフィンなどのガスを適量添加することで可能となる。   Each semiconductor layer can be suitably manufactured by a plasma CVD method. The plasma CVD method is a method in which silane gas is used as a silicon material and silicon is formed using plasma energy, and an appropriate amount of gas such as diborane or phosphine is added to the formation of p-type and n-type layers, respectively. This is possible.

さらに、上記光電変換ユニットを複数積み重ねることで発電性能を向上させることができる。光電変換ユニットを複数ユニット積層する場合、光入射側から順にバンドギャップが広い光電変換ユニットを設けると入射光が有効に利用できるので性能向上が期待できる。   Furthermore, power generation performance can be improved by stacking a plurality of the photoelectric conversion units. When a plurality of photoelectric conversion units are stacked, if a photoelectric conversion unit having a wide band gap in order from the light incident side is provided, incident light can be used effectively, so that an improvement in performance can be expected.

例えば薄膜シリコン太陽電池の場合には、ワイドバンドギャップの第1の光電変換ユニット4−1を光入射側に配置し、その上にナローバンドギャップの第2の光電変換ユニット4−3を配置すればよい。この場合、第1の光電変換ユニット4−1として非晶質シリコンからなる光電変換ユニットを、第2の光電変換ユニット4−3として微結晶シリコンからなる光電変換ユニットを配置することができる。上記第1の光電変換ユニット4−1や第2の光電変換ユニット4−3以外に、さらに1つ以上の光電変換ユニットを配置してもかまわない。   For example, in the case of a thin-film silicon solar cell, if the first photoelectric conversion unit 4-1 with a wide band gap is disposed on the light incident side, and the second photoelectric conversion unit 4-3 with a narrow band gap is disposed thereon. Good. In this case, a photoelectric conversion unit made of amorphous silicon can be arranged as the first photoelectric conversion unit 4-1, and a photoelectric conversion unit made of microcrystalline silicon can be arranged as the second photoelectric conversion unit 4-3. In addition to the first photoelectric conversion unit 4-1 and the second photoelectric conversion unit 4-3, one or more photoelectric conversion units may be further arranged.

これら複数の光電変換ユニット間には、透明導電性中間層4−2を形成し、光の反射と透過を選択的に行う層を設けることができる。これにより、上記の例では第1の光電変換ユニット4−1に取り込まれる光をより多くすることができ、さらに透過した光で第2の光電変換ユニット4−3の発電に寄与することができる。   A transparent conductive intermediate layer 4-2 can be formed between the plurality of photoelectric conversion units, and a layer that selectively reflects and transmits light can be provided. Thereby, in the above example, more light can be taken into the first photoelectric conversion unit 4-1, and the transmitted light can contribute to power generation of the second photoelectric conversion unit 4-3. .

透明電極層3と光電変換ユニット4の間には、電気的なコンタクトの改善を目的とした層を設けることができる。この層としては、光電変換ユニットよりもバンドギャップの広い半導体層を用いると、透明電極層と光電変換層の界面付近での電子−正孔の再結合を抑制できる。その結果、光電変換層で生成した電子−正孔を電極に効率よく取り出すことが可能となり、結果として変換効率を向上することが可能となり好ましい。この様な半導体としては例えばp型シリコンカーバイドなどが挙げられる。   A layer intended to improve electrical contact can be provided between the transparent electrode layer 3 and the photoelectric conversion unit 4. When a semiconductor layer having a wider band gap than the photoelectric conversion unit is used as this layer, electron-hole recombination in the vicinity of the interface between the transparent electrode layer and the photoelectric conversion layer can be suppressed. As a result, the electron-hole generated in the photoelectric conversion layer can be efficiently taken out to the electrode, and as a result, the conversion efficiency can be improved, which is preferable. An example of such a semiconductor is p-type silicon carbide.

こうして設けられた光電変換ユニット4上に裏面電極5を形成する。裏面電極5としては、例えば図2に示すように、透明導電性酸化物層5−1と裏面金属電極層5−2の2層を設けることができるが、さらに他の層を設けて、2層以上の層で形成することもできる。   A back electrode 5 is formed on the photoelectric conversion unit 4 thus provided. As the back electrode 5, for example, as shown in FIG. 2, two layers of a transparent conductive oxide layer 5-1 and a back metal electrode layer 5-2 can be provided. It can also be formed of a layer higher than the layer.

透明導電性酸化物層5−1は、光電変換ユニット4を形成するシリコンと、裏面金属電極層5−2を形成する金属原子の相互拡散を抑制する為に用いられる。また別の理由としては、「シリコン/透明導電性酸化物層5−1」と「透明導電性酸化物層5−1/裏面金属電極5−2」で反射した光が干渉を起こすが、この干渉する波長を、透明導電性酸化物層5−1の膜厚で制御して任意の波長の光を強めて太陽電池特性を向上させるために、透明導電性酸化物層5−1が用いられる。   The transparent conductive oxide layer 5-1 is used to suppress mutual diffusion of silicon forming the photoelectric conversion unit 4 and metal atoms forming the back surface metal electrode layer 5-2. Another reason is that light reflected by “silicon / transparent conductive oxide layer 5-1” and “transparent conductive oxide layer 5-1 / back metal electrode 5-2” causes interference. The transparent conductive oxide layer 5-1 is used to control the wavelength of interference by the film thickness of the transparent conductive oxide layer 5-1, thereby enhancing the light of any wavelength and improving the solar cell characteristics. .

ここで透明導電性酸化物層5−1は、透明であり導電性である透明導電性酸化物を用いればよく、例えば酸化インジウムや酸化亜鉛、酸化チタンなどを含有するものを用いることができる。   Here, the transparent conductive oxide layer 5-1 may be a transparent and conductive transparent conductive oxide. For example, a layer containing indium oxide, zinc oxide, titanium oxide, or the like can be used.

裏面金属電極層5−2は、充分に導電性が高く、且つ光電変換ユニット4を通過してきた光を反射して、再び光電変換ユニット4に入れるために、反射率が高いものが好ましい。このような材料として例えば銀やアルミニウムなどが挙げられる。   The back metal electrode layer 5-2 is preferably highly conductive and has a high reflectivity in order to reflect light that has passed through the photoelectric conversion unit 4 and enter the photoelectric conversion unit 4 again. Examples of such a material include silver and aluminum.

透明導電性酸化物層5−1は、膜厚を25〜120nmの範囲で設けることが好ましい。さらには30〜85nmの範囲が光学的に好ましい。この範囲の膜厚とすることで、光学的な効果や、導電性・コストの面で好ましいだけでなく、裏面金属電極層5−2に用いる金属原子と、光電変換ユニット4を形成するシリコン原子との原子拡散を抑制するバリア層の役割を果たすことができるため好ましい。   The transparent conductive oxide layer 5-1 is preferably provided with a film thickness in the range of 25 to 120 nm. Furthermore, the range of 30 to 85 nm is optically preferable. By setting the film thickness within this range, not only is it preferable in terms of optical effects, conductivity and cost, but also metal atoms used for the back surface metal electrode layer 5-2 and silicon atoms forming the photoelectric conversion unit 4 This is preferable because it can serve as a barrier layer that suppresses atomic diffusion.

上記のようにして、本発明における透明電極付き基板を用いた薄膜太陽電池を作製することができる。   As described above, a thin film solar cell using the substrate with a transparent electrode in the present invention can be produced.

上記のように、例えばCVD法により各層を製膜することにより、製膜する毎に各層の凹凸差が小さくなる。すなわち凹凸層の凹凸差よりも、裏面電極形成後の凹凸差を小さくすることができる。ここで「凹凸差」とは、上記Ra、Rmaxのことを意味する。   As described above, by forming each layer by, for example, the CVD method, the unevenness difference of each layer is reduced each time the film is formed. That is, the unevenness difference after forming the back electrode can be made smaller than the unevenness difference of the uneven layer. Here, the “concavo-convex difference” means Ra and Rmax.

裏面金属電極形成後の表面形状はRaが5〜150nmであることが好ましい。この範囲とすることで裏面金属側での効率の良い光の反射と、光電変換ユニットへの光の取り込みを可能とする。さらには10〜80nmであることが好ましい。裏面金属電極形成後の表面形状は、Rmaxは300〜1000nmが好ましく、さらには400〜800nmが好ましい。   The surface shape after the formation of the back metal electrode is preferably such that Ra is 5 to 150 nm. By setting it in this range, it is possible to efficiently reflect light on the back metal side and to incorporate light into the photoelectric conversion unit. Furthermore, it is preferable that it is 10-80 nm. As for the surface shape after forming the back surface metal electrode, Rmax is preferably 300 to 1000 nm, and more preferably 400 to 800 nm.

以下に、実施例をもって本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。なお、本発明において、表面抵抗測定は抵抗率計ロレスタGP MCT−610(三菱化学社製)を用いた。透明導電性酸化物層の膜厚は分光エリプソメーターVASE(J.Aウーラム社製)を使用した。フィッティングはChaucyモデルにより行った。凹凸層の膜厚は基板と凹凸層との界面から頂上部までの距離とした。   EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples. In the present invention, a resistivity meter Loresta GP MCT-610 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) was used for the surface resistance measurement. The film thickness of the transparent conductive oxide layer was a spectroscopic ellipsometer VASE (manufactured by JA Woollam). Fitting was performed using the Chaucy model. The thickness of the concavo-convex layer was the distance from the interface between the substrate and the concavo-convex layer to the top.

(実施例1)
凹凸構造形成用モールドは、「西本陽一郎、表面技術、Vol.56、No.1(2005)」に記載の方法にしたがって作製した。具体的には水酸化カリウム100gを純水1700gに溶かした水溶液にイソプロピルアルコールを200g加え、ウェットエッチング液を作製した。この液を70℃に加温し、マグネチックスターラーで攪拌しながら単結晶シリコンウェハ(100面)を投入し、30秒浸漬した。取出し後純水で洗浄、乾燥することで凹凸構造形成用モールドを作製した。このようにして作製された凹凸構造はランダム四角錐構造であった。本モールドをAFMで観察したところ、Ra:110nm、Rmax:800nmだった。
Example 1
The mold for forming an uneven structure was produced according to the method described in “Yoichiro Nishimoto, Surface Technology, Vol. 56, No. 1 (2005)”. Specifically, 200 g of isopropyl alcohol was added to an aqueous solution obtained by dissolving 100 g of potassium hydroxide in 1700 g of pure water to prepare a wet etching solution. The liquid was heated to 70 ° C., and a single crystal silicon wafer (100 surface) was added while stirring with a magnetic stirrer and immersed for 30 seconds. After removal, the mold for forming an uneven structure was prepared by washing with pure water and drying. The uneven structure produced in this way was a random quadrangular pyramid structure. When this mold was observed by AFM, it was Ra: 110 nm and Rmax: 800 nm.

凹凸層を形成する為の塗布液は、マトリクス材料としてポリジメチルシロキサン200gに、ナノ粒子として酸化チタン(TiO)200gを添加し、充分に攪拌してナノ粒子を分散させることで作製した。 The coating liquid for forming the concavo-convex layer was prepared by adding 200 g of titanium oxide (TiO 2 ) as nanoparticles to 200 g of polydimethylsiloxane as a matrix material and dispersing the nanoparticles with sufficient stirring.

基板には無アルカリガラス(膜厚0.7mm、商品名OA−10、日本電気硝子社製)を用い、この上に上記塗布液を塗布して上記モールドを押し当て、全面に均一に10MPaの圧力をかけ、200℃に加熱し、10分間保持した。このようにして基板上に凹凸層2(膜厚600nm)を形成した。   For the substrate, non-alkali glass (film thickness 0.7 mm, trade name OA-10, manufactured by Nippon Electric Glass Co., Ltd.) was applied, and the coating solution was applied onto the substrate and the mold was pressed against it. Pressure was applied, heated to 200 ° C. and held for 10 minutes. In this way, an uneven layer 2 (film thickness 600 nm) was formed on the substrate.

上記凹凸層上に透明電極層3を形成した。透明電極層3としては、熱CVD法により作製したフッ素化酸化錫(F:SnO)を用いた。この際の透明電極層3の膜厚は800nm、シート抵抗は10Ω/□であった。 A transparent electrode layer 3 was formed on the uneven layer. As the transparent electrode layer 3, fluorinated tin oxide (F: SnO 2 ) produced by a thermal CVD method was used. The film thickness of the transparent electrode layer 3 at this time was 800 nm, and the sheet resistance was 10Ω / □.

この上に、高周波プラズマCVD装置を用いて、ボロンドープのp型シリコンカーバイド(SiC)層を10ナノメートル、ノンドープの非晶質シリコン光電変換層を200ナノメートル、リンドープのn型μc−Si層を20ナノメートルの膜厚で製膜した。これにより、前方光電変換ユニットであるp−i−n接合の非晶質シリコンからなる第1の光電変換ユニット4−1(トップセル)を形成した。   On top of this, using a high frequency plasma CVD apparatus, a boron-doped p-type silicon carbide (SiC) layer is 10 nm, a non-doped amorphous silicon photoelectric conversion layer is 200 nm, and a phosphorus-doped n-type μc-Si layer is formed. The film was formed with a film thickness of 20 nanometers. As a result, a first photoelectric conversion unit 4-1 (top cell) made of amorphous silicon having a pin junction as a front photoelectric conversion unit was formed.

第1の光電変換ユニット4−1を形成した基板を大気中に取り出すことなく、高周波プラズマCVD装置にて導電性酸素化シリコン層からなる透明導電性中間層4−2を形成した。このときの製膜条件については、プラズマの励起周波数を13.56MHz、基板温度を150℃、反応室内圧力を666Paとして形成した。プラズマCVD反応室内に導入される原料ガスとしてSiH、PH、CO、およびHを用いた。以上の条件で600Åの導電性酸素化シリコン層4−2を製膜した。 The transparent conductive intermediate layer 4-2 made of a conductive oxygenated silicon layer was formed by a high-frequency plasma CVD apparatus without taking the substrate on which the first photoelectric conversion unit 4-1 was formed into the atmosphere. Regarding the film forming conditions at this time, the plasma excitation frequency was 13.56 MHz, the substrate temperature was 150 ° C., and the reaction chamber pressure was 666 Pa. SiH 4 , PH 3 , CO 2 , and H 2 were used as source gases introduced into the plasma CVD reaction chamber. Under the above conditions, a 600 Å conductive oxygenated silicon layer 4-2 was formed.

更に、ボロンドープのp型微結晶シリコン層を15ナノメートル、ノンドープの結晶質シリコン光電変換層を1500ナノメートル、リンドープのn型微結晶シリコン層を20ナノメートルの膜厚でそれぞれプラズマCVD法により製膜した。これにより、後方光電変換ユニットであるp−i−n接合の結晶質シリコンからなる第2の光電変換ユニット4−3(ボトムセル)を形成した。   Further, a boron-doped p-type microcrystalline silicon layer having a thickness of 15 nanometers, a non-doped crystalline silicon photoelectric conversion layer having a thickness of 1500 nanometers, and a phosphorus-doped n-type microcrystalline silicon layer having a thickness of 20 nanometers are manufactured by plasma CVD. Filmed. Thereby, the 2nd photoelectric conversion unit 4-3 (bottom cell) which consists of crystalline silicon of the pin junction which is a back photoelectric conversion unit was formed.

第2の光電変換ユニット4−3形成済み工程仕掛品を、高周波プラズマCVD装置から大気中に取り出した後、高周波マグネトロンスパッタリング装置の製膜室に導入し、第2の光電変換ユニット4−3の上に、透明導電性酸化物層5−1を製膜した。   After the second photoelectric conversion unit 4-3 formed work in process is taken out from the high-frequency plasma CVD apparatus to the atmosphere, it is introduced into the film forming chamber of the high-frequency magnetron sputtering apparatus, and the second photoelectric conversion unit 4-3 A transparent conductive oxide layer 5-1 was formed thereon.

透明導電性酸化物層5−1は、製膜圧力を0.2Pa、基板温度を150℃として、基板/ターゲット距離を60mmに設定して製膜を実施した。膜厚は80nmとした。引き続き、真空蒸着装置を用いて金属電極層5−2として、Ag膜を250ナノメートルの膜厚で製膜した。製膜中の真空度は1×10−4Pa以下、製膜速度は0.2±0.02ナノメートル/秒とした。 The transparent conductive oxide layer 5-1 was formed with a film forming pressure of 0.2 Pa, a substrate temperature of 150 ° C., and a substrate / target distance of 60 mm. The film thickness was 80 nm. Subsequently, an Ag film having a film thickness of 250 nanometers was formed as the metal electrode layer 5-2 using a vacuum deposition apparatus. The degree of vacuum during film formation was 1 × 10 −4 Pa or less, and the film formation rate was 0.2 ± 0.02 nanometer / second.

こうして薄膜太陽電池を作製した。この薄膜太陽電池の裏面電極側の表面形状をAFMで測定したところ、Ra:65nm、Rmax:500nmであった。   Thus, a thin film solar cell was produced. When the surface shape of the thin film solar cell on the back electrode side was measured by AFM, it was Ra: 65 nm, Rmax: 500 nm.

(実施例2)
凹凸層を形成するナノ粒子として酸化ジルコニウム(ZrO)を用いた以外は、実施例1と同様にして薄膜太陽電池を作成した。この薄膜太陽電池の裏面電極側の表面形状をAFMで測定したところ、Ra:70nm、Rmax:500nmであった。
(Example 2)
A thin-film solar cell was produced in the same manner as in Example 1 except that zirconium oxide (ZrO 2 ) was used as the nanoparticles forming the uneven layer. When the surface shape of the thin film solar cell on the back electrode side was measured by AFM, it was Ra: 70 nm and Rmax: 500 nm.

(実施例3)
凹凸層を形成するナノ粒子として酸化ニオブ(Nb)を用いた以外は、実施例1と同様にして薄膜太陽電池を作成した。この薄膜太陽電池の裏面電極側の表面形状をAFMで測定したところ、Ra:80nm、Rmax:600nmであった。
(Example 3)
A thin-film solar cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that niobium oxide (Nb 2 O 5 ) was used as the nanoparticles forming the uneven layer. When the surface shape of the thin film solar cell on the back electrode side was measured by AFM, it was Ra: 80 nm, Rmax: 600 nm.

(実施例4)
凹凸層を形成するナノ粒子として酸化アルミニウム(Al)を用いた以外は、実施例1と同様にして薄膜太陽電池を作成した。この薄膜太陽電池の裏面電極側の表面形状をAFMで測定したところ、Ra:40nm、Rmax:550nmであった。
Example 4
A thin-film solar cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that aluminum oxide (Al 2 O 3 ) was used as the nanoparticles forming the uneven layer. When the surface shape of the thin film solar cell on the back electrode side was measured by AFM, it was Ra: 40 nm, Rmax: 550 nm.

(実施例5)
凹凸層を形成するナノ粒子として酸化イットリウム(Y)を用いた以外は、実施例1と同様にして薄膜太陽電池を作成した。この薄膜太陽電池の裏面電極側の表面形状をAFMで測定したところ、Ra:40nm、Rmax:600nmであった。
(Example 5)
A thin-film solar cell was produced in the same manner as in Example 1 except that yttrium oxide (Y 2 O 3 ) was used as the nanoparticles forming the uneven layer. When the surface shape of the thin film solar cell on the back electrode side was measured by AFM, it was Ra: 40 nm, Rmax: 600 nm.

(実施例6)
凹凸層を形成するナノ粒子として酸化セリウム(CeO)を用いた以外は、実施例1と同様にして薄膜太陽電池を作成した。この薄膜太陽電池の裏面電極側の表面形状をAFMで測定したところ、Ra:70nm、Rmax:600nmであった。
(Example 6)
A thin-film solar cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that cerium oxide (CeO 2 ) was used as the nanoparticles forming the uneven layer. When the surface shape of the thin film solar cell on the back electrode side was measured by AFM, it was Ra: 70 nm, Rmax: 600 nm.

(実施例7)
凹凸層を形成するナノ粒子として酸化亜鉛(ZnO)を用いた以外は、実施例1と同様にして薄膜太陽電池を作成した。この薄膜太陽電池の裏面電極側の表面形状をAFMで測定したところ、Ra:60nm、Rmax:600nmであった。
(Example 7)
A thin-film solar cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that zinc oxide (ZnO) was used as the nanoparticles forming the uneven layer. When the surface shape of the thin film solar cell on the back electrode side was measured by AFM, it was Ra: 60 nm, Rmax: 600 nm.

(比較例1)
凹凸層を形成するナノ粒子として酸化ケイ素(SiO)を用いた以外は、実施例1と同様にして薄膜太陽電池を作成した。この薄膜太陽電池の裏面電極側の表面形状をAFMで測定したところ、Ra:50nm、Rmax:700nmであった。
(Comparative Example 1)
A thin-film solar cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that silicon oxide (SiO 2 ) was used as the nanoparticles forming the uneven layer. When the surface shape of the thin film solar cell on the back electrode side was measured by AFM, it was Ra: 50 nm and Rmax: 700 nm.

(比較例2)
凹凸層を形成するナノ粒子を用いなかった、すなわちマトリクス材料のみを用いて凹凸層を形成した以外は、実施例1と同様にして薄膜太陽電池を作成した。この薄膜太陽電池の裏面電極側の表面形状をAFMで測定したところ、Ra:40nm、Rmax:500nmであった。
(Comparative Example 2)
A thin-film solar cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the nanoparticles forming the uneven layer were not used, that is, the uneven layer was formed using only the matrix material. When the surface shape of the thin film solar cell on the back electrode side was measured by AFM, it was Ra: 40 nm, Rmax: 500 nm.

(比較例3)
凹凸層を設けずに、無アルカリガラス基板1上に、直接、透明電極層2を形成した以外は、実施例1と同様にして薄膜太陽電池を作成した。この薄膜太陽電池の裏面電極側の表面形状をAFMで測定したところ、Ra:10nm、Rmax:400nmであった。
(Comparative Example 3)
A thin-film solar cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the transparent electrode layer 2 was formed directly on the alkali-free glass substrate 1 without providing the uneven layer. When the surface shape of the thin film solar cell on the back electrode side was measured by AFM, Ra was 10 nm and Rmax was 400 nm.

表1に用いたナノ粒子と、凹凸層の屈折率、膜厚および表面形状を示す。また表2に薄膜太陽電池の光電変換特性を示す。   Table 1 shows the nanoparticles used, and the refractive index, film thickness, and surface shape of the uneven layer. Table 2 shows the photoelectric conversion characteristics of the thin film solar cell.

表2より、実施例と比較例2、3を比較すると、ナノ粒子を含まない比較例2および凹凸層を有さない比較例3に比べて、太陽電池特性のうち特に電流(Isc)が高くなった。これは基板と凹凸層、および凹凸層と透明電極層の各界面での光の反射が減少し、光電変換ユニットへの光の取り込み量が増えたためと考えられる。   From Table 2, when Example is compared with Comparative Examples 2 and 3, the current (Isc) is particularly high among the solar cell characteristics as compared with Comparative Example 2 that does not include nanoparticles and Comparative Example 3 that does not have an uneven layer. became. This is presumably because the reflection of light at each interface between the substrate and the concavo-convex layer and between the concavo-convex layer and the transparent electrode layer was reduced, and the amount of light taken into the photoelectric conversion unit was increased.

また実施例と比較例1を比較すると、いずれもナノ粒子を含有しているにもかかわらず、短絡電流(Isc)に差が見られた。これは、凹凸層に添加する粒子の屈折率差によると考えられる。すなわち、透明基板と透明電極層の屈折率に対して中間的な屈折率の凹凸層を設けた各実施例では、基板/凹凸層および凹凸層/透明電極層各界面での反射を抑制できるが、比較例1では凹凸層の屈折率が1.5と小さく、すなわち凹凸層と透明電極層の屈折率差が大きく、その界面での反射が大きくなり、光電変換層に取り込まれる光の量が実施例に比べて少ないためと考えられる。   Further, when Example and Comparative Example 1 were compared, a difference was observed in the short-circuit current (Isc) regardless of whether they contained nanoparticles. This is considered to be due to the difference in refractive index of the particles added to the uneven layer. That is, in each example in which a concave / convex layer having a refractive index intermediate to that of the transparent substrate and the transparent electrode layer is provided, reflection at each interface between the substrate / the concave / convex layer and the concave / convex layer / transparent electrode layer can be suppressed. In Comparative Example 1, the refractive index of the concavo-convex layer is as small as 1.5, that is, the refractive index difference between the concavo-convex layer and the transparent electrode layer is large, reflection at the interface is large, and the amount of light taken into the photoelectric conversion layer is small. This is considered to be because it is less than the embodiment.

以上のように、本発明の凹凸層を用いることで、薄膜太陽電池の光取り込み効率が向上することがわかった。   As described above, it was found that the light capturing efficiency of the thin-film solar cell is improved by using the uneven layer of the present invention.

1 基板
2 凹凸層
2−1 ナノ粒子
2−2 マトリクス層
3 透明電極層
4 光電変換ユニット
4−1 第1の光電変換ユニット
4−2 透明導電性中間層
4−3 第2の光電変換ユニット
5 裏面電極
5−1 透明導電性酸化物層
5−2 裏面金属電極層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Uneven layer 2-1 Nanoparticle 2-2 Matrix layer 3 Transparent electrode layer 4 Photoelectric conversion unit 4-1 First photoelectric conversion unit 4-2 Transparent conductive intermediate layer 4-3 Second photoelectric conversion unit 5 Back electrode 5-1 Transparent conductive oxide layer 5-2 Back metal electrode layer

Claims (5)

基材上に凹凸層、透明電極層、少なくとも1つ以上の光電変換ユニット、裏面電極をこの順に有する薄膜太陽電池であって、
前記凹凸層は、亜鉛・ニオブ・チタン・ジルコニウム・アルミニウム・セリウム・イットリウムの中から選ばれる少なくとも1種類の金属酸化物のナノ粒子およびマトリクス材料を有することを特徴とする薄膜太陽電池。
A thin-film solar cell having an uneven layer, a transparent electrode layer, at least one photoelectric conversion unit, and a back electrode in this order on a substrate,
The thin-film solar cell, wherein the uneven layer includes at least one metal oxide nanoparticle selected from zinc, niobium, titanium, zirconium, aluminum, cerium, and yttrium, and a matrix material.
上記マトリクス材料は、ゾルゲル材料より形成されることを特徴とする請求項1に記載の薄膜太陽電池。   The thin film solar cell according to claim 1, wherein the matrix material is formed of a sol-gel material. 上記凹凸層は、屈折率が1.55〜2.25の範囲であることを特徴とする、請求項1〜2のいずれかに記載の薄膜太陽電池。   The thin film solar cell according to claim 1, wherein the uneven layer has a refractive index in a range of 1.55 to 2.25. 上記ナノ粒子は、粒径が10〜60nmの範囲であ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太陽電池。   The thin film solar cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the nanoparticles have a particle size in a range of 10 to 60 nm. 上記光電変換ユニットは、非単結晶シリコン層を有することを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の薄膜太陽電池。   The thin film solar cell according to claim 1, wherein the photoelectric conversion unit has a non-single crystal silicon layer.
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