JP2012182161A - Thin film solar cell and method for manufacturing thin film solar cell - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、薄膜太陽電池、特に、太陽光を散乱させることによって、発電層に入射する太陽光の量を増加させるテクスチャ構造を有した薄膜太陽電池、及び薄膜太陽電池を製造する方法に関する。 The present invention relates to a thin film solar cell, and more particularly to a thin film solar cell having a texture structure that increases the amount of sunlight incident on a power generation layer by scattering sunlight, and a method of manufacturing the thin film solar cell.
従来から、例えば特許文献1に記載のように、プラズマCVD法等の蒸着法によって形成したシリコンの薄膜を発電層として有する薄膜太陽電池が知られている。こうした薄膜太陽電池の断面構造を図8に示す。 Conventionally, as described in Patent Document 1, for example, a thin film solar cell having a silicon thin film formed by an evaporation method such as a plasma CVD method as a power generation layer is known. A cross-sectional structure of such a thin film solar cell is shown in FIG.
図8に示されるように、薄膜太陽電池の透明基板101には、透明電極102、第1発電層103、中間層104、第2発電層105、バッファ層106、及び裏面電極107が、光の入射側から順に積層されている。このうち、透明電極102の裏面電極107側の面には、複数の凸部から構成されるいわゆるテクスチャ102aが形成されている。テクスチャ102aは、薄膜太陽電池に入射した光を多重散乱させることによって、上記発電層103,105内での光路長を長くする。そのため、発電層103,105に吸収される光量が増加することから、発電層103,105の単位容積あたりの発電量が増加することになる。テクスチャ102aは、上記凸部の周期に応じた波長の光を多重散乱させやすいことが知られていることから、該テクスチャ102aの形状は、上記発電層103,105にて吸収される波長に応じたものとされる。
As shown in FIG. 8, on the
ところで、上記第1発電層103と第2発電層105とは、吸光感度の特性が互いに異なる材料によって形成されている。具体的には、第1発電層103は、比較的短波長側の光を吸収するアモルファスシリコンによって形成されている一方、第2発電層105は、より長波長側の光を吸収する微結晶シリコンによって形成されている。これにより、単一の薄膜太陽電池において発電に寄与する光の波長の範囲を拡大させることができ、薄膜太陽電池における光の利用効率を高めることができる。
By the way, the first
しかしながら、上記テクスチャ102aによって散乱されやすい光の波長は、上記凸部の周期によって決まる。そのため、先の図8に示されるようなテクスチャ102aの形状では、第1発電層103と第2発電層105とで吸収されやすい波長の光の両方を多重散乱させることは困難である。そこで、図9に示されるように、透明基板111上の透明電極112に対して凸部の頂部t1の周期が相対的に長い第1周期112cである第1テクスチャ112aを形成した上で、その表面に凸部の頂部t2の周期が相対的に短い第2周期112dである第2テクスチャ112bを形成するようにしている。これにより、上記第1発電層103と第2発電層105とで吸収されやすい波長の光の両方を多重散乱させることができる。
However, the wavelength of light that is easily scattered by the
一方、上記二つのテクスチャ112a,112bを有する透明電極112は、例えば酸化インジウムスズ(ITO)等の各種導電性の酸化膜によって形成されている。導電性酸化膜は、透光性であるとはいえ、薄膜太陽電池を構成する他の透明部材、例えば透明基板等と比較して透過率が低い。そして、先の第1テクスチャ112aのように相対的に長い周期の凸部を有するテクスチャを導電性の酸化物で形成するとなれば、自ずとその分だけ導電性酸化膜が厚くならざるを得ず、透明電極112を介して発電層側に透過する光量が減少することになる。その結果、多重散乱させることのできる波長の範囲が拡大されたとしても、発電層側に透過する光の量が低下するために、薄膜太陽電池における光の利用効率が高められにくくなってしまう。
On the other hand, the
なお、こうした問題は、吸収する波長の異なる二つの発電層を有する薄膜太陽電池に限らず、単一の発電層を有する薄膜太陽電池であっても、上述のような透明電極が採用されるような場合には共通して生じるものである。 Such a problem is not limited to a thin film solar cell having two power generation layers having different absorption wavelengths, and the transparent electrode as described above is adopted even in a thin film solar cell having a single power generation layer. In this case, it occurs in common.
この発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、光の利用効率を高めることのできる薄膜太陽電池、及び薄膜太陽電池の製造方法を提供することにある。 This invention is made | formed in view of the said situation, The objective is to provide the manufacturing method of the thin film solar cell which can improve the utilization efficiency of light, and a thin film solar cell.
以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項1に記載の発明は、透明基板と、前記透明基板上に形成された第1光透過層と、前記第1光透過層上に形成された透明電極と、前記透明電極上に形成された光電変換層とを備え、前記第1光透過層は、前記透明電極の形成材料よりも透過率の高い材料からなり、且つ前記第1光透過層にて前記透明電極側の面には複数の第1凸部が形成され、前記透明電極には前記第1凸部よりも小さい間隔で複数の第2凸部が形成されている薄膜太陽電池を要旨とする。
Hereinafter, means for solving the above-described problems and the effects thereof will be described.
The invention according to claim 1 is formed on the transparent substrate, the first light transmission layer formed on the transparent substrate, the transparent electrode formed on the first light transmission layer, and the transparent electrode. The first light transmission layer is made of a material having a higher transmittance than the material for forming the transparent electrode, and a plurality of the first light transmission layer is provided on the surface on the transparent electrode side. The first convex portion is formed, and a thin film solar cell in which a plurality of second convex portions are formed in the transparent electrode at a smaller interval than the first convex portion is taken as a gist.
上記構成によれば、透明電極の形成材料よりも透過率の高い材料で形成された第1光透過層には、相対的に間隔の大きい第1凸部が形成されるとともに、透明電極には、相対的に間隔の小さい第2凸部のみが形成される。これにより、第1光透過層と透明電極との境界では、第1凸部の間隔に応じた波長の光が散乱するとともに、透明電極と光電変換層との境界では、第2凸部の間隔に応じた波長の光が散乱することになる。このような構造であれば、第1凸部の形成に必要な層の厚さが、透明電極とは異なる第1光透過層によって補われるため、間隔の互いに異なる2種類の凸部が光電変換層と透明基板との間に形成されるとはいえ、こうした凸部が形成されることによって透明電極の膜厚が厚くなることを抑制できるようになる。したがって、互いに異なる2つの周期を有した凸部により、1つの周期の凸部を有する場合よりもより広範囲の波長の光を多重拡散させつつ、透明電極を薄膜化することで透過率の低下を抑制でき、ひいては透明基板に入射する光の利用効率を高めることができるようになる。 According to the above configuration, the first light transmission layer formed of a material having a higher transmittance than the material for forming the transparent electrode is formed with the first convex portions having relatively large intervals, and the transparent electrode Only the 2nd convex part with a comparatively small space | interval is formed. As a result, light having a wavelength corresponding to the interval between the first convex portions is scattered at the boundary between the first light transmission layer and the transparent electrode, and the interval between the second convex portions at the boundary between the transparent electrode and the photoelectric conversion layer. Accordingly, light having a wavelength corresponding to is scattered. With such a structure, since the thickness of the layer necessary for forming the first convex portion is compensated by the first light transmission layer different from the transparent electrode, two types of convex portions having different intervals are photoelectrically converted. Although it is formed between the layer and the transparent substrate, it is possible to suppress an increase in the thickness of the transparent electrode due to the formation of such convex portions. Therefore, by reducing the transmittance by reducing the thickness of the transparent electrode while multiply diffusing light of a wider range of wavelengths than when having a convex portion with one cycle, the convex portion having two different periods can reduce the transmittance. As a result, the utilization efficiency of light incident on the transparent substrate can be increased.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の薄膜太陽電池において、前記第1光透過層と前記透明電極との間に形成された第2光透過層を備え、前記第2光透過層は、前記透明電極の形成材料よりも透過率の高い材料からなり、前記第2光透過層は、互いに隣り合う前記第1凸部の間を埋めていることを要旨とする。 According to a second aspect of the present invention, in the thin-film solar cell according to the first aspect, the second light transmissive layer includes a second light transmissive layer formed between the first light transmissive layer and the transparent electrode. The gist is that the layer is made of a material having a higher transmittance than the material for forming the transparent electrode, and the second light transmission layer fills a space between the first convex portions adjacent to each other.
上記構成によれば、第1光透過層と透明電極との間に透明電極の形成材料よりも透過率の高い形成材料からなる第2光透過層を有していることから、透過率の低下を抑えつつ、透明電極に対する透明基板側の膜構造、すなわち透明電極の下地構造が平坦化されやすくなる。これにより、第2光透過層上に形成される透明電極は、その形成時において、透明基板の面内で均一に形成されやすくなる。 According to the above configuration, since the second light transmission layer made of a material having a higher transmittance than the material for forming the transparent electrode is provided between the first light transmission layer and the transparent electrode, the transmittance decreases. The film structure on the transparent substrate side with respect to the transparent electrode, that is, the base structure of the transparent electrode is easily flattened. Thereby, the transparent electrode formed on the second light transmission layer is easily formed uniformly in the plane of the transparent substrate at the time of formation.
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の薄膜太陽電池において、前記第2光透過層の屈折率と前記透明電極の屈折率とが互いに等しいことを要旨とする。
上記構成によれば、第2光透過層の屈折率と透明電極の屈折率とが互いに等しいため、第2光透過層と透明電極との界面において光の反射が起こらない。それゆえに、発電層における光の利用効率をより高めることができる。
The gist of the invention of claim 3 is that, in the thin film solar cell of claim 2, the refractive index of the second light transmission layer and the refractive index of the transparent electrode are equal to each other.
According to the above configuration, since the refractive index of the second light transmission layer and the refractive index of the transparent electrode are equal to each other, no light is reflected at the interface between the second light transmission layer and the transparent electrode. Therefore, the light use efficiency in the power generation layer can be further increased.
請求項4に記載の発明は、透明基板上に第1光透過層を形成する工程と、前記第1光透過層上に透明電極を形成する工程と、前記透明電極上に光電変換層を形成する工程とを備え、前記第1光透過層を形成する工程では、前記透明電極の形成材料よりも透過率の高い材料によって前記第1光透過層を形成するとともに、前記第1光透過層にて前記透明電極側の面に複数の第1凸部を形成し、前記透明電極を形成する工程では、前記透明電極に前記第1凸部よりも小さい間隔で複数の第2凸部を形成する薄膜太陽電池の製造方法を要旨とする。 The invention according to claim 4 is a step of forming a first light transmission layer on a transparent substrate, a step of forming a transparent electrode on the first light transmission layer, and a photoelectric conversion layer on the transparent electrode. In the step of forming the first light transmission layer, the first light transmission layer is formed of a material having a higher transmittance than the material for forming the transparent electrode, and the first light transmission layer is formed on the first light transmission layer. In the step of forming a plurality of first protrusions on the surface on the transparent electrode side and forming the transparent electrode, a plurality of second protrusions are formed in the transparent electrode at a smaller interval than the first protrusions. The manufacturing method of a thin film solar cell is summarized.
上記方法によれば、透明電極の形成材料よりも透過率の高い材料によって第1光透過層を形成するとともに、該第1光透過層に対して相対的に間隔の大きい第1凸部を形成するようにしている。また、同方法では、透明電極に対して相対的に間隔の小さい第2凸部を形成するようにしている。それゆえに、形成された薄膜太陽電池においては、互いに異なる2つの周期を有した凸部により、1つの周期の凸部を有する場合よりもより広範囲の波長の光を多重拡散させつつ、透明電極を薄膜化することで透過率の低下を抑制でき、ひいては透明電極に入射する光の利用効率を高めることができるようになる。 According to the above method, the first light transmission layer is formed of a material having a higher transmittance than the material for forming the transparent electrode, and the first protrusions having a relatively large interval with respect to the first light transmission layer are formed. Like to do. In this method, the second convex portions having a relatively small interval with respect to the transparent electrode are formed. Therefore, in the formed thin film solar cell, the transparent electrode is formed by multiply diffusing light having a wider range of wavelengths than the case of having a convex portion having one cycle by a convex portion having two different periods. By reducing the film thickness, it is possible to suppress a decrease in transmittance, and to increase the utilization efficiency of light incident on the transparent electrode.
請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の薄膜太陽電池の製造方法において、前記第1光透過層と前記透明電極との間に第2光透過層を形成する工程を備え、前記第2光透過層を形成する工程では、前記透明電極の形成材料よりも透過率の高い材料からなる前記第2光透過層によって互いに隣り合う前記第1凸部の間を埋めることを要旨とする。 Invention of Claim 5 is a manufacturing method of the thin film solar cell of Claim 4, Comprising: The process of forming a 2nd light transmissive layer between the said 1st light transmissive layer and the said transparent electrode, The said, The gist of the step of forming the second light transmission layer is to fill a space between the first convex portions adjacent to each other by the second light transmission layer made of a material having a higher transmittance than the material for forming the transparent electrode. .
上記方法によれば、第1光透過層と透明電極との間に、透明電極の形成材料よりも透過率の高い材料からなる第2光透過層を形成するようにしている。しかも、互いに隣り合う前記第1凸部の間を第2光透過層によって埋めるようにしている。これにより、透過率の低下が抑えられつつ、透明電極に対する透明基板側の膜構造、すなわち透明電極の下地構造が平坦化されることから、透明基板の面内において透明電極を均一に形成できるようになる。 According to the above method, the second light transmission layer made of a material having a higher transmittance than the material for forming the transparent electrode is formed between the first light transmission layer and the transparent electrode. In addition, a space between the first convex portions adjacent to each other is filled with the second light transmission layer. As a result, the film structure on the transparent substrate side with respect to the transparent electrode, that is, the base structure of the transparent electrode is flattened while suppressing a decrease in transmittance, so that the transparent electrode can be uniformly formed in the plane of the transparent substrate. become.
請求項6に記載の発明は、請求項4又は5に記載の発明において、前記第1光透過層を形成する工程では、前記第1光透過層の前記第1凸部をナノインプリント法によって形成することを要旨とする。
The invention according to
上記方法によれば、上記第1凸部をナノインプリント法によって形成するようにしているため、金型の転写のみによって該第1凸部を形成できる。それゆえに、リソグラフィ工程やエッチング工程等を経て上記凸部を形成する方法と比較して簡易且つ安価に行うことができる。 According to the above method, since the first convex portion is formed by the nanoimprint method, the first convex portion can be formed only by transferring the mold. Therefore, it can be performed easily and inexpensively compared with a method of forming the convex portion through a lithography process, an etching process, or the like.
[第1実施形態]
以下、本発明の薄膜太陽電池及び該薄膜太陽電池の製造方法を具現化した第1実施形態について、図1〜図3を参照して説明する。
[薄膜太陽電池の構造]
まず、本実施形態における薄膜太陽電池の構造について図1を参照して説明する。図1に示されるように、薄膜太陽電池10は、透明基板11、光透過層12、透明電極13、第1発電層14、中間層15、第2発電層16、バッファ層17、及び裏面電極18を光の入射側から順に積層した構造である。
[First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment that embodies a thin film solar cell and a method for manufacturing the thin film solar cell of the present invention will be described with reference to FIGS.
[Structure of thin film solar cell]
First, the structure of the thin film solar cell in this embodiment is demonstrated with reference to FIG. As shown in FIG. 1, the thin film
このうち、透明基板11は、各種ガラスや透明樹脂等の絶縁性の材料から形成されている。光透過層12は、下層の透明電極よりも高い透過率を有する透明材料によって形成されるとともに、光透過層12における裏面電極18側の面は、凹凸構造、いわゆるテクスチャ12aを有している。透明電極13、中間層15、及びバッファ層17はいずれも透明導電性酸化物の薄膜から形成される。導電性酸化物としては、例えばアルミニウム含有酸化亜鉛(AZO)、ガリウム含有酸化亜鉛(GZO)、酸化インジウムスズ(ITO)、フッ素含有酸化スズ(FTO)等の透光性導電酸化膜(TCO)を用いることができる。透明電極13における裏面電極18側の面は、上記光透過層12のテクスチャ12aよりも小さい間隔でテクスチャ13aを有している。
Among these, the transparent substrate 11 is formed of an insulating material such as various types of glass and transparent resin. The
第1発電層14は、アモルファスシリコンの薄膜で形成されるとともに、光の入射側から順にp型不純物の添加された第1p型半導体層14p、不純物の添加されていない第1i型半導体層14i、及びn型不純物の添加された第1n型半導体層14nの積層された構造である。第2発電層16は、微結晶シリコンの薄膜で形成されるとともに、第1発電層14と同様、光の入射側から順にp型不純物の添加された第2p型半導体層16p、不純物の添加されていない第2i型半導体層16i、及びn型不純物の添加された第2n型半導体層16nの積層された構造である。裏面電極18は、銀やアルミニウム等の導電性を有した光反射膜から形成されている。
The first power generation layer 14 is formed of an amorphous silicon thin film, and in order from the light incident side, a first p-
こうした薄膜太陽電池10では、第1発電層14と第2発電層16とが、入射した光を電力に変換する。しかも、第1発電層14と第2発電層16とは、光電変換する光の波長域が互いに異なることから、第1発電層14あるいは第2発電層16のみを有する薄膜太陽電池と比較して、光を電力に変換する効率が高くなる。
[薄膜太陽電池の製造方法]
次に、本実施形態における薄膜太陽電池の製造方法、特に光透過層12及び透明電極13の製造方法について図2及び図3を参照して説明する。なお、図2及び図3に示される断面構造は、図1のA−A線に沿った各製造工程における断面構造を示す図であって、該断面構造を上記薄膜太陽電池10の製造工程順に示したものである。また、同図2及び図3では、透明基板の光入射側の面が該透明基板の下面として示されている。
In such a thin film
[Method for Manufacturing Thin Film Solar Cell]
Next, the manufacturing method of the thin film solar cell in this embodiment, especially the manufacturing method of the
図2(a)に示されるように、透明基板21の一面に、バーコータやスプレー等によってゾルゲル液状の透明材料22が塗布される。透明基板21は、例えばソーダライムシリケートガラス、アルミノシリケートガラス、ボレートガラス、リチウムアルミノシリケートガラス、石英ガラス等の各種ガラス基板によって形成することができる。また、同透明基板21は、ポリエチレンテレフタラート、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリル等の各種樹脂によって形成することもできる。
As shown in FIG. 2A, a sol-gel liquid
上記透明材料22は、透明基板21上にシリコン酸化膜を形成する場合であれば、例えばメトキシトリエチルシラン、フェニルトリエトキシシラン、トリエトキシシラン等のオルガノアルコキシシランと、エタノールと、水と、塩酸との混合物、あるいは、シルセスキオキサンである。なお、透明材料22が上記混合物であるとき、オルガノシロキサンに対するエタノール、水、塩酸のモル比は、例えば「1:4:2×10−3」とする。こうした混合物の透明材料22の透過率は、上記透明電極13の形成材料の透過率よりも高い。また例えば、上記透明基板21上に樹脂材料の膜を形成する場合であれば、透明材料22は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、及びアクリル樹脂等の熱可塑性樹脂等である。これら樹脂の透過率は、上記透明電極13の形成材料の透過率よりも高い。
When the
このように透明基板21上に透明材料22が塗布されると、該透明材料22を所定時間乾燥させる乾燥処理が実施された後、図2(b)に示されるように、透明材料22に例えばポリメチルペンテンフィルム等で形成された金型31が押し当てられる。
When the
金型31は、例えば1MPa以下、好ましくは0.1MP以上0.4MPa以下程度の圧力で透明材料22に押し付けられる。なお、先の工程における透明材料22の乾燥の度合いは、こうした圧力の範囲で金型31の押し付けられた透明材料22が該金型31の形状に倣うように変形してその形状を保持するように調整される。
The
次いで、図2(c)に示されるように、金型31が押し付けられた状態で、透明材料22が加熱され、これによって該透明材料22が乾燥する。例えば、金型31が上記ポリメチルペンテンフィルムによって形成されている場合には、40℃以上50℃以下程度の温度で加熱することが好ましい。こうした温度にて透明材料22の乾燥を行うことにより、熱による金型31の変形を抑制できるため、透明材料22に対して金型31の形状を精度よく転写することができる。
Next, as shown in FIG. 2C, the
続いて、透明材料22を乾燥させた後、図3(a)に示すように、該透明材料22から金型31を外す。その後、図3(b)に示されるように、透明材料22を400℃で60分焼成することにより、例えばシリコン酸化物から形成される光透過層23が形成される。光透過層23は、透明基板21から離れる方向に凸状をなした複数の凸部23aからなるテクスチャを有している。複数の凸部23a(第1凸部)は、互いに隣り合う頂部23tの間隔である周期が相対的に長い第1周期23p、例えば0.7μm以上2.6μm以下となるように形成されている。
Subsequently, after the
なお、本実施形態においては、上記図2(a)〜図2(c)、及び図3(a)〜図3(b)を参照して説明した工程が、いわゆるナノインプリント法を用いたテクスチャの形成工程である。 In the present embodiment, the process described with reference to FIGS. 2 (a) to 2 (c) and FIGS. 3 (a) to 3 (b) is a texture using a so-called nanoimprint method. It is a forming process.
そして、図3(c)に示されるように、導電性酸化物のターゲットをアルゴン等の不活性ガスから生成されたプラズマ32によってスパッタすることで、図3(d)に示されるように、光透過層23上に透明電極24を形成する。ターゲットの形成材料は、例えば、アルミニウム若しくはガリウムを0.1〜10重量%の割合で添加された酸化亜鉛である。透明電極24は、相対的に低圧の条件でのスパッタ処理である第1工程と、相対的に高圧の条件でのスパッタ処理である第2工程とによって形成される。第1工程時の圧力は、2mTorr以上10mTorr未満に設定される。他方、第2工程時の圧力は、10mTorr以上、好ましくは30mTorr以上50mTorr未満に設定される。なお、第1工程及び第2工程においては、透明基板21の温度は、100℃以上600℃以下に設定される。なお、透明電極24の形成材料として例えばAZOが選択される。
Then, as shown in FIG. 3C, by sputtering a conductive oxide target with a
透明電極24が形成されると、図3(d)に示されるように、エッチング溶液33を用いて透明電極24の表面をウェットエッチングする。ウェットエッチングでは、エッチング溶液33である0.01%の塩酸に、透明電極24を90秒浸す。これにより、図3(e)に示されるように、透明電極24の光透過層23とは反対側の面に複数の凸部24aからなるテクスチャが形成される。複数の凸部24a(第2凸部)は、互いに隣り合う頂部24tの間隔である周期が、相対的に短い周期である第2周期24p、例えば0.2μm以上0.6μm以下となるように形成されている。つまり、透明電極24における第2周期24pは、上記光透過層23における第1周期23pとは異なる長さとされている。
[発電層]
なお、先の図1に示される各種電極や発電層は、例えば以下の方法で形成される。まず、アモルファスシリコンによって形成される第1発電層14が透明電極13上に形成される。第1発電層14は、例えばプラズマCVD法によって形成される。第1発電層14の形成に際しては、まず、p型不純物であるホウ素の添加されたアモルファスシリコン層である第1p型半導体層14pが、例えばモノシラン(SiH4)ガス、水素(H2)ガス、及びジボラン(B2H6)ガスによって形成される。次いで、不純物の添加されていないアモルファスシリコン層である第1i型半導体層14iが、例えばモノシランガスによって第1p型半導体層14p上に形成される。そして、n型不純物であるリンの添加されたアモルファスシリコン層である第1n型半導体層14nが、例えばモノシランガス、水素ガス、及びホスフィン(PH3)ガスによって形成される。
When the
[Power generation layer]
The various electrodes and power generation layers shown in FIG. 1 are formed by the following method, for example. First, the first power generation layer 14 formed of amorphous silicon is formed on the
次いで、中間層15を上記透明電極13と同様の方法で形成した後、微結晶シリコンによって形成される第2発電層16が形成される。第2発電層16を構成する第2p型半導体層16p、第2i型半導体層16i、及び第2n型半導体層16nは、例えば、上記第1発電層14を構成する同一の導電型である層と同一のガスを用いるとともに、アモルファスシリコンを形成するときよりも相対的に高い圧力下でのプラズマCVDによって形成する。そして、バッファ層17を上記透明電極13と同様の方法で形成した後、裏面電極18を銀あるいはアルミニウムのターゲットをスパッタする等の各種蒸着法によって形成する。
Next, after the intermediate layer 15 is formed by the same method as the
以上説明したように、上記第1実施形態によれば、以下に列挙する効果を得ることができる。
(1)透明電極13の形成材料よりも透過率の高い材料によって形成された光透過層12には、相対的に間隔の大きいテクスチャ12aが形成されるとともに、透明電極13には、相対的に間隔の小さいテクスチャ13aのみが形成される。これにより、光透過層12と透明電極13との境界では、テクスチャ12aの間隔に応じた波長の光が散乱するとともに、光電変換層を構成する第1発電層14と透明電極13との境界では、テクスチャ13aの間隔に応じた波長の光が散乱することになる。このような構造であれば、テクスチャ12aの形成に必要な層の厚さが、透明電極13とは異なる光透過層12によって補われるため、間隔の互いに異なる2種類の凸部が光電変換層と透明基板11との間に形成されるとはいえ、こうした凸部が形成されることによって透明電極13の膜厚が厚くなることを抑制できるようになる。これにより、光電変換層側への光の透過量を増大することができる。
As described above, according to the first embodiment, the effects listed below can be obtained.
(1) The
したがって、互いに異なる2つの周期を有した凸部により、1つの周期の凸部を有する場合よりもより広範囲の波長の光を多重拡散させつつ、同一膜厚の層を透明電極のみによって形成するよりも透過率が向上され、ひいては透明電極に入射する光の利用効率を高めることができるようになる。 Therefore, by forming a layer having the same film thickness only by the transparent electrode while multiply diffusing light of a wider range of wavelengths than the case of having a convex portion having one cycle by a convex portion having two different periods. However, the transmittance is improved, and as a result, the utilization efficiency of light incident on the transparent electrode can be increased.
(2)光透過層12を形成する工程では、光透過層12におけるテクスチャ12aがナノインプリント法によって形成される。このような方法によれば、金型31の転写のみによってテクスチャ12aを形成できる。それゆえに、リソグラフィ工程やエッチング工程等を経てテクスチャ12aを形成する方法と比較して、テクスチャ12aとともに光透過層12そのものを形成することが可能であるため、反射防止体の製造をより簡易且つ安価に行うことができる。
[第2実施形態]
以下、本発明の薄膜太陽電池及び該薄膜太陽電池の製造方法を具現化した第2実施形態について図4〜図6を参照して説明する。なお、本実施形態の薄膜太陽電池は、上記第1実施形態の薄膜太陽電池とは光透過層及び透明電極の構造のみが異なる。そのため、本実施形態においては、これら光透過層及び透明電極の構造及び製造方法を中心に説明する。
[薄膜太陽電池の構造]
まず、本実施形態における薄膜太陽電池の構造について図4を参照して説明する。図4に示されるように、薄膜太陽電池40は、透明基板41、第1光透過層42、第2光透過層43、透明電極44、第1発電層45、中間層46、第2発電層47、バッファ層48、及び裏面電極49を光の入射側から順に積層した構造である。
(2) In the step of forming the
[Second Embodiment]
Hereinafter, a thin film solar cell according to a second embodiment of the present invention and a method for manufacturing the thin film solar cell will be described with reference to FIGS. In addition, the thin film solar cell of this embodiment differs from the thin film solar cell of the said 1st Embodiment only in the structure of a light transmissive layer and a transparent electrode. Therefore, in this embodiment, it demonstrates focusing on the structure and manufacturing method of these light transmission layers and transparent electrodes.
[Structure of thin film solar cell]
First, the structure of the thin film solar cell in this embodiment is demonstrated with reference to FIG. As shown in FIG. 4, the thin film
このうち、透明基板41には、裏面電極49側の面にテクスチャ42aを有した第1光透過層42が形成されている。そして、第1光透過層42には、テクスチャ42aを構成する凹部を埋め込むように第2光透過層43が形成されている。そのため、第2光透過層43の裏面電極49側の面は平坦な面である。第2光透過層43の平坦面上には、上記第1実施形態で例示したような導電性酸化物からなる透明電極44が形成されている。透明電極44における裏面電極49側の面には、上記第1光透過層42のテクスチャ42aよりも短い周期で凸部の形成を有するテクスチャ44aが形成されている。
[薄膜太陽電池の製造方法]
次に、本実施形態における薄膜太陽電池の製造方法、特に上記第1光透過層42、第2光透過層43、及び透明電極44の製造方法について図5及び図6を参照して説明する。なお、図5及び図6に示される断面構造は、図4のB−B線に沿った各製造工程における断面構造を示す図であって、該断面構造を上記薄膜太陽電池40の製造工程順に示したものである。また、同図5及び図6では、透明基板における光の入射側の面が該透明基板の下面として示されている。
Among these, on the
[Method for Manufacturing Thin Film Solar Cell]
Next, the manufacturing method of the thin film solar cell in this embodiment, especially the manufacturing method of the said 1st
図5(a)に示されるように、透明基板51上の第1光透過層52における凸部52aの全体を覆うように第2光透過層53が形成される。透明基板51には、第1実施形態における透明基板21と同様の材料からなる基板を用いることができる。また、第1光透過層52は、同第1実施形態の光透過層23と同様の材料及び方法を用いて形成される。第1光透過層52にて透明基板51とは反対側の面は、複数の凸部52aによって構成されるテクスチャを有している。なお、複数の凸部52aは、互いに隣り合う頂部52tの間隔である周期が、相対的に長い第1周期52pとなるように形成されている。
As shown in FIG. 5A, the second
第2光透過層53は、第1光透過層52の表面にゾルゲル液状の透明材料を塗布することによって形成される。第2光透過層53の形成材料には、該第2光透過層53上に形成される透明電極44と略等しい屈折率の材料を用いることが好ましい。
The second
例えば、透明電極44がAZOによって形成されている場合、その屈折率は1.9程度である。このとき、上記透明材料としてチタンアルコキシドを含むゾルゲル液を用いれば、第2光透過層53の屈折率を1.9程度とすることができる。なお、第2光透過層53を形成する透明材料は、第1光透過層52の凸部52aの頂部52tが、該透明材料内に埋め込まれる程度の厚さで塗布される。そのため、第2光透過層53における透明基板51とは反対側の面は平坦状になる。
For example, when the
第2光透過層53を乾燥させた後、図5(b)に示されるように、上記第1実施形態と同様、導電性酸化物のターゲットをアルゴン等の不活性ガスから生成されたプラズマ61によってスパッタすることで、図6(a)に示されるように、第2光透過層53上に透明電極54を形成する。なお、ターゲットの形成材料、スパッタ時の圧力、及び基板温度等は、上記第1実施形態と同一の条件である。本実施形態では、第1光透過層52の凸部52aの全体を第2光透過層53によって覆うことにより、第2光透過層53における透明電極54の形成される面を平坦化している。そのため、第2光透過層53の表面全体に対して透明電極54を均一に形成することができる。
After the second
次いで、図6(a)に示されるように、透明電極54の形成された透明基板51をエッチング溶液62中に浸水させる。これにより、透明電極54の表面がウェットエッチングされる。なお、エッチング溶液62の組成及びウェットエッチングの処理時間は、上記第1実施形態に準ずる。
Next, as shown in FIG. 6A, the
こうして、図6(b)に示されるように、透明電極54の透明基板51とは反対側の面には、複数の凸部54aから構成されるテクスチャが形成される。なお、複数の凸部54aは、互いに隣り合う頂部54tの間隔である周期が、相対的に短い第2周期54pとなるように形成されている。
In this way, as shown in FIG. 6B, a texture composed of a plurality of
以上説明したように、上記第2実施形態によれば、上記第1実施形態によって得られる効果に加えて、以下に列挙する効果を得ることができる。
(3)第1光透過層52と透明電極54との間に第2光透過層53を有していることから、透明電極54に対する透明基板41側の膜構造、すなわち透明電極54の下地構造が平坦化されやすくなる。それゆえに、第2光透過層53上に形成される透明電極54は、その形成時において、透明基板の面内で均一に形成されやすくなる。
As described above, according to the second embodiment, the effects listed below can be obtained in addition to the effects obtained by the first embodiment.
(3) Since the second
(4)第2光透過層53の屈折率と透明電極54の屈折率とが略等しいため、第2光透過層53と透明電極54との界面において光の反射が起こりにくい。それゆえに、各発電層45,47における光の利用効率をより高めることができる。
[変形例]
なお、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
(4) Since the refractive index of the second
[Modification]
In addition, the said embodiment can also be suitably changed and implemented as follows.
・第1実施形態及び第2実施形態では、本発明における薄膜太陽電池が、互いに異なる材料によって形成された第1発電層14,45と第2発電層16,47とを有する薄膜太陽電池として具現化されている。これに限らず、本発明における薄膜太陽電池は、1つの発電層のみを有する薄膜太陽電池や、同一の材料からなる発電層を複数備える薄膜太陽電池として具現化されてもよい。 -In 1st Embodiment and 2nd Embodiment, the thin film solar cell in this invention is embodied as a thin film solar cell which has the 1st electric power generation layers 14 and 45 and the 2nd electric power generation layers 16 and 47 which were formed with a mutually different material. It has become. However, the present invention is not limited to this, and the thin film solar cell in the present invention may be embodied as a thin film solar cell having only one power generation layer or a thin film solar cell including a plurality of power generation layers made of the same material.
・第1実施形態及び第2実施形態では、相対的に長い周期である第1周期を0.7μm以上2.6μm以下とするとともに、相対的に短い周期である第2周期を0.2μm以上0.6μm以下とするようにした。これに限らず、第1周期及び第2周期の長さは、第2周期よりも第1周期が長いという条件を満たしていれば、薄膜太陽電池10,40の備える発電層において吸収される光の波長等に応じて適宜変更可能である。
In the first and second embodiments, the first period, which is a relatively long period, is set to 0.7 μm or more and 2.6 μm or less, and the second period, which is a relatively short period, is set to 0.2 μm or more. It was made to be 0.6 μm or less. Not only this but the length of the 1st period and the 2nd period will be light absorbed in the power generation layer with which thin film
・金型31は、ポリメチルペンテンフィルム以外の材料、例えば金属等によって形成したものであってもよい。要は、透明材料22に対して凸部の形状を転写可能な材料であればよい。
The
・第1実施形態における光透過層23(12)及び第2実施形態における第1光透過層52(42)は、シリコン酸化物を形成可能な材料としてオルガノシロキサンを含む材料によって形成するようにした。これに限らず、シリコン酸化物が形成可能であって、且つ金型31による形状の転写が可能な材料であれば他の材料を用いるようにしてもよい。
The light transmitting layer 23 (12) in the first embodiment and the first light transmitting layer 52 (42) in the second embodiment are formed of a material containing organosiloxane as a material capable of forming silicon oxide. . However, the present invention is not limited to this, and other materials may be used as long as silicon oxide can be formed and the shape can be transferred by the
・第1実施形態における光透過層23(12)及び第2実施形態における第1光透過層52(42)は、上述のような透過率及び屈折率を有する材料であるとともに、上記テクスチャを形成可能な材料であればシリコン酸化物を形成可能な材料及び樹脂材料以外の材料で形成するようにしてもよい。 The light transmissive layer 23 (12) in the first embodiment and the first light transmissive layer 52 (42) in the second embodiment are materials having the above-described transmittance and refractive index and form the above texture. If possible, the material may be formed of a material other than a material capable of forming silicon oxide and a resin material.
・第2実施形態における第2光透過層53(43)の形成材料は、透明電極54(44)の形成材料と略同一の屈折率の材料であって、且つ該透明電極54(44)の形成材料よりも透過率の高い材料であれば、上記チタンアルコキシド以外の材料を用いて形成するようにしてもよい。 In the second embodiment, the material for forming the second light transmission layer 53 (43) is a material having substantially the same refractive index as that of the transparent electrode 54 (44), and the transparent electrode 54 (44) A material other than the titanium alkoxide may be used as long as the material has higher transmittance than the forming material.
・第2光透過層53(43)の形成材料は、透明電極54(44)の形成材料よりも透過率の高い材料であればよく、これら形成材料の屈折率は、互いに異なっていてもよい。
・上記各光透過層23,42,43及び透明電極13,44を形成するときの焼成温度は、これらの形成が可能な範囲であれば適宜変更することができる。
The material for forming the second light transmission layer 53 (43) may be any material having a higher transmittance than the material for forming the transparent electrode 54 (44), and the refractive indexes of these materials may be different from each other. .
The firing temperature when forming each of the light transmissive layers 23, 42, 43 and the
・エッチング溶液33,62の組成、及びウェットエッチングの処理時間は、透明電極13,44へのテクスチャの形成が可能な範囲で適宜変更可能である。
・第1実施形態及び第2実施形態では、透明電極24,44へのテクスチャの形成をウェットエッチングによって行うようにした。これに限らず、ドライエッチングによってテクスチャを形成するようにしてもよい。
The composition of the
In the first embodiment and the second embodiment, the texture is formed on the
・テクスチャを有する透明電極24,44は、スパッタと、ウェットエッチングとによって形成するようにした。これに限らず、MOCVD法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition :有機金属気相成長法)によって裏面電極18,49側にテクスチャを有した透明電極として形成するようにしてもよい。
The textured
・上記光透過層23及び第1光透過層52には、ナノインプリント法を用いてテクスチャを形成するようにした。これに限らず、例えばマスクを用いたエッチング、あるいはマスクを用いないエッチング等の他の方法によって形成するようにしてもよい。
The texture is formed on the
・第2実施形態においては、第1光透過層52(42)の全体を第2光透過層53(43)によって埋め込むようにした。これに限らず、図7に示されるように、透明基板71上に形成した第1光透過層72における凸部72aの途中まで第2光透過層73を形成するようにしてもよい。そして、第1光透過層72における凸部72aの頂部72tを覆うように透明電極74を形成するようにしてもよい。
In the second embodiment, the entire first light transmission layer 52 (42) is embedded by the second light transmission layer 53 (43). Not limited to this, as shown in FIG. 7, the second
・第2実施形態では、第2光透過層53(43)上に透明電極54(44)を形成し、この透明電極54にて第2光透過層53とは反対側の面にテクスチャを形成するようにした。これに限らず、透明電極54(44)を形成する前に、この透明電極54の下地である第2光透過層53(43)の表面にテクスチャを形成し、該テクスチャを表面に有した第2光透過層53(43)上に透明電極54(44)を形成する。そして、下地である第2光透過層53(43)の表面に形成されたテクスチャによって、この透明電極54(44)にて第2光透過層53(44)側の面にテクスチャが形成されるようにしてもよい。
In the second embodiment, the transparent electrode 54 (44) is formed on the second light transmission layer 53 (43), and a texture is formed on the surface opposite to the second
このような構成、及び方法によれば、透明電極54にテクスチャを形成しつつも、その透明電極54にて発電層側の面を平坦面とすることも可能である。それゆえに、発電層の構造が複雑なものとなることを抑えることが可能でもある。
According to such a configuration and method, while the texture is formed on the
10,40…薄膜太陽電池、11,21,41,51,71,101,111…透明基板、12,23…光透過層、12a,13a,42a,44a,102a…テクスチャ、13,24,44,54,74,102,112…透明電極、14,45,103…第1発電層、14p,45p…第1p型半導体層、14i,45i…第1i型半導体層、14n,45n…第1n型半導体層、15,46,104…中間層、16,47,105…第2発電層、16p,47p…第2p型半導体層、16i,47i…第2i型半導体層、16n,47n…第2n型半導体層、17,48,106…バッファ層、18,49,107…裏面電極、22…透明材料、23a,24a,52a,54a,72a,74a…凸部、23p,52p,72p,112c…第1周期、23t,24t,52t,54t,72t,74t,t1,t2…頂部、24p,54p,74p,112d…第2周期、31…金型、32,61…プラズマ、33,62…エッチング溶液、42,52,72…第1光透過層、43,53,73…第2光透過層、112a…第1テクスチャ、112b…第2テクスチャ。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記透明基板上に形成された第1光透過層と、
前記第1光透過層上に形成された透明電極と、
前記透明電極上に形成された光電変換層とを備え、
前記第1光透過層は、前記透明電極の形成材料よりも透過率の高い材料からなり、且つ前記第1光透過層にて前記透明電極側の面には複数の第1凸部が形成され、
前記透明電極には前記第1凸部よりも小さい間隔で複数の第2凸部が形成されている
薄膜太陽電池。 A transparent substrate;
A first light transmission layer formed on the transparent substrate;
A transparent electrode formed on the first light transmission layer;
A photoelectric conversion layer formed on the transparent electrode,
The first light transmission layer is made of a material having a higher transmittance than the material for forming the transparent electrode, and a plurality of first protrusions are formed on the surface of the first light transmission layer on the transparent electrode side. ,
A plurality of second convex portions are formed on the transparent electrode at intervals smaller than the first convex portions.
前記第2光透過層は、前記透明電極の形成材料よりも透過率の高い材料からなり、
前記第2光透過層は、互いに隣り合う前記第1凸部の間を埋めている
請求項1に記載の薄膜太陽電池。 A second light transmission layer formed between the first light transmission layer and the transparent electrode;
The second light transmission layer is made of a material having a higher transmittance than the material for forming the transparent electrode,
The thin film solar cell according to claim 1, wherein the second light transmission layer fills a space between the first convex portions adjacent to each other.
請求項2に記載の薄膜太陽電池。 The thin film solar cell according to claim 2, wherein a refractive index of the second light transmission layer and a refractive index of the transparent electrode are equal to each other.
前記第1光透過層上に透明電極を形成する工程と、
前記透明電極上に光電変換層を形成する工程とを備え、
前記第1光透過層を形成する工程では、
前記透明電極の形成材料よりも透過率の高い材料によって前記第1光透過層を形成するとともに、前記第1光透過層にて前記透明電極側の面に複数の第1凸部を形成し、
前記透明電極を形成する工程では、
前記透明電極に前記第1凸部よりも小さい間隔で複数の第2凸部を形成する
薄膜太陽電池の製造方法。 Forming a first light transmission layer on a transparent substrate;
Forming a transparent electrode on the first light transmission layer;
Forming a photoelectric conversion layer on the transparent electrode,
In the step of forming the first light transmission layer,
Forming the first light transmission layer with a material having a higher transmittance than the material for forming the transparent electrode, and forming a plurality of first protrusions on the surface on the transparent electrode side in the first light transmission layer;
In the step of forming the transparent electrode,
A method of manufacturing a thin-film solar cell, wherein a plurality of second protrusions are formed on the transparent electrode at intervals smaller than the first protrusions.
前記第2光透過層を形成する工程では、
前記透明電極の形成材料よりも透過率の高い材料からなる前記第2光透過層によって互いに隣り合う前記第1凸部の間を埋める
請求項4に記載の薄膜太陽電池の製造方法。 Forming a second light transmission layer between the first light transmission layer and the transparent electrode;
In the step of forming the second light transmission layer,
The method for manufacturing a thin-film solar cell according to claim 4, wherein a space between the first convex portions adjacent to each other is filled with the second light transmission layer made of a material having a higher transmittance than the material for forming the transparent electrode.
前記第1光透過層の前記第1凸部をナノインプリント法によって形成する
請求項4又は5に記載の薄膜太陽電池の製造方法。 In the step of forming the first light transmission layer,
The method for manufacturing a thin-film solar cell according to claim 4 or 5, wherein the first convex portion of the first light transmission layer is formed by a nanoimprint method.
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