JP2012182328A - 薄膜太陽電池セルおよびその製造方法、薄膜太陽電池モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光電変換効率に優れた薄膜太陽電池を得ること。
【解決手段】透光性基板１上に、透明導電膜からなる表面側透明電極２、半導体膜からなり光電変換を行う前部光電変換ユニット、透明導電膜からなる中間透明導電膜４、半導体膜からなり光電変換を行う後部光電変換ユニット、導電膜からなる裏面側電極８をこの順で有し、前部部分光電変換ユニットと後部部分光電変換ユニットが中間透明導電膜４を介して電気的に並列接続され、前部光電変換ユニットおよび後部光電変換ユニットが、それぞれ異なるバンドギャップを有する発電層を含む部分光電変換ユニットにより構成され、前部光電変換ユニットおよび後部光電変換ユニットのうち少なくとも一方は、それぞれ異なるバンドギャップを有する発電層を含む複数の部分光電変換ユニットが電気的に直列接続されて構成され、前部光電変換ユニットと後部光電変換ユニットとの動作電圧が略等しくされている。
【選択図】図１−２

Description

本発明は、薄膜太陽電池セルおよびその製造方法、薄膜太陽電池モジュールおよびその製造方法に関し、特に、複数の部分光電変換ユニットが積層されているタンデム型の薄膜太陽電池セルおよびその製造方法、薄膜太陽電池モジュールおよびその製造方法に関するものである。

近年、環境問題への関心の高まりにより、太陽電池の需要が世界的に拡大している。その中で原材料コストを抑えることができ、大面積ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いての大量生産が可能という利点を持つ薄膜シリコン（Ｓｉ）系太陽電池が次世代を担う太陽電池として期待されている。

薄膜Ｓｉ系太陽電池は、その膜の薄さから従来の結晶Ｓｉ系太陽電池と比べた場合に、光吸収量が少なく、効率が低いという問題がある。薄膜Ｓｉ太陽電池の高光電変換効率化を行う上では上記の光吸収量を増大させることが必須であり、その方法として同一基板上に吸収波長の異なる複数の発電層を積層させたタンデム型構造が利用されている。

一般にタンデム型薄膜Ｓｉ系太陽電池では、同一基板上にバンドギャップの異なる発電層を有する複数の部分光電変換ユニットが直列に接続された構造が取られている。この直列タンデム型薄膜Ｓｉ系太陽電池の性能は、各部分光電変換ユニットの動作電圧の和と各部分光電変換ユニットを貫通する電流によって定まる。このうち各部分光電変換ユニットを貫通する電流は、各々のセルの光吸収量に依存する一方で、最も発電量の少ない部分光電変換ユニットの電流値に律速されるという問題がある。このため、直列タンデム型薄膜Ｓｉ系太陽電池では、各部分光電変換ユニットでの光吸収量をバランスさせる必要が有り、発電層の数が増えるほどその調整難度は増加する。

また、太陽電池の光吸収量は、太陽光の入射角度や日陰の有無、季節や時間等によっても異なるため、実用において部分光電変換ユニットの電流バランスを保ち続けることは極めて困難である。さらに部分光電変換ユニットに非晶質発電層を用いている場合は、光劣化による特性悪化は避けられない問題であり、これによる電流バランスの崩れも考慮する必要がある。

このような直列タンデム型構造が抱える問題を解決する方法として、複数の部分光電変換ユニットが並列に接続された並列タンデム型構造が検討されている（たとえば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４参照）。特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４に示されるような並列タンデム型薄膜Ｓｉ系太陽電池の場合は、部分光電変換ユニットが回路的に並列に接続されているため、直列タンデム型構造で見られた電流律速の問題が存在しない。このため、部分光電変換ユニットごとの発電量の変化に依存せずに安定した性能を発揮することが可能となっている。したがって、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４に示されるような並列タンデム型構造を用いれば、より安定した発電を行う太陽電池を実現することができる。

特開平３−８９５５８号公報 特開平３−８９５５９号公報 特開平３−８９５６０号公報 特開平３−９１２６７号公報

しかしながら、部分光電変換ユニットが並列接続されている並列タンデム型構造では、各部分光電変換ユニットの動作電圧が等しく、これに律速されるという問題がある。上記特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４では部分光電変換ユニットに用いている材料がほぼ同一であり、それぞれの最適動作電圧がほぼ等しいため問題とはならない。しかし、高光電変換効率のタンデム型太陽電池を作る場合は、広範囲の波長の光を取り入れる必要があるため、部分光電変換ユニットに用いる材料はバンドギャップがそれぞれ異なるものを使用する。したがって、部分光電変換ユニットごとに最適とされる動作電圧が異なるので、並列接続下では複数の部分光電変換ユニットを最適状態で動作させることができなくなる、という問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光電変換効率に優れた薄膜太陽電池およびその製造方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる薄膜太陽電池セルは、透光性基板上に、透明導電膜からなる表面側透明電極、半導体膜からなり光電変換を行う前部光電変換ユニット、透明導電膜からなる中間透明導電膜、半導体膜からなり光電変換を行う後部光電変換ユニット、導電膜からなる裏面側電極をこの順で有する薄膜太陽電池セルであって、前部部分光電変換ユニットと前記後部部分光電変換ユニットが前記中間透明導電膜を介して電気的に並列接続され、前記前部光電変換ユニットおよび前記後部光電変換ユニットが、それぞれ異なるバンドギャップを有する発電層を含む部分光電変換ユニットにより構成され、前記前部光電変換ユニットおよび前記後部光電変換ユニットのうち少なくとも一方は、それぞれ異なるバンドギャップを有する発電層を含む複数の部分光電変換ユニットが電気的に直列接続されて構成され、前記前部光電変換ユニットと前記後部光電変換ユニットとの動作電圧が略等しくされていること、を特徴とする。

本発明によれば、並列タンデム型構造において電圧律速による特性の低下を防止して光電変換効率に優れた薄膜太陽電池を実現できるという効果を奏する。

図１−１は、本発明の実施の形態１にかかる薄膜太陽電池モジュールの構成を示す平面図である。 図１−２は、本発明の実施の形態１にかかる薄膜太陽電池モジュール薄膜太陽電池セルの短手向における断面構造を説明するための要部断面図である。 図２−１は、本発明の実施の形態１にかかるモジュールの製造方法を説明するための要部断面図である。 図２−２は、本発明の実施の形態１にかかるモジュールの製造方法を説明するための要部断面図である。 図２−３は、本発明の実施の形態１にかかるモジュールの製造方法を説明するための要部断面図である。 図２−４は、本発明の実施の形態１にかかるモジュールの製造方法を説明するための要部断面図である。 図３は、本発明の実施の形態２にかかるモジュールを構成するセルの短手向における断面構造を説明するための要部断面図である。 図４−１は、本発明の実施の形態２にかかるモジュールの製造方法を説明するための要部断面図である。 図４−２は、本発明の実施の形態２にかかるモジュールの製造方法を説明するための要部断面図である。 図５は、本発明の実施の形態３にかかるモジュールを構成するセルの短手向における断面構造を説明するための要部断面図である。 図６−１は、本発明の実施の形態３にかかるモジュールの製造方法を説明するための要部断面図である。 図６−２は、本発明の実施の形態３にかかるモジュールの製造方法を説明するための要部断面図である。 図７は、本発明の実施の形態４にかかるモジュールを構成するセルの短手向における断面構造を説明するための要部断面図である。 図８−１は、実施の形態４にかかるモジュールの製造方法を説明するための要部断面図である。 図８−２は、実施の形態４にかかるモジュールの製造方法を説明するための要部断面図である。 図８−３は、実施の形態４にかかるモジュールの製造方法を説明するための要部断面図である。

以下に、本発明にかかる薄膜太陽電池セルおよびその製造方法、薄膜太陽電池モジュールおよびその製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。

実施の形態１．
図１−１は、本発明の実施の形態１にかかる薄膜多接合太陽電池である薄膜太陽電池モジュール（以下、モジュールと呼ぶ）の構成を示す平面図である。図１−２は、モジュールを構成する薄膜太陽電池セル（以下、セルと呼ぶ）Ｃの短手向における断面構造を説明するための図であり、図１−１の線分Ａ−Ａ’方向における要部断面図である。

図１−１および図１−２に示すように、実施の形態１にかかるモジュールは、透光性絶縁基板１上に形成された短冊状（矩形状）のセルＣを複数備え、これらのセルＣが電気的に直列に接続された構造を有する。セルＣは、図１−２に示すように透光性絶縁基板１上に第１電極である表面側透明電極２、薄膜半導体からなり第１の部分光電変換ユニットである第１光電変換ユニット３、中間透明導電膜４、薄膜半導体からなり第２の部分光電変換ユニットである第２光電変換ユニット５、第３の部分光電変換ユニットである第３光電変換ユニット６、第２電極である裏面側金属電極８が順次形成されている。

透光性絶縁基板１上に形成された表面側透明電極２には、透光性絶縁基板１の短手方向と略平行な方向に延在するとともに透光性絶縁基板１に達するストライプ状の第１の分離溝９１が形成されている。この第１の分離溝９１の部分には第１光電変換ユニット３が埋め込まれている。

また、表面側透明電極２上に形成された第１光電変換ユニット３および中間透明導電膜４には、第１の分離溝９１と異なる箇所において透光性絶縁基板１の短手方向と略平行な方向に延在するとともに表面側透明電極２に達するストライプ状の第２の分離溝９２が形成されている。この第２の分離溝９２の部分には第２光電変換ユニット５が埋め込まれている。

また、第３光電変換ユニット６、第２光電変換ユニット５、中間透明導電膜４および第１光電変換ユニット３には、第１の分離溝９１および第２の溝９２と異なる箇所において透光性絶縁基板１の短手方向と略平行な方向に延在するとともに表面側透明電極２に達するストライプ状の第３の分離溝９３が形成されて各セルＣが分離されている。この第３の分離溝９３の部分には裏面側金属電極８が埋め込まれている。そして、この第３の分離溝９３の部分に埋め込まれた裏面側金属電極８（接続部）により隣り合う２つのセルＣが電気的に接続されている。

また、第３光電変換ユニット６上の裏面側金属電極８には、第３の溝９３と異なる箇所において透光性絶縁基板１の短手方向と略平行な方向に延在するとともに第３光電変換ユニット６に達するストライプ状の第４の分離溝９４が形成されている。そして、この第４の分離溝９４により、隣り合う２つのセルＣの裏面側金属電極８が電気的に絶縁分離されている。

透光性絶縁基板１としては、透光性を有する絶縁基板が用いられる。このような透光性絶縁基板１には、通常は光透過率の高い材質が用いられ、例えばガラス基板が使用される。ガラス基板としては無アルカリガラス基板を用いてもよく、また、安価な青板ガラス基板を用いてもよい。ただし、透光性絶縁基板１は必ずしもガラスである必要はなく、光を透過する絶縁性基板であれば、樹脂等の基板を用いることも可能である。

表面側透明電極２は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム錫（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）などの透明導電性酸化膜や、これらの透明導電性酸化膜にアルミニウム（Ａｌ）を添加した膜などの透光性の膜によって構成される。また、表面側透明電極２は、ドーパントとしてアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、ホウ素（Ｂ）、イットリウム（Ｙ）、シリコン（Ｓｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）から選択した少なくとも１種類以上の元素を用いたＺｎＯ膜、ＩＴＯ膜、ＳｎＯ_２膜、またはこれらを積層して形成した透明導電膜であってもよく、光透過性を有している透明導電膜であればよい。また、表面側透明電極２は、表面に凹凸が形成された表面テクスチャー構造を有してもよい。このテクスチャー構造は、入射した太陽光を散乱させ、光電変換セルでの光利用効率を高める機能を有する。

第１光電変換ユニット３は、ＰＮ接合またはＰＩＮ接合を有し、入射する光により発電を行う薄膜半導体層が１層以上積層されて構成される。ここでは、第１光電変換ユニット３は、表面側透明電極２側から順に積層された第１ｐ型層３１、第１ｉ型層（発電層）３２、第１ｎ型層３３を備える。

中間透明導電膜４は、透光性および高導電率を有する材料を用いることが好ましい。このような材料としては、例えば表面側透明電極２と同様にＩＴＯやＳｎＯ_２などの材料を使用することができる。

第２光電変換ユニット５は、ＰＮ接合またはＰＩＮ接合を有し、入射する光により発電を行う薄膜半導体層が１層以上積層されて構成される。ここでは、第２光電変換ユニット５は、表面側透明電極２側から順に積層された第２ｎ型層５３、第２ｉ型層（発電層）５２、第２ｐ型層５１を備える。

第３光電変換ユニット６は、ＰＮ接合またはＰＩＮ接合を有し、入射する光により発電を行う薄膜半導体層が１層以上積層されて構成される。ここでは、第３光電変換ユニット６は、表面側透明電極２側から順に積層された第３ｎ型層６３、第３ｉ型層（発電層）６２、第３ｐ型層６１を備える。

すなわち、第１光電変換ユニット３においては表面側透明電極２側からｐ−ｉ−ｎ接合が形成されるように各層が積層されるが、第２光電変換ユニット５および第３光電変換ユニット６においては表面側透明電極２側から順にｎ−ｉ−ｐ接合が形成されるように各層が積層される。

セルＣにおいては、第１光電変換ユニット３が前部光電変換ユニットを構成し、第２光電変換ユニット５および第３光電変換ユニット６が後部光電変換ユニットを構成する。ここで、前部および後部は、光の入射側から見た位置関係である。前部光電変換ユニットと後部光電変換ユニットとは電気的に並列に接続されている。また、後部光電変換ユニットにおいて第２光電変換ユニット５と第３光電変換ユニット６とは電気的に直列に接続されている。

タンデム接合型太陽電池においては、光を有効的に取り入れるために、発電層に用いられる材料は光入射側に用いられる発電層の方がバンドギャップが広くなっている。太陽電池の最適動作電圧は発電層のバンドギャップの広さによってほぼ決まる値であるため、多層タンデム接合型太陽電池の場合は、最適動作電圧はトップセルが最も大きく、ボトムセルが最も小さくなる。

そして、部分光電変換ユニットが並列接続されている並列構造のタンデム型太陽電池では、各部分光電変換ユニットの動作電圧が等しく、複数の部分光電変換ユニットを最適状態で動作させることができなくなる。そこで、実施の形態１にかかるセルＣにおいては、前部光電変換ユニットの最適動作電圧の和（第１光電変換ユニット３の最適動作電圧）と、後部光電変換ユニットの最適動作電圧の和（第２光電変換ユニット５の最適動作電圧と第３光電変換ユニット６の最適動作電圧との和）をバランスさせるようにして全ての部分光電変換ユニットを最適の条件で動作させる。すなわち、第１光電変換ユニット３の動作電圧と、第２光電変換ユニット５と第３光電変換ユニット６との動作電圧の和と、を一致できるように各部分光電変換ユニットのｉ型層の材料が選択される。

裏面側金属電極８は、裏面電極として機能するとともに、光電変換セルで吸収されなかった光を反射して再度光電変換セルに戻す反射層として機能するため、光電変換効率の向上に寄与する。したがって、裏面側金属電極８は、導電性と光反射性が求められ、導電率が高く光反射率が大きいほど好ましい。裏面側金属電極８は、例えば可視光反射率の高い銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）もしくはパラジウムなどの金属材料、またはこれらの金属材料の合金、これらの金属材料の窒化物、これらの金属材料の酸化物などにより形成することができる。なお、これらの裏面側金属電極８の具体的材料は特に限定されるものではなく、周知の材料から適宜に選択して用いることができる。

以上のように構成された実施の形態１にかかるモジュールでは、セルＣ内での電流の流れは、表面側透明電極２から第１光電変換ユニット３を介して中間透明導電膜４に至る経路と、裏面側金属電極８から第３光電変換ユニット６、第２光電変換ユニット５を介して中間透明導電膜４に至る経路と、の２つの流れが形成されることになる。したがって、実施の形態１にかかるセルＣは、並列構造のタンデム型太陽電池として機能する。

つぎに、上記のように構成された実施の形態１にかかるモジュールの製造方法について図２−１〜図２−４を参照して説明する。図２−１〜図２−４は、実施の形態１にかかるモジュールの製造方法を説明するための要部断面図である。

まず、透光性絶縁基板１として例えばガラス基板を用意する。そして、透光性絶縁基板１の一面側に、表面側透明電極２を公知の方法で形成する。例えば、透光性絶縁基板１上に酸化亜鉛（ＺｎＯ）膜からなる表面側透明電極２をスパッタリング法により堆積させる。表面側透明電極２の膜厚は、例えば約１μｍとする。なお、表面側透明電極２としては、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の他にもＩＴＯやＳｎＯ_２などの材料を利用することもできる。また、成膜方法として、ＣＶＤ法などの他の成膜方法を用いてもよい。

つぎに、表面側透明電極２の一部を透光性絶縁基板１の短手方向と略平行な方向のストライプ状に切断・除去して、表面側透明電極２を短冊状にパターニングし、セルＣ毎に複数の表面側透明電極２に分離する（図２−１）。表面側透明電極２のパターニングは、レーザスクライブ法により、透光性絶縁基板１の短手方向と略平行な方向に延在して透光性絶縁基板１に達するストライプ状の第１の分離溝９１を形成することで行う。なお、このように透光性絶縁基板１上に基板面内で互いに分離された複数の表面側透明電極２を得るには、写真製版などで形成したレジストマスクを用いて化学的エッチングする方法や、表面側透明電極２の製膜時においてマスクを用いた蒸着法やスパッタリング法を行うなどの方法でも可能である。

つぎに、第１の分離溝９１内を含む表面側透明電極２上に第１光電変換ユニット３を例えばプラズマＣＶＤ法を用いて形成する。第１光電変換ユニット３としては、表面側透明電極２側から第１ｐ型層３１、第１ｉ型層３２、第１ｎ型層３３を順次積層する。第１ｐ型層３１としては、アモルファス炭化シリコン（ａ−ＳｉＣ）膜を形成する。第１ｉ型層３２および第１ｎ型層３３には、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）膜を形成する。第１ｉ型層３２の膜厚は、１００ｎｍ程度とする。これにより、第１の分離溝９１内には第１ｐ型層３１および第１ｉ型層３２が埋設される。

つぎに、第１光電変換ユニット３の上に、中間透明導電膜４を形成する。例えば、第１光電変換ユニット３上に酸化亜鉛（ＺｎＯ）膜からなる中間透明導電膜４をスパッタリング法により約１μｍの膜厚で堆積させる。

つぎに、中間透明導電膜４および第１光電変換ユニット３の一部を第１の分離溝９１と異なる箇所において透光性絶縁基板１の短手方向と略平行な方向のストライプ状に切断・除去して、中間透明導電膜４および第１光電変換ユニット３を短冊状にパターニングし、複数に絶縁分離する（図２−２）。中間透明導電膜４および第１光電変換ユニット３のパターニングは、レーザスクライブ法により、透光性絶縁基板１の短手方向と略平行な方向に延在して表面側透明電極２に達するストライプ状の第２の分離溝９２を形成することで行う。

つぎに、第２の分離溝９２内を含む第１光電変換ユニット３上に第２光電変換ユニット５、第３光電変換ユニット６を例えばプラズマＣＶＤ法を用いて形成する。第２光電変換ユニット５としては、表面側透明電極２側から第２ｎ型層５３、第２ｉ型層５２、第２ｐ型層５１を順次積層する。また、第３光電変換ユニット６としては、表面側透明電極２側から第３ｎ型層６３、第３ｉ型層６２、第３ｐ型層６１を順次積層する。

第２光電変換ユニット５においては、第２ｎ型層５３としてアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）膜を、第２ｉ型層５２としてアモルファスシリコンゲルマニウム（ａ−ＳｉＧｅ）膜を、第２ｐ型層５１としてアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）膜を形成する。第２ｉ型層５２の膜厚は、例えば５００ｎｍとする。

第３光電変換ユニット６においては、第３ｎ型層６３としてアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）膜を、第３ｉ型層６２として微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）膜を、第３ｐ型層６１としてアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）膜を形成する。第３ｉ型層６２の膜厚は、例えば２μｍとする。

部分光電変換ユニットを全て成膜した後、第３光電変換ユニット６から第１光電変換ユニット３までの一部を第１の分離溝９１および第２の分離溝９２と異なる箇所（第１の分離溝９１と第２の分離溝９２との間）において透光性絶縁基板１の短手方向と略平行な方向のストライプ状に切断・除去して、第３光電変換ユニット６から第１光電変換ユニット３までを短冊状にパターニングし、セルＣ毎に絶縁分離する（図２−３）。このパターニングは、レーザスクライブ法により、透光性絶縁基板１の短手方向と略平行な方向に延在して表面側透明電極２に達するストライプ状の第３の分離溝９３を形成することで行う。

最後に、第３の分離溝９３内を含む第３光電変換ユニット６上に裏面側金属電極８を形成する。この時、裏面側金属電極８のセルＣ毎の分離を行うために、成膜は第４の分離溝９４が形成されるようにパターニングして行う（図２−４）。例えば、マスクを用いたスパッタリング法によりＡｇ膜を積層させる。裏面側金属電極８の製膜方法としては、他にマスク蒸着や印刷など、成膜と同時にパターニングを行える方法を用いることができる。なお、Ａｇ膜の成膜後に、パターニングを行っても構わない。以上により、図１−１および図１−２に示すようなセルＣを有する実施の形態１にかかるモジュールが得られる。

以上のように構成された実施の形態１にかかるモジュールでは、セルＣ内で発電された電流の流れは、表面側透明電極２から第１光電変換ユニット３を介して中間透明導電膜４に至る経路と、裏面側金属電極８から第３光電変換ユニット６、第２光電変換ユニット５を介して中間透明導電膜４に至る経路と、の２つの流れが形成される。これにより、セルＣは、並列構造のタンデム型太陽電池モジュールとして機能する。

また、中間透明導電膜４が第３の分離溝９３の部分に埋め込まれた裏面側金属電極８（接続部）を介して隣接するセルＣの表面側透明電極２および裏面側金属電極８の２つと接続することで、中間透明導電膜４から出力された電流は、分離溝９３に充填された裏面側金属電極８を通して後続のセルＣの表面側透明電極２および第３光電変換セルの第３ｐ型層６１に流れ込む。したがって、実施の形態１にかかるモジュールでは、電気的に直列に接続された後部光電変換ユニットである第２光電変換ユニット５および第３光電変換ユニット６と、前部光電変換ユニットである第１光電変換ユニット３と、が電気的に並列に接続された構造を持つセルＣが透光性絶縁基板１の面内方向において電気的に直列に接続された構造が形成される。

以上のように構成された実施の形態１にかかるモジュールでは、異なるバンドギャップを持つ３つの発電層（光電変換ユニット）により広範囲の波長の光を十分に吸収できるという利点が得られる。さらに、第１光電変換ユニット３と、第２光電変換ユニット５および第３光電変換ユニット６と、を並列に接続させていることで光電変換ユニットの電流の変動がモジュール全体に及ぼす影響を抑えて安定した発電が可能である、という並列タンデム太陽電池の利点を得ることができる。

また、実施の形態１にかかるモジュールでは、第１光電変換ユニット３の動作電圧と、第２光電変換ユニット５と第３光電変換ユニット６との動作電圧の和と、が一致するように第２光電変換ユニット５と第３光電変換ユニット６とが電気的に直列に接続されているため、それぞれの発電層（光電変換ユニット）のバンドギャップが異なるにも関わらず、上述した並列接続された２つの経路の動作電圧はほぼ等しくなっており、並列接続に起因した電圧律速によるセル特性の低下がほとんど生じない。

異なる動作電圧を持つ部分光電変換ユニットを電気的に並列に接続すると、電圧が動作電圧の小さい方に律速されるという問題がある。しかしながら、セルＣにおいては、前部光電変換ユニットと後部光電変換ユニットとがそれぞれ内部に１つあるいは複数の部分光電変換ユニットを直列接続させるため、各部分光電変換ユニットの動作電圧を調整することができる。このため、バンドギャップの異なる発電層を利用した場合でも、前部光電変換ユニットと後部光電変換ユニットとの動作電圧を一致させることができる。

すなわち、実施の形態１では、セルＣにおいて前部光電変換ユニットと後部光電変換ユニットとを電気的に並列に接続し、且つ前部光電変換ユニットの最適動作電圧の和と後部光電変換ユニットの最適動作電圧の和とをバランスさせることで、全ての部分光電変換ユニットを最適の条件で動作させることができる。

また、実施の形態１にかかるセルＣを従来の直列多層タンデム構造の太陽電池セルと比較した場合は、実用環境下で受光量が変化しやすい短波長領域を吸収する部分光電変換ユニットを並列分離したことにより、入射光の変化に対してより安定した性能を発揮できる。

したがって、実施の形態１によれば、電圧律速による特性の低下が防止され光電変換効率に優れた薄膜太陽電池モジュールが実現されている。

なお、上述した実施の形態１にかかるモジュールの構造において、各部分光電変換ユニットのｉ型層の材料は上記の材料のほかにアモルファス酸化シリコン（ａ−ＳｉＯ）、アモルファス炭化シリコン（ａ−ＳｉＣ）、アモルファス窒化シリコン（ａ−ＳｉＮ）などのワイドバンドギャップ材料や、微結晶シリコンゲルマニウム（μｃ−ＳｉＧｅ）、アモルファスゲルマニウム（ａ−Ｇｅ）、アモルファス炭素（ａ−Ｃ）などのナローバンドギャップ材料を使用することもできる。ここで、第１光電変換ユニット３の動作電圧と、第２光電変換ユニット５と第３光電変換ユニット６との動作電圧の和と、を一致できるように各部分光電変換ユニットのｉ型層の材料を選択することが好ましい。

また、実施の形態１においては、前部光電変換ユニットを１層、後部光電変換ユニットを２層とする３層構造を用いたが、前部光電変換ユニットおよび後部光電変換ユニットを構成する光電変換ユニット数はこれに限定されない。例えば、前部光電変換ユニットを２層以上、あるいは後部光電変換ユニットを３層以上にした、より多層のタンデム構造を用いてもよい。

実施の形態２．
実施の形態１で示した構造では、各部分光電変換ユニットが第３の分離溝９３の部分に埋め込まれた裏面側金属電極８（接続部）と繋がっているため、部分光電変換ユニットと裏面側金属電極８との接触部近辺で電流のリークが発生する虞がある。また、このリーク問題のため、通常薄膜太陽電池に用いられるような裏面側の透明導電膜を積層させることができないという問題もある。実施の形態２では、実施の形態１の変形例であり、このような問題を解決する薄膜太陽電池モジュールについて説明する。

図３は、本発明の実施の形態２にかかるモジュールを構成するセルＣの短手向における断面構造を説明するための図であり、図１−２に対応する要部断面図である。図３に示す実施の形態２にかかるモジュールは、実施の形態１にかかるモジュールの構成を基本として、第３光電変換ユニット６上にＺｎＯからなる裏面側透明導電膜７が追加され、その上に裏面側金属電極８が裏面側の全面に形成されている。また、第４の分離溝９４の代わりに裏面側金属電極８から中間透明導電膜４に達するストライプ状の第６の分離溝９４ａが形成されている。この第６の分離溝９４ａは、裏面側金属電極８の表面から裏面側透明導電膜７、第３光電変換ユニット６、第２光電変換ユニット５を貫通して中間透明導電膜４の部分で止まっていることを特長とする。また、実施の形態２にかかるモジュールは、第３の分離溝９３の代わりに、裏面側透明導電膜７から表面側透明電極２に達するストライプ状の第５の分離溝９３ａが形成されている。

つぎに、上記のように構成された実施の形態２にかかるモジュールの製造方法について図４−１および図４−２を参照して説明する。図４−１および図４−２は、実施の形態２にかかるモジュールの製造方法を説明するための要部断面図である。

まず、実施の形態１において図２−１〜図２−３を用いて説明した工程を実施し、部分光電変換ユニットを全て成膜した後にさらに裏面側透明導電膜７を成膜し、その後、裏面側透明導電膜７から表面側透明電極２に達するストライプ状の第５の分離溝９３ａを形成する（図４−１）。

つぎに、第５の分離溝９３ａ内を含む裏面側透明導電膜７上に裏面側金属電極８を形成する。最後に、裏面側金属電極８から中間透明導電膜４に達するストライプ状の第６の分離溝９４ａを形成する（図４−２）。本実施の形態においては、第６の分離溝９４ａを形成するために、透光性絶縁基板１側からチタンサファイア光源を用いたレーザーによるスクライブを行う。

レーザスクライブ法を用いる場合は、前部光電変換ユニットを傷つけないように長波長のレーザーを用いることが好ましい。しかし、長波長のレーザーにおいてはエネルギー密度が低い問題があり、第６の分離溝９４ａを生成する際に時間がかかりすぎるという問題がある。第１光電変換ユニット３や表面側透明電極２での吸収を防ぎつつ、できるだけ高エネルギーのレーザーを用いることを考えた場合、チタンサファイア光源など８００ｎｍ程度の波長のレーザーを使うことが好ましい。なお、分離溝の形成方法としては、他にもプラズマエッチングや化学エッチングなどの方法が考えられる。以上により、図３に示すような単位薄膜光電変換セルを有する実施の形態２にかかるモジュールが得られる。

以上のように構成された実施の形態２にかかるモジュールでは、実施の形態１の場合と同様にセルＣにおいて、前部光電変換ユニットと後部光電変換ユニットとを電気的に並列に接続し、且つ前部光電変換ユニットの最適動作電圧の和と後部光電変換ユニットの最適動作電圧の和とをバランスさせることにより、電圧律速による特性の低下が防止され光電変換効率に優れた薄膜太陽電池モジュールが実現されている。

また、実施の形態２にかかるモジュールでは、中間透明導電膜４よりも上に積層された層では、その一部が第６の分離溝９４ａにより、第５の分離溝９３ａの部分に埋め込まれた裏面側金属電極８（接続部）と絶縁分離されている。このため、第５の分離溝９３ａの部分に埋め込まれた裏面側金属電極８（接続部）と後部光電変換ユニットとが一部分離されるため電流リークを低減できる。また、第３光電変換ユニット６と裏面側金属電極８との間に裏面側金属電極８の反射を高める透明導電膜を形成させることが可能となり、さらに光電変換効率の向上効果が得られる。

実施の形態３．
実施の形態３では、実施の形態２の変形例であり、実施の形態２のモジュールからさらに内部の絶縁性を高めた薄膜太陽電池モジュールについて説明する。図５は、本発明の実施の形態３にかかるモジュールを構成するセルＣの短手向における断面構造を説明するための図であり、図１−２に対応する要部断面図である。図５に示す実施の形態３にかかるモジュールは、実施の形態２にかかるモジュールの構成を基本として、第２の分離溝９２の代わりに第３ｎ型層６３から表面側透明電極２に達するストライプ状の第７の分離溝９２ａが形成されている。この第７の分離溝９２ａは、第３ｎ型層６３の表面から第２光電変換ユニット５、中間透明導電膜４、第１光電変換ユニット３を貫通して表面側透明電極２の部分で止まっていることを特長とする。

つぎに、上記のように構成された実施の形態３にかかるモジュールの製造方法について図６−１および図６−２を参照して説明する。図６−１および図６−２は、実施の形態３にかかるモジュールの製造方法を説明するための要部断面図である。

まず、実施の形態２の場合と同様にして中間透明導電膜４の成膜までを行う。実施の形態２の場合は、その後レーザスクライブにより第２の分離溝９２を形成したが、実施の形態３においてはこの段階ではレーザスクライブを行わない。すなわち、中間透明導電膜４の成膜後、続けてプラズマＣＶＤ法を用いた成膜処理により第２光電変換ユニット５の第２ｎ型層５３、第２ｉ型層５２、第２ｐ型層５１を順次積層し、さらに第３光電変換ユニット６の第３ｎ型層６３を成膜する。実施の形態３では、第２光電変換ユニット５の第２ｎ型層５３および第３光電変換ユニット６の第３ｎ型層６３に、アモルファスＳｉに代わり、より膜質の良い微結晶Ｓｉを用いる。

ここまで成膜を行った時点でレーザスクライブによる分離を行い、第３ｎ型層６３から表面側透明電極２に達するストライプ状の第７の分離溝９２ａを形成する（図６−１）。その後、第３ｉ型層６２、第３ｐ型層６１および裏面側透明導電膜７を順次積層し、実施の形態２の場合と同様にして第５の分離溝９３ａを形成する。そして、第５の分離溝９３ａ内を含む裏面側透明導電膜７上に裏面側金属電極８を形成し、裏面側金属電極８から中間透明導電膜４に達するストライプ状の第６の分離溝９４ａを形成する（図６−２）。以上により、図５に示すようなセルＣを有する実施の形態３にかかるモジュールが得られる。

以上のように構成された実施の形態３にかかるモジュールでは、実施の形態２の場合と同様に、セルＣにおいて前部光電変換ユニットと後部光電変換ユニットとを電気的に並列に接続し、且つ前部光電変換ユニットの最適動作電圧の和と後部光電変換ユニットの最適動作電圧の和とをバランスさせることにより、電圧律速による特性の低下が防止され光電変換効率に優れた薄膜太陽電池モジュールが実現されている。

また、実施の形態３にかかるモジュールでは、中間透明導電膜４よりも上に積層された層ではその一部が第６の分離溝９４ａにより、第５の分離溝９３ａの部分に埋め込まれた裏面側金属電極８（接続部）と絶縁分離されている。

さらに、実施の形態３にかかるモジュールでは、表面側透明電極２よりも上に積層された層である第１光電変換ユニット３、中間透明導電膜４、第２光電変換ユニット５、第３光電変換ユニット６の第３ｎ型層６３では、その一部が第７の分離溝９２ａにより第５の分離溝９３ａの部分に埋め込まれた裏面側金属電極８（接続部）と絶縁分離されている。

実施の形態２にかかるモジュールの場合は、第２光電変換ユニット５や第３光電変換ユニット６は金属側裏面電極８と一部絶縁分離されたものの依然として接触している部分が残っている。しかしながら、実施の形態３にかかるモジュールでは、第２光電変換ユニット５や第３光電変換ユニット６の第３ｎ型層６３は裏面側金属電極８から完全に絶縁分離されている。このため、実施の形態３にかかるモジュールの場合は、第２光電変換ユニット５の第２ｎ型層５３、第２ｐ型層５１や、第３光電変換ユニット６の第３ｎ型層６３に対して微結晶Ｓｉなどの導電率の高い材料を利用することが可能となる。したがって、実施の形態３にかかるモジュールでは、より高い光電変換効率の向上効果が得られる。

実施の形態４．
実施の形態４では、実施の形態１の変形例について説明する。図７は、本発明の実施の形態４にかかるモジュールを構成するセルＣの短手向における断面構造を説明するための図であり、図１−２に対応する要部断面図である。図７に示す実施の形態４にかかるモジュールは、実施の形態１にかかるモジュールの構成を基本として、第１光電変換ユニット３の第１ｎ型層３３および第２光電変換ユニット５の第２ｎ型層５３が省略された構造を有する。

また、実施の形態４にかかるモジュールは、第２の分離溝９２の代わりに、中間透明導電膜４から第１ｉ型層（発電層）３２、第１ｐ型層３１を貫通して表面側透明電極２に達するストライプ状の第８の分離溝９２ｂが形成されている。また、実施の形態４にかかるモジュールは、第４の分離溝９３の代わりに、第３光電変換ユニット６、第２ｐ型層５１、第２ｉ型層（発電層）５２、中間透明導電膜４、第１ｉ型層（発電層）３２、第１ｐ型層３１を貫通して表面側透明電極２に達するストライプ状の第９の分離溝９３ｂが形成されている。

つぎに、上記のように構成された実施の形態４にかかるモジュールの製造方法について図８−１および図８−２を参照して説明する。図８−１および図８−２は、実施の形態４にかかるモジュールの製造方法を説明するための要部断面図である。

まず、実施の形態１の場合と同様にして第１ｉ型層（発電層）３２の成膜までを行う。実施の形態１の場合は、その後第１ｎ型層３３および中間透明導電膜４を成膜して第２の分離溝９２を形成したが、実施の形態４においては第１ｎ型層３３を成膜しない。すなわち、第１ｉ型層（発電層）３２上に中間透明導電膜４を成膜した後、第８の分離溝９２ｂを形成する（図８−１）。ここで、中間透明導電膜４としては、ｎ型にドーピングされた微結晶ＳｉＯからなる透明導電膜を膜厚１μｍで積層させる。

つぎに、実施の形態１の場合は第２の分離溝９２の形成後、第２光電変換ユニット５の第２ｎ型層５３を成膜したが、実施の形態４においては第２ｎ型層５３を成膜しない。すなわち、第８の分離溝９２ｂ内を含む中間透明導電膜４上に第２ｉ型層（発電層）５２を成膜し、さらに、第２ｐ型層５１、第３ｎ型層６３、第３ｉ型層（発電層）６２、第３ｐ型層６１を順次成膜する。そして、第３光電変換ユニット６から表面側透明電極２に達するストライプ状の第９の分離溝９３ｂを形成する（図８−２）。

その後は、実施の形態１の場合と同様にして第９の分離溝９３ｂ内を含む第３ｐ型層６１上に、第４の分離溝９４を有する裏面側金属電極８を形成する（図８−３）。以上により、図７に示すようなセルＣを有する実施の形態４にかかるモジュールが得られる。

以上のように構成された実施の形態４にかかるモジュールでは、実施の形態１の場合と同様にセルＣにおいて、前部光電変換ユニットと後部光電変換ユニットとを電気的に並列に接続し、且つ前部光電変換ユニットの最適動作電圧の和と後部光電変換ユニットの最適動作電圧の和とをバランスさせることにより、電圧律速による特性の低下が防止され光電変換効率に優れた薄膜太陽電池モジュールが実現されている。

また、実施の形態４にかかるモジュールでは、ｎ型にドーピングされた中間透明導電膜４が、実施の形態１の場合の第１ｎ型層３３および第２ｎ型層５３として働く。すなわち、第１ｐ型層３１と第１ｉ型層（発電層）３２と中間透明導電膜４とにより見かけ上の第１光電変換ユニット３ａが構成されている。また、中間透明導電膜４と第２ｉ型層（発電層）５２と第２ｐ型層５１とにより見かけ上の第２光電変換ユニット５ａが構成されている。

したがって、実施の形態４にかかるモジュールでは、第１光電変換ユニット３の第１ｎ型層３３および第２光電変換ユニット５の第２ｎ型層５３が省略された構造を有するため、製造工程の簡略化が実現されている。

このｎ型にドーピングされた中間透明導電膜４は、高導電率および高透過率を有することが好ましく、微結晶ＳｉＯの他にも微結晶Ｓｉ系化合物やＺｎ、ＳｎＯ_２などの材料を用いることができる。ただし、良好なｐｎ接合を作るためには、各部分光電変換ユニットのｉ型層（発電層）のバンドギャップに比較的近い微結晶ＳｉＯや微結晶ＳｉＣを使うことが好ましい。

また、上記においては、実施の形態１の変形例として説明したが上記の構造を実施の形態２、実施の形態３に適用してもよい。

以上のように、本発明にかかる薄膜太陽電池は、光電変換効率に優れた薄膜太陽電池の実現に有用である。

１ 透光性絶縁基板
２ 表面側透明電極
３ 第１光電変換ユニット
３ａ 第１光電変換ユニット
３１ 第１ｐ型層
３２ 第１ｉ型層
３３ 第１ｎ型層
４ 中間透明導電膜
５ 第２光電変換ユニット
５ａ 第２光電変換ユニット
５１ 第２ｐ型層
５２ 第２ｉ型層（発電層）
５３ 第２ｎ型層
６ 第３光電変換ユニット
６１ 第３ｐ型層
６２ 第３ｉ型層（発電層）
６３ 第３ｎ型層
７ 裏面側透明導電膜
８ 裏面側金属電極
９１ 第１の分離溝
９２ 第２の分離溝
９２ａ 第７の分離溝
９２ｂ 第８の分離溝
９３ 第３の分離溝
９３ａ 第５の分離溝
９３ｂ 第９の分離溝
９４ 第４の分離溝
９４ａ第６の分離溝

Claims (7)

1. 透光性基板上に、透明導電膜からなる表面側透明電極、半導体膜からなり光電変換を行う前部光電変換ユニット、透明導電膜からなる中間透明導電膜、半導体膜からなり光電変換を行う後部光電変換ユニット、導電膜からなる裏面側電極をこの順で有する薄膜太陽電池セルであって、
   前部部分光電変換ユニットと前記後部部分光電変換ユニットが前記中間透明導電膜を介して電気的に並列接続され、
   前記前部光電変換ユニットおよび前記後部光電変換ユニットが、それぞれ異なるバンドギャップを有する発電層を含む部分光電変換ユニットにより構成され、
   前記前部光電変換ユニットおよび前記後部光電変換ユニットのうち少なくとも一方は、それぞれ異なるバンドギャップを有する発電層を含む複数の部分光電変換ユニットが電気的に直列接続されて構成され、
   前記前部光電変換ユニットと前記後部光電変換ユニットとの動作電圧が略等しくされていること、
   を特徴とする薄膜太陽電池セル。
2. 透光性基板上に、請求項１に記載の薄膜太陽電池セルが複数配設され、
   隣接する第１の薄膜太陽電池セルと第２の薄膜太陽電池セルとの間において前記後部光電変換ユニットから前記表面側透明電極に達する第１分離溝内に設けられて前記第１の薄膜太陽電池セルの前記表面側透明電極、前記裏面側電極および前記第２の薄膜太陽電池セルの中間透明導電膜に電気的に接続して前記第１の薄膜太陽電池セルと前記第２の薄膜太陽電池セルとを電気的に直列接続する第１接続部を有すること、
   を特徴とする薄膜太陽電池モジュール。
3. 前記第１接続部よりも前記第２の薄膜太陽電池セル側において前記裏面側電極から前記中間透明導電膜に達する第２分離溝を備え、前記第２の薄膜太陽電池セルの前記後部光電変換ユニットが前記第１接続部と分離されていること、
   を特徴とする請求項２に記載の薄膜太陽電池モジュール。
4. 隣接する前記第２の薄膜太陽電池セルと第３の薄膜太陽電池セルとの間において前記後部光電変換ユニットから前記表面側透明電極に達する第３分離溝内に設けられて前記第２の薄膜太陽電池セルの前記表面側透明電極、前記裏面側電極および前記第３の薄膜太陽電池セルの中間透明導電膜に電気的に接続して前記第２の薄膜太陽電池セルと前記第３の薄膜太陽電池セルとを電気的に直列接続する第２接続部を有し、
   前記第２接続部よりも前記第２の薄膜太陽電池セル側において前記第２の薄膜太陽電池セルの前記後部光電変換ユニットを貫通する第４分離溝を備え、前記第２の薄膜太陽電池セルの後部光電変換ユニットが前記第２接続部と分離されていること、
   を特徴とする請求項３に記載の薄膜太陽電池モジュール。
5. 前記前部光電変換ユニットの部分光電変換ユニットは、前記表面側透明電極側から順にｐ型層、ｉ型層、ｎ型層を有し、
   前記後部光電変換ユニットの部分光電変換ユニットは、前記表面側透明電極側から順にｎ型層、ｉ型層、ｐ型層を有し、
   前記中間透明導電膜がｎ型層であり、前記中間透明導電膜に隣接している前記部分光電変換ユニットのｎ型層が形成されていないこと、
   を特徴とする請求項２〜４のいずれか１つに記載の薄膜太陽電池モジュール。
6. 透光性基板上に透明導電膜からなる表面側透明電極を形成する第１工程と、
   前記表面側透明電極上に半導体膜からなり前記表面側透明電極側からｐ型層−ｉ型層−ｎ型層の順の接合を有して光電変換を行う前部光電変換ユニットを形成する第２工程と、
   前記前部光電変換ユニット上に透明導電膜からなる中間透明導電膜を形成する第３工程と、
   前記中間透明導電膜上に半導体膜からなり前記表面側透明電極側からｎ型層−ｉ型層−ｐ型層の順の接合を有して光電変換を行う後部光電変換ユニットを形成する第４工程と、
   前記後部光電変換ユニット上に導電膜からなる裏面側電極を形成する第５工程と、
   を含み、
   前記前部光電変換ユニットおよび前記後部光電変換ユニットを、それぞれ異なるバンドギャップを有する前記ｉ型層を含む部分光電変換ユニットにより形成し、
   前記前部光電変換ユニットおよび前記後部光電変換ユニットのうち少なくとも一方を、それぞれ異なるバンドギャップを有する前記ｉ型層を含む複数の部分光電変換ユニットを電気的に直列接続させて形成して前記前部光電変換ユニットと前記後部光電変換ユニットとの動作電圧が略等しくすること、
   を特徴とする薄膜太陽電池セルの製造方法。
7. 透光性基板上に、透明導電膜からなる表面側透明電極をセル毎に分離形成する第１工程と、
   前記表面側透明電極を形成した前記透光性基板上に、半導体膜からなり前記表面側透明電極側からｐ型層−ｉ型層−ｎ型層の順の接合を有して光電変換を行う前部光電変換ユニットを形成する第２工程と、
   前記前部光電変換ユニット上に透明導電膜からなる中間透明導電膜を形成する第３工程と、
   前記中間透明導電膜と前記前部光電変換ユニットをセルごとに分離する第４工程と、
   前記中間透明導電膜と前記前部光電変換ユニットを分離した前記透光性基板上に、半導体膜からなり前記表面側透明電極側からｎ型層−ｉ型層−ｐ型層の順の接合を有して光電変換を行う後部光電変換ユニットを形成する第５工程と、
   前記後部光電変換ユニットから前記表面側透明電極に達する分離溝を隣接するセル間の位置に形成する第６工程と、
   導電膜からなる裏面側電極を前記後部光電変換ユニット上にセル毎に分離形成する第７工程と、
   導電材料により前記分離溝を埋め込んで隣接するセルのうち一方のセルの表面側透明電極および裏面側電極と、他方のセルの前記中間透明導電膜と、を電気的に接続する第８工程と、
   を含み、
   前記前部光電変換ユニットおよび前記後部光電変換ユニットを、それぞれ異なるバンドギャップを有する前記ｉ型層を含む部分光電変換ユニットにより形成し、
   前記前部光電変換ユニットおよび前記後部光電変換ユニットのうち少なくとも一方を、それぞれ異なるバンドギャップを有する前記ｉ型層を含む複数の部分光電変換ユニットを電気的に直列接続して形成して前記前部光電変換ユニットと前記後部光電変換ユニットとの動作電圧を略等しくすること、
   を特徴とする太陽電池モジュールの製造方法。

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