JP2012231142A - 太陽電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】太陽光の種々の波長を使用しながら、発電効率の高い太陽電池を提供する。
【解決手段】第１の単位セル１０と、第１の単位セル１０とは異なるエネルギーバンドギャップ（ｂａｎｄｇａｐ）を有する第２の単位セル２０と、第１の単位セル１０と前記第２の単位セル２０との間に挟持されている絶縁膜３０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池に関する。
現在、人類は、その使用するエネルギー源の多くを石炭・石油などの化石燃料に依存している。しかしながら、化石燃料は、地球温暖化や環境汚染などの問題を引き起こす。この理由から、化石燃料に代え得る代替エネルギー源として太陽光、潮力、風力、地熱などを用いて、環境汚染を引き起こすことなく、エネルギーを生産する方法が提案されている。
中でも、太陽光を電気に変換する技術が最も先端的な技術であるといえる。太陽光を電気に効率よく変換するために、種々の素材及び素子が開発されており、最近提案された、多層ｐ−ｎ接合構造とIII−Ｖ族素材に基づく技術は、一層高い光変換効率を誇っている。
しかしながら、これらの既存の技術は、様々な波長を有する太陽光の特定の波長のみを用いるか、あるいは、たとえ多層接合構造を用いて種々の波長を吸収しても、生成される電流を効率よく使用できないため、発電効率が高くない。
本発明が解決しようとする課題は、太陽光の種々の波長を使用しながら、発電効率の高い太陽電池を提供することである。
本発明の一実施形態による太陽電池は、第１の単位セルと、第２の単位セルと、前記第１の単位セルと前記第２の単位セルとの間に挟持されている絶縁膜と、第１の端子対及び第２の端子対を有する複数の電気端子と、を備える。前記第１の端子対は、前記第１の単位セルに電気的に接続されており、前記第２の端子対は、前記第２の単位セルに電気的に接続されている。
前記第１の単位セルは第１のバンドギャップを有していてもよく、前記第２の単位セルは第２のバンドギャップを有していてもよく、前記第１のバンドギャップは前記第２のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有していてもよい。
前記第１のバンドギャップと前記第２のバンドギャップとの間の差は、０．３〜０．８ｅＶであってもよい。
前記第１のバンドギャップは０．４〜１．５ｅＶであってもよく、前記第２のバンドギャップは１．０〜２．５ｅＶであってよい。
前記第１のバンドギャップは０．６〜０．７ｅＶであってもよく、前記第２のバンドギャップは１．０〜１．２ｅＶであってもよい。
前記第１のバンドギャップは１．０〜１．２ｅＶであってもよく、前記第２のバンドギャップは１．６〜１．８ｅＶであってもよい。
前記第１の単位セルはゲルマニウムを含んでいてもよく、前記第２の単位セルは結晶質ケイ素又はＣＩＳ（Ｃｕ−Ｉｎ−Ｓｅ）を含んでいてもよい。
前記第１の単位セルは結晶質ケイ素又はＣＩＳ（Ｃｕ−Ｉｎ−Ｓｅ）を含んでいてもよく、前記第２の単位セルは非晶質ケイ素、ＣＧＳ（Ｃｕ−Ｇａ−Ｓｅ）及びポリマーのいずれか一種を含んでいてもよい。
前記第１の単位セル、前記絶縁膜及び前記第２の単位セルは積層されていてもよく、前記第１の端子対及び第２の端子は前記絶縁膜を挟んで互いに反対側に位置していてもよい。
前記第１の端子対は第１の正端子及び第１の負端子を備えていてもよく、前記第１の正端子及び前記第１の負端子は前記第１の単位セルの同じ側に位置していてもよい。
前記第２の端子対は第２の正端子及び第２の負端子を備えていてもよく、前記第２の正端子及び前記第２の負端子は前記第２の単位セルの同じ側に位置していてもよい。
前記第２の端子対は第２の正端子及び第２の負端子を備えていてもよく、前記第２の正端子は前記第２の単位セルの一方の側に位置していてもよく、前記第２の負端子は前記第２の単位セルの他方の側に位置していてもよい。
前記第１の端子対は第１の正端子及び第１の負端子を備えていてもよく、前記第１の正端子は前記第１の単位セルの一方の側に位置していてもよく、前記第１の負端子は前記第１の単位セルの他方の側に位置していてもよい。
前記第２の端子対は第２の正端子及び第２の負端子を備えていてもよく、前記第２の正端子及び前記第２の負端子は前記第２の単位セルの同じ側に位置していてもよい。
前記第２の端子対は第２の正端子及び第２の負端子を備えていてもよく、前記第２の正端子は前記第２の単位セルの一方の側に位置していてもよく、前記第２の負端子は前記第２の単位セルの他方の側に位置していてもよい。
前記第１の単位セルは結晶質ケイ素基板を備えていてもよく、前記第２の単位セルはＣｄＴｅ又はＣＩＧＳを含んでいてもよい。
前記第１の単位セル及び前記第２の単位セルの少なくとも一方はＰ型領域及びＮ型領域を備えていてもよく、前記Ｐ型領域及び前記Ｎ型領域のそれぞれは前記端子のいずれかと電気的に接続されていてもよい。
前記第１の単位セル及び前記第２の単位セルの少なくとも一方は、透明電極と凹凸付き表面を備えていてもよい。
本発明の他の実施形態による太陽電池は、異なるエネルギーバンドギャップを有し、順次に積層されている複数の単位セルと、前記複数の単位セルのうち隣り合う単位セルの間に挟持されている少なくとも一つの絶縁膜と、を備える。前記複数の単位セルのそれぞれは、一対の電気端子と電気的に接続されている。
前記複数の単位セルは、下部から上部に向かってエネルギーバンドギャップが高くなってもよい。
前記複数の単位セルは、第１の単位セル、第２の単位セル及び第３の単位セルを備えていてもよく、前記第１の単位セルのバンドギャップは０．６〜０．７ｅＶであってもよく、前記第２の単位セルのバンドギャップは１．０〜１．２ｅＶであってもよく、前記第３の単位セルのバンドギャップは１．６〜１．８ｅＶであってもよい。
前記複数の単位セルのうち第１の単位セルは、単結晶ケイ素及びＣｕ−Ｉｎ−Ｓｅ（ＣＩＳ）のいずれか一方を含んでいてもよく、前記複数の単位セルのうち第２の単位セルは、非晶質ケイ素及びＣｕ−Ｇａ−Ｓｅ（ＣＧＳ）のいずれか一方を含んでいてもよい。
前記各単位セルの前記電気端子対は正端子及び負端子を備えていてもよく、前記正端子及び前記負端子のそれぞれは、Ｐ型領域及びＮ型領域のいずれか一方と接続されていてもよい。
前記複数の単位セルの少なくとも一つは、前記少なくとも一つの単位セルの互いに反対側に接続されている正端子及び負端子を備えていてもよい。
前記複数の単位セルの少なくとも一つは、透明電極及び凹凸付き表面を備えていてもよい。
このように本発明の実施例による太陽電池は、エネルギーバンドギャップの大きな上セルと、バンドギャップの小さな下セルとが電気的に分離されているため、上セルにおいて生成された電流と下セルにおいて生成された電流を分離して集めることができ、発電効率が高い。
本発明の一実施形態による太陽電池の概略断面図である。 この実施形態による太陽電池において生成された光電流密度を太陽光の波長に対する関数で示すグラフである。 この実施形態による太陽電池において生成された光電流密度を太陽光の波長に対する関数で示すグラフである。 本発明のいくつかの実施形態による太陽電池の概略断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による太陽電池の概略断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による太陽電池の概略断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による太陽電池の概略断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による太陽電池の概略断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による太陽電池の概略断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による太陽電池の概略断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による太陽電池の概略断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による太陽電池の概略断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による太陽電池の概略断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による太陽電池の概略断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による太陽電池の概略断面図である。
以下、添付図面に基づき、本発明の一実施形態について、本発明が属する技術分野において通常の知識を持った者が容易に実施できるように詳述する。本発明は種々の異なる形態によって実現可能であり、ここで説明する実施形態に限定されるものではない。図中、本発明を明確に説明するために説明とは無関係な部分は省略し、明細書の全体を通して同じ又は類似の構成要素に対しては同じ図面符号を付している。
以下、図１から図３に基づき、本発明の一実施形態による太陽電池について詳述する。
図１は、本発明の一実施形態による太陽電池の概略断面図であり、図２及び図３は、この実施形態による太陽電池において生成された光電流密度を太陽光の波長に対する関数で示すグラフである。
この実施形態による太陽電池５０は、順次に積層されている２つの単位セル１０、２０を備え、単位セル１０、２０の間には絶縁膜３０が挟持されている。絶縁膜３０は、下セル１０と上セル２０とを電気的に分離することができ、例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）などの誘電体から製作されていてもよいが、これに限定されない。あるいは、例えば、絶縁膜３０は、窒化ケイ素、透明絶縁ポリマーなどを含んでいてもよいが、これに限定されない。
下セル１０及び上セル２０は、受光により電気を生成する光電物質から製作されるが、下セル１０をなす物質と上セル２０をなす物質は、異なるエネルギーバンドギャップ（ｂａｎｄｇａｐ）を有していてもよい。例えば、上セル２０のバンドギャップが下セル１０のバンドギャップよりも大きくてもよく、下セル１０と上セル２０との間のバンドギャップの差は、約０．３〜０．８ｅＶであってもよい。両単位セル１０、２０間のバンドギャップの差が０．３ｅＶよりも小さいか、あるいは、０．８ｅＶよりも大きい場合、使用可能な光の波長範囲が狭まったり、出力電圧が最適化されず、発電効率が低下することがある。下セル１０のバンドギャップは、約０．５〜１．５ｅＶであってもよく、上セル２０のバンドギャップは、約１．０〜２．３ｅＶであってもよい。
単位セル１０、２０に使用可能な光電物質の例としては、ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ＣＩＧＳ（Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ）、ＣｄＴｅ、ＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、ＰｂＳ、ＧａＰ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＡｌＰ、ＧａＡｓなど各種の半導体とポリマーなどが挙げられるが、これらに限定されない。多結晶や単結晶などの結晶質ケイ素は、約１．１〜１．２ｅＶのバンドギャップを有していてもよく、非晶質ケイ素の場合、これよりも高い約１．６〜１．７ｅＶのバンドギャップを有していてもよい。ゲルマニウムの場合に、約０．６〜０．７ｅＶのバンドギャップを有していてもよく、ＣｄＴｅ及びＧａＡｓは、約１．４〜１．５ｅＶのバンドギャップを有していてもよい。ＧａＳｂは、約０．７ｅＶのバンドギャップを有していてもよく、ＩｎＡｓ及びＰｂＳは、約０．４ｅＶのバンドギャップを有していてもよい。ＧａＰ及びＺｎＴｅは、約２．２ｅＶ〜約２．３ｅＶのバンドギャップを有していてもよく、ＣｄＳ及びＡｌＰは、約２．４ｅＶ〜約２．５ｅＶのバンドギャップを有していてもよい。ＣＩＧＳの場合、インジウム（Ｉｎ）とガリウム（Ｇａ）の含有比に応じて、約１．０〜１．７ｅＶのバンドギャップを有していてもよいが、ガリウムをほとんど含まず、インジウムを主として含む場合、すなわち、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｓｅが主成分である場合（以下、ＣＩＳという）にはバンドギャップが約１．０ｅＶであり、逆に、インジウムをほとんど含まず、ガリウムを主として含む場合、すなわち、Ｃｕ−Ｇａ−Ｓｅが主成分である場合（以下、ＣＧＳという）には、バンドギャップが約１．７ｅＶであってもよい。ポリマーの場合には、バンドギャップが１．７ｅＶ以上であることが知られている。
上述した物質は、バンドギャップの大きさに応じて、大きく３グループに分けられるが、第１のグループは、バンドギャップが約１．０〜１．２ｅＶの結晶質ケイ素及びＣＩＳ（Ｃｕ−Ｉｎ−Ｓｅ）などであり、第２のグループは、バンドギャップが約１．４以上の非晶質ケイ素、ＣＧＳ、ＣｄＴｅ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＡｌＰ、ポリマーなどであり、そして第３のグループは、バンドギャップが約０．７ｅＶ以下のＧｅ、ＧａＳｂ、ＩｎＡｓ及びＰｂＳなどである。
中でも、第２のグループは、主として上セル２０の材料として使用可能であり、第３のグループは、主として下セル１０の材料として使用可能であり、第１のグループは、場合によって、下セル１０の材料あるいは上セル２０の材料として使用可能である。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、各々のグループは、バンドギャップの相対的な大きさに応じて、下セル１０及び上セル２０のいずれか一方に使用可能である。
例えば、第１のグループに属する結晶質ケイ素及びＣＩＳなどを上セル２０に用いる場合には、下セル１０に第３のグループに属するゲルマニウムなどを用いることができる。逆に、第１のグループに属する結晶質ケイ素及びＣＩＳなどを下セル１０に用いる場合には、上セル２０に第２のグループに属する非晶質ケイ素、ＣｄＴｅ、ＧａＡｓ、ポリマーなどを用いることができる。この場合には、第２のグループにおいてバンドギャップが比較的低いＣｄＴｅ、ＧａＡｓよりは、バンドギャップが約１．６〜１．８の非晶質ケイ素やＣＧＳを用いた方が有効である場合がある。
下セル１０及び上セル２０は、基板状又は薄膜状に製作可能である。後者の場合には、化学気相蒸着（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＣＶＤ）などの化学的積層法又はスパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）などの物理的積層法が採用可能であるが、これに限定されない。
上述した材料の中で、結晶質半導体、特に、比較的安定した特性を示し、しかも、工程が比較的簡単な単結晶ケイ素基板を、例えば、下セル１０として用いることができる。この場合、下セル１０の上に化学気相蒸着などの方法により絶縁膜３０を積層し、絶縁膜３０の上に他の光電物質、例えば、ＣｄＴｅ又はＣＩＧＳを薄膜状に積層して上セル２０を形成することができる。
それぞれの単位セル１０、２０には、銅や銀などの低抵抗金属製の一対の端子１２、１４、２２、２４が形成されていてもよい。より具体的に、下セル１０の下部には一対の下セル用の端子１２、１４が形成されており、上セル２０の上部には一対の上セル用の端子２２、２４が形成されている。このため、それぞれの単位セル１０、２０に流れる電流は、当該端子１２、１４、２２、２４を介して外部に流れることができる。すなわち、下セル１０の電流は下セル用の端子１２、１４を介して外部に流れ、上セル２０の電流は上セル用の端子２２、２４を介して外部に流れる。しかしながら、下セル１０と上セル２０は電気的に絶縁されているため、下セル１０に流れる電流が上セル用の端子２２、２４を介して外部に流出することはできず、上セル２０に流れる電流が下セル用の端子１２、１４を介して外部に流出することもできない。
端子１２、１４、２２、２４の位置は、図１に示す例に限定されず、端子１２、１４、２２、２４は種々の位置に配置されてもよい。例えば、下セル用の端子１２、１４の少なくとも一つが、当該単位セル１０、２０の上面に形成されていてもよく、この場合、下セル１０の上面を露出させるための空間を設けていてもよい。
このように上セル２０をエネルギーバンドギャップが相対的に高い物質から形成し、下セル１０をバンドギャップが低い物質から形成すれば、太陽光のうち波長が相対的に短い光は上セル２０において吸収されて高い電圧の電流を生成し、波長が相対的に長い光は下セル１０において吸収されて低い電圧の電流を生成する。
図２を参照すると、上セル２０をＣＧＳから形成し、下セル１０を単結晶ケイ素から形成する場合、上セル２０は約７００ｎｍ以下の波長の光のみ吸収して相対的に高い電圧の電流を生成し、下セル１０は約７００ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲の波長の光を吸収して相対的に低い電圧の電流を生成する。
図３を参照すると、上セル２０を単結晶ケイ素から形成し、下セル１０をゲルマニウムから形成する場合、上セル２０は約１１００ｎｍ以下の波長の光のみを吸収して相対的に高い電圧の電流を生成し、下セル１０は約１１００ｎｍ〜１８００ｎｍの範囲の波長の光を吸収して相対的に低い電圧の電流を生成する。
このような太陽電池の構造においては、下セル１０において生成される電流の大きさと、上セル２０において生成される電流の大きさとが異なる場合がある。この場合、上セル２０と下セル１０とが電気的に互いに接続されていれば、全体の太陽電池の電流は上セル２０と下セル１０のうち低い電流値に決定される。そのため、一方の側のセルにおいて過剰に生成された電流は活用することができず、電流のロスが生じてしまう。しかしながら、この実施形態においては、上セル２０と下セル１０とが電気的に分離されているため、異なる大きさの上セル２０の電流と下セル１０の電流を別々に集めて電流のロスなしに用いることができ、非常に効率的である。
次に、図４から図８に基づき、本発明のいくつかの実施形態による太陽電池について詳述する。
図４から図８は、本発明のいくつかの実施形態による太陽電池の概略断面図である。
図４に示す実施形態は、例えば、ゲルマニウム基板からなる下セル１１０と、例えば、結晶質ケイ素、例えば、Ｐ型結晶質ケイ素基板からなる上セル１２０との間に絶縁膜１３０が挟持されている構造を示している。下セル１１０と上セル１２０の面積は実質的に同じであってもよく、下セル１１０の端子１１２、１１４は下セル１１０の下面に、上セル１２０の端子１２２、１２４は上セル１２０の上面に形成されている。
下セル１１０の下面の近傍には、Ｐ型不純物を含有するＰ型領域１１１と、Ｎ型不純物を含有するＮ型領域１１３とが形成されている。Ｐ型領域１１１は正の端子１１２と接続されており、Ｎ型領域１１３は負の端子１１４と接続されている。
上セル１２０の上面の近傍にも、Ｐ型不純物を含有するＰ型領域１２１と、Ｎ型不純物を含有するＮ型領域１２３とが形成されており、Ｐ型領域１２１は正の端子１２２と接続されており、Ｎ型領域１２３は負の端子１２４と接続されている。Ｎ型領域１２３は、Ｐ型領域１２１に比べて大面積であってもよい。
図４中、端子１１２、１１４、１２２、１２４は、当該単位セル１１０、１２０の両周縁に位置しているが、必ずしもその限りではない。
図５は、例えば、結晶質ケイ素基板からなる下セル２１０の上に絶縁膜２３０が形成されており、その上に、例えば、ＣｄＴｅ又はＣＩＧＳを光電物質として含む上セル２２０が形成されている構造を有する太陽電池２００を示している。上セル２２０は、ＣｄＴｅ製又はＣＩＧＳ製のＰ型層２５０と、その上に積層されており、ＣｄＳ製、ＺｎＳ製などのＮ型層２６０とを備える複数の薄膜から形成されていてもよい。また、上セル２２０は、Ｐ型層２５０の下に位置する下電極２４０と、Ｎ型層２６０の上に位置する上電極２７０と、をさらに備える。下電極２４０及び上電極２７０は、透明な導電物質、例えば、ＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ−ｔｉｎ−ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（ｉｎｄｉｕｍ−ｚｉｎｃ−ｏｘｉｄｅ）、インジウム酸化物（ｉｎｄｉｕｍ ｏｘｉｄｅ）、亜鉛酸化物（ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ）、錫酸化物（ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）、チタン酸化物（ｔｉｔａｎｉｕｍ ｏｘｉｄｅ）、カドミウム酸化物（ｃａｄｍｉｕｍ ｏｘｉｄｅ）などから形成されていてもよく、Ｐ型層２５０及びＮ型層２６０と端子２２２、２２４との間の電気的な接続を媒介する。加えて、下セル２１０の下面には、下セル２１０における電気的なロスを低減または防止するための保護膜２９０が形成されていてもよい。
絶縁膜２３０及び上セル２２０は下セル２１０の面積よりも小面積であるため、下セル２１０の一部、例えば、両周縁部が露出されていてもよく、露出された下セル２１０の上面に下セル用の端子２１２、２１４が形成されていてもよい。下セル２１０の露出された上面は、Ｐ型不純物を含有するＰ型領域２１１とＮ型不純物を含有するＮ型領域２１３の表面を少なくとも一部含み、これにより、Ｐ型及びＮ型領域２１１、２１３がそれぞれ下セル用の正の端子２１２及び負の端子２１４と接続されていてもよい。
上セル２２０の場合、Ｐ型層２５０、Ｎ型層２６０及び上電極２７０を下電極２４０よりも小さく形成して、下電極２４０の一部を露出させてもよく、下電極２４０の露出された表面に上セル用の正の端子２２２が形成されていてもよい。上セル用の負の端子２２４は、上電極２７０の上面に形成されていてもよい。
図５中、上セル用の負の端子２２４は上セル２２０の中央に位置し、残りの端子２１２、２１４、２２２は当該単位セル２１０、２２０の両周縁に位置しているが、必ずしもその限りではない。
図６に示す実施形態の太陽電池３００においては、図５の場合と同様に、例えば、結晶質ケイ素基板からなる下セル３１０の上に絶縁膜３３０が形成されており、その上に、例えば、下電極３４０、Ｐ型層３５０、Ｎ型層３６０及び上電極３７０の４重層からなる上セル３２０が形成されている構造を示している。Ｐ型層３５０はＣｄＴｅ製又はＣＩＧＳ製であってもよく、Ｎ型層３６０はＣｄＳ製又はＺｎＳ製であってもよい。
しかしながら、図５に示す実施形態とは異なり、絶縁膜３３０と上セル３２０が下セル３１０の一方の側の周縁部だけを露出させていてもよい。露出された下セル３１０の上面に下セル用の端子３１２、３１４の一方、例えば、正の端子３１２が形成されていてもよい。もう一方の端子、例えば、下セル用の負の端子３１４は下セル３１０の上面ではなく、下面に形成されていてもよい。このため、下セル３１０のＰ型領域３１１は上面の近傍に位置していてもよく、Ｎ型領域３１３は下面の近傍に位置していてもよい。
上セル３２０の場合には、下電極３４０の露出された表面に上セル用の正の端子３２２が形成され、上セル用の負の端子３２４は上電極３７０の上面に形成されていてもよい。
図６の場合には、下セル用の正の端子３１２と上セル用の正の端子３２２は、当該セル３１０、３２０の周縁に位置していてもよく、下セル用の負の端子３１４と上セル用の負の端子３２４は、当該セル３１０、３２０の中央部に位置していてもよい。しかしながら、端子３１２、３１４、３２２、３２４の位置はこれに限定されるものではなく、端子３１２、３１４、３２２、３２４は種々の位置に配置されてもよい。
図７に示す実施形態の太陽電池４００においては、図５及び図６の場合と同様に、例えば、結晶質ケイ素基板からなる下セル４１０の上に絶縁膜４３０が形成されており、その上に、例えば、下電極４４０、Ｐ型層４５０、Ｎ型層４６０及び上電極４７０の４重層からなる上セル４２０が形成されている構造を示している。Ｐ型層４５０はＣｄＴｅ製又はＣＩＧＳ製であってもよく、Ｎ型層４６０はＣｄＳ製又はＺｎＳ製であってもよい。
しかしながら、図５及び図６に示す実施形態とは異なり、下セル４１０の端子４１２、４１４は下セル４１０の下面に、上セル４２０の端子４２２、４２４は上セル４２０の上面に形成されている。
より具体的に、下セル４１０の場合には、図４の実施形態と同様に、下セル４１０の下面の近傍にＰ型領域４１１とＮ型領域４１３が形成されており、Ｐ型領域４１１は正の端子４１２と接続されており、Ｎ型領域４１３は負の端子４１４と接続されている。
上セル４２０の場合には、図５及び図６の場合と同様に、下電極４４０の露出された表面に上セル用の正の端子４２２が形成されていてもよく、上電極４７０の上面に上セル用の負の端子４２４が形成されていてもよい。
図７の場合にも、図６と同様に、下セル用の正の端子４１２と上セル用の正の端子４２２は、当該セル４１０、４２０の周縁に位置していてもよく、下セル用の負の端子４１４と上セル用の負の端子４２４は、当該セル４１０、４２０の中央部に位置していてもよい。しかしながら、端子４１２、４１４、４２２、４２４の位置はこれに限定されるものではなく、端子４１２、４１４、４２２、４２４は種々の位置に配置されてもよい。
図８に示す実施形態の太陽電池５００は、基本的に、図７に示す実施形態と同じ構造を有する。すなわち、結晶質ケイ素基板からなる下セル５１０の上に絶縁膜５３０が形成されており、その上に、例えば、下電極５４０、Ｐ型層５５０、Ｎ型層５６０及び上電極５７０の４重層からなる上セル５２０が形成されている構造を示している。Ｐ型層５５０はＣｄＴｅ製又はＣＩＧＳ製であってもよく、Ｎ型層５６０はＣｄＳ製又はＺｎＳ製であってもよい。下セル５１０の端子５１２、５１４は下セル５１０の下面に、上セル５２０の端子５２２、５２４は上セル５２０の上面に形成されている。
しかしながら、図７とは異なり、下セル５１０の表面に凹凸が形成されており、この凹凸に沿って絶縁膜５３０及び上セル５２０も屈曲している。このような屈曲は、上セル５２０の表面において反射された光を上セル５２０の内部に向かわせて吸光率を高めることができる。下セル５１０の凹凸は、例えば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）などのエッチング液で下セル５１０の表面を処理することにより形成することができる。
下セル５１０には高濃度の不純物領域、すなわち、Ｐ型領域５１１とＮ型領域５１３に加えて、Ｎ型不純物が低濃度にて含まれている遮断領域５１５が絶縁膜５３０との界面に形成されている。遮断領域５１５は、下セル５１０におて生成された正孔と電子とが界面において再結合して打ち消し合うことを低減することができる。
下セル５１０の下面と下セル用の端子５１２、５１４との間には、ＳｉＯ２製、窒化ケイ素製又は透明絶縁ポリマー製などの絶縁膜５９０が形成されている。絶縁膜５９０は、下セル５１０の上方の遮断領域５１５と同様に、電子と正孔との再結合を低減する役割を果たす。
絶縁膜５９０には、Ｐ型領域５１１とＮ型領域５１３をそれぞれ露出させる複数のコンタクト孔が形成されていてもよく、これらのコンタクト孔を介して下セル用の端子５１２、５１４と不純物領域５１１、５１３とが接続されていてもよい。但し、不純物領域５１１、５１２のコンタクト孔の表面にＴｉＮ製などのバリア膜（図示せず）が形成されていてもよい。
下セル用の端子５１２、５１４は、銅などの物質をめっきして形成することができ、上セル用の端子５２２、５２４は、銀ペーストなどを印刷などして形成することができる。
下セル５１０の基板は、Ｐ型基板ではなく、Ｎ型基板であってもよく、この場合には、図８に示すように、Ｐ型領域５１１がＮ型領域５１３に比べて大面積であってもよい。
図９は、下セル６１０と上セル６２０との間に絶縁膜６３０が挟持されている太陽電池６００を示している。図９の下セル６１０は順次に形成されているｐ−ｉ−ｎ接合（又は、ｎ−ｉ−ｐ接合）を含み、上セル６２０は順次に形成されているｐ−ｉ−ｎ接合（又は、ｎ−ｉ−ｐ接合）を含む。
下セル６１０は、多結晶ケイ素又は単結晶ケイ素などの結晶質ケイ素基板６１７と、基板６１７の上部に形成されているＰ型不純物領域６１１と、基板６１７の下部に形成されているＮ型不純物領域６１３と、を含んでいてもよい。これとは異なり、Ｎ型不純物領域６１３が基板６１７の上部に形成され、Ｐ型不純物領域６１１が基板６１７の下部に形成されていてもよい。また、下セル６１０は、それぞれ上電極６１５及び下電極６１６を介してＰ型不純物領域６１１及びＮ型不純物領域６１３に接続可能な一対の端子６１２、６１４をさらに備えていてもよい。上電極６１５及び下電極６１６は、透明な導電物質、例えば、ＩＴＯ、ＩＺＯ、インジウム酸化物、亜鉛酸化物、錫酸化物、チタン酸化物、カドミウム酸化物などを含んでいてもよいが、これに限定されない。これとは異なり、下電極６１６は、金属及び／又は透明導電物質を含んでいてもよい。
上セル６２０は、非晶質ケイ素基板６１７と、基板６２７の上部に形成されているＰ型不純物領域６２１と、基板６２７の下部に形成されているＮ型不純物領域６２３と、を備えていてもよい。これとは異なり、Ｎ型不純物領域６２３が基板６２７の上部に形成されていてもよく、Ｐ型不純物領域６２１が基板６２７の下部に形成されていてもよい。また、上セル６２０は、それぞれ上電極６７０及び下電極６４０を介してＰ型不純物領域６２１及びＮ型不純物領域６２３に接続可能な一対の端子６２２、６２４をさらに備えていてもよい。端子６２２、６２４は、Ｃｕ又はＡｇなどの低抵抗金属を含んでいてもよい。上電極６７０及び下電極６４０は、透明な導電物質、例えば、ＩＴＯ、ＩＺＯ、インジウム酸化物、亜鉛酸化物、錫酸化物、チタン酸化物、カドミウム酸化物などを含んでいてもよいが、これに限定されない。図９は、上セル６２０と下セル６１０の表面に凹凸が形成されていない太陽電池６００を示しているが、これに限定されず、光吸収を高めるために上セル６２０と下セル６１０の表面に凹凸を形成する処理を施してもよい。
以上の実施形態においては、絶縁膜が挟持されている２つの単位セルが積層されている太陽電池５０、１００、２００、３００、４００、５００、６００の構造についてのみ説明したが、エネルギーバンドギャップが異なる３以上のセルが絶縁膜を挟んで積層されている構造も採用可能である。この場合には、下部から上部に向かってバンドギャップが大きくなってもよいが、３つの単位セルを用いる場合には、例えば、上述した３つの材料グループのうち第１のグループは中央セルに用いてもよく、第２のグループは上セルに用いてもよく、第３のグループは下セルに用いてもよい。
例えば、図１０は、順次に積層されている第１のセル７１０、第２のセル７２０及び第３のセル７８０を備える太陽電池７００を示している。第１のセル７１０と第２のセル７２０を電気的に絶縁させるために、第１のセル７１０と第２のセル７２０との間に第１の絶縁膜７３０が挟持されていてもよい。第２のセル７２０と第３のセル７８０を電気的に絶縁させるために、第２のセル７２０と第３のセル７８０との間に第２の絶縁膜７３５が挟持されていてもよい。第１の絶縁膜７３０と第２の絶縁膜７３５は両方ともＳｉＯ２などの誘電体を含んでいてもよいが、これに限定されない。例えば、絶縁膜７３０、７３５は窒化ケイ素又は透明絶縁ポリマーを含んでいてもよいが、これに限定されない。
第１のセル７１０は、バンドギャップが約０．７ｅＶ以下のＧｅ、ＧａＳｂ、ＩｎＡｓ及びＰｂＳなどの光電物質を含んでいてもよい。第２のセル７２０は、バンドギャップが約１．０〜１．２ｅＶの光電物質、例えば、結晶質ケイ素及びＣＩＳ（Ｃｕ−Ｉｎ−Ｓｅ）多結晶又は単結晶ケイ素及び／又はＣＩＳを含んでいてもよいが、これに限定されない。第３のセル７８０は、バンドギャップが約１．４以上の光電物質、例えば、非晶質ケイ素、ＣＧＳ、ＣｄＴｅ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＡｌＰ及び／又はポリマーを含んでいてもよいが、これに限定されない。
それぞれの単位セル７１０、７２０、７８０は、銅などの低抵抗金属などから製作可能な一対の端子７１２、７１４、７２２、７２４、７８２、７８４を備えていてもよい。一対の端子７１２、７１４は、第１のセル７１０の底面と接続されていてもよく、他の一対の端子７２２、７２４は、第２のセル７２０の上面の上に位置していてもよく、さらに他の一対の端子７８２、７８４は、それぞれ下電極７４０と上電極７７０を介して第３のセル７８０と電気的に接続されていてもよい。下電極７４０及び上電極７７０は、透明な導電物質、例えば、ＩＴＯ、ＩＺＯ、インジウム酸化物、亜鉛酸化物、錫酸化物、チタン酸化物、カドミウム酸化物などを含んでいてもよいが、これに限定されない。下電極７４０は、第２の絶縁膜７３５と第３のセル７８０との間に位置していてもよい。上電極７７０は、第３のセル７８０の上に位置していてもよい。
端子７１２、７１４、７２２、７２４、７８２、７８４の位置は、図１０に示すものに限定されず、上述した太陽電池１００、２００、３００、４００、５００、６００の特徴に応じて変更可能である。
図１１は、図４に基づいて上述した太陽電池１００の構造と、その上に形成されている第２の絶縁膜８３５及び第３のセル８８０を備える太陽電池８００を示している。この実施形態の太陽電池８００において、便宜上、上述した太陽電池１００と同じ構造についての説明は省略する。第２の絶縁膜８３５は、ＳｉＯ２、窒化ケイ素などの誘電体、透明絶縁ポリマーなどを含んでいてもよいが、これに限定されない。
第３のセル８８０は上セル１２０の上に形成されていてもよく、上セル１２０よりもバンドギャップが大きな光電物質を含んでいてもよい。例えば、第３のセル８８０は、非晶質ケイ素、ＣＩＧＳ、ＣＧＳ、及び／又はポリマーを含んでいてもよいが、これに限定されない。
一対の端子８８２、８８４は、それぞれ下電極８４０と上電極８７０を介して第３のセル８８０と電気的に接続されていてもよい。下電極８４０及び上電極８７０は、透明な導電物質、例えば、ＩＴＯ、ＩＺＯ、インジウム酸化物、亜鉛酸化物、錫酸化物、チタン酸化物、カドミウム酸化物などを含んでいてもよいが、これに限定されない。下電極８４０は、第２の絶縁膜８３５と第３のセル８８０との間に位置していてもよい。上電極８７０は、第３のセル８８０の上に位置していてもよい。端子８８２、８８４は、Ｃｕ、Ａｇなどの低抵抗金属を含んでいてもよいが、これに限定されない。
図１２は、図５に基づいて上述した太陽電池２００の構造と、その上に形成されている第２の絶縁膜９３５及び第３のセル９８０を備える太陽電池９００を示している。この実施形態の太陽電池９００において、便宜上、上述した太陽電池２００と同じ構造についての説明は省略する。第３のセル９８０を収容するために、図１２に示す端子２２４’の位置が、図５に示す端子２２４の位置とは異なっていてもよい。第２の絶縁膜９３５は、ＳｉＯ２、窒化ケイ素などの誘電体、透明な絶縁ポリマーなどを含んでいてもよいが、これに限定されない。
第３のセル９８０は上セル２２０の上に形成されていてもよく、上セル２２０よりもバンドギャップが大きな光電物質を含んでいてもよい。例えば、第３のセル９８０は、非晶質ケイ素及び／又はポリマーを含んでいてもよいが、これに限定されない。
一対の端子９８２、９８４は、それぞれ下電極９４０と上電極９７０を介して第３のセル９８０と電気的に接続されていてもよい。下９４０及び上電極９７０は、透明な導電物質、例えば、ＩＴＯ、ＩＺＯ、インジウム酸化物、亜鉛酸化物、錫酸化物、チタン酸化物、カドミウム酸化物などを含んでいてもよいが、これに限定されない。下電極９４０は、第２の絶縁膜９３５と第３のセル９８０との間に位置していてもよい。上電極９７０は、第３のセル９８０の上に位置していてもよい。端子９８２、９８４、２２４’は、Ｃｕ、Ａｇなどの低抵抗金属を含んでいてもよいが、これに限定されない。
図１３は、図６に基づいて上述した太陽電池３００の構造と、その上に形成されている第２の絶縁膜９３５及び第３のセル９８０を備える太陽電池１０００を示している。この実施形態の太陽電池１０００において、便宜上、上述した太陽電池２００、９００と同じ構造についての説明は省略する。第３のセル９８０を収容するために、図１３に示す端子３２４’の位置が、図６に示す端子３２４の位置とは異なっていてもよい。しかしながら、端子３２４’は、図６に示す端子３２４と同じ物質を含んでいてもよい。
図１４は、図７に基づいて上述した太陽電池４００の構造と、その上に形成されている第２の絶縁膜９３５及び第３のセル９８０を備える太陽電池１１００を示している。この実施形態の太陽電池１１００において、便宜上、上述した太陽電池２００、９００と同じ構造についての説明は省略する。第３のセル９８０を収容するために、図１４に示す端子４２４’の位置が、図７に示す端子４２４の位置とは異なっていてもよい。しかしながら、端子４２４’は、図７に示す端子４２４と同じ物質を含んでいてもよい。
図１５は、図８に基づいて上述した太陽電池５００の構造と、その上に形成されている第２の絶縁膜１０３５及び第３のセル１０８０を備える太陽電池１２００を示している。この実施形態の太陽電池１２００において、便宜上、上述した太陽電池５００と同じ構造についての説明は省略する。第２の絶縁膜１０３５は、ＳｉＯ２、窒化ケイ素などの誘電体、透明絶縁ポリマーなどを含んでいてもよいが、これに限定されない。
第３のセル１０８０は、上セル５２０の上に形成されていてもよく、上セル５２０よりもバンドギャップが大きな光電物質を含んでいてもよい。例えば、第３のセル１０８０は、非晶質ケイ素及び／又はポリマーを含んでいてもよいが、これに限定されない。
一対の端子１０８２、１０８４は、それぞれ下電極１０４０と上電極１０７０を介して第３のセル１０８０と電気的に接続されていてもよい。下電極１０４０及び上電極１０７０は、透明な導電物質、例えば、ＩＴＯ、ＩＺＯ、インジウム酸化物、亜鉛酸化物、錫酸化物、チタン酸化物、カドミウム酸化物などを含んでいてもよいが、これに限定されない。下電極１０４０は、第２の絶縁膜１０３５と第３のセル１０８０との間に位置していてもよい。上電極１０７０は、第３のセル１０８０の上に位置していてもよい。端子１０８２、１０８４は、Ｃｕ、Ａｇなどの低抵抗金属を含んでいてもよいが、これに限定されない。
このように、これらの実施形態によれば、エネルギーバンドギャップの大きな上セルと、バンドギャップの小さな下セルとが電気的に分離されているため、上セルにおいて生成された電流と下セルにおいて生成された電流をそれぞれ別々に集めることができ、高い発電効率が得られる。
以上、本発明の好適な実施形態を詳述したが、本発明の権利範囲はこれらの実施形態に何ら限定されるものではなく、特許請求の範囲に定義されている本発明の基本概念を用いた当業者の種々の変形および改良もまた本発明の権利範囲に属するものである。
１０ 単位セル
１２ 端子
１４ 端子
２２ 端子
２４ 端子
２０ 単位セル
３０ 絶縁膜
５０ 太陽電池

Claims (25)

  1. 第１の単位セルと、
    第２の単位セルと、
    前記第１の単位セルと前記第２の単位セルとの間に挟持されている絶縁膜と、
    第１の端子対及び第２の端子対を有する複数の電気端子と、
    を備え、
    前記第１の端子対は、前記第１の単位セルに電気的に接続されており、
    前記第２の端子対は、前記第２の単位セルに電気的に接続されている、太陽電池。
  2. 前記第１の単位セルは第１のバンドギャップを有し、前記第２の単位セルは第２のバンドギャップを有し、前記第１のバンドギャップは前記第２のバンドギャップよりも小さな、請求項１に記載の太陽電池。
  3. 前記第１のバンドギャップと前記第２のバンドギャップとの間の差は、０．３〜０．８ｅＶである、請求項２に記載の太陽電池。
  4. 前記第１のバンドギャップは０．４〜１．５ｅＶであり、前記第２のバンドギャップは１．０〜２．５ｅＶである、請求項２に記載の太陽電池。
  5. 前記第１のバンドギャップは０．６〜０．７ｅＶであり、前記第２のバンドギャップは１．０〜１．２ｅＶである、請求項４に記載の太陽電池。
  6. 前記第１のバンドギャップは１．０〜１．２ｅＶであり、前記第２のバンドギャップは１．６〜１．８ｅＶである、請求項４に記載の太陽電池。
  7. 前記第１の単位セルはゲルマニウムを含み、前記第２の単位セルは結晶質ケイ素又はＣＩＳ（Ｃｕ−Ｉｎ−Ｓｅ）を含む、請求項２に記載の太陽電池。
  8. 前記第１の単位セルは結晶質ケイ素又はＣＩＳ（Ｃｕ−Ｉｎ−Ｓｅ）を含み、前記第２の単位セルは非晶質ケイ素、ＣＧＳ（Ｃｕ−Ｇａ−Ｓｅ）及びポリマーのいずれか一種を含む、請求項７に記載の太陽電池。
  9. 前記第１の単位セル、前記絶縁膜及び前記第２の単位セルは積層されており、
    前記第１の端子対は前記絶縁膜の一方の側に位置し、前記第２の端子対は前記絶縁膜の他方の側に位置する、請求項１に記載の太陽電池。
  10. 前記第１の端子対は第１の正端子及び第１の負端子を備え、
    前記第１の正端子及び前記第１の負端子は前記第１の単位セルの同じ側に位置する、請求項９に記載の太陽電池。
  11. 前記第２の端子対は第２の正端子及び第２の負端子を備え、
    前記第２の正端子及び前記第２の負端子は前記第２の単位セルの同じ側に位置する、請求項１０に記載の太陽電池。
  12. 前記第２の端子対は第２の正端子及び第２の負端子を備え、
    前記第２の正端子は前記第２の単位セルの一方の側に位置し、
    前記第２の負端子は前記第２の単位セルの他方の側に位置する、請求項１０に記載の太陽電池。
  13. 前記第１の端子対は第１の正端子及び第１の負端子を備え、
    前記第１の正端子は前記第１の単位セルの一方の側に位置し、
    前記第１の負端子は前記第１の単位セルの他方の側に位置する、請求項９に記載の太陽電池。
  14. 前記第２の端子対は第２の正端子及び第２の負端子を備え、
    前記第２の正端子及び前記第２の負端子は前記第２の単位セルの同じ側に位置する、請求項１３に記載の太陽電池。
  15. 前記第２の端子対は第２の正端子及び第２の負端子を備え、
    前記第２の正端子は前記第２の単位セルの一方の側に位置し、
    前記第２の負端子は前記第２の単位セルの他方の側に位置する、請求項１３に記載の太陽電池。
  16. 前記第１の単位セルは結晶質ケイ素基板を備え、
    前記第２の単位セルはＣｄＴｅ又はＣＩＧＳを含む、請求項１に記載の太陽電池。
  17. 前記第１の単位セル及び前記第２の単位セルの少なくとも一方はＰ型領域及びＮ型領域を備え、
    前記Ｐ型領域及び前記Ｎ型領域のそれぞれは前記端子のいずれかと電気的に接続されている、請求項１に記載の太陽電池。
  18. 前記第１の単位セル及び前記第２の単位セルの少なくとも一方は、透明電極と凹凸付き表面を備える請求項１に記載の太陽電池。
  19. 異なるエネルギーバンドギャップを有し、順次に積層されている複数の単位セルと、
    前記複数の単位セルのうち隣り合う単位セルの間に挟持されている少なくとも一つの絶縁膜と、
    を備え、
    前記複数の単位セルのそれぞれは、一対の電気端子と電気的に接続されている、太陽電池。
  20. 前記複数の単位セルは、下部から上部に向かってエネルギーバンドギャップが高くなる、請求項１９に記載の太陽電池。
  21. 前記複数の単位セルは、第１の単位セル、第２の単位セル及び第３の単位セルを備え、
    前記第１の単位セルのバンドギャップは０．６〜０．７ｅＶであり、前記第２の単位セルのバンドギャップは１．０〜１．２ｅＶであり、前記第３の単位セルのバンドギャップは１．６〜１．８ｅＶである、請求項１９に記載の太陽電池。
  22. 前記複数の単位セルのうち第１の単位セルは、単結晶ケイ素及びＣｕ−Ｉｎ−Ｓｅ（ＣＩＳ）のいずれか一方を含み、
    前記複数の単位セルのうち第２の単位セルは、非晶質ケイ素及びＣｕ−Ｇａ−Ｓｅ（ＣＧＳ）のいずれか一方を含む、請求項１９に記載の太陽電池。
  23. 前記各単位セルの前記電気端子対は正端子及び負端子を備え、
    前記正端子及び前記負端子のそれぞれはＰ型領域及びＮ型領域のいずれか一方と接続されている、請求項１９に記載の太陽電池。
  24. 前記複数の単位セルの少なくとも一つは、前記少なくとも一つの単位セルの互いに反対側に接続されている正端子及び負端子を備える請求項２３に記載の太陽電池。
  25. 前記複数の単位セルの少なくとも一つは、透明電極及び凹凸付き表面を備える請求項１９に記載の太陽電池。
JP2012096432A 2011-04-22 2012-04-20 太陽電池 Pending JP2012231142A (ja)

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