JP2012500483A - 光電池及び光電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

光電池が、透明キャリア基板（７_ｂ）上に堆積された透明な導電性酸化物の電極層（１_ｂ）を備える。次に、最大１０ｎｍの厚さを有し、第１型ドープ非晶質シリコンの層である接触層（１１_ｂ）が続く。次に、検討される接触層（１１_ｂ）の材料のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する第１型ドープ非晶質シリコン化合物の層（２６）が続く。次に、第１型ドープ非晶質シリコン化合物層（２_ｂ）が続き、次に、真性型シリコン化合物（３_ｂ）の層及び第２型ドープシリコン化合物の層（５_ｂ）が続く。

Description

本発明は、光電池及び該光電池の製造方法を対象とする。

太陽光エネルギー変換は、電気を生成するための環境に優しい手段を提供するという観点を提案する。しかしながら、現状において、光エネルギー変換ユニットによって提供される電気エネルギーは、従来の発電所によって提供される電気よりも、いまだ著しく高価である。従って、近年、光エネルギー変換ユニットを製造する費用効率が良い手段の開発が注目されている。低コスト太陽電池を製造する異なる試みの中で、薄膜シリコン太陽電池が、複数の有利な側面を兼ね備える：第一に、薄膜シリコンセルが、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）のような周知の薄膜堆積技術によって準備されることが可能であり、例えば、ディスプレイ製造技術のような他の薄膜蒸着技術の分野においてこれまでに得られた知見を使用することで、製造コストを削減する相乗効果という観点を提案する。第二に、薄膜シリコン太陽電池が、１０％及びそれ以上を目標とする高エネルギー変換効率を達成することが可能である。第三に、薄膜シリコン−ベース太陽電池の製造のための主原料が、豊富であり、毒性がない。

薄膜太陽電池が、本発明によってさらに開発され、一般的に、当業者に周知のものとして、図１に概略的に示されるように、衝突光の方向Ｌにおいて考えられ、透明な導電性酸化物（ＴＣＯ）の電極層１を備える。検討される方向Ｌにおいて、第１型ドープシリコン化合物の第１活性層２が次に続く。

定義：
ドーピングの“型（ｔｙｐｅ）”として、正−ｐ−及び負−ｎ−のドーピングが理解される。

さらに、“シリコン化合物”が、主にシリコンを含むが、一つ又は一つ以上の付加的な元素をさらに含む材料であると理解される。

検討される第１活性層２に続いて、薄膜接合構造体の厚さの大部分を占め、かつ光起電量変換に大きく関与する第２活性層３が設けられる。この層３が、真性型であり、シリコン化合物の層である。

定義：
“真性型”材料との用語は、ドープされていないか若しくは無視できるわずかな量でドープされただけの材料、又は各ドーピング型が相互に平衡するような方法で両方の型がドープされている材料と理解される。

以下の説明において“ｉ−層”とも呼ばれる第２活性層３に後に、検討される方法Ｌにおいて、第２型ドープシリコン化合物の層である第３活性層５が続く。

図１に示されるような太陽電池構造体に関して、薄層用のキャリア基板が設けられることに関連して、層堆積の各順序が選択される。従って、図１を念頭に置いて、キャリア基板として、符号７で示されるようなガラス基板が設けられた場合、検討される層の堆積が、ＴＣＯの電極層１から開始される。それにもかかわらず、例えば、図１において符号９で示されるような反射金属基板上に太陽電池の層構造を堆積することも可能である。この結果、検討される層の堆積の順序が反対になる。

検討される層の材料構造を念頭に置き、第２活性層３、非晶質の又は微晶質（しばしば、ナノ結晶とも称される）構造のｉ−層を設けることが知られている。

定義：
微晶質構造の材料としては、体積の２０％〜８０％（両端値を含む）が結晶質である材料が理解される。それとは反対に、その体積の２０％未満が結晶質である場合、その材料を、非晶質構造の材料と定義する。

第２活性層３、ｉ−層３が、非晶質構造の層であるか、または微晶質構造の層であるかにかかわらず、非晶質材料層として第１活性層２を適用することが知られている。

本発明は、第１型ドープシリコン化合物の前記第１活性層が非晶質構造の層である太陽電池を対象とする。

電池の照射側に面した第１活性層２における各吸収による光学的損失を避けるために、典型的には、大きなバンドギャップの材料層が、適用される。しかしながら、これが、電極層１、ＴＣＯ層と、検討される第１型ドープ第１活性層２との間の界面での直列電気抵抗を増大させる。これが、電極層１の材料としてＺｎＯが選択される場合に、特に当てはまる。この影響を改善するために、電池の第１活性層２と、電極層１と、の間に、接触層１１を設けることが知られている。このため、接触層１１は、微晶質シリコン化合物の層であり、第１型でドープされる。

このような微晶質の第１型ドープシリコン化合物の接触層を設けることは、比較的遅い堆積速度でのみ実現されうるものであり、このような堆積に高い出力密度が適用されるため、付加的に、さらに高度な装置を必要とする。これが、結果として、装置が増加することにつながり、これにより、製品コストが増大する。さらに、微晶質構造に層を堆積するための堆積プロセスが、特に、このような層が、大きな面積にわたって堆積される場合、さらに困難であり、正確な制御が必要不可欠である。厚さの均一性及びドーピングの均一性は別として、付加的に、このような層の範囲にわたる結晶化度の分布が、再現可能な方法で制御されなければならない。遅い堆積速度が、高い製造スループットを制限する。大量の工業生産に対しては、堆積時間にセーブされる各々のわずかな時間が、直接的にスループットを増大させ、製造のための電力量を増大させるということに留意しなければならない。

本発明の目的は、ここで検討されたような光電池を提供することであり、図１に応じた接触層１１が設けられるが、検討されたような周知の光電池と比較して十分に減少した全体のコストで製造可能である。

従って、本発明による光電池が、：
・透明キャリア基板上の透明導電酸化物の電極層と、次に、
・第１型ドープシリコン化合物の接触層と、次に、
・第１型ドープの非晶質シリコン化合物の第１活性層と、次に、
・真性型シリコン化合物の第２活性層と、次に、
・第２型ドープシリコン化合物の第３活性層と、
を備え、
接触層が、非晶質シリコン化合物の層であり、最大１０ｎｍの厚さであり、検討される接触層の材料が、第１活性層の材料のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有する。

非晶質シリコン化合物材料による比較的高い光の吸収のため、現在までに、当業者は、非晶質材料構造の接触層を設けるという試みを中止している。本発明によると、検討されるような、最大で１０ｎｍの、極めて小さな厚さの接触層を設けることで、このような吸収損失を最小まで減らすことによりこれが考慮される。

さらには、本発明による接触層の堆積が、微晶質シリコン化合物の堆積のための堆積速度と比較して、早い堆積速度で実施されてよい。これが、工業生産において特に重要であるスループットを大きく改善する。さらに、本発明による接触層の堆積が、著しく低い出力密度で、結果として実質的に少ない量の電力で、実行されることが可能である。典型的には、非晶質層の場合における約３００Ｗ／ｍ^２と比較して、微晶質シリコン層が、約２ｋＷ／ｍ^２の出力密度で堆積される。これが、電力消費の実質的な減少につながるだけでなく、さらには、より効率化された処理手順となる。第１型シリコン化合物の第１活性層が、非晶質材料構造の層であるため、本発明による接触層及びこのような第１活性層を堆積するための処理装置が、ほんの数百ワット／ｍ^２の範囲の出力密度を印加するように適合されてよい。

従って、少なくともこれらの２つの層を堆積するために、各処理装置が、比較的低い出力密度に適合されてよく、通例、検討される接触層が微晶質構造に設けられる場合に必要となる電力密度の、約１ディケード（ｄｅｃａｄｅ）だけ高い出力密度を装置に印加することを回避する。

さらに、非晶質構造に、検討される接触層を設けることにより、例えば、ガス流れ時間及び必要とされるガスの全体の量に関して、ガス流れも実質的に低減され、接触層のシリコン化合物が、少なくとも、水素化シリコンと平衡する場合、例としてｐ−ドープである第１型の微晶質水素化シリコンに対して、水素流量が合計で約１００００ｓｃｃｍになる。非晶質材料層としてこのような第１型ドープ接触層を堆積するために、必要とされるガス流れが、わずか、約５００ｓｃｃｍである。

本発明により提供されるような接触層が、第１活性、第１型ドープ層のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有するということは、接触層材料内の、従って、電極層の材料に対する界面での価電子帯の上端が、検討される電極層の材料中におけるフェルミレベルに近づくことを意味する。これによって、検討される材料間の界面でのホールと電子との間のエネルギー差が、小さくなり、これが、再結合速度の増加につながり、この結果、みかけの電気直列抵抗の減少につながる。

本発明による光電池の一実施形態において、ｉ−層である第２活性層が、水素化シリコン材料の層である。

さらなる実施形態において、検討される第２活性層が、非晶質シリコン化合物の層である。この実施形態において、接触層、第１活性層だけでなく、さらには、第二活性層−ｉ−層−が、非晶質材料構造の層である。これによって、減少した出力密度及び減少したガス流れに関する上記において検討されたような利点が、特に、第２活性層が水素化シリコンの層である場合に、さらに活用されうる。全ての接触層、第１及び第２活性層を堆積するための処理装置が、低い−出力密度となるように適合されてよく、検討される３つの層を堆積するためのガス消費量も、十分に減少する。

本発明による光電池の一実施形態において、電極層が、ＺｎＯの層である。一方において、この材料が、検討される電極層に対して大きな利点となることを示すが、微晶質構造の接触層に関して、かなりの直列抵抗の増加をもたらす。本発明による接触層を設けることによって、一方において、ＺｎＯ電極層材料の利点をさらに活用することが可能となるが、接触層材料及び電極層材料の界面を介した、各々の高い直列抵抗を回避することが可能となる。

本発明による光電池のさらなる実施形態において、第１活性層の材料には、第１原子百分率の炭素が含まれ、接触層の材料には、第２原子百分率の炭素が含まれる。それに関して、第２百分率が、第１百分率よりも低い。従って、一方では第１活性層における、他方では接触層における、炭素量を各々選択することにより、これらの２つの層の材料のバンドギャップが、上記において検討したように電極層の材料と適合するように正確に調整されてよい。

本発明による光電池の一実施形態において、接触層の厚さが、最大３ｎｍとなるように選択することにより、接触層における吸収損失がさらに最小化される。さらに、本発明が、検討されたような少なくとも１つの電池を備えた光起電力変換パネルを対象とする。

本発明による太陽電池の製造方法が、透明な導電性酸化物の電極層を堆積するステップを含み、次に、該電極層と接触して、
・透明キャリア基板上の第１型ドープシリコンの接触層と、次に、該接触層と接触して、
・第１型ドープ非晶質シリコン化合物の第１活性層と、次に、該第１活性層と接触して、
・真性型シリコン化合物の第２活性層と、次に、該第２活性層と接触して、
・第２型ドープシリコン化合物の第３活性層と、
を堆積するステップを含み、これにより、非晶質材料であり、かつ最大１０ｎｍである厚さを有する接触層を堆積し、接触層の材料のバンドギャップが、第１活性層の材料のバンドギャップよりも小さくなるように制御する。

本発明による方法の一実施形態において、接触層材料内及び第１活性層内のバンドギャップが、これらの層の材料中の炭素量を各々選択することにより、制御される。

本発明による方法の一実施形態において、電極層が、ＺｎＯを用いて堆積される。

本発明による方法の一実施形態において、接触層が、最大３ｎｍの厚さで堆積される。

本発明による方法の一実施形態において、第２活性層が、水素化シリコンを用いて堆積され、また、さらなる実施形態において、第２活性層の材料が、非晶質材料構造で堆積される。

周知の光電池を概略的に示す。 本発明により実現されるような光電池を概略的に示す。 発明に関連して接触層（Ｉ）が設けられた及び接触層（ＩＩ）等が設けられない図２による電池の光電流対電圧特性を示す。

ここで、図面を用いて、実施例により、本発明がさらに例示される。

図２によると、ガラス基板７_ｂ上に、ＺｎＯの電極層１_ｂが堆積された。電極層１_ｂ上に、非晶質水素化シリコンの接触層１１_ｂが堆積された。検討される接触層１１_ｂが、ｐ−ドープであった。

次に、第１活性層２_ｂが、非晶質ｐ−ドープＳｉＣを用いて堆積された。次に、第２活性層３_ｂとして、水素化シリコンの非晶質層が堆積され、次に、ｎ−型ドープ非晶質水素化シリコンの第３活性層５_ｂが続いた。次に、ｎ−ドープＺｎＯの第２電極層１３及びワイド−バンド金属反射層１５が堆積された。接触層が、２ｎｍの層であった。

図３において、コースＩにより、図２によって例示されるような本発明による光電池の特徴が示されており、一方、コースＩＩにより、図２の電池と同様である及び同様に製造されるが、接触層１１_ｂを備えない光電池の特徴が示されている。

非晶質水素化シリコンの薄い接触層７_ｂを設けることにより、一方では、２つの層の材料内におけるＣ容量を各々選択することにより、ｐ−ドープ非晶質ＳｉＣの第１活性層内のバンドギャップに関して、バンドギャップが減少され、効率（ＥＴＡ）が、８．５４から９．４％まで上昇し、開ループ電圧（ｏｐｅｎ ｌｏｏｐ ｖｏｌｔａｇｅ）Ｖ_ｏｃが、０．８７０５から０．８８７８Ｖまで上昇し、曲線因子（ｆｉｌｌ ｆａｃｔｏｒ）が、６７．２８から７２．５６まで上昇し、一方では、電池の直列抵抗が、７．１９６６Ωから５．２６６６Ωまで減少したことがわかる。

これにより、接触層１１_ｂを設けた場合、第１活性層２_ｂの厚さが減少し、これにより、電池の全体の性能が維持されると考えられうる。

例示され、議論されたような光電池が、一つ以上の電池構造の一つの電池でありうることが特に留意されなければならず、例えば、衝突光の方向Ｌにおいて、以下の非晶質材料構造を備えた電池、例えば、ｉ−層として微晶質材料第２活性層を備えたさらなる電池が提供される。

１_ｂ 電極層
２_ｂ 第１活性層
３_ｂ 第２活性層
５_ｂ 第３活性層
７_ｂ ガラス基板
１１_ｂ 接触層
１３ 第２電極層
１５ 反射層

Claims (13)

1. 透明キャリア基板上の透明導電酸化物の電極層と、次に、
   第１型ドープシリコン化合物の接触層と、次に、
   第１型ドープ非晶質シリコン化合物の第１活性層と、次に、
   真性型シリコン化合物の第２活性層と、次に、
   第２型ドープシリコン化合物の第３活性層と、
   を備え、
   前記接触層が、非晶質シリコン化合物の層であり、最大１０ｎｍの厚さであり、
   前記接触層の材料が、前記第１活性層の材料のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有することを特徴とする光電池。
2. 前記第２活性層が、水素化シリコンの層であることを特徴とする請求項１に記載の光電池。
3. 前記第２活性層が、非晶質シリコン化合物の層であることを特徴とする請求項１または２に記載の光電池。
4. 前記電極層が、ＺｎＯの層であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の光電池。
5. 前記第１活性層の材料が、第１原子百分率のＣを含み、
   前記接触層の材料が、第２原子百分率のＣを含み、
   前記第２原子百分率が、前記第１原子百分率よりも低く、ゼロ以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の光電池。
6. 前記接触層が、最大で３ｎｍの厚さであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の光電池。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の光電池を少なくとも一つ備えた光起電力変換パネル。
8. 透明キャリア基板上の透明導電性酸化物の電極層と、次に、該電極層と接触して、
   第１型ドープシリコン化合物の接触層と、次に、該接触層と接触して、
   第１型ドープ非晶質シリコン化合物の第１活性層と、次に、該第１活性層と接触して、
   真性型シリコン化合物の第２活性層と、次に、該第２活性層と接触して、
   第２型ドープシリコン化合物の第３活性層と、
   を堆積するステップを含み、
   これにより、非晶質材料でありかつ最大１０ｎｍである厚さを有する前記接触層を堆積し、前記接触層の材料のバンドギャップが、前記第１活性層の材料のバンドギャップよりも小さくなるように制御することを特徴とする光電池の製造方法。
9. 前記材料内の各炭素の量によって前記バンドギャップを制御することを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. ＺｎＯの前記電極層を堆積することを含むことを特徴とする請求項８または９のいずれか一項に記載の方法。
11. 最大で３ｎｍの厚さを有する前記接触層を堆積することを含むことを特徴とする請求項８から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 水素化シリコンの前記第２活性層を堆積することを含むことを特徴とする請求項８から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 非晶質材料の前記第２活性層を堆積することを含むことを特徴とする請求項８から１２のいずれか一項に記載の方法。

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