JP2013030520A - 太陽電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】改善された光電変換効率を有する太陽電池を提供する。
【解決手段】太陽電池１は、光電変換部１０と、金属層１７と、中間層２０とを備えている。光電変換部１０は、表面に透明導電層１５を含む。金属層１７は、透明導電層１５の上に配されている。中間層２０は、金属層１７と透明導電層１５との間に配されている。中間層２０は、金属層１７よりも小さな消衰係数を有する。
【選択図】図１
【解決手段】太陽電池１は、光電変換部１０と、金属層１７と、中間層２０とを備えている。光電変換部１０は、表面に透明導電層１５を含む。金属層１７は、透明導電層１５の上に配されている。中間層２０は、金属層１７と透明導電層１５との間に配されている。中間層２０は、金属層１７よりも小さな消衰係数を有する。
【選択図】図１
Description
本発明は、太陽電池に関する。
近年、環境負荷が小さなエネルギー源として太陽電池に対する注目が高まってきている。例えば特許文献１には、半導体基板と、半導体基板の裏面側の主面の上に配されたシリコン層と、シリコン層の上に配された透明導電層と、透明導電層の上に配された、Ａｇからなる反射層とを有する太陽電池が記載されている。
近年、太陽電池の光電変換効率をさらに高めたいという要望が高まってきている。
本発明は、改善された光電変換効率を有する太陽電池を提供することにある。
本発明に係る太陽電池は、光電変換部と、金属層と、中間層とを備えている。光電変換部は、表面に透明導電層を含む。金属層は、透明導電層の上に配されている。中間層は、金属層と透明導電層との間に配されている。中間層は、金属層よりも小さな消衰係数を有する。
本発明によれば、改善された光電変換効率を有する太陽電池を提供することができる。
以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。
また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係る太陽電池１の略図的断面図である。図２は、太陽電池１の略図的裏面図である。
図１は、本発明の一実施形態に係る太陽電池１の略図的断面図である。図２は、太陽電池１の略図的裏面図である。
太陽電池１は、光電変換部１０を有する。光電変換部１０は、受光した際に電子や正孔などのキャリアを生成させる部分である。光電変換部１０は、基板１１と、第１及び第２の半導体層１２，１３と、第１及び第２の透明導電層１４，１５とを有する。
基板１１は、半導体材料からなる基板である。基板１１は、一の導電型を有する。基板１１は、例えば単結晶シリコンからなる基板などの結晶性シリコンからなる基板により構成することができる。基板１１の厚みは、３００μｍ以下とすることができる。基板１１は、第１及び第２の主面１１ａ、１１ｂを有する。
本実施形態では、図３に示されるように、第１及び第２の主面１１ａ、１１ｂのそれぞれに、テクスチャ構造が設けられている。ここで、「テクスチャ構造」とは、表面反射を抑制し、光電変換部の光吸収量を増大させるために形成されている凹凸構造のことをいう。テクスチャ構造の具体例としては、（１００）面を有する単結晶シリコン基板の表面に異方性エッチングを施すことによって得られるピラミッド状（四角錐状や、四角錐台状）の凹凸構造が挙げられる。
第１の主面１１ａの上には、第１の半導体層１２が配されている。一方、第２の主面１１ｂの上には、第２の半導体層１３が配されている。これら第１及び第２の半導体層１２，１３のうちの一方が、基板１１と同じ導電型を有しており、他方が基板１１とは異なる導電型を有している。半導体層１２，１３のそれぞれは、例えば、ｐ型またはｎ型のアモルファスシリコンにより構成することができる。本実施形態の太陽電池の構造は、ＨＩＴ構造（登録商標）と言われている。
半導体層１２，１３と基板１１との間には、例えば数Å〜２５０Å程度の実質的に発電に影響しない程度の厚みを有する、実質的に真性なｉ型半導体層が設けられていてもよい。
第１の半導体層１２の上には、第１の透明導電層１４が配されている。第１の透明導電層１４は、第１の半導体層１２の実質的に全体を覆うように設けられている。この第１の透明導電層１４の表面により、光電変換部１０の受光面１０ａが構成されている。
第１の透明導電層１４の上には、例えばＡｇなどの金属や合金からなる線状の電極（バスバー部やフィンガー部）１６が配されている。この電極１６は、電子及び正孔のうちの一方のキャリアを収集する機能を有する。
第２の半導体層１３の上には、第２の透明導電層１５が配されている。第２の透明導電層１５は、第２の半導体層１３の実質的に全体を覆うように設けられている。この第２の透明導電層１５の表面により、光電変換部１０の裏面１０ｂが構成されている。なお、受光面１０ａは、主として受光する主面である。太陽電池１は、受光面１０ａにおいて受光したときにのみ発電するものであってもよいし、受光面１０ａにおいて受光したときのみならず、裏面１０ｂにおいて受光したときにも発電する両面受光型の太陽電池であってもよい。
透明導電層１４，１５は、例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、アルミニウム亜鉛酸化物（ＡＺＯ）、ガリウム亜鉛酸化物（ＧＺＯ）などにより構成することができる。
透明導電層１４，１５の厚みは、１００ｎｍ以下である。なお、本明細書において、層の厚みは、層の表面の法線方向における厚みを意味し、基板１１の厚み方向における厚みを意味するものではない。具体的には、透明導電層１５の厚みは、図３に示す厚みＴ１５となる。
第２の透明導電層１５の上には、金属層１７が配されている。金属層１７は、第２の透明導電層１５の実質的に全体を覆っている。金属層１７の上には、例えばＡｇなどの金属や合金からなる線状の電極１８が配されている。電極１８は、フィンガー部やバスバー部を有するものであってもよい。太陽電池１では、この電極１８及び金属層１７により、電子及び正孔のうちの電極１６により収集されない方のキャリアが収集される。
金属層１７は、反射層としての機能も兼ね備えている。即ち、金属層１７は、受光面１０ａ側から入射し、金属層１７に達した光の少なくとも一部を受光面１０ａ側に再度反射させる。
金属層１７は、例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｗ、Ｃｏ及びＺｎからなる群から選ばれた少なくとも一種からなることが好ましい。なかでも、金属層１７は、Ａｇからなることが好ましい。
金属層１７の厚みＴ１７は、１００ｎｍ〜４００ｎｍであることが好ましく、１５０ｎｍ〜３００ｎｍであることがより好ましい。これらの場合、金属層１７の電気抵抗を低くしつつ、金属層１７における光反射率を高めることができるためである。
金属層１７の少なくとも一部と透明導電層１５との間には、中間層２０が配されている。中間層２０は、金属層１７が設けられた領域の全体に設けられていてもよいが、本実施形態では、中間層２０は、金属層１７の一部と透明導電層１５との間に配されている。換言すれば、中間層２０は、金属層１７が設けられた領域の一部に配されている。具体的には、図２に示されるように、中間層２０は、金属層１７が設けられた領域において、相互に間隔をおいて平行に延びるストライプ状に設けられている。
金属層１７が設けられた領域における中間層２０が設けられた領域の占める面積割合は、電気抵抗率を低くする観点から、２０％〜８０％であることが好ましく、３０％〜７０％であることがより好ましい。
中間層２０は、金属層１７よりも高い電気抵抗率を有する。ここで、電気抵抗率は、原則として、キャリア濃度とキャリアの移動度とにより決定される。キャリア濃度が高くなると電気抵抗率が低くなり、キャリア濃度が低くなると電気抵抗率が高くなる傾向にある。一方、消衰係数も、下記のＤｒｕｄｅの式から理解されるように、キャリア濃度と相関する。キャリア濃度が高くなると消衰係数が大きくなり、キャリア濃度が低くなると消衰係数が小さくなる。このことから、電気抵抗率と消衰係数とは相関関係があることが分かる。具体的には、キャリア濃度が高く、電気抵抗率が低いと、消衰係数は大きくなり、キャリア濃度が低く、電気抵抗率が高いと、消衰係数は小さくなる。従って、金属層１７よりも高い電気抵抗率を有する中間層２０は、金属層１７よりも小さな消衰係数を有する。
Ｄｒｕｄｅの式において、Ｎは複素屈折率である。ｎは屈折率である。ｉは虚数である。ｋは消衰係数である。Ｅは入射光のエネルギーである。Ａはキャリア濃度に比例する係数である。ε∞とΓとのそれぞれはキャリア濃度に関係のない係数である。
中間層２０の電気抵抗率は、金属層１７の電気抵抗率の１００倍以上であることが好ましく、５０倍以上であることがより好ましい。具体的には、中間層２０の電気抵抗率は、１×１０−３Ω・ｃｍ以上であることが好ましく、５×１０−３Ω・ｃｍ以上であることがより好ましい。
中間層２０の消衰係数は、金属層１７の消衰係数の０．０１倍以下であることが好ましく、０．００２倍以下であることがより好ましい。具体的には、中間層２０の消衰係数は、０．１以下であることが好ましく、０．０２以下であることがより好ましい。
中間層２０は、例えば、フッ化マグネシウム、窒化シリコン、酸化アルミニウム、フッ化カルシウム及び酸化マグネシウムからなる群から選ばれた少なくとも一種により構成することができる。
中間層２０の屈折率は、金属層１７の屈折率よりも高く、透明導電層１５の屈折率よりも低いことが好ましい。中間層２０の屈折率は、金属層１７の屈折率よりも０．１以上高いことが好ましく、０．２以上高いことがより好ましい。中間層２０の屈折率は、透明導電層１５の屈折率よりも０．１以上低いことが好ましく、０．２以上低いことがより好ましい。具体的には、中間層２０の屈折率は、０．３〜２．５であることが好ましく、１〜２であることがより好ましい。
中間層２０の厚みＴ２０は、１００ｎｍ以上であることが好ましい。中間層２０の厚みは、金属層１７の厚みよりも小さいことが好ましい。換言すれば、金属層１７の厚みは、中間層２０の厚みよりも大きいことが好ましい。
ところで、反射層としての機能を有する金属層１７は、透明導電層１５等と比較して低い電気抵抗率を有する。このため、金属層１７の消衰係数は大きい。よって、第２の半導体層１３と透明導電層１５との界面において発生したエバネッセント光は、金属層１７により吸収されやすい。金属層１７によりエバネッセント光が吸収されると、吸収されたエバネッセント光の分だけ、金属層１７による光反射率が低下する。ここで、エバネッセント光は、第２の半導体層１３と透明導電層１５との界面で全反射したときに透明導電層１５又は金属層１７側にわずかに染み出す光を指す。このエバネッセント光は、透明導電層１５や金属層１７に吸収される。従って、反射率を考える場合には、透明導電層１５や金属層１７によるエバネットセント光の吸収を考慮する必要がある。このため、光の利用効率が低下する。その結果、光電変換効率が低くなる。
それに対して太陽電池１では、金属層１７の少なくとも一部と透明導電層１５との間に、中間層２０が設けられている。中間層２０は、金属層１７よりも高い電気抵抗率を有する。このため、中間層２０の消衰係数は金属層１７の消衰係数よりも小さい。よって、第２の半導体層１３と透明導電層１５との界面において発生したエバネッセント光は中間層２０に吸収されにくい。このような中間層２０が金属層１７と透明導電層１５との間に配されていることにより、エバネッセント光が定在している領域に占める、エバネッセント光を吸収しやすい金属層１７の割合を低くすることができる。従って、第２の半導体層１３と透明導電層１５との間の界面において発生したエバネッセント光の吸収を抑制することができる。その結果、金属層１７による光反射率の低下を抑制でき、光の利用効率を高めることができるので、改善された光電変換効率を実現することができる。
金属層１７における光反射率を高めて光の利用効率を向上できる本実施形態では、半導体材料からなる基板１１の厚みが薄く、基板１１を透過する光の量が多い場合が特に好ましい。具体的には、基板１１の厚みが３００μｍ以下である場合が特に好ましい。
なお、第２の半導体層１３と透明導電層１５との界面において発生したエバネッセント光が定在している領域に金属層１７を位置させないようにする別の方法として、透明導電層１５を厚くすることも考えられる。しかしながら、この場合は、透明導電層１５による光吸収量が多くなる。このため、光の利用効率が却って低くなる。
それに対して太陽電池１では、透明導電層１５の厚みを厚くする必要がない。このため、透明導電層１５による光吸収量の増大を抑制することができる。
金属層１７によるエバネッセント光の吸収をより効果的に抑制する観点からは、金属層１７が設けられた領域における中間層２０が設けられた領域の占める面積割合を大きくすることが好ましく、金属層１７が設けられた領域の実質的に全体に中間層２０を設けることが好ましい。しかしながら、金属層１７が設けられた領域における中間層２０が設けられた領域の占める面積割合を大きくすると、中間層２０の電気抵抗率が金属層１７の電気抵抗率よりも高いため、透明導電層１５と金属層１７との間の抵抗が高くなる傾向にある。従って、太陽電池１の光電変換効率がかえって低くなってしまう場合がある。このような観点から、金属層１７が設けられた領域における中間層２０が設けられた領域の占める面積割合は、２０％〜８０％であることが好ましく、３０％〜７０％であることがより好ましい。
図４は、波長１０００ｎｍの光の金属層における、光反射率を表すグラフである。なお、図４に示すグラフは、以下の条件の場合のシミュレーションから得られたグラフである。図４に示す厚みは、中間層２０の厚みである。図４の横軸は、入射角（θ）である。
・中間層２０が金属層１７が設けられた領域の全体に設けられている。
・第２の半導体層１３：厚み９．１ｎｍのアモルファスシリコン層
・透明導電層１５：厚み６１．５ｎｍのＷのドーパントがドープされた酸化インジウムからなる層
・中間層２０：フッ化マグネシウム層
・金属層１７：厚み４００ｎｍのＡｇ層
・第２の半導体層１３：厚み９．１ｎｍのアモルファスシリコン層
・透明導電層１５：厚み６１．５ｎｍのＷのドーパントがドープされた酸化インジウムからなる層
・中間層２０：フッ化マグネシウム層
・金属層１７：厚み４００ｎｍのＡｇ層
図４に示されるグラフからも、金属層１７よりも高い電気抵抗率を有し、小さな消衰係数を有する中間層２０を設けることにより、金属層１７における光反射率を高めることができることが分かる。また、金属層１７における光反射率は、中間層２０の厚みを１００ｎｍ以上とすることにより、さらに高くできることが分かる。この結果から、中間層２０の厚みは１００ｎｍ以上であることが好ましいことが分かる。但し、中間層２０が厚すぎ、中間層２０が金属層１７よりも厚い場合には、金属層１７の形成方法によっては、金属層１７の中間層２０の上に位置する部分と、金属層１７の中間層２０が設けられていない領域に位置する部分とがカバレッジの問題から分断されてしまう場合がある。このため、中間層２０の厚みは、金属層１７の厚みよりも小さいことが好ましい。換言すれば、金属層１７の厚みは中間層２０の厚みよりも大きいことが好ましい。
図５は、本実施形態に係る太陽電池における、波長１０００ｎｍの光の金属層における反射率を表すグラフである。なお、図５に示すデータは、以下の条件の場合のシミュレーションから得られたグラフである。図５に示す厚みは、透明導電層１５の厚みである。
・中間層２０が金属層１７が設けられた領域の全体に設けられている。
・第２の半導体層１３：厚み９．１ｎｍのアモルファスシリコン層
・透明導電層１５：Ｗのドーパントがドープされた酸化インジウムからなる層
・中間層２０：厚み６１．５ｎｍのフッ化マグネシウム層
・金属層１７：厚み４００ｎｍのＡｇ層
・第２の半導体層１３：厚み９．１ｎｍのアモルファスシリコン層
・透明導電層１５：Ｗのドーパントがドープされた酸化インジウムからなる層
・中間層２０：厚み６１．５ｎｍのフッ化マグネシウム層
・金属層１７：厚み４００ｎｍのＡｇ層
図６は、中間層２０が設けられていないこと以外は、実施形態に係る太陽電池と実質的に同様の構成を有する参考例に係る太陽電池における、波長１０００ｎｍの光の金属層における反射率を表すグラフである。図６に示す厚みは、透明導電層の厚みである。
図５及び図６に示されるグラフから分かるように、中間層２０が設けられている場合は、中間層２０が設けられていない場合とは異なり、透明導電層１５の厚みが大きくなると共に、光反射率の最低値が単調減少する。この結果から、中間層２０が設けられている場合は、透明導電層１５の厚みは、１００ｎｍ以下であることが好ましいことが分かる。
また、中間層２０の屈折率は、金属層１７の屈折率よりも高く、透明導電層１５の屈折率よりも低いことが好ましい。この場合、光の干渉効果により反射率が高くなる。
尚、本発明はここでは記載していない様々な実施形態を含む。例えば、中間層２０は、金属層１７が設けられた領域の全体に設けられていてもよい。その場合、エバネッセント光の吸収をより効果的に抑制することができる。
光電変換部は、ＨＩＴ構造を有するものに限定されず、多結晶シリコンを用いたものであってもよいし、薄膜シリコンを用いたものであってもよいし、ＣＩＧＳなどを用いたものであってもよい。
太陽電池は、一主面側に第１及び第２の電極が配された裏面接合型の太陽電池であってもよい。
以上のように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態を含む。従って、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
１…太陽電池
１０…光電変換部
１１…基板
１２…第１の半導体層
１３…第２の半導体層
１４…第１の透明導電層
１５…第２の透明導電層
１７…金属層
２０…中間層
１０…光電変換部
１１…基板
１２…第１の半導体層
１３…第２の半導体層
１４…第１の透明導電層
１５…第２の透明導電層
１７…金属層
２０…中間層
Claims (8)
- 表面に透明導電層を含む光電変換部と、
前記透明導電層の上に配された金属層と、
前記金属層と前記透明導電層との間に配されており、前記金属層よりも小さな消衰係数を有する中間層と、
を備える、太陽電池。 - 請求項１に記載の太陽電池において、
前記中間層は、前記金属層よりも電気抵抗率が高く、前記金属層の一部と前記透明導電層との間に配されている。 - 請求項２に記載の太陽電池において、
前記金属層が設けられた領域における前記中間層が設けられた領域の占める面積割合が２０％〜８０％である。 - 請求項２又は３に記載の太陽電池において、
前記金属層の厚みは、前記中間層の厚みよりも大きい。 - 請求項１〜４のいずれか一項に記載の太陽電池において、
前記中間層の屈折率は、前記金属層の屈折率よりも高く、前記透明導電層の屈折率よりも低い。 - 請求項１〜５のいずれか一項に記載の太陽電池において、
前記中間層は、フッ化マグネシウム、窒化シリコン、酸化アルミニウム、フッ化カルシウム及び酸化マグネシウムからなる群から選ばれた少なくとも一種からなる。 - 請求項１〜６のいずれか一項に記載の太陽電池において、
前記金属層は、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｗ、Ｃｏ、及びＺｎからなる群から選ばれた少なくとも一種からなる。 - 請求項１〜７のいずれか一項に記載の太陽電池において、
前記光電変換部は、結晶性シリコンならなる基板を含み、前記基板の厚みが３００μｍ以下である。
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