JP2013115339A

JP2013115339A - 光起電力装置

Info

Publication number: JP2013115339A
Application number: JP2011262153A
Authority: JP
Inventors: Tatsu Shimizu; 竜清水; Kazushige Kaneko; 一重兼子
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2013-06-10

Abstract

【課題】光散乱粒子を含む充填層を備えた光起電力装置において、充填層に接して形成された透明層の吸湿による特性の劣化を抑制する。
【解決手段】光電変換ユニットと、第２光電変換ユニット１８の光入射側と反対側の面上に形成された第１透明電極層２０ａと、第１透明電極層２０ａ上に形成され、第１透明電極層２０ａより透湿性が低い第２透明電極層２０ｂと、第２透明電極層２０ｂ上に接して形成された光散乱粒子を含む充填層２２と、を備える光起電力装置とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光起電力装置に関する。

太陽光発電システム等において光起電力装置が用いられている。光起電力装置では、その発電効率を向上させるために、異なる波長特性を有するトップ側及びボトム側の光電変換ユニットを積層したタンデム型光起電力装置が知られている。

光起電力装置において、発電層の裏面側に設けられる透明導電層の近傍に裏面反射層を有し、この裏面反射層内に光散乱性の粒子を含有させ、発電層を透過した光を反射させて再び発電層に入射させることによって光の利用効率を向上させる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第ＷＯ２００５／０７６３７０号パンフレット

ところで、光起電力装置を製造する際に、透明導電層の形成後、充填層の形成前に透明導電層が大気に長時間曝されると、透明導電層の吸湿によりその抵抗値が増加してしまう問題がある。吸湿を避けるためには、透明導電層と充填層との形成プロセスを連続的に行うことが好ましいが、透明導電層はスパッタリング法等により形成されるのに対して、充填層は塗布法等により形成されるので、これらのプロセスを連続的に行うことが困難である。

また、光起電力装置をモジュール化した後も充填層を介して透明導電層に水分が浸入し、透明導電層の吸湿によりその抵抗値が増加してしまう問題もある。

本発明は、光電変換ユニットと、光電変換ユニットの光入射側と反対側の面上に形成された第１透明電極層と、第１透明電極層上に形成され、第１透明電極層より透湿性が低い第２透明電極層と、第２透明電極層上に接して形成された光散乱粒子を含む充填層と、を備える、光起電力装置である。

本発明は、光散乱粒子を含む充填層を備えた光起電力装置において、充填層に接して形成された透明層の吸湿による特性の劣化を防ぐことができる。

本発明の実施の形態における光起電力装置の構成を示す断面図である。本発明の実施の形態における裏面透明電極層及び充填層の構成を説明する断面模式図である。

本発明の実施の形態における光起電力装置１００は、図１の断面図に示すように、基板１０、透明電極層１２、第１光電変換ユニット１４、中間層１６、第２光電変換ユニット１８、裏面透明電極層２０、充填層２２及び封止材２４を含んで構成される。

基板１０上に透明電極層１２を形成する。基板１０は、透光性を有する材料とする。基板１０は、例えば、ガラス基板、プラスチック基板等とすることができる。透明電極層１２は、透光性を有する透明導電膜とする。透明電極層１２は、酸化錫（ＳｎＯ₂）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等に錫（Ｓｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、フッ素（Ｆ）、アルミニウム（Ａｌ）等をドープした透明導電性酸化物（ＴＣＯ）のうち少なくとも一種類又は複数種を組み合わせた膜を用いることができる。透明電極層１２は、例えば、スパッタリング法、ＭＯＣＶＤ法（熱ＣＶＤ）により形成する。基板１０と透明電極層１２の一方又は両方の表面に凹凸（テクスチャ構造）を設けることも好適である。

複数の光電変換セルを直列に接続する構造とする場合、透明電極層１２に第１のスリットを形成して短冊状にパターニングしてもよい。第１のスリットは、レーザ加工により形成することができる。例えば、波長１０６４ｎｍ、エネルギー密度１３Ｊ／ｃｍ²、パルス周波数３ｋＨｚのＹＡＧレーザを用いて透明電極層１２を短冊状にパターニングすることができる。第１のスリットの線幅は１０μｍ以上２００μｍ以下とすることが好適である。

透明電極層１２上に第１光電変換ユニット１４を形成する。本実施の形態では、第１光電変換ユニット１４は非晶質（アモルファス）シリコン光起電力装置（ａ−Ｓｉユニット）とする。ただし、第１光電変換ユニット１４は、非晶質（アモルファス）シリコン光起電力装置に限定されるものではなく、後述する第２光電変換ユニット１８よりも短波長側に光電変換効率のピークを有する発電層を含むものであればよい。

第１光電変換ユニット１４は、基板１０側からｐ型、ｉ型、ｎ型の順にアモルファスシリコン膜を積層して形成する。第１光電変換ユニット１４は、例えば、プラズマ化学気相成長法（ＣＶＤ）により形成することができる。プラズマＣＶＤ法は、例えば、１３．５６ＭＨｚのＲＦプラズマＣＶＤ法を適用することが好適である。このとき、シラン（ＳｉＨ₄）、ジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）、ジクロルシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）等のシリコン含有ガス、メタン（ＣＨ₄）等の炭素含有ガス、ジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）等のｐ型ドーパント含有ガス、フォスフィン（ＰＨ₃）等のｎ型ドーパント含有ガス及び水素（Ｈ₂）等の希釈ガスを混合した混合ガスをプラズマ化して成膜を行うことによって、ｐ型、ｉ型、ｎ型のアモルファスシリコン膜を積層することができる。第１光電変換ユニット１４のｉ層の膜厚は１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることが好適である。

本実施の形態において、ｉ型とは真性の半導体層であり、ｎ型及びｐ型のドーパント濃度を含んでいたとしても、ｎ型及びｐ型のドーパント濃度が５×１０¹⁹／ｃｍ³以下の半導体層を意味する。また、ｐ型の半導体層は、ボロン（Ｂ）等のｐ型のドーパントがドープされ、ｐ型のドーパント濃度が５×１０²⁰／ｃｍ³以上１×１０²²／ｃｍ³以下であることを意味する。ｎ型の半導体層は、燐（Ｐ）等のｎ型のドーパントがドープされ、ｎ型のドーパント濃度が５×１０²⁰／ｃｍ³以上１×１０²²／ｃｍ³以下であることを意味する。

第１光電変換ユニット１４上に中間層１６を形成する。本実施の形態では、中間層１６は、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）等の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）とすることが好適である。特に、マグネシウム（Ｍｇ）やリン（Ｐ）がドープされた酸化シリコン（ＳｉＯｘ）を用いることが好適である。透明導電性酸化物（ＴＣＯ）は、プラズマＣＶＤ法又はＤＣスパッタリング法により形成することができる。中間層１６の膜厚は、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることが好適である。なお、中間層１６を設けない構成としてもよい。

中間層１６上に第２光電変換ユニット１８を形成する。本実施の形態では、第２光電変換ユニット１８は微結晶シリコン光起電力装置（μｃ−Ｓｉユニット）とする。ただし、第２光電変換ユニット１８は、微結晶シリコン光起電力装置に限定されるものではなく、第１光電変換ユニット１４よりも長波長側に光電変換効率のピークを有する発電層を含むものであればよい。例えば、約７００ｎｍ以上の波長領域の光に対して発電感度を有するものであることが好適である。

第２光電変換ユニット１８は、基板１０側からｐ型、ｉ型、ｎ型の順に微結晶シリコン膜を積層して形成する。第２光電変換ユニット１８は、プラズマＣＶＤ法により形成することができる。プラズマＣＶＤ法は、例えば、１３．５６ＭＨｚのＲＦプラズマＣＶＤ法を適用することが好適である。第２光電変換ユニット１８は、シラン（ＳｉＨ₄）、ジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）、ジクロルシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）等のシリコン含有ガス、メタン（ＣＨ₄）等の炭素含有ガス、ジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）等のｐ型ドーパント含有ガス、フォスフィン（ＰＨ₃）等のｎ型ドーパント含有ガス及び水素（Ｈ₂）等の希釈ガスを混合した混合ガスをプラズマ化して成膜を行うことによって形成することができる。第２光電変換ユニット１８のｉ層の膜厚は１０００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下とすることが好適である。

複数の光電変換セルを直列に接続する構造とする場合、第２のスリットを形成して短冊状にパターニングする。第２のスリットは、第２光電変換ユニット１８，中間層１６，第１光電変換ユニット１４を貫いて透明電極層１２に到達するように形成する。第２のスリットは、例えば、レーザ加工により形成することができる。レーザ加工は、これに限定されるものではないが、波長約５３２ｎｍ（ＹＡＧレーザの第２高調波）を用いて行うことが好適である。レーザ加工のエネルギー密度は例えば１×１０⁵Ｗ／ｃｍ²とすればよい。透明電極層１２に形成した第１のスリットの位置から５０μｍ横の位置にＹＡＧレーザを照射して第２のスリットを形成する。第２のスリットの線幅は、１０μｍ以上２００μｍ以下とすることが好適である。

第２光電変換ユニット１８上に裏面透明電極層２０を形成する。裏面透明電極層２０は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）とすることが好適である。本実施の形態では、裏面透明電極層２０は、第１透明電極層２０ａと第２透明電極層２０ｂの積層構造とする。

第１透明電極層２０ａ及び第２透明電極層２０ｂは、酸化錫（ＳｎＯ₂）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等、又は、これらに不純物をドープしたものを適用することができる。ただし、第２透明電極層２０ｂは、第１透明電極層２０ａより透湿性が低い層とする。

例えば、第１透明電極層２０ａを化学気相成長法（ＣＶＤ）によって形成し、第２透明電極層２０ｂをスパッタリング法によって形成することによって、第２透明電極層２０ｂを第１透明電極層２０ａより透湿性が低い層とすることができる。

このように、第２透明電極層２０ｂを第１透明電極層２０ａより透湿性の低い層とすることによって、後述する充填層２２が形成される前後を問わず、第１透明電極層２０ａの吸湿による特性の劣化を抑制することができる。

また、第１透明電極層２０ａと第２透明電極層２０ｂとは連続的に形成することが好適である。

また、第２透明電極層２０ｂの膜厚は、第１透明電極層２０ａの膜厚より薄くすることが好ましい。これにより、第２透明電極層２０ｂのテクスチャ形状は、第１透明電極層２０ａのテクスチャ形状を反映したものとなり、第１透明電極層２０ａと第２透明電極層２０ｂとの界面や第２透明電極層２０ｂと充填層２２との界面において光を効果的に散乱させ、光閉じ込め効果を高めることができる。

また、第１透明電極層２０ａの導電率は、第２透明電極層２０ｂの導電率より高くすることが好適である。これにより、第２透明電極層２０ｂの膜厚を第１透明電極層２０ａの膜厚より薄くした場合でも、裏面透明電極層２０として必要な導電性を確保することができる。

また、第２透明電極層２０ｂの屈折率は、第１透明電極層２０ａの屈折率より小さくすることが好適である。特に、第２光電変換ユニット１８を透過してくる光の波長は主に７００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下であるので、この波長範囲において第２透明電極層２０ｂの屈折率が第１透明電極層２０ａの屈折率より小さくなるようにすることが好適である。例えば、第２透明電極層２０ｂに第１透明電極層２０ａより多くのマグネシウム（Ｍｇ）を添加することによって、第２透明電極層２０ｂの屈折率を第１透明電極層２０ａの屈折率より小さくすることができる。これにより、第２光電変換ユニット１８側から透過してくる光を第１透明電極層２０ａと第２透明電極層２０ｂとの界面において効果的に反射させることができ、光閉じ込め効果を高めることができる。

複数の光電変換セルを直列に接続する構造とする場合、裏面透明電極層２０は、第２のスリットに埋め込まれ、第２のスリット内で裏面透明電極層２０と透明電極層１２とが電気的に接続される。さらに、裏面透明電極層２０に第３のスリットを形成して短冊状にパターニングする。第３のスリットは、裏面透明電極層２０，第２光電変換ユニット１８，中間層１６，第１光電変換ユニット１４を貫いて透明電極層１２に到達するように形成する。第３のスリットは、第１のスリットとの間に第２のスリットを挟む位置に形成する。第３のスリットは、レーザ加工により形成することができる。例えば、第２のスリットの位置から５０μｍ横の位置にＹＡＧレーザを照射して第３のスリットを形成する。ＹＡＧレーザは、エネルギー密度０．７Ｊ／ｃｍ²、パルス周波数４ｋＨｚのものを用いることが好適である。第３のスリットの線幅は、１０μｍ以上２００μｍ以下とすることが好適である。さらに、レーザ加工により光起電力装置１００の周辺に周辺領域と発電領域とを分離する溝を形成する。

充填層２２は、光起電力装置１００の裏面側を封止材２４により封止するために使用される。充填層２２は、エチレン・ビニル・アセテート（ＥＶＡ）やポリ・ビニル・ブチラート（ＰＶＢ）等の樹脂を主成分とし、それに反射性の粒子を含有させたものとする。封止材２４は、ガラス基板やプラスチックシート等の機械的及び化学的に安定な材料とすることが好ましい。充填層２２を塗布した裏面透明電極層２０上を封止材２４で覆い、１５０℃程度の温度に加熱しつつ裏面透明電極層２０へ向かって封止材２４に約１００ｋＰａの圧力を加えることによって封止を行うことができる。これによって、光起電力装置１００の発電層への水分等の浸入を抑制することができる。

充填層２２は、太陽電池１００の裏面側を封止材２４により封止するために使用される。充填層２２は、図２の模式図に示すように、エチレン・ビニル・アセテート（ＥＶＡ）やポリ・ビニル・ブチラート（ＰＶＢ）等の樹脂２２ａを主成分とし、それに反射性の粒子２２ｂを含有させたものとする。封止材２４は、ガラス基板やプラスチックシート等の機械的及び化学的に安定な材料とすることが好ましい。充填層２２を塗布した第２透明電極層２０ｂ上を封止材２４で覆い、１５０℃程度の温度に加熱しつつ第２透明電極層２０ｂへ向かって封止材２４に約１００ｋＰａの圧力を加えることによって封止を行うことができる。これによって、太陽電池１００の発電層への水分等の浸入を抑制することができる。

粒子２２ｂは、光を反射する材料を含んで構成され、特に第１光電変換ユニット１４及び第２光電変換ユニット１８を透過し得る波長の光を反射する材料を含んで構成されることが好適である。例えば、粒子２２ｂは、酸化チタン、酸化ケイ素等の反射性の材料から構成することが好適である。

本実施の形態では、図２の拡大断面図に示すように、充填層２２に含まれる粒子２２ｂの形状が第２透明電極層２０ｂの受光面側に反映される。すなわち、封止材２４により太陽電池１００の裏面を封止する際に、充填層２２に含まれる粒子２２ｂによって第２透明電極層２０ｂが型押しされ、充填層２２の表面の粒子２２ｂの凹凸形状が第２透明電極層２０ｂの受光面側に反映される。

粒子２２ｂの径は、第２透明電極層２０ｂの受光面側の凹凸が反射させたい光の波長と同程度の大きさになるように設定することが好ましい。シリコンを光電変換領域に利用した太陽電池１００では、粒子２２ｂの径は２００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下であることが好適である。特に、ａ−Ｓｉユニットである第１光電変換ユニット１４とμｃ−Ｓｉユニットである第２光電変換ユニット１８とのタンデム型の太陽電池１００やμｃ−Ｓｉユニットのみのシングル型の太陽電池では、第２光電変換ユニット２６を透過してくる光の波長は主に７００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下であるので、粒子２２ｂの径は７００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下とすることが好適である。また、ａ−Ｓｉユニットのみのシングル型の太陽電池の場合、粒子２２ｂの径は５００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることが好適である。

ここで、粒子２２ｂの径とは、粒子２２ｂの粒径の平均値であり、例えば、断面電子顕微鏡観察（ＳＥＭ）、断面透過電子顕微鏡観察（ＴＥＭ）において観察される粒子２２ｂの粒径の平均値を平均粒径として求めることができる。すなわち、粒子２２ｂの平均粒径は、２００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下であることが好適であり、μｃ−Ｓｉユニットを含む場合には７００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下が特に好適であり、ａ−Ｓｉユニットのみのシングル型の太陽電池の場合には５００ｎｍ以上１０００ｎｍが特に好適である。

第２透明電極層２０ｂの膜厚は、粒子２２ｂによる凹凸が受光面側に反映される程度に薄くする。例えば、第２透明電極層２０ｂの膜厚は、５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることが好適である。第２透明電極層２０ｂの膜厚が１００ｎｍよりも厚い場合には、充填層２２に含まれる粒子２２ｂによって第２透明電極層２０ｂが型押しされても、充填層２２の表面の粒子２２ｂの凹凸形状が第２透明電極層２０ｂの受光面側に反映されなくなる。また、第２透明電極層２０ｂの膜厚が５０ｎｍよりも薄い場合には、充填層２２に含まれる粒子２２ｂによって第２透明電極層２０ｂが型押しされると、第２透明電極層２０ｂが破断される部分が生じ易くなり、第２透明電極層２０ｂの受光面側の形状を充填層２２の表面の粒子２２ｂの凹凸形状に沿ったものに形成できなくなる。

このような構成とすることで、第２透明電極層２０ｂへ到達した光は、第２透明電極層２０ｂの表面の凹凸によって散乱反射されて再び第２光電変換ユニット１８及び第１光電変換ユニット１４へ入射する。すなわち、第２透明電極層２０ｂの表面の凹凸形状によって、反射される光の量とその光路長を高めることができ、太陽電池１００の短絡電流密度Ｉｓｃを向上させることができる。例えば、短絡電流Ｉｓｃは、粒子２２ｂを含まない構成に比べて１．０３倍程度になり、３％程度増加させることができることを確認した。また発電効率ηは、粒子２２ｂを含まない構成に比べて１．０５倍程度になり、５％程度増加させることができることを確認した。

第１透明電極層２０ａと充填層２２との間に、第１透明電極層２０ａより吸湿性の低い層である第２透明電極層２０ｂを設けたことで、充填層２２を浸潤してくる水分が第１透明電極層２０ａに到達し難くなり、第１透明電極層２０ａの吸湿による特性の劣化を抑制することができる。

なお、本発明の適用範囲はこれらの光起電力装置に限定されるものではなく、シリコン以外の半導体を用いた光起電力装置、単結晶型光起電力装置、色素増感光起電力装置等にも同様に適用することができる。

１０基板、１２透明電極層、１４第１光電変換ユニット（ａ−Ｓｉユニット）、１６中間層、１８第２光電変換ユニット（μｃ−Ｓｉユニット）、２０裏面透明電極層、２０ａ第１透明電極層、２０ｂ第２透明電極層、２２充填層、２４封止材、１００光起電力装置。

Claims

光電変換ユニットと、
前記光電変換ユニットの光入射側と反対側の面上に形成された第１透明電極層と、
前記第１透明電極層上に形成され、前記第１透明電極層より透湿性が低い第２透明電極層と、
前記第２透明電極層上に接して形成された光散乱粒子を含む充填層と、
を備えることを特徴とする光起電力装置。
請求項１に記載の光起電力装置であって、
前記第２透明電極層の膜厚は、前記第１透明電極層の膜厚より薄いことを特徴とする光起電力装置。
請求項１又は２に記載の光起電力装置であって、
前記第２透明電極層の屈折率は、前記第１透明電極層の屈折率より小さいことを特徴とする光起電力装置。
請求項１〜３に記載の光起電力装置であって、
前記第２透明電極層の受光面側は、前記充填層の受光面側の表面の、前記充填層に含まれる前記光散乱粒子による凹凸形状に沿った凹凸形状を有することを特徴とする光起電力装置。