JP2013508999A - 分極抵抗型太陽電池 - Google Patents
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Abstract
分極抵抗型太陽電池を提供する。太陽電池(200)は、電池の表面に配置された二重層誘電体スタックを使用する。誘電体スタックは、電池表面に直接配置され、SiOxまたはSiONのいずれかから構成されるパッシベーション層(209)、およびSiCNから構成される外部ARコーティング(211)からなる。
Description
優先権の主張
本願は、2009年12月24日に出願された米国特許出願第12/647,201号、および2009年10月27日に出願された米国特許仮出願第61/279,842号の恩典を主張し、これらの開示は参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。
本願は、2009年12月24日に出願された米国特許出願第12/647,201号、および2009年10月27日に出願された米国特許仮出願第61/279,842号の恩典を主張し、これらの開示は参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。
技術分野
本発明は、概して、太陽電池に関し、特に、分極抵抗型(polarization resistant)太陽電池設計に関する。
本発明は、概して、太陽電池に関し、特に、分極抵抗型(polarization resistant)太陽電池設計に関する。
背景
太陽電池と一般的に称される光起電力セルは、光子を電気エネルギーに変換する周知の半導体素子である。図1は、シリコンから構成されることの多い第1の導電型の基板101と、該基板上に形成されて、界面においてpn接合を形成している第2の導電型の層103とを含む、従来の太陽電池100の断面図を示す。太陽電池100はまた、基板101の少なくとも一部と接触している裏面電極105、および層103の少なくとも一部と接触している表面電極107も含む。太陽電池100に光が当たると、電子正孔対が作られ、太陽電池により電気エネルギーに変換される。
太陽電池と一般的に称される光起電力セルは、光子を電気エネルギーに変換する周知の半導体素子である。図1は、シリコンから構成されることの多い第1の導電型の基板101と、該基板上に形成されて、界面においてpn接合を形成している第2の導電型の層103とを含む、従来の太陽電池100の断面図を示す。太陽電池100はまた、基板101の少なくとも一部と接触している裏面電極105、および層103の少なくとも一部と接触している表面電極107も含む。太陽電池100に光が当たると、電子正孔対が作られ、太陽電池により電気エネルギーに変換される。
従来の太陽電池の性能を向上させるために、典型的に、誘導体層109が太陽電池の表面上に積層される。誘導体層109は、二重の目的を果たす。第一に、反射防止(AR)コーティングとして作用して、電池100に入る入射光のパーセンテージを高め、変換効率の改善をもたらす。第二に、層103の表面上にパッシベーション層を形成する。一部の太陽電池では、誘導体層109は、一対の層(すなわち内部パッシベーション層および外部AR層)から構成される。
エネルギーコストの上昇、および従来のエネルギー源に関連する環境に関する関心の高まりの両方により、太陽電池は幅広い用途において一般的になりつつある。太陽エネルギーへの転換は、太陽電池の性能の漸進的な改善、および電池コストの一定の低下によって促進されてきた。典型的な用途、例えば、住宅もしくは商業施設の屋上、またはソーラーファームにおいて使用される太陽アレイにおいては、多数の太陽パネルが互いと電気接続され、それぞれの太陽パネルが大型の太陽電池アレイを構成する。
太陽パネル、または太陽パネルのアレイが作動される際には、パネルフレームまたは外部接地と、個々のデバイスの1つ以上の端子との間に100Vを上回る高電圧が存在し得る。その結果、誘導体層または電池の加工に使用される層(例えば、図1のパッシベーション層およびAR層109)に電荷を生じ得る電場が生成される。時間経過と共に、単数または複数の誘導体層への電荷の蓄積は表面分極を生じ、これは、電池のpn接合において電場を誘起する。その結果、シャント抵抗およびpn接合特性が有意に低下し、電池変換効率の大幅な低下、および潜在的に電池出力の完全な停止をもたらす。 従って、表面分極に抵抗するが、加工プロセス、全体的な電池製造コスト、または電池の性能に有意に影響を及ぼさない太陽電池設計が必要とされている。本発明はそのような設計を提供する。
概要
本発明は、電池の表面上に配置された二重層誘電体スタックを使用する、分極効果に抵抗する太陽電池を提供する。誘電体スタックは、電池表面に直接配置され、SiOxまたはSiONのいずれかから構成されたパッシベーション層、およびSiCNから構成される外部ARコーティングからなる。本発明の性質および利点をさらに理解することは、本明細書の残りの部分および図面を参照することにより実現され得る。
本発明は、電池の表面上に配置された二重層誘電体スタックを使用する、分極効果に抵抗する太陽電池を提供する。誘電体スタックは、電池表面に直接配置され、SiOxまたはSiONのいずれかから構成されたパッシベーション層、およびSiCNから構成される外部ARコーティングからなる。本発明の性質および利点をさらに理解することは、本明細書の残りの部分および図面を参照することにより実現され得る。
詳細な説明
以下の本発明の詳細な説明においては、本明細書の一部を形成し、本発明が実施され得る特定の態様を例示的に示す添付の図面を参照する。これらの態様は、当業者が本発明を実施するのに十分な程度に詳細に記載されている。他の態様を利用してもよく、構造的、論理的、および電気的な変更が行われ得る。
以下の本発明の詳細な説明においては、本明細書の一部を形成し、本発明が実施され得る特定の態様を例示的に示す添付の図面を参照する。これらの態様は、当業者が本発明を実施するのに十分な程度に詳細に記載されている。他の態様を利用してもよく、構造的、論理的、および電気的な変更が行われ得る。
図2は、本発明の好適な太陽電池デバイス構造200の断面図を示す。シリコン基板201は、p型またはn型のいずれでもあり得る。従来の太陽電池では、第2の導電型のシリコン層203は基板201上に形成されて、電池のpn接合を形成している。例えばアルミニウムから構成される裏面電極205は、基板201の少なくとも一部に、または図示するように基板の裏面全体に接触している。デバイスの表面(より具体的には層203)に接触するために、好ましくは銀から構成される好ましくは複数の表面電極207を、例えば当業者に周知のフィンガー/母線構造を用いてデバイスの表面に適用する。
本発明によれば、二層誘電体スタックを電池200の表面に適用する。誘電体スタックは、層203に直接適用された内部パッシベーション層209、および最外部AR層211から構成される。パッシベーション層209は、酸化シリコン(すなわち、SiOx)、または酸窒化シリコン(すなわち、SiON)のいずれからも加工され得る。ARコーティング層211は非晶質炭窒化シリコン(SiCN)から加工される。本発明者らは、これらの二枚の誘導体層の使用により、モジュールに含まれる太陽電池が典型的に直面する分極効果を、完全に無くすとはまではいかなくても、実質的に低下できることを発見した。
所望レベルの表面パッシベーションを得るために、パッシベーション層209の厚みは、1〜100ナノメートルの範囲、好ましくは1〜50ナノメートルの範囲、より好ましくは2〜30ナノメートルの範囲にある。層209がSiOxではなくSiONから構成される場合、層中の酸素および窒素の量は、層中の酸素の割合(すなわち、酸素と、酸素および窒素の合計との比率(すなわち、O/(O+N)))として定義される。酸素の割合は、好ましくは0.01〜0.99の範囲、より好ましくは0.1〜0.9の範囲、さらにより好ましくは0.4〜0.9の範囲にある。一態様においては、SiON層209内の酸素の割合は、基板201の近位の酸素が豊富な部分から、基板201の遠位の窒素が豊富な部分まで変化して、勾配組成を形成する。酸素が豊富な領域は良好なパッシベーションを提供し、窒素が豊富な領域は良好なAR特性を提供する。
先に記載したようにSiCNから構成されたAR層211は、1〜200ナノメートルの範囲、好ましくは20〜120ナノメートルの範囲、そしてより好ましくは40〜100ナノメートルの範囲の厚みを有する。層209と層211とを合わせた厚みは2〜300ナノメートルの範囲に、屈折率は1.5〜2.4の範囲にある。少なくとも1つの態様では、SiCN層211は水素化されている。
層203を形成し、誘導体層209および211を形成し、接点205および207を適用するために、多種ある技術のいずれもが使用でき、本発明の設計が特定の加工方法論に限定されないことが理解されよう。層209がSiOxから構成される例示的なプロセスにおいては、層209は、熱酸化、化学酸化、またはCVD酸化蒸着(CVD oxide deposition)を使用して形成される。層209がSiONから構成される例示的なプロセスにおいては、層209は、インサイチュー酸窒化シリコン蒸着プロセス(例えば、SiONのCVD蒸着)を使用して積層される。代替的なプロセスにおいては、SiON層は以下のように形成される。まず、好ましくは厚みが4ナノメートルを上回る酸化層を、例えば、熱酸化、化学酸化、またはCVD酸化物蒸着を使用して、シリコン層203の上に積層する。次に、酸化シリコンが所望の厚みおよび組成の酸窒化シリコンに変換するように、窒化層を積層する。一例において、酸化層上の窒化層の変換により、上述したような勾配組成が生成される。あるいはまた、先に成長させた酸化層を窒素環境中で焼きなまして、酸化シリコンを所望の酸窒化シリコンに変換することができる。
太陽電池の一部の例としては以下を含む。
A．第1の導電型のシリコンから構成される基板と、
該基板上に配置された第2の導電型のシリコンの層と、
該シリコンの層の上に配置され、酸化シリコンおよび酸窒化シリコンからなる群より選択される、パッシベーション層と、
該パッシベーション層上に配置され、炭窒化シリコン(SiCN)から構成される反射防止(AR)層と
を含む、太陽電池。
B．前記パッシベーション層が1〜100ナノメートルの厚みを有する、前記例のいずれか一つに記載の太陽電池。
C．前記パッシベーション層が1〜50ナノメートルの厚みを有する、前記例A〜Bのいずれか一つに記載の太陽電池。
D．前記パッシベーション層が2〜30ナノメートルの厚みを有する、前記例A〜Cのいずれか一つに記載の太陽電池。
E．前記AR層が1〜200ナノメートルの厚みを有する、前記例A〜Dのいずれか一つに記載の太陽電池。
F．前記AR層が20〜120ナノメートルの厚みを有する、前記例A〜Eのいずれか一つに記載の太陽電池。
G．前記AR層が40〜100ナノメートルの厚みを有する、前記例A〜Fのいずれか一つに記載の太陽電池。
H．前記パッシベーション層および前記AR層から構成される誘電体スタックが1.5〜2.4の範囲の屈折率を有する、前記例A〜Gのいずれか一つに記載の太陽電池。
I．前記パッシベーション層が前記SiONから構成され、該SiON層内の酸素および窒素の合計に対する該SiON層内の酸素の比率が0.01〜0.99の範囲内にある、前記例A〜Hのいずれか一つに記載の太陽電池。
J．前記パッシベーション層が前記SiONから構成され、該SiON層内の酸素および窒素の合計に対する該SiON層内の酸素の比率が0.1〜0.9の範囲にある、前記例A〜Iのいずれか一つに記載の太陽電池。
K．前記パッシベーション層が前記SiONから構成され、該SiON層内の酸素および窒素の合計に対する該SiON層内の酸素の比率が0.4〜0.9の範囲にある、前記例A〜Jのいずれか一つに記載の太陽電池。
L．前記AR層が水素化されている、前記例A〜Kのいずれか一つに記載の太陽電池。
M．前記基板の裏面に形成された第1の金属電極、および前記の第2の導電型の前記シリコン層と接触した第2の金属電極をさらに含む、前記例A〜Lのいずれか一つに記載の太陽電池。
A．第1の導電型のシリコンから構成される基板と、
該基板上に配置された第2の導電型のシリコンの層と、
該シリコンの層の上に配置され、酸化シリコンおよび酸窒化シリコンからなる群より選択される、パッシベーション層と、
該パッシベーション層上に配置され、炭窒化シリコン(SiCN)から構成される反射防止(AR)層と
を含む、太陽電池。
B．前記パッシベーション層が1〜100ナノメートルの厚みを有する、前記例のいずれか一つに記載の太陽電池。
C．前記パッシベーション層が1〜50ナノメートルの厚みを有する、前記例A〜Bのいずれか一つに記載の太陽電池。
D．前記パッシベーション層が2〜30ナノメートルの厚みを有する、前記例A〜Cのいずれか一つに記載の太陽電池。
E．前記AR層が1〜200ナノメートルの厚みを有する、前記例A〜Dのいずれか一つに記載の太陽電池。
F．前記AR層が20〜120ナノメートルの厚みを有する、前記例A〜Eのいずれか一つに記載の太陽電池。
G．前記AR層が40〜100ナノメートルの厚みを有する、前記例A〜Fのいずれか一つに記載の太陽電池。
H．前記パッシベーション層および前記AR層から構成される誘電体スタックが1.5〜2.4の範囲の屈折率を有する、前記例A〜Gのいずれか一つに記載の太陽電池。
I．前記パッシベーション層が前記SiONから構成され、該SiON層内の酸素および窒素の合計に対する該SiON層内の酸素の比率が0.01〜0.99の範囲内にある、前記例A〜Hのいずれか一つに記載の太陽電池。
J．前記パッシベーション層が前記SiONから構成され、該SiON層内の酸素および窒素の合計に対する該SiON層内の酸素の比率が0.1〜0.9の範囲にある、前記例A〜Iのいずれか一つに記載の太陽電池。
K．前記パッシベーション層が前記SiONから構成され、該SiON層内の酸素および窒素の合計に対する該SiON層内の酸素の比率が0.4〜0.9の範囲にある、前記例A〜Jのいずれか一つに記載の太陽電池。
L．前記AR層が水素化されている、前記例A〜Kのいずれか一つに記載の太陽電池。
M．前記基板の裏面に形成された第1の金属電極、および前記の第2の導電型の前記シリコン層と接触した第2の金属電極をさらに含む、前記例A〜Lのいずれか一つに記載の太陽電池。
複数の図面において同一の構成要素符号は、同じ構造、または同等の機能性の構造を指すことを理解されたい。さらに、添付の図面は、本発明の範囲を限定するものではなく、例示することを意図しただけのものであり、正確な縮尺と考えられるべきではない。
本発明のいくつかの態様を記載しているが、上記リストは網羅することを意図したものではない。本明細書において特定の態様を例示および記載してきたが、当業者には、同じ目的を達成するために計算されたあらゆるアレンジメントが、記載した特定の態様に置き換わり得ることが理解されよう。本願は、本発明のあらゆる適応または変更にまで及ぶことが意図される。上記記載は、限定的なものではなく例示的なものであることを意図することが理解されよう。上記態様、および他の態様の組み合わせは、上記記載を検討することにより当業者には明らかであろう。
Claims (13)
- 第1の導電型のシリコンから構成される基板と、
該基板上に配置された第2の導電型のシリコンの層と、
該シリコンの層の上に配置され、酸化シリコンおよび酸窒化シリコンからなる群より選択される、パッシベーション層と、
該パッシベーション層上に配置され、炭窒化シリコン(SiCN)から構成される反射防止(AR)層と
を含む、太陽電池。 - 前記パッシベーション層が1〜100ナノメートルの厚みを有する、前記請求項のいずれか一項記載の太陽電池。
- 前記パッシベーション層が1〜50ナノメートルの厚みを有する、前記請求項のいずれか一項記載の太陽電池。
- 前記パッシベーション層が2〜30ナノメートルの厚みを有する、前記請求項のいずれか一項記載の太陽電池。
- 前記AR層が1〜200ナノメートルの厚みを有する、前記請求項のいずれか一項記載の太陽電池。
- 前記AR層が20〜120ナノメートルの厚みを有する、前記請求項のいずれか一項記載の太陽電池。
- 前記AR層が40〜100ナノメートルの厚みを有する、前記請求項のいずれか一項記載の太陽電池。
- 前記パッシベーション層および前記AR層から構成される誘電体スタックが1.5〜2.4の範囲の屈折率を有する、前記請求項のいずれか一項記載の太陽電池。
- 前記パッシベーション層が前記SiONから構成され、該SiON層内の酸素および窒素の合計に対する該SiON層内の酸素の比率が0.01〜0.99の範囲内にある、前記請求項のいずれか一項記載の太陽電池。
- 前記パッシベーション層が前記SiONから構成され、該SiON層内の酸素および窒素の合計に対する該SiON層内の酸素の比率が0.1〜0.9の範囲にある、前記請求項のいずれか一項記載の太陽電池。
- 前記パッシベーション層が前記SiONから構成され、該SiON層内の酸素および窒素の合計に対する該SiON層内の酸素の比率が0.4〜0.9の範囲にある、前記請求項のいずれか一項記載の太陽電池。
- 前記AR層が水素化されている、前記請求項のいずれか一項記載の太陽電池。
- 前記基板の裏面に形成された第1の金属電極、および前記の第2の導電型の前記シリコン層と接触した第2の金属電極をさらに含む、前記請求項のいずれか一項記載の太陽電池。
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