JP2015207707A - Solar battery and solar battery module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、太陽電池および太陽電池モジュールに係り、特に太陽電池素子の受光面とは反対側の面に透光性導電層を有する太陽電池および太陽電池モジュールに関する。 The present invention relates to a solar cell and a solar cell module, and more particularly to a solar cell and a solar cell module having a translucent conductive layer on a surface opposite to a light receiving surface of a solar cell element.
近年、環境問題に対する意識の高まりから、太陽光を直接電気エネルギーに変換することのできる太陽電池はクリーンエネルギーとして急速に普及している。一般的に、太陽電池セルは、半導体層からなる光電変換層の両側に電極を配置し、半導体層で発生したキャリアを外部に取り出す。光電変換層の光吸収係数が低い場合には光入射側と反対側で、光電変換層で吸収しきれずに通過した光を反射し、再度光電変換層へと導き入射光の利用効率を高めている。特に薄膜系の太陽電池ではキャリアの取り出しと裏面反射を兼ねて、裏面側に導電性と反射率に優れた金属層による裏面電極が用いられる。また、金属面による反射では一部の光が金属に浸透し吸収されるため、金属の光電変換層への拡散を防ぐとともに光電変換層を透過した光の一部を反射するために、光電変換層と金属層との間に透明導電層を挿入することも一般に行われている。 In recent years, solar cells capable of directly converting sunlight into electric energy have been rapidly spread as clean energy due to an increase in awareness of environmental problems. Generally, a solar cell arrange | positions an electrode on the both sides of the photoelectric converting layer which consists of a semiconductor layer, and takes out the carrier generate | occur | produced in the semiconductor layer outside. When the light absorption coefficient of the photoelectric conversion layer is low, on the side opposite to the light incident side, the light that has passed without being absorbed by the photoelectric conversion layer is reflected, led again to the photoelectric conversion layer, and the incident light utilization efficiency is increased. Yes. In particular, in a thin film solar cell, a back electrode made of a metal layer having excellent conductivity and reflectivity is used on the back surface side for both carrier extraction and back surface reflection. In addition, in the reflection by the metal surface, part of the light penetrates and is absorbed by the metal, so that the diffusion of the metal into the photoelectric conversion layer is prevented and the photoelectric conversion is performed to reflect a part of the light transmitted through the photoelectric conversion layer. In general, a transparent conductive layer is inserted between the layer and the metal layer.
一方で、薄膜太陽電池では、光散乱を意図したテクスチャー構造を形成することにより粗面化された界面により裏面電極の金属層での光吸収が増加することが知られている。ところが、テクスチャー構造を用いない薄膜太陽電池は光散乱が弱く、短絡電流が低下する。したがって、透明導電層と金属層で構成された裏面電極での光反射の更なる増強は困難であって、光電変換効率を高めることが困難であった。 On the other hand, in a thin film solar cell, it is known that light absorption in the metal layer of the back electrode increases due to the roughened interface by forming a texture structure intended for light scattering. However, a thin film solar cell that does not use a texture structure is weak in light scattering and has a short circuit current. Accordingly, it is difficult to further enhance the light reflection at the back electrode composed of the transparent conductive layer and the metal layer, and it is difficult to increase the photoelectric conversion efficiency.
特許文献1には、薄膜シリコン(Si)太陽電池の効率を向上させる構造として、裏面電極と、裏面電極の受光面側に設けられた透明導電層との間に、透明導電層よりも屈折率が小さい材質からなる屈折率調整層を挿入する構造が開示されている。例えば透明導電層がGZO(ガリウム添加酸化亜鉛)であるとき、Ag(銀)よりなる裏面電極との間にSiO2(酸化シリコン膜)を挿入する。その結果、裏面電極に浸透し吸収される光が減少し、裏面電極における光の反射率が改善される。
In
特許文献2には、裏面側の透明導電層と裏面金属電極層との間に半導体材料からなり透明導電層よりも屈折率の高い導電層を挿入する太陽電池が示されている。これにより、光電変換層と裏面電極との間の電気抵抗を低く保つとともに、光電変換層を通過する長波長域の光の裏面反射率を向上し、光電変換効率を高めている。
また、特許文献3には裏面電極を透明導電層のみで形成して、その上に透光性絶縁膜を形成し、さらにその上に裏面反射膜を積層した太陽電池が開示されている。この構造により、金属反射膜を平面で利用できるため、金属粗面界面による吸収増加を抑制することができ、モジュール作製時のセル分離工程における金属電極の加工不良による絶縁不良を減らすことができる。また、裏面反射膜に金属を使用せずに白色バックシート等の高反射絶縁材料を用いることで、太陽電池モジュールの原料コストを低減することもできる。
特許文献1、特許文献2はいずれも光電変換層の裏面側の透明導電層と裏面電極との間に透明導電層と屈折率の異なる膜を挿入した構造である。しかしながら、このような構造では半導体層と透明導電層および透明導電層と低(高)屈折率層界面における反射が小さいため、裏面反射率は向上してもほとんどの入射光が裏面電極で反射される。このため、裏面電極による吸収低減効果は十分ではなかった。また、透明導電膜と裏面電極との間に電気導電性の劣る低屈折率膜が挿入される構造では、光電変換層と裏面電極との間の電気抵抗が高くなりやすいという問題もあった。
特許文献3では、金属電極を用いないため、金属電極による吸収は低減されるが、透明導電層のみで裏面電極を形成する構造であるため電気抵抗を下げるために透明導電層を十分に厚く形成する必要があり、半導体層を通過した光が透明電極層を通過する際の吸収が大きくなり、金属電極を使用したものと同等以上の裏面反射効果を得るのは困難であった。
In
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光電変換層と裏面電極との間の電気抵抗を低く保つとともに、光電変換層を通過した光を裏面電極による吸収損失を低減しつつ光電変換層へと反射し、光電変換効率の高い太陽電池および太陽電池モジュールを得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and keeps the electrical resistance between the photoelectric conversion layer and the back electrode low, while reducing the absorption loss of the light passing through the photoelectric conversion layer by the back electrode. The object is to obtain a solar cell and a solar cell module that reflect to the conversion layer and have high photoelectric conversion efficiency.
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明は、受光面側に配される第1の電極と、受光面の反対側に配される第2の電極とによって半導体層からなる光電変換層を挟んだ太陽電池であって、第2の電極と、光電変換層との間に、透光性導電性材料からなる透光性導電層と、半導体材料もしくは透光性の導電材料からなり、透光性導電層よりも屈折率の高い高屈折率導電層とが交互に3層以上積層された多層膜を有する。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the present invention provides a photoelectric layer composed of a semiconductor layer including a first electrode disposed on the light receiving surface side and a second electrode disposed on the opposite side of the light receiving surface. A solar cell having a conversion layer sandwiched between a second electrode and a photoelectric conversion layer, a light-transmitting conductive layer made of a light-transmitting conductive material, and a semiconductor material or a light-transmitting conductive material And a multilayer film in which three or more high refractive index conductive layers having a higher refractive index than that of the translucent conductive layer are alternately stacked.
本発明によれば、透光性導電層と高屈折率導電層との屈折率の異なる材料からなる多層膜で裏面反射層を形成することになるため、膜厚を調整し光学干渉効果を利用することで入射光が光電変換層を透過しやすい近赤外領域において選択的に高い反射率を得ることができる。このため、光電変換層を透過した光が、裏面電極である第2の電極へと到達する前に光電変換層へと反射する光を増加させ、第2の電極による吸収を低減しつつ裏面反射率を高めることができる。また、透光性導電層と高屈折率導電層が導電性を有しているため、光電変換層と裏面電極との抵抗を低く保つことができる。これにより、光電変換効率の高い太陽電池を実現することができるという効果を奏する。 According to the present invention, the back reflective layer is formed of a multilayer film made of materials having different refractive indexes between the translucent conductive layer and the high refractive index conductive layer, so the optical interference effect is utilized by adjusting the film thickness. By doing so, it is possible to selectively obtain a high reflectance in the near-infrared region where incident light is easily transmitted through the photoelectric conversion layer. For this reason, the light transmitted through the photoelectric conversion layer increases the amount of light reflected to the photoelectric conversion layer before reaching the second electrode, which is the back electrode, and the back surface reflection while reducing absorption by the second electrode. The rate can be increased. Moreover, since the translucent conductive layer and the high refractive index conductive layer have conductivity, the resistance between the photoelectric conversion layer and the back electrode can be kept low. Thereby, there exists an effect that a solar cell with high photoelectric conversion efficiency is realizable.
以下に、本発明にかかる太陽電池および太陽電池モジュールの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため各層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率あるいは各部材の縮尺が現実と異なる場合があり、各図面間においても同様である。また、平面図であっても、図面を見易くするためにハッチングを付す場合がある。かかる太陽電池セルが光電変換素子の最小単位であり、該セルが1個または複数個集まって光電変換素子が構成される。本発明の光電変換素子は、光電変換セル1個であってもよいし、該セルを複数個電気的に直列または並列に結線してなるモジュールであってもよい。 Embodiments of a solar cell and a solar cell module according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by this embodiment, In the range which does not deviate from the summary, it can change suitably. In the drawings shown below, the relationship between the thickness and width of each layer, the ratio of the thickness of each layer, or the scale of each member may be different from the actual for easy understanding, and the same applies to the drawings. Further, even a plan view may be hatched to make the drawing easy to see. Such a solar battery cell is the minimum unit of the photoelectric conversion element, and one or a plurality of the cells are collected to constitute a photoelectric conversion element. The photoelectric conversion element of the present invention may be a single photoelectric conversion cell or a module in which a plurality of such cells are electrically connected in series or in parallel.
実施の形態1.
実施の形態1による太陽電池について、図1を基に説明する。本実施の形態による薄膜太陽電池は、太陽光Lが入射する受光面10A側から透光性基板1、第1の電極としての受光面電極層2、光電変換層3、透光性導電層41a,41b,41cと高屈折率導電層42a,42bが交互に積層された多層膜からなる裏面反射層4、第2の電極としての裏面金属電極層5がこの順に積層された構成となっている。つまり裏面10B側には裏面金属電極層5が形成されている。
The solar cell according to
次に、本実施の形態1の太陽電池を構成する各部材について説明する。透光性基板1は透明度が高い絶縁性の材料からなり、その上に各薄膜を堆積することが可能であれば特に制限はなく、対候性および機械的強度の点で、ガラスやポリカーボネート等の樹脂などからなる基板が好適に用いられる。
Next, each member which comprises the solar cell of this
受光面電極層2は、酸化亜鉛(ZnO)、酸化錫(SnO2)、酸化インジウム(In2O3)のうちの少なくとも1種を含む透光性導電性酸化物(TCO:Transparent Conducting Oxide)によって構成される。さらにこれらの材料に導電性のドーピング材料を添加してもよい。例えば、ZnOにはアルミニウム(Al)やガリウム(Ga)、ホウ素(B)など、SnO2にはフッ素(F)など、In2O3には亜鉛(Zn)や錫(Sn)、チタン(Ti)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、シリコン(Si)、セリウム(Ce)などが挙げられる。また、受光面電極層2は、表面に凹凸が形成された表面テクスチャー構造を有してもよい。この表面テクスチャー構造は、入射した太陽光を散乱させ、光電変換層3での光利用効率を高める機能を有する。このような受光面電極層2は、スパッタリング法、電子ビーム堆積法、原子層堆積法、常圧化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法、低圧CVD法、有機金属化学気相蒸着法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、ゾルゲル法、印刷法、スプレー法等の種々の方法により作製することができる。
The light-receiving
光電変換層3は、pn接合またはpin接合を有し、入射する光により発電を行う薄膜半導体層が1層以上積層されて構成される。光電変換層3がSi系薄膜からなる場合には、光電変換層3として非晶質Si薄膜や微結晶Si薄膜等が用いられる。非晶質Si薄膜は、通常水素で未結合手が終端された水素化非晶質Siと呼ばれ、微結晶Siは部分的に非晶質Siを含んだ微細な結晶質Siを含んだ薄膜である。そのほか、CIS(銅インジウムセレン:Cu−In−Se)やCIGS(銅インジウムガリウムセレン:Cu−In−Ga−Se)、GaAs(ガリウムヒ素)、CdTe(カドミウムテルル)等の化合物系材料、有機系材料などが用いられる。複数の薄膜半導体層を積層して光電変換層3を構成する場合には、バンドギャップの異なる複数の薄膜半導体層を積層することで、より幅広い光スペクトルを高効率に光電変換可能な構成とすることができる。なお、複数の薄膜半導体層が積層されて光電変換層3が構成される場合には、異なる薄膜半導体層間にSnO2、ZnO、ITO、SiO2、酸化チタン(TiO2)などのTCOなどの中間層を挿入して、異なる薄膜半導体層間の電気的、光学的接続を改善してもよい。
The
透光性導電層41a,41b,41cは、ZnO,SnO2、In2O3のうちの少なくとも1種を含むTCOによって構成される。また、これらの材料にAl、Ga、B等から選択した少なくとも1種類以上のドーピング材料を添加してもよい。また、導電性を損なわない範囲で酸化マグネシウム(MgO)等の低屈折材料との混晶材料を用いてもよい。透光性導電層41a,41b,41cは、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、原子層堆積法、CVD法、低圧CVD法、MOCVD法、ゾルゲル法、印刷法、塗布法等により形成される。
The translucent
高屈折率導電層42a,42bは、透光性導電層41a,41b,41cと交互に複数積層され裏面反射層4を形成する層であり、光学干渉効果を利用して近赤外領域の光を選択的に反射し、光電変換層3へと反射するとともに、透光性導電層41a,41b,41c間を電気的に接続する。高屈折率導電層42a,42bは屈折率が透光性導電層41a,41b,41cよりも高く、導電性と近赤外領域における透光性を有する膜であればよく、TiO2、酸化ジルコニウム(ZrO)等のTCOや、Si等の半導体薄膜から構成することができる。また、これらのTCOにニオブ(Nb)、鉄(Fe)等から選択した少なくとも1種類以上のドーピング材料を添加してもよい。また、Si系半導体薄膜には、p,i,またはn型のSi半導体または炭素、ゲルマニウム、酸素またはその他の元素の少なくとも1つが添加されたSiを主成分とするSi系半導体薄膜が用いられる。このSi系半導体薄膜は、非晶質や微結晶といった特定の結晶性に限定されるものではない。
The high-refractive-index
裏面反射層4は各層の膜厚が反射したい指定波長λの1/4の光路長を有するように形成されることが好ましい。異なる屈折率の膜の境界では反射が生じ、各層の光学膜厚(屈折率×膜厚)がλ/4となっているとき、各層で反射された光の位相が揃って強めあい、反対に透過方向へ進む光は打ち消しあうため、波長λ周辺において高い反射率が得られる。例えば、光電変換層3に微結晶Siを用いたとき、吸収係数は800nm以上で低下するため、入射光が光電変換層3を透過するようになり、一方で、1200nm以上の光は光電変換に寄与しない。このため、指定波長λは800nm〜1200nmの間で設定される。指定波長λを透光性導電層41a,41b,41cと高屈折率導電層42a,42bで若干変えるか、多層膜の層ごとにλをわずかにずらしていくことで反射域を広げてもよい。
The back
また、透光性導電層41a,41b,41cの950nmにおける屈折率はいずれの材料でも1.7〜2.0程度である。仮に透光性導電層より低屈折率の材料で多層膜を形成するとしたとき、境界で反射効果を得るために少なくとも屈折率1.4以下の材料が必要であるが、このような材料は導電性の著しく低いものが多く、かつ低屈折率材料では光学膜厚をλ/4とするために膜厚を比較的厚く形成する必要があり、光電変換層と裏面電極間の電気的な接続が悪化し、太陽電池セルの直列抵抗が増加する恐れがある。一方で、高屈折率の材料は透光性の導電性材料では屈折率2.5程度を有するTiO2やZrO等や、Si系半導体薄膜では屈折率3〜4.5の膜を容易に形成することができる。これらの膜は導電性を有しており、かつ屈折率が高いほど光路長λを得るために必要な膜厚は薄くなるため、接続抵抗を低く保つことができる。
Moreover, the refractive index in 950 nm of the translucent
裏面金属電極層5は反射性および導電性を有する、Ag、Al、金(Au)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、ロジウム(Rh)、白金(Pt)、パラジウム(Pr)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)等から選択した少なくとも1種類以上の元素または合金からなる層により構成される。反射率を高めるには、Agを主成分とする金属からなることが最も好ましい。なお、これらの裏面金属電極層5の高反射率および導電性材料としての具体的材料は特に限定されるものではなく、周知の材料から適宜選択して用いてもよい。 The back surface metal electrode layer 5 has reflectivity and conductivity. Ag, Al, gold (Au), copper (Cu), nickel (Ni), rhodium (Rh), platinum (Pt), palladium (Pr), titanium ( The layer is composed of at least one element or alloy selected from Ti), chromium (Cr), molybdenum (Mo), and the like. In order to increase the reflectance, it is most preferable to be made of a metal mainly composed of Ag. In addition, the specific material as the high reflectance and conductive material of these back surface metal electrode layers 5 is not particularly limited, and may be appropriately selected from known materials.
図2は、実施の形態1の太陽電池モジュールの全体構成の典型的な構造を示す斜視図である。図3は図2の太陽電池モジュール100における太陽電池セル10の分離溝付近の拡大図である。図2に示した太陽電池モジュール100は複数の太陽電池セル10に分割され、それらの太陽電池セル10が絶縁性の透光性基板1の上で直列接続された構造である。図2に示すようにこの太陽電池セル10は概ね短冊のような細長い矩形状である。その短辺方向に多数の太陽電池セル10(光電変換素子)が配列される。図2では絶縁性の透光性基板1の辺に沿った方向に配列されている場合を示している。受光面電極層2は第1溝71を形成することで分割されて隣接する太陽電池セル10間で分離される。第1溝71は受光面電極層2の表面から透光性基板1に達する溝である。このように分離された受光面電極層2の上に光電変換層3が積層される。光電変換層3には、第1溝71と少し離れた位置に光電変換層3の上面から受光面電極層2に達する第2溝72が形成されている。光電変換層3の上には、第2の電極としての裏面金属電極層5が形成され、裏面金属電極層5は第2溝72の内部で受光面電極層2に接する。これにより、隣接する一方の太陽電池セル10の裏面金属電極層5は他方の受光面電極層2に直列接続される。また、第2溝72に対して第1溝71と反対側には、裏面金属電極層5を隣接する太陽電池セル10間で分離する第3溝73が形成される。光電変換層3と裏面金属電極層5との間には裏面反射層4が形成される。
FIG. 2 is a perspective view showing a typical structure of the overall configuration of the solar cell module according to
太陽電池モジュール100のサイズは種々のものが可能であるが、屋外に設置する太陽電池では1辺が1〜2mなどの大型の透光性基板1が一般に使用される。太陽電池セル10は、たとえば短辺が5〜10mmの細長い矩形である。大型の基板上に5〜10mm程度の短冊状の多数のセルが5〜10mm間隔で第3溝73を挟んで平行に並ぶ構造などとする。図示はしていないが、太陽電池セル10の上には、裏面金属電極層5を覆うように、保護層として裏面側カバー層が接着され、薄膜太陽電池モジュールを形成する。裏面側カバー層としては、水分を透過しないようにアルミ箔を挟持した対候性を有するフッ素系樹脂シートや、アルミナまたはシリカを蒸着したポリエチレンテレフタレートシートなどが好適に用いられる。
Various sizes of the
次に、本実施の形態の太陽電池の製造方法について説明する。図4は実施の形態1に係る太陽電池の製造工程を示すフローチャートである。本実施の形態では、まず、ガラス基板からなる透光性基板1表面に、受光面電極層2(第1の電極)としての透光性導電膜、少なくとも1組のpin構造を有する光電変換層3、裏面反射層4および第2の電極としての裏面金属電極層5を順に積層する。裏面反射層4は、透光性導電層41a、高屈折率導電層42a、透光性導電層41b、高屈折率導電層42b、透光性導電層41cの5層構造で形成される。
Next, the manufacturing method of the solar cell of this Embodiment is demonstrated. FIG. 4 is a flowchart showing manufacturing steps of the solar cell according to
まず、透光性基板1としてガラス基板を用意する。そしてこの透光性基板1上に、透光性導電膜から成る第1の電極としての受光面電極層2を形成する(ステップS1)。
First, a glass substrate is prepared as the
ここで受光面電極層2としての透光性導電膜を形成する工程では、スパッタリングにより透光性基板1表面全体にZnO:Al(0.5wt%)からなる透光性導電膜を形成する。レーザ描画により第1溝71を形成し、透光性導電膜をパターン分離することで複数の受光面電極層2が平行に配列された配列構造を形成する(ステップS2)。
Here, in the step of forming a light-transmitting conductive film as the light-receiving
この後、CVD法により、1組のpin構造を有する光電変換層3を積層する(ステップS3)。
Thereafter, the
そして裏面反射層4を形成する(ステップS4)。ここで裏面反射層4を形成する工程は、透光性導電層41aを形成し、次いで、高屈折率導電層42a、透光性導電層41b、高屈折率導電層42b、透光性導電層41cと、順次積層する(ステップS41〜S45)。ここで、透光性導電層41a,透光性導電層41b,透光性導電層41cはスパッタリングにより形成されたZnO:Al(0.5wt%)であり、高屈折率導電層42a、高屈折率導電層42bはCVD法により形成されたn型非晶質シリコン層である。
And the back
そしてレーザ描画により第2溝72を形成し、裏面反射層4および光電変換層3をパターン分離する(ステップS5)。
Then, the
そして第2の電極としての裏面金属電極層5をスパッタリングにより積層する(ステップS6)。 And the back surface metal electrode layer 5 as a 2nd electrode is laminated | stacked by sputtering (step S6).
最後に、レーザ描画により第3溝73を形成し、裏面金属電極層5をパターン分離する(ステップS7)。
Finally, the
本実施の形態では、各透光性導電層の光学膜厚を等しくすることで各透光性導電層界面における反射光の位相を揃えることで所望の波長で高い反射特性を得ることができる。 In the present embodiment, it is possible to obtain high reflection characteristics at a desired wavelength by equalizing the optical film thickness of each translucent conductive layer so as to align the phase of reflected light at each translucent conductive layer interface.
図5は、本実施の形態の太陽電池の裏面反射率の波長依存性を示した特性図である。この図は、裏面反射層3を構成する透光性導電層41a,41b,41cはZnOを主成分とする層、高屈折率導電層42a,42bをn型非晶質Siとして、光電変換層3側から裏面金属電極層5側に向けて光を入射させたときに、裏面反射層4と裏面金属電極層5とで光電変換層3側に反射される反射率を計算した結果である。図の縦軸は反射率で、全反射の場合を100%とし、横軸は波長(nm)である。計算において、裏面金属電極層5はAg、光電変換層3は微結晶シリコンとした。また、裏面反射層4を構成する透光性導電層41a,41b,41cと高屈折率導電層42a,42bの膜厚は指定波長λが950nmとなるように設定した。裏面反射層4は光電変換層3側からZnO/Si/ZnO…の順に積層され、層数の合計を1,3,5層(曲線a,b,c)としたときの反射特性を示している。層数が1のときは、つまり光電変換層3と裏面金属電極層5の間にZnOのみが挿入されているときであり、これを比較例として太陽電池の反射特性を示している。裏面反射層4の層数を3層に増やすことで比較例の太陽電池より650〜1300nmの反射率が増加する。さらに増加させると反射特性は矩形に近づいてより選択反射性が高まり、700〜1300nmでさらに高い反射率を示す。光電変換層3を透過しやすい800〜1200nmの波長域の反射率を高めることで、光電変換効率を高めることができる。また、前述のように実際の太陽電池ではテクスチャー構造が形成されるため、裏面金属電極層5による反射時の吸収が増加する。このため、裏面金属電極層5へ到達する光量の多い比較例の太陽電池における裏面反射率は計算よりも低くなり、裏面反射層4の層数を増やすと裏面金属電極層5へ到達する光量が少なくなるため、計算値との差分は小さくなると予想される。
FIG. 5 is a characteristic diagram showing the wavelength dependence of the back surface reflectance of the solar cell of the present embodiment. In this figure, the translucent
本実施の形態の太陽電池では透光性導電層と導電性のある高屈折率層からなる多層膜で構成していることが特徴である。従来の一般的な光学多層膜による反射は誘電体を用いるのが一般的であり導電性を有していない。また、透光性導電層との屈折率差による反射を増大させた特許文献1,3などにおいても低屈折率層に用いられるのは導電性の低い膜であり、積層するとセルの電気特性が悪化すると予想される。これに対し、本実施の形態の太陽電池では、高屈折率層とすることである程度導電性がある半導体、透光性導電材料を用いることができ、屈折率が高いほど多層膜において光学干渉効果を利用するために必要な膜厚が薄くなるため積層しても電気特性を損なわない構造を得ることができる。
The solar cell of this embodiment is characterized in that it is composed of a multilayer film composed of a light-transmitting conductive layer and a conductive high refractive index layer. Reflection by a conventional general optical multilayer film generally uses a dielectric and does not have conductivity. Also, in
以上により、本実施の形態によれば、光電変換層の裏面側に透光性導電層と高屈折率導電層の多層膜を形成することで、裏面電極に到達する前の反射を増加させることができる。また、透光性導電層と高屈折率導電層がともに導電性を有しているため、半導体層と裏面電極との接続抵抗を低く維持できる。したがって、光電変換層と裏面電極層との接続抵抗を低く保ちつつ、入射光が光電変換層を透過する近赤外線領域の裏面反射率を高めることができるため、光電変換効率の高い太陽電池を提供できる。 As described above, according to the present embodiment, the multi-layer film of the translucent conductive layer and the high refractive index conductive layer is formed on the back surface side of the photoelectric conversion layer, thereby increasing the reflection before reaching the back electrode. Can do. Moreover, since both the translucent conductive layer and the high refractive index conductive layer have conductivity, the connection resistance between the semiconductor layer and the back electrode can be kept low. Therefore, it is possible to increase the back surface reflectance in the near-infrared region where incident light passes through the photoelectric conversion layer while keeping the connection resistance between the photoelectric conversion layer and the back electrode layer low, thereby providing a solar cell with high photoelectric conversion efficiency. it can.
また、近赤外領域の光を選択的に反射するように、透光性導電層と高屈折率導電層との膜厚と層数とを調整することで、光学干渉効果により、光電変換層を透過しやすい近赤外領域の光の反射率を高め光電変換効率を向上することができる。 In addition, by adjusting the film thickness and the number of layers of the light-transmitting conductive layer and the high-refractive index conductive layer so as to selectively reflect light in the near-infrared region, a photoelectric conversion layer is obtained by an optical interference effect. The reflectance of light in the near-infrared region that easily transmits light can be increased, and the photoelectric conversion efficiency can be improved.
また、透光性導電層と高屈折率導電層の全ての層の光学膜厚が近赤外領域の指定波長の1/4とすることで、光学干渉効果をより効果的に得られ、効率良く裏面反射率を高めることができる。
In addition, by making the optical film thickness of all the layers of the translucent conductive layer and the high refractive index
さらにまた、実施の形態1によれば、高い導電性と反射率を有する裏面電極として金属材料からなる金属電極を備えることで近赤外領域の裏面反射率を向上できる。
Furthermore, according to
実施の形態2.
実施の形態2による太陽電池は、図6に示すように第2の電極である裏面電極に裏面透光性電極層6を用いた点で実施の形態1と異なる。この裏面透光性電極層6は、ZnO、SnO2、In2O3のうちの少なくとも1種を含むTCOによって構成される。また、これらの透光性導電酸化膜にAl、Ga、B等から選択した少なくとも1種類以上の元素を添加した膜などの透光性膜によって構成されてもよい。裏面透光性電極層6は、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、原子層堆積法、CVD法、低圧CVD法、MOCVD法、ゾルゲル法、印刷法、塗布法等により形成される。
The solar cell according to the second embodiment is different from the first embodiment in that a back surface
本実施の形態では、裏面反射層4の最も光電変換層3に近い側を透光性導電層41a,41b,41c、遠い側を高屈折率導電層42a,42b,42cとして、その他の工程は実施の形態1と同様に形成する。
In the present embodiment, the side closest to the
図7は、本実施の形態の光電変換装置の裏面反射率の波長依存性を示した特性図である。この図は、高屈折率導電層42a,42b,42cをn型非晶質Siとして、光電変換層3側から裏面透光性電極層6側に向けて光を入射させたときに、裏面反射層4と裏面透光性電極層6界面までとで光電変換層3側に反射される反射率を計算した結果である。図の縦軸は反射率で、全反射の場合を100%として、横軸は波長(nm)である。計算において、裏面透光性電極層6はZnO、光電変換層3は微結晶シリコンとした。また、透光性導電層41a,41b,41cと高屈折率導電層42a,42b,42cの膜厚は指定波長λが950nmとなるように設定し、裏面反射層4の層数を6層とした。750〜1250nmで90%以上、800〜1150nmで95%以上の高い反射率を示す。この反射率は裏面透光性電極層6と裏面反射層4の界面までの反射であるため、裏面透光性電極層6を通過することによる吸収はない。また、裏面反射層4に用いられる透光性導電層41a,41b,41cは裏面透光性電極層6と比較し膜厚が薄く、単膜での導電性が高くなくてもよいため低吸収の膜を使用することができる。これにより、透光性導電層のみで裏面電極を吸収する際に課題となっていた吸収を抑制でき、入射光の利用効率を高めることができる。
FIG. 7 is a characteristic diagram showing the wavelength dependence of the back surface reflectance of the photoelectric conversion device of this embodiment. This figure shows that when the high refractive index
また、本実施の形態の裏面反射層4は近赤外領域以外の400〜700nmの可視光領域、1500nm以上の赤外領域では反射率が低く入射光を透過する。1200nm以上の光は光電変換に寄与しないだけでなく、光電変換層3や裏面透光性電極層6で吸収されると熱エネルギーに変換され太陽電池の温度上昇につながり、太陽電池の発電効率の低下を招く。本実施の形態の太陽電池では、1500nm以上の赤外光を太陽電池の裏面側へと透過するため、このような赤外光による太陽電池の温度上昇を抑制することができる。これにより、屋外で長時間使用した際にも安定して高い発電量を得ることができる。
Moreover, the back
以上により、本実施の形態では裏面電極を、金属電極から、透光性の導電材料からなる透光性導電層としても近赤外領域において高い裏面反射率を得られるため高い光電変換効率を維持することができる。金属電極を用いないため、金属電極加工時の加工不良の抑制や原料コストの低減した太陽電池を実現できる。また、裏面反射層および裏面電極が赤外線を透過するため赤外線による温度上昇を抑制し、屋外でも安定して高い発電量を得ることができる。 As described above, in this embodiment, even when the back electrode is made of a metal electrode and a light-transmitting conductive layer made of a light-transmitting conductive material, high photoelectric conversion efficiency is maintained because a high back-surface reflectance can be obtained in the near infrared region. can do. Since no metal electrode is used, it is possible to realize a solar cell with reduced processing defects and reduced raw material costs during processing of the metal electrode. Moreover, since the back surface reflection layer and the back surface electrode transmit infrared rays, a temperature rise due to infrared rays can be suppressed, and a high power generation amount can be stably obtained even outdoors.
実施の形態3.
上述の実施の形態2において、裏面透光性電極層6の受光面10Aと反対側に散乱反射層9を設けてもよい。図8は、本実施の形態による典型的な太陽電池セルを示す断面図である。図9は、この太陽電池セルを用いた太陽電池モジュールを示す断面図である。裏面透光性電極層6の上に透湿性の樹脂シート等からなる透光性絶縁層8を形成し、さらにその上に白色バックシートや白色塗料からなる散乱反射層9を積層する。散乱反射層9は、第2の電極である裏面透光性電極層6の上面および側面を覆うように形成される。第2の電極が、透光性導電膜で構成され、また、本実施の形態による太陽電池モジュールでは、散乱反射層9は、透光性絶縁層8を介して、第2の電極間を覆い、第2の電極を一体的に覆うように形成されている。他は前記実施の形態2の太陽電池と同様であり、ここでは説明を省略するが同一部位には同一符号を付した。
In the above-described second embodiment, the scattering reflection layer 9 may be provided on the side opposite to the
これにより、裏面反射層4で反射されなかった光を反射するとともに、第2および第3溝72および73としての分離溝に入射した光を散乱反射層9で反射し、光電変換層3へと入射させることができる。このとき、裏面反射層4は光電変換層3における吸収係数の高い可視光領域では透過率が高くなるため、反射光を効率良く光電変換層3に導くことができ、光利用効率の高い太陽電池セルおよび太陽電池モジュールを提供できる。
As a result, the light that has not been reflected by the back
実施の形態2の太陽電池における反射率を図7に示したが、900〜1100nm付近の反射率のピーク領域では非常に高い反射率が得られるが、それ以外の波長域では、銀電極等と比較すると反射率が低下しており、変換効率は低下することが予想される。また、この計算値は理想的に平面上に積層し光が垂直入射した場合の反射率であり、実際にはテクスチャー構造や入射光の角度変化により反射率は計算値より低くなることも考えられる。したがって実施の形態3の太陽電池のようにさらに裏面10B側に反射層(ここでは散乱反射層9)があった方がより高い効率を得ることができる。
Although the reflectance in the solar cell of
以下に、実施例により実施の形態1から3の太陽電池の効果を詳細に説明する。
実施例1.
透光性基板1としてのガラス基板上に、受光面電極層2としてZnO:Al(0.5wt%)を形成した。受光面電極層2上に、第1の光電変換層として非晶質Si系薄膜からなるpin層を、第2の光電変換層として微結晶Si系薄膜からなるpin層を順次積層し、光電変換層3を形成した。i層の膜厚はそれぞれ300nm、2000nmとした。光電変換層3上に、透光性導電層41a、41bとしてZnOと、高屈折率導電層42aとしてn型非晶質Siを用いて膜厚がそれぞれ125nm/60nm/125nmとなるように交互に3層積層し、裏面反射層4を形成した。裏面反射層4上に裏面金属電極層5としてAgを300nm形成し、太陽電池セルを作製した。
Hereinafter, the effects of the solar cells of
Example 1.
ZnO: Al (0.5 wt%) was formed as the light-receiving
実施例2.
光電変換層3上に、透光性導電層41a、41b、41cとしてZnOと、高屈折率導電層42a、42b、42cとしてn型非晶質Siを用いて膜厚がそれぞれ125nm/60nm/125nm/60nm/125nm/60nmとなるように交互に6層積層し、裏面反射層4を形成した。裏面反射層4上に裏面透光性電極層6としてZnO:Al(0.5wt%)を1000nm形成し、さらに裏面透光性電極層6上に散乱反射層9として酸化チタンをエポキシ系のバインダ樹脂に混合させたものを形成し、それ以外は実施例1と同様にして太陽電池セルを作製した。
Example 2
On the
比較例1.
光電変換層3と裏面金属電極層5の間に、膜厚90nmのZnOからなる透光性導電層1層のみを形成し、それ以外は実施例1と同様にして太陽電池セルを作製した。
Comparative Example 1
Between the
比較例2.
光電変換層3上に、裏面反射層4を形成することなく、裏面透光性電極層6としてZnO:Al(0.5wt%)を1000nm形成し、それ以外は実施例2と同様にして太陽電池セルを作製した。
Comparative Example 2
On the
各実施例および比較例の太陽電池セルの特性を図10の表1に示す。表1に示すように、実施例1に示す裏面反射層4を備えた太陽電池は高い短絡電流が得られた。また、裏面反射層4が導電性を有するため比較例1と同程度の電気特性が維持された。実施例2では、裏面反射層4を備えることで、同様に裏面に透光性電極を用いた比較例2と比較して、同程度の電気特性を維持しつつ高い短絡電流が得られた。このときの短絡電流値は裏面に金属電極を使用した比較例1よりも高い値が得られた。
Table 1 in FIG. 10 shows the characteristics of the solar cells of the examples and comparative examples. As shown in Table 1, the solar cell provided with the back
上記の結果より、透光性導電層と高屈折率導電層を積層した裏面反射層を備えることで裏面電極による吸収を低減しつつ裏面反射率を高めることができるため、太陽電池セルの短絡電流を向上させることができた。さらに、光電変換層と裏面電極との抵抗を低く保つことができるため、透光性導電層と高屈折率導電層を積層した裏面反射層を備えない場合に比べ、光電変換効率の高い太陽電池を実現することができることがわかった。 From the above results, it is possible to increase the back surface reflectance while reducing absorption by the back surface electrode by providing a back surface reflective layer in which a light-transmitting conductive layer and a high refractive index conductive layer are laminated. Was able to improve. Furthermore, since the resistance between the photoelectric conversion layer and the back electrode can be kept low, the solar cell has a higher photoelectric conversion efficiency than the case where the back surface reflection layer in which the light-transmitting conductive layer and the high refractive index conductive layer are laminated is not provided. It was found that can be realized.
本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
1 透光性基板、2 受光面電極層、3 光電変換層、4 裏面反射層、41a,41b,41c 透光性導電層、42a,42b,42c 高屈折率導電層、5 裏面金属電極層、6 裏面透光性電極層、71 第1溝、72 第2溝、73 第3溝、8 透光性絶縁層、9 散乱反射層、10 太陽電池セル、10A 受光面、10B 裏面、100 太陽電池モジュール、L 太陽光。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記第2の電極と、前記光電変換層との間に、
透光性導電性材料からなる透光性導電層と、半導体材料もしくは透光性の導電材料からなり、前記透光性導電層よりも屈折率の高い高屈折率導電層とが交互に3層以上積層された多層膜を有する太陽電池。 A solar cell in which a photoelectric conversion layer made of a semiconductor layer is sandwiched between a first electrode disposed on the light receiving surface side and a second electrode disposed on the opposite side of the light receiving surface,
Between the second electrode and the photoelectric conversion layer,
Three layers of light-transmitting conductive layers made of a light-transmitting conductive material and high-refractive-index conductive layers made of a semiconductor material or a light-transmitting conductive material and having a higher refractive index than the light-transmitting conductive layer A solar cell having a multilayer film laminated as described above.
前記光電変換層と、前記第2の電極との間に、透光性導電性材料からなる透光性導電層と、半導体材料もしくは透光性の導電材料からなり、前記透光性導電層よりも屈折率の高い高屈折率導電層とが交互に3層以上積層された多層膜を有する太陽電池モジュール。 A plurality of solar cells in which a first electrode made of a light-transmitting conductive material, a photoelectric conversion layer made of a semiconductor layer, and a second electrode are sequentially stacked are disposed on the light-transmitting insulating substrate. A solar cell module in which the adjacent solar cells are electrically connected in series,
Between the photoelectric conversion layer and the second electrode, a light-transmitting conductive layer made of a light-transmitting conductive material, and a semiconductor material or a light-transmitting conductive material, from the light-transmitting conductive layer A solar cell module having a multilayer film in which three or more high refractive index conductive layers having a high refractive index are alternately laminated.
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