JP2016111279A - 多接合太陽電池およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 接着型の多接合太陽電池を改良して、第１の太陽電池素子と第２の太陽電池素子間での反射ロスを低減させて光の透過率を高めることができるようにする。【解決手段】 この多接合太陽電池４は、第１のバンドギャップを有していて入射した光の一部を透過させる第１の太陽電池素子６と、その裏面に形成されていて光透過性および導電性を有する導電性膜１０と、前記第１のバンドギャップよりも小さい第２のバンドギャップを有する第２の太陽電池素子８と、その表面に形成されていて光透過性および導電性を有する導電性膜１２と、両導電性膜１０、１２の面を接着しているものであって光透過性および導電性を有する接着層１４とを備えている。かつ太陽電池素子６、導電性膜１０、太陽電池素子８、導電性膜１２および接着層１４の屈折率をそれぞれｎ1、ｎ2、ｎ3、ｎ4およびｎ5とすると、ｎ1＞ｎ2＞ｎ5かつｎ3＞ｎ4＞ｎ5なる関係を満たしている。【選択図】 図５

Description

この発明は、互いに異なるバンドギャップを有する半導体を含んでいる少なくとも二つの太陽電池素子を、光透過性および導電性を有する接着層によって接着した構成の多接合太陽電池およびその製造方法に関する。このような構成の多接合太陽電池は、接着型の多接合太陽電池と呼ぶこともできる。

太陽光は、図１に示すように広いエネルギーに渡ってスペクトルを持っている。

半導体で作られる太陽電池は、半導体のバンドギャップ以上のエネルギーを持つ光を吸収して発電する。例えば結晶シリコンは、そのバンドギャップが１．１２ｅＶであり、１．１２ｅＶ以上のエネルギーを持つ光を吸収してホールと電子を結晶シリコン内に発生させる。定常光照射下では、ホールと電子のエネルギー差は、半導体のバンドギャップで決まるため結晶シリコンの場合は入射光の波長によらず１．１２ｅＶである。

そして、半導体中のホール電子分極能率によって、図２に示す太陽電池の開放電圧Ｖ_ocが決まる。この開放電圧Ｖ_ocは、半導体のバンドギャップ（ｅＶ単位で表したときの数値）を超えないが近い値となる。よってバンドギャップよりも大きなエネルギーを持つ短波長の光が照射されたときも、開放電圧Ｖ_ocは依然としてバンドギャップ近くの小さい値に止まり、入射光エネルギーのロスが半導体中で生じる。

短波長の光で大きな起電力および大きな電力を取り出すために、バンドギャップが異なり、分光吸収感度が異なる複数の半導体を重ね合わせた、多接合太陽電池が開発されている。

例えば、図３に示す例のように、エピタキシャル結晶成長技術を用いてＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＧｅのＰＮ接合を積層形成した多接合太陽電池が提案されている（非特許文献１参照）。このような多接合太陽電池は、可視から赤外域の広範囲の光を吸収して発電することが可能であり、効率が高い。

しかし、エピタキシャル結晶成長技術は、一般に成膜速度が遅く、多接合形成に多くの時間がかかるという課題がある。また、多くの異なる結晶を積層するために、結晶欠陥等の発生による歩留まり低下の課題もある。加えて、異なる結晶間のストレスを緩和する必要があり、大面積太陽電池への適用が難しいという課題もある。

一方、図４に示す例のように、予め単体太陽電池として作製されたバンドギャップの異なる複数の太陽電池素子を、透明な導電性接着剤で重ね合わせて接着する技術が提案されている（特許文献１および非特許文献２参照）。これは接着型の多接合太陽電池と呼ぶこともできる。

この技術は、完成した太陽電池素子同士を接着するため、高い歩留まりが期待できる。また、異種半導体結晶成長プロセスを必要としないので、大面積の多接合太陽電池の製造が可能であるという利点がある。

特開２０１１−２１０７６６号公報

Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 43, No. 3, 2004, pp. 882−889,"Evaluation of InGaP/InGaAs/Ge Triple-Junction Solar Cell under Concentrated Light by Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis", K. NISHIOKA, T. TAKAMOTO, T. AGUI, M. KANEIWA, Y. URAOKA and T. FUYUKI T. Sameshima, J. Takenezawa, M. Hasumi, T. Koida, T. Kaneko, M. Karasawa and M. Kondo,"Multi Junction Solar Cells Stacked with Transparent and Conductive Adhesive", Jpn. J. Appl. Phys. 50 (2011) 052301-1-4.

図４に示したような多接合太陽電池は上記のような利点を有しているけれども、上部（第１の）太陽電池素子が下部（第２の）太陽電池素子の光遮蔽の要因になる。これは図３に示したような多接合太陽電池においても同様である。即ち、上部太陽電池素子はバンドギャップが大きいので長波長の光に対して透明であり、うまく行くはずである。しかし、半導体は一般に屈折率が高いので、半導体に透明な波長帯であっても、光が上部太陽電池素子と下部太陽電池素子との界面付近で反射されて下部太陽電池素子にうまく伝達されず反射ロスが生じるという課題がある。

そこでこの発明は、図４に示したような接着型の多接合太陽電池を更に改良して、第１の太陽電池素子と第２の太陽電池素子間での反射ロスを低減させて光の透過率を高めることができるようにすることを主たる目的としている。

この発明に係る多接合太陽電池は、第１のバンドギャップを有する半導体を含んでいて、入射した光を用いて発電しかつ当該光の一部を透過させる第１の太陽電池素子と、前記第１の太陽電池素子の裏面に形成されていて、光透過性および導電性を有する第１の導電性膜と、前記第１のバンドギャップよりも小さい第２のバンドギャップを有する半導体を含んでいて、入射した光を用いて発電する第２の太陽電池素子と、前記第２の太陽電池素子の表面に形成されていて、光透過性および導電性を有する第２の導電性膜と、前記第１の導電性膜面と前記第２の導電性膜面とを接着しているものであって、光透過性および導電性を有する接着層とを備えており、かつ前記第１の太陽電池素子、前記第１の導電性膜、前記第２の太陽電池素子、前記第２の導電性膜および前記接着層の屈折率をそれぞれｎ₁ 、ｎ₂ 、ｎ₃ 、ｎ₄ およびｎ₅ とすると、
ｎ₁ ＞ｎ₂ ＞ｎ₅ かつ
ｎ₃ ＞ｎ₄ ＞ｎ₅
なる関係を満たしている、ことを特徴としている。

この多接合太陽電池は、第１の導電性膜、第２の導電性膜および接着層を備えており、かつ前記屈折率の関係を満たしているので、第１の太陽電池素子と接着層との間および接着層と第２の太陽電池素子との間における光の反射率が低下する。従って、第１の太陽電池素子と第２の太陽電池素子間での反射ロスを低減させて光の透過率を高めることができる。

前記第１の太陽電池素子のバンドギャップに対応する光の波長をλ₁ 、前記第２の太陽電池素子のバンドギャップに対応する光の波長をλ₂ 、ｍを０以上の整数とすると、前記第１の導電性膜の膜厚ｄ₁ および前記第２の導電性膜の膜厚ｄ₂ を、
｛（１＋２ｍ）／４ｎ₂ ｝×｛（λ₁ ＋λ₂ ）／３｝≦ｄ₁ ≦｛（１＋２ｍ）／４ｎ₂ ｝×｛（λ₁ ＋λ₂ ）／１．５｝、
｛（１＋２ｍ）／４ｎ₄ ｝×｛（λ₁ ＋λ₂ ）／３｝≦ｄ₂ ≦｛（１＋２ｍ）／４ｎ₄ ｝×｛（λ₁ ＋λ₂ ）／１．５｝
の範囲内にしても良い。

前記第１の導電性膜の膜厚をｄ₁ ｎｍ、抵抗率をρ₁ Ωｃｍ、前記第２の導電性膜の膜厚をｄ₂ ｎｍ、抵抗率をρ₂ Ωｃｍとすると、
１／ｄ₁ ≧ρ₁ ≧１×１０^-6／ｄ₁ かつ
１／ｄ₂ ≧ρ₂ ≧１×１０^-6／ｄ₂
なる関係を満たしていても良い。

この発明に係る多接合太陽電池の製造方法は、第１のバンドギャップを有する半導体を含んでいて、入射した光を用いて発電しかつ当該光の一部を透過させる第１の太陽電池素子を作製する第１の工程と、前記第１の太陽電池素子の裏面に、光透過性および導電性を有する第１の導電性膜を薄膜形成方法によって形成する第２の工程と、前記第１のバンドギャップよりも小さい第２のバンドギャップを有する半導体を含んでいて、入射した光を用いて発電する第２の太陽電池素子を作製する第３の工程と、前記第２の太陽電池素子の表面に、光透過性および導電性を有する第２の導電性膜を薄膜形成方法によって形成する第４の工程と、前記第１の導電性膜が形成された前記第１の太陽電池素子と、前記第２の導電性膜が形成された前記第２の太陽電池素子とを、前記第１の導電性膜面および前記第２の導電性膜面を接着される面にして、光透過性および導電性を有する接着剤を用いて接着する第５の工程とを備えており、かつ前記第１の太陽電池素子、前記第１の導電性膜、前記第２の太陽電池素子、前記第２の導電性膜および前記接着剤の屈折率をそれぞれｎ₁ 、ｎ₂ 、ｎ₃ 、ｎ₄ およびｎ₅ とすると、
ｎ₁ ＞ｎ₂ ＞ｎ₅ かつ
ｎ₃ ＞ｎ₄ ＞ｎ₅
なる関係を満たしている、ことを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、第１の太陽電池素子と第２の太陽電池素子とを接着した構成であるので、製造が簡単であり、高い歩留まりが期待できる。また、異種半導体結晶成長プロセスを必要としないので、大面積の多接合太陽電池の製造が可能になる。

しかもこの多接合太陽電池は、第１の導電性膜、第２の導電性膜および接着層を備えており、かつ第１の太陽電池素子、第１の導電性膜、第２の太陽電池素子、第２の導電性膜および接着層の屈折率をそれぞれｎ₁ 、ｎ₂ 、ｎ₃ 、ｎ₄ およびｎ₅ とすると、ｎ₁ ＞ｎ₂ ＞ｎ₅ かつｎ₃ ＞ｎ₄ ＞ｎ₅ なる関係を満たしているので、第１の太陽電池素子と接着層との間および接着層と第２の太陽電池素子との間における光の反射率が低下する。従って、第１の太陽電池素子と第２の太陽電池素子間での反射ロスを低減させて光の透過率を高めることができる。その結果、第２の太陽電池素子に効率良く光を到達させることができるので、この多接合太陽電池の変換効率を高めることができる。

請求項２に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、第１の導電性膜の膜厚および第２の導電性膜の膜厚を当該請求項に記載の範囲内にしているので、第１の導電性膜および第２の導電性膜それぞれの上下面の界面における光の反射率を小さくすることができ、それによって光の透過率を高めて第２の太陽電池素子に効率良く光を到達させることができる。その結果、この多接合太陽電池の変換効率をより高めることができる。

請求項３に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、第１の導電性膜の抵抗率および第２の導電性膜の抵抗率を当該請求項に記載の範囲内にしているので、太陽電池素子間の接続抵抗を小さくして当該接続抵抗に起因するこの多接合太陽電池の変換効率の低下を小さく抑えることができる。しかも、第１の導電性膜および第２の導電性膜におけるフリーキャリア吸収による光のロスを低減することができるので、第２の太陽電池素子に効率良く光を到達させることができる。これら二つの理由から、この多接合太陽電池の変換効率をより高めることができる。

請求項４に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、第１の導電性膜および第２の導電性膜を構成する酸化物半導体膜は、光透過性および導電性が高く、かつ抵抗率の制御性も良い。従って、この多接合太陽電池の変換効率を高めるのに都合が良い。

請求項５に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、接着層は、透明の接着剤中にＩＴＯ粒子を分散させたものであり、ＩＴＯ粒子は光透過性および導電性が高いので、この多接合太陽電池の変換効率を高めるのに都合が良い。

請求項６に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明と同様の特長を有する多接合太陽電池を簡単に製造することができる。

太陽光のスペクトルの一例を示す図である。 太陽電池の電流−電圧特性の一例を示す図である。 従来の多接合太陽電池の一例を示す概略断面図である。 従来の多接合太陽電池の他の例を示す概略断面図である。 この発明に係る多接合太陽電池の一実施形態を示す概略断面図である。 この発明に係る多接合太陽電池のより具体的な実施形態の例を示す概略断面図である。 この発明に係る多接合太陽電池の製造方法の工程の例を示す概略断面図である。 多接合太陽電池における接続抵抗が変換効率に及ぼす影響を計算した結果の一例を示す図である。 実験に用いた実施例１、２および比較例１、２の構成を示す概略断面図である。 実施例１および比較例１、２における光の透過率のスペクトルを測定した結果の一例を示す図である。 実施例２および比較例１、２における光の透過率のスペクトルを測定した結果の一例を示す図である。 図９（Ａ）に示した構成におけるＩＧＺＯ膜の膜厚と光の実効透過率との関係の例を示す図である。 第１（または第２）の導電性膜に着目して、その上下面の界面における光の反射率を小さくする場合の原理を説明するための概略断面図である。 太陽光のスペクトルの一例を示す概略図である。

図５に、この発明に係る多接合太陽電池の一実施形態を示す。この多接合太陽電池４は、二つの太陽電池素子６、８を有する、いわゆる２接合の場合の実施形態である。２接合の場合も、この出願では多接合太陽電池と呼んでいる。但し、この発明は２接合の場合に限られるものではない。

この多接合太陽電池４は、第１のバンドギャップＥ_g1を有する半導体を含んでいて、入射した光２（具体的には太陽光）を用いて発電しかつ当該光２の一部を透過させる第１の太陽電池素子６と、この太陽電池素子６の裏面に形成されていて、光透過性および導電性を有する第１の導電性膜１０と、前記第１のバンドギャップＥ_g1よりも小さい第２のバンドギャップＥ_g2（即ちＥ_g1＞Ｅ_g2）を有する半導体を含んでいて、入射した光を用いて発電する第２の太陽電池素子８と、この太陽電池素子８の表面に形成されていて、光透過性および導電性を有する第２の導電性膜１２と、第１の導電性膜１０の面と第２の導電性膜１２の面とを接着しているものであって、光透過性および導電性を有する接着層１４とを備えている。光透過性を有していることは、物理学の分野では透明とも呼ばれている。

かつ、第１の太陽電池素子６、第１の導電性膜１０、第２の太陽電池素子８、第２の導電性膜１２および接着層１４の屈折率をそれぞれｎ₁ 、ｎ₂ 、ｎ₃ 、ｎ₄ およびｎ₅ とすると、次式の関係を満たしている。

［数１］
ｎ₁ ＞ｎ₂ ＞ｎ₅ かつ
ｎ₃ ＞ｎ₄ ＞ｎ₅

第２の太陽電池素子８は、この実施形態ではその下側に他の太陽電池素子がないので、必ずしも入射した光の一部を透過させる必要はない。第２の太陽電池素子８の下側に他の太陽電池素子を設ける場合は、太陽電池素子８は、入射した光の一部を透過させるものにすれば良い。

各太陽電池素子６、８は、例えば、公知の単結晶シリコン太陽電池、多結晶シリコン太陽電池、薄膜シリコン太陽電池、アモルファスシリコンと単結晶シリコンを積層したハイブリッド型太陽電池等のシリコン系の太陽電池、シリコンの代わりにゲルマニウムを用いたゲルマニウム系の太陽電池、ＩnＧaＡs 、ＧaＡs 等の化合物系の太陽電池、有機系の太陽電池、その他の太陽電池であり、特定の構成のものに限定されない。半導体のバンドギャップは、例えば、Ｓi が１．１１ｅＶ、Ｇe が０．６７ｅＶ、ＧaＡs が１．４３ｅＶ、ＧaＮが３．４ｅＶである。

より具体的な例を図６に示す。この例では、太陽電池素子６は、ｐ⁺ 型シリコン２０上にｐ型シリコン２２を形成し、その上にｎ⁺ 型シリコン２４を形成した構成をしている。この太陽電池素子６のバンドギャップＥ_g1は１．１１ｅＶである。太陽電池素子８は、ｐ⁺ 型ゲルマニウム２６上にｐ型ゲルマニウム２８を形成し、その上にｎ⁺ 型ゲルマニウム３０を形成した構成をしている。この太陽電池素子８のバンドギャップＥ_g2は０．６７ｅＶである。従って、上述したＥ_g1＞Ｅ_g2の関係を満たしている。

再び図５を参照して、各導電性膜１０、１２は、例えば、ＩＧＺＯ（Ｉn −Ｇa −Ｚn −Ｏ／インジウム−ガリウム−亜鉛−酸素）膜、ＩＴＺＯ（Ｉn −Ｓn −Ｚn −Ｏ／インジウム−スズ−亜鉛−酸素）膜、ＺnＯ（酸化亜鉛）膜等の酸化物半導体膜であるが、その他の導電性膜でも良い。上記のような酸化物半導体膜は、光透過性および導電性が高く、かつ抵抗率の制御性も良い。従って、この多接合太陽電池４の変換効率を高めるのに都合が良い。例えば、各導電性膜１０、１２を所要の温度で所要の時間加熱することによって、各導電性膜１０、１２の抵抗率を比較的容易に制御することができる。

上記酸化物半導体膜の内でも、ＩＧＺＯ膜は、抵抗率の制御性が良いので、より好ましいと言える。

各導電性膜１０、１２の膜厚は、例えば、２００ｎｍ〜５００ｎｍ程度であるが、これに限られるものではない。

各導電性膜１０、１２は、例えば、単一の屈折率を有する単層膜でも良いし、異なる屈折率を有する複数層膜から成っていても良い。複数層膜から成る場合は、上記屈折率ｎ₂ 、ｎ₄ として、各層の膜の屈折率を合成した屈折率（例えば、フレネル合成実効屈折率）を用いれば良い。各太陽電池素子６、８が複数層の半導体から成る場合の上記屈折率ｎ₁ 、ｎ₃ についても同様である。フレネル合成実効屈折率は、簡単に言えば次のとおりである。即ち、光は、屈折率が異なる物質間の界面に入射すると、一部は反射し、一部は透過（屈折）する。このふるまいを記述するのがフレネルの式であり、このフレネルの式を用いて複数層膜の合成実効屈折率を求めたのがフレネル合成実効屈折率である。

接着層１４は、例えば、透明の接着剤中にＩＴＯ（酸化インジウムスズ）粒子を分散させたものであるが、その他の構成のものでも良い。ＩＴＯ粒子は光透過性および導電性が高いので、この多接合太陽電池４の変換効率を高めるのに都合が良い。

より具体例を挙げると、接着層１４を構成する透明の接着剤は、例えば、エポキシ樹脂系接着剤、セルロース系接着剤である。ＩＴＯ粒子は、例えば直径が２０μｍ〜２５μｍのものであり、これを上記接着剤中に例えば５ｗｔ％〜６ｗｔ％分散させれば良い。

多接合太陽電池４の表面および裏面に、必要に応じて、表面電極１６および裏面電極１８をそれぞれ設ければ良い。光２が入射する側の表面電極１６は、例えば、ＩＴＯ膜等の透明導電膜である。裏面電極１８は、例えば、ＩＴＯ膜等の透明導電膜でも良いし、不透明な金属電極でも良い。

上記多接合太陽電池４においては、上述したように第１の太陽電池素子６のバンドギャップＥ_g1が第２の太陽電池素子８のバンドギャップＥ_g2よりも大きいので（即ちＥ_g1＞Ｅ_g2）、上側の太陽電池素子６では入射した光２の内で、バンドギャップＥ_g1よりも大きいエネルギーの光、換言すればバンドギャップＥ_g1に相当する波長よりも短い波長の光を吸収して発電し、それよりも長い波長の光を透過させる。下側の太陽電池素子８では、太陽電池素子６を透過して来た長い波長の光を吸収して発電する。このように両方の太陽電池素子６、８で発電することができるので、変換効率が高い。

ちなみに、公知のように、光のエネルギーＥ［ｅＶ］と波長λ［ｎｍ］とには次式の関係がある。

［数２］
Ｅ＝１２４０／λ

この多接合太陽電池４は、第１の太陽電池素子６と第２の太陽電池素子８とを接着層１４を用いて接着した構成であるので、製造が簡単であり、高い歩留まりが期待できる。また、異種半導体結晶成長プロセスを必要としないので、大面積の多接合太陽電池の製造が可能になる。

しかもこの多接合太陽電池４は、第１の導電性膜１０、第２の導電性膜１２および接着層１４を備えており、かつ上記数１に示した屈折率の関係を満たしているので、第１の太陽電池素子６と接着層１４との間および接着層１４と第２の太陽電池素子８との間における光の反射率が低下する。従って、第１の太陽電池素子６と第２の太陽電池素子８間での反射ロスを低減させて光の透過率を高めることができる。その結果、第２の太陽電池素子８に効率良く光を到達させることができるので、この多接合太陽電池４の変換効率を高めることができる。

太陽電池素子６と接着層１４との間および接着層１４と太陽電池素子８との間における光の反射率をより低下させるためには、上記屈折率ｎ₁ 、ｎ₂ 、ｎ₃ 、ｎ₄ およびｎ₅ は、次式の関係を満たすのがより好ましい。

［数３］
ｎ₂ ＝（ｎ₁ ×ｎ₅ ）^0.5 かつ
ｎ₄ ＝（ｎ₃ ×ｎ₅ ）^0.5

上記のような多接合太陽電池４の製造方法の例を図７を参照して説明する。

この発明に係る多接合太陽電池の製造方法は、上記のような第１の太陽電池素子６を作製する第１の工程と、当該太陽電池素子６の裏面に上記のような第１の導電性膜１０を薄膜形成方法によって形成する第２の工程と、上記のような第２の太陽電池素子８を作製する第３の工程と、当該太陽電池素子８の表面に上記のような第２の導電性膜１２を薄膜形成方法によって形成する第４の工程とを備えている。

薄膜形成方法は、例えば、真空蒸着法、プラズマＣＶＤ法、プラズマスパッタリング法等である。

上記第１の工程と第２の工程とは、分けて行っても良いし、連続して行っても良い。同様に、上記第３の工程と第４の工程とは、分けて行っても良いし、連続して行っても良い。

この製造方法は、更に、上記導電性膜１０が形成された太陽電池素子６と、上記導電性膜１２が形成された太陽電池素子８とを、導電性膜１０の面および導電性膜１２の面を接着される面にして、光透過性および導電性を有する接着剤１４ａを用いて接着する第５の工程（図７（Ａ）参照）を備えている。接着剤１４ａが前述した接着層１４になる。この接着剤１４ａの例は、前述した接着層１４の例と同じである。

以上によって、図７（Ｂ）に示す多接合太陽電池４ａを製造することができる。これに必要に応じて表面電極１６および裏面電極１８を形成すれば、図５等に示した多接合太陽電池４が得られる。

接着剤１４ａを用いて上記接着を行う際は、所要の圧力（例えば５×１０⁵ Ｐａ程度）をかけて行えば良い。必要に応じて、所要の温度に加熱しても良い。

この製造方法の場合も、第１の太陽電池素子６、第１の導電性膜１０、第２の太陽電池素子８、第２の導電性膜１２および接着剤１４ａの屈折率をそれぞれｎ₁ 、ｎ₂ 、ｎ₃ 、ｎ₄ およびｎ₅ とすると、前述した数１の関係を満たしているものとする。

この製造方法によれば、導電性膜１０が形成された第１の太陽電池素子６と、導電性膜１２が形成された第２の太陽電池素子８とをそれぞれ作製しておき、その後でそれらを接着剤１４ａを用いて接着する（貼り合わせる）ので、多数の太陽電池素子を薄膜形成方法によって順次積層して多接合太陽電池を製造する方法に比べて、製造が簡単であり、歩留まりも高い。即ち、前述したような特長を有する多接合太陽電池４を簡単に製造することができる。

次に、上記導電性膜１０および１２の好ましい膜厚について説明する。図１３は、第１（または第２）の導電性膜１０（または１２）に着目して、その上下面の界面における光の反射率を小さくする場合の原理を説明するための概略断面図である。なお、図１３において光２を少し傾けて入射させているのは、単に、反射光２ａ、２ｂを図示しやすくするためである。

まず第１の導電性膜１０について説明すると、第１の太陽電池素子６を通過して導電性膜１０に入射する光２の内で、導電性膜１０の上面の界面での反射光２ａと下面の界面での反射光２ｂとの間の光路差Ｄは次式で表される。ｄ₁ は導電性膜１０の膜厚、ｎ₂ は導電性膜１０の屈折率である。

［数４］
Ｄ＝２ｎ₂ｄ₁

この光路差Ｄが（１／２＋ｍ）λのとき、反射光２ａと２ｂとが互いに打ち消し合うので、反射率は最小となる。即ち透過率は最大となる。ｍは０以上の整数（即ち、ｍ＝０、１、２、・・・）である。従って、透過率を最大にする膜厚ｄ₁ は次式で表される。λは以下に説明する波長である。

［数５］
ｄ₁ ＝｛（１＋２ｍ）／４ｎ₂ ｝λ

上記式における波長λの取り方について説明する。ここでは第２の（下側の）太陽電池素子８における発電に着目しているので、太陽電池素子６のバンドギャップに対応する波長をλ₁ 、太陽電池素子８のバンドギャップに対応する波長をλ₂ とすると、図１４も参照して、入射光２の内で波長λ₁ までの光は太陽電池素子６で吸収され発電に利用される結果、太陽電池素子８で発電に利用できる波長、即ち上記数５中の波長λは次式の範囲内となる。

［数６］
λ₁ ＜λ≦λ₂

その内で特に好ましい波長λは、平均値であり次式で表される。

［数７］
λ＝（λ₁ ＋λ₂ ）／２

但し、好ましい波長λは、上記平均値だけに限られるものではなく、上記平均値を挟むある程度の範囲内にあれば良い。図１４に示すように、太陽光の分光放射照度は、上記波長λ₁ とλ₂ との間では短波長側の方が強いことを考慮すると、上記平均値よりも短波長側の範囲を広めにしても良いので、上記波長λは次式で表される範囲にするのが好ましい。

［数８］
（λ₁ ＋λ₂ ）／３≦λ≦（λ₁ ＋λ₂ ）／１．５

従って、この数８と上記数５とから、導電性膜１０の膜厚ｄ₁ の好ましい範囲は次式で表される。その内でも、ｍ＝０の場合が、膜厚ｄ₁ が最も小さくて済む。

［数９］
｛（１＋２ｍ）／４ｎ₂ ｝×｛（λ₁ ＋λ₂ ）／３｝≦ｄ₁ ≦｛（１＋２ｍ）／４ｎ₂ ｝×｛（λ₁ ＋λ₂ ）／１．５｝

第２の導電性膜１２についても上記と同様であり、その膜厚をｄ₂ 、屈折率をｎ₄ とすると、導電性膜１２の膜厚ｄ₂ の好ましい範囲は次式で表される。その内でも、ｍ＝０の場合が、膜厚ｄ₂ が最も小さくて済む。

［数１０］
｛（１＋２ｍ）／４ｎ₄ ｝×｛（λ₁ ＋λ₂ ）／３｝≦ｄ₂ ≦｛（１＋２ｍ）／４ｎ₄ ｝×｛（λ₁ ＋λ₂ ）／１．５｝

導電性膜１０および１２の膜厚ｄ₁ およびｄ₂ をそれぞれ上記数９、数１０で表される範囲内にすることによって、導電性膜１０および１２それぞれの上下面の界面における光の反射率を小さくすることができ、それによって光の透過率を高めて第２の太陽電池素子８に効率良く光を到達させることができる。その結果、上記多接合太陽電池４の変換効率をより高めることができる。

次に、上記導電性膜１０および１２の好ましい抵抗率について説明する。

多接合太陽電池４は、縦方向に電流を流さなければならない。そのためには、上記導電性膜１０および１２の抵抗率は十分小さい値であることが必要である。これを図８の例を参照して説明する。

図８は、同図中の右側に示すＰＮダイオードと直列抵抗Ｒとで多接合太陽電池を模擬して、多接合太陽電池における接続抵抗が変換効率に及ぼす影響を計算した結果の一例を示すものである。同図に示すように、本来の変換効率が３０％の太陽電池において接続抵抗Ｒが存在する場合、開放電圧Ｖ_ocが１．５Ｖのときの変換効率低下を０．５％以内に抑えるためには、接続抵抗Ｒは１Ωｃｍ² 以下の低抵抗であることが必要である。ちなみにこの接続抵抗Ｒは面抵抗であり、膜厚をｄ、抵抗率をρとすると、Ｒ＝ρｄの関係がある。

このことから、上記第１の導電性膜１０の膜厚をｄ₁ ｎｍ、抵抗率をρ₁ Ωｃｍ、第２の導電性膜１２の膜厚をｄ₂ ｎｍ、抵抗率をρ₂ Ωｃｍとすると、次式の関係を満たしていることが好ましい。

［数１１］
１／ｄ₁ ≧ρ₁ かつ
１／ｄ₂ ≧ρ₂

しかし、抵抗が小さく導電度が大きい場合、導電性膜において光のフリーキャリア吸収が起こる。これは、特に赤外領域において顕著である。従って、下側の太陽電池素子８に用いる半導体のバンドギャップ相当の波長（例えばＧe の場合は１８５０ｎｍ）におけるフリーキャリア吸収による光のロスを１％以内に低減するためには、上記導電性膜１０、１２の抵抗率ρ₁ 、ρ₂ は、次式の関係を満たしていることが好ましい。

［数１２］
ρ₁ ≧１×１０^-6／ｄ₁ かつ
ρ₂ ≧１×１０^-6／ｄ₂

従って、上記数１１および数１２を総合すると、導電性膜１０、１２の抵抗率ρ₁ 、ρ₂ は、次式で表される範囲にあることが好ましい。

［数１３］
１／ｄ₁ ≧ρ₁ ≧１×１０^-6／ｄ₁ かつ
１／ｄ₂ ≧ρ₂ ≧１×１０^-6／ｄ₂

それによって、太陽電池素子６、８間の接続抵抗を小さくして当該接続抵抗に起因する多接合太陽電池４の変換効率の低下を小さく抑えることができる。しかも、第１の導電性膜１０および第２の導電性膜１２におけるフリーキャリア吸収による光のロスを低減することができるので、第２の太陽電池素子８に効率良く光を到達させることができる。これら二つの理由から、多接合太陽電池４の変換効率をより高めることができる。

ところで、前述したように、この発明は、二つの太陽電池素子６、８を有する、いわゆる２接合に限られるものではなく、三つ以上の太陽電池素子を有する、いわゆる３接合以上の場合にも適用することができる。３接合以上の場合は、例えば、（ａ）第１の太陽電池素子６の上側に（かつ表面電極１６の下側に）、他の１層または複数層の太陽電池素子を設けても良い。または、（ｂ）第２の太陽電池素子８の下側に（かつ裏面電極１８の上側に）、他の１層または複数層の太陽電池素子を設けても良い。または、上記（ａ）と（ｂ）とを併用しても良い。その内の隣り合う二つの太陽電池素子に着目すれば、それらについて、上記第１の太陽電池素子６、第１の導電性膜１０、第２の太陽電池素子８、第２の導電性膜１２および接着層１４について述べたのと同様の構成を採用すれば良い。

［実験結果］
次に、上記多接合太陽電池４を模擬した試料等を用いて、光の透過率のスペクトルを測定する実験を行った結果の例について説明する。この実験に用いた実施例１、２および比較例１、２の構成を図９に示す。

半導体基板として、厚さが５００μｍで屈折率が３．５の単結晶シリコン基板３６を用い、その表面に屈折率が１．８５のＩＧＺＯ膜３８をスパッタリング法によって形成して、ＩＧＺＯ膜３８の膜厚が５００ｎｍの試料（実施例１用）と、ＩＧＺＯ膜３８の膜厚が２００ｎｍの試料（実施例２用）とを二つずつ作製した。更に、ＩＧＺＯ膜３８の抵抗率を数１３に示した範囲にするために、各試料に３５０℃で１時間の熱処理を施して、ＩＧＺＯ膜３８の抵抗率を０．０３Ωｃｍとした。

そして、図９（Ａ）に示すように、膜厚が５００ｎｍのＩＧＺＯ膜３８を形成した二つの試料を、ＩＧＺＯ膜３８を接着される面にして、透明のエポキシ樹脂系接着剤中に直径が２０μｍのＩＴＯ粒子を６ｗｔ％分散させて成り、透明かつ導電性を有し、屈折率が１．３の接着剤４０を用いて接着した。この試料を実施例１と呼ぶ。同様にして、単結晶シリコン基板３６の表面に膜厚が２００ｎｍのＩＧＺＯ膜３８を形成した二つの試料を、上記と同じ接着剤４０を用いて接着した。この試料を実施例２と呼ぶ。この実施例１、２は、上記多接合太陽電池４を模擬したものであり、いずれも前記数１に示した屈折率の関係を満たしている。

また、比較のために、図９（Ｂ）に示すように、上記と同じ単結晶シリコン基板３６のみの試料も用いた。これを比較例１と呼ぶ。更に、図９（Ｃ）に示すように、ＩＧＺＯ膜３８を形成していない上記と同じ単結晶シリコン基板３６を２枚、上記と同じ接着剤４０を用いて接着した。これを比較例２と呼ぶ。この比較例２は、図４に示した従来の多接合太陽電池を模擬したものである。

そして、図９に示すように、上記実施例１、２および比較例１、２に光３２を透過させて、その透過率のスペクトルを測定した。この測定には、フレネル型光干渉および自由キャリア吸収効果で構成された計算プログラムを用いた。

ＩＧＺＯ膜３８の膜厚が５００ｎｍの上記実施例１および上記比較例１、２における光の透過率のスペクトルを測定した結果の一例を図１０に示す。実施例１では、ＩＧＺＯ膜３８を形成していることによって、波長が１１００ｎｍから１６００ｎｍに至るまで、比較例２よりも透過率の増大が観測され、ＩＧＺＯ膜３８の形成によって反射ロスを低減させることのできる効果が確認できた。比較例１の透過率を波長１１００ｎｍから１６００ｎｍまで積分した値を１として求めた、実施例１の実効透過率は０．８８であった。

ＩＧＺＯ膜３８の膜厚が２００ｎｍの上記実施例２および上記比較例１、２における光の透過率のスペクトルを測定した結果の一例を図１１に示す。実施例２では、ＩＧＺＯ膜３８を形成していることによって、波長が１１００ｎｍから１６００ｎｍに至るまで、比較例２よりも透過率が増大しており、しかも実施例１よりも均一に増大しており、ＩＧＺＯ膜３８の形成によって反射ロスを低減させることのできる効果が確認できた。この実施例２の実効透過率は０．９２であった。

図１２に、図９（Ａ）に示した構成におけるＩＧＺＯ膜３８の膜厚と光の実効透過率との関係の例を示す。図１２中に計算値とあるのは、計算上でＩＧＺＯ膜３８の膜厚を変えて実効透過率を計算した結果であり、実施例１、２とあるのは、上記実験における実施例１、２のものである。

計算値として示すように、ＩＧＺＯ膜厚を変化させると、当該膜の上下面の界面における反射光間の光路差が変化して両反射光の干渉状態が周期的に変化するため、ＩＧＺＯ膜３８の膜厚による実効透過率の周期的変化があった。最大の実効透過率は、ＩＧＺＯ膜３８の膜厚が１７５ｎｍのときに０．９２５であると計算された。また、実施例１、２は、この計算値と良く一致していることが分る。

２ 光
４、４ａ 多接合太陽電池
６ 第１の太陽電池素子
８ 第２の太陽電池素子
１０ 第１の導電性膜
１２ 第２の導電性膜
１４ 接着層
１４ａ 接着剤
１６ 表面電極
１８ 裏面電極

Claims (6)

1. 第１のバンドギャップを有する半導体を含んでいて、入射した光を用いて発電しかつ当該光の一部を透過させる第１の太陽電池素子と、
   前記第１の太陽電池素子の裏面に形成されていて、光透過性および導電性を有する第１の導電性膜と、
   前記第１のバンドギャップよりも小さい第２のバンドギャップを有する半導体を含んでいて、入射した光を用いて発電する第２の太陽電池素子と、
   前記第２の太陽電池素子の表面に形成されていて、光透過性および導電性を有する第２の導電性膜と、
   前記第１の導電性膜面と前記第２の導電性膜面とを接着しているものであって、光透過性および導電性を有する接着層とを備えており、
   かつ前記第１の太陽電池素子、前記第１の導電性膜、前記第２の太陽電池素子、前記第２の導電性膜および前記接着層の屈折率をそれぞれｎ₁ 、ｎ₂ 、ｎ₃ 、ｎ₄ およびｎ₅ とすると、
   ｎ₁ ＞ｎ₂ ＞ｎ₅ かつ
   ｎ₃ ＞ｎ₄ ＞ｎ₅
   なる関係を満たしている、ことを特徴とする多接合太陽電池。
2. 前記第１の太陽電池素子のバンドギャップに対応する光の波長をλ₁ 、前記第２の太陽電池素子のバンドギャップに対応する光の波長をλ₂ 、ｍを０以上の整数とすると、前記第１の導電性膜の膜厚ｄ₁ および前記第２の導電性膜の膜厚ｄ₂ を、
   ｛（１＋２ｍ）／４ｎ₂ ｝×｛（λ₁ ＋λ₂ ）／３｝≦ｄ₁ ≦｛（１＋２ｍ）／４ｎ₂ ｝×｛（λ₁ ＋λ₂ ）／１．５｝、
   ｛（１＋２ｍ）／４ｎ₄ ｝×｛（λ₁ ＋λ₂ ）／３｝≦ｄ₂ ≦｛（１＋２ｍ）／４ｎ₄ ｝×｛（λ₁ ＋λ₂ ）／１．５｝
   の範囲内にしている請求項１記載の多接合太陽電池。
3. 前記第１の導電性膜の膜厚をｄ₁ ｎｍ、抵抗率をρ₁ Ωｃｍ、前記第２の導電性膜の膜厚をｄ₂ ｎｍ、抵抗率をρ₂ Ωｃｍとすると、
   １／ｄ₁ ≧ρ₁ ≧１×１０^-6／ｄ₁ かつ
   １／ｄ₂ ≧ρ₂ ≧１×１０^-6／ｄ₂
   なる関係を満たしている請求項１または２記載の多接合太陽電池。
4. 前記第１の導電性膜および前記第２の導電性膜は酸化物半導体膜である請求項１、２または３記載の多接合太陽電池。
5. 前記接着層は、透明の接着剤中にＩＴＯ粒子を分散させたものである請求項１、２、３または４記載の多接合太陽電池。
6. 第１のバンドギャップを有する半導体を含んでいて、入射した光を用いて発電しかつ当該光の一部を透過させる第１の太陽電池素子を作製する第１の工程と、
   前記第１の太陽電池素子の裏面に、光透過性および導電性を有する第１の導電性膜を薄膜形成方法によって形成する第２の工程と、
   前記第１のバンドギャップよりも小さい第２のバンドギャップを有する半導体を含んでいて、入射した光を用いて発電する第２の太陽電池素子を作製する第３の工程と、
   前記第２の太陽電池素子の表面に、光透過性および導電性を有する第２の導電性膜を薄膜形成方法によって形成する第４の工程と、
   前記第１の導電性膜が形成された前記第１の太陽電池素子と、前記第２の導電性膜が形成された前記第２の太陽電池素子とを、前記第１の導電性膜面および前記第２の導電性膜面を接着される面にして、光透過性および導電性を有する接着剤を用いて接着する第５の工程とを備えており、
   かつ前記第１の太陽電池素子、前記第１の導電性膜、前記第２の太陽電池素子、前記第２の導電性膜および前記接着剤の屈折率をそれぞれｎ₁ 、ｎ₂ 、ｎ₃ 、ｎ₄ およびｎ₅ とすると、
   ｎ₁ ＞ｎ₂ ＞ｎ₅ かつ
   ｎ₃ ＞ｎ₄ ＞ｎ₅
   なる関係を満たしている、ことを特徴とする多接合太陽電池の製造方法。

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