JP2016127179A - 薄膜太陽電池およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】優れた光電変換性能を有する薄膜太陽電池を提供すること。【解決手段】透光性基板(1)上に、少なくとも、Zn1−xMgxO(0<x≦1)を主成分とし凹凸構造を有する透光性膜(2)と、透光性導電膜(3)と、1組以上のpin構造を有する半導体光電変換層(4)と、裏面電極(5)とが順次積層され、前記Zn1−xMgxOは、主として立方晶の結晶構造を有し、前記凹凸構造は、隣接する凹部間または凸部間の平均間隔が300nm以下であることを特徴とする薄膜太陽電池である。【選択図】図1
Description
本発明は、薄膜太陽電池およびその製造方法に関する。
薄膜太陽電池は、受光面側の電極として透明電極を備える。透明電極を構成する材料としては、例えば、酸化錫(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化インジウム錫(ITO)などの透明導電酸化物が用いられる。
透明電極の非受光面側には、pn接合またはpin接合を含む半導体層からなる半導体光電変換層が形成される。半導体層には、シリコン系薄膜として非晶質シリコン層または結晶質シリコン層を用いることができ、また化合物半導体薄膜としてCuInSe2(略称CIS)といったCIS系、またはCdTeといったCdTe−CdS系などの薄膜が用いられ得る。
薄膜太陽電池には、従来のバルクの単結晶や多結晶のシリコン基板を利用する太陽電池と比較して薄い半導体光電変換層が用いられるが、半導体光電変換層の膜厚によって光吸収が制限されるという問題がある。高い光電変換効率の薄膜太陽電池を実現するためには、薄膜太陽電池に入射した光を半導体光電変換層で有効に利用することが重要である。
太陽電池の光の利用効率を高める技術は「光閉じ込め」技術とも呼ばれている。薄膜太陽電池の光閉じ込め技術は、一般に、透明電極またはガラス基板の表面に凹凸構造を形成することにより実施されることが知られている。入射した光が凹凸構造を透過する際、一部は散乱光となり、半導体光電変換層内での光路長が伸びるため、半導体光電変換層での光吸収率を高めることが可能となる。
この凹凸構造のサイズおよび表面粗さが大きいほど光の散乱性能が高く、高い発電電流すなわち短絡電流密度(Jsc)が得られる傾向がある。しかし、サイズと表面粗さが大きくなると、その上に形成される半導体光電変換層の欠陥が増加し、その結果、太陽電池の曲線因子(FF)および開放端電圧(Voc)を低下させる傾向がある。
ところで、半導体光電変換層での光吸収率を高めるためには、透明電極の透過率を向上させることも重要である。例えば、半導体光電変換層がシリコン系薄膜からなる場合、透明電極には、シリコン系薄膜が吸収可能な紫外光から波長1100nm程度までの光をより多く透過することが求められる。
特許文献1では、薄膜光電変換装置として、表面に微細な凹凸が形成された透光性絶縁基板の上に、マグネシウムをドープした酸化亜鉛(Zn1−xMgxO、0<x<1、略称ZMO)とドーピング不純物とを含む透明電極層を用いた技術が開示されている。ZMOはZnOと比較して短波長光の透過率が向上するため、特許文献1の光電変換装置は、ZnOからなる透明電極層を用いた場合と比較して、300nm〜400nmの短波長光の分光感度が向上し、光電変換効率が改善するとしている。
本発明者らは、特許文献1の表面に微細な凹凸が形成された透光性絶縁基板に相当する基板上にZMO膜を形成して薄膜太陽電池を作製したところ、透明電極層のワイドバンドギャップ化と光散乱効果とによる光閉じ込め効果により、薄膜太陽電池のJscの増加は確認されたが、同時にその凹凸に起因すると思われるFFおよびVocの低下が確認された。より優れた光電変換性能を有する薄膜太陽電池を作製するためには、Jscだけではなく、FFおよびVocも向上することが必要であることを確認した。
他方、本発明者らは、透明性導電膜として凹凸構造のない平坦なZnO上に半導体光電変換層を形成し、この半導体光電変換層の非受光面側に凹凸構造を有するZnOおよび反射電極をそれぞれ積層して薄膜太陽電池を作製した。その結果、FFおよびVocの向上を確認することができたが、Jscは半導体光電変換層の受光面側に凹凸構造を形成した場合と比較して、低下することを確認した。Jsc低下の原因を調べるため、ガラス基板上に平坦なZnOを形成し、このZnO面にシリコン系薄膜およびカーボンブラックを積層したものと、ガラス基板上に凹凸構造を有するZnOを形成し、このZnO面にシリコン系薄膜およびカーボンブラックを積層したものとを作製し、ガラス面の反射率をそれぞれ測定した。その結果、平坦なZnOを用いた場合は、凹凸構造を有するZnOを用いた場合よりも、反射率が増大することがわかった。このとき、シリコン系薄膜に一旦入射した光はカーボンブラックによりほぼ全て吸収されることから、平坦なZnOを用いた場合の反射率増大はZnOとシリコン系薄膜との界面での反射率増大に起因すると結論づけられた。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、優れた光電変換性能を有する薄膜太陽電池およびそれを容易に製造することができる方法を提供することを目的とする。
透光性基板上に、少なくとも、第1の電極と、1組以上のpin構造を有する半導体光電変換層と、第2の電極とが順次形成され、
前記第1の電極は、Zn1−xMgxO(0<x≦1)を主成分とし且つ凹凸構造を有する透光性膜と、透光性導電膜との積層体で構成され、
前記Zn1−xMgxOは、主として立方晶の結晶構造を有し、
前記凹凸構造は、隣接する凹部間または凸部間の平均間隔が300nm以下であることを特徴とする薄膜太陽電池。
前記第1の電極は、Zn1−xMgxO(0<x≦1)を主成分とし且つ凹凸構造を有する透光性膜と、透光性導電膜との積層体で構成され、
前記Zn1−xMgxOは、主として立方晶の結晶構造を有し、
前記凹凸構造は、隣接する凹部間または凸部間の平均間隔が300nm以下であることを特徴とする薄膜太陽電池。
本発明によれば、優れた光透過性と導電性とを両立することができるため、薄膜太陽電池の分光感度を向上させたうえで、高いFFおよびVocを実現することが可能となり、結果として、光電変換効率を向上させることができる。
以下に、本発明に係る薄膜太陽電池及びその製造方法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、本発明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、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。
実施の形態1.
図1は、本発明に係る薄膜太陽電池の実施の形態1の概略構成を示す断面図である。図1において、この薄膜太陽電池では、絶縁性を有する透光性基板1上に、第1の電極である透光性膜2および透光性導電膜3、薄膜半導体層である1組以上のpin構造を有する半導体光電変換層4、ならびに第2の電極である裏面電極層5がこの順で積層されている。なお、透光性基板1としては、ガラス、透光性樹脂、石英などの種々の絶縁性および透光性を有する基板が用いられる。本実施の形態において、透光性膜2は、Zn1−xMgxO(0<x≦1、以下、ZMOと略記することがある)を主成分とし凹凸構造を有している。また、半導体光電変換層4は、透光性導電膜3上に、p型半導体層4a、i型半導体層4bおよびn型半導体層4cが順に積層されて構成される。
図1は、本発明に係る薄膜太陽電池の実施の形態1の概略構成を示す断面図である。図1において、この薄膜太陽電池では、絶縁性を有する透光性基板1上に、第1の電極である透光性膜2および透光性導電膜3、薄膜半導体層である1組以上のpin構造を有する半導体光電変換層4、ならびに第2の電極である裏面電極層5がこの順で積層されている。なお、透光性基板1としては、ガラス、透光性樹脂、石英などの種々の絶縁性および透光性を有する基板が用いられる。本実施の形態において、透光性膜2は、Zn1−xMgxO(0<x≦1、以下、ZMOと略記することがある)を主成分とし凹凸構造を有している。また、半導体光電変換層4は、透光性導電膜3上に、p型半導体層4a、i型半導体層4bおよびn型半導体層4cが順に積層されて構成される。
まず、透光性基板1を用意し、透光性基板1上に、ZMOを主成分とし凹凸構造を有する透光性膜2を成膜する(図2(a))。ここで、透光性膜2を成膜する工程では、スパッタリング法により立方晶の結晶構造を有するZMO膜を形成する(図3:ステップS1)。その後、ZMO膜のエッチング処理により、受光面Aの反対側の面である裏面Bに凹凸構造を有する表面テクスチャー構造2Tを形成する(図3:ステップS2)。
そして、透光性膜2上に、透光性導電膜3を形成する(図2(b),図3:ステップS3)。
その後、1組のpin構造を有する半導体光電変換層4を積層する(図2(d))。ここで、半導体光電変換層4を積層する工程では、まず、透光性導電膜3上に、p型半導体層4aとしてp型微結晶シリコン層を形成する(図2(c),図3:ステップS4)。そして、p型半導体層4aとしてのp型微結晶シリコン層上に、i型半導体層4bとしてi型微結晶シリコン層、およびn型半導体層4cとしてn型微結晶シリコン層を順次形成する(図2(d),図3:ステップS5,6)。
最後に、裏面電極層5を積層する(図3:ステップS7)(製造方法の具体例については実施例1で説明する)ことにより、図1に示した光電変換セルが形成される。
なお、本明細書において、「結晶質」および「微結晶」の用語は、部分的に非晶質を含んでいるものを意味する。
そして、透光性膜2上に、透光性導電膜3を形成する(図2(b),図3:ステップS3)。
その後、1組のpin構造を有する半導体光電変換層4を積層する(図2(d))。ここで、半導体光電変換層4を積層する工程では、まず、透光性導電膜3上に、p型半導体層4aとしてp型微結晶シリコン層を形成する(図2(c),図3:ステップS4)。そして、p型半導体層4aとしてのp型微結晶シリコン層上に、i型半導体層4bとしてi型微結晶シリコン層、およびn型半導体層4cとしてn型微結晶シリコン層を順次形成する(図2(d),図3:ステップS5,6)。
最後に、裏面電極層5を積層する(図3:ステップS7)(製造方法の具体例については実施例1で説明する)ことにより、図1に示した光電変換セルが形成される。
なお、本明細書において、「結晶質」および「微結晶」の用語は、部分的に非晶質を含んでいるものを意味する。
上記構成によれば、透光性膜2として、Zn1−xMgxO(0<x≦1)を用いることにより、ZnOを用いた場合よりも短波長光の分光感度が向上する。ZMOは、酸化亜鉛(ZnO)と酸化マグネシウム(MgO)との混合物であり、Znに対するMgの組成比を増大することにより、ZMOの光学的バンドギャップをZnO相当(3.4eV)からMgO相当(7.8eV)まで連続的に変化させることができる。ここで、xの値は0.60≦x≦1とするのが好ましい。つまり、Mgが60atom%(原子百分率)以上でワイドギャップ化の効果を得ることができる。一方、Mgが60atom%未満になるとエッチング処理後の凹凸形状のサイズおよび表面粗さが大きくなる。
一般に、薄膜太陽電池では、受光面側の透明電極は入射した光を散乱させるためにも用いられるため、高い光透過性だけではなく、高い光散乱性も求められる。しかし、本発明の薄膜太陽電池における透光性膜2は、高い光透過性と高い反射防止効果とを有することを特徴としており、光散乱性を有する必要はない。
透光性膜2の反射防止効果は、凹凸構造により得られる。この凹凸構造は、ZMOを主成分とする膜をエッチング処理することにより形成することができる。一般に、光反射は屈折率差のある界面において生じ、屈折率が低い方から高い方へ、または屈折率が高い方から低い方へ光が通過する際、界面の屈折率が大きいほど多くの光が反射される。このとき、界面の屈折率が急峻に変化する場合に対し、屈折率が徐々に変化する場合には、光反射率が低下することが知られている。透光性膜2の凹凸構造は、後述の透光性導電膜3にも引き継がれるため、結果として、透光性導電膜3は透光性膜2と同様の凹凸構造を有することになる。凹凸構造を有する透光性導電膜3の上に、後述の半導体光電変換層4として微結晶シリコン層が形成されると、透光性導電膜3と半導体光電変換層4との界面には、透光性基板1の平坦面と平行にZMOとシリコンとが混在した部分が形成されることになる。この部分では、半導体光電変換層4の占有する面積が受光面から非受光面の方向に向かって増加することから、透光性導電膜3の屈折率(1.9程度)から半導体光電変換層4の屈折率(4.0程度)へ向かって、屈折率が連続的に変化することになる。結果として、凹凸構造を有する界面では反射防止効果が得られ、半導体光電変換層4へより多くの光を透過することが可能になる。
透光性膜2の凹凸構造が、入射光の波長と同程度以上の大きさである場合には光散乱性が得られる。例えば、波長500nmの入射光に対しては、凹凸構造の隣接する凹部間または凸部間の平均間隔が500nm程度以上であれば光散乱性が得られる。さらに、凹凸構造の表面粗さが大きく、傾斜角が大きいほど高い光散乱性を発揮する傾向がある。一方、凹凸構造のサイズが光の波長よりも小さくなると、光からは凹凸構造が認識できなくなるため、光散乱性は失われることになる。また、凹凸構造のサイズが光の波長よりも小さく、光から凹凸構造を認識できなくなると、凹凸構造は、上述の理由により、屈折率が連続的に変化した平坦な層と等価になる。つまり、透光性膜2の凹凸構造の大きさが入射光の波長よりも小さい場合、光散乱性がほとんど得られない代わりに、反射防止効果が得られることになる。ちなみに、凹凸構造の大きさが入射光の波長より大きい場合にも、反射防止効果は得られるが、凹凸構造の凹部の底部付近および凸部の頂部付近において入射光よりも小さいサイズとなり、部分的に連続的な屈折率変化が生じているためだと考えている。
透光性膜2の凹凸構造が、入射光の波長と同程度以上のサイズで且つ表面粗さが大きいほど、光散乱効果および反射防止効果により高いJscが得られる。しかし、凹凸構造が粗い形状であるほど、その上に形成される半導体光電変換層4に欠陥が入りやすく、その結果、FFおよびVocを低下させることになる。
本発明の薄膜太陽電池における透光性膜2は、高いFFおよびVocだけではなく、高い反射防止効果により高いJscを得ることを目的としている。具体的には、凹凸構造の隣接する凹部間または凸部間の平均間隔を入射光の波長以下(300nm以下)にすればよく、好ましくは、凹凸の平均高低差も入射光の波長以下(300nm以下)にする。本発明の薄膜太陽電池における透光性膜2の場合、隣接する凹部間または凸部間の平均間隔はZMO膜中のMg濃度により制御することができる。Mg濃度が60atom%以上である場合には、隣接する凹部間または凸部間の平均間隔を300nm以下とすることができる。隣接する凹部間または凸部間の平均間隔の下限は、特に限定されるものではないが、透光性膜2上に形成される透光性導電膜3および半導体光電変換層4の膜厚均一性の観点から、10nm以上であることが好ましい。また、凹凸の平均高低差は、エッチング時間により制御することができ、エッチング時間を長くするほど凹凸の平均高低差が大きくなる傾向がある。凹凸の平均高低差の下限は、特に限定されるものではないが、反射防止効果を得るためには5nm以上であることが好ましい。このとき、透光性膜2は光散乱性を有している必要はない。
なお、本発明において、隣接する凹部間または凸部間の平均間隔とは、原子間力顕微鏡(AFM)による観察データからJISによって規定される凹凸の平均間隔(Sm)を算出した値である。また、凹凸の平均高低差とは、原子間力顕微鏡(AFM)による観察データから二乗平均粗さ(RMS)を算出した値である。
なお、本発明において、隣接する凹部間または凸部間の平均間隔とは、原子間力顕微鏡(AFM)による観察データからJISによって規定される凹凸の平均間隔(Sm)を算出した値である。また、凹凸の平均高低差とは、原子間力顕微鏡(AFM)による観察データから二乗平均粗さ(RMS)を算出した値である。
また、本発明における第1の電極は、透光性膜2と透光性導電膜3との積層膜から構成され、導電性は透光性導電膜3で担うことになるため、透光性膜2に導電性は不要であるが、透光性膜2が導電性を有していてもよい。
透光性膜2は、ZMOを主成分とし、ドーピング不純物としてAl、Ga、B、P、Sb、FおよびInからなる群から選択される1以上の元素を含んでいてもよい。ここで、ドーピング不純物により、ZMO膜中にキャリアを生成させることは必須ではない。ZMOにドーピング不純物を含有させることにより、堆積したZMO膜中の応力を低下でき、応力に起因したクラックの発生を抑制する効果が得られる。また、ZMOをスパッタ成膜する場合、スパッタターゲットに例えば酸化アルミニウム(Al2O3)を0.1質量%〜3質量%程度含有させることによりターゲットの密度を高めることができるため、良好な放電性や膜特性を期待できる。
透光性膜2は、ZMOを主成分とし、ドーピング不純物としてAl、Ga、B、P、Sb、FおよびInからなる群から選択される1以上の元素を含んでいてもよい。ここで、ドーピング不純物により、ZMO膜中にキャリアを生成させることは必須ではない。ZMOにドーピング不純物を含有させることにより、堆積したZMO膜中の応力を低下でき、応力に起因したクラックの発生を抑制する効果が得られる。また、ZMOをスパッタ成膜する場合、スパッタターゲットに例えば酸化アルミニウム(Al2O3)を0.1質量%〜3質量%程度含有させることによりターゲットの密度を高めることができるため、良好な放電性や膜特性を期待できる。
透光性膜2としてのZMOは、スパッタリング法、MOCVD法、イオンプレーティング法、ゾルゲル法、PLD法等、種々の方法により作製することができる。例えばスパッタリング法、MOCVD法、イオンプレーティング法は大面積化が容易である。また、スパッタリング法を用いてAlドープZn1−xMgxO(0<x≦1)を作製する場合、AlドープZMOターゲットを用いて作製することもできるが、複数のターゲットを用いた同時スパッタリング法によっても作製可能である。材料の異なる2つ以上のターゲットを用いた同時スパッタリング法では、1つのターゲットを用いたスパッタリングよりも結晶性の高いZMOが作製できる傾向が見られる。同時スパッタリング法では、AlまたはAl2O3ドープした酸化亜鉛(ZnO)ターゲットと酸化マグネシウム(MgO)ターゲットとを用い、各ターゲットに印加する電力を制御することにより所望のZn:Mg組成比を有するAlドープZn1−xMgxO(0<x≦1)膜を成膜することができる。成膜チャンバにはAr、O2、N2およびH2からなる群から選択される少なくとも1種のガスが導入され、成膜チャンバ内の圧力は0.1Pa〜10Pa程度、基板温度は室温〜500℃程度に保持される。
また、MOCVD法によりZMOを作製する場合は、Znの原料としてジエチル亜鉛(DEZ)またはジメチル亜鉛、Mgの原料としてビスメチルシクロペンタジエニルマグネシウム(MeCp2Mg)またはビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム(EtCp2Mg)、酸化反応原料として水(H2O)または酸素が主に用いられる。これらの原料は、Ar、H2、HeおよびN2からなる群から選択される少なくとも1種のガスによるバブリングにより気体として成膜チャンバへ導入され、圧力は5Pa〜500Pa程度、基板温度は50℃〜300℃程度に保持される。Zn原料とMg原料との流量比を調整することにより、Zn:Mg組成比を制御することができる。このとき、ドーピングガスとして、ジボラン(B2H6)、トリメチルボロン(B(CH3)3)、ホスフィン(PH3)等を添加してもよい。MOCVD法によりZMOを作製する場合、成膜時の結晶成長により膜表面に自己組織的に凹凸構造が形成されることがあり、ドーピングガスを添加することによってその凹凸構造の形態を制御することが可能となる(必須ではない)。
ZMOの堆積膜厚は、0.1μm〜2μm程度であるとよい。膜厚が厚いほど膜の結晶性を高めることができるため所望の凹凸構造を得やすいが、厚膜化により成膜時間の増加による生産性の低下や膜応力の増大によるクラックの発生等が起きる。膜厚が0.1μm未満である場合、膜の結晶性が低下して凹凸構造を形成し難くなる。つまり、ZMOの膜厚は、十分な反射防止効果が得られる凹凸構造を形成可能であって、なるべく薄い膜にするとよい。
ZMO膜中のMg濃度は、エネルギー分散型X線分光法(Energy Dispersive X−ray spectroscopy: EDX)により評価することができる。ZMO膜中のMg濃度は60atom%以上100atom%以下であることが好ましい。ZMO膜中のMg濃度を60atom%以上100atom%以下とすることで、ワイドバンドギャップ化の効果とテクスチャー構造の加工性とを両立させることが容易となる。Mg濃度が35atom%以下の場合は、高い光散乱性能を有するような表面粗さの大きな凹凸構造となり、Mg濃度が35atom%超60atom%未満の場合は、均一な形状のテクスチャー構造の形成が困難になる。表面テクスチャー構造の加工性の低下は、後述の結晶構造の変化に起因すると考えられる。
図4に、ガラス基板上に種々のMg濃度で作製したZMOの透過率スペクトルを示す。aはMg濃度が0atom%(x=0)の場合、bはMg濃度が18atom%(x=0.18)、cはMg濃度が35atom%(x=0.35)の場合、dはMg濃度が51atom%(x=0.51)、eはMg濃度が70atom%(x=0.70)の場合を示す。Mg濃度を高くすると、吸収端が短波長側へシフトしている様子がわかる。ここで、Mg濃度が35atom%の場合と51atom%の場合とでは、吸収端にあまり変化がみられなかった。後述のZnOベースの六方晶結晶へ固溶できる最大Mg濃度が35atom%程度であることから、Mg濃度が60atom%のMgOベースの立方晶結晶主体の膜へ変化するまでは、Mg濃度が35atom%程度の六方晶を主体とし、析出した立方晶が混在した膜になっているためであると考えられる。
透光性膜2は、表面に凹凸構造を有する表面テクスチャー構造を有する。この表面テクスチャー構造は、界面の屈折率を連続的に変化させ、反射防止効果により入射した太陽光をより多く半導体光電変換層4へ透過する役割を持つ。スパッタリング法によりZMOを堆積した場合、堆積後のZMO膜の表面は略平坦であるが、酸またはアルカリ溶液によるウェットエッチング、ドライエッチング、ブラスト、またはこれらの組み合わせからなる群から選択されるエッチング処理によって凹凸構造を形成することができる。
また、MOCVD法では成膜条件に依存するが成膜のみによって自己組織的に表面テクスチャー構造が形成される場合がある。このような場合にも、ZMO成膜後に酸またはアルカリ溶液を用いたウェットエッチング、ドライエッチング、ブラスト、またはこれらの組み合わせからなる群から選択されるエッチング処理により凹凸構造を変形してもよい。凹凸構造の隣接する凹部間または凸部間の平均間隔、および凹凸の平均高低差を光の波長よりも小さくすることにより、高い反射防止効果が得られるとともに、欠陥の少ない半導体光電変換層4を形成できるため高いFFおよびVocを得ることができる。
透光性膜2の凹凸構造形成後の膜厚は、0.02μm〜1.5μm程度がよい。光電変換効率の観点から、表面テクスチャー構造の二乗平均粗さ(RMS)は5nm〜100nm程度に最適化されることが好ましい。RMSが5nm未満である場合は、反射防止効果が低くなり、一方、100nm超である場合は、その上に積層される半導体光電変換層4に膜構造欠陥が入りやすくなるため、結果として高い光電変換効率は得られ難くなる。なお、本発明において、表面テクスチャー構造の粗さとは、凹凸構造のAFM観察データから算出したRMSの値である。透光性膜2は、光電変換効率を高める点で、光散乱効果の指標として知られる波長800nmにおけるヘイズ率((拡散透過率/全光線透過率)×100[%])が10%以下であることが好ましく、5%以下であることがより好ましい。ヘイズ率は、エッチング処理の時間により制御することができる。なお、本発明において、ヘイズ率の算出に用いた拡散透過率および全光線透過率は、積分球を備えた分光光度計により測定した値である。
ZnOの結晶構造はX線回折法(X−Ray Diffraction: XRD)により評価することができ、ZnO(002)ベースの六方晶のZMOでは2θ=34.4度付近に、MgO(111)ベースの立方晶のZMOでは2θ=36.8度付近にピークが現れる。これらのピーク強度を規格化し、比較することによって、結晶配向性を評価することができる。例として、図5にMg濃度を変化させてスパッタ成膜したZMO膜のXRDスペクトル、図6にウェットエッチング処理をおこなったZMO膜の走査電子顕微鏡(Scaning Electron Microscopy: SEM)像をそれぞれ示す。(a)はMg濃度が0atom%(x=0)の場合、(b)はMg濃度が18atom%(x=0.18)、(c)はMg濃度が35atom%(x=0.35)の場合、(d)はMg濃度が51atom%(x=0.51)、(e)はMg濃度が70atom%(x=0.70)の場合を示す。このときのMg濃度は、エネルギー分散型X線分光法(Energy Dispersive X−ray Spectroscopy: EDX)を用いて見積もられた。
図5および図6より、Mg濃度が35atom%以下のときには六方晶優先配向であり、サイズが100nm〜数μm程度の周期的な凹凸構造を有することがわかった、Mg濃度が51atom%のときには六方晶と立方晶とが混在しており、部分的に100nm〜数μm程度の周期的な凹凸構造が形成されることがわかった。ここで周期的とは、クレーター形状が面内で連続的に繋がっている様子をいうものとする。サイズはクレーターの直径を示す。
Mg濃度が70atom%のときには立方晶優先配向であった。Mg濃度が35atom%以下のときに見られたようなクレーター形状はなく、凹部間または凸部間の平均間隔および凹凸の平均高低差が100nm以下程度の凹凸構造となることがわかった。このように、上述の表面テクスチャー構造は、Mg濃度に起因したZMOの結晶構造の変化に対応していることがわかった。つまり、反射防止効果に優れ、欠陥の少ない半導体光電変換層4を形成できる表面テクスチャー構造を形成するためには、MgO(111)ベースの立方晶のZMOが優先配向していることが好ましいことがわかった。
以上の結果より、ウェットエッチング処理後のZMO膜は、六方晶構造に起因してクレーター形状の凹凸構造に変化し、立方晶構造に起因して凹部間または凸部間の平均間隔および凹凸の平均高低差が100nm以下程度の凹凸構造に変化することがわかった。
続いて、ZMO膜中のMg濃度とテクスチャー形状との詳細な相関を調べた。図7にウェットエッチング処理をおこなった(a)Mg濃度が41atom%のときのZMO膜、(b)Mg濃度が45atom%のときのZMO膜および(c)Mg濃度が60atom%のときのZMO膜のSEM像を示す。図7の(a)より、Mg濃度が41atom%の場合、ウェットエッチング処理により六方晶構造に起因したクレーター形状に変化することがわかったが、クレーター表面は滑らかではなく、粒状に荒れた構造が見られた。これは、おそらくMg濃度が41atom%のときには六方晶構造の中にごくわずかの立方晶構造が含まれているためと考えている。図7の(b)および(c)より、Mg濃度が45atom%および60atom%のときには、ウェットエッチング処理によりクレーター形状と100nm以下程度の凹凸構造とが混ざり合ったテクスチャー構造となったことから、Mg濃度が51atom%の場合と同様に六方晶と立方晶とが混在したZMO膜であることがわかった。図6および図7を比較することにより、Mg濃度が41atom%、45atom%および51atom%のときには六方晶主体の混晶構造であり、60atom%のときには立方晶主体の混晶構造であり、70atom%のときには立方晶構造であることがわかった。
透光性導電膜3は、透光性基板1から入射し、透光性膜2を透過した光を半導体光電変換層4へ透過させるとともに、基板の面に水平な方向の電気伝導を担う。透光性導電膜3は透光性膜2による短波長光の透過率向上効果をなるべく損なわないよう、透光性膜2よりも高い透光性を有する透光性導電酸化膜(以下、TCOと略記することがある)であることが好ましい。また、薄膜太陽電池の受光面側の電極として用いられるため、高い導電性を有する材料であることが好ましい。
具体的には、透光性導電膜3のシート抵抗は20Ω/□以下であればよく、10Ω/□以下であることが好ましい。高い導電性を有するTCOは、高いキャリア移動度および(または)高いキャリア濃度を有している必要があるが、キャリア濃度が高い場合には長波長光において自由キャリア吸収による光吸収が生じる。そのため、高い透光性と導電率とを両立する観点では高いキャリア移動度を有することが好ましい。一方、TCOのキャリア濃度が高いほど、バースティンモス(Burstein−Moss)効果により光吸収端波長は短波長側へシフトし、光学的バンドギャップは広くなるため、短波長光の透過性は向上する。この効果はTCOのキャリア移動度が高いほど顕著に現れる。透光性導電膜3のキャリア濃度は、上述の自由キャリア吸収と光吸収端シフトの両方を考慮し、薄膜太陽電池のJscが高くなるように半導体光電変換層4の感度波長領域に合わせて適宜調整されるとよい。
例えば、半導体光電変換層4が非晶質シリコンからなる場合、透光性導電膜3のキャリア濃度は5×1021cm−3以下であることが好ましく、5×1020cm−3以下であることがより好ましい。また、半導体光電変換層4が微結晶シリコンからなる場合、透光性導電膜3のキャリア濃度は5×1020cm−3以下であることが好ましく、2×1020cm−3以下であることがより好ましい。このように、半導体光電変換層4の光学的バンドギャップが広いほど、キャリア濃度が高くなるように調整するとよい。一方、導電性の観点からは、透光性導電膜3のキャリア濃度は1×1019cm−3以上であることが好ましい。透光性導電膜3は、酸化インジウム(In2O3)、酸化錫(SnO2)もしくは酸化チタン(TiO2)を主成分とする膜であることが好ましい。In2O3またはSnO2を主成分とする膜であれば、透光性基板1としてのガラス基板上に、ZnOよりもワイドバンドギャップ(3.4eV以上)且つ高移動度(50cm2/Vs程度)の膜として形成することができる。また、TiO2を主成分とする膜であれば、ZnOに対してバンドギャップが狭いため短波長光の光吸収はあるが、透光性膜2の屈折率(屈折率1.9程度)と半導体光電変換層4の屈折率(屈折率4.0程度)との間の屈折率(屈折率2.4程度)を有するため、反射防止効果により半導体光電変換層4へ透過する光を増加させることが可能となる。また、透光性導電膜3は、SnO2またはIn2O3上にTiO2を形成した積層膜で構成されてもよい。このような積層膜にすることにより、SnO2またはIn2O3で横方向の導電性を確保し、TiO2で反射防止効果を確保することになるので、TiO2による短波長光の吸収損失を最小限に抑えつつ、反射防止効果による透過光の増加を期待できる。
微結晶シリコンは波長1100nm程度まで長波長側に感度を持つが、非晶質シリコンは波長800nm程度までしか長波長光側に感度を持たないため、自由キャリア吸収の影響を受けにくい。その場合、キャリア濃度を高くして、光吸収端波長を短波長側へシフトさせた方が高いJscが得られる。一方、半導体光電変換層4が微結晶シリコン等の結晶系シリコンからなる場合、キャリア濃度がおおよそ2×1020cm−3以下であれば自由キャリア吸収の影響をほとんど受けなくなる。透光性導電膜3のキャリア濃度の下限は、自由キャリア吸収の影響を受けなくなる境界付近の濃度とするとよい。そうすることで、同じシート抵抗の膜を得るためにキャリア濃度および(または)膜厚を低減することができるため、光吸収損失をより低くすることができる。
また、透光性膜2は、ZnOよりもワイドバンドギャップであることを特徴とする。そのため、透光性導電膜3は透光性膜2の光透過性を損なわないよう、ZnOのバンドギャップ(3.4eV)よりも広いワイドバンドギャップであることが好ましい。さらに、透光性導電膜3は透光性膜2のバンドギャップよりも広いワイドバンドギャップを有している方が、より多くの光を半導体光電変換層4へ透過させることができるため好ましいが、必須ではない。
透光性導電膜3は、スパッタリング法、熱CVD法、低圧CVD法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、原子層堆積法、CVD法、低圧CVD法、有機金属化学気相成長(MOCVD)法、ゾルゲル法、パルスレーザー堆積(PLD)法、印刷法、塗布法等により形成される。透光性導電膜3はドーピング不純物を含んでもよい。ドーピング不純物としては、TCOに対するドーピング不純物として公知の元素、例えば、H、Sn、Ti、Mo、Si、Ce、W、Zr、F、Sb、Ga、Ta等が挙げられる。In2O3はドーピング不純物としてHまたはSnを用いることにより、200℃以下の低温プロセスでも高いキャリア移動度の膜を形成できることが知られている。SnO2はドーピング不純物としてFまたはTaを用いることにより、高いキャリア移動度の膜を形成できることが知られている。
半導体光電変換層4は、pin接合を有するシリコン系薄膜半導体層からなり、透光性基板1の主面に略平行なp型半導体層4a、i型半導体層4bおよびn型半導体層4cが順次積層されたpin半導体接合を含んでいる。ここで、シリコン系薄膜半導体層は、シリコン半導体、またはシリコンに炭素、ゲルマニウムおよび酸素からなる群から選択される少なくとも1つが添加された薄膜から構成することができる。この半導体光電変換層4は、プラズマCVD法または熱CVD法等を用いて堆積形成される。
また、半導体光電変換層4における各層の接合特性を改善するため、p型半導体層4aとi型半導体層4bとの間、i型半導体層4bとn型半導体層4cとの間に、各接合層のバンドギャップの中間、または同等の大きさのバンドギャップを有する非単結晶シリコン(Si)層、非単結晶炭化シリコン(SiyC1−y)層、非単結晶酸化シリコン(SiyO1−y)層、非単結晶シリコンゲルマニウム(SiyGe1−y)層等の半導体層を介在させてもよい。すなわち、p型半導体層4aとi型半導体層4bとの間には、p型半導体層4aのバンドギャップとi型半導体層4bのバンドギャップの中間、または同等の大きさのバンドギャップを有する非単結晶Si層、非単結晶SiyC1−y層、非単結晶SiyO1−y層、非単結晶SiyGe1−y層等の半導体層を介在させてもよい。同様に、i型半導体層4bとn型半導体層4cとの間には、i型半導体層4bのバンドギャップとn型半導体層4cのバンドギャップの中間、または同等の大きさのバンドギャップを有する非単結晶Si層、非単結晶SiyC1−y層、非単結晶SiyO1−y層、非単結晶SiyGe1−y層等の半導体層を介在させてもよい。ここで、yは、0<y<1の関係を満たす。
裏面電極層5は、高反射率および導電性を有する、Ag、Al、Au、Cu、Ni、Rh、Pt、Pr、Ti、Cr、Mo等から選択される少なくとも1以上の元素または合金からなる層により構成される。裏面電極層5は、スパッタリング法、真空蒸着法、印刷法、塗布法等により形成される。なお、これらの裏面電極層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ることができる。
また、裏面電極層5は、ZnO、SnO2、In2O3およびTiO2からなる群から選択される少なくとも1つを主材料とするTCO層と、前述の高反射率および導電性を有する層との積層構造であってもよい。その場合、TCO層は半導体光電変換層4と接するように配置される。TCO層は、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、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。これらのTCOにはドーピング不純物としてH、Sn、Ti、Mo、Si、Ce、W、Zr、F、Sb、Nb、Ga、Ta等から選択した少なくとも1以上の元素を添加していてもよい。
また、裏面電極層5は、下地層の形状とは異なる形状の凹凸構造を有していてもよい。その場合、上述のTCO層に凹凸構造が形成されるとよい。このTCO層に入射光の波長と同程度以上の凹凸構造を形成することにより、光散乱性を付与することができるため、光閉じ込め効果を高めることが可能になる。本発明の薄膜太陽電池における透光性膜2は、上述のように、反射防止効果は有するが、光散乱性はほとんどない。そのため、裏面電極層5に光散乱性を付与することにより、光閉じ込め効果を高めることが好ましい。裏面電極層5は半導体光電変換層4の上に形成されるため、裏面電極層5の凹凸構造が半導体光電変換層4への欠陥生成には影響を与えることはなく、サイズの大きな凹凸構造であっても高いFFおよびVocを得ることができる。このとき、裏面電極層5として、サイズと表面粗さの大きいTCO層とAgからなる層との積層構造を形成した場合、Ag層の受光面側の表面粗さに起因して波長400nm付近を中心としたプラズモン吸収が生じる場合がある。
また、このTCO層のシート抵抗が20Ω/□以下である場合、TCO層上に積層される層は高反射率を有していればよく、導電性がなくてもよい。例えば、高反射率と導電性を有する層の代わりにTiO2、ZnO、SiO2等の微粒子を主材料とする白色塗料等を形成することにより、高反射率だけではなく光散乱効果も得られ、半導体光電変換層4の光吸収率を高めることができる。また、白色塗料等を用いる場合は、TCO層上にAgを形成しないため、上述のAgのプラズモン吸収もなくなる。つまり、裏面電極層5として、サイズと表面粗さの大きいTCO層を用いる場合には、Ag以外の金属、または白色塗料等を用いることが好ましい。
以上の実施の形態で述べたように、本発明の薄膜太陽電池では、特定の凹凸構造および結晶構造を有するZMO膜と透光性導電膜との積層構造を用いることにより、優れた光透過性と導電性を両立することができるため、短波長光だけではなく長波長光においても分光感度を向上させたうえで、高いFFを実現することが可能となり、結果として光電変換効率を向上させることができる。ここでは、本発明の実施の形態を1つの半導体光電変換層を有する薄膜太陽電池を例にとって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の目的を逸脱しない限り任意の形態とすることができる。
つまり、本発明は、例えば1つの半導体光電変換層からなる薄膜太陽電池に限定されることもなく、半導体光電変換層が2つ以上積層されたタンデム型の薄膜太陽電池にも適用できる。
また、本発明はSi系半導体光電変換層を有する薄膜太陽電池に限定されるものではなく、透光性導電膜として各種材料からなる半導体光電変換層を有する光電変換装置に適用することができる。例えば、色素増感太陽電池や有機薄膜太陽電池といった有機系太陽電池の透光性導電膜としても適用することができる。
また、本発明はSi系半導体光電変換層を有する薄膜太陽電池に限定されるものではなく、透光性導電膜として各種材料からなる半導体光電変換層を有する光電変換装置に適用することができる。例えば、色素増感太陽電池や有機薄膜太陽電池といった有機系太陽電池の透光性導電膜としても適用することができる。
<実施例1>
実施例1では、第1の電極を、ZMOからなる透光性膜と、In2O3からなる透光性導電膜との積層膜で構成した薄膜太陽電池セルを作製した。実施例1では、透光性膜を成膜後、エッチング処理により凹凸構造を形成した。
具体的には、まず、透光性基板1として、100mm×100mmの大きさで厚さが0.6mmのガラス基板を用意した。
ガラス基板上に、透光性膜2として、成膜圧力0.2Pa、基板温度400℃の条件下で、AlをドープしたZnOとMgOとの同時スパッタリング法により膜厚1μmのZMOを成膜した。このとき、ZMO膜中のZnに対するMgの組成比は70atom%(x=0.70)であった。また、ZMOは主として立方晶の結晶構造を有していた。
次に、0.5%に希釈された塩酸を用いて、透光性膜2としてのZMO膜のエッチング処理を120秒間実施することにより、凹凸構造を有する表面テクスチャー構造を形成(図2(a)における受光面Aの反対側の面である裏面Bにテクスチャー2Tを形成)した。このとき、透光性膜2の膜厚は700nm程度であり、波長800nmにおけるヘイズ率は5%程度であった。また、透光性膜2の表面には、隣接する凹部間または凸部間の平均距離が100nm程度であり、凹凸の平均高低差が50nm程度のテクスチャーが形成されていた。
次に、透光性膜2上に、透光性導電膜3として、ArガスとO2ガスとH2ガスとを導入し、成膜圧力0.2Paとして、ITO(10質量%SnO2)を室温でスパッタ成膜することにより、膜厚300nmのITO膜を成膜した。このとき、ITO膜は非晶質であった。その後、大気中において200℃で30分間のアニール処理を実施することにより、ITO膜の結晶化をおこなった。このとき、ITO膜は、非晶質と結晶質との混合膜であった。透光性導電膜3のシート抵抗は8Ω/□程度であった。次に、ITO膜上には半導体光電変換層4の成膜中の水素プラズマ雰囲気に対する還元防止膜として、膜厚20nmのZnOをスパッタリングにより形成した。
次に、還元防止膜上に、プラズマCVD法により、半導体光電変換層4を構成するp型半導体層4aとして、膜厚10nmのp型微結晶シリコン層を形成した。
そして、p型半導体層4a上に、プラズマCVD法により、i型半導体層4bとして、膜厚2.5μmのi型微結晶シリコン層を形成し、さらに、n型半導体層4cとして、膜厚20nmのn型微結晶シリコン層を形成した。
次に、裏面電極層5として、ドーピング不純物としてAl原子を2×1020cm−3程度ドープしたZnO膜をスパッタリング法により膜厚100nmで成膜した後、膜厚300nmの銀をスパッタリング法で堆積して薄膜太陽電池セルを作製した。
実施例1では、第1の電極を、ZMOからなる透光性膜と、In2O3からなる透光性導電膜との積層膜で構成した薄膜太陽電池セルを作製した。実施例1では、透光性膜を成膜後、エッチング処理により凹凸構造を形成した。
具体的には、まず、透光性基板1として、100mm×100mmの大きさで厚さが0.6mmのガラス基板を用意した。
ガラス基板上に、透光性膜2として、成膜圧力0.2Pa、基板温度400℃の条件下で、AlをドープしたZnOとMgOとの同時スパッタリング法により膜厚1μmのZMOを成膜した。このとき、ZMO膜中のZnに対するMgの組成比は70atom%(x=0.70)であった。また、ZMOは主として立方晶の結晶構造を有していた。
次に、0.5%に希釈された塩酸を用いて、透光性膜2としてのZMO膜のエッチング処理を120秒間実施することにより、凹凸構造を有する表面テクスチャー構造を形成(図2(a)における受光面Aの反対側の面である裏面Bにテクスチャー2Tを形成)した。このとき、透光性膜2の膜厚は700nm程度であり、波長800nmにおけるヘイズ率は5%程度であった。また、透光性膜2の表面には、隣接する凹部間または凸部間の平均距離が100nm程度であり、凹凸の平均高低差が50nm程度のテクスチャーが形成されていた。
次に、透光性膜2上に、透光性導電膜3として、ArガスとO2ガスとH2ガスとを導入し、成膜圧力0.2Paとして、ITO(10質量%SnO2)を室温でスパッタ成膜することにより、膜厚300nmのITO膜を成膜した。このとき、ITO膜は非晶質であった。その後、大気中において200℃で30分間のアニール処理を実施することにより、ITO膜の結晶化をおこなった。このとき、ITO膜は、非晶質と結晶質との混合膜であった。透光性導電膜3のシート抵抗は8Ω/□程度であった。次に、ITO膜上には半導体光電変換層4の成膜中の水素プラズマ雰囲気に対する還元防止膜として、膜厚20nmのZnOをスパッタリングにより形成した。
次に、還元防止膜上に、プラズマCVD法により、半導体光電変換層4を構成するp型半導体層4aとして、膜厚10nmのp型微結晶シリコン層を形成した。
そして、p型半導体層4a上に、プラズマCVD法により、i型半導体層4bとして、膜厚2.5μmのi型微結晶シリコン層を形成し、さらに、n型半導体層4cとして、膜厚20nmのn型微結晶シリコン層を形成した。
次に、裏面電極層5として、ドーピング不純物としてAl原子を2×1020cm−3程度ドープしたZnO膜をスパッタリング法により膜厚100nmで成膜した後、膜厚300nmの銀をスパッタリング法で堆積して薄膜太陽電池セルを作製した。
このように作製した薄膜太陽電池セルのセル特性を評価した結果、変換効率(η)は9.5%、短絡電流密度(Jsc)は22.5mA/cm2、開放端電圧(Voc)は0.54V、フィルファクター(FF)は0.78であった。
<実施例2>
透光性膜2をMg組成比が60atom%のZMO膜で構成したこと以外は実施例1と同様にして薄膜太陽電池セルを作製した。
具体的には、まず、透光性基板1として、100mm×100mmの大きさで厚さが0.6mmのガラス基板を用意した。
ガラス基板上に、透光性膜2として、成膜圧力0.2Pa、基板温度400℃の条件下で、AlをドープしたZnOとMgOとの同時スパッタリング法により膜厚1μmのZMOを成膜した。このとき、ZMO膜中のZnに対するMgの組成比は60atom%(x=0.60)であった。また、ZMOは主として立方晶の結晶構造を有していた。
次に、0.5%に希釈された塩酸を用いて、透光性膜2としてのZMO膜のエッチング処理を120秒間実施することにより、凹凸構造を有する表面テクスチャー構造を形成(図2(a)における受光面Aの反対側の面である裏面Bにテクスチャー2Tを形成)した。このとき、透光性膜2の膜厚は600nm程度であり、波長800nmにおけるヘイズ率は10%程度であった。また、透光性膜2の表面の大部分には、隣接する凹部間または凸部間の平均距離が100nm程度であり、凹凸の平均高低差が50nm程度のテクスチャーが形成されていた。透光性膜2の表面の一部には、六方晶構造のZMOと思われる結晶粒が見られた。
次に、透光性膜2上に、透光性導電膜3として、ArガスとO2ガスとH2ガスとを導入し、成膜圧力0.2Paとして、ITO(10質量%SnO2)を室温でスパッタ成膜することにより、膜厚300nmのITO膜を成膜した。このとき、ITO膜は非晶質であった。その後、大気中において200℃で30分間のアニール処理を実施することにより、ITO膜の結晶化をおこなった。このとき、ITO膜は、非晶質と結晶質との混合膜であった。透光性導電膜3のシート抵抗は10Ω/□程度であった。次に、ITO膜上には半導体光電変換層4の成膜中の水素プラズマ雰囲気に対する還元防止膜として、膜厚20nmのZnOをスパッタリングにより形成した。
次に、還元防止膜上に、プラズマCVD法により、半導体光電変換層4を構成するp型半導体層4aとして、膜厚10nmのp型微結晶シリコン層を形成した。
そして、p型半導体層4a上に、プラズマCVD法により、i型半導体層4bとして、膜厚2.5μmのi型微結晶シリコン層を形成し、さらに、n型半導体層4cとして、膜厚20nmのn型微結晶シリコン層を形成した。
次に、裏面電極層5として、ドーピング不純物としてAl原子を2×1020cm−3程度ドープしたZnO膜をスパッタリング法により膜厚100nmで成膜した後、膜厚300nmの銀をスパッタリング法で堆積して薄膜太陽電池セルを作製した。
透光性膜2をMg組成比が60atom%のZMO膜で構成したこと以外は実施例1と同様にして薄膜太陽電池セルを作製した。
具体的には、まず、透光性基板1として、100mm×100mmの大きさで厚さが0.6mmのガラス基板を用意した。
ガラス基板上に、透光性膜2として、成膜圧力0.2Pa、基板温度400℃の条件下で、AlをドープしたZnOとMgOとの同時スパッタリング法により膜厚1μmのZMOを成膜した。このとき、ZMO膜中のZnに対するMgの組成比は60atom%(x=0.60)であった。また、ZMOは主として立方晶の結晶構造を有していた。
次に、0.5%に希釈された塩酸を用いて、透光性膜2としてのZMO膜のエッチング処理を120秒間実施することにより、凹凸構造を有する表面テクスチャー構造を形成(図2(a)における受光面Aの反対側の面である裏面Bにテクスチャー2Tを形成)した。このとき、透光性膜2の膜厚は600nm程度であり、波長800nmにおけるヘイズ率は10%程度であった。また、透光性膜2の表面の大部分には、隣接する凹部間または凸部間の平均距離が100nm程度であり、凹凸の平均高低差が50nm程度のテクスチャーが形成されていた。透光性膜2の表面の一部には、六方晶構造のZMOと思われる結晶粒が見られた。
次に、透光性膜2上に、透光性導電膜3として、ArガスとO2ガスとH2ガスとを導入し、成膜圧力0.2Paとして、ITO(10質量%SnO2)を室温でスパッタ成膜することにより、膜厚300nmのITO膜を成膜した。このとき、ITO膜は非晶質であった。その後、大気中において200℃で30分間のアニール処理を実施することにより、ITO膜の結晶化をおこなった。このとき、ITO膜は、非晶質と結晶質との混合膜であった。透光性導電膜3のシート抵抗は10Ω/□程度であった。次に、ITO膜上には半導体光電変換層4の成膜中の水素プラズマ雰囲気に対する還元防止膜として、膜厚20nmのZnOをスパッタリングにより形成した。
次に、還元防止膜上に、プラズマCVD法により、半導体光電変換層4を構成するp型半導体層4aとして、膜厚10nmのp型微結晶シリコン層を形成した。
そして、p型半導体層4a上に、プラズマCVD法により、i型半導体層4bとして、膜厚2.5μmのi型微結晶シリコン層を形成し、さらに、n型半導体層4cとして、膜厚20nmのn型微結晶シリコン層を形成した。
次に、裏面電極層5として、ドーピング不純物としてAl原子を2×1020cm−3程度ドープしたZnO膜をスパッタリング法により膜厚100nmで成膜した後、膜厚300nmの銀をスパッタリング法で堆積して薄膜太陽電池セルを作製した。
このように作製した薄膜太陽電池セルのセル特性を評価した結果、変換効率(η)は8.6%、短絡電流密度(Jsc)は22.4mA/cm2、開放端電圧(Voc)は0.52V、フィルファクター(FF)は0.74であった。実施例2では、実施例1のMg濃度が70atom%のZMOを用いた場合と比較して、Jsc、VocおよびFFが低く、光電変換効率の低下が見られた。
<実施例3>
透光性膜2をMg組成比が100atom%のZMO膜、つまりMgOで構成したこと以外は実施例1と同様にして薄膜太陽電池セルを作製した。
具体的には、まず、透光性基板1として、100mm×100mmの大きさで厚さが0.6mmのガラス基板を用意した。
ガラス基板上に、透光性膜2として、成膜圧力0.2Pa、基板温度400℃の条件下で、MgOのスパッタリング法により膜厚1μmのMgOを成膜した。このとき、MgOは立方晶構造を有していた。
次に、0.5%に希釈された塩酸を用いて、透光性膜2としてのZMO膜のエッチング処理を120秒間実施することにより、凹凸構造を有する表面テクスチャー構造を形成(図2(a)における受光面Aの反対側の面である裏面Bにテクスチャー2Tを形成)した。このとき、透光性膜2の膜厚は800nm程度であり、波長800nmにおけるヘイズ率は5%程度であった。また、透光性膜2の表面の大部分には、隣接する凹部間または凸部間の平均距離が100nm程度であり、凹凸の平均高低差が50nm程度のテクスチャーが形成されていた。
次に、透光性膜2上に、透光性導電膜3として、ArガスとO2ガスとH2ガスとを導入し、成膜圧力0.2Paとして、ITO(10質量%SnO2)を室温でスパッタ成膜することにより、膜厚300nmのITO膜を成膜した。このとき、ITO膜は非晶質であった。その後、大気中において200℃で30分間のアニール処理を実施することにより、ITO膜の結晶化をおこなった。このとき、ITO膜は、非晶質と結晶質との混合膜であった。透光性導電膜3のシート抵抗は8Ω/□程度であった。次に、ITO膜上には半導体光電変換層4の成膜中の水素プラズマ雰囲気に対する還元防止膜として、膜厚20nmのZnOをスパッタリングにより形成した。
次に、還元防止膜上に、プラズマCVD法により、半導体光電変換層4を構成するp型半導体層4aとして、膜厚10nmのp型微結晶シリコン層を形成した。
そして、p型半導体層4a上に、プラズマCVD法により、i型半導体層4bとして、膜厚2.5μmのi型微結晶シリコン層を形成し、さらに、n型半導体層4cとして、膜厚20nmのn型微結晶シリコン層を形成した。
次に、裏面電極層5として、ドーピング不純物としてAl原子を2×1020cm−3程度ドープしたZnO膜をスパッタリング法により膜厚100nmで成膜した後、膜厚300nmの銀をスパッタリング法で堆積して薄膜太陽電池セルを作製した。
透光性膜2をMg組成比が100atom%のZMO膜、つまりMgOで構成したこと以外は実施例1と同様にして薄膜太陽電池セルを作製した。
具体的には、まず、透光性基板1として、100mm×100mmの大きさで厚さが0.6mmのガラス基板を用意した。
ガラス基板上に、透光性膜2として、成膜圧力0.2Pa、基板温度400℃の条件下で、MgOのスパッタリング法により膜厚1μmのMgOを成膜した。このとき、MgOは立方晶構造を有していた。
次に、0.5%に希釈された塩酸を用いて、透光性膜2としてのZMO膜のエッチング処理を120秒間実施することにより、凹凸構造を有する表面テクスチャー構造を形成(図2(a)における受光面Aの反対側の面である裏面Bにテクスチャー2Tを形成)した。このとき、透光性膜2の膜厚は800nm程度であり、波長800nmにおけるヘイズ率は5%程度であった。また、透光性膜2の表面の大部分には、隣接する凹部間または凸部間の平均距離が100nm程度であり、凹凸の平均高低差が50nm程度のテクスチャーが形成されていた。
次に、透光性膜2上に、透光性導電膜3として、ArガスとO2ガスとH2ガスとを導入し、成膜圧力0.2Paとして、ITO(10質量%SnO2)を室温でスパッタ成膜することにより、膜厚300nmのITO膜を成膜した。このとき、ITO膜は非晶質であった。その後、大気中において200℃で30分間のアニール処理を実施することにより、ITO膜の結晶化をおこなった。このとき、ITO膜は、非晶質と結晶質との混合膜であった。透光性導電膜3のシート抵抗は8Ω/□程度であった。次に、ITO膜上には半導体光電変換層4の成膜中の水素プラズマ雰囲気に対する還元防止膜として、膜厚20nmのZnOをスパッタリングにより形成した。
次に、還元防止膜上に、プラズマCVD法により、半導体光電変換層4を構成するp型半導体層4aとして、膜厚10nmのp型微結晶シリコン層を形成した。
そして、p型半導体層4a上に、プラズマCVD法により、i型半導体層4bとして、膜厚2.5μmのi型微結晶シリコン層を形成し、さらに、n型半導体層4cとして、膜厚20nmのn型微結晶シリコン層を形成した。
次に、裏面電極層5として、ドーピング不純物としてAl原子を2×1020cm−3程度ドープしたZnO膜をスパッタリング法により膜厚100nmで成膜した後、膜厚300nmの銀をスパッタリング法で堆積して薄膜太陽電池セルを作製した。
このように作製した薄膜太陽電池セルのセル特性を評価した結果、変換効率(η)は9.4%、短絡電流密度(Jsc)は22.7mA/cm2、開放端電圧(Voc)は0.54V、フィルファクター(FF)は0.77であった。実施例3では、実施例1のMg濃度が70atom%のZMOを用いた場合と比較して、同等の光電変換効率が得られた。
<実施例4>
透光性膜2をMg組成比が51atom%のZMO膜で構成したこと以外は実施例1と同様にして薄膜太陽電池セルを作製した。
具体的には、まず、透光性基板1として、100mm×100mmの大きさで厚さが0.6mmのガラス基板を用意した。
ガラス基板上に、透光性膜2として、成膜圧力0.2Pa、基板温度400℃の条件下で、AlをドープしたZnOとMgOとの同時スパッタリング法により膜厚1μmのZMOを成膜した。このとき、ZMO膜中のZnに対するMgの組成比は51atom%(x=0.51)であった。また、ZMOは六方晶と立方晶の混晶構造を有していた。
次に、0.5%に希釈された塩酸を用いて、透光性膜2としてのZMO膜のエッチング処理を120秒間実施することにより、凹凸構造を有する表面テクスチャー構造を形成(図2(a)における受光面Aの反対側の面である裏面Bにテクスチャー2Tを形成)した。このとき、透光性膜2の膜厚は600nm程度であり、波長800nmにおけるヘイズ率は12%程度であった。また、透光性膜2の表面には、クレーター形状のテクスチャーと、隣接する凹部間または凸部間の平均距離が100nm程度であり、凹凸の平均高低差が50nm程度のテクスチャーとが混在したテクスチャーが形成されていた。
次に、透光性膜2上に、透光性導電膜3として、ArガスとO2ガスとH2ガスとを導入し、成膜圧力0.2Paとして、ITO(10質量%SnO2)を室温でスパッタ成膜することにより、膜厚300nmのITO膜を成膜した。このとき、ITO膜は非晶質であった。その後、大気中において200℃で30分間のアニール処理を実施することにより、ITO膜の結晶化をおこなった。このとき、ITO膜は、非晶質と結晶質との混合膜であった。透光性導電膜3のシート抵抗は8Ω/□程度であった。次に、ITO膜上には半導体光電変換層4の成膜中の水素プラズマ雰囲気に対する還元防止膜として、膜厚20nmのZnOをスパッタリングにより形成した。
次に、還元防止膜上に、プラズマCVD法により、半導体光電変換層4を構成するp型半導体層4aとして、膜厚10nmのp型微結晶シリコン層を形成した。
そして、p型半導体層4a上に、プラズマCVD法により、i型半導体層4bとして、膜厚2.5μmのi型微結晶シリコン層を形成し、さらに、n型半導体層4cとして、膜厚20nmのn型微結晶シリコン層を形成した。
次に、裏面電極層5として、ドーピング不純物としてAl原子を2×1020cm−3程度ドープしたZnO膜をスパッタリング法により膜厚100nmで成膜した後、膜厚300nmの銀をスパッタリング法で堆積して薄膜太陽電池セルを作製した。
透光性膜2をMg組成比が51atom%のZMO膜で構成したこと以外は実施例1と同様にして薄膜太陽電池セルを作製した。
具体的には、まず、透光性基板1として、100mm×100mmの大きさで厚さが0.6mmのガラス基板を用意した。
ガラス基板上に、透光性膜2として、成膜圧力0.2Pa、基板温度400℃の条件下で、AlをドープしたZnOとMgOとの同時スパッタリング法により膜厚1μmのZMOを成膜した。このとき、ZMO膜中のZnに対するMgの組成比は51atom%(x=0.51)であった。また、ZMOは六方晶と立方晶の混晶構造を有していた。
次に、0.5%に希釈された塩酸を用いて、透光性膜2としてのZMO膜のエッチング処理を120秒間実施することにより、凹凸構造を有する表面テクスチャー構造を形成(図2(a)における受光面Aの反対側の面である裏面Bにテクスチャー2Tを形成)した。このとき、透光性膜2の膜厚は600nm程度であり、波長800nmにおけるヘイズ率は12%程度であった。また、透光性膜2の表面には、クレーター形状のテクスチャーと、隣接する凹部間または凸部間の平均距離が100nm程度であり、凹凸の平均高低差が50nm程度のテクスチャーとが混在したテクスチャーが形成されていた。
次に、透光性膜2上に、透光性導電膜3として、ArガスとO2ガスとH2ガスとを導入し、成膜圧力0.2Paとして、ITO(10質量%SnO2)を室温でスパッタ成膜することにより、膜厚300nmのITO膜を成膜した。このとき、ITO膜は非晶質であった。その後、大気中において200℃で30分間のアニール処理を実施することにより、ITO膜の結晶化をおこなった。このとき、ITO膜は、非晶質と結晶質との混合膜であった。透光性導電膜3のシート抵抗は8Ω/□程度であった。次に、ITO膜上には半導体光電変換層4の成膜中の水素プラズマ雰囲気に対する還元防止膜として、膜厚20nmのZnOをスパッタリングにより形成した。
次に、還元防止膜上に、プラズマCVD法により、半導体光電変換層4を構成するp型半導体層4aとして、膜厚10nmのp型微結晶シリコン層を形成した。
そして、p型半導体層4a上に、プラズマCVD法により、i型半導体層4bとして、膜厚2.5μmのi型微結晶シリコン層を形成し、さらに、n型半導体層4cとして、膜厚20nmのn型微結晶シリコン層を形成した。
次に、裏面電極層5として、ドーピング不純物としてAl原子を2×1020cm−3程度ドープしたZnO膜をスパッタリング法により膜厚100nmで成膜した後、膜厚300nmの銀をスパッタリング法で堆積して薄膜太陽電池セルを作製した。
このように作製した薄膜太陽電池セルのセル特性を評価した結果、変換効率(η)は7.9%、短絡電流密度(Jsc)は21.5mA/cm2、開放端電圧(Voc)は0.52V、フィルファクター(FF)は0.71であった。実施例4では、実施例1のMg濃度が70atom%のZMOを用いた場合と比較して、Jsc、VocおよびFFが低く、光電変換効率の低下が見られた。
<実施例5>
透光性導電膜3をSnO2系膜で構成したこと以外は実施例1と同様にして薄膜太陽電池セルを作製した。
具体的には、まず、透光性基板1として、100mm×100mmの大きさで厚さが0.6mmのガラス基板を用意した。
ガラス基板上に、透光性膜2として、成膜圧力0.2Pa、基板温度400℃の条件下で、AlをドープしたZnOとMgOとの同時スパッタリング法により膜厚1μmのZMOを成膜した。このとき、ZMO膜中のZnに対するMgの組成比は70atom%(x=0.70)であった。また、ZMOは主として立方晶の結晶構造を有していた。
次に、0.5%に希釈された塩酸を用いて、透光性膜2としてのZMO膜のエッチング処理を120秒間実施することにより、凹凸構造を有する表面テクスチャー構造を形成(図2(a)における受光面Aの反対側の面である裏面Bにテクスチャー2Tを形成)した。このとき、透光性膜2の膜厚は700nm程度であり、波長800nmにおけるヘイズ率は5%程度であった。また、透光性膜2の表面には、隣接する凹部間または凸部間の平均距離が100nm程度であり、凹凸の平均高低差が50nm程度のテクスチャーが形成されていた。
次に、透光性膜2上に、透光性導電膜3として、成膜圧力100Pa、基板温度400℃とし、Arを用いたバブリングにより気化させた四塩化錫(SnCl4)およびH2Oと、自然気化させたフッ化水素(HF)とを原料に用いたLPCVD法により、膜厚300nmのフッ素ドープSnO2膜を形成した。透光性導電膜3のシート抵抗は10Ω/□であった。次に、フッ素ドープSnO2膜上には半導体光電変換層4の成膜中の水素プラズマ雰囲気に対する還元防止膜として、膜厚20nmのZnOをスパッタリングにより形成した。
次に、還元防止膜上に、プラズマCVD法により、半導体光電変換層4を構成するp型半導体層4aとして、膜厚10nmのp型微結晶シリコン層を形成した。
そして、p型半導体層4a上に、プラズマCVD法により、i型半導体層4bとして、膜厚2.5μmのi型微結晶シリコン層を形成し、さらに、n型半導体層4cとして、膜厚20nmのn型微結晶シリコン層を形成した。
次に、裏面電極層5として、ドーピング不純物としてAl原子を2×1020cm−3程度ドープしたZnO膜をスパッタリング法により膜厚100nmで成膜した後、膜厚300nmの銀をスパッタリング法で堆積して薄膜太陽電池セルを作製した。
透光性導電膜3をSnO2系膜で構成したこと以外は実施例1と同様にして薄膜太陽電池セルを作製した。
具体的には、まず、透光性基板1として、100mm×100mmの大きさで厚さが0.6mmのガラス基板を用意した。
ガラス基板上に、透光性膜2として、成膜圧力0.2Pa、基板温度400℃の条件下で、AlをドープしたZnOとMgOとの同時スパッタリング法により膜厚1μmのZMOを成膜した。このとき、ZMO膜中のZnに対するMgの組成比は70atom%(x=0.70)であった。また、ZMOは主として立方晶の結晶構造を有していた。
次に、0.5%に希釈された塩酸を用いて、透光性膜2としてのZMO膜のエッチング処理を120秒間実施することにより、凹凸構造を有する表面テクスチャー構造を形成(図2(a)における受光面Aの反対側の面である裏面Bにテクスチャー2Tを形成)した。このとき、透光性膜2の膜厚は700nm程度であり、波長800nmにおけるヘイズ率は5%程度であった。また、透光性膜2の表面には、隣接する凹部間または凸部間の平均距離が100nm程度であり、凹凸の平均高低差が50nm程度のテクスチャーが形成されていた。
次に、透光性膜2上に、透光性導電膜3として、成膜圧力100Pa、基板温度400℃とし、Arを用いたバブリングにより気化させた四塩化錫(SnCl4)およびH2Oと、自然気化させたフッ化水素(HF)とを原料に用いたLPCVD法により、膜厚300nmのフッ素ドープSnO2膜を形成した。透光性導電膜3のシート抵抗は10Ω/□であった。次に、フッ素ドープSnO2膜上には半導体光電変換層4の成膜中の水素プラズマ雰囲気に対する還元防止膜として、膜厚20nmのZnOをスパッタリングにより形成した。
次に、還元防止膜上に、プラズマCVD法により、半導体光電変換層4を構成するp型半導体層4aとして、膜厚10nmのp型微結晶シリコン層を形成した。
そして、p型半導体層4a上に、プラズマCVD法により、i型半導体層4bとして、膜厚2.5μmのi型微結晶シリコン層を形成し、さらに、n型半導体層4cとして、膜厚20nmのn型微結晶シリコン層を形成した。
次に、裏面電極層5として、ドーピング不純物としてAl原子を2×1020cm−3程度ドープしたZnO膜をスパッタリング法により膜厚100nmで成膜した後、膜厚300nmの銀をスパッタリング法で堆積して薄膜太陽電池セルを作製した。
作製した薄膜太陽電池セルのセル特性を評価した結果、変換効率(η)は9.2%、短絡電流密度(Jsc)は22.2mA/cm2、開放端電圧(Voc)は0.53V、フィルファクター(FF)は0.78であった。実施例5では、実施例1の透光性導電膜3としてITOを用いた場合と比較して、同等の光電変換効率が得られた。
<比較例1>
透光性膜2を、Mgを含有しないAlをドープしたZnO膜で構成し、且つ透光性導電膜3の形成を省略したこと以外は実施例1と同様にして薄膜太陽電池セルを作製した。
具体的には、まず、透光性基板1として、100mm×100mmの大きさで厚さが0.6mmのガラス基板を用意した。
ガラス基板上に、透光性膜2として、Arを導入した成膜チャンバ内で1質量%のAl2O3を含有するZnOターゲットをスパッタリングすることにより膜厚1μmのAlドープZnOを成膜した。
次に、0.5%に希釈された塩酸を用いて、透光性膜2としてのAlドープZnO膜のエッチング処理を30秒間実施することにより、凹凸構造を形成した。AlドープZnO膜のキャリア濃度は3×1020cm−3、シート抵抗は10Ω/□、波長800nmにおけるヘイズ率は50%であった。次に、AlドープZnO膜上には半導体光電変換層4の成膜中の水素プラズマ雰囲気に対する還元防止膜として、膜厚20nmのZnOをスパッタリングにより形成した。
次に、還元防止膜上に、プラズマCVD法により、半導体光電変換層4を構成するp型半導体層4aとして、膜厚10nmのp型微結晶シリコン層を形成した。
そして、p型半導体層4a上に、プラズマCVD法により、i型半導体層4bとして、膜厚2.5μmのi型微結晶シリコン層を形成し、さらに、n型半導体層4cとして、膜厚20nmのn型微結晶シリコン層を形成した。
次に、裏面電極層5として、ドーピング不純物としてAl原子を2×1020cm−3程度ドープしたZnO膜をスパッタリング法により膜厚100nmで成膜した後、膜厚300nmの銀をスパッタリング法で堆積して薄膜太陽電池セルを作製した。
透光性膜2を、Mgを含有しないAlをドープしたZnO膜で構成し、且つ透光性導電膜3の形成を省略したこと以外は実施例1と同様にして薄膜太陽電池セルを作製した。
具体的には、まず、透光性基板1として、100mm×100mmの大きさで厚さが0.6mmのガラス基板を用意した。
ガラス基板上に、透光性膜2として、Arを導入した成膜チャンバ内で1質量%のAl2O3を含有するZnOターゲットをスパッタリングすることにより膜厚1μmのAlドープZnOを成膜した。
次に、0.5%に希釈された塩酸を用いて、透光性膜2としてのAlドープZnO膜のエッチング処理を30秒間実施することにより、凹凸構造を形成した。AlドープZnO膜のキャリア濃度は3×1020cm−3、シート抵抗は10Ω/□、波長800nmにおけるヘイズ率は50%であった。次に、AlドープZnO膜上には半導体光電変換層4の成膜中の水素プラズマ雰囲気に対する還元防止膜として、膜厚20nmのZnOをスパッタリングにより形成した。
次に、還元防止膜上に、プラズマCVD法により、半導体光電変換層4を構成するp型半導体層4aとして、膜厚10nmのp型微結晶シリコン層を形成した。
そして、p型半導体層4a上に、プラズマCVD法により、i型半導体層4bとして、膜厚2.5μmのi型微結晶シリコン層を形成し、さらに、n型半導体層4cとして、膜厚20nmのn型微結晶シリコン層を形成した。
次に、裏面電極層5として、ドーピング不純物としてAl原子を2×1020cm−3程度ドープしたZnO膜をスパッタリング法により膜厚100nmで成膜した後、膜厚300nmの銀をスパッタリング法で堆積して薄膜太陽電池セルを作製した。
作製した薄膜太陽電池セルのセル特性を評価した結果、変換効率(η)は8.5%、短絡電流密度(Jsc)は24.5mA/cm2、開放端電圧(Voc)は0.50V、フィルファクター(FF)は0.69であった。比較例1では、実施例1と比較して、長波長光の分光感度は高く、高いJscが得られたものの、350nm以下の短波長光の分光感度、FFおよびVocが低いことがわかった。
以上の実施例1〜5および比較例1の比較より、実施例1〜3の透光性膜2としてMg濃度が60atom%、70atom%および100atom%のZMOを用いた場合、実施例5の透光性導電膜3としてSnO2系膜を用いた場合には、比較例1よりも高い光電変換効率が得られた。実施例4の透光性膜2としてMg濃度が51atom%のZMOを用いた場合のみ、比較例1よりも低い光電変換効率となった。
1 透光性基板、2 透光性膜、3 透光性導電膜、4 半導体光電変換層、4a p型半導体層、4b i型半導体層、4c n型半導体層、5 裏面電極層。
Claims (8)
- 透光性基板上に、少なくとも、第1の電極と、1組以上のpin構造を有する半導体光電変換層と、第2の電極とが順次積層され、
前記第1の電極は、Zn1−xMgxO(0<x≦1)を主成分とし凹凸構造を有する透光性膜と、透光性導電膜との積層体で構成され、
前記Zn1−xMgxOは、主として立方晶の結晶構造を有し、
前記凹凸構造は、隣接する凹部間または凸部間の平均間隔が300nm以下であることを特徴とする薄膜太陽電池。 - 前記xは、0.60≦x≦1の関係を満たすことを特徴とする請求項1に記載の薄膜太陽電池。
- 前記透光性膜の波長800nmにおけるヘイズ率は、10%以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の薄膜太陽電池。
- 前記透光性導電膜は、酸化インジウム、酸化錫もしくは酸化チタンを主成分とする膜であるか、または酸化インジウムもしくは酸化錫と酸化チタンとの積層膜からなることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の薄膜太陽電池。
- 透光性基板上に、第1の電極を形成する工程と、前記第1の電極上に、1組以上のpin構造を有する半導体光電変換層を形成する工程と、前記半導体光電変換層上に、第2の電極を形成する工程とを含む薄膜太陽電池の製造方法であって、
前記第1の電極を形成する工程が、主として立方晶の結晶構造を有するZn1−xMgxO(0<x≦1)を主成分とする透光性膜を形成する工程と、前記透光性膜にエッチング処理を施して、隣接する凹部間または凸部間の平均間隔が300nm以下である凹凸構造を形成する工程と、前記凹凸構造が形成された前記透光性膜上に、透光性導電膜を形成する工程とを含むことを特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。 - 前記エッチング処理は、前記透光性膜の波長800nmにおけるヘイズ率が10%以下となるように施すこと特徴とする請求項5に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
- 前記透光性膜を形成する工程は、材料の異なる2つ以上のターゲットを用いた同時スパッタリングを含むことを特徴とする請求項5または6に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
- 前記透光性導電膜を形成する工程は、酸化インジウム、酸化錫もしくは酸化チタンを主成分とする膜を形成するか、または酸化インジウムもしくは酸化錫と酸化チタンとの積層膜を形成することを特徴とする請求項5〜7のいずれか一項に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
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