JP2017152604A

JP2017152604A - 太陽電池素子および太陽電池モジュール

Info

Publication number: JP2017152604A
Application number: JP2016035315A
Authority: JP
Inventors: 庸介西岡; Yosuke Nishioka; 浩紀喜井; Hironori Yoshii
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2016-02-26
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2017-08-31

Abstract

【課題】発電効率が向上した太陽電池素子を提供する。【解決手段】太陽電池素子１は、基板２と、基板２の上下面に配置された複数のパッシベーション層３と、複数のパッシベーション層３に配置された複数の電極４とを有している。基板２は、第１領域２１であるｎ型層および第２領域２２であるｐ型層を有している。第１パッシベーション層３１は、酸素原子を含むフッ化リチウムの第１層を有している。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池素子および太陽電池モジュール

従来、例えば特許文献１に記載されているように、太陽電池基板にパッシベーション膜を設けた太陽電池が知られている。

特開２０１２−１４２４５６号公報

このような太陽電池では、発電効率を向上させることが求められている。

本発明は、上記の事情に鑑みて案出されたものである。

本開示の太陽電池素子は、基板と、基板上に位置したパッシベーション層と、パッシベーション層上に位置したカソード電極と、を備えている。基板は、シリコンの基板である。前記パッシベーション層は、基板とカソード電極との間に位置した、酸素原子を含むフッ化リチウムの第１層を有している。

本開示の太陽電池素子によれば、太陽電池素子の発電効率を向上させることができる。

本発明の実施形態にかかる太陽電池を示す断面図である。本発明の実施形態にかかる太陽電池を示す拡大図である。本発明の実施形態にかかる太陽電池モジュールを示す断面図である。

＜太陽電池＞
以下に、本発明の実施形態にかかる太陽電池素子について、図面を参照しつつ説明する。なお、図面では直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を定義し、以下の説明ではＺ軸方向の正側を上方とする。

図１は、太陽電池素子を上下方向に切断したときの、太陽電池素子の断面を示す図である。図２に、図１に示した太陽電池素子の断面の一部を拡大した図である。

太陽電池素子１は、太陽光の光エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。太陽電池素子１は、基板２と、基板２の上下面に配置された複数のパッシベーション層３と、複数のパッシベーション層３に配置された複数の電極４とを有している。

基板２は、光を受けてキャリアを発生することができる。基板２の材料は、シリコン（Si）である。基板２は、例えば、板状であればよい。また、基板２の平面形状は、例えば、矩形状であればよい。具体的に、基板２は、例えば、シリコン（Si）の多結晶または単結晶であればよい。

基板２は、ｎ型の第１領域２１と、ｐ型の第２領域２２とを有している。第１領域２１と第２領域２２とは接触しており、第１領域２１と第２領域２２との境界ではｐｎ接合が形成されている。そのため、第１領域２１と第２領域２２との境界に光を入射させることによって、基板２内にキャリアを発生させることができる。

本開示の基板２は、第１領域２１および第２領域２２のそれぞれの形状は、層状である。言い換えれば、基板２は、第１領域２１であるｎ型層および第２領域２２であるｐ型層を有している。本開示の基板２では、ｐ型層（第２領域２２）はｎ型層（第１領域２１）の上面に積層されている。

ｎ型層（第１領域２１）は、例えば、ｎ型の不純物が拡散しているシリコン（Si）層であればよい。シリコン（Si）に対するｎ型の不純物としては、例えば、リン（P）または
アンチモン（Sb）などを使用すればよい。

ｐ型層（第２領域２２）は、例えば、ｐ型の不純物が拡散しているシリコン（Si）層であればよい。シリコン（Si）に対するｐ型の不純物としては、例えばボロン（B）または
ガリウム（Ga）などを使用すればよい。

基板２は、従来から周知の方法で形成することができる。

複数のパッシベーション層３は、基板２で発生したキャリアの消滅を低減し、キャリアの取り出し効率を向上させることができる。複数のパッシベーション層３は、基板２の上面に配置された第１パッシベーション層３１と、基板２の下面に配置された第２パッシベーション層３２とを有している。

具体的には、第１パッシベーション層３１は、基板２の第１領域２１に接続している。すなわち、本開示の第１パッシベーション層３１は、基板２のｎ型層の表面に配置されている。一方、第２パッシベーション層３２は、基板２の第２領域２２に接続している。すなわち、本開示の第２パッシベーション層３２は、基板２のｐ型層の表面に配置されている。

第１パッシベーション層３１の厚みは、例えば０．５ｎｍ以上３０ｎｍ以下に設定されていればよい。第２パッシベーション層３２の厚みは、例えば５ｎｍ以上５０ｎｍ以下に設定されていればよい。

複数の電極４は、基板２からキャリアを取りだすことができる。電極４は、カソード電極４１とアノード電極４２とを有している。カソード電極４１は、第１パッシベーション層３１の表面に配置されている。その結果、カソード電極４１は、基板２内で発生した正孔を取り出すことができる。アノード電極４２は、第２パッシベーション層３２の表面に配置されている。その結果、アノード電極４２は、基板２内で発生した電子を取り出すことができる。

複数の電極４（カソード電極４１およびアノード電極４２）のそれぞれは、例えば格子状または層状に形成されている。複数の電極４のぞれぞれは、例えば、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）またはクロム（Ｃｒ）などの金属材料で形成されていればよい。電極４の厚みは、例えば１μｍ以上１００μｍ以下に設定されていればよい。

電極４は、蒸着法や印刷法などによって、基板２上に、従来周知の方法によって形成することができる。

第１パッシベーション層３１は、正孔の取り出し効率を向上させることができる。第１パッシベーション層３１は、フッ化リチウム（LiF）の第１層３１１を有している。ここ
で、第１層３１１の材料であるフッ化リチウムの仕事関数は、基板２の材料であるシリコンの仕事関数よりも小さい。そのため、第１層３１１は、基板２のエネルギーバンドを曲げることができ、基板２の正孔のライフタイムを向上させることができる。

また、第１層３１１のフッ化リチウムには、酸素（O）原子が含まれている。その結果
、例えば、酸素原子をフッ化リチウム中のリチウム（Li）の拡散経路上に存在させることができ、リチウムの拡散を低減することができる。したがって、第１層３１１の劣化を低減することができる。

第１層３１１は、例えば、蒸着法などを利用して、酸素（O₂）ガスを導入しつつフッ化リチウムを蒸着することが形成することができる。

なお、第１層３１１の厚みは、例えば、２ｎｍ以下に設定されていればよい。また、酸素原子は、例えば第１層３１１中に、例えば１０atm％以上５０atm％以下の割合で含まれていればよい。

また、酸素原子は、フッ化リチウム中のフッ素（F）に置換されて、存在していてもよ
い。その結果、リチウムと酸素はイオン結合しやすいため、酸素原子はリチウムの拡散を低減することができる。

なお、この場合、例えば、フッ化リチウムの蒸着中にイオン化した酸素を導入すればよい。

第１パッシベーション層３１は、基板２上に配されたアモルファスシリコン（α−Si）の第２層３１２を有していてもよい。そして、第１層３１１は、第２層３１２の表面に配されていてもよい。その結果、第１層３１１が、基板２上に直接配されている場合と比較して、基板２と第１パッシベーション層３１との界面の状態が改善されて、基板２と第１パッシベーション層３１との界面における正孔の消滅を低減することができる。

なお、第２層３１２の厚みは、例えば、３ｎｍ以上１５ｎｍ以下に設定されればよい。また、第２層３１２の厚みは、例えば、５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であれば、より好ましい。

また、第２層３１２は、例えば、PECVD（Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition）法によって形成することができる。

また、本開示の第１パッシベーション層３１では、第１層３１１の厚みは、第２層３１２の厚みよりも小さく設定されている。

第２層３１２は、真性（ｉ型）の半導体層であってもよい。その結果、第２層３１２がｎ型またはｐ型の半導体層である場合と比較して、例えば、不純物をドーピングする必要がないことから、不純物のドーピングによる欠陥密度の増加を防ぐことができる。したがって、基板２で発生した正孔のライフタイムの低減を防ぐことができる。

また、第１層３１１の中の酸素原子は、第１層３１１と第２層３１２との境界部に位置
していてもよい。その結果、第１層３１１中のリチウムの第２層３１２中への拡散を低減することできる。

また、第１層３１１の中の酸素原子の含有割合は、カソード電極４１側の表面から基板２側の表面にむけて大きくなっていてもよい。その結果、第１層３１１中のリチウムの第２層３１２中への拡散を低減することができる。

また、第１層３１１の中の基板２側の表面近傍の酸素原子の含有割合は、カソード電極４１側の表面近傍の酸素原子の含有割合よりも、大きくてもよい。その結果、第１層３１１中のリチウムの第２層３１２中への拡散を低減することができる。

また、第１パッシベーション層３１の表面には、第１金属層５をさらに配置してもよい。第１金属層５の材料は、例えばアルミニウムまたはITO（Indium−Tin−Oxide）などであればよい。第１金属層５の材料は、基板２の材料であるシリコンよりも仕事関数が小さい材料であればよい。その結果、第１金属層５は、第１層３１１と共に基板２のエネルギーバンドを曲げることができ、基板２の正孔のライフタイムを向上させることができる。

第２パッシベーション層３２は、電子の取り出し効率を向上させることができる。第２パッシベーション層３２は、仕事関数が基板２よりも大きい第３層を有している。その結果、第３層は、基板２のエネルギーバンドを曲げることができ、基板２の電子のライフタイムを向上させることができる。

第３層の材料は、例えば、三酸化モリブデン（MoO₃）、酸化ガリウム（Ga₂O₃）などで
あればよい。また、第３層は、従来周知の方法によって形成することができる。

第２パッシベーション層３２は、基板２上に配されたアモルファスシリコン（α−Si）の第４層を有していてもよい。そして、第３層は、第４層の表面に配されていてもよい。その結果、第３層が、基板２上に直接配されている場合と比較して、基板２と第２パッシベーション層３２との界面の状態が改善されて、基板２と第１パッシベーション層３２との界面における電子の消滅を低減することができる。

また、第２パッシベーション層３２の表面には、第２金属層をさらに配置してもよい。第２金属層の材料は、例えばアルミニウムまたはITO（Indium−Tin−Oxide）などであれ
ばよい。

なお、本発明は上述した実施形態に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種々の変更、改良などが可能である。

上記の実施形態にかかる太陽電池素子１では、基板２が層状の第１領域２１および層状の第２領域２２を有している構成を例に説明した。しかしながら、基板２の第１領域２１および第２領域２２は、層状である場合に限られない。すなわち、第１領域２１または第２領域２２との間でｐｎ接合が形成されていればよく、第１領域２１または第２領域２２のいずれかは部分的に形成されていてもよい。

また、上記の実施形態にかかる太陽電池素子１では、第１領域２１および第２領域２２に不純物（ドーパント）が拡散されている構成を例に説明した。しかしながら、第１領域２１および第２領域２２のいずれも不純物が拡散されている必要はない。すなわち、例えば、基板２の材料と異なる仕事関数の材料を積層することによって、基板２内の一部の導電型を反転させて、第１領域２１および第２領域２２を形成してもよい。

また、上記の実施形態に係る太陽電池素子１では、基板２の上下面側に複数の電極４が配されている例を説明した。しかしながら、複数の電極４（カソード電極４１およびアノード電極４２）は、基板２の上面または下面の一方に配されていてもよい。この場合、例えば、基板２と複数の電極４との間にはパッシベーション層３が配置されており、パッシベーション層３は、基板２上に配された第２層３１２と、第２層３１２上に配された第１層３１１および第３層３２１を配置してもよい。そして、第１層３１１上にカソード電極４１が配されて、第２層３１２上にアノード電極４２が配されていればよい。また、第１層３１１の直下の領域に基板２の第１領域２１が位置しており、第３層３２１の直下の領域に基板２の第２領域２２が位置していればよい。

＜太陽電池モジュール＞
図３、本発明の実施形態にかかる太陽電池モジュール１００を示す。

本実施形態にかかる太陽電池モジュール１００は、複数の太陽電池素子１と、複数の太陽電池素子１を電気的に接続している配線部材１０１と、を備えている。より具体的には、太陽電池モジュール１００は、複数の太陽電池素子１の上方に配置された透明部材１０２と、複数の太陽電池素子１の下方に配置された保護材１０３と、透明部材１０２と保護材１０３との間に配されて、複数の太陽電池素子１および配線部材１０１を封止している封止材１０４と、を備えている。

透明部材１０２は、太陽電池モジュール１００において太陽光を受光する受光面を保護するための部材である。この透明部材１０２は、例えば、透明な平板状の部材である。透明部材１０２の材料は、例えば、ガラスなどである。

保護材１０３は、太陽電池モジュール１００裏面から保護するための部材である。保護材１０３の材料は、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）またはポリフッ化ビニル樹脂（ＰＶＦ）などである。なお、保護材１０３は、単層構造を有していても積層構造を有していてもよい。

封止材１０４は、例えば、透明な部材である。封止材１０４の材料は、例えば、エチレン・酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）などである。

配線部材１０１は、複数の太陽電池素子１を電気的に接続する部材（接続部材）である。太陽電池モジュール１００に含まれる複数の太陽電池素子１のうちの一方向に隣り合う太陽電池素子１同士は、一方の太陽電池素子１のカソード電極４１と他方の太陽電池素子１のアノード電極４２とが配線部材２１によって接続されている。

１・・・太陽電池素子
２・・・基板
２１・・・第１領域
２２・・・第２領域
３・・・パッシベーション層
３１・・・第１パッシベーション層
３１１・・第１層
３１２・・第２層
３２・・・第２パッシベーション層
４・・・電極
４１・・・カソード電極
４２・・・アノード電極
５・・・第１金属層
６・・・第２金属層
１００・・・太陽電池モジュール
１０１・・・配線部材
１０２・・・透明部材
１０３・・・保護材
１０４・・・封止材

Claims

シリコンの基板と、
前記基板上に配されたパッシベーション層と、
前記パッシベーション層上に配されたカソード電極と、を備え、
前記パッシベーション層は、前記基板と前記カソード電極との間に位置した、酸素原子を含むフッ化リチウムの第１層を有している、太陽電池素子。
前記パッシベーション層は、前記基板上に配された、アモルファスシリコンの第２層をさらに有しており、
前記第１層は、前記第２層上に配されている、請求項１に記載の太陽電池素子。
前記第２層は、真性の半導体層である、請求項２に記載の太陽電池素子。
前記酸素原子は、前記第１層と前記第２層との界面に配されている、請求項１〜３のいずれかに記載の太陽電池素子。
請求項１〜４のいずれかに記載された構成を有している、複数の太陽電池素子と、
前記複数の太陽電池素子同士を電気的に接続している配線と、を備えている太陽電池モジュール。