JP2019169545A - 太陽電池、多接合型太陽電池、太陽電池モジュール及び太陽光発電システム - Google Patents
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- H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type
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Abstract
Description
電システムに関する。
、光電変換層/透明導電膜間での界面再結合を抑制して、高効率化を図っている。しかし
ながら、絶縁物(パッシベーション層)の材質によっては光電変換層と反応し、意図しな
い物質が形成され、導電性材料の場合はリーク源になる可能性もあり、絶縁性材料の場合
でもバンドオフセットの不具合や界面欠陥増大を引き起こす恐れがある。加えて、光電変
換層自体の膜質を低下させる要因にもなりうる。
界面で意図しない導電性、またはバンドオフセットのずれた絶縁性の化合物を作り、太陽
電池として良好な特性を示さなく機能しなくなる可能性がある。また、光電変換層/透明
導電膜のコンタクトを劣化させる場合がある。
太陽電池モジュール及び太陽光発電システムを提供することである。
設けられる光電変換層と、前記第1電極の前記第2電極に対向する面に配置される複数の
絶縁物よりなり、複数の前記絶縁物のうちの任意の隣り合う2つは、空隙をはさんで配置
されている。
通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は実施の
形態の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置
と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術とを参酌して、適宜設計変更す
ることができる。
第1実施形態は、光透過性を有する太陽電池に関する。図1は、第1実施形態に係る太
陽電池100の断面概念図を示す。図1に示すように、本実施形態に係る太陽電池100
は、基板1と、基板1の上に第1電極2と、光透過性の第2電極5と、第1電極2と第2
電極5の間に光電変換層3を備える。第1電極2の第2電極5に対向する面に配置される
複数の絶縁物6が配置される。複数の前記絶縁物のうちの任意の隣り合う2つは、空隙を
はさんで配置されている。絶縁物6と空隙7は総称して絶縁体と称する場合がある。
い中間層が含まれていても良い。太陽光は第2電極5の上側から入射するのがより好まし
いが、第1電極2の下側から入射しても良い。
本実施形態のように、絶縁物6の間の少なくとも一部に空隙7が存在することで、光電変
換層3と絶縁物6とのコンタクトする面積を減らすことができる。加えて、空隙7も絶縁
体であることから、絶縁体の量を減らさずに絶縁物6の量を少なくすることができるため
、光電変換層3と絶縁物6が反応することにより、意図しない物質の形成を抑制すること
もできる。そのため、リーク源やバンドオフセットの不具合、界面欠陥増大を抑制するこ
とができる。さらに、光電変換層3と空隙7の屈折率の差が大きいため、光電変換層3の
内部での光の吸収の増大が起こり、効率を向上させることができる。
の材料の熱膨張係数の違いなどに起因する歪みが存在する場合、歪を緩和させることがで
きる空隙7が存在することが望ましい。これより、光電変換層3と第1電極2間の歪が緩
和させることができる。
第1の実施形態に係る基板1としては、白板ガラスを用いることが望ましく、ソーダラ
イムガラス、石英、化学強化ガラスなどガラス全般、ステンレス、Ti(チタン)又はC
r(クロム)等の金属板あるいはポリイミド、アクリル等の樹脂を用いることもできる。
第1電極2は、基板1と光電変換層3の間に存在し、基板1と光電変換層3と直接接し
ている。第1電極2は積層膜が好ましく、光電変換層3と接する側の第1層としてSnを
主成分とする酸化物透明導電膜を設け、基板1と接する側の第2層としてSnを主成分と
する酸化物透明導電膜よりも低抵抗な、透明導電膜を設けることが好ましい。積層膜が好
ましい理由は、第1の層であるSnを主成分とする酸化物透明導電膜の抵抗率が、第2の
層と比較して高いため、第1の層単独の場合で用いると、抵抗成分による発電損失が大き
いためである。
、Al、Ga、In、Si、Ge、Ti、Cu、Sb、Nb、F、Taなど特に限定され
ない。
ITO)、アルミニウムドープ酸化亜鉛(Al−doped Zinc Oxide:A
ZO)、ボロンドープ酸化亜鉛(Boron−doped Zinc Oxide:BZ
O)、ガリウムドープ酸化亜鉛(Gallium−doped Zinc Oxide:
GZO)、インジウムドープ酸化亜鉛(Indium−doped Zinc Oxide
:IZO)、チタンドープ酸化インジウム(Titanium−doped Indiu
m Oxide:ITiO)や酸化インジウムガリウム亜鉛(IndiumGalliu
m Zinc Oxide:IGZO)、水素ドープ酸化インジウム(Hydrogen−
doped Indium Oxide:In2O3)などを用いることができ、特に限
定されない。透明導電膜は、積層膜であってもよく、上記酸化物の他に酸化スズなどの膜
が積層膜に含まれていてもよい。また、透明導電膜、金属膜と透明導電膜と金属膜を積層
したものを用いることもできる。透明導電膜については先述したとおりだが、金属膜とし
ては、Mo、AuやWの膜など特に限定されない。また、第1電極2は、透明導電膜上に
ドット状、ライン状もしくはメッシュ状の金属を設けた電極でもよい。このとき、ドット
状、ライン状もしくはメッシュ状の金属は、透明導電膜と光電変換層3の間に配置される
。ドット状、ライン状もしくはメッシュ状の金属は、透明導電膜に対して開口率が50%
以上であることが好ましい。ドット状、ライン状もしくはメッシュ状の金属は、Mo、A
uやWなど特に限定されない。
第1の実施形態において絶縁物領域4には、第1電極2の第2電極5に対向する面に存
在する複数の絶縁物6、および複数の絶縁物6の間の一部に空隙7を備える。絶縁物6を
第1電極2と光電変換層3との境界面上に存在させるとき、均等に配置させることが好ま
しい。このように配置させることで、電極界面での熱膨張係数の違いによる太陽電池の歪
を緩和させやすくできる。
、Ti、Ga、Ge、Sn、Sb、Hf、Ta、ランタニドのうち少なくとも1種と、N、O、Sのうち少
なくとも1種を含むことが好ましい。特にSiO2やSiON、SiNx、AlNxなど
の窒化物を用いることが好ましい。これは光電変換層3に含まれるCu2Oと反応しにく
く、太陽電池の動作を阻害しないためである。
後の製造工程で酸化し、絶縁物6となることができるためである。
も四角でも構わない。また、太陽電池100を第2電極5から第1電極2の方向へ切断し
た断面から観察した場合、絶縁物6は三角形や台形、直方体など、様々な形状をとること
ができる。さらに、第1電極2から第2電極5の方向へ向かう面と、第1電極2と絶縁物
6とが接する面の成す角は、鋭角でも構わない。
入量を増加させることができ、さらに後述する多接合型太陽電池の場合、ボトムセル方向
へ光を透過させることができるため、より好ましい。
、絶縁物6が1%以上存在することで、太陽電池に空隙7を設けることができ、太陽電池
の効率を向上させることができるからである。また、95%より絶縁物6の存在率が多い
と、絶縁物6の間をすべて空隙7が埋めてしまう場合が多くなる。絶縁物6の間を空隙7
ですべて埋められた部分については、光電変換層3と第1電極2とのコンタクトが生じな
くなり、太陽電池の性能が低下することが考えられる。そのため、絶縁物6の太陽電池の
面積に対する存在率は95%以下が好ましい。
グラフィーや塗布で第1電極2の上に形成する。その際、光電変換層3と第1電極2の間
のコンタクトを確保するため、適度に分散して絶縁物6が存在させることが望ましい。こ
れは、仮に一部のセルが絶縁体で覆われている場合、直列構造を作製した際に太陽電池特
性が0になる恐れがある。
3まで削り出す。削り出す際、オーバーエッチングや過剰研磨に注意し、完全に第1電極
2が目視で確認できる部分に対しては観察しない。削り出した面に対して、二次イオン質
量分析法(Secondary Ion Mass Spectrometry:SIMS)によるイメージングを行い、
観察視野は20μm×20μmで、絶縁物6と第1電極2の特定を行う。
が存在しない部分の面積を求め、絶縁物6の存在率を算出する。算出式は次のとおりであ
る。
域の面積)+(絶縁物6が存在しない領域の面積)])この処理を、20箇所行う。
ル100とボトムセル201をトップセル201が傷つかないよう剥がし、トップセル1
00のみにしてから上述した絶縁物6の存在率の測定を行う。
第1の実施形態において光電変換層3は、n型の化合物半導体層とp型の化合物半導体
層とをヘテロ接合又はホモ接合した層である。p型の化合物半導体層は第1電極2とn型
の化合物半導体層と直接接している。サブストレート型の場合、第2電極5の上から透過
する光によってn型とp型の化合物半導体層界面から第2電極5に電子を供給する。スー
パーストレート型の場合は第1電極2の方向から光が入り、第1電極2に電子を供給する
。p型の化合物半導体層はCu2Oを含むことが好ましい。これはバンドギャップが約2
.1eVと大きいため、後述する多接合型太陽電池においてトップセルとし、Siなどの
ナローバンドギャップな光電変換層3を有する太陽電池をボトムセルとしたときに、本実
施形態に係る太陽電池100はボトムセル側での発電に寄与する波長の透過性が高いため
、ボトムセルでの発電量を高くすることができるからである。
加元素はAg、Li、Na、K、Cs、RbなどのIA族または1価の元素から選ばれる
ことが好ましいが、特に限定されない。
による断面観察や、段差計によって求めることができ、100nm以上200,000n
m以下が好ましい。これは、光電変換層3としてバンドギャップ以上の光を十分吸収でき
、ボトムセル向けに長波長光を透過しやすい厚さであるためである。膜質が良い場合は膜
厚を厚くすることもできるが、膜質が厚いと光電変換層3内部での再結合が増える。その
ため、適宜最適な膜厚を調整する。
好ましい。光電変換層3と第1電極2の間に、Cuに加えて、Sn、Sbのうち少なくと
も一方の元素を含む酸化物領域が存在するのが好ましい。さらに、光電変換層3の内部に
おいて、SnとSbの濃度は、第1電極2から1,000nm以内の領域のみで1016
/cm3以上の領域が存在することが好ましい。
れと直接接している。n型の化合物半導体層としては、第1電極2を製膜する際、特性劣
化が生じにくいものが好ましい。例えば、酸化物層や硫化物層、窒化物などが挙げられる
。より具体的には、n型に用いる酸化物層は、Zn1−xAxOy(A=Si、Ge、S
n)、Cu2−xMxOy(M=Mn、Mg、Ca、Zn、Sr、Ba)、Al2−xG
axO3ーyからなる群から選ばれる層が好ましい。n型に用いる硫化物層は、ZnxI
n2−2xS3−2xーy、ZnSy、InxGa1−xSy(例えば、InSやIn2
S3)、In‐Ga‐Zn‐Oからなる群から選ばれる1種以上の硫化物からなる層が好
ましい。
有する第1電極2上に空隙7を有しつつ製膜可能な方法であれば限定されないが、温度条
件、雰囲気に留意する必要がある。結晶成長を促進させるために高温で製膜すると、還元
雰囲気になるので酸素流量を増やす必要がある。低温で製膜すると、酸化雰囲気になるた
め酸素流量を減らす必要がある。低温にしすぎると光電変換層3を作製するために必要な
酸素量がとても少なくなるため、より高性能な真空装置が必要になり製膜が難しくなると
考えられる。また、不純物の割合が増えることで太陽電池の特性は劣化する。特に不純物
がpn界面に存在する場合は顕著に特性劣化が見られる。
高温)にすると、基板1によっては大きく変形し、その後の製膜が困難となる場合がある
ため、注意が必要である。ただし、この温度は測定環境により異なり、目安でしかない。
スパッタする。その際に酸素を導入することで、スパッタされたCuがOと反応し第1電
極2の上にCu2Oを形成する。
ォトリソグラフィーで形成、若しくは一度絶縁物6を第1電極2の上に一様に製膜し、一
様な絶縁物6に対してレーザー(もしくはメカニカル)スクライブ又はレーザーアブレー
ションで任意の形状の複数の絶縁物6にパターニングする。
引きを行う。この後加熱を行う。加熱温度は400℃以上600以下が望ましい。高品質
なp型層を製膜するためには、500℃が好ましい。400℃未満といった低温だと、p
型層の膜質が低下するため好ましくない。
、Cuをスパッタする。スパッタ時の酸素流量は少ないとCuが未反応のまま残り、多い
と反応が進み過ぎ、CuOが生じるため注意する必要がある。CuターゲットにRF電源
を用い、2分程シャッターを閉めた状態でプレスパッタを行い、表面吸着物等を除去する
。シャッターを開けて50分スパッタを行う。このようにするとp型層の膜厚を2μm程
度にすることができる。スパッタ終了後はArとO2導入を止めて徐冷する。
n型層は例えば、Zn‐Ge‐Oを用いる場合、スパッタ装置にAr流量に対して、O2
を適量導入する。Zn源とGe源にかける出力比を変化させることでZn/Ge比率を変
えることができ、適切なバンドオフセットを調整することが可能である。このとき、n型
層の膜厚が厚すぎると、n型層内部での再結合により効率低下が生じるため、好ましくな
い。
低出力で製膜を行うことが望ましい。
sition)、ALD(Atomic Layer Deposition)、塗布法などが挙げられる。
第1の実施形態に係る空隙7は、絶縁物領域4に存在する絶縁物6の間の少なくとも一
部に存在する。空隙7は先述した光電変換層3の製膜とともに形成される。空隙7の形状
を観察するには、例えば、絶縁物領域4を第2電極5側から日本電子製のJEM-ARM
200Fを用い、加速電圧を200kVにして5万倍のTEM明視野像にて観察する。
py:EDX)を用い分析した際、主要構成元素の検出値が50%以下の領域を空隙7とす
ることで、TEM明視野像の観察と合わせて、観察することもできる。
している必要は無い。例えば、第1電極2に空隙7は接しているが絶縁物6と空隙7の間
に光電変換層3が存在するもの、第1電極2、絶縁物6のいずれにも接していないもの、
絶縁物6には接しているが、第1電極2には接していないもの、絶縁物6間に存在するが
、第1電極2には接していないもの、などが存在する。また、空隙7が絶縁物6の一部を
覆って存在している場合もある。
クトを減らすとこができ、さらに光電変換層3での光の吸収が増加するため好ましい。こ
れは、先述したとおり、絶縁物6と光電変換層3の意図しない反応生成物による太陽電池
の性能の低下を抑制することができることに加え、空隙7が存在することで屈折率の低い
領域が導入されるため、光電変換層3の内部に反射させることができ、光電変換層3で十
分に吸収されない光の発電のロスを低減させることができるからである。そのため、例え
ば、2つの太陽電池があり、その両方の絶縁体の量が同じだった場合、1つの太陽電池に
は空隙7が存在し、もう一方には空隙7が存在しない場合の効率を比較すると、前者の太
陽電池の方が効率は向上する。さらに例えば、2つの太陽電池において、1つの太陽電池
における空隙7と、もう一方の太陽電池の絶縁物6が同じ量存在し、かつ後者には空隙7
が存在しない場合と比較すると、前者の空隙7が存在する太陽電池の方が効率は向上する
。
下で動作するなら、第1電極2の抵抗が10−3Ωcm2の材料であれば、コンタクトの
面積は1/1000でも動作する。そのため、空隙7により光電変換層3と第1電極2の
絶縁領域が増えたとしても、コンタクト抵抗が低ければ太陽電池の性能を大幅に低下させ
るには至らない。
、絶縁物6の存在率が高いほど後述する空隙率は高くなる。空隙率が高いほど先述した光
電変換層3での光の吸収を高めることができるが、第1電極2の上をすべて絶縁物6と空
隙7で覆うと、先述した通り光電変換層3と第1電極2が完全に接しない状態となり、発
電できない。また、光電変換層3中の拡散長よりも絶縁された領域が大きくなる場合があ
る。このとき、絶縁物6の間の中央付近で発電した電子、又は正孔が第1電極2に移動で
きず、失活する場合があるため、好ましくない。そのため、空隙率は1%以上99%以下
であることが好ましい。この範囲にあることで、第1電極2と光電変換層3のコンタクト
を保ちつつ、光電変換層3での光の吸収を高めることができるからである。また、より好
ましくは8%以上80%以下である。この範囲にあることで、絶縁物6を減らしつつ、よ
り一層光電変換層3で十分に吸収されない光の発電のロスを低減させることができ、光電
変換層3の内部に反射させることができるからである。
光電変換層3の熱膨張係数の違いにより、太陽電池が湾曲することを抑制することができ
る。太陽電池が第2電極5の方向に湾曲することで、光電変換層3が割れ、絶縁化や割れ
た面に導電性が生じて短絡の原因になる場合があり、好ましくない。光電変換層3に割れ
やしわが生じることで光電変換層3中の電子、正孔の拡散長が低下し、効率低下につなが
る。また、後述する多接合型太陽電池においては、余計な空気層が存在すると、空気層の
厚さが場所によって変化することから、ボトムセル側で吸収するべき波長の一部が効果的
に吸収されず、ボトムセルの効率低下につながる恐れがあるため、望ましくない。また、
太陽電池を大面積化する際に湾曲していると、太陽電池の厚みが増し、設置時や、設置後
に割れやすくなるため好ましくない。
隙7の存在量が小さいほど、空隙率は小さくなる。ここで、空隙率とはある絶縁物6と最
近接する絶縁物6の間の距離に対して、その絶縁物6の間に存在する空隙7の割合のこと
である。
野像を撮像し、このTEM像を用いて測定する。測定のイメージは図2と図3に示した。
図2は、空隙率測定の概略を示す断面図、図3は、空隙率測定の概略を示す拡大断面図で
ある。
近接する絶縁物6を通る直線で太陽電池を切断し、断面を作製する。最近接する絶縁物6
は、基板1の側から太陽電池を観察することで特定する。
Ion Beam:FIB)を用いてTEM撮像に適した試料にする。作製した試料の観察には、
日本電子製のJEM−ARM200Fを用い、加速電圧は200kVにし、視野中には絶
縁物6が2つ存在し、かつ空隙7が存在するようにする。便宜上撮像中の2つの絶縁物6
を第1絶縁物6、第2絶縁物6とする。
TEM像それぞれについて、第1電極2と、第1絶縁物6、第2絶縁物6の第2電極5の
方向を向いている面との最大距離(各絶縁物6における最大膜厚)を測定する。このとき
の距離をRd1、Rd2とする。
このとき、適宜TEM像を拡大し、空隙7と光電変換層3の長さの比率を求める。
平行な直線で結び、その直線上における空隙7部分の長さ(途切れている場合はそれぞれ
の合計)と光電変換層3が存在する部分の長さ(途切れている場合はそれぞれの合計)を
求め、それぞれ、Lins、Labsとする。
in(Rd1、Rd2)までの高さまでを10nm間隔で求め、Lins、Labs及び、
ある高さにおける絶縁物6の間の距離における空隙7の割合(Rsp)=Lins/(L
ins+Labs)をそれぞれ求める。
Labs)の中で、Max(Rsp)を空隙率と定義する。
の反射は抑制されやすい。光電変換層3で十分に吸収されない光は発電のロスになるため
、第1電極2の前で反射されることが望ましい。空隙7が存在することで屈折率の低い領
域が導入されるため、光電変換層3内部に反射させることができる。
M断面観測結果から得られる空隙率が0%程度であっても、20カ所測定した平均空隙率
が1%程度以上であれば、空隙7による光の乱反射により、光電変換層3の変換効率を上
昇させることができ、太陽電池の効率を向上させることができる。
ができ、かつ発電ロスを低減させることができるため、太陽電池の効率をより向上するこ
とができるため、より好ましい。
1種を含む化合物を備えることもできる。この場合空隙率に相当する値も、空隙率と同様
に測定することができる。
図1では、第2電極5は、光電変換層3と直接接している。第2電極5としては、透明
導電膜が好ましい。透明導電膜は、第1電極2と同様の材料を用いることができる。
PS)及びSIMSによって求められる。また、各層の厚さや粒径は、太陽電池100の断面を
10万倍でTEMによる観察を行えばよい。
図4に、本実施形態に係る太陽電池の製造方法をフローチャートを示す。
極2上に絶縁物6を製膜する。この際、先述したような方法を用いる。S2)。その後、
真空装置へ導入し、真空引きを行う(S3)。真空条件下で光電変換層3となる材料をス
パッタなどで製膜する(S4)、(S5)。その後、第2電極56となる材料をスパッタ
などで製膜する(S6)。作製する際はスーパーストレート型でもサブストレート型でも
よい。
CVD(Chemical Vapor Deposition)、ALD(Atomic Layer Deposition)、塗布法
などが挙げられる。
の間に設けられる光電変換層3と、第1電極2の第2電極に対向する面に配置される複数
の絶縁物6よりなり、複数の絶縁物6の間の少なくとも一部に空隙7を備える。絶縁物6
の間に空隙7を備えることで、光電変換層3と第1電極2のコンタクトを減らしつつ、絶
縁物6による意図しない反応生成物の形成を抑制することができる。さらに光電変換層3
と空隙7の屈折率の差が大きいため、光電変換層3内部での吸収の増大が起こり、変換効
率を向上することができる。また、空隙7が存在することで、電極界面で熱膨張係数の違
いによる歪が存在する場合、歪を緩和させることもできる。
第2実施形態は、多接合型太陽電池に関する。図5に第2実施形態の多接合型太陽電池
200の断面概念図を示す。図5の多接合型太陽電池200は、光入射側に第1実施形態
の太陽電池(第1太陽電池)100と、第2太陽電池201を有する。第2太陽電池20
1の光電変換層のバンドギャップは、第1実施形態の太陽電池100の光電変換層3より
も小さいバンドギャップを有する。なお、実施形態の多接合型太陽電池は、3以上の太陽
電池を接合させた太陽電池も含まれる。
程度であるため、第2太陽電池101の光電変換層のバンドギャップは、1.0eV以上
1.7eV以下であることが好ましい。第2太陽電池201の光電変換層としては、In
の含有比率が高いCIGSSe系、CIT系、CIS系及びCdTe系のうちのいずれか
1種以上の化合物半導体層又は結晶シリコンとペロブスカイト型化合物からなる群から選
ばれる1種であることが好ましい。
第3実施形態は、太陽電池モジュールに関する。図6に第3実施形態の太陽電池モジュ
ール300の斜視概念図を示す。図6の太陽電池モジュール300は、第1太陽電池モジ
ュール301と第2太陽電池モジュール302を積層した太陽電池モジュールである。第
1太陽電池モジュール301は、光入射側であり、第1実施形態の太陽電池100を用い
ている。第2の太陽電池モジュール302には、第2太陽電池101を用いることが好ま
しい。
ール301の構造を詳細に示し、第2太陽電池モジュール302の構造は示していない。
第2太陽電池モジュール301では、用いる太陽電池の光電変換層などに応じて適宜、太
陽電池モジュールの構造を選択する。図7の太陽電池モジュールは、複数の太陽電池10
0(太陽電池セル)が横方向に並んで電気的に直列に接続した破線で囲われたサブモジュ
ール303が複数含まれ、複数のサブモジュール303が電気的に並列もしくは直列に接
続している。隣り合うサブモジュール303は、バスバー304で電気的に接続している
。
電極5と下部側の第1電極2が接続している。第3実施形態の太陽電池100も第1実施
形態の太陽電池100と同様に、基板1と、第1電極2と、第2電極5と、光電変換層3
を備える。第1電極2と第2電極5に対向する面に配置される複数の絶縁物6が互いに離
間して配置される。複数の絶縁物6の間の少なくとも一部に空隙7を備える。サブモジュ
ール303中の太陽電池100の両端は、バスバー304と接続し、バスバー304が複
数のサブモジュール303を電気的に並列もしくは直列に接続し、第2太陽電池モジュー
ル302との出力電圧を調整するように構成されていることが好ましい。
第4実施形態は太陽光発電システムに関する。第3実施形態の太陽電池モジュール30
0は、第4実施形態の太陽光発電システムにおいて、発電を行う発電機として用いること
ができる。実施形態の太陽光発電システムは、太陽電池モジュールを用いて発電を行うも
のであって、具体的には、発電を行う太陽電池モジュールと、発電した電気を電力変換す
る手段と、発電した電気をためる蓄電手段又は発電した電気を消費する負荷とを有する。
図8に実施形態の太陽光発電システム400の構成概念図を示す。図8の太陽光発電シス
テムは、太陽電池モジュール401(300)と、コンバーター402と、蓄電池403
と、負荷404とを有する。蓄電池403と負荷404は、どちらか一方を省略しても良
い。負荷404は、蓄電池403に蓄えられた電気エネルギーを利用することもできる構
成にしてもよい。コンバーター402は、DC−DCコンバーター、DC−ACコンバー
ター、AC−ACコンバーターなど変圧や直流交流変換などの電力変換を行う回路又は素
子を含む装置である。コンバーター402の構成は、発電電圧、蓄電池403や負荷40
4の構成に応じて好適な構成を採用すればよい。
池セルが発電し、その電気エネルギーは、コンバーター402で変換され、蓄電池403
で蓄えられるか、負荷404で消費される。太陽電池モジュール401には、太陽電池モ
ジュール401を常に太陽に向けるための太陽光追尾駆動装置を設けたり、太陽光を集光
する集光体を設けたり、発電効率を向上させるための装置等を付加することが好ましい。
両、航空機や電子機器などの動産に用いられたりすることが好ましい。実施形態の変換効
率に優れた光電変換素子を太陽電池モジュール401に用いることで、発電量の増加が期
待される。
されるものではない。
トップセルを作成し、太陽電池の変換効率、空隙率を測定する。
まず、トップセルの作製方法について、説明する。基板として白板ガラスを用いた。第
1電極(裏面第1電極)としてITO(150nm)、SnO2(100nm)をスパッ
タで製膜した。SiO微粒子をスプレー法で塗布した。この際、SiO微粒子の太陽電池
における存在率(絶縁物の存在率)は0.05%になるように調整した。第1の実施形態
で述べた方法により、基板をスパッタ装置へ導入し、真空引きを行った。基板を500℃
に加熱し、Cuのスパッタを行った。このとき、第1の実施形態で記載したようにスパッ
タを行った。
用いた。
−150℃が望ましい。比較的低温で製膜を行うと、開放電圧が大きくなりやすく好まし
い。
Siセルを用いて1sunになるように光量を調節する。気温は25℃。横軸を電圧、縦
軸を電流密度とした際に、横軸と交わる点がVocとなり、電圧計でVocをカバーする
ような値(たとえば、2.0V)からJscが測定できる範囲(マイナス領域、たとえば
−0.4V)まで電圧スイープを行い、その際の電流値を測定する。太陽電池の面積で除
した値が電流密度(mA/cm2)となり、印加電圧が0Vでの電流密度の値がJsc(短
絡電流密度)となる。
効率ηはη=Voc×Jsc×FF/P×100
Pは入射パワー密度、AM1.5の疑似太陽光を基準太陽電池セルで校正する。
FFはFF=Vmpp×Jmpp/(Voc×Jsc)で求まる。Vmpp、JmppはV
×Jの積が一番大きくなる点でのV、Jの値である。
算出した。比較例の効率をη0とし、1.02η以上1.05η未満を○、1.05η以
上を◎と表記する。
にまとめた。
実施例1とは基板温度を450℃にした以外同様に作製した。
実施例1とは基板温度を550℃にした以外同様に作製した。
実施例1とは基板温度を410℃にした以外同様に作製した。
実施例1とは基板温度を570℃にした以外同様に作製した。
実施例1とは、太陽電池における絶縁物の存在率を0.1%にした以外は同様に作製し
た。
実施例5とは基板温度を450℃にした以外同様に作製した。
実施例5とは基板温度を550℃にした以外同様に作製した。
実施例5とは基板温度を410℃にした以外同様に作製した。
実施例5とは基板温度を570℃にした以外同様に作製した。
実施例1とは、太陽電池における絶縁物の存在率を1%にした以外は同様に作製した。
実施例9とは基板温度を450℃にした以外同様に作製した。
実施例9とは基板温度を550℃にした以外同様に作製した。
実施例9とは基板温度を410℃にした以外同様に作製した。
実施例9とは基板温度を570℃にした以外同様に作製した。
実施例1とは、太陽電池における絶縁物の存在率を5%にした以外は同様に作製した。
実施例13とは基板温度を450℃にした以外同様に作製した。
実施例13とは基板温度を550℃にした以外同様に作製した。
実施例13とは基板温度を410℃にした以外同様に作製した。
実施例13とは基板温度を570℃にした以外同様に作製した。
実施例1とは、太陽電池における絶縁物の存在率を10%にした以外は同様に作製した
。
実施例17とは基板温度を450℃にした以外同様に作製した。
実施例17とは基板温度を550℃にした以外同様に作製した。
実施例17とは基板温度を410℃にした以外同様に作製した。
実施例17とは基板温度を570℃にした以外同様に作製した。
実施例1とは、太陽電池における絶縁物の存在率を25%にした以外は同様に作製した
。
実施例21とは基板温度を450℃にした以外同様に作製した。
実施例21とは基板温度を550℃にした以外同様に作製した。
実施例21とは基板温度を410℃にした以外同様に作製した。
実施例21とは基板温度を570℃にした以外同様に作製した。
実施例1とは、太陽電池における絶縁物の存在率を50%にした以外は同様に作製した
。
実施例25とは基板温度を450℃にした以外同様に作製した。
実施例25とは基板温度を550℃にした以外同様に作製した。
実施例25とは基板温度を410℃にした以外同様に作製した。
これは、屈折率の低い空隙が存在することで、光を反射させることができ、光電変換層で
吸収させることができる光を増やすことができるからである。さらに、空隙率は8%以上
80%以下になることで最も太陽電池の効率を向上させることがわかる。これは、光電変
換層と第1電極とのコンタクトを減らし、光電変換層で吸収させることができる光を増や
すことができるからである。
の存在しない太陽電池よりも、高い変換効率を持つことがわかる。
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
。
域、5…第2電極、6…絶縁物、7…空隙、200…多接合型太陽電池、201…ボトム
セル(第2太陽電池)、300…太陽電池モジュール、301…第1太陽電池モジュール、302…第2太陽
電池モジュール、303…サブモジュール、304…バスバー、400…太陽光発電シス
テム、401…太陽電池モジュール、402…コンバーター、403…蓄電池、404…
負荷。
第1実施形態は、光透過性を有する太陽電池に関する。図1は、第1実施形態に係る太陽電池100の断面概念図を示す。図1に示すように、本実施形態に係る太陽電池100は、基板1と、基板1の上に第1電極2と、光透過性の第2電極5と、第1電極2と第2電極5の間に光電変換層3を備える。第1電極2の第2電極5に対向する面に複数の絶縁物6が配置される。複数の前記絶縁物のうちの任意の隣り合う2つは、空隙7をはさんで配置されている。絶縁物6と空隙7は総称して絶縁体と称する場合がある。
Claims (10)
- 第1電極と、
第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極の間に設けられる光電変換層と、
前記第1電極の前記第2電極に対向する面に配置される複数の絶縁物よりなり、
複数の前記絶縁物のうちの任意の隣り合う2つは、空隙をはさんで配置されている太陽
電池。 - 前記太陽電池の断面において、前記絶縁物と前記絶縁物に最近接する他の前記絶縁物と
の間に、前記第1電極から前記第2電極の方向に沿って10nm毎に平行な仮想直線を設
け、前記仮想直線の前記第1電極と前記第2電極の間の長さに対する前記空隙の長さの割
合を求め、10nm毎の前記空隙の長さの割合の最大値を空隙率とした場合に、前記空隙
率の平均が1%以上99%以下である請求項1記載の太陽電池。 - 前記空隙率の平均が8%以上80%以下である請求項1又は2記載の太陽電池。
- 前記空隙の少なくとも一部が前記第1電極と接している請求項1乃至3のいずれか1項
に記載の太陽電池。 - 前記光電変換層はCu2Oを含む請求項1乃至4のいずれか1項に記載の太陽電池。
- 前記絶縁物はMg、Al、Si、Ca、Sc、Ti、Ga、Ge、Sn、Sb、Hf、Ta、ランタニドのうち少
なくとも1種と、N、O、Sのうち少なくとも1種を含む請求項1記載の太陽電池。 - 請求項1乃至6のいずれか1項に記載の太陽電池を用いた多接合型太陽電池。
- 請求項7に記載の多接合型太陽電池を用いた太陽電池モジュール。
- 請求項8に記載の太陽電池モジュールを用いた太陽光発電システム。
- 第1電極と、
第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極の間に設けられる光電変換層と、
前記第1電極の前記光電変換層との間に配置される複数の絶縁物と、
複数の前記絶縁物の間の少なくとも一部にS、Se、Te、N、Oからなる群れより選
ばれる少なくとも1種を含む化合物と、
を備える太陽電池。
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