JP3220083U

JP3220083U - 四端子型タンデム太陽電池セル

Info

Publication number: JP3220083U
Application number: JP2018004774U
Authority: JP
Inventors: 義則山田
Original assignee: 有限会社ディアックス
Priority date: 2018-11-20
Filing date: 2018-11-20
Publication date: 2019-02-14
Anticipated expiration: 2028-11-20

Abstract

【課題】低コスト、量産が可能な四端子型タンデム太陽電池を提供する。
【解決手段】透明導電膜が形成されたガラス基板を有するＣｕ_２Ｏヘテロ接合薄膜太陽電池セルとガラス基板裏面に単結晶シリコンヘテロ接合バックコンタクト型太陽電池セルが接着された四端子タンデム太陽電池において、単結晶シリコンバックコンタクト型太陽電池セル２は正方形の四隅を切り取った八角形状であり、Ｃｕ_２Ｏ薄膜太陽電池セル１の光電変換領域は単結晶シリコンバックコンタクト型セルより一回り小さい相似形で形成され、ガラス基板の四隅にはＣｕ_２Ｏ薄膜太陽電池セルの外部取り出しパッド３、４が形成され、四隅のうち二つのパッドは、ガラス基板縁端に配置された配線にそれぞれ接続され、配線はバスバー電極に接続され、二つのパッドと配線は透明導電膜がエッチング除去されたガラス基板上に形成され、他の二つのパッドは透明導電膜上に形成されてＣｕ_２Ｏ薄膜太陽電池セル裏面に電気的に接続される。
【選択図】図１

Description

本考案は、亜酸化銅（Ｃｕ_２Ｏ）薄膜太陽電池と単結晶シリコン太陽電池を接着して構成した四端子型タンデム太陽電池セルに関する。

単結晶シリコン太陽電池のエネルギー変換効率を上回るタンデム太陽電池の開発が盛んに行われている（非特許文献１）。シリコン系太陽電池をボトムセルとするタンデム太陽電池の構成ではボトムセル（単結晶シリコン太陽電池）のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）が１．１ｅＶなのでトップセルには少なくとも１．５ｅＶ以上の薄膜太陽電池が効果的である。現在までのところトップセルとしては太陽電池の構造と性能が確立しているＧａＩｎＰ単接合太陽電池（Ｅｇ＝１．８ｅＶ〜１．９ｅＶ）を使用するのがもっとも実用化が早い。タンデム太陽電池の種類としては、トップセルから接合界面を通してボトムセルにキャリア輸送される二端子型と両セルから独立に電力を取り出して合成する四端子型が開発されているが、四端子型でもっとも良い効率が達成されている（非特許文献１）。なお四端子型は薄膜太陽電池セルの裏面電極の形成と薄膜セルを支持するための透明支持基板が必要でありコスト増の要因を抱えている。

トップセルは透光であることが必要なので前述のように薄膜でなければならない。ＧａＩｎＰ単接合太陽電池はＧａＡｓ基板を使用してエピタキシャル成長技術により活性層、コンタクト層、再結合抑制層などを成膜し、電極を形成した後に、ＧａＡｓ基板を剥離して薄膜太陽電池セルにする（エピタキシャルリフトオフ技術と言われている）。つまり薄膜化の工程や薄膜セルのハンドリングが必要となり、工程スループットが低下する、大口径化が難しい、歩留低下がある、などに対する技術対策が必要となっている。現状の技術ではＧａＡｓ系薄膜太陽電池セルのサイズは４インチ径ウェーハの１／２程度のサイズ（６インチ径ウェーハの１／６程度のサイズ）に抑えて上記のリスクを回避している。ちなみにボトムセルであるシリコン系太陽電池セルは１２５ｍｍ角、あるいは１５６ｍｍ角のサイズが一般的なので、できる限りサイズの整合を行い、さらに量産性を確保する必要がある。しかし技術の難易度は高い。

亜酸化銅（Ｃｕ_２Ｏ）ヘテロ接合太陽電池と単結晶シリコン太陽電池セルの四端子型タンデム太陽電池が提案されている（非特許文献２）。Ｃｕ_２Ｏのバンドギャップエネルギーは２．１７ｅＶであり、トップセルとしての使用は可能である。非特許文献２は計算に必要な簡単なモデルを提案したものであるが、これに拠るとＧａＩｎＰとシリコンを使用したタンデム太陽電池に匹敵する性能が見込まれる。またＣｕ_２Ｏはスパッタリング法や電気化学溶液堆積（ＥＣＤ）法でガラス基板に成膜できることが報告されており、ＧａＩｎＰ薄膜太陽電池のようにエピタキシャルリフトオフ技術を使用しなくても四端子型タンデム太陽電池が製作できる。上述のリスクは全て回避できる。しかし非特許文献２で記載されたタンデム太陽電池の構造は計算のためのモデルであり、電極の取り出しが困難であるなど凡そ実用的な構造とは言えない。

ＳｔｅｐｈａｎｉｅＥｓｓｉｇｅｔ．"Ｒａｉｓｉｎｇｔｈｅｏｎｅ−ｓｕｎｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆＩＩＩ−Ｖ／Ｓｉｓｏｌａｒｃｅｌｌｓｔｏ３２．８％ｆｏｒｔｗｏｊｕｎｃｔｉｏｎｓａｎｄ３５．９％ｆｏｒｔｈｒｅｅｊｕｎｃｔｉｏｎｓ"，ＮａｔｕｒｅＥｎｅｒｇｙｖｏｌｕｍｅ２，Ａｒｔｉｃｌｅｎｕｍｂｅｒ：１７１４４（２０１７）

亜酸化銅（Ｃｕ_２Ｏ）ヘテロ接合太陽電池と単結晶シリコンヘテロ接合バックコンタクト型太陽電池を貼り合わせた四端子型タンデム太陽電池セルの実用的な構造を提供する。

前記課題を解決するために本考案では、透明導電膜が形成されたガラス基板を有するＣｕ_２Ｏヘテロ接合薄膜太陽電池セルとガラス基板裏面に単結晶シリコンヘテロ接合バックコンタクト型太陽電池セルが接着された四端子タンデム太陽電池において、Ｃｕ_２Ｏヘテロ接合薄膜太陽電池セルは、ガラス基板上の透明導電膜上に、ｎ型酸化物半導体層、ｐ型Ｃｕ_２Ｏ半導体層、コンタクト層を順に積層し、コンタクト層は略グリッド電極幅にエッチングした後にグリッド電極を形成し、さらにバスバー電極が形成されたセル構造であり、単結晶シリコンヘテロ接合バックコンタクト型太陽電池セルは、ｎ型単結晶シリコンとｎ型、及びｐ型アモルファスシリコンとのヘテロ接合、及び背面電極から成るセル構造であり、単結晶シリコンヘテロ接合バックコンタクト型太陽電池セルの形状は正方形の四隅を切り取った八角形状であり、ガラス基板の形状は前記正方形と同形であり、Ｃｕ_２Ｏヘテロ接合薄膜太陽電池セルの光電変換領域は前記単結晶シリコンヘテロ接合バックコンタクト型太陽電池セルより一回り小さい相似形で形成され、ガラス基板の四隅にはＣｕ_２Ｏヘテロ接合薄膜太陽電池セルの外部取り出しパッドが形成され、四隅のうち二つのパッドは、ガラス基板縁端に配置された配線にそれぞれ接続され、前記配線はバスバー電極に接続され、二つのパッドと配線はそれらの領域の透明導電膜がエッチング除去されたガラス基板上に形成されており、他の二つのパッドは透明導電膜上に形成することによりＣｕ_２Ｏヘテロ接合薄膜太陽電池セル裏面に電気的に接続されたことを特徴とする。

本考案によればトップセルの薄膜太陽電池はガラス基板に形成された太陽電池セルなので、基板剥離や薄膜をハンドリングする工程が無く、低コストで量産性が確保できる。またモジュールを組むのに必要な要素をすべて織り込むなど実用的な構造が提供される。

本考案の四端子型タンデム太陽電池セルの構成図本考案の四端子型タンデム太陽電池セルの上面図図２に係る図面中の部分拡大図本考案の四端子型タンデム太陽電池セルの裏面を表す図本考案の四端子型タンデム太陽電池セルの特定個所の断面図本考案の四端子型タンデム太陽電池セルの特定個所の断面図本考案の四端子型タンデム太陽電池セルの特定個所の断面図本考案の四端子型タンデム太陽電池セルを接続する例を示す外観図

以下、本考案の実施の形態を図１から図７を使用して説明する。図１は本考案の四端子型タンデム太陽電池セルの構成を示す外観図である。トップセル１はＣｕ_２Ｏヘテロ接合薄膜太陽電池セルを示し、ボトムセル２は単結晶シリコンヘテロ接合バックコンタクト型太陽電池セルである。両セルは透明接着剤で貼り合わせて四端子型タンデム太陽電池セルとする。３、４はトップセルであるＣｕ_２Ｏヘテロ接合薄膜太陽電池セルの外部取り出しパッドを示し、それぞれＣｕ_２Ｏヘテロ接合薄膜太陽電池セルの表面電極、裏面電極と接続される（詳細は後述する）。

図２は四端子型タンデム太陽電池セルの上面図であり、図３は図２に示す丸い囲い線の拡大図である。Ｃｕ_２Ｏヘテロ接合薄膜太陽電池セル１の表面にはグリッド電極６を形成する。グリッド電極６はコンタクト層１１の上に形成されるが、この形状は図２のａ−ａ′部の断面図（図５）に示されており、コンタクト層１１上にグリッド電極６が形成される。コンタクト層の幅はグリッド電極幅よりやや大きめの幅である。図３においてグリッド電極６はバスバー電極７に接続されて、さらにブリッジ電極（繋ぎ電極）１０により配線８に接続される。この様子はｂ−ｂ’部の断面図（図６）に示してあるが、バスバー電極７とブリッジ電極１０と配線８は図に示すように接続される。図２でバスバー電極７は三本を配置しているが、本数は限定されない。配線８は外部取り出しパッド３に接続される。配線８は前述のようにＣｕ_２Ｏヘテロ接合薄膜太陽電池セルの表面電極（バスバー電極７）に接続される。単結晶シリコンヘテロ接合バックコンタクト型太陽電池セルは図５にのみ描いたが、図６、図７では省略する。図５に示すセル構造の詳細は以下に説明する。

図２のａ−ａ′部の断面図を図５に示す。Ｃｕ_２Ｏヘテロ接合薄膜太陽電池セル２２の構造は以下の通りである。透明導電膜１５が形成されたガラス基板５上に、ｎ型酸化物半導体層１４、ｐ型Ｃｕ_２Ｏ半導体層１３、コンタクト層１１とグリッド電極６を順に形成する。コンタクト層１１はグリッド電極６に合わせてグリッド状に形成される。Ｃｕ_２Ｏヘテロ接合薄膜太陽電池セルの裏面電極は透明導電膜１５であり、外部取り出しパッド４は透明導電膜上に形成するので電気的に接続される。なお太陽電池には必ず反射防止膜を被覆するが、本考案の特徴事項ではないので省略している。

ｎ型酸化物半導体層１４はＺｎＯ、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２、ＧｅＯ_２及びこれらの混合組成が使用できる。なおｎ型Ｃｕ_２Ｏは実現が難しいため本考案ではヘテロ接合太陽電池が対象になる。コンタクト層１１はｐ^＋型Ｃｕ_２Ｏが好適であるが、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）を使用することもできる。ｐ^＋型Ｃｕ_２ＯはＮａドーピングにより１×１０^１８ｃｍ^３以上の不純物濃度であることが望ましい。ドーピング種は特に限定されない。グリッド電極６、バスバー電極（図２の７）、ブリッジ電極１０、外部取り出しパッド（３、４）はＡｕ、Ａｇが好適である。配線抵抗を下げるためにメッキ金属を成長させて電極を厚くしても良い。例えばＡｕ、Ａｇを薄く真空蒸着して、その後Ｎｉ／Ｃｕをめっき成膜すれば抵抗を下げたり、はんだ付けが容易になる。

図５において、ガラス基板５の裏面側には透明接着剤１６により単結晶シリコンヘテロ接合バックコンタクト型太陽電池セル２３が貼り付けられる。セル構造は上からアモルファスシリコン層２１、その下にｎ型単結晶シリコン層２０、その下にｉ型アモルファスシリコン層１９が形成され、さらにｎ型アモルファスシリコン層（１８−１）とｐ型アモルファスシリコン層（１８−２）が領域を区切って形成される。ｎ型、ｐ型にそれぞれ電極１７が形成されてバックコンタクト型のセルとなる。光入射面には必ず反射防止膜を形成するが図では省略する。透明接着剤は耐熱性のあるエポキシ系接着剤が好適であるが、ＥＶＡ樹脂、シリコン樹脂、テフロン樹脂などを使用しても良い。

図２のｃ−ｃ′部の断面図を図７に示す。外部取り出しパッド３は図に示すようにガラス基板５に形成する。透明導電膜１５はＣｕ_２Ｏヘテロ接合薄膜太陽電池セルの裏面電極を兼ねているからである。透明導電膜１５はＩＴＯ（酸化インジウムスズ）が好適である。なお単結晶シリコンヘテロ接合バックコンタクト型太陽電池セルは省略した。

形状、サイズに関しては以下に説明する通りである。図４は四端子型タンデム太陽電池セルの裏面側を示す。単結晶シリコンヘテロ接合バックコンタクト型太陽電池セル２は正方形の四隅を切り取った八角形状である。ガラス基板５は単結晶シリコンヘテロ接合バックコンタクト型太陽電池セルのサイズに合わせた正方形である。四隅にはガラス基板の表面側に形成されている外部取り出しパッド３、４が見えている。このパッドのサイズは四隅に収まるようにする。例えば単結晶シリコンヘテロ接合バックコンタクト型太陽電池セルのサイズは１２５ｍｍ角が標準である。対角辺の間隔は１５０ｍｍか１６０ｍｍが標準である。そうするとガラス基板５は１２５ｍｍ角で設計される。Ｃｕ_２Ｏヘテロ接合薄膜太陽電池セルの光電変換領域（図２の９）は単結晶シリコンヘテロ接合バックコンタクト型太陽電池セルの相似形にして一回り小さくする。そうしてガラス基板５の縁端に配線８が配置できるようにする。配線幅は１ｍｍ程度あれば良いので、Ｃｕ_２Ｏヘテロ接合薄膜太陽電池セルの光電変換領域９は単結晶シリコンヘテロ接合バックコンタクト型太陽電池セルの１．５ｍｍから２．０ｍｍ程度内側に来る。相似比で言えば０．９６０〜０．９７６となる。このようにすると四隅に配置できる外部取り出しパッド（３、４）のサイズは約５ｍｍ角（対角辺の間隔が１６０ｍｍの場合）となる。

図５において単結晶シリコンヘテロ接合バックコンタクト型太陽電池セルはグリッド電極１７を有するように示したが、グリッド電極は外部取り出し（接続）が容易になるように集電極（図４の１２−１、１２−２）を構成してこれに接続されるようにしても良い。

本考案はモジュールに組みやすい四端子型タンデムセルの構造、形状を提案するもので、接続は図８に示すように簡便になる。トップセル（Ｃｕ_２Ｏヘテロ接合薄膜太陽電池セル）の外部取り出しパッドは図１の３、４に示す通りであり、セルを密に並べて３と４をタブ線ではんだ付けすれば直列に接続ができる。ボトムセルは図４に示す電極１２−１と並置セルの１２−２を接続する。ちなみに四端子型タンデム太陽電池の合成方法は以下の通りである。トップセルとボトムセルは独立に直列合成していく。セルの合成数が多くなるとトップセルとボトムセルの直列合成電圧は大幅に異なってくるので、どちらかの電圧を昇圧、あるいは降圧して電圧値を揃える。その後電力合成（並列合成）する。昇圧、あるいは降圧にはＤＣ／ＤＣコンバーターを使用する。

本考案の四端子型タンデム太陽電池を使用すれば、安価で高性能のモジュールが容易に製作できる。

１Ｃｕ_２Ｏヘテロ接合薄膜太陽電池セル
２単結晶シリコンヘテロ接合バックコンタクト型太陽電池セル
３、４外部取り出しパッド
５ガラス基板
６グリッド電極
７バスバー電極
８ガラス基板上の配線
９Ｃｕ_２Ｏヘテロ接合薄膜太陽電池セルの光電変換領域
１０ブリッジ電極
１１コンタクト層
１２−１単結晶シリコンヘテロ接合バックコンタクト型太陽電池セルの裏面電極
１２−２単結晶シリコンヘテロ接合バックコンタクト型太陽電池セルの裏面電極
１３ｐ型Ｃｕ_２Ｏ光吸収層
１４ｎ型酸化物半導体層
１５透明導電膜
１６接着剤
１７単結晶シリコンヘテロ接合バックコンタクト型太陽電池セルの電極
１８−１ｎ型アモルファスシリコン層
１８−２ｐ型アモルファスシリコン層
１９ｉ型アモルファスシリコン層
２０ｎ型単結晶シリコン層
２１アモルファスシリコン層
２２Ｃｕ_２Ｏヘテロ接合薄膜太陽電池セル
２３単結晶シリコンヘテロ接合バックコンタクト型太陽電池セル
２４タブ線

Claims

透明導電膜が形成されたガラス基板を有するＣｕ_２Ｏヘテロ接合薄膜太陽電池セルと前記ガラス基板裏面に単結晶シリコンヘテロ接合バックコンタクト型太陽電池セルが接着された四端子タンデム太陽電池において、
前記Ｃｕ_２Ｏヘテロ接合薄膜太陽電池セルは、前記ガラス基板上の透明導電膜上に、ｎ型酸化物半導体層、ｐ型Ｃｕ_２Ｏ半導体層、コンタクト層を順に積層し、コンタクト層は略グリッド電極幅にエッチングした後にグリッド電極を形成し、さらにバスバー電極が形成されたセル構造であり、前記単結晶シリコンヘテロ接合バックコンタクト型太陽電池セルは、ｎ型単結晶シリコンとｎ型、及びｐ型アモルファスシリコンとのヘテロ接合、及び背面電極から成るセル構造であり、
前記単結晶シリコンヘテロ接合バックコンタクト型太陽電池セルの形状は正方形の四隅を切り取った八角形状であり、ガラス基板の形状は前記正方形と同形であり、前記Ｃｕ_２Ｏヘテロ接合薄膜太陽電池セルの光電変換領域は前記単結晶シリコンヘテロ接合バックコンタクト型太陽電池セルより一回り小さい相似形で形成され、
ガラス基板の四隅にはＣｕ_２Ｏヘテロ接合薄膜太陽電池セルの外部取り出しパッドが形成され、四隅のうち二つのパッドは、ガラス基板縁端に配置された配線にそれぞれ接続され、前記配線は前記バスバー電極に接続され、二つのパッドと配線はそれらの領域の透明導電膜がエッチング除去されたガラス基板上に形成されており、他の二つのパッドは透明導電膜上に形成することにより前記Ｃｕ_２Ｏヘテロ接合薄膜太陽電池セル裏面に電気的に接続されたことを特徴とする四端子タンデム太陽電池セル。