JP3221984U - 透光性太陽電池セル - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン太陽電池セルに貼り付けてタンデム型太陽電池セルを構成できる透光性太陽電池セルを提供する。
【解決手段】透明基板６上に第一のコンタクト層７、ｐ−ｎ接合半導体層８、、そして第二のコンタクト層９を有し、第二のコンタクト層とｐ−ｎ接合半導体層を除去して露出した第一のコンタクト層上に第一のフィンガー電極４が形成され、第二のコンタクト層上には複数のグリッド電極１０と集電用の第二のフィンガー電極２が形成されて成り、平面視において、第一のフィンガー電極はその複数本が第一のバスライン５から延伸した櫛形状電極であり、第二のフィンガー電極はその複数本が第二のバスライン３から延伸した櫛形状電極であり、第一のフィンガー電極と第二のフィンガー電極は交互に並置され、第一のバスラインと第二のバスラインは透明基板上に対抗配置されており、第二のフィンガー電極の一本当たりにはこれに直交して複数のグリッド電極が等間隔に並置される。
【選択図】図１

Description

本考案はシリコン太陽電池セルに貼り合わせてタンデム型太陽電池セルを構成する透光性太陽電池セルに関する。

ＱＣＤの観点からもっとも普及している太陽電池は単結晶シリコンヘテロ接合太陽電池セルであるが、これを置き換える太陽電池は未だ実現されていない。しかしＱｕａｌｉｔｙ、例えばエネルギー変換効率で見るとＩＩＩ−Ｖ系化合物半導体太陽電池セルはシリコンのそれを大きく上回っており、太陽電池の構造も製法も確立している。現状ではコストが著しく高く、生産性が低いので衛星やソーラーカーなどの用途に限られる。一方でＩＩＩ−Ｖ系化合物半導体太陽電池の低コスト化を進めて、これを単結晶シリコン太陽電池セルに貼り合わせることで、性能とコストが見合う形で市場に供給できるよう開発が進められている（非特許文献）。ちなみにボトムセルであるシリコン太陽電池に貼り合わせてタンデム型太陽電池セルを構成するトップセルのエネルギーバンドギャップ（Ｅｇ）は、シリコンのバンドギャップエネルギーの１．１ｅＶ程度に対して１．８ｅＶ〜２．２ｅＶが効果的である。

非特許文献にはタンデム型太陽電池セルのトップセルにＧａＩｎＰ単接合太陽電池セル（Ｅｇ〜１．８９ｅＶ）、ボトムセルに単結晶シリコンヘテロ接合太陽電池セルの構成例があるが、ＩＩＩ−Ｖ系化合物半導体太陽電池の低コスト化、量産技術の確立が前提であり、盛んに開発が進められている。しかしもしその技術が確立したとすれば、シリコン太陽電池との貼り合わせをしないでＩＩＩ−Ｖ系化合物太陽電池だけでシリコンの置き換えを狙う方が良いかもしれない。理由はＩＩＩ−Ｖ系化合物太陽電池セルであるＧａＡｓ単接合太陽電池セルでさえエネルギー変換効率は単結晶シリコンのそれを超えているからである。貼り付けを止めれば当然、貼り付けコストが削減できるのでメリットがある。

単結晶シリコン太陽電池セルのサイズは１２５ｍｍ角、あるいは１５６ｍｍ角が標準であり、太陽電池モジュールもこれらのサイズで設計・製作され、普及している。一方でＩＩＩ−Ｖ系化合物半導体太陽電池セルをトップセルに使用するためには基板を剥離して薄膜セルにする必要がある。こうすることにより光透過性を確保する。基板剥離はＥＬＯ技術（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌｉｆｔ Ｏｆｆ）として知られており、高価な結晶成長基板（ＧａＡｓ基板）を剥離して再活用するのでコストの面でも有効である。しかし剥離した薄膜セルは数μｍの厚さであり、これを１２５ｍｍ角、あるいは１５６ｍｍ角の大口径で安価に歩留よく量産するのは困難である。つまり現状の技術を進めていっても、小口径タンデム型セルの実現に落ち着く可能性が強い。従ってシリコンに合わせた１２５ｍｍ角相当、あるいは１５６ｍｍ角相当のトップセルの実現性や、薄膜大口径セルの抱える問題点やその技術解決策は十分に提示されていない状況である。

Ｓｔｅｐｈａｎｉｅ Ｅｓｓｉｇ ｅｔ．"Ｒａｉｓｉｎｇ ｔｈｅ ｏｎｅ−ｓｕｎ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ＩＩＩ−Ｖ／Ｓｉｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ ｔｏ ３２．８％ ｆｏｒ ｔｗｏ ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ ａｎｄ ３５．９％ ｆｏｒ ｔｈｒｅｅ ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ"，Ｎａｔｕｒｅ Ｅｎｅｒｇｙ ｖｏｌｕｍｅ２，Ａｒｔｉｃｌｅ ｎｕｍｂｅｒ：１７１４４（２０１７）

単結晶シリコン系太陽電池に貼り合わせて大口径タンデム型太陽電池を構成するためのトップセルの技術が提示されていない。

上記課題を解決するため本考案では、透明基板を使用した透光性太陽電池セルであって、透明基板上に少なくとも第一のコンタクト層、ｐ−ｎ接合半導体層、あるいはｐ−ｉ−ｎ接合半導体層、そして第二のコンタクト層を有した構成であり、第二のコンタクト層とｐ−ｎ接合半導体層、あるいはｐ−ｉ−ｎ接合半導体層の二層を除去して露出した第一のコンタクト層上に第一のフィンガー電極が形成され、第二のコンタクト層上には複数のグリッド電極と集電用の第二のフィンガー電極が形成されて成り、
平面視において、第一のフィンガー電極はその複数本が第一のバスラインから延伸した櫛形状電極であり、第二のフィンガー電極はその複数本が第二のバスラインから延伸した櫛形状電極であり、第一のフィンガー電極と第二のフィンガー電極は交互に並置され、第一のバスラインと第二のバスラインは透明基板上に対抗配置されており、第二のフィンガー電極の一本当たりにはこれに直交して複数のグリッド電極が等間隔に並置されたことを特徴とする。

より具体的な解決として、透明基板はガラス基板であり、順にグラフェン層、ＡｌＮ層から成るバッファ層が形成され、その上の第一のコンタクト層はｎ型ＧａＮ層であり、さらにｎ型ＩｎＧａＮ層、ｐ型ＩｎＧａＮ層のｐ−ｎ接合層、あるいはｎ型ＩｎＧａＮ層、ｉ型ＩｎＧａＮ層、ｐ型ＩｎＧａＮ層のｐ−ｉ−ｎ接合層が形成され、第二のコンタクト層がｐ型ＧａＮ層の上にＩＴＯ膜を形成した二層であることを特徴とする。

別の具体的な解決として、透明基板はガラス基板であり、第一のコンタクト層が透明酸化物導電膜であり、その上にｐ型Ｃｕ_２Ｏ層、ｎ型酸化物半導体層のｐ−ｎ接合層が形成され、その上の第二のコンタクト層が透明酸化物導電膜であることを特徴とする。

上記の解決策は、タンデム型太陽電池セルのトップセルとしてエネルギーバンドギャップがシリコンより高い太陽電池材料を選定し、その材料はガラス基板上に薄膜形成してシリコンと同じサイズが実現でき、トップセルの性能を保証するための形状、構造の詳細を提案するものである。

本考案によれば、単結晶シリコンヘテロ接合太陽電池の性能を上回り、低コストで量産可能なタンデム型太陽電池セルを提供できる。

図１（ａ）は本考案に係る透光性太陽電池セルの平面図、図１（ｂ）はその断面図である。 図２は図１（ａ）に指示する部位の部分拡大図を示す。 図３は本考案に係る透光性太陽電池セルの一つの実施断面図である。 図４は本考案に係る透光性太陽電池セルの一つの実施断面図である。 図５は本考案に係る透光性太陽電池セルに等価回路を付図した図である。 図６は１２５ｍｍ角の透光性太陽電池セルの平面図である。 図７は透光性太陽電池セルとシリコン太陽電池セルを貼り合わせるタンデム型太陽電池セルの外観を示す。

以下、本考案の実施の形態を図を用いて説明する。

図１（ａ）は本考案の透光性太陽電池セルの一部の領域の平面を示し、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すα−α’の断面を示す。点線枠１は透光性太陽電池のユニットを示しており、ユニットが複数個並列に合成されて透光性太陽電池セルになる。図１（ｂ）の断面は透光性太陽電池の構造を概略しており、透明基板６に第一のコンクタト層７が形成され、金属電極である第一のフィンガー電極４が形成される。この電極名の呼称は図１（ａ）に示すパターンの通りである。８は光吸収・励起層であるｐ−ｎ接合半導体層を示し、その上に第二のコンタクト層９がある。この上には第二のフィンガー電極２が形成される。丸線枠１１の拡大を図２に示すが、β−β’における断面ではグリッド電極１０が第二のコンクタト層９に形成される。グリッド電極１０に接してキャリアを集電する目的で第二のフィンガー電極２を形成している。第一のフィンガー電極４は第一のバスライン５からくし形状に延伸し、第二のフィンガー電極２も第二のバスライン３からくし形状に延伸し、バスライン３、５は対抗する配置になっている。二つのバスラインは透明基板上に配置され、セルの規模が決まれば外部接続用パッドを配置してこれに接続する。

呼称の異なる幾つかの電極を示したが、これらの電極の性格は異なっている。例えば第一のコンタクト層７に接する第一のフィンガー電極４はオーム性接触が得られる電極材料でなければならない。同様にグリッド電極１０は第二のコンクタト層９とオーム性接触が得られる電極材料でなければならない。しかし第二のフィンガー電極２は第二のコンタクト層９に対してオーム性接触が得られる必要はない。等間隔に並置された複数のグリッド電極１０に電気的に接触して集電機能が発揮されれば良い。製作方法で説明すると、グリッド電極１０と第一のフィンガー電極４は下地に対して極めて密着性の良い金属であるＴｉ、Ｎｉなどを蒸着し、高温熱処理をして界面準位密度を極力減らしてオーム性接触とする。一方で第二のフィンガー電極２とバスライン３，５は金属ペーストを使用したスクリーン印刷で形成することができる。金属配線の抵抗は低くする必要があるので、金属ペーストは導電性樹脂ペーストではなく低温焼結性銀ペーストが好ましい。第一のフィンガー電極を厚く形成できない場合には、抵抗を下げるためにこの電極上にも焼結性銀ペーストを印刷するのが良い。

図３には本考案への一つの好適な適用例を示している。ガラス基板１３にバッファ層としてグラフェン膜１４、ＡｌＮ膜を形成する。次いで第一のコンタクト層としてｎ型ＧａＮ層を形成し、第一のフィンガー電極４を形成する。次いでｐ−ｎ接合としてｎ型ＩｎＧａＮ層、ｐ型ＩｎＧａＮ層を形成する。あるいはｐ−ｉ−ｎ接合としてｎ型ＩｎＧａＮ層、ｉ型ＩｎＧａＮ層、ｐ型ＩｎＧａＮ層でも良い。さらに第二のコンタクト層としてｐ型ＧａＮ層、ＩＴＯ膜の二層を形成してグリッド電極１０でオーム性接触とする。第一のフィンガー電極４はＴｉ、グリッド電極１０はＡｇが使用できる。なおＴｉは密着性金属として使用し、抵抗率を下げるためにＡｌをその上に被覆する。この製法は公知（Ｊｅｏｎｇ Ｗｏｏ Ｓｈｏｎ，Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｒｅｐｏｒｔｓ ｖｏｌｕｍｅ４，Ａｒｔｉｃｌｅ ｎｕｍｂｅｒ：５３２５（２０１４））あるが、重要な点として非晶質ガラス基板に単結晶ＧａＮが成長できることを示したことである。成膜はパルススパッタ法を使用するのでシリコン同様の大口径が実現でき、量産性に優れている。またスパッタ成膜法ではＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮのＩｎ組成比を上げることが可能であり、Ｉｎ〜３０％でＥｇ〜２．０ｅＶが実現できる。

上述（図３）の説明は透光性ＩｎＧａＮ太陽電池セルであるが、ガラス基板をサファイア基板に代え、バッファ層をＬＴ−ＧａＮ（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）とし、他は同じ構成でも良い。但しこの場合の製法はＬＥＤと同じにＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を使用するが、現状の技術ではＩｎ組成比が上げられずＥｇ〜３ｅＶに留まっており、本考案適用へのメリットは小さい。

図４は本考案への別の好適な実施例を示す。ガラス基板１３上に第一のコンタクト層として透明酸化物導電膜２１を形成しｐ型Ｃｕ_２Ｏ（２２）を成膜する。ｐ−ｎ接合層を形成するためｎ型酸化物半導体を成膜し、透明酸化物導電膜２４を形成する。金属電極４、１０はＴｉ、Ｎｉなどの密着性金属に抵抗率を下げるためＡｌ、Ａｇを被覆して二層金属とするのが良い。ｎ型酸化物半導体は、ＺｎＯ、ＺｎＧｅＯを使用すればヘテロ接合型となるが、ｎ型Ｃｕ_２Ｏであればホモ接合型になる。透明酸化物導電膜２４はＩＴＯ膜が使用できる。透明酸化物導電膜２１としてＩＴＯより耐熱性のあるＦＴＯ（フッ素ドープ酸化スズ）の単層、あるいはＦＴＯの上に高濃度ｐ型Ｃｕ_２Ｏを成膜した二層構造でも良い。Ｃｕ_２Ｏのバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）は２．１７ｅＶと言われており、シリコン太陽電池（ボトムセル）に対するトップセルとしては好適な結晶である。

図５は本考案の透光性太陽電池ユニットの等価回路表示を行ったものである。第一のコンタクト層６はＲ_ｃ１という分布抵抗をもたらし、第二のコンタクト層９にはＲ_ｃ２という分布抵抗が介在する。タンデム型太陽電池のトップセルである透光性太陽電池セルは光透過率が低下しないようにする必要がある。第一のコンタクト層と第二のコンタクト層の厚さと透明性は反する関係にある。上述の分布抵抗（Ｒ_ｃ１、Ｒ_ｃ２）を下げるためには抵抗率が低く厚い層を形成すれば良いが、透明性は低下していく。本考案はできる限り性能低下を抑えるためにパターンにも工夫を織り込んだものである。Ｒ_ｃ２低減策に限界があれば、図１に示すグリッド電極１０のフィンガー電極２当たりに配置される本数を増やすことで性能低下を防ぐことが可能になる。同様にＲ_ｃ１低減策に限界があれば、図１に示すユニット幅Ｗを減少させることで対策できることになる。

図６は単結晶シリコン太陽電池セルの１２５ｍｍ角サイズに合わせて透光性太陽電池セルを描いたものだが、セルサイズが大きいと性能低下を抑止するパターンがとくに重要になることが一目で分かる。なおグリッド電極１０の幅（Ｌ方向の長さ）は１０μｍ以下程度のものである。ユニット幅Ｗは３０ｍｍ程度で描いているが、第一のコンタクト層７のシート抵抗を低く設定できなければユニット幅はさらに小さく設定することになる。一般にｐ型コンタクト層はｎ型に比べて抵抗率が大きく性能低下要因になっている。実用的なｐ型透明導電膜は未だ見出されていなく、図３で説明した第二のコンタクト層（ｐ型ＧａＮ）２０の抵抗率はｎ型に比べて相当に悪いため、シート抵抗のみならずオーム性接触にも留意が必要となっている。サイズの大きい太陽電池セルにとってパターンの工夫も織り込んで性能低下を抑止することは極めて重要である。

図７は本考案の透光性太陽電池セル２７を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（１２５ｍｍ角）に貼り合わせる様子を示す。本考案が想定しているのは四端子タンデム型太陽電池セルになる。透明接着剤で貼り合わせて一つのセルとし、これらを並べて直列接続することで従来通りの製作の仕方でモジュール化（パネル化）できる。直列接続はトップセル同志、及びボトムセル同士で接続し、最後にセルの電圧を揃えて電力合成してモジュール電力とする。図６に示す外部接続用パッド２５、２６は隣接セルとの接続用である。

本考案によれば、メガソーラーなどに展開されている単結晶シリコンヘテロ接合太陽電池の置き換えが初めて可能になる。

１ 透光性太陽電池ユニット
２ 第二のフィンガー電極
３ 第二のバスライン
４ 第一のフィンガー電極
５ 第一のバスライン
６ 透明基板
７ 第一のコンタクト層
８ ｐ−ｎ、あるいはｐ−ｉ−ｎ接合半導体層
９ 第二のコンタクト層
１０ グリッド電極
１１ 拡大断面指示領域
１２ ガラス基板
１３ グラフェン
１４ ＡｌＮ層
１５ ｎ型ＧａＮ層
１６ ｎ型ＩｎＧａＮ層
１７ ｉ型ＩｎＧａＮ層
１８ ｐ型ＩｎＧａＮ層
１９ ｐ型ＧａＮ層
２０ 透明酸化物導電膜
２１ ｐ型Ｃｕ_２Ｏ層
２２ ｎ型酸化物半導体層
２３ 透明酸化物導電膜
２４、２５ 外部接続用パッド
２６ １２５ｍｍ^□透光性太陽電池セル
２７ 単結晶Ｓｉヘテロ接合バックコンタクト型太陽電池セル

Claims (3)

1. 透明基板を使用した透光性太陽電池セルであって、透明基板上に少なくとも第一のコンタクト層、ｐ−ｎ接合半導体層、あるいはｐ−ｉ−ｎ接合半導体層、そして第二のコンタクト層を有した構成であり、第二のコンタクト層とｐ−ｎ接合半導体層、あるいはｐ−ｉ−ｎ接合半導体層の二層を除去して露出した第一のコンタクト層上に第一のフィンガー電極が形成され、第二のコンタクト層上には複数のグリッド電極と集電用の第二のフィンガー電極が形成されて成り、
   平面視において、第一のフィンガー電極はその複数本が第一のバスラインから延伸した櫛形状電極であり、第二のフィンガー電極はその複数本が第二のバスラインから延伸した櫛形状電極であり、第一のフィンガー電極と第二のフィンガー電極は交互に並置され、第一のバスラインと第二のバスラインは透明基板上に対抗配置されており、第二のフィンガー電極の一本当たりにはこれに直交して複数のグリッド電極が等間隔に並置されたことを特徴とする透光性太陽電池セル。
2. 前記透明基板はガラス基板であり、順にグラフェン層、ＡｌＮ層から成るバッファ層が形成され、その上の第一のコンタクト層はｎ型ＧａＮ層であり、さらにｎ型ＩｎＧａＮ層、ｐ型ＩｎＧａＮ層のｐ−ｎ接合層、あるいはｎ型ＩｎＧａＮ層、ｉ型ＩｎＧａＮ層、ｐ型ＩｎＧａＮ層のｐ−ｉ−ｎ接合層が形成され、第二のコンタクト層がｐ型ＧａＮ層の上にＩＴＯ膜を形成した二層であることを特徴とする請求項１に記載の透光性太陽電池セル。
3. 前記透明基板はガラス基板であり、第一のコンタクト層が透明酸化物導電膜であり、その上にｐ型Ｃｕ_２Ｏ層、ｎ型酸化物半導体層のｐ−ｎ接合層が形成され、その上の第二のコンタクト層が透明酸化物導電膜であることを特徴とする請求項１に記載の透光性太陽電池セル。

Images