JP4764469B2 - 光電変換装置及び光電変換装置の製造方法 - Google Patents
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Description
また、窒素を不純物として添加するために窒素ガスを原料ガスとして用いる場合、窒素ガスはプラズマ中で分解されにくいため、膜中に多量の窒素を含有させることは困難であった。このため、特許文献1及び特許文献2では、p層及びn層に対し窒素を0.001原子%から10原子%と低い濃度で添加していた。
上記発明において、前記i層が、結晶質の真性半導体であることが好ましい。
導電率が上記範囲内の界面処理層を形成することによって、n層に接触する透明導電膜とn層とのコンタクト性が改善されて、シリーズ抵抗が低下する。その結果、形状因子が向上した光電変換装置を製造することができる。
上記膜厚範囲の界面処理層を形成すると、コンタクト性を更に改善させることができるとともに、界面処理層の製膜時間が短くて済み、光電変換装置の生産性が更に向上する。
本発明の第1実施形態に係る光電変換装置の構成について説明する。
図1は、本実施形態の光電変換装置の構成を示す概略図である。光電変換装置100は、シリコン系太陽電池であり、基板1、基板側透明電極層2、光電変換層3、裏面側透明電極層7、及び裏面電極層4を備える。光電変換層3は、p層41、i層42、n層として窒素含有n層43及び界面処理層44を備える。なお、ここで、シリコン系とはシリコン(Si)やシリコンカーバイト(SiC)やシリコンゲルマニウム(SiGe)を含む総称である。また、結晶質シリコン系とは、非晶質シリコン系以外のシリコン系を意味するものであり、微結晶シリコンや多結晶シリコンも含まれる。
基板1としてソーダフロートガラス基板(例えば1.4m×1.1m×板厚:3.5mm〜4.5mm)を使用する。基板端面は熱応力や衝撃などによる破損防止にコーナー面取りやR面取り加工されていることが望ましい。
基板側透明導電層2として、酸化錫(SnO2)を主成分とする膜厚約500nm以上800nm以下の透明導電膜を、熱CVD装置にて約500℃で製膜する。この際、透明電極膜の表面には、適当な凹凸のあるテクスチャーが形成される。基板側透明導電層2として、透明電極膜に加えて、基板1と透明電極膜との間にアルカリバリア膜(図示されず)を形成しても良い。アルカリバリア膜は、酸化シリコン膜(SiO2)を50nm〜150nm、熱CVD装置にて約500℃で製膜処理する。
その後、基板1をX−Yテーブルに設置して、YAGレーザーの第1高調波(1064nm)を、図の矢印に示すように、透明電極膜の膜面側から照射する。加工速度に適切となるようにレーザーパワーを調整して、透明電極膜を発電セルの直列接続方向に対して垂直な方向へ、基板1とレーザー光を相対移動して、溝10を形成するように幅約6mmから15mmの所定幅の短冊状にレーザーエッチングする。
プラズマCVD装置により、基板側透明電極層2上に、太陽光の入射する側から順にp層41、i層42、窒素含有n層43、界面処理層44の順で製膜し、光電変換層3を形成する。
例えば、n層製膜室に、SiH4ガス、H2ガス、及びPH3ガスを導入する。減圧雰囲気:3000Pa以下、基板温度:約200℃、プラズマ発生周波数:40MHz以上100MHz以下にて、界面処理層の結晶化率が1以上6以下、好ましくは2.5以上5.5以下となるように水素希釈率を調整して、界面処理層44を製膜する。
図6に示すように、シリコン系n型半導体層の結晶化率が1以上6以下(領域B)で、導電率1S/cm以上100S/cm以下が得られた。特に、シリコン系n型半導体層の結晶化率が2.5以上5.5以下の範囲において、10S/cm以上100S/cm以下と高い導電率が得られた。また、結晶化率が6を超えると(領域C)、導電率が低下する傾向があった。
このように、界面処理層の結晶化率及び導電率には最適範囲が存在する。すなわち、結晶化率が1以上6以下、好ましくは2.5以上5.5以下のn型半導体膜からなる界面処理層とすることで、n層と裏面側透明電極層とのコンタクト性を改善し、かつ、窒素含有n層へのダメージを低減できる。
基板1をX−Yテーブルに設置して、レーザーダイオード励起YAGレーザーの第2高調波(532nm)を、図の矢印に示すように、光電変換層3の膜面側から照射する。パルス発振:10kHzから20kHzとして、加工速度に適切となるようにレーザーパワーを調整して、透明電極層2のレーザーエッチングラインの約100μmから150μmの横側を、溝11を形成するようにレーザーエッチングする。またこのレーザーは基板1側から照射しても良く、この場合は光電変換層3で吸収されたエネルギーで発生する高い蒸気圧を利用して光電変換層3をエッチングできるので、更に安定したレーザーエッチング加工を行うことが可能となる。レーザーエッチングラインの位置は前工程でのエッチングラインと交差しないように位置決め交差を考慮して選定する。
n層と裏面電極層4との接触抵抗低減と光反射向上を目的に、光電変換層3と裏面電極層4との間に、スパッタリング装置により、膜厚:50nm以上100nm以下のGZO(GaドープZnO)膜からなる裏面側透明電極層を形成する。
次いで、裏面電極層4としてAg膜/Ti膜を、スパッタリング装置により、減圧雰囲気、製膜温度:150℃から200℃にて製膜する。本実施形態では、Ag膜:150nm以上500nm以下、これを保護するものとして防食効果の高いTi膜:10nm以上20nm以下を、この順に積層する。あるいは、裏面電極層4を、25nmから100nmの膜厚を有するAg膜と、15nmから500nmの膜厚を有するAl膜との積層構造としても良い。
基板1をX−Yテーブルに設置して、レーザーダイオード励起YAGレーザーの第2高調波(532nm)を、図の矢印に示すように、基板1側から照射する。レーザー光が光電変換層3で吸収され、このとき発生する高いガス蒸気圧を利用して、裏面側透明電極層7及び裏面電極層4が爆裂して除去される。パルス発振:1kHz以上10kHz以下として加工速度に適切となるようにレーザーパワーを調整して、透明電極層2のレーザーエッチングラインの250μmから400μmの横側を、溝12を形成するようにレーザーエッチングする。
発電領域を区分して、基板端周辺の膜端部においてレーザーエッチングによる直列接続部分が短絡し易い影響を除去する。基板1をX−Yテーブルに設置して、レーザーダイオード励起YAGレーザーの第2高調波(532nm)を、基板1側から照射する。レーザー光が透明電極層2と光電変換層3で吸収され、このとき発生する高いガス蒸気圧を利用して裏面電極層4が爆裂して、裏面電極層4/裏面側透明電極層/光電変換層3/基板側透明電極層2が除去される。パルス発振:1kHz以上10kHz以下として加工速度に適切となるようにレーザーパワーを調整して、基板1の端部から5mmから20mmの位置を、図3(c)に示すように、X方向絶縁溝15を形成するようにレーザーエッチングする。なお、図3(c)では、光電変換層3が直列に接続された方向に切断したX方向断面図となっているため、本来であれば絶縁溝15位置には裏面電極層4/裏面側透明電極層/光電変換層3/透明電極層2の膜研磨除去をした周囲膜除去領域14がある状態(図4(a)参照)が表れるべきであるが、基板1の端部への加工の説明の便宜上、この位置にY方向断面を表して形成された絶縁溝をX方向絶縁溝15として説明する。このとき、Y方向絶縁溝は後工程で基板1周囲膜除去領域の膜面研磨除去処理を行うので、設ける必要がない。
後工程のEVA等を介したバックシート24との健全な接着・シール面を確保するために、基板1周辺(周囲膜除去領域14)の積層膜は、段差があるとともに剥離し易いため、この膜を除去して周囲膜除去領域14を形成する。基板1の端から5〜20mmで基板1の全周囲にわたり膜を除去するにあたり、X方向は前述の図3(c)工程で設けた絶縁溝15よりも基板端側において、Y方向は基板端側部付近の溝10よりも基板端側において、裏面電極層4/裏面側透明電極層/光電変換層3/透明電極層2を、砥石研磨やブラスト研磨などを用いて除去を行う。
研磨屑や砥粒は基板1を洗浄処理して除去した。
端子箱23の取付け部分はバックシート24に開口貫通窓を設けて集電板を取出す。この開口貫通窓部分には絶縁材を複数層で設置して外部からの湿分などの浸入を抑制する。
直列に並んだ一方端の太陽電池発電セルと、他方端部の太陽電池発電セルとから銅箔を用いて集電して太陽電池パネル裏側の端子箱23の部分から電力が取出せるように処理する。銅箔は各部との短絡を防止するために銅箔幅より広い絶縁シートを配置する。
集電用銅箔などが所定位置に配置された後に、太陽電池モジュール6の全体を覆い、基板1からはみ出さないようにEVA(エチレン酢酸ビニル共重合体)等による接着充填材シートを配置する。
EVAの上に、防水効果の高いバックシート24を設置する。バックシート24は本実施形態では防水防湿効果が高いようにPETシート/AL箔/PETシートの3層構造よりなる。
バックシート24までを所定位置に配置したものを、ラミネータにより減圧雰囲気で内部の脱気を行い約150〜160℃でプレスしながら、EVAを架橋させて密着させる。
太陽電池モジュール6の裏側に端子箱23を接着剤で取付ける。
(12)図5(b)
銅箔と端子箱23の出力ケーブルとをハンダ等で接続し、端子箱23の内部を封止剤(ポッティング剤)で充填して密閉する。これで太陽電池パネル50が完成する。
(13)図5(c)
図5(b)までの工程で形成された太陽電池パネル50について発電検査ならびに、所定の性能試験を行う。発電検査は、AM1.5、全天日射基準太陽光(1000W/m2)のソーラシミュレータを用いて行う。
(14)図5(d)
発電検査(図5(c))に前後して、外観検査をはじめ所定の性能検査を行う。
N2ガスの割合が増加するにつれて膜中の窒素原子濃度が増加した。N2ガス濃度14%以上63%以下で窒素原子濃度が1%以上20%以下となり、多量の窒素原子をn層に含有させることができた。
n層に窒素を添加しないと高い結晶化率であったが、窒素原子濃度が1%以上の場合は、結晶化率は3未満となった。窒素原子濃度が14%以上で結晶化率が0となり、アモルファス膜となった。
n層中の窒素原子濃度が1%以上20%以下の太陽電池モジュールでは、窒素を添加しない太陽電池モジュールに比べて、開放電圧が高くなった。特に、窒素原子濃度8%以上18%以下で、開放電圧が0.525V以上となり、窒素原子を含まない場合よりも0.15V以上増大した。窒素原子濃度が20%を超えると、逆に開放電圧は低下した。
図10及び図11から明らかなように、界面処理層を形成した太陽電池セルでは、シリーズ抵抗Rsが低く、ばらつきも抑えられた結果、形状因子を高い値で安定させることができた。これは、高い変換効率の太陽電池セルを安定して得られることを意味する。
開放電圧は、窒素含有n層形成により従来の太陽電池セルよりも大幅に向上した。界面処理層が2nmの太陽電池セルは、従来の太陽電池セル及び界面処理層を形成しない太陽電池セルよりも光電変換効率が向上した。なお、本実験では、界面処理層が5nm及び10nmの場合でも高い変換効率が得られているが、これは図14に示される開放電圧、及び、短絡電流が向上した影響によるものである。
本発明の第2実施形態に係る光電変換装置の構成について説明する。
図16は、第2実施形態の光電変換装置の構成を示す概略図である。光電変換装置100は、タンデム型シリコン系太陽電池である。光電変換層3は、基板1側から順に第1セル層91と第2セル層92とが積層されて構成される。第1セル層91は、太陽光の入射する側から順に、非晶質シリコン薄膜からなるp層31、i層32、n層33を積層して構成される。第2セル層92は、太陽光の入射する側から順に、p層41、i層42、窒素含有n層43、界面処理層44を積層して構成される。第1セル層91と第2セル層92との間に、中間コンタクト層5が設けられる。界面処理層44の太陽光入射側と反対側に、裏面側透明電極層7及び裏面電極層4が順に積層される。
本実施形態においても、界面処理層を形成した太陽電池セルでは、シリーズ抵抗Rsが低く、ばらつきも抑えられた結果、形状因子を高い値で安定させることができた。これは、高い変換効率のタンデム型太陽電池セルを安定して得られることを意味する。
本発明の第3実施形態に係る光電変換装置の構成について説明する。
図23は、第3実施形態の光電変換装置の構成を示す概略図である。光電変換装置100は、トリプル型シリコン系太陽電池である。光電変換層3は、基板1側から順に第1セル層91、第2セル層92、第3セル層93が積層されて構成される。第1セル層91は、太陽光の入射する側から順に、非晶質シリコン薄膜からなるp層31、i層32、n層33を積層して構成される。第2セル層92は、太陽光の入射する側から順に、p層41、i層42、n層45を積層して構成される。第3セル層93は、太陽光の入射する側から順に、p層61、i層62、窒素含有n層63、界面処理層64を積層して構成される。第1セル層91と第2セル層92との間、及び、第2セル層92と第3セル層93との間に、それぞれ中間コンタクト層5a,5bが設けられる。界面処理層64の太陽光入射側と反対側に、裏面側透明電極層7及び裏面電極層4が順に積層される。
第3セル層93のp層61の膜厚は10nm以上50nm以下、i層62の膜厚は1μm以上3μm以下、窒素含有n層63の膜厚は10nm以上50nm以下、界面処理層64の膜厚は1nm以上3nm以下とされる。
本実施形態においても、第1実施形態及び第2実施形態と同様に、窒素含有n層を形成することにより、開放電圧を向上させることができた。また、界面処理層を形成することにより、シリーズ抵抗Rsが低く、ばらつきも抑えられたため、形状因子を高い値で安定させることができた。このように、トリプル型太陽電池セルにおいても、窒素含有n層及び界面処理層の効果が確認された。
本発明の第4実施形態に係る光電変換装置の構成について説明する。
図24は、第4実施形態の光電変換装置の構成を示す概略図である。光電変換装置100は、トリプル型シリコン系太陽電池である。光電変換層3は、基板1側から順に第1セル層91、第2セル層92、第3セル層93が積層されて構成される。第1セル層91は、太陽光の入射する側から順に、非晶質シリコン薄膜からなるp層31、i層32、n層33を積層して構成される。第2セル層92は、太陽光の入射する側から順に、p層41、i層42、窒素含有n層43、界面処理層44を積層して構成される。第3セル層93は、太陽光の入射する側から順に、p層61、i層62、n層65を積層して構成される。第1セル層91と第2セル層92との間、及び、第2セル層92と第3セル層93との間に、それぞれ中間コンタクト層5a,5bが設けられる。第3セル層のn層65の太陽光入射側と反対側に、裏面側透明電極層7及び裏面電極層4が順に積層される。
第2セル層92として、第2実施形態と同一の工程で、結晶質シリコンp層41、結晶質シリコンi層42、窒素含有n層43、界面処理層44を順次製膜する。本実施形態において、p層41の膜厚は10nm以上50nm以下、i層42の膜厚は1.2μm以上3μm以下、窒素含有n層43の膜厚は10nm以上50nm以下、界面処理層44の膜厚は1nm以上3nm以下とされる。
本実施形態においても、界面処理層を形成した太陽電池セルでは、シリーズ抵抗Rsが低く、ばらつきも抑えられた結果、形状因子を高い値で安定させることができた。これは、高い変換効率のトリプル型太陽電池セルを安定して得られることを意味する。
以上のように、窒素含有n層と中間コンタクト層との間に界面処理層を形成した場合でも、窒素含有n層による開放電圧向上効果、及び、界面処理層によるコンタクト性改善による形状因子向上効果を得ることができた。
2 基板側透明電極層
3 光電変換層
4 裏面電極層
5,5a,5b 中間コンタクト層
6 太陽電池モジュール
7 裏面側透明電極層
31,41,61 p層
32,42,62 i層
33,45,65 n層
43,63 窒素含有n層
44,64 界面処理層
91 第1セル層
92 第2セル層
93 第3セル層
100 光電変換装置
Claims (8)
- 基板上に、p層とi層とn層とが積層されたシリコン系の光電変換層を備える光電変換装置であって、
前記n層が、窒素含有n層と、該窒素含有n層の前記基板と反対側の面に形成された界面処理層とを備え、
前記窒素含有n層が、窒素原子を1%以上20%以下の原子濃度で含有し、かつ、結晶化率が0以上3未満であり、
前記界面処理層が、GaドープZnOからなる裏面側の透明電極層と接触し、
前記界面処理層が、結晶化率1以上6以下であり、
前記界面処理層の導電率が、1S/cm以上100S/cm以下であることを特徴とする光電変換装置。 - 基板上に、p層とi層とn層とが積層された複数のシリコン系の光電変換層を備える光電変換装置であって、
前記n層が、窒素含有n層と、該窒素含有n層の前記基板と反対側の面に形成された界面処理層とを備え、
前記窒素含有n層が、窒素原子を1%以上20%以下の原子濃度で含有し、かつ、結晶化率が0以上3未満であり、
隣接する前記光電変換層の間に、隣接する前記光電変換層同士を電気的に接続し、且つ、光を透過するGaドープZnOからなる中間コンタクト層を備え、
前記界面処理層が、前記中間コンタクト層と接触し、
前記界面処理層が、結晶化率1以上6以下であり、
前記界面処理層の導電率が、1S/cm以上100S/cm以下であることを特徴とする光電変換装置。 - 前記界面処理層の結晶化率が、2.5以上5.5以下であり、
前記界面処理層の導電率が、10S/cm以上100S/cm以下であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の光電変換装置。 - 前記界面処理層の厚さが、1nm以上3nm以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の光電変換装置。
- 前記i層が、結晶質の真性半導体であることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の光電変換装置。
- 基板上に、p層とi層とn層とを積層させたシリコン系の光電変換層を形成する工程を含む光電変換装置の製造方法であって、
前記n層を形成する工程が、窒素原子濃度が1%以上20%以下、かつ、結晶化率が0以上3未満の窒素含有n層を、原料ガスに窒素ガスを用い、30MHz以上100MHz以下の高周波周波数で、高周波プラズマCVD法によって形成する工程と、該窒素含有n層の前記基板と反対側の面に、結晶化率1以上6以下の界面処理層を、導電率が1S/cm以上100S/cm以下として形成する工程と、
前記界面処理層上に、GaドープZnOからなる裏面側の透明電極層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする光電変換装置の製造方法。 - 前記界面処理層を、1nm以上3nm以下の膜厚で形成することを特徴とする請求項6に記載の光電変換装置の製造方法。
- 基板上に、p層とi層とn層とを積層させた複数のシリコン系の光電変換層を形成する工程を含む光電変換装置の製造方法であって、
前記n層を形成する工程が、窒素原子濃度が1%以上20%以下、かつ、結晶化率が0以上3未満の窒素含有n層を、原料ガスに窒素ガスを用い、30MHz以上100MHz以下の高周波周波数で、高周波プラズマCVD法によって形成する工程と、該窒素含有n層の前記基板と反対側の面に、結晶化率1以上6以下の界面処理層を、導電率が1S/cm以上100S/cm以下として形成する工程と、
隣接する前記光電変換層の間の前記界面処理層上に、隣接する前記光電変換層同士を電気的に接続し、且つ、光を透過するGaドープZnOからなる中間コンタクト層を形成する工程を含むことを特徴とする光電変換装置の製造方法。
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