JP4986170B2 - 太陽電池用基板の作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池用基板の作製方法に関するものである。

太陽電池、特に薄膜太陽電池では、入射する太陽光を厚さ0.1〜5ミクロン程度の薄い光吸収層によって効率良く吸収し、電力に変換する必要がある。このため、従来、薄膜太陽電池では、基板となる材料に大きさ0.05〜10ミクロン程度の凹凸構造を形成し、それによる(1)散乱効果及び(2)光吸収層の界面における全反射効果、を利用して光の吸収量を増やす光閉じ込め技術が用いられてきた。

従来用いられてきた光閉じ込め構造には、化学気相堆積法によって透明導電膜や光吸収層を製膜する際に自己形成される凹凸構造、透明導電膜を化学エッチングする際に形成される凹凸構造、反応性スパッタリング法によって金属電極を製膜する際に自己形成される凹凸構造、などがある。こうした方法は大量生産に適しており、既に実用に供されているものもあるが、形成される構造は通常ランダムな形状である。

一方、より効果的な光閉じ込め効果を狙って、ランダムな凹凸構造では無く、周期0.1〜10ミクロン程度の回折格子を利用する方法も研究開発されている。この場合は、回折効果によって光の伝搬方向を制御し、光路長を長くするとともに全反射効果を強め、光吸収を促進することができる。

上に挙げたランダムな凹凸構造による光閉じ込めは、大量生産に適しているものの、凹凸構造の制御性が低いために、光閉じ込め効果は十分ではなく、得られる光電流は制限される。一方、より制御された回折格子構造を太陽電池に利用するには、低コストな作製方法が必要とされている。
特開２００２−１１０１７号公報 特開２００２−１９８５４９号公報 APPLIED OPTICS Vol.34,No.14pp.2476-2482 Prog.Photovolt:Res.Appl.2006.14pp629-641

したがって本発明は、光閉じ込め効果が十分で、制御性がよく低コストな太陽電池用基板の作製方法を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段は次のとおりである。
（１）金属基板の表面を陽極酸化し、多孔質金属酸化膜を形成する工程及び該多孔質金属酸化膜を除去し、金属基板表面に凹部が周期的で連続した凹部構造を露出する工程を含む太陽電池用基板の作製方法。
（２）上記金属は、アルミニウムであることを特徴とする（１）に記載の太陽電池用基板の作製方法。
（３）上記凹部構造は、凹部がハニカム状に配置されていることを特徴とする（２）に記載の太陽電池用基板の作製方法。
（４）上記凹部構造は、凹部の直径が０．５〜１．２ミクロンの範囲及びその深さが０．１〜０．３ミクロンの範囲にあることを特徴とする（１）ないし（３）のいずれかに記載の太陽電池用基板の作製方法。
なお、本発明における金属基板には、薄いシート状の金属基板あるいは絶縁基板上に金属薄膜を形成した基板も含まれる。

本発明の太陽電池用基板の作製方法によれば、金属基板表面に制御性よく周期的で連続した凹部構造を形成することができるため光閉じ込め効果が十分な太陽電池が得られる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明にかかる太陽電池用基板及び太陽電池の作製方法を示したものである。まず、平坦度の高いアルミニウム基板もしくは表面にアルミニウム薄膜を形成した基板を用意する（図１A）。この時の平坦度は、作製しようとする凹部構造の高さよりも小さいことが望ましい。このアルミニウム基板を、濃度１〜１０％のリン酸水溶液中、200V程度の定電圧条件で陽極酸化処理する。このとき、溶液を十分に攪拌するとともに、望ましくは温度を１０℃以下に保つ。

陽極酸化により、アルミニウム基板表面に、多数の孔が規則正しくハニカム状に並んだ酸化アルミニウム膜が形成される（図１B）。ここに記述する条件では、周期０．４〜０．５ミクロンのハニカム状構造が得られる。同時に、酸化アルミニウム膜の下のアルミニウム基板にもハニカム状に配置された凹部構造が形成される。
次いで、酸化アルミニウム膜を濃度１０〜２０％程度のリン酸水溶液によりエッチングし除去する。この結果、凹部がハニカム状に配置された凹部構造を持つアルミニウム基板が得られる（図１C）。
なお、さらにエッチングを継続して、凹部構造をなだらかなものにしてもよい。

その後、得られた凹部構造を持つアルミニウム基板上に、周知の製膜方法により太陽電池が形成される。
すなわち、この基板上に銀、透明導電膜を製膜し、さらに結晶層を含むn型、真性及びp型の薄膜シリコン層を化学気層堆積法により製膜する。この上に反射防止効果を発揮するよう厚さを調整した透明導電膜及び銀電極を形成し、太陽電池とする（図１D）。

図２は、図１に示す作製方法によって多孔質酸化アルミニウム膜を形成したアルミニウム基板の詳細な構造を示す模式図である。各孔は基板に対し垂直に形成され、ハニカム状に配置される。アルミニウム基板には、この孔の下部に当たる部分に凹部が形成される。結果として、アルミニウム基板上に凹部がハニカム状に配置された凹部構造が形成される。

図３は、図１に示す作製方法で得られた凹部がハニカム状に配置された凹部構造を持つアルミニウム基板の電子顕微鏡写真であり、図１のC図に相当するものである。同図によれば、湾曲形状の凹部を有する凹部構造が、周期０．４５ミクロン程度で規則的に配置されていることが分かる。

図４は、図１に示す方法で作製した結晶層を含む薄膜シリコン太陽電池と、従来から利用されている規則性の無いランダムな凹凸構造を持つ基板上に同条件で作製した薄膜シリコン太陽電池の、外部量子効率の比を示したものである。ここでは、図１に示す方法で作製した太陽電池の効率を、従来法による基板上に作製した太陽電池の効率で除したものを示している。外部量子効率が高いほど入射太陽光を有効に発電に利用できる。

図４中の破線は測定値、実線は測定値から干渉パターンを取り除いたものである。図４中の実線から分かるように、本発明による太陽電池用基板を用いて作製した太陽電池は、従来のランダムな凹凸構造を持つ太陽電池に比べて長波長領域で高い外部量子効率を示している。この結果から、本発明にかかる太陽電池用基板は、薄膜太陽電池の性能向上に貢献していることが理解される。

図５は、図１に示す方法で作製した結晶層を含む薄膜シリコン太陽電池において、アルミニウム基板の凹部構造の凹部の大きさを変化させたときの、得られる短絡電流密度を示したものである。図５では、真性シリコン薄膜の厚さは1ミクロンで一定としてある。図５から、凹部の大きさが０．５〜１．２ミクロン程度のときに23mA/cm²を超える高い短絡電流密度が得られ、０．９ミクロンのときにほぼ最大値を取ることが理解される。このときの凹部の深さは０．１〜０．３ミクロンである。なお凹部の大きさを１．２ミクロン超の大きさにすることは、陽極酸化のための高電圧を必要とするばかりでなく、これにより得られる短絡電流密度も十分でないことから実用的ではない。
このように、本発明にかかる薄膜太陽電池用基板は、陽極酸化条件を変えることにより、形成される凹部の大きさを変化させることができ、これによって光閉じ込め効果及び得られる電流値を制御することができる。

また、本発明にかかる薄膜太陽電池用基板作製方法は、アルミニウム以外にも陽極酸化による周期構造形成が可能なチタンやタンタル等の他の金属基板にも適用可能である。また、図１に示す結晶層を含む薄膜シリコンのみならず、アモルファスシリコンやシリコンゲルマニウム合金などへも適用可能である。さらに、柔軟性を持つ基板を用いることにより、ロール・ツー・ロール方式の陽極酸化処理による大量生産にも対応できる。加えて、本発明にかかる太陽電池基板を型とした転写プロセスによって、良好な光閉じ込め効果を与える構造を樹脂基板等へ安価に形成することも可能である。

本発明にかかる太陽電池用基板の作製方法及び太陽電池の作製方法を示す模式図である。 本発明にかかる陽極酸化後のアルミニウム基板の構造を示す模式図である。 本発明により作製した太陽電池用基板の表面写真である。 この発明により作製した太陽電池用基板を用いた太陽電池と従来法による基板を用いた太陽電池の外部量子効率の比を示す図である。 本発明により作製した太陽電池基板を用いた厚さ1ミクロンの太陽電池において、基板に形成した凹部の大きさと得られる短絡電流密度の関係を示す図である。

符号の説明

１ アルミニウム基板もしくはアルミニウム薄膜を形成した基板
２ 多孔質酸化アルミニウム膜
３ 酸化アルミニウム膜に形成された孔
４ 下部銀電極
５ 下部透明導電膜
６ ｎ型シリコン薄膜
７ 真性シリコン薄膜
８ ｐ型シリコン薄膜
９ 上部透明導電膜
１０ 上部銀電極

Claims (4)

1. 金属基板の表面を陽極酸化し、多孔質金属酸化膜を形成する工程及び該多孔質金属酸化膜を除去し、金属基板表面に凹部が周期的で連続した凹部構造を露出する工程を含む太陽電池の作製方法。
2. 上記金属は、アルミニウムであることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の作製方法。
3. 上記凹部構造は、凹部がハニカム状に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽電池の作製方法。
4. 上記凹部構造は、凹部の直径が０.５〜１.２ミクロンの範囲及びその深さが０.１〜０.３ミクロンの範囲にあることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の太陽電池の作製方法。