JP5279412B2 - 光電池およびその製造方法 - Google Patents

Description

背景
技術分野
この開示は太陽光発電に関し、より具体的には透明な導電性コーティングを用いた太陽光発電に関する。

関連技術の説明
集光型太陽光発電（concentrating photovoltaics）（ＣＰＶ）によって、太陽エネルギが他のエネルギ源と価格的に競争できるようになる将来性が大いにある。ＣＰＶでは、反射光学系および／または屈折光学系のなんらかの組合せの使用を通じて、日光が大きな地域から集められて比較的小さな太陽電池領域に集光される。太陽電池は日光を電気に変換する半導体を含む。日光の集光は太陽電池の効率を増加させ、所与の電力出力を生成するのに必要な（費用のかかる）太陽電池材料の体積を減じる。このようなシステムでは、極めて高性能（かつ高コスト）な多接合電池を用いることができ、単位エネルギあたりのシステムコスト全体において正味の改善が行われる。

しかしながら、集光時に半導体に生成される高い電流密度は、集光によってもたらされた効率の利得を相殺しかねない、著しい抵抗電力損失を結果として生じ得る。多接合電池では、銀または別の高導電性材料の厚くて間隔の密なグリッド線が、電流を集めるために電池の太陽に面した表面上に与えられ得る。たとえば図１は、太陽に面した表面１４上にグリッド線１２のネットワークを有する半導体ウェーハ１０の例を示す。日光１６は、半導体１０の、グリッド線によって遮られない領域に達する。半導体材料１０内では、図１の電流線１８によって表示されるように電流が生成され、集光用のグリッド線に向かって動く。電流がグリッド線１２に向かって流れるので、半導体１０における電流密度はグリッド線１２に接近するにつれて増大する。グリッド線１２は、集光された日光条件下の高い電流密度に起因する抵抗電力損失（Ｐ_loss〜Ｉ²Ｒ）を最小限にするために、間隔が密である。

間隔が密なグリッド線１２は抵抗電力損失を減じるが、グリッド線１２が光学的に不透明なので、光が半導体表面１４の一部に達するのを妨げる。典型的には、グリッド線１２は総表面積の５−１０％を覆う。したがって、グリッド線間の最も有利な間隔は、抵抗電力損失と遮蔽（シャドウイング）損失との間のトレードオフによって影響を受ける。金属グリッド線間隔を増大させることができれば、電池効率の増大を達成することができる。

ＣＰＶシステムに用いられる高集光度（＞５００×）においては、金属グリッド線による遮蔽性が太陽電池性能を制限する。４０％超の多接合効率の最近の世界記録は、実際に著しく低い集光度（＜２５０×）で達成された。高集光においては遮蔽性に起因して効率が減少する。したがって、遮蔽性の減少によって高集光における効率を押上げることができる。

透明な導電性コーティング（transparent conductive coatings）（ＴＣＣ）は、太陽電池の太陽に面した表面にしばしば与えられる。ＴＣＣは、それを通過する光を基礎をなす半導体にまで通す間に電導（減じられた抵抗）を与える。ＴＣＣは各太陽電池の太陽に面した表面全体に全面を覆う態様で適用される。今日使用されるＴＣＣの例は、インジウム酸化スズ（ＩＴＯ）または酸化亜鉛などの透明導電性酸化物（ＴＣＯ）を含む。ＴＣＣの透過率は典型的には８０−９５％である。

今日利用可能な多くのＴＣＣは、導電および透過率の両方において制限される。そのため、ＴＣＣは数々のより廉価でより低効率の太陽電池技術で主として用いられる。現在ＴＣＣは、ＣＰＶで用いられる高性能電池よりもさらに抵抗性で、かつ光伝送損失に対する感度がより低い電池のためにしか正味の利益とならない。高性能多接合太陽電池で用いられた場合、ＴＣＣの全面的コーティングは抵抗電力損失を減じるが、利得の相殺を超える透過率損失を導入する。

概要
この光電池および関連付けられた方法の実施例はいくつかの特徴を有するが、その望ましい属性に単独で責任を負う特徴は１つとして存在しない。後続の請求項によって表現されるこの実施例の範囲を制限することなく、そのより顕著な特徴がここで簡潔に説明される。この説明の検討後、および特に「詳細な説明」と題された部分を読んだ後に、この実施例の特徴が絶対的な電池効率の正味の増大を含む利点をいかにもたらすかが理解される。

この光電池および関連付けられた方法の１つの局面は、ＴＣＣが有利には導電性であるが、不利には部分的に不透明であるという認識を含む。したがって、ＴＣＣの部分的な不透明性によってもたらされる不利な効果を制限しつつＴＣＣの導電性を利用することが有利である。

この光電池および関連付けられた方法の１つの実施例は、放射太陽エネルギを吸収して電力を生成するための集光型太陽光発電（ＣＰＶ）システムで使用するよう構成された光電池を含む。光電池は、太陽に面した表面を有する半導体ウェーハを含む。ウェーハの太陽に面した表面は、グリッド線のネットワークおよび選択的にパターニングされた透明で導電性のコーティング（ＴＣＣ）を含む。選択的にパターニングされたＴＣＣはグリッド線のうち少なくともいくつかに隣接している。

この光電池および関連付けられた方法の別の実施例は、集光型太陽光発電（ＣＰＶ）システムで使用するよう構成される光電池を製造する方法を含む。この方法は、半導体ウェーハの太陽に面した表面上にグリッド線のネットワークを与えるステップと、太陽に面した表面に選択的にパターニングされた透明で導電性のコーティング（ＴＣＣ）を与えるステップと、光電池の比較的低い電力損失を結果として生じるＴＣＣのパターンを決定するために、半導体、グリッド線およびＴＣＣの光学的、電気的特性をモデル化するステップと、を含む。半導体ウェーハの太陽に面した表面の一部はグリッド線またはＴＣＣのいずれによっても覆われない。

この実施例の特徴、機能および利点は、さまざまな実施例で独立して達成することができ、または他の実施例では結合されてもよい。

この光電池および関連付けられた方法の実施例は、ここで有利な特徴の強調に重点をおいて詳細に説明される。これらの実施例は、添付図面に示される新規で自明でない光電池および関連付けられた方法を示し、それは例示目的に限られる。これらの図は添付の図面を含み、同じ番号は同じ部分を示す。

詳細な説明
図２は、この光電池２０の１つの実施例の代表的な部分を示す。光電池２０は半導体ウ
ェーハ２２を含む。半導体ウェーハ２２で用いられ得る材料の限定されない例は、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓおよびＧｅを含む。いくつかの実施例では、半導体ウェーハ２２の太陽に面した表面２４は反射防止用コーティング（示されない）を含んでもよい。したがって、用語「表面」は、半導体ウェーハ２２を指すために用いられると、露出した半導体材料および半導体ウェーハ２２上のいかなるコーティングも両方を含むように、本願明細書では広く用いられる。

さらに図２を参照すると、太陽に面した表面２４はグリッド線２６のネットワークを含む。グリッド線２６は金属などの高導電材料を含んでもよい。１つの実施例では、グリッド線２６は、半導体２４と十分なオーミック接触を形成するよう用いられる他の金属の薄い層と組合わせた銀を含む。グリッド線２６は、標準的なフォトリソグラフィを用いてパターニングされ、蒸着またはスパッタリングなどの標準的プロセスを介して半導体２４に堆積してもよい。当業者は、代替的な材料およびプロセスがグリッド線２６に用いられてもよいことを認識する。

光電池２０はさらに、太陽に面した表面２４上に、選択的にパターニングされた透明で導電性のコーティング（ＴＣＣ）２８を含む。示された実施例では、選択的にパターニングされたＴＣＣ２８がグリッド線２６から延在する。ＴＣＣ２８はグリッド線２６に隣接し、有効にその延長部を形成する。一本のグリッド線２６を通って得られた断面図（図２）では、断面は逆Ｔ字に似ており、グリッド線２６がＴの幹を形成し、ＴＣＣ２８はグリッド線２６の両側へ外向きに延在する。当業者が理解するように、この出願の図面は縮尺どおりには描かれないことがあり、代替実施例ではグリッド線２６およびＴＣＣ２８の相対的な寸法は図２に示されるものと異なってもよい。さらに、いくつかの実施例ではＴＣＣ２８はすべてのグリッド線２６から延在してもよい一方で、他の実施例ではＴＣＣ２８は選択したグリッド線２６のみから延在してもよい。

特定の実施例では、ＴＣＣ２８は高度に光学的に透過性であるのみならず、電気的にも導電性である。たとえば、ＴＣＣ２８は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）または酸化亜鉛などの透明導電酸化物（ＴＣＯ）であってもよい。代替的には、ＴＣＣ２８は、銀などの金属の非常に薄い半透明層から形成されてもよい。ＴＣＣ２８は標準的なフォトリソグラフィを用いてパターニングされ、リフトオフ、ドライエッチ、ウェットエッチプロセスと組合わせた蒸着またはスパッタリングなどの標準的プロセスを介して堆積されてもよい。ＴＣＣ２８は、反射防止用コーティング（示されない）と組合わされて堆積されてもよい。そのような実施例では、ＴＣＣ２８および反射防止用コーティングは単一の層となるよう組合わされ、一体化されてもよく、または個別の層とされてもよい。

図２が示すように、この光電池２０はグリッド線２６およびＴＣＣ２８を組合せる新しい接触スキームを含む。ＴＣＣ２８は選択的にパターニングされる。示された実施例では、選択的なパターニングは、ＴＣＣ２８がグリッド線２６の近くにのみ配置されることを含む。図１を参照して上述されたように、グリッド線を有する光電池の太陽に面した表面においては、電流はグリッド線に向かって流れる。したがって、図１に示される電流線１８によって示されるように、電流密度はグリッド線の近くで最も高い。高い電流密度によって生成される抵抗電力損失は、交通渋滞に類似している。グリッド線は高速道路であって、電子は高速道路に入ろうとする車である。電子はグリッド線に近い領域からしか入ることができないので、電子はグリッド線の近くで群がり、やはりグリッド線に近づこうとする他の電子に対して抵抗を形成する。電流密度が最も高い領域にこの光電池２０のＴＣＣ２８を置くと、図２の電流線３０によって示されるように、電子が「高速道路に入る」ことができる面積が増える。電子のために利用可能な入り口ポイントを増やすことは、電池２０の抵抗電力損失を減少させ、電池効率を押上げる。

図２が示すように、この実施例では、ＴＣＣ２８は全面を覆う態様では半導体２２に与えられていない。そうではなく、グリッド線２６から離れた半導体表面２４の部分３２は露出されたままである。露出した部分３２は、コーティングされた部分が受けるような不利益な透過損失を受けない。したがってこの実施例は、ＴＣＣ２８の部分的な不透明性によって生じる不利な効果を制限しつつ、ＴＣＣ２８の導電性を有利に利用する。ＴＣＣ２８は日光３４の光透過においていくらかの損失を生成するが、それは効率において正味の増加を得る。パターニングされたＴＣＣ２８の追加により、グリッド線２６の間隔がより広くなることも可能となり、これはグリッド線２６による遮蔽損失を減じ、さらに全体的な電池効率をも押上げる。実験結果によれば、パターニングされたＴＣＣ２８の導入によって、ＴＣＣおよび金属グリッド線の制限電流下、１０００×の集光度で０．５％を越える絶対効率増加を達成することができることが示されている。この増加は、典型的な多接合太陽電池開発の少なくとも１年分に匹敵する。

特定の実施例では、この光電池２０の半導体２２、金属グリッド線２６、およびＴＣＣ２８の光学的、電気的特性のモデル化が用いられて、光電池２０の比較的低い電力損失を結果として生じるグリッド線２６およびＴＣＣ２８のパターンを決定することができる。たとえば、グリッド線２６の間隔ならびにＴＣＣ２８の各部分の厚さおよび幅がモデル化を通じて決定され得る。モデルのための入力の限定されない例として、照明強度、光度１ｓｕｎでの予期された電流密度、半導体２２のシート抵抗、グリッド線／半導体インターフェースの接触抵抗、グリッド線２６の抵抗、グリッド線２６の厚さ、グリッド線２６の幅、グリッド線２６の長さ、ＴＣＣ２８のシート抵抗およびＴＣＣ２８の透過率が含まれる。これらの入力は、以下の限定されない損失係数を計算するために用いられてもよい：グリッド線２６間のピッチの関数としての半導体２２およびパターニングされたＴＣＣ２８における直列抵抗からのＩ²Ｒ電力損失；グリッド線２６間のピッチの関数としてのグリッド線／半導体インターフェースにおける接触抵抗からのＩ²Ｒ電力損失；グリッド線２６間のピッチ、グリッド線２６の遮蔽性（シャドウイング）、および（限定された透過性能に起因する）パターニングされたＴＣＣ２８の遮蔽率の関数としての直列抵抗からのＩ²Ｒ電力損失、である。これらの損失機構の合計は、パターニングされたＴＣＣ２８を備えたグリッド線２６間のピッチに依存する電力損失の合計を生成する。ＴＣＣ２８のピッチおよび幅を変えることは、最も低い電力損失のための最適のピッチおよびＴＣＣ２８幅を表す。

図３は、ａ）ＴＣＣ２８の幅と相対的な電力損失（曲線「Ａ」）との関係、および、ｂ）ＴＣＣ２８の幅とグリッド線間隔（曲線「Ｂ」）との関係を示す。図３を参照して、ＴＣＣ２８なしでは（幅＝０）、電池の相対的な抵抗電力損失はほぼ１４％である。ＴＣＣ２８の幅を増加させることにより抵抗電力損失を減じて、グリッド線間隔が増加することが可能になる。しかしながら、一定の点を過ぎると、ＴＣＣ２８の適用範囲におけるそれ以上の増加は、ＴＣＣ２８の光透過損失に起因して不利益となる。示された例の最適設計は、幅およそ７０μｍおよびグリッド間隔およそ２２０μｍのＴＣＣ２８である。この構成は、ほぼ２％の相対的な電力損失の減少を達成し、これは４０％電池の絶対効率０．８％増加と言い換えることができる。

図４の概略的なブロック図に示されるように、この光電池２０はＣＰＶシステム３６に組み込まれてもよい。示されたＣＰＶシステム３６は、太陽の放射エネルギを捉えるよう構成される太陽光収集器３８を含む。太陽光収集器３８は日光を集光し、かつ集光された光を光電池２０に集束するよう構成されるミラーおよび／またはレンズ光学系を含んでもよい。示されたＣＰＶシステム３６はさらに、太陽光収集器３８が常にちょうど太陽を指しているようにＣＰＶシステム３６が空を横切って太陽の経路に従うことを可能にするよう構成される太陽追跡装置４０を含む。示されたＣＰＶシステム３６はさらに、光電池２０からの熱を消散するよう構成されるヒートシンク４２を含む。光電池２０に集束された
集光された日光は電池を暖める傾向があり、それが効率を減じかねない。ヒートシンク４２は電池２０が効率的に作動し続けるよう、余分な熱を出す。当業者は、示されたＣＰＶシステム３６が一例にすぎないことを認識するだろう。この光電池２０は、図４に示された構成要素のうちのいくつかしか含まないもの、および／または、示されない付加的な構成要素を含むものなどの、いかなるＣＰＶシステムにも組み込まれ得る。

上記の説明は、このような十分かつ明確、簡潔で正確な用語において、いかなる当業者もこの光電池および関連付けられた方法を行い、用いることができるように、これらの光電池および関連付けられた方法を作り用いるための態様およびプロセスの実行のために考慮された形態を示す。しかしながら、これらの光電池および関連付けられた方法は、完全に等価である上述の構造からの修正および代替構造を受け入れることができる。したがって、これらの光電池および関連付けられた方法は開示された特定の実施例に限定されない。逆に、これらの光電池および関連付けられた方法は、光電池および関連付けられた方法の主題を特定的に指摘し明確に主張する以下の請求項によって一般に表現されるような光電池および関連付けられた方法の精神および範囲内で生じるすべての修正および代替構造を包含する。

導電性グリッド線のネットワークを含む先行技術の光電池の断面の上面斜視図である。 導電性グリッド線のネットワークおよび選択的にパターニングされた透明な導電性コーティングを含む、この光電池の一実施例の断面の上面斜視図である。 ａ）ＴＣＣの幅および相対的電力損失の関係、および、ｂ）ＴＣＣの幅およびグリッド線間隔の関係、を示すグラフである。 この光電池を含むＣＰＶシステムの概略的なブロック図である。

符号の説明

２０ 光電池、２２ 半導体ウェーハ、２４ 太陽に面した表面、２６ グリッド線、２８ ＴＣＣ、３０ 電流線、３６ ＣＰＶ。

Claims (12)

1. 放射太陽エネルギを吸収して電力を生成するための集光型太陽光発電（ＣＰＶ）システムに使用するために構成される光電池（２０）であって、
   太陽に面した表面（２４）を有する半導体ウェーハ（２２）と、
   太陽に面した表面（２４）上のグリッド線（２６）のネットワークと、
   太陽に面した表面（２４）上の選択的にパターニングされた透明で導電性のコーティング（ＴＣＣ）（２８）とを含み、選択的にパターニングされたＴＣＣ（２８）はグリッド線（２６）のうち少なくともいくつかに隣接し、
   選択的にパターニングされたＴＣＣ（２８）は、グリッド線（２６）のうち少なくともいくつかの拡張部を形成するが、グリッド線（２６）間では半導体ウェーハ（２２）の太陽に面した表面（２４）を完全には覆わない、光電池（２０）。
2. グリッド線（２６）は高度に導電性であるが光学的に不透明である、請求項１に記載の光電池（２０）。
3. 選択的にパターニングされたＴＣＣ（２８）はグリッド線（２６）のうち少なくともいくつかから延在する薄い層を含む、請求項１に記載の光電池（２０）。
4. 選択的にパターニングされたＴＣＣ（２８）は半導体ウェーハ（２２）の太陽に面した表面（２４）の一部を露出したままにする、請求項１に記載の光電池（２０）。
5. 選択的にパターニングされたＴＣＣ（２８）は半導体ウェーハ（２２）の太陽に面した表面（２４）の高い電流密度を有する領域を覆う、請求項１に記載の光電池（２０）。
6. 選択的にパターニングされたＴＣＣ（２８）は、半導体ウェーハ（２２）の太陽に面した表面（２４）のグリッド線（２６）のうち少なくともいくつかの近くの領域のみを覆う、請求項１に記載の光電池（２０）。
7. 日光を集光し、光電池（２０）に日光を集束させるよう構成される太陽光収集器（３８）を含むＣＰＶ（３６）システムと組み合わされる、請求項１に記載の光電池（２０）。
8. 半導体ウェーハ（２２）は、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓおよびＧｅの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の光電池（２０）。
9. 集光型太陽光発電（ＣＰＶ）（３６）システムで使用するよう構成される光電池（２０）を製造する方法であって、
   半導体ウェーハ（２２）の太陽に面した表面（２４）上にグリッド線（２６）のネットワークを与えるステップと、
   太陽に面した表面（２４）上に選択的にパターニングされた透明で導電性のコーティング（ＴＣＣ）（２８）を与えるステップと、
   光電池（２０）の低い相対的電力損失を結果として生じるＴＣＣ（２８）のパターンを決定するために、半導体ウェーハ（２２）、グリッド線（２６）、およびＴＣＣ（２８）の光学的、電気的特性をモデル化するステップとを含み、
   選択的にパターニングされたＴＣＣ（２８）はグリッド線（２６）のうち少なくともいくつかに隣接し、
   選択的にパターニングされたＴＣＣ（２８）は、グリッド線（２６）のうち少なくともいくつかの拡張部を形成するが、グリッド線（２６）間では半導体ウェーハ（２２）の太陽に面した表面（２４）を完全には覆わない、方法。
10. 太陽光収集器（３８）、ヒートシンク（４２）および太陽追跡装置（４０）の少なくとも１つを含むＣＰＶ（３６）システムと光電池（２０）とを組合せるステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
11. 選択的にパターニングされたＴＣＣ（２８）は、グリッド線（２６）から延在する薄い層として与えられる、請求項９に記載の方法。
12. 選択的にパターニングされたＴＣＣ（２８）は、半導体ウェーハ（２２）の太陽に面した表面（２４）の高い電流密度を有する領域に与えられる、請求項９に記載の方法。

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