JP5334164B2 - シリコン系太陽電池 - Google Patents
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Description
本発明は、シリコンを主成分とするシリコン系太陽電池に関するものである。
現在、太陽光発電システムは急速な普及段階を迎えている。結晶シリコン太陽電池は市場の約９割を占めているが、高価なシリコン基板を用い多くの工程を経て電池作製する為、作製コストが非常に高い。その為、シリコン原料の使用量が少なく、安価で高効率な太陽電池を開発することが要求されている。
薄膜シリコン系太陽電池は、光吸収層の原料となるシリコンの使用量が結晶シリコン太陽電池と比べて１００分の１程度であり、且つ、作製に要する工程数も少ない為、大幅な低コスト化が可能である。
薄膜シリコン系太陽電池は、光吸収層の原料となるシリコンの使用量が結晶シリコン太陽電池と比べて１００分の１程度であり、且つ、作製に要する工程数も少ない為、大幅な低コスト化が可能である。
図６に、薄膜シリコン系太陽電池の模式図を示す。電池は、ガラス等の基板上に銀（Ag）等からなる裏面電極、薄膜シリコン系n-i-p層からなる光電変換層及びITOやZnO等から成る透明電極から構成される。また、反対の構造、すなわち、ガラス等の基板上にITOやZnO等からなる透明電極、薄膜シリコン系p-i-n層からなる光電変換層及び銀（Ag）等からなる裏面電極から構成される場合もある。
薄膜シリコン系の光電変換層半導体材料として、アモルファスシリコン、微結晶シリコン、アモルファスシリコンゲルマン、微結晶シリコンゲルマン等が用いられる。幅広い太陽光スペクトルを有効利用する為、バンドギャップの異なる上記半導体材料を積層化する場合もある。例えば、アモルファスシリコンと微結晶シリコン、アモルファスシリコンと微結晶シリコンゲルマン等の組み合わせが用いられる。
薄膜シリコン系太陽電池は、その光吸収層の材料特性により波長７００nm以上の近赤外域の太陽光感度に乏しい。その為、前述の結晶シリコン太陽電池と比べて効率が低い問題点を有する。これを解決する為、一般的に基板もしくは透明導電膜に凹凸（テクスチャー構造）が設けられる。テクスチャー化により、光吸収層内で光路長が伸び近赤外域における感度の向上が図られる。
しかしながら、基板もしくは透明導電膜にテクスチャー構造を持たせると、その構造を反映しp-iもしくはn-i界面が凸凹になる。この凹凸構造により、リーク電流の増大、開放電圧及びフィルファクター（FF）の低下を生じ結果的に発電効率の低下を招く。したがって、この発電効率の低下を回避する手法の開発が要求されている。
また、基板もしくは透明導電膜のテクスチャー化に伴い近赤外域の感度に向上が認められるが、前述の結晶シリコン太陽電池と比べると依然近赤外域の感度は低い。その為、近赤外域の感度を飛躍的に向上させる技術の開発が要求されている。
特開２０００−２２３７２４号公報
特開平９−６９６４２号公報
特開平７−２６３７２９号公報
JOURNAL OF NON-CRYSTALLINE SOLIDS,Vol.299,p.1152-1156,2002
JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS,PART 2-LETTERS,Vol.40,No4A,p.L303-L305,APR 1 2001
本発明の課題は、上記の問題点を解決し、近赤外域の光路長が伸び、近赤外域の感度が向上し変換効率が大幅に向上するシリコン系太陽電池を提供することである。
上記課題は次のような手段により解決される。
（１）粒径が０．２μｍ〜０．５μｍの範囲のシリカ粒子を、光電変換層内に、微粒子間の平均間隔が０．３μｍ〜２．０μｍの範囲になるようにランダムに分散したことを特徴とするシリコン系太陽電池。
（２）上記光電変換層は、シリコン微結晶を含む層であることを特徴とする（１）に記載のシリコン系太陽電池。
（１）粒径が０．２μｍ〜０．５μｍの範囲のシリカ粒子を、光電変換層内に、微粒子間の平均間隔が０．３μｍ〜２．０μｍの範囲になるようにランダムに分散したことを特徴とするシリコン系太陽電池。
（２）上記光電変換層は、シリコン微結晶を含む層であることを特徴とする（１）に記載のシリコン系太陽電池。
本発明によれば、太陽電池内に分散された微粒子により近赤外域の光路長が伸び、近赤外域の感度が向上し変換効率が大幅に向上する。
図１に、微粒子分散薄膜シリコン系太陽電池の模式図を示す。図1において、太陽電池は、ガラス等の平滑な基板上に銀（Ag）等からなる裏面電極、薄膜シリコン系n-i-p層からなる光電変換層及びITOやZnO等からなる透明電極から構成され、これらの層内部もしくは界面に分散された微粒子が配置される。また、反対の構造、すなわち、平滑なガラス等の基板上にITOやZnO等からなる透明電極、薄膜シリコン系p-i-n層からなる光電変換層及び銀（Ag）等からなる裏面電極から構成され、これら光電変換層内、すなわち光電変換層の内部もしくは界面に分散した微粒子が配置される。
微粒子の粒径は、0.05μmから1.0μmの範囲、望ましくは0.2μmから0.5μmの範囲である。微粒子と光吸収層との屈折率差は、0.1以上、望ましくは1.0以上である。
また微粒子は、バンドギャップ4eV以上、望ましくは5eV以上の絶縁性を有する。微粒子の近赤外域の消衰係数は、0.01μm-1以下、望ましくは0.001μm-1以下である。
微粒子の配列は、望ましくはランダム構造である。これは、太陽光スペクトルが幅広い為、様々な波長の太陽光を効率的に散乱させるにはランダムに分散したランダム構造が適している為である。分散した微粒子は、光吸収層内あるいは光電変換層内に少なくとも一層、望ましくは２層以上配置される。
微粒子間の平均間隔は、0.05μmから2.0μmの範囲、望ましくは0.4μmから1μmである。
また微粒子は、バンドギャップ4eV以上、望ましくは5eV以上の絶縁性を有する。微粒子の近赤外域の消衰係数は、0.01μm-1以下、望ましくは0.001μm-1以下である。
微粒子の配列は、望ましくはランダム構造である。これは、太陽光スペクトルが幅広い為、様々な波長の太陽光を効率的に散乱させるにはランダムに分散したランダム構造が適している為である。分散した微粒子は、光吸収層内あるいは光電変換層内に少なくとも一層、望ましくは２層以上配置される。
微粒子間の平均間隔は、0.05μmから2.0μmの範囲、望ましくは0.4μmから1μmである。
（実施例）
以下に本発明に係る微粒子分散薄膜シリコン系太陽電池の実施例を紹介する。
作製したサンプルの電池構造は、平滑なガラス基板上に銀（Ag）等からなる裏面電極、膜剥がれ防止用GZO薄膜、薄膜微結晶シリコンn-i-p層からなる光電変換層及びITOからなる透明電極から構成され、光吸収層内部に一層の分散した微粒子が配置された構造を有する。光吸収層の厚みは2.0μmである。
微粒子は、粒径0.3±0.1μmのシリカ（アモルファス構造SiO2）である。
微粒子の屈折率は、1.4±0.1である。光吸収層の屈折率は、3.6±0.2である。
層内微粒子は、ランダムに分散した配列であり、層内微粒子間の間隔は、0.3μmから2.0μmの範囲である。
以下に本発明に係る微粒子分散薄膜シリコン系太陽電池の実施例を紹介する。
作製したサンプルの電池構造は、平滑なガラス基板上に銀（Ag）等からなる裏面電極、膜剥がれ防止用GZO薄膜、薄膜微結晶シリコンn-i-p層からなる光電変換層及びITOからなる透明電極から構成され、光吸収層内部に一層の分散した微粒子が配置された構造を有する。光吸収層の厚みは2.0μmである。
微粒子は、粒径0.3±0.1μmのシリカ（アモルファス構造SiO2）である。
微粒子の屈折率は、1.4±0.1である。光吸収層の屈折率は、3.6±0.2である。
層内微粒子は、ランダムに分散した配列であり、層内微粒子間の間隔は、0.3μmから2.0μmの範囲である。
図２に、微粒子分散薄膜微結晶シリコン系太陽電池の分光感度特性を示す。点線は、比較の為、従来型の薄膜微結晶シリコン太陽電池の分光感度特性を示す。平滑な基板上に作製した従来型の太陽電池に比べ、本発明の太陽電池では、波長７００nm以上の近赤外域の光電変換特性において５６％向上が確認された。
図３に、微粒子分散薄膜微結晶シリコン系太陽電池の電流−電圧特性を示す。点線は、比較の為、従来型の薄膜微結晶シリコン太陽電池の電流−電圧特性を示す。平滑な基板上に作製した従来型に比べ、本発明の太陽電池では、短絡電流で１８．５％の向上が確認された。
次に平滑なガラス基板上に微粒子分散微結晶シリコン薄膜（膜厚2.0μm）を作製し、その光吸収特性を調べた。
光吸収層内部に配置した微粒子として、シリカ、酸化チタン、PMMA粒子を用いた。また微粒子の平均粒径及び膜中の微粒子濃度を変えた。
図４、５に、微粒子分散微結晶シリコン薄膜の光吸収特性を示す。図５は、特に波長７００nm以上の近赤外域の微粒子分散微結晶シリコン薄膜の光吸収特性を示す。
光吸収層内部に配置した微粒子として、シリカ、酸化チタン、PMMA粒子を用いた。また微粒子の平均粒径及び膜中の微粒子濃度を変えた。
図４、５に、微粒子分散微結晶シリコン薄膜の光吸収特性を示す。図５は、特に波長７００nm以上の近赤外域の微粒子分散微結晶シリコン薄膜の光吸収特性を示す。
なお図４、５における縦軸は、微粒子分散無し微結晶シリコン薄膜の光吸収量で規格化した微粒子分散微結晶シリコン薄膜の光吸収量を示す。
図中の記号は、部材微粒子の材質、平均粒径、膜中濃度を示す。PMMAはポリメチルメタクレレート架橋体、SiO2は二酸化ケイ素、TiO2は二酸化チタン微粒子を示す。粒径単位は、μmである。膜中濃度L、M、Hは、低密度、中密度、高密度を表す。
例えば、PMMA014Lは、部材粒子ポリメチルメタクレレート架橋体、平均粒径0.14μm、膜中部材微粒子密度が低密度の場合を示す。
図中の記号は、部材微粒子の材質、平均粒径、膜中濃度を示す。PMMAはポリメチルメタクレレート架橋体、SiO2は二酸化ケイ素、TiO2は二酸化チタン微粒子を示す。粒径単位は、μmである。膜中濃度L、M、Hは、低密度、中密度、高密度を表す。
例えば、PMMA014Lは、部材粒子ポリメチルメタクレレート架橋体、平均粒径0.14μm、膜中部材微粒子密度が低密度の場合を示す。
図４、５によれば、従来型に比べ、各種微粒子材料を用いた全ての微粒子分散微結晶シリコン薄膜サンプルの光吸収特性は向上していることが分かる。特に、粒径0.3±0.1μmのシリカを用いた微粒子分散微結晶シリコン薄膜の光吸収特性が一番良い。
また膜中微粒子濃度の増加に伴い光吸収特性は向上することが確認された。粒径0.3±0.1μmのシリカを用いたサンプルの光吸収量は、基準となるフラット基板上の微粒子分散無しサンプルと比較し、波長250nmから1200nmの領域で１６５％の増加を確認した。
さらに、近赤外域の波長700nmから1200nmの領域では４６０％の飛躍的な増加を確認した。
さらに、近赤外域の波長700nmから1200nmの領域では４６０％の飛躍的な増加を確認した。
なお実施例では、光吸収層内部に微粒子を分散した微結晶シリコン系太陽電池を例示したが、本発明はこれに限定されず単結晶あるいは非晶質シリコン系太陽電池にも適用できる。
また微粒子は、シリコン系太陽電池の光吸収層内部に限らず光吸収層の他の層との界面、あるいは、光電変換層内、すなわち光電変換層の内部もしくは電極との界面に分散して配置してもよい。
また微粒子は、シリコン系太陽電池の光吸収層内部に限らず光吸収層の他の層との界面、あるいは、光電変換層内、すなわち光電変換層の内部もしくは電極との界面に分散して配置してもよい。
（製造方法）
本発明に係るシリコン系太陽電池の微粒子分散薄膜の製造方法例を以下に紹介する。
（１）プラズマ化学気相堆積法（PECVD）法による光吸収層の製膜中に部材微粒子を分散して混入する。
（２）PECVD法により、光吸収層を一部製膜し、スピンコート等のウエットプロセスにて部材微粒子を光吸収層に分散させた後、再度残りの光吸収層をPECVD法で堆積する。
（３）光電変換層形成後、電極形成前に、もしくは、電極形後、光電変換層形成前にスピンコート等のウエットプロセスにて光電変換層−電極界面に微粒子を分散させる。
（４）あるいは、光電変換層形成後、電極形成前に、もしくは、電極形後、光電変換層形成前に微粒子を混入させたガスを流すことで光吸収層−電極界面に微粒子を分散させる。
本発明に係るシリコン系太陽電池の微粒子分散薄膜の製造方法例を以下に紹介する。
（１）プラズマ化学気相堆積法（PECVD）法による光吸収層の製膜中に部材微粒子を分散して混入する。
（２）PECVD法により、光吸収層を一部製膜し、スピンコート等のウエットプロセスにて部材微粒子を光吸収層に分散させた後、再度残りの光吸収層をPECVD法で堆積する。
（３）光電変換層形成後、電極形成前に、もしくは、電極形後、光電変換層形成前にスピンコート等のウエットプロセスにて光電変換層−電極界面に微粒子を分散させる。
（４）あるいは、光電変換層形成後、電極形成前に、もしくは、電極形後、光電変換層形成前に微粒子を混入させたガスを流すことで光吸収層−電極界面に微粒子を分散させる。
Claims (2)
- 粒径が０．２μｍ〜０．５μｍの範囲のシリカ粒子を、光電変換層内に、微粒子間の平均間隔が０．３μｍ〜２．０μｍの範囲になるようにランダムに分散したことを特徴とするシリコン系太陽電池。
- 上記光電変換層は、シリコン微結晶を含む層であることを特徴とする請求項１に記載のシリコン系太陽電池。
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| JP2008238013A JP5334164B2 (ja) | 2008-09-17 | 2008-09-17 | シリコン系太陽電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008238013A JP5334164B2 (ja) | 2008-09-17 | 2008-09-17 | シリコン系太陽電池 |
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| JP2010073799A JP2010073799A (ja) | 2010-04-02 |
| JP5334164B2 true JP5334164B2 (ja) | 2013-11-06 |
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| JP2008238013A Expired - Fee Related JP5334164B2 (ja) | 2008-09-17 | 2008-09-17 | シリコン系太陽電池 |
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