JP5409490B2

JP5409490B2 - 光起電力装置およびその製造方法

Info

Publication number: JP5409490B2
Application number: JP2010087133A
Authority: JP
Inventors: 保聡屋敷
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-04-05
Filing date: 2010-04-05
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2030-04-05
Also published as: JP2011222589A

Description

この発明は、結晶系薄膜半導体層を有する光起電力装置およびその製造方法に関するものである。

ガラス基板上に透明導電膜、光電変換層および反射性導電膜を積層させた薄膜太陽電池では、光入射側の透明導電膜にテクスチャ構造を形成し、入射光を散乱させて光路長を増大させ、入射した太陽光を効率よく利用可能な構造が採られている。また、このような薄膜太陽電池において、光電変換層を、複数の光電変換ユニットを積層させるとともに、光入射側から反対側に向かうほど、より長い波長の光を吸収する光電変換ユニットを配置する構造とすることで、入射される光を効率よく光電変換する積層型薄膜太陽電池も提案されている。積層型薄膜太陽電池の場合には、複数の光電変換ユニットの利用する光の波長を制御し、生成する電流のバランスをとり、変換効率を向上させるために、各光電変換ユニットの間に中間層が設けられている（たとえば、特許文献１参照）。

さらに、積層型薄膜太陽電池において、透明導電膜および中間層を、絶縁体の光散乱体を透明導電性材料からなる媒質に埋め込むことによって、透明導電膜にテクスチャ構造を設けずに、入射した太陽光を散乱させる構造のものが提案されている。このような構造では、微結晶シリコン系薄膜などの結晶系薄膜半導体層によって構成される光電変換ユニットを形成する際に、下地層には凹凸がないために、平坦な光電変換ユニットを形成することが可能となる（たとえば、特許文献２参照）。

特開２００３−３４７５７２号公報（図１）特開２００６−１２８４７８号公報（図５）

ところで、上記特許文献１に記載の技術では、透明導電膜またはガラス基板自体に大きなテクスチャ構造を形成して、効果的な光路長の増大および光閉じ込めを行っている。しかし、凹凸の大きな下地層上に、微結晶シリコン系薄膜などの結晶系薄膜半導体層を含む光電変換ユニットを形成すると、結晶系薄膜半導体層内の欠陥が増大してしまうという問題点があった。

また、このような問題点に対して、結晶系薄膜半導体層内の欠陥を減少させるために平坦な下地層を実現しようとすると、太陽光の入射するガラス基板および透明導電膜から平坦にする必要があり、上記特許文献２に記載の技術のように、透明導電膜中に光散乱体を埋め込んで光を拡散させるしかない。しかし、このような光散乱体を下地層中に埋め込む構造の光散乱効果は、特許文献１に記載の透明導電膜またはガラス基板にテクスチャ構造を形成した場合に比して小さくなってしまうという問題点があった。つまり、このような構造では、テクスチャ構造を有する透明導電膜またはガラス基板のような効果的な光散乱効果を得ることができない。

この発明は、上記に鑑みてなされたもので、結晶系薄膜半導体層を有する光起電力装置において、効果的な光散乱効果を有しながら、光電変換層に含まれる結晶系薄膜半導体層内の欠陥を従来に比して低減することができる光起電力装置およびその製造方法を得ることを目的とする。

上記目的を達成するため、この発明にかかる光起電力装置は、基板上に、テクスチャ構造を有する第１の電極層、光電変換層および第２の電極層が順に積層された光起電力装置において、前記光電変換層は、結晶系薄膜半導体層からなる光電変換ユニットを少なくとも含む複数の光電変換ユニットと、前記複数の光電変換ユニット間に設けられ、入射した光の一部を反射し、残りを透過するとともに、前記複数の光電変換ユニット間を電気的に接続する中間層と、を有し、前記中間層のうち、結晶系薄膜半導体層からなる前記光電変換ユニットよりも前記第１の電極層側に形成される少なくとも１つの中間層は、透明導電性材料からなる微粒子が透明導電性材料からなる中間層媒質に、厚さ方向に互いに接触するように埋め込まれ、前記第２の電極層側の面が略平坦化された構造を有することを特徴とする。

この発明によれば、テクスチャ構造を有する基板または透明導電膜上に形成された光電変換ユニット間に設けられる中間層を、透明導電性材料からなる微粒子を含む透明導電性材料からなる中間層媒質によって構成し、下地層の凹部に導電性微粒子が埋め込まれるように形成したので、結晶系薄膜半導体層の下地層となる中間層の上面は略平坦化する。その結果、テクスチャ構造によって効果的な光散乱効果を実現するとともに、中間層上に形成される結晶系薄膜半導体層内の欠陥を従来に比して低減することができるという効果を有する。

図１は、この発明の実施の形態１による光起電力装置の構造の一例を模式的に示す斜視図である。図２は、この発明の実施の形態１による光起電力装置の一例を模式的に示す断面図である。図３は、結晶系薄膜半導体層内に発生する欠陥の量と下地層のテクスチャ構造との間の関係を示す図である。図４−１は、この発明の実施の形態１による薄膜太陽電池の製造方法の手順の一例を模式的に示す斜視図である（その１）。図４−２は、この発明の実施の形態１による薄膜太陽電池の製造方法の手順の一例を模式的に示す斜視図である（その２）。図５は、中間層に用いることができる透明導電性材料とその屈折率を示す図である。

以下に添付図面を参照して、この発明の実施の形態にかかる光起電力装置およびその製造方法を詳細に説明する。なお、これらの実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、以下の実施の形態で用いられる光起電力装置の斜視図や断面図は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による光起電力装置の構造の一例を模式的に示す斜視図であり、図２は、この発明の実施の形態１による光起電力装置の一例を模式的に示す断面図である。この光起電力装置としての薄膜太陽電池１０は、基板１１上に、第１の電極層１２、光電変換層１３、第２の電極層１７が順に積層された構造を有する。なお、ここでは、基板１１側から光電変換される光が入射されるものとする。

基板１１は、光の入射側に位置するため、透明性を有するガラス、有機フィルム、セラミックスなどの材料によって構成される。また、基板１１上に第１の電極層１２や光電変換層１３、第２の電極層１７を形成するため、基板１１は、これらの第１の電極層１２などの成膜温度よりも高い融点を持つ材料であることが望ましい。

第１の電極層１２は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム錫（Indium Tin Oxide、以下、ＩＴＯという）、酸化スズ（ＳｎＯ₂）などの透明導電性酸化膜や、ドーパントとしてアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、ホウ素（Ｂ）、イットリウム（Ｙ）、シリコン（Ｓｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、フッ素（Ｆ）、窒素（Ｎ）などから選択される少なくとも１種類以上の元素を用いたＺｎＯ膜、ＩＴＯ膜、ＳｎＯ₂膜などの透明導電性材料によって構成される。また、この第１の電極層１２の上面には、薄膜太陽電池１０内に入射した光を効率よく散乱させるとともに閉じ込めるためのテクスチャ構造（凹凸構造）が形成されている。

光電変換層１３は、複数の光電変換ユニットと、積層方向に隣接する２つの光電変換ユニット間に形成される中間層と、を含む。この例では、光電変換層１３は、第１の光電変換ユニット１４と、中間層１５と、第２の光電変換ユニット１６と、が第１の電極層１２上に順に積層された構造を有する。

第１の光電変換ユニット１４は、アモルファスのｐｉｎ構造を有する薄膜半導体層、たとえばアモルファスシリコンやアモルファスシリコンゲルマニウム、アモルファス酸化シリコン、アモルファス炭化シリコンなどによって構成される。第１の光電変換ユニット１４は、テクスチャ構造が形成された第１の電極層１２上に形成されるので、下地の影響を受け、上面は平坦ではなく、凹凸構造を有している。

中間層１５は、基板１１側から入射した光を部分的に反射し、かつ部分的に透過する機能を有する透明導電性材料によって構成される。より具体的には、中間層１５は、基板１１側から入射した光のうち、第１の光電変換ユニット１４で吸収可能な波長範囲の光を第１の光電変換ユニット１４側に反射させ、その他の波長範囲の光を第２の光電変換ユニット１６側に透過させる機能を有することが望ましい。

また、中間層１５は、導電性を有する酸化ケイ素からなる中間層媒質１５１に、導電性を有する結晶酸化ケイ素からなる微粒子１５２が含まれる構造を有する。具体的には、第１の光電変換ユニット１４の上面に形成された凹凸構造の凹部を埋めつつ、第１の光電変換ユニット１４の上面と第２の光電変換ユニット１６の下面との間を接続するように微粒子１５２が配置され、微粒子１５２間を埋めるように中間層媒質１５１が形成される。ここで、中間層媒質１５１は、たとえば２０〜１５０ｎｍの厚さに設定することができ、微粒子１５２は、形成する中間層１５の厚さよりも小さい径を有するものとする。このような構造をとることによって、中間層１５の上面は、第１の光電変換ユニット１４の上面に比して滑らかな（平坦な）構造となるとともに、第１の光電変換ユニット１４と第２の光電変換ユニット１６との間の電気的な接続が確保される。

第２の光電変換ユニット１６は、ｐｉｎ構造を有する結晶系薄膜半導体層、たとえば微結晶シリコン、微結晶シリコンゲルマニウム、微結晶炭化シリコンなどによって構成される。第２の光電変換ユニット１６は、第１の光電変換ユニット１４の上面のテクスチャ構造の上面に比して平坦な上面を有する中間層１５上に形成されるので、結晶系薄膜半導体層の内部に欠陥が生じ難い。その結果、第２の光電変換ユニット１６の品質を向上させ、変換効率を向上させることができる。

第２の電極層１７は、光電変換層１３の直上に形成される透明導電膜１７１と光反射性導電膜１７２とが積層された構造を有する。透明導電膜１７１として、光電変換層１３で吸収されずに通過してきた波長範囲の光を吸収しない透明導電性材料によって構成されることが望ましい。このような透明導電膜１７１の材料として、ＺｎＯ，ＩＴＯ，ＳｎＯ₂などの透明導電性酸化膜や、ドーパントとしてＡｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｂ，Ｙ，Ｓｉ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｆ，Ｎなどから選択される少なくとも１種類以上の元素を用いたＺｎＯ膜、ＩＴＯ膜、ＳｎＯ₂膜などの透明導電性材料を例示することができる。

また、光反射性導電膜１７２は、光電変換された電流を取り出す役割を有するほかに、光電変換層１３で吸収されずに通過してきた光を反射させる役割を有する。このような光反射性導電膜１７２の材料として、銀（Ａｇ）、Ｔｉ、Ａｌおよびモリブデン（Ｍｏ）などを例示することができる。

図１で、基板１１上の一部で光電変換層１３と第２の電極層１７とが除去され、第１の電極層１２が露出した領域は、コンタクト部２１である。このコンタクト部２１と、第２の電極層１７上に図示しない外部取出電極を取り付けることによって、基板１１上の光電変換層１３で発電された電流が外部に取り出される。

なお、上述した説明では、第１の電極層１２にテクスチャ構造を設ける場合を示したが、テクスチャ構造を設けた基板１１上に第１の電極層１２を形成することによっても、第１の電極層１２の上面にテクスチャ構造を設けることができる。

図３は、結晶系薄膜半導体層内に発生する欠陥の量と下地層のテクスチャ構造との間の関係を示す図である。この図は、文献（M. Python et al, “Influence of the substrate geometrical parameters on microcrystalline silicon growth for thin-film solar cells”, Solar Energy Materials & Solar Cells 93(2009), p1714-1720）に掲載されている図である。この図３では、微結晶半導体膜内に発生する欠陥（クラック）の量の基板のテクスチャ構造の曲率半径およびピラミッド構造の角度αに対する依存性を数値計算した結果を示している。図３（ａ）では、シミュレーションを行うテクスチャ構造の形状を示している。ここで、テクスチャ構造を形成するピラミッド構造の側面を延長した場合に基板面となす角度をαとしている。また、隣接するピラミッド構造の側面間を曲面状の接続面で接続している。そして、角度αと接続面の曲率半径を種々に変化させてシミュレーションを行い、微結晶半導体膜内に発生する欠陥の量を算出している。その結果が、図３（ｂ）に示されている。図３（ｂ）では、横軸にピラミッド構造の側面間を結ぶ接続面の曲率半径を取り、縦軸に微結晶半導体膜内に発生する欠陥の量を取っている。

図３（ｂ）に示されるように、基板に形成されるピラミッド構造の側面の角度αが小さくなり、ピラミッド構造間の接続面の曲率半径が大きくなるにしたがって、その上部に形成される微結晶半導体膜内に発生する欠陥の量が減少していくことが分かる。しかし、このような基板では、基板側から入射した光を散乱し、光路長を増大させる効果が小さい。そのため、このような基板を用いる場合には、基板上に形成される光電変換層の膜厚を増加させなければならない。その結果、内蔵電界の低下および出力電圧の減少を招いてしまう。

これに対して、実施の形態１では、ピラミッド構造の側面の角度αが大きく、ピラミッド構造間の接続面の曲率半径が小さいような基板１１（第１の電極層１２）上に光電変換層１３を形成する場合でも、テクスチャ構造が形成された第１の光電変換ユニット１４の凹部を埋めるように導電性の結晶酸化ケイ素からなる微粒子１５２を形成し、微粒子１５２間を埋めるように導電性の酸化ケイ素からなる中間層媒質１５１を形成した。これによって、中間層１５の上面を滑らか（平坦）にすることができ、中間層１５上に形成される結晶系薄膜半導体層からなる第２の光電変換ユニット１６内での欠陥の発生を抑制することが可能となる。つまり、光入射側では、光散乱効果の大きなテクスチャ構造を形成しながら、欠陥の少ない結晶系薄膜半導体層を有する光電変換層１３を形成することができる。

ここで、このような構造の薄膜太陽電池１０における動作の概略について説明する。基板１１側から入射した太陽光などの入射光は、テクスチャ構造を有する第１の電極層１２で散乱されることによって、第１および第２の光電変換ユニット１４，１６内部を基板面に垂直な方向に対して斜めに進行する。つまり、第１の電極層１２にテクスチャ構造を形成しない場合に比して、第１および第２の光電変換ユニット１４，１６中で長い光路長を有することになる。

第１および第２の光電変換ユニット１４，１６内部に入射した光は、それぞれ第１および第２の光電変換ユニット１４，１６中のｉ型半導体層で自由キャリアが生成される。生成された自由キャリアは、第１および第２の光電変換ユニット１４，１６中のｐ型半導体層とｎ型半導体層によって形成される内蔵電界によって光電変換層１３中を輸送され、電流が発生する。そして、発生した電流は、第１の電極層１２と第２の電極層１７から取り出される。

また、光電変換層１３に入射したが、ここで光電変換されなかった入射光は、第２の電極層１７の透明導電膜１７１を透過し、光反射性導電膜１７２で再び光電変換層１３側へと反射される。そして、再び光電変換層１３に入射した光の一部は、ここで光電変換される。

さらに、光電変換層１３で光電変換されなかった光は、第１の電極層１２に到達する。第１の電極層１２には、テクスチャ構造が形成されており、このテクスチャ構造の凹凸部によって、第１の電極層１２に到達した光の一部は再び光電変換層１３へと反射される。このような工程を繰り返すことによって、薄膜太陽電池１０によって光電変換が行われ、外部に電流（電圧）が取り出される。

つぎに、このような構造の薄膜太陽電池１０の製造方法について説明する。図４−１〜図４−２は、この発明の実施の形態１による薄膜太陽電池の製造方法の手順の一例を模式的に示す斜視図である。まず、図４−１（ａ）に示されるように、基板１１上に第１の電極層１２を真空蒸着法、スパッタ法またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などの成膜法によって形成する。第１の電極層１２として、たとえばＺｎＯ膜を用いることができる。また、第１の電極層１２の上面には、テクスチャ構造が形成されている。テクスチャ構造は、たとえば第１の電極層１２を成膜した後、塩酸水溶液などの酸性溶液や水酸化ナトリウム溶液などのアルカリ性溶液などをエッチング液としてウエットエッチング処理を施すことによって形成することができる。また、基板１１に予めテクスチャ構造を形成しておき、テクスチャ構造が形成された基板１１上に第１の電極層１２を形成することによって、第１の電極層１２は下地層に影響されて形成されるので、上面にテクスチャ構造を形成することができる。

ついで、図４−１（ｂ）に示されるように、テクスチャ構造が形成された第１の電極層１２上に、プラズマＣＶＤ法などの成膜法によって、ｐｉｎ構造を有するアモルファスの薄膜半導体層からなる第１の光電変換ユニット１４を形成する。第１の光電変換ユニット１４として、たとえばアモルファスシリコン膜を用いることができる。第１の光電変換ユニット１４は、テクスチャ構造が形成された下地層（第１の電極層１２）上に形成されるので、その上面には下地の凹凸に対応した凹凸構造が形成される。

ついで、図４−１（ｃ）に示されるように、ゾルゲル法によって、第１の光電変換ユニット１４上に中間層１５を形成する。ここでは、イオン交換水（Ｈ₂Ｏ）およびエチルアルコール（Ｃ₂Ｈ₅ＯＨ）を溶媒として用い、原料としてテトラエトキシシラン（Ｓｉ（Ｃ₂Ｈ₅Ｏ）₄，ＴＥＯＳ）を用いてゾル溶液を生成し、このゾル溶液に導電性を有する結晶酸化ケイ素からなる微粒子を混入させたものを用いる。このゾル溶液にたとえば第１の光電変換ユニット１４を形成した基板１１を浸漬し、乾燥させた後に、３００℃以下の温度で加熱処理を行って焼結させることによって、中間層１５が形成される。この中間層１５は、テクスチャ構造の凹部に微粒子１５２が入り込むとともに、微粒子１５２間を埋めるように中間層媒質１５１が形成される。このとき、ゾルゲル法の特徴で、ゾル溶液が基板１１（第１の光電変換ユニット１４）上に形成されると、材料の流動性によってその表面の平坦性が向上する。その結果、下地層の凹凸に影響されない滑らかな膜からなる中間層１５が得られる。

その後、図４−２（ａ）に示されるように、上面が平坦な中間層１５上に、プラズマＣＶＤ法などの成膜法によって、ｐｉｎ構造を有する結晶系薄膜半導体層からなる第２の光電変換ユニット１６を形成する。第２の光電変換ユニット１６として、たとえば微結晶シリコン膜を用いることができる。第２の光電変換ユニット１６は、平坦な下地層（中間層１５）上に形成されるので、その上面も平坦な構造になるとともに、膜中に発生する欠陥の数は、凹凸を有する下地層上に形成した場合に比して少なくなる。これによって、第１の光電変換ユニット１４、中間層１５および第２の光電変換ユニット１６が積層された光電変換層１３が形成される。

ついで、図４−２（ｂ）に示されるように、第２の光電変換ユニット１６上に第２の電極層１７を形成する。具体的には、第２の光電変換ユニット１６上に、透明導電性材料からなる透明導電膜１７１と、光反射性導電膜１７２と、を順にスパッタ法などの成膜法によって積層させる。透明導電膜１７１として、たとえばＺｎＯ膜を用いることができ、光反射性導電膜１７２として、たとえばＡｇ膜を用いることができる。

その後、レーザスクライブ法によって所定の領域の第２の電極層１７から光電変換層１３を除去して、第１の電極層１２を露出させ、図示しないコンタクト部を形成する。そして、コンタクト部と第２の電極層１７上に外部に電流を取り出すための外部取出配線と接続するためのコンタクトを形成する。以上によって、図１〜図２に示される薄膜太陽電池１０が製造される。

なお、上述した説明では、ゾルゲル法によって中間層１５を形成しているが、中間層１５の上面を平坦化することができる方法であれば、他の方法によって中間層１５を形成してもよい。

ここで、図４−１（ｃ）で、ゾル溶液に導電性の結晶酸化ケイ素からなる微粒子を混入しないでゾルゲル法で中間層１５を形成する場合について説明する。薄膜太陽電池１０の製造工程は一般的に、基板１１（ガラス基板）の耐熱温度と、シリコン系薄膜の最適な堆積温度と、の関係から、１００〜３００℃の温度範囲内で行われることが望ましい。原料としてテトラエトキシシランを用い、溶媒としてイオン交換水とエチルアルコールとを用いてゾル溶液を形成し、このゾル溶液に、第１の光電変換ユニット１４を形成した基板１１を浸漬した後、溶媒を２００〜３００℃で蒸発させる。このとき生成された膜（中間層媒質）のみでも、材料の流動性を利用して平坦性を向上することが可能であるが、十分な導電性、特に第１と第２の光電変換ユニット１４，１６の間を電気的に接続するための厚さ方向の導電性、を確保するためには、結晶の酸化ケイ素が必要である。そこで、膜に含まれる酸化ケイ素（ＳｉＯ）を結晶化させるために、乾燥後にさらに６００℃以上の温度で熱処理を行わなければならない。この熱処理の結果、基板温度２００℃以下で形成した第１の光電変換ユニット１４（アモルファスシリコン膜）の特性が劣化してしまう。

このような理由から、アモルファスの薄膜半導体層からなる第１の光電変換ユニット１４の特性が劣化しない温度、たとえば３００℃以下の温度で、平坦かつ導電性のある中間層１５を製造する方法が望まれていた。そこで、この実施の形態１では、上記したように、ゾル溶液に導電性を有する結晶酸化ケイ素の微粒子１５２を混入し、この微粒子１５２が中間層媒質１５１中で厚さ方向に互いに接触して配置されるようにした。これによって、アモルファスの薄膜半導体層の特性が劣化する温度以上に加熱することなく、第１と第２の光電変換ユニット１４，１６の間の導電性を確保しながら、上面が平坦化した中間層１５を形成することができる。

この実施の形態１では、光散乱効果の高いテクスチャ構造を有する第１の電極層１２上に、アモルファスの薄膜半導体層からなる第１の光電変換ユニット１４を形成し、第１の光電変換ユニット１４上に、導電性を有する結晶酸化ケイ素の微粒子１５２が中間層媒質１５１内に配置された中間層１５を形成した。これによって、中間層１５の上面が、下地層に影響されることがなく平坦化し、この上に形成される第２の光電変換ユニット１６は、欠陥の少ない結晶系薄膜半導体層となる。その結果、第２の光電変換ユニット１６の曲線因子が改善し、変換効率を改善することができるという効果を有する。つまり、効果的な光散乱効果を有するテクスチャ構造を有しながら、欠陥の少ない結晶系薄膜半導体層を含む光電変換層１３を備える薄膜太陽電池１０を得ることができるという効果を有する。

また、導電性を有する結晶酸化ケイ素の微粒子を有するゾル溶液を用いたゾルゲル法によって中間層１５を形成するので、乾燥させるまでの過程で流動化によって基板１１（第１の光電変換ユニット１４）上に平坦化した膜が得られるという効果を有する。さらに、第１と第２の光電変換ユニット１４，１６の間を結ぶ導電性を有する結晶酸化ケイ素の微粒子が含まれるので、乾燥によって形成される中間層媒質１５１を結晶化させるための高温での熱処理を行う必要がない。その結果、アモルファスの薄膜半導体層によって構成される第１の光電変換ユニット１４の光電変換特性を劣化させることがないという効果も有する。

実施の形態２．
実施の形態１では、中間層１５を構成する中間層媒質１５１と微粒子１５２とは、同じ材料によって構成される場合を説明した。実施の形態２では、中間層１５を構成する中間層媒質１５１と微粒子１５２とが異なる材料によって構成される場合について説明する。なお、実施の形態２でも、光起電力装置の構成は実施の形態１の図１〜図２と同様であるので、その説明を省略する。

図５は、中間層に用いることができる透明導電性材料とその屈折率を示す図である。図５に示されるように、透明導電性材料として、酸化亜鉛、酸化錫、酸化ケイ素、酸化チタン、フッ化マグネシウムなどを用いることができる。屈折率の値は、それぞれの材料の組成比によって多少変化するが、光電変換層１３を構成する半導体材料であるシリコンの屈折率ｎ_Si＝３．５に比して小さい屈折率を有する材料を、中間層媒質１５１として選択し、それと異なる屈折率を有する材料を、微粒子１５２として選択すればよい。このような材料の組み合わせを選択することによって、中間層１５においても、入射した光を中間層媒質１５１と微粒子１５２との界面で散乱させることができる。なお、図５に示した透明導電性材料は一例であり、微粒子１５２には、太陽光に対して透明で導電性があり薄膜太陽電池１０で利用する太陽光の波長域に対する光吸収量が少ない材料であれば、図５に記載された材料に限定されずに用いることができる。

この実施の形態２では、中間層媒質１５１として、半導体層（光電変換層１３）の屈折率に比して小さい屈折率を有する透明導電性材料を用い、微粒子１５２として、中間層媒質１５１とは異なる屈折率を有する透明導電性材料を用いて、中間層１５に光散乱効果を付加した。これによって、散乱された光の光電変換層１３内での光路長を、実施の形態１の場合に比して増大させることができるとともに、光をロスすることなく反射、透過散乱させることができる。その結果、太陽光の利用効率を改善することができるという効果を、実施の形態１の効果に加えて得ることができる。

上記した実施の形態１，２では、光電変換層１３は、２層の光電変換ユニット１４，１６と、その間に挟まれる１層の中間層１５とによって構成される場合を示したが、この発明がこれらの実施の形態に限定されるものではなく、３層以上の複数層の光電変換ユニットと、積層方向に隣接する２つの光電変換ユニットの間に挟まれる中間層と、を有する光電変換層１３を備える薄膜太陽電池１０に対して適用することができる。この場合には、光電変換ユニットのうち、テクスチャ構造が形成された第１の電極層１２側に最も近く配置された結晶系薄膜半導体層からなる光電変換ユニットよりも、第１の電極層１２側に配置される少なくとも１層の中間層を、微粒子を配置した中間層媒質で構成すればよい。

以上のように、この発明にかかる光起電力装置は、テクスチャ構造を形成した電極層上に結晶系薄膜半導体層を含む光電変換層を備える薄膜太陽電池に有用である。

１０薄膜太陽電池
１１基板
１２第１の電極層
１３光電変換層
１４第１の光電変換ユニット
１５中間層
１６第２の光電変換ユニット
１７第２の電極層
２１コンタクト部
１５１中間層媒質
１５２微粒子
１７１透明導電膜
１７２光反射性導電膜

Claims

基板上に、テクスチャ構造を有する第１の電極層、光電変換層および第２の電極層が順に積層された光起電力装置において、
前記光電変換層は、結晶系薄膜半導体層からなる光電変換ユニットを少なくとも含む複数の光電変換ユニットと、前記複数の光電変換ユニット間に設けられ、入射した光の一部を反射し、残りを透過するとともに、前記複数の光電変換ユニット間を電気的に接続する中間層と、を有し、
前記中間層のうち、結晶系薄膜半導体層からなる前記光電変換ユニットよりも前記第１の電極層側に形成される少なくとも１つの中間層は、透明導電性材料からなる微粒子が透明導電性材料からなる中間層媒質に、厚さ方向に互いに接触するように埋め込まれ、前記第２の電極層側の面が略平坦化された構造を有することを特徴とする光起電力装置。
前記微粒子と前記中間層媒質は、同じ材料によって構成されることを特徴とする請求項１に記載の光起電力装置。
前記微粒子と前記中間層媒質は、異なる材料によって構成されることを特徴とする請求項１に記載の光起電力装置。
前記中間層媒質は、前記光電変換ユニットを構成する材料の屈折率に比して、小さい屈折率を有する材料によって構成されることを特徴とする請求項２または３に記載の光起電力装置。
前記微粒子は、前記中間層の厚さよりも小さい直径を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の光起電力装置。
前記微粒子と前記中間層媒質は、酸化亜鉛、酸化錫、酸化ケイ素、酸化チタンおよびフッ化マグネシウムからなる群から選択される材料によって構成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の光起電力装置。
基板上に、テクスチャ構造を有する第１の電極層、光電変換層および第２の電極層が順に積層された光起電力装置の製造方法において、
前記光電変換層を構成し、テクスチャ構造を有する第１の光電変換ユニットの上面を、焼結後に透明導電性材料となる媒質に透明導電性材料からなる微粒子を混入した溶液で被覆する工程と、
前記微粒子の結晶化温度よりも低い温度で前記溶液を焼結させ、上面が前記第１の光電変換ユニットに比して平坦化された中間層を形成する工程と、
前記中間層上に、前記光電変換層を構成し、結晶系薄膜半導体層からなる第２の光電変換ユニットを形成する工程と、
を含むことを特徴とする光起電力装置の製造方法。