JP5666665B2 - 太陽電池およびそれを用いた太陽電池モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、太陽電池および太陽電池モジュールに関するものである。
太陽電池は利用効率が高いが、実際の発電効率はそうでもない。電池の効率に影響する要因はたくさんあり、例えば、太陽電池自体の直列および並列抵抗や、太陽電池電極による太陽光の遮蔽、あるいは、反射光を効率よく収集できないことにより生じる損失等の要因がある。
電池内部の電子と正孔(hole)の再結合(recombination)は、電池の効率に影響する別の重要な要因である。太陽電池のバンドギャップ(band gap)よりも大きいエネルギーを有する入射光子の吸収により電子‐正孔対が生成され、太陽電池のp‐n接合に存在する電場(electric field)の作用により、これらのキャリアが分離される。光で生成された少数キャリア(すなわち、電子‐正孔対の電子と正孔)は、p‐n接合に到達し、接合を通り抜けて多数キャリアになる。太陽電池が短絡回路である場合、光で生成されたキャリアは、外部回路の中を流れて回路を完成する。太陽電池の発電効率は、太陽電池内の電子と正孔の再結合率に影響するため、その結果、電荷キャリアの減少(depletion)が生じる。
標準のシリコン太陽電池は、ベースシリコン領域、エミッタシリコン領域、p‐n接合領域、前部電気接点(前部電極)および後部電気接点(後部または裏面電極)で構成される。近年、上述した再結合損失を改善するため、HIT(heterojunction with intrinsic thin layer)、PERC(passivated emitter and rear cell)、PERL(passivated emitter and rear locally diffused cell)等の高効率結晶シリコンが開発されている。
誘電体パッシベーション(dielectric passivation)は、太陽電池の表面におけるキャリア再結合を最小化するための方法として一般的に使用されている。パッシベーション材料は、正電荷または負電荷のいずれかを保持することのできる適切な材料を含む。半導体エミッタまたはベース層に対して逆極性を有する電荷を適用して電場を生成し、少数キャリアが太陽電池内を移動しないようにすることによって、キャリアの再結合を減らすことができる。周知の表面パッシベーション法として、化学パッシベーション(chemical passivation)および電界効果パッシベーション(field-effect passivation)の2つがある。
化学パッシベーションは、高温(例えば、1000℃)表面パッシベーション技術の1つである熱酸化プロセスにより、n型またはp型半導体の表面に誘電材料を堆積させるステップを含む。熱酸化プロセスは、誘電体層と半導体の間の化学結合により良好な界面パッシベーション品質を提供し、その結果、半導体/誘電体層の界面における欠陥密度が低減するため、半導体表面の電子と正孔の再結合率が低下する。しかしながら、高温の状況により、キャリアの寿命低下やn+/p界面におけるドーパント再分布が生じる可能性がある。熱酸化プロセスは、約400℃の低温でプラズマを励起させるPECVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition)法に置き換えることができ、水素を用いて太陽電池の不安定な欠陥を修復することができる。
電界効果パッシベーション法は、誘電材料を用いて少数キャリアの再結合を阻止する。誘電材料の表面パッシベーション特性は、誘電体層内の固定電荷および半導体のドーピング濃度により決定される。n型半導体については、正電荷を有する窒化シリコンが誘電体/半導体界面において多数キャリア(電子)の蓄積を誘発し、エネルギーバンド(energy band)を下方に湾曲させる。少数キャリア(正孔)は、結晶シリコン太陽電池表面から遮蔽される。
別のタイプの電界効果パッシベーションは、p型半導体の裏面の障壁(barrier)として高濃度にドープしたp+領域を形成して、少数キャリア(電子)がバック接点(back contact)に移動するのを防止する。太陽電池の背面の高ドープ領域から成る裏面電界(back surface field, BSF)は、このようなパッシベーションの一種である。高ドープ領域と低ドープ領域の間の界面に形成された電場は、障壁を誘起して、少数キャリアを電極から遠ざける。しかしながら、p+領域を形成するのに必要なアクセプタ型ドーパントで追加のドーピングを行う場合、製造工程をさらに追加して、処理費を上げる必要がある。
構造の観点から見ると、化学パッシベーションと電界効果パッシベーション法の両方により形成された誘電体パッシベーションは、太陽電池の半導体光電変換層に接触している。
上述した誘電体パッシベーションと対照的に、「パッシベーション」という単語は、太陽電池の信頼性に関する別の意味も有する。ポリマー封止材料(polymer encapsulant)は、電極層のような導電層に対して電気絶縁パッシベーション層を提供する材料として周知の材料の1つである。このポリマー封止材料は、太陽電池のカソードとアノードの両方に同時に付着して、環境危険物質に対して耐久性と持続性を有する保護を太陽電池に提供する。
現在、エチレン酢酸ビニル(ethylene vinyl acetate, EVA)、ポリビニルブチラール(polyvinyl butyral, PVB)、ジメチルポリシロキサン(polydimethyl siloxane, PDMS)、熱可塑性ポリオレフィン(thermoplastic polyolefins, TPO)、熱可塑性ポリウレタン(thermoplastic polyurethane, TPU)、エチレンプロピレンジエンモノマー(ethylene propylene diene monomer, EPDM)およびイオノマー(ionomer)を含む数種のポリマー封止材料が利用可能である。第37回IEEE Photovoltaic Specialist Conference (2011)にて発表されたケンペ(Kempe)の研究「Overview of scientific issues involved in selection of polymers for PV applications」によると、EVA、TPUおよびポリオレフィンの体積抵抗は、約E14Ohm/sqであるが、シリコン、イオノマーおよびEPDMは、EVAの約100倍の抵抗を有する。ポリマー封止材料の抵抗は、電気絶縁に関連する。
言及すべきこととして、イオノマーは、電気的に中性な繰り返し単位と重合体骨格(polymer backbone)に共有結合したわずかなイオン性イオン基の両方を含む荷電共重合体(charged copolymer)である。この種のポリマーでは、主にイオン会合が材料の熱可塑特性に貢献する。溶解温度以下では、このポリマーが一列に並んで、イオン基の引力による物理架橋(physical crosslinking)を形成する。しかしながら、昇温状態では、このイオン性相互作用が消失して、ポリマー鎖が自由に動き回る。この熱可逆的な熱可塑性挙動により、イオノマーは、昇温状態における容易な加工性と室温での高弾性を有することができるため、太陽電池封止剤の応用に適したイオノマーを作ることができる。
1つの実施形態中、太陽電池を提供する。太陽電池は、第1電極、第2電極、および第1電極と第2電極の間に配置された光電変換層を含む。イオン性荷電膜(ionizable charged film)は、第1電極の最外側面および第2電極の最外側面のうちの少なくとも1つに配置される。
1つの実施形態中、イオン性荷電膜を有する太陽電池モジュールを提出する。太陽電池モジュールは、少なくとも、複数の太陽電池と、封止剤とを含む。各太陽電池は、最外側面および内表面を有する第1電極と、第1電極の内表面と向かい合う最外側面および内表面を有する第2電極と、第1電極の内表面と第2電極の間に配置された光電変換層と、第1電極の最外側面および第2電極の最外側面のうちの少なくとも1つに配置されたイオン性荷電膜とを含む。封止剤は、イオン性荷電膜に付着する。
本発明の太陽電池は、イオン性電荷膜を含む。イオン性電荷膜内に蓄積された電荷は、エネルギーバンド結合を引き起こすため、太陽電池において電界効果表面パッシベーションを効果的に形成する。また、周知の真空半導体プロセスと比較して、本発明の技術は、重大な環境問題を生じさせずに、より安く且つより簡単に製造することができる。
本発明の上記および他の目的、特徴、および利点をより分かり易くするため、図面と併せた幾つかの実施形態を以下に説明する。
第1実施形態に係る太陽電池を示す概略図である。 第2実施形態に係る太陽電池を示す概略図である。 図2に太陽電池と第1電極の間の界面における概略的エネルギーバンド図である。 第3実施形態に係る太陽電池を示す概略図である。 第4実施形態に係る太陽電池を示す概略図である。 第5実施形態に係る太陽電池を示す概略図である。 第6実施形態に係る太陽電池を示す概略図である。 第7実施形態に係る太陽電池を示す概略図である。 実験例2に係る結晶シリコン太陽電池の走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。 実験例2に係るイオン性荷電膜を有する/有さない結晶シリコン太陽電池のACインピーダンス曲線である。 実験例2に係るイオン性荷電膜を有する/有さない結晶シリコン太陽電池の逆バイアス暗電流曲線である。 実験例3に係るイオン性荷電膜を有する/有さない結晶シリコン太陽電池のACインピーダンス曲線である。 実験例3に係るイオン性荷電膜を有する/有さない結晶シリコン太陽電池の逆バイアス暗電流曲線である。 実験例4に係るイオン性荷電膜を有する/有さないGIGS薄膜太陽電池のボード線図である。 実験例5に係るデュポン社製サーリンイオノマーと接触したGIGS薄膜太陽電池のC‐V曲線である。
図1は、第1実施形態に係る太陽電池を示す概略図である。
図1において、太陽電池100は、少なくとも、最外側面102aを有する第1電極102と、内表面102bと、最外側面および内側面を有する第2電極106と、第1電極102の内表面102bと第2電極106の内表面の間に配置された光電変換層108と、第1電極102の最外側面102aおよび第2電極106の最外側面のうちの少なくとも1つに配置されたイオン性荷電膜とを含む。光電変換層108は、半導体ベース領域112と、半導体エミッタ領域114と、p‐n接合領域116とを含んでもよい。p‐n接合領域116は、半導体ベース領域112と半導体エミッタ領域114の間に配置される。
本発明の太陽電池100は、結晶シリコン太陽電池、アモルファスシリコン薄膜太陽電池、アモルファス微結晶シリコン薄膜太陽電池、CIGS(copper indium gallium selenide)またはテルル化カドミウム(cadmium telluride, CdTe)太陽電池を含む。
図1を参照すると、第1電極102および第2電極106は、太陽電池100のカソードまたはアノードであり、その逆であってもよい。イオン性荷電膜104は、第1電極102における電荷制御を提供する。また、別のイオン性荷電膜(図示せず)を第2電極に配置して、第2電極106における電荷分布を操作してもよい。
イオン性荷電膜104は、等しい数のカチオン(正電荷をもつイオン)とアニオン(負電荷をもつイオン)から成る。例えば、イオン性荷電膜104は、有機または無機イオン性荷電膜を含む。
このイオン性荷電膜104は、電極と接触した時に、電気二重層を形成する。イオン性荷電膜は、正電荷をもつ電極の近くに設置されたアニオンを生成するか、あるいは、負電荷をもつ電極の隣に配置されたカチオンを生成する。
イオン性荷電膜104は、太陽電池のカソード、アノード、またはカソードとアノードの両方との唯一の電気接触を有する。しかしながら、イオン性荷電膜104のイオン導電率により、電極の両側に堆積したイオン性荷電膜は、互いに接触しない。カソードとアノードの両方に不意に接続することによって、デバイスに短絡回路が生じる。イオン性荷電膜104の電気的極性は、半導体(すなわち、半導体ベース領域112または半導体エミッタ領域114)の多数キャリアの極性と反対である。
無機イオン性荷電膜は、リン酸リチウムオキシナイトライド(lithium phosphorus oxynitride, LIPON)、LiClO4、LiCF3SO3またはLiBF4を含む。有機イオン性荷電膜は、高分子電解質(polyelectrolyte)を含む。
有機荷電薄膜の場合、この荷電ポリマーは、極性溶剤中に溶解した時に、反対の極性を有する固定電荷と可動イオンを有する重合体骨格に解離するため、重合体骨格上で正または負の電荷をもち、溶液中に対イオンを放出する。わずかなイオン性イオン基により、荷電ポリマーのイオン導電率が決まる。
負電荷をもつポリマー薄膜は、例えば、ポリスチレンスルホン酸(poly (styrene sulfonate acid), PSSA)、ポリアクリル酸(poly (acrylic acid), PAA)、ポリマレイン酸(polymaleic acid, PMA)またはポリパーフルオロスルフォン酸(poly (perfluorosulfonic acid), PFSA)を含み、正電荷をもつポリマー薄膜は、ポリジアリルジメチルアンモニウムクロリド(polydiallyldimethylammonium chloride, PDDA)、ポリアリルアミン塩酸塩(poly (allylamine hydrochloride, PAH)、ポリ‐L‐リシン(poly-L-lysine, PLL)またはポリエチレンイミン(polyethyleneimine, PEI)を含む。
実際の応用では、太陽電池100が電気接続され、モジュールとして封止されることがよくある。エチレン酢酸ビニル(EVA)、ポリビニルブチラール(PVB)、ジメチルポリシロキサン(PDMS)、熱可塑性ポリオレフィン(TPO)、熱可塑性ポリウレタン(TPU)、エチレンプロピレンジエンモノマー(EPDM)またはイオノマー等のポリマーは、太陽電池モジュールのラミネート処理を行うための封止剤118として使用することができる。封止剤118は、太陽電池100のイオン性荷電膜104と第2電極106の両方に付着して、異なる極性を有する電極を同時に接触させることができる。第1実施形態において、イオン性荷電膜104は、太陽電池100の第1電極102に前もって配置されているため、封止剤118は、イオン性荷電膜104に順番にラミネートされる。さらに、イオン性荷電膜104が第2電極106の最外側面に選択的に配置された場合、封止剤118は、第2電極106の最外側面に配置されたイオン性荷電膜104の上に付着する。
図2は、第2実施形態に係る太陽電池を示す概略図である。
図2において、太陽電池200は、第1電極202と、イオン性荷電膜204とを有する。イオン性荷電膜204は、第1電極202の最外側面202aに配置される。結晶シリコン太陽電池を例に挙げて、第2実施形態の太陽電池200について説明する。第1電極202は、裏面電極(back electrode)(例えば、金属電極)であり、光は、太陽電池200の前側に入射するが、本発明はこれに限定されない。ここで、第1電極202は、入射光の方向に対して反対側に設置された電極を指す。イオン性荷電膜204は、第1電極202の最外側面202aに配置されるため、イオン性荷電膜204は、バックエンドモジュールの生産段階で製造することができる。イオン性荷電膜204の極性は、実質的に、第1電極202の内表面202bに接触した半導体ベース領域206の導電型(p型かn型か)によって決まる。イオン性荷電膜204の極性は、第1電極202の内表面202bに接続された半導体ベース領域の多数キャリアの極性と反対である。この場合、半導体ベース領域の極性はp型半導体層であるため、イオン性荷電膜204は、負電荷をもつ。例えば、図2の結晶シリコン太陽電池において、光電変換層の半導体ベース領域206は、第1電極202の内表面202bに接触しているp型半導体層であり、光電変換層の半導体エミッタ領域208(例えば、n型半導体エミッタ層)は、p型半導体層(206)の上に配置される。イオン性荷電膜204は、太陽電池200の裏側から多数電荷キャリア(電子)上に電場の反発作用を引き起こして、結晶シリコン太陽電池の背面における再結合損失を減らす。イオン性荷電膜204は、単一層または多重層の構造であってもよい。
図2を参照すると、第2実施形態の太陽電池200は、結晶シリコン太陽電池を例に挙げて説明しているため、第2電極(例えば、複数の金属グリッド電極)210を太陽電池200の前側に配置して、太陽電池の出力電力を外部負荷に送信してもよい。また、反射防止層212を第2電極210のそばにある半導体エミッタ領域208に配置して、太陽電池200の前側に入射する太陽光を取り込んでもよい。
第2実施形態において、イオン性荷電膜204は負電荷をもつため、この膜204は、第1電極202と接触している半導体ベース領域206のエネルギーバンドギャップに影響を与えることができる。
図3は、結晶シリコン太陽電池におけるイオン性荷電膜204の可能なパッシベーション構成を説明したものである。金属(アルミニウムペースト等)を有する結晶シリコン太陽電池を第1電極202として用いると、電子は、金属からp型半導体層(例えば、図2の半導体ベース領域206)の価電子帯の空状態(empty states)に流入するため、その結果、化学ポテンシャルが金属フェルミ準位(Fermi level)と均衡状態になった時に上向きのバンド曲がり(upward band bending)が生じる。この均衡状態は、正孔を減少させる領域の形成につながり、図3に示すように、電位障壁(potential barrier)が、金属との界面に対し平行に上昇する。負の極性を有するイオン性荷電膜が金属電極の最外側面に堆積した時、イオン性荷電膜の電荷は、金属電極とp型半導体層の間に界面に負電荷を誘起する。正孔は、界面に向かって引き寄せられ、空間電荷幅300aと正孔の電位障壁300bを減少させる。したがって、金属電極が第1電極である場合、太陽電池の裏側に移動する多数キャリア(電子)の量が減少し、つまり、キャリア再結合が減少して、正孔を取り出す可能性が増えるため、デバイス全体の特性が向上する。
第2実施形態において、イオン性荷電膜204は、等しい数のカチオン(正電荷をもつイオン)とアニオン(負電荷をもつイオン)で構成される。イオン性電荷膜204の成分は、無機イオンと有機イオンを含む。リン酸リチウムオキシナイトライド(LIPON)、LiClO4、LiCF3SO3またはLiBF4は、無機イオンの例である。有機イオン性荷電膜は、高分子電解質を含み、この基のポリマーは、溶液中で分離することができるため、正電荷をもつポリカチオンまたは負電荷をもつポリアニオンのいずれかを運ぶポリマー鎖に電荷を残して、対イオンを放出することができる。ポリアニオンは、例えば、ポリスチレンスルホン酸(PSSA)、ポリアクリル酸(PAA)、ポリマレイン酸(PMA)またはポリパーフルオロスルフォン酸(PFSA)を含み、正電荷をもつポリマー薄膜は、ポリジアリルジメチル アンモニウムクロリド(PDDA)、ポリアリルアミン塩酸塩(PAH)、ポリ‐L‐リシン(PLL)またはポリエチレンイミン(PEI)を含む。
さらに、太陽電池200は、モジュールとして封止されてもよい。例えば、EVA、PVB、PDMS、TPO、TPU、EPDMまたはイオノマー等のポリマーを太陽電池モジュールのラミネート処理に用いる封止剤214として使用してもよい。封止剤214は、太陽電池200のイオン性荷電膜204、複数の金属グリッド電極210および反射防止層212に付着し、異なる極性を有する電極を同時に接触させることができる。第2実施形態において、イオン性荷電膜204は、太陽電池200の第1電極202の上に前もって配置されるため、封止剤214は、イオン性荷電膜204の上に順番にラミネートされる。
図4は、第3実施形態に係る薄膜太陽電池を示す概略図である。
第3実施形態に係る薄膜太陽電池は、アモルファスシリコン(amorphous silicon, a-Si)薄膜太陽電池、またはアモルファス/微結晶シリコン(amorphous/micro crystalline silicon, a-Si/mc-Si)タンデム型薄膜太陽電池であってもよい。図4に示すように、薄膜太陽電池402およびイオン性荷電膜404は、透明基板400の上に形成される。薄膜太陽電池402は、第1電極406を有し、イオン性荷電膜404は、第1電極406の最外側面406aに形成される。スーパーストレート(superstrate)薄膜太陽電池を例に挙げて、第3実施形態の薄膜太陽電池402について説明する。薄膜太陽電池402は、基板400の上に順番に積み重ねられた第2電極(例えば、透明導電酸化物層)408、光電変換層410および第1基板(すなわち、カソード層)406を含む。第2電極408は、入射光に面した電極を指す。第1電極406は、透明導電酸化物層412と、金属電極414とを含む。金属電極414は選択可能であり、シースルータイプのアモルファス薄膜太陽電池については、この金属電極が省略されるため、イオン性荷電膜404も透明導電酸化物層412に直接接触することができる。イオン性荷電膜404は、第1または第2実施形態を参照して選択することができるため、詳細についてはここで繰り返し説明しない。
図5は、第4実施形態に係る太陽電池のモジュールを示す概略図である。
第4実施形態に係る薄膜太陽電池は、アモルファスシリコン(a‐Si)薄膜太陽電池、アモルファス/微結晶シリコン(a‐Si/mc‐Si)タンデム型薄膜太陽電池またはアモルファス/アモルファスシリコン(a‐Si/a‐Si)タンデム型薄膜太陽電池であってもよい。図5は、第4実施形態の誘電体パッシベーション層としてイオン性荷電膜を有するスーパーストレート構造を備えたモノリシック集積(monolithic integrated)薄膜太陽電池を示す概略的断面図である。第3実施形態と同じ参照番号は、同一のまたは類似する素子を表す。
モノリシック集積薄膜太陽電池は、透明基板400上のp1間隔で区切られた複数の第2電極408(すなわち、アノード層)、第2電極408上のp3間隔で区切られた複数の第1電極406(すなわち、カソード層)および第2電極408と第1電極406の間に配置されたp2間隔で区切られた複数の光電変換層410によって形成される。第2電極408は、例えば、透明導電酸化物層を含み、第1電極406は、透明導電酸化物層412と、金属電極414とを含む。1つの薄膜太陽電池の第2電極408は、別の薄膜太陽電池の第1電極406に接続されるため、薄膜太陽電池間の直列接続を達成することができる。第4実施形態において、複数のイオン性荷電膜404が第1電極406と接触する。イオン性荷電膜404は、第1から第3実施形態を参照して選択することができるため、詳細についてはここで繰り返し説明しない。さらに、封止剤500は、イオン性荷電膜404の上に付着して、薄膜太陽電池402を同時に覆う。
図6は、第5実施形態に係る太陽電池モジュールを示す概略図であり、第4実施形態と同じ参照番号は、同一のまたは類似する素子を表す。
第5実施形態に係る薄膜太陽電池モジュールは、第4実施形態の薄膜太陽電池モジュールに類似するが、p3間隔は、電気絶縁層600に覆われている。第5実施形態において、イオン性荷電膜602の連続層は、複数のカソード層406に同時に連続して接触する。
図7は、第6実施形態に係る薄膜太陽電池を示す概略図である。
図7に示すように、薄膜太陽電池702およびイオン性荷電膜704は、透明基板700の上に形成される。薄膜太陽電池702は、第2電極706および第1電極708を有する。イオン性荷電膜704は、第1電極708の最外側面708aだけでなく、第2電極706の最外側面706aにも設置される。CIGSまたはCdTe太陽電池等の基板構造薄膜太陽電池を例に挙げて、第6実施形態の太陽電池702について説明する。薄膜太陽電池702は、基板700の上に順番に積み重ねられた第1電極(すなわち、アノード層)708、光電変換層710および透明第2電極(すなわち、カソード層)706を含む。光電変換層710は、CIGS/CdSまたはCdTe/CdSヘテロ接合を含む。イオン性荷電膜704は、第1または第2実施形態を参照して選択することができるため、詳細についてはここで繰り返し説明しない。
図8は、第7実施形態に係る太陽電池を示す概略図であり、第6実施形態と同じ参照番号は、同一のまたは類似する素子を表す。
第7実施形態に係る薄膜太陽電池は、第6実施形態の薄膜太陽電池に類似するが、透明第2電極706(すなわち、カソード層)の上部に、複数の金属接触線800がある。イオン性荷電膜704は、透明第2電極706の最外側面に堆積して、透明第2電極706(たとえば、透明導電酸化物)と金属接触線800を同時に覆う。
下記に示す実験例は、本発明の性能を証明するものである。以下の実験例において、結晶シリコン(c‐Si)太陽電池、アモルファスシリコン(a‐Si)薄膜太陽電池およびCIGS薄膜太陽電池を例に挙げて説明する。
実験例1a:ポリマー封止剤の体積抵抗率測定
ASTM D257‐07を用いて、各種ポリマー封止材料の体積抵抗率測定を行った。ポリマー封止材料は、エチレン酢酸ビニル(EVA)、ポリビニルブチラール(PVB)およびイオノマーを含む。測定後のEVA、PVBおよびサーリン(surlyn)イオノマーの体積抵抗率は、それぞれ1.86 E14 Ohm.cm、3.13 E+12 Ohm.cm、2.54 E+17 Ohm.cmであった。この結果は、デュポン(Dupon)社製のサーリンイオノマーが最も高い体積抵抗率を有することを示している。
実験例1b:イオン性荷電膜のイオン導電率測定
正電荷をもつ高分子電解質:ポリアリルアミン塩酸塩(PAH)および負電荷をもつ高分子電解質:ポリスチレンスルホン酸(polystyrene sulfonate, PSS)をイオン性荷電膜として利用する。これらの荷電薄膜中のイオン成分の濃度は、20モル%〜85モル%の間であった。電気化学インピーダンススペクトル法 (Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)を用いて、2つのプラチナ箔の間にイオン性荷電膜を挟み、12.9mS/cm塩化ナトリウム標準溶液で較正(calibration)して、高分子電解質薄膜のイオン導電率を測定した。測定後のポリスチレンスルホン酸(PSS)およびポリアリルアミン塩酸塩(PAH)のイオン導電率は、10-3〜10-6S/cmの間であった。
実験例2〜6は、数種類の太陽電池における誘電体パッシベーション層としてのイオン性荷電膜の効果を証明している。
実験例2:c‐Si太陽電池の誘電体パッシベーション
イオン性荷電膜の製造
まず、アニオン高分子電解質を水に溶解して、荷電したポリマー溶液を形成する。この例において、材料は、ポリスチレンスルホン酸(PSSA)である。4gのPSSAを10ccの純水に溶解することにより、PSSA溶液をイオン化して、PSS負電荷ポリマーおよびH+正電荷対イオンを形成することができる。
パッシベーション層としてイオン性荷電膜を有する結晶シリコン太陽電池の製造
その後、図2で示した構造に基づいて、PSSA溶液を6インチのシリコン太陽電池のスクリーン印刷アルミニウム第1電極の上にコーティングする。その後、PSSA溶液を乾燥させ、第1電極の上に負電荷薄膜を得る。この例では、スクリーン印刷アルミニウム電極を第1電極として用いた。図9は、本実験例に係るパッシベーション層としてイオン性荷電膜を有する太陽電池の走査型電子顕微鏡(scanning electron microscope, SEM)写真である。SEM写真は、厚さが9ミクロンのイオン性荷電膜900およびイオン性荷電膜900の下方にある第1電極902を示している。第1電極902は、アルミニウムペーストを焼成して形成する。イオン性荷電膜の一部は、コーティングプロセスの間に第1電極に進入する。
測定
結晶シリコン太陽電池に関する荷電膜のパッシベーションメカニズムを理解するため、荷電ポリマー溶液を太陽電池にコーティングする前に、ACインピーダンススペクトル法、逆バイアス暗電流およびI‐Vテストを行った。正および負端子をc‐Si太陽電池のリボン(母線にはんだ接合されたもの)に接続することによって、ACインピーダンススペクトル法および逆バイアス暗電流測定を暗状態で行った。太陽電池のアノードをカソードに対する正端子に接続した。
その後、イオン性荷電膜でコーティングを行った後に、太陽電池のACインピーダンス、暗電流およびI‐Vテストを行い、太陽電池の性能におけるイオン性荷電膜の効果を分析した。これらすべての実験は、制御された室温の下で行った。
I‐Vテスト結果は、イオン性薄膜をコーティングした後に、結晶シリコン太陽電池の開放回路電圧(Voc)、短絡回路電流(Isc)、フィルファクタ(FF)等のパラメータが向上したことを示している。短絡回路電流(Isc)は、8.580Aから8.685Aまでの1.23%増加した。開放回路電圧(Voc)は、0.625Vから0.631Vまでの0.96%増加した。フィルファクタ(FF)は、77.42%から79.78%までの3.05%増加した。最大出力電力(Pmax)は、4.15Wから4.28Wまでの3.13%増加した。
ACインピーダンス結果は、図10に示した通りである。図10において、パッシベーション層として荷電薄膜を有する太陽電池の直列抵抗(Rs)は減少したが、同じ太陽電池の並列抵抗(Rsh)は増加した。この結果は、荷電薄膜がc‐Si太陽電池の漏洩電流を減らすことができることを明らかにしている。
c‐Si太陽電池の逆バイアス暗電流を測定して、同じ結果を得た。図11は、イオン性荷電膜を有するc‐Siをコーティングした後に、−10Vの大きな逆バイアスで測定した暗電流が23.85%減少したことを明らかにしている。暗電流は、主に、少数キャリアの再結合損失によるものである。荷電薄膜を有するc‐Si太陽電池において暗電流が比較的低いことは、電池内の再結合損失が向上したことを示している。
実験例3:a‐Si薄膜太陽電池におけるパッシベーション
誘電体パッシベーション層としてイオン性荷電膜を有するシースルータイプのアモルファス結晶シリコン太陽電池の製造
図5に示した構造に基づいて、20wt%のカチオン高分子電解質:D.I.水中のポリアリルアミン塩酸塩(PAH)を直接a‐Si薄膜太陽電池モジュールの裏面電極ZnO透明導電酸化物(TCO)層の上にスピンコーティングした。a‐Si薄膜太陽電池における荷電薄膜の効果をACインピーダンススペクトル法により研究し、正電荷をもつ高分子電解質でコーティングする前と後で逆バイアス暗電流をテストした。太陽電池のアノードをカソードに対する正端子に接続した。全ての測定は、制御された室温で暗状態において行った。
ACインピーダンス分析は、図12に示した通りである。ナイキスト線図(Nyquist plot)は、パッシベーション層としてイオン性荷電膜を有する太陽電池の直列抵抗(Rs)が減少し、同時に並列抵抗(Rsh)が増加したことを示している。この結果は、コーティングプロセスの後に比較的低いRsと比較的高いRshを達成できることを示している。方程式Cp=1/(2×π×f×Z”max)に基づき、寿命=Rsh*Cpとして、a‐Si薄膜太陽電池の寿命を計算することができる。ここで、Cpは、太陽電池の容量を指し、fは、Z”maxで測定した周波数である。この結果は、イオン性荷電膜を有する太陽電池の寿命が、コーティング層を持たない太陽電池と比較して、2.48倍増加することを示している。
図13は、−10Vの逆バイアスで測定した暗電流を示したものである。この結果は、イオン性荷電膜を有するa‐Si薄膜太陽電池をコーティングした後に暗電流において65%の減少があることを明らかにしている。
実験例4:CIGS薄膜太陽電池におけるパッシベーション
誘電体パッシベーション層としてイオン性荷電膜を有するCIGS薄膜太陽電池の製造
20wt%のカチオン高分子電解質:D.I.水中のポリアリルアミン塩酸塩(PAH)を直接CIGS薄膜太陽電池の第2電極ZnO透明導電酸化物の上にコーティングした。
図14のボード線図(Bode plot)は、コーティングプロセスの前と後のCIGS薄膜太陽電池の位相角を示している。イオン性電荷膜を有する太陽電池の位相角のピークは、より低い周波数へ移動しており、この結果は、この太陽電池の寿命がイオン性荷電膜を持たない太陽電池と比較して2.3倍増加したことを示している。
実験例5:CIGS電池のC‐V曲線におけるイオノマーの効果
図15は、イオノマーの層でコーティングする前と後のCIGS太陽電池のC‐V曲線(周波数100Hzで測定)を示したものである。C‐V曲線において大きな変化は見られなかったため、この種の荷電ポリマー(サーリンイオノマー)が絶縁体であることを示している。イオン性荷電膜と対照的に、イオノマー層は、電極の表面に電場電荷を誘起しない。そのため、イオノマーは、太陽電池において誘電体パッシベーション効果を有さない。
以上のように、本発明のパッシベーション構造は、コーティングプロセスにより荷電材料を直接太陽電池の電極の上に堆積する。イオン性電荷膜内に蓄積された電荷は、エネルギーバンド結合を引き起こすため、太陽電池において電界効果表面パッシベーションを効果的に形成する。また、周知の真空半導体プロセスと比較して、本発明の技術は、重大な環境問題を生じさせずに、より安く且つより簡単に製造することができる。
以上のごとく、この発明を実施形態により開示したが、もとより、この発明を限定するためのものではなく、当業者であれば容易に理解できるように、この発明の技術思想の範囲内において、適当な変更ならびに修正が当然なされうるものであるから、その特許権保護の範囲は、特許請求の範囲および、それと均等な領域を基準として定めなければならない。
100、200 太陽電池
102、202、406、708、902 第1電極
102a、202a、406a、706a、708a 最外側面
102b、202b 内表面
104、204、404、602、704、900 イオン性荷電膜
106、210、408、706 第2電極
108、410、710 光電変換層
112、206 半導体ベース領域
114、208 半導体エミッタ領域
116 p‐n接合領域
118、214、500 封止剤
212 反射防止層
300a 空間電荷幅
300b 正孔の電位障壁
400、700 透明基板
402 薄膜太陽電池
412 透明導電酸化物層
414 金属電極
600 電気絶縁層
800 金属接触線

Claims (31)

  1. 最外側面および内表面を含む第1電極と、
    最外側面および内表面を含む第2電極と、
    前記第1電極の前記内表面と前記第2電極の前記内表面の間に配置された光電変換層と、
    前記第1電極の前記最外側面および前記第2電極の前記最外側面のうちの少なくとも1つに配置されたイオン性荷電膜と、
    を少なくとも含む太陽電池。
  2. 前記光電変換層が、半導体ベース領域と、半導体エミッタ領域と、前記半導体ベース領域と前記半導体エミッタ領域の間に配置されたp‐n接合領域とを含む請求項1に記載の太陽電池。
  3. 前記第2電極が、透明導電酸化物または金属グリッド電極を含む請求項1に記載の太陽電池。
  4. 前記第1電極が、透明導電酸化物、金属層、または前記透明導電酸化物および前記金属層を有するラミネート層を含む請求項1に記載の太陽電池。
  5. 前記イオン性荷電膜の電気極性が、前記第1電極に接触している前記半導体ベース領域または前記半導体エミッタ領域の多数キャリアの極性と反対である請求項2に記載の太陽電池。
  6. 前記イオン性荷電膜が、無機荷電薄膜または有機荷電薄膜を含む請求項1に記載の太陽電池。
  7. 前記無機荷電薄膜が、リン酸リチウムオキシナイトライド(LIPON)、LiClO4、LiCF3SO3またはLiBF4を含む請求項6に記載の太陽電池。
  8. 前記有機荷電薄膜が、負電荷をもつポリマー薄膜または正電荷をもつポリマー薄膜を含む請求項6に記載の太陽電池。
  9. 前記負電荷をもつポリマー薄膜が、ポリスチレンスルホン酸(PSSA)、ポリアクリル酸(PAA)、ポリマレイン酸(PMA)またはポリパーフルオロスルフォン酸(PFSA)を含む請求項8に記載の太陽電池。
  10. 前記正電荷をもつポリマー薄膜が、ポリジアリルジメチル アンモニウムクロリド(PDDA)、ポリアリルアミン塩酸塩(PAH)、ポリ‐L‐リシン(PLL)またはポリエチレンイミン(PEI)を含む請求項8に記載の太陽電池。
  11. 前記イオン性荷電膜が、単一層または多重層を含む請求項1に記載の太陽電池。
  12. 前記イオン性荷電膜が、10-3〜10-6S/cmのイオン導電率を有する請求項1に記載の太陽電池。
  13. 前記太陽電池が、結晶シリコン太陽電池、アモルファスシリコン薄膜太陽電池、アモルファス微結晶シリコン薄膜太陽電池、CIGSまたはテルル化カドミウム(CdTe)太陽電池を含む請求項1に記載の太陽電池。
  14. 前記イオン性荷電膜が、前記第1電極と前記第2電極の両方の前記最外側面に配置された請求項1に記載の太陽電池。
  15. それぞれが、
    最外側面および内表面を含む第1電極と、
    最外側面および内表面を含む第2電極と、
    前記第1電極の前記内表面と前記第2電極の前記内表面の間に配置された光電変換層
    と、
    前記第1電極の前記最外側面および前記第2電極の前記最外側面のうちの少なくとも
    1つに配置されたイオン性荷電膜と
    を含む複数の太陽電池と、
    前記イオン性荷電膜に付着する封止剤と
    を少なくとも含む太陽電池モジュール。
  16. 前記光電変換層が、半導体ベース領域と、半導体エミッタ領域と、前記半導体ベース領域と前記半導体エミッタ領域の間に配置されたp‐n接合領域とを含む請求項15に記載の太陽電池モジュール。
  17. 前記イオン性荷電膜の電気極性が、前記第1電極に接触している前記半導体ベース領域または前記半導体エミッタ領域の多数キャリアの極性と反対である請求項16に記載の太陽電池モジュール。
  18. 前記イオン性荷電膜が、無機荷電薄膜または有機荷電薄膜を含む請求項15に記載の太陽電池モジュール。
  19. 前記イオン性荷電膜が、単一層または多重層を含む請求項15に記載の太陽電池モジュール。
  20. 前記イオン性荷電膜が、10-3〜10-6S/cmのイオン導電率を有する請求項15に記載の太陽電池モジュール。
  21. 前記イオン性荷電膜が、前記第1電極と前記第2電極の両方の前記最外側面に配置された請求項15に記載の太陽電池モジュール。
  22. 前記封止剤が、前記第1電極と前記第2電極の両方の前記最外側面に配置された前記イオン性荷電膜の上に付着した請求項21に記載の太陽電池モジュール。
  23. 前記太陽電池が、結晶シリコン太陽電池、アモルファスシリコン薄膜太陽電池、アモルファス微結晶シリコン薄膜太陽電池、CIGSまたはテルル化カドミウム(CdTe)太陽電池を含む請求項15に記載の太陽電池モジュール。
  24. 最外側面および内表面を含む第1電極と、
    それぞれが最外側面および内表面を含む複数の金属グリッド電極と、
    前記第1電極の前記内表面と前記複数の金属グリッド電極の前記内表面の間に配置された光電変換層と、
    前記第1電極の前記最外側面に配置されたイオン性荷電膜と
    を少なくとも含む複数の太陽電池。
  25. 前記光電変換層の上および前記金属グリッド電極のそばに配置された反射防止層をさらに含む請求項24に記載の太陽電池。
  26. 前記第1電極が、裏面電極である請求項24に記載の太陽電池。
  27. 前記光電変換層が、半導体ベース領域と、半導体エミッタ領域と、前記半導体ベース領域と前記半導体エミッタ領域の間に配置されたp‐n接合領域とを含む請求項24に記載の太陽電池。
  28. 前記イオン性荷電膜の電気極性が、前記第1電極に接触している前記半導体ベース領域の多数キャリアの極性と反対である請求項27に記載の太陽電池。
  29. 前記イオン性荷電膜が、無機荷電薄膜または有機荷電薄膜を含む請求項24に記載の太陽電池。
  30. 前記イオン性荷電膜が、単一層または多重層を含む請求項24に記載の太陽電池。
  31. 前記イオン性荷電膜が、10-3〜10-6S/cmのイオン導電率を有する請求項24に記載の太陽電池。
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