JP5835200B2 - 表面電極付透明導電ガラス基板及びその製造方法、並びに薄膜太陽電池及びその製造方法 - Google Patents
表面電極付透明導電ガラス基板及びその製造方法、並びに薄膜太陽電池及びその製造方法 Download PDFInfo
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Description
図1は、本実施の形態に係る表面電極付透明導電ガラス基板を適用した薄膜太陽電池10の模式断面図である。
透光性ガラス基板1としては、ソーダライムシリケートガラスや、ボレートガラス、低アルカリ含有ガラス、石英ガラス、その他の各種ガラスからなる透明なガラス基板を用いることができる。
低屈折率透明薄膜5は、波長550nmにおける屈折率が1.6〜1.8の範囲となる透明薄膜である。この低屈折率透明薄膜5の組成は、屈折率が上述した範囲となるものであれば、特に限定されないが、インジウム(In)とシリコン(Si)とからなる酸化物膜であることが好ましい。InとSiからなる酸化物膜は、波長550nmにおける屈折率が1.6〜1.8となる低屈折率透明薄膜であり、具体的にInに対するSiのモル比(Si/Si+In)が0.2〜0.5となる組成の酸化物膜とすることにより、その屈折率が1.6〜1.8となる。
表面電極2は、透光性ガラス基板1上に第1層として成膜された低屈折率透明薄膜5の上に設けられ、下地膜21と、凹凸膜22とが順次積層されて構成される。すなわち、透光性ガラス基板1に、第1層としての低屈折率透明薄膜5と、第2層としての下地膜21と、第3層として凹凸膜とが順次形成されて、表面電極付透明導電ガラス基板を構成する。
表面電極2を構成する下地膜21は、酸化インジウム系のアモルファス質透明導電膜を用いる。また、その酸化インジウム系の透明導電膜の中でも、酸化インジウムにチタン(Ti)をドープした膜(以下、「ITiO膜」と略記する。)であることが、近赤外域の光の透過率が高くなる点で好ましい。またそれだけでなく、ITiO膜によれば、アモルファス質の膜が得られ易くなり、後述する凹凸膜22における酸化亜鉛結晶の成長を助長することができるため好ましい。さらに、酸化インジウム系の透明導電膜の中でも、ITiO膜に更にスズ(Sn)をドープした膜(以下、「ITiTO膜」と略記する。)であることが、ITiO膜に比べてもより一層に、凹凸膜22における酸化亜鉛結晶の成長を助長させることができるため、より好ましい。
表面電極2を構成する凹凸膜22は、上述した酸化インジウム系からなるアモルファス質透明導電膜の下地膜21の上に成膜されてなり、酸化亜鉛系の結晶質透明導電膜からなる。この凹凸膜22の表面凹凸構造22aにおける凹凸形状の形成は、アモルファス質の下地膜21のアモルファス性の程度や、スパッタリング時のガス圧、DC電力といったスパッタリング条件によって制御することができるが、上述した下地膜21のアモルファス性が重要なパラメータとなる。具体的に、凹凸膜22の表面凹凸構造22aにおける凹凸の程度としては、ヘイズ率が10%以上となり、算術平均粗さ(Ra)で30〜100nmの凹凸を有することが好ましい。
光電変換半導体層3は、上述した表面電極2上に形成されてなる。この光電変換半導体層3は、例えば、p型半導体層31と、i型半導体層32と、n型半導体層33とが順次積層されて構成される。なお、p型半導体層31とn型半導体層33は、その順番が逆に積層されてもよいが、通常、太陽電池では光の入射側にp型半導体層が配置される。
裏面電極4は、上述した光電変換半導体層3を構成するn型半導体層33上に形成されてなる。この裏面電極4は、例えば、透明導電性酸化膜41と、光反射性金属電極42とが順次積層されて構成される。
(1)膜厚は、以下の手順で測定した。すなわち、成膜前に基板の一部を予め油性マジックインクを塗布しておき、成膜後にエタノールでマジックをふき取り、膜の無い部分を形成し、膜の有る部分と無い部分の段差を、接触式表面形状測定器(KLA Tencor社製 Alpha−StepIQ)で測定して求めた。
以下の製造条件により、図1に示すような構造のシリコン系薄膜太陽電池を作製した。
先ず、透光性ガラス基板1としてソーダライムシリケートガラス基板を用い、このガラス基板上に、低屈折率透明薄膜5として、酸化インジウム、酸化シリコン、シリコンの合成粉末からなる焼結体を用いて、膜厚50nmのISiO膜をDCスパッタリング法により形成した。このとき、Siの組成は、Inに対するモル比で0.2に調整した。なお、ISiO膜成膜後の表面粗さ(算術平均粗さ(Ra))は0.5nmであった。なお、表1に、低屈折率透明薄膜5の成膜条件及び表面粗さを示す。
続いて、上述した表面電極2上に、プラズマCVD法により、厚み10nmのボロンドープのp型微結晶シリコン層からなるp型半導体層31、厚み3μmのi型微結晶シリコン層からなるi型半導体層32、厚み15nmのリンドープのn型微結晶シリコン層からなるp型半導体層33を、順次成膜してpin接合の光電変換半導体層3を形成した。
実施例2では、表面電極2を構成する下地膜21の膜厚を200nmに変え、実施例3では、表面電極2を構成する凹凸膜22の膜厚を1200nmに変え、実施例4では、下地膜21の膜厚を200nm、凹凸膜22の膜厚を1200nmに変えた。それ以外は、それぞれ、実施例1と同様にして表面電極2を形成し、特性を評価した。表2に、評価結果をそれぞれ示す。
実施例5では、低屈折率透明薄膜5を構成するISiO膜の膜厚を100nmに変えたこと以外は、実施例1と同様にして表面電極2を形成し、特性を評価した。また、実施例6では、表面電極2を構成する下地膜21の膜厚を200nmに変え、実施例7では、表面電極2を構成する凹凸膜22の膜厚を1200nmに変え、実施例8では、下地膜21の膜厚を200nm、凹凸膜22の膜厚を1200nmに変えた。それ以外は、それぞれ、実施例5と同様にして表面電極2を形成し、特性を評価した。表2に、評価結果をそれぞれ示す。
実施例9では、低屈折率透明薄膜5を構成するISiO膜の膜厚を150nmに変えたこと以外は、実施例1と同様にして表面電極2を形成し、特性を評価した。また、実施例10では、表面電極2を構成する下地膜21の膜厚を200nmに変え、実施例11では、表面電極2を構成する凹凸膜22の膜厚を1200nmに変え、実施例12では、下地膜21の膜厚を200nm、凹凸膜22の膜厚を1200nmに変えた。それ以外は、それぞれ、実施例9と同様にして表面電極2を形成し、特性を評価した。表2に、評価結果をそれぞれ示す。
実施例13では、低屈折率透明薄膜5を成膜するに際して、Siの組成がInに対するモル比で0.5に調整した焼結体を用いてISiO膜を形成したこと以外は、実施例1と同様にして表面電極2を形成し、特性を評価した。また、実施例14では、表面電極2を構成する下地膜21の膜厚を200nmに変え、実施例15では、表面電極2を構成する凹凸膜22の膜厚を1200nmに変え、実施例16では、下地膜21の膜厚を200nm、凹凸膜22の膜厚を1200nmに変えた。それ以外は、それぞれ、実施例13と同様にして表面電極2を形成し、特性を評価した。表2に、評価結果をそれぞれ示す。
実施例17では、第1層の低屈折率透明薄膜5を成膜するに際して、Siの組成がInに対するモル比で0.5に調整した焼結体を用い、膜厚が100nmのISiO膜を形成したこと以外は、実施例1と同様にして表面電極2を形成し、特性を評価した。また、実施例18では、表面電極2を構成する下地膜21の膜厚を200nmに変え、実施例19では、表面電極2を構成する凹凸膜22の膜厚を1200nmに変え、実施例20では、下地膜21の膜厚を200nm、凹凸膜22の膜厚を1200nmに変えた。それ以外は、それぞれ、実施例17と同様にして表面電極2を形成し、特性を評価した。表2に、評価結果をそれぞれ示す。
実施例21では、低屈折率透明薄膜5を成膜するに際して、Siの組成がInに対するモル比で0.5に調整した焼結体を用い、膜厚が150nmのISiO膜を形成したこと以外は、実施例1と同様にして表面電極2を形成し、特性を評価した。また、実施例22では、表面電極2を構成する下地膜21の膜厚を200nmに変え、実施例23では、表面電極2を構成する凹凸膜22の膜厚を1200nmに変え、実施例24では、下地膜21の膜厚を200nm、凹凸膜22の膜厚を1200nmに変えた。それ以外は、それぞれ、実施例21と同様にして表面電極2を形成し、特性を評価した。表2に、評価結果をそれぞれ示す。
比較例1では、第1層の低屈折率透明薄膜5を成膜するに際して、ISiO膜の膜厚を30nmとし、比較例2では、ISiO膜の膜厚を200nmとしたこと以外は、それぞれ、実施例1と同様にして表面電極2を形成し、特性を評価した。なお、比較例2では、形成したISiO膜の表面粗さ(算術平均粗さRa)が1.1nmであり、平滑性が損なわれていた。表2に、評価結果をそれぞれ示す。
比較例3及び4では、第1層の低屈折率透明薄膜5を成膜するに際して、Siの組成がInに対するモル比で0.5に調整した焼結体を用い、それぞれ、膜厚が30nm、200nmのISiO膜を成膜したこと以外は、実施例1と同様にして表面電極2を形成し、特性を評価した。なお、比較例4では、形成したISiO膜の表面粗さ(算術平均粗さRa)が1.2nmであり、平滑性が損なわれていた。表2に、評価結果をそれぞれ示す。
比較例5及び6では、第1層の低屈折率透明薄膜5を成膜するに際して、Siの組成がInに対するモル比で0.1に調整した焼結体を用い、それぞれ、膜厚が50nm、150nmのISiO膜を形成したこと以外は、実施例1と同様にして表面電極2を形成し、特性を評価した。表2に、評価結果をそれぞれ示す。
比較例7及び8では、第1層の低屈折率透明薄膜5を成膜するに際して、Siの組成がInに対するモル比で0.6に調整した焼結体を用い、それぞれ、膜厚が50nm、150nmのISiO膜を形成したこと以外は、実施例1と同様にして表面電極2を形成し、特性を評価した。なお、第1層のISiO膜の屈折率は1.55であった。表2に、評価結果をそれぞれ示す。
比較例9では、第1層としての低屈折率透明薄膜5を構成するISiO膜を成膜せずに、透光性ガラス基板1上に、表面電極2として、ITiO膜からなる下地膜21と、GAZO膜からなる凹凸膜22とから構成された表面電極2を形成し、特性を評価した。なお、表面電極2は、実施例1と同様にして形成した。表2に、評価結果を示す。
比較例10及び11では、表面電極2を構成する下地膜21の膜厚を、それぞれ、40nm、250nmとしたこと以外は、実施例1と同様にして表面電極2を形成し、特性を評価した。表2に、評価結果をそれぞれ示す。
比較例12及び13では、表面電極2を構成する凹凸膜22の膜厚を、それぞれ、400nm、1500nmとしたこと以外は、実施例1と同様にして表面電極2を形成し、特性を評価した。表2に、評価結果をそれぞれ示す。
比較例14及び15では、低屈折率透明薄膜5を構成するISiO膜の膜厚を100nmとし、また、表面電極2を構成する下地膜21の膜厚を、それぞれ、40nm、250nmとしたこと以外は、実施例1と同様にして表面電極2を形成し、特性を評価した。また、比較例16では、低屈折率透明薄膜5を構成するISiO膜の膜厚を100nmとし、また、表面電極2を構成する凹凸膜22の膜厚を、400nmとしたこと以外は、実施例1と同様にして表面電極2を形成し、特性を評価した。表2に、評価結果をそれぞれ示す。
比較例17及び18では、低屈折率透明薄膜5を構成するISiO膜の膜厚を150nmとし、また、表面電極2を構成する下地膜21の膜厚を、それぞれ、40nm、250nmとしたこと以外は、実施例1と同様にして表面電極2を形成し、特性を評価した。また、比較例19及び20では、低屈折率透明薄膜5を構成するISiO膜の膜厚を150nmとし、また、表面電極2を構成する凹凸膜22の膜厚を、それぞれ、400nm、1500nmとしたこと以外は、実施例1と同様にして表面電極2を形成し、特性を評価した。表2に、評価結果をそれぞれ示す。
比較例21及び22では、低屈折率透明薄膜5を成膜するに際して、Siの組成がInに対するモル比で0.5に調整した焼結体を用い、膜厚が50nmのISiO膜を成膜し、また、表面電極2を構成する下地膜21の膜厚を、それぞれ、40nm、250nmとしたこと以外は、実施例1と同様にして表面電極2を形成し、特性を評価した。また、比較例23では、低屈折率透明薄膜5を成膜するに際して、Siの組成がInに対するモル比で0.5に調整した焼結体を用い、膜厚が50nmのISiO膜を成膜し、また、表面電極2を構成する凹凸膜22の膜厚を400nmとしたこと以外は、実施例1と同様にして表面電極2を形成し、特性を評価した。表2に、評価結果をそれぞれ示す。
Claims (8)
- 透光性ガラス基板上に、第1層として波長550nmにおける屈折率が1.6〜1.8である低屈折率透明薄膜が膜厚50nm〜150nmで形成され、さらに第2層として酸化インジウム系のアモルファス質透明導電膜、第3層として酸化亜鉛系の結晶質透明導電膜による凹凸膜が順次形成されてなり、
前記第1層を構成する低屈折率透明薄膜が、インジウムとシリコンを主成分とする酸化物薄膜であり、インジウムに対するシリコンのモル比が0.2〜0.5であることを特徴とする表面電極付透明導電ガラス基板。 - 前記第1層を構成する低屈折率透明薄膜では、表面粗さRaが1.0nm以下の平滑性を有することを特徴とする請求項1記載の表面電極付透明導電ガラス基板。
- 前記第2層を構成する酸化インジウム系のアモルファス質透明導電膜が、Tiをドープした酸化インジウムからなり、
前記第3層を構成する酸化亜鉛系の結晶質透明導電膜が、Al及び/又はGaをドープした酸化亜鉛からなる
ことを特徴とする請求項1又は2記載の表面電極付透明導電ガラス基板。 - 前記酸化インジウム系のアモルファス質透明導電膜の膜厚が、100〜200nmであることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項記載の表面電極付透明導電ガラス基板。
- 前記酸化亜鉛系の結晶質透明導電膜の膜厚が、500〜1200nmであることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項記載の表面電極付透明導電ガラス基板。
- 透光性ガラス基板上に、第1層として波長550nmにおける屈折率が1.6〜1.8である低屈折率透明薄膜を膜厚50nm〜150nmでスパッタリング法により形成する低屈折率透明薄膜形成工程と、
前記低屈折率透明薄膜上に、前記透光性ガラス基板の温度を室温以上50℃以下の範囲に保持して、第2層としての酸化インジウム系のアモルファス質透明導電膜をスパッタリング法により形成した後、前記透光性ガラス基板の温度を250℃〜400℃に保持して、第3層としての酸化亜鉛系の結晶質透明導電膜による凹凸膜をスパッタリング法により形成する表面電極形成工程と
を有し、
前記第1層を構成する低屈折率透明薄膜が、インジウムとシリコンを主成分とする酸化物薄膜であり、インジウムに対するシリコンのモル比が0.2〜0.5であることを特徴とする表面電極付透明導電ガラス基板の製造方法。 - 透光性ガラス基板上に、第1層として波長550nmにおける屈折率が1.6〜1.8である低屈折率透明薄膜が膜厚50nm〜150nmで形成され、さらに第2層として酸化インジウム系のアモルファス質透明導電膜、第3層として酸化亜鉛系の結晶質透明導電膜による凹凸膜が順次形成されてなる表面電極付透明導電ガラス基板と、
光電変換半導体層と、
少なくとも光反射性金属電極からなる裏面電極と
が順次形成されてなり、
前記第1層を構成する低屈折率透明薄膜が、インジウムとシリコンを主成分とする酸化物薄膜であり、インジウムに対するシリコンのモル比が0.2〜0.5であることを特徴とする薄膜太陽電池。 - 表面電極付透明導電ガラス基板と、光電変換半導体層と、少なくとも光反射性金属電極からなる裏面電極とが順次形成されてなる薄膜太陽電池の製造方法であって、
透光性ガラス基板上に、第1層として波長550nmにおける屈折率が1.6〜1.8である低屈折率透明薄膜を膜厚50nm〜150nmでスパッタリング法により形成する低屈折率透明薄膜形成工程と、
前記低屈折率透明薄膜上に、前記透光性ガラス基板の温度を室温以上50℃以下の範囲に保持して、第2層としての酸化インジウム系のアモルファス質透明導電膜をスパッタリング法により形成した後、前記透光性ガラス基板の温度を250℃〜400℃に保持して、第3層としての酸化亜鉛系の結晶質透明導電膜による凹凸膜をスパッタリング法により形成する表面電極形成工程と
を有する表面電極付透明導電ガラス基板形成工程を含み、
前記第1層を構成する低屈折率透明薄膜が、インジウムとシリコンを主成分とする酸化物薄膜であり、インジウムに対するシリコンのモル比が0.2〜0.5であることを特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。
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