JP5945886B2

JP5945886B2 - 積層基板の製造支援方法、積層基板の製造方法、故障原因特定方法、積層基板の製造支援プログラム及び積層基板

Info

Publication number: JP5945886B2
Application number: JP2012040741A
Authority: JP
Inventors: 文彦廣瀬; 繁久保田; 坂本　仁志; 仁志坂本; 田中　正明; 正明田中
Original assignee: Yamagata University NUC
Current assignee: Yamagata University NUC
Priority date: 2012-02-27
Filing date: 2012-02-27
Publication date: 2016-07-05
Anticipated expiration: 2032-02-27
Also published as: JP2013175690A

Description

本発明は、積層基板の製造支援方法、積層基板の製造方法、故障原因特定方法、積層基板の製造支援プログラム及び積層基板に関し、特に、積層基板が太陽電池である場合に適用して有用なものである。

受光面への光の入射を促進し光電変換効率を高めるために、光電変換する発電層及び反射防止膜を設けた太陽電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。太陽電池等に用いる反射防止技術には、反射率を算出することで、それを低減するように反射防止膜の多層構造の仕様（膜厚等）を決定するものがある。しかし、このような反射防止技術では、太陽電池の性能上、最も重要な発電能力を直接的に評価していないため、発電層における発電性能の十分な向上ができないことがある。

また、太陽電池は、通常、厚さがミリメートルオーダーの基板の上に作成されるが、基板以外の構造（太陽電池及び反射防止膜の各層）はナノメートルオーダーの膜厚を有する薄膜であり、基板に比べて非常に薄い。このため、従来の方法では、基板と基板以外の両者を同時に扱った電磁波の解析が困難であった。

さらに、従来の反射防止膜の設計法は、太陽電池及び反射防止膜を製造する際の、膜厚・屈折率等に関する誤差（製造誤差）の影響を考慮せずに、設計時の状態において最も性能の良い最適解を探すものであった。製造誤差の無い場合には性能が最適解に比べて若干劣っても、製造誤差に対する性能低下レベルが小さい（ロバストである）準最適解が必要な場合が実際には多いが、従来の手法では、製造誤差を考慮することができなかった。

なお、このような問題は、太陽電池にのみ生じるものではなく、光を吸収する特定層（太陽電池における発電層）及び反射防止膜を含む積層基板（太陽電池）において、特定層で吸収される光吸収量（太陽電池における発電量）を直接的に評価する場合においても同様に存在する。

特開平７−２３５６８４号公報

本発明は、上記従来技術に鑑み、光を吸収する光吸収層及び反射防止膜（第１積層及び第２積層）を含む積層基板において光吸収層における光吸収量を直接的に評価し、当該光吸収量が最適又は準最適となるような積層基板の膜厚及び材料を得ることができる積層基板の製造支援方法及び積層基板の製造支援プログラムを提供することを目的とする。

また、積層基板の製造支援方法により得られた膜厚及び材料を用いて、光吸収量が最適又は準最適となるような積層基板の製造方法を提供することを目的とする。ならびに、積層基板の製造支援方法により得られた膜厚及び材料を用いて、積層基板を製造する過程での故障原因を特定する故障原因特定方法を提供することを目的とする。

さらに、光吸収量が最適又は準最適となるような膜厚及び材料からなる積層基板を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の第１の態様は、基板と、複数の材料からなる第１積層及び第２積層と、光を吸収する光吸収層とを備え、前記第１積層は前記基板の一方面に設けられ、前記第２積層は前記基板の他方面に設けられ、前記光吸収層は前記第２積層上に設けられた積層基板の製造支援方法であって、前記第１積層及び前記第２積層に用いる材料、並びに前記材料について光の波長に依存する屈折率及び消衰係数を用いて、前記第１積層側から光が入射した際の前記第１積層及び前記第２積層の反射率及び透過率をマトリクス法により求め、前記基板の膜厚から当該基板の内部透過率を計算し、前記第１積層及び前記第２積層の反射率及び透過率並びに前記内部透過率から、前記第１積層側に入射した光が前記光吸収層に吸収される光吸収量を波長ごとに計算し、該光吸収量を積分して総光吸収量を求め、前記総光吸収量が最大となる前記第１積層及び前記第２積層の材料及び膜厚を求めることを特徴とする積層基板の製造支援方法にある。

かかる第１の態様では、光吸収層における光吸収量を十分に向上することができる積層基板の構成を得ることができる。積層基板の一例として太陽電池を含むものであれば、性能上、最も重要な発電電流量を直接的に評価した上で、発電層における発電電流量を十分に向上することができる積層基板の構成を得ることができる。また、厚さがミリメートルオーダーのガラス基板を含む積層基板について、ガラス基板とそれ以外（第１積層、第２積層及び太陽電池）の両者を同時に扱った光の解析が可能となる。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する積層基板の製造支援方法において、前記総光吸収量が最大となる前記第１積層及び前記第２積層の膜厚を求める方法は、前記第１積層及び前記第２積層の各膜厚に初期値として任意の数値を与え、準ニュートン法を用いて前記第１積層及び前記第２積層の膜厚の最適値を求め、当該最適値を求める工程を複数回実行することで、複数の最適値からなる準最適値リストを求めることを特徴とする積層基板の製造支援方法にある。

かかる第２の態様では、複数のランダムな初期値から複数の最適値からなる準最適値リストを求めることができる。

本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様に記載する積層基板の製造支援方法において、前記第１積層又は前記第２積層について得られた膜厚の最適値と、当該膜厚に対応する総光吸収量との対応を表示すると共に、当該膜厚を一定値で変動させたときの総光吸収量の変動を表示することを特徴とする積層基板の製造支援方法にある。

かかる第３の態様では、製造誤差に対する性能低下レベルが小さい（ロバストである）準最適解をも出力することができる。

本発明の第４の態様は、第１〜第３の何れか一つの態様に記載する積層基板の製造支援方法を用いて、前記第１積層及び前記第２積層に用いる材料及び膜厚を決定し、当該材料及び膜厚の積層基板を製造することを特徴とする積層基板の製造方法にある。

かかる第４の態様では、この製造方法により得られた積層基板は、選択した材料の中で光吸収量が最適となる。

本発明の第５の態様は、第２又は第３の態様に記載する積層基板の製造支援方法を用いて、前記積層基板を製造する過程での故障原因を特定する故障原因特定方法にある。

かかる第５の態様では、太陽電池用の前記積層基板を製造する過程において、それを用いて製造された太陽電池の発電性能が設計より低下してしまう故障の要因解析に効を奏する。つまり、太陽電池製造を目的とした第１積層及び第２積層に用いられる材料の薄膜形成工程において、各積層の各膜厚を評価し、その結果と本発明の第３又は第４の態様からなる方法で得られた準最適解のリストとを照らし合わせ、どの積層での膜厚変動が性能低下により大きく影響しているかを把握することができ、もっとも影響の大きい層から膜厚変動を抑える努力をすることにおいて、効率的に太陽電池の性能低下故障の解消を図ることができる。

本発明の第６の態様は、第４の態様に記載する積層基板の製造方法において、前記基板としてガラス基板を用い、前記ガラス基板の一方面上に、９４〜１１４ｎｍのアルミナ、０〜１６ｎｍのＺｎＳ、及び８２〜１０２ｎｍのＭｇＦ_２を順次積層した前記第１積層を形成し、前記ガラス基板の他方面上に、１３４〜１５４ｎｍのＭｇＦ_２、１２５〜１４５ｎｍのアルミナ及び２５〜４５ｎｍのＭｇＦ_２を順次積層した前記第２積層を形成し、前記第２積層上に、透明導電膜と太陽電池を設けることを特徴とする積層基板の製造方法にある。

かかる第６の態様では、製造支援方法により得られた材料と膜厚を用いて、最適な光吸収量を有する積層基板が得られる。

本発明の第７の態様は、第４の態様に記載する積層基板の製造方法において、前記基板としてガラス基板を用い、前記ガラス基板の一方面上に、屈折率１．０〜１．１の材料を膜厚２〜２２ｎｍで形成した層、屈折率１．１５〜１．３５の材料を膜厚７２〜９２ｎｍで形成した層、及び屈折率１．０〜１．８の材料を膜厚２０４〜２２４ｎｍで形成した層を順次積層した前記第１積層を形成し、前記ガラス基板の他方面上に、屈折率２．０９〜２．２９の材料を膜厚１０８〜１２８ｎｍで形成した層、及び屈折率１．０１〜１．１の材料を膜厚２０〜３０ｎｍで形成した層を順次積層した前記第２積層を形成し、前記第２積層上に、透明導電膜と太陽電池を設けることを特徴とする積層基板の製造方法にある。

かかる第７の態様では、製造支援方法により得られた屈折率と膜厚を用いて、最適な光吸収量を有する積層基板が得られる。

本発明の第８の態様は、基板の一方面に複数の材料からなる第１積層、当該基板の他方面に複数の材料からなる第２積層を設けた積層基板であって、前記基板は、ガラス基板であり、前記第１積層は、前記ガラス基板の一方面上に、９４〜１１４ｎｍのアルミナ、０〜１６ｎｍのＺｎＳ、及び８２〜１０２ｎｍのＭｇＦ２を順次積層したものであり、前記第２積層は、前記ガラス基板の他方面上に、１３４〜１５４ｎｍのＭｇＦ２、１２５〜１４５ｎｍのアルミナ及び２５〜４５ｎｍのＭｇＦ２を順次積層したものであり、前記第２積層上に、透明導電膜と太陽電池が設けられていることを特徴とする積層基板にある。

かかる第８の態様では、最適な光吸収量を有する積層基板が得られる。

本発明の第９の態様は、基板の一方面に複数の材料からなる第１積層、当該基板の他方面に複数の材料からなる第２積層を設けた積層基板であって、前記基板は、ガラス基板であり、前記第１積層は、前記ガラス基板の一方面上に、屈折率１．０〜１．１の材料を膜厚２〜２２ｎｍで形成した層、屈折率１．１５〜１．３５の材料を膜厚７２〜９２ｎｍで形成した層、及び屈折率１．０〜１．８の材料を膜厚２０４〜２２４ｎｍで形成した層を順次積層したものであり、前記第２積層は、前記ガラス基板の他方面上に、屈折率２．０９〜２．２９の材料を膜厚１０８〜１２８ｎｍで形成した層、及び屈折率１．０１〜１．１の材料を膜厚２０〜３０ｎｍで形成した層を順次積層したものであり、前記第２積層上に、透明導電耐膜と太陽電池が設けられていることを特徴とする積層基板にある。

かかる第９の態様では、最適な光吸収量を有する積層基板が得られる。

本発明の第１０の態様は、第１〜第３の何れか一つの態様に記載する積層基板の製造支援方法をコンピュータに実行させるための積層基板の製造支援プログラムにある。

かかる第１０の態様では、コンピュータを用いて、光吸収層における光吸収量を十分に向上することができる積層基板の構成を得ることができる。

本発明によれば、光を吸収する光吸収層及び反射防止膜（第１積層及び第２積層）を含む積層基板において当該光吸収層における光吸収量を直接的に評価し、当該光吸収量が最適又は準最適となるような積層基板の膜厚及び材料を得ることができる積層基板の製造支援方法及び積層基板の製造支援プログラムが提供される。

また、積層基板の製造支援方法により得られた膜厚及び材料を用いて、光吸収量が最適又は準最適となるような積層基板の製造方法が提供される。ならびに、積層基板の製造支援方法により得られた膜厚及び材料を用いて、積層基板を製造する過程での故障原因を特定する故障原因特定方法が提供される。

さらに、光吸収量が最適又は準最適となるような膜厚及び材料からなる積層基板が提供される。

積層基板の概略構成を示す図である。本実施形態に係る積層基板の製造支援方法のフロー図である。積層基板の各層の透過率、反射率を示す図である。

本発明の実施形態に係る積層基板の製造支援方法について説明する。ここでは、積層基板に含まれる光吸収層として太陽電池を用いる。本発明の製造支援方法は、この太陽電池における光吸収量が最大となるような積層基板の構成を得るためのものである。しかし、光吸収量を最大にするということは、太陽電池の発電電流を最大にすると同じことである。よって、太陽電池における発電電流を最大とするような積層基板の構成を得るための場合について説明する。

図１（ａ）〜（ｃ）のそれぞれは、積層基板の概略構成を示す図である。図１を用いて、本製造支援方法の対象となる積層基板の構成を説明する。

図１（ａ）に示すように、積層基板１は、ガラス基板の一方面（同図の上側）に設けられた第１積層、ガラス基板の他方面（同図の下側）に設けられた第２積層、第２積層上に設けられた太陽電池からなる光吸収層を備えている。

ガラス基板は、請求項に記載する基板の一例であり、例えば、平行平板状に形成されている。ただし、基板としては、ガラス基板に限定されず、光が透過するものであればよく、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド、ポリカーボネート（ＰＣ）、ＣＯＰ（シクロオレフィンポリマー）等のプラスチック基板であってもよい。また、ガラス基板は、平行平板状である必要はなく、一方面と他方面とが対向している形状であればよい。

第１積層及び第２積層は、太陽電池の反射防止層として機能するものである。第１積層及び第２積層ともに、複数の材料からなる薄膜が積層されたものである。第１積層は、ガラス基板の一方面上に設けられ、太陽光などの光が入射する側となる。第２積層は、ガラス基板の他方面上に設けられている。第２積層には、第１積層、ガラス基板を透過した光が到達し、第２積層を透過した光は太陽電池に到達する。

第１積層及び第２積層を構成する材料に特に限定はないが、本実施形態では、次のような材料から構成されている。

第１積層は、ガラス基板側からＡｌ_２Ｏ_３、ＺｎＳ、ＭｇＦ_２の３層を積層したものである。第２積層は、ガラス基板側からＭｇＦ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＦ_２を積層したものである。これらの材料は、詳細は後述するが、第１積層及び第２積層に適用可能な材料群の中から本発明の積層基板の製造支援方法により最適・準最適な材料として選択されたものである。もちろん、第１積層及び第２積層の層の数は３層に限定されず、任意の選択できるものである。

また、第１積層及び第２積層を構成する各層の膜厚としては、図１（ａ）に示す厚さであるが、これらの膜厚についても、後述する積層基板の製造支援方法により最適・準最適な膜厚として選択されたものである。

太陽電池は、太陽光等を受光し、その受光した光のエネルギーを電力に変換する光電変換素子である。太陽電池の形態としては特に限定はなく、例えば、シリコン薄膜を用いたもの、結晶シリコン、多結晶シリコン、微結晶シリコンを用いたもの、III−Ｖ族系、ＣｄＴｅ系、ＣｌＧＳ系の無機化合物を用いたもの、導電性ポリマーやフラーレン等の有機化合物を用いたもの、および有機色素を用いたもの（色素増感型）等、様々なタイプの太陽電池が挙げられる。ここでは、その一例として、有機化合物を用いた有機薄膜太陽電池を用いている。

具体的には、有機半導体からなる発電層として、Ｐ３ＨＴ（ポリ−３−ヘキシルチオフェン）とフェニル−Ｃ６１−酪酸メチルとを混合させた混合物を用いている。なお、発電層は請求項の光吸収層に相当する。

この発電層の一方面（図中の上側）には、ＭｏＯ_３（酸化モリブデン）からなる層が設けられ、さらに、このＭｏＯ_３からなる層上に透明電極であるＩＴＯ層が設けられている。また、発電層の下方面（図中の下側）には、電極としてのＡｌ層が設けられている。

このような太陽電池は、第２積層側に設けられており、第１積層、ガラス基板及び第２積層を透過した光が太陽電池に到達する。

図１（ｂ）に示す積層基板２は、第１積層及び第２積層が材料ではなく屈折率（ｎ）で特定されている点が積層基板１と異なる。例えば、第１積層は、ガラス基板から順に、屈折率が１．０５である材料からなる層、屈折率が１．２５である材料からなる層、屈折率が１．０５である材料からなる層が積層されたものである。

第１積層及び第２積層を構成する材料の屈折率は、後述する積層基板の製造支援方法により得られたものである。

また、図１（ｃ）に示す積層基板３は、第１積層が材料により特定され、第２積層が屈折率により特定されている点が積層基板１及び積層基板２と異なる。積層基板３についても、第１積層及び第２積層を構成する材料及びその屈折率は、後述する積層基板の製造支援方法により得られたものである。

ここで、図２〜図３を用いて、上述した積層基板１〜３の第１積層及び第２積層の各材料や膜厚を得る積層基板の製造支援方法をコンピュータに実行させるプログラム（積層基板の製造支援プログラム）について説明する。なお、特に図示しないが、コンピュータとは、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスク等の記憶手段を備え、キーボードや記憶媒体読み取り装置などの入力装置と、ディスプレイ、プリンタ等の出力装置が接続された一般的な情報処理装置である。プログラムは、後述する積層基板の製造支援方法をコンピュータに実行させるためのものである。

まず、予め、第１積層及び第２積層として利用可能な材料や、その材料について光の波長に依存する屈折率及び消衰係数をデータベースとしてコンピュータに記憶させておく。つまり、各種波長に応じて定まる屈折率及び消衰係数を材料ごとに情報としてコンピュータに記憶させておく。材料に特に限定はないが、第１積層及び第２積層として利用可能なもの、すなわち反射防止膜として機能しうる材料であればよい。

次に、種々の初期情報をコンピュータに入力する。例えば、太陽電池の構成、第１積層及び第２積層の仕様、誤差の評価方法に関するパラメータを入力させる。なお、上述したデータベースに無い材料や波長ごとの屈折率及び消衰係数を入力させてもよい。プログラムは、コンピュータの入力装置を介してユーザが入力した種々の初期情報を得て、記憶装置に記憶する。

例えば、図１（ｃ）に示したような構成の積層基板３については、表１に示すような情報が入力される。

入力を終えたら、第１積層及び第２積層の各層に用いる材料の組み合わせを選択する（ステップＳ１）。例えば、第１積層及び第２積層はガラス基板側からＺｎＳ、ＭｇＦ_２、Ａｌ_２Ｏ_３の順からなる材料の組み合わせを選択する。

次に、第１積層及び第２積層の各層の膜厚の初期値をランダムに決定する（ステップＳ２）。

次に、準ニュートン法を用いて、発電電流を極大とする第１積層及び第２積層の各層の膜厚の局所的な最適解を算出する（ステップＳ３）。この局所的な最適解の算出は探索終了条件を満足するまで行う（ステップＳ４）。探索終了条件としては、ユーザが予め入力した指定回数に探索回数が達した場合を挙げることができる。他にも、現在までに行った探索の回数（ｋ）と、実際に見つかった互いに異なる局所最適解の個数（ＮＬ）の関数として、局所最適解全体の個数の推定値（ＮＥ）を定義する（ＮＥ＝ｆ（ＮＬ、ｋ））。そして、ＮＬ／ＮＥ＞ａｌｐｈａとなったときに探索終了としてもよい。なおａｌｐｈａはユーザが予め入力した値である。

探索終了条件を満足したら（ステップＳ４；Ｙｅｓ）得られた局所最適解の中から発電電流の大きなｎ個（ｎは予め入力した値である）を準最適解リストとして記憶しておく（ステップＳ５）。このようなステップＳ２〜Ｓ５を全ての材料の組合せが終わるまで実行する。

ここで、準ニュートン法を用いた局所最適解の探索に必要となる、発電電流の計算について詳細に説明する。図３に示すように、発電電流の計算においては、積層基板を（ａ）第１積層、（ｂ）ガラス基板、（ｃ）第２積層及び太陽電池（発電層）の３つに分割する。そして、（ａ）及び（ｃ）については、マトリクス法を適用することで、（ａ）及び（ｃ）の反射率及び透過率を計算する。

具体的には、プログラムに、ステップＳ１で定めた第１積層及び第２積層の各層の材料に対応する屈折率及び消衰係数をデータベースから検索させ、これらの屈折率、消衰係数、及びステップＳ２で定めた第１積層及び第２積層の各層の膜厚の初期値を元に、マトリクス法により（ａ）及び（ｂ）の反射率及び透過率を計算させる。

外部から第１積層に向けて入射される入射光が第１積層を透過する透過率をＴａ、第１積層で反射する反射率をＲａとする。ガラス基板から第１積層に向けて入射する入射光が第１積層を透過する透過率をＴｂ、第１積層で反射する反射率をＲｂとする。ガラス基板から第２積層に向けて入射される入射光が第２積層を透過する透過率をＴｃ、第２積層で反射する反射率をＲｃとする。上述したマトリクス法により、このＲａ，Ｔａ，Ｒｂ，Ｔｂ，Ｒｃ，Ｔｃが算出される。

また、第２積層を透過する光が発電層において吸収される割合を計算する。具体的には、発電層に用いられる材料やその膜厚によりマトリクス法を用いて計算する。この割合をΨ（ポテンシャルトランスミッタンス）とする。さらに、ガラス基板の内部透過率Ｔｐを算出する。この内部透過率Ｔｐは、ガラス基板の膜厚から計算する。

積層基板においては、入射した光は、ガラス基板の表面、裏面（第１積層、第２積層との境界面）において多重反射する。このような多重反射を考慮して、発電層で吸収されるエネルギー量を算出する。発電層の吸収エネルギーＡ（光吸収量）は、次式により得られる。

このような吸収エネルギーＡは、入射する光の波長を変えて波長ごとに計算する。そして、波長毎の光吸収量を積分することで、総吸収エネルギー（総光吸収量）を算出する。この総吸収エネルギーと、表１に示した光電変換効率とを用いて、光子数に換算することにより、太陽電池で発生する発電電流を得ることができる。

ここで、一般に、マトリクス法は、ミリメートルオーダーの膜厚を有するガラス基板には直接適用することができない。つまり、ミリメートルオーダーのガラス基板を含む積層基板全体は、マトリクス法を適用できないため、発電電流を算出することが困難である。

しかしながら、本発明においては、上述したように、発電電流の算出に際しては、第１積層、第２積層、太陽電池に関してはマトリクス法を使用して光の反射率、透過率、ポテンシャルトランスミッタンスを算出し、ガラス基板に関しては膜厚から内部透過率を算出した。このように、従来のマトリクス法を直接適用したのでは光吸収量を算出できない積層基板についても、本発明においては、積層基板の構成を考慮してマトリクス法を適用し、発電電流を得ることが可能となった。

このようにして、ランダムな膜厚の初期値から始めて、準ニュートン法により発電電流が極大となるような第１積層及び第２積層の膜厚（局所最適解）を求めることが可能となった。１つの局所最適解が求まったら、別のランダムな膜厚の初期値を与えて、局所最適解を得る（図２；ステップＳ２〜Ｓ４の繰り返し）。このようにして得られた局所最適解は、準最適解リストとして記憶しておく（図２；ステップＳ５）。準最適解リストとは、発電電流の高いｎ個の局所最適解（第１積層及び第２積層の膜厚）の集合である。

準最適解リストを得られた後、全ての材料の組み合わせが終了したかを判断する（ステップＳ６）。先に述べた例では、第１積層及び第２積層に適用可能な材料としてＺｎＳ、ＭｇＦ_２、Ａｌ_２Ｏ_３を指定した（表１参照）。そして、第１積層及び第２積層にはガラス基板側からＺｎＳ、ＭｇＦ_２、Ａｌ_２Ｏ_３の順からなる材料の組み合わせを選択した。したがって、それら以外の組み合わせについては、上述したステップＳ２〜Ｓ５の処理を行っていない。

そこで、第１積層及び第２積層に適用する材料の組み合わせを変更し（ステップＳ７）、上述したステップＳ２〜Ｓ５の処理を行うことで、準最適解リストを更新する。そして、表１に示した入力値のうち、第１積層及び第２積層に適用可能な材料の全ての組み合わせについて、発電電力を算出し、準最適解リストを更新する。

このように、全ての材料の組み合わせについて全数探索を行い、各材料の組み合わせについて、膜厚及び屈折率の最適化を行った結果が準最適解リストとして得られる。そして、準最適解リストの中から発電電流量が最も高いものが最適解となる。このようなアルゴリズムをＭｕｌｔｉｓｔａｒｔと称する。すなわち、Ｍｕｌｔｉｓｔａｒｔとは、ランダムに選んだ多数の膜厚の初期値から準ニュートン法による局所的最適解の探索を繰り返し、得られた多数の局所的最適解（準最適解リスト）の中で最も良い解を最適解とするアルゴリズムである。このアルゴリズムによれば、大域的な最適解（又はそれに近い解）を高速に求めることができる。

次のステップでは、準最適解リストの各局所最適解を、発電電流量の高い順に並び替えて、発電電流が大きいＫ個（Ｋは予め入力した値である）について、膜厚・屈折率の誤差による発電電流量の低下を計算する（ステップＳ８）。具体的には、表１に示した膜厚誤差を考慮する各層について、膜厚及び屈折率を膜厚誤差の大きさだけ変動させ、発電電流を計算する。この発電電流の計算は上述した方法（ステップＳ３）により行う。

例えば、第１積層及び第２積層がそれぞれ１層（ａ層、ｂ層とする）であり、ａ層、ｂ層の膜厚誤差が１０ｎｍとした場合、次の４つのケースについて発電電流量を計算する。
（１）ａ層の膜厚を１０ｎｍ増加、ｂ層の膜厚を１０ｎｍ増加させた場合
（２）ａ層の膜厚を１０ｎｍ増加、ｂ層の膜厚を１０ｎｍ減少させた場合
（３）ａ層の膜厚を１０ｎｍ減少、ｂ層の膜厚を１０ｎｍ増加させた場合
（４）ａ層の膜厚を１０ｎｍ減少、ｂ層の膜厚を１０ｎｍ減少させた場合

これらの各ケースについての発電電流量を平均化したものと、誤差がない場合の発電電流量との差異を、膜厚誤差による発電電流量の低下と推定する。あるいは、発電電流量の低下量は、上記の各ケースについての発電電流量と、誤差が無い場合の発電電流の差の二乗平均の平方根をとってもよい。このように、あらかじめ指定された範囲内の様々な膜厚・屈折率の誤差を考慮した発電電流量と、誤差が無い場合の発電電流量との差を用いて、平均化等の統計的操作を行うことで、製造誤差が発電電流量に及ぼす影響を評価する。

そして、準最適解リストの内、製造誤差がある場合の影響を計算したＫ個の内容を、計算結果として出力する（ステップＳ９）。この出力例を表２に示す。

表２に示すように、発電電流の高い順に５つ（ｎ＝５）の局所最適解が出力されている。発電電流量としては、絶対値ではなく、第１積層、第２積層が無い構造（ガラス基板の太陽電池のみの構造）における発電電流量との相対比である。

製造時の誤差を考慮しない場合（誤差無し）においては、最も発電電流量が高いものとしては＋７．５％のＮｏ．１の構成が例示される。すなわち、Ｎｏ．１が最適解として得られることになる。

一方、製造時の誤差を考慮した場合（誤差有り）においては、最も発電電流量が高いものとしては、＋６．５％のＮｏ．２の構成が例示される。つまり、製造時に膜厚が１０ｎｍの誤差（表１参照）が生じうることを考慮したとき、Ｎｏ．２では、＋６．５％の発電電流量の増加が見込めることが分かる。一方、Ｎｏ．１は、誤差無しでは最適であるものの、誤差を考慮したら、＋５．８％の発電電流量の増加となり、Ｎｏ．２よりも少ないことが分かる。

以上に説明した本発明の積層基板の製造支援方法及びプログラムによれば、太陽電池の性能上、最も重要な発電電流量を直接的に評価しているため、発電層における発電性能を十分に向上することができる積層基板の構成を得ることができる。

また、厚さがミリメートルオーダーのガラス基板を含む積層基板について、ガラス基板とそれ以外（第１積層、第２積層及び太陽電池）の両者を同時に扱った光の解析が可能となる。

さらに、本発明の積層基板の製造支援方法及びプログラムによれば、設計性能が最も良い最適解を出力するのみならず、膜厚や屈折率の製造誤差に対する性能低下レベルが小さい（ロバストである）準最適解をも出力することができる。これにより、製造誤差を考慮した上での最適な発電電流量を発揮できる積層基板の構成（第１積層及び第２積層の材料、膜厚及び屈折率）を得ることができる。

また、準最適解リストの表示としては、第１積層及び第２積層の材料を表示するのではなく、屈折率を表示するようにしてもよい。これにより、そのような屈折率を有する材料を任意に選ぶことが可能となる。

さらに、本発明の積層基板の製造支援方法及びプログラムは、上述した太陽電池を含む積層基板にのみ適用可能なものではない。基板の両面に第１積層及び第２積層が設けられ、第１積層、基板及び第２積層を透過した光が第２積層側に設けられた光吸収層により吸収されるもの一般に適用可能である。

ここで、本発明の積層基板の製造方法は、上述した積層基板の製造支援方法により得られた材料及び膜厚で積層基板を製造することを特徴とする。具体的な製造方法は、ガラス基板に各種材料からなる薄膜を成膜する公知の方法により行うことができる。この製造方法により得られた積層基板は、選択した材料の中で発電電流量（光吸収量）が最適（誤差無し又は誤差有り）となる。

さらに、本発明の故障原因特定方法は、上述した積層基板の製造支援方法を用いて、積層基板を製造する過程での故障原因を特定することを特徴とする。たとえば、太陽電池用の積層基板を製造する過程において、それを用いて製造された太陽電池の発電性能が設計より低下してしまう故障の要因解析に効を奏する。つまり、太陽電池製造を目的とした第１積層及び第２積層に用いられる材料の薄膜形成工程において、各積層の各膜厚を評価し、その結果と、本発明に係る製造支援方法で得られた準最適解のリストとを照らし合わせ、どの積層での膜厚変動が性能低下により大きく影響しているかを把握することができ、もっとも影響の大きい層から膜厚変動を抑える努力をすることにおいて、効率的に太陽電池の性能低下故障の解消を図ることができる。

ここで、図１に示した積層基板１のうち、製造支援方法により得られた材料と膜厚を次のようにした積層基板が最適な発電電流量を有するものであった。

すなわち、第１積層は、ガラス基板の一方面上に、９４〜１１４ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３、０〜１６ｎｍのＺｎＳ、及び８２〜１０２ｎｍのＭｇＦ_２を順次積層したものである。第２積層は、ガラス基板の他方面上に、１３４〜１５４ｎｍのＭｇＦ_２、１２５〜１４５ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３、２５〜４５ｎｍのＭｇＦ_２を順次積層したものである。なお、第１層のＺｎＳは、０ｎｍすなわち無くても最適な発電電流量を有するものであった。

なお、これらの第１積層及び第２積層に用いる材料は、一例として、Ａｌ_２Ｏ_３，Ｆｅ_３Ｏ_４，ＧｅＯ_２，Ｃｕ_２Ｏ，ＴｉＯ_２，ＭｎＯ_３，ＳｉＯ_２，ＳｎＯ_２，ＺｎＯ，ＨｆＯｘ，Ｓｉ，ＳｉＧｅ，ＳｉＣ，ａ−Ｓｉ，ＡｌＧａＡｓ，ＧａＡｓ，ＧａＰ，Ｇｅ，ＩｎＧａＡｓ，ＣｄＨｇ，Ｐｂ_４，ＩＴＯ，ＴｉＮ，ＺｎＳｅ，ＳｉＮ，Ｐｄ，Ｚｎ，Ｍｏからなる材料群から選択されたものである。

さらに、図１に示した積層基板２のうち、製造支援方法により得られた屈折率と膜厚を次のようにした積層基板が最適な発電電流量を有するものであった。

すなわち、第１積層は、ガラス基板の一方面上に、屈折率１．０〜１．１の材料を膜厚２〜２２ｎｍで形成した層、屈折率１．１５〜１．３５の材料を膜厚７２〜９２ｎｍで形成した層、及び屈折率１．０〜１．８の材料を膜厚２０４〜２２４ｎｍで形成した層を順次積層したものである。第２積層は、ガラス基板の他方面上に、屈折率２．０９〜２．２９の材料を膜厚１０８〜１２８ｎｍで形成した層、屈折率１．０１〜１．１の材料を膜厚２０〜３０ｎｍで形成した層を順次積層したものである。

本発明は、基板の両面に第１積層及び第２積層を設け、第２積層側に光吸収層を設けた積層基板の設計、製造等を行う産業分野で利用することができる。

１、２、３積層基板

Claims

基板と、複数の材料からなる第１積層及び第２積層と、光を吸収する光吸収層とを備え、前記第１積層は前記基板の一方面に設けられ、前記第２積層は前記基板の他方面に設けられ、前記光吸収層は前記第２積層上に設けられた積層基板の製造支援方法であって、
前記第１積層及び前記第２積層に用いる材料、並びに前記材料について光の波長に依存する屈折率及び消衰係数を用いて、前記第１積層側から光が入射した際の前記第１積層及び前記第２積層の反射率及び透過率をマトリクス法により求め、
前記基板の膜厚から当該基板の内部透過率を計算し、
前記第１積層及び前記第２積層の反射率及び透過率並びに前記内部透過率から、前記第１積層側に入射した光が前記光吸収層に吸収される光吸収量を波長ごとに計算し、該光吸収量を積分して総光吸収量を求め、
前記総光吸収量が最大となる前記第１積層及び前記第２積層の材料及び膜厚を求める
ことを特徴とする積層基板の製造支援方法。
請求項１に記載する積層基板の製造支援方法において、
前記総光吸収量が最大となる前記第１積層及び前記第２積層の膜厚を求める方法は、
前記第１積層及び前記第２積層の各膜厚に初期値として任意の数値を与え、準ニュートン法を用いて前記第１積層及び前記第２積層の膜厚の最適値を求め、
当該最適値を求める工程を複数回実行することで、複数の最適値からなる準最適値リストを求める
ことを特徴とする積層基板の製造支援方法。
請求項１又は請求項２に記載する積層基板の製造支援方法において、
前記第１積層又は前記第２積層について得られた膜厚の最適値と、当該膜厚に対応する総光吸収量との対応を表示すると共に、当該膜厚を一定値で変動させたときの総光吸収量の変動を表示する
ことを特徴とする積層基板の製造支援方法。
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載する積層基板の製造支援方法を用いて、前記第１積層及び前記第２積層に用いる材料及び膜厚を決定し、
当該材料及び膜厚の積層基板を製造する
ことを特徴とする積層基板の製造方法。
請求項２又は請求項３に記載する積層基板の製造支援方法を用いて、前記積層基板を製造する過程での故障原因を特定する故障原因特定方法。
請求項４に記載する積層基板の製造方法において、
前記基板としてガラス基板を用い、
前記ガラス基板の一方面上に、９４〜１１４ｎｍのアルミナ、０〜１６ｎｍのＺｎＳ、及び８２〜１０２ｎｍのＭｇＦ_２を順次積層した前記第１積層を形成し、
前記ガラス基板の他方面上に、１３４〜１５４ｎｍのＭｇＦ_２、１２５〜１４５ｎｍのアルミナ及び２５〜４５ｎｍのＭｇＦ_２を順次積層した前記第２積層を形成し、
前記第２積層上に、透明導電膜と太陽電池を設ける
ことを特徴とする積層基板の製造方法。
請求項４に記載する積層基板の製造方法において、
前記基板としてガラス基板を用い、
前記ガラス基板の一方面上に、屈折率１．０〜１．１の材料を膜厚２〜２２ｎｍで形成した層、屈折率１．１５〜１．３５の材料を膜厚７２〜９２ｎｍで形成した層、及び屈折率１．０〜１．８の材料を膜厚２０４〜２２４ｎｍで形成した層を順次積層した前記第１積層を形成し、
前記ガラス基板の他方面上に、屈折率２．０９〜２．２９の材料を膜厚１０８〜１２８ｎｍで形成した層、及び屈折率１．０１〜１．１の材料を膜厚２０〜３０ｎｍで形成した層を順次積層した前記第２積層を形成し、
前記第２積層上に、透明導電膜と太陽電池を設ける
ことを特徴とする積層基板の製造方法。
基板の一方面に複数の材料からなる第１積層、当該基板の他方面に複数の材料からなる第２積層を設けた積層基板であって、
前記基板は、ガラス基板であり、
前記第１積層は、前記ガラス基板の一方面上に、９４〜１１４ｎｍのアルミナ、０〜１６ｎｍのＺｎＳ、及び８２〜１０２ｎｍのＭｇＦ_２を順次積層したものであり、
前記第２積層は、前記ガラス基板の他方面上に、１３４〜１５４ｎｍのＭｇＦ_２、１２５〜１４５ｎｍのアルミナ及び２５〜４５ｎｍのＭｇＦ_２を順次積層したものであり、
前記第２積層上に、透明導電膜と太陽電池が設けられている
ことを特徴とする積層基板。
基板の一方面に複数の材料からなる第１積層、当該基板の他方面に複数の材料からなる第２積層を設けた積層基板であって、
前記基板は、ガラス基板であり、
前記第１積層は、前記ガラス基板の一方面上に、屈折率１．０〜１．１の材料を膜厚２〜２２ｎｍで形成した層、屈折率１．１５〜１．３５の材料を膜厚７２〜９２ｎｍで形成した層、及び屈折率１．０〜１．８の材料を膜厚２０４〜２２４ｎｍで形成した層を順次
積層したものであり、
前記第２積層は、前記ガラス基板の他方面上に、屈折率２．０９〜２．２９の材料を膜厚１０８〜１２８ｎｍで形成した層、及び屈折率１．０１〜１．１の材料を膜厚２０〜３０ｎｍで形成した層を順次積層したものであり、
前記第２積層上に、透明導電膜と太陽電池が設けられている
ことを特徴とする積層基板。
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載する積層基板の製造支援方法をコンピュータに実行させるための積層基板の製造支援プログラム。