JP6108296B2

JP6108296B2 - 太陽電池

Info

Publication number: JP6108296B2
Application number: JP2011283873A
Authority: JP
Inventors: 有二菱田; 三島　孝博; 孝博三島; 森上　光章; 光章森上; 井手　大輔; 大輔井手; 仁坂田
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2031-12-26
Also published as: CN203232873U; JP2013135063A

Description

本発明は、太陽電池に関する。

従来、特許文献１に記載されているような裏面接合型の太陽電池が知られている。裏面接合型の太陽電池では、受光面に電極を設ける必要が必ずしもない。従って、裏面接合型の太陽電池では、改善された出力特性を実現し得る。

特開２０１０−８０８８７号公報

近年、太陽電池の出力特性をさらに改善したいという要望がある。

本発明の太陽電池は、光電変換部と、第１の電極と、第２の電極とを備える。第１の電極は、光電変換部の一主面の上に配されている。第１の電極は、多数キャリアを収集する。第２の電極は、光電変換部の一主面の上に配されている。第２の電極は、少数キャリアを収集する。第１の電極の面積をＳ１とし、第２の電極の面積をＳ２としたときに、０．３≦Ｓ２／Ｓ１＜１となる。

本発明によれば、改善された出力特性を有する太陽電池を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る太陽電池の略図的裏面図である。図１の線ＩＩ−ＩＩにおける略図的断面図である。本発明の一実施形態に係る太陽電池のｎ側電極の線状のフィンガー部の幅Ｗ１とｐ側電極の線状のフィンガー部の幅Ｗ２の比（Ｗ２／Ｗ１）と、太陽電池１の光電変換効率との関係を示すグラフである。本発明の一実施形態に係る太陽電池のｎ側電極の線状のフィンガー部の幅Ｗ１とｐ側電極の線状のフィンガー部の幅Ｗ２の比（Ｗ２／Ｗ１）と、太陽電池１の光電変換効率との関係を示すグラフである。本発明の一実施形態に係る太陽電池のｎ側電極の線状のフィンガー部の幅Ｗ１とｐ側電極の線状のフィンガー部の幅Ｗ２の比（Ｗ２／Ｗ１）と、太陽電池１の光電変換効率との関係を示すグラフである。本発明の一実施形態に係る太陽電池のｎ側電極の線状のフィンガー部の幅Ｗ１とｐ側電極の線状のフィンガー部の幅Ｗ２の比（Ｗ２／Ｗ１）と、太陽電池１の光電変換効率との関係を示すグラフである。本発明の一実施形態に係る太陽電池のｎ側電極の線状のフィンガー部の幅Ｗ１とｐ側電極の線状のフィンガー部の幅Ｗ２の比（Ｗ２／Ｗ１）と、太陽電池１の光電変換効率との関係を示すグラフである。本発明の一実施形態に係る太陽電池のｎ側電極の線状のフィンガー部の幅Ｗ１とｐ側電極の線状のフィンガー部の幅Ｗ２の比（Ｗ２／Ｗ１）と、太陽電池１の光電変換効率との関係を示すグラフである。

以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。

また、実施形態などにおいて参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率などが異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率などは、以下の説明を参酌して判断されるべきである。

図１及び図２に示される太陽電池１は、裏面接合型の太陽電池である。太陽電池１は、光電変換部１０を備えている。光電変換部１０は、第１及び第２の主面１０ａ、１０ｂを有する。太陽電池１は、主として第２の主面１０ｂにおいて受光する。このため、第２の主面１０ｂを受光面といい、第１の主面１０ａを裏面ということがある。

具体的には、本実施形態では、光電変換部１０は、半導体材料からなる基板１１を有する。基板１１は、一の導電型を有する。以下、基板１１がｎ型である例について説明するが、半導体材料からなる基板はｐ型であってもよい。

基板１１は、例えば、単結晶シリコン基板や多結晶シリコン基板などの結晶性シリコン基板などにより構成することができる。

基板１１は、第１及び第２の主面１１ａ、１１ｂを有する。第２の主面１１ｂの上には、実質的に真性な半導体層であるｉ型半導体層１６ｉと、ｎ型半導体層１６ｎとがこの順番で配されている。ｉ型半導体層１６ｉは、例えば、水素を含む実質的に真性なアモルファスシリコンにより構成することができる。ｎ型半導体層１６ｎは、例えば、水素を含むｎ型アモルファスシリコンにより構成することができる。ｎ型半導体層１６ｎの上には、保護層が配されていてもよい。

第１の主面１１ａの一部分の上には、ｎ型半導体層１２ｎが配されている。ｎ型半導体層１２ｎは、基板１１と同じ導電型を有する。ｎ型半導体層１２ｎは、例えば、水素を含むｎ型のアモルファスシリコンにより構成することができる。第１の主面１１ａのｎ型半導体層１２ｎが配されていない部分の少なくとも一部には、ｐ型半導体層１３ｐが配されている。ｐ型半導体層１３ｐは、基板１１と異なる導電型を有する。ｐ型半導体層１３ｐは、例えば、水素を含むｐ型のアモルファスシリコンにより構成することができる。

ｎ型半導体層１２ｎと第１の主面１１ａとの間には、実質的に発電に寄与しない程度の厚みの、実質的に真性なｉ型半導体層が配されていてもよい。ｐ型半導体層１３ｐと第１の主面１１ａとの間には、実質的に発電に寄与しない程度の厚みの、実質的に真性なｉ型半導体層が配されていてもよい。これらのｉ型半導体層は、それぞれ、例えば水素を含む実質的に真性なアモルファスシリコンにより構成することができる。

光電変換部１０の上には、ｎ側電極１４ｎ及びｐ側電極１５ｐが配されている。より具体的には、ｎ側電極１４ｎは、ｎ型半導体層１２ｎの上に配されている。ｐ側電極１５ｐは、ｐ型半導体層１３ｐの上に配されている。ｎ側電極１４ｎは、多数キャリアである電子を収集する。

ｎ側電極１４ｎ及びｐ側電極１５ｐのそれぞれは、例えば、Ａｇ、Ｃｕなどの金属やそれらの金属の少なくとも一方を含む合金などにより構成されている。ｎ側電極１４ｎ及びｐ側電極１５ｐのそれぞれは、めっき膜により構成されていてもよいし、導電性ペースト層により構成されていてもよい。

ｎ側電極１４ｎは、線状のｎ側フィンガー部１４ｎａを含む。ｐ側電極１５ｐは、線状のｐ側フィンガー部１５ｐａを含む。

本実施形態では、ｎ側電極１４ｎの面積Ｓ１と、ｐ側電極１５ｐの面積Ｓ２とは０．３≦Ｓ２／Ｓ１＜１の関係を満たす。具体的には、ｎ側フィンガー部１４ｎａの幅Ｗ１と、ｐ側フィンガー部１５ｐａの幅Ｗ２とは、０．３≦Ｗ２／Ｗ１＜１の関係を満たす。

ｎ側電極１４ｎは、ｎ側フィンガー部１４ｎａと電気的に接続されたｎ側バスバー部１４ｎｂを含む。ｐ側電極１５ｐは、ｐ側フィンガー部１５ｐａと電気的に接続されたｐ側バスバー部１５ｐｂを含む。ｎ側電極１４ｎ及びｐ側電極１５ｐは、それぞれｎ側バスバー部１４ｎｂ及びｐ側バスバー部１５ｐｂを含まなくてもよい。

高い光電変換効率を得る観点からは、少数キャリアの再結合による消失を抑制することが重要と考えられる。この観点からは、少数キャリアが少数キャリアを収集する側の電極のフィンガー部に到達するまでの距離を短くすることが好ましいと考えられる。そのためには、多数キャリアを収集する側の電極のフィンガー部の幅を、少数キャリアを収集する側の電極のフィンガー部の幅より狭くすればよいと考えられる。

ところが、本発明者が検討した結果、多数キャリアである電子を収集するｎ側電極１４ｎの線状のフィンガー部１４ｎａの幅Ｗ１と、ｐ側電極１５ｐの線状のフィンガー部１５ｐａの幅Ｗ２とが、０．３≦Ｗ２／Ｗ１＜１となる場合に、太陽電池の出力特性が改善されることを見いだした。このような場合に太陽電池の出力特性が改善される機構の詳細は定かではないが、例えば次のように考えることができる。

多数キャリアを収集する側の電極のフィンガー部の幅が、少数キャリアを収集する電極のフィンガー部の幅より広くなると、少数キャリアを収集する電極の総面積が狭くなる。このような場合、太陽電池が発電する際には、少数キャリアを収集する側の電極における電流密度が高くなる。本実施形態では、少数キャリアを収集するｐ側電極１５ｐは、ｎ型である基板１１とｐ型半導体層１３ｐとがｐｎ接合した界面の上に設けられており、ｐｎ接合の性質上、電流密度が高くなると、電圧が高くなる。このため、少数キャリアを収集するｐ側電極１５ｐのｐ側フィンガー部１５ｐａの幅が狭くなると、電圧が高くなり、結果として、太陽電池１の出力が大きくなる。このような特性は、少数キャリアの再結合による消失を低減させることが可能な光電変換効率の高い太陽電池において得られる。太陽電池１においては、一般にセル変換効率といわれる太陽電池の光電変換効率が２０％以上である場合、太陽電池１の出力特性がより改善され、光電変換効率が２１％以上である場合、太陽電池１の出力特性がさらに改善される。

一方、少数キャリアを収集する電極の面積が、多数キャリアを収集する電極の面積よりも大幅に狭くなると、太陽電池全体としての抵抗が高くなる。例えば、本実施形態において、Ｗ２／Ｗ１＜０．３となる場合、太陽電池１全体の抵抗上昇による出力抑制効果が大きくなり、出力が低下する場合がある。

ｎ側電極１４ｎとｐ側電極１５ｐの直列抵抗の和が、０．１２Ωｃｍ^２以下である場合、太陽電池の出力特性がより改善される。ｎ側電極１４ｎとｐ側電極１５ｐの直列抵抗の和が、０．０８Ωｃｍ^２以下である、太陽電池の出力特性がさらに改善される。

図３〜８は、本発明の一実施形態に係る太陽電池１のｎ側電極１４ｎの線状のフィンガー部１４ｎａの幅Ｗ１とｐ側電極１５ｐの線状のフィンガー部１５ｐａの幅Ｗ２の比（Ｗ２／Ｗ１）と、太陽電池１の光電変換効率との関係を示すグラフである。具体的には、図３は、ｐ側電極１５ｐの直列抵抗Ｒｐが０．０３７Ωｃｍ^２、ｎ側電極１４ｎの直列抵抗Ｒｎが０．０３７Ωｃｍ^２である場合（３−１）、ｐ側電極１５ｐの直列抵抗Ｒｐが０．０５Ωｃｍ^２、ｎ側電極１４ｎの直列抵抗Ｒｎが０．０２５Ωｃｍ^２である場合（３−２）、ｐ側電極１５ｐの直列抵抗Ｒｐが０．０２５Ωｃｍ^２、ｎ側電極１４ｎの直列抵抗Ｒｎが０．０５Ωｃｍ^２である場合（３−３）のそれぞれについて、Ｗ２／Ｗ１＝１における太陽電池１の光電変換効率が２２．７６％となる場合を基準としたときのグラフである。

図３〜図８に示す光電変換効率は、次の式を用いて求めた。

電流（Ｉ）＝Ｉ_０｛ｅｘｐ（ｑＶ’／ｎｋＴ）−１｝+Ｖ’Ｒｓｈ−ＩＬ
電圧（Ｖ）＝Ｖ’−ＩＲｓ

ここで、Ｉ_０は飽和電流、ｑは電気素量、Ｖ’は内部起電力、ｋはＢｏｌｔｚｍａｎｎ定数、ｎはダイオード因子、Ｒｓｈはシャント抵抗、Ｔは測定温度、ＩＬは光誘起電流、Ｒｓは直列抵抗である。

また、直列抵抗Ｒｓは、ｐ電極直列抵抗Ｒｐ、ｎ電極直列抵抗Ｒｎを用いて、次のように表せる。

Ｒｓ＝Ｒｐ／（ｐ電極面積）＋Ｒｎ／（ｎ電極面積）

ＩＬ＝４０ｍＡ／ｃｍ^２、Ｉ_０=２．７×１０^−１０Ａ/ｃｍ^２、ｎ=１．４４、Ｒｓｈ=１７ｋΩｃｍ^２とし、ｐ電極面積及びｎ電極面積を変化させたときのＩ−Ｖ特性から、それぞれの光電変換効率を求めた。

図４は、Ｒｐが０．０２Ωｃｍ^２、Ｒｎが０．０２Ωｃｍ^２である場合（４−１）、Ｒｐが０．０２５Ωｃｍ^２、Ｒｎが０．０１５Ωｃｍ^２である場合（４−２）、Ｒｐが０．０１５Ωｃｍ^２、Ｒｎが０．０２５Ωｃｍ^２である場合（４−３）のそれぞれについて、Ｗ２／Ｗ１＝１における太陽電池１の光電変換効率が２２．９２％となる場合を基準としたときのグラフである。

図５は、Ｒｐが０．０３８Ωｃｍ^２、Ｒｎが０．０３８Ωｃｍ^２である場合（５−１）、Ｒｐが０．０５Ωｃｍ^２、Ｒｎが０．０２５Ωｃｍ^２である場合（５−２）、Ｒｐが０．０２５Ωｃｍ^２、Ｒｎが０．０５Ωｃｍ^２である場合（５−３）のそれぞれについて、Ｗ２／Ｗ１＝１における太陽電池１の光電変換効率が２３．０９％となる場合を基準としたときのグラフである。なお、図５では、飽和電流はＩ_０=５．５×１０^−１１Ａ/ｃｍ^２とし、ダイオード因子はｎ=１．３３とした。

図６は、Ｒｐが０．０２２Ωｃｍ^２、Ｒｎが０．０２２Ωｃｍ^２である場合（６−１）、Ｒｐが０．０３Ωｃｍ^２、Ｒｎが０．０１５Ωｃｍ^２である場合（６−２）、Ｒｐが０．０１５Ωｃｍ^２、Ｒｎが０．０３Ωｃｍ^２である場合（６−３）のそれぞれについて、Ｗ２／Ｗ１＝１における太陽電池１の光電変換効率が２３．２４％となる場合を基準としたときのグラフである。なお、図６では、飽和電流はＩ_０=５．５×１０^−１１Ａ/ｃｍ^２とし、ダイオード因子はｎ=１．３３とした。

図７は、Ｒｐが０．０３８Ωｃｍ^２、Ｒｎが０．０３８Ωｃｍ^２である場合（７−１）、Ｒｐが０．０５Ωｃｍ^２、Ｒｎが０．０２５Ωｃｍ^２である場合（７−２）、Ｒｐが０．０２５Ωｃｍ^２、Ｒｎが０．０５Ωｃｍ^２である場合（７−３）のそれぞれについて、Ｗ２／Ｗ１＝１における太陽電池１の光電変換効率が２３．３９％となる場合を基準としたときのグラフである。なお、図７では、なお、図７では、飽和電流はＩ_０=１．１×１０^−１１Ａ/ｃｍ^２とし、ダイオード因子はｎ=１．２４とした。

図８は、Ｒｐが０．０２２Ωｃｍ^２、Ｒｎが０．０２２Ωｃｍ^２である場合（８−１）、Ｒｐが０．０３Ωｃｍ^２、Ｒｎが０．０１５Ωｃｍ^２である場合（８−２）、Ｒｐが０．０１５Ωｃｍ^２、Ｒｎが０．０３Ωｃｍ^２である場合（８−３）のそれぞれについて、Ｗ２／Ｗ１＝１における太陽電池１の光電変換効率が２３．５４％となる場合を基準としたときのグラフである。なお、図８では、飽和電流はＩ_０=１．１×１０^−１１Ａ/ｃｍ^２とし、ダイオード因子はｎ=１．２４とした。

図３〜８のいずれの場合においても、０．３≦Ｗ２／Ｗ１＜１となる場合に、太陽電池１の出力特性が改善されることが分かる。また、図３〜８に示される結果から、ｎ側電極１４ｎとｐ側電極１５ｐの直列抵抗の和が、０．１２Ωｃｍ^２以下である場合、太陽電池１の出力特性がより改善されることが分かる。

なお、図３〜８に示した光電変換効率を求める際、電流（Ｉ）及び電圧（Ｖ）を示す式において用いた飽和電流Ｉ_０及びダイオード因子ｎは次のようにして求めた。まず、図１及び図２に示す光電変換部１０を２種類作成し、それらのＩ−Ｖ特性を測定した。一方の光電変換部１０は、ｐｎ接合における欠陥が少ないものであり、もう一方の光電変換部１０はｐｎ接合における欠陥が多いものである。このとき、ｎ側電極１４ｎの線状のフィンガー部１４ｎａの幅Ｗ１とｐ側電極１５ｐの線状のフィンガー部１５ｐａの幅Ｗ２とを等しくした。

ｐｎ接合における欠陥が多い光電変換部１０のＩ−Ｖ特性に、上述の電流（Ｉ）及び電圧（Ｖ）の式をフィッティングさせた結果、Ｉ_０=２．７×１０^−１０Ａ/ｃｍ^２、ｎ=１．４４、Ｒｐ＝Ｒｎ＝０．０３８Ωｃｍ^２の値が得られた。これらの値は、図３〜５に示したグラフを求める際に使用した。

また、ｐｎ接合における欠陥が少ない光電変換部１０のＩ−Ｖ特性に、上述の電流（Ｉ）および電圧（Ｖ）の式をフィッティングさせた結果、Ｉ_０=５．５×１０^−１１Ａ/ｃｍ^２、ｎ=１．３３、Ｒｐ＝Ｒｎ＝０．０３７Ωｃｍ^２の値が得られた。これらの値は、図６〜８に示したグラフを求める際に使用した。

（変形例）
上記の実施形態では、光電変換部１０が基板１１と半導体層１２ｎ、１３ｐを有する例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。光電変換部は、ｐ型ドーパント拡散領域と、ｎ型ドーパント拡散領域とが設けられた半導体材料からなる基板を有していてもよい。

以下、本発明について、具体的な実施例に基づいて、さらに詳細に説明する。本発明は、以下の実施例に何ら限定されず、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。

本発明はここでは記載していない様々な実施形態を含む。従って、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１…太陽電池
１０…光電変換部
１０ａ…光電変換部の第１の主面
１０ｂ…光電変換部の第２の主面
１１…半導体材料からなる基板
１１ａ…基板１１の第１の主面
１１ｂ…基板１１の第２の主面
１２ｎ…ｎ型半導体層
１３ｐ…ｐ型半導体層
１４ｎ…ｎ側電極
１４ｎａ…ｎ側フィンガー部
１４ｎｂ…ｎ側バスバー部
１５ｐ…ｐ側電極
１５ｐａ…ｐ側フィンガー部
１５ｐｂ…ｐ側バスバー部
Ｗ１…ｎ側フィンガー部の幅
Ｗ２…ｐ側フィンガー部の幅

Claims

一の導電型を有する半導体材料からなる結晶性基板と、前記結晶性基板の一主面の上に配され、前記一の導電型を有する第１のアモルファス半導体層と、前記結晶性基板の前記一主面の上に配されており、他の導電型を有する第２のアモルファス半導体層とを有する光電変換部と、
前記第１のアモルファス半導体層の上に配され、前記第１のアモルファス半導体層と同じ幅に形成された多数キャリアを収集する第１の電極と、
前記第２のアモルファス半導体層の上に配され、前記第２のアモルファス半導体層と同じ幅に形成された少数キャリアを収集する第２の電極と、を備え、
前記第１の電極は、線状の第１のフィンガー部を含み、
前記第２の電極は、線状の第２のフィンガー部を含み、
前記第１のフィンガー部の幅をＷ１とし、前記第２のフィンガー部の幅をＷ２としたときに、０．３≦Ｗ２／Ｗ１＜１となる、太陽電池。