JP6277555B2

JP6277555B2 - 太陽電池

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Publication number: JP6277555B2
Application number: JP2014549800A
Authority: JP
Inventors: 広匡井上; 藤田　和範; 和範藤田; 泰子平山
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2013-11-19
Publication date: 2018-02-14
Anticipated expiration: 2033-11-19
Also published as: US20150228817A1; JPWO2014083804A1; WO2014083804A1

Description

本発明は、太陽電池に関する。

太陽電池における発電効率を高めるために、太陽電池の受光面に数μｍから数十μｍの凹凸を有するテクスチャを設ける技術が知られている。テクスチャを設けることによって、外部から受光面に入射する光の反射を低減できると共に、太陽電池内部への光閉じ込めの効果を高めることができる（特許文献１，２参照）。

特開２０１０−９３１９４号公報特開２０１１−５１５８７２号公報

アルカリ溶液を用いたシリコンの異方性エッチングにより形成されるテクスチャは、面角度が基板面に対して約５５°の四角錐である。このテクスチャの先端は他の物体が接触すると欠け易く、欠けた部分においてキャリアの再結合速度が大きくなり、発電効率が低下するおそれがある。例えば、太陽電池の製造工程においてテクスチャが形成された基板を搬送する際に搬送装置とテクスチャとが接触して先端部に欠けが生ずることがある。

本発明は、隣接する複数のテクスチャを有する太陽電池であって、複数のテクスチャは、頂点の曲率半径が隣接するテクスチャ間の谷の曲率半径より大きい第１のテクスチャを含む、太陽電池である。

本発明に係る太陽電池によれば、太陽電池の発電効率の低下を抑制することができる。

本発明の実施の形態における太陽電池の構造を示す平面図である。本発明の実施の形態における太陽電池の構造を示す断面図である。本発明の実施の形態におけるテクスチャの曲率半径を説明する図である。本発明の実施の形態におけるテクスチャの構造を示す走査電子顕微鏡の観察写真である。本発明の実施の形態におけるテクスチャの構造を示す走査電子顕微鏡の観察写真である。本発明の実施の形態におけるテクスチャの構造を説明する断面図である。

以下、本発明の実施形態を詳細に説明するが、本発明はこれに限定されない。また、実施形態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、図面に描画された構成要素の寸法比率などは、現物と異なる場合がある。具体的な寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。

本実施の形態における太陽電池は、図１及び図２に示すように、光電変換部１０２及び集電極１０４を含んで構成される。

図２は、図１のラインＡ−Ａに沿った断面図である。また、「受光面」とは光電変換部１０２の外部から光が主に入射する主面を示し、「裏面」とは受光面と反対側の主面を示す。例えば、光電変換部１０２に入射する太陽光のうち５０％超過〜１００％が受光面側から入射する。

光電変換部１０２は、ｐｎ或いはｐｉｎ接合等の半導体接合を有しており、例えば、単結晶シリコン又は多結晶シリコン等の結晶系半導体材料から構成されている。

例えば、光電変換部１０２は、ｎ型結晶系シリコンの基板１０の受光面側にｉ型非晶質シリコン層１２、ｐ型非晶質シリコン層１４及び透明導電層１６を積層し、裏面側にｉ型非晶質シリコン層１８、ｎ型非晶質シリコン層２０及び導電層２２を積層して構成することができる。このような、構成を含む太陽電池は、ヘテロ接合型太陽電池と呼ばれるものであり、結晶系シリコンとｐ型非晶質シリコン層で形成されるｐｎ接合の間に真性（ｉ型）の非晶質シリコン層を介挿することによって変換効率を飛躍的に向上させたものである。なお、裏面側の導電層２２は透明であってもよく、また、透明でなくてもよい。また、光電変換部１０２は、シリコンには限られず、半導体材料であればよい。

各層を積層する前に、基板１０の両面にテクスチャ１０ａ，１０ｂを形成しておくことが好適である。テクスチャ１０ａ，１０ｂは、表面反射を抑制して光電変換部１０２の光吸収量を増大させる表面凹凸構造である。

例えば、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）等のアルカリ水溶液を用いて基板１０の（１００）面を異方性エッチングすることにより形成できる。（１００）面を有する基板１０をアルカリ溶液に浸漬すると、（１１１）面に沿って異方性エッチングされ、基板１０の表面に略四角錐状の凸状部が多数形成される。例えば、エッチング液に含まれるアルカリ水溶液の濃度は、１．０重量％〜７．５重量％であることが好ましい。

テクスチャ１０ａ，１０ｂの形状、サイズはエッチングに用いる溶液の組成比・濃度、エッチングに掛ける時間、エッチング時の温度の条件により調整することができる。

ｉ型非晶質シリコン層１２、ｐ型非晶質シリコン層１４、ｉ型非晶質シリコン層１８及びｎ型非晶質シリコン層２０は、ＰＥＣＶＤ（ＰｌａｓｍａＥｎｈａｎｓｅｄＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、Ｃａｔ−ＣＶＤ（ＣａｔａｌｙｔｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、スパッタリング法等により形成することができる。ＰＥＣＶＤは、ＲＦプラズマＣＶＤ法、周波数の高いＶＨＦプラズマＣＶＤ法、さらにはマイクロ波プラズマＣＶＤ法などいずれの手法を用いてもよい。

ＣＶＤによるｉ型非晶質シリコン層１２，１８の成膜には、例えば、シラン（ＳｉＨ_４）を水素（Ｈ_２）で希釈した原料ガスを使用する。ｐ型非晶質シリコン層１４の場合は、シランにジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）を添加し、水素（Ｈ_２）で希釈した原料ガスを使用することができる。ｎ型非晶質シリコン層２０の場合は、シランにホスフィン（ＰＨ_３）を添加し、水素（Ｈ_２）で希釈した原料ガスを使用することができる。

例えば、基板１０の受光面側に約５ｎｍの厚みを有するｉ型非晶質シリコン層１２を形成し、さらに約５ｎｍの厚みを有するｐ型非晶質シリコン層１４を形成する。また、基板１０の裏面側に約５ｎｍの厚みを有するｉ型非晶質シリコン層１８を形成し、さらに約２０ｎｍの厚みを有するｎ型非晶質シリコン層２０を形成する。なお、各層は十分に薄いので、各層の形状は基板１０のテクスチャ１０ａ、１０ｂの形状を反映している。具体的には、ｉ型非晶質シリコン層１２、ｐ型非晶質シリコン層１４は、基板１０のテクスチャ１０ａの形状を反映している。ｉ型非晶質シリコン層１８、ｎ型非晶質シリコン層２０は、基板１０のテクスチャ１０ｂの形状を反映している。

透明導電層１６は、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化錫、酸化チタンなどの金属酸化物を少なくとも一つを含んで構成される。これらの金属酸化物に、錫、亜鉛、タングステン、アンチモン、チタン、セリウム、ガリウムなどのドーパントがドープされていてもよい。導電層２２は、透明導電層１６と同じ構成でもよく、異なる構成であってもよい。導電層２２として、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｎｉなどの反射率の高い材料から構成された金属膜またはこれらの合金から構成された金属膜を用いてもよい。また、導電層２２は、透明導電膜と金属膜の積層構造であってもよい。これにより、受光面から入射した光が金属膜で反射し、発電効率を高めることができる。透明導電層１６，導電層２２は、蒸着法、ＣＶＤ法、スパッタリング法等の成膜方法により形成することができる。

光電変換部１０２の受光面及び裏面には、発電された電力を外部に取り出すための集電極１０４が設けられる。集電極１０４は、フィンガー２４を含む。フィンガー２４は、光電変換部１０２で生成されたキャリアの収集用の電極である。フィンガー２４は、光電変換部１０２からできるだけ均等にキャリアを収集するために、例えば１００μｍ程度の幅を有する線形状とされ、２ｍｍおきに配置される。さらに、集電極１０４には、フィンガー２４を接続するバスバー２６を設けてもよい。バスバー２６は、複数のフィンガー２４で収集されたキャリアの集電用電極である。バスバー２６は、例えば１ｍｍの幅を有する線形状とされる。バスバー２６は、太陽電池１００同士を接続して太陽電池モジュールを形成するための接続部材が配置される方向に沿ってフィンガー２４と交差するように配置される。フィンガー２４及びバスバー２６の本数や面積は、太陽電池１００の面積や抵抗を考慮して適宜に設定される。なお、集電極１０４は、バスバー２６を設けない構成としてもよい。

なお、太陽電池１００の受光面側に設けられる集電極１０４の設置面積は、裏面側に設けられる集電極１０４の設置面積よりも小さくすることが好ましい。すなわち、太陽電池１００の受光面側では、入射光を遮る面積をできるだけ小さくすることによって遮光ロスを低減することができる。一方、裏面側では入射光を考慮する必要がなく、フィンガー２４、バスバー２６の代りに太陽電池１００の裏面全面を覆うように集電極を設けてもよい。

集電極１０４は、導電性ペーストを用いて形成することができる。導電性ペーストは、導電性フィラー、バインダ、溶剤等の添加剤を含有するものとすることができる。

導電性フィラーは、集電極の電気伝導性を得ることを目的に混入される。導電性フィラーには、例えば、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）等の金属粒子や、カーボンや、これらの混合物等の導電性の粒状物が用いられる。これらのうち、銀粒子を用いることがより好適である。フィラーとなる銀粒子は、サイズの異なるものを混合したり、表面に凹凸形状を設けたものを混合したりしてもよい。バインダは、熱硬化型樹脂であることが好ましい。バインダには、例えば、ポリエステル系樹脂等が適用される。また、導電性ペーストには、必要に応じてバインダに対応する硬化剤が含まれる。添加剤としては、溶剤の他に、レオロジー調整剤、可塑剤、分散剤、消泡剤等を含んでもよい。

導電性ペーストは、スクリーン印刷法により受光面及び裏面に所定のパターンで塗布することができる。スクリーン印刷法は、オフコンタクト印刷であってもよいし、オンコンタクト印刷であってもよい。光電変換部１０２の受光面及び裏面に導電性ペーストを所定のパターンに塗布し、加熱硬化処理することによって集電極１０４を形成する。最終的な加熱硬化処理を行う前により低温の加熱処理を行ってもよい。

本実施の形態では、テクスチャ１０ａ，１０ｂは、頂点の曲率半径が隣接するテクスチャ間の谷の曲率半径より大きいテクスチャを含むように形成されている。エッチング液は高温（例えば、８５℃）状態であれば、異方性エッチングの性質が大きく、低温（例えば、４０℃）状態であれば、等方性エッチングの性質が大きい。例えば、エッチング液を高温（例えば、８５℃）状態で基板１０にエッチングを行うと、基板１０に形成されるテクスチャ１０ａ、１０ｂは、頂点及び谷の両方が尖った略四角錐状の形状となる。その後、エッチング液を低温（例えば、４０℃）状態にして、基板１０に追加のエッチングを行うと、基板１０に形成されていたテクスチャ１０ａ、１０ｂの頂点が谷よりもエッチングされるため、頂点の曲率半径が隣接するテクスチャ間の谷の曲率半径より大きくすることができる。

図３は、頂点Ｐの曲率半径ｒｐが隣接するテクスチャ間の谷Ｖの曲率半径ｒｖより大きいテクスチャの断面模式図を示す。頂点Ｐの曲率半径ｒｐが谷Ｖの曲率半径ｒｖよりも大きいテクスチャの数は、テクスチャ１０ａ，１０ｂの全頂点の数の５０％以上とすることが好ましい。

なお、テクスチャ１０ａ，１０ｂの頂点Ｐの曲率半径ｒｐとは、図３に示すように、テクスチャを構成する四角錐の斜面の傾きが変化する点Ｘと頂点Ｐを含む円弧の半径をいう。また、テクスチャ１０ａ，１０ｂの谷Ｖの曲率半径ｒｖとは、図３に示すように、テクスチャを構成する四角錐の斜面の傾きが変化する点Ｘと谷Ｖを含む円弧の半径をいう。

図４及び図５は、テクスチャ１０ａの走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）による観察写真である。図４は、テクスチャ１０ａが形成された基板１０の広範囲の観察写真であり、図５は、拡大された範囲の観察写真である。なお、基板１０の裏面側にも受光面側に形成されたテクスチャ１０ａと同様の形状を有するテクスチャ１０ｂを形成することができる。

図６は、ＳＥＭ観察写真にみられる典型的なテクスチャ１０ａの断面模式図を示す。図５にも示されているように、テクスチャ１０ａの谷Ｖは、それぞれ四角錐形状を有する複数のテクスチャ１０ａの斜面同士が重なり合った線で形成されている。一方、多くのテクスチャ１０ａにおいて、その頂点Ｐは谷Ｖよりも丸みを帯びた形状を有している。すなわち、本実施の形態では、少なくとも半分のテクスチャ１０ａにおいてその頂点Ｐの曲率半径は谷Ｖの曲率半径より大きい。

テクスチャ１０ａ，１０ｂの頂点Ｐ及び谷Ｖの曲率の大小関係は、ＳＥＭ断面観察写真により測定することができる。具体的には、１０００倍程度の倍率で測定されたＳＥＭ断面観察写真において、テクスチャ１０ａ，１０ｂの互いに隣り合う頂点Ｐ及び谷Ｖの曲率を比較することにより測定する。

このように、テクスチャ１０ａ，１０ｂの頂点Ｐの曲率半径を谷Ｖの曲率半径より大きくすることによって、テクスチャ１０ａ，１０ｂの頂点Ｐに他の物体が接触したとしても曲率が大きいことによって先端に圧力が集中し難くなる。これにより、テクスチャ１０ａ，１０ｂの先端の欠けの発生を抑制することができ、欠けを要因とするキャリアの再結合も抑制することができる。また、頂点Ｐの曲率が大きいことにより、太陽電池に入射した光がテクスチャ頂点で反射してしまうことを抑制することができ、太陽電池の特性を向上させることができる。

なお、本発明の適用範囲は、本実施の形態における太陽電池に限定されるものではなく、受光面又は裏面にテクスチャを有する太陽電池であればよい。例えば、結晶型や薄膜型の太陽電池に適用することができる。

Claims

表面に複数のテクスチャを有する半導体基板を備える太陽電池であって、
前記複数のテクスチャのそれぞれは、略四角錐状の凸形状を有し、
前記複数のテクスチャは、第１テクスチャと、前記第１テクスチャと互いに隣り合う第２テクスチャとを含み、
前記第１テクスチャの頂点の曲率半径は、前記第１テクスチャと前記第２テクスチャとの間の谷部の曲率半径より大きい、太陽電池。
表面に複数のテクスチャを有する半導体基板を備える太陽電池であって、
前記複数のテクスチャのそれぞれは、凸形状を有し、
前記凸形状は、その表面に前記半導体基板の（１１１）面が露出するように形成され、
前記複数のテクスチャは、第１テクスチャと、前記第１テクスチャと互いに隣り合う第２テクスチャとを含み、
前記第１テクスチャの頂点の曲率半径は、前記第１テクスチャと前記第２テクスチャとの間の谷部の曲率半径より大きい、太陽電池。
前記第１のテクスチャは、谷から頂点に向かって傾きが小さくなるように折れ曲がる、
請求項１に記載の太陽電池。
前記表面は受光面である請求項１または２に記載の太陽電池。
前記表面は裏面である請求項１または２に記載の太陽電池。
前記表面上に形成された非晶質シリコン層と、
前記非晶質シリコン層上に形成された透明導電層と、をさらに備えた、
請求項１または２に記載の太陽電池。