JP6415942B2 - 薄膜太陽電池用三次元微細構造パターン基板と薄膜太陽電池 - Google Patents
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Description
図1から図4は、本発明の薄膜太陽電池用の三次元微細構造パターン基板の概要を示した図である。
B=(1/2〜1/5)D0
B≦A
であることが好ましく考慮される。なお、ここで、当然にも、
B>0
である。
パターン形成部の材質は、絶縁体でも、導電体でも可能である。絶縁体の場合は、電極膜を表面に形成することになる。
パターン形成方法としては、電子ビーム(EB)リソグラフィー、フォトリソグラフィー等のリソグラフィーと、エッチング(反応性イオンエッチング(RIE)等のドライエッチング、又は、ウェットなケミカルエッチング)による方法が可能である。ミクロサイズの粒子等を基板表面に細密状等に配列した膜をエッチングの際のマスクとすることも可能である。上記エッチングによる方法で基板(石英、シリコン等)等の表面にパターンを形成したものをモールド(型)として使用し、UV硬化樹脂又は熱硬化樹脂、ゾルゲルSiOx、又はゾルゲルZnO等の基板表面への塗布膜へパターン形状を転写するインプリント法による作製も可能である。上記エッチングによる方法で作製したパターン形状を、電鋳でNi等の金属へ転写したもの、poly(dimethyl)siloxane(PDMS)等の樹脂へ転写したものをモールド(型)として使用するインプリント法による作製も可能である。
本発明は、以上のような三次元微細構造パターン基板を用い、これをその構成の一部としているアモルファスシリコン太陽電池をも提供するものであるが、上記の本発明のパターン基板を用いることにより、例えば、「レンズ状窪み単体の配列パターン」よりも、また、「三角錐状凸部単体の配列パターン」よりも、パターンの表面積が増大するため、表面に形成する光吸収層の厚みを一定にした場合には光吸収層の体積が増大する。また、「レンズ状窪みの配列パターン」による、レンズ径程度の波長の光の(散乱による)閉じ込め効果と、「三角錐状凸部の配列パターン」による、凸部ピッチ程度(レンズ径の1/2程度)の波長の光の(散乱による)閉じ込め効果が組み合わされる。反射率の低減と内部での光散乱による光路長の増大による光閉じ込め効果により、“電気的に薄い”薄膜太陽電池を、“光学的には厚く”する効果が増大する。ナノサイズテクスチャーが形成される電極膜の三次元微細構造パターン表面への形成は、上記光閉じ込め効果をさらに増強させる。
基板表面パターンのピッチ、すなわち、隣接する円形レンズ状窪みの平面中心間の距離が約2μmで、三角錐状凸部の高さと円形レンズ状窪みの深さの和、すなわち、前記のA+Bが約800nmである、薄膜太陽電池用三次元微細構造パターン基板を、PDMS樹脂をモールドとして使用してガラス基板上へ塗布した液相hydrogen silsesquioxane(HSQ)膜へパターン転写を行う液相室温インプリント技術(参考文献3; Y. Kang et al., Jpn. J. Appl. Phys. 49 (2010) 06GL13.)により作製した。
p層 p型μc-Si:H,p型a−SiC:H,(iバッファー a−SiC:H)
i層 i a−Si:H
n層 (iシード μc−Si:H),n型 μc−SiO:H
の構成としてPECVD法により形成した。
実施例1と同様の基板表面パターンのピッチが約2μmで、三角錐状凸部の高さと円形レンズ状窪みの深さの和が約800nmである、薄膜太陽電池用三次元微細構造パターン基板を、PDMS樹脂をモールドとして使用してガラス基板上へ塗布した液相hydrogen silsesquioxane(HSQ)膜へパターン転写を行う液相室温インプリント技術により、作製した。パターン基板の表面に、透明電極として、RFスパッタ−法にてAlドープZnO膜を形成した上に、有機金属気相成長(MOCVD)法によりBドープZnO膜を形成した。作製したパターン基板を使用し、アモルファスシリコン層を、
p層 p型μc-Si:H,p型a−SiC:H,(iバッファー a−SiC:H)
i層 i a−Si:H
n層(iシード μc−Si:H),n型 μc−SiO:H
の構成として形成した。そして、さらに裏面反射層・電極としてBドープZnO膜(約1.5μm)を形成した上にAg膜を形成して、p−i−nスーパーストレート型アモルファスシリコンシングル接合薄膜太陽電池を作製した。基板表面パターンに起因する、有効面積中の実効的な太陽電池(表)面積の増大ならびに光閉じ込め効果により、薄膜太陽電池を“光学的に厚く”する効果が得られ、短絡電流密度が改善され、16.4mA/cm2の高い値が得られた結果、10.6%の高い初期エネルギー変換効率が得られた。なお、I−V測定には、電極よりやや小さいマスクを使用した。
実施例1と同様の基板表面パターンのピッチが約2μmで、三角錐状凸部の高さと円形レンズ状窪みの深さの和が約800nmである、薄膜太陽電池用三次元微細構造パターン基板を、PDMS樹脂をモールドとして使用してガラス基板上へ塗布した液相hydrogen silsesquioxane(HSQ)膜へパターン転写を行う液相室温インプリント技術により、作製した。パターン基板の表面に、透明電極として、RFスパッタ−法にてAlドープZnO膜を形成した上に、有機金属気相成長(MOCVD)法によりBドープZnO膜を形成した。作製したパターン基板を使用し、アモルファスシリコン層を、
p層 p型μc-Si:H,p型a−SiC:H,(iバッファー a−SiC:H)
i層 i a−Si:H
n層(iシード μc−Si:H),n型 μc−SiO:H
の構成として形成した。そして、さらに裏面反射層・電極としてBドープZnO膜(約250nm)、Ag膜、BドープZnO膜(約2μm)の積層膜を形成して、p−i−nスーパーストレート型アモルファスシリコンシングル接合薄膜太陽電池を作製した。基板表面パターンに起因する、有効面積中の実効的な太陽電池(表)面積の増大ならびに光閉じ込め効果により、薄膜太陽電池を“光学的に厚く”する効果が得られ、短絡電流密度が改善され、16.4mA/cm2の高い値が得られた結果、10.7%の高い初期エネルギー変換効率が得られた。同様に、I−V測定には、電極よりやや小さいマスクを使用した。
2・・円形レンズ状窪み
21・・平面円形
22・・重なり位置
23・・底部
24・・曲面
3・・隔壁部
Claims (6)
-
平面パターンとして、円形レンズ状窪みが、その平面円形の直径より短いピッチで、隣接する二つの円形レンズ状窪みの平面円形が一部重なり、隣接する三つの円形レンズ状窪みの平面円形が同時に重なる部分がないように三方配列されており、 立体形状として、前記一部重なりが部分的に除去されて隔壁部となり、三つの円形レンズ状窪みの平面円形に囲まれた部分が、円形レンズ状窪みの底部から続いた曲面で三角錐状凸部となっており、
前記平面円形の直径をD 0 とし、円形レンズ状窪みの底部から前記隔壁部の最小の深さをBとし、前記隔壁部の最小の深さから前記三角錐状凸部の頂部までの高さをAとすると、
B=(1/2〜1/5)D 0 、および、
B≦A(ただし、B>0)
の関係を満たし、D 0 は、1μm〜4μmである、
ことを特徴とする薄膜太陽電池用の三次元微細構造パターン基板。 - 前記曲面は、位置が高くなるほど勾配が大きくなることを特徴とする請求項1に記載の薄膜太陽電池用の三次元微細構造パターン基板。
- 前記基板は、表面に配設された電極膜を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の薄膜太陽電池用の三次元微細構造パターン基板。
- 透明基板または不透明基板に前記三次元微細構造パターンが形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の薄膜太陽電池用の三次元微細構造パターン基板。
- 前記透明基板は、ガラス、石英および樹脂からなる群から選択される材料からなり、
前記透明基板の表面に透明導電膜を有する、請求項4に記載の薄膜太陽電池用の三次元微細構造パターン基板。 - 請求項1から5のうちのいずれか一項に記載の三次元微細構造パターン基板をその構成の一部として含むことを特徴とする薄膜太陽電池。
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