JP6517475B2 - ヘテロ接合太陽電池及びヘテロ接合太陽電池の製造方法 - Google Patents
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Description
シリコンを含有する層は、シリコンを含有する半導体で形成される。具体的にはシリコンを含有する層は、例えば、単結晶又は多結晶のシリコンウエハ、アモルファスシリコン、シリコン粒子を含有する層が挙げられる。
酸化チタン粒子を含有する層は、酸化チタン粒子を単独で含む層、もしくは酸化チタン粒子と、バインダー成分や酸化チタン粒子以外の半導体もしくは絶縁体と、を含む層のことである。ここで、バインダー成分とは、一般汎用性樹脂や、界面活性剤等が挙げられる。なお、酸化チタン粒子を含有する層に含まれる酸化チタン粒子の含有量は、10質量%〜100質量%であることが好ましく、30質量%〜100質量%であることがより好ましい。同含有量が少なくとも10質量%以上であることにより、半導体層としての機能を十分に発現しやすくなる。
本実施形態の酸化チタン粒子分散液は、前記酸化チタン粒子とpH0.5〜10.0に調整した分散媒からなることが好ましい。また分散液には界面活性剤や添加剤を加えることができる。
本実施形態の太陽電池は、前記シリコンを含有する層と前記酸化チタンを含有する層と、電極と、基板とを備え、光によって発電するものである。太陽電池を構成する前記シリコンを含有する層と前記酸化チタンを含有する層との接合は、p−p接合及びn−n接合であっても良いが、好ましくはp−n接合型である。なお、この2種類の半導体層の間に異種材料を加えても良い。
本実施形態の酸化チタンを含有する層を備えた太陽電池の製造方法の一例を以下に示す。当該製造方法は、電極又はシリコン基板上に、pHが0.5〜10.0でありかつ酸化チタン粒子が分散した分散液を塗布する塗布工程と、分散液が塗布された電極又はシリコン基板を10℃以上300℃以下の温度で処理し、電極又はシリコン基板上に酸化チタン粒子を含有する層を形成する処理工程と、を備える。なお、形成された酸化チタン粒子を含有する層に対するX線回折スペクトルにおいて、回折角2θ=24〜26°に現れる回折ピークの半値幅が0.2°以上5.0°以下である。
本実施形態の塗布工程とは、電極又はシリコン基板上に、pHが0.5〜10.0でありかつ酸化チタン粒子が分散した分散液を塗布する工程、である。
本発明の処理工程(製膜工程)とは、分散液の塗布後、ホットプレートやオーブンなどの装置を用いて加熱したり(熱処理)、あるいは常温程度の温度にて所定時間放置をしたりすることで、分散液を乾燥し、酸化チタン粒子を含有する層を形成する工程、である。処理温度は、プロセス温度低下によるコスト低減の観点から、300℃以下が好ましく、250℃以下がより好ましく、200℃以下がさらに好ましく、50℃以下が極めて好ましく、30℃以下が特に好ましい。また、乾燥の効率の観点から10℃以上が好ましく、20℃以上がより好ましい。
本実施形態の太陽電池の製造方法は、例えば、電極を備える基板上に、シリコンを含有する層を形成し、シリコンを含有する層(半導体層)付き基板を得る工程と、電極を備える基板上に酸化チタン粒子を含有する層を形成し、酸化チタン粒子を含有する層(半導体層)付き基板を得る工程と、これらの基板を、半導体層同士が対向するようにして貼り合わせる工程と、を備える。前述の貼り合せた半導体層を図2に示すような治具で挟み込み、固定する。また、シリコンウエハ上に直接酸化チタン粒子分散液を塗布し、酸化チタン粒子層を形成後、ITOなどの透明電極を形成する方法が好ましい。この製法では加熱工程が不要で、低コストな製造方法となりうる。
以下、特に断りのない場合は、23℃、湿度45%の条件で評価を行った。後述する各実施例、参考例及び比較例に対する評価結果は、まとめて表1に示す。
平均粒子径は、透過型電子顕微鏡(TEM)HF−2000(株式会社日立製作所社製)を用いて測定した。具体的な測定方法として、酸化チタン分散液TKS201(アナターゼタイプ、テイカ社製、固形分33質量%)を例にとり、説明する。まず、酸化チタン分散液を2000倍まで希釈し、この希薄分散液を超音波分散させ、メッシュに浸み込ませたものを凍結乾燥させ、TEM測定用試料とした。この酸化チタンのTEM測定用試料をTEMで570000倍まで拡大し、観察した。得られた粒子画像のPixel数を算出し、そのPixel数から以下の式により各粒子を真円と換算した直径を算出した。
真円換算半径=(Pixel数/π)2
真円換算直径=真円換算半径×0.22×2
X線回折による半値幅は、CuKα線をX線源とするX線回折装置(XRD)RINT−2500(株式会社リガク社製)を用いて測定した。測定用の酸化チタン粒子を含有する層は、石英基板に素子作製時と同じ条件で基板に塗工し作製した。半値幅は、酸化チタン粒子を含有する層をX線回折測定することにより得られ、結晶型がアナターゼ型である酸化チタンの(101)面のピーク(すなわち、2θ=24〜26°(25°付近)に現れるピーク)から測定した。
コンピューター(システムハウス・サンライズ社製 太陽電池IV測定ソフト)で制御した直流電圧・電流源(6241A、ADCMT社製)、並びに簡易型ソーラーシミュレーター(三永電機製作所製 XES−40S1)を用いて光起電力特性の測定をし、I−V特性の評価を行った。光量(AM1.5G、100mW/cm2)の検定には、BS−500Si系フォトダイオード検出器(結晶Si太陽電池用、分光計器(株)社製、二次基準太陽電池)を用いた。
FF=(Vmax・Imax)/(Voc・Jsc)
光電変換効率ηは下記式より求めることができる。
η=(太陽電池の出力)/100×100
太陽電池の出力=短絡電流密度×開放電圧×FF=Vmax・Imax
シリコンを含有する層および酸化チタン粒子を含有する層の層厚は、断面TEMで測定した。測定用のこれらの半導体層は、素子作製時と同じ条件で基板に塗工し作製した。これらの層について任意に5か所の層厚を測定し、その平均を計算し、平均層厚とした。
酸化チタン粒子を含有する層の層密度は次のようにして測定した。まず酸化チタン粒子を含有する層の重量を測定した。次に、前記層の面積および膜厚を計測することで体積を算出した。そして、重量÷体積を行うことで層密度を測定した。なお、酸化チタンからなる層の層厚は前記(4)の方法で計測した。酸化チタン粒子を含有する層の成層面積は定規やノギスで計測した。
ITO付きPETフィルム(アルドリッチ社製、シート抵抗60Ω/□)に、平均粒子径6nmの酸化チタン粒子分散液(アナターゼタイプ、テイカ社製、TKS201、固形分33質量%、pH1.0)を用いて、スピンコート法により塗膜を作製した。なお、スピンコート後、120℃、10分間乾燥した後の酸化チタン粒子からなる層の厚みは1150nmであった。また、一方、厚みが500μm、抵抗率3Ωcmのp型シリコン結晶ウエハに対し、後述のフッ酸処理を行った。シリコン結晶ウエハと酸化チタン粒子からなる層をコートしたITO付きPETフィルムを貼りあわせて、積層体を作製した。貼り合わせ時に4mmφの穴をあけた35μm厚のカプトンフィルム(「カプトン」は登録商標)を挟み、穴をあけた部分だけシリコン結晶ウエハと酸化チタン含有薄膜が接するようにした。さらにPET側に2mmφの穴をあけたアルミ蒸着フィルムを貼ることで、マスクとした。この積層体を用いて太陽電池を作製した。前記太陽電池は、図2に記載の治具で固定した。
「フッ酸処理」:前記p型シリコン結晶ウエハをアセトン洗浄してウエハ表面の汚れを除いた後、5%フッ酸溶液に5分間浸漬し超純水で洗浄した。その後、メタノールで洗浄した。洗浄後、ウエハを室温、真空下で1時間乾燥した。
酸化チタン粒子分散液を平均粒子径14nmの酸化チタン粒子分散液(アナターゼタイプ、日本アエロジル社製、VP TiO2 P90、固形分20質量%、pH1.4)に変更した以外は、参考例1と同様に太陽電池を作製した。
酸化チタン粒子分散液を平均粒子径7nmの酸化チタン粒子分散液(アナターゼタイプ、石原産業社製、ST01、固形分20質量%、pH1.1)に変更した以外は、参考例1と同様に太陽電池を作製した。
平均粒子径15nmの酸化チタン粒子(AMT400、アナターゼタイプ、テイカ社製)を2メトキシエタノールに分散させ、33質量%の分散液を作製した。その分散液を1.0g分取し、そこに2メトキシエタノール1.58gを追加し、撹拌後分散液Aとした(pH5.6)。分散液Aを1日放置した後、スピンコート直前に10秒間撹拌した。一方、500μm厚み、抵抗率3Ωcmのp型シリコン結晶ウエハをアセトンで5分間超音波洗浄した。さらに5%フッ酸溶液に5分間浸漬後、超純水で洗浄した。洗浄後すぐに分散液Aをシリコンウエハに滴下しスピンコート法(2000rpm、30秒)により酸化チタン薄膜を作製した。作製温度は20℃であった。酸化チタン薄膜の厚みは1900nmであった。
平均粒子径30nmの酸化チタン粒子(AMT600、アナターゼタイプ、テイカ社製)を2メトキシエタノールに分散させ、33質量%の分散液Bを作製した。その分散液を1.0g分取し、そこに2メトキシエタノール1.58gを追加し、撹拌後分散液Bとした(pH7.6)。分散液Bを1日放置した後、スピンコート直前に10秒間撹拌した。一方、500μm厚み、抵抗率3Ωcmのp型シリコン結晶ウエハをアセトンで5分間超音波洗浄した。さらに20%フッ化アンモニウム水溶液に20分間浸漬後、超純水で洗浄した。洗浄後すぐに撹拌した分散液Bをシリコンウエハに滴下しスピンコート法(2000rpm、30秒)により酸化チタン薄膜を作製した。作製温度は20℃であった。酸化チタンの厚みは2000nmであった。
酸化チタン粒子分散液を平均粒子径15nmの酸化チタン粒子分散液(ルチルタイプ、テイカ社製、MT−150A、固形分20質量%、pH1.3)に変更した以外は、参考例1と同様に太陽電池4を作製した。
厚みが500μm、抵抗率3Ωcmの前記フッ酸処理を施したp型シリコン結晶ウエハに酸化チタンからなる層をスパッタ成膜(基板温度100℃)により作製した。酸化チタンからなる層の厚みは100nmであった。スパッタ成膜した酸化チタン層の上にITOをスパッタ成膜することで積層体を作製した。貼り合わせ時に4mmφの穴をあけた35μm厚のカプトンフィルムを挟み、貼り合せた。4mmφの穴をあけた部分だけITOと酸化チタン含有薄膜が接するようにした。さらにPET側にマスクとして2mmφの穴をあけたアルミ蒸着フィルムをはることで、マスクとした。この積層体を用いて太陽電池4を作製した。
実施例4と、参考例1〜3及び5と、比較例1〜2の太陽電池の評価結果を表1に示す。実施例4と、参考例1〜3及び5と、比較例1〜2のセル構造は概ね図1に相当する構造である。上記太陽電池のI−V特性は、太陽電池に対し1sunの光量があたるように調整し測定した。また、実施例、参考例、比較例ともにシリコン結晶ウエハ側にはインジウム及びガリウム合金ペーストを用いて、導電テープ(銀テープまたは銅テープ)とシリコン結晶ウエハを接合させた。また、ITO電極側にはITO電極に銀ペーストを用いて、導電テープを接合させた。I−V測定時の端子は導電テープからとった。
Claims (2)
- 電極又はシリコン基板上に、pHが5.0〜8.0であり、かつ平均粒子径が10nm以上20nm以下であるアナターゼ型の酸化チタン粒子が分散した分散液を塗布する塗布工程と、
前記分散液が塗布された前記電極又は前記シリコン基板を、10℃以上300℃以下の温度で処理し、前記電極又は前記シリコン基板上に前記酸化チタン粒子を含有する層を形成する処理工程と、を備え、
前記酸化チタン粒子を含有する層に対するX線回折スペクトルにおいて、回折角2θ=24〜26°に現れる回折ピークの半値幅が、0.2°以上5.0°以下である、ヘテロ接合太陽電池の製造方法。 - 前記処理工程が、前記分散液が塗布された前記電極又は前記シリコン基板を10℃以上30℃以下の温度で放置することにより実施される、請求項1に記載の製造方法。
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