JP6864642B2 - 太陽電池、多接合型太陽電池、太陽電池モジュール及び太陽光発電システム - Google Patents

太陽電池、多接合型太陽電池、太陽電池モジュール及び太陽光発電システム Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、太陽電池、多接合型太陽電池、太陽電池モジュール及び太陽光発
電システムに関する。
従来の太陽電池では、絶縁物を透明導電膜に配置することで、コンタクト領域を減らし
、光電変換層／透明導電膜間での界面再結合を抑制して、高効率化を図っている。しかし
ながら、絶縁物（パッシベーション層）の材質によっては光電変換層と反応し、意図しな
い物質が形成され、導電性材料の場合はリーク源になる可能性もあり、絶縁性材料の場合
でもバンドオフセットの不具合や界面欠陥増大を引き起こす恐れがある。加えて、光電変
換層自体の膜質を低下させる要因にもなりうる。
また、絶縁物だけを透明導電膜上に存在させると、絶縁物/光電変換層、透明導電膜の
界面で意図しない導電性、またはバンドオフセットのずれた絶縁性の化合物を作り、太陽
電池として良好な特性を示さなく機能しなくなる可能性がある。また、光電変換層/透明
導電膜のコンタクトを劣化させる場合がある。
米国特許出願公開第２０１５/００８３２１２号公報 特開２００５−２３９５２６号公報
本発明が解決しようとする課題は、変換効率を改善した太陽電池、多接合型太陽電池、
太陽電池モジュール及び太陽光発電システムを提供することである。
実施形態の太陽電池は、第１電極と、第２電極と、第１電極と第２電極の間に設けられる光電変換層と、第１電極の第２電極に対向する面に配置される複数の絶縁物を備え、複数の絶縁物のうちの任意の隣り合う２つは、空隙をはさんで配置され、空隙は光電変換層と接する。
第１の実施形態に係る太陽電池の断面概念図。 空隙率測定の概略を示す断面図。 空隙率測定の概略を示す拡大断面図。 第１の実施形態に係る太陽電池の製造方法を示すフローチャート。 第２の実施形態に係る多接合太陽電池の断面概念図。 第３の実施形態に係る太陽電池モジュールの斜視概念図。 第３の実施形態に係る太陽電池モジュールの断面概念図。 第４の実施形態に係る太陽光電池システムの構成概念図。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施の形態を通して共
通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は実施の
形態の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置
と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術とを参酌して、適宜設計変更す
ることができる。
（第１実施形態）
第１実施形態は、光透過性を有する太陽電池に関する。図１は、第１実施形態に係る太陽電池１００の断面概念図を示す。図１に示すように、本実施形態に係る太陽電池１００は、基板１と、基板１の上に第１電極２と、光透過性の第２電極５と、第１電極２と第２電極５の間に光電変換層３を備える。第１電極２の第２電極５に対向する面に複数の絶縁物６が配置される。複数の前記絶縁物のうちの任意の隣り合う２つは、空隙７をはさんで配置されている。絶縁物６と空隙７は総称して絶縁体と称する場合がある。
第１電極２と光電変換層３との間や、光電変換層３と第２電極５との間には、図示しな
い中間層が含まれていても良い。太陽光は第２電極５の上側から入射するのがより好まし
いが、第１電極２の下側から入射しても良い。
一般に絶縁物６は光電変換層３と反応して意図しない物質の形成される場合があるが、
本実施形態のように、絶縁物６の間の少なくとも一部に空隙７が存在することで、光電変
換層３と絶縁物６とのコンタクトする面積を減らすことができる。加えて、空隙７も絶縁
体であることから、絶縁体の量を減らさずに絶縁物６の量を少なくすることができるため
、光電変換層３と絶縁物６が反応することにより、意図しない物質の形成を抑制すること
もできる。そのため、リーク源やバンドオフセットの不具合、界面欠陥増大を抑制するこ
とができる。さらに、光電変換層３と空隙７の屈折率の差が大きいため、光電変換層３の
内部での光の吸収の増大が起こり、効率を向上させることができる。
さらに光電変換層３の膜質が良い場合、電極界面で基板１や第１電極２と光電変換層３の材料の熱膨張係数の違いなどに起因する歪みが存在する場合、歪を緩和させることができる空隙7が存在することが望ましい。これより、光電変換層３と第１電極２間の歪を緩和させることができる。
第１の実施形態に係る太陽電池を構成する部材について説明する。
（基板）
第１の実施形態に係る基板１としては、白板ガラスを用いることが望ましく、ソーダラ
イムガラス、石英、化学強化ガラスなどガラス全般、ステンレス、Ｔｉ（チタン）又はＣ
ｒ（クロム）等の金属板あるいはポリイミド、アクリル等の樹脂を用いることもできる。
（第１電極）
第１電極２は、基板１と光電変換層３の間に存在し、基板１と光電変換層３と直接接し
ている。第１電極２は積層膜が好ましく、光電変換層３と接する側の第１層としてＳｎを
主成分とする酸化物透明導電膜を設け、基板１と接する側の第２層としてＳｎを主成分と
する酸化物透明導電膜よりも低抵抗な、透明導電膜を設けることが好ましい。積層膜が好
ましい理由は、第１の層であるＳｎを主成分とする酸化物透明導電膜の抵抗率が、第2の
層と比較して高いため、第１の層単独の場合で用いると、抵抗成分による発電損失が大き
いためである。
第１層としては、ＳｎＯ２など、Ｓｎを主成分とする酸化物が好ましく、添加物はＺｎ
、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｎｂ、Ｆ、Ｔａなど特に限定され
ない。
第２層としては、例えば、酸化インジウムスズ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：ＩＴＯ）、アルミニウムドープ酸化亜鉛（Ａｌ−ｄｏｐｅｄ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ：ＡＺＯ）、ボロンドープ酸化亜鉛（Ｂｏｒｏｎ−ｄｏｐｅｄ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ：ＢＺＯ）、ガリウムドープ酸化亜鉛(Ｇａｌｌｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ：ＧＺＯ)、インジウムドープ酸化亜鉛(Ｉｎｄｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ：ＩＺＯ)、チタンドープ酸化インジウム（Ｔｉｔａｎｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ Ｉｎｄｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ：ＩＴｉＯ）や酸化インジウムガリウム亜鉛（ＩｎｄｉｕｍＧａｌｌｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ：ＩＧＺＯ）、水素ドープ酸化インジウム（Ｈｙｄｒｏｇｅｎｄｏｐｅｄ Ｉｎｄｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ：ＩＯＨ）などを用いることができ、特に限定されない。透明導電膜は、積層膜であってもよく、上記酸化物の他に酸化スズなどの膜が積層膜に含まれていてもよい。また、金属膜と透明導電膜を積層したものを用いることもできる。透明導電膜については先述したとおりだが、金属膜としては、Ｍｏ、ＡｕやＷの膜など特に限定されない。また、第１電極２は、透明導電膜上にドット状、ライン状もしくはメッシュ状の金属を設けた電極でもよい。このとき、ドット状、ライン状もしくはメッシュ状の金属は、透明導電膜と光電変換層３の間に配置される。ドット状、ライン状もしくはメッシュ状の金属は、透明導電膜に対して開口率が５０％以上であることが好ましい。ドット状、ライン状もしくはメッシュ状の金属は、Ｍｏ、ＡｕやＷなど特に限定されない。
（絶縁物領域）
第１の実施形態において絶縁物領域４には、第１電極２の第２電極５に対向する面に存
在する複数の絶縁物６、および複数の絶縁物６の間の一部に空隙７を備える。絶縁物６を
第１電極２と光電変換層３との境界面上に存在させるとき、均等に配置させることが好ま
しい。このように配置させることで、電極界面での熱膨張係数の違いによる太陽電池の歪
を緩和させやすくできる。
絶縁物６は光電変換層３と反応しないものが望ましい。そのため、Mg、Al、Si、Ca、Sc
、Ti、Ga、Ge、Sn、Sb、Hf、Ta、ランタニドのうち少なくとも１種と、N、O、Sのうち少
なくとも１種を含むことが好ましい。特にＳｉＯ２やＳｉＯＮ、ＳｉＮｘ、ＡｌＮｘなど
の窒化物を用いることが好ましい。これは光電変換層３に含まれるＣｕ２Ｏと反応しにく
く、太陽電池の動作を阻害しないためである。
また、絶縁物６として、酸化しやすい金属も用いることができる。酸化しやすい金属は
後の製造工程で酸化し、絶縁物６となることができるためである。
絶縁物６の形状は問わず、例えば絶縁物６を第１電極２側から見たとき、円でも筒型で
も四角でも構わない。また、太陽電池１００を第２電極５から第１電極２の方向へ切断し
た断面から観察した場合、絶縁物６は三角形や台形、直方体など、様々な形状をとること
ができる。さらに、第１電極２から第２電極５の方向へ向かう面と、第１電極２と絶縁物
６とが接する面の成す角は、鋭角でも構わない。
絶縁物６が持つ面のうち、光の入る方向を向いた面が多いほど、光電変換層３への光導
入量を増加させることができ、さらに後述する多接合型太陽電池の場合、ボトムセル方向
へ光を透過させることができるため、より好ましい。
絶縁物６の太陽電池の面積に対する存在率は、１％以上９５％以下が好ましい。これは
、絶縁物６が１％以上存在することで、太陽電池に空隙７を設けることができ、太陽電池
の効率を向上させることができるからである。また、９５％より絶縁物６の存在率が多い
と、絶縁物６の間をすべて空隙７が埋めてしまう場合が多くなる。絶縁物６の間を空隙７
ですべて埋められた部分については、光電変換層３と第１電極２とのコンタクトが生じな
くなり、太陽電池の性能が低下することが考えられる。そのため、絶縁物６の太陽電池の
面積に対する存在率は９５％以下が好ましい。
ここで、絶縁物６の製膜方法について説明する。絶縁物６の製膜には、絶縁物６をリソ
グラフィーや塗布で第１電極２の上に形成する。その際、光電変換層３と第１電極２の間
のコンタクトを確保するため、適度に分散して絶縁物６が存在させることが望ましい。こ
れは、仮に一部のセルが絶縁体で覆われている場合、直列構造を作製した際に太陽電池特
性が０になる恐れがある。
絶縁物６の存在率は次のように測定することができる。
太陽電池の一部をくりぬき、第２電極５の方からエッチングや直接研磨し、光電変換層
３まで削り出す。削り出す際、オーバーエッチングや過剰研磨に注意し、完全に第１電極
２が目視で確認できる部分に対しては観察しない。削り出した面に対して、二次イオン質
量分析法（Secondary Ion Mass Spectrometry：ＳＩＭＳ）によるイメージングを行い、
観察視野は２０μｍ×２０μｍで、絶縁物６と第１電極２の特定を行う。
こうして得た画像に対して、絶縁物６の有無で二値化処理を行い、絶縁物６と絶縁物６
が存在しない部分の面積を求め、絶縁物６の存在率を算出する。算出式は次のとおりであ
る。
絶縁物６の存在率＝（［絶縁物６が存在する領域の面積］／［（絶縁物６が存在する領
域の面積）＋（絶縁物６が存在しない領域の面積）］）この処理を、２０箇所行う。
後述する多接合型太陽電池２００の場合は、多接合型太陽電池２００に対してトップセル１００とボトムセル２０１をトップセル１００が傷つかないよう剥がし、トップセル１００のみにしてから上述した絶縁物６の存在率の測定を行う。
（光電変換層）
第１の実施形態において光電変換層３は、ｎ型の化合物半導体層とｐ型の化合物半導体
層とをヘテロ接合又はホモ接合した層である。ｐ型の化合物半導体層は第１電極２とｎ型
の化合物半導体層と直接接している。サブストレート型の場合、第２電極５の上から透過
する光によってｎ型とｐ型の化合物半導体層界面から第２電極５に電子を供給する。スー
パーストレート型の場合は第１電極２の方向から光が入り、第１電極２に電子を供給する
。ｐ型の化合物半導体層はＣｕ２Ｏを含むことが好ましい。これはバンドギャップが約２
．１ｅＶと大きいため、後述する多接合型太陽電池においてトップセルとし、Ｓｉなどの
ナローバンドギャップな光電変換層３を有する太陽電池をボトムセルとしたときに、本実
施形態に係る太陽電池１００はボトムセル側での発電に寄与する波長の透過性が高いため
、ボトムセルでの発電量を高くすることができるからである。
また、光電変換層３にはバンドギャップを調整する目的で添加元素を加えても良く、添
加元素はＡｇ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃｓ、ＲｂなどのＩＡ族または１価の元素から選ばれる
ことが好ましいが、特に限定されない。
光電変換層３の厚さは、走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）による断面観察や、段差計によって求めることができ、１００ｎｍ以上２００，０００ｎｍ以下が好ましい。これは、光電変換層３としてバンドギャップ以上の光を十分吸収でき、ボトムセル向けに長波長光を透過しやすい厚さであるためである。膜質が良い場合は膜厚を厚くすることもできるが、膜厚が厚いと光電変換層３内部での再結合が増える。そのため、適宜最適な膜厚を調整する。
第１電極２と光電変換層３の界面は、正孔に対してオーミックコンタクトであることが
好ましい。光電変換層３と第１電極２の間に、Ｃｕに加えて、Ｓｎ、Ｓｂのうち少なくと
も一方の元素を含む酸化物領域が存在するのが好ましい。さらに、光電変換層３の内部に
おいて、ＳｎとＳｂの濃度は、第１電極２から１，０００ｎｍ以内の領域のみで１０１６
／ｃｍ３以上の領域が存在することが好ましい。
ｎ型の化合物半導体層は、ｐ型の化合物半導体層と第２電極５との間に存在し、それぞ
れと直接接している。ｎ型の化合物半導体層としては、第１電極２を製膜する際、特性劣
化が生じにくいものが好ましい。例えば、酸化物層や硫化物層、窒化物などが挙げられる
。より具体的には、ｎ型に用いる酸化物層は、Ｚｎ１−ｘＡｘＯｙ（Ａ＝Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓ
ｎ）、Ｃｕ２−ｘＭｘＯｙ（Ｍ＝Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｓｒ、Ｂａ）、Ａｌ２−ｘＧ
ａｘＯ３ーｙからなる群から選ばれる層が好ましい。ｎ型に用いる硫化物層は、ＺｎｘＩ
ｎ２−２ｘＳ３−２ｘーｙ、ＺｎＳｙ、ＩｎｘＧａ１−ｘＳｙ（例えば、ＩｎＳやＩｎ２
Ｓ３）、Ｉｎ‐Ｇａ‐Ｚｎ‐Ｏからなる群から選ばれる１種以上の硫化物からなる層が好
ましい。
ここで、光電変換層３の製膜方法を説明する。
光電変換層３の製膜方法はスパッタリング法などのプロセス等が挙げられ、絶縁物６を
有する第１電極２上に空隙７を有しつつ製膜可能な方法であれば限定されないが、温度条
件、雰囲気に留意する必要がある。結晶成長を促進させるために高温で製膜すると、還元
雰囲気になるので酸素流量を増やす必要がある。低温で製膜すると、酸化雰囲気になるた
め酸素流量を減らす必要がある。低温にしすぎると光電変換層３を作製するために必要な
酸素量がとても少なくなるため、より高性能な真空装置が必要になり製膜が難しくなると
考えられる。また、不純物の割合が増えることで太陽電池の特性は劣化する。特に不純物
がｐｎ界面に存在する場合は顕著に特性劣化が見られる。
このため、高温で製膜することが望ましい。ただし、過度に高温（例えば６００℃より
高温）にすると、基板１によっては大きく変形し、その後の製膜が困難となる場合がある
ため、注意が必要である。ただし、この温度は測定環境により異なり、目安でしかない。
光電変換層３の製膜について、Ｃｕ２Ｏを含む光電変換層３を例に具体的に説明する。
第１電極２のついた基板１を４００℃以上５５０℃以下に加熱し、Ａｒ気流中でＣｕを
スパッタする。その際に酸素を導入することで、スパッタされたＣｕがＯと反応し第１電
極２の上にＣｕ２Ｏを形成する。
まず、第１電極２の上に絶縁物６を製膜する。このとき、絶縁物６はスプレー法又はフ
ォトリソグラフィーで形成、若しくは一度絶縁物６を第１電極２の上に一様に製膜し、一
様な絶縁物６に対してレーザー（もしくはメカニカル）スクライブ又はレーザーアブレー
ションで任意の形状の複数の絶縁物６にパターニングする。
次に前述した第１電極２の上に絶縁物６を配置したものをスパッタ装置へ導入し、真空
引きを行う。この後加熱を行う。加熱温度は４００℃以上６００以下が望ましい。高品質
なｐ型層を製膜するためには、５００℃が好ましい。４００℃未満といった低温だと、ｐ
型層の膜質が低下するため好ましくない。
この後ｐ型層の製膜を開始する。スパッタ装置にＡｒ流量に対して、Ｏ２を適量導入し
、Ｃｕをスパッタする。スパッタ時の酸素流量は少ないとＣｕが未反応のまま残り、多い
と反応が進み過ぎ、ＣｕＯが生じるため注意する必要がある。ＣｕターゲットにＲＦ電源
を用い、２分程シャッターを閉めた状態でプレスパッタを行い、表面吸着物等を除去する
。シャッターを開けて５０分スパッタを行う。このようにするとｐ型層の膜厚を２μｍ程
度にすることができる。スパッタ終了後はＡｒとＯ２導入を止めて徐冷する。
ｎ型層を製膜する方法は、室温で行う以外、ｐ型層の製膜で用いた方法と同様である。
ｎ型層は例えば、Ｚｎ‐Ｇｅ‐Ｏを用いる場合、スパッタ装置にＡｒ流量に対して、Ｏ２
を適量導入する。Ｚｎ源とＧｅ源にかける出力比を変化させることでＺｎ／Ｇｅ比率を変
えることができ、適切なバンドオフセットを調整することが可能である。このとき、ｎ型
層の膜厚が厚すぎると、ｎ型層内部での再結合により効率低下が生じるため、好ましくな
い。
ｎ型層を製膜する際、ｐ型層へのダメージを抑えるために、スパッタリングなら低温、
低出力で製膜を行うことが望ましい。
他の手法では、ＣＢＤ（Chemical Bath Deposition）、ＣＶＤ（Chemical Vapor Depo
sition）、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）、塗布法などが挙げられる。
（空隙）
第１の実施形態に係る空隙７は、絶縁物領域４に存在する絶縁物６の間の少なくとも一
部に存在する。空隙７は先述した光電変換層３の製膜とともに形成される。空隙７の形状
を観察するには、例えば、絶縁物領域４を第２電極５側から日本電子製のＪＥＭ-ＡＲＭ
２００Ｆを用い、加速電圧を２００ｋＶにして５万倍のＴＥＭ明視野像にて観察する。
空隙７はＴＥＭのエネルギー分散型Ｘ線分光法（Energy Dispersive X-ray Spectrosco
py：ＥＤＸ）を用い分析した際、主要構成元素の検出値が５０％以下の領域を空隙７とす
ることで、ＴＥＭ明視野像の観察と合わせて、観察することもできる。
空隙７は絶縁物６の間の少なくとも一部に存在するが、空隙７は必ずしも絶縁物６に接
している必要は無い。例えば、第１電極２に空隙７は接しているが絶縁物６と空隙７の間
に光電変換層３が存在するもの、第１電極２、絶縁物６のいずれにも接していないもの、
絶縁物６には接しているが、第１電極２には接していないもの、絶縁物６間に存在するが
、第１電極２には接していないもの、などが存在する。また、空隙７が絶縁物６の一部を
覆って存在している場合もある。
空隙７の形状に依らず、空隙７が存在することで、光電変換層３と第１電極２のコンタクトを減らすことができ、さらに光電変換層３での光の吸収が増加するため好ましい。これは、先述したとおり、絶縁物６と光電変換層３の意図しない反応生成物による太陽電池の性能の低下を抑制することができることに加え、空隙７が存在することで屈折率の低い領域が導入されるため、光電変換層３の内部に反射させることができ、光電変換層３で十分に吸収されない光の発電のロスを低減させることができるからである。そのため、例えば、2つの太陽電池があり、その両方の絶縁体の量が同じだった場合、１つの太陽電池には空隙７が存在し、もう一方には空隙７が存在しない場合の効率を比較すると、前者の太陽電池の方が効率は向上する。さらに例えば、２つの太陽電池において、１つの太陽電池における空隙７と、もう一方の太陽電池の絶縁物６が同じ量存在し、かつ後者には空隙７が存在しない場合と比較すると、前者の空隙７が存在する太陽電池の方が効率は向上する。
また、太陽電池が、例えば光電変換層３と第１電極２のコンタクト抵抗が１Ωｃｍ２以
下で動作するなら、第１電極２の抵抗が１０−３Ωｃｍ２の材料であれば、コンタクトの
面積は１／１０００でも動作する。そのため、空隙７により光電変換層３と第１電極２の
絶縁領域が増えたとしても、コンタクト抵抗が低ければ太陽電池の性能を大幅に低下させ
るには至らない。
絶縁物６の間に存在する空隙７の大きさは、絶縁物６の存在率に影響される。そのため
、絶縁物６の存在率が高いほど後述する空隙率は高くなる。空隙率が高いほど先述した光
電変換層３での光の吸収を高めることができるが、第１電極２の上をすべて絶縁物６と空
隙７で覆うと、先述した通り光電変換層３と第１電極２が完全に接しない状態となり、発
電できない。また、光電変換層３中の拡散長よりも絶縁された領域が大きくなる場合があ
る。このとき、絶縁物６の間の中央付近で発電した電子、又は正孔が第１電極２に移動で
きず、失活する場合があるため、好ましくない。そのため、空隙率は１％以上９９％以下
であることが好ましい。この範囲にあることで、第１電極２と光電変換層３のコンタクト
を保ちつつ、光電変換層３での光の吸収を高めることができるからである。また、より好
ましくは８％以上８０％以下である。この範囲にあることで、絶縁物６を減らしつつ、よ
り一層光電変換層３で十分に吸収されない光の発電のロスを低減させることができ、光電
変換層３の内部に反射させることができるからである。
また、空隙７が存在すると本実施形態に係る太陽電池において、基板１、第１電極２と
光電変換層３の熱膨張係数の違いにより、太陽電池が湾曲することを抑制することができ
る。太陽電池が第２電極５の方向に湾曲することで、光電変換層３が割れ、絶縁化や割れ
た面に導電性が生じて短絡の原因になる場合があり、好ましくない。光電変換層３に割れ
やしわが生じることで光電変換層３中の電子、正孔の拡散長が低下し、効率低下につなが
る。また、後述する多接合型太陽電池においては、余計な空気層が存在すると、空気層の
厚さが場所によって変化することから、ボトムセル側で吸収するべき波長の一部が効果的
に吸収されず、ボトムセルの効率低下につながる恐れがあるため、望ましくない。また、
太陽電池を大面積化する際に湾曲していると、太陽電池の厚みが増し、設置時や、設置後
に割れやすくなるため好ましくない。
空隙７の存在量は、太陽電池の断面から測定される空隙率から求めることができる。空
隙７の存在量が小さいほど、空隙率は小さくなる。ここで、空隙率とはある絶縁物６と最
近接する絶縁物６の間の距離に対して、その絶縁物６の間に存在する空隙７の割合のこと
である。
ここで、空隙率の測定方法を説明する。空隙率は太陽電池の断面２０カ所のＴＥＭ明視
野像を撮像し、このＴＥＭ像を用いて測定する。測定のイメージは図２と図３に示した。
図２は、空隙率測定の概略を示す断面図、図３は、空隙率測定の概略を示す拡大断面図で
ある。
まず、太陽電池の断面を作製するために、あるひとつの絶縁物６と、この絶縁物６と最
近接する絶縁物６を通る直線で太陽電池を切断し、断面を作製する。最近接する絶縁物６
は、基板１の側から太陽電池を観察することで特定する。
太陽電池の断面をＴＥＭで観察する。まず、得た断面を集束イオンビーム法（Focused
Ion Beam：ＦＩＢ）を用いてＴＥＭ撮像に適した試料にする。作製した試料の観察には、
日本電子製のＪＥＭ−ＡＲＭ２００Ｆを用い、加速電圧は２００ｋＶにし、視野中には絶
縁物６が２つ存在し、かつ空隙７が存在するようにする。便宜上撮像中の２つの絶縁物６
を第１絶縁物６、第２絶縁物６とする。
ＴＥＭ−ＥＤＸ撮影部と同じ部分をＴＥＭで撮像する。このようにして得た２０カ所の
ＴＥＭ像それぞれについて、第１電極２と、第１絶縁物６、第２絶縁物６の第２電極５の
方向を向いている面との最大距離（各絶縁物６における最大膜厚）を測定する。このとき
の距離をＲｄ１、Ｒｄ２とする。
次に、撮像中における空隙７と、光電変換層３が存在する部分の長さの比率を求める。
このとき、適宜ＴＥＭ像を拡大し、空隙７と光電変換層３の長さの比率を求める。
この比率は、それぞれのＴＥＭ像中で第１絶縁物６、第２絶縁物６の間を第１電極２と平行な直線（仮想直線）で結び、その直線上における空隙７部分の長さ（途切れている場合はそれぞれの合計）と光電変換層３が存在する部分の長さ（途切れている場合はそれぞれの合計）を求め、それぞれ、Ｌｉｎｓ、Ｌａｂｓとする。
このＬｉｎｓ、Ｌａｂｓを第１電極２の直上からＲｄ１、Ｒｄ２のどちらか小さい方ｍ
ｉｎ(Ｒｄ１、Ｒｄ２)までの高さまでを１０ｎｍ間隔で求め、Ｌｉｎｓ、Ｌａｂｓ及び、
ある高さにおける絶縁物６の間の距離における空隙７の割合（Ｒｓｐ）＝Ｌｉｎｓ／（Ｌ
ｉｎｓ＋Ｌａｂｓ）をそれぞれ求める。
こうして求めたｍｉｎ(Ｒｄ１、Ｒｄ２)までの高さのＲｓｐ＝Ｌｉｎｓ／（Ｌｉｎｓ＋
Ｌａｂｓ）の中で、Ｍａｘ（Ｒｓｐ）を空隙率と定義する。
光電変換層３、第１電極２の屈折率は比較的高い値を示すものが多く、それらの界面で
の反射は抑制されやすい。光電変換層３で十分に吸収されない光は発電のロスになるため
、第１電極２の前で反射されることが望ましい。空隙７が存在することで屈折率の低い領
域が導入されるため、光電変換層３内部に反射させることができる。
そのため、本実施形態における太陽電池において、２０カ所測定したうちの一部のＴＥ
Ｍ断面観測結果から得られる空隙率が０％程度であっても、２０カ所測定した平均空隙率
が１％程度以上であれば、空隙７による光の乱反射により、光電変換層３の変換効率を上
昇させることができ、太陽電池の効率を向上させることができる。
空隙率は８％以上あると、さらに光電変換層３と第１電極２のコンタクトを減らすこと
ができ、かつ発電ロスを低減させることができるため、太陽電池の効率をより向上するこ
とができるため、より好ましい。
なお、空隙７にかわり、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｎ、Ｏからなる群れより選ばれる少なくとも
１種を含む化合物を備えることもできる。この場合空隙率に相当する値も、空隙率と同様
に測定することができる。
（第２電極）
図１では、第２電極５は、光電変換層３と直接接している。第２電極５としては、透明
導電膜が好ましい。透明導電膜は、第１電極２と同様の材料を用いることができる。
太陽電池１００の組成などは、Ｘ線光電子分光（X-ray Photoelectron Spectroscopy:X
PS）及びSIMSによって求められる。また、各層の厚さや粒径は、太陽電池１００の断面を
１０万倍でTEMによる観察を行えばよい。
ここで、第１の実施形態に係る太陽電池の作製方法を説明する。
（製造方法）
図４に、本実施形態に係る太陽電池の製造方法をフローチャートを示す。
基板１の上に第１電極２となる材料を真空条件下でスパッタなどで製膜する。（Ｓ１）。次に第１電極２上に絶縁物６を製膜する。この際、先述したような方法を用いる。Ｓ２）。その後、真空装置へ導入し、真空引きを行う（Ｓ３）。真空条件下で光電変換層３となる材料をスパッタなどで製膜する（Ｓ４）。その後、第２電極５６となる材料をスパッタなどで製膜する（Ｓ５）。作製する際はスーパーストレート型でもサブストレート型でもよい。
製造方法は、上記のみに限られない。例えば、ＣＢＤ（Chemical Bath Deposition）、
ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）、塗布法
などが挙げられる。
本実施形態に係る太陽電池は、第１電極２と、第２電極５と、第１電極２と第２電極５の間に設けられる光電変換層３と、第１電極２の第２電極に対向する面に配置される複数の絶縁物６よりなり、複数の絶縁物６の間の少なくとも一部に空隙７を備える。絶縁物６の間に空隙７を備えることで、光電変換層３と第１電極２のコンタクトを減らしつつ、絶縁物６による意図しない反応生成物の形成を抑制することができる。さらに光電変換層３と空隙７の屈折率の差が大きいため、光電変換層３内部での吸収の増大が起こり、変換効率を向上させることができる。また、空隙７が存在することで、電極界面で熱膨張係数の違いによる歪が存在する場合、歪を緩和させることもできる。
（第２実施形態）
第２実施形態は、多接合型太陽電池に関する。図５に第２実施形態の多接合型太陽電池
２００の断面概念図を示す。図５の多接合型太陽電池２００は、光入射側に第１実施形態
の太陽電池（第１太陽電池）１００と、第２太陽電池２０１を有する。第２太陽電池２０
１の光電変換層のバンドギャップは、第１実施形態の太陽電池１００の光電変換層３より
も小さいバンドギャップを有する。なお、実施形態の多接合型太陽電池は、３以上の太陽
電池を接合させた太陽電池も含まれる。
第１実施形態の太陽電池１００の光電変換層３のバンドギャップが２．０−２．４ｅＶ程度であるため、第２太陽電池２０１の光電変換層のバンドギャップは、１．０ｅＶ以上１．７ｅＶ以下であることが好ましい。第２太陽電池２０１の光電変換層としては、Ｉｎの含有比率が高いＣＩＧＳＳｅ系、ＣＩＴ系、ＣＩＳ系及びＣｄＴｅ系のうちのいずれか１種以上の化合物半導体層又は結晶シリコンとペロブスカイト型化合物からなる群から選ばれる１種であることが好ましい。
（第３実施形態）
第３実施形態は、太陽電池モジュールに関する。図６に第３実施形態の太陽電池モジュ
ール３００の斜視概念図を示す。図６の太陽電池モジュール３００は、第１太陽電池モジ
ュール３０１と第２太陽電池モジュール３０２を積層した太陽電池モジュールである。第
１太陽電池モジュール３０１は、光入射側であり、第１実施形態の太陽電池１００を用い
ている。第２の太陽電池モジュール３０２には、第２太陽電池１０１を用いることが好ま
しい。
図７に太陽電池モジュール３００の断面概念図を示す。図７では、第１太陽電池モジュ
ール３０１の構造を詳細に示し、第２太陽電池モジュール３０２の構造は示していない。
第２太陽電池モジュール３０１では、用いる太陽電池の光電変換層などに応じて適宜、太
陽電池モジュールの構造を選択する。図７の太陽電池モジュールは、複数の太陽電池１０
０（太陽電池セル）が横方向に並んで電気的に直列に接続した破線で囲われたサブモジュ
ール３０３が複数含まれ、複数のサブモジュール３０３が電気的に並列もしくは直列に接
続している。隣り合うサブモジュール３０３は、バスバー３０４で電気的に接続している
。
太陽電池１００は、スクライブされていて、隣り合う太陽電池１００は、上部側と第２
電極５と下部側の第１電極２が接続している。第３実施形態の太陽電池１００も第１実施
形態の太陽電池１００と同様に、基板１と、第１電極２と、第２電極５と、光電変換層３
を備える。第１電極２と第２電極５に対向する面に配置される複数の絶縁物６が互いに離
間して配置される。複数の絶縁物６の間の少なくとも一部に空隙７を備える。サブモジュ
ール３０３中の太陽電池１００の両端は、バスバー３０４と接続し、バスバー３０４が複
数のサブモジュール３０３を電気的に並列もしくは直列に接続し、第２太陽電池モジュー
ル３０２との出力電圧を調整するように構成されていることが好ましい。
（第４実施形態）
第４実施形態は太陽光発電システムに関する。第３実施形態の太陽電池モジュール３０
０は、第４実施形態の太陽光発電システムにおいて、発電を行う発電機として用いること
ができる。実施形態の太陽光発電システムは、太陽電池モジュールを用いて発電を行うも
のであって、具体的には、発電を行う太陽電池モジュールと、発電した電気を電力変換す
る手段と、発電した電気をためる蓄電手段又は発電した電気を消費する負荷とを有する。
図８に実施形態の太陽光発電システム４００の構成概念図を示す。図８の太陽光発電シス
テムは、太陽電池モジュール４０１（３００）と、コンバーター４０２と、蓄電池４０３
と、負荷４０４とを有する。蓄電池４０３と負荷４０４は、どちらか一方を省略しても良
い。負荷４０４は、蓄電池４０３に蓄えられた電気エネルギーを利用することもできる構
成にしてもよい。コンバーター４０２は、ＤＣ−ＤＣコンバーター、ＤＣ−ＡＣコンバー
ター、ＡＣ−ＡＣコンバーターなど変圧や直流交流変換などの電力変換を行う回路又は素
子を含む装置である。コンバーター４０２の構成は、発電電圧、蓄電池４０３や負荷４０
４の構成に応じて好適な構成を採用すればよい。
太陽電池モジュール３００に含まれる受光したサブモジュール３０１に含まれる太陽電
池セルが発電し、その電気エネルギーは、コンバーター４０２で変換され、蓄電池４０３
で蓄えられるか、負荷４０４で消費される。太陽電池モジュール４０１には、太陽電池モ
ジュール４０１を常に太陽に向けるための太陽光追尾駆動装置を設けたり、太陽光を集光
する集光体を設けたり、発電効率を向上させるための装置等を付加することが好ましい。
太陽光発電システム４００は、住居、商業施設や工場などの不動産に用いられたり、車
両、航空機や電子機器などの動産に用いられたりすることが好ましい。実施形態の変換効
率に優れた光電変換素子を太陽電池モジュール４０１に用いることで、発電量の増加が期
待される。
以下、実施例に基づき本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定
されるものではない。
（実施例）
トップセルを作成し、太陽電池の変換効率、空隙率を測定する。
（実施例１）
まず、トップセルの作製方法について、説明する。基板として白板ガラスを用いた。第
１電極（裏面第１電極）としてＩＴＯ（１５０ｎｍ）、ＳｎＯ２（１００ｎｍ）をスパッ
タで製膜した。ＳｉＯ微粒子をスプレー法で塗布した。この際、ＳｉＯ微粒子の太陽電池
における存在率（絶縁物の存在率）は０．０５％になるように調整した。第１の実施形態
で述べた方法により、基板をスパッタ装置へ導入し、真空引きを行った。基板を５００℃
に加熱し、Ｃｕのスパッタを行った。このとき、第１の実施形態で記載したようにスパッ
タを行った。
ｎ型層の製膜方法も第１の実施形態に記載した通り行った。ｎ型にはＺｎ−Ｇｅ−Ｏを
用いた。
第２電極（上部第１電極）としてＺｎＯ：Ａｌをスパッタで作製する。基板温度は室温
−１５０℃が望ましい。比較的低温で製膜を行うと、開放電圧が大きくなりやすく好まし
い。
第２電極に反射防止膜としてＭｇＦ２を１００ｎｍ厚程度蒸着する。
変換効率の測定方法は、以下の通りである。
ＡＭ１．５Ｇの光源を模擬したソーラーシミュレータを用い、その光源下で基準となる
Ｓｉセルを用いて１ｓｕｎになるように光量を調節する。気温は２５℃。横軸を電圧、縦
軸を電流密度とした際に、横軸と交わる点がＶｏｃとなり、電圧計でＶｏｃをカバーする
ような値（たとえば、２．０Ｖ）からＪｓｃが測定できる範囲（マイナス領域、たとえば
−０．４Ｖ）まで電圧スイープを行い、その際の電流値を測定する。太陽電池の面積で除
した値が電流密度（ｍＡ/ｃｍ２）となり、印加電圧が０Ｖでの電流密度の値がＪｓｃ(短
絡電流密度)となる。
効率ηはη=Ｖｏｃ×Ｊｓｃ×ＦＦ/Ｐ×１００
Ｐは入射パワー密度、ＡＭ１．５の疑似太陽光を基準太陽電池セルで校正する。
ＦＦはＦＦ=Ｖｍｐｐ×Ｊｍｐｐ/（Ｖｏｃ×Ｊｓｃ）で求まる。Ｖｍｐｐ、ＪｍｐｐはＶ
×Ｊの積が一番大きくなる点でのＶ、Ｊの値である。
このとき、表１には、後述する比較例を基準として、実施例の太陽電池効率（ＦＦ）を
算出した。比較例の効率をη０とし、１．０２η以上１．０５η未満を○、１．０５η以
上を◎と表記する。
空隙率の測定方法は第１の実施形態で説明した方法を用いる。
結果を表１にまとめた。実施例２〜２８及び比較例１〜７の結果についても同様に表１
にまとめた。
（実施例２）
実施例１とは基板温度を４５０℃にした以外同様に作製した。
（実施例３）
実施例１とは基板温度を５５０℃にした以外同様に作製した。
（実施例４）
実施例１とは基板温度を４１０℃にした以外同様に作製した。
（比較例１）
実施例１とは基板温度を５７０℃にした以外同様に作製した。
（実施例５）
実施例１とは、太陽電池における絶縁物の存在率を０．１％にした以外は同様に作製し
た。
（実施例６）
実施例5とは基板温度を４５０℃にした以外同様に作製した。
（実施例７）
実施例5とは基板温度を５５０℃にした以外同様に作製した。
（実施例８）
実施例5とは基板温度を４１０℃にした以外同様に作製した。
（比較例２）
実施例５とは基板温度を５７０℃にした以外同様に作製した。
（実施例９）
実施例１とは、太陽電池における絶縁物の存在率を１％にした以外は同様に作製した。
（実施例１０）
実施例９とは基板温度を４５０℃にした以外同様に作製した。
（実施例１１）
実施例９とは基板温度を５５０℃にした以外同様に作製した。
（実施例１２）
実施例９とは基板温度を４１０℃にした以外同様に作製した。
（比較例３）
実施例９とは基板温度を５７０℃にした以外同様に作製した。
（実施例１３）
実施例１とは、太陽電池における絶縁物の存在率を５％にした以外は同様に作製した。
（実施例１４）
実施例１３とは基板温度を４５０℃にした以外同様に作製した。
（実施例１５）
実施例１３とは基板温度を５５０℃にした以外同様に作製した。
（実施例１６）
実施例１３とは基板温度を４１０℃にした以外同様に作製した。
（比較例４）
実施例１３とは基板温度を５７０℃にした以外同様に作製した。
（実施例１７）
実施例１とは、太陽電池における絶縁物の存在率を１０％にした以外は同様に作製した
。
（実施例１８）
実施例１７とは基板温度を４５０℃にした以外同様に作製した。
（実施例１９）
実施例１７とは基板温度を５５０℃にした以外同様に作製した。
（実施例２０）
実施例１７とは基板温度を４１０℃にした以外同様に作製した。
（比較例５）
実施例１７とは基板温度を５７０℃にした以外同様に作製した。
（実施例２１）
実施例１とは、太陽電池における絶縁物の存在率を２５％にした以外は同様に作製した
。
（実施例２２）
実施例２１とは基板温度を４５０℃にした以外同様に作製した。
（実施例２３）
実施例２１とは基板温度を５５０℃にした以外同様に作製した。
（実施例２４）
実施例２１とは基板温度を４１０℃にした以外同様に作製した。
（比較例６）
実施例２１とは基板温度を５７０℃にした以外同様に作製した。
（実施例２５）
実施例１とは、太陽電池における絶縁物の存在率を５０％にした以外は同様に作製した
。
（実施例２６）
実施例２５とは基板温度を４５０℃にした以外同様に作製した。
（実施例２７）
実施例２５とは基板温度を５５０℃にした以外同様に作製した。
（実施例２８）
実施例２５とは基板温度を４１０℃にした以外同様に作製した。
（比較例７）
実施例２５とは基板温度を５７０℃にした以外同様に作製した。
Figure 0006864642
表１に示される通り、空隙が存在することで太陽電池の効率が向上することがわかる。
これは、屈折率の低い空隙が存在することで、光を反射させることができ、光電変換層で
吸収させることができる光を増やすことができるからである。さらに、空隙率は８％以上
８０％以下になることで最も太陽電池の効率を向上させることがわかる。これは、光電変
換層と第１電極とのコンタクトを減らし、光電変換層で吸収させることができる光を増や
すことができるからである。
本発明で説明したいずれの実施形態においても、空隙が存在する太陽電池の方が、空隙
の存在しない太陽電池よりも、高い変換効率を持つことがわかる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したも
のであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その
他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の
省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や
要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる
。
１００…太陽電池（トップセル）、１…基板、２…第１電極、３…光電変換層、４…領
域、５…第２電極、６…絶縁物、７…空隙、２００…多接合型太陽電池、２０１…ボトム
セル（第２太陽電池）、３００…太陽電池モジュール、３０１…第１太陽電池モジュール、３０２…第２太陽
電池モジュール、３０３…サブモジュール、３０４…バスバー、４００…太陽光発電シス
テム、４０１…太陽電池モジュール、４０２…コンバーター、４０３…蓄電池、４０４…
負荷。

Claims (10)

  1. 第１電極と、
    第２電極と、
    前記第１電極と前記第２電極の間に設けられる光電変換層と、
    前記第１電極の前記第２電極に対向する面に配置される複数の絶縁物を備え、
    複数の前記絶縁物のうちの任意の隣り合う２つは、空隙をはさんで配置され、
    前記空隙は前記光電変換層と接する太陽電池。
  2. 前記太陽電池の複数断面の夫々において、前記絶縁物と前記絶縁物に最近接する他の前記絶縁物との間に、前記第１電極から前記第２電極の方向に沿って１０ｎｍ毎に平行な仮想直線を設け、前記仮想直線の前記絶縁物と前記最近接する他の前記絶縁物の間の長さに対する前記空隙の長さの割合を求め、１０ｎｍ毎の前記空隙の長さの割合の最大値を空隙率とした場合に、前記複数断面の前記空隙率の平均が１％以上９９％以下である請求項1記載の太陽電池。
  3. 前記空隙率の平均が８％以上８０％以下である請求項２記載の太陽電池。
  4. 前記空隙の少なくとも一部が前記第１電極と接している請求項1乃至３のいずれか1項に記載の太陽電池。
  5. 前記光電変換層はCu２Oを含む請求項1乃至４のいずれか1項に記載の太陽電池。
  6. 前記絶縁物はMg、Al、Si、Ca、Sc、Ti、Ga、Ge、Sn、Sb、Hf、Ta、ランタニドのうち少なくとも１種と、N、O、Sのうち少なくとも1種を含む請求項１記載の太陽電池。
  7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の太陽電池を用いた多接合型太陽電池。
  8. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の太陽電池をトップセルに用い、ＣＩＧＳＳｅ系、ＣＩＴ系、ＣＩＳ系及びＣｄＴｅ系のうちのいずれか１種以上の化合物半導体層又は結晶シリコンとペロブスカイト型化合物からなる群から選ばれる１種を光電変換層として備える太陽電池をボトムセルとして用いた多接合型太陽電池。
  9. 請求項７又は８に記載の多接合型太陽電池を用いた太陽電池モジュール。
  10. 請求項９に記載の太陽電池モジュールを用いた太陽光発電システム。
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