JP6886933B2 - 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
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Description
図1に示すように、第1の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、第1電極2の上方に第2電極5と、第1電極2と第2電極5の間に設けられた光吸収層3とを備える。そして、第1電極2と光吸収層3の間にドット領域4を有している。このドット領域4には複数の導電性の金属部7が存在する。光吸収層3は複数の金属部7の間の少なくとも一部に空隙8を備える。
第1の実施形態に係る基板1は、ソーダライムガラスを用いることが望ましく、石英、白板ガラス、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Cr(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の実施形態に係る第1電極2は、太陽電池100の電極である。第1電極2は、例えば、基板1の上に形成された半導体膜を含む透明電極である。第1電極2は、基板1と光吸収層3の間に存在する。第1電極2としては、酸化インジウムスズ(Indium-Tin Oxide:ITO)を少なくとも含む半導体膜を用いることができる。光吸収層3側のITO上には、SnO2、TiO2、キャリアドープされたZnO:Ga、ZnO:Alなどの酸化物を含む層を積層してもよい。基板1側から光吸収層3側にITOとSnO2を積層したものでもよいし、基板1の側から光吸収層3の側にITO、SnO2とTiO2を積層したものなどでもよい。第1電極2の光吸収層3と接する層は、ITO、SnO2とTiO2のうちのいずれかの酸化物層であることが好ましい。また、基板1とITOの間にSiO2等の酸化物を含む層をさらに設けても良い。第1電極2は基板1にスパッタするなどして製膜することができる。第1電極2の膜厚は、例えば、100nm以上1000nm以下である。実施形態の太陽電池を多接合型の太陽電池に用いる場合は、実施形態の太陽電池はトップセル側やミドルセル側に存在して、第1電極2は透光性のある半導体膜であることが好ましい。
第1の実施形態に係るドット領域4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導電性の金属部7を有する領域のことである。この金属部7は第1電極2と光吸収層3との境界面上に存在している。また、後述する第3の実施形態のように、第1電極2を貫通していてもよい。ドット領域4は、金属部7が存在しその開口率([金属部7が存在しない領域の面積]/[(金属部7が存在する領域の面積)+(金属部7が存在しない領域の面積)])が50%以上の領域である。非開口部分に金属部7が存在する。
例えば光透過性のある基板1を用いている太陽電池の場合、目視で金属部7が確認できる方向から光学顕微鏡を用い、倍率は40倍で太陽電池の中央部付近を図2のように観察する。このとき、スクライブラインは避けて観察する。太陽電池の端部は観察には用いない。金属部7が観察できない場合は適宜倍率を変化させる。観察時の画像を用いて開口率を測定するので、画像中に太陽電池を作製時のサイドエッチングにより部分的に金属部7が第1電極2から取れてしまったものや、レジストが観察部に存在するなど、太陽電池の一部のみに見られる特殊な形状が存在するような画像は用いない。
まず、得た画像を画像処理ソフトに取り込み、取り込んだ画像に対して二値化処理を行う。このとき、二値化した画像において、白は金属部7部分、黒は第1電極2となるように、閾値を設定する。二値化した画像の白、黒の面積比を求め、全体の中に黒が存在する部分を100分率で示したものが開口率となる。
本実施形態に係る空隙8は、ドット領域4に存在する金属部7の間の少なくとも一部に存在する。空隙8は後述する光吸収層3の作製時に形成される。空隙8の形状を観察するには、例えば、ドット領域4を第2電極側から日本電子製のJEM-ARM200Fを用い、加速電圧を200kVにして5万倍の透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope:TEM)の明視野像にて観察する。
この化合物とは、絶縁性を持つ、つまり高抵抗の化合物を指す。
本実施形態の光吸収層3は、n型とp型の化合物半導体層を含みヘテロ接合又はホモ接合した層である。第1電極2と第2電極5との間に存在し、第2電極5の上から透過する光によってn型とp型の化合物半導体から第2電極5に電子を供給する。
第1の実施形態に係る第2電極5は太陽光のような光を透過し尚且つ導電性を有する電極膜である。第2電極5は、中間層やn型層の光吸収層3側を向いた面とは反対側の面と物理的に接している。第2電極5と第1電極2の間に、接合した光吸収層3とn型層が存在する。第2電極5は、例えば、Ar雰囲気中でスパッタリングCVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相成長)法を行なって製膜される。第2電極5は、例えば、アルミナ(Al2O3)を2wt%含有したZnOターゲットを用いたZnO:Al或いはジボランまたはトリエチルボロンからのBをドーパントとしたZnO:Bを用いることができる。
(酸化物層)
本実施形態は酸化物層を備えていてもよい。酸化物層は、n型層と第2電極5の間に設けることが好ましい薄膜である。酸化物層は、Zn1−xMgxO、ZnO1−ySyとZn1−xMgxO1−ySy(0≦x,y<1)のいずれかの化合物を含む薄膜である。酸化物層は、第2電極5側を向いたn型層の面のすべてを覆っていない形態でもよい。例えば、第2電極5側のn型層の面の50%を覆っていればよい。ほかの候補として、ウルツ型のAlNやGaN、BeOなども挙げられる。酸化物層の体積抵抗率は、1Ωcm以上であると光吸収層3内に存在する可能性のある低抵抗成分に由来するリーク電流を抑えることが可能になるという利点がある。なお、実施形態では、酸化物層を省略することができる。これらの酸化物層は、酸化物粒子層であり、酸化物層中には多数の空隙8を有することが好ましい。中間層は、上記の化合物や物性に限定されるものではなく、太陽電池の変換効率向上等に寄与する層であればよい。中間層は、物性の異なる複数の層であってもよい。
本実施形態は、第3電極を備えていてもよい。第3電極は、光電変換素子100の電極であって、第2電極5の上の光吸収層3の側とは反対側に形成された金属膜である。第3電極としては、NiやAl等の導電性の金属膜を用いることができる。第3電極の膜厚は、例えば、200nm以上2000nm以下である。また、第2電極5の抵抗値が低く、直列抵抗成分が無視できるほどの場合等には、第3電極を省いても構わない。
本実施形態は反射防止膜を備えていてもよい。反射防止膜は、光吸収層3へ光を導入しやすくするための膜であって、第2電極上又は第3電極上の光吸収層側とは反対側に形成されている。反射防止膜としては、例えば、MgF2やSiNx、SiO2を用いることが望ましい。なお、実施形態において、反射防止膜を省くことができる。各層の屈折率に応じて膜厚を調整する必要があるが、70−130nm(好ましくは、80−120nm)蒸着することが好ましい。
第1の実施形態と共通する部分に関しては省略する。
第1の実施形態と共通する部分に関しては省略する。
第1絶縁膜6は、金属部7の間の光吸収層3と第1電極2の間の全面又は一部に存在する。第1絶縁膜6は、光吸収層3の酸化を防止する透光性のある膜である。第1電極2の光吸収層側を向く面は、第1絶縁膜6の第1電極2側を向く面と物理的に接する。光吸収層3の第1電極側を向く面は、第1絶縁膜6の光吸収層側を向く面と物理的に接する。第1絶縁膜6の側面、つまりドット領域側を向く面は、金属部7又は光吸収層3と物理的に接する。ドット領域4によって光吸収層の酸化を一部の防止できるが、酸化防止の観点からはドット領域4の開口率が低い方が良いが、光の透過率が低下してしまうため好ましくない。また、第1絶縁膜6を光吸収層3と第1電極2の間の全面に設け、ドット領域4を設けない太陽電池では電極と光吸収層3のコンタクトが良好でなくなり変換効率が向上しない。
第1〜第3の実施形態と共通する部分に関しては省略する。
第5実施形態は、第1〜第4実施形態の太陽電池の何れか1つ、又は組み合わせて用いた多接合型太陽電池である。図9に本実施形態の多接合型太陽電池の断面概略図を示す。図9の多接合型太陽電池は、トップセルの太陽電池201とボトムセルの太陽電池202を有する。第1〜第4実施形態の太陽電池100は、多接合型太陽電池200のトップセル201に用いられる。トップセルの太陽電池201の基板1を透過した光が、次にボトムセルの太陽電池202に入射する。ボトムセルの電池202には、例えば、Siの光吸収層3を有する太陽電池や、トップセルの太陽電池201よりもナローギャップな光吸収層3を有する第1実施形態の太陽電池100から第2実施形態の太陽電池100を用いることもできる。第1実施形態の太陽電池100をトップセルに用いる場合は、吸収波長と変換効率の観点から、I族元素はCu、III族元素はGa及びInで、VI族元素はSe及びSが好ましい。第1実施形態の太陽電池の光吸収層3は、ワイドギャップであるためトップセルに用いることが好ましい。第1実施形態の太陽電池100をボトムセルに用いる場合は、吸収波長と変換効率の観点から、I族元素はCu、III族元素はInとGaで、VI族元素はSeが好ましい。
第1から第5の実施形態の太陽電池は、本実施形態の太陽電池モジュールにおける発電素子として用いることができる。実施形態の太陽電池が発電した電力は、太陽電池と電気的に接続した負荷で消費されたり、太陽電池と電気的に接続した蓄電池にて貯められたりする。
本実施形態の太陽電池モジュール300は、本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。本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11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11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404の構成に応じて好適な構成を採用すればよい。
(実施例1)
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。
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、1.4V)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。
実施例1とはCu、Seの蒸着の際に基板温度を560℃に変更した以外は同様に作製した。
実施例1とはCu、Seの蒸着の際に基板温度を600℃に変更した以外は同様に作製した。
トップセルの作製方法について、説明する。基板として高透過率ガラスやソーダライムガラスを用いる。第1電極としてITO(150nm)、SnO2(100nm)をスパッタで製膜する。リソグラフィーを用い、第1電極に穴をあけ、金属部(導入体の直径:3μm、厚さ:250nm)を導入する。ここで開口率は、86%である。この例では金属部として、Moを用いる。その後370℃に加熱し、その上にGa、Se(S)を蒸着する。基板温度を520℃まで加熱しながら、Cu、Se(S)を蒸着する。吸熱反応が見られたら、Cu、Se(S)蒸着時間の10%まで蒸着を続け、最後にGa、Se(S)を蒸着する。目的のCu/Ga組成に到達したらGa蒸着をやめ、そのまま5分アニールを行い、その後基板温度を下げる。基板温度が380℃まで下がったらSe(S)の蒸着を停止する。なお、第1電極に穴をあけた後、インプリントを用いて金属部を穴に導入してもよい。n型層、第2、第3電極の作製方法は実施例1と同様である。
実施例3とはCu、Seの蒸着の際に基板温度を560℃に変更した以外は同様に作製した。
実施例4とはCu、Seの蒸着の際に基板温度を600℃に変更した以外は同様に作製した。
第1電極直上にSiNxをスパッタし、絶縁膜を作製した以外、実施例1と同様に作製した。
実施例5とはCu、Seの蒸着の際に基板温度を560℃に変更した以外は同様に作製した。
実施例5とはCu、Seの蒸着の際に基板温度を600℃に変更した以外は同様に作製した。
実施例7とは第1電極直上にSiNxをスパッタし、絶縁膜を作製した以外は同様に作製した。
実施例7とはCu、Seの蒸着の際に基板温度を560℃に変更した以外は同様に作製した。
Claims (17)
- 透光性を持つ導電膜である第1電極と、
透光性を持つ導電膜である第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極の間に設けられたカルコパイライト構造を有する化合物半導体である光吸収層と、
前記第1電極の前記第2電極に対向する面に存在する複数の金属部と、
複数の前記金属部の間の少なくとも一部に空隙を備える太陽電池。 - 前記太陽電池の断面において、前記金属部と前記金属部に最近接する他の前記金属部との間に、前記第1電極の前記第2電極に対向する面および前記対向する面から前記第2電極方向に10nm毎に平行な仮想直線を設け、前記仮想直線の前記金属部と前記最近接する他の前記金属部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、前記空隙率の平均が1%以上である請求項1記載の太陽電池。
- 前記太陽電池の断面において、前記金属部と前記金属部に最近接する他の前記金属部との間に、前記第1電極の前記第2電極に対向する面および前記対向する面から前記第2電極方向に10nm毎に平行な仮想直線を設け、前記仮想直線の前記金属部と前記最近接する他の前記金属部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、前記空隙率の平均が10%以上である請求項1又は2記載の太陽電池。
- 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。
- 前記金属部の間の距離が0.8nm以上200nm以下である請求項1乃至4のいずれか1項に記載の太陽電池。
- 前記金属部が、金属、合金、導電性酸化物と導電性窒化物のうちのいずれか1種以上を含む請求項1乃至5のいずれか1項に記載の太陽電池。
- 前記金属部がMo、Ta、Nb、W、Ru、Rh、Pd、Ag、IrとPtから選ばれる少なくとも1つ以上の元素で構成されていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の太陽電池。
- 前記金属部がMo、Pt及びIrからなる群より選択される少なくとも1種である請求項1乃至6いずれか1項に記載の太陽電池。
- 前記金属部は中空又は開口を有する形状である請求項1乃至8のいずれか1項に記載の太陽電池。
- 前記金属部が前記第1電極の前記第2電極に対向する面の反対の面から前記第1電極を貫通し、前記第1電極の光吸収層側表面まで形成されてなる、請求項1乃至9のいずれか1項に記載の太陽電池。
- 前記金属部が前記第1電極の前記第2電極に対向する面の反対の面から前記第1電極を貫通し、前記光吸収層内部まで形成されてなる、請求項1乃至9のいずれか1項に記載の太陽電池。
- 請求項1乃至11のいずれか1項に記載の太陽電池であって、
前記第1電極の前記第2電極に対向する面の前記金属部の間に絶縁膜が存在し、前記空隙が前記金属部と前記絶縁膜の間の少なくとも一部に存在する太陽電池。 - 前記絶縁膜がAlOx,AlNx,MgO,SiOx,SiNxからなる群より選ばれる少なくとも1種以上で構成されている請求項12記載の太陽電池。
- 請求項1乃至13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。
- 請求項1乃至13のいずれか1項に記載の太陽電池をトップセルに用いた多接合型太陽電池。
- 請求項1乃至13のいずれか1項に記載の太陽電池または請求項14又は15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。
- 請求項16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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