JP6951448B2 - 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。
従来のサブストレート構造の薄膜型CuO太陽電池では、太陽光をp電極側から入射した場合は、発電量が小さいという問題があった。十分な発電を得るにはn電極側から入射する必要があったため、太陽光を通す透明な封止材としてもう1枚のガラスをn電極上に取付けることが不可欠であり、その分コストと重量が増加する問題があった。
特開2017−098479号公報
本発明が解決しようとする課題は、変換効率が優れた太陽電池、多接合型太陽電池及び太陽光発電システムを提供する。
基板と、n電極と、n型層と、Cuを主成分とする酸化物の半導体であるp型光吸収層と、SnOを含むp電極とを有する。基板とn型層の間にn電極が配置される。n電極とp型光吸収層の間にn型層が配置される。n型層とp電極の間にp型光吸収層が配置される。n型層は、p型光吸収層よりも光入射側に配置している。基板は、太陽電池に含まれる単一基板である。p電極は、基板と接していない。
実施形態の太陽電池の断面図。 従来の太陽電池の断面図。 従来の太陽電池の断面図。 従来の太陽電池のバンドプロファイルの模式図。 ガラス/Au/CuO/Au素子の電流電圧特性。 ガラス/ITO/CuO/Au素子の電流電圧特性。 ガラス/SnO/CuO/Au素子の電流電圧特性。 実施形態の太陽電池の斜視図。 実施形態の多接合型太陽電池の断面図。 実施形態の太陽電池モジュールの斜視図。 実施形態の太陽電池モジュールの断面図。 実施形態の太陽光発電システムの構成図。
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な一実施形態について詳細に説明する。
(第1実施形態)
第1実施形態は、太陽電池に関する。図2に、第1実施形態の太陽電池100の断面図を示す。図2に示すように、本実施形態に係る太陽電池100は、基板1、n電極2と、n型層3と、p型光吸収層4と、p電極5と、封止層6を有する。p電極5は、第1p電極5a及び第2p電極5bを含むことが好ましい。n型層4とn電極5との間等には、図示しない中間層が含まれていてもよい。太陽光はn電極2側、p電極5側いずれから入射しても良いが、n電極2側から入射するのがより好ましい。図示しない基板がp電極5側又はn電極2側に設けられてもよい。
基板1は、板状のガラスの基板である。基板1としては、白板ガラスを用いることが望ましく、石英、ソーダライムガラス、化学強化ガラスなどガラス全般を用いることもできる。基板1は、太陽電池100に含まれる単一基板である。従って、太陽電池100には、基板1を含め板状のガラスは1枚のしか含まれず、太陽電池100に含まれる基板1つまり板状のガラスは1枚以上1枚以下である。基板1は、n電極2、n型層3、p型光吸収層4、p電極5及び封止層6よりも光入射側に配置される。
n電極2は、可視光に対して、光透過性を有するn型層3側の電極である。n電極2は、基板1とn型層3の間に配置される。n電極2は、n型層3、p型光吸収層4及びp電極5よりも光入射側に配置される。n電極2には、酸化物透明導電膜を用いることが好ましい。n電極2で用いられる酸化物透明導電膜としては、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)、アルミニウムガリウム酸化物(Aluminum Gallium Oxide:AGO)、チタンドープ酸化インジウム(Titanium-doped Indium Oxide:ITiO)、酸化インジウムガリウム亜鉛(Indium Gallium Zinc Oxide:IGZO)及び水素ドープ酸化インジウム(Hydrogen-doped Indium Oxide:In)からなる群より選ばれる1種以上の透明導電膜であることが好ましい。
n電極2の厚さは、電子顕微鏡による断面観察や、段差計によって求められ、特に限定はないが、典型的には、1nm以上2μm以下である。
n電極2は、例えばスパッタなどによって成膜されることが好ましい。
n型層3は、n型の半導体層である。n型層3は、n電極2とp型光吸収層4との間に配置される。n型層3は、p型光吸収層4及びp電極5よりも光入射側に配置される。n型層3は、p型光吸収層4の第1p電極5aと接した面とは反対側の面と直接接している。n型層3とn電極2の間には、図示しない中間層を設けることができる。n型層3としては、酸化物層や硫化物層を含む層が好ましい。より具体的には、n型層3に用いる酸化物層は、Zn(1−x)(A=Si、Ge、Sn)、Cu(2−x)O(M=Mn、Mg、Ca、Zn、Sr、Ba)、Al(2−x)Gaからなる群から選ばれる層が好ましい。n型層に用いる硫化物層は、ZnIn(2−2x)(3−2x 、ZnS、InGa(1−x)S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。Zn(1−x)をn型層に用いる場合、Zn/A組成比は、1乃至3の範囲が望ましく、1.5乃至2.5がより好ましい。
n型層3の厚さは、5nm以上100nm以下であることが好ましい。n型層3の厚さが5nm以下であるとn型層3のカバレッジが悪い場合にリーク電流が発生し、好ましくない。n型層3の厚さが100nmを超えると透過率が低下し短絡電流が低下するので好ましくない。従って、n型層3の厚さは10nm以上50nm以下がより好ましい。また、カバレッジの良い膜を実現するためにn型層3の表面粗さは5nm以下が好ましい。
n型層3は、例えばスパッタなどによって成膜されることが好ましい。
p型光吸収層4は、p型の半導体層である。p型光吸収層4は、n型層3とp電極5(第1p電極5a)との間に配置される。p型光吸収層4としては、Cuを主成分とする金属の酸化物の半導体層である。Cuを主成分とする金属の酸化物は、亜酸化銅又は亜酸化銅の複合酸化物である。Cuを主成分とする金属の酸化物は、Cuが60.0atom%以上67.0atom%以下であり、O(酸素)が32.5atom%以上34.0atom%以下である。亜酸化銅の複合酸化物には、Cu以外の金属が含まれる。亜酸化銅の複合酸化物に含まれる金属は、Cuに加えて、Sn、Sb、Ag、Li、Na、K、Cs、Rb、Al、Ga、In、Zn、Mg及びCaからなる群より選ばれる1種以上の金属である。Cu以外にAg、Li、Na、K、Cs、Rb、Al、Ga、In、Zn、Mg及びCaからなる群より選ばれる1種以上の金属が含まれると、p型光吸収層4のバンドギャップを調整することができる。p型光吸収層4のバンドギャップは、2.0eV以上2.2eV以下であることが好ましい。かかる範囲のバンドギャップであると、Siを光吸収層に用いた太陽電池をボトムセルに用い、実施形態の太陽電池をトップセルに用いた多接合型太陽電池において、トップセル及びボトムセルの両方で太陽光を効率よく利用できる。p型光吸収層4には、SnやSbをさらに含んでもよい。p型光吸収層4のSnやSbは、p型光吸収層4に添加されたものでもよいし、p電極1に由来するものでもよい。p型光吸収層4は、Cuで表される酸化物の層である。Mは、Ag、Li、Na、K、Cs、Rb、Al、Ga、In、Zn、Mg及びCaからなる群より選ばれる1種以上の金属である。a、b及びcは、1.80≦a≦2.01、0.00≦b≦0.20及び0.98≦c≦1.02を満たすことが好ましい。上記p型光吸収層2の組成比は、p型光吸収層2の全体の組成比である。また、上記のp型光吸収層2の化合物組成比は、p型光吸収層2において全体的に満たすことが好ましい。なお、Sn及びSbのp型光吸収層中の濃度が高いと、欠陥が増加して、キャリア再結合が増えてしまう。そこで、p型光吸収層2中のSb及びSnの合計体積濃度は、1.5x1019atoms/cm 以下が好ましい。
図2に、従来例のサブストレート構造でn電極側から光が入射する太陽電池の断面図を示す。従来の太陽光をn電極側から入射する場合を例にとり、発電の仕組みを説明する。まず光は、CuO光吸収層中のpn接合領域に近い位置で吸収されて、電子正孔対が生成する。電子正孔対はpn接合領域まで拡散して、電位勾配により自由電子と自由正孔に解離して、フリーキャリアが生成する。次に解離した自由電子と自由正孔は、それぞれが電位勾配に向きに沿ってn電極とp電極に拡散して、電極を介して外に電力として取り出される。以上の過程を経て、光エネルギーを電力として素子の外に取り出すことが可能になる訳であり、言い換えると、以上の仕組みにより発電が起きる訳である。我々の研究によれば、光をn電極側から入れて効率良く発電するには、光の吸収長をL(光強度が1/eになる距離)、電子正孔対の拡散長をDとした場合に、拡散長D>吸収長Lであるために、多くの電子正孔対がpn接合領域に到達してフリーキャリアに解離できるためと考えられる。しかしながら、p電極側のガラス基板に加えて、封止用のガラス基板をn電極側に設けているため、高コストでありかつ太陽電池が重いという問題がある。
次に、太陽光をガラス基板側から入射する場合を考える。図3に従来例のp電極側から光が入射する太陽電池の断面図を示す。図4にp電極側から光が入射するCuO太陽電池における、各層のバンドプロファイルを模式図に示す。この場合、光はCuO層の中でpn接合領域から遠い位置で吸収されるため、電子正孔対もまたpn接合領域から遠い位置で生成する。電子正孔対は電位勾配のあるpn接合領域まで長距離拡散する必要がある。ここで、光吸収層の膜厚をL´とすると、吸収長はLであるため、電子正孔対がpn接合領域まで拡散しなければならない平均的な距離D´は、近似的に次式、D´≒L´−Lで表すことができる。要するに、光をガラス基板側から入射する場合、電子正孔対の拡散長Dに対して距離D´の方が長く、D´>Dとなるために、多くの電子正孔対がpn接合領域に到達する前に再結合して変換効率が低下し、発電量が小さくなると考えられる。
以上の結果に基づき、発明者らは、pn界面をガラス基板に対して近づけた構成に変えることで、電子正孔対が再結合する前にフリーキャリアに解離して、光をガラス基板側から入射するスーパーストレート構造でも高効率発電が可能になると考えた。しかしながら、従来のCuO太陽電池では、p電極にAu電極を用いた場合においては、p電極とCuO光吸収層がオーミックコンタクトを形成していたが、Au電極は高価である。また、p電極及びn電極に透明な導電膜を用いなければ、光透過性のCuO太陽電池は得られないが、p電極が透明な導電膜と直接的に接した太陽電池は、p電極とCuO光吸収層間が高抵抗な接合となっていたため、n型電極側から光を入射させる光透過性のあるスーパーストレート構造のCuO太陽電池で発電効率が優れたものは報告されていない。
p型光吸収層4の厚さは、電子顕微鏡による断面観察や、段差計によって求められ、1,000nm以上10,000nm以下が好ましい。
p型光吸収層4は、例えばスパッタなどによって成膜されることが好ましい。
p電極5は、p型光吸収層4と直接的に接した電極である。p電極5は、第1p電極5aと第2p電極2bを含む。第1p電極5aと第2p電極5bは積層している。第1p電極は、第2p電極5bよりもp型光吸収層4側に配置されている。
第1p電極5aは、Snを主成分とする金属の酸化物からなる酸化物膜である。第1p電極5aは、p型光吸収層4と直接的に接した電極である。第1p電極5aは、p型光吸収層4と第2p電極5bとの間に配置される。p電極5が積層膜であることが好ましい理由は、Snを主成分とする金属の酸化物の抵抗率が、金属膜や金属間化合物膜や酸化インジウムスズなどの酸化物透明導電膜と比較して高く、単独の電極で用いると抵抗成分による発電損失を生じるためである。
p型光吸収層4と直接的に接する電極はこれまで、Auなどの金属膜又はITOなどの酸化物透明導電膜が用いられてきた。Auなどの金属膜をp型光吸収層4と直接的に接するp電極として用いるとp型光吸収層とp電極の界面は、正孔に対してオーミックコンタクトになることが知られている。オーミックコンタクトであれば、低抵抗であるがAuは高価であるためコストの問題がある。また、酸化インジウムスズなどの透明導電膜をp型光吸収層4と直接的に接するp電極として用いると透明導電膜とp型光吸収層4との界面にショットキーバリアを形成してしまいp電極と光吸収層2とのコンタクト抵抗が高いため変換効率が低くなってしまうことが知られている。
Au電極とp型光吸収層4とのコンタクトについてより具体的に説明する。図5は、ガラス基板にAu電極を形成し、その上にCuO薄膜光吸収層(p型光吸収層)、対向のAu電極を順次成膜した、ガラス/Au/CuO/Au素子の電流電圧特性を示す。図より、本素子では電圧に対してオーミック電流が流れることが分る。Au/CuO界面は経験的に正孔に対してオーミックコンタクトになることが知られているため、図5の結果はそれが妥当であることを示している。
ITO電極とp型光吸収層4とのコンタクトについてより具体的に説明する。ITOは、Snを含むがInが金属の主成分である。図6は、ガラス基板にITO電極を形成し、その上にCuO薄膜光吸収層(p型光吸収層)、対向のAu電極を順次成膜した、ガラス/ITO/CuO/Au素子の電流電圧特性を示す。図より、本素子では電圧に対して整流性を示し、ダイオード電流が流れることが分る。Au/CuO界面は経験的に正孔に対してオーミックコンタクトになることが知られているため、図6の結果はITO/CuO界面は、ショットキーバリアを形成することを示している。
SnO電極とp型光吸収層4とのコンタクトについてより具体的に説明する。図7は、導電性のSnO(アンチモンSb添加)上にCuO薄膜光吸収層を成膜し、さらにその上に対向電極としてAuを形成した、ガラス/SnO/CuO/Au素子の電流電圧特性を示す。図より、本素子も電圧に対してオーミック電流が流れることが分った。Au/CuO界面は正孔に対してオーミックコンタクトであることから、図7の結果はSnO/CuO界面もまた、正孔に対してオーミックコンタクトであることを示している。
図3、4及び5の結果に示すようにp型光吸収層4と直接的に接するp電極5すなわち第1p電極5aは、Snを主成分とする金属の酸化物であることが好ましい。かかる結果は、以下の理由により予想外の結果である。Snを主成分とする金属の酸化物の導電型はITO等と同様にn型半導体である。n型で比較的導電性の低いSnO(Snを主成分とする金属の酸化物)は、p型光吸収層と直接的に接するp電極として不適と考えられていた。すると、SnO(Snを主成分とする金属の酸化物)は、ITOと同様にショットキーバリアを形成することが予想されるが結果は予想とは異なっていた。Snを主成分とする金属の酸化物がp型光吸収層4とオーミックコンタクトをしている理由は明らかではないが、金属の酸化物とp型光吸収層4がトンネル接合をしている可能性がある。
さらに、SnOは導電性はあるがSnO自体は導電性の低い材料である。しかしながら図3と図5を比較すると、SnO電極を用いた素子は、Au電極を用いた素子と同程度の電流電圧特性を示している。かかる結果もSnOの特性からは予想外の結果である。
第1p電極5aの酸化物に含まれる金属には、Snの他にZn、Al、Ga、In、Si、Ge、Ti、Cu、Sb、Nb、F及びTaからなる群より選ばれる1種以上の金属が含まれていてもよい。これらのSn以外の金属は、酸化スズにドープされている。例えば、Sbを増やすことでキャリアが増え第1p電極5aとp型光吸収層4とがトンネル接合しやすくなる。また、p型光吸収層4に含まれるCuが第1p電極5aに含まれていてもよい。これらのことから、上記の金属のうち、第1p電極5aに含まれる金属としては、Snに加えて、Cu、Sb又はCu及びSbが好ましい。従って、第1p電極5aの酸化物の金属は、Sn及びSb、Sn及びCu、又は、Sn、Sb及びCuであることが好ましい。なお、第1p電極5aは、Sn以外にZn、Al、Ga、In、Si、Ge、Ti、Cu、Sb、Nb、F及びTaからなる群より選ばれる1種以上の金属を実質的に含まない酸化物透明導電膜、すなわち、酸化物に含まれる金属のうち99atom%以上がSnである酸化物透明導電膜でもよい。
第1p電極5aの酸化物に含まれる金属のうち90atom%以上がSnであることが好ましい。第1p電極5a中のSn濃度が低いとITOのようにp型光吸収層4とショットキーバリアを形成してしまいやすくなる。同観点から、第1p電極5aの酸化物に含まれる金属のうち95atom%以上がSnであることがより好ましい。また、同観点から第1p電極5aに含まれるSnの濃度は、29.5atom%以上33.5%以下であることが好ましい。第1p電極5aの酸化物に含まれる金属のうち95atom%以上がSnであり、5atom%以下がZn、Al、Ga、In、Si、Ge、Ti、Cu、Sb、Nb、F及びTaからなる群より選ばれる1種以上の金属であることがより好ましい。また、第1p電極5aの酸化物に含まれる金属のうち95atom%以上がSnであり、0.1atom%以上5atom%以下がCu、Sb、又はCu及びSbであることがより好ましい。
第1p電極5aの厚さは、電子顕微鏡による断面観察や、段差計によって求められ、1nm以上1000nm以下であることが好ましい。第1p電極5aが薄すぎるとp型光吸収層4が第2p電極5bと直接的に接してしまいやすい。また、第1p電極5aが厚すぎるとp電極5の抵抗が大きくなってしまうため好ましくない。第1p電極5aのp型光吸収層4を向く全面とp型光吸収層4の第1p電極5aを向く全面が直接的に接する観点から、上記範囲が好ましい。また、同観点から、第1p電極5aの厚さは、5nm以上300nm以下であることがより好ましい。
第2p電極5bは、第1p電極5aよりも低抵抗な導電膜である。第2p電極5bは、第1p電極5aとは直接的に接しているが、p型光吸収層4と直接的に接していない電極である。第2p電極5bは、金属膜、金属管化合物膜及び酸化物透明導電膜からなる群より選ばれる単層膜又は積層膜であることが好ましい。積層膜には、例えば金属膜と酸化物透明導電膜を組み合わせるなど異種の膜を積層した形態と、例えば金属膜と金属膜を組み合わせるなど同種の膜を積層した形態も含まれる。太陽電池を多接合型太陽電池にしたり透光性のある太陽電池としたりする場合は、p電極5及びn電極2の両方が可視光に対して、光透過性を有することが好ましい。可視光の透過性の観点から第2p電極5bは、酸化物透明導電膜であることが好ましい。第2p電極5bに金属膜を用いる場合、厚い金属膜を用いると光透過性がなくなるため、第2p電極5b中の金属膜の厚さは、10nm以下が好ましく、5nm以下がより好ましい。
第2p電極5bに用いられる金属膜としては、Cu、Al、Ag、Mo、W及びTaからなる群より選ばれる1種以上の金属の膜であることが好ましい。第2p電極5bに用いられる金属間化合物としては、金属膜で挙げた金属を1種以上含む金属間化合物の膜であることが好ましい。第2p電極5bに用いられる酸化物透明導電膜としては、酸化インジウムスズ、アルミニウムドープ酸化亜鉛、ボロンドープ酸化亜鉛、ガリウムドープ酸化亜鉛、インジウムドープ酸化亜鉛、アルミニウムガリウム酸化物、チタンドープ酸化インジウム、酸化インジウムガリウム亜鉛及び水素ドープ酸化インジウムからなる群より選ばれる1種以上の膜であることが好ましい。第2p電極5b中に含まれる金属のうちSnとSbの合計濃度は、10atom%以下であることが好ましい。
第2p電極5bの厚さは、電子顕微鏡による断面観察や、段差計によって求められ、特に限定はないが、典型的には、1nm以上1μm以下である。
第1p電極5a及び第2p電極5bは、例えばスパッタなどによって成膜されることが好ましい。
第1p電極5a及び第2p電極5b中の元素組成は、二次イオン質量分析法(Secondary Ion Mass Spectrometry; SIMS)による分析を行うことによって確認できる。n型層3からp型光吸収層4に向かって深さ方向の分析をSIMSで行う。p電極5に含まれる元素は、太陽電池の断面をエネルギー分散型分光−透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope-Energy dispersive X-ray spectrometry; TEM EDX)であらかじめ測定することが好ましい。分析位置は、図8の斜視図に示すように、n電極2の主面(n型層側を向いた面とは反対側の面)長手方向に4等分割、短手方向に2等分割して生じた8領域の中心の78μm×78μmの領域である。n電極24、n型層3及びp型光吸収層も同様の方法によって分析が可能である。
封止層6は、p電極5上に存在する層である。図1では、封止層6はp電極5と直接接している。封止層6としては、光透過性を有する樹脂層や、厚さが100μm以下で光透過性を有する無機薄膜層を含む層が好ましい。より具体的には、樹脂層としてはEVA、ポリイミド、無機薄膜層としてはSiN、SiO、SiO、AlO、AlO など特に限定されない。封止層6としては、透明な樹脂層と無機薄膜層との多層構造でも構わない。封止層6は、n電極2、n型層3、p型光吸収層4及びp電極5の全体の外周を覆ってもよい。
(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9に第3実施形態の多接合型太陽電池の断面概念図を示す。図9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201の光吸収層のバンドギャップは、第1実施形態の太陽電池100のp型光吸収層4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2太陽電池201には、ガラス基板が含まれないため、多接合型太陽電池200に含まれるガラス基板は1枚のみである。従って、多接合型太陽電池200は、軽量であり、第1実施形態の太陽電池100を用いているため、多接合型太陽電池200においても変換効率に優れる。
第2実施形態の第1太陽電池100のp型光吸収層4のバンドギャップが2.0eV−2.2eV程度であるため、第2太陽電池200の光吸収層のバンドギャップは、1.0eV以上1.6eV以下であることが好ましい。第2太陽電池の光吸収層としては、Inの含有比率が高いCIGS系及びCdTe系からなる群から選ばれる1種以上の化合物半導体層、結晶シリコン及びペロブスカイト型化合物からなる群より選ばれる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10に第3実施形態の太陽電池モジュール300の斜視図を示す。図10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201を用いることが好ましい。第1太陽電池モジュール301には、基板1が含まれるが、第2太陽電池モジュール302には、ガラス基板が含まれないため、太陽電池モジュール300に含まれるガラス基板は1枚である。従って、太陽電池モジュール300は、軽量であり、第1実施形態の太陽電池100を用いているため、太陽電池モジュール300においても変換効率に優れる。
図11に太陽電池モジュール300の断面図を示す。図11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吸収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4の太陽電池モジュールは、複数の太陽電池100(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、上部側のn電極2と下部側のp電極5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側から光が入射し、基板1、n電極2、n型層3、p型光吸収層4とp電極5とを有する。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は、第5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12に実施形態の太陽光発電システム400の構成図を示す。図12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。
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太陽電池を太陽電池モジュールに用いることで、軽量であり、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1)
実施例1の太陽電池は、光透過性の薄膜型CuO太陽電池の例である。ガラス基板上に、n電極としてAZO透明導電膜を堆積し、次にn型層としてZnMgO酸化物を堆積する。次に、アルゴンガス雰囲気中でスパッタリング法により500℃で加熱してCuO光吸収層を成膜する。その後、光吸収層上に、p電極として、ATO(Antimony−doped Tin Oxide)透明導電膜とITOを順次堆積する。次に封止層として、SiN膜を成膜し、その上に樹脂層を形成する。
ガラス基板側に近い方にpn界面を形成したことで、ガラス基板側から太陽光を入射しても発電特性は低下せず、効率が改善する。
(比較例1)
比較例1の太陽電池は、光透過性の薄膜型CuO太陽電池の例である。比較例1は実施例1と層構成が逆転している。すなわち、ガラス基板上に、まずp電極としてITO、ATOを順次堆積する。次に、アルゴンガス雰囲気中でスパッタリング法により500℃で加熱してCuO光吸収層を成膜する。その後、光吸収層上に、n型層としてZnMgO酸化物を堆積し、さらにn型層上に、n電極としてAZOを堆積する。最後に封止層として、SiN膜を成膜し、その上に樹脂層を形成する。
ガラス基板から離れた位置にpn界面を形成したため、ガラス基板側から太陽光を入射した場合、実施例1と比較して、短絡電流と開放電圧は半分以下に低減した。
従って、ガラス基板側から太陽光を入射するスーパーストレート構造では、pn界面をガラス基板側に近い方に形成することが必要なことが確かめられた。
(実施例2)
実施例2の太陽電池は、光透過性の薄膜型CuO太陽電池の例である。ガラス基板上に、n電極としてAZO透明導電膜を堆積し、次にn型層としてZnGeO酸化物を堆積する。次に、アルゴンガス雰囲気中でスパッタリング法により500℃で加熱してCuO光吸収層を成膜する。その後、光吸収層上に、p電極として、ATO透明導電膜とITOを順次堆積する。次に封止層として、SiN膜を成膜し、その上に樹脂層を形成する。
ガラス基板側に近い方にpn界面を形成したことで、ガラス基板側から太陽光を入射しても発電特性は低下せず、効率が改善する。
(実施例3)
実施例3の太陽電池は、光透過性の薄膜型CuO太陽電池の例である。ガラス基板上に、n電極としてAZO透明導電膜を堆積し、次にn型層としてZnOSを堆積する。次に、アルゴンガス雰囲気中でスパッタリング法により500℃で加熱してCuO光吸収層を成膜する。その後、光吸収層上に、p電極として、ATO透明導電膜とITOを順次堆積する。次に封止層として、SiN膜を成膜し、その上に樹脂層を形成する。
ガラス基板側に近い方にpn界面を形成したことで、ガラス基板側から太陽光を入射しても発電特性は低下せず、効率が改善する。
(実施例4)
実施例4の太陽電池は、光透過性の薄膜型CuO太陽電池の例である。ガラス基板上に、n電極としてITO透明導電膜を堆積し、次にn型層としてZnMgO酸化物を堆積する。次に、アルゴンガス雰囲気中でスパッタリング法により500℃で加熱してCuO光吸収層を成膜する。その後、光吸収層上に、p電極として、ATO透明導電膜とITOを順次堆積する。次に封止層として、SiN膜を成膜し、その上に樹脂層を形成する。
ガラス基板側に近い方にpn界面を形成したことで、ガラス基板側から太陽光を入射しても発電特性は低下せず、効率が改善する。
(実施例5)
実施例5の太陽電池は、光透過性の薄膜型CuO太陽電池の例である。ガラス基板上に、n電極としてITO透明導電膜を堆積し、次にn型層としてZnGeO酸化物を堆積する。次に、アルゴンガス雰囲気中でスパッタリング法により500℃で加熱してCuO光吸収層を成膜する。その後、光吸収層上に、p電極として、ATO透明導電膜とITOを順次堆積する。次に封止層として、SiN膜を成膜し、その上に樹脂層を形成する。
ガラス基板側に近い方にpn界面を形成したことで、ガラス基板側から太陽光を入射しても発電特性は低下せず、効率が改善する。
(実施例6)
実施例6の太陽電池は、光透過性の薄膜型CuO太陽電池の例である。ガラス基板上に、n電極としてITO透明導電膜を堆積し、次にn型層としてZnOSを堆積する。次に、アルゴンガス雰囲気中でスパッタリング法により500℃で加熱してCuO光吸収層を成膜する。その後、光吸収層上に、p電極として、ATO透明導電膜とITOを順次堆積する。次に封止層として、SiN膜を成膜し、その上に樹脂層を形成する。
ガラス基板側に近い方にpn界面を形成したことで、ガラス基板側から太陽光を入射しても発電特性は低下せず、効率が改善する。
(実施例7)
実施例7の太陽電池は、光透過性の薄膜型CuO太陽電池の例である。ガラス基板上に、n電極としてITO透明導電膜を堆積し、次にn型層としてZnMgO酸化物を堆積する。次に、アルゴンガス雰囲気中でスパッタリング法により500℃で加熱してCuO光吸収層を成膜する。その後、光吸収層上に、p電極として、酸化スズ透明導電膜とITOを順次堆積する。次に封止層として、SiNx膜を成膜し、その上に樹脂層を形成する。
ガラス基板側に近い方にpn界面を形成したことで、ガラス基板側から太陽光を入射しても発電特性は低下せず、効率が改善する。
(実施例8)
実施例8の太陽電池は、光透過性の薄膜型CuO太陽電池の例である。ガラス基板上に、n電極としてITO透明導電膜を堆積し、次にn型層としてZnGeO酸化物を堆積する。次に、アルゴンガス雰囲気中でスパッタリング法により500℃で加熱してCuO光吸収層を成膜する。その後、光吸収層上に、p電極として、酸化スズ透明導電膜とITOを順次堆積する。次に封止層として、SiN膜を成膜し、その上に樹脂層を形成する。
ガラス基板側に近い方にpn界面を形成したことで、ガラス基板側から太陽光を入射しても発電特性は低下せず、効率が改善する。
(実施例9)
実施例9の太陽電池は、光透過性の薄膜型CuO太陽電池の例である。ガラス基板上に、n電極としてITO透明導電膜を堆積し、次にn型層としてZnOSを堆積する。次に、アルゴンガス雰囲気中でスパッタリング法により500℃で加熱してCuO光吸収層を成膜する。その後、光吸収層上に、p電極として、酸化スズ(Tin Oxide)透明導電膜とITOを順次堆積する。次に封止層として、SiN膜を成膜し、その上に樹脂層を形成する。
ガラス基板側に近い方にpn界面を形成したことで、ガラス基板側から太陽光を入射しても発電特性は低下せず、効率が改善する。
(実施例10)
実施例10の太陽電池は、実施例1の太陽電池を多接合型太陽電池のトップセルに用いた例である。トップセルの構成は、実施例1と同じである。
多接合型太陽電池を構成するために、ボトムセルには単体での変換効率が22.2%の単結晶Siを用い、トップセルとボトムセルを積層して、電気的に並列に接続した。実施形態10の多接合型太陽電池において、ガラス基板は1枚のみである。なお、両者の出力電圧が一致するように、トップセルのセル数mとボトムセルのセル数nを、次式、m×出力V(トップセル)=n×V(ボトムセル)となるように調整している。
太陽電池特性を調べた結果、1sunの擬似太陽光を照射することで、トップセル単体として効率10%、多接合型太陽電池として効率28.1%の高特性が得られた。
(実施例11)
実施例11の太陽電池は、実施例5の太陽電池を多接合型太陽電池のトップセルに用いた例である。トップセルの構成は、実施例5と同じである。
多接合型太陽電池を構成するために、ボトムセルには単体での変換効率が22.1%の単結晶Siを用い、トップセルとボトムセルを積層して、電気的に並列に接続した。実施形態11の多接合型太陽電池において、ガラス基板は1枚のみである。なお、両者の出力電圧が一致するように、トップセルのセル数mとボトムセルのセル数nを、次式、m×出力V(トップセル)=n×V(ボトムセル)となるように調整している。
太陽電池特性を調べた結果、1sunの擬似太陽光を照射することで、トップセル単体として効率9.9%、多接合型太陽電池として効率27.6%の高特性が得られた。
(実施例12)
実施例12の太陽電池は、実施例5の太陽電池を多接合型太陽電池のトップセルに用いた例である。トップセルの構成は、実施例9と同じである。
多接合型太陽電池を構成するために、ボトムセルには単体での変換効率が22.7%の単結晶Siを用い、トップセルとボトムセルを積層して、電気的に並列に接続した。実施形態12の多接合型太陽電池において、ガラス基板は1枚のみである。なお、両者の出力電圧が一致するように、トップセルのセル数mとボトムセルのセル数nを、次式、m×出力V(トップセル)=n×V(ボトムセル)となるように調整している。
太陽電池特性を調べた結果、1sunの擬似太陽光を照射することで、トップセル単体として効率11.8%、多接合型太陽電池として効率29.7%の高特性が得られた。
明細書中一部の元素は、元素記号のみで示している
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態そのままに限定解釈されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成することができる。例えば、変形例の様に異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。
100…太陽電池(第1太陽電池)、1…基板、2…n電極、3…n型層、4…p型光吸収層、5…p電極、6…封止層、
200…多接合型太陽電池、201…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 (19)

  1. 基板と、
    n電極と、
    n型層と、
    Cuを主成分とする酸化物の半導体であるp型光吸収層と、
    Snを主成分とする金属の酸化物を含むp電極とを有し、
    前記基板と前記n型層の間に前記n電極が配置され、
    前記n電極と前記p型光吸収層の間に前記n型層が配置され、
    前記n型層と前記p電極の間に前記p型光吸収層が配置され、
    前記n型層は、前記p型光吸収層よりも光入射側に配置し、
    前記基板は、太陽電池に含まれる単一基板であり、
    前記p電極と前記基板は接していない太陽電池。
  2. 前記p電極は、第1p電極と第2p電極を含み、
    前記第1p電極と前記第2p電極が積層し、
    前記第1p電極はp型光吸収層と直接的に接し、
    前記第1p電極は、Snを主成分とする金属の酸化物からなる請求項1に記載の太陽電池。
  3. 前記第2p電極は、金属膜、金属間化合物膜及び酸化物透明導電膜からなる群より選ばれる単層膜又は積層膜であり、
    前記金属膜は、Cu、Al、Ag、Mo、W及びTaからなる群より選ばれる1種以上の金属の膜であり、
    前記金属間化合物膜は、前記金属を1種以上含む金属間化合物の膜であり、
    前記酸化物透明導電膜は、酸化インジウムスズ、アルミニウムドープ酸化亜鉛、ボロンドープ酸化亜鉛、ガリウムドープ酸化亜鉛、インジウムドープ酸化亜鉛、アルミニウムガリウム酸化物、チタンドープ酸化インジウム、酸化インジウムガリウム亜鉛及び水素ドープ酸化インジウムからなる群より選ばれる1種以上の膜である請求項2に記載の太陽電池。
  4. 前記p型光吸収層は、Cuを主成分とする金属の酸化物の半導体層である請求項1ないし3のいずれか1項に記載の太陽電池。
  5. 前記第1p電極の金属は、前記Sn及びSb、前記Sn及びCu、又は、前記Sn、Sb及びCuを少なくとも含む請求項2又は3に記載の太陽電池。
  6. 前記n電極及び前記p電極は、可視光に対して、光透過性を有する請求項1ないし5のいずれか1項に記載の太陽電池。
  7. 前記第1p電極の厚さは、1nm以上1000nm以下である請求項2、3及び5のうちのいずれか1項に記載の太陽電池。
  8. 前記第1p電極に含まれる金属のうち90atom%以上がSnである請求項2、3、5、及び7のうちのいずれか1項に記載の太陽電池。
  9. 前記第1p電極に含まれる金属のうち95atom%以上がSnであり、0.1atom%以上5atom%以下がSbである請求項2、3、5、7及び8のうちのいずれか1項に記載の太陽電池。
  10. 前記第2p電極中に含まれる金属のうちSnとSbの合計濃度は、10atom%以下である請求項2、3、5、7、8及び9のうちのいずれか1項に記載の太陽電池。
  11. 前記p型光吸収層は、Cuで表される酸化物の層であり、
    前記Mは、Sn、Sb、Ag、Li、Na、K、Cs、Rb、Al、Ga、In、Zn、Mg及びCaからなる群より選ばれる1種以上であり、
    前記a、b及びcは、1.80≦a≦2.01、0.00≦b≦0.20及び0.98≦c≦1.02を満たす請求項1ないし10のいずれか1項に記載の太陽電池。
  12. 光透過性を有する樹脂層又は厚さが100μm以下で光透過性を有する無機薄膜層を含む封止層を有し、
    前記封止層は、前記p電極の前記p型光吸収層側とは反対側の面に直接接しているとする請求項1ないし11のいずれか1項に記載の太陽電池。
  13. 請求項1ないし12のいずれか1項に記載の太陽電池と、
    請求項1ないし12のいずれか1項に記載の太陽電池の光吸収層よりもバンドギャップの小さい光吸収層を有する太陽電池とを有する多接合型太陽電池。
  14. 前記請求項1ないし12のいずれか1項に記載の太陽電池のp型光吸収層よりもバンドギャップの小さい光吸収層を有する太陽電池の光吸収層は、化合物半導体層、結晶シリコン及びペロブスカイト型化合物からなる群より選ばれる1種である請求項13に記載の多接合型太陽電池。
  15. 前記基板は、多接合型太陽電池に含まれる単一基板である請求項13又は14に記載の多接合型太陽電池。
  16. 請求項1ないし12のいずれか1項に記載の太陽電池を用いた太陽電池モジュール。
  17. 請求項1ないし12のいずれか1項に記載の太陽電池と、請求項1ないし12のいずれか1項に記載の太陽電池のp型光吸収層よりもバンドギャップの小さい光吸収層を有する太陽電池を用いた太陽電池モジュール。
  18. 前記基板は、太陽電池モジュールに含まれる単一基板である請求項16又は17に記載の太陽電池モジュール。
  19. 請求項16ないし18のいずれか1項に記載の太陽電池モジュールを用いて太陽光発電を行う太陽光発電システム。
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