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
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Description
(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。
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。
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。
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の太陽電池は、光透過性の薄膜型Cu2O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Cu2O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、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。
比較例1の太陽電池は、光透過性の薄膜型Cu2O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Cu2O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、SiNx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の太陽電池は、光透過性の薄膜型Cu2O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Cu2O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、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3の太陽電池は、光透過性の薄膜型Cu2O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Cu2O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、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4の太陽電池は、光透過性の薄膜型Cu2O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Cu2O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、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5の太陽電池は、光透過性の薄膜型Cu2O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Cu2O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、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6の太陽電池は、光透過性の薄膜型Cu2O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Cu2O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、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7の太陽電池は、光透過性の薄膜型Cu2O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Cu2O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の太陽電池は、光透過性の薄膜型Cu2O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Cu2O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9の太陽電池は、光透過性の薄膜型Cu2O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Cu2O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、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
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 前記p型光吸収層は、CuaMbOc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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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