JP6993784B2 - 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

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。
太陽電池として多接合型(タンデム)がある。波長帯毎に効率の良いセルを用いることが
できるため、単接合よりも高い変換効率が期待される。銅(Cu)、インジウム(In)
、ガリウム(Ga)、セレン(Se)の4種類の元素を原料として生成された化合物半導
体を使用したカルコパイライト太陽電池は他の太陽電池より変換効率がよいことが知られ
ており、ワイドギャップ化をすることによりトップセル候補となりうる。しかしながら、
トップセルとして用いる場合バンドギャップ以下の光を透過させるために透明電極を用い
る必要がある。透明電極上に直接光吸収層を成膜すると界面が酸化してしまい良いコンタ
クトが形成できないため、変換効率を下げる要因となる。
特許第5875124号公報
実施形態は、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。
実施形態の太陽電池は、光透過性をもつ基板と、複数の金属部を有し、光透過性をもつ第
1電極と、前記第1電極上に設けられ、光を吸収する光吸収層と、前記光吸収層上に設け
られ、光透過性をもつ第2電極6と、を具備する。
実施形態にかかわる太陽電池の断面概念図。 実施形態にかかわるイメージ図。 実施形態にかかわる断面図。 本実施形態の製造方法のフローチャート。 実施形態にかかわる太陽電池の断面概念図。 実施形態にかかわる光学顕微鏡像。 実施形態にかかわる多接合太陽電池の断面概念図。 実施形態にかかわる太陽電池モジュールの概念図。 実施形態にかかわる太陽光電池システムの概念図。
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実施形態について図1を参照して説明する。本実施形態に係る太陽電池100は、光
が透過するアルカリ金属を含む基板1と、基板1上に設けられる第1電極2と、を備える
。第1電極2上に光吸収層3を有している。また、光吸収層3上に第2電極6が存在する
。第2電極上から入射した光によって光吸収層3は、第2電極6に電子を供給する。第1
電極2は、アルカリ金属を光吸収層3に拡散させる金属部9を有する非光透過部分11を
含んでいる。また、非光透過部分11は、基板1と対向している。第1電極2はさらに、
非光透過部分11に隣接して光吸収層3から入射した光を透過させる材料を有する光透過
部分10を含んでいる。非光透過部分とは、光透過性を持たない部分のことであり、光透
過性とは、光が透過可能である性質のことである。
ここで、本明細書内の「対向」は互いに向き合っていることを示しており、コンタクトし
て対向してもよいし、他の構成要素が間にあって対向してもよい。また、「上」及び「下
」は基板1から第2電極6に最短で向かう方向(積層方向)における上または下を示して
いる。
図1の実施形態では、金属部9は基板1側表面から第1電極3の光吸収層3側表面まで形
成されており、その結果、金属部9は、基板1および光吸収層3の両方にコンタクトして
いる。この金属9は、基板1にコンタクトしていればよく、たとえば図1に示すように基
板1側表面から光吸収層3内部まで形成されていてもよい。また、本発明の作用を得られ
る場合には、金属部9は、第1電極2の光吸収層3側表面まで形成されず第1電極2内部
まで形成されていてもよい。
(基板)
実施形態の基板1としては、アルカリ金属を含んだ光透過性を持つ基板である。光吸収
層3から入射した光は、基板1を透過する。例えば、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。
ガラス基板であれば、ナトリウム、カリウムは含まれているので基板からの光吸収層内部
への拡散が期待されるが、ガラス中の含有量が少ない場合や、石英やその他の基板を用い
る場合にはナトリウム、カリウムを含む材料(たとえばフッ化物など)を基板に事前に蒸
着または成膜しておくことが望ましい。
(第1電極)
実施形態の第1電極2は、光透過性を持つ光透過部分10と複数の金属部9が形成され光
透過性を持たない非光透過部分11を含み、基板1と光吸収層3との間に存在し開口率が
50%以上を有する領域である。開口率とは、第1電極2の光吸収層側表面において、光
透過部分10及び非光透過部分11を合わせた面積に対し光透過部分10の面積の割合と
する。光透過部分10とは光を透過する透明電極を有する部分であり、電極が存在しない
ことを意味するものではない。光透過部分10によって、光吸収層3からの光は基板1方
向透過し、逆に基板1からの光は光吸収層3方向へ透過することができる。また、非光透
過部分11には金属部9が存在し、この部分では光は透過しないが、基板1内のアルカリ
金属を光吸収層3に拡散させることができる。金属部9は例えば、光が入射する方向から
見てドット状に離間して設けられる。
光透過部分10は、半導体膜を含む透明電極を有する部分である。透明電極としては、例
えば、酸化インジウムスズ(ITO:Indium-Tin Oxide)を含む半導体
膜を用いることができる。
また、光透過部分10と光吸収層3の間に、SnO、TiO、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。
非光透過部分11は、金属部9を有する部分であり、光吸収層3を構成する化合物半導体
の酸化を抑えて、かつ、基板1由来のアルカリ金属を光吸収層3内に拡散させて電流特性
を改善する効果を有する。金属部9は、光吸収層3と反応しない材料又はほとんど反応し
ない材料、もしくは反応しても導電性を確保できる材料で構成されることが好ましい。そ
こで、金属部9は、金属、合金と導電性酸化物のうちのいずれか1種以上を含むことが好
ましい。光吸収層3がSeやSを含む場合、金属を構成する材料はSeやSによる腐食に
耐えられる材料が望ましい。金属であれば、貴金属系元素やMoが好ましい。そこで、金
属部9は、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、IrとPtなどのうちのいずれか1種以上を
含むことが望ましい。導電性酸化物としては、Se及びS耐食性の観点から、RuO
PdO、Rh、PtO、IrOなどが好ましい。また、光吸収層3とオーミッ
ク接触できる金属が好ましく、仕事関数が深い金属や化合物(酸化物、窒化物)が好まし
い。仕事関数は、5.4eV以上の金属や化合物(酸化物)が好ましい。これらのことか
ら、金属部9は、Mo,Pt,IrとPdのうちのいずれか1種以上を含むことがより好
ましい。これら金属は、一種でも二種以上の材料の組合わせで構成されていても良い。
光吸収層3の第1電極2を向く面を図2のイメージ図のように格子状に12領域(横2
、縦6)に等分割し、各領域の中央部を含む断面を例えば40k倍でSEM(Scann
ing Electron Microscopy:走査電子顕微鏡)観察する。領域は
、長辺方向に6分割、短辺側に2分割する。形状が正方形である場合は、どちらを6分割
してもよい。観察する断面は、積層方向の光吸収層3、第1電極2を含む面である。さら
に、観察する12の断面は、すべて図2中の仮想線X1からX6までの線上の断面のよう
に、同一方向の断面である。格子領域の中心を通る各線の角度は、光透過部分10及び非
光透過部分11が観察できるように任意に選択される。金属部9がSEM像で7個確認で
きる面を観察する。観察面中の6×10-6mmの領域を観察し、図3のイメージ図の
ようなSEM像を得る。そして、図3のイメージ図に示すように各金属部9(図3では、
9A、9B、9C、9D、9E、9F、9G)を第1電極2側へ射影する。各金属の射影
したときの長さをL、L…L(図3では、LからL)とする。この、Lから
を金属部のドット径とする。観察面の第1電極2の幅をLとする。LからL
和をLとする。そして、(L/Lで求められる開口率が上記開口率を満たすこ
とを意味する。つまり、50%≦(L/L≦99.5%が好ましい。61%≦(
/L≦99.5%がより好ましい。80%≦(L/L≦99.5%が
より好ましい。そして、12の断面のすべてで上記開口率を満たした状態がより好ましい
。この状態を、全体的に上記開口率を満たすものとする。
金属部9のドット径は、2nm以上20μm以下が好ましい。ここで金属部9のドット径
とは、光吸収層3の第1電極2を向いた面であり、積層方向においてほぼ直交する第1方
向もしくは第1方向にほぼ直交する第2方向における長さを示している。金属部9がドッ
ト形状である場合は、ドットの直径を示している。金属部9のドット径は、6nm以上1
0μm以下がより好ましい。金属部9のドット径が大きすぎると、透光性のばらつきが生
じたり、また、ドット径が小さすぎると光吸収層3が酸化されやすくなったりするため好
ましくない。
金属部9の積層方向における長さ(厚さ)は、特に限定されないが、第1電極2の膜厚と
同等か厚くなっていると光吸収層3が酸化しにくいという理由から好ましい。金属部9を
第1電極2に備えるだけでアルカリ金属を拡散しやすくなるので、金属部9の積層方向に
おける長さ(厚さ)は、第1電極2の膜厚よりも薄くてもよい。光吸収層3の移動度があ
まり高くない場合は、穴あきの中空形状の金属部9を用いることで金属部9同士の間隔を
縮めつつ、開口率を高くできるという点で好ましい。
例えば、MoのようにSEMで観測した際に結晶が柱状になる材料を用いると、隙間をア
ルカリ金属が成膜時の加熱により拡散し光吸収層へ拡散しやすくなることから望ましい。
電極が厚くなった場合は、加熱時間や温度を調整することで拡散を制御することができる
SEM観察像中に金属部9が7個確認できない場合は、適宜倍率を変化させ、場合によっ
てはTEM(TransmissionElectron Microscope:透過
型電子顕微鏡)観察を行う。
また、各金属部9のドット径の差は小さいことが好ましい。ここで、L、L…L
の平均値をLAVEとする。L、L…Lのうちの最大値をLMAXとする。L
…Lのうちの最小値をLMINとする。このとき、0.8LAVE≦LMIN≦L
MAX≦1.2LAVEを満たすとき、金属部9のドット径の最小値及び最大値は、金属
の平均値の0.8倍以上1.2倍以下であることを意味し、好ましい。同様に、0.9L
AVE≦LMIN≦LMAX≦1.1LAVEを満たすとき、金属部9のドット径の最小
値及び最大値は、金属の長さの平均値の0.9倍以上1.1倍以下であることを意味し、
より好ましい。また、12つの断面のすべてで、各金属部9のドット径の差が小さいこと
が好ましい。この状態を、全体的に上記金属部9のドット径の差が小さい条件を満たすも
のとする。
また、金属部9が偏在していると、金属部9が多い領域では透光性が低く、金属が少な
い領域では光吸収層3の第1電極2を向いた面が酸化しやすいため好ましくない。そこで
、金属部9間隔の差は小さいことが好ましい。金属部9間隔の最小値及び最大値は、金属
部9間隔の平均値の0.8倍以上1.2倍以下であることが好ましい。金属部9間隔の最
小値及び最大値は、金属部9間隔の平均値の0.9倍以上1.1倍以下であることがより
好ましい。金属部9間隔のばらつきについて、図3のイメージ図を用いて説明する。金属
部9間隔を求める際に用いるSEM像は、開口率を求めるSEM像と同じである。各金属
部9(図3では、9A、9B、9C、9D、9E、9F、9G)を第1電極2側へ射影す
る。射影された部分L、L…L(図3では、LからL)の間の距離をD、D
…D(図3では、DからD)とする。D、D…Dの平均値をDAVEとす
る。D、D…Dのうちの最大値をDMAXとする。D、D…Dのうちの最小
値をDMINとする。このとき、0.8DAVE≦DMIN≦DMAX≦1.2DAVE
を満たすとき、金属部9間隔の最小値及び最大値は、金属部9間隔の平均値の0.9倍以
上1.1倍以下であることを意味する。同様に、0.9DAVE≦DMIN≦DMAX
1.1DAVEを満たすとき、金属部9間隔の最小値及び最大値は、金属部9間隔の平均
値の0.8倍以上1.2倍以下であることを意味する。同観点から、金属部9間隔は、0
.8nm以上24μm以下が好ましい。このように金属部9が均一に分散していると、透
光性にばらつきが少なく、太陽電池100の光学特性が向上し、また、同じ開口率で同じ
大きさの金属部9である場合、均一に分散している程、光吸収層3の酸化防止の機能が向
上して好ましい。これは、金属部9が非常に少ない又は無い領域において酸化が進行しや
すく、金属部9が少しでもあることで酸化膜の形成を阻害し、結果として変換効率が向上
すると考えられる。従って、12の断面のすべてで上記金属部9間隔を満たした状態も好
ましい。この状態を、全体的に上記金属部9間隔を満たすものとする。
第1電極2の光透過部分10と非光透過部分11は、金属膜、酸化膜や窒化膜を成膜し
てマスクを用いて任意の金属部パターンになるように加工する方法や、金属部パターン形
状を有する鋳型を用いてインプリントすることによって形成することができる。
第1電極2の膜厚は、例えば、100nm以上1000nm以下である。
本実施形態に係る太陽電池は、後述する光吸収層3と電極2との界面での酸化領域形成を
抑える働きも有し、コンタクト部分が金属部9になることで、金属部9部分に電界を集中
し、界面再結合を抑え開放電圧を向上できる。光吸収層3の酸化が抑えられると開放電圧
が向上し、変換効率も向上する。第1電極2上に絶縁層を導入すると、電極と後述する光
吸収層3のコンタクト部分が物理的に少なくなり(絶縁領域がパッシベーション膜に相当
する)、更に界面再結合を抑制し、高い開放電圧を保つことができる。さらに、図1では
、金属部9と基板1は、コンタクトしているので基板1から光吸収層3内部へ金属部9を
伝いアルカリ金属の拡散が促進される。アルカリ金属が光吸収層3の欠陥を補填すること
で、電流特性を改善することができる。高い透光性は、多接合型太陽電池のトップセルと
して用いる際に好適な特性である。また、多接合型太陽電池に用いるだけでなく、透明性
が求められる太陽電池の用途としても、実施形態の太陽電池は好適である。
光吸収層3の酸化防止としての機能は、極めて高い開口率でも生じる。具体的な開口率は
、50%以上99.95%以下であることが好ましい。開口率が50%未満であると、透
光性が低下してしまい好ましくない。開口率は、99%未満は有効数字2桁(四捨五入)
で表し、99%以上では有効数字3桁又は4桁(四捨五入)で表す。また、開口率が99
.95%を超えると光吸収層3の酸化防止の効果がほとんど見られず、変換効率向上に寄
与しにくくなる。より好ましい開口率は、61%以上99.95%以下、80%以上99
.95%以下である。このような高い開口率でも酸化防止機能を有するのは、金属部9が
分散して光吸収層3と第1電極2の間に存在することで、酸化膜の形成を阻害しているか
らであると考えられる。光吸収層3の化合物半導体と電極間にはコンタクト抵抗が生じる
が、その部分で低抵抗の金属を介した伝導が支配的になり、かつ、金属の存在する部分で
は酸化膜が形成されにくくなるために、良好なコンタクトが形成される。そのため、金属
部9に集電され、高い開口率を保ちつつ、効果的に機能する。
光が入射する方向から見た金属部9の形状は、特に限定されない。形状の具体例として
は、円形、楕円型、多角形などが挙げられる。これらの円形、楕円型、多角形は中空(O
型など)や開口(C型や括弧形状など)を有するものでもよく、特に限定はない。また、
光が入射する方向から見た金属部9の形状は、離間せずにアレイ状に設けられてもよく、
柵状に設けられてもよい。
また、図1の例では、金属部9は第1電極2を貫通し、基板1及び光吸収層に接してい
たが、基板1から光吸収層3へアルカリ金属の拡散が促進されるように金属部9が設けら
れればよい。具体的には、金属部9が基板1とコンタクトして光吸収層3にコンタクトし
ないもの、金属部9が光吸収層3とコンタクトして基板1にコンタクトしないものであっ
てもよい。
(光吸収層)
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した層である
。第1電極2と第2電極6との間に存在し、第2電極6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6に電子を供給する。
n型の化合物半導体は、高い開放電圧の光電変換素子を得ることのできるようにフェル
ミ準位が制御されたものが好ましい。n型の化合物半導体は、例えば、Zn1-y
1-x、Zn1-y-zMgO、ZnO1-x、Zn1-zMgO(M
はB、Al、In及びGaからなる群から選ばれる少なくとも1つの元素)や、CdS、
キャリア濃度を制御したn型のGaPなどを用いることができる。n型の化合物半導体の
厚さは、2nm以上800nm以下であることが好ましい。n型の化合物半導体は、例え
ば、スパッタやCBD(Chemical Bath Deposition:化学溶液
析出法)によって成膜される。n型の化合物半導体をCBDで成膜する場合、例えば、水
溶液中で金属塩(例えばCdSO)、硫化物(チオウレア)と錯化剤(アンモニア)を
化学反応により、光吸収層3上に形成できる。光吸収層3にCuGaSe層、AgGa
Se層、CuGaAlSe層、CuGa(Se,S)層などIIIb族元素にIn
を含まないカルコパイライト型化合物を用いた場合、n型の化合物半導体としては、Cd
Sが好ましい。
p型の化合物半導体は、I族、III族とVI族元素を含む化合物を含んでいる。I族元
素は、Cuを少なくとも含むことが好ましい。III族元素は、Gaを少なくとも含むこ
とが好ましい。VI族元素は、Seを少なくとも含むことが好ましい。I族(Ib族)元
素、III族(IIIb)族元素とVI族(VIb族)元素を含む、例えばCu(In,
Ga)SeやCuInTe、CuGaSe、Cu(In,Al)Se,Cu(A
l,Ga)(S,Se)、Cu(In,Ga)(S,Se)、CuGa(S,Se)
,Ag(In,Ga)Seといったカルコパイライト構造を有する化合物半導体をp
型の化合物半導体として用いることができる。Ib族元素がCu又はCu及びAgからな
り、IIIb族元素がGa、AlとInのうちの1種以上の元素であり、VIb族元素は
、Se、SとTeのうちの1種以上の元素であることが好ましい。その中でも、Ib族元
素がCuからなり、IIIb族元素がGa、Al、又は、Ga及びAlからなり、VIb
族元素は、Se、S、又は、Se及びSからなることがより好ましい。IIIb族元素に
Inが少ないと、多接合型の太陽電池のトップセルとして、光吸収層3のバンドギャップ
を好適な値に調整しやすいことが好ましい。光吸収層3の膜厚は、例えば、800nm以
上3000nm以下である。
元素の組み合わせにより、バンドギャップの大きさを目的とする値に調節しやすくする
ことができる。目的とするバンドギャップの値とは、例えば1.0eV以上2.7eV以
下である。
(第2電極)
実施形態の第2電極6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6は、光吸収層3の上に設けられている。第2電極6は、例えば、Ar雰囲気
中でスパッタリングやCVD(ChemicalVapor Deposition:化
学気相成長)法を行なって成膜される。第2電極6は、例えば、アルミナ(Al
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。
(製造方法)
図4を用いて、本実施形態の製造方法をフローチャートに示す。
基板1上に金属部9膜を成膜する(図4(S1))。レジストマスクを用いて、金属部
9膜を所定のパターン(ドットの分布が所望の開口率になるように定める)に加工する(
図4(S2))。その後、第1電極2となる材料をスパッタなどで成膜する(図4(S3
))。レジストマスクを除去する(図4(S4))。その後、光吸収層3となる材料をス
パッタなどで成膜する(図4(S5))。第2電極6となる材料をスパッタなどで成膜す
る(図4(S5))。
製造方法は、上記のみに限られない。例えば、基板1上に第1電極2となる材料をスパ
ッタで成膜し、その後レジストマスクを用いて、第1電極2を所定のパターンに加工して
、金属部9となる材料をスパッタする。最後にレジストマスクを除去する。このような製
造方法も同様に行うことが可能である。
(第1の実施形態の変形例)
第1の実施形態は、第3電極を備えていてもよい。
実施形態の第3電極(図示せず)は、太陽電池100の電極であって、第2電極上に形成
された金属膜である。第3電極をさらに備えると、より効率よく集電することができる。
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6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。
第1の実施形態は、反射防止膜を備えていてもよい。
実施形態の反射防止膜は、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6上又は第3電極上に形成されている。反射防止膜としては、例えば、MgFやS
iO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。各層の屈折率や膜厚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の実施形態は、酸化物層を備えていてもよい。
実施形態の酸化物層は、光吸収層3と第2電極6の間に設けることが好ましい薄膜であ
る。酸化物層は、Zn1-xMgO、ZnO1-yとZn1-xMg1-y
(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、光吸収層3と
第2電極6の間をすべて覆っていない形態でもよい。例えば、第2電極6側の光吸収層3
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、Be
O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。
(第2の実施形態)
第1の実施形態と第2の実施形態で共通する説明は省略する。
図5に示すように、本実施形態に係る太陽電池は、第1の実施形態の光透過部分10に
おいて第1電極2と光吸収層3の間に第1絶縁膜7を備える。
第1絶縁膜7を備えることで、第1電極2と光吸収層3間の電気伝導を抑制することが
でき、曲率因子FFが向上し、変換効率が向上する。
(第1絶縁膜)
第1絶縁膜7は、光透過部分10において第1電極2と光吸収層3の間に存在する。第
1絶縁膜7は、光吸収層3の酸化を防止する透光性のある膜である。金属部9によって光
吸収層3の酸化を一部防止できる。酸化防止の観点からは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7を光吸収層3と第1電極
2の間の全面に設け、金属部9を設けない太陽電池では、電極と光吸収層のコンタクトが
良好でなくなり変換効率が向上しない。単純に絶縁膜を導入すると、太陽電池の直列抵抗
成分(Rs)が大きくなり効率が減少してしまう。
第1絶縁膜7としては、酸化膜と窒化膜のいずれかが挙げられる。酸化膜としては、具
体的には、AlO、SiOとMgOと(Al,Si,Mg)Oのうちのいずれか
1種以上の膜が好ましい。また、窒化膜としては、SiN、AlNとGaNと(S
i,Al,Ga)Nのうちのいずれか1種以上の膜が好ましい。第1絶縁膜7の厚さは
、1nm以上80nm以下が好ましい。また、第1絶縁膜7の厚さは、5nm以上50n
m以下がより好ましい。第1絶縁膜7は、光透過部分10において第1電極2と光吸収層
3の間の全面を覆わなくても上記効果がある。酸化防止及びFF向上の観点、並びに、成
膜プロセスの観点からは、第1絶縁膜7は、光透過部分10において第1電極2と光吸収
層3の間の全面に存在することが好ましい。
図6に、第1電極2上に第1絶縁膜7が形成された部材の光学顕微鏡像を示す。図6(
A)は、モリブデンからなる金属で、中空の円形(O型)、金属部9長さ(直径)5μm
、金属部9間隔8μmで、開口率が82%、金属部9高さ50nmである。なお、中空部
分における第1電極2と光吸収層3の間にも第1絶縁膜7が存在する。そして、図6(A
)には、第1絶縁膜7として、厚さ40nmのAlOが形成されている。図6(B)は
、SiNを第1絶縁膜7として用いたこと以外は、図5(A)と同じである。いずれの
SEM像においても均一な金属部9パターンが形成されている。なお、図6の光学顕微鏡
像に示す部材では、周辺部に金属部9を一部形成していない領域が含まれる。金属部9形
状が中空で、図6のように金属部が均一なパターンで配置されていると、第1絶縁膜7の
有無にかかわらず、光吸収層3の移動度があまり高くない場合において、穴あきの中空形
状の金属部9を用いることで金属部9同士の間隔を縮めつつ、開口率を高くできるという
点で好ましい。
(製造方法)
図4のS3とS4の間に第1絶縁層7となる材料をスパッタする工程が加わる以外第1の
実施形態と同様に製造される。
(第3実施形態)(多接合型太陽電池)
第3実施形態は、第1実施形態の太陽電池を用いた多接合型太陽電池である。図7に第
3実施形態の多接合型太陽電池の断面概略図を示す。図7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実施形態の太陽電池
100から第2実施形態の太陽電池101は、多接合型太陽電池200のトップセル20
1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101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で、VI族元素はSeが好ましい。第
1実施形態の太陽電池の光吸収層は、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4実施形態)(太陽電池モジュール)
第1から第3実施形態の太陽電池は、第5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。
実施形態の太陽電池モジュールは、太陽電池のセルが複数、直列、並列、又は、直列及
び並列に接続した部材又は単一のセルがガラス等の支持部材に固定された構造が挙げられ
る。太陽電池モジュールには、集光体を設け、太陽電池セルの面積よりも多くの面積で受
光する光を電力に変換する構成にしてもよい。太陽電池セル中には、直列、並列、又は、
直列及び並列に接続した太陽電池が含まれる。
図8に複数の太陽電池セル301を横方向に6セル、縦方向に6セル並べた太陽電池モ
ジュール300の構成概念図を示す。図8の太陽電池モジュール300は、接続配線を省
略しているが、前述のとおり、複数の太陽電池セル301を、直列、並列、又は、直列及
び並列に接続することが好ましい。太陽電池セル301には、第1実施形態の太陽電池1
00から第3実施形態の多接合型太陽電池200が用いられることが好ましい。また、実
施形態の太陽電池モジュール300は、第1実施形態の太陽電池100から第3実施形態
の多接合型太陽電池200を用いたモジュールと他の太陽電池を用いたモジュールを重ね
たモジュール構造を採用してもよい。他にも変換効率を高める構造を採用することが好ま
しい。実施形態の太陽電池モジュール300において、太陽電池セル301は、ワイドバ
ンドギャップの光電変換層を有することから、受光面側に設けられることが好ましい。
(第5実施形態)
実施形態の太陽電池モジュール300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9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9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4
04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-D
C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太陽電池セル301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40
4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1)
トップセルとボトムセルの2つの太陽電池を接合し多接合型太陽電池を作成し、多接合型
太陽電池の変換効率、トップセルのVoc(解放電圧)、Jsc(短絡電流密度)、FF
(出力因子)、光の透過率(700nmから1150nmの平均)、開口率と変換効率、
さらに、ボトムセルの変換効率を評価する。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)、SnO(100nm)をスパッタで成膜する。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37
0℃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。
CBD法でn型化合物半導体として、CdS層を作製する。硫酸カドミウムをアンモニ
ア水溶液に溶かし、チオウレアを投入、300秒後に取り出し水洗する。有機Zn化合物
をスピンコートにより基板に塗布する。120℃で5分加熱し、15-30nmのZnO
保護層を作製する。
第2電極としてZnO:Alをスパッタで作製する。基板温度は0-150℃が望まし
い。比較的低温で成膜を行うと、開放電圧が大きくなりやすく好ましい。
第3電極としてNi/Alを蒸着する。Niを先に蒸着すること第2電極との界面で酸
化が起こっても伝導性を保つことができるため望ましい。その上にAlを蒸着する。膜厚
はそれぞれ60nm、500nm程度が好ましい。
反射防止膜としてMgFを100nm厚で蒸着する。
次に、ボトムセルの作製方法について説明する。
0.5μm厚のSiウエハーを用意し、光照射側にn型ドーパントをイオン注入する。A
g配線の直下は良好なコンタクトを形成するために、n型にする。その上から反射防止
膜を形成する。裏面側にはSiNを用いてパッシベーション層(領域)を作る。SiN
の存在しない部分を形成し、一部のみ裏面Al電極と導通させることで結晶界面での再
結合を減らし高い効率のボトムセルが得られる。
変換効率の測定方法を記述する。
AM1.5Gの光源を模擬したソーラーシミュレータを用い、気温は25℃にてその光源
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。電圧をスイープ
し、電流密度(電流をセル面積で割ったもの)を測定する。横軸を電圧、縦軸を電流密度
とした際に、横軸と交わる点が開放電圧Vocとなり、縦軸と交わる点が短絡電流密度J
scとなる。測定曲線上において、電圧と電流密度を掛け合わせ、最大になる点をそれぞ
れVmpp、Jmpp(電圧、電流のマキシマムパワーポイント)とすると、FF=(Vmpp*J
mpp)/(Voc*Jsc)
効率Eff.=Voc*Jsc*FFで求まる。
透過率は分光光度計を用いてサンプル面を光源に対して垂直になるようにして入射光に対
する透過光の割合を測定する。反射率は、入射光に対し垂直から5度程傾けたサンプルの
反射光を測定することで求められる。透過率・反射率からバンドギャップが求められる。
バンドギャップ以下で透過が大きくなる領域(目安50%以上透過)の波長からボトムセ
ルが吸収できる波長範囲内を目安として、実施例1では波長700nm-1150nm透
過光の平均値を算出する。
結果を表1にまとめる。他の実施例および比較例の結果についても同様に表1にまとめ
る。
(比較例1)
金属部を有さない開口率100%のトップセルの太陽電池を作製すること以外は、実施
例1と同様の方法でトップセルの太陽電池を作製し、比較例1の多接合型太陽電池を得る
。そして、実施例1と同様の方法で太陽電池の評価をする。
(実施例2-8)
金属部のドット径を変化させてトップセルの太陽電池を作製すること以外は、実施例1と
同様の方法でトップセルの太陽電池を作製し、実施例2-8の多接合型太陽電池を得る。
そして、実施例1と同様の方法で太陽電池の評価をする。なお、実施例2から8の金属部
のドット径は、4、5、6、7、8、9、10μmである。
(実施例9-17)
開口率を変化させてトップセルの太陽電池を作製すること以外は、実施例4と同様の方法
でトップセルの太陽電池を作製し、実施例9-17の多接合型太陽電池を得る。そして、
実施例1と同様の方法で太陽電池の評価をする。なお、実施例9から17の開口率は、5
6、62、72、81、86、92、94、99.95%である。
(実施例18-20)
実施例18-20では、金属部形状を円状とし、金属部のドット径(直径)を6μmと
して、実施例1と同様に領域を作製する。金属部は、中空であり、円形の空洞を有する。
実施例18-20の金属中の中空の円形の直径は、順に、1μm、1.5μm、2μmで
ある。これらのこと以外は、実施例1と同様の方法でトップセルの太陽電池を作製し、実
施例18-20の多接合型太陽電池を得る。そして、実施例1と同様の方法で太陽電池の
評価をする。
(実施例21―22)
実施例21―22では、第1電極直上をAlOxで5、15nmの膜厚で覆う以外は、
実施例4と同様の方法でトップセルの太陽電池を作製し、実施例21-22の多接合型太
陽電池を得る。そして、実施例1と同様の方法で太陽電池の評価をする。
(実施例23―25)
実施例21―22では、第1電極直上をSiNxで5、10、20nmの膜厚で覆う以
外は、実施例4と同様の方法でトップセルの太陽電池を作製し、実施例21-22の多接
合型太陽電池を得る。そして、実施例1と同様の方法で太陽電池の評価をする。
明細書中、元素の一部は元素記号のみで表している。
(実施例26―27)
実施例26―27では、金属部9の厚さを200nm、300nmと変化させてトップセ
ルの太陽電池を作製すること以外は、実施例4と同様の方法でトップセルの太陽電池を作
製し、実施例26―27の多接合型太陽電池を得る。そして、実施例1同様の方法で太陽
電池の評価をする。
(実施例28-29)
実施例28-29では、SiNx10、20nmと変化させ、金属部9の厚さを300n
mにしてトップセルの太陽電池を作製すること以外は、実施例4と同様の方法でトップセ
ルの太陽電池を作製し、実施例28-29の多接合型太陽を得る。そして、実施例1同様
の方法で太陽電池を評価する。
Figure 0006993784000001
表1で示す通り、実施例1-29は、比較例1に比較し、トップセル単体、すなわち太陽
電池としての変換効率が優れている。さらに、多接合型太陽電池として使用した場合にお
いて、実施例1-8及び12-28の多接合型太陽電池は、比較例1の多接合型太陽電池
と比べて変換効率が優れている。これは、酸化膜の形成を阻害し、開放電圧が向上する効
果を備えるために、変換効率が向上しているためである。一方で、比較例1と比べて実施
例9-11の多接合型太陽電池は、変換効率が低くなっているが、ボトムセル単体におけ
る変換効率が低い場合であっても本実施形態のトップセル(太陽電池)を用いることで、
変換効率を向上することができることを示している。
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、101、102…太陽電池、1…基板、2…第1電極、3…光吸収層、4…領
域、6…第2電極、7…第1絶縁膜、8…第2絶縁膜、9…金属部、10…光透過部分、
11…非光透過部分、200…多接合型太陽電池、201…トップセルの太陽電池、20
2…ボトムセルの太陽電池、300…太陽電池モジュール、301…太陽電池セル、40
0…太陽電池システム、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 (13)

  1. アルカリ金属を含み、光透過性を持つ基板と、
    前記基板上に設けられ、非光透過部分である複数の金属部と光透過部分を含む第1電極と、
    前記第1電極上に設けられ、光を吸収する光吸収層と、
    前記光吸収層上に設けられ、光透過性を持つ第2電極と、
    前記光透過部分において前記第1電極と前記光吸収層の間に存在する第1絶縁膜と、
    を具備し、
    前記金属部の前記基板から前記第2電極に最短で向かう積層方向における厚さは、記光透過部分の前記積層方向における厚さよりも厚い太陽電池。
  2. アルカリ金属を含み、光透過性を持つ基板と、
    前記基板上に設けられ、非光透過部分である複数の金属部と光透過部分を含む第1電極と、
    前記第1電極上に設けられ、光を吸収する光吸収層と、
    前記光吸収層上に設けられ、光透過性を持つ第2電極と、
    を具備し、
    前記金属部の前記基板から前記第2電極に最短で向かう積層方向における厚さは、前記光透過部分の前記積層方向における厚さよりも厚く、
    前記複数の金属部は、互いに離間して設けられる太陽電池。
  3. アルカリ金属を含み、光透過性を持つ基板と、
    前記基板上に設けられ、非光透過部分である複数の金属部と光透過部分を含む第1電極と、
    前記第1電極上に設けられ、光を吸収する光吸収層と、
    前記光吸収層上に設けられ、光透過性を持つ第2電極と、
    を具備し、
    前記金属部の前記基板から前記第2電極に最短で向かう積層方向における厚さは、前記光透過部分の前記積層方向における厚さよりも厚く、
    前記金属部は、光が入射する方向から見てドット状に設けられる太陽電池。
  4. 前記金属部の前記ドット状の径は、2nm以上20μm以下である請求項3に記載の太陽電池。
  5. 前記金属部の前記ドット状の径の最小値及び最大値は、前記径の平均値の0.8倍以上1.2倍以下である請求項3又は4に記載の太陽電池。
  6. 前記第1電極の光吸収層側表面において、前記光透過部分及び前記非光透過部分を合わせた面積に対し前記光透過部分の面積の割合が50%以上99.95%以下である請求項1から5のいずれか一項に記載の太陽電池。
  7. 前記金属部は、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から5のいずれか一項に記載の太陽電池。
  8. 前記金属部は、Mo,Pt,IrとPdのうちのいずれか1種以上を含む請求項1から7のいずれか一項に記載の太陽電池。
  9. 前記光透過部分は、半導体膜を含む透明電極を含む部分である請求項1から8のいずれか一項に記載の太陽電池。
  10. 前記第1電極の前記積層方向における厚さは、100nm以上1000nm以下である請求項1から9のいずれか一項に記載の太陽電池。
  11. 請求項1から10のいずれか一項に記載の太陽電池を用いた多接合型太陽電池。
  12. 請求項1から10のいずれか一項に記載の太陽電池又は請求項11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。
  13. 請求項12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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