JP7301636B2 - 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実施形態は、太陽電池に関する。図1に、第1実施形態の太陽電池100の概念図を示す。図1に示すように、本実施形態に係る太陽電池100は、第1電極1と、第1電極1上に光電変換層2と、光電変換層2上にn型層3と、n型層3上に第2電極4と、を備える。第1電極1と光電変換層2との間やn型層3と第2電極4との間には、図示しない中間層が含まれていてもよい。光は第1電極1側から入射しても第2電極4側から入射してもよい。光が太陽電池100に入射して発電することができる。
実施形態の第1電極1は、光電変換層2側に設けられた透明な導電層である。図1では、第1電極1は、光電変換層2と直接接している。第1電極1としては、透明導電膜、透明導電膜と金属膜を積層したものが好ましい。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)、フッ素ドープ酸化スズ(Fluorine-doped Tin Oxide;FTO)、アンチモンドープ酸化スズ(Antimony-doped Tin Oxide;ATO)、チタンドープ酸化インジウム(Titanium-doped Indium Oxide;ITiO)、酸化インジウム酸化亜鉛(Indium Zinc Oxide;IZO)や酸化インジウムガリウム亜鉛(Indium Gallium Zinc Oxide;IGZO)、タンタルドープ酸化スズ(Ta-doped Tin Oxide;SnO2:Ta)、ニオブドープ酸化スズ(Nb-doped Tin Oxide;SnO2:Nb)、タングステンドープ酸化スズ(W-doped Tin Oxide;SnO2:W)、モリブデンドープ酸化スズ(Mo-doped Tin Oxide;SnO2:Mo)、フッ素ドープ酸化スズ(F-doped Tin Oxide;SnO2:F)、水素ドープ酸化インジウム(Hydrogen-doped Indium Oxide;IOH)など特に限定されない。透明導電膜は、複数の膜を持つ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。酸化スズなどの膜へのドーパントとしては、In、Si、Ge、Ti、Cu、Sb、Nb、F、Ta、W、Mo、F、Clなど特に限定されない。金属膜としては、Mo、Au、Cu、Ag、Al、TaやWの膜など特に限定されない。また、第1電極1は、透明導電膜の下にドット状、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、透明導電膜の光電変換層2とは反対側に配置される。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、Cu、Ag、Al、TaやWなど特に限定されない。第1電極1に金属膜を用いる場合、透過性の観点から5nm以下程度の膜厚とすることが好ましい。
実施形態の光電変換層2は、第1電極1とn型層3の間に配置された半導体層である。光電変換層2としては、化合物半導体層が好ましい。光電変換層2としては、亜酸化銅を主体(90wt%以上)とする半導体層が挙げられる。光電変換層2が厚くなると透過率が低下し、また、スパッタでの成膜を考慮すると10μm以下が実用的であり、化合物半導体層としては、亜酸化銅を主体とする半導体層が好ましい。光電変換層2の厚さは、800nm以上10μm以下であることが好ましい。化合物半導体層としては、亜酸化銅等を主体とする半導体層には、添加物が含まれていてもよい。
n型層3は、光電変換層2と第2電極4の間に配置されたn型の半導体層である。n型層3の光電変換層2を向く面は、光電変換層2のn型層3を向く面と直接的に接していることが好ましい。n型層3は、Zn又は/及びSnの中から選ばれた金属酸化物層であり、かつSi又は/及びGeを含んでいることが好ましい。つまり金属酸化物層は、ZnとZnの少なくとも一方及びSiとGeの少なくとも一方を含む金属酸化物層(n型層3)は、光電変換層2とn型層3との伝導帯のエネルギーマッチングを考慮して、Zn、Sn、Ge、Siの他に、Ga、Al、及びBからなる群より選ばれる1種以上の元素をさらに含む金属酸化物層であることがより好ましい。なお、光電変換層2とn型層3との伝導帯のエネルギーマッチングをさらに考慮して、上記以外の元素をn型層3に添加してもよい。
実施形態の第2電極4は、n層上に設けられた透明な導電層である。第2電極4は、第1電極1で挙げた電極と同様の透明電極を用いることが好ましい。第2電極4は、透明導電膜の上にドット状、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。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、Cu、Ag、Al、TaやWなど特に限定されない。第2電極4に金属膜を用いる場合、透過性の観点から5nm以下程度の膜厚とすることが好ましい。第2電極4は、第1電極1で挙げた電極と同様の透明電極を用いることが好ましい。第2電極4としては他にも金属ワイヤーを含む取出電極が設けられた多層グラフェン等の他の透明電極を採用することもできる。
実施形態の反射防止膜は、光電変換層2へ光を導入しやすくするための膜であって、第1電極1上又は第2電極4上の光電変換層2側とは反対側に形成されていることが好ましい。反射防止膜としては、例えば、MgF2や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)程度の厚さの薄膜を蒸着することが好ましい。
第2実施形態は、多接合型太陽電池に関する。図4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4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3実施形態は、太陽電池モジュールに関する。図5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5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300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7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7の太陽光発電システムは、太陽電池モジュール401(300)と、電力変換装置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。電力変換装置402は、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。電力変換装置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では、基板に白板ガラス基板を用い、裏面側の第1電極としてSbドープしたSnO2を含む透明導電膜を用いる。第1電極上に酸素とアルゴンガスの混合ガス雰囲気中でスパッタリング法により基板を450℃で加熱して光電変換層として亜酸化銅化合物を成膜する。なお、亜酸化銅化合物層の成膜の最終段階でMnを添加する。その後、原子層堆積法により光電変換層上にn型層としてZn及びGeを含む金属酸化物層を堆積し、ZnとGeを光電変換層へ拡散させてZn(第1グループ)、Mn(第2グループ)及びGe(第3グループ)を含む約5nm厚の混合領域を形成する。その後表面側の第2電極としてAZO透明導電膜を堆積する。その上に反射防止膜としてMgF2を堆積して太陽電池を得る。
得られる太陽電池の断面をTEM-EDXで観察し各元素の濃度を求める。
光電変換層上にn型層として、Zn、Sn及びGeを含む金属酸化物層を堆積し、Zn、Sn及びGeを光電変換層へ拡散させてZn及びSn(第1グループ)、Mn(第2グループ)及びGe(第3グループ)を含む約5nm厚の混合領域を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
光電変換層上にn型層として、Sn及びGeを含む金属酸化物層を堆積し、Sn及びGeを光電変換層へ拡散させてSn(第1グループ)、Mn(第2グループ)及びGe(第3グループ)を含む約5nm厚の混合領域を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
亜酸化銅化合物層の成膜の最終段階でNbを添加して、Zn(第1グループ)、Nb(第2グループ)及びGe(第3グループ)を含む約5nm厚の混合領域を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
亜酸化銅化合物層の成膜の最終段階でZrを添加して、Zn(第1グループ)、Zr(第2グループ)及びGe(第3グループ)を含む約5nm厚の混合領域を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
亜酸化銅化合物層の成膜の最終段階でMoを添加して、Zn(第1グループ)、Mo(第2グループ)及びGe(第3グループ)を含む約5nm厚の混合領域を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
亜酸化銅化合物層の成膜の最終段階でCrを添加して、Zn(第1グループ)、Cr(第2グループ)及びGe(第3グループ)を含む約5nm厚の混合領域を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
亜酸化銅化合物層の成膜の最終段階でClを添加して、Zn(第1グループ)、Cl(第2グループ)及びGe(第3グループ)を含む約5nm厚の混合領域を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
亜酸化銅化合物層の成膜の最終段階でIを添加して、Zn(第1グループ)、I(第2グループ)及びGe(第3グループ)を含む約5nm厚の混合領域を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
亜酸化銅化合物層の成膜の最終段階でFeを添加して、Zn(第1グループ)、Fe(第2グループ)及びGe(第3グループ)を含む約5nm厚の混合領域を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
亜酸化銅化合物層の成膜の最終段階でNiを添加して、Zn(第1グループ)、Ni(第2グループ)及びGe(第3グループ)を含む約5nm厚の混合領域を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
亜酸化銅化合物層の成膜の最終段階でAlを添加して、Zn(第1グループ)、Al(第2グループ)及びGe(第3グループ)を含む約5nm厚の混合領域を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
亜酸化銅化合物層の成膜の最終段階でGaを添加して、Zn(第1グループ)、Ga(第2グループ)及びGe(第3グループ)を含む約5nm厚の混合領域を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
亜酸化銅化合物層の成膜の最終段階でYを添加して、Zn(第1グループ)、Y(第2グループ)及びGe(第3グループ)を含む約5nm厚の混合領域を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
亜酸化銅化合物層の成膜の最終段階でScを添加して、Zn(第1グループ)、Sc(第2グループ)及びGe(第3グループ)を含む約5nm厚の混合領域を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
亜酸化銅化合物層の成膜の最終段階でVを添加して、Zn(第1グループ)、V(第2グループ)及びGe(第3グループ)を含む約5nm厚の混合領域を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
亜酸化銅化合物層の成膜の最終段階でFを添加して、Zn(第1グループ)、F(第2グループ)及びGe(第3グループ)を含む約5nm厚の混合領域を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
亜酸化銅化合物層の成膜の最終段階でBrを添加して、Zn(第1グループ)、Br(第2グループ)及びGe(第3グループ)を含む約5nm厚の混合領域を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
亜酸化銅化合物層の成膜の最終段階でBを添加して、Zn(第1グループ)、B(第2グループ)及びGe(第3グループ)を含む約5nm厚の混合領域を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
光電変換層上にn型層として、Zn及びSiを含む金属酸化物層を堆積し、Zn及Siを光電変換層へ拡散させてZn(第1グループ)、Mn(第2グループ)及びSi(第3グループ)を含む約5nm厚の混合領域を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
光電変換層上にn型層として、Zn及びSiを含む金属酸化物層を堆積し、Zn及Siを光電変換層へ拡散させてZn(第1グループ)、Nb(第2グループ)及びSi(第3グループ)を含む約5nm厚の混合領域を形成すること以外は実施例4と同様に太陽電池を作製し、評価する。
光電変換層上にn型層として、Zn及びSiを含む金属酸化物層を堆積し、Zn及Siを光電変換層へ拡散させてZn(第1グループ)、Zr(第2グループ)及びSi(第3グループ)を含む約5nm厚の混合領域を形成すること以外は実施例5と同様に太陽電池を作製し、評価する。
亜酸化銅化合物層の成膜の最終段階でZnとMnを添加して、Zn(第1グループ)、Mn(第2グループ)及びGe(第3グループ)を含む約5nm厚の混合領域を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
亜酸化銅化合物層の成膜の最終段階でMnとGeを添加して、Zn(第1グループ)、Mn(第2グループ)及びGe(第3グループ)を含む約5nm厚の混合領域を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
亜酸化銅化合物層の成膜の最終段階でZn、MnとGeを添加して、Zn(第1グループ)、Mn(第2グループ)及びGe(第3グループ)を含む約5nm厚の混合領域を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
混合領域の厚さが1nmになるように、亜酸化銅化合物層の成膜の最終段階でのMn添加の時期及び拡散条件を変更すること以外は、実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
混合領域の厚さが10nmになるように、亜酸化銅化合物層の成膜の最終段階でのMn添加の時期及び拡散条件を変更すること以外は、実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
混合領域の厚さが20nmになるように、亜酸化銅化合物層の成膜の最終段階でのMn添加の時期及び拡散条件を変更すること以外は、実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
Mnを最終段階に添加した亜酸化銅化合物層上に、Cuを主体とし、Zn、Mn及びGeを微量添加させた5nm厚の混合層を形成し、Zn及びGeを混合層及びn型層から拡散させて、混合領域(Zn(第1グループ)、Mn(第2グループ)及びGe(第3グループ)を含む)と混合層(Zn(第1グループ)、Mn(第2グループ)及びGe(第3グループ)を含む)を含む光電変換層を形成すること以外は、実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
Mnを最終段階に添加せずに亜酸化銅化合物層を成膜し、亜酸化銅化合物層上にCuを主体とし、Zn、Mn及びGeを微量添加させた5nm厚の混合層を形成して、混合領域がなく、混合層(Zn(第1グループ)、Mn(第2グループ)及びGe(第3グループ)を含む)を含む光電変換層を形成すること以外は、実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
光電変換層上にn型層として、Zn、Sn及びSiを含む金属酸化物層を堆積し、Zn、Sn及Siを光電変換層へ拡散させてZn及びSn(第1グループ)、Mn(第2グループ)及びSi(第3グループ)を含む約5nm厚の混合領域を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
光電変換層上にn型層として、Sn及びSiを含む金属酸化物層を堆積し、Sn及Siを光電変換層へ拡散させてSn(第1グループ)、Mn(第2グループ)及びSi(第3グループ)を含む約5nm厚の混合領域を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
光電変換層上にn型層として、Sn、Ge及びSiを含む金属酸化物層を堆積し、Sn、Ge及Siを光電変換層へ拡散させてSn(第1グループ)、Mn(第2グループ)及びGe及びSi(第3グループ)を含む約5nm厚の混合領域を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
光電変換層上にn型層として、Zn、Sn、Ge及びSiを含む金属酸化物層を堆積し、Zn、Sn、Ge及Siを光電変換層へ拡散させてZn及びSn(第1グループ)、Mn(第2グループ)及びGe及びSi(第3グループ)を含む約5nm厚の混合領域を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
Mnを最終段階に添加せずに亜酸化銅化合物層を成膜し、Zn及Geを光電変換層へ拡散させてZn(第1グループ)及びGe(第3グループ)を含む約5nm厚の混合領域(第2グループの元素は含有しない)を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
Mnを最終段階に添加した亜酸化銅化合物層上に、Cuを主体とし、Zn及びMnを微量添加させた5nm厚の混合層を形成し、光電変換層上にn型層として、ZnOを金属酸化物層として堆積し、Znを光電変換層へ拡散させてZn(第1グループ)及びMn(第2グループ)を含む約5nm厚の混合領域(第3グループの元素は含有しない)を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
Mnを最終段階に添加せずに成膜した亜酸化銅化合物層上に、Cuを主体とし、Znを微量添加させた5nm厚の混合層を形成し、光電変換層上にn型層として、ZnOを金属酸化物層として堆積し、Znを光電変換層へ拡散させてZn(第1グループ)を含む約5nm厚の混合領域(第2グループ及び第3グループの元素は含有しない)を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
光電変換層上にn型層として、GeOを金属酸化物層として堆積し、Geを光電変換層へ拡散させてMn(第2グループ)及びGe(第3グループ)を含む約5nm厚の混合領域(第1グループの元素は含有しない)を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
光電変換層上にn型層として、酸化チタン層を堆積し、Mn(第2グループ)を含む約5nm厚の混合領域(第1、第3グループの元素は含有しない)を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
Mnを最終段階に添加せずに亜酸化銅化合物層を成膜し、GeOを金属酸化物層として堆積し、Geを光電変換層へ拡散させてGe(第3グループ)を含む約5nm厚の混合領域(第1グループ及び第2グループの元素は含有しない)を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
Mnを最終段階に添加せずに成膜した亜酸化銅化合物層上に、Cuを主体とし、ZnとGeを微量添加させた5nm厚の混合層を形成し、光電変換層上にn型層として、ZnとGeを含む金属酸化物層として堆積し、Zn及びGeを光電変換層へ拡散させず、Zn(第1グループ)とGe(第3グループ)を含む約5nm厚の混合領域(第2グループの元素は含有しない)を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
光電変換層上にn型層として、Mg及びGeを含む金属酸化物層を堆積し、Mg及びGeを光電変換層へ拡散させてMg(いずれのグループにも属さない)、Mn(第2グループ)及びGe(第3グループ)を含む約5nm厚の混合領域(第1グループの元素は含有しない)を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
光電変換層上にn型層として、Zn及びSbを含む金属酸化物層を堆積し、Zn及びSbを光電変換層へ拡散させてZn(第1グループ)、Mn(第2グループ)及びSb(いずれのグループにも属さない)を含む約5nm厚の混合領域(第3グループの元素は含有しない)を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
亜酸化銅化合物層の成膜の最終段階でWを添加して、Zn(第1グループ)、Ge(第3グループ)及びW(いずれのグループにも属さない)を含む約5nm厚の混合領域(第2グループの元素は含有しない)を形成すること以外は実施例1と同様に太陽電池を作製し、評価する。
全ての実施例において、第1グループの元素の平均濃度である濃度aと、銅元素の平均濃度である濃度dは、0.000001<a/d<0.1を満たし、第2グループの元素の平均濃度である濃度bと濃度dは、0.0000001<b/d<0.1を満たし、第3グループの元素の平均黄土である濃度cと濃度dは、0.000001<c/d<0.001を満たす。
明細書中、一部の元素は、元素記号のみで表している。
Claims (8)
- 透明な第1電極と、
前記第1電極上に亜酸化銅を主体とする光電変換層と、
前記光電変換層上に、n型層と、
前記n型層上に透明な第2電極とを有し、
前記光電変換層の前記n型層側には、混合領域又は/及び混合層が存在し、
前記混合領域及び前記混合層は、第1グループ、第2グループ及び第3グループの元素を含み、
前記第1グループは、Zn及びSnからなる群より選ばれる1種以上の元素であり、
前記第2グループは、Y、Sc、V、Cr、Mn、Fe、Ni、Zr、B、Al、Ga、Nb、Mo、F、Cl、Br及びIからなる群より選ばれる1種以上の元素であり、
前記第3グループは、Ge及びSiからなる群より選ばれる1種以上の元素であり、
前記混合領域及び前記混合層中の前記第1グループの元素の平均濃度を濃度aとし、
前記混合領域及び前記混合層中の前記第2グループの元素の平均濃度を濃度bとし、
前記混合領域及び前記混合層中の前記第3グループの元素の平均濃度を濃度cとし、
前記濃度a、前記濃度b及び前記濃度cは、a+b>cを満たし、
前記濃度a及び前記濃度cは、c/a<1を満たす太陽電池。 - 前記濃度a、前記濃度b及び前記濃度cは、c<a+b<100cを満たす請求項1に記載の太陽電池。
- 前記濃度a及び前記濃度cは、c<a<100cを満たす請求項1又は2に記載の太陽電池。
- 前記n型層は、ZnとSnの少なくともどちらか一方及びGeとSiの少なくともどちらか一方を含む金属酸化物層である請求項1ないし3のいずれか1項に記載の太陽電池。
- 前記第1電極側の前記光電変換層に含まれる前記第1グループ、前記第2グループ及び前記第3グループの元素の平均濃度は前記濃度a、前記濃度b及び前記濃度cよりも小さい請求項1ないし4のいずれか1項に記載の太陽電池。
- 請求項1ないし5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ないし5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7に記載の太陽電池モジュールを用いて発電する太陽光発電システム。
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