JPWO2019146119A1 - 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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Abstract
Description
厚膜型Cu2O太陽電池は、厚さ0.1mm以上0.2mm以下程度の銅箔を電気炉中で熱酸化してCu2O厚膜シートを作製し、片面にn型層と透明電極(光透過性n電極)を順次積層し、もう片面には光学的に不透明なAu電極(非透過性p電極)を形成して素子化したものである。これに対して、薄膜型Cu2O太陽電池は、ガラス基板上にAu電極(p電極)を形成した後、厚さ1μm以上5μm以下程度のCu2O薄膜(p層)、n型層、透明電極を順次成膜して素子化したものである。
(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、p電極1と、p型光吸収層2と、n型層3と、n電極4を有する。n型層3とn電極4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4側、p電極1側いずれから入射しても良いが、n電極4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1側又はn電極4側に設けられてもよい。
第2実施形態は、太陽電池に関する。図6に、第1実施形態の太陽電池101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、p電極1と、p型光吸収層2と、n型層3と、n電極4を有する。p型光吸収層2には、Sn、Sbのうち少なくとも一方の元素とCuを含む酸化物が含まれる酸化物領域5が存在することが、第1実施形態の太陽電池100とは異なる。酸化物領域5以外は、第1実施形態の太陽電池100と第2実施形態の太陽電池101は共通する。第1実施形態の太陽電池100と第2実施形態の太陽電池101の共通することについては説明を省略する。
第3実施形態は、多接合型太陽電池に関する。図8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8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(101)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2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4実施形態は、太陽電池モジュールに関する。図9に第4実施形態の太陽電池モジュール300の斜視図を示す。図9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5実施形態は太陽光発電システムに関する。第4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11に実施形態の太陽光発電システム400の構成図を示す。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。
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、可視光に対して不透明な、非光透過性太陽電池の例である。ガラス基板上に、裏面側の積層タイプのp電極として、ガラスと接する側にAl膜を堆積し、次にAl上にATO(Antimony-doped Tin Oxide)透明導電膜を堆積する。不透明なp電極上に酸素、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Cu 2O光吸収層を成膜する。その後、室温でスパッタリング法により、n型層としてZnGeO酸化物を堆積し、表面側のn電極としてAZO透明導電膜を堆積する。
光吸収層と接する側のp電極にSnを主成分とするATO透明導電膜を用いることで、光吸収層との間で正孔に対して良好なオーミックコンタクトが得られ、開放電圧、フィルファクタが改善する。
比較例1の太陽電池は、可視光に対して不透明な、非光透過性太陽電池の例である。ガラス基板上に、裏面側の積層タイプのp電極として、ガラスと接する側にAl膜を堆積し、次に、Cu2O光吸収層と接する側にITO透明導電膜を堆積した。p電極以外は、先の実施例1と同じ構成である。発電特性を調べた結果、先の実施例1と比べて、開放電圧は半分以下に、フィルファクタは3分の2に減少した。
実施例2の太陽電池は、光吸収層と接しない層は可視光に対して透明な、光透過性太陽電池の例である。ガラス基板上に、裏面側の積層タイプのp電極として、ガラスと接する側にITO透明導電膜を堆積し、次にITO上にATO透明導電膜を堆積する。透明なp電極上に酸素、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Cu 2O光吸収層を成膜する。その後、室温でスパッタリング法により、n型層としてZnGeO酸化物を堆積し、表面側のn電極としてAZO透明導電膜を堆積する。
光吸収層と接する側のp電極にSnを主成分とするATO透明導電膜を用いることで、光吸収層との間で正孔に対して良好なオーミックコンタクトが得られ、開放電圧、フィルファクタが改善する。
比較例2の太陽電池は、可視光に対して透明な、光透過性太陽電池の例である。ガラス基板上に、裏面側の積層タイプのp電極として、ガラスと接する側にITO透明導電膜を堆積し、次に、Cu2O光吸収層と接する側にAZO膜を堆積した。p電極以外は、先の実施例2と同じ構成である。発電特性を調べた結果、先の実施例1と比べて、開放電圧、フィルファクタともに半分以下に減少した。
AZOは、主成分がZnからなる酸化物である。従って、Cu2Oに対して良好なpコンタクトを得るには、Cu2Oと接する側のp電極として、Snを主成分とする酸化物が必要なことが確かめられた。
実施例3の太陽電池は、光吸収層と接しない層は可視光に対して透明な、光透過性太陽電池の例である。ガラス基板上に、裏面側の積層タイプのp電極として、ガラスと接する側にITO透明導電膜を堆積し、次にITO上にATO透明導電膜を堆積する。透明なp電極上に酸素、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CuとSbを両方含む酸化物層を堆積し、次いでCu2O光吸収層を成膜する。
その後、室温でスパッタリング法により、n型層としてZnGeO酸化物を堆積し、表面側のn電極としてAZO透明導電膜を堆積する。
光吸収層と接する側のp電極にSnを主成分とするATO透明導電膜を用いることで、光吸収層との間で正孔に対して良好なオーミックコンタクトが得られ、実施例1乃至2と比較して、開放電圧、フィルファクタがさらに改善する。
実施例4の太陽電池は、光吸収層と接しない層は可視光に対して透明な、光透過性太陽電池の例である。ガラス基板上に、裏面側の積層タイプのp電極として、ガラスと接する側にITO透明導電膜を堆積し、次にITO上にNTO(Niobuim-doped Tin Oxide)透明導電膜を堆積する。透明なp電極上に酸素、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、室温でスパッタリング法により、n型層としてZnGeO酸化物を堆積し、表面側のn電極としてAZO透明導電膜を堆積する。
光吸収層と接する側のp電極にSnを主成分とするNTO透明導電膜を用いることで、光吸収層との間で正孔に対して良好なオーミックコンタクトが得られ、開放電圧、フィルファクタが改善する。
実施例5の太陽電池は、光吸収層と接しない層は可視光に対して透明な、光透過性太陽電池の例である。ガラス基板上に、裏面側の積層タイプのp電極として、ガラスと接する側にAZO透明導電膜を堆積し、次にAZO上にATO透明導電膜を堆積する。透明なp電極上に酸素、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Cu 2O光吸収層を成膜する。その後、室温でスパッタリング法により、n型層としてZnGeO酸化物を堆積し、表面側のn電極としてAZO透明導電膜を堆積する。
光吸収層と接する側のp電極にSnを主成分とするATO透明導電膜を用いることで、光吸収層との間で正孔に対して良好なオーミックコンタクトが得られ、開放電圧、フィルファクタが改善する。
実施例6の太陽電池は、光吸収層と接しない層は可視光に対して透明な、光透過性太陽電池の例である。ガラス基板上に、裏面側の積層タイプのp電極として、ガラスと接する側に水素ドープ酸化インジウム透明導電膜を堆積し、この膜の上にATO透明導電膜を堆積する。透明なp電極上に酸素、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、室温でスパッタリング法により、n型層としてZnGeO酸化物を堆積し、表面側のn電極としてAZO透明導電膜を堆積する。
光吸収層と接する側のp電極にSnを主成分とするATO透明導電膜を用いることで、光吸収層との間で正孔に対して良好なオーミックコンタクトが得られ、開放電圧、フィルファクタが改善する。
実施例7の太陽電池は、光吸収層と接しない層は可視光に対して透明な、光透過性太陽電池の例である。p電極、及びn型層、n電極は実施例2と同様だが、光吸収層の組成が異なる。
実施例7の光吸収層は、Cuの他にAgを含む酸化物であり、透明なp電極上に酸素、アルゴンガス雰囲気中でスパッタリング法により480℃で加熱して成膜される。
光吸収層には、Cuを主成分とする酸化物を用い、さらに光吸収層と接する側のp電極にSnを主成分とするATO透明導電膜を用いることで、光吸収層との間で正孔に対して良好なオーミックコンタクトが得られ、開放電圧、フィルファクタが改善する。
実施例8の太陽電池は、実施例2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2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%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。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%、多接合型太陽電池として効率29%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、6…基板、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 (16)
- 第1p電極と第2p電極が積層したp電極と、
前記第1p電極と直接的に接したp型光吸収層と、
前記p型光吸収層と直接的に接したn型層と、
n電極と、を有し、
前記p型光吸収層と前記第2p電極の間に前記第1p電極が配置され、
前記n型層と前記第1p電極との間に前記p型光吸収層が配置され、
前記p型光吸収層と前記n電極との間に前記n型層が配置され、
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1又は2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1ないし3のいずれか1項に記載の太陽電池。 - 前記p型光吸収層と前記第1p電極との界面から前記n型層の方向に向かって1000nmの深さまでの前記p型光吸収層中に、Cu及びSn,Cu及びSb,又は、Cu,Sn及びSbを含む金属の酸化物が含まれる酸化物領域が存在する請求項1ないし4のいずれか1項に記載の太陽電池。
- 前記酸化物領域中には、SnとSbの合計体積濃度が1015atoms/cm3以上の領域が存在する請求項5に記載の太陽電池。
- 前記第2p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6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1ないし7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1ないし8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1ないし9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。 - 請求項1ないし11のいずれか1項に記載の太陽電池と、
請求項1ないし11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11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12に記載の多接合型太陽電池。
- 請求項1ないし11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11のいずれか1項に記載の太陽電池と、請求項1ないし11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。
- 請求項14又は15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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