JPWO2020059053A1 - 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
(第1実施形態)
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側いずれから入射できるように、両電極が透明電極であることが好ましい。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。
p電極1は、可視光に対して、光透過性を有する電極である。p電極1は、p型光吸収層2と直接的に接した電極である。p電極1には、酸化物透明導電膜などの透明電極を用いることが好ましい。基板がp電極1側に設けられている場合、p電極1は、基板とp型光吸収層2の間に存在する層である。このとき、p電極1は、基板とp型光吸収層2と直接接している。
p型光吸収層2は、p型の半導体層である。p型光吸収層2はp電極1とn型層3との間に配置される。p型光吸収層2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。以下、明細書では、Cuを主成分とする金属の酸化物をp型光吸収層2として用いた太陽電池をCu2O太陽電池する。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2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2のp電極1側にはSi、Ge及びNのうちのいずれか1種以上のp型ドーパントが高濃度に分散したp+型領域2aを含むため、p型光吸収層2は、局所的にp型ドーパントを含む。p型光吸収層2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2は、CuaMbOcで表される酸化物の層である。Mは、Si、Ge、N、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。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/cm3以下が好ましい。
p型光吸収層2のp電極1側における再結合を抑制するために、p型光吸収層2は、p電極1側にp+型領域2aを含む。p+型領域2aは、局所的にp型ドーパントを高濃度に含む領域である。p型ドーパントとしては、Si、Ge及びNからなる群より選ばれる1種以上の元素が挙げられる。p型ドーパントとしては、Si及びGeからなる群より選ばれる1種以上の元素を含むことが好ましい。p+型領域2aは、p型光吸収層2のp電極1側に存在する領域である。p型吸収層2とp電極1の界面(起点)からn型層3方向に10nmから100nm(終点)までの領域(p型吸収層2とp電極1の界面(起点)からn型層3方向に最小10nmから最大100nm(終点)までの領域)がp+型領域2aである。p型吸収層2とp電極1の界面(起点)からn型層3方向に30nmから70nm(終点)までの領域(p型吸収層2とp電極1の界面(起点)からn型層3方向に最小30nmから最大70nm(終点)までの領域)がp+型領域であることが好ましい。p+型領域2aは、p型光吸収層2中に含まれる領域である。
図2は、n電極側から光照射した場合における、Cu2O太陽電池の模式的なバンド図(a)と、各波長に対する分光感度A/W(光電流/光強度)(b)を示す。ここで、p電極1はAu電極と透明電極のいずれでもよく、n電極4は透明電極である。
次に、図3は、p電極1側から光照射した場合における、Cu2O太陽電池の模式的なバンド図(a)と、各波長に対する分光感度(b)を示す。ここで、p電極1とn電極4はいずれも透明電極である。
Cu2O太陽電池では、n電極4側とp電極1側から光照射する場合で程度は異なるが、上記説明の通り、いずれの場合もp電極1表面での再結合により短絡電流の低下が生じる。Cu2Oのp電極1表面近傍にp型ドーパントを高ドープすると、再結合を抑えて、短絡電流を増加すること、すなわち効率を改善することが可能になる。図4は、p電極1表面近傍にp型ドーパントを高ドープした場合の、Cu2O太陽電池の模式的なバンド図(a)と、各波長に対する分光感度(b)を示す。
なお、図6の太陽電池101の断面図に示すように、実施形態の太陽電池100、101において、上述した再結合をさらに抑制するために、パッシベーション層2bが配置されていることがより好ましい。パッシベーション層2bは、間隙を有する絶縁層である。実施形態のパッシベーション層2bは、太陽電池100を構成する層の積層方向において、p電極1とp型光吸収層2の間に存在する絶縁層で、一部でp電極1とp型光吸収層2が接するように不連続な形状を有する。つまり、パッシベーション層2bの上面及び側面は、p型光吸収層2と直接的に接し、パッシベーション層2bの下面は、p電極1と直接的に接している。パッシベーション層2bの側面の少なくとも一部は、p型光吸収層2のp+型領域2aと直接的に接していることが好ましい。
n型層3は、n型の半導体層である。n型層3は、p型光吸収層2とn電極4との間に配置される。n型層3は、p型光吸収層2のp電極1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)AxOy(A=Si、Ge、Sn)、Cu(2−x)MxO(M=Mn、Mg、Ca、Zn、Sr、Ba)、Al(2−x)GaxO3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、ZnxIn(2−2x)S(3−2x)、ZnS、InxGa(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)AxOy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電極4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4とp型光吸収層2によってn型層3を挟んでいる。n型層3とn電極4の間には、図示しない中間層を設けることができる。n電極4には、酸化物透明導電膜を用いることが好ましい。n電極4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)、チタンドープ酸化インジウム(Titanium-doped Indium Oxide:ITiO)や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:In2O3)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。
第2実施形態は、多接合型太陽電池に関する。図7に第2実施形態の多接合型太陽電池の断面概念図を示す。図7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3実施形態は、太陽電池モジュールに関する。図8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8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10に実施形態の太陽光発電システム400の構成図を示す。図10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(Antimony−doped Tin Oxide)透明導電膜を堆積する。p電極上には、室温、酸素、アルゴンガス雰囲気中でスパッタリング法により2nm程度のSiOx薄膜を成膜する。その後、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。更に、室温でCVD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。
実施例2の太陽電池は、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(Antimony−doped Tin Oxide)透明導電膜を堆積する。p電極上には、室温、酸素、アルゴンガス雰囲気中でスパッタリング法により2nm程度のSiOxNy薄膜を成膜する。その後、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。更に、室温でCVD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。
実施例3の太陽電池は、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(Antimony−doped Tin Oxide)透明導電膜を堆積する。p電極上には、室温、酸素、アルゴンガス雰囲気中でスパッタリング法により2nm程度のSiGexOy薄膜を成膜する。その後、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。更に、室温でCVD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。
実施例4の太陽電池は、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(Antimony−doped Tin Oxide)透明導電膜を堆積する。p電極上には、室温、酸素、アルゴンガス雰囲気中でスパッタリング法によりSiGexOyNz薄膜を成膜する。その後、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。更に、室温でCVD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。Ge/(Zn+Ge)組成比は、0.5乃至3の範囲が望ましく、1乃至2がより好ましい。
実施例5の太陽電池は、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(Antimony−doped Tin Oxide)透明導電膜を堆積する。p電極上には、パッシベーション層として部分的にコンタクトホールの開いたHfOx層を形成する(パッシベーション層の作製法の一例:p電極上にフォトレジストを塗布し、パターニングして、コンタクホール部分にレジストを残す。その後全面にHfOxをスパッタ成膜し、次にレジストを溶剤で溶かしてHfOx層をリフトオフすることで、部分的にコンタクトホールが空いたHfOx層を形成)。
p電極と接する側の光吸収層にSiとNを高ドープし、さらにパッシベーション層でp電極とp層のコンタクト面積を減じることで、p電極表面での再結合が一層抑制されて、短絡電流が改善する。n電極側から光が入射した場合は、p+型領域を形成しない場合(SiOxNy薄膜を形成しない場合)と比べて、短絡電流、FF(フィルファクター)、Vが向上し、変換効率が1.4倍に改善する。p電極側から光が入射した場合は、p+型領域を形成しない場合(SiOxNy薄膜を形成しない場合)と比べて、短絡電流が向上し、変換効率が1.7倍に改善する。
参考例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接着層としてTiを堆積し、次にTi上にAuを堆積する。p電極上には、室温、酸素、アルゴンガス雰囲気中でスパッタリング法によりSiOx薄膜を成膜する。その後、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。更に、室温でCVD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。Ge/(Zn+Ge)組成比は、0.5乃至3の範囲が望ましく、1乃至2がより好ましい。
p電極と接する側の光吸収層にSiを高ドープすることで、p電極表面での再結合が抑制されて、短絡電流が改善する。
実施例6の太陽電池は、実施例1の太陽電池をタンデム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。
タンデム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、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。
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)
- p電極と、
前記p電極と直接的に接したp型光吸収層と、
n型層と、
n電極と、を有し、
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p型吸収層と前記p電極の界面から前記n型層方向に10nmから100nmまでの領域はp型ドーパントを含むp+型領域である太陽電池。 - 前記p型ドーパントは、Si、Ge及びNからなる群より選ばれる1種以上の元素である請求項1に記載の太陽電池。
- 前記p+型領域中の前記p型ドーパントの最高濃度は、5.0×1019atoms/cm3以上1.0×1021atoms/cm3以下である請求項1又は2に記載の太陽電池。
- 前記p+型領域中の前記p型ドーパントの最低濃度は、1.0×1018atoms/cm3以上5.0×1018atoms/cm3以下である請求項1ないし3のいずれか1項に記載の太陽電池。
- 前記p+型領域中の前記p型ドーパントの平均濃度は1.0×1019atoms/cm3以上1.0×1020atoms/cm3以下である請求項1ないし4のいずれか1項に記載の太陽電池。
- p型ドーパントの最高濃度となる位置は、前記p+型領域の前記p界面側に存在し、
p型ドーパントの最低濃度となる位置は、p+型領域のn型層3側に存在する請求項1ないし5のいずれか1項に記載の太陽電池。 - 前記p+型領域中の前記p型ドーパントの平均濃度は、前記p+型領域中の前記p型ドーパントの最低濃度の5倍以上100倍以下であり、
前記p+型領域中の前記p型ドーパントの最高濃度は、前記p+型領域の前記p型ドーパントの平均濃度の5倍以上100倍以下であり、
前記p+型領域中の前記p型ドーパントの最高濃度は、前記p+型領域の前記p型ドーパントの最低濃度の25倍以上1000倍以下である請求項1ないし6のいずれか1項に記載の太陽電池。 - 前記p+型領域中の前記p型ドーパントの平均濃度は、前記p+型領域中の前記p型ドーパントの最低濃度の10倍以上100倍以下であり、
前記p+型領域中の前記p型ドーパントの最高濃度は、前記p+型領域の前記p型ドーパントの平均濃度の10倍以上100倍以下であり、
前記p+型領域中の前記p型ドーパントの最高濃度は、前記p+型領域の前記p型ドーパントの最低濃度の100倍以上1000倍以下である請求項1ないし7のいずれか1項に記載の太陽電池。 - 前記p型光吸収層の厚さは、1,000nm以上10,000nm以下である請求項1ないし8のいずれか1項に記載の太陽電池。
- 前記p電極とp型光吸収層の間にメッシュ状、ドット状又はライン状の絶縁膜が配置される請求項1ないし9のいずれか1項に記載の太陽電池。
- 前記p電極からn電極に向かう方向において、前記絶縁膜と前記p型光吸収層が接している面積は、前記絶縁膜と前記p型光吸収層が接している前記面積と前記p型光吸収層と前記p電極が接している面積の和の80%以上95%以下である請求項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12又は13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。
- 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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