WO2013051519A1 - 薄膜太陽電池モジュール及び薄膜太陽電池モジュールの製造方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a thin film solar cell module using a semiconductor thin film as a photoelectric conversion layer and a method for manufacturing the thin film solar cell module.
- a thin film solar cell module As a general structure of a thin film solar cell module, it consists of a transparent insulating substrate such as glass, a transparent conductive layer serving as an electrode, a photoelectric conversion layer composed of a semiconductor thin film, and an electrode layer on the back surface.
- a photoelectric conversion layer made of a semiconductor thin film each semiconductor layer containing silicon as a main component is laminated in the order of a p-type semiconductor layer, an i-type semiconductor layer, and an n-type semiconductor layer from the side close to the transparent conductive layer. It is made up of.
- As a form of silicon there are those using amorphous silicon or microcrystalline silicon, and there is also a so-called tandem type in which the configurations of both are stacked in series.
- This photoelectric conversion layer is required to be as thin as possible for the following reasons.
- the productivity can be increased, the open circuit voltage V oc and the fill factor FF at the time of photoelectric conversion which is a proportional coefficient of the photoelectric conversion efficiency can be increased, and the photodegradation phenomenon in which the photoelectric conversion efficiency decreases by irradiating light can be reduced. Etc.
- the photoelectric conversion efficiency is proportional to the amount of light absorption. If the photoelectric conversion layer is simply made thin, the amount of light absorption decreases accordingly. As a result, the photoelectric conversion efficiency is lowered and sufficient photoelectric conversion efficiency is obtained. Cannot be obtained.
- Non-Patent Document 1 Non-Patent Document 1
- Patent Document 1 discloses that the back electrode is a transparent conductive layer, and a dielectric layer having a high reflectivity is disposed on the back side to increase the amount of light absorption.
- the surface is corrugated as the surface is waved while the transparent conductive layer and the semiconductor thin film are sequentially laminated on the transparent insulating substrate. Even if the light transmitted to the back electrode layer is returned to the photoelectric conversion layer again using high-rate silver or aluminum, the reflection of the back electrode layer due to the large light absorption of silver or aluminum. Compared with the case where the rate is flat, the effect is lowered and the effect becomes insufficient.
- the dielectric layer having a high reflectance is white and has a scattering reflectance, but the reflectance is not sufficient.
- the fact that it is scattered and reflective has a reflection characteristic that the reflected light is called Lambert reflection, and the brightness of the surface viewed from the observer is the same regardless of the angle of the observer's viewpoint. In other words, since the light incident on the dielectric layer is scattered and reflected in all directions, the reflected light cannot be efficiently incident on the photoelectric conversion layer.
- an object of the present invention is to provide a thin film solar cell module having high photoelectric conversion efficiency and a method for manufacturing the thin film solar cell module by efficiently returning reflected light to the photoelectric conversion layer.
- a transparent insulating substrate, a first transparent conductive layer, a semiconductor thin film photoelectric conversion layer, and a second transparent conductive layer are laminated in this order,
- it is composed by stacking,
- a thin-film solar cell module wherein the surface of the substrate is a flat surface.
- a transparent insulating substrate, a first transparent conductive layer, a semiconductor thin film photoelectric conversion layer, and a second transparent conductive layer are laminated in this order
- the base material of the reflective substrate has a period of 16 ⁇ m or more, and has an uneven shape of a V-shaped groove or a quadrangular pyramid, In the V-shaped groove or the quadrangular pyramid, the angle formed by two opposing surfaces is 120 to 145 degrees.
- the thin film solar cell module according to (1) or (2), wherein the arithmetic average roughness Ra of the surface of the base material of the reflective substrate on which the metal reflective layer is formed is 10 nm or less.
- the transparent insulating layer is a transparent insulating adhesive layer having adhesiveness.
- the metal reflective layer of the reflective substrate is made of a metal mainly composed of silver.
- one or more water vapor barrier layers are provided on a surface of the metal reflective layer of the reflective substrate.
- the transparent insulating adhesive layer is made of polyvinyl butyral resin.
- the thin film solar cell module according to (4), wherein the transparent insulating adhesive layer is made of ethylene vinyl acetate resin.
- the second transparent conductive layer is made of an oxide containing zinc oxide as a main component.
- the thin film solar cell module according to any one of (1) to (15), wherein an auxiliary electrode is provided on the second transparent conductive layer.
- a first transparent conductive layer, a semiconductor thin film photoelectric conversion layer, and a second transparent conductive layer are formed in this order;
- the surface is a flat surface, or the surface has a period of 16 ⁇ m or more and has a V-shaped groove or quadrangular pyramid uneven shape, and the angle formed by two faces facing each other in the V-shaped groove or quadrangular pyramid is 120 degrees to 145
- a thin-film solar cell module wherein a metal reflective layer formed on a surface of a back substrate made of metal, plastic, or glass is bonded with a transparent insulating adhesive layer Manufacturing method.
- the metal reflective layer is formed on the surface of the base of the reflective substrate on the transparent insulating layer side, and is laminated so that the metal reflective layer faces the second transparent conductive layer across the transparent insulating layer.
- the light intensity in the photoelectric conversion layer is not affected by the unevenness of the second transparent conductive layer, and the amount of light absorbed by the photoelectric conversion layer is increased, so that the thin film has high power generation efficiency.
- a method for manufacturing a solar cell module and a thin film solar cell module can be provided.
- the thin film solar cell module of each embodiment of the present invention will be described in detail below.
- the thin film solar cell module of this invention is not limited to the thin film solar cell module of each following embodiment,
- the manufacturing method is not limited to this. ⁇ First Embodiment> First, the structure of the thin film solar cell module of 1st Embodiment of this invention is demonstrated using FIG.1 and FIG.2.
- FIG. 1 shows a schematic diagram of a cross section of the thin film solar cell module of the present invention.
- the transparent insulating substrate 11 On the transparent insulating substrate 11, the first transparent conductive layer 12, the semiconductor thin film photoelectric conversion layer 13, and the second transparent conductive layer 14 are formed in this order, and the base material is metal, plastic, or glass.
- the transparent insulating substrate 11 is made of a material having high transmittance and insulating properties, but usually a transparent glass substrate is preferably used from the viewpoint of weight, strength, heat resistance, and weather resistance.
- a transparent glass substrate is preferably used from the viewpoint of weight, strength, heat resistance, and weather resistance.
- the transmittance it is preferable that the transmittance of light having a wavelength of 350 to 1200 nm is 80% or more for use in a solar cell module using sunlight.
- a transparent glass plate made of colorless and transparent soda lime glass, aluminosilicate glass, lithium aluminosilicate glass, quartz glass, borosilicate glass, alkali-free glass, and other various glasses can be used.
- soda lime glass is usually preferably used from the viewpoint of cost.
- the soda-lime glass substrate is preferably one having a lower iron oxide content than that used in general buildings so that the transmittance is higher, and particularly preferably 0.05 wt% or less. .
- the thickness of the transparent insulating substrate 11 is preferably 0.2 to 6.0 mm when a glass substrate is used. Within this range, the glass substrate has high strength and high transmittance.
- the shape of the transparent insulating substrate 11 is generally a flat plate, but is not limited to this in the present invention, and may be a plate having a curved surface.
- the transparent insulating substrate 11 desirably has high chemical and physical durability. A glass substrate subjected to air-cooling strengthening or chemical strengthening is a preferable example in terms of strength.
- the transparent insulating substrate 11 preferably has a low reflection layer formed on the light incident side surface.
- the low reflection layer include layers made of porous silicon oxide, hollow silicon oxide, and magnesium fluoride having a low refractive index.
- a method of obtaining a low reflection effect by forming a fine intermediate refractive index layer by forming a fine uneven shape on the surface of the transparent insulating substrate is also a preferred method.
- an alkali barrier layer such as silicon oxide or a mixture of silicon oxide and tin oxide is formed on the surface of the transparent insulating substrate 11.
- the thickness of the alkali barrier layer is preferably 20 to 100 nm.
- a first transparent conductive layer 12 is formed on the transparent insulating substrate 11.
- the material of the first transparent conductive layer 12 tin-added indium oxide, boron-added zinc oxide, aluminum-added zinc oxide, and fluorine-added tin oxide are preferable from the viewpoints of transmittance, conductivity, and hydrogen resistance.
- fluorine-added tin oxide is more preferable because it has a high transmittance of light having a wavelength of 400 nm or less.
- the film formation method of the first transparent conductive layer 12 sputtering, atmospheric pressure CVD, and reduced pressure CVD are used. From the viewpoint of film formation speed and cost, atmospheric pressure CVD is preferable, From the viewpoint of transmittance and sheet resistance, a low pressure CVD method is preferably used.
- the sheet resistance of the first transparent conductive layer 12 is preferably 10 ⁇ / ⁇ or less from the viewpoint of power generation efficiency of the thin film solar cell module, and more preferably 5 ⁇ / ⁇ or less.
- the method of increasing the thickness of the first transparent conductive layer 12 and the carrier concentration of electrons or holes contained in the first transparent conductive layer 12 are increased.
- the thickness of the first transparent conductive layer 12 the sheet resistance decreases as the thickness increases, and the transmittance also decreases. Therefore, the thickness may be in the range of 100 to 1500 nm from the viewpoint of sheet resistance and transmittance. preferable.
- the carrier concentration of electrons or holes contained in the first transparent conductive layer 12 decreases as the concentration increases, while the absorption rate of light having a wavelength of 800 nm or more increases due to an effect called free carrier absorption. ,
- the transmittance tends to decrease. Therefore, from the viewpoint of sheet resistance and transmittance of light having a wavelength of 800 nm or more, it is preferably in the range of 5 ⁇ 10 19 to 1 ⁇ 10 22 / cm 3 .
- the mobility of carriers of electrons or holes contained in the first transparent conductive layer 12 the higher the mobility, the lower the sheet resistance. From the viewpoint of sheet resistance, 30 cm 2 / (V ⁇ s) The above is preferable.
- the light transmittance of the first transparent conductive layer 12 is preferably high for light having a wavelength in this range since the sensitivity of the thin film semiconductor photoelectric conversion layer is 400 to 1200 nm, specifically, 80% or more. It is preferable to have a transmittance of
- the surface of the first transparent conductive layer 12 on the semiconductor thin film photoelectric conversion layer 13 side has an uneven structure.
- the semiconductor thin film photoelectric conversion layer 13 has an anchor effect that does not peel from the first transparent conductive layer 12.
- one having a pseudo intermediate refractive index effect is preferable.
- what has the effect of confining incident light efficiently in a thin film solar cell module is preferable.
- a film of fluorine-added tin oxide is formed by atmospheric pressure CVD, or a film of boron-added zinc oxide is formed by low pressure CVD.
- a method of naturally forming due to variations in growth rate There is also a method in which aluminum-added zinc oxide is formed by sputtering after film formation by sputtering.
- the refractive index of the transparent insulating substrate 11 and the refractive index of the first transparent conductive layer 12 are greatly different, light is reflected at the interface between the transparent insulating substrate 11 and the first transparent conductive layer 12, and the photoelectric It is preferable to provide a low-reflection intermediate layer at the interface because it causes a loss that is not used for conversion.
- a low reflection intermediate layer soda lime glass is used for the transparent insulating substrate 11, a 5 to 20 nm titanium oxide layer is formed thereon, and a 15 to 40 nm silicon oxide layer is formed thereon.
- a layer in which a tin oxide layer having a thickness of 300 to 1500 nm is formed as the first transparent conductive layer 12 can be used.
- the refractive index of the first transparent conductive layer 12 and the refractive index of the semiconductor thin film photoelectric conversion layer 13 are greatly different, light reflection at the interface between the first transparent conductive layer 12 and the semiconductor thin film photoelectric conversion layer 13 is performed. It is preferable to have a low-reflection intermediate layer at the interface so that becomes small.
- a low reflection intermediate layer conductive titanium oxide of 30 to 80 nm is formed on the first transparent conductive layer 12 formed using tin oxide, and silicon is the main component thereon. And a semiconductor thin film photoelectric conversion layer 13 formed thereon.
- niobium-added titanium oxide, tantalum-added titanium oxide, tin-added titanium oxide, or fluorine-added titanium oxide is used as the conductive titanium oxide.
- main component means containing 50% by mass or more.
- FIG. 2 shows a schematic diagram of a cross section of the semiconductor thin film photoelectric conversion layer.
- the semiconductor thin film photoelectric conversion layer 13 is formed by stacking a p-type semiconductor layer 21, an i-type semiconductor layer 22, and an n-type semiconductor layer 23. However, depending on the type of semiconductor, the i-type semiconductor layer may not be used. Further, a combination of a p-type semiconductor layer, an i-type semiconductor layer, and an n-type semiconductor layer is set as one set, and two or more sets including i-type semiconductor layers having different band gaps, that is, different absorption wavelength regions, are stacked in series. May be used.
- the semiconductor thin film photoelectric conversion layer 13 is made of a semiconductor containing silicon as a main component, amorphous silicon or microcrystalline silicon is generally used. Recently, a combination of amorphous silicon as an i-type semiconductor and a combination of microcrystalline silicon as an i-type semiconductor stacked in this order from the side closer to the first transparent conductive layer is more efficient. It is commonly used because it can absorb light well. As a method for forming the semiconductor thin film photoelectric conversion layer 13, a plasma CVD method is generally used.
- Silane gas is supplied as a raw material of silicon, a small amount of diborane gas or trimethylboron gas is supplied to the p-type semiconductor layer, and a small amount of phosphine gas is mixed as a doping gas to the n-type semiconductor layer and supplied to the deposition chamber.
- the respective layers are formed.
- the thickness of the semiconductor thin film photoelectric conversion layer 13 is from 0.15 to 0.35 ⁇ m when amorphous silicon is used for the i-type semiconductor, and from 0.8 when microcrystalline silicon is used for the i-type semiconductor. It is about 3.0 ⁇ m.
- the surface of the semiconductor thin film photoelectric conversion layer 13 on the second transparent conductive layer 14 side also has an uneven structure.
- the size and shape of the uneven structure those having an effect of efficiently confining the light reflected at the interface between the semiconductor thin film photoelectric conversion layer 13 and the second transparent conductive layer 14 in the thin film solar cell module are preferable.
- a method for forming an uneven structure having such an effect a film of fluorine-added tin oxide is formed by an atmospheric pressure CVD method, or a boron-added zinc oxide film is formed by a low pressure CVD method. There is a method of naturally forming due to variations in speed. There is also a method in which aluminum-added zinc oxide is formed by sputtering after film formation by sputtering.
- the second transparent conductive layer 14 is formed on the semiconductor thin film photoelectric conversion layer 13.
- a material of the second transparent conductive layer 14 tin-added indium oxide, boron-added zinc oxide, aluminum-added zinc oxide, gallium-added zinc oxide, or fluorine-added tin oxide is used.
- the semiconductor thin film photoelectric conversion layer 13 already formed is made of, for example, a semiconductor containing silicon as a main component, its characteristics may be impaired by heat treatment at 200 ° C. or higher.
- Boron-added zinc oxide or gallium-added zinc oxide can be used for the second transparent conductive layer 14, which can provide excellent characteristics in terms of transmittance and conductivity even when formed at a low temperature of 200 ° C. or lower. preferable.
- a sputtering method or a low pressure CVD method is used as a method for forming the second transparent conductive layer 14.
- a low pressure CVD method is used when boron-added zinc oxide is used, and a sputtering method is used when gallium-added zinc oxide is used. It is preferable to use it.
- the sheet resistance of the second transparent conductive layer 14 is preferably 10 ⁇ / ⁇ or less from the viewpoint of power generation efficiency of the thin film solar cell module, and more preferably 5 ⁇ / ⁇ or less.
- the method of increasing the thickness of the second transparent conductive layer 14 and the carrier concentration of electrons or holes contained in the second transparent conductive layer 14 are increased.
- the thickness may be in the range of 100 to 1500 nm from the viewpoint of sheet resistance and transmittance. preferable.
- the sheet resistance decreases as the concentration increases.
- the absorption rate of light having a wavelength of 800 nm or more is increased.
- the mobility of electrons or holes contained in the second transparent conductive layer 14 is preferably 30 cm 2 / (V ⁇ s) or higher because the higher the mobility, the lower the sheet resistance. .
- the film forming temperature for forming the second transparent conductive layer 14 must be a low temperature of 200 ° C. or lower so as not to impair the characteristics of the semiconductor thin film photoelectric conversion layer 13 immediately below. .
- the carrier concentration or mobility of electrons or holes contained in the second transparent conductive layer 14 cannot be sufficiently increased, and in order to obtain a preferable sheet resistance, the layer thickness must be made larger than the preferable range.
- the transmittance of the second transparent conductive layer 14 decreases, the amount of light absorbed by the semiconductor thin film photoelectric conversion layer 13 decreases, and the power generation efficiency of the thin film solar cell module decreases.
- an auxiliary electrode may be provided on the second transparent conductive layer 14 to lower the sheet resistance of the second transparent conductive layer 14.
- an auxiliary electrode there is one made of a conductive resin containing silver.
- a conductive paste containing silver is applied to the second transparent conductive layer 14 in a lattice shape, and then heat treatment is performed. The method of forming is mentioned.
- the light transmittance of the second transparent conductive layer 14 is such that most of the light with a wavelength of 500 nm or less is absorbed by the semiconductor thin film photoelectric conversion layer before reaching the layer, and therefore with respect to light with a wavelength of 500 nm or more. It is preferable that it has a transmittance of 80% or more.
- the back substrate 17 is made of metal, plastic, or glass as a base material, but glass is preferably used from the viewpoints of weight, strength, heat resistance, and weather resistance. Furthermore, from the viewpoint of cost, it is preferable to use soda lime glass, and glass containing aluminum is preferable from the viewpoint of weather resistance and the like. Thereby, since the back substrate 17 functions as an outer layer, it is not necessary to separately provide a structural layer as an outer layer.
- the back substrate 17 preferably has a smooth surface on the semiconductor thin film photoelectric conversion layer 13 side because the reflectance of the metal reflective layer 16 formed thereon can be increased. Specifically, the arithmetic average roughness Ra is It is preferable that it is 10 nm or less.
- the term “smooth” as used herein means that the surface roughness in the micro area of the surface is small and does not include the structure in the macro area of the surface. Ra used here conforms to JIS B 0601 (2001).
- the back substrate 17 is formed as a flat surface as shown in FIG. 1 while maintaining the smoothness of the surface on the semiconductor thin film photoelectric conversion layer 13 side.
- the flat surface means that the surface on the semiconductor thin film photoelectric conversion layer 13 side of the back substrate 17 does not have a geometric uneven shape.
- it can be prepared simply by manufacturing it by an inexpensive method such as the float method.
- it is relatively easy to form a uniform metal reflective layer thereon as compared with a geometrically uneven shape.
- the metal reflective layer 16 is formed on the back substrate 17.
- the material of the metal reflective layer 16 is a metal having a metallic luster, but from the viewpoint of reflectivity, a metal mainly composed of aluminum or silver. It is more preferable that a metal containing silver as a main component has the highest reflectance. Further, from the viewpoint of moisture resistance, it is preferable to use a metal containing 0.5 to 5% of palladium, gold or copper in silver. Examples of the method for forming the metal reflective layer 16 include a sputtering method, a CVD method, a vacuum deposition method, and the like, but the sputtering method is preferable from the viewpoint of cost and reflectance for uniformly forming a film on a large substrate.
- an alkali barrier layer such as silicon oxide is preferably formed at the interface between the metal layer and the back substrate 17.
- the thickness of the alkali barrier layer is preferably 20 to 100 nm.
- a metal containing silver as a main component is used for the metal reflection layer 16
- the water vapor barrier layer include metals such as aluminum and oxides such as zinc oxide.
- the thickness of the water vapor barrier layer is preferably 1 to 10 nm from the viewpoint that the reflectance of the metal reflective layer 16 is not greatly reduced.
- the formation of a film on the surface of the metal reflection layer 16 may be adjacent to the metal reflection layer or may not be adjacent to another film.
- the reflectance of the metal reflective layer 16 when the reflectance of the metal reflective layer 16 is insufficient, an increase in which one or more combinations of these combinations are laminated on the surface of the metal reflective layer 16 in the order of a transparent body having a low refractive index and a transparent body having a high refractive index.
- a reflective layer can be formed.
- the transparent body having a low refractive index include silicon oxide and magnesium fluoride
- examples of the transparent body having a high refractive index include titanium oxide, tantalum oxide, niobium oxide, and hafnium oxide.
- the reflectance of the metal reflection layer 16 is 90% for light with a wavelength of 500 to 800 nm because most of light with a wavelength of 500 nm or less is absorbed by the semiconductor thin film photoelectric conversion layer before reaching the layer. % Or more, and more preferably 95% or more.
- the metal reflective layer 16 preferably has a reflectance of 80% or more, and more preferably 90% or more, with respect to light having a wavelength of 800
- the transparent insulating adhesive layer 15 is formed by forming a first transparent conductive layer 12, a semiconductor thin film photoelectric conversion layer 13, and a second transparent conductive layer 14 in this order on a transparent insulating substrate 11, and a metal or It has a function of attaching a metal reflective layer 16 formed on a back substrate 17 made of plastic or glass as a base material.
- a transparent body having adhesiveness can be used, but ethylene vinyl acetate (EVA) resin, polyvinyl butyral (PVB) resin, ethylene tetrafluoroethylene (ETFE) resin, etc. From the viewpoints of transparency, weather resistance, moisture resistance and the like in the wavelength range of light.
- the transparent insulating substrate 11 and the back substrate are bonded together by the transparent insulating adhesive layer 15 as follows.
- the surface of the transparent insulating substrate 11 on which the semiconductor thin film photoelectric conversion layer 13 is formed is disposed on the inside, the back substrate 17 is disposed on the surface on which the metal reflective layer 16 is formed, and the two substrates face each other.
- the transparent insulating adhesive layer 15 is put in a vacuum laminate bag made of heat-resistant resin, and the vacuum laminate bag is evacuated and heat-treated in an oven for about 2 hours to be integrated.
- the thin film solar cell module formed as described above may be covered with a weather resistant film, a protective film or the like in order to further add weather resistance and strength.
- a weather resistant film e.g., water or the like enters from here, and the characteristics of the first transparent conductive layer 12, the semiconductor thin film photoelectric conversion layer 13, the second transparent conductive layer 14, and the metal reflective layer 16 are It can be damaged.
- sealing with a weather-resistant film etc. is preferable at the point which improves the durability of a thin film solar cell module.
- the back substrate 17 is made of metal, plastic, or glass as a base material, but glass is preferably used from the viewpoints of weight, strength, heat resistance, and weather resistance. Furthermore, it is preferable to use soda lime glass from the viewpoint of cost, and those containing aluminum are preferable from the viewpoint of weather resistance and the like. Thereby, since the back substrate 17 functions as an outer layer, it is not necessary to separately provide a structural layer as an outer layer.
- the back substrate 17 preferably has a smooth surface on the semiconductor thin film photoelectric conversion layer 13 side because the reflectance of the metal reflective layer 16 formed thereon can be increased. Specifically, the arithmetic average roughness Ra is It is preferable that it is 10 nm or less.
- smooth as used herein means that the surface roughness in the micro area of the surface is small and does not include the structure in the macro area of the surface.
- the structure of 16 ⁇ m or more means an uneven shape having a period of 16 ⁇ m or more.
- the structure having a period may be 90% or more, preferably 95% or more, more preferably 98% or more in terms of the area ratio in the module.
- the back substrate 17 is formed in a V-shaped groove or a quadrangular pyramid uneven shape as shown in FIG. 3 while maintaining the smoothness of the surface on the semiconductor thin film photoelectric conversion layer 13 side.
- the period of the irregular shape is 16 ⁇ m or more for the reason described above.
- the angle formed by the two opposing surfaces is 120 to 145 degrees, preferably 130 degrees to 140 degrees. The reason why such a structure is preferable will be described below with reference to FIGS. 4, 5, and 6.
- the angle formed by the two opposing surfaces is 120 to 145 degrees ( ⁇ v in FIG. 5).
- Light 381 perpendicularly incident on the transparent insulating substrate 11 passes through the first transparent conductive layer 12, the semiconductor thin film photoelectric conversion layer 13, the second transparent conductive layer 14, and the transparent insulating adhesive layer 15. Then, the light enters the metal reflection layer 16 at an angle (90 ° ⁇ v / 2 in FIG. 5) inclined by 17.5 to 30 degrees with respect to the normal direction of the surface of the back substrate 17.
- the quadrangular pyramid may be a square pyramid with a square bottom surface or a rectangular pyramid with a rectangular bottom surface.
- the angle of the V-shaped groove formed by the two opposing surfaces satisfies the above range, an uneven shape of a polygonal pyramid such as a triangular pyramid or a pentagonal pyramid may be used. Two surfaces may be curved surfaces.
- the solar cell module becomes large (for example, 1 m 2 or more)
- the angle is set in the structure of the back substrate.
- the range of 120 to 145 degrees may be 90% or more, preferably 95% or more, more preferably 98% or more in terms of the area ratio in the module.
- the light 382 reflected by the metal reflective layer 16 is inclined at an angle 17.5 to 30 degrees symmetrical to the light 381 with respect to the normal direction of the surface of the back substrate 17 (see FIG. 5 at 90 ° - ⁇ v / 2).
- Such light 382 is then transmitted through the transparent insulating adhesive layer 15, the second transparent conductive layer 14, the semiconductor thin film photoelectric conversion layer 13, the first transparent conductive layer 12, and the transparent insulating substrate 11 to be transparent. It reaches the interface In between the insulating substrate 11 and the external medium.
- the angle of the light 382 with respect to the normal direction of the transparent insulating substrate is such that when ethylene vinyl acetate or polyvinyl butyral is used for the transparent insulating adhesive layer 15, the refractive index is 1.5.
- soda lime glass is used for 11, the refractive index is the same at 1.5, so the angle in the transparent insulating adhesive layer 15 and the angle in the transparent insulating substrate 11 are the same 15 to 60. It becomes an angle of degrees (180 ° ⁇ v in FIG. 5).
- the external medium of the transparent insulating substrate 11 is air in normal use and its refractive index is approximately 1.0, but from the transparent insulating substrate 11 having a refractive index of 1.5 to the external air,
- the light is emitted at an angle of 41.8 degrees or more, 100% of light is reflected in order to satisfy the condition of total reflection obtained from Snell's law.
- light emitted at an angle of 35 to 41.8 degrees which is an angle in the vicinity thereof, is reflected with a high reflectance and is directed again to the semiconductor thin film photoelectric conversion layer 13 so that the light is confined in the thin film solar cell module.
- the amount of light absorption is increased.
- the light 381 perpendicularly incident on the transparent insulating substrate 11 is incident on the first transparent conductive layer, the semiconductor thin film photoelectric conversion layer, and the second transparent The light passes through the conductive layer and the transparent insulating adhesive layer, and enters the metal reflective layer 16 at an angle of 30 degrees or more with respect to the normal direction of the surface of the back substrate 17.
- the light 382 reflected by the metal reflection layer 16 is reflected at an angle of 30 degrees or more symmetrical to the light 381 with respect to the normal direction of the surface of the back substrate 17.
- Such light 382 is transmitted through the transparent insulating adhesive layer 15 to the surface adjacent to the surface of the back substrate 17 where the light 381 is reflected, and the above-described effects cannot be obtained.
- a roll-out method, a grinding method, or a photocuring method used for manufacturing a template glass After applying a resin, a heat effect resin, or the like on a glass substrate, a method of forming the film by applying light or heat while pressing a V-shaped groove or a quadrangular pyramid uneven mold is appropriately selected.
- the roll-out method is preferably used from the viewpoint of cost.
- the soda glass back substrate 17 having a V-shaped groove or a quadrangular pyramid uneven shape may have the V-shaped groove or the quadrangular pyramid in the same direction (parallel) in the whole substrate or may be staggered at a constant interval. .
- the strength at the groove portion becomes weak.
- the glass plate thickness is more than twice the groove.
- the grooves are in the same direction (parallel) as shown in FIG. 7, it is also preferable to shift the groove positions at regular intervals. In FIG. 7, a groove-free portion is provided at the boundary for shifting the groove position, but the groove position may be changed continuously.
- FIG. 8 shows an example in which the groove direction is shifted to a right angle as an example, and the constant interval and angle are appropriately selected.
- a tandem-type thin film silicon solar battery cell having two combinations of semiconductor thin film photoelectric conversion layers is prepared by the procedure described below, and a short circuit of a pair of semiconductor thin film photoelectric conversion layers (bottom cell) away from the light incident side.
- the current value bottom-Jsc was evaluated.
- the reason why the bottom-Jsc of the tandem-type thin film silicon solar cell was evaluated is that a single-type thin-film silicon solar cell in which the combination of the semiconductor thin-film photoelectric conversion layers is one set or a semiconductor on the incident side of the tandem-type thin-film silicon solar cell. This is because the thin-film photoelectric conversion layer set (top cell) originally has a high light absorption coefficient and has a large light absorption amount, so that the effect of increasing the light absorption amount due to light confinement cannot be sufficiently confirmed.
- a method for producing a transparent insulating substrate (hereinafter also referred to as a transparent insulating substrate with a transparent conductive layer) on which the first transparent conductive layer of the embodiment of the present invention is formed will be described in detail.
- the transparent conductive layer was formed by a normal pressure CVD method on a soda lime silicate glass substrate (30 cm ⁇ 40 cm ⁇ 1.1 mm) prepared by a float method.
- a titanium oxide layer and a silicon oxide layer were formed in this order as a low-reflection intermediate layer between the transparent insulating substrate and the transparent conductive layer.
- the silicon oxide layer also functions as an alkali barrier layer that prevents diffusion of alkali components from the soda lime silicate glass substrate.
- each layer was created according to the following procedure.
- Tetraisopropoxy titanium which is a raw material gas for the titanium oxide layer
- Tetraisopropoxytitanium was put in a bubbler tank maintained at 90 ° C., and vaporized by supplying 5 L of nitrogen per minute from a cylinder.
- 0.1 L / min silane gas and 5 L / min oxygen gas were sprayed onto the surface of the titanium oxide layer formed on the substrate to form a silicon oxide layer of about 25 nm.
- the substrate on which the silicon oxide layer is formed is heated to 520 ° C., and a gas containing tin tetrachloride, water and hydrogen fluoride is sprayed at the same time, and a tin oxide layer to which 3.5 mol% of fluorine is added is about 600 nm.
- tin tetrachloride was placed in a bubbler tank maintained at 45 ° C., and nitrogen was introduced from a cylinder and vaporized. Water was supplied from a boiler maintained at 100 ° C. or higher. Hydrogen fluoride gas was vaporized from a cylinder heated to 40 ° C.
- the mixed gas was sprayed at two locations on the upstream side and the downstream side with respect to the moving direction of the substrate by using two injectors.
- each layer (p layer, i layer, n layer) constituting the top cell The formation conditions of each layer (p layer, i layer, n layer) constituting the top cell are as follows.
- [Top cell p layer] Heater set temperature: 195 ° C Pressure: 40Pa RF (27.12 MHz) power: 0.045 W / cm 2 Gas flow rate SiH 4 : 20 sccm CH 4: 40sccm H 2 : 115 sccm H 2 / B 2 H 6 : 125 sccm (B 2 H 6 : 1000 ppm)
- [Top cell i layer] Heater set temperature: 195 ° C Pressure: 27Pa RF (27.12 MHz) power: 0.023 W / cm 2 Gas flow rate SiH 4 : 20 sccm
- [Top cell n layer] Heater set temperature: 195 ° C Pressure: 135Pa RF (27.12 MHz) power: 0.180 W / cm 2 Gas flow rate
- each layer (p layer, i layer, n layer) constituting the bottom cell The formation conditions of each layer (p layer, i layer, n layer) constituting the bottom cell are as follows.
- [Bottom cell p layer] Heater set temperature: 195 ° C Pressure: 200Pa RF (27.12 MHz) power: 0.045 W / cm 2 Gas flow rate SiH 4 : 9 sccm H 2 : 1350 sccm H 2 / B 2 H 6 : 12 sccm (B 2 H 6 : 1000 ppm)
- [Bottom cell i layer] Heater set temperature: 195 ° C Pressure: 400Pa RF (27.12 MHz) power: 0.075 W / cm 2 Gas flow rate SiH 4 : 12sccm H 2 : 600 sccm
- [Bottom cell n layer] Heater set temperature: 195 ° C Pressure: 40Pa RF (27.12 MHz) power: 0.023 W
- gallium oxide Ga 2 O 3 is contained at 5.7% by weight with respect to the total amount of zinc oxide ZnO.
- a gallium-doped zinc oxide layer was formed to a thickness of about 100 nm by direct current sputtering using a GZO target.
- a metal mask having an opening with a size of 10 mm ⁇ 10 mm was placed on the substrate to form a pattern of a gallium-doped zinc oxide layer with a size of 10 mm ⁇ 10 mm.
- Formation is performed by reducing the vacuum apparatus to 10 ⁇ 3 Pa or less in advance and then introducing Ar gas at 100 sccm and CO 2 gas at 1.5 sccm.
- the sputtering pressure is 4 ⁇ 10 ⁇ 1 Pa and the sputtering power is 1. 4 W / cm 2 .
- the heater temperature was 110 ° C.
- the Ga 2 O 3 content in the gallium-doped zinc oxide film was the same as that of the target, and was 5.7% by weight based on the total of gallium oxide Ga 2 O 3 and zinc oxide ZnO.
- the performance of the gallium-doped zinc oxide single film was a specific resistance of 3 ⁇ 10 ⁇ 1 ⁇ ⁇ cm, and an absorption coefficient of 1.38 to 2.75 ⁇ 10 3 cm ⁇ 1 at 500 to 800 nm.
- a 2 mm thick soda lime silicate glass substrate prepared by the float process was cut into a size of 40 mm ⁇ 40 mm. This glass substrate having a flat surface was used as the substrate of Example 1.
- a similar glass substrate is cut into a size of 40 mm ⁇ 40 mm, and a V-shaped grindstone with angles of 130, 135, 140, and 150 degrees is used at the center of one side, and a V-shape with a pitch of 500 ⁇ m. 40 grooves were formed.
- the V-shaped groove was further polished using a slurry so that the arithmetic average roughness Ra of the surface was 10 nm or less.
- Example 1 corresponds to the back substrate of the first embodiment described above, and Examples 2 to 4 correspond to the back substrate of the second embodiment.
- the angle of the V-shaped groove had an angle specified on the entire surface.
- a substrate having a flat surface (Example 1) was formed with a metal reflective layer described later on one surface.
- a metal reflective layer described later was formed on the surface on which the V-groove was processed.
- the metal reflective layer was formed by direct current sputtering in this order with a silver layer of about 250 nm and an aluminum layer of about 1 nm in the following procedure. Formation is performed by reducing the vacuum apparatus to 2 ⁇ 10 ⁇ 5 Pa or less in advance and then introducing Ar gas at 18 sccm.
- the pressure during sputtering is 4 ⁇ 10 ⁇ 1 Pa, and the sputtering power is 2.5 W / watt for the silver target. It was set to 0.5 W / cm 2 for cm 2 and the aluminum target.
- the reflectance of the metal reflective layer was 94% or more in the wavelength range of 500 nm to 1200 nm.
- the cell is a minimum unit configuration of the solar battery, and a module is a collection of a plurality of cells.
- a copper foil with a conductive adhesive layer having a width of 5 mm and a thickness of 70 ⁇ m is attached to a portion where the first transparent conductive layer is exposed by etching. It was set as the electrode to a transparent conductive layer.
- an insulating polyimide tape is applied in the vicinity of the second transparent conductive layer pattern where the first transparent conductive layer is exposed by etching to form an insulating layer, and a conductive layer having a width of 5 mm and a thickness of 70 ⁇ m is formed thereon.
- a copper foil with an adhesive layer, and further applying and drying a conductive resin solution containing silver between the copper foil surface and the second transparent conductive layer pattern, the second transparent conductive layer is coated.
- An electrode was formed.
- light incident from the portion is reflected by the metal reflective layer of the back substrate and incident on the semiconductor photoelectric conversion layer, so that the amount of light absorption is larger than the actual amount.
- the semiconductor photoelectric conversion layer and the metal reflective layer are formed on the thin-film solar cell in which the electrodes to the first transparent conductive layer and the second transparent conductive layer are formed and the back substrate with the metal reflective layer, respectively.
- the embossed PVB resin with a thickness of 0.5 mm was sandwiched so that the finished surface was inside.
- Two substrates sandwiched with PVB resin are placed in a nylon bag, and the inside of the sealed nylon bag is decompressed to 20 kPa with a vacuum pump and held in an oven at 120 ° C. for 2 hours.
- the battery cell and the back substrate with the metal reflection layer were bonded to form a thin film solar cell.
- Comparative Example 2 Below, the preparation method of the thin film photovoltaic cell of the comparative example 2 of this invention is described in detail. The same processes as in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were performed until the formation of the second transparent conductive layer. Next, on the second transparent conductive layer, a metal mask having an opening of a size of 10 mm ⁇ 10 mm is held on the substrate without moving from the time of forming the gallium-doped zinc oxide layer, A pattern of a silver layer and an aluminum layer having a size of 10 mm ⁇ 10 mm was formed as a back electrode layer by a direct current sputtering method.
- the silver layer was formed with a layer thickness of about 200 nm by a direct current sputtering method (pressure during sputtering: 4 ⁇ 10 ⁇ 1 Pa, sputtering power: 1.4 W / cm 2 ) in an Ar gas atmosphere using a silver target.
- the aluminum layer was formed with a layer thickness of about 82 nm by an aluminum target using a direct current sputtering method (pressure during sputtering: 4 ⁇ 10 ⁇ 1 Pa, sputtering power: 1.4 Wcm 2 ) in an Ar gas atmosphere.
- the back electrode layer having a pattern of 10 mm ⁇ 10 mm is used as a mask, reactive ion etching is performed using sulfur hexafluoride, and the semiconductor photoelectric conversion layer other than the mask portion is removed to form a thin film A solar cell was created. Furthermore, a copper lead wire as an electrode was soldered to a portion where the first transparent conductive layer was exposed by using Cerasolzer, which is a ceramic material-dedicated solder, to obtain a thin film solar cell.
- Cerasolzer which is a ceramic material-dedicated solder
- the transparent electrode is composed of a glass / transparent electrode (TCO) / metal oxide layer (a reflective film comprising a gallium-doped zinc oxide layer of about 100 nm / silver layer of about 200 nm).
- TCO transparent electrode
- metal oxide layer a reflective film comprising a gallium-doped zinc oxide layer of about 100 nm / silver layer of about 200 nm.
- Respective reflectances were measured using Samples 1 to 3 shown in Table 1 below with different haze ratios. Since the size of the haze ratio is considered to be substantially proportional to the size of the unevenness, it is considered that the evaluation of samples having different haze ratios corresponds to the evaluation of the unevenness.
- the film forming conditions are the same as above.
- the reflectance was measured from a glass surface using a spectrophotometer U-4100 manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation, and the integrating sphere reflectance was measured in a wavelength range of 350 to 1200 nm. Since the silver layer is as thick as 200 nm, there is no light passing through the silver layer, and since an integrating sphere is used, light scattered by the unevenness of the transparent electrode itself can be measured. It is thought that it decreased due to absorption of The measurement results are shown in FIG.
- the decrease in reflectance is mainly due to the absorption of the silver layer.
- the silver layer is formed under the same conditions, and the greater the unevenness, the lower the reflectance.
- reflection on the long wavelength side of 800 nm to 1200 nm decreases (absorption increases). Therefore, it was confirmed that when a silver layer is formed on an uneven transparent electrode, light in the silver layer is absorbed and reflected light is reduced.
- the quantum efficiency at each wavelength of the bottom cell of the obtained thin-film solar cell was measured while irradiating a bias light of about AM1.5 through a bandpass filter (Bandpass filter manufactured by Asahi Spectroscopy Co., Ltd., model number: PB0056, product name: PB0550 / 280) It was measured.
- the bottom-J SC was calculated from the spectral sensitivity of the bottom cell obtained by the measurement and the irradiation intensity of AM1.5.
- Table 2 shows the bottom-J SC evaluation results due to the influence of the irregularities of the silver layers of the thin-film solar cells of Example 1 and Comparative Example 2 of the present invention.
- Table 3 shows the bottom-J SC evaluation results due to the influence of the irregularities of the silver layers of the thin-film solar cells of Examples 2 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 of the present invention.
- the C light source haze ratio of the transparent electrode was measured using a touch panel type haze computer HZ-2 manufactured by Suga Test Instruments Co., Ltd. Further, Ra on the surface on which the silver layer was formed was measured for a scanning range of 4 ⁇ m ⁇ 4 ⁇ m using Nanopics 1000 manufactured by Seiko Instruments Inc.
- Example 1 includes absorption of an intermediate film that is not used in Comparative Example 2.
- the 0.5 mm PVB intermediate film used in the examples has an absorption of about 5% at a wavelength of 900 nm or more. For this reason, in the layer structure of the embodiment, the light transmitted through the PVB intermediate film is reflected by the reflective layer on the back surface and is transmitted again through the PVB intermediate film. It is thought that it is absorbed by the interlayer film. In other words, since the intermediate film itself also absorbs light, if the absorption of the intermediate film is reduced, the current value is expected to increase from the above result.
- the first transparent conductive layer, the semiconductor thin film photoelectric conversion layer, and the second transparent conductive layer were formed in this order on the transparent insulating substrate as in Example 1, and the metal or As in the past (Comparative Example 2), a structure in which a metal reflective layer is laminated on a flat back substrate made of plastic or glass as a base material is bonded with a transparent insulating adhesive layer.
- a structure in which a metal reflective layer is laminated on a flat back substrate made of plastic or glass as a base material is bonded with a transparent insulating adhesive layer.
- the reflected light can be efficiently returned to the photoelectric conversion layer and the photoelectric conversion efficiency can be improved as compared with the case where the metal reflection layer is formed on the surface on which the unevenness is formed so that the surface undulates. It was done.
- a first transparent conductive layer, a semiconductor thin film photoelectric conversion layer, and a second transparent conductive layer are formed in this order on a transparent insulating substrate, and a metal or plastic
- a glass reflective substrate with a metal reflective layer formed thereon is pasted together with a transparent insulating adhesive layer, and the back substrate has a period of 16 ⁇ m or more, and It has a V-shaped groove or quadrangular pyramid uneven shape, and in the V-shaped groove or quadrangular pyramid, the angle formed by two opposing surfaces is 120 degrees to 145 degrees, so that it is conventional (Comparative Example 2).
- the reflected light can be efficiently returned to the photoelectric conversion layer and the photoelectric conversion efficiency can be improved as compared with the case where the metal reflection layer is formed on the surface on which the unevenness is formed so that the surface undulates. It was done.
- the present invention is not limited to the embodiment described above, and can be implemented in various forms without departing from the gist of the present invention.
- a transparent insulating layer having no adhesiveness may be used instead of the transparent insulating adhesive layer.
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Abstract
薄膜太陽電池モジュールは、透明絶縁性基板(11)、第1の透明導電層(12)、半導体薄膜光電変換層(13)、及び第2の透明導電層(14)がこの順に積層され、金属、プラスチックもしくはガラスを基材(17)とし、該基材の表面に金属反射層(16)を有する反射基板が、透明絶縁性層(15)を挟んで、金属反射層(16)が第2の透明導電層(14)と対向するようにさらに積層されて構成される。基材(17)の表面は平坦面であるか、又は、周期が16μm以上で且つV字溝若しくは四角錐の凹凸形状を持ち、V字溝若しくは四角錐において対向する2つの面のなす角度が120度~145度である。
Description
本発明は、光電変換層として半導体薄膜を用いた、薄膜太陽電池モジュール及び薄膜太陽電池モジュールの製造方法に関するものである。
近年、光電変換層として半導体薄膜を用いた、薄膜太陽電池モジュールの生産が増加してきている。薄膜太陽電池モジュールの一般的な構成としては、ガラスなどの透明絶縁性の基板の上に、電極となる透明導電層、半導体薄膜からなる光電変換層、そして裏面の電極層からなっている。半導体薄膜からなる光電変換層の一般的な構成としては、透明導電層に近い側からp型半導体層、i型半導体層、n型半導体層の順に、シリコンを主成分とする各半導体層を積層したものからなっている。シリコンの形態としては非晶質シリコン、あるいは微結晶シリコンを用いたものがあり、さらに両者の構成を直列に重ねたタンデム型と呼ばれるものもある。
この光電変換層は、下記の理由でなるべく薄くすることが求められている。生産性が高くなること、光電変換効率の比例係数である光電変換時の開放電圧Vocや曲線因子FFが高くできること、および光を照射することにより光電変換効率が低下する光劣化現象を低減できることなどが挙げられる。一方、光電変換効率は光の吸収量に比例し、単純に光電変換層を薄くすると、それに従って光の吸収量は少なくなってしまい、結果として光電変換効率が低下して、十分な光電変換効率が得られない。
そこで、裏面の電極層の材料に反射率の高い銀やアルミニウムなどを用いて、光電変換層で吸収されずに裏面の電極層まで透過した光を、再度光電変換層に戻すことにより、光吸収量を増加させる方法が広く一般的に用いられている(非特許文献1)。
一方で、特許文献1では、裏面電極を透明導電層とし、そのさらに裏側に反射率の高い誘電体層を配置することで、光吸収量を増加させることが開示されている。
濱川圭弘 編著「太陽電池」コロナ社 2004年
しかしながら、薄膜太陽電池モジュールでは、透明絶縁性の基板の上に透明導電層、半導体薄膜などを順次積層するうちに、表面が波打つように凹凸が形成されるため、裏面の電極層の材料に反射率の高い銀やアルミニウムなどを用いて、裏面の電極層まで透過した光を再度光電変換層に戻そうとしても、逆に銀やアルミニウムの光吸収が大きいという性質により、裏面の電極層の反射率が平坦な場合に比べ大きく下がってしまい、効果が不十分となってしまう。
また、特許文献1において、反射率の高い誘電体層は白色で散乱反射性を持つが、その反射率は十分とは言えない。また、散乱反射性であるということは、反射された光はLambert反射と呼ばれる、観察者から見た面の明るさが、観察者の視点の角度にかかわらず同じになるという反射特性を持つ。これは言いかえれば、誘電体層に入射した光はあらゆる方向に散乱反射してしまうということであるため、効率よく反射光を光電変換層へ入射させることが出来ない。
そこで、本発明の目的は、効率よく反射光を光電変換層へ戻すことにより光電変換効率の高い薄膜太陽電池モジュール及び薄膜太陽電池モジュールの製造方法を提供することにある。
本発明は、以下の態様を提供するものである。
(1)透明絶縁性基板、第1の透明導電層、半導体薄膜光電変換層、及び第2の透明導電層がこの順に積層され、
金属、プラスチックもしくはガラスを基材とし、該基材の表面に金属反射層を有する反射基板が、透明絶縁性層を挟んで、前記金属反射層が前記第2の透明導電層と対向するようにさらに積層されて構成され、
前記基材の表面が平坦面であることを特徴とする薄膜太陽電池モジュール。
(2)透明絶縁性基板、第1の透明導電層、半導体薄膜光電変換層、及び第2の透明導電層がこの順に積層され、
金属、プラスチックもしくはガラスを基材とし、該基材の表面に金属反射層を有する反射基板が、透明絶縁性層を挟んで、前記金属反射層が前記第2の透明導電層と対向するようにさらに積層されて構成され、
前記反射基板の基材が、周期が16μm以上で、且つ、V字溝又は四角錐の凹凸形状を持ち、
前記V字溝又は四角錐において、対向する2つの面のなす角度が120度~145度であることを特徴とする薄膜太陽電池モジュール。
(3)前記反射基板の基材の前記金属反射層を形成する表面の、算術平均粗さRaが10nm以下であることを特徴とする(1)又は(2)に記載の薄膜太陽電池モジュール。
(4)前記透明絶縁性層が接着性を有する透明絶縁性接着層であることを特徴とする(1)から(3)のいずれかに記載の薄膜太陽電池モジュール。
(5)前記反射基板の前記金属反射層が銀を主成分とする金属からなることを特徴とする(1)から(4)のいずれかに記載の薄膜太陽電池モジュール。
(6)前記反射基板の前記金属反射層の表面に1層以上の水蒸気バリア層を有することを特徴とする(1)から(5)のいずれかに記載の薄膜太陽電池モジュール。
(7)前記水蒸気バリア層がアルミニウムを含むことを特徴とする(6)に記載の薄膜太陽電池モジュール。
(8)前記反射基板の前記金属反射層の表面に1層以上の増反射層を有することを特徴とする(1)から(7)のいずれかに記載の薄膜太陽電池モジュール。
(9)前記反射基板の前記金属反射層の波長500nmから800nmにおける反射率が90%以上であることを特徴とする(1)から(8)のいずれかに記載の薄膜太陽電池モジュール。
(10)前記反射基板の前記金属反射層の波長800nmから1200nmにおける反射率が80%以上であることを特徴とする(1)から(9)のいずれかに記載の薄膜太陽電池モジュール。
(11)前記透明絶縁性基板の酸化鉄の含有量が0.05wt%以下であることを特徴とする(1)から(10)のいずれかに記載の薄膜太陽電池モジュール。
(12)前記第1の透明導電層が酸化スズを主成分とする酸化物からなることを特徴とする(1)から(11)のいずれかに記載の薄膜太陽電池モジュール。
(13)前記透明絶縁性接着層が、ポリビニルブチラール樹脂からなることを特徴とする(4)に記載の薄膜太陽電池モジュール。
(14)前記透明絶縁性接着層が、エチレンビニルアセテート樹脂からなることを特徴とする(4)に記載の薄膜太陽電池モジュール。
(15)前記第2の透明導電層が酸化亜鉛を主成分とする酸化物からなることを特徴とする(1)から(14)のいずれかに記載の薄膜太陽電池モジュール。
(16)前記第2の透明導電層上に補助電極を有することを特徴とする(1)から(15)のいずれかに記載の薄膜太陽電池モジュール。
(17)透明絶縁性基板の上に、第1の透明導電層、半導体薄膜光電変換層、第2の透明導電層をこの順に成膜したものと、
表面が平坦面であるか、又は、表面が周期が16μm以上で且つV字溝若しくは四角錐の凹凸形状を持ち、V字溝若しくは四角錐において対向する2つの面のなす角度が120度~145度である、金属もしくはプラスチックもしくはガラスを基材とした裏面基板の前記表面上に金属反射層を成膜したものとを、透明絶縁性接着層で貼り合わせたことを特徴とする薄膜太陽電池モジュールの製造方法。
(18)前記透明絶縁性接着層で貼り合わせる際に、耐熱樹脂製の真空ラミネート袋に入れ、真空ラミネート袋を真空排気しながら加熱処理し、一体化させることを特徴とする(17)に記載の薄膜太陽電池モジュールの製造方法。
(1)透明絶縁性基板、第1の透明導電層、半導体薄膜光電変換層、及び第2の透明導電層がこの順に積層され、
金属、プラスチックもしくはガラスを基材とし、該基材の表面に金属反射層を有する反射基板が、透明絶縁性層を挟んで、前記金属反射層が前記第2の透明導電層と対向するようにさらに積層されて構成され、
前記基材の表面が平坦面であることを特徴とする薄膜太陽電池モジュール。
(2)透明絶縁性基板、第1の透明導電層、半導体薄膜光電変換層、及び第2の透明導電層がこの順に積層され、
金属、プラスチックもしくはガラスを基材とし、該基材の表面に金属反射層を有する反射基板が、透明絶縁性層を挟んで、前記金属反射層が前記第2の透明導電層と対向するようにさらに積層されて構成され、
前記反射基板の基材が、周期が16μm以上で、且つ、V字溝又は四角錐の凹凸形状を持ち、
前記V字溝又は四角錐において、対向する2つの面のなす角度が120度~145度であることを特徴とする薄膜太陽電池モジュール。
(3)前記反射基板の基材の前記金属反射層を形成する表面の、算術平均粗さRaが10nm以下であることを特徴とする(1)又は(2)に記載の薄膜太陽電池モジュール。
(4)前記透明絶縁性層が接着性を有する透明絶縁性接着層であることを特徴とする(1)から(3)のいずれかに記載の薄膜太陽電池モジュール。
(5)前記反射基板の前記金属反射層が銀を主成分とする金属からなることを特徴とする(1)から(4)のいずれかに記載の薄膜太陽電池モジュール。
(6)前記反射基板の前記金属反射層の表面に1層以上の水蒸気バリア層を有することを特徴とする(1)から(5)のいずれかに記載の薄膜太陽電池モジュール。
(7)前記水蒸気バリア層がアルミニウムを含むことを特徴とする(6)に記載の薄膜太陽電池モジュール。
(8)前記反射基板の前記金属反射層の表面に1層以上の増反射層を有することを特徴とする(1)から(7)のいずれかに記載の薄膜太陽電池モジュール。
(9)前記反射基板の前記金属反射層の波長500nmから800nmにおける反射率が90%以上であることを特徴とする(1)から(8)のいずれかに記載の薄膜太陽電池モジュール。
(10)前記反射基板の前記金属反射層の波長800nmから1200nmにおける反射率が80%以上であることを特徴とする(1)から(9)のいずれかに記載の薄膜太陽電池モジュール。
(11)前記透明絶縁性基板の酸化鉄の含有量が0.05wt%以下であることを特徴とする(1)から(10)のいずれかに記載の薄膜太陽電池モジュール。
(12)前記第1の透明導電層が酸化スズを主成分とする酸化物からなることを特徴とする(1)から(11)のいずれかに記載の薄膜太陽電池モジュール。
(13)前記透明絶縁性接着層が、ポリビニルブチラール樹脂からなることを特徴とする(4)に記載の薄膜太陽電池モジュール。
(14)前記透明絶縁性接着層が、エチレンビニルアセテート樹脂からなることを特徴とする(4)に記載の薄膜太陽電池モジュール。
(15)前記第2の透明導電層が酸化亜鉛を主成分とする酸化物からなることを特徴とする(1)から(14)のいずれかに記載の薄膜太陽電池モジュール。
(16)前記第2の透明導電層上に補助電極を有することを特徴とする(1)から(15)のいずれかに記載の薄膜太陽電池モジュール。
(17)透明絶縁性基板の上に、第1の透明導電層、半導体薄膜光電変換層、第2の透明導電層をこの順に成膜したものと、
表面が平坦面であるか、又は、表面が周期が16μm以上で且つV字溝若しくは四角錐の凹凸形状を持ち、V字溝若しくは四角錐において対向する2つの面のなす角度が120度~145度である、金属もしくはプラスチックもしくはガラスを基材とした裏面基板の前記表面上に金属反射層を成膜したものとを、透明絶縁性接着層で貼り合わせたことを特徴とする薄膜太陽電池モジュールの製造方法。
(18)前記透明絶縁性接着層で貼り合わせる際に、耐熱樹脂製の真空ラミネート袋に入れ、真空ラミネート袋を真空排気しながら加熱処理し、一体化させることを特徴とする(17)に記載の薄膜太陽電池モジュールの製造方法。
本発明によれば、反射基板の透明絶縁性層側の基材表面に金属反射層が形成され、透明絶縁性層を挟んで、金属反射層が第2の透明導電層と対向するように積層されるので、第2の透明導電層の凹凸の影響を受けることがなく、光電変換層中の光の強度が高くなることで、光電変換層に吸収される光量が増え、発電効率の高い薄膜太陽電池モジュール及び薄膜太陽電池モジュールの製造方法を提供することが出来る。
本発明の各実施形態の薄膜太陽電池モジュールに関し、以下に詳しく説明する。なお、本発明の薄膜太陽電池モジュールは、下記各実施形態の薄膜太陽電池モジュールに限定されるものではなく、その製造方法もこれに限定されるものではない。
<第1実施形態>
先ず、本発明の第1実施形態の薄膜太陽電池モジュールの構成を図1及び図2を用いて説明する。
<第1実施形態>
先ず、本発明の第1実施形態の薄膜太陽電池モジュールの構成を図1及び図2を用いて説明する。
図1に、本発明の薄膜太陽電池モジュールの断面の概略図を示す。透明絶縁性基板11の上に、第1の透明導電層12、半導体薄膜光電変換層13、第2の透明導電層14をこの順に成膜したものと、金属もしくはプラスチックもしくはガラスを基材とした裏面基板17の上に、金属反射層16を成膜したものとを、透明絶縁性接着層15を介して金属反射層16が第2の透明導電層14と対向するように積層したものである。
透明絶縁性基板11は、透過率が高く、絶縁性を持った材料からなるが、通常は透明ガラス基板が、重量や強度、耐熱性、耐候性の観点から好ましく用いられる。ここで、透過率については350から1200nmの波長の光の透過率が80%以上であることが、太陽光を利用する太陽電池モジュールに用いるには好ましい。ガラス材料としては無色透明なソーダライムガラス、アルミノシリケートガラス、リチウムアルミノシリケートガラス、石英ガラス、ホウ珪酸ガラス、無アルカリガラス、その他の各種ガラスからなる透明ガラス板を用いることができる。ガラス材料は通常はコストの観点からソーダライムガラスが好ましく用いられる。
ここで、ソーダライムガラス基板は、より透過率が高くなるように、一般的な建築物に用いられるものよりも酸化鉄の含有量が少ないものが好ましく、特に0.05wt%以下のものが好ましい。透明絶縁性基板11の厚さは、ガラス基板を用いた場合、0.2から6.0mmであることが好ましい。この範囲であると、前記ガラス基板の強度が強く、透過率が高い。透明絶縁性基板11の形状は一般的には平坦な板であるが、本発明ではこれに制限されるものではなく、曲面を持った板であってもよい。また、透明絶縁性基板11は化学的、物理的耐久性が高いことが望ましい。風冷強化や化学強化を行ったガラス基板は、強度の点で好ましい例として挙げられる。
また、透明絶縁性基板11は、空気との界面での反射光が、光電変換に利用されない損失となるので、光の入射側の面に、低反射層が形成されたものが好ましい。低反射層としては、屈折率の低いポーラス酸化シリコンや中空酸化シリコン、フッ化マグネシウムからなる層などが挙げられる。また、透明絶縁性基板の表面に、微細な凸凹形状を形成することにより、疑似中間屈折率層を形成し、低反射効果を得る方法も好ましい方法としてあげられる。
また、透明絶縁性基板11にソーダライムガラスのようにナトリウムなどのアルカリ成分を含有する材料を用いた場合は、ナトリウムが第1の透明導電層12や半導体薄膜光電変換層13に拡散して、それらの特性を損なわないように、透明絶縁性基板11の表面に、酸化シリコンや酸化シリコンと酸化スズの混合体などのアルカリバリア層が形成されたものが好ましい。アルカリバリア層の層厚としては、20から100nmであることが好ましい。
透明絶縁性基板11の上には、第1の透明導電層12が成膜される。第1の透明導電層12の材料としては、スズ添加酸化インジウムやボロン添加酸化亜鉛、アルミ添加酸化亜鉛、フッ素添加酸化スズが透過率や導電性、耐水素雰囲気性の観点から好ましい。特にフッ素添加酸化スズが、400nm以下の波長の光の透過率が高いことから、より好ましい。第1の透明導電層12の成膜方法としては、スパッタ法や、常圧熱CVD法、減圧CVD法が用いられるが、成膜速度とコストの観点からは、常圧熱CVD法が好ましく、透過率とシート抵抗の観点では減圧CVD法が好ましく用いられる。
第1の透明導電層12のシート抵抗としては、10Ω/□以下であると、薄膜太陽電池モジュールの発電効率の観点から好ましく、5Ω/□以下であるとさらに好ましい。第1の透明導電層12のシート抵抗を好ましい値にするには、第1の透明導電層12を厚くする方法と、第1の透明導電層12に含まれる電子またはホールのキャリア濃度を高くする方法と、第1の透明導電層12に含まれる電子またはホールのキャリアの移動度を高くする方法とがある。第1の透明導電層12の層厚としては、厚くなるに従い、シート抵抗が低下する一方、透過率も低下してしまうため、シート抵抗と透過率の観点から100から1500nmの範囲にあることが好ましい。
第1の透明導電層12に含まれる電子またはホールのキャリア濃度は、濃度が高くなるに従い、シート抵抗が低下する一方、自由キャリア吸収と呼ばれる効果により、800nm以上の波長の光の吸収率が上がり、透過率が下がってしまう傾向がある。よって、シート抵抗と800nm以上の波長の光の透過率の観点から、5×1019から1×1022/cm3の範囲にあることが好ましい。第1の透明導電層12に含まれる電子またはホールのキャリアの移動度としては、移動度が高くなればなるほど、シート抵抗が低下するため、シート抵抗の観点から、30cm2/(V・s)以上であることが好ましい。第1の透明導電層12の光透過率は、薄膜半導体光電変換層の感度が400から1200nmにあることから、この範囲の波長の光に対して高いことが好ましく、具体的には80%以上の透過率を有することが好ましい。
また、第1の透明導電層12の半導体薄膜光電変換層13側の表面には、凸凹構造が形成されたものが好ましい。この凸凹構造の大きさと形状としては、次のような効果を持つものが好ましい。まず、半導体薄膜光電変換層13が、第1の透明導電層12から剥離しないようなアンカー効果を持つものが好ましい。さらに、第1の透明導電層12と半導体薄膜光電変換層13の屈折率差による、界面での反射を低減するために、疑似中間屈折率効果を持つものが好ましい。さらに、入射した光を薄膜太陽電池モジュール内に効率よく閉じ込める効果を持つものが好ましい。さらに、平坦であった場合と比較して、半導体薄膜光電変換層の特性を損なわないようなものが好ましい。これらのような効果を持つ凸凹構造の形成方法としては、常圧熱CVD法でフッ素添加酸化スズを成膜したり、減圧CVD法でボロン添加酸化亜鉛を成膜して、膜の成長方向と成長速度のばらつきにより自然に形成する方法がある。また、スパッタ法でアルミ添加酸化亜鉛を成膜後にエッチングして形成する方法もある。
また、透明絶縁性基板11の屈折率と第1の透明導電層12の屈折率が大きく異なる場合には、透明絶縁性基板11と第1の透明導電層12の界面で光が反射し、光電変換に利用されない損失となるので、該界面に低反射中間層を設けることが好ましい。そのような低反射中間層の例としては、透明絶縁性基板11にソーダライムガラスを用い、その上に5から20nmの酸化チタン層を形成し、その上に15から40nmの酸化シリコン層を形成し、さらにその上に第1の透明導電層12として300から1500nmの酸化スズ層を形成したものが挙げられる。
さらに、第1の透明導電層12の屈折率と半導体薄膜光電変換層13の屈折率が大きく異なる場合には、第1の透明導電層12と半導体薄膜光電変換層13の界面での光の反射が小さくなるように、該界面に低反射中間層を有することが好ましい。そのような低反射中間層の例としては、第1の透明導電層12に酸化スズを用いて形成したものの上に、30から80nmの導電性酸化チタンを形成し、その上にシリコンを主成分とする半導体薄膜光電変換層13を形成したものが挙げられる。ここで、導電性酸化チタンとしては、ニオブ添加酸化チタンやタンタル添加酸化チタン、スズ添加酸化チタン、フッ素添加酸化チタンが用いられる。なお、本発明において、「主成分とする」とは50質量%以上含有することをいう。
第1の透明導電層12の上には、半導体薄膜光電変換層13が成膜される。図2に半導体薄膜光電変換層の断面の概略図を示す。半導体薄膜光電変換層13は、p型半導体層21、i型半導体層22、n型半導体層23を積層したものからなるが、半導体の種類によっては、i型半導体層を用いない場合もある。また、p型半導体層、i型半導体層、n型半導体層の組合せを1組として、バンドギャップの違う、つまり吸収する波長の領域が異なるi型半導体層を含む2組以上を直列に積層して使用してもよい。
また、半導体薄膜光電変換層13がシリコンを主成分とする半導体からなる場合、非晶質シリコンもしくは微結晶シリコンが一般的に用いられる。また、最近では、第1の透明導電層に近い方から、非晶質シリコンをi型半導体に用いた組合せと、微結晶シリコンをi型半導体に用いた組合せをこの順に積層したものが、効率よく光を吸収できることから多く一般的に用いられている。半導体薄膜光電変換層13の成膜方法としては、プラズマCVD法が一般的に用いられる。シリコンの原材料としてはシランガスが、またp型半導体層には微量のジボランガスまたはトリメチルボロンガスが、n型半導体層には微量のホスフィンガスがそれぞれドーピングガスとしてシランガスに混合されて成膜チャンバに供給され、それぞれの層の成膜が行われる。半導体薄膜光電変換層13の厚みは、非晶質シリコンをi型半導体に用いた場合には0.15から0.35μm、微結晶シリコンをi型半導体に用いた場合には、0.8から3.0μm程度である。
また、半導体薄膜光電変換層13の第2の透明導電層14側の表面にも、凸凹構造が形成されたものが好ましい。この凸凹構造の大きさと形状としては、半導体薄膜光電変換層13と第2の透明導電層14との界面での反射した光を薄膜太陽電池モジュール内に効率よく閉じ込める効果を持つものが好ましい。このような効果を持つ凸凹構造の形成方法としては、常圧熱CVD法でフッ素添加酸化スズを成膜したり、減圧CVD法でボロン添加酸化亜鉛を成膜して、膜の成長方向と成長速度のばらつきにより自然に形成する方法がある。また、スパッタ法でアルミ添加酸化亜鉛を成膜後にエッチングして形成する方法もある。
半導体薄膜光電変換層13の上には、第2の透明導電層14が成膜される。第2の透明導電層14の材料としては、スズ添加酸化インジウムやボロン添加酸化亜鉛、アルミ添加酸化亜鉛、ガリウム添加酸化亜鉛、フッ素添加酸化スズが用いられる。すでに成膜されている半導体薄膜光電変換層13は、例えばシリコンを主成分とする半導体を用いた場合、その特性が200℃以上の熱処理により損なわれる場合がある。200℃以下の低温で成膜された場合にも透過率や導電性の点で優れた特性が得られる、ボロン添加酸化亜鉛やガリウム添加酸化亜鉛を、第2の透明導電層14に用いることが好ましい。第2の透明導電層14の成膜方法としては、スパッタ法や減圧CVD法が用いられるが、ボロン添加酸化亜鉛を用いる場合は減圧CVD法を、ガリウム添加酸化亜鉛を用いる場合は、スパッタ法を用いることが好ましい。
第2の透明導電層14のシート抵抗としては、10Ω/□以下であると、薄膜太陽電池モジュールの発電効率の観点から好ましく、5Ω/□以下であるとさらに好ましい。第2の透明導電層14のシート抵抗を好ましい値にするには、第2の透明導電層14を厚くする方法と、第2の透明導電層14に含まれる電子またはホールのキャリア濃度を高くする方法と、第2の透明導電層14に含まれる電子またはホールのキャリアの移動度を高くする方法とがある。第2の透明導電層14の層厚としては、厚くなるに従い、シート抵抗が低下する一方、透過率も低下してしまうため、シート抵抗と透過率の観点から100から1500nmの範囲にあることが好ましい。
第2の透明導電層14に含まれる電子またはホールのキャリア濃度としては、濃度が高くなるに従い、シート抵抗が低下する一方、自由キャリア吸収と呼ばれる効果により、800nm以上の波長の光の吸収率が上がり、透過率が下がってしまうため、5×1019から1×1022/cm3の範囲にあることが好ましい。第2の透明導電層14に含まれる電子またはホールのキャリアの移動度としては、移動度が高くなればなるほど、シート抵抗が低下するため、30cm2/(V・s)以上であることが好ましい。
シート抵抗を低くする方法としては、前記の第2の透明導電層14を厚くする方法と、第2の透明導電層14に含まれる電子またはホールのキャリア濃度を高くする方法と、第2の透明導電層14に含まれる電子またはホールのキャリアの移動度を高くする方法とがある。先にも述べたように第2の透明導電層14を成膜する際の成膜温度は、直下の半導体薄膜光電変換層13の特性を損なわないように200℃以下の低温で行う必要がある。その場合、第2の透明導電層14に含まれる電子またはホールのキャリア濃度や移動度を十分に上げられず、好ましいシート抵抗を得るために、層厚を好ましい範囲より厚くしなければならなくなる場合もある。結果として、第2の透明導電層14の透過率が下がり、半導体薄膜光電変換層13に吸収される光の量が少なくなり、薄膜太陽電池モジュールの発電効率が下がる。
このような場合には、第2の透明導電層14の上に、補助電極を設けて、第2の透明導電層14のシート抵抗を下げてもよい。このような補助電極としては、銀を含む導電性樹脂からなるものがあり、その作成方法としては第2の透明導電層14に銀を含む導電性ペーストを格子状に塗布した後、熱処理を行い、形成する方法が挙げられる。第2の透明導電層14の光透過率は、500nm以下の波長の光のほとんどは、当該層に到達する前に、半導体薄膜光電変換層に吸収されてしまうため、500nm以上の波長光に対して高いことが好ましく、具体的には80%以上の透過率を有することが好ましい。
裏面基板17は金属もしくはプラスチックもしくはガラスを基材とするが、重量や強度、耐熱性、耐候性の観点からは、ガラスを用いるのが好ましい。さらに、コストの観点からはソーダライムガラスを用いるのが好ましく、耐候性等からアルミを含有するガラスが好ましい。これにより、裏面基板17が外層として機能するため別途外層としての構造層を設ける必要がない。裏面基板17は、半導体薄膜光電変換層13側の面が平滑であることが、上に成膜される金属反射層16の反射率を高くできることから好ましく、具体的には算術平均粗さRaが10nm以下であることが好ましい。ここでいう平滑であるとは、面のミクロな領域における表面粗さが小さいということを意味しており、面のマクロな領域における構造を含んだものではない。ここで使用したRaとは、JIS B 0601(2001年)に準拠する。
また、裏面基板17は、半導体薄膜光電変換層13側の面が、上記の平滑性を保ちながら、図1に示すように平坦面として形成される。平坦面とは、裏面基板17の半導体薄膜光電変換層13側の面が、幾何学的な凹凸形状をもたないことをいう。平坦面として形成されることで、例えば裏面基板の材料としてガラスを選択した場合には、フロート法のような安価な方法で製造するだけで用意することが可能である。また、その上に均一な金属反射層を形成することが、幾何学的な凸凹形状を持ったものに比べて比較的容易となる。
金属反射層16は裏面基板17の上に成膜される、金属反射層16の材料としては、金属光沢を持つ金属が用いられるが、反射率の観点からはアルミニウムもしくは銀を主成分とする金属が好ましく、さらに銀を主成分とする金属が最も反射率が高いという点でより好ましい。さらには、耐湿性の観点からは、銀にパラジウムもしくは金もしくは銅を0.5~5%含有した金属を用いるのが好ましい。金属反射層16の成膜方法としては、スパッタ法、CVD法、真空蒸着法などが挙げられるが、大型の基板に均一に成膜するコスト及び反射率の点から、スパッタ法が好ましい。
裏面基板17にソーダライムガラスのようにナトリウムなどのアルカリ成分を含有する材料を用いた場合には、金属層と裏面基板17の界面に、酸化シリコンなどのアルカリバリア層を成膜するのが好ましい。アルカリバリア層の層厚としては、20から100nmであることが好ましい。また、金属反射層16に銀を主成分とする金属を用いた場合には、耐湿性の観点から、金属反射層16の表面に水蒸気バリア層を成膜するのが好ましい。水蒸気バリア層としては、アルミニウムなどの金属や酸化亜鉛などの酸化物が挙げられる。水蒸気バリア層の層厚としては、1から10nmであることが、金属反射層16の反射率を大きく下げないという観点から好ましい。なお、ここで金属反射層16の表面に膜を形成するとは、金属反射層に隣接していても、他の膜を介在して隣接しないでもよい。
また、金属反射層16の反射率が不十分な場合には、金属反射層16の表面に、屈折率の低い透明体、屈折率の高い透明体の順に、この組合せを1組以上積層した増反射層を成膜することが出来る。屈折率の低い透明体としては、酸化シリコンやフッ化マグネシウムが、屈折率の高い透明体としては、酸化チタンや酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化ハフニウムなどが挙げられる。金属反射層16の反射率は、500nm以下の波長の光のほとんどは、当該層に到達する前に、半導体薄膜光電変換層に吸収されてしまうため、波長500から800nmの光に対して、90%以上の反射率を有することが好ましく、95%以上であるとより好ましい。また、金属反射層16は波長800から1200nmの光に対して、80%以上の反射率を有することが好ましく、90%以上であるとより好ましい。
透明絶縁性接着層15は、透明絶縁性基板11の上に、第1の透明導電層12、半導体薄膜光電変換層13、第2の透明導電層14をこの順に成膜したものと、金属もしくはプラスチックもしくはガラスを基材とした裏面基板17の上に、金属反射層16を成膜したものとを、貼り合わせる機能を持つ。透明絶縁性接着層15としては、接着性をもつ透明体を用いることが出来るが、エチレンビニルアセテート(EVA)樹脂や、ポリビニルブチラール(PVB)樹脂、エチレンテトラフルオロエチレン(ETFE)樹脂などが、太陽光の波長範囲における透明性、耐候性、耐湿性などの点から好ましい。透明絶縁性接着層15による、透明絶縁性基板11と、裏面基板の貼り合わせは次のように行う。透明絶縁性基板11の半導体薄膜光電変換層13を成膜した面を内側に配置し、裏面基板17を金属反射層16を成膜した面を内側に配置し、前記両基板を向かい合わせ、その間に透明絶縁性接着層15を挟んだものを、耐熱樹脂製の真空ラミネート袋に入れ、真空ラミネート袋を真空排気しながら、オーブンなどで2時間程度加熱処理し、一体化させる。
以上のように形成される薄膜太陽電池モジュールは、さらに耐候性や強度を付加するために、耐候性フィルムや保護フィルムなどを、モジュールを覆うようにしてもよい。特に、薄膜太陽電池モジュールの端部は、ここから水などが侵入して、第1の透明導電層12、半導体薄膜光電変換層13、第2の透明導電層14、金属反射層16の特性が損なわれることが考えられる。このため、耐候性フィルムなどで封止することは、薄膜太陽電池モジュールの耐久性を向上させる点で好ましい。
<第2実施形態>
続いて、本発明の第2実施形態の薄膜太陽電池モジュールの構成を図3~図8を用いて説明する。なお、第2実施形態の薄膜太陽電池モジュールは、裏面基板17の形状が第1実施形態と異なる以外、第1実施形態の薄膜太陽電池モジュールと同一の構成を有するので、同一の構成部分については同一の符号を付して説明を省略する。
続いて、本発明の第2実施形態の薄膜太陽電池モジュールの構成を図3~図8を用いて説明する。なお、第2実施形態の薄膜太陽電池モジュールは、裏面基板17の形状が第1実施形態と異なる以外、第1実施形態の薄膜太陽電池モジュールと同一の構成を有するので、同一の構成部分については同一の符号を付して説明を省略する。
裏面基板17は金属もしくはプラスチックもしくはガラスを基材とするが、重量や強度、耐熱性、耐候性の観点からは、ガラスを用いるのが好ましい。さらに、コストの観点からはソーダライムガラスを用いるのが好ましく、耐候性等からアルミを含有するものが好ましい。これにより、裏面基板17が外層として機能するため別途外層としての構造層を設ける必要がない。裏面基板17は、半導体薄膜光電変換層13側の面が平滑であることが、上に成膜される金属反射層16の反射率を高くできることから好ましく、具体的には算術平均粗さRaが10nm以下であることが好ましい。ここでいう平滑であるとは、面のミクロな領域における表面粗さが小さいということを意味しており、面のマクロな領域における構造を含んだものではない。
具体的には、半導体薄膜光電変換層の感度のある光のうち、最も長い波長である1200nmの光の波長に対して、例えば20倍以上の大きさを持った構造は、1200nmの光のミクロな領域における反射率に影響を与えないため、裏面基板17とその上の金属反射層16に到達する光の媒質である透明絶縁性接着層15の屈折率が1.5であるとすると、1200/1.5×20=16000nm=16μmと計算される、16μm以上の構造については、反射率に影響を与えない。逆に言うと、16μmより小さな構造については、1200nmの波長の光を散乱し、金属反射層16の反射率を下げることになり好ましくない。なお、16μm以上の構造とは、16μm以上の周期を持った凹凸形状のことを意味する。ただし、太陽電池モジュールが大型(例えば1m2以上)になった際には、裏面基板の一部に16μm以下の部分が存在しても影響が少ないことから、裏面基板の構造中、16μm以上の周期をもった構造がモジュール内の面積比で90%以上、好ましくは95%以上、より好ましくは98%以上であればよい。
また、裏面基板17は、半導体薄膜光電変換層13側の面が、上記の平滑性を保ちながら、図3に示すようなV字溝又は四角錐の凹凸形状に形成される。この凹凸形状の周期は上記した理由から16μm以上である。また、裏面基板17の半導体薄膜光電変換層13側の面がV字溝又は四角錐の凹凸形状を有する場合は、その対向する2つの面のなす角度が120度から145度であり、好ましくは130度から140度である。このような構造が好ましい理由を図4と図5と図6を用いて以下に説明する。裏面基板17の半導体薄膜光電変換層13側の面のV字溝又は四角錐の凹凸形状において、その対向する2つの面のなす角度が120から145度(図5のθv)であると、透明絶縁性基板11に垂直に入射した光381は、第1の透明導電層12と半導体薄膜光電変換層13と第2の透明導電層14と透明絶縁性接着層15とを透過する。そして、金属反射層16に、裏面基板17の面の法線方向に対して、17.5から30度傾いた角度(図5の90°-θv/2)で入射する。なお、ここで四角錐とは、底面が正方形の四角錐でもよく、底面が長方形の四角錐でもよい。また、対向する2つの面によって形成されるV字溝の角度が上記範囲を満たすものであれば、三角錐や五角錐などの多角錐の凹凸形状を用いてもよく、V字溝の対向する2つの面が曲面となってもよい。なお、太陽電池モジュールが大型(例えば1m2以上)になった際には、前記角度が120から145度の範囲から一部外れても影響が少ないことから、裏面基板の構造中、前記角度が120から145度の範囲がモジュール内の面積比で90%以上、好ましくは95%以上、より好ましくは98%以上であればよい。
すると、光の反射の法則により、金属反射層16で反射された光382は、裏面基板17の面の法線方向に対して、光381と対称に17.5から30度傾いた角度(図5の90°-θv/2)で反射する。そのような光382は次に透明絶縁性接着層15と第2の透明導電層14と半導体薄膜光電変換層13と第1の透明導電層12と透明絶縁性基板11とを透過して、透明絶縁性基板11と外部媒質との界面Inに到達する。このときの光382の透明絶縁性基板の法線方向に対する角度は、透明絶縁性接着層15にエチレンビニルアセテートかポリビニルブチラールを用いた場合、その屈折率が1.5であり、透明絶縁性基板11にソーダライムガラスを用いた場合、その屈折率が1.5で同じであるので、透明絶縁性接着層15内での角度と、透明絶縁性基板11内での角度は、同じ15から60度の角度(図5の180°―θv)になる。
ところで、透明絶縁性基板11の外部媒質は通常の使用においては空気であり、その屈折率はほぼ1.0であるが、屈折率1.5の透明絶縁性基板11から外部空気に対して、41.8度以上の角度で出射した場合、Snellの法則から求められる全反射の条件を満たすため、100%の光が反射する。またその近傍の角度である35から41.8度の角度で出射する光についても高い反射率で反射し、再び半導体薄膜光電変換層13に向かうことになり、光が薄膜太陽電池モジュール内に閉じ込められて、光吸収量が大きくなっている。一方、図6のように面のなす角度が120度未満であると、透明絶縁性基板11に垂直に入射した光381は、第1の透明導電層と半導体薄膜光電変換層と第2の透明導電層と透明絶縁性接着層とを透過して、金属反射層16に、裏面基板17の面の法線方向に対して、30度以上傾いた角度で入射する。
すると、光の反射の法則により、金属反射層16で反射された光382は、裏面基板17の面の法線方向に対して、光381と対称に30度以上傾いた角度で反射する。そのような光382は、裏面基板17の光381の反射した面に隣り合う面に、透明絶縁性接着層15を透過して到達してしまい、上記のような効果は得られなくなってしまう。以上のような16μm以上の周期のV字溝又は四角錐の凸凹形状を持つソーダガラス裏面基板17の製造方法としては、型板ガラスの製造に用いられるロールアウト法や、研削加工法や、光硬化樹脂や熱効果樹脂などをガラス基板の上に塗布した後、V字溝又は四角錐の凹凸構造の型を押し当てながら光や熱を加えることにより、形成する方法などが適宜選択される。この方法の中では、コストの面からロールアウト法を用いるのが好ましい。
V字溝又は四角錐の凹凸形状を持つソーダガラス裏面基板17は、そのV字溝又は四角錐の方向が、基板全体において同一方向(平行)でもよいし、一定の間隔で互い違いにしてもよい。特にV字溝が、基板全体にわたって同一方向で、溝の位置が同じであると溝部分での強度が弱くなる。このために、ガラス板厚さが溝の倍以上であることが好ましい。また、図7のように溝が同一方向(平行)であっても、溝位置を一定間隔でずらすことも好ましい。図7は溝位置をずらす境界に溝のない部分を設けたが、連続的に溝位置を変えてもよい。
また、図8のようにV字溝形状の方向を一定の間隔で変えることで強度低下を抑えることができる。図8は一例として、溝の方向を直角にずらした例であり、一定の間隔と角度は適宜選択されるものである。
次に実施例について説明する。
実施例では、以下に述べる手順で半導体薄膜光電変換層の組合せを2組有するタンデム型薄膜シリコン太陽電池セルを作成し、その光入射側から離れた半導体薄膜光電変換層の組(ボトムセル)の短絡電流値bottom-Jscを評価した。タンデム型薄膜シリコン太陽電池セルのbottom-Jscを評価した理由は、半導体薄膜光電変換層の組合せが1組であるシングル型薄膜シリコン太陽電池セルや、タンデム型薄膜シリコン太陽電池セルの入射側の半導体薄膜光電変換層の組(トップセル)ではその感度を持つ光吸収係数がもともと高く、光吸収量が多いことから、光が閉じ込められて光吸収量が増大した効果を十分確認できないためである。
実施例では、以下に述べる手順で半導体薄膜光電変換層の組合せを2組有するタンデム型薄膜シリコン太陽電池セルを作成し、その光入射側から離れた半導体薄膜光電変換層の組(ボトムセル)の短絡電流値bottom-Jscを評価した。タンデム型薄膜シリコン太陽電池セルのbottom-Jscを評価した理由は、半導体薄膜光電変換層の組合せが1組であるシングル型薄膜シリコン太陽電池セルや、タンデム型薄膜シリコン太陽電池セルの入射側の半導体薄膜光電変換層の組(トップセル)ではその感度を持つ光吸収係数がもともと高く、光吸収量が多いことから、光が閉じ込められて光吸収量が増大した効果を十分確認できないためである。
以下に、本発明の実施例の第1の透明導電層が形成された透明絶縁性基板(以下、透明導電層付き透明絶縁性基板とも呼ぶ。)の作成方法について詳細に記述する。透明導電層は、フロート法で作成されたソーダライムシリケートガラス基板(30cm×40cm×1.1mm)上に常圧CVD法で作成した。透明絶縁性基板と透明導電層の間には低反射中間層として、酸化チタン層と酸化シリコン層をこの順に形成した。酸化シリコン層はソーダライムシリケートガラス基板からのアルカリ成分の拡散を防ぐアルカリバリア層としても機能する。各層の作成は具体的には以下の手順で行った。
基板は十分洗浄した後、ベルトコンベア炉中で予め500℃に加熱した。一定方向に移動する基板に対して、酸化チタン層の原料ガスであるテトライソプロポキシチタンを吹き付けて基板表面に酸化チタン層約10nmを形成させた。テトライソプロポキシチタンは、90℃に保持したバブラータンクに入れ、ボンベから窒素を毎分5L供給して気化させた。次に毎分0.1Lのシランガスと毎分5Lの酸素ガスを基板上に形成された酸化チタン層表面に吹き付けて酸化シリコン層約25nmを形成させた。さらに、酸化シリコン層が形成された基板を520℃に加熱して、四塩化スズ、水およびフッ化水素を同時に含有するガスを吹き付けて、フッ素が3.5mol%添加された酸化スズ層約600nmを形成させた。ここで、四塩化スズを45℃に保持したバブラータンクに入れ、ボンベから窒素を導入して気化させた。水は100℃以上に保持したボイラーから供給した。フッ化水素ガスは、40℃に加熱したボンベから気化させた。これらを混合したガスを2つのインジェクタを利用して、基板の移動方向に対して上流側と下流側の2個所で吹き付けた。四塩化スズと水との混合比は、上流側の第1のインジェクタでは四塩化スズ:水=1:20であり、下流側の第2のインジェクタでは、四塩化スズ:水=1:100とした。これにより、表面全体に微細な凹凸を均一に有する酸化スズ層が形成された。
以下に、本発明の実施例の半導体薄膜光電変換層の作成方法について詳細に記述する。
40mm×40mmの大きさに切り出した第1の透明導電層の付き透明絶縁性基板の上に、非晶質シリコンのp-i-n半導体薄膜光電変換層の組をトップセルとして形成した後、微結晶シリコンのp-i-n半導体薄膜光電変換層の組をボトムセルとして形成した。いずれの層の形成にもプラズマCVD装置(株式会社アルバック製CME-200J)を用いた。
40mm×40mmの大きさに切り出した第1の透明導電層の付き透明絶縁性基板の上に、非晶質シリコンのp-i-n半導体薄膜光電変換層の組をトップセルとして形成した後、微結晶シリコンのp-i-n半導体薄膜光電変換層の組をボトムセルとして形成した。いずれの層の形成にもプラズマCVD装置(株式会社アルバック製CME-200J)を用いた。
トップセルを構成する各層(p層、i層、n層)の形成条件は以下の通りである。
[トップセルp層]
ヒーター設定温度:195℃
圧力 :40Pa
RF(27.12MHz)パワー:0.045W/cm2
ガス流量
SiH4 :20sccm
CH4 :40sccm
H2 :115sccm
H2/B2H6:125sccm(B2H6:1000ppm)
[トップセルi層]
ヒーター設定温度:195℃
圧力 :27Pa
RF(27.12MHz)パワー:0.023W/cm2
ガス流量
SiH4 :20sccm
[トップセルn層]
ヒーター設定温度:195℃
圧力 :135Pa
RF(27.12MHz)パワー:0.180W/cm2
ガス流量
SiH4 :5sccm
H2 :400sccm
H2/PH3:100sccm(PH3:1000ppm)
[トップセルp層]
ヒーター設定温度:195℃
圧力 :40Pa
RF(27.12MHz)パワー:0.045W/cm2
ガス流量
SiH4 :20sccm
CH4 :40sccm
H2 :115sccm
H2/B2H6:125sccm(B2H6:1000ppm)
[トップセルi層]
ヒーター設定温度:195℃
圧力 :27Pa
RF(27.12MHz)パワー:0.023W/cm2
ガス流量
SiH4 :20sccm
[トップセルn層]
ヒーター設定温度:195℃
圧力 :135Pa
RF(27.12MHz)パワー:0.180W/cm2
ガス流量
SiH4 :5sccm
H2 :400sccm
H2/PH3:100sccm(PH3:1000ppm)
ボトムセルを構成する各層(p層、i層、n層)の形成条件は以下の通りである。
[ボトムセルp層]
ヒーター設定温度:195℃
圧力 :200Pa
RF(27.12MHz)パワー:0.045W/cm2
ガス流量
SiH4 :9sccm
H2 :1350sccm
H2/B2H6:12sccm(B2H6:1000ppm)
[ボトムセルi層]
ヒーター設定温度:195℃
圧力 :400Pa
RF(27.12MHz)パワー:0.075W/cm2
ガス流量
SiH4 :12sccm
H2 :600sccm
[ボトムセルn層]
ヒーター設定温度:195℃
圧力 :40Pa
RF(27.12MHz)パワー:0.023W/cm2
ガス流量
SiH4 :10sccm
H2 :75sccm
H2/PH3:75sccm(PH3:1000ppm)
[ボトムセルp層]
ヒーター設定温度:195℃
圧力 :200Pa
RF(27.12MHz)パワー:0.045W/cm2
ガス流量
SiH4 :9sccm
H2 :1350sccm
H2/B2H6:12sccm(B2H6:1000ppm)
[ボトムセルi層]
ヒーター設定温度:195℃
圧力 :400Pa
RF(27.12MHz)パワー:0.075W/cm2
ガス流量
SiH4 :12sccm
H2 :600sccm
[ボトムセルn層]
ヒーター設定温度:195℃
圧力 :40Pa
RF(27.12MHz)パワー:0.023W/cm2
ガス流量
SiH4 :10sccm
H2 :75sccm
H2/PH3:75sccm(PH3:1000ppm)
以下に本発明の実施例の第2の透明導電層の作成方法について詳細に記述する。
第1の透明導電層と半導体薄膜光電変換層がこの順に付いた透明絶縁性基板の上に、酸化ガリウムGa2O3を酸化亜鉛ZnOとの総和に対して、5.7重量%含有しているGZOターゲットを用いて直流スパッタ法によりガリウム添加酸化亜鉛層を約100nm形成した。このときに、10mm×10mmの大きさの開口部をもつメタルマスクを基板の上に設置することにより、10mm×10mmの大きさのガリウム添加酸化亜鉛層のパターンとして形成した。形成は真空装置をあらかじめ10-3Pa以下に減圧した後、Arガスを100sccm、CO2ガスを1.5sccm導入して行ない、スパッタ中の圧力を4×10-1Pa、スパッタパワーは1.4W/cm2とした。ヒーター温度は110℃とした。また、ガリウム添加酸化亜鉛膜中のGa2O3含有量はターゲットと同様で、酸化ガリウムGa2O3と酸化亜鉛ZnOとの総和に対して、5.7重量%であった。ガリウム添加酸化亜鉛単膜の性能は、比抵抗が3×10-1Ω・cm、500~800nmにおいて吸収係数が1.38~2.75×103cm-1であった。
第1の透明導電層と半導体薄膜光電変換層がこの順に付いた透明絶縁性基板の上に、酸化ガリウムGa2O3を酸化亜鉛ZnOとの総和に対して、5.7重量%含有しているGZOターゲットを用いて直流スパッタ法によりガリウム添加酸化亜鉛層を約100nm形成した。このときに、10mm×10mmの大きさの開口部をもつメタルマスクを基板の上に設置することにより、10mm×10mmの大きさのガリウム添加酸化亜鉛層のパターンとして形成した。形成は真空装置をあらかじめ10-3Pa以下に減圧した後、Arガスを100sccm、CO2ガスを1.5sccm導入して行ない、スパッタ中の圧力を4×10-1Pa、スパッタパワーは1.4W/cm2とした。ヒーター温度は110℃とした。また、ガリウム添加酸化亜鉛膜中のGa2O3含有量はターゲットと同様で、酸化ガリウムGa2O3と酸化亜鉛ZnOとの総和に対して、5.7重量%であった。ガリウム添加酸化亜鉛単膜の性能は、比抵抗が3×10-1Ω・cm、500~800nmにおいて吸収係数が1.38~2.75×103cm-1であった。
以下に本発明の実施例の薄膜太陽電池セルの作成方法について詳細に記述する。
第1の透明導電層と半導体光電変換層と第2の透明導電層がこの順に付いた透明絶縁性基板を、10mm×10mmのパターンを持つ第2の透明導電ガリウム添加酸化亜鉛層をマスクとして、六フッ化硫黄を用いてリアクティブイオンエッチングを行った。その後、マスク部分以外の半導体光電変換層を除去することにより、10mm×10mmの大きさの薄膜太陽電池セルとした。
第1の透明導電層と半導体光電変換層と第2の透明導電層がこの順に付いた透明絶縁性基板を、10mm×10mmのパターンを持つ第2の透明導電ガリウム添加酸化亜鉛層をマスクとして、六フッ化硫黄を用いてリアクティブイオンエッチングを行った。その後、マスク部分以外の半導体光電変換層を除去することにより、10mm×10mmの大きさの薄膜太陽電池セルとした。
以下に本発明の実施例の裏面基板の作成方法について詳細に記述する。
フロート法で作成された厚さ2mmのソーダライムシリケートガラス基板を40mm×40mmの大きさに切り出した。このガラス基板で平坦面を有するものを実施例1の基板とした。また、同様のガラス基板を40mm×40mmの大きさに切り出し、片面の中央に、それぞれ角度130、135、140、150度の角度をもったV字型の砥石を用いて、500μmピッチのV字溝を40本形成した。V字溝はさらにスラリーを用いて表面の算術平均粗さRaが10nm以下となるように研磨した。このV字溝の角度が130°のソーダライムシリケートガラス基板を用いたものを実施例2とし、V字溝の角度が135°のソーダライムシリケートガラス基板を用いたものを実施例3とし、V字溝の角度が140°のソーダライムシリケートガラス基板を用いたものを実施例4とし、V字溝の角度が150°のソーダライムシリケートガラス基板を用いたものを比較例1とした。即ち、実施例1が上記した第1実施形態の裏面基板に相当するものであり、実施例2~4が第2実施形態の裏面基板に相当するものである。なお、V字溝の角度は全面で指定した角度を持っていた。
フロート法で作成された厚さ2mmのソーダライムシリケートガラス基板を40mm×40mmの大きさに切り出した。このガラス基板で平坦面を有するものを実施例1の基板とした。また、同様のガラス基板を40mm×40mmの大きさに切り出し、片面の中央に、それぞれ角度130、135、140、150度の角度をもったV字型の砥石を用いて、500μmピッチのV字溝を40本形成した。V字溝はさらにスラリーを用いて表面の算術平均粗さRaが10nm以下となるように研磨した。このV字溝の角度が130°のソーダライムシリケートガラス基板を用いたものを実施例2とし、V字溝の角度が135°のソーダライムシリケートガラス基板を用いたものを実施例3とし、V字溝の角度が140°のソーダライムシリケートガラス基板を用いたものを実施例4とし、V字溝の角度が150°のソーダライムシリケートガラス基板を用いたものを比較例1とした。即ち、実施例1が上記した第1実施形態の裏面基板に相当するものであり、実施例2~4が第2実施形態の裏面基板に相当するものである。なお、V字溝の角度は全面で指定した角度を持っていた。
以上のように用意された基板に、平坦面を有する基板(実施例1)については片面に、後述する金属反射層を形成した。また、V字溝付基板(実施例2~4、比較例1)についてはV字溝加工がなされた面に、後述する金属反射層を形成した。金属反射層は、以下のような手順で銀層約250nmとアルミニウム層約1nmをこの順に直流スパッタ法により形成した。形成は真空装置をあらかじめ2×10-5Pa以下に減圧した後、Arガスを18sccm導入して行ない、スパッタ中の圧力を4×10-1Pa、スパッタパワーは銀ターゲットについては2.5W/cm2、アルミニウムターゲットについては0.5W/cm2とした。金属反射層の反射率は、500nmから1200nmの波長範囲で94%以上であった。
以下に、本発明の実施例1~4及び比較例1の薄膜太陽電池セルの作成方法について詳細に記述する。なお、ここではセルとは太陽電池の最小単位の構成であり、セルが複数集まったものがモジュールである。
上記のように作成された薄膜太陽電池セルにおいて、エッチングにより第1の透明導電層が露出した部分に、幅5mm・厚さ70μmの導電性接着層付の銅箔を貼り付けて、第1の透明導電層への電極とした。次に、エッチングにより第1の透明導電層が露出した部分の第2の透明導電層パターン近傍に、絶縁性ポリイミドテープを貼り付けて絶縁層とし、その上に幅5mm・厚さ70μmの導電性接着層付の銅箔を貼り付け、さらに銅箔表面と第2の透明導電層パターンとの間に銀を含有した導電性樹脂液を塗布し乾燥させることにより、第2の透明導電層への電極を形成した。なお、第2の透明導電層パターンより外側周囲3mm程度には、当該部から入射した光が裏面基板の金属反射層で反射し、半導体光電変換層に入射することにより、実際よりも光吸収量が多く測定される可能性があるため、黒色インクを塗布し、外側周囲より光が入射しないようにした。上記のように第1の透明導電層と第2の透明導電層への電極が形成された薄膜太陽電池セルと、金属反射層付裏面基板とを、それぞれ半導体光電変換層や金属反射層が形成された面が内側になるように、厚さ0.5mmのエンボス付きPVB樹脂を挟んで重ねた。PVB樹脂を挟んだ2枚の基板は、ナイロン袋に入れ、密封したナイロン袋内を20kPaまで真空ポンプで減圧した状態で、オーブン内で120℃で2時間保持することにより、PVB樹脂で薄膜太陽電池セルと金属反射層付裏面基板とを接着し、薄膜太陽電池セルとした。
上記のように作成された薄膜太陽電池セルにおいて、エッチングにより第1の透明導電層が露出した部分に、幅5mm・厚さ70μmの導電性接着層付の銅箔を貼り付けて、第1の透明導電層への電極とした。次に、エッチングにより第1の透明導電層が露出した部分の第2の透明導電層パターン近傍に、絶縁性ポリイミドテープを貼り付けて絶縁層とし、その上に幅5mm・厚さ70μmの導電性接着層付の銅箔を貼り付け、さらに銅箔表面と第2の透明導電層パターンとの間に銀を含有した導電性樹脂液を塗布し乾燥させることにより、第2の透明導電層への電極を形成した。なお、第2の透明導電層パターンより外側周囲3mm程度には、当該部から入射した光が裏面基板の金属反射層で反射し、半導体光電変換層に入射することにより、実際よりも光吸収量が多く測定される可能性があるため、黒色インクを塗布し、外側周囲より光が入射しないようにした。上記のように第1の透明導電層と第2の透明導電層への電極が形成された薄膜太陽電池セルと、金属反射層付裏面基板とを、それぞれ半導体光電変換層や金属反射層が形成された面が内側になるように、厚さ0.5mmのエンボス付きPVB樹脂を挟んで重ねた。PVB樹脂を挟んだ2枚の基板は、ナイロン袋に入れ、密封したナイロン袋内を20kPaまで真空ポンプで減圧した状態で、オーブン内で120℃で2時間保持することにより、PVB樹脂で薄膜太陽電池セルと金属反射層付裏面基板とを接着し、薄膜太陽電池セルとした。
(比較例2)
以下に、本発明の比較例2の薄膜太陽電池セルの作成方法について詳細に述べる。
第2の透明導電層の形成までは上記実施例1~3及び比較例1と同様に行った。次に、第2の透明導電層の上に、10mm×10mmの大きさの開口部をもつメタルマスクを基板の上に、ガリウム添加酸化亜鉛層成膜時より移動することなく保持したままで、10mm×10mmの大きさの銀層とアルミニウム層のパターンを裏面電極層として直流スパッタ法により形成した。銀層は、銀ターゲットを用いてArガス雰囲気で直流スパッタ法(スパッタ中の圧力:4×10-1Pa、スパッタパワー:1.4W/cm2)により約200nmの層厚で形成した。さらに、アルミニウム層はアルミニウムターゲットを用いてArガス雰囲気中で直流スパッタ法(スパッタ中の圧力:4×10-1Pa、スパッタパワー:1.4Wcm2)により、約82nmの層厚で形成した。アルミニウム層を形成したのち、10mm×10mmのパターンを持つ裏面電極層をマスクとして、六フッ化硫黄を用いてリアクティブイオンエッチングを行い、マスク部分以外の半導体光電変換層を除去することにより、薄膜太陽電池セルを作成した。さらに、第1の透明導電層が露出している部分に、電極として銅リード線を、セラミック材料専用ハンダであるセラソルザを用いて半田付けし、薄膜太陽電池セルとした。
以下に、本発明の比較例2の薄膜太陽電池セルの作成方法について詳細に述べる。
第2の透明導電層の形成までは上記実施例1~3及び比較例1と同様に行った。次に、第2の透明導電層の上に、10mm×10mmの大きさの開口部をもつメタルマスクを基板の上に、ガリウム添加酸化亜鉛層成膜時より移動することなく保持したままで、10mm×10mmの大きさの銀層とアルミニウム層のパターンを裏面電極層として直流スパッタ法により形成した。銀層は、銀ターゲットを用いてArガス雰囲気で直流スパッタ法(スパッタ中の圧力:4×10-1Pa、スパッタパワー:1.4W/cm2)により約200nmの層厚で形成した。さらに、アルミニウム層はアルミニウムターゲットを用いてArガス雰囲気中で直流スパッタ法(スパッタ中の圧力:4×10-1Pa、スパッタパワー:1.4Wcm2)により、約82nmの層厚で形成した。アルミニウム層を形成したのち、10mm×10mmのパターンを持つ裏面電極層をマスクとして、六フッ化硫黄を用いてリアクティブイオンエッチングを行い、マスク部分以外の半導体光電変換層を除去することにより、薄膜太陽電池セルを作成した。さらに、第1の透明導電層が露出している部分に、電極として銅リード線を、セラミック材料専用ハンダであるセラソルザを用いて半田付けし、薄膜太陽電池セルとした。
ここで、実施例と比較例との対比の前に銀層の下地凹凸による吸収の影響について説明する。
<銀層の吸収の評価>
銀層の下地凹凸のよる吸収の影響の評価として、ガラス/透明電極(TCO)/金属酸化物層(ガリウム添加亜鉛酸化層約100nm /銀層約200nmからなる反射膜)の構成で透明電極のヘイズ率を変えた下記表1に記載のサンプル1~3を用いて、それぞれの反射率を測定した。ヘイズ率の大きさは、凹凸の大きさにほぼ比例するものであると考えられるため、ヘイズ率の違うサンプルの評価は凹凸の評価に対応すると考える。なお、成膜条件は上記と同じである。
<銀層の吸収の評価>
銀層の下地凹凸のよる吸収の影響の評価として、ガラス/透明電極(TCO)/金属酸化物層(ガリウム添加亜鉛酸化層約100nm /銀層約200nmからなる反射膜)の構成で透明電極のヘイズ率を変えた下記表1に記載のサンプル1~3を用いて、それぞれの反射率を測定した。ヘイズ率の大きさは、凹凸の大きさにほぼ比例するものであると考えられるため、ヘイズ率の違うサンプルの評価は凹凸の評価に対応すると考える。なお、成膜条件は上記と同じである。
反射率の測定は、株式会社日立ハイテクノロジーズ製の分光光度計U-4100を用いて、ガラス面から測定し、積分球反射率を350-1200nmの波長範囲で測定した。銀層は200nmと厚いために、銀層を透過する光はなく、また積分球を使用しているため透明電極自身の凹凸で散乱される光も測定ができ、反射率が低いサンプルは銀層の吸収により減少したものと考えられる。測定結果を図9に示す。
図9より、反射率が低下することは、銀層の吸収が主因だと考えられる。銀層は同じ条件で成膜しており、凹凸の大きいものほど反射率は小さくなる。特に800nm~1200nmの長波長側の反射が低下(吸収が増加)する。よって、凹凸のある透明電極の上に銀層をつけると、銀層での光が吸収され、反射光が減少することが確認された。
以下に、本発明の実施例と比較例の薄膜太陽電池セルの評価方法について詳細に記述する。
得られた薄膜太陽電池セルのボトムセルの各波長における量子効率をバンドパスフィルター(朝日分光株式会社製 バンドパスフィルター 型番:PB0056、品名:PB0550/280)を通しておよそAM1.5のバイアス光を照射しながら測定した。測定により得られたボトムセルの分光感度とAM1.5の照射強度からbottom-JSCを計算により求めた。
得られた薄膜太陽電池セルのボトムセルの各波長における量子効率をバンドパスフィルター(朝日分光株式会社製 バンドパスフィルター 型番:PB0056、品名:PB0550/280)を通しておよそAM1.5のバイアス光を照射しながら測定した。測定により得られたボトムセルの分光感度とAM1.5の照射強度からbottom-JSCを計算により求めた。
表2に、本発明の実施例1と比較例2の薄膜太陽電池セルの銀層の凹凸の影響によるbottom-JSC評価結果を示す。また、表3に、本発明の実施例2~4と比較例1、2の薄膜太陽電池セルの銀層の凹凸の影響によるbottom-JSC評価結果を示す。
透明電極のC光源ヘイズ率の測定は、スガ試験機株式会社製のタッチパネル式ヘーズコンピューターHZ-2を用いて行った。また、銀層を成膜した面のRaはセイコーインスツルメンツ株式会社製のナノピクス1000を用いて、スキャン範囲4μm×4μmについて行った。
表2から、本発明の実施例1は、比較例2に比べて、銀層を成膜した面のRaが小さく、bottom-Jscが大きくなることが確認できた。この原因は、Ra小さくなり膜の吸収が減ったために、発電量つまりは電流値が増えたためと考えている。
また、実施例1は、比較例2で使用していない中間膜の吸収が含まれる。実施例で使用した 0.5mm のPVB中間膜は、波長900nm 以上において5% 前後の吸収を有する。このために、実施例の層構成ではPVB中間膜を透過した光は裏面の反射層で反射され、再度PVB中間膜を透過することになるため、特定波長の光は合計で10% 前後がPVB中間膜に吸収されていると考えられる。つまり、中間膜自身にも光の吸収があるために、中間膜の吸収を低減すれば、上記の結果より電流値が大きくなることが予想される。
また、実施例1は、比較例2で使用していない中間膜の吸収が含まれる。実施例で使用した 0.5mm のPVB中間膜は、波長900nm 以上において5% 前後の吸収を有する。このために、実施例の層構成ではPVB中間膜を透過した光は裏面の反射層で反射され、再度PVB中間膜を透過することになるため、特定波長の光は合計で10% 前後がPVB中間膜に吸収されていると考えられる。つまり、中間膜自身にも光の吸収があるために、中間膜の吸収を低減すれば、上記の結果より電流値が大きくなることが予想される。
表3から、本発明の実施例2~4では、同じ製造方法にも関わらずV字溝の角度を150°とした比較例1に対し、bottom-Jscが大きくなることが確認できた。これは、上述したように、比較例1では、銀層で反射した光が半導体光電変換層に戻らずに銀層間で反射してしまい銀層で吸収がなされたためと考えられる。また、本発明の実施例2~4では、銀層を第2の透明導電層上に形成した比較例2に比べて、銀層を成膜した面のRaが小さく、bottom-Jscが大きくなることが確認できた。
以上の結果から、実施例1のように、透明絶縁性基板の上に、第1の透明導電層、半導体薄膜光電変換層、第2の透明導電層をこの順に成膜したものと、金属もしくはプラスチックもしくはガラスを基材とした平坦な裏面基板の上に、金属反射層を成膜したものとを、透明絶縁性接着層で貼り合わせた構成にすることにより、従来(比較例2)のように、表面が波打つように凹凸が形成された面上に金属反射層を形成する場合に比べて、効率よく反射光を光電変換層へ戻すことができ、光電変換効率を高めることができることが確認された。
また、実施例2~4のように、透明絶縁性基板の上に、第1の透明導電層、半導体薄膜光電変換層、第2の透明導電層をこの順に成膜したものと、金属もしくはプラスチックもしくはガラスを基材とした裏面基板の上に、金属反射層を成膜したものとを、透明絶縁性接着層で貼り合わせ、且つ、裏面基板の基材が、周期が16μm以上で、且つ、V字溝又は四角錐の凹凸形状を持ち、V字溝又は四角錐において、対向する2つの面のなす角度が120度~145度とした構成にすることにより、従来(比較例2)のように、表面が波打つように凹凸が形成された面上に金属反射層を形成する場合に比べて、効率よく反射光を光電変換層へ戻すことができ、光電変換効率を高めることができることが確認された。
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施し得るものである。
例えば、透明絶縁性接着層の代わりに、接着性を有さない透明絶縁性層を用いてもよい。
例えば、透明絶縁性接着層の代わりに、接着性を有さない透明絶縁性層を用いてもよい。
本出願は、2011年10月4日出願の日本特許出願2011-220464及び日本特許出願2011-220465、及び、2012年4月11日出願の日本特許出願2012-090266に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
11 透明絶縁性基板
12 第1の透明導電層
13 半導体薄膜光電変換層
14 第2の透明導電層
15 透明絶縁性接着層
16 金属反射層
17 裏面基板
21 p型半導体層
22 i型半導体層
23 n型半導体層
12 第1の透明導電層
13 半導体薄膜光電変換層
14 第2の透明導電層
15 透明絶縁性接着層
16 金属反射層
17 裏面基板
21 p型半導体層
22 i型半導体層
23 n型半導体層
Claims (18)
- 透明絶縁性基板、第1の透明導電層、半導体薄膜光電変換層、及び第2の透明導電層がこの順に積層され、
金属、プラスチックもしくはガラスを基材とし、該基材の表面に金属反射層を有する反射基板が、透明絶縁性層を介して、前記金属反射層が前記第2の透明導電層と対向するようにさらに積層されて構成され、
前記基材の表面が平坦面であることを特徴とする薄膜太陽電池モジュール。 - 透明絶縁性基板、第1の透明導電層、半導体薄膜光電変換層、及び第2の透明導電層がこの順に積層され、
金属、プラスチックもしくはガラスを基材とし、該基材の表面に金属反射層を有する反射基板が、透明絶縁性層を介して、前記金属反射層が前記第2の透明導電層と対向するようにさらに積層されて構成され、
前記反射基板の基材が、周期が16μm以上で、且つ、V字溝又は四角錐の凹凸形状を持ち、
前記V字溝又は四角錐において、対向する2つの面のなす角度が120度~145度であることを特徴とする薄膜太陽電池モジュール。 - 前記反射基板の基材の前記金属反射層を形成する表面の、算術平均粗さRaが10nm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の薄膜太陽電池モジュール。
- 前記透明絶縁性層が接着性を有する透明絶縁性接着層であることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の薄膜太陽電池モジュール。
- 前記反射基板の前記金属反射層が銀を主成分とする金属からなることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の薄膜太陽電池モジュール。
- 前記反射基板の前記金属反射層の表面に1層以上の水蒸気バリア層を有することを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の薄膜太陽電池モジュール。
- 前記水蒸気バリア層がアルミニウムを含むことを特徴とする請求項6に記載の薄膜太陽電池モジュール。
- 前記反射基板の前記金属反射層の表面に1層以上の増反射層を有することを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の薄膜太陽電池モジュール。
- 前記反射基板の前記金属反射層の波長500nmから800nmにおける反射率が90%以上であることを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の薄膜太陽電池モジュール。
- 前記反射基板の前記金属反射層の波長800nmから1200nmにおける反射率が80%以上であることを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の薄膜太陽電池モジュール。
- 前記透明絶縁性基板の酸化鉄の含有量が0.05wt%以下であることを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の薄膜太陽電池モジュール。
- 前記第1の透明導電層が酸化スズを主成分とする酸化物からなることを特徴とする請求項1から11のいずれか1項に記載の薄膜太陽電池モジュール。
- 前記透明絶縁性接着層が、ポリビニルブチラール樹脂からなることを特徴とする請求項4に記載の薄膜太陽電池モジュール。
- 前記透明絶縁性接着層が、エチレンビニルアセテート樹脂からなることを特徴とする請求項4に記載の薄膜太陽電池モジュール。
- 前記第2の透明導電層が酸化亜鉛を主成分とする酸化物からなることを特徴とする請求項1から14のいずれか1項に記載の薄膜太陽電池モジュール。
- 前記第2の透明導電層上に補助電極を有することを特徴とする請求項1から15のいずれか1項に記載の薄膜太陽電池モジュール。
- 透明絶縁性基板の上に、第1の透明導電層、半導体薄膜光電変換層、第2の透明導電層をこの順に成膜したものと、
表面が平坦面であるか、又は、表面が周期が16μm以上で且つV字溝若しくは四角錐の凹凸形状を持ち、V字溝若しくは四角錐において対向する2つの面のなす角度が120度~145度である、金属もしくはプラスチックもしくはガラスを基材とした裏面基板の前記表面上に金属反射層を成膜したものとを、透明絶縁性接着層で貼り合わせたことを特徴とする薄膜太陽電池モジュールの製造方法。 - 前記透明絶縁性接着層で貼り合わせる際に、耐熱樹脂製の真空ラミネート袋に入れ、真空ラミネート袋を真空排気しながら加熱処理し、一体化させることを特徴とする請求項17に記載の薄膜太陽電池モジュールの製造方法。
Applications Claiming Priority (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011220465 | 2011-10-04 | ||
JP2011220464A JP2014241308A (ja) | 2011-10-04 | 2011-10-04 | 薄膜太陽電池モジュール |
JP2011-220464 | 2011-10-04 | ||
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