WO2014002256A1 - 太陽電池 - Google Patents

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    • H10F10/00—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells
    • H10F10/10—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells having potential barriers
    • H10F10/16—Photovoltaic cells having only PN heterojunction potential barriers
    • H10F10/164—Photovoltaic cells having only PN heterojunction potential barriers comprising heterojunctions with Group IV materials, e.g. ITO/Si or GaAs/SiGe photovoltaic cells
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    • H10F10/166—Photovoltaic cells having only PN heterojunction potential barriers comprising heterojunctions with Group IV materials, e.g. ITO/Si or GaAs/SiGe photovoltaic cells the heterojunctions being Group IV-IV heterojunctions, e.g. Si/Ge, SiGe/Si or Si/SiC photovoltaic cells the Group IV-IV heterojunctions being heterojunctions of crystalline and amorphous materials, e.g. silicon heterojunction [SHJ] photovoltaic cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the present invention relates to a solar cell.
  • the main object of the present invention is to provide a solar cell having improved photoelectric conversion efficiency.
  • the solar cell 1 includes a substrate 11 made of a semiconductor material.
  • the substrate 11 has n-type or p-type conductivity.
  • the conductivity type of the substrate 11 is n-type.
  • the substrate 11 can be made of, for example, an n-type crystal semiconductor material.
  • the substrate 11 can be composed of, for example, n-type crystalline silicon.
  • the crystalline semiconductor material includes a single crystal semiconductor material and a polycrystalline semiconductor material. Crystalline silicon includes single crystal silicon and polycrystalline silicon.
  • An i-type semiconductor layer 12i made of a substantially intrinsic i-type semiconductor material may be provided between the p-type amorphous semiconductor layer 12p (a) and the first main surface 11a.
  • the i-type semiconductor layer 12i can be made of, for example, i-type amorphous silicon.
  • the thickness of the i-type semiconductor layer 12i is preferably a thickness that does not substantially contribute to power generation (for example, about 0.00 nm to 25 nm).
  • An i-type semiconductor layer 15i made of a substantially intrinsic i-type semiconductor material may be provided between the n-type amorphous semiconductor layer 15n (a) and the second main surface 11b.
  • This i-type semiconductor layer 15i can be made of, for example, i-type amorphous silicon.
  • the thickness of the i-type semiconductor layer 15i is preferably a thickness that does not substantially contribute to power generation (for example, about 0.00 nm to 25 nm).
  • Example 1 A solar cell having a configuration substantially similar to that of the solar cell 2 according to the second embodiment shown in FIG. 2 was produced under the following conditions, and the series resistance between the p-side electrode and the n-side electrode was measured. . The results are shown in Table 1 below.
  • Material of substrate 11 Single crystal silicon Material of i-type semiconductor layers 12i, 15i: i-type amorphous silicon Material of p-type amorphous semiconductor layer 12p (a): Material of p-type amorphous silicon Material of transparent conductive oxide layer 13: Indium oxide Material of n-type amorphous semiconductor layer 15n (a): n-type amorphous silicon Material of n-type microcrystalline semiconductor layer 19n (c): n-type microcrystalline silicon p-type microcrystalline semiconductor layer 16p (c) Material: p-type microcrystalline silicon Material of p-type amorphous semiconductor layer 16p (a): p-type amorphous silicon Material of transparent conductive oxide layer 17: indium oxide
  • Example 1 in which the p-type amorphous semiconductor layer 16p (a) is provided between the p-type microcrystalline semiconductor layer 16p (c) and the transparent conductive oxide layer 17 is more p-type amorphous. It can be seen that the series resistance of the solar cell is lower than that of Example 2 in which the semiconductor layer 16p (a) is not provided.

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Description

太陽電池
　本発明は、太陽電池に関する。
　近年、環境負荷が小さなエネルギー源として、太陽電池に対する注目が高まってきている。例えば特許文献１には、光電変換部の一主面の上にｐ側電極が配されており、他主面の上にｎ側電極が配されている太陽電池が記載されている。特許文献１に記載の太陽電池では、光電変換部と電極との間に透明導電性酸化物層が設けられている。
特開２０１１－７７４５４号公報
　近年、太陽電池の光電変換効率をさらに改善したいという要望が高まってきている。
　本発明の主な目的は、改善された光電変換効率を有する太陽電池を提供することである。
　本発明に係る太陽電池は、半導体材料からなる基板と、ｐ型非晶質半導体層と、ｐ側電極と、ｎ型非晶質半導体層と、透明導電性酸化物層と、ｎ側電極と、ｐ型半導体層とを備える。ｐ型非晶質半導体層は、基板の一主面の上に設けられている。ｐ側電極は、ｐ型非晶質半導体層の上に設けられている。ｎ型非晶質半導体層は、基板の他主面の上に設けられている。透明導電性酸化物層は、ｎ型非晶質半導体層の上に設けられている。ｎ側電極は、透明導電性酸化物層の上に設けられている。ｐ型半導体層は、ｎ型非晶質半導体層と透明導電性酸化物層との間に設けられている。
　本発明によれば、改善された光電変換効率を有する太陽電池を提供することができる。
第１の実施形態に係る太陽電池の略図的断面図である。 第２の実施形態に係る太陽電池の略図的断面図である。
　以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。
　また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
　図１に示されるように、第１の実施形態に係る太陽電池１は、半導体材料からなる基板１１を備えている。基板１１は、ｎ型またはｐ型の導電型を有する。本実施形態では、具体的には、基板１１の導電型は、ｎ型である。基板１１は、例えば、ｎ型の結晶半導体材料などにより構成することができる。具体的には、基板１１は、例えば、ｎ型の結晶シリコンにより構成することができる。なお、結晶半導体材料には、単結晶半導体材料と多結晶半導体材料とが含まれるものとする。結晶シリコンには、単結晶シリコンと多結晶シリコンとが含まれるものとする。
　基板１１は、第１の主面１１ａと第２の主面１１ｂとを有する。第１の主面１１ａは、受光面側に位置する。ここで、「受光面」とは、２つの主面のうち、主として受光する側の主面をいい、他方の主面を裏面という。
　第１の主面１１ａの上には、ｐ型非晶質半導体層１２ｐ（ａ）が設けられている。ｐ型非晶質半導体層１２ｐ（ａ）の導電型は、基板１１とは異なる導電型であるｐ型である。ｐ型非晶質半導体層１２ｐ（ａ）は、例えば、ｐ型のアモルファスシリコンにより構成することができる。
　ｐ型非晶質半導体層１２ｐ（ａ）と第１の主面１１ａとの間に、実質的に真性なｉ型半導体材料からなるｉ型半導体層１２ｉが設けられていてもよい。このｉ型半導体層１２ｉは、例えば、ｉ型アモルファスシリコンにより構成することができる。ｉ型半導体層１２ｉの厚みは、実質的に発電に寄与しない程度の厚み（例えば、０．数ｎｍ～２５ｎｍ程度）であることが好ましい。
　ｐ型非晶質半導体層１２ｐ（ａ）の上には、ｐ側電極１４ｐが配されている。ｐ側電極１４ｐは、一の方向に沿って延び、一の方向に対して傾斜した（典型的には垂直な）他の方向に沿って相互に間隔をおいて配された複数のフィンガー部を有することが好ましい。ｐ側電極１４ｐは、複数のフィンガー部に電気的に接続されたバスバー部を有していてもよい。ｐ側電極１４ｐは、金属により構成されている。ｐ側電極１４ｐは、例えば、Ａｇ、Ｃｕなどの少なくとも一種の金属により構成することができる。
　ｐ側電極１４ｐとｐ型非晶質半導体層１２ｐ（ａ）との間には、透明導電性酸化物（Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ　Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ　Ｏｘｉｄｅ：ＴＣＯ）層１３が設けられている。この透明導電性酸化物層１３は、例えば、インジウム、スズ、亜鉛などを主成分とした酸化物により構成することができる。なお、透明導電性酸化物１３は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）のように、インジウム、スズ、亜鉛などを主成分とした酸化物に微量の元素を添加したものであってもよい。
　基板１１の第２の主面１１ｂの上には、ｎ型非晶質半導体層１５ｎ（ａ）が設けられている。ｎ型非晶質半導体層１５ｎ（ａ）の導電型は、基板１１と同じ導電型であるｎ型である。ｎ型非晶質半導体層１５ｎ（ａ）は、例えば、ｎ型のアモルファスシリコンにより構成することができる。
　ｎ型非晶質半導体層１５ｎ（ａ）と第２の主面１１ｂとの間に、実質的に真性なｉ型半導体材料からなるｉ型半導体層１５ｉが設けられていてもよい。このｉ型半導体層１５ｉは、例えば、ｉ型アモルファスシリコンにより構成することができる。ｉ型半導体層１５ｉの厚みは、実質的に発電に寄与しない程度の厚み（例えば、０．数ｎｍ～２５ｎｍ程度）であることが好ましい。
　ｎ型非晶質半導体層１５ｎ（ａ）の上には、透明導電性酸化物（Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ　Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ　Ｏｘｉｄｅ：ＴＣＯ）層１７が設けられている。この透明導電性酸化物層１７は、例えば、インジウム、スズ、亜鉛などを主成分とした酸化物により構成することができる。なお、透明導電性酸化物１７は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）のように、インジウム、スズ、亜鉛などを主成分とした酸化物に微量の元素を添加したものであってもよい。
　透明導電性酸化物層１７の上には、ｎ側電極１８ｎが配されている。このｎ側電極１８ｎは、電子を収集する電極である。ｎ側電極１８ｎは、一の方向に沿って延び、一の方向に対して傾斜した（典型的には垂直な）他の方向に沿って相互に間隔をおいて配された複数のフィンガー部を有することが好ましい。ｎ側電極１８ｎのフィンガー部のピッチは、ｐ側電極１４ｐのフィンガー部のピッチよりも狭いことが好ましい。すなわち、ｎ側電極１８ｎのフィンガー部の方が、ｐ側電極１４ｐのフィンガー部よりも密に設けられていることが好ましい。ｎ側電極１８ｎは、複数のフィンガー部に電気的に接続されたバスバー部を有していてもよい。ｎ側電極１８ｎは、金属により構成されている。ｎ側電極１８ｎは、例えば、Ａｇ、Ｃｕなどの少なくとも一種の金属により構成することができる。
　一般的には、透明導電性酸化物層及びｎ側電極は、ｎ型非晶質半導体層の直上に設けられる。一方、太陽電池１では、ｎ型非晶質半導体層１５ｎ（ａ）と透明導電性酸化物層１７との間に、ｐ型半導体層１６ｐが設けられている。このｐ型半導体層１６ｐは、透明導電性酸化物層１７に接するように設けられている。このため、透明導電性酸化物層及びｎ側電極を、ｎ型非晶質半導体層の直上に設けた場合よりも、光電変換効率を改善することができる。この理由としては、以下のような理由が考えられる。
　ｎ型半導体層と透明導電性酸化物層とのコンタクト抵抗は、ｐ型半導体層と透明導電性酸化物層との間のコンタクト抵抗よりも高いものと考えられる。これは、ｐ型半導体層と透明導電性酸化物層とが急峻にバンド接合しているため、ｐ型半導体層の正孔と透明導電性酸化物層の電子が界面においてキャリア再結合しやすく電気が流れやすいのに対して、ｎ型半導体層と透明導電性酸化物層では同じ電子をキャリアに持つためバンドオフセットによる影響を受けやすく電気が流れにくい。太陽電池１では、ｎ型非晶質半導体層１５ｎ（ａ）と透明導電性酸化物層１７との間にｐ型半導体層１６ｐが設けられている。このため、ｎ型非晶質半導体層１５ｎ（ａ）とｐ型半導体層１６ｐとの間でキャリアの再結合が容易に生じる。更にｐ型半導体層１６ｐと透明導電性酸化物層１７との間でも再びキャリアの再結合が容易に生じる。このため、ｎ型非晶質半導体層１５ｎ（ａ）と透明導電性酸化物層１７との間の電気抵抗が、ｐ型半導体層１６ｐが設けられていない場合よりも低い。その結果、改善された光電変換効率が得られるものと考えられる。
　より改善された光電変換効率を実現する観点から、ｐ型半導体層１６ｐが、ｐ型微結晶半導体層１６ｐ（ｃ）を含むことが好ましく、ｐ型微結晶半導体層１６ｐ（ｃ）と透明導電性酸化物層１７との間に配されたｐ型非晶質半導体層１６ｐ（ａ）をさらに含むことがより好ましい。また、図２に示される太陽電池２のように、ｐ型半導体層１６ｐとｎ型非晶質半導体層１５ｎ（ａ）との間にｎ型微結晶半導体層１９ｎ（ｃ）が設けられていることがさらに好ましい。
　ｐ型微結晶半導体層１６ｐ（ｃ）は、例えば、ｐ型微結晶シリコンにより構成することができる。ｐ型微結晶半導体層１６ｐ（ｃ）の厚みは、特に限定されないが、例えば、１ｎｍ～３０ｎｍであることが好ましく、１ｎｍ～１５ｎｍであることがより好ましい。ｐ型非晶質半導体層１６ｐ（ａ）は、例えば、ｐ型アモルファスシリコンにより構成することができる。ｐ型非晶質半導体層１６ｐ（ａ）の厚みは、特に限定されないが、例えば、０．５ｎｍ～３０ｎｍであることが好ましく、１ｎｍ～１０ｎｍであることがより好ましい。ｎ型微結晶半導体層１９ｎ（ｃ）は、例えば、ｎ型微結晶シリコンにより構成することができる。ｎ型微結晶半導体層１９ｎ（ｃ）の厚みは、特に限定されないが、例えば、１ｎｍ～３０ｎｍであることが好ましく、１ｎｍ～１５ｎｍであることがより好ましい。
　なお、微結晶半導体層とは、半導体結晶粒を複数個含む層をいう。微結晶半導体層には、実質的に半導体結晶粒のみからなる層が含まれる。また、微結晶半導体層は、半導体結晶粒に加え、半導体のアモルファス領域を有していてもよい。
　（実施例１）
　図２に示される第２の実施形態に係る太陽電池２と実質的に同様の構成を有する太陽電池を下記の条件で作製し、ｐ側電極とｎ側電極との間のシリーズ抵抗を測定した。結果を下記の表１に示す。
　基板１１の材質：単結晶シリコン
　ｉ型半導体層１２ｉ、１５ｉの材質：ｉ型アモルファスシリコン
　ｐ型非晶質半導体層１２ｐ（ａ）の材質：ｐ型アモルファスシリコン
　透明導電性酸化物層１３の材質：インジウム酸化物
　ｎ型非晶質半導体層１５ｎ（ａ）の材質：ｎ型アモルファスシリコン
　ｎ型微結晶半導体層１９ｎ（ｃ）の材質：ｎ型微結晶シリコン
　ｐ型微結晶半導体層１６ｐ（ｃ）の材質：ｐ型微結晶シリコン
　ｐ型非晶質半導体層１６ｐ（ａ）の材質：ｐ型アモルファスシリコン
　透明導電性酸化物層１７の材質：インジウム酸化物
　（実施例２）
　ｐ型非晶質半導体層１６ｐ（ａ）を設けなかったこと以外は、実施例１と同様にして太陽電池を作製し、ｐ側電極とｎ側電極との間のシリーズ抵抗を測定した。結果を下記の表１に示す。
　（比較例）
　ｎ型微結晶半導体層１９ｎ（ｃ）及びｐ型半導体層１６ｐを設けなかったこと以外は、実施例１と同様にして太陽電池を作製し、ｐ側電極とｎ側電極との間のシリーズ抵抗を測定した。結果を下記の表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示す結果から、ｎ型非晶質半導体層１５ｎ（ａ）と透明導電性酸化物層１７との間にｐ型半導体層１６ｐが設けられている実施例１，２では、ｎ型非晶質半導体層１５ｎ（ａ）と透明導電性酸化物層１７との間にｐ型半導体層が設けられていない比較例よりも太陽電池のシリーズ抵抗が低いことが分かる。
　ｐ型微結晶半導体層１６ｐ（ｃ）と透明導電性酸化物層１７との間にｐ型非晶質半導体層１６ｐ（ａ）が設けられている実施例１の方が、ｐ型非晶質半導体層１６ｐ（ａ）が設けられていない実施例２よりも太陽電池のシリーズ抵抗が低いことが分かる。
１，２…太陽電池
１１…基板
１１ａ…第１の主面
１１ｂ…第２の主面
１２ｉ、１５ｉ…ｉ型半導体層
１２ｐ（ａ）…ｐ型非晶質半導体層
１３，１７…透明導電性酸化物層
１４ｐ…ｐ側電極
１５ｎ（ａ）…ｎ型非晶質半導体層
１６ｐ…ｐ型半導体層
１６ｐ（ａ）…ｐ型非晶質半導体層
１６ｐ（ｃ）…ｐ型微結晶半導体層
１８ｎ…ｎ側電極
１９ｎ（ｃ）…ｎ型微結晶半導体層

Claims (4)

  1. 　半導体材料からなる基板と、
    　前記基板の一主面の上に設けられたｐ型非晶質半導体層と、
    　前記ｐ型非晶質半導体層の上に設けられたｐ側電極と、
    　前記基板の他主面の上に設けられたｎ型非晶質半導体層と、
    　前記ｎ型非晶質半導体層の上に設けられた透明導電性酸化物層と、
    　前記透明導電性酸化物層の上に設けられたｎ側電極と、
    　前記ｎ型非晶質半導体層と前記透明導電性酸化物層との間に設けられたｐ型半導体層と、
    を備える、太陽電池。
  2. 　前記ｐ型半導体層が、ｐ型微結晶半導体層を含む、請求項１に記載の太陽電池。
  3. 　前記ｐ型半導体層が、前記ｐ型微結晶半導体層と前記透明導電性酸化物層との間に配されたｐ型非晶質半導体層とをさらに含む、請求項２に記載の太陽電池。
  4. 　前記ｐ型半導体層と前記ｎ型非晶質半導体層との間に配されたｎ型微結晶半導体層をさらに備える、請求項１～３のいずれか一項に記載の太陽電池。
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