(57)【要約】【課題】耐久性が高く、低コストであり、かつ光電変換効率が高い薄膜太陽電池を提供する。【解決手段】この薄膜太陽電池は、基板１０、第１電極層１００、光電変換層１１０、透明電極層１２０、及び金属粒分散構造１３０を有する。第１電極層１００は基板１０上に形成されている。光電変換層１１０は第１電極層１００上に形成されており、第１導電型半導体層１１２、ｉ型半導体層１１４、及び第２導電型半導体層１１６をこの順に積層した積層構造を有している。透明電極層１２０は、例えば酸化インジウム層である。金属粒分散構造１３０は、光電変換層１１０より上方に位置し、複数の金属粒１３２が平面視で分散されている構造である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成された第１電極層と、
前記第１電極層上に形成された光電変換層と、
前記光電変換層上に形成された透明電極層と、
前記光電変換層より上方に位置し、複数の金属粒が平面視で分散されている金属粒分散構造と、
を備える薄膜太陽電池。
【請求項２】
請求項１に記載の薄膜太陽電池において、
前記金属粒分散構造は、前記複数の金属粒の平均直径が３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、前記複数の金属粒の密度が１０７個／ｃｍ２以上１０１１個／ｃｍ２以下である薄膜太陽電池。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の薄膜太陽電池において、
前記金属粒分散構造は、前記透明電極層の中に位置している薄膜太陽電池。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一つに記載の薄膜太陽電池において、
前記金属粒分散構造における前記複数の金属粒は、薄膜の成膜において成膜初期に生成する複数の核である薄膜太陽電池。
【請求項５】
請求項４に記載の薄膜太陽電池において、
前記成膜は、スパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スプレー蒸着法、電界メッキ法、又は無電解メッキ法により行われている薄膜太陽電池。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一つに記載の薄膜太陽電池において、
前記金属粒は、金、銀、銅、ニッケル、及び白金からなる群から選ばれた少なくとも１種類の金属、前記群から選ばれた少なくとも２種類の金属からなる合金、又は前記１種類の金属と前記合金の混合物である薄膜太陽電池。
【請求項７】
基板上に第１電極層を形成する工程と、
前記第１電極層上に光電変換層を形成する工程と、
前記光電変換層上に透明電極層を形成する工程と、
を備え、
前記光電変換層を形成する工程の後に、前記光電変換層より上方に位置し、複数の金属粒が平面視で分散されている金属粒分散構造を形成する工程を有する薄膜太陽電池の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の薄膜太陽電池の製造方法において、
前記金属粒分散構造を形成する工程は、薄膜の成膜において複数の核を生成する工程である薄膜太陽電池の製造方法。
【請求項９】
請求項８に記載の薄膜太陽電池の製造方法において、
前記成膜は、スパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スプレー蒸着法、電界メッキ法、又は無電解メッキ法により行われる薄膜太陽電池の製造方法。
【請求項１０】
請求項７〜９のいずれか一つに記載の薄膜太陽電池の製造方法において、
前記透明電極層を形成する工程は、
前記光電変換層上に位置する第１透明電極層を形成する工程と、
前記第１透明電極層上に第２透明電極層を形成する工程と、
を備え、
前記金属粒分散構造を形成する工程は、前記第１透明電極層を形成する工程と前記第２透明電極層を形成する工程の間に行われ、前記第１透明電極層上に前記金属粒分散構造を形成する工程である薄膜太陽電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐久性が高く、低コストであり、かつ光電変換効率が高い薄膜太陽電池及び薄膜太陽電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は、太陽光を光電変換することにより電力を生成するが、光電変換を行うことができる波長には一定の範囲がある。このため、太陽光の一部を電力に変換できないでいた。この問題を解決するために、太陽電池において光電変換層に太陽光が入射する前に波長変換を行うことが提唱されている。
【０００３】
太陽電池における一般的な波長変換技術には、アップ変換技術とダウン変換技術がある。アップ変換技術は、複数の低エネルギー光子を単一の高エネルギー光子に変換する技術であり（例えば非特許文献１参照）、ダウン変換技術は、高エネルギー光子を複数の低エネルギー光子に変換する技術である（例えば非特許文献１及び非特許文献２参照）。
【０００４】
また特許文献１には、裏面電極側に電場形成物質を設けることにより、光電変換層が吸収できなかった光を利用する技術が開示されている。
【０００５】
【非特許文献１】ＮＥＤＯ海外レポートＮＯ．１０１１・光起電力太陽エネルギー技術の戦略的研究行動計画（その３）・新しいＰＶ技術（http://www.nedo.go.jp/kankobutsu/report/1011/1011-12.pdf）
【非特許文献２】「太陽電池用光波長変換材の開発」（http://www.socnb.com/ report/ptech/2002p31.pdf）
【特許文献１】特開２００６−６６５５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
アップ変換技術には、複数の低エネルギー光子を単一の高エネルギー光子に変換するアップ変換材料が必要である。アップ変換材料は非線形光学材料や希土類系材料を用いる必要があるため、コストが高くなっていた。
【０００７】
またダウン変換技術には、エネルギー光子を複数の低エネルギー光子に変換するダウン変換材料が必要である。ダウン変換材料としては、有機蛍光色素、希土類錯体、及び半導体量子ドット材料を用いることができる。しかし、有機蛍光色素は耐久性に問題があり、希土類錯体は高コストであるという問題があった。また半導体量子ドット材料には環境負荷の大きいＣｄ、Ｓｅ、Ｐｄ、Ｔｅ、Ａｓなどの元素を多量に使用する必要があり、結果として高コストになっていた。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、耐久性が高く、低コストであり、かつ光電変換効率が高い薄膜太陽電池及び薄膜太陽電池の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、基板と、
前記基板上に形成された第１電極層と、
前記第１電極層上に形成された光電変換層と、
前記光電変換層上に形成された透明電極層と、
前記光電変換層より上方に位置し、複数の金属粒が平面視で分散されている金属粒分散構造と、
を備える薄膜太陽電池が提供される。
【００１０】
本発明によれば、基板上に第１電極層を形成する工程と、
前記第１電極層上に光電変換層を形成する工程と、
前記光電変換層上に透明電極層を形成する工程と、
を備え、
前記光電変換層を形成する工程の後に、前記光電変換層より上方に位置し、複数の金属粒が平面視で分散されている金属粒分散構造を形成する工程を有する薄膜太陽電池の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、耐久性が高く、低コストであり、かつ光電変換効率が高い薄膜太陽電池及び薄膜太陽電池の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１３】
図１は、第１の実施形態に係る薄膜太陽電池の構成を示す断面図である。この薄膜太陽電池は、基板１０、第１電極層１００、光電変換層１１０、透明電極層１２０、及び金属粒分散構造１３０を有する。基板１０は可撓性基板であり、例えばポリイミドやポリアミドなどの絶縁性の樹脂フィルムである。ただし基板１０はガラス基板であってもよい。第１電極層１００は基板１０上に形成されており、例えばＡｇ層などの金属層と、酸化亜鉛層とを積層した膜である。光電変換層１１０は第１電極層１００上に形成されており、第１導電型半導体層１１２、ｉ型半導体層１１４、及び第２導電型半導体層１１６をこの順に積層した積層構造を有している。光電変換層１１０における半導体層は、例えば微結晶Ｓｉ層であるが、アモルファスＳｉ層であっても良い。透明電極層１２０は、例えば酸化インジウム層である。金属粒分散構造１３０は、光電変換層１１０より上方に位置し、複数の金属粒１３２が平面視で分散されている構造である。
【００１４】
金属粒分散構造１３０において、複数の金属粒１３２の平均直径は、３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であるのが好ましく、また複数の金属粒１３２の密度は１０７個／ｃｍ２以上１０１１個／ｃｍ２以下であるのが好ましい。金属粒１３２は、例えば、金、銀、銅、ニッケル、及び白金からなる群から選ばれた少なくとも１種類の金属、この群から選ばれた少なくとも２種類の金属からなる合金、又は前述した１種類の金属と前述した合金の混合物である。
【００１５】
本図に示す例において、金属粒分散構造１３０は、透明電極層１２０の中に位置している。具体的には、透明電極層１２０は、第１透明電極層１２２と、第２透明電極層１２４を有している。第１透明電極層１２２は光電変換層１１０上に位置しており、第２透明電極層１２４は第１透明電極層１２２上に位置している。そして金属粒分散構造１３０は、第１透明電極層１２２上に形成される。
【００１６】
次に、図１に示した薄膜太陽電池の製造方法について説明する。まず基板１０を準備し、基板１０上に第１電極層１００を例えばスパッタリング法により形成する。次いで、プラズマＣＶＤ法を用いて、第１導電型半導体層１１２、ｉ型半導体層１１４、及び第２導電型半導体層１１６をこの順に積層することにより、光電変換層１１０を形成する。
【００１７】
次いで、光電変換層１１０上に第１透明電極層１２２を、例えばスパッタリング法により形成する。第１透明電極層１２２の厚さは、例えば５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
【００１８】
次いで、第１透明電極層１２２上に金属粒分散構造１３０を形成する。金属粒分散構造１３０における複数の金属粒１３２は、例えば薄膜の成膜において成膜初期に生成する複数の核として形成される。ここでの成膜方法としては、例えばスパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スプレー蒸着法、電界メッキ法、又は無電解メッキ法である。また金属粒分散構造１３０は、例えば溶媒に金属粒１３２を分散させ、この溶媒をスピンコーティング法やディップコーティング法などにより塗布し、その後溶媒を蒸発させることにより形成されてもよい。
【００１９】
次いで、第１透明電極層１２２上及び金属粒分散構造１３０上に、第２透明電極層１２４を、例えばスパッタリング法により形成する。第２透明電極層１２４の厚さは、例えば５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
【００２０】
なお、金属粒分散構造１３０における複数の金属粒１３２をスパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、又はスプレー蒸着法で形成した場合、薄膜太陽電池をロールツーロール方式で形成することができる。
【００２１】
次に、本実施形態における作用及び効果について説明する。本実施形態によれば、光電変換層１１０より透明電極層１２０側に、金属粒分散構造１３０が位置している。このため、透明電極１２０側から光電変換層１１０に入射する光は、金属粒分散構造１３０を通る。このため、光電変換層１１０における光電変換効率は向上する。この理由は現時点で定かではないが、以下の理由が考えられる。まず、表面プラズモンによって金属粒１３２を中心として電場強度が局所的に増大し、増大した電場強度が光電変換層１１０に到達することにより、光電変換層１１０のバンドギャップと整合しないエネルギーを有する光子も励起するようになることが考えられる。また、金属粒分散構造１３０と第１電極層１００の間で、第１電極層１００によって反射された入射光が閉じ込められることが考えられる。また、金属粒分散構造１３０によって入射光が散乱することが考えられる。この光電変換効率が向上するという効果は、複数の金属粒１３２の平均直径が３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、複数の金属粒１３２の密度が１０７個／ｃｍ２以上１０１１個／ｃｍ２以下であるときに、特に顕著になる。また、金属粒分散構造１３０は金属で形成されているため、耐久性が高い。このため、長期間使用を継続しても、金属粒分散構造１３０の劣化を原因とした薄膜太陽電池の劣化は生じにくい。従って、薄膜太陽電池の耐久性は高い。
【００２２】
また、金属粒分散構造１３０を形成する複数の金属粒１３２を、たとえば成膜方法において成膜初期に生成する複数の核として形成することができる。従って、金属粒分散構造１３０を形成するためのコストは、上記したアップ変換材料やダウン変換材料を使用するときのコストと比較して低くなる。このため、薄膜太陽電池の製造コストを低く抑えることができる。
【００２３】
また、透明電極層１２０を第１透明電極層１２２と第２透明電極層１２４の積層構造として、第１透明電極層１２２上に金属粒分散構造１３０を形成している。このため、透明電極層１２０の厚さを変化させずに、金属粒分散構造１３０と光電変換層１１０の距離を容易に調節することができる。
【００２４】
図２は、第２の実施形態に係る薄膜太陽電池の構成を示す断面図である。この薄膜太陽電池は、金属粒分散構造１３０が光電変換層１１０上に形成されている点、及び透明電極層１２０が一層構造である点を除いて、第１の実施形態に係る薄膜太陽電池と同様の構成である。
【００２５】
本実施形態によっても、光電変換層１１０における光電変換効率は向上する。また、薄膜太陽電池の耐久性が向上し、かつ薄膜太陽電池の製造コストが低くなる。
【００２６】
（実施例）
ガラス基板である基板１０に、厚さが２００ｎｍのＡｇ層と厚さが１００ｎｍの酸化亜鉛層を、同一の真空成膜室内でマグネトロン・スパッタリング法を用いて一層ずつ積層して、第１電極層１００を形成した。スパッタガスとしてはＡｒを使用した。また真空容器内の圧力を０．６７Ｐａとして、成膜温度を２５０℃とした。
【００２７】
次いで、第１電極層１００上に、厚さが３０ｎｍのｎ型微結晶Ｓｉ層、厚さが２μｍのｉ型微結晶Ｓｉ層、及び厚さが３０ｎｍのｐ型微結晶Ｓｉ層をプラズマＣＶＤ法により形成することにより、光電変換層１１０を形成した。原料ガスとしては、ＳｉＨ４ガスとＨ２ガスの混合ガスを用いた。またｎ型不純物を導入するための原料ガスとしてはＰＨ３ガスを使用し、ｐ型不純物を導入するための原料ガスとしてはＢ２Ｈ６ガスを使用した。
【００２８】
次いで、ＩＴＯ膜からなる第１透明電極層１２２をマグネトロン・スパッタリング法により形成した。スパッタガスとしてはＡｒガスを使用した。また真空容器内の圧力を０．６７Ｐａとした。第１透明電極層１２２の厚さは、２５ｎｍとした。
【００２９】
次いで、第１透明電極層１２２上に、Ａｇからなる金属粒分散構造１３０を、マグネトロン・スパッタリング法により形成した。金属粒１３２の高さは、例えば１０ｎｍである。
【００３０】
次いで、第１透明電極層１２２及び金属粒分散構造１３０上に、ＩＴＯ膜をからなる第２透明電極層１２４をマグネトロン・スパッタリング法により形成した。第２透明電極層１２４の厚さは、４５ｎｍとした。第２透明電極層１２４の形成条件は、第１透明電極層１２２と同一である。なお、第１透明電極層１２２、金属粒分散構造１３０、及び第２透明電極層１２４を、同一の真空成膜室内で形成した。このようにして、実施例に係る薄膜太陽電池を製造した。
【００３１】
一方、金属粒分散構造１３０を形成しない点を除いては実施例と同様の方法により、比較例に係る薄膜太陽電池を製造した。
【００３２】
また、金属粒分散構造１３０における金属粒１３２の密度及び平均粒径を測定するために、透明電極としてのＩＴＯ膜を形成したガラス基板上に、金属粒分散構造１３０と同一条件で成膜を行うことにより、試料を作成した。そしてこの試料を走査型電子顕微鏡で測定することにより、金属粒の密度及び平均粒径を測定した。平均粒径は、画像解析ソフト「ＳＣＩＯＮ  ＩＭＡＧＥ」を用いて、垂直方向から観察した場合の電子顕微鏡像における各金属粒の面積を算出し、各金属粒の平面形状が円であると仮定することにより、直径を求めた。その結果、金属粒の密度は、３．６×１０９個／ｃｍ２であった。また、金属粒の平均直径は９２ｎｍであった。
【００３３】
次いで、実施例及び比較例に係る薄膜太陽電池それぞれにおいて、透明電極層１２０上に、櫛型の金属電極を形成した。そして小型ソーラーシュミレーターを用いて実施例及び比較例に係る薄膜太陽電池それぞれの発電効率を測定した。その結果、実施例に係る薄膜太陽電池の発電効率は、比較例にかかる薄膜太陽電池の発電効率より相対値で３％高かった。
【００３４】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】第１の実施形態に係る薄膜太陽電池の構成を示す断面図である。
【図２】第２の実施形態に係る薄膜太陽電池の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０ 基板
１００ 第１電極層
１１０ 光電変換層
１１２ 第１導電型半導体層
１１４ ｉ型半導体層
１１６ 第２導電型半導体層
１２０ 透明電極層
１２２ 第１透明電極層
１２４ 第２透明電極層
１３０ 金属粒分散構造
１３２  金属粒
【図１】
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【図２】
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