(57)【要約】【課題】設置場所の環境条件に適したタンデム型薄膜太陽電池セルを容易に得ること。【解決手段】他の層の形状に対する依存性、電気的依存性から独立して光電変換ユニット毎の光学特性情報を計算する工程と、光電変換ユニット毎の電気特性情報を用いて設計構造の電力損失を計算する工程と、電力損失を既定の閾値と比較して電力損失が許容範囲内であるか否かを判定する工程と、を含み、電力損失が既定の閾値以下の場合には、設計構造を最終構造として設計を終了し、電力損失が既定の閾値よりも大の場合には、光学物性情報、電気物性情報、形状情報の少なくとも一つを調整して新たな設計構造を決定する工程を実施した後に、計算工程を繰り返し実施する。【選択図】図２
2014209585.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性基板上に、透明電極層と、不純物のドープ条件が異なる複数の半導体膜からなる複数の光電変換ユニットとがこの順で積層されるとともに、各層間の特性依存性を解消する接続層として、前記透光性基板と前記透明電極層の間に設けられて前記透光性基板の形状依存性を解消する第１接続層と、前記複数の光電変換ユニットのうち前記透明電極層側の第１光電変換ユニットと前記透明電極層との間に設けられて前記第１光電変換ユニットと前記透明電極層との電気的依存性を解消する第２接続層と、前記不純物のドープ条件が異なる半導体膜間に設けられて前記半導体膜間の電気的依存性を解消する第３接続層と、を備えて前記透光性基板側から太陽光が入射されるタンデム型薄膜太陽電池の設計方法であって、
日射に関する情報を含む前記タンデム型薄膜太陽電池の設置場所の環境情報を決定する第１工程と、
前記透光性基板、前記透明電極層、前記複数の光電変換ユニットおよび前記接続層についての形状情報および光学物性情報と、前記透明電極層、前記複数の光電変換ユニットおよび前記接続層についての電気物性情報とに基づき、設計する前記タンデム型薄膜太陽電池の設計構造を決定する第２工程と、
前記光学物性情報および前記形状情報を用いて前記透光性基板側から入射される太陽光に対する前記光電変換ユニット毎の光学特性情報を計算する第３工程と、
前記電気物性情報、前記光学特性情報、前記日射に関する情報を用いて前記設計構造の電気特性情報を計算する第４工程と、
前記電気特性情報を用いて前記設計構造の電力損失を計算する第５工程と、
前記電力損失を既定の閾値と比較して前記電力損失が許容範囲内であるか否かを判定する第６工程と、
を含み、
前記第６工程において、前記電力損失が前記既定の閾値以下の場合には、前記設計構造を最終構造として設計を終了し、
前記第６工程において、前記電力損失が前記既定の閾値よりも大の場合には、前記光学物性情報、前記電気物性情報、前記形状情報の少なくとも一つを調整して新たな設計構造を決定する第７工程を実施した後に、前記第３工程以降を繰り返し実施すること、
を特徴とするタンデム型薄膜太陽電池の設計方法。
【請求項２】
前記第４工程では、前記複数の光電変換ユニットにおけるそれぞれの光電流を計算し、該光電流に基づいて前記電気特性情報を計算し、
前記第５工程では、前記複数の光電変換ユニットにおける光電流の不一致による電力損失を計算すること、
を特徴とする請求項１に記載のタンデム型薄膜太陽電池の設計方法。
【請求項３】
前記環境情報は、前記設置場所の緯度および経度の情報と天空遮蔽情報とを含み、
前記第４工程は、
前記環境情報と前記日射に関する情報とを用いて前記設置場所における日射スペクトル情報を計算する工程と、
前記日射スペクトル情報と前記光電変換ユニット毎の光学特性情報とを用いて、前記光電変換ユニット毎の光電流を計算する工程と、
前記光電変換ユニット毎の光電流を用いて前記設計構造の電気特性情報を計算する工程と、
を含むことを特徴とする請求項２に記載のタンデム型薄膜太陽電池の設計方法。
【請求項４】
前記光電変換ユニット毎の光電流を計算する工程は、前記日射スペクトル情報に対する比例関係から求まる電流値から、内部損失によるロスを補正すること、
を特徴とする請求項２または３に記載のタンデム型薄膜太陽電池の設計方法。
【請求項５】
前記内部損失によるロスの補正は、前記日射スペクトル情報に対する比例関係から求まる電流値から、定数値を減ずること、
を特徴とする請求項４に記載のタンデム型薄膜太陽電池の設計方法。
【請求項６】
前記日射スペクトル情報を計算する工程は、
前記環境情報を用いて太陽高度、太陽方位、曇り量からなる天空記述パラメータを計算し、前記天空記述パラメータを含めて前記日射スペクトル情報を計算すること、
を特徴とする請求項３から５のいずれか１つに記載のタンデム型薄膜太陽電池の設計方法。
【請求項７】
前記光電流の不一致による電力損失を計算する工程は、
前記光電変換ユニットの接合数がｎ（２≦ｎ）であり、
前記光電変換ユニットの接合にそれぞれ対応するｎ個の単位数ｅｍ（ｍは、接合の指数）であって、任意の１つの単位数ｅｍ以外の全ての単位数ｅを加算すると−ｅｍとなる単位数ｅを用いて、
ｍ個の各接合の電力損失Ｐｍを計算する工程と、
Ｐｍと単位数ｅｍの積をすべてのｍに対して計算する工程と、
前記Ｐｍと単位数ｅｍとの積をすべてのｍに対して加算し、ある時刻における光電流の不一致による電力損失を計算する工程と、
を含み、
前記第６工程では、
前記ある時刻における光電流の不一致による電力損失を既定の期間積分して累積電力損失を計算し、
前記累積電力損失が、前記既定の閾値以下の場合に前記設計構造を最終構造として設計を終了すること、
を特徴とする請求項２から６のいずれか１つに記載のタンデム型薄膜太陽電池の設計方法。
【請求項８】
前記光電流の不一致による電力損失を計算する工程は、単位数として複素数を用い下記数式（１）を用いて累積の電力損失を計算し、
既定の期間における前記累積の電力損失が前記既定の閾値以下の場合に前記設計構造を最終構造として設計を終了すること、
を特徴とする請求項２から６のいずれか１つに記載のタンデム型薄膜太陽電池の設計方法。
【数１】
2014209585.tif 000009
【請求項９】
前記タンデム型薄膜太陽電池が、前記不純物のドープ条件が異なる半導体膜間に設けられて前記半導体膜間の電気的依存性を解消する第３接続層を備え、
前記第１工程以降に、
前記日射に関する情報を用いて前記設置場所における日射量情報を計算する第８工程と、
前記日射量情報に基づいて前記光電変換ユニットにおける半導体膜間の接合部の温度を計算する第９工程と、
前記日射量情報と前記接合部の温度を用いて前記設計構造の電気特性情報を前記半導体膜間の電気的依存性から独立して計算する第１０工程と、
前記電気特性情報を用いて前記接合部の温度による前記設計構造の電力損失を計算する第１１工程と、
をさらに実施し、
前記第１１工程において、前記接合部の温度による前記電力損失が前記既定の閾値以下の場合には、前記設計構造を最終構造と決定して設計を終了し、
前記第１１工程において、前記接合部の温度による前記電力損失が前記既定の閾値よりも大の場合には、前記光学物性情報、前記電気物性情報、前記形状情報の少なくとも一つを調整して新たな設計構造を決定する第１２工程を実施した後に、前記第８工程以降を繰り返し実施すること、
を特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載のタンデム型薄膜太陽電池の設計方法。
【請求項１０】
前記接合部の温度を計算する工程では、
前記環境情報のうち前記設置場所での前記タンデム型薄膜太陽電池の設置傾斜角、設置方位、風向、風速の情報を用いて前記タンデム型薄膜太陽電池と外気との間の熱伝達率を計算する工程と、
前記日射量情報と前記熱伝達率を用いて前記接合部の温度を計算する工程と、
を含むことを特徴とする請求項９に記載のタンデム型薄膜太陽電池の設計方法。
【請求項１１】
前記第２工程では、前記初期構造情報としてＳＴＣ条件に適した前記タンデム型薄膜太陽電池の構造情報を用いて前記設計構造を決定すること、
を特徴とする請求項１から１０のいずれか１つに記載のタンデム型薄膜太陽電池の設計方法。
【請求項１２】
前記第２工程では、あるスペクトル形状に対して最適となる設計構造の対を複数あらかじめ有しておき、前記設置場所において最も頻度の高いスペクトル形状と最も近い形状となるスペクトルをあらかじめ有しておいた前記あるスペクトル形状に対して最適となる設計構造の対の中から選択し、初期構造を前記スペクトルと対になる設計構造として決定すること、
を特徴とする請求項１から１１のいずれか１つに記載のタンデム型薄膜太陽電池の設計方法。
【請求項１３】
前記最も頻度の高いスペクトル形状に対して最適となる前記設計構造を選択する際に、スペクトルの平均光子エネルギーを基準として選択すること、
を特徴とする請求項１２に記載のタンデム型薄膜太陽電池の設計方法。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか１つに記載のタンデム型薄膜太陽電池の設計方法をコンピュータに実行させること、
を特徴とする設計プログラム。
【請求項１５】
前記最終構造と決定された太陽電池構造を前記コンピュータに接続された出力手段に出力する処理を実行させること、
を特徴とする請求項１４に記載の設計プログラム。
【請求項１６】
透光性基板上に、透明電極層と、不純物のドープ条件が異なる複数の半導体膜からなる複数の光電変換ユニットとがこの順で積層され、
隣接する各層間の特性依存性を緩和する接続層として、
前記透光性基板と前記透明電極層の間に設けられて前記透光性基板による形状依存性を解消する第１接続層と、
前記複数の光電変換ユニットのうち前記透明電極層側の第１光電変換ユニットと前記透明電極層との間に設けられて前記第１光電変換ユニットと前記透明電極層との電気的依存性を解消する第２接続層と、
前記不純物のドープ条件が異なる半導体膜間に設けられて前記半導体膜間の電気的依存性を解消する第３接続層と、
を備え、
前記各接続層は、
界面形状、屈折率、バンド端エネルギーの少なくとも１つの特性について、
前記接続層の直下の構造が有する値と、前記接続層の直上の構造が有する値との間の特性を有すること、
を特徴とするタンデム型薄膜太陽電池。
【請求項１７】
前記第１接続層と前記透明電極層との界面の表面粗さが、前記第１接続層と前記透光性基板との界面の表面粗さと、前記第１接続層と該第１接続層の直上の層との界面の表面粗さとの間の値であること、
を特徴とする請求項１６に記載のタンデム型薄膜太陽電池。
【請求項１８】
ガラスからなる前記透光性基板における前記透明電極層側の表面に凹凸が形成され、
酸化亜鉛または酸化スズからなる前記透明電極層が、酸化ジルコニウムを含む前記第１接続層を介して前記透光性基板の前記凹凸上に形成されていること、
を特徴とする請求項１７に記載のタンデム型薄膜太陽電池。
【請求項１９】
前記複数の光電変換ユニットは、それぞれ前記透光性基板側からｐ型半導体膜、ｉ型半導体膜、ｎ型半導体膜がこの順で積層されてなり、
前記第２接続層は、前記複数の光電変換ユニットのうち前記透明電極層側の第１光電変換ユニットと前記透明電極層との間に設けられ、
前記第２接続層は、前記透明電極層の仕事関数と、前記第１光電変換ユニットの前記ｐ型半導体膜の価電子帯上端との間の仕事関数を有すること、
を特徴とする請求項１６から１８のいずれか１つに記載のタンデム型薄膜太陽電池。
【請求項２０】
前記透明電極層が酸化亜鉛または酸化スズからなり、
前記第１光電変換ユニットの前記ｐ型半導体膜が非晶質シリコンからなり、
前記第２接続層は、酸化チタンを含む材料からなること、
を特徴とする請求項１９に記載のタンデム型薄膜太陽電池。
【請求項２１】
前記第３接続層は、該第３接続層の直下の前記半導体膜と該第３接続層の直上の前記半導体膜との価電子帯上端の中間の位置に価電子帯上端が来る材料からなること、
を特徴とする請求項１６から２０のいずれか１つに記載のタンデム型薄膜太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タンデム型薄膜太陽電池の設計方法、設計プログラムおよびタンデム型薄膜太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料の使用に伴うＣＯ２等の排出による地球の温暖化、原子力発電所の事故や放射性廃棄物による放射能汚染など、地球環境とエネルギーに対する関心が急速に高まっている。このような状況の下、太陽の入射光を利用した光電変換素子である太陽電池は、無尽蔵かつクリーンなエネルギー源として世界中から期待されている。
【０００３】
この太陽電池を利用した太陽光発電システムの形態としては、数Ｗから数千ｋＷまで種々の規模並びに種類がある。たとえば、バッテリーを使用して太陽電池の発電エネルギーを保存する形態、ＤＣ−ＡＣコンバータを使用して太陽電池の出力エネルギーを商用系統に流し込む形態など、多くのシステムが存在する。 
【０００４】
従来の住宅やビルの屋上に太陽電池を設置して発電する場合の太陽光発電システムとしては、系統連係型太陽光発電システムがある。この系統連係型太陽光発電システムは、太陽電池モジュールから出力される直流電力をインバータ回路で交流電力に変換して施設の電源として使用しつつ、不足分は系統電力網から補うことで連係運転を行うものである。
また余剰電力が発生した場合は系統電力網を用いて、電力会社へ売電（逆潮流）することも可能である。負荷の大小や、売電の有無など細かな差違はあるものの、一般家庭の屋根付け型（〜数ｋＷ）からメガソーラー（大規模太陽光発電施設：〜数ＭＷ）まで、一般的にはこの利用形態が多い。したがって、系統電力との対比の面で、太陽光発電システムではその能力指標として発電コストが問われることが多い。一般に発電コストは、簡易的には以下の式（１）で表される。
【０００５】
【数１】
2014209585.tif 000003
【０００６】
従来、発電コストを下げるための技術開発は、初期投資費用（パネルコスト、設置コストなど）および維持費用（パネルの長寿命化、遠隔監視など）といった、式（１）における分子の項目の削減を主として取り組まれてきた。光電変換効率の向上などはパネルコスト・設置コスト削減の代表例である。生涯発電量は、設置された場所の環境条件下で耐用年数の期間に発電される電力の総量である。
【０００７】
しかしながら、光電変換効率が理論限界に近い領域に達してきており（結晶シリコン太陽電池では理論限界２８％に対して開発品では２５％、量産品でも２１〜２３％）、光電変換効率の向上のみによるコスト削減が、プロセス・装置の複雑化・高額化、材料費の増加、また開発費の増加によりまかなえなくなりつつあるのが現状である。
【０００８】
一方、式（１）における分母の項、特に生涯発電量についてはそれほど開発が進んでいない。これは主に、
（１）設置場所での環境条件を予測することが困難である。
（２）材料やコストによる制限から最適化のための振りしろが少ない。
（３）一括最適化された生産プロセスが多く、プロセスの局所変更が困難である。
（４）局所変更を行った太陽電池の特性予測が困難であり、試作を要することが多い。
（５）多品種少量生産に不適である。
というような制約があるためである。
【０００９】
したがって、太陽光発電システムの想定発電量は一般に次のようにして求められているのが現状である。
（１１）標準試験条件（ＳＴＣ条件：Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｔｅｓｔ  Ｃｅｌｌ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ、スペクトル形状をＡＭ１．５、日射を１．０ｋＷ／ｍ２垂直入射、太陽電池セル温度を２５℃とする）下で測定した光電変換効率によってモジュール定格を決定。
（１２）温度特性やインバータの効率などの補正項を設定。
（１３）独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ：Ｎｅｗ  Ｅｎｅｒｇｙ  ａｎｄ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ）や気象庁が提供する日射量データベースによって設置点の日射量を決定。
（１４）上記の条件に基づいて発電量を計算（簡易的には、発電量＝日射量×定格×補正項）。
【００１０】
また、太陽電池セルを構成する要素の機能は大きく分けて以下の３つである。
（ａ）光電変換機能
（ｂ）光閉じ込め機能
（ｃ）導電機能
【００１１】
（ａ）の光電変換機能は、光子を電子−正孔対に変換する機能のことである。一般的には半導体のｐｎ接合を用いることが多い。（ｂ）の光閉じ込め機能は、表面の反射低減や、光路長を増加させるなど、セルに入射した光子を無駄なく電子−正孔対に変換できるようにする機能のことである。一般的には基板表面や透明導電膜に微細な凹凸を形成すること、基板裏面に拡散性の反射材を設けることが多い。（ｃ）の導電機能は、生成した電子−正孔対を電極に導く機能のことである。一般的には、櫛歯電極や透明導電膜を用いることが多い。
【００１２】
従来（１）〜（５）のような制約が生じる１つの原因が、これら３つの機能をＳＴＣ条件下で一括して最適化を行っている点である。たとえば代表的なタンデム型薄膜シリコン太陽電池は、第１電極層であるフロント透明導電膜、フロント透明導電膜側から第１ｐ型半導体膜、第１ｉ型半導体膜、第１ｎ型半導体膜が積層された第１光電変換ユニット、第１光電変換ユニット側から第２ｐ型半導体膜、第２ｉ型半導体膜、第２ｎ型半導体膜が積層された第２光電変換ユニット、第２電極層であるバック透明導電膜、およびバックリフレクタが透光性基板上に積み重ねて作製されている。
【００１３】
このようなタンデム型薄膜シリコン太陽電池を構成する各層を上記の機能（ａ）〜（ｃ）に分類するとつぎのようになる。
（ａ）光電変換機能：第１光電変換ユニット、第２光電変換ユニット
（ｂ）光閉じ込め機能：フロント透明導電膜、バックリフレクタ
（ｃ）導電機能：フロント透明導電膜、バック透明導電膜、バックリフレクタ
【００１４】
しかしながら、各層がそれぞれ下地の形状や電気特性（仕事関数など）の依存性を有しているため、従来は試作を繰り返し、依存性をクリアできるような材質やプロセス条件を探索してきた。したがって、前記（ａ）〜（ｃ）の各機能を独立して設計することが困難となり、その結果（１）〜（５）に示すような制約が生じていた。
【００１５】
一方で、スペクトル形状、日射角・日射量、太陽電池セル温度は設置場所の環境条件により一日の中でさえも刻々と変化するものであることに着目すると、設置場所の環境条件にカスタマイズした太陽電池設計とすることで生涯発電量の最大化を図ることが可能となる。たとえばタンデム型薄膜シリコン太陽電池のような多接合太陽電池の場合は、分光感度の異なる各太陽電池セルを直列接続する構造となるため、各太陽電池セルの光電流が一致しないと電力ロスが生じてしまう。したがって、ＳＴＣ条件ではなく、設置点のスペクトル条件で最適となる各太陽電池セルの分光感度にカスタマイズすることにより、ＳＴＣ条件で得る定格出力よりも生涯発電量が多くなることが期待できる。
【００１６】
このため、たとえば特許文献１のようにタンデム型薄膜シリコン太陽電池の各太陽電池セルのｉ層厚さを設置緯度によって変化させて各太陽電池セルの分光感度と光電流を最適化する手法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００６−１６５０７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、上記特許文献１の技術によれば、リファレンスとして用いる標準セルの作製に実際にモジュールを試作して屋外暴露を行うなどの手間と時間を要しており、上述した（３）、（４）の制約が依然残っていることが課題であった。
【００１９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、設置場所の環境条件に適したタンデム型薄膜太陽電池セルを容易に設計でき、かつ安価に製造することができるタンデム型薄膜太陽電池の設計方法、設計プログラムおよびタンデム型薄膜太陽電池を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるタンデム型薄膜太陽電池の設計方法は、透光性基板上に、透明電極層と、不純物のドープ条件が異なる複数の半導体膜からなる複数の光電変換ユニットとがこの順で積層されるとともに、各層間の特性依存性を解消する接続層として、前記透光性基板と前記透明電極層の間に設けられて前記透光性基板の形状依存性を解消する第１接続層と、前記複数の光電変換ユニットのうち前記透明電極層側の第１光電変換ユニットと前記透明電極層との間に設けられて前記第１光電変換ユニットと前記透明電極層との電気的依存性を解消する第２接続層と、前記不純物のドープ条件が異なる半導体膜間に設けられて前記半導体膜間の電気的依存性を解消する第３接続層と、を備えて前記透光性基板側から太陽光が入射されるタンデム型薄膜太陽電池の設計方法であって、日射に関する情報を含む前記タンデム型薄膜太陽電池の設置場所の環境情報を決定する第１工程と、前記透光性基板、前記透明電極層、前記複数の光電変換ユニットおよび前記接続層についての形状情報および光学物性情報と、前記透明電極層、前記複数の光電変換ユニットおよび前記接続層についての電気物性情報とに基づき、設計する前記タンデム型薄膜太陽電池の設計構造を決定する第２工程と、前記光学物性情報および前記形状情報を用いて前記透光性基板側から入射される太陽光に対する前記光電変換ユニット毎の光学特性情報を計算する第３工程と、前記電気物性情報、前記光学特性情報、前記日射に関する情報を用いて前記設計構造の電気特性情報を計算する第４工程と、前記電気特性情報を用いて前記設計構造の電力損失を計算する第５工程と、前記電力損失を既定の閾値と比較して前記電力損失が許容範囲内であるか否かを判定する第６工程と、を含み、前記第６工程において、前記電力損失が前記既定の閾値以下の場合には、前記設計構造を最終構造として設計を終了し、前記第６工程において、前記電力損失が前記既定の閾値よりも大の場合には、前記光学物性情報、前記電気物性情報、前記形状情報の少なくとも一つを調整して新たな設計構造を決定する第７工程を実施した後に、前記第３工程以降を繰り返し実施すること、を特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、設置場所の環境条件に適したタンデム型薄膜太陽電池セルを容易に設計でき、かつ安価に得られる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１にかかるタンデム型薄膜シリコン太陽電池セルの概略構成を示す要部断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セルの設計方法のフローを示すフローチャートである。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セルの設計方法を実行する設計装置の概略構成を示す構成図である。
【図４】図４は、光伝搬計算により求めた太陽電池セルの外部量子効率と、実測した太陽電池セルの外部量子効率とを示す特性図である。
【図５】図５は、兵庫県尼崎市において水平面（太陽電池モジュールを垂直に置いたときに相当）で撮影した上空の魚眼像を示す画像である。
【図６】図６は、天空記述パラメータと天空遮蔽情報とを用いて計算した、尼崎市のある時刻における日射スペクトル強度と実測の日射スペクトル強度との関係を示す特性図である。
【図７】図７は、光電変換ユニットの接合数が２である（２つの光電変換ユニットが積層されている）２接合タンデム型薄膜太陽電池における、光電変換ユニット間における光電流の不一致による累積電力損失計算時のベクトルを示す図である。
【図８】図８は、光電変換ユニットの接合数が３である（３つの光電変換ユニットが積層されている）３接合タンデム型薄膜太陽電池における、光電変換ユニット間における光電流の不一致による累積電力損失計算時のベクトルを示す図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態２にかかる太陽電池セルの設計方法のフローを示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態３にかかる太陽電池セルの設計方法のフローのうち、セル電流計算工程を示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、内部損失を用いて計算した光電流の日射強度依存性と、実測の光電流の日射強度依存性を示す特性図である。
【図１２】図１２は、温帯地域における１年間の全日射エネルギーに対する各日射量の期間が寄与する割合を示すヒストグラムである。
【図１３】図１３は、熱帯地域における１年間の全日射エネルギーに対する各日射量の期間が寄与する割合を示すヒストグラムである。
【図１４】図１４は、砂漠地域における１年間の全日射エネルギーに対する各日射量の期間が寄与する割合を示すヒストグラムである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に、本発明にかかるタンデム型薄膜太陽電池の設計方法、設計プログラムおよびタンデム型薄膜太陽電池の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下では一例として２接合タンデム型薄膜シリコン太陽電池について説明を行っているが、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。
【００２４】
なお、本明細書において用いる環境情報とは、主として物理的な側面の情報と、主として気象的な側面の情報の２種で構成される一群の情報である。物理的な側面の情報は、たとえば緯度・経度などからなる位置情報、太陽電池モジュールの設置方位、設置傾斜角、ビルなどにより空が遮られることによる天空遮蔽情報などである。天空遮蔽率は、水平面立体角投射率のことであり、魚眼レンズで天空写真を撮影したときの画面に占める建築物の面積の割合といえる。気象的な側面の情報は、たとえば日射強度情報、温度、風向、風速、全天曇り量、太陽周辺曇り量などである。太陽高度、太陽方位も環境情報に含まれるが、これらは位置情報と時刻情報から計算することができる。本明細書では、太陽高度、太陽方位、曇り量など、主として気象的な側面の一群の情報を天空記述パラメータと呼ぶことにする。
【００２５】
ここで日射強度情報は、「過去のデータから作成した平均的な気象条件における、１年間の日射強度の動き（単位面積あたりの太陽エネルギー入射量の時間の関数）」のモデル情報と定義される。また、日射スペクトル情報は、日射強度情報、太陽電池モジュールの設置方位、設置傾斜角度およびその他の環境情報から求める、「太陽電池モジュールの傾斜面における波長ごとの日射強度の１年間の動き」のモデル情報と定義される。日射スペクトル情報は、太陽高度、曇り量、遮蔽情報などを考慮したもので、太陽電池モジュールの傾斜面に入射する光そのものを指す。すなわち以下で述べるセル電流計算工程（ステップＳ１４０）で用いるＩｎｔ（λ）の時間の関数である。
【００２６】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかるタンデム型薄膜シリコン太陽電池セル（以下、太陽電池セルと呼ぶ）の概略構成を示す要部断面図である。複数の薄膜太陽電池セルが電気的に直列または並列に接続されたタンデム型集積型薄膜太陽電池が、受光面側保護部材と裏面側保護部材との間に封止材により封止されて、太陽光発電システムに用いられる太陽電池モジュールが構成される（図示せず）。
【００２７】
実施の形態１にかかる太陽電池セルは、ガラスなどからなり、表面が平面もしくは微細な凹凸を有する透光性基板１上に、透光性を有する第１電極層（透明電極層）としてのフロント透明導電膜２と、非晶質シリコンなどにより構成されて主に短波長側の光を吸収する第１光電変換ユニット１１と、結晶質成分を含む微結晶シリコンなどにより構成されて主に長波長側の光を吸収する第２光電変換ユニット１２と、第２電極層としてのバック透明導電膜９とバックリフレクタ１０とが順次積層されている。この太陽電池セルでは、透光性基板１側から太陽光が入射される。
【００２８】
本実施の形態では、透光性基板１として、ガラス基板を用いる。透光性基板１におけるフロント透明導電膜２側の表面には、微細な凹凸が形成されており、光閉じ込め機能を担う。第１光電変換ユニット１１は、フロント透明導電膜２側から、第１ｐ型半導体膜３、第１ｉ型半導体膜４、第１ｎ型半導体膜５がこの順で積層されている。第２光電変換ユニット１２は、第１光電変換ユニット１１側から、第２ｐ型半導体膜６、第２ｉ型半導体膜７、第２ｎ型半導体膜８がこの順で積層されている。
【００２９】
以上の構造は、従来の一般的な太陽電池セルと同様の構造であり、実施の形態１にかかる太陽電池セルでは、フロント透明導電膜２以降の層（フロント透明導電膜２、第１光電変換ユニット１１、第２光電変換ユニット１２）の、透光性基板１の表面形状に対する構造依存性を緩和・解消するための第１接続層２１を、透光性基板１とフロント透明導電膜２との間に新たに設けている。ここで、透光性基板１の表面形状は、フロント透明導電膜２側の表面の形状である。透光性基板１の表面形状に対する構造依存性は、透光性基板１の表面形状がフロント透明導電膜２以降の層の形状に反映されることによるフロント透明導電膜２以降の層の構造や光学的・電気的な特性の変化を意味する。
【００３０】
また、実施の形態１にかかる太陽電池セルでは、第１光電変換ユニット１１の第１ｐ型半導体膜３とフロント透明導電膜２との電気的依存性を緩和・解消するための第２接続層２２を、第１光電変換ユニット１１の第１ｐ型半導体膜３とフロント透明導電膜２との間に新たに設けている。第１光電変換ユニット１１の第１ｐ型半導体膜３とフロント透明導電膜２との電気的依存性は、第１ｐ型半導体膜３とフロント透明導電膜２との間の導電性・電気的接続の変化を意味する。
【００３１】
また、実施の形態１にかかる太陽電池セルでは、第１光電変換ユニット１１の第１ｐ型半導体膜３と第１ｉ型半導体膜４との電気的依存性を緩和・解消するための第３接続層２３を、第１光電変換ユニット１１の第１ｐ型半導体膜３と第１ｉ型半導体膜４との間に新たに設けている。なお、第３接続層２３については、実施の形態２において詳説する。第１ｐ型半導体膜３と第１ｉ型半導体膜４との電気的依存性は、第１ｐ型半導体膜３と第１ｉ型半導体膜４との間の導電性・電気的接続の変化を意味する。
【００３２】
なお、この太陽電池セルは、従来公知のプラズマＣＶＤ法やスパッタリング法を用いて上記の各層を順次積層形成することにより作製することができる。
【００３３】
つぎに、実施の形態１にかかる太陽電池セルにおいて、太陽電池セル（太陽電池モジュール）の設置場所の日射スペクトルに対する最適構造を設計する最適化設計手法を説明する。太陽電池セルの電気特性は、開放電圧Ｖｏｃ、短絡電流Ｊｓｃ、曲線因子ＦＦ（Ｆｉｌｌ  Ｆａｃｔｏｒ）、およびこれらの積からなる光電変換効率ηによって表される。生涯発電量は、ある与えられた時刻における日射量、劣化率γ、および光電変換効率ηの積を所定の期間、たとえば規定の設置年数の間、積算して表される。
【００３４】
図２は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セルの設計方法のフローを示すフローチャートである。実施の形態１にかかる太陽電池セルの設計方法は、初期構造決定工程（ステップＳ１１０）、光学特性計算工程（ステップＳ１２０）、日射スペクトル計算工程（ステップＳ１３０）、セル電流計算工程（ステップＳ１４０）、セル電気特性計算工程（ステップＳ１５０）、累積電力損失計算工程（ステップＳ１６０）、最適化判定工程（ステップＳ１８０）、構造情報調整工程（ステップＳ２００）を有する。
【００３５】
図３は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セルの設計方法を実行する設計装置１００の概略構成を示す構成図である。この設計装置１００は、上記の工程を実施して太陽電池セルの設計を行なう計算機であり、一般のコンピュータを用いることができる。なお、設計装置１００には専用のハードウェアを用いてもよい。設計装置１００は、内部にインストールされたソフトウェア（太陽電池セルの設計プログラム）を起動することにより、所定の演算を行って太陽電池セルの設計を行う。
【００３６】
本実施の形態にかかる設計装置１００は、入力装置１１０と、液晶モニタなどの表示装置１２０と、中央処理装置１３０と、記憶装置１４０と、出力手段１５０とを有している。設計装置１００では、これらの入力装置１１０、表示装置１２０、中央処理装置１３０、記憶装置１４０、出力手段１５０は、バスライン１６０を介して接続されている。
【００３７】
入力装置１１０は、キーボードやマウスなどを備えて各種のデータを入力可能とされたユーザー入力手段１１１と、外部記憶媒体の情報を読み込むことにより各種のデータを入力可能とされた外部記憶媒体入力手段１１２とを備える。なお、外部記憶媒体入力手段１１２は、外部記憶媒体に限らずインターネット等のあらゆる外部手段から情報を読み込むことにより各種のデータを入力してもよい。
【００３８】
入力装置１１０は、設計者（設計装置１００の使用者）から入力される指示情報を入力する。入力装置１１０へは、各種プログラムの実行指示情報や、各種データを表示装置１２０に表示させる指示情報、各種データを出力装置に出力する指示情報などが入力される。入力装置１１０へ入力された指示情報は、中央処理装置１３０へ送られ処理され、また記憶装置１４０に記憶される。表示装置１２０は、中央処理装置１３０からの指示に基づいて、表示装置１２０に各種データなどを表示する。
【００３９】
中央処理装置１３０は、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）などの情報処理装置である。中央処理装置１３０は、コンピュータプログラムである設計プログラムと各種データとを用いて太陽電池セルの設計を行う。記憶装置１４０としては、主記憶装置１４１と二次記憶装置１４２とを有する。
【００４０】
主記憶装置１４１は、太陽電池セルの設計を行う際に用いられる制御プログラム等を主として記憶する。制御プログラムとしては、たとえば光学特性計算処理プログラム１６１、電気特性計算処理プログラム１６２、電力損失計算処理プログラム１６３、最適判定処理プログラム１６４、構造情報調整処理プログラム１６５、出力処理プログラム１６６等が記憶されている。主記憶装置１４１は、たとえばＲＯＭ（Read  Only  Memory）やＲＡＭ（Random  Access  Memory）などの記憶装置である。二次記憶装置１４２は、環境情報記憶手段１７１と太陽電池構造情報記憶手段１７２とを有する情報記憶部を有する。環境情報記憶手段１７１は、環境情報を記憶する。太陽電池構造情報記憶手段１７２は、最適化を行う元となる太陽電池セルの初期構造や、ＳＴＣ条件で最適化された太陽電池セル構造など、太陽電池セルの設計に用いられる太陽電池セルの構造を記憶する。
【００４１】
設計装置１００で実行される設計プログラムは、主記憶装置上の作業エリアにロードされ、これらが主記憶装置上に生成される。たとえば主記憶装置１４１内のＲＯＭに格納されている設計プログラムは、バスライン１６０を介して主記憶装置１４１内のＲＡＭへロードされる。中央処理装置１３０はＲＡＭ内にロードされた設計プログラムを実行する。
具体的には、設計装置１００では、使用者による入力装置１１０からの指示入力に従って、中央処理装置がＲＯＭ内から設計プログラムを読み出してＲＡＭ内のプログラム格納領域に展開して各種処理を実行する。中央処理装置１３０は、この各種処理に際して生じる各種データをＲＡＭ内に形成されるデータ格納領域に一時的に記憶させておく。また、各種処理の実行結果は、表示装置１２０に表示され、また使用者による入力装置１１０からの指示入力に従って出力装置に出力される。
【００４２】
つぎに、実施の形態１にかかる太陽電池セルの設計方法について説明する。ここでは、第１接続層２１、第２接続層２２を含む太陽電池セルの構造の設計方法について説明する。第３接続層２３を含む太陽電池セルの構造の設計方法については、実施の形態２において説明する。なお、以下の処理は、一連のプログラムとして作成され、設計装置で実行される。まず、初期構造決定工程（ステップＳ１１０）において、最適化を行う元となる太陽電池セルの初期構造を設定・決定する。この工程では、たとえばＳＴＣ条件（ＡＭ１．５スペクトル）で最適化されたセル構造を初期構造として用いるとよい。
【００４３】
まず、設計者（設計装置１００の使用者）が設計プログラム開始情報を入力して設計プログラムを起動させ、入力装置１１０を用いて太陽電池構造情報を設計装置１００に入力する。太陽電池構造情報が入力されると、中央処理装置１３０はこの太陽電池構造情報を太陽電池構造情報記憶手段１７２に記憶させることにより、設計する太陽電池セルの初期構造の設定・決定を行う。
【００４４】
ここでは、透光性基板１、透明電極（フロント透明導電膜２およびバック透明導電膜９）、複数の光電変換ユニット（第１光電変換ユニット１１および第２光電変換ユニット１２）、第１接続層２１、第２接続層２２のそれぞれについての形状情報および光学物性情報と、透明電極（フロント透明導電膜２およびバック透明導電膜９）、複数の光電変換ユニット（第１光電変換ユニット１１および第２光電変換ユニット１２）、第１接続層２１、第２接続層２２についての電気物性情報と、を含む太陽電池構造情報（初期構造情報）が設計装置１００に入力される。太陽電池構造情報には、上記の情報の他に各層の膜厚などが含まれ、太陽電池セルの構造が決定される。
【００４５】
初期構造には例えばＳＴＣ条件下で最適化を行った際の太陽電池構造情報を用いるとよい。また、あらかじめ複数のスペクトル形状において最適となる太陽電池構造情報を取得しておき、太陽電池セル（太陽電池モジュール）の設置点において最も高い頻度、もしくは最も高い累積日射強度となるスペクトル形状に最も近い場合の太陽電池構造情報を初期構造として用いてもよい。たとえば、あるスペクトル形状と、このスペクトル形状に最適となる太陽電池構造情報と、を対で予め用意しておく。そして、たとえば太陽電池セル（太陽電池モジュール）の設置場所において最も頻度の高いスペクトル形状と最も近い形状となるスペクトルをあらかじめ有しておいた前記のあるスペクトル形状に対して最適となる設計構造の対の中から選択し、初期構造を前記のスペクトルと対になる設計構造として決定すればよい。また、最も頻度の高いスペクトル形状に対して最適となる設計構造を選択する際に、スペクトルの平均光子エネルギーを基準として選択すればよい。なお、いずれの場合も、太陽電池セルの構造は第１接続層２１、第２接続層２２を含む構造とされる。
【００４６】
また、設計者は日射に関する情報を含む太陽電池セル（太陽電池モジュール）の設置場所の環境情報を、入力装置１１０を用いて設計装置１００に入力する。環境情報が入力されると、中央処理装置１３０はこの環境情報を環境情報記憶手段１７１に記憶させ、これにより、環境情報が決定される。
【００４７】
初期構造決定工程（ステップＳ１１０）が終了すると、中央処理装置１３０は、光学特性計算工程（ステップＳ１２０）において、与えられた太陽電池セルの構造情報に対応する外部量子効率（ＥＱＥ：Ｅｘｔｅｒｎａｌ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を透光性基板１も含む各層全てについての形状情報および光学物性情報を用いて光電変換ユニット毎に計算する。ＥＱＥは、前記の形状情報および光学物性情報を用いて、光学シミュレータを用いる方法、簡易的にはセル構造における各層の光学特性（屈折率、透過率）を元に太陽電池セルにおける光の伝搬計算を行う方法により計算することができる。ＥＱＥの計算は、中央処理装置１３０が光学特性計算処理プログラムを読み出して、上述した形状情報および光学物性情報を用いて実行する。
【００４８】
一例として、光の伝搬計算によりＥＱＥの計算を行った結果を図４に示す。図４は、光伝搬計算により求めた太陽電池セルの外部量子効率と、実測した太陽電池セルの外部量子効率とを示す特性図である。図４では、太陽光の波長［ｎｍ］を横軸に、外部量子効率ＥＱＥを縦軸に示している。図４より、光伝搬計算により求めた太陽電池セルの外部量子効率は、実測した太陽電池セルの外部量子効率と良く一致していることが分かる。
【００４９】
光学特性計算工程（ステップＳ１２０）が終了すると、中央処理装置１３０は、日射スペクトル計算工程（ステップＳ１３０）において、ある与えられた時刻における太陽電池セル（太陽電池モジュール）の設置点の日射強度情報から、太陽電池モジュールの傾斜面におけるある与えられた時刻における日射スペクトル情報を計算する。太陽電池モジュールは、通常、屋根等の傾斜面に設置されるため、配置された状態と同条件となるように太陽電池モジュールの傾斜面における日射スペクトル情報を計算する。日射強度情報は実測のデータベースを用いることが最良であるが、モデル計算を用いてもよい。
【００５０】
実際には、気象自体が年単位でもふらつくため、平均的な気象条件におけるスペクトルデータベースを実測ベースで構築するのは多大な労力が必要になる。国内であれば日射量および天気のデータベースは気象庁が有しており、また水平面における直達、散乱日射量については独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ：Ｎｅｗ  Ｅｎｅｒｇｙ  ａｎｄ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ）がデータベースを公開しているため、これらのデータを用いてスペクトルをモデル計算するとよい。
【００５１】
たとえば、太陽電池セル（太陽電池モジュール）の設置場所の緯度・経度、および前記の直達・散乱日射量の時系列推移などの環境情報を用いて、太陽方位、太陽高度、全天曇り量、太陽周囲曇り量からなる天空記述パラメータを推定・計算し、晴れや曇りのときのスペクトルをモデル計算することができる。すなわち、各種の天候におけるスペクトルをモデル計算することができる。これにより、既存のデータベースからスペクトルを算出することができ、各地点の実測ベースのスペクトルデータベースを作成するコストを抑えることができる。また、詳細な環境情報として、太陽電池セル（太陽電池モジュール）の設置点における周辺のビルや地平線などの天空遮蔽情報、および地面や周辺からの反射で太陽電池セルに入射する光と太陽電池セルへの直達日射量の比で定義するアルベド（反射能）を用いるとより精度が増してよい。
【００５２】
なお、天空遮蔽情報は、太陽電池モジュールの傾斜面に垂直な方向を向いたときに見える半球面のうち、青空が見える立体角の割合をさす。たとえば太陽モジュールを水平に置いたときに周囲に障害物が何もない場合は１．０が天空遮蔽情報であり、また太陽電池モジュールを垂直に置いたときに周囲に障害物が何もない場合は、地平線の下に相当する１／４球面を除く０．５が天空遮蔽情報となる。
【００５３】
一例として、水平面（太陽電池モジュールを垂直に置いたときに相当）で撮影した上空の魚眼像を図５に示す。図５は、兵庫県尼崎市において水平面（太陽電池モジュールを垂直に置いたときに相当）で撮影した上空の魚眼像を示す画像である。図５において、黒い領域は青空が見える領域、白い領域は障害物である。また、最外周囲の黒円が地平線である。この場合の天空遮蔽情報は０．９であった。
【００５４】
また、一例として、天空記述パラメータと天空遮蔽情報とを用いて計算した尼崎市における日射スペクトル強度を図６に示す。図６は、天空記述パラメータと天空遮蔽情報とを用いて計算した、尼崎市のある時刻における日射スペクトル強度と実測の日射スペクトル強度との関係を示す特性図である。図６より、天空記述パラメータと天空遮蔽情報とを用いて計算した日射スペクトル強度は、実測の日射スペクトル強度と良く一致していることが分かる。
【００５５】
日射スペクトル情報の計算は、中央処理装置１３０が電気特性計算処理プログラムを読み出して、たとえば環境情報記憶手段１７１に記憶された日射強度情報を用いて実行する。日射スペクトル情報の計算プログラムは、電気特性計算処理プログラムに含まれている。また、太陽電池モジュールの傾斜面の情報（傾斜方向、傾斜角度等の情報）は、電気特性計算処理プログラムに含まれていてもよく、また外部から入力されてもよい。
【００５６】
日射スペクトル計算工程（ステップＳ１３０）が終了すると、中央処理装置１３０は、セル電流計算工程（ステップＳ１４０）において、第１光電変換ユニット１１および第２光電変換ユニット１２の光電流を計算する。光電流は、上記の光学特性計算工程（ステップＳ１２０）で得られたＥＱＥと、上記の日射スペクトル計算工程（ステップＳ１３０）で得られた日射スペクトル情報とを用いて計算される。各々の光電変換ユニットの光電流Ｊｐｈは、波長λにおける日射スペクトルをＩｎｔ（λ）、外部量子効率をＥＱＥ（λ）とすると以下の式（２）で表される。
【００５７】
【数２】
2014209585.tif 000004
【００５８】
式（２）において、λ１は光電流の計算開始波長、λ２は光電流の計算終了波長である。λ１およびλ２は、ＥＱＥの立ち上がり波長、立ち下がり波長で選ばれることが多く、シリコンを用いた太陽電池では一般にλ１＝３００ｎｍ、λ２＝１２００ｎｍとすることが多い。
【００５９】
セル電流計算工程（ステップＳ１４０）が終了すると、中央処理装置１３０は、セル電気特性計算工程（ステップＳ１５０）において、第１光電変換ユニット１１および第２光電変換ユニット１２の電気特性（短絡電流Ｊｓｃ、開放電圧Ｖｏｃ、曲線因子ＦＦ、効率η）を計算する。この工程では、太陽電池セルの構造情報に基づき計算される太陽電池セルの等価回路モデル、電気物性情報、および上記のセル電流計算工程（ステップＳ１４０）で計算した光電流Ｊｐｈを用いて各電気特性を計算する。
【００６０】
なお、等価回路モデルを用いて電気回路計算を行う手法の他に、たとえば太陽電池セルの暗電流特性Ｊｄｋ（Ｖ）のデータベースを用いて簡易的に解く手法もある。すなわち、太陽電池セルの暗電流特性Ｊｄｋ（Ｖ）に光電流Ｊｐｈを加算すればよい。また、薄膜シリコン太陽電池では、光が照射されることによる電気特性の劣化、いわゆる光劣化があることが知られている。このため、一般に光劣化は暗電流特性に表れるため、セル電気特性計算工程（ステップＳ１５０）において計算に含めるとよい。
【００６１】
太陽電池セルの電気特性の計算は、中央処理装置１３０が電気特性計算処理プログラムを読み出して、たとえば環境情報記憶手段１７１に記憶された日射強度情報を用いて実行する。太陽電池セルの等価回路モデルは、たとえばあらかじめ太陽電池構造情報記憶手段１７２または電気特性計算処理プログラムに含まれていてもよく、与えられた太陽電池セルの構造情報に基づいて電気特性計算処理プログラムにより演算してもよく、また外部から入力されてもよい。
【００６２】
セル電気特性計算工程（ステップＳ１５０）が終了すると、中央処理装置１３０は、累積電力損失計算工程（ステップＳ１６０）において、累積電力損失を計算する。累積電力損失は、上記のセル電気特性計算工程（ステップＳ１５０）において計算されたそれぞれの光電変換ユニットの電気特性から、第１光電変換ユニット１１と第２光電変換ユニット１２との光電流の不一致による電力損失を、所定の期間、所定の刻み時間で計算し、合計して計算される。なお、気象データベースの記録刻み、計算機の能力によって適宜決めるとよいが、期間は１年以上、刻み時間は１日未満とするとよい。
【００６３】
累積電力損失の計算には、たとえば光電変換ユニットの接合にそれぞれ対応する単位数ｅｍを用いるとよい。ここで、光電変換ユニットの接合の指数をｍとし（たとえば第１光電変換ユニット１１側からトップ：ｍ＝１、ミドル：ｍ＝２、ボトム：ｍ＝３・・・など）光電変換ユニットの接合数（ｐｎ（ｐｉｎ）接合の数）をｎとする。このとき、単位数ｅｍは、すべての指数ｍにおいて指数がｍ以外の単位数ｅの和が−ｅｍになる必要がある。単位数には、たとえば図７、図８に示すように、ベクトル表記をしたり、複素数を用いることができる。以下、ベクトル表記として説明する。図７は、光電変換ユニットの接合数が２である（２つの光電変換ユニットが積層されている）２接合タンデム型薄膜太陽電池における、光電変換ユニット間における光電流の不一致による累積電力損失計算時のベクトルｅ１、ベクトルｅ２を示す図である。この場合、互いに１８０°の角度を持った大きさの等しいベクトル３１ａ（ベクトルｅ１）、ベクトル３１ｂ（ベクトルｅ２）となる。図８は、光電変換ユニットの接合数が３である（３つの光電変換ユニットが積層されている）３接合タンデム型薄膜太陽電池における、光電変換ユニット間における光電流の不一致による累積電力損失計算時のベクトルｅ１〜ベクトルｅ３を示す図である。この場合、互いに１２０°の角度を持った大きさの等しいベクトル３２ａ（ベクトルｅ１）、ベクトル３２ｂ（ベクトルｅ２）、ベクトル３２ｃ（ベクトルｅ３）となる。ベクトル３２ａ（ベクトルｅ１）については、他のｍ（ｍ＝２，３）のベクトルｅｍを合計すると−ｅ１（３３）となり、前記の条件を満たしていることが分かる。
【００６４】
そして、ある与えられた時刻において、接合の指数がｍである接合における電力損失Ｐｍをｎ個の各接合について計算する工程と、Ｐｍとベクトルｅｍの積をすべてのｍに対して計算する工程と、Ｐｍとベクトルｅｍとの積をすべてのｍに対して和を取る（ある与えられた時刻における太陽電池セルの、光電流の不一致による電力損失を計算する）工程と、前記ある与えられた時刻における太陽電池セルの光電流の不一致による電力損失を所定の期間においてすべて合計する工程と、を実施して累積電力損失を計算する。
【００６５】
また、この累積電力損失の計算を、たとえばここでは複素数を用いて計算式に表すと、下記の式（３）のようになる。ｔ１，ｔ２は計算の開始、終了時刻である。
【００６６】
【数３】
2014209585.tif 000005
【００６７】
式（３）において、Ｐｌｏｓｓ_ｔｏｔ．は所定の期間における累積の電力損失、Ｐｍはある与えられた時刻における１つの接合ｍでの光電流の不一致による電力損失、ｎは光電変換ユニットの接合数、ｍは光電変換ユニットの接合の指数（たとえば第１光電変換ユニット１１側からトップ：ｍ＝１、ミドル：ｍ＝２、ボトム：ｍ＝３・・・など）とする。上述したような方法を用いることにより、多接合薄膜太陽電池における各光電変換ユニットにおける光電流のミスマッチを容易に計算することができる。なお、Ｐｍの計算にはたとえば、光電変換ユニットの光電流Ｊｐｈの最小値Ｊｐｈ＿ｍｉｎと、指数ｍの接合における光電流ＪｐｈであるＪｐｈ＿ｍとを用い、それぞれの光電流Ｊｐｈで算出した電力の差（Ｐｍ＝Ｐ（Ｊｐｈ＿ｍ）−Ｐ（Ｊｐｈ＿ｍｉｎ）をＰｍとして用いると良い。Ｐ（Ｊｐｈ＿ｍ）はＪｐｈ＿ｍで算出した電力、Ｐ（Ｊｐｈ＿ｍｉｎ）はＪｐｈ＿ｍｉｎで算出した電力である。
【００６８】
累積電力損失の計算は、中央処理装置１３０が電力損失計算処理プログラムを読み出して、セル電気特性計算工程（ステップＳ１５０）において計算されたそれぞれの光電変換ユニットの電気特性を用いて実行する。
【００６９】
中央処理装置１３０は、所定の刻み時間で電力損失を計算した後、所定の期間について電力損失の計算が終了したかどうかを判断する（ステップＳ１７０）。ここで、所定の期間について電力損失の計算が終了していない場合は（ステップＳ１７０、Ｎｏ）、中央処理装置１３０は、時刻を進めて（ステップＳ１９０）、日射スペクトル計算工程（ステップＳ１３０）から処理を繰り返す。
【００７０】
所定の期間について電力損失の計算が終了している場合は（ステップＳ１７０、Ｙｅｓ）、中央処理装置１３０は、つぎの最適化判定工程（ステップＳ１８０）を実施する。
【００７１】
最適化判定工程（ステップＳ１８０）においては、設計した太陽電池セルが設置場所の環境において最適の発電を行えるかどうかを判定する。ここでは、累積電力損失計算工程（ステップＳ１６０）で計算された累積電力損失（Ｐｌｏｓｓ_ｔｏｔ．）が０となることで、各光電変換ユニットの光電流の不一致による電力損失が所定の計算期間においてトータルで最小となる、と判断できる。
【００７２】
しかしながら、実際には、Ｐｌｏｓｓ_ｔｏｔ．を０とすることは非常に難しい。このため、中央処理装置１３０は、Ｐｌｏｓｓ_ｔｏｔ．を、太陽電池セルの最適化基準である所定の閾値と比較して電力損失が許容範囲内であるか否かを判定する。中央処理装置１３０は、Ｐｌｏｓｓ_ｔｏｔ．が所定の閾値以下の時は（ステップＳ１８０、Ｙｅｓ）、太陽電池セルの構造が最適であると判定し、この時点の設計構造を最終構造と決定して、設計処理を終了する。一方、中央処理装置１３０は、Ｐｌｏｓｓ_ｔｏｔ．が所定の閾値より大きい場合には（ステップＳ１８０、Ｎｏ）、構造情報調整工程（ステップＳ２００）を実施し、光学特性計算工程（ステップＳ１２０）以降の工程を繰り返す。なお、Ｐｌｏｓｓ_ｔｏｔ．はあくまで所定の期間における光電流の不一致最小化の際の指標であり、実際に生涯発電量に対する光電流の不一致による電力損失はＰｍを太陽電池セルの耐用年数の期間積算したものとなる。
【００７３】
構造情報調整工程（ステップＳ２００）においては、中央処理装置１３０は、日射スペクトル計算工程（ステップＳ１３０）、セル電流計算工程（ステップＳ１４０）、セル電気特性計算工程（ステップＳ１５０）、および累積電力損失計算工程（ステップＳ１６０）において計算された情報を元に、各光電変換ユニットの光電流の不一致による電力損失を減少させるように、太陽電池セルの構造のうち可変部分、すなわち光学物性情報、電気物性情報、形状情報の少なくとも１つの微調整を行い、新たな設計構造を決定する。たとえば、Ｐｌｏｓｓ_ｔｏｔ．の符号、または複素平面上での位置に応じて第１光電変換ユニット１１と第２光電変換ユニット１２との光電流Ｊｐｈのバランスが判別できる。このため、たとえば光電流Ｊｐｈの多い光電変換ユニットの分光感度を下げる、または光電流Ｊｐｈの少ない光電変換ユニットセルの分光感度を上げるように構造の微調整を行うとよい。
【００７４】
なお、最適化判定工程（ステップＳ１８０）で必要な性能が達成されたと判定された場合に、光学物性情報、電気物性情報、および形状情報を用いて、太陽電池セルの製造装置の動作条件を計算することができる。計算された動作条件に基づいて、成膜装置等の製造装置を稼動させることによって、所望の太陽電池セルを製造することができる。
【００７５】
表１に、それぞれの機能層の材質、構造と設置場所の代表的スペクトルに対する構造最適化調整のガイドラインを示す。表１において、ＢＲはＢｌｕｅ  Ｒｉｃｈを意味し、短波長側の強度が強いスペクトル、ＲＲはＲｅｄ  Ｒｉｃｈを意味し、長波長側の強度が強いスペクトルを意味する。ＢＲ，ＲＲはたとえばＡＭ１．５のスペクトル形状を基準に、ある波長以上／以下の強度が強いか弱いかで判断するとよい。たとえば非晶質シリコンからなる光電変換ユニットと微結晶シリコンからなる光電変換ユニットとを用いた２接合タンデム薄膜太陽電池では非晶質シリコンの吸収端となる７００ｎｍ付近を基準波長とすると良い。また定量的には疑似エアマス近似や、平均光子エネルギーを用いてもよい。代表的スペクトルには、たとえば一年の内で最も出現頻度の高いスペクトルを取るなどするとよい。
【００７６】
【表１】
2014209585.tif 000006
【００７７】
透光性基板１の表面に形成される微細な凹凸は前記（ｂ）の光閉じ込め機能をになう。
微細な凹凸による散乱効果によって光を曲げ、第１光電変換ユニット１１の第１ｉ型半導体膜４、第２光電変換ユニット１２の第２ｉ型半導体膜７を横切る距離を長くする作用がある（光路長増大作用）。凹凸による散乱原理は波長に対する凹凸のサイズによってレーリー散乱からミー散乱、幾何光学に変化する。そして、透光性基板１の表面の凹凸のサイズを増加させることにより長波長側の光の散乱が増加し、第２光電変換ユニット１２の光電流を増加させることができる。
【００７８】
したがって、ＢＲのスペクトルの場合には、透光性基板１の表面の凹凸は小（特徴サイズ＜１００ｎｍ）、ＲＲのスペクトルの場合には透光性基板１の表面の凹凸は大（特徴サイズ＞１００ｎｍ）とするとよい。特徴サイズは、たとえば二乗平均平方根粗さＲｑ、算術平均粗さＲａ、粗さ曲線要素の平均長さＲＳｍなどを用いるとよい。たとえば、特徴サイズを１００ｎｍから３００ｎｍにすることで、第２光電変換ユニット１２における光路長増大作用は１．６倍から１．８倍に増加する。
【００７９】
第１電極層（透明電極層）としてのフロント透明導電膜２には通常、酸化亜鉛（ＺｎＯ）や、酸化スズ（ＳｎＯ２）が用いられる。ＺｎＯよりもＳｎＯ２の方が、吸収端がより短波長よりにある。このため、フロント透明導電膜２には、ＢＲのスペクトルではＺｎＯ、ＲＲのスペクトルではＳｎＯ２を用いることが好ましい。また、フロント透明導電膜２にＺｎＯを用いた場合は、アルミニウムやボロンなどの不純物をドープして導電性を高めるが、ドープ量が多いと赤外域の透過率が下がる。したがって、ＢＲのスペクトルでは特に低ドープ量にするとよい。
【００８０】
第１光電変換ユニット１１および第２光電変換ユニット１２のＥＱＥを調整する最も簡易な手法として、それぞれの第１ｉ型半導体膜４，第２ｉ型半導体膜７の厚さの比を変えるとよい。ｉ型半導体層の厚さを変えることにより、第１光電変換ユニット１１および第２光電変換ユニット１２で吸収される光子の比率、すなわち光電流Ｊｐｈを変えることができる。たとえば、ＢＲのスペクトルでは第１光電変換ユニット１１の第１ｉ型半導体膜４を薄くして第１光電変換ユニット１１の光電流Ｊｐｈを減らし、逆にＲＲのスペクトルでは第１光電変換ユニット１１の第１ｉ型半導体膜４を厚くして第１光電変換ユニット１１の光電流Ｊｐｈを増やすとよい。また同様のことは第２光電変換ユニット１２にも全く逆の方向で言え、ＢＲのスペクトルでは第２ｉ型半導体膜７を厚くして第２光電変換ユニット１２の光電流Ｊｐｈを増やし、逆にＲＲのスペクトルでは第２ｉ型半導体膜７を薄くして第２光電変換ユニット１２の光電流Ｊｐｈを減らすとよい。
【００８１】
また、ＥＱＥを調整する手法として、第１光電変換ユニット１１の第１ｉ型半導体膜４のバンドギャップを変えて吸収端をシフトさせる手法を用いてもよい。ＢＲのスペクトルでは第１光電変換ユニット１１の光電流Ｊｐｈが多くなりやすいため、第１ｉ型半導体膜４のバンドギャップを大きくして、第２光電変換ユニット１２の電流を増加させる方が好ましい。
【００８２】
第１光電変換ユニット１１で吸収される光は、長波長側は第１ｉ型半導体膜４の吸収端から、短波長側はフロント透明導電膜２の吸収端までの波長域に制限されている。したがって、第１光電変換ユニット１１の第１ｉ型半導体膜４のバンドギャップを大きくすると第１ｉ型半導体膜４の吸収端が短波長側にシフトし、第１光電変換ユニット１１の光電流Ｊｐｈが小さくなる。これはＢＲのスペクトルの場合に適する。たとえば第１光電変換ユニット１１の第１ｉ型半導体膜４の水素量を増加させたり、炭素を添加したりすることでバンドギャップを大きくすることができ、第１ｉ型半導体膜４の吸収端を短波長側にシフトすることができる。これにより、第１ｉ型半導体膜４で吸収される波長域が短くなり、第２光電変換ユニット１２に透過する光が増えるため、第２光電変換ユニット１２の電流を増加させることができる。
【００８３】
また、ＥＱＥを調整する手法として、第１光電変換ユニット１１の第１ｐ型半導体膜３のバンドギャップを変える手法を用いてもよい。第１光電変換ユニット１１のバンドギャップを大きくすると、第１ｐ型半導体膜３の吸収が減り、第１ｉ型半導体膜４で吸収される光が増加し、第１光電変換ユニット１１の電流を増加させることができる。これはＲＲのスペクトルの場合に適する。なお、第３接続層２３のバンドギャップを大きくしても、同様の効果が得られる。
【００８４】
透光性基板１の表面に形成される微細な凹凸と、フロント透明導電膜２以降の膜（フロント透明導電膜２、第１光電変換ユニット１１、第２光電変換ユニット１２）との構造依存性を緩和・解消するための第１接続層２１には、フロント透明導電膜２の屈折率に近い高屈折率・高透過率材料を用いるとよい。これにより、透光性基板１とフロント透明導電膜２との間における光反射を抑制でき、透光性基板１とフロント透明導電膜２との光学的依存性を緩和・解消できる。フロント透明導電膜２にＺｎＯやＳｎＯ２を用いる場合、たとえば酸化ジルコニア（ＺｒＯ２）の塗布などの手法により第１接続層２１を形成し、その後フロント透明導電膜２を形成すればよい。
【００８５】
第１接続層２１を作製した後の基板表面（第１接続層２１の表面）は平滑であることが好ましいが、ある程度の凹凸があってもよい。なお、透光性基板１の表面に形成される微細な凹凸のサイズがある程度小さければ、接続層２１を省略してもよい。許容される凹凸のサイズは、フロント透明導電膜２以降の膜の特性の要求に応じて決定するとよい。
【００８６】
第１光電変換ユニット１１の第１ｐ型半導体膜３とフロント透明導電膜２との電気的依存性を緩和・解消するための第２接続層２２には、フロント透明導電膜２の仕事関数と、第１光電変換ユニット１１の第１ｐ型半導体膜３の価電子帯上端（バンド端）との中間の仕事関数を有する材料を用いるとよい。このような第２接続層２２には、たとえば酸化チタンなどを用いるとよい。フロント透明導電膜２の仕事関数と第１光電変換ユニット１１の第１ｐ型半導体膜３の価電子帯上端（バンド端）とのエネルギー差によっては、第２接続層２２の形成を省略してもよい。どの程度のエネルギー差が許容されるかは、第１光電変換ユニット１１の第１ｐ型半導体膜３およびフロント透明導電膜２のドープ量などに応じて決定するとよい。
【００８７】
なお、最終的にどの材質と構造とを用いるかは、信頼性やコストなど他の制約条件とのトレードオフによって定めるとよい。たとえば、一般にタンデム型薄膜シリコン太陽電池では、第１光電変換ユニット１１の第１ｉ型半導体膜４に用いられる非晶質シリコン膜に光が照射されることで発電効率が減少する光劣化現象が知られている。また、第１光電変換ユニット１１の第１ｉ型半導体膜４が厚くなると、劣化率が大きくなることが知られている。このため、第１ｉ型半導体膜４の光劣化現象に対応するためには、ＲＲのスペクトルの場合は、第１光電変換ユニット１１の第１ｉ型半導体膜４を厚くするよりも、フロント透明導電膜２にＳｎＯ２を用いる、また透光性基板１の凹凸を小さくする方が有効である。
【００８８】
また、一般にタンデム型薄膜シリコン太陽電池の製造コストは、第２光電変換ユニット１２の第２ｉ型半導体膜７で主に用いられている微結晶シリコン膜の厚さが大きく寄与する。したがって、ＢＲのスペクトルの場合は、第２光電変換ユニット１２の第２ｉ型半導体膜７を厚くするよりも、フロント透明導電膜２にＺｎＯを用いる、透光性基板１の凹凸を大きくする、または第１光電変換ユニット１１の第１ｉ型半導体膜４を薄くする方が有効である。
【００８９】
上述したように、実施の形態１によれば、太陽電池セルに接続層（第１接続層２１、第２接続層２２）を設けることにより、機能層同士の依存関係に起因した制約条件が解消・抑制される。これにより、この太陽電池セルは、各種の依存性（構造依存性、光学的依存性、電気的依存性）を解消・抑制して各層の機能・構造を独立して設計することができるため各層の設計自由度が大きくなり、太陽電池セル（太陽電池モジュール）設置場所の環境条件に応じた柔軟な設計が可能となる。
【００９０】
特に、微結晶シリコンなどの異方性材料を機能層材料として用いる場合には、通常下地との依存関係が強いため、多数回の試作が必要となり、多品種対応が困難であった。しかし、上記実施例によれば、設計段階での太陽電池セル構造の最適化が容易かつ高精度で行えるため、必要試作回数が大幅に削減される。これにより、試作回数を最小限に抑えた設計が可能となるため、太陽電池セル（太陽電池モジュール）設置場所の環境条件への最適化を短時間で実施することができ、製造コストを低下できる。
【００９１】
また、設計装置１００において設置場所の環境条件を再現した状態で太陽電池セルの各層の機能・構造を独立して設計することができる。そして、各機能を有する膜・基板の組み合せに対する制約条件が緩和・解消され、独立して設計を行った各機能層を自在に組み合わせることが可能となる。これにより、試作を最小限に抑えた計算機ベースによる構造設計および設置場所の環境条件への最適化が容易に可能となる。
【００９２】
したがって、実施の形態１によれば、設置場所の環境条件に適したタンデム型薄膜太陽電池セルを容易に設計でき、かつ安価で製造することができる。
【００９３】
実施の形態２．
太陽電池モジュールは、太陽光が照射されることにより、温度が上昇する。実施の形態２では、設置場所における太陽電池モジュールの温度変化に対する最適構造および最適化設計手法を説明する。図９は、本発明の実施の形態２にかかる太陽電池セルの設計方法のフローを示すフローチャートである。実施の形態２にかかる太陽電池セルの設計方法は、初期構造決定工程（ステップＳ１１０）、光学特性計算工程（ステップＳ１２０）、日射量計算工程（ステップＳ２１０）、接合部温度計算工程（ステップＳ２２０）、セル電流計算工程（ステップＳ２２５）、セル電気特性計算工程（ステップＳ２３０）、累積電力損失計算工程（ステップＳ２４０）、最適化判定工程（ステップＳ１８０）、構造情報調整工程（ステップＳ２００）を有する。
【００９４】
ここでは、実施の形態１にかかる太陽電池セルの設計方法を実施して構造が最適であると判定された太陽電池セルの構造を初期構造として上記の工程を行う場合について説明する。以下では、実施の形態１の図２のフローチャートとの相違点について説明する。なお、日射量計算工程（ステップＳ２１０）〜最適化判定工程（ステップＳ１８０）の工程を実施の形態１にかかる太陽電池セルの設計方法で説明したフローにおける光学特性計算工程（ステップＳ１２０）以降に並列して実施して、実施の形態１にかかるフローおよび実施の形態２にかかるフローの最適化判定工程（ステップＳ１８０）の結果に基づいて構造情報調整工程（ステップＳ２００）を共通して行ってもよい。
【００９５】
光学特性計算工程（ステップＳ１２０）が終了すると、中央処理装置１３０は、日射量計算工程（ステップＳ２１０）において、太陽電池モジュールの傾斜面におけるある与えられた時刻における太陽電池セル（太陽電池モジュール）の設置点の日射量を計算する。
なお、実施の形態１における日射スペクトル計算工程（ステップＳ１３０）を用いてもよいが、スペクトル分布は考慮しないため、実施の形態２では積分強度として日射量を用いた場合について説明する。日射量は、日射強度情報から計算する。日射強度情報は実測のデータベースを用いることが最良であるが、モデル計算を用いてもよい。
【００９６】
日射量計算工程（ステップＳ２１０）が終了すると、中央処理装置１３０は、接合部温度計算工程（ステップＳ２２０）において、接合部温度、すなわち第１光電変換ユニット１１の第１ｉ型半導体膜４および第２光電変換ユニット１２の第２ｉ型半導体膜７の温度を計算する。なお、ｐ型半導体膜およびｎ型半導体膜の厚みは、ｉ型半導体膜の厚みに比べて非常に薄い。このため、ｐ型半導体膜およびｎ型半導体膜とｉ型半導体膜との接合部の温度として、ここではｉ型半導体膜の温度を採用している。第１ｉ型半導体膜４および第２ｉ型半導体膜７の温度は、日射強度情報に基づいて、公称動作セル温度（ＮＯＣＴ：Ｎｏｍｉｎａｌ  Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  Ｃｅｌｌ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）を用いる方法や、日射量（日射強度情報）、外気温、風速、設置状態などから熱伝達計算を行う方法により接合部温度を求めるとよい。
【００９７】
たとえば日射量の他に、太陽電池モジュールの設置傾斜角、設置方位、風向、風速の４変数を用いて太陽電池モジュールと外気との間の熱伝達率のデータベースを作成し、この情報を用いることにより、接合部温度の精度の高い予測が可能となる。熱伝達率の取得にはシミュレーションを用いる手法がある。また実測では、光照射、電流注入などによってエネルギーを与え、定常的な到達温度から求める手法、過渡的な降温、昇温曲線から求める手法などがある。
【００９８】
接合部温度計算工程（ステップＳ２２０）が終了すると、中央処理装置１３０は、セル電流計算工程（ステップＳ２２５）において各光電変換ユニットの接合温度を反映した光電流を計算する。光電流は、上記のセル電流計算工程（ステップＳ１４０）において、日射スペクトル情報の代わりに、日射量計算工程（ステップＳ２１０）で得られた日射量を用いて、セル電流計算工程（ステップＳ１４０）と同様にして式（２）を用いて計算される。セル電流計算工程（ステップＳ２２５）が終了すると、中央処理装置１３０は、セル電気特性計算工程（ステップＳ２３０）において、太陽電池セルの電気特性（短絡電流Ｊｓｃ、開放電圧Ｖｏｃ、曲線因子ＦＦ、効率η）を計算する。この工程では、与えられた太陽電池セルの構造情報と太陽電池セルの等価回路モデルを用いて、上記の日射量計算工程（ステップＳ２１０）で計算された日射量と、セル電流計算工程（ステップＳ２２５）で計算された光電流と接合部温度計算工程（ステップＳ２２０）で計算された第１光電変換ユニット１１の第１ｉ型半導体膜４および第２光電変換ユニット１２の第２ｉ型半導体膜７の温度に基づいて等価回路モデルにおけるパラメータを調整して、各電気特性を計算する。すなわち、各光電変換ユニットの接合温度が反映された光電流に基づいて各電気特性を計算する。
【００９９】
なお、等価回路モデルを用いて電気回路計算を行う手法の他に、たとえば太陽電池セルの暗電流特性Ｊｄｋ（Ｖ）のデータベースと各特性の温度依存性を用いて簡易的に解く手法もある。この場合は、太陽電池セルの暗電流特性Ｊｄｋ（Ｖ）に温度に応じた補正係数を乗して計算する対象の温度における暗電流特性を計算し、そこに光電流Ｊｐｈを加算して特性を求めるとよい。
【０１００】
セル電気特性計算工程（ステップＳ２３０）が終了すると、中央処理装置１３０は、累積電力損失計算工程（ステップＳ２４０）において、接合部温度、すなわち第１光電変換ユニット１１の第１ｉ型半導体膜４および第２光電変換ユニット１２の第２ｉ型半導体膜７の温度に起因する累積電力損失を計算する。累積電力損失は、接合部温度に起因した太陽電池セルにおける電力損失を、所定の期間、所定の刻み時間で計算し、合計して計算される。電力損失は、上記の接合部温度計算工程（ステップＳ２２０）において計算された接合部温度、すなわち第１光電変換ユニット１１の第１ｉ型半導体膜４および第２光電変換ユニット１２の第２ｉ型半導体膜７の温度を考慮しない場合の太陽電池セルにおける発電電力と、接合部温度を考慮した場合の太陽電池セルの発電電力との差で定義するとよい。
【０１０１】
中央処理装置１３０は、所定の刻み時間で電力損失を計算した後、所定の期間について電力損失の計算が終了したかどうかを判断する（ステップＳ１７０）。ここで、所定の期間について電力損失の計算が終了していない場合は（ステップＳ１７０、Ｎｏ）、中央処理装置１３０は時刻を進めて（ステップＳ１９０）、日射量計算工程（ステップＳ２１０）から処理を繰り返す。
【０１０２】
所定の期間について電力損失の計算が終了している場合は（ステップＳ１７０、Ｙｅｓ）、中央処理装置１３０は、つぎの最適化判定工程（ステップＳ１８０）を実施する。
【０１０３】
最適化判定工程（ステップＳ１８０）においては、設計した太陽電池セルが設置場所の環境において最適の発電を行えるかどうかを判定する。ここでは、累積電力損失計算工程（ステップＳ２４０）で計算された累積電力損失が０となることで、接合部温度に起因した太陽電池セルにおける電力損失が所定の計算期間においてトータルで最小となる、と判断できる。
【０１０４】
しかしながら、実際には、累積電力損失を０とすることは非常に難しい。このため、中央処理装置１３０は、累積電力損失を所定の閾値と比較して、累積電力損失が所定の閾値以下の時は（ステップＳ１８０、Ｙｅｓ）、太陽電池セルの構造が最適であると判定し、この時点の設計構造を最終構造と決定して、設計処理を終了する。一方、中央処理装置１３０は、累積電力損失が所定の閾値より大きい場合には（ステップＳ１８０、Ｎｏ）、構造情報調整工程（ステップＳ２００）を実施する。なお、この累積電力損失はあくまで所定期間における接合部温度に起因した電力損失最小化の際の指標であり、実際に生涯発電量に対する接合部温度に起因した電力損失は電力損失を所定の耐用年数の期間積算したものとなる。
【０１０５】
つぎに、設置場所の温度変化に対する太陽電池構造の最適化ガイドラインについて説明する。太陽電池の温度特性は、主に開放電圧Ｖｏｃの低下が支配的に作用するため、半導体膜のバンドギャップ調整が有効である。通常、第１光電変換ユニット１１の第１ｉ型半導体膜４には非晶質シリコンが用いられている。バンドギャップから第１光電変換ユニット１１の開放電圧の変動係数は概ね０．２５％／℃程度である。通常、第２光電変換ユニット１２の第２ｉ型半導体膜７には微結晶シリコンが用いられている。バンドギャップから第２光電変換ユニット１２の開放電圧の変動係数は概ね０．５％／℃程度である。第１光電変換ユニット１１と第２光電変換ユニット１２とは電気的に直列接続となるため、実際はこれらの和となる。しかしながら、各光電変換ユニットの開放電圧が異なるため、変動係数はそれらの加重和となり、０．３％／℃程度となる。
【０１０６】
太陽電池セルの開放電圧Ｖｏｃの温度特性を調整するには、第１光電変換ユニット１１または第２光電変換ユニット１２のドープ層（第１ｐ型半導体膜３，第２ｐ型半導体膜６、第１ｎ型半導体膜５，第２ｎ型半導体膜８）のバンドギャップおよび厚さを調整する。
ドープ層のバンドギャップを大きくすると、少数キャリア密度が下がるため、変動係数が小さくなる。ドープ層のバンドギャップを大きくするには、たとえば炭素や酸素などの添加を行うとよい。このような調整は、特にＲＲスペクトルに対して有効である。またドープ層の厚さを薄くすると、少数キャリア量が減るため、変動係数が小さくなる。
【０１０７】
第１光電変換ユニット１１の第１ｐ型半導体膜３と第１ｉ型半導体膜４との電気的依存性を緩和・解消するための第３接続層２３には、第１光電変換ユニット１１の第１ｐ型半導体膜３と第１ｉ型半導体膜４との価電子帯上端（バンド端）の中間の位置に価電子帯上端が来る材料を用いるとよい。このような材料により第３接続層２３を構成することにより、第１ｐ型半導体膜３と第１ｉ型半導体膜４との電気的依存性を緩和でき、第１ｐ型半導体膜３の特性・構造を独立して設計することができる。
【０１０８】
たとえば第１光電変換ユニット１１の第１ｐ型半導体膜３に非晶質炭化ケイ素（ａ−ＳｉＣ）を用いている場合は、炭素の量を減らした非晶質炭化ケイ素（ａ−ＳｉＣ）膜を作製するとよい。なお、第３接続層２３と同様の機能を持たせるために、適宜、第１光電変換ユニット１１の第１ｉ型半導体膜４と第１ｎ型半導体膜５との間に同様の構成を作製してもよく、また、第２光電変換ユニット１２においても同様の構成を作製してもよい。これにより、第１光電変換ユニット１１および第２光電変換ユニット１２の各層の特性・構造を独立して設計することができる。
【０１０９】
なお、第１光電変換ユニット１１、第２光電変換ユニット１２のドープ層のバンドギャップを調整することで第３接続層２３が必要な場合、第３接続層２３が光を吸収することで発電効率が低下する場合がある。したがって、いずれの構造が最適かは設置場所の温度変化に応じて決定する必要がある。
【０１１０】
設計の一例として、太陽電池セル（太陽電池モジュール）を宮古島に設置するものとして、第１光電変換ユニット１１の第１ｉ型半導体膜４の厚さを最適化した例を示す。宮古島では、主に緯度の関係からＢＲスペクトルの日射量がＳＴＣ条件と比較して多い。また、宮古島は南方に位置するため、接合部温度が高くなりがちである。このため、前記の実施の形態１と実施の形態２とを組み合せて、ＳＴＣ条件では２４０ｎｍとしていた第１光電変換ユニット１１の第１ｉ型半導体膜４の厚さを１６０ｎｍとして太陽電池セルの構造を最適化することにより、年間での発電量が８％増加した。
【０１１１】
実施の形態１では太陽電池セル（太陽電池モジュール）の設置場所の入射スペクトルに対する最適化を、実施の形態２では太陽電池セル（太陽電池モジュール）の設置場所の温度に対する最適化を行ったが、実際にはこれらをマトリクス状に組み合わせることで最終的な最適構造を設計することが好ましい。
【０１１２】
たとえば、太陽電池モジュール温度とスペクトルの特徴量（平均光子エネルギーなど）を用いて累積日射量のマップを作成し、また、太陽電池モジュール温度とスペクトル以外にも、入射角や影の影響などに対する最適化軸もあり、したがって組み合せの数が膨大となる。太陽電池セル（太陽電池モジュール）の設置場所の環境条件への最適化を考えたとき、このような背景において、従来の手法では組み合せ毎に依存性と特性を試作によって検証する必要があり、設計が非常に困難である。
【０１１３】
一方、実施の形態１、実施の形態２においては、接続層（第１接続層２１、第２接続層２２、第３接続層２３）を設けることにより、機能層同士の依存関係に起因した制約条件が解消・抑制される。これにより、この太陽電池セルは、各種の依存性（構造依存性、光学的依存性、電気的依存性）を解消・抑制して各層の機能・構造を独立して設計することができるため各層の設計自由度が大きくなり、太陽電池セル（太陽電池モジュール）設置場所の環境条件に応じた柔軟な設計が可能となる。
【０１１４】
特に、微結晶シリコンなどの異方性材料を機能層材料として用いる場合には、通常下地との依存関係が強いため、多数回の試作が必要となり、多品種対応が困難であった。しかし、上記実施例によれば、設計段階での太陽電池セル構造の最適化が容易かつ高精度で行えるため、必要試作回数が大幅に削減される。これにより、試作回数を最小限に抑えた設計が可能となるため、太陽電池セル（太陽電池モジュール）設置場所の環境条件への最適化を短時間で実施することができ、製造コストを低下できる。
【０１１５】
また、設計装置１００において設置場所の環境条件を再現した状態で太陽電池セルの各層の機能・構造を独立して設計することができる。そして、このようにして設計を行った各機能層を自在に組み合わせることが可能となる。これにより、試作を最小限に抑えた計算機ベースによる構造設計および設置場所の環境条件への最適化が容易に可能となる。
【０１１６】
したがって、実施の形態２によれば、設置場所の環境条件に適したタンデム型薄膜太陽電池セルを容易に設計でき、かつ安価で製造することができる。
【０１１７】
実施の形態３．
実施の形態１，２では、セル電流計算工程（ステップＳ１４０）およびセル電流計算工程（ステップＳ２２５）において、各光電変換ユニットの光電流Ｊｐｈは式（２）を用いて、光電変換ユニットで吸収する光子数に比例すると仮定して計算を行っていた。しかしながら光電変換ユニット内部での損失により厳密には光電流と光子数とは比例関係にはならない。特に入射する光子が少ない場合、一般的には光電変換ユニットに入射する日射量が小さい場合に、Ｊｐｈは式（２）で得られる結果より小さくなる。実施の形態３では、前記のような光子数と光電流Ｊｐｈとの比例関係からのずれに対する補正手段について説明する。
【０１１８】
図１０は、実施の形態３にかかるセル電流計算工程（ステップＳ３００）を示すフローチャートである。なお、実際の設計フローにおいては、実施の形態１においてはセル電流計算工程（ステップＳ１４０）を、実施の形態２においてはセル電流計算工程（ステップＳ２２５）を、実施の形態３におけるセル電流計算工程（ステップＳ３００）に置き換える形となる。したがって、設計の他のフローは実施の形態１または実施の形態２と同一のため、ここでは説明を省略する。実施の形態３におけるセル電流計算工程（ステップＳ３００）は、吸収光子数計算工程（ステップＳ３１０）、内部損失計算工程（ステップＳ３２０）、光電流計算工程（ステップＳ３３０）、セル電流計算終了判定工程（ステップＳ３４０）を有する。
【０１１９】
前段のフロー、すなわち実施の形態１のフローでは日射スペクトル計算工程（ステップＳ１３０）、実施の形態２のフローでは接合部温度計算工程（ステップＳ２２０）が終わると、中央処理装置１３０は、セル電流計算工程（ステップＳ３００）を開始する。すなわち、中央処理装置１３０は、まず吸収光子数計算工程（ステップＳ３１０）において各光電変換ユニットにおいて吸収される光子数を計算する。吸収光子数は、実施の形態１のフローでは、前記光学特性計算工程（ステップＳ１２０）で得られた外部量子効率ＥＱＥと、前記日射スペクトル計算工程（ステップＳ１３０）で得られた日射スペクトル情報とを用いて、下記式（４）で計算される。
【０１２０】
【数４】
2014209585.tif 000007
【０１２１】
式（４）において、ｎｐｈ（λ）は波長λにおいて光電変換ユニットに吸収される光子数、ｑは素電荷（１．６×１０−１９Ｃ）である。また、実施の形態２のフローでは、日射スペクトル情報の代わりに、日射量計算工程（ステップＳ２１０）で得られた日射量を用いて式（４）で計算される。なお、接合温部度計算工程（ステップＳ２２０）において接合部温度情報を計算している場合は、接合部温度情報を外部量子効率ＥＱＥに反映するとよい。
【０１２２】
吸収光子数計算工程（ステップＳ３１０）が終了すると、中央処理装置１３０は、内部損失計算工程（ステップＳ３２０）において、各光電変換ユニットで吸収した光子を光電流に変換する際の内部損失を計算する。内部損失の計算方法としては、例えば損失をｎｐｈ（λ）に依存しない定数項Ｒとして減じることにより近似して計算する手法がある。また、ｎｐｈ（λ）から第１ｉ型半導体膜４や第２ｉ型半導体膜７における深さ方向の光生成キャリアの分布を計算し、光照射によるキャリア生成→ｉ型半導体膜内のドリフト→電極での捕集の過程であるキャリア収集過程における、ドリフト中のｉ型半導体膜内での再結合損失および界面での再結合損失などの損失過程を計算することにより内部損失を求める手法などがある。この場合、損失項Ｒは定数ではなく波長（λ）、ｎｐｈ（λ）に依存した関数になる。
【０１２３】
内部損失計算工程（ステップＳ３２０）が終了すると、中央処理装置１３０は、光電流計算工程（ステップＳ３３０）において、各光電変換ユニットにおける光電流を計算する。光電流は内部損失計算工程（ステップＳ３２０）で用いた手法に応じてｎｐｈ（λ）に補正項を適用し、計算するとよい。例えば内部損失をｎｐｈ（λ）に依存しない定数項として近似した場合は、光電流は下記式（５）で計算される。
【０１２４】
【数５】
2014209585.tif 000008
【０１２５】
式（５）において、λ１は光電流の計算開始波長、λ２は光電流の計算終了波長である。λ１およびλ２は、ＥＱＥの立ち上がり波長、立ち下がり波長で選ばれることが多く、シリコンを用いた太陽電池では一般にλ１＝３００ｎｍ、λ２＝１２００ｎｍとすることが多い。式（５）において、ｎｐｈ（λ）を規定の波長範囲で積分した値から内部損失Ｒを減じた結果に素電荷を乗ずることで、光電流を計算することができる。図１１は、実測の光電流Ｊｐｈの日射量依存性と、式（５）のモデルから内部損失を用いて計算した光電流の日射量依存性を示す。図１１では、規格化日射量率（％）を横軸に、規格化セル電流率（％）を縦軸に示す。規格化日射量率は、ある日射量を基準（１００％）とした場合の日射量の比率である。また、規格化セル電流率は、基準（１００％）の日射量の場合のセル電流を基準（１００％）とした場合のセル電流の比率である。縦軸は、規格化セル電流率が１００％で比例関係とした場合の、比例関係からのずれを示しており、実測値の傾向と良く一致していることが分かる。
【０１２６】
光電流計算工程（ステップＳ３３０）が終了すると、中央処理装置１３０は、セル電流計算終了判定工程（ステップＳ３４０）において、全ての光電変換ユニットにおいてセル電流を計算し終えたか判定する。全ての光電変換ユニットにおいてセル電流の計算が終わっていない場合は（ステップＳ３４０、Ｎｏ）、次の光電変換ユニットに対して、吸収光子数計算工程（ステップＳ３１０）から計算を実施する。全ての光電変換ユニットに対して計算が終了した場合は（ステップＳ３４０、Ｙｅｓ）、次工程に進む。
【０１２７】
実施の形態３における太陽電池構造の最適化ガイドラインは、基本的には実施の形態１、および実施の形態２に準ずる。図１２〜図１４に、世界各地で観測した、１年間の全日射エネルギーに対する各日射量の期間が寄与する割合（寄与率）を示す。この寄与率は、すなわち各日射量区間の日射量で降り注いだエネルギーは１年間の全日射エネルギーの何割であるかを表す。図１２は、温帯地域における１年間の全日射エネルギーに対する各日射量の期間が寄与する割合を示すヒストグラムである。図１３は、熱帯地域における１年間の全日射エネルギーに対する各日射量の期間が寄与する割合を示すヒストグラムである。図１４は、砂漠地域における１年間の全日射エネルギーに対する各日射量の期間が寄与する割合を示すヒストグラムである。図１２〜図１４においては、日射量［Ｗ／ｍ２］を横軸に示し、１年間の全日射エネルギーに対する各日射量の期間が寄与する割合（寄与率）を縦軸に示す。
【０１２８】
これらの図から、温帯地域（図１２）、熱帯地域（図１３）、砂漠地域（図１４）の何れの地域でも、すなわち気候の差によらず、日射量が少ない期間も１年間の全日射エネルギーには少なくない寄与を与えていることが分かる。一方で、温帯地域と、熱帯地域および砂漠地域とでは、日射量が少なくなる主原因は気候面で異なる。温帯地域では、曇天などが日射量が少なくなる主原因である。熱帯地域および砂漠地域では、太陽高度が下がることが日射量が少なくなる主原因である。
【０１２９】
したがって、日射量が少ないときの日射量のスペクトルへの影響は、熱帯地域および砂漠地域の方が強く、熱帯地域および砂漠地域では大気散乱（夕焼けなど）の影響でスペクトルが大きく変わる。一方で、温帯地域では、日射量が少なくてもスペクトルが大きく変わらない。したがって、実施の形態３は、特に熱帯地域および砂漠地域など、晴天の多い気候に設置する場合の最適化に用いるとよい。
【０１３０】
上述したように、実施の形態３においては、光電変換ユニットで吸収した光子を光電流に変換する際の内部損失による電流のロスを考慮する。また、内部損失による電流のロスの補正は、日射スペクトル情報に対する比例関係から求まる電流値から、定数値を減ずることで行うことができる。このような実施の形態３によれば、日射量が少なくなることによるスペクトルの変化が大きく、光電変換ユニットで吸収する光子数と光電流Ｊｐｈとが比例関係とならない場合においても、該比例関係からのずれを補正して、設置場所の環境条件に適したタンデム型薄膜太陽電池セルを容易に設計でき、かつ安価で製造することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３１】
以上のように、本発明にかかるタンデム型薄膜太陽電池の設計方法は、設置場所の環境条件に適したタンデム型薄膜太陽電池セルを容易に且つ安価に製造する場合に有用である。
【符号の説明】
【０１３２】
１  透光性基板、２  フロント透明導電膜、３  第１ｐ型半導体膜、４  第１ｉ型半導体膜、５  第１ｎ型半導体膜、６  第２ｐ型半導体膜、７  第２ｉ型半導体膜、８  第２ｎ型半導体膜、９  バック透明導電膜、１０  バックリフレクタ、１１  第１光電変換ユニット、１２  第２光電変換ユニット、２１  第１接続層、２２  第２接続層、２３  第３接続層、３１ａ  ベクトルｅ１、３１ｂ  ベクトルｅ２、３２ａ  ベクトル（ｅ１）、３２ｂ  ベクトル（ｅ２）、３２ｃ  ベクトル（ｅ３）、１００  設計装置、１１０  入力装置、１１１  ユーザー入力手段、１１２  外部記憶媒体入力手段、１２０  表示装置、１３０  中央処理装置、１４０  記憶装置、１４１  主記憶装置、１４２  二次記憶装置、１５０  出力手段、１６０  バスライン、１６１  光学特性計算処理プログラム、１６２  電気特性計算処理プログラム、１６３  電力損失計算処理プログラム、１６４  最適判定処理プログラム、１６５  構造情報調整処理プログラム、１６６  出力処理プログラム、１７１  環境情報記憶手段、１７２  太陽電池構造情報記憶手段、ｅｍ，ｅ１，ｅ２，ｅ３  ベクトル。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図５】
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