(57)【要約】【課題】光電変換装置における光電変換効率を向上させる。【解決手段】アモルファスｉ型層を含むアモルファスシリコン光電変換ユニット１０２と微結晶ｉ型層を含む微結晶シリコン光電変換ユニット１０４とを積層し、アモルファスシリコン光電変換ユニット１０２と微結晶シリコン光電変換ユニット１０４との間に表面及び裏面において接触する層より低い屈折率を有する中間層１４を設け、パネル面内において微結晶ｉ型層が高い結晶化率であるほど中間層１４の膜厚を厚く形成した光電変換装置１００とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上において、アモルファスｉ型層を含むアモルファス光電変換ユニットと、微結晶ｉ型層を含む微結晶光電変換ユニットと、を接合したタンデム型光電変換装置であって、
前記アモルファス光電変換ユニットと前記微結晶光電変換ユニットとの間に、表面及び裏面において接触する層より低い屈折率を有する中間層を備え、
前記基板面内において前記微結晶ｉ型層が低い結晶化率であるほど前記中間層の膜厚が薄く形成されていることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光電変換装置であって、
前記中間層は、前記基板の周辺領域における膜厚を中央付近の領域における膜厚に比べて薄くしたことを特徴とする光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多結晶、微結晶またはアモルファスシリコンを用いた太陽電池が知られている。特に、微結晶またはアモルファスシリコンの薄膜を積層した構造を有する光電変換装置は、資源消費の観点、コストの低下の観点および効率化の観点から注目されている。一般的に、光電変換装置は、表面が絶縁性の基板上に第１電極、１以上の半導体薄膜光電変換セル及び第２電極を順に積層して形成される。それぞれの光電変換ユニットは、光入射側からｐ型層、ｉ型層及びｎ型層を積層して構成される。
【０００３】
光電変換装置の変換効率を向上させる方法として、２以上の光電変換セルを光入射方向に積層することが知られている。光電変換装置の光入射側にはバンドギャップが広い光電変換層を含む第１の光電変換ユニットを配置し、その後に第１の光電変換ユニットよりもバンドギャップの狭い光電変換層を含む第２の光電変換ユニットを配置する。これにより、入射光の広い波長範囲に亘って光電変換を可能にし、装置全体として変換効率の向上を図ることができる。例えば、アモルファスシリコン光電変換ユニット（ａ−Ｓｉ光電変換ユニット）をトップセルとし、微結晶光電変換ユニット（μｃ−Ｓｉ光電変換ユニット）をボトムセルとした構造が知られている。
【０００４】
また、光電変換装置は、ａ−Ｓｉ光電変換ユニット及びμｃ−Ｓｉ光電変換ユニットをレーザを用いて短冊状のセルに分割し、分割された複数のセルを直並列に接続した集積型モジュールとして利用されることが多い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、μｃ−Ｓｉ光電変換ユニットで発生する電流が各セルの電流を制限している状態では、直列に接続された複数のセルにおいてμｃ−Ｓｉ光電変換ユニットの結晶化率が低い領域のセルに流れる電流によって電流が制限されてしまう。そのため、光電変換装置の集積型モジュール全体として発電効率を高めることができないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の１つの態様は、基板上において、アモルファスｉ型層を含むアモルファス光電変換ユニットと、微結晶ｉ型層を含む微結晶光電変換ユニットと、を接合したタンデム型光電変換装置であって、アモルファス光電変換ユニットと微結晶光電変換ユニットとの間に、表面及び裏面において接触する層より低い屈折率を有する中間層を備え、基板面内において微結晶ｉ型層が低い結晶化率であるほど中間層の膜厚が薄く形成されている、光電変換装置である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、光電変換装置における光電変換効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態における光電変換装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態におけるμｃ−Ｓｉユニットのｉ型層の結晶性の分布及び中間層の膜厚の分布を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、本発明の実施の形態における光電変換装置１００の構造を示す断面図である。本実施の形態における光電変換装置１００は、透明絶縁基板１０を光入射側として、光入射側から、透明導電層１２、トップセルとして広いバンドギャップを有するアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）（光電変換）ユニット１０２、中間層１４、ボトムセルとしてａ−Ｓｉユニット１０２よりバンドギャップの狭い微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）（光電変換）ユニット１０４及び裏面電極層１６を積層した構造を有している。なお、図１は、後述するμｃ−Ｓｉユニット１０４のｉ型層の高結晶化領域である領域Ａと低結晶化領域である領域Ｂとを示している。
【００１０】
透明絶縁基板１０は、例えば、ガラス基板、プラスチック基板等の少なくとも可視光波長領域において透過性を有する材料を適用することができる。透明絶縁基板１０上に透明導電層１２が形成される。透明導電層１２は、酸化錫（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等に錫（Ｓｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、フッ素（Ｆ）、アルミニウム（Ａｌ）等をドープした透明導電性酸化物（ＴＣＯ）のうち少なくとも一種類又は複数種を組み合わせて用いることが好適である。特に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、透光性が高く、抵抗率が低く、耐プラズマ特性にも優れているので好適である。透明導電層１２は、例えば、スパッタリング法やＣＶＤ法等により形成することができる。透明導電層１２の膜厚は０．５μｍ以上５μｍ以下の範囲とすることが好適である。また、透明導電層１２の表面には光閉じ込め効果を有する凹凸を設けることが好適である。
【００１１】
透明導電層１２上に、ｐ型層、ｉ型層、ｎ型層のシリコン系薄膜を順に積層してａ−Ｓｉユニット１０２を形成する。ａ−Ｓｉユニット１０２は、シラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、ジクロルシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）等のシリコン含有ガス、メタン（ＣＨ４）等の炭素含有ガス、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）等のｐ型ドーパント含有ガス、フォスフィン（ＰＨ３）等のｎ型ドーパント含有ガス及び水素（Ｈ２）等の希釈ガスを混合した混合ガスをプラズマ化して成膜を行うプラズマＣＶＤにより形成することができる。プラズマＣＶＤは、例えば、１３．５６ＭＨｚのＲＦプラズマＣＶＤを適用することが好適である。
【００１２】
ｐ型層は、透明導電層１２上に形成される。ｐ型層は、ｐ型ドーパント（ボロン等）をドープした膜厚１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下のｐ型アモルファスシリコン層（ｐ型ａ−Ｓｉ：Ｈ）又はｐ型アモルファス炭化シリコン（ｐ型ａ−ＳｉＣ：Ｈ）とする。ｐ型層の膜質は、シリコン含有ガス、炭素含有ガス、ｐ型ドーパント含有ガス及び希釈ガスの混合比、圧力及びプラズマ発生用高周波パワーを調整することによって変化させることができる。
【００１３】
ｉ型層は、ｐ型層上に形成されたドープされていない膜厚５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下のアモルファスシリコン膜とする。ｉ型層は、ａ−Ｓｉユニット１０２の発電層となる。ｉ型層の膜質は、シリコン含有ガス及び希釈ガスの混合比、圧力及びプラズマ発生用高周波パワーを調整することによって変化させることができる。
【００１４】
ｎ型層は、ｉ型層上に形成されたｎ型ドーパント（リン等）をドープした膜厚１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下のｎ型アモルファスシリコン層（ｎ型ａ−Ｓｉ：Ｈ）又はｎ型微結晶シリコン層（ｎ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ）とする。ｎ型層の膜質は、シリコン含有ガス、炭素含有ガス、ｎ型ドーパント含有ガス及び希釈ガスの混合比、圧力及びプラズマ発生用高周波パワーを調整することによって変化させることができる。
【００１５】
ａ−Ｓｉユニット１０２上に、中間層１４を形成する。中間層１４は、その両面に形成される層よりも低い屈折率を有するものとする。本実施の形態では、中間層１４の屈折率は、ａ−Ｓｉユニット１０２のｎ型層及びμｃ−Ｓｉユニット１０４のｐ型層の屈折率よりも小さいものとする。これにより、透明絶縁基板１０、透明導電層１２及びａ−Ｓｉユニット１０２を通って中間層１４に到達した光の一部をａ−Ｓｉユニット１０２側へ反射させることができ、ａ−Ｓｉユニット１０２での発電量を増やすと共に、μｃ−Ｓｉユニット１０４の発電層であるｉ型層の膜厚を薄くすることができる。
【００１６】
中間層１４は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）等の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）を用いることが好適である。特に、マグネシウム（Ｍｇ）がドープされた酸化亜鉛（ＺｎＯ）や酸化シリコン（ＳｉＯｘ）を用いることが好適である。透明導電性酸化物（ＴＣＯ）は、例えば、スパッタリング法やＣＶＤ法等により形成することができる。また、酸化シリコン膜（ＳｉＯｘ）を用いることも好適である。酸化シリコン膜（ＳｉＯｘ）は、シラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、ジクロルシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）等のシリコン含有ガス、二酸化炭素（ＣＯ２）等の酸素含有ガス及び水素（Ｈ２）等の希釈ガスを混合した混合ガスをプラズマ化して成膜を行うプラズマＣＶＤにより形成することができる。中間層１４の膜厚は５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲とすることが好適である。
【００１７】
本実施の形態では、中間層１４は、光電変換装置１００のパネル面内において膜厚に変化を持たせる。すなわち、後述するμｃ−Ｓｉユニット１０４の発電層であるｉ型層の結晶化率が低い領域における中間層１４の膜厚よりも結晶化率が高い領域における中間層１４の膜厚を大きくする。
【００１８】
例えば、図２に示すように、一般的にμｃ−Ｓｉユニット１０４の発電層であるｉ型層の結晶化率はパネル面内において中央付近の領域Ａでは高く、周辺領域Ｂに近づくにつれて低くなる。したがって、図１に示すように、周辺領域Ｂにおける中間層１４の膜厚を中央付近の領域Ａにおける中間層１４の膜厚よりも薄くする。なお、図２はパネル面内の分布を模式的に示したものであり、実際にはμｃ−Ｓｉユニット１０４のｉ型層の結晶化率及び中間層１４の膜厚は連続的に変化する。
【００１９】
中間層１４の膜厚を変化させるには、例えば、プラズマＣＶＤ法における中間層１４の形成時において膜厚を厚くする領域に対しては原料ガスの密度を高くし、膜厚を薄くする領域に対しては原料ガスの密度を低くすればよい。より具体的には、平行平板型の電極を用いたプラズマＣＶＤ法において、平板電極の中央部から原料ガスを供給し、平行電極の周辺部から原料ガスを排気する構造とすることによって、パネル面内の周辺部より中央部において原料ガスの密度を高くすることができる。これにより、中央付近の領域Ａにおける中間層１４の膜厚を周辺領域Ｂにおける中間層１４の膜厚よりも厚くすることができる。
【００２０】
また、中間層１４の膜厚を変化させるには、プラズマＣＶＤ法における中間層１４の形成時において膜厚を厚くする領域に対しては原料ガスの供給量（流量）を増やし、膜厚を薄くする領域に対しては原料ガスの供給量（流量）を低くしてもよい。また、膜厚を厚くする領域に対しては透明絶縁基板１０の加熱温度を高くし、膜厚を薄くする領域に対しては透明絶縁基板１０の加熱温度を低くしてもよい。また、膜厚を厚くする領域に対してはプラズマ発生用に供給する電力密度を高くし、膜厚を薄くする領域に対してはプラズマ発生用に供給する電力密度を低くしてもよい。中間層１４の膜厚を変化させる方法はこれらに限定されるものではなく、また、これらの方法を適宜組み合わせて用いてもよい。
【００２１】
中間層１４のパネル面内における膜厚の分布は、各領域における走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察や透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）の断面観察によって行うことができる。これらの測定において、中間層１４の構造はａ−Ｓｉユニット１０２及びμｃ−Ｓｉユニット１０４の構造とは異なって観察され、μｃ−Ｓｉユニット１０４はその結晶化率によって異なって観察されるので、μｃ−Ｓｉユニット１０４の発電層であるｉ型層の結晶化率が高い領域において低い領域よりも中間層１４が厚く形成されているか否かを確認することができる。
【００２２】
また、μｃ−Ｓｉユニット１０４の発電層であるｉ型層の結晶化率は、平坦なガラス基板にμｃ−Ｓｉユニット１０４のｉ型層と同じ成膜条件において単膜として微結晶シリコン膜を形成し、その膜に対してラマン分光によってラマンスペクトルを測定し、結晶性シリコンに起因する５２０ｃｍ−１付近のラマン散乱強度Ｉｃと非晶質シリコンに起因する４８０ｃｍ−１付近のラマン散乱強度Ｉａとのピークに分離し、それらのピークの強度（高さ）から数式（１）にて導出した値とする。このような結晶化率の測定をパネル面内の複数の箇所で行い、μｃ−Ｓｉユニット１０４のｉ型層の結晶化率のパネル面内の分布を測定することができる。
結晶化率（％）＝Ｉｃ／（Ｉｃ＋Ｉａ）・・・・（１）
【００２３】
中間層１４上に、ｐ型層、ｉ型層、ｎ型層を順に積層したμｃ−Ｓｉユニット１０４を形成する。μｃ−Ｓｉユニット１０４は、シラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、ジクロルシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）等のシリコン含有ガス、メタン（ＣＨ４）等の炭素含有ガス、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）等のｐ型ドーパント含有ガス、フォスフィン（ＰＨ３）等のｎ型ドーパント含有ガス及び水素（Ｈ２）等の希釈ガスを混合した混合ガスをプラズマ化して成膜を行うプラズマＣＶＤにより形成することができる。プラズマＣＶＤは、ａ−Ｓｉユニット１０２と同様に、例えば、１３．５６ＭＨｚのＲＦプラズマＣＶＤを適用することが好適である。
【００２４】
ｐ型層は、中間層１４上に形成される。ｐ型層は、膜厚５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の微結晶シリコン層、アモルファス層又はそれらを積層したものとすることが好適である。また、アモルファス層は、アモルファスシリコン層（ａ−Ｓｉ）又はアモルファス炭化シリコン層（ａ−ＳｉＣ）とすることが好適である。ｐ型層の膜質は、シリコン含有ガス、炭素含有ガス、ｐ型ドーパント含有ガス及び希釈ガスの混合比、圧力及びプラズマ発生用高周波パワーを調整することによって変化させることができる。
【００２５】
ｐ型層上にはｉ型層を形成する。ｉ型層は、ｐ型層上に形成されたドープされていない膜厚０．５μｍ以上５μｍ以下の微結晶シリコン膜とする。ｉ型層は、μｃ−Ｓｉユニット１０４の発電層となる。ｉ型層の膜質は、シリコン含有ガス及び希釈ガスの混合比、圧力及びプラズマ発生用高周波パワーを調整することによって変化させることができる。
【００２６】
ｎ型層は、ｉ型層上に形成される。ｎ型層は、ｎ型ドーパント（リン等）をドープした膜厚５ｎｍ以上５０ｎｍ以下ｎ型微結晶シリコン層（ｎ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ）とする。ただし、μｃ−Ｓｉユニット１０４はこれに限定されるものではなく、発電層としてｉ型微結晶シリコン層（ｉ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ）が用いられるものであればよい。
【００２７】
μｃ−Ｓｉユニット１０４上に、裏面電極層１６が形成される。裏面電極層１６は、反射性金属と透明導電性酸化物（ＴＣＯ）との積層構造を形成する。透明導電性酸化物（ＴＣＯ）は、酸化錫（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等、又は、これらに不純物をドープしたものが用いられる。例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）にアルミニウム（Ａｌ）を不純物としてドープしたものでもよい。また、反射性金属としては、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属が用いられる。透明導電性酸化物（ＴＣＯ）及び反射性金属は、例えば、スパッタリング法又はＣＶＤ法等により形成することができる。透明導電性酸化物（ＴＣＯ）と反射性金属の少なくとも一方には、光閉じ込め効果を高めるための凹凸が設けることが好適である。
【００２８】
さらに、裏面電極層１６を保護膜（図示しない）で被ってもよい。保護膜は、ＰＥＴ／Ａｌ箔／ＰＥＴからなる積層体の他、フッ素系樹脂（ＥＴＦＥ，ＰＶＤＦ，ＰＣＴＦＥ等）、ＰＣ、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ＰＶＦ、アクリル等の樹脂の単層体や金属泊を挟んだ構造のものが用いられる。保護膜は、ＥＶＡ、エチレン系樹脂（ＥＥＡ等）、ＰＶＢ、シリコーン、ウレタン、アクリル、エポキシ樹脂等の樹脂充填材により裏面電極層１６上を被うように接着すればよい。これによって、光電変換装置１００の発電層への水分の侵入等を防ぐことができる。
【００２９】
なお、ＹＡＧレーザ（基本波１０６４ｎｍ、第２高調波５３２ｎｍ）を用いて、透明導電層１２、ａ−Ｓｉユニット１０２、中間層１４、μｃ−Ｓｉユニット１０４、裏面電極層１６の分離加工を行うことによって、複数のセルを直並列に接続した構成にしてもよい。
【００３０】
以上のように、本実施の形態における光電変換装置１００を構成することができる。光電変換装置１００のｉ型層の結晶化率が低い領域では、μｃ−Ｓｉユニット１０４での発電効率が低い。このため、光電変換装置１００の電流値がμｃ−Ｓｉユニット１０４によって制限される場合においては、光電変換装置１００の電流値はμｃ−Ｓｉユニット１０４のｉ型層の結晶化率が低い領域に制限されることになる。本実施の形態では、μｃ−Ｓｉユニット１０４のｉ型層の結晶化率が低い領域ほど中間層１４の膜厚を薄くした。これにより、中間層１４によるａ−Ｓｉユニット１０２への光の反射が小さくなり、μｃ−Ｓｉユニット１０４へ導入される光量が増えてμｃ−Ｓｉユニット１０４での発電量（電流）が増加する。したがって、μｃ−Ｓｉユニット１０４のうち、電流値を制限しているｉ型層の結晶化率が低い領域の電流値を底上げし、光電変換装置１００全体での電流値を向上させることが可能となる。すなわち、基板面内でのμｃ−Ｓｉユニット１０４の発電量（電流）の分布を従来より均一化することができる。一方、μｃ−Ｓｉユニット１０４のｉ型層の結晶化率が高い領域ほど中間層１４の膜厚を厚くした。これにより、中間層１４によるａ−Ｓｉユニット１０２への光（特に５００ｎｍ以上の波長の光）の反射が大きくなり、ａ−Ｓｉユニット１０２へ導入される光量が増えてａ−Ｓｉユニット１０２での発電量（電流）を増加させる。したがって、ａ−Ｓｉユニット１０２の厚さを厚くすることなく、発電量（電流）を大きくすることができるため、膜厚を厚くしたときに顕著となる光劣化を小さくすることができる。その結果、光電変換装置１００の集積型モジュール全体として発電効率を高めることができる。
【符号の説明】
【００３１】
１０  透明絶縁基板、１２  透明導電層、１４  中間層、１６  裏面電極層、１００  光電変換装置、１０２  アモルファスシリコン光電変換ユニット（ａ−Ｓｉ光電変換ユニット）、１０４  微結晶シリコン光電変換ユニット（μｃ−Ｓｉ光電変換ユニット）。
【図１】
2011233752.tif 000003
【図２】
2011233752.tif 000004