(57)【要約】【課題】コンタクト抵抗を低減することによって光電変換素子構造の変換効率を改善することである。【解決手段】発電層と電極との間に、仕事関数の低い下地金属層を設けることにより変換効率を向上させる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の電極間に、光吸収帯域の互いに異なるセルを積層することによって構成された発電層を備え、前記第１の電極を透明電極とし、前記第２の電極と前記発電層との間に、前記第２の電極と前記発電層との間のコンタクト抵抗よりも小さいコンタクト抵抗を前記発電層の間に有する金属によって形成された金属層が設けられていることを特徴とする太陽電池。
【請求項２】
請求項１において、前記金属層の金属は、前記金属層がコンタクトする発電層の電子親和力の絶対値よりも小さい仕事関数を有することを特徴とする太陽電池。
【請求項３】
請求項２において、前記金属層がコンタクトする発電層はｎ型ゲルマニウムであることを特徴とする太陽電池。
【請求項４】
請求項２において、前記金属層がコンタクトする発電層はｎ型ゲルマニウムであり、前記金属層はマグネシウム、ハフニウム、マンガン、ジルコニウム及びイットリウムからなる群から選択された少なくとも一種類の金属又はその合金によって形成されていることを特徴とする太陽電池。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一つにおいて、前記発電層は、ダブルセル構造又はトリプルセル構造を有することを特徴とする太陽電池。
【請求項６】
請求項５において、前記ダブルセル構造は６層構造を有していることを特徴とする太陽電池。
【請求項７】
請求項６において、前記６層構造のダブルセル構造は、微結晶シリコンによって形成されたｐｉｎ構造のトップセルと、微結晶ゲルマニウムによって形成されたｐｉｎ構造のボトムセルとを有していることを特徴とする太陽電池。
【請求項８】
請求項５において、前記トリプルセル構造は９層構造を有していることを特徴とする太陽電池。
【請求項９】
請求項８において、前記９層構造のトリプルセル構造は、トップセル、ミドルセル、及びボトムセルを前記第１の電極上に、順次積層した構造を有していることを特徴とする太陽電池。
【請求項１０】
請求項９において、前記トップセルはアモルファスシリコンによって形成されたｐｉｎ構造を有し、前記ミドルセルは微結晶シリコンゲルマニウムによって形成されたｐｉｎ構造を備え、更に、前記ボトムセルは微結晶ゲルマニウムによって形成されたｐｉｎ構造を有していることを特徴とする太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池に関し、特に透明電極上に複数の発電層を積層した構成を有する太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、石油等の化石燃料の使用が地球温暖化の一因として大きく取り上げられており、化石燃料に代わるエネルギーとして、種々の代替エネルギーが研究され実用化が急がれている。これら代替エネルギーの一つとして、クリーンでしかも無尽蔵ともいえる太陽エネルギーが注目されており、太陽エネルギーから電力を得る様々な形式の太陽電池が提案されている。
【０００３】
この種の太陽電池として、ｉ型半導体層の両面に、それぞれ、一導電型（例えばｐ型）半導体層及び逆導電型（例えば、ｎ型）半導体層を接触させた３層構造の薄膜太陽電池が提案されている。このような薄膜太陽電池における各半導体層を非晶質半導体、微結晶半導体、単結晶半導体、多結晶半導体等、種々の半導体によって形成すること、及び、各半導体層を形成する半導体として、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ等を使用することも知られている。
【０００４】
３層構造の太陽電池として、例えば、特許文献１には、微結晶相を含む非晶質シリコン（μｃ−Ｓｉ）の層を有するｐｉｎ型非晶質薄膜太陽電池が開示されている。特許文献１に記載された薄膜太陽電池は、発電層を形成するｐｉｎ層のうち、微結晶相を含む半導体層（μｃ−Ｓｉ）によってｐ層を形成し、ｉ層を非晶質シリコンゲルマニウム（ａ−ＳｉＧｅ）によって形成すると共に、当該ｐ層とｉ層との間に、ｐ層よりもバンドギャップが広く、ｐ型で低不純物濃度の界面層を設けた構造を有している。この構造の太陽電池は、光照射後の特性の劣化を抑制できると共に、効率の向上を図ることができる。
【０００５】
また、特許文献２は、製造プロセスにおける熱拡散による界面特性の劣化を抑制して、変換効率の高い太陽電池を開示している。特許文献２では、発電層を形成するｐｉｎ層のうち、それぞれ微結晶相を含む非晶質シリコン系薄膜（μｃ−Ｓｉ）によってｐ及びｎ型半導体層を形成し、且つ、微結晶層を含む非晶質半導体層と非晶質シリコン系膜によってｉ型半導体層を形成した太陽電池を開示している。更に、特許文献２は、非晶質半導体層とｉ型半導体層との間に、複数層からなる界面半導体層を設けた構造を提案している。ここでは、ｉ型半導体層側の界面半導体層の不純物添加量を、非晶質半導体層側の界面半導体層の不純物添加量よりも少なくし、これによって、ｉ型半導体層のｐ型半導体層側接合界面におけるバンドギャップをｉ型半導体層のバンドギャップより広くしている。
【０００６】
この構造の太陽電池は、界面特性の劣化を抑制することができる。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−１６８３５４号公報
【特許文献２】特開２００３−８０３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１及び２は、太陽電池を使用して、将来的に必要となるエネルギーを全て賄うことは、全く考慮していないし、実際問題として、石油等の化石燃料に取って代わる程の電力を得ることは不可能であると考えられている。
【０００９】
一方、本発明者等の試算によれば、変換効率を改善すると共に、大量に且つ安価に大面積の太陽電池を製造できれば、年間の電力消費量に匹敵する電力を太陽電池によって得ることができることが判明した。
【００１０】
本発明の課題は、変換効率が高く且つ大量生産に適した太陽電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の態様によれば、第１及び第２の電極間に、光吸収帯域の互いに異なるセルを積層することによって構成された発電層を備え、前記第１の電極を透明電極とし、前記第２の電極と前記発電層との間に、前記第２の電極と前記発電層との間のコンタクト抵抗よりも小さいコンタクト抵抗を前記発電層の間に有する金属によって形成された金属層が設けられていることを特徴とする太陽電池が得られる。
【００１２】
本発明の第２の態様によれば、第１の態様において、前記金属層の金属は、前記金属層がコンタクトする発電層の電子親和力の絶対値よりも小さい仕事関数を有することを特徴とする太陽電池が得られる。
【００１３】
本発明の第３の態様によれば、第２の態様において、前記金属層がコンタクトする発電層はｎ型ゲルマニウムであることを特徴とする太陽電池が得られる。
【００１４】
本発明の第４の態様によれば、第２の態様において、前記金属層がコンタクトする発電層はｎ型ゲルマニウムであり、前記金属層はマグネシウム、ハフニウム、マンガン、ジルコニウム及びイットリウムからなる群から選択された少なくとも一種類の金属又はその合金によって形成されていることを特徴とする太陽電池が得られる。
【００１５】
本発明の第５の態様によれば、第１乃至４の態様のいずれか一つにおいて、前記発電層は、ダブルセル構造又はトリプルセル構造を有することを特徴とする太陽電池が得られる。
【００１６】
本発明の第６の態様によれば、第５の態様において、前記ダブルセル構造は６層構造を有していることを特徴とする太陽電池が得られる。
【００１７】
本発明の第７の態様によれば、第６の態様において、前記６層構造のダブルセル構造は、微結晶シリコンによって形成されたｐｉｎ構造のトップセルと、微結晶ゲルマニウムによって形成されたｐｉｎ構造のボトムセルとを有していることを特徴とする太陽電池が得られる。
【００１８】
本発明の第８の態様によれば、第５の態様において、前記トリプルセル構造は９層構造を有していることを特徴とする太陽電池が得られる。
【００１９】
本発明の第９の態様によれば、第８の態様において、前記９層構造のトリプルセル構造は、トップセル、ミドルセル、及びボトムセルを前記第１の電極上に、順次積層した構造を有していることを特徴とする太陽電池が得られる。
【００２０】
本発明の第１０の態様によれば、第９の態様において、前記トップセルはアモルファスシリコンによって形成されたｐｉｎ構造を有し、前記ミドルセルは微結晶シリコンゲルマニウムによって形成されたｐｉｎ構造を備え、更に、前記ボトムセルは微結晶ゲルマニウムによって形成されたｐｉｎ構造を有していることを特徴とする太陽電池が得られる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、異なる光吸収帯域を有する発電層を有すると共に、電極としてコンタクト抵抗の小さい金属層を電極の下地層として配置しているため、変換効率を約２０パーセントまで高くすることができると言う利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１に示された光波長とフォトン数との関係を用いて、本発明の原理を説明する。入射光Ｉｎとして入射する太陽光は５００ｎｍ以下の紫外光領域から２５００ｎｍ以上の遠赤外光まで広い範囲の波長を有している。これらの入射光Ｉｎを広い範囲に亘って吸収し、電気エネルギーに変換できれば、変換効率の高い太陽電池を得ることができる。
【００２３】
ここで、曲線Ａａで示すように、５００ｎｍ以下の光波長から可視光領域の光波長に対して高い吸収係数を示す材料（例えば、アモルファスシリコン）、曲線Ａｍで示すように、１０００ｎｍを含む光波長に対して高い吸収係数を持つ材料（例えば、微結晶シリコンゲルマニウム（μｃ−ＳｉＧｅ））を組み合わせれば、光吸収係数の極めて高い太陽電池を構成できる。更に、曲線Ａｇで示すように、微結晶シリコンゲルマニウムよりも高い光波長に対して高い光吸収係数を持つ材料（例えば、微結晶ゲルマニウム（μｃ−Ｇｅ））を組み合わせることにより、太陽光の未吸収分Ｎａの極めて少ない太陽電池を構成できる。
【００２４】
上記した原理に基づき、本発明では、曲線Ａａ、Ａｍ、Ａｇの３つの吸収特性のうち、少なくとも曲線Ａａ、Ａｍの吸収特性を実現できる太陽電池を検討すると共に、各材料の発生電圧についても検討した。
【００２５】
更に、本発明では、発電層を挟む電極の材料を改善することにより、変換効率の高い太陽電池を構成できることを見出した。
【００２６】
図２を参照すると、６層構造の本発明に係る太陽電池の一例が示されている。図示された太陽電池は、ガラス基板２１上にＺｎＯ等によって形成された透明な第１の電極（ＴＣＯ）２３、第１の電極２３上に設けられた６層構造の発電層２５、発電層２５上に形成された下地金属層２７、及び、Ａｌ又はＡｇによって形成された第２の電極２９を有している。
【００２７】
また、図２に示された太陽電池の発電層２５は、微結晶シリコンによって形成されたｐｉｎ構造のトップセル２５１と、微結晶ゲルマニウムによって形成されたｐｉｎ構造のボトムセル２５２とを積層した構造を有している。ここで、トップセル２５１は４．５μｍの厚さを有し、他方、ボトムセル２５２は０．５μｍの厚さを有している。
【００２８】
更に、第２の電極２９の下地金属層２７は、ゲルマニウムに対してオーミックコンタクトを形成し、Ａｌよりもコンタクト抵抗の小さな金属（例えば、マグネシウム）によって形成されている。尚、下地金属層２７の材料はボトムセルを形成する材料の電子親和力の絶対値よりも小さい仕事関数を有するように選択すれば良い。図示された構造の太陽電池は２．１６ｍ×２．４６ｍの大きさの基板上に形成され、１９．８％の変換効率を有していた。
【００２９】
図２の構造において、第２の電極２９は、反射を助長する機能を備えている。一方、下地金属層２７は太陽光をできるだけ透過するような厚さにするのが好ましい。
【００３０】
図３を参照すると、９層構造を備えた本発明に係る太陽電池の例が示されている。図３に示された太陽電池は、ガラス基板２１、透明な第１の電極２３、発電層２５、下地金属層２７、及び第２の電極２９を備え、図示された発電層２５は、アモルファスシリコンによって形成されたｐｉｎ構造のトップセル２５ａ、微結晶シリコンゲルマニウムによって形成されたｐｉｎ構造のミドルセル２５ｂ、及び、微結晶ゲルマニウムによって形成されたｐｉｎ構造のボトムセル２５ｃを積層した構成を有している。
【００３１】
ここで、トップセル２５ａ、ミドルセル２５ｂ、及び、ボトムセル２５ｃの厚さはそれぞれ１．０μｍ、３．５μｍ、及び、０．５μｍであり、発電層２５のトータル厚さは５μｍである。このように、９層構造の太陽電池は、２３．１％と高い変換効率を有し、且つ、大型化、量産化可能である。
【００３２】
図４を参照すると、９層構造を備え、図３に示された太陽電池よりも薄膜構造を有する太陽電池が示されている。トップセル２５ａ、ミドルセル２５ｂ、及び、ボトムセル２５ｃの膜構造は図３と同様に、アモルファスシリコンによって形成されたｐｉｎ構造、微結晶シリコンゲルマニウムによって形成されたｐｉｎ構造、及び、微結晶ゲルマニウムによって形成されたｐｉｎ構造によって構成されている。
【００３３】
更に、トップセル２５ａ、ミドルセル２５ｂ、及び、ボトムセル２５ｃはそれぞれ０．５μｍ、１．１μｍ、及び、０．４μｍの厚さを有している。このような構成の太陽電池は、１９．８％の変換効率を有していた。
【００３４】
次に、図５を参照して、本発明の実施例１を説明する。
【００３５】
図５は本発明の太陽電池の断面図であり、図からも明らかな通り、ガラス基板２１上にガリウムをドープした酸化亜鉛によって形成された透明な第１の電極２３を１μｍ成膜する。
【００３６】
形成した第１の電極２３上に、ｐ型アモルファスシリコン層３（膜厚２０ｎｍ）、ｉ型アモルファスシリコン層４(膜厚０．５μｍ)、ｎ型アモルファスシリコン層５（膜厚２０ｎｍ）を順次成膜してトップセル２５ａを形成する。
【００３７】
次に、ｐ型微結晶シリコンゲルマニウム層６（膜厚５０ｎｍ）、微結晶シリコンゲルマニウム層７(膜厚１．１μｍ)、ｎ型微結晶シリコンゲルマニウム層８（膜厚５０ｎｍ）を順次成膜することによってミドルセル２５ｂを形成する。
【００３８】
更に、ｎ型微結晶シリコンゲルマニウム層８上に、ｐ型微結晶ゲルマニウム層９（膜厚５０ｎｍ）、微結晶ゲルマニウム層１０（膜厚０．４μｍ）、ｎ型微結晶ゲルマニウム層１１（膜厚５０ｎｍ）を順次成膜してボトムセル２５ｃを形成する。
【００３９】
次に、マグネシウム層２７（膜厚１ｎｍ）とアルミニウム２９（膜厚１μｍ）を形成する。
【００４０】
次に、ＳｉＮ層３４（膜厚５μｍ）を成膜する。ＳｉＮ層３４上には接着剤層３５を介して放熱用金属板３６を張り合わせる。
【００４１】
図６を参照して、本発明の実施例２に係る太陽電池を説明する。図示された構造は、透明電極（ＴＣＯ）によって形成された第１の電極２３、当該第１の電極２３上に形成されたｐ型半導体層２５１ａ、微結晶を含む非晶質Ｓｉ（μｃ−Ｓｉ）によって形成されたｉ型半導体層２５３ａ、及び、ｎ型半導体層２５２ａを有している。更に、その上に、ｐ型半導体層２５１、微結晶を含む非晶質Ｇｅ（μｃ−Ｇｅ）によって形成されたｉ型半導体層２５３、及び、ｎ型半導体層２５２を有している。更に、その上に本発明に係る金属層３０が形成され、更に、当該金属層３０上に、Ａｌによって形成された第２の電極２９が設けられている。金属層３０は、図２を参照して説明したように、下地となるｎ型半導体層２５２との間の仕事関数を考慮して定められた金属によって形成されている。
【００４２】
尚、上記した構成の太陽電池を製造するために使用される成膜及びエッチング用施設に、回転マグネットスパッタ装置を使用すれば、施設全体を大幅に縮小できる。
【００４３】
例えば、成膜を回転マグネットスパッタ装置によって連続的に行えば、多層膜形成のための施設全体を縮小できる。例えば、下地金属層２７及び第２の電極２９を同一のチャンバ内で、回転マグネットスパッタ装置を用いて連続的に成膜すれば、下地金属層２７及び第２の電極２９を個別のチャンバ内で個々に成膜する場合に比較して、施設の縮小が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
以上説明した実施形態は大型の太陽電池パネルにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の原理を説明するために使用される太陽光のスペクトラムを示す図である。
【図２】本発明に係る６層構造の太陽電池の一例を示す概略図である。
【図３】本発明に係る９層構造の太陽電池の例を示す概略図である。
【図４】図３に示した太陽電池を薄膜化した例を示す概略図である。
【図５】本発明の実施例１に係る太陽電池を示す断面図である。
【図６】本発明の実施例２に係る太陽電池を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
２１          ガラス基板
２３          第１の電極（透明導電膜）
２５          発電層
２７、３０    下地金属層
２９          第２の電極
２５１        トップセル
２５２        ボトムセル
２５ａ        トップセル
２５ｂ        ミドルセル
２５ｃ        ボトムセル
３４          ＳｉＮ層
３５          接着剤層
３６          放熱用金属板
２５１、２５１ａ          ｐ型半導体層
２５２、２５２ａ          ｎ型半導体層
２５３、２５３ａ          ｉ型半導体層
【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５】
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【図６】
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