(57)【要約】【課題】本発明の課題は、近赤外域の光路長が伸び、近赤外域の感度が向上し変換効率が大幅に向上するタンデム型薄膜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】積層された太陽電池の隣り合う光電変換層の界面に光散乱体を分散させたことを特徴とするタンデム型薄膜太陽電池である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された太陽電池の隣り合う光電変換層の界面に光散乱体を分散させたことを特徴とするタンデム型薄膜太陽電池。
【請求項２】
上記光散乱体分散層のサイズは、０．０５μｍ〜１．０μｍであ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。
【請求項３】
上記積層された太陽電池は、テクスチャー構造を有することを特徴とする請求項１又は２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、光電変換層を複数層有するタンデム型薄膜太陽電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
昨今の地球温暖化及びエネルギー問題の解決に向け、省資源且つ安価な薄膜シリコン系太陽電池の普及に大きな期待が寄せられている。薄膜シリコン系太陽電池は、現在主流の結晶シリコン系太陽電池に比してシリコン原料の使用が100分の１程度と省資源であり、また、生産規模の増大に伴い製造コストが大幅に削減される。
【０００３】
薄膜シリコン系太陽電池では、光電変換層を複数層有するタンデム型薄膜シリコン系太陽電池が変換効率向上の点から広く採用されている。図１３に平滑基板上スーパーストレート型のタンデム型薄膜シリコン系太陽電池の模式図を示す。光入射側より、ガラス等の透明な基板、SnO2やZnO等の透明電極、薄膜シリコン系p-i-n層からなる一段目光電変換層、薄膜シリコン系p-i-n層からなる二段目光電変換層、そしてAgやAl等の裏面電極から構成される。
また、図１４に基板位置が反対の構造を有する、平滑基板上サブストレート型のタンデム型薄膜シリコン系太陽電池の模式図を示す。光入射側から、AgやAl等の櫛形電極、ITOやZnO等の透明電極、薄膜シリコン系p-i-n層からなる一段目光電変換層、薄膜シリコン系p-i-n層からなる二段目光電変換層、そしてAgやAl等の裏面電極から構成される。
【０００４】
タンデム型薄膜シリコン系太陽電池では、光入射側の一段目光電変換層で短波長太陽光を吸収し、透過した長波長太陽光を二段目以降の光電変換層で吸収する。一段目の光電変換層にはワイドギャップ系光電変換材料が用いられ、二段目以降にナローギャップ系光電変換材料が用いられる。ワイドギャップ系光電変換層材料として、アモルファスシリコン、アモルファスシリコンゲルマニウム、アモルファスシリコンカーバイト等が用いられる。ナローギャップ系の光電変換層材料として、微結晶シリコン、微結晶シリコンゲルマニウム、アモルファスシリコンゲルマニウム等が用いられる。
【０００５】
タンデム型薄膜シリコン系太陽電池では、通常、凹凸（テクスチャー）を有する透明基板もしくは電極を用い変換効率を向上させる。入射した太陽光は透明基板もしくは電極のテクスチャー部で散乱し、光電変換層において実質的な光路長が増加することで発電効率は向上する。一般に、テクスチャーの凹凸サイズは、数十ナノ〜数百ナノメートルである。テクスチャー基板上スーパーストレート型のタンデム型薄膜シリコン系太陽電池の模式図を図１５に示す。またテクスチャー基板上サブストレート型のタンデム型薄膜シリコン系太陽電池の模式図を図１６に示す。
【０００６】
しかしながら、テクスチャー構造を採用しても、タンデム型薄膜シリコン系太陽電池の発電効率は現在主流の結晶系太陽電池に比べると低い。そのため、タンデム型薄膜シリコン系太陽電池の光散乱・光閉じ込め技術を開発し、発電効率を更に向上させる技術が必要である。特に、タンデム型薄膜シリコン系太陽電池では、近赤外域（700nm以上）の光吸収係数が小さく光感度に乏しいため、当該領域の光を閉じ込める技術が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−２２３７２４号公報
【特許文献２】特開平９−６９６４２号公報
【特許文献３】特開平７−２６３７２９号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】JOURNAL OF NON-CRYSTALLINE SOLIDS,Vol.299,p.1152-1156,2002
【非特許文献２】JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS,PART 2-LETTERS,Vol.40,No4A,p.L303-L305,APR1 2001
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、上記の問題点を解決し、近赤外域の感度及び変換効率を大幅に向上するタンデム型薄膜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】
【００１０】
上記課題は次のような手段により解決される。
（１）積層された太陽電池の隣り合う光電変換層の界面に光散乱体を分散させたことを特徴とするタンデム型薄膜太陽電池。
（２）上記光散乱体のサイズは、０．０５μｍ〜１．０μｍであることを特徴とする（１）に記載のタンデム型薄膜太陽電池。
（３）上記積層された太陽電池は、テクスチャー構造を有することを特徴とする（１）又は（２）に記載のタンデム型薄膜太陽電池。
【発明の効果】
【００１１】
本発明では、積層された太陽電池の隣り合う光電変換層の界面に光散乱体を配置することにより、近赤外域の光路長が伸び、近赤外域の感度が向上するため、タンデム型薄膜太陽電池の変換効率が大幅に向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る、平滑基板上スーパーストレート型のタンデム型薄膜シリコン系太陽電池の模式図
【図２】本発明に係る、平滑基板上サブストレート型のタンデム型薄膜シリコン系太陽電池の模式図
【図３】本発明に係る、テクスチャー基板上スーパーストレート型のタンデム型薄膜シリコン系太陽電池の模式図
【図４】本発明に係る、テクスチャー基板上サブストレート型のタンデム型薄膜シリコン系太陽電池の模式図
【図５】本発明に係る、平滑基板上スーパーストレート型のタンデム型薄膜シリコン系太陽電池の電流−電圧特性
【図６】本発明に係る、平滑基板上スーパーストレート型のタンデム型薄膜シリコン系太陽電池の分光感度特性
【図７】本発明に係る、テクスチャー基板上スーパーストレート型のタンデム型薄膜シリコン系太陽電池の電流−電圧特性
【図８】本発明に係る、テクスチャー基板上スーパーストレート型のタンデム型薄膜シリコン系太陽電池の分光感度特性
【図９】本発明に係る、平滑基板上サブストレート型のタンデム型薄膜シリコン系太陽電池の電流−電圧特性
【図１０】本発明に係る、平滑基板上サブストレート型のタンデム型薄膜シリコン系太陽電池の分光感度特性
【図１１】本発明に係る、テクスチャー基板上サブストレート型のタンデム型薄膜シリコン系太陽電池の電流−電圧特性
【図１２】本発明に係る、テクスチャー基板上サブストレート型のタンデム型薄膜シリコン系微粒子分散太陽電池の分光感度特性
【図１３】従来の平滑基板上スーパーストレート型のタンデム型薄膜シリコン系太陽電池の模式図
【図１４】従来の平滑基板上サブストレート型のタンデム型薄膜シリコン系太陽電池の模式図
【図１５】従来のテクスチャー基板上スーパーストレート型のタンデム型薄膜シリコン系太陽電池の模式図
【図１６】従来のテクスチャー基板上サブストレート型のタンデム型薄膜シリコン系太陽電池の模式図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明では、例えばタンデム型薄膜シリコン系太陽電池において、発電層とは異なる屈折率を有する光散乱体を隣り合う光電変換層の界面に配置することにより、近赤外感度及び発電効率を向上させる。
本発明に係る、平滑基板上スーパーストレート型のタンデム型薄膜シリコン系太陽電池の模式図を図１に示し、平滑基板上サブストレート型のタンデム型薄膜シリコン系太陽電池の模式図を図２に示す。
また本発明に係る、テクスチャー基板上スーパーストレート型のタンデム型薄膜シリコン系太陽電池の模式図を図３に示し、テクスチャー基板上サブストレート型のタンデム型薄膜シリコン系太陽電池の模式図を図４に示す。
【００１４】
配置される光散乱体のサイズは、0.05μmから1.0μmの範囲、望ましくは0.2μmから0.5μmの範囲である。光散乱体と光電変換層との屈折率差は、0.1以上、望ましくは1.0以上である。光散乱体の近赤外域の消衰係数は、0.01μm-1以下、望ましくは0.001μm-1以下である。光散乱体間の平均間隔は、0.05μmから2.0μmの範囲、望ましくは0.4μmから1μmである。
光散乱体の材質は、絶縁性材料、半導体材料、金属材料でもよいが、望ましくは、絶縁性材料である。
【００１５】
以下に本発明に係るタンデム型薄膜シリコン系太陽電池の実施例を紹介する。
［実施例１（平滑基板上スーパーストレート型）］
図１に示す平滑基板上スーパーストレート型のタンデム型薄膜シリコン系太陽電池サンプルの構造を作製した。平滑なガラス基板、ZnO透明電極、アモルファスシリコンp-i-n層（膜厚350nm）からなる一段目光電変換層、光散乱体分散層、微結晶シリコンp-i-n層（膜厚1μm）からなる二段目光電変換層、そしてZnO及びAgからなる裏面電極により構成される。
一段目と二段目の光電変換層の界面には、光散乱体として粒径0.3±0.1μmのシリカ微粒子（アモルファス構造SiO2）が配置されている。微粒子の屈折率は、1.4±0.1である。光吸収層の屈折率は、3.6±0.2である。微粒子の配列は不規則で、微粒子間の間隔は0.3μmから2.0μmの範囲である。
【００１６】
図５に、図１に示す平滑基板上スーパーストレート型のタンデム型薄膜シリコン系太陽電池の電流−電圧特性を示す。点線は、比較の為、微粒子を分散させない場合の太陽電池の電流−電圧特性を示す。比較対象に対し、本発明に係る太陽電池では、発電効率で１２％、短絡電流で１８％の向上が確認された。
図６に、その分光感度特性を示す。点線は、比較の為、微粒子を分散させない場合の太陽電池の分光感度特性を示す。本発明の太陽電池では、波長７００nm以上の近赤外域の光電変換特性において２８％の向上が確認された。
【００１７】
［実施例２（テクスチャー基板上スーパーストレート型）］
図３に示すテクスチャー基板上スーパーストレート型のタンデム型薄膜シリコン系太陽電池サンプルの構造を作製した。テクスチャーSnO2透明電極付ガラス基板、アモルファスシリコンp-i-n層（膜厚350nm）からなる一段目光電変換層、光散乱体分散層、微結晶シリコンp-i-n層（膜厚1μm）からなる二段目光電変換層、そしてZnO及びAgからなる裏面電極により構成される。
一段目と二段目の光電変換層の界面には、光散乱体として粒径0.3±0.1μmのシリカ微粒子（アモルファス構造SiO2）が配置されている。微粒子の屈折率は、1.4±0.1である。光吸収層の屈折率は、3.6±0.2である。微粒子の配列は不規則で、微粒子間の間隔は0.3μmから2.0μmの範囲である。
【００１８】
図７に、図３に示すテクスチャー基板上スーパーストレート型のタンデム型薄膜シリコン系太陽電池の電流−電圧特性を示す。点線は、比較の為、微粒子を分散させない場合の太陽電池の電流−電圧特性を示す。比較対象に対し、本発明の太陽電池では、発電効率で９％、短絡電流で１１％の向上が確認された。
図８に、その分光感度特性を示す。点線は、比較の為、微粒子を分散させない場合の太陽電池の分光感度特性を示す。本発明に係るタンデム型薄膜シリコン系太陽電池では、波長７００nm以上の近赤外域の光電変換特性において１６％の向上が確認された。
【００１９】
［実施例３（フラット基板上サブストレート型）］
図２に示す平滑基板上サブストレート型のタンデム型薄膜シリコン系太陽電池サンプルの構造を作製した。Ag櫛形電極、ITO透明電極、アモルファスシリコンp-i-n層（膜厚350nm）からなる一段目光電変換層、光散乱体分散層、微結晶シリコンp-i-n層（膜厚1um）からなる二段目光電変換層、そしてZnO及びAgからなる裏面電極、平滑基板により構成される。
一段目と二段目の光電変換層の界面には、光散乱体として粒径0.3±0.1μmのシリカ微粒子（アモルファス構造SiO2）が配置されている。微粒子の屈折率は、1.4±0.1である。光吸収層の屈折率は、3.6±0.2である。微粒子の配列は不規則で、微粒子間の間隔は0.3μmから2.0μmの範囲である。
【００２０】
図９に、平滑基板上サブストレート型のタンデム型薄膜シリコン系太陽電池の電流−電圧特性を示す。点線は、比較の為、微粒子を分散させない場合の薄膜シリコン系太陽電池の電流−電圧特性を示す。比較対象に対し、本発明に係る太陽電池では、発電効率で５％、短絡電流で２４％の向上が確認された。
図１０に、その分光感度特性を示す。点線は、比較の為、平滑基板上の微粒子を分散させない場合の太陽電池の分光感度特性を示す。本発明に係るタンデム型薄膜シリコン系太陽電池では、波長７００nm以上の近赤外域の光電変換特性において、６６％の向上が確認された。
【００２１】
［実施例４（テクスチャー基板上サブストレート型）］
図４に示すテクスチャー基板上サブストレート型のタンデム型薄膜シリコン系太陽電池サンプルの構造を作製した。Ag櫛形電極、ITO透明電極、アモルファスシリコンp-i-n層（膜厚350nm）からなる一段目光電変換層、光散乱体分散層、微結晶シリコンp-i-n層（膜厚1.6um）からなる二段目光電変換層、そしてZnO及びAgからなる裏面電極、テクスチャー基板により構成される。
一段目と二段目の光電変換層の界面には、光散乱体として粒径0.3±0.1μmのシリカ微粒子（アモルファス構造SiO2）が配置されている。微粒子の屈折率は、1.4±0.1である。光吸収層の屈折率は、3.6±0.2である。微粒子の配列は不規則で、微粒子間の間隔は0.3μmから2.0μmの範囲である。
【００２２】
図１１に、テクスチャー基板上サブストレート型のタンデム型薄膜シリコン系太陽電池の電流−電圧特性を示す。点線は、比較の為、微粒子を分散させない場合の薄膜シリコン系太陽電池の電流−電圧特性を示す。比較対象に対し、本発明に係るタンデム型薄膜シリコン系太陽電池では、発電効率で同程度、短絡電流で４％の向上が確認された。
図１２に、その分光感度特性を示す。点線は、比較の為、微粒子を分散させない場合の太陽電池の分光感度特性を示す。本発明に係るタンデム型薄膜シリコン系太陽電池では、波長７００nm以上の近赤外域の光電変換特性において１５％の向上が確認された。
【００２３】
実施例では、光電変換層を２つ積層した二層タンデム型薄膜シリコン系太陽電池を例示したが、光電変換層を３つ以上積層したタンデム型薄膜シリコン系太陽電池にも適用できる。
また、光電変換層の界面にZnO、SnO2等の透明導電膜を有するタンデム型薄膜シリコン系太陽電池にも適用できる。
さらに実施例では、タンデム型のアモルファスシリコン及び微結晶薄膜シリコン系太陽電池を例示したが、本発明はこれに限定されずタンデム型の有機及び化合物系太陽電池にも適用できる。
【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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【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１５】
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【図１６】
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