(57)【要約】【課題】光電変換層と裏面電極との間の電気抵抗を低く保つとともに、光電変換層を通過した光を裏面側で反射する際に、裏面電極による吸収損失を低減しつつ光電変換層へと反射し、光電変換効率の高い太陽電池を得ること。【解決手段】半導体材料からなる光電変換層３の受光面と反対側に裏面金属電極層５を有する太陽電池において、光電変換層３と裏面金属電極層５との間に、透光性の導電性材料からなる透光性導電層４１と、半導体材料もしくは透光性の導電材料からなり透光性導電層４１よりも屈折率の高い高屈折率導電層４２が交互に３層以上積層することで、光電変換層３を透過した光のうち、裏面金属電極層５へと到達する前に光電変換層３へと反射する光を増加させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光面側に配される第１の電極と、受光面の反対側に配される第２の電極とによって半導体層からなる光電変換層を挟んだ太陽電池であって、
前記第２の電極と、前記光電変換層との間に、
透光性導電性材料からなる透光性導電層と、半導体材料もしくは透光性の導電材料からなり、前記透光性導電層よりも屈折率の高い高屈折率導電層とが交互に３層以上積層された多層膜を有する太陽電池。
【請求項２】
前記多層膜は、近赤外領域の光を選択的に反射する請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記多層膜は、近赤外領域の光を選択的に反射するように、前記透光性導電層と前記高屈折率導電層との膜厚と層数とが調整された請求項２に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記透光性導電層と前記高屈折率導電層の全ての層の光学膜厚が近赤外領域の指定波長の１／４であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の太陽電池。
【請求項５】
前記第２の電極が金属材料からなる金属電極を含む請求項１から４のいずれか１項に記載の太陽電池。
【請求項６】
前記第２の電極が透光性の導電性材料からなる透光性電極である請求項１から４のいずれか１項に記載の太陽電池。
【請求項７】
前記第２の電極の前記受光面と反対側に散乱反射層を有する請求項６に記載の太陽電池。
【請求項８】
透光性絶縁基板上に、透光性導電材料からなる第１の電極と、半導体層からなる光電変換層と、第２の電極とが順次積層されてなる複数の太陽電池が配設されるとともに、隣接する前記太陽電池同士が電気的に直列接続された太陽電池モジュールであって、
前記光電変換層と、前記第２の電極との間に、透光性導電性材料からなる透光性導電層と、半導体材料もしくは透光性の導電材料からなり、前記透光性導電層よりも屈折率の高い高屈折率導電層とが交互に３層以上積層された多層膜を有する太陽電池モジュール。
【請求項９】
前記第２の電極が透光性の導電性材料からなる透光性電極である請求項８に記載の太陽電池モジュール。
【請求項１０】
前記第２の電極の受光面と反対側に散乱反射層を有する請求項９に記載の太陽電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池および太陽電池モジュールに係り、特に太陽電池素子の受光面とは反対側の面に透光性導電層を有する太陽電池および太陽電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題に対する意識の高まりから、太陽光を直接電気エネルギーに変換することのできる太陽電池はクリーンエネルギーとして急速に普及している。一般的に、太陽電池セルは、半導体層からなる光電変換層の両側に電極を配置し、半導体層で発生したキャリアを外部に取り出す。光電変換層の光吸収係数が低い場合には光入射側と反対側で、光電変換層で吸収しきれずに通過した光を反射し、再度光電変換層へと導き入射光の利用効率を高めている。特に薄膜系の太陽電池ではキャリアの取り出しと裏面反射を兼ねて、裏面側に導電性と反射率に優れた金属層による裏面電極が用いられる。また、金属面による反射では一部の光が金属に浸透し吸収されるため、金属の光電変換層への拡散を防ぐとともに光電変換層を透過した光の一部を反射するために、光電変換層と金属層との間に透明導電層を挿入することも一般に行われている。
【０００３】
一方で、薄膜太陽電池では、光散乱を意図したテクスチャー構造を形成することにより粗面化された界面により裏面電極の金属層での光吸収が増加することが知られている。ところが、テクスチャー構造を用いない薄膜太陽電池は光散乱が弱く、短絡電流が低下する。したがって、透明導電層と金属層で構成された裏面電極での光反射の更なる増強は困難であって、光電変換効率を高めることが困難であった。
【０００４】
特許文献１には、薄膜シリコン（Ｓｉ）太陽電池の効率を向上させる構造として、裏面電極と、裏面電極の受光面側に設けられた透明導電層との間に、透明導電層よりも屈折率が小さい材質からなる屈折率調整層を挿入する構造が開示されている。例えば透明導電層がＧＺＯ（ガリウム添加酸化亜鉛）であるとき、Ａｇ（銀）よりなる裏面電極との間にＳｉＯ2（酸化シリコン膜）を挿入する。その結果、裏面電極に浸透し吸収される光が減少し、裏面電極における光の反射率が改善される。
【０００５】
特許文献２には、裏面側の透明導電層と裏面金属電極層との間に半導体材料からなり透明導電層よりも屈折率の高い導電層を挿入する太陽電池が示されている。これにより、光電変換層と裏面電極との間の電気抵抗を低く保つとともに、光電変換層を通過する長波長域の光の裏面反射率を向上し、光電変換効率を高めている。
【０００６】
また、特許文献３には裏面電極を透明導電層のみで形成して、その上に透光性絶縁膜を形成し、さらにその上に裏面反射膜を積層した太陽電池が開示されている。この構造により、金属反射膜を平面で利用できるため、金属粗面界面による吸収増加を抑制することができ、モジュール作製時のセル分離工程における金属電極の加工不良による絶縁不良を減らすことができる。また、裏面反射膜に金属を使用せずに白色バックシート等の高反射絶縁材料を用いることで、太陽電池モジュールの原料コストを低減することもできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１２０７３７号公報
【特許文献２】国際公開第２０１２／００１８５７号
【特許文献３】特開平０８−０５１２２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１、特許文献２はいずれも光電変換層の裏面側の透明導電層と裏面電極との間に透明導電層と屈折率の異なる膜を挿入した構造である。しかしながら、このような構造では半導体層と透明導電層および透明導電層と低（高）屈折率層界面における反射が小さいため、裏面反射率は向上してもほとんどの入射光が裏面電極で反射される。このため、裏面電極による吸収低減効果は十分ではなかった。また、透明導電膜と裏面電極との間に電気導電性の劣る低屈折率膜が挿入される構造では、光電変換層と裏面電極との間の電気抵抗が高くなりやすいという問題もあった。
【０００９】
特許文献３では、金属電極を用いないため、金属電極による吸収は低減されるが、透明導電層のみで裏面電極を形成する構造であるため電気抵抗を下げるために透明導電層を十分に厚く形成する必要があり、半導体層を通過した光が透明電極層を通過する際の吸収が大きくなり、金属電極を使用したものと同等以上の裏面反射効果を得るのは困難であった。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光電変換層と裏面電極との間の電気抵抗を低く保つとともに、光電変換層を通過した光を裏面電極による吸収損失を低減しつつ光電変換層へと反射し、光電変換効率の高い太陽電池および太陽電池モジュールを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明は、受光面側に配される第１の電極と、受光面の反対側に配される第２の電極とによって半導体層からなる光電変換層を挟んだ太陽電池であって、第２の電極と、光電変換層との間に、透光性導電性材料からなる透光性導電層と、半導体材料もしくは透光性の導電材料からなり、透光性導電層よりも屈折率の高い高屈折率導電層とが交互に３層以上積層された多層膜を有する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、透光性導電層と高屈折率導電層との屈折率の異なる材料からなる多層膜で裏面反射層を形成することになるため、膜厚を調整し光学干渉効果を利用することで入射光が光電変換層を透過しやすい近赤外領域において選択的に高い反射率を得ることができる。このため、光電変換層を透過した光が、裏面電極である第２の電極へと到達する前に光電変換層へと反射する光を増加させ、第２の電極による吸収を低減しつつ裏面反射率を高めることができる。また、透光性導電層と高屈折率導電層が導電性を有しているため、光電変換層と裏面電極との抵抗を低く保つことができる。これにより、光電変換効率の高い太陽電池を実現することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、実施の形態１に係る太陽電池セルの断面図である。
【図２】図２は、実施の形態１に係る太陽電池モジュールの斜視図である。
【図３】図３は、実施の形態１に係る太陽電池モジュールにおけるセル分離溝付近の拡大図である。
【図４】図４は、実施の形態１に係る太陽電池の製造工程を示すフローチャートである。
【図５】図５は、実施の形態１に係る太陽電池セルの裏面反射率の一例を示した計算結果である。
【図６】図６は、実施の形態２に係る太陽電池セルの断面図である。
【図７】図７は、実施の形態２に係る太陽電池セルの裏面反射率の波長依存性を示した特性図である。
【図８】図８は、実施の形態３に係る太陽電池セルの断面図である。
【図９】図９は、実施の形態３に係る太陽電池モジュールの断面図である。
【図１０】図１０は、実施例１，２および比較例１，２の太陽電池の特性を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明にかかる太陽電池および太陽電池モジュールの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、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、そ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層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率あるいは各部材の縮尺が現実と異なる場合があり、各図面間においても同様である。また、平面図であっても、図面を見易くするためにハッチングを付す場合がある。かかる太陽電池セルが光電変換素子の最小単位であり、該セルが１個または複数個集まって光電変換素子が構成される。本発明の光電変換素子は、光電変換セル１個であってもよいし、該セルを複数個電気的に直列または並列に結線してなるモジュールであってもよい。
【００１５】
実施の形態１．
実施の形態１による太陽電池について、図１を基に説明する。本実施の形態による薄膜太陽電池は、太陽光Ｌが入射する受光面１０Ａ側から透光性基板１、第１の電極としての受光面電極層２、光電変換層３、透光性導電層４１ａ，４１ｂ，４１ｃと高屈折率導電層４２ａ，４２ｂが交互に積層された多層膜からなる裏面反射層４、第２の電極としての裏面金属電極層５がこの順に積層された構成となっている。つまり裏面１０Ｂ側には裏面金属電極層５が形成されている。
【００１６】
次に、本実施の形態１の太陽電池を構成する各部材について説明する。透光性基板１は透明度が高い絶縁性の材料からなり、その上に各薄膜を堆積することが可能であれば特に制限はなく、対候性および機械的強度の点で、ガラスやポリカーボネート等の樹脂などからなる基板が好適に用いられる。
【００１７】
受光面電極層２は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化錫（ＳｎＯ２）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）のうちの少なくとも１種を含む透光性導電性酸化物（ＴＣＯ：Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｏｘｉｄｅ）によって構成される。さらにこれらの材料に導電性のドーピング材料を添加してもよい。例えば、ＺｎＯにはアルミニウム（Ａｌ）やガリウム（Ｇａ）、ホウ素（Ｂ）など、ＳｎＯ２にはフッ素（Ｆ）など、Ｉｎ２Ｏ３には亜鉛（Ｚｎ）や錫（Ｓｎ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、シリコン（Ｓｉ）、セリウム（Ｃｅ）などが挙げられる。また、受光面電極層２は、表面に凹凸が形成された表面テクスチャー構造を有してもよい。この表面テクスチャー構造は、入射した太陽光を散乱させ、光電変換層３での光利用効率を高める機能を有する。このような受光面電極層２は、スパッタリング法、電子ビーム堆積法、原子層堆積法、常圧化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、低圧ＣＶＤ法、有機金属化学気相蒸着法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ゾルゲル法、印刷法、スプレー法等の種々の方法により作製することができる。
【００１８】
光電変換層３は、ｐｎ接合またはｐｉｎ接合を有し、入射する光により発電を行う薄膜半導体層が１層以上積層されて構成される。光電変換層３がＳｉ系薄膜からなる場合には、光電変換層３として非晶質Ｓｉ薄膜や微結晶Ｓｉ薄膜等が用いられる。非晶質Ｓｉ薄膜は、通常水素で未結合手が終端された水素化非晶質Ｓｉと呼ばれ、微結晶Ｓｉは部分的に非晶質Ｓｉを含んだ微細な結晶質Ｓｉを含んだ薄膜である。そのほか、ＣＩＳ（銅インジウムセレン：Ｃｕ−Ｉｎ−Ｓｅ）やＣＩＧＳ（銅インジウムガリウムセレン：Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ）、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）、ＣｄＴｅ（カドミウムテルル）等の化合物系材料、有機系材料などが用いられる。複数の薄膜半導体層を積層して光電変換層３を構成する場合には、バンドギャップの異なる複数の薄膜半導体層を積層することで、より幅広い光スペクトルを高効率に光電変換可能な構成とすることができる。なお、複数の薄膜半導体層が積層されて光電変換層３が構成される場合には、異なる薄膜半導体層間にＳｎＯ2、ＺｎＯ、ＩＴＯ、ＳｉＯ2、酸化チタン（ＴｉＯ2）などのＴＣＯなどの中間層を挿入して、異なる薄膜半導体層間の電気的、光学的接続を改善してもよい。
【００１９】
透光性導電層４１ａ，４１ｂ，４１ｃは、ＺｎＯ，ＳｎＯ2、Ｉｎ2Ｏ3のうちの少なくとも１種を含むＴＣＯによって構成される。また、これらの材料にＡｌ、Ｇａ、Ｂ等から選択した少なくとも１種類以上のドーピング材料を添加してもよい。また、導電性を損なわない範囲で酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等の低屈折材料との混晶材料を用いてもよい。透光性導電層４１ａ，４１ｂ，４１ｃは、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、原子層堆積法、ＣＶＤ法、低圧ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ゾルゲル法、印刷法、塗布法等により形成される。
【００２０】
高屈折率導電層４２ａ，４２ｂは、透光性導電層４１ａ，４１ｂ，４１ｃと交互に複数積層され裏面反射層４を形成する層であり、光学干渉効果を利用して近赤外領域の光を選択的に反射し、光電変換層３へと反射するとともに、透光性導電層４１ａ，４１ｂ，４１ｃ間を電気的に接続する。高屈折率導電層４２ａ，４２ｂは屈折率が透光性導電層４１ａ，４１ｂ，４１ｃよりも高く、導電性と近赤外領域における透光性を有する膜であればよく、ＴｉＯ2、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ）等のＴＣＯや、Ｓｉ等の半導体薄膜から構成することができる。また、これらのＴＣＯにニオブ（Ｎｂ）、鉄（Ｆｅ）等から選択した少なくとも１種類以上のドーピング材料を添加してもよい。また、Ｓｉ系半導体薄膜には、ｐ，ｉ，またはｎ型のＳｉ半導体または炭素、ゲルマニウム、酸素またはその他の元素の少なくとも１つが添加されたＳｉを主成分とするＳｉ系半導体薄膜が用いられる。このＳｉ系半導体薄膜は、非晶質や微結晶といった特定の結晶性に限定されるものではない。
【００２１】
裏面反射層４は各層の膜厚が反射したい指定波長λの１／４の光路長を有するように形成されることが好ましい。異なる屈折率の膜の境界では反射が生じ、各層の光学膜厚（屈折率×膜厚）がλ／４となっているとき、各層で反射された光の位相が揃って強めあい、反対に透過方向へ進む光は打ち消しあうため、波長λ周辺において高い反射率が得られる。例えば、光電変換層３に微結晶Ｓｉを用いたとき、吸収係数は８００ｎｍ以上で低下するため、入射光が光電変換層３を透過するようになり、一方で、１２００ｎｍ以上の光は光電変換に寄与しない。このため、指定波長λは８００ｎｍ〜１２００ｎｍの間で設定される。指定波長λを透光性導電層４１ａ，４１ｂ，４１ｃと高屈折率導電層４２ａ，４２ｂで若干変えるか、多層膜の層ごとにλをわずかにずらしていくことで反射域を広げてもよい。
【００２２】
また、透光性導電層４１ａ，４１ｂ，４１ｃの９５０ｎｍにおける屈折率はいずれの材料でも１．７〜２．０程度である。仮に透光性導電層より低屈折率の材料で多層膜を形成するとしたとき、境界で反射効果を得るために少なくとも屈折率１．４以下の材料が必要であるが、このような材料は導電性の著しく低いものが多く、かつ低屈折率材料では光学膜厚をλ／４とするために膜厚を比較的厚く形成する必要があり、光電変換層と裏面電極間の電気的な接続が悪化し、太陽電池セルの直列抵抗が増加する恐れがある。一方で、高屈折率の材料は透光性の導電性材料では屈折率２．５程度を有するＴｉＯ２やＺｒＯ等や、Ｓｉ系半導体薄膜では屈折率３〜４．５の膜を容易に形成することができる。これらの膜は導電性を有しており、かつ屈折率が高いほど光路長λを得るために必要な膜厚は薄くなるため、接続抵抗を低く保つことができる。
【００２３】
裏面金属電極層５は反射性および導電性を有する、Ａｇ、Ａｌ、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、ロジウム（Ｒｈ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｒ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）等から選択した少なくとも１種類以上の元素または合金からなる層により構成される。反射率を高めるには、Ａｇを主成分とする金属からなることが最も好ましい。なお、これらの裏面金属電極層５の高反射率および導電性材料としての具体的材料は特に限定されるものではなく、周知の材料から適宜選択して用いてもよい。
【００２４】
図２は、実施の形態１の太陽電池モジュールの全体構成の典型的な構造を示す斜視図である。図３は図２の太陽電池モジュール１００における太陽電池セル１０の分離溝付近の拡大図である。図２に示した太陽電池モジュール１００は複数の太陽電池セル１０に分割され、それらの太陽電池セル１０が絶縁性の透光性基板１の上で直列接続された構造である。図２に示すようにこの太陽電池セル１０は概ね短冊のような細長い矩形状である。その短辺方向に多数の太陽電池セル１０（光電変換素子）が配列される。図２では絶縁性の透光性基板１の辺に沿った方向に配列されている場合を示している。受光面電極層２は第１溝７１を形成することで分割されて隣接する太陽電池セル１０間で分離される。第１溝７１は受光面電極層２の表面から透光性基板１に達する溝である。このように分離された受光面電極層２の上に光電変換層３が積層される。光電変換層３には、第１溝７１と少し離れた位置に光電変換層３の上面から受光面電極層２に達する第２溝７２が形成されている。光電変換層３の上には、第２の電極としての裏面金属電極層５が形成され、裏面金属電極層５は第２溝７２の内部で受光面電極層２に接する。これにより、隣接する一方の太陽電池セル１０の裏面金属電極層５は他方の受光面電極層２に直列接続される。また、第２溝７２に対して第１溝７１と反対側には、裏面金属電極層５を隣接する太陽電池セル１０間で分離する第３溝７３が形成される。光電変換層３と裏面金属電極層５との間には裏面反射層４が形成される。
【００２５】
太陽電池モジュール１００のサイズは種々のものが可能であるが、屋外に設置する太陽電池では１辺が１〜２ｍなどの大型の透光性基板１が一般に使用される。太陽電池セル１０は、たとえば短辺が５〜１０ｍｍの細長い矩形である。大型の基板上に５〜１０ｍｍ程度の短冊状の多数のセルが５〜１０ｍｍ間隔で第３溝７３を挟んで平行に並ぶ構造などとする。図示はしていないが、太陽電池セル１０の上には、裏面金属電極層５を覆うように、保護層として裏面側カバー層が接着され、薄膜太陽電池モジュールを形成する。裏面側カバー層としては、水分を透過しないようにアルミ箔を挟持した対候性を有するフッ素系樹脂シートや、アルミナまたはシリカを蒸着したポリエチレンテレフタレートシートなどが好適に用いられる。
【００２６】
次に、本実施の形態の太陽電池の製造方法について説明する。図４は実施の形態１に係る太陽電池の製造工程を示すフローチャートである。本実施の形態では、まず、ガラス基板からなる透光性基板１表面に、受光面電極層２（第１の電極）としての透光性導電膜、少なくとも１組のｐｉｎ構造を有する光電変換層３、裏面反射層４および第２の電極としての裏面金属電極層５を順に積層する。裏面反射層４は、透光性導電層４１ａ、高屈折率導電層４２ａ、透光性導電層４１ｂ、高屈折率導電層４２ｂ、透光性導電層４１ｃの５層構造で形成される。
【００２７】
まず、透光性基板１としてガラス基板を用意する。そしてこの透光性基板１上に、透光性導電膜から成る第１の電極としての受光面電極層２を形成する(ステップＳ１)。
【００２８】
ここで受光面電極層２としての透光性導電膜を形成する工程では、スパッタリングにより透光性基板１表面全体にＺｎＯ：Ａｌ（０．５ｗｔ％）からなる透光性導電膜を形成する。レーザ描画により第１溝７１を形成し、透光性導電膜をパターン分離することで複数の受光面電極層２が平行に配列された配列構造を形成する(ステップＳ２)。
【００２９】
この後、ＣＶＤ法により、１組のｐｉｎ構造を有する光電変換層３を積層する(ステップＳ３)。
【００３０】
そして裏面反射層４を形成する（ステップＳ４）。ここで裏面反射層４を形成する工程は、透光性導電層４１ａを形成し、次いで、高屈折率導電層４２ａ、透光性導電層４１ｂ、高屈折率導電層４２ｂ、透光性導電層４１ｃと、順次積層する(ステップＳ４１〜Ｓ４５)。ここで、透光性導電層４１ａ，透光性導電層４１ｂ，透光性導電層４１ｃはスパッタリングにより形成されたＺｎＯ：Ａｌ（０．５ｗｔ％）であり、高屈折率導電層４２ａ、高屈折率導電層４２ｂはＣＶＤ法により形成されたｎ型非晶質シリコン層である。
【００３１】
そしてレーザ描画により第２溝７２を形成し、裏面反射層４および光電変換層３をパターン分離する(ステップＳ５)。
【００３２】
そして第２の電極としての裏面金属電極層５をスパッタリングにより積層する(ステップＳ６)。
【００３３】
最後に、レーザ描画により第３溝７３を形成し、裏面金属電極層５をパターン分離する(ステップＳ７)。
【００３４】
本実施の形態では、各透光性導電層の光学膜厚を等しくすることで各透光性導電層界面における反射光の位相を揃えることで所望の波長で高い反射特性を得ることができる。
【００３５】
図５は、本実施の形態の太陽電池の裏面反射率の波長依存性を示した特性図である。この図は、裏面反射層３を構成する透光性導電層４１ａ，４１ｂ，４１ｃはＺｎＯを主成分とする層、高屈折率導電層４２ａ，４２ｂをｎ型非晶質Ｓｉとして、光電変換層３側から裏面金属電極層５側に向けて光を入射させたときに、裏面反射層４と裏面金属電極層５とで光電変換層３側に反射される反射率を計算した結果である。図の縦軸は反射率で、全反射の場合を１００％とし、横軸は波長（ｎｍ）である。計算において、裏面金属電極層５はＡｇ、光電変換層３は微結晶シリコンとした。また、裏面反射層４を構成する透光性導電層４１ａ，４１ｂ，４１ｃと高屈折率導電層４２ａ，４２ｂの膜厚は指定波長λが９５０ｎｍとなるように設定した。裏面反射層４は光電変換層３側からＺｎＯ／Ｓｉ／ＺｎＯ…の順に積層され、層数の合計を１，３，５層（曲線ａ，ｂ，ｃ）としたときの反射特性を示している。層数が１のときは、つまり光電変換層３と裏面金属電極層５の間にＺｎＯのみが挿入されているときであり、これを比較例として太陽電池の反射特性を示している。裏面反射層４の層数を３層に増やすことで比較例の太陽電池より６５０〜１３００ｎｍの反射率が増加する。さらに増加させると反射特性は矩形に近づいてより選択反射性が高まり、７００〜１３００ｎｍでさらに高い反射率を示す。光電変換層３を透過しやすい８００〜１２００ｎｍの波長域の反射率を高めることで、光電変換効率を高めることができる。また、前述のように実際の太陽電池ではテクスチャー構造が形成されるため、裏面金属電極層５による反射時の吸収が増加する。このため、裏面金属電極層５へ到達する光量の多い比較例の太陽電池における裏面反射率は計算よりも低くなり、裏面反射層４の層数を増やすと裏面金属電極層５へ到達する光量が少なくなるため、計算値との差分は小さくなると予想される。
【００３６】
本実施の形態の太陽電池では透光性導電層と導電性のある高屈折率層からなる多層膜で構成していることが特徴である。従来の一般的な光学多層膜による反射は誘電体を用いるのが一般的であり導電性を有していない。また、透光性導電層との屈折率差による反射を増大させた特許文献１，３などにおいても低屈折率層に用いられるのは導電性の低い膜であり、積層するとセルの電気特性が悪化すると予想される。これに対し、本実施の形態の太陽電池では、高屈折率層とすることである程度導電性がある半導体、透光性導電材料を用いることができ、屈折率が高いほど多層膜において光学干渉効果を利用するために必要な膜厚が薄くなるため積層しても電気特性を損なわない構造を得ることができる。
【００３７】
以上により、本実施の形態によれば、光電変換層の裏面側に透光性導電層と高屈折率導電層の多層膜を形成することで、裏面電極に到達する前の反射を増加させることができる。また、透光性導電層と高屈折率導電層がともに導電性を有しているため、半導体層と裏面電極との接続抵抗を低く維持できる。したがって、光電変換層と裏面電極層との接続抵抗を低く保ちつつ、入射光が光電変換層を透過する近赤外線領域の裏面反射率を高めることができるため、光電変換効率の高い太陽電池を提供できる。
【００３８】
また、近赤外領域の光を選択的に反射するように、透光性導電層と高屈折率導電層との膜厚と層数とを調整することで、光学干渉効果により、光電変換層を透過しやすい近赤外領域の光の反射率を高め光電変換効率を向上することができる。
【００３９】
また、透光性導電層と高屈折率導電層の全ての層の光学膜厚が近赤外領域の指定波長の１／４とすることで、光学干渉効果をより効果的に得られ、効率良く裏面反射率を高めることができる。
【００４０】
さらにまた、実施の形態１によれば、高い導電性と反射率を有する裏面電極として金属材料からなる金属電極を備えることで近赤外領域の裏面反射率を向上できる。
【００４１】
実施の形態２．
実施の形態２による太陽電池は、図６に示すように第２の電極である裏面電極に裏面透光性電極層６を用いた点で実施の形態１と異なる。この裏面透光性電極層６は、ＺｎＯ、ＳｎＯ2、Ｉｎ2Ｏ3のうちの少なくとも１種を含むＴＣＯによって構成される。また、これらの透光性導電酸化膜にＡｌ、Ｇａ、Ｂ等から選択した少なくとも１種類以上の元素を添加した膜などの透光性膜によって構成されてもよい。裏面透光性電極層６は、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、原子層堆積法、ＣＶＤ法、低圧ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ゾルゲル法、印刷法、塗布法等により形成される。
【００４２】
本実施の形態では、裏面反射層４の最も光電変換層３に近い側を透光性導電層４１ａ，４１ｂ，４１ｃ、遠い側を高屈折率導電層４２ａ，４２ｂ，４２ｃとして、その他の工程は実施の形態１と同様に形成する。
【００４３】
図７は、本実施の形態の光電変換装置の裏面反射率の波長依存性を示した特性図である。この図は、高屈折率導電層４２ａ，４２ｂ，４２ｃをｎ型非晶質Ｓｉとして、光電変換層３側から裏面透光性電極層６側に向けて光を入射させたときに、裏面反射層４と裏面透光性電極層６界面までとで光電変換層３側に反射される反射率を計算した結果である。図の縦軸は反射率で、全反射の場合を１００％として、横軸は波長（ｎｍ）である。計算において、裏面透光性電極層６はＺｎＯ、光電変換層３は微結晶シリコンとした。また、透光性導電層４１ａ，４１ｂ，４１ｃと高屈折率導電層４２ａ，４２ｂ，４２ｃの膜厚は指定波長λが９５０ｎｍとなるように設定し、裏面反射層４の層数を６層とした。７５０〜１２５０ｎｍで９０％以上、８００〜１１５０ｎｍで９５％以上の高い反射率を示す。この反射率は裏面透光性電極層６と裏面反射層４の界面までの反射であるため、裏面透光性電極層６を通過することによる吸収はない。また、裏面反射層４に用いられる透光性導電層４１ａ，４１ｂ，４１ｃは裏面透光性電極層６と比較し膜厚が薄く、単膜での導電性が高くなくてもよいため低吸収の膜を使用することができる。これにより、透光性導電層のみで裏面電極を吸収する際に課題となっていた吸収を抑制でき、入射光の利用効率を高めることができる。
【００４４】
また、本実施の形態の裏面反射層４は近赤外領域以外の４００〜７００ｎｍの可視光領域、１５００ｎｍ以上の赤外領域では反射率が低く入射光を透過する。１２００ｎｍ以上の光は光電変換に寄与しないだけでなく、光電変換層３や裏面透光性電極層６で吸収されると熱エネルギーに変換され太陽電池の温度上昇につながり、太陽電池の発電効率の低下を招く。本実施の形態の太陽電池では、１５００ｎｍ以上の赤外光を太陽電池の裏面側へと透過するため、このような赤外光による太陽電池の温度上昇を抑制することができる。これにより、屋外で長時間使用した際にも安定して高い発電量を得ることができる。
【００４５】
以上により、本実施の形態では裏面電極を、金属電極から、透光性の導電材料からなる透光性導電層としても近赤外領域において高い裏面反射率を得られるため高い光電変換効率を維持することができる。金属電極を用いないため、金属電極加工時の加工不良の抑制や原料コストの低減した太陽電池を実現できる。また、裏面反射層および裏面電極が赤外線を透過するため赤外線による温度上昇を抑制し、屋外でも安定して高い発電量を得ることができる。
【００４６】
実施の形態３．
上述の実施の形態２において、裏面透光性電極層６の受光面１０Ａと反対側に散乱反射層９を設けてもよい。図８は、本実施の形態による典型的な太陽電池セルを示す断面図である。図９は、この太陽電池セルを用いた太陽電池モジュールを示す断面図である。裏面透光性電極層６の上に透湿性の樹脂シート等からなる透光性絶縁層８を形成し、さらにその上に白色バックシートや白色塗料からなる散乱反射層９を積層する。散乱反射層９は、第２の電極である裏面透光性電極層６の上面および側面を覆うように形成される。第２の電極が、透光性導電膜で構成され、また、本実施の形態による太陽電池モジュールでは、散乱反射層９は、透光性絶縁層８を介して、第２の電極間を覆い、第２の電極を一体的に覆うように形成されている。他は前記実施の形態２の太陽電池と同様であり、ここでは説明を省略するが同一部位には同一符号を付した。
【００４７】
これにより、裏面反射層４で反射されなかった光を反射するとともに、第２および第３溝７２および７３としての分離溝に入射した光を散乱反射層９で反射し、光電変換層３へと入射させることができる。このとき、裏面反射層４は光電変換層３における吸収係数の高い可視光領域では透過率が高くなるため、反射光を効率良く光電変換層３に導くことができ、光利用効率の高い太陽電池セルおよび太陽電池モジュールを提供できる。
【００４８】
実施の形態２の太陽電池における反射率を図７に示したが、９００〜１１００ｎｍ付近の反射率のピーク領域では非常に高い反射率が得られるが、それ以外の波長域では、銀電極等と比較すると反射率が低下しており、変換効率は低下することが予想される。また、この計算値は理想的に平面上に積層し光が垂直入射した場合の反射率であり、実際にはテクスチャー構造や入射光の角度変化により反射率は計算値より低くなることも考えられる。したがって実施の形態３の太陽電池のようにさらに裏面１０Ｂ側に反射層（ここでは散乱反射層９）があった方がより高い効率を得ることができる。
【実施例】
【００４９】
以下に、実施例により実施の形態１から３の太陽電池の効果を詳細に説明する。
実施例１．
透光性基板１としてのガラス基板上に、受光面電極層２としてＺｎＯ：Ａｌ（０．５ｗｔ％）を形成した。受光面電極層２上に、第１の光電変換層として非晶質Ｓｉ系薄膜からなるｐｉｎ層を、第２の光電変換層として微結晶Ｓｉ系薄膜からなるｐｉｎ層を順次積層し、光電変換層３を形成した。ｉ層の膜厚はそれぞれ３００ｎｍ、２０００ｎｍとした。光電変換層３上に、透光性導電層４１ａ、４１ｂとしてＺｎＯと、高屈折率導電層４２ａとしてｎ型非晶質Ｓｉを用いて膜厚がそれぞれ１２５ｎｍ／６０ｎｍ／１２５ｎｍとなるように交互に３層積層し、裏面反射層４を形成した。裏面反射層４上に裏面金属電極層５としてＡｇを３００ｎｍ形成し、太陽電池セルを作製した。
【００５０】
実施例２．
光電変換層３上に、透光性導電層４１ａ、４１ｂ、４１ｃとしてＺｎＯと、高屈折率導電層４２ａ、４２ｂ、４２ｃとしてｎ型非晶質Ｓｉを用いて膜厚がそれぞれ１２５ｎｍ／６０ｎｍ／１２５ｎｍ／６０ｎｍ／１２５ｎｍ／６０ｎｍとなるように交互に６層積層し、裏面反射層４を形成した。裏面反射層４上に裏面透光性電極層６としてＺｎＯ：Ａｌ（０．５ｗｔ％）を１０００ｎｍ形成し、さらに裏面透光性電極層６上に散乱反射層９として酸化チタンをエポキシ系のバインダ樹脂に混合させたものを形成し、それ以外は実施例１と同様にして太陽電池セルを作製した。
【００５１】
比較例１．
光電変換層３と裏面金属電極層５の間に、膜厚９０ｎｍのＺｎＯからなる透光性導電層１層のみを形成し、それ以外は実施例１と同様にして太陽電池セルを作製した。
【００５２】
比較例２．
光電変換層３上に、裏面反射層４を形成することなく、裏面透光性電極層６としてＺｎＯ：Ａｌ（０．５ｗｔ％）を１０００ｎｍ形成し、それ以外は実施例２と同様にして太陽電池セルを作製した。
【００５３】
各実施例および比較例の太陽電池セルの特性を図１０の表１に示す。表１に示すように、実施例１に示す裏面反射層４を備えた太陽電池は高い短絡電流が得られた。また、裏面反射層４が導電性を有するため比較例１と同程度の電気特性が維持された。実施例２では、裏面反射層４を備えることで、同様に裏面に透光性電極を用いた比較例２と比較して、同程度の電気特性を維持しつつ高い短絡電流が得られた。このときの短絡電流値は裏面に金属電極を使用した比較例１よりも高い値が得られた。
【００５４】
上記の結果より、透光性導電層と高屈折率導電層を積層した裏面反射層を備えることで裏面電極による吸収を低減しつつ裏面反射率を高めることができるため、太陽電池セルの短絡電流を向上させることができた。さらに、光電変換層と裏面電極との抵抗を低く保つことができるため、透光性導電層と高屈折率導電層を積層した裏面反射層を備えない場合に比べ、光電変換効率の高い太陽電池を実現することができることがわかった。
【００５５】
本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５６】
１  透光性基板、２  受光面電極層、３  光電変換層、４  裏面反射層、４１ａ，４１ｂ，４１ｃ  透光性導電層、４２ａ，４２ｂ，４２ｃ  高屈折率導電層、５  裏面金属電極層、６  裏面透光性電極層、７１  第１溝、７２  第２溝、７３  第３溝、８  透光性絶縁層、９  散乱反射層、１０  太陽電池セル、１０Ａ  受光面、１０Ｂ  裏面、１００  太陽電池モジュール、Ｌ  太陽光。
【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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