(57)【要約】【課題】設置場所において高い出力を有する薄膜太陽電池の製造方法を提供する。【解決手段】基板１０上に、第１電極層２０と、光電変換セル３１，３２を複数積層した光電変換層３０と、第２電極層４０とが順次積層した薄膜太陽電池の製造方法であって、光電変換層３０の分光感度の波長重心と、薄膜太陽電池の設置場所に入射される太陽光スペクトルの太陽電池の発電に寄与する波長の範囲における波長重心との差が所定範囲となるように、光電変換層３０を構成する各光電変換セル３１，３２の構造を決定して薄膜太陽電池を製造する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、第１電極層と、光電変換セルを複数積層した光電変換層と、第２電極層とが順次積層した薄膜太陽電池の製造方法であって、
前記光電変換層の分光感度の波長重心と、薄膜太陽電池の設置場所に入射される太陽光スペクトルの太陽電池の発電に寄与する波長の範囲における波長重心との差が所定範囲となるように、前記光電変換層を構成する各光電変換セルの構造を決定することを特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。
【請求項２】
前記光電変換層の分光感度の波長重心と、薄膜太陽電池の設置場所に入射される太陽光スペクトルの太陽電池の発電に寄与する波長の範囲における波長重心との差が±１０％以内となるように、前記光電変換層を構成する各光電変換セルの構造を決定する、請求項１に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
【請求項３】
前記薄膜太陽電池の設置場所のエアマス、気象条件及び日照条件に基づき、薄膜太陽電池の設置場所に入射される太陽光スペクトルの波長重心を求める、請求項１又は２に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
【請求項４】
基板上に、第１電極層と、光電変換セルを複数積層した光電変換層と、第２電極層とが順次積層された薄膜太陽電池の製造装置であって、
エアマス、気象条件及び日照条件と、地表面に入射される太陽光スペクトルの波長重心との関係を集積した第１データベースと、
前記光電変換層を構成する光電変換セルの構造と、光電変換層の分光感度との関係を集積した第２データベースと、
前記第１データベースを参照して、薄膜太陽電池の設置場所に入射される太陽光スペクトルの波長重心を求める第１演算装置と、
前記第２データベースを参照して、前記光電変換層の分光感度の波長重心と、前記第１演算装置で求めた太陽光スペクトルの太陽電池の発電に寄与する波長の範囲における波長重心との差が所定範囲となる条件で、各光電変換セルの構造を求める第２演算装置と、
前記第２演算装置からの信号を受けて、各光電変換セルを前記第２演算装置で求めた構造で製膜する製膜装置とを備えることを特徴とする薄膜太陽電池の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電効率に優れた薄膜太陽電池の製造方法及び製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜太陽電池は、薄型で軽量、製造コストの安さ、大面積化が容易であることなどから、今後の太陽電池の主流となると考えられ、電力供給用以外に、建物の屋根や窓などに取り付けて利用される業務用、一般住宅用にも需要が広がってきている。
【０００３】
薄膜太陽電池の特性を向上させるために、吸収波長帯域が異なるセルを複数積層して、多接合型構造とする試みが行われている。
【０００４】
例えば、アモルファスシリコンを用いた光電変換セル（以下、ａ−Ｓｉ系セルともいう）は、４８０ｎｍ付近に吸収ピークを持ち、３５０ｎｍ〜７００ｎｍの範囲に吸収領域がある。また、アモルファスシリコンゲルマニウムを用いた光電変換セル（以下、ａ−ＳｉＧｅ系セルともいう）は、７００ｎｍ付近に吸収ピークを持ち、５００ｎｍ〜９００ｎｍの範囲に吸収領域がある。このため、入射光側から、ａ−Ｓｉ系セル、ａ−ＳｉＧｅ系セルの順に積層して多接合型とした薄膜太陽電池は、ａ−Ｓｉ系セルでは、短波長光を吸収し、ａ−ＳｉＧｅ系セルでは、ａ−Ｓｉ系セルでは吸収しきれなかった長波長光を吸収するので、全体として太陽光のより広い波長領域を吸収し、これによって発電効率の向上を図っている。
【０００５】
ところで、太陽電池の性能評価については、ＪＩＳ、ＩＥＣ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ）等で議論が行われており、ＪＩＳの標準として、ＪＩＳ  Ｃ  ８９１４（結晶系太陽電池モジュール出力測定方法）、ＪＩＳ  Ｃ  ８９３５（アモルファス太陽電池モジュール出力測定方法）、ＪＩＳ  Ｃ  ８９９１（地上設置の薄膜対応電池（ＰＶ）モジュール−設計適格性確認及び形式認証のための要求）等がある。
【０００６】
上記の標準で規定される太陽電池の発電量定格は、標準試験条件（ＳＴＣ：Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｔｅｓｔｉｎｇ  Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）における最大電力で計測される。標準試験条件とは、日射強度：１ｋＷ／ｍ２、電池温度：２５℃、基準分光日射：ＡＭ１．５の測定条件である。また、太陽電池の性能試験は、一般にＡＭ１．５の基準太陽光に類似したＸｅランプを用いたソーラーシミュレーターで行われる。
【０００７】
しかしながら、太陽電池で真に必要とされるのは、標準試験条件において高い出力を有するものではなく、設置場所の日照条件において高い出力を有するものである。
【０００８】
特許文献１には、それぞれがｐｉｎ接合を有し且つシリコン系半導体からなる第１光電変換層、第２光電変換層及び第３光電変換層を光入射側からこの順に重ねて備え、第１光電変換層の短絡光電流が、第２光電変換層の短絡光電流と第３光電変換層の短絡光電流の何れかよりも大きいことを特徴とする積層型光電変換装置が開示されている。特許文献１では、入射光側に配置される第１光電変換層の短絡光電流を、第２光電変換層及び第３光電変換層よりも大きくすることで、短波長光量が低下する朝夕の出力低下の抑制を図っている。
【０００９】
また、特許文献２には、薄膜シリコン積層型太陽電池が設置される場所の３月または９月の正午時太陽スペクトルに基づき、ボトム太陽電池層の発電電流が、トップ太陽電池の発電電流よりも小さくなるように、ボトム太陽電池層とトップ太陽電池層を設計して、薄膜シリコン積層型太陽電池を製造することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００９−４７０４号公報
【特許文献２】特開２００６−１２０７４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、太陽光は、エアマス、気象条件（天候、気候など）、日照条件（日射強度、緯度など）によって波長重心が変動するため、設置場所において高い出力を有する太陽電池を製造するためには、設置場所におけるこれらの条件を考慮に入れて設計する必要があった。
【００１２】
よって、本発明の目的は、設置場所において高い出力を有する薄膜太陽電池の製造方法及び製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の薄膜太陽電池の製造方法は、基板上に、第１電極層と、光電変換セルを複数積層した光電変換層と、第２電極層とが順次積層した薄膜太陽電池の製造方法であって、
前記光電変換層の分光感度の波長重心と、薄膜太陽電池の設置場所に入射される太陽光スペクトルの太陽電池の発電に寄与する波長の範囲における波長重心との差が所定範囲となるように、前記光電変換層を構成する各光電変換セルの構造を決定することを特徴とする。
【００１４】
本発明の薄膜太陽電池の製造方法は、前記光電変換層の分光感度の波長重心と、薄膜太陽電池の設置場所に入射される太陽光スペクトルの太陽電池の発電に寄与する波長の範囲における波長重心との差が±１０％以内となるように、前記光電変換層を構成する各光電変換セルの構造を決定することが好ましい。
【００１５】
本発明の薄膜太陽電池の製造方法は、前記薄膜太陽電池の設置場所のエアマス、気象条件及び日照条件に基づき、薄膜太陽電池の設置場所に入射される太陽光スペクトルの波長重心を求めることが好ましい。
【００１６】
また、本発明の薄膜太陽電池の製造装置は、基板上に、第１電極層と、光電変換セルを複数積層した光電変換層と、第２電極層とが順次積層された薄膜太陽電池の製造装置であって、
エアマス、気象条件及び日照条件と、地表面に入射される太陽光スペクトルの波長重心との関係を集積した第１データベースと、
前記光電変換層を構成する光電変換セルの構造と、光電変換層の分光感度との関係を集積した第２データベースと、
前記第１データベースを参照して、薄膜太陽電池の設置場所に入射される太陽光スペクトルの波長重心を求める第１演算装置と、
前記第２データベースを参照して、前記光電変換層の分光感度の波長重心と、前記第１演算装置で求めた太陽光スペクトルの太陽電池の発電に寄与する波長の範囲における波長重心との差が所定範囲となる条件で、各光電変換セルの構造を求める第２演算装置と、
前記第２演算装置からの信号を受けて、各光電変換セルを前記第２演算装置で求めた構造で製膜する製膜装置とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、光電変換層の分光感度の波長重心と、太陽電池の設置場所に入射される太陽光スペクトルの太陽電池の発電に寄与する波長の範囲における波長重心との差が所定範囲となるように、光電変換層を構成する各光電変換セルの構造を決定するので、設置場所において高い出力を有する薄膜太陽電池を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】薄膜太陽電池の一実施形態を示す概略図である。
【図２】トップ光電変換セル及びボトム光電変換セルの膜厚と、光電変換層の分光感度の波長重心との関係を示す図である。
【図３】エアマスと地表に到達する太陽光スペクトルの波長重心との関係を示す図である。
【図４】本発明の薄膜太陽電池の製造装置の一実施形態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１に示す薄膜太陽電池を例に挙げて、本発明の薄膜太陽電池の製造方法について説明する。
【００２０】
図１に示す薄膜太陽電池は、基板１０に、第１電極層２０、光電変換層３０、第２電極層４０が積層されて形成されている。
【００２１】
基板１０としては、特に限定は無い。耐熱性に優れるものが好ましく用いることができる。例えば、ガラス基板、表面に絶縁処理を施した金属基板、可撓性フィルム基板等が挙げられる。なかでも、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルサルフォン、ポリエチレンテレフタレート、アラミドなどからなる可撓性フィルム基板が好ましく用いることができる。可撓性フィルム基板を用いることで、フレキシブルな薄膜太陽電池とすることができる。なお、基板が、スーパーストレート型太陽電池のように、光入射側に配される場合には、光透過性の材料で構成すべきことはいうまでもない。
【００２２】
第１電極層２０、第２電極層４０のうち、光入射側に配置される電極層（この実施形態では、第２電極層４０）は、ＩＴＯ、ＳｎＯ２、ＺｎＯなどの透明導電性酸化物で形成される。また、光入射側とは反対に配置される電極層（この実施形態では、第１電極層２０）は、Ａｇ、Ａｇ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ａｌ、Ａｌ合金などの導電性金属で形成される。また、これらの導電性金属で形成される層（以下、導電性金属層という）に、ＩＴＯ、ＳｎＯ２、ＺｎＯなどの透明導電性酸化物で形成される層（以下、透明導電性酸化物層という）が積層されていてもよい。
【００２３】
第１電極層２０、第２電極層４０の形成方法は、特に限定は無く、電極材料を、蒸着法、スパッタ法、鍍金など当該技術において知られている任意の製膜方法で製膜して形成できる。
【００２４】
光電変換層３０は、バンドギャップの異なる光電変換セルが複数積層して構成される。この実施形態では、第１電極層２０側に配置されるボトム光電変換セル３１と、第２電極層４０側に配置されるトップ光電変換セル３２とで構成されている。光電変換セルは、光入射側から順次バンドギャップが小さくなるように配置する。このように配置することで、トップ光電変換セル３２が短波長側の光を吸収し、ボトム光電変換セル３１がトップ光電変換セル３２で吸収しきれなかった長波長側の光を吸収して、発電効率が向上する。
【００２５】
光電変換セルは、特に限定はなく、微結晶シリコン系セル（以下、μｃ−Ｓｉ系セルという）、アモルファスシリコン系セル（以下、ａ−Ｓｉ系セルという）、アモルファスシリコンゲルマニウム系セル（以下、ａ−ＳｉＧｅ系セルという）、化合物系太陽電池等が挙げられる。なお、本発明において、μｃ−Ｓｉ系セルとは、ｎ層、ｉ層及びｐ層の内、少なくともｉ層に微結晶シリコン膜が含まれる光電変換セルを意味する。また、ａ−Ｓｉ系セルとは、ｎ層、ｉ層及びｐ層が主にアモルファスシリコン系膜で形成される光電変換セルを意味する。また、ａ−ＳｉＧｅ系セルとは、ｉ層がアモルファスシリコンゲルマニウム系膜で形成される光電変換セルを意味する。また、化合物系太陽電池とは、ＣＩＧＳ太陽電池に代表される化合物系の薄膜（Ｃｕ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅ）で形成される光電変換セルを意味する。
【００２６】
ボトム光電変換セル３１と、トップ光電変換セル３２との組み合わせについて一例を上げると、ボトム光電変換セル３１がμｃ−Ｓｉ系セルで、トップ光電変換セル３２がａ−Ｓｉ系セルである組み合わせが挙げられる。
【００２７】
本発明では、光電変換層を構成する各光電変換セルの構造（この実施形態では、ボトム光電変換セル３１、トップ光電変換セル３２の構造）は、光電変換層３０の分光感度の波長重心と、薄膜太陽電池の設置場所に入射される太陽光スペクトルの太陽電池の発電に寄与する波長の範囲における波長重心との差が所定範囲となるように製膜して形成する。本発明において、光電変換セルの構造としては、光電変換セルの膜厚、組成、結晶性等が挙げられる。
【００２８】
光電変換層の分光感度は、光電変換セルの膜厚、組成、結晶性等に依存する。以下、光電変換層の分光感度と、光電変換セルの膜厚との関係を例に挙げて説明する。
【００２９】
図２に、ａ−Ｓｉ系セルからなるトップ光電変換セル３２と、μｃ−Ｓｉ系セルからなるボトム光電変換セル３１との多接合型薄膜太陽電池の、トップ光電変換セル３２及びボトム光電変換セル３１の膜厚と、光電変換層３０の分光感度の波長重心との関係を示す。図２に示すように、トップ光電変換セル３２及びボトム光電変換セル３１の膜厚を薄くすることで、光電変換層３０の分光感度の波長重心が小さくなり、トップ光電変換セル３２及びボトム光電変換セル３１の膜厚を厚くすることで、光電変換層３０の分光感度の波長重心が大きくなることがわかる。このように、トップ光電変換セル３２、ボトム光電変換セル３１の膜厚及び両者の膜厚比を調整することにより、光電変換層３０の分光感度の波長重心を調整できることがわかる。
【００３０】
なお、全体の膜厚については材料の光吸収係数で決まるため、吸収に必要な分の光吸収層膜厚を確保する、または光閉じ込め構造を第１電極層または第２電極層に形成することで光路長を確保する必要がある。また、光電変換層の膜厚は、主にｉ層の膜厚を変えることで調整するが、ｉ層の膜厚を変えるに伴って、ｐ層、ｎ層について最適化する場合もある。
【００３１】
光電変換層３０の分光感度の波長重心と、薄膜太陽電池の設置場所に入射される太陽光スペクトルの太陽電池の発電に寄与する波長の範囲における波長重心との差は、±１０％以内が好ましい。前記スペクトル差を小さくすることで、薄膜太陽電池の設置場所における発電効率を最適化できる。なお、本発明において、「光電変換層３０の分光感度の波長重心」とは、光電変換層３０の分光感度のスペクトル範囲全体にわたって積分した値の半分となる波長を意味する。また、「薄膜太陽電池の設置場所に入射される太陽光スペクトルの波長重心」とは、薄膜太陽電池の設置場所に入射される太陽光のスペクトル範囲全体にわたって積分した値の半分となる波長を意味する。
【００３２】
本発明においては、光電変換層３０を構成する光電変換セルの発電電流の最大値と最小値との差（この実施形態では、ボトム光電変換セル３１の発電電流とトップ光電変換セル３２の発電電流との差）が所定範囲となるように、各光電変換セルの構造を設定することが好ましい。光電変換層３０を構成する光電変換セルの発電電流の最大値と最小値との差は、最大値の１０％以下がより好ましく、５％以下が特に好ましい。多接合セルの発電電流は、少ない方に律則されるので、各光電変換セルの電流差を小さくすることで、電流の移動ロスが小さくなり、薄膜太陽電池の発電効率が向上する。なお、個別の光電変換セルの発電電流は、ソーラーシミュレーターの光源を光学フィルターを用いて波長分離して測定することができる。
【００３３】
光電変換セルの発電電流の発生電流は、光電変換セルの構造に依存するので、光電変換セルの構造により調整できる。例えば、光電変換セルの膜厚を厚くすることで、その光電変換セルの発電電流が増加するので、各光電変換セルの膜厚を調整することで上記電流差を小さくできる。
【００３４】
本発明において、薄膜太陽電池の設置場所に入射される太陽光スペクトルの太陽電池の発電に寄与する波長の範囲における波長重心は、薄膜太陽電池の設置場所のエアマス、気象条件（地域、気候等）及び日照条件（晴天率、地理、黄砂等の地域特有の条件、およびこれらの季節変動）に基づいて求めることが好ましい。
【００３５】
表１に、太陽光スペクトルの波長重心の変動要因について記す。また、図３に、エアマス（Ａｉｒ  Ｍａｓｓ：太陽輻射の空気質量通過条件）と地表に到達する太陽光スペクトルの波長重心との関係を示す。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
図３に示すように、晴天時はエアマスが大きくなるにつれて波長重心が長波長（赤色側）側にシフトする。一方、曇天時の場合、エアマスによる影響は小さく、波長重心はほぼ一定の値を示した。
【００３８】
このように、太陽光スペクトルの波長重心は、地理（緯度）だけでなく、地形や気候にも影響される。このため、エアマス、気象条件及び日照条件に基づいて、薄膜太陽電池の設置場所に入射される太陽光スペクトルの波長重心を求めることで、薄膜太陽電池の設置場所における発電効率をより最適化できる。
【００３９】
薄膜太陽電池の設置場所に入射される太陽光スペクトルの波長重心は、例えば、各地の気象台等で発表されている気候および地理学的なデータに基づき、典型的な地域を選定し、定期的（日［朝夕］、月［季節］単位）に太陽光スペクトルを測定することで求めることができる。
【００４０】
なお、日照条件の測定が困難な場所においては、ＢＳＲＮ（Ｂａｓｅｌｉｎｅ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ  Ｎｅｔｗｏｒｋ：ベースライン地上日射量ネットワーク）や、ＷＲＤＣ（Ｗｏｒｌｄ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ  Ｄａｔａ  Ｃｅｎｔｒｅ：世界日射データ）といったデータベースのデータを参照してもよい。
【００４１】
光電変換セルの構造の設計の一例について説明すると、太陽光スペクトルの波長重心が短波長側（青色遷移）の地域では、トップ光電変換セル３２の膜厚を厚くして、光電変換層３０の分光感度の波長重心を高め、トップ光電変換セル３２での光の吸収を高める。そして、トップ光電変換セル３２の発電電流と、ボトム光電変換セル３１の発電電流と差が小さくなるように、ボトム光電変換セル３１の膜厚を調整する。また、太陽光スペクトルの波長重心が長波長側（赤色遷移）の地域では、トップ光電変換セル３２の膜厚を薄くして、光電変換層３０の分光感度の波長重心を下げ、ボトム光電変換セル３１への光の透過率を上げる。そして、トップ光電変換セル３２の発電電流と、ボトム光電変換セル３１の発電電流と差が小さくなるように、ボトム光電変換セル３１の膜厚を調整する。このように設計することで、薄膜太陽電池の発電効率を向上できる。
【００４２】
また、特定の顧客向けではない汎用の薄膜太陽電池の製造および販売を行う場合や、生産及び納期上、アセスメントから開始するのでは不都合が発生する場合においては、表２に示すようなエアマス、気象条件及び日照条件に対応した汎用品を生産してもよい。また、上記のアセスメントからの設計、製造の過程で得られる情報をフィードバックして、汎用品を設計してもよい。
【００４３】
【表２】
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【００４４】
次に、本発明の薄膜太陽電池の製造装置について説明する。
【００４５】
図４に示すように、この薄膜太陽電池の製造装置は、エアマス、気象条件及び日照条件と、地表面に入射される太陽光スペクトルの波長重心との関係を集積した第１データベース１と、光電変換層３０を構成する光電変換セルの構造と、光電変換セルの発電電流及び光電変換層３０の分光感度との関係を集積した第２データベース２と、薄膜太陽電池の設置場所に入射される太陽光スペクトルの波長重心を求める第１演算装置３と、光電変換層３０を構成する各光電変換セルの構造を求める第２演算装置４と、製膜装置５とを備える。
【００４６】
第１演算装置３では、第１データベースを参照し、第１データベースに格納された各地域の太陽光スペクトルについて、手供する薄膜太陽電池の吸収波長領域で分光放射強度を積分し、波長下限からの分光放射強度の積分値が全体の半分となる波長を求めて、薄膜太陽電池の設置場所に入射される太陽光スペクトルの波長重心を求める。そして、処理結果を第２演算装置４に出力する。
【００４７】
第２演算装置４では、第２データベースを参照して、光電変換層３０の分光感度の波長重心と、第１演算装置３で求めた太陽光スペクトルの波長重心との差が所定範囲となる、各光電変換セルの構造を求める。好ましくは、更に、光電変換層３０を構成する光電変換セルの発電電流の最大値と最小値との差が所定範囲となるように各光電変換セルの構造を求める。そして、処理結果を製膜装置５に出力する。
【００４８】
製膜装置５は、プラズマＣＶＤ装置等、従来公知の製膜装置を用いることができる。製膜装置５では、第２演算装置４からの出力結果に基づき、第２演算装置４で求めた構造となるように製膜条件を設定して、製膜し、光電変換層３０を形成する。
【符号の説明】
【００４９】
１：第１データベース
２：第２データベース
３：第１演算装置
４：第２演算装置
５：製膜装置
１０：基板
２０：第１電極層
３０：光電変換層
３１：ボトム光電変換セル
３２：トップ光電変換セル
４０：第２電極層
【図１】
2013168600.tif 000005
【図２】
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【図３】
2013168600.tif 000007
【図４】
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