(57)【要約】【課題】微結晶シリコン層を含む光起電力装置の発電効率を向上させる。【解決手段】テクスチャ構造を有する透明導電層１２と、透明導電層１２上に直接又は間接的に形成され、微結晶シリコン層を含む第２光電変換ユニット２０と、を備え、透明導電層１２のテクスチャ構造の少なくとも一部の凸部を露出させた状態で凹部を埋めるシリコンを含む埋込層１４を有する光起電力装置１００とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
テクスチャ構造を有する透明電極層と、
前記透明電極層上に直接又は間接的に形成され、微結晶シリコン層を含む微結晶シリコン光電変換ユニットと、
を備え、
前記透明電極層のテクスチャ構造の少なくとも一部の凸部を露出させた状態で凹部を埋めるシリコンを含む埋込層を有することを特徴とする光起電力装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光起電力装置であって、
前記埋込層は、ｎ型のシリコン層であることを特徴とする光起電力装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光起電力装置であって、
前記埋込層の屈折率は、前記透明電極層の屈折率より高く、前記埋込層上に形成された層より低いことを特徴とする光起電力装置。
【請求項４】
テクスチャ構造を有する透明電極層上に液体シリコンを塗布し、前記テクスチャ構造の少なくとも一部の凸部を露出させた状態で凹部を埋めるシリコンを含む埋込層を形成する第１の工程と、
前記透明電極層及び前記埋込層上に微結晶シリコン層を含む微結晶シリコン光電変換ユニットを直接又は間接的に形成する第２の工程と、
を備えることを特徴とする光起電力装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光起電力装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光を利用した発電システムとして、アモルファスや微結晶等の半導体薄膜を積層した光起電力装置が用いられている。このような光起電力装置では、受光面から入射される光の光路長を伸ばして利用効率を高めるために、透明導電層にテクスチャ構造が形成される。透明電極層にテクスチャ構造のヘイズ率を高くすると、入射光の光散乱により光閉じ込め効果が向上して短絡電流密度が増加する。しかしながら、ヘイズ率を高めすぎると形状因子（ＦＦ）が低下し、発電効率は低下する。
【０００３】
また、テクスチャ構造を有する透明電極層上に光電変換層及び裏面電極層を形成する際に、これらの層の凹凸を最適化する技術が開示されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−８６７３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、テクスチャ構造を有する透明電極層上にプラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）によって微結晶シリコン層を形成した場合、テクスチャ構造の凹部から膜厚方向に延びる欠陥が発生することがある。この欠陥は、微結晶シリコン層における発電効率を低下させる原因となると考えられている。
【０００６】
そこで、テクスチャ構造の凹部から発生する欠陥を低減できる光起電力装置の構造及び製造方法が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の１つの態様は、テクスチャ構造を有する透明電極層と、透明電極層上に直接又は間接的に形成され、微結晶シリコン層を含む微結晶シリコン光電変換ユニットと、を備え、透明電極層のテクスチャ構造の少なくとも一部の凸部を露出させた状態で凹部を埋めるシリコンを含む埋込層を有する、光起電力装置である。
【０００８】
本発明の１つの態様は、テクスチャ構造を有する透明電極層上に液体シリコンを塗布し、テクスチャ構造の少なくとも一部の凸部を露出させた状態で凹部を埋めるシリコンを含む埋込層を形成する第１の工程と、透明電極層及び埋込層上に微結晶シリコン層を含む微結晶シリコン光電変換ユニットを直接又は間接的に形成する第２の工程と、を備える、光起電力装置の製造方法である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、透明電極層上に形成された微結晶シリコン層の欠陥を低減することができ、光起電力装置の発電効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態における光起電力装置の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態における光起電力装置の構造の別例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施の形態における太陽電池１００は、図１の断面図に示すように、基板１０、透明電極層１２、埋込層１４、第１光電変換ユニット１６、中間層１８、第２光電変換ユニット２０及び裏面電極層２２を含んで構成される。
【００１２】
基板１０上に透明電極層１２を形成する。基板１０は、透光性を有する材料とする。基板１０は、例えば、ガラス基板、プラスチック基板等とすることができる。透明電極層１２は、透光性を有する透明導電膜とする。透明電極層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た膜を用いることができる。透明電極層１２は、例えば、スパッタリング法、ＭＯＣＶＤ法（熱ＣＶＤ）により形成する。
【００１３】
本実施の形態では、透明電極層１２の基板１０と反対側の表面に凹凸（テクスチャ構造）を設ける。テクスチャ構造は、透明電極層１２の成膜条件によって凹凸の大きさ等を調整することができる。
【００１４】
複数の光電変換セルを直列に接続する構造とする場合、透明電極層１２に第１のスリットを形成して短冊状にパターニングしてもよい。スリットは、レーザ加工により形成することができる。例えば、波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザを用いて透明電極層１２を短冊状にパターニングすることができる。
【００１５】
埋込層１４は、透明電極層１２のテクスチャ構造の凸部を露出させるように凹部の一部分に埋め込まれる層である。埋込層１４は、シリコンを含む材料（Ｓｉ，ＳｉＯ等）から構成することが好適であり、特に埋込層１４は、ｎ型のシリコン層とすることが好適である。
【００１６】
例えば、埋込層１４は、液体シリコンを塗布した後、焼結することにより形成することができる。液体シリコンは、ｎ型ドーパントを含むシクロペンタシラン（ＣＰＳ：Ｓｉ5Ｈ10）等のポリシランを溶媒に溶かしたものである。焼結温度は、４００℃程度とすることが好適である。
【００１７】
また、埋込層１４は、埋込層１４が占める領域が透明電極層１２の凹凸表面の２／３以下となるように塗布することが好適である。このような条件で塗布することによって、透明電極層１２のテクスチャ構造の凸部を露出させるように埋込層１４を凹部に埋め込むことができる。特に、塗布する方法を適用することによって、容易に、透明電極層１２のテクスチャ構造の凸部を露出させつつ、凹部の一部分を埋め込むことができる。
【００１８】
なお、埋込層１４は、断面電子顕微鏡観察（断面ＳＥＭや断面ＴＥＭ）や二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）により存在を確認することができる。
【００１９】
埋込層１４が形成された透明電極層１２上に第１光電変換ユニット１６を形成する。本実施の形態では、第１光電変換ユニット１６は非晶質（アモルファス）シリコン太陽電池（ａ−Ｓｉユニット）とする。
【００２０】
第１光電変換ユニット１６は、基板１０側からｐ型、ｉ型、ｎ型の順にアモルファスシリコン膜を積層して形成する。第１光電変換ユニット１６は、例えば、プラズマ化学気相成長法（ＣＶＤ）により形成することができる。プラズマＣＶＤ法は、例えば、１３．５６ＭＨｚのＲＦプラズマＣＶＤ法を適用することが好適である。このとき、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ことによって、ｐ型、ｉ型、ｎ型のアモルファスシリコン膜を積層することができる。第１光電変換ユニット１６のｉ層の膜厚は１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることが好適である。
【００２１】
本実施の形態において、ｉ型とは真性の半導体層であり、ｎ型及びｐ型のドーパント濃度を含んでいたとしても、ｎ型及びｐ型のドーパント濃度が５×１０19／ｃｍ3以下の半導体層を意味する。また、ｐ型の半導体層は、ボロン（Ｂ）等のｐ型のドーパントがドープされ、ｐ型のドーパント濃度が５×１０20／ｃｍ3以上１×１０22／ｃｍ3以下であることを意味する。ｎ型の半導体層は、燐（Ｐ）等のｎ型のドーパントがドープされ、ｎ型のドーパント濃度が５×１０20／ｃｍ3以上１×１０22／ｃｍ3以下であることを意味する。
【００２２】
第１光電変換ユニット１６上に中間層１８を形成する。本実施の形態では、中間層１８は、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）等の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）とすることが好適である。特に、マグネシウム（Ｍｇ）やリン（Ｐ）がドープされた酸化シリコン（ＳｉＯｘ）を用いることが好適である。透明導電性酸化物（ＴＣＯ）は、プラズマＣＶＤ法又はＤＣスパッタリング法により形成することができる。中間層１８の膜厚は、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることが好適である。なお、中間層１８を設けない構成としてもよい。
【００２３】
中間層１８上に第２光電変換ユニット２０を形成する。本実施の形態では、第２光電変換ユニット２０は微結晶シリコン太陽電池（μｃ−Ｓｉユニット）とする。
【００２４】
第２光電変換ユニット２０は、基板１０側からｐ型、ｉ型、ｎ型の順に微結晶シリコン膜を積層して形成する。第２光電変換ユニット２０は、プラズマＣＶＤ法により形成することができる。プラズマＣＶＤ法は、例えば、１３．５６ＭＨｚのＲＦプラズマＣＶＤ法を適用することが好適である。第２光電変換ユニット２０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ことによって形成することができる。第２光電変換ユニット２０のｉ層の膜厚は１０００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下とすることが好適である。
【００２５】
複数の光電変換セルを直列に接続する構造とする場合、第２のスリットを形成して短冊状にパターニングする。第２のスリットは、第２光電変換ユニット２０，中間層１８，第１光電変換ユニット１６を貫いて透明電極層１２に到達するように形成する。第２のスリットは、例えば、レーザ加工により形成することができる。レーザ加工は、これに限定されるものではないが、波長約５３２ｎｍ（ＹＡＧレーザの第２高調波）を用いて行うことが好適である。
【００２６】
第２光電変換ユニット２０上に裏面電極層２２を形成する。裏面電極層２２は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）と金属層との組み合わせとすることが好適である。透明導電性酸化物は、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が用いられる。透明導電性酸化物は、例えば、スパッタリング法、ＭＯＣＶＤ法（熱ＣＶＤ）により形成する。金属層は、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属を含む金属層とする。特に、反射率及び導電率の高さから銀（Ａｇ）を用いることが好適である。金属層は、スパッタリング法等により形成することができる。また、金属層は、銀等の酸化を防ぐためにチタン（Ｔｉ）等を積層した構造としてもよい。
【００２７】
複数の光電変換セルを直列に接続する構造とする場合、裏面電極層２２は、第２のスリットに埋め込まれ、第２のスリット内で裏面電極層２２と透明電極層１２とが電気的に接続される。さらに、裏面電極層２２に第３のスリットを形成して短冊状にパターニングする。第３のスリットは、裏面電極層２２、第２光電変換ユニット２０、中間層１８、第１光電変換ユニット１６を貫いて透明電極層１２に到達するように形成する。第３のスリットは、第１のスリットとの間に第２のスリットを挟む位置に形成する。第３のスリットは、レーザ加工により形成することができる。例えば、第２のスリットの位置から５０μｍ横の位置にＹＡＧレーザを照射して第３のスリットを形成する。さらに、レーザ加工により太陽電池１００の周辺に周辺領域と発電領域とを分離する溝を形成してもよい。
【００２８】
光起電力装置１００の裏面は、封止材によって封止してもよい。エチレン・ビニル・アセテート（ＥＶＡ）やポリ・ビニル・ブチラート（ＰＶＢ）等の樹脂を充填層として、充填層を介して封止材により封止する。封止材は、ガラス基板やプラスチックシート等の機械的及び化学的に安定な材料とすることが好ましい。これによって、光起電力装置１００の発電層への水分等の浸入を抑制することができる。
【００２９】
本実施の形態では、透明電極層１２のテクスチャ構造の凹凸において凹部が埋込層１４によって埋め込まれ、埋込層１４を設けない構造に比べて透明電極層１２の凹部が平坦化される。これによって、透明電極層１２上に形成される第１光電変換ユニット１６、中間層１８及び第２光電変換ユニット２０は、透明電極層１２のテクスチャ構造を承継して成膜される。このとき、透明電極層１２のテクスチャ構造は埋込層１４によって凹部が平坦化されているので、第２光電変換ユニット２０の微結晶シリコン層の成膜時に凹部から生ずる欠陥が低減される。また、埋込層１４がシリコン層であるので、その上に積層される微結晶シリコン層との親和性が良好となり、凹部の平坦化効果に加え、さらに欠陥の発生を抑制することができる。さらに、透明電極層１２は一般的にｎ型であるが、埋込層１４をｎ型とすることによって、透明電極層１２と埋込層１４とが同じｎ型となることで、微結晶シリコン層と透明電極層１２との間の密着性が向上する。
【００３０】
また、埋込層１４は、透明電極層１２のテクスチャ構造の凹凸の凸部を露出するように形成される。したがって、透明電極層１２上に形成される第１光電変換ユニット１６、中間層１８及び第２光電変換ユニット２０は、露出した透明電極層１２の凸部の結晶性の影響を受けて、従来と同等の膜質を維持することができる。
【００３１】
さらに、光起電力装置１００への入射光の反射を低減するために、埋込層１４の屈折率は、下地層である透明電極層１２の屈折率より高く、第２光電変換ユニット２０の屈折率より低くすることが好適である。ここで、埋込層１４をシリコン層としたことで、透明電極層１２のテクスチャ構造をそのまま生かした状態で、透明電極層１２との屈折率差を大きくすることができる。
【００３２】
また、図２に示すように、中間層１８を下地層として、埋込層１４を中間層１８上に形成してもよい。このとき、埋込層１４をシリコン層とした場合、ｐ型のシリコン層とすることが好適である。ここで、埋込層１４がシリコン層であるので、その上に積層される微結晶シリコン層との親和性が良好となり、凹部の平坦化効果に加え、さらに欠陥の発生を抑制することができる。さらに、中間層１８は一般的にｎ型であるが、埋込層１４をｎ型とすることによって、中間層１８と埋込層１４とが同じｎ型となることで、微結晶シリコン層と中間層１８との間の密着性が向上する。
【００３３】
さらに、第２光電変換ユニット２０への入射光の反射を低減するために、埋込層１４の屈折率は、下地層である中間層１８の屈折率より高く、第２光電変換ユニット２０の屈折率より低くすることが好適である。ここで、埋込層１４をシリコン層としたことで、中間層１８のテクスチャ構造をそのまま生かした状態で、中間層１８との屈折率差を大きくすることができる。
【００３４】
以上のように、本実施の形態における光起電力装置１００及びその製造方法によれば、微結晶シリコン層における欠陥の発生を抑制でき、発電効率を向上させることができる。
【００３５】
なお、本実施の形態ではタンデム型の光起電力装置を例に説明したが、第１光電変換ユニット１６を設けず、微結晶シリコン層を含む第２光電変換ユニット２０のシングル型の光起電力装置においても同様に埋込層１４を適用することができる。
【符号の説明】
【００３６】
１０  基板、１２  透明電極層、１４  埋込層、１６  第１光電変換ユニット、１８  中間層、２０  第２光電変換ユニット、２２  裏面電極層、１００  太陽電池。
【図１】
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【図２】
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