(57)【要約】【課題】光の利用効率を向上させることによって高い発電効率を有する太陽電池を提供する。【解決手段】裏面金属層２２側が充填層２４を用いて封止されており、充填層２４は、光散乱のための粒子２４ｂを含み、裏面金属層２２の受光面側は、充填層２４の受光面側の表面の、充填層２４に含まれる粒子２４ｂによる凹凸形状に沿った凹凸形状を有する太陽電池とする。【選択図】図２
2013065751.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光面側から表面電極層、光電変換部及び裏面電極層が積層され、前記裏面電極層側が樹脂の充填層を用いて封止されている太陽電池であって、
前記充填層は、光散乱粒子を含み、
前記裏面電極層は、金属層を含み、
前記金属層の受光面側は、前記充填層の受光面側の表面の、前記充填層に含まれる前記光散乱粒子による凹凸形状に沿った凹凸形状を有することを特徴とする太陽電池。
【請求項２】
請求項１に記載の太陽電池であって、
前記光散乱粒子の平均粒径は、７００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下であることを特徴とする太陽電池。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の太陽電池であって、
前記金属層の膜厚は、５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする太陽電池。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽電池であって、
前記金属層は、銀、銅及びアルミニウムの少なくとも１つを含む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、太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電システム等において太陽電池が用いられている。太陽電池では、その発電効率を向上させるために、異なる波長特性を有するトップ側及びボトム側の光電変換ユニットを積層したタンデム型太陽電池が知られている。
【０００３】
太陽電池において、発電層の裏面側に設けられる透明導電層の近傍に裏面反射層を有し、この裏面反射層内に光散乱性の粒子を含有させ、発電層を透過した光を反射させて再び発電層に入射させることによって光の利用効率を向上させる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ２００５／０７６３７０号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、太陽電池の裏面側に透明導電層を有し、その近傍に配置した裏面反射層内に光散乱性の粒子を含有させた構成では、裏面側の反射が不十分であり、発電層を透過した光を十分に反射させることができず、光の利用効率も不十分であった。
【０００６】
また、裏面側に透明導電層のみを設けた構成では、裏面側の電気的抵抗を低下させるために透明導電層の膜厚を大きくする必要があり、これに伴って透明導電層における光の吸収損失が大きくなる等の問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、受光面側から表面電極層、光電変換部及び裏面電極層が積層され、裏面電極層側が樹脂の充填層を用いて封止されている太陽電池であって、充填層は、光散乱粒子を含み、裏面電極層は、金属層を含み、金属層の受光面側は、充填層の受光面側の表面の、充填層に含まれる光散乱粒子による凹凸形状に沿った凹凸形状を有する、太陽電池である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、光の利用効率を向上させることによって高い発電効率を有する太陽電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態における太陽電池の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態における裏面金属層及び充填層の構成を説明する断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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、第１光電変換ユニット１４、中間層１６、第２光電変換ユニット１８、裏面透明電極層２０、裏面金属層２２、充填層２４及び封止材２６を含んで構成される。
【００１１】
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。基板１０と透明電極層１２の一方又は両方の表面に凹凸（テクスチャ構造）を設けることも好適である。
【００１２】
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。第１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、波長１０６４ｎｍ、エネルギー密度１３Ｊ／ｃｍ2、パルス周波数３ｋＨｚ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。第１のスリットの線幅は１０μｍ以上２００μｍ以下とすることが好適である。
【００１３】
透明電極層１２上に第１光電変換ユニット１４を形成する。本実施の形態では、第１光電変換ユニット１４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。ただし、第１光電変換ユニット１４は、非晶質（アモルファス）シリコン太陽電池に限定されるものではなく、後述する第２光電変換ユニット１８よりも短波長側に光電変換効率のピークを有する発電層を含むものであればよい。
【００１４】
第１光電変換ユニット１４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１４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１４のｉ層の膜厚は１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることが好適である。
【００１５】
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。
【００１６】
第１光電変換ユニット１４上に中間層１６を形成する。本実施の形態では、中間層１６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１６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１６を設けない構成としてもよい。
【００１７】
中間層１６上に第２光電変換ユニット１８を形成する。本実施の形態では、第２光電変換ユニット１８は微結晶シリコン太陽電池（μｃ−Ｓｉユニット）とする。ただし、第２光電変換ユニット１８は、微結晶シリコン太陽電池に限定されるものではなく、第１光電変換ユニット１４よりも長波長側に光電変換効率のピークを有する発電層を含むものであればよい。例えば、約７００ｎｍ以上の波長領域の光に対して発電感度を有するものであることが好適である。
【００１８】
第２光電変換ユニット１８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１８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１８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１８のｉ層の膜厚は１０００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下とすることが好適である。
【００１９】
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１８，中間層１６，第１光電変換ユニット１４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。レーザ加工のエネルギー密度は例えば１×１０5Ｗ／ｃｍ2とすればよい。透明電極層１２に形成した第１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２のスリットを形成する。第２のスリットの線幅は、１０μｍ以上２００μｍ以下とすることが好適である。
【００２０】
第２光電変換ユニット１８上に裏面透明電極層２０を形成する。裏面透明電極層２０は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）とすることが好適である。透明導電性酸化物（ＴＣＯ）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。裏面透明電極層２０は、例えば、スパッタリング法、ＭＯＣＶＤ法（熱ＣＶＤ）により形成する。
【００２１】
裏面金属層２２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。裏面金属層２２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、裏面金属層２２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。
【００２２】
複数の光電変換セルを直列に接続する構造とする場合、裏面透明電極層２０及び裏面金属層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透明電極層２０及び裏面金属層２２と透明電極層１２とが電気的に接続される。さらに、裏面透明電極層２０及び裏面金属層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、裏面金属層２２，裏面透明電極層２０，第２光電変換ユニット１８，中間層１６，第１光電変換ユニット１４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。ＹＡＧレーザは、エネルギー密度０．７Ｊ／ｃｍ2、パルス周波数４ｋＨｚのものを用いることが好適である。第３のスリットの線幅は、１０μｍ以上２００μｍ以下とすることが好適である。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する。
【００２３】
充填層２４は、太陽電池１００の裏面側を封止材２６により封止するために使用される。充填層２４は、図２の模式図に示すように、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２４ａを主成分とし、それに反射性の粒子２４ｂを含有させたものとする。封止材２６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。充填層２４を塗布した裏面金属層２２上を封止材２６で覆い、１５０℃程度の温度に加熱しつつ裏面金属層２２へ向かって封止材２６に約１００ｋＰａの圧力を加えることによって封止を行うことができる。これによって、太陽電池１００の発電層への水分等の浸入を抑制することができる。
【００２４】
粒子２４ｂは、光を反射する材料を含んで構成され、特に第１光電変換ユニット１４及び第２光電変換ユニット１８を透過し得る波長の光を反射する材料を含んで構成されることが好適である。例えば、粒子２４ｂは、酸化チタン、酸化ケイ素等の反射性の材料から構成することが好適である。
【００２５】
本実施の形態では、図２の拡大断面図に示すように、充填層２４に含まれる粒子２４ｂの形状が裏面金属層２２の受光面側に反映される。すなわち、封止材２６により太陽電池１００の裏面を封止する際に、充填層２４に含まれる粒子２４ｂによって裏面金属層２２が型押しされ、充填層２４の表面の粒子２４ｂの凹凸形状が裏面金属層２２の受光面側に反映される。
【００２６】
粒子２４ｂの径は、裏面金属層２２の受光面側の凹凸が反射させたい光の波長と同程度の大きさになるように設定することが好ましい。シリコンを光電変換領域に利用した太陽電池１００では、粒子２４ｂの径は２００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下であることが好適である。特に、ａ−Ｓｉユニットである第１光電変換ユニット１４とμｃ−Ｓｉユニットである第２光電変換ユニット１８とのタンデム型の太陽電池１００やμｃ−Ｓｉユニットのみのシングル型の太陽電池では、第２光電変換ユニット２６を透過してくる光の波長は主に７００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下であるので、粒子２４ｂの径は７００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下とすることが好適である。また、ａ−Ｓｉユニットのみのシングル型の太陽電池の場合、粒子２４ｂの径は５００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることが好適である。
【００２７】
ここで、粒子２４ｂの径とは、粒子２４ｂの粒径の平均値であり、例えば、断面電子顕微鏡観察（ＳＥＭ）、断面透過電子顕微鏡観察（ＴＥＭ）において観察される粒子２４ｂの粒径の平均値を平均粒径として求めることができる。すなわち、粒子２４ｂの平均粒径は、２００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下であることが好適であり、μｃ−Ｓｉユニットを含む場合には７００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下が特に好適であり、ａ−Ｓｉユニットのみのシングル型の太陽電池の場合には５００ｎｍ以上１０００ｎｍが特に好適である。
【００２８】
裏面金属層２２の膜厚は、粒子２４ｂによる凹凸が受光面側に反映される程度に薄くする。例えば、裏面金属層２２の膜厚は、５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることが好適である。裏面金属層２２の膜厚が１００ｎｍよりも厚い場合には、充填層２４に含まれる粒子２４ｂによって裏面金属層２２が型押しされても、充填層２４の表面の粒子２４ｂの凹凸形状が裏面金属層２２の受光面側に反映されなくなる。また、裏面金属層２２の膜厚が５０ｎｍよりも薄い場合には、充填層２４に含まれる粒子２４ｂによって裏面金属層２２が型押しされると、裏面金属層２２が破断される部分が生じ易くなり、裏面金属層２２の受光面側の形状を充填層２４の表面の粒子２４ｂの凹凸形状に沿ったものに形成できなくなる。特に、裏面金属層２２が銀（Ａｇ）の場合には、５０ｎｍよりも薄くなることで、その反射率自体が低下してしまい、裏面金属層２２の受光面側での反射がされなくなる。
【００２９】
このような構成とすることで、裏面金属層２２へ到達した光は、裏面金属層２２の表面の凹凸によって散乱反射されて再び第２光電変換ユニット１８及び第１光電変換ユニット１４へ入射する。すなわち、裏面金属層２２の高い反射率とその表面の凹凸形状によって、反射される光の量とその光路長を高めることができ、太陽電池１００の短絡電流密度Ｉｓｃを向上させることができる。例えば、短絡電流Ｉｓｃは、粒子２４ｂを含まない構成に比べて１．０３倍程度になり、３％程度増加させることができることを確認した。また発電効率ηは、粒子２４ｂを含まない構成に比べて１．０５倍程度になり、５％程度増加させることができることを確認した。
【００３０】
また、裏面金属層２２を設けることによって、裏面透明電極層２０の膜厚を従来より薄くしても裏面電極としての必要十分な導電性を得ることができる。したがって、裏面透明電極層２０による光の吸収損失を低減することができ、太陽電池１００の短絡電流密度Ｉｓｃを向上させることができる。
【００３１】
なお、本発明の適用範囲はこれらの太陽電池に限定されるものではなく、シリコン以外の半導体を用いた太陽電池、単結晶型太陽電池、色素増感太陽電池等にも同様に適用することができる。この場合も反射させる光の波長と同程度の径の粒子２４ｂを適用すればよい。
【符号の説明】
【００３２】
１０  基板、１２  透明電極層、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  裏面透明電極層、２２  裏面金属層、２４  充填層、２４ａ  樹脂、２４ｂ  粒子、２６  封止材、１００  太陽電池。
【図１】
2013065751.tif 000003
【図２】
2013065751.tif 000004