(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス基板上に透明電極膜と、前記透明電極膜上に順次積層された３層の太陽電池セルと、前記太陽電池セル上に形成された裏面電極と、を有する積層型光起電力装置において、
前記３層の太陽電池セルのうち前記裏面電極側に位置する太陽電池セルにおける活性層は、微結晶シリコンで形成され、この微結晶シリコンを含む太陽電池セルの前段の光入射側に位置する太陽電池セルの活性層は、前記微結晶シリコンよりも狭い禁制帯幅を有する非晶質シリコン系材料もしくは微結晶シリコンアロイで形成され、
前記微結晶シリコンの前記裏面電極側の表面の凹凸度は、前記前段の太陽電池セルの前記裏面側電極側の表面の凹凸度に比べ大きいことを特徴とする積層型太陽電池装置。
【請求項２】
前記活性層の積層順序が光入射側より非晶質シリコン系層、微結晶シリコンアロイ層、微結晶シリコン層で構成され、前記微結晶シリコンアロイ層の禁制帯幅は、微結晶シリコン層よりも狭いことを特徴とする請求項１に記載の積層型太陽電池装置。
【請求項３】
非晶質シリコン系層は非晶質シリコン、微結晶シリコンアロイ層は微結晶シリコンゲルマニウムからなることを特徴とする請求項２に記載の積層型太陽電池装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高効率な積層型太陽電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
積層型の太陽電池装置においては、光入射側より各発電に寄与する活性層（発電層）を禁制帯幅（バンドギャップ）の広い順に積層している。これは狭いバンドギャップを持つ発電層がより長波長の光も吸収して発電できるため、各層の光感度を考慮してのことである。
【０００３】
例えば、微結晶シリコン系の材料においては、微結晶シリコン（Ｓｉ）と微結晶シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）の組み合わせを考える。微結晶シリコンゲルマニウムの光吸収係数は微結晶シリコンに比べて高く、より薄膜で同等の電流が得られるが、低い出力電圧を補うために、積層型太陽電池装置への応用が必須である。
【０００４】
従来の考え方では光入射側より微結晶シリコン太陽電池セル、微結晶シリコンゲルマニウム太陽電池セル、もしくは非晶質シリコン太陽電池セルとの組み合わせを加えて、非晶質シリコン層、微結晶シリコン層、微結晶シリコンゲルマニウム層と積層することが一般的であった。
【０００５】
図２に従来の積層型太陽電池装置の構造を示す。図２に示すように、ガラス基板２１上に、透明電極膜２２として酸化錫（ＳｎＯ2）層が形成される。この透明電極膜２２は酸化錫の形成条件により表面に光閉じ込め効果に適した凹凸が形成されている。この透明電極膜２２上に第１の発電層として、非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）を発電層とする非晶質シリコン太陽電池セル２３が形成されている。そして、この非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）太陽電池セル２３上に第２の発電層として、微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）を発電層（ｉ層）とする微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）太陽電池セル２４が形成されている。この微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）セル２４上に第３の発電層として微結晶シリコンゲルマニウム（μｃ−ＳｉＧｅ）を発電層（ｉ層）としてする微結晶シリコンゲルマニウム太陽電池セル２５が形成される。この微結晶シリコンゲルマニウム太陽電池セル２５上に裏面電極２６として銀がスパッタ法により形成され、積層型太陽電池装置が構成されている。
【０００６】
上記したように、光入射側の非晶質シリコン層２３は凹凸を有する透明電極膜２２上に成膜されるが、成膜と同時に透明電極膜２２に存在する凹凸は平坦化される。また、第２層として微結晶シリコン層２４を形成するが、平坦に近い非晶質シリコン層２２上に形成された微結晶シリコン層２４は凹凸度を増大しながら成膜される。しかし、第３層で微結晶シリコンゲルマニウム層２５を形成することで、再度平坦化される。この結果、裏面側での光閉じ込め効果は小さく、裏面で反射される光は第１層の非晶質シリコン２３まで指数関数的に低下することになる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記したような光入射側より発電層のバンドギャップの広い順で積層して効果があるのは、あくまでも各層界面が平面もしくは、表面形状が維持される場合であって、現実の太陽電池装置においては膜堆積と共に、凹凸が平坦化される場合や、逆に凹凸の度合いが増すような場合に必ずしも該当しない。
【０００８】
また、上記したように、微結晶シリコン系材料の場合、微結晶シリコン層は堆積が進むと凹凸度が増大する傾向があり、微結晶シリコンゲルマニウム層は平坦化する方向に堆積される傾向にある。凹凸基板上に堆積される太陽電池装置においては、太陽電池装置内の光吸収は一部分に偏ることがわかっているので、各層の形状が平坦か、凹凸かで、各層内での光吸収のされ方が異なる。したがって、より効果的に最大の電流が得られるような太陽電池装置の設計は、これらの形状の違いを考慮した設計をしなければならず、従来のように、単に、光入射側より各発電層のバンドギャップの広い順に積層する考え方は当てはまらない。
【０００９】
この発明は、上記した事情に鑑みなされたものにして、微結晶シリコン系材料を用いた場合に、より効率的に電流を得るための積層型太陽電池構造を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明は、ガラス基板上に透明電極膜と、前記透明電極膜上に順次積層された３層の太陽電池セルと、前記太陽電池セル上に形成された裏面電極と、を有する積層型光起電力装置において、前記３層の太陽電池セルのうち前記裏面電極側に位置する太陽電池セルにおける活性層は、微結晶シリコンで形成され、この微結晶シリコンを含む太陽電池セルの前段の光入射側に位置する太陽電池セルの活性層は、前記微結晶シリコンよりも狭い禁制帯幅を有する非晶質シリコン系材料もしくは微結晶シリコンアロイで形成され、前記微結晶シリコンの前記裏面電極側の表面の凹凸度は、前記前段の太陽電池セルの前記裏面側電極側の表面の凹凸度に比べ大きいことを特徴とする。
【００１１】
発電に寄与する活性層の積層順序が光入射側より非晶質シリコン系層、微結晶シリコンアロイ層、微結晶シリコン層で構成され、前記微結晶シリコンアロイ層の禁制帯幅は、微結晶シリコン層よりも狭いことを特徴とする。
【００１２】
前記非晶質シリコン系層は非晶質シリコン、微結晶シリコンアロイ層は微結晶シリコンゲルマニウムを用いればよい。
【００１３】
上記の構成によれば、裏面電極との界面付近で凹凸度の増大により、効果的に光の散乱、反射が起こる。この微結晶シリコン層の中では、シリコン側から電極方向を見て凹凸の凸部分で光が閉じ込められ、光の吸収量は指数関数で予想されるよりも多く吸収される。この結果、より高い電流値を薄い膜厚で得られることができるので、性能と生産性の両面から改善することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態につき図１を参照して説明する。図１は、この発明による積層型太陽電池装置の構造を示す模式的断面図である。
【００１５】
ガラス基板上１に透明電極膜２として酸化錫（ＳｎＯ2）層あるいは酸化亜鉛（ＺｎＯ）層が堆積されている。この透明電極膜２は表面に凹凸が形成されている。この透明電極膜２上に第１の発電層としてｉ型非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）層を有する非晶質シリコン系太陽電池セル層３が形成される。非晶質シリコン層は、成膜と同時に透明電極膜２に存在する凹凸は平坦化される。
【００１６】
この平坦に近い非晶質シリコン系太陽電池セル層３上に第２の発電層としてｉ型微結晶シリコンゲルマニウム（μｃ−ＳｉＧｅ）を有する微結晶シリコンゲルマニウム太陽電池セル層４が設けられる。
【００１７】
この微結晶シリコンゲルマニウム太陽電池セル層４上に第３の発電層としてｉ型微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）を有する微結晶シリコン太陽電池セル層５が設けられる。この微結晶シリコン層は凹凸度を増大しながら成膜される。
【００１８】
この微結晶シリコン太陽電池セル層５上に銀（Ａｇ）などの裏面電極６がスパッタ法により形成される。この微結晶シリコン層５と裏面電極６との界面付近は凹凸度の増大により、効果的に光の散乱、反射が起こる。この結果、この層５の中では、シリコン側から電極方向を見て凹凸の凸部分で光が閉じ込められる。
【００１９】
図１に示すように、光入射側の非晶質シリコン系太陽電池セル層３を構成する非晶質シリコン膜は凹凸を有する透明電極膜２上に成膜されるが、成膜と同時に透明電極膜２に存在する凹凸は平坦化される。
【００２０】
上述したように、光入射側での凹凸は応用物理第６９巻第７号６８４ページに示されるように、短波長側での反射の低減に効果があるが、光閉じ込めにはあまり効果はないことがわかっており、光の吸収の分布はほぼ指数関数で近似してよい。その次に、第２層として微結晶シリコンゲルマニウム太陽電池セル層４を構成する微結晶シリコンゲルマニウム膜を形成するが、平坦に近い非晶質シリコン層３上に形成された微結晶シリコンゲルマニウム層４中では光の吸収は光の進行方向に指数関数的に減少する。
【００２１】
微結晶シリコンゲルマニウムは第３層の微結晶シリコンに比べ吸収係数が大きく、しかも長波長側に高い感度特性を有するので、微結晶シリコンを第２層に使用する場合よりも小さな膜厚で所望の電流が得られる。したがって、第３層の微結晶シリコン層５へ透過される光の絶対量が大きくできる。微結晶シリコン太陽電池セル層５を構成する微結晶シリコン層は凹凸度を増大しながら成膜される。そして、裏面電極６との界面付近で凹凸度の増大により、効果的に光の散乱、反射が起こる結果、この微結晶シリコン層５の中では、シリコン側から電極方向を見て凹凸の凸部分で光が閉じ込められる。したがって、光の吸収量は指数関数で予想されるよりも多く吸収される。
【００２２】
上述したように、従来の方法で順次堆積した場合には、図２に示すように、微結晶シリコン層２４が凹凸化されても、第３層で微結晶シリコンゲルマニウム層２５を形成することで、再度平坦化され、裏面側での光閉じ込め効果は小さく、裏面で反射される光は第１層の非晶質シリコン層２２まで指数関数的に低下する。したがって、第２層の膜厚、第３層の膜厚共に大きくしないと第１層との電流バランスがとれない。また、厚くすることで、太陽電池装置の生産性が悪くなるばかりか、各層内でのキャリア再結合の絶対量が増えるので、太陽電池特性も低くなる。第１層を薄くして電流バランスをとったとしても、電流は潜在的な能力として得られる期待値よりも小さな値となる。
【００２３】
このように、この発明の構造を採用することにより、より高い電流値を薄い膜厚で得られることができるので、性能と生産性の両面から改善することができる。
【００２４】
図１を用いて、この発明の具体的実施の形態について以下に説明する。
【００２５】
ガラス基板上１に透明電極膜２として酸化錫層あるいは酸化亜鉛層を堆積した上に第１の発電層として非晶質シリコン太陽電池セル層１を形成した。この実施形態では、透明電極膜２として酸化錫層を用いた。酸化錫は、形成条件により表面に光閉じ込め効果に適した凹凸が形成される。非晶質シリコン太陽電池セル層３の形成条件を表１に示す。
【００２６】
【表１】
0004243050.tif 000002
【００２７】
次に、微結晶シリコンゲルマニウムを発電層に持つ微結晶シリコンゲルマニウム太陽電池セル層４を形成した。形成条件を表２に示す。
【００２８】
【表２】
0004243050.tif 000003
【００２９】
次に、微結晶シリコンを発電層に持つ微結晶シリコン太陽電池セル層５を形成した。形成条件を表３に示す。
【００３０】
【表３】
0004243050.tif 000004
【００３１】
最後に裏面電極６として銀をスパッタ法にて形成し、太陽電池装置を完成させた。上記条件を用いて各太陽電池セル層の膜厚を最適化させたときの太陽電池特性を表４に示す。
【００３２】
【表４】
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【００３３】
この時の微結晶シリコン及び微結晶シリコンゲルマニウム層の膜厚は従来例では１．５μｍ、０．６μｍであり、この発明では１．３μｍ、０．５μｍであった。この発明構造により、堆積時間を律速する微結晶シリコン及びシリコンゲルマニウム層の膜厚を小さくしてかつ、より高い変換効率が得られることが確認された。
【００３４】
また、本実施形態では形成温度が基板側より徐々に高温になっていっているが、そのことによる最も低い温度で作成した非晶質シリコン太陽電池層への悪影響が懸念される。形成温度の最適化をすることで更に高い値も期待できる。
【００３５】
また、裏面側の微結晶シリコン太陽電池層から順に、微結晶シリコンゲルマニウム太陽電池層、非晶質シリコン太陽電池層と堆積するいわゆる逆タイプの太陽電池構造としても、微結晶シリコンゲルマニウムの凹凸形状が以降の成膜の際に影響を及ぼし、良好な同様の結果が得られる。
【００３６】
さらに、この発明における、微結晶シリコンよりも狭い禁制帯幅を持つ材料は、微結晶シリコンゲルマニウムに限定されるものではなく、ＳｉＳｎなど微結晶シリコンアロイ系材料を用いてもよい。
【００３７】
また、上記した実施形態においては、光入射側の１層目の太陽電池セルに非晶質シリコンからなる発電層を用いたが、非晶質シリコンカーバイドを発電層に用いることもできる。また、非晶質シリコンカーバイトを第１層目の発電層として用いた場合、第２層目の発電層として非晶質シリコンを用いることもできる。
【００３８】
【発明の効果】
上記したように、この発明によれば、裏面電極との界面付近で凹凸度の増大により、効果的に光の散乱、反射が起こり、この層の中では、シリコン側から電極方向を見て凹凸の凸部分で光が閉じ込められ、光の吸収量は指数関数で予想されるよりも多く吸収される。この結果、より高い電流値を薄い膜厚で得られることができるので、性能と生産性の両面から改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による積層型太陽電池装置の構造を示す模式的断面図である。
【図２】従来の積層型太陽電池装置の構造を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
１  ガラス基板
２  透明電極膜
３  非晶質シリコン系太陽電池セル層
４  微結晶シリコンゲルマニウム太陽電池セル層
５  微結晶シリコン太陽電池セル層
６  裏面電極
【図１】
0004243050.tif 000006
【図２】
0004243050.tif 000007