(57)【要約】【課題】基板上に形成される太陽電池の効率を向上させるためには、基板の表面に無数の凹凸を導入し、入射した光に散乱を与える方法が考えられている。しかし、従来の方法で形成された凹凸部分では膜が捲れ上がる、あるいは角部が形成されたりと、その上に形成する光電変換層の信頼性を損なうものであった。また、形成するための装置が高価であったり、非常に大がかりになるなど産業上での利用には向いていなものであった。【解決手段】有機樹脂からなる基板表面をローラー形状の摩擦体により高速で摩擦することにより、基板の材料の一部を隆起させ基板の表面に突起物を形成した。突起物は曲面形状を有し、またその平面形状には不規則な凹凸を有するものであり、その上に下部電極膜、光電変換層、上部電極膜を順次形成して太陽電池とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機樹脂からなる平板状の基板に、下部電極膜、光電変換層および上部電極膜を順次積層してなる太陽電池において、
前記下部電極膜を形成する前記基板の表面には、断面形状が曲面形状であり、平面形状が不規則な凹凸を有する形状の突起物が、複数個形成されている
ことを特徴とする太陽電池。
【請求項２】
前記突起物は、前記基板の表面に、ランダムに配置して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記突起物は、前記基板の材料の一部が隆起して形成されたものである
ことを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記突起物は、その平面形状の幅より高さが小さい
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の太陽電池。
【請求項５】
前記突起物は、前記基板の前記下部電極膜を形成する側の面にそのほとんどが形成されている
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の太陽電池。
【請求項６】
有機樹脂からなる平板状の基板に、下部電極膜、光電変換層および上部電極膜を順次積層してなる太陽電池において、
前記下部電極膜を形成する前記基板の表面には、摩擦体で擦ることにより生じる摩擦熱により突起物が形成された
ことを特徴とする太陽電池。
【請求項７】
有機樹脂からなる平板状の基板に、下部電極膜、光電変換層および上部電極膜を積層してなる太陽電池の製造方法において、
前記基板の表面を摩擦体により摩擦することにより、基板の材料の一部を隆起させ、該基板の表面に突起物を形成する工程と、
前記突起物が形成された面に下部電極膜、光電変換層および上部電極膜を順次形成する工程と、を有する
ことを特徴とする太陽電池の製造方法。
【請求項８】
前記摩擦体は、有機物の微細な繊維を含む布材である
ことを特徴とする請求項７に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項９】
前記摩擦体は、円筒状のローラーの表面に前記布材を貼付し、ローラーを回転させることで基板表面を摩擦して形成する
ことを特徴とする請求項８に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項１０】
前記の摩擦工程は、一枚の基板に対して前記ローラーの回転による摩擦方向を変えることで、複数回行う
ことを特徴とする請求項９に記載の太陽電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射した光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は、太陽エネルギーを電気エネルギーに直接変換するものとして、多くの実用がなされているが、現在においてもその光電変換効率の向上は常に望まれている。この太陽電池の光電変換効率を向上させるため、これまで太陽電池を構成する多くの材料や製法の検討がなされてきたが、現状のシリコン系の材料本来の特性だけでは効率増加も飽和の傾向にある。
【０００３】
次になされているのが、これまでより多くの光を取り込んで、見かけ上の光電変換効率を上げようと言うものであり、吸収波長の異なる光電変換層を多層化するタンデム化の方法はこの一つの手法である。もう一つは、同じ波長の光でも太陽電池内部構造を最適化することで、これまでより多くの光を吸収させようと言うことも考えられている。
【０００４】
そこで最も効果的なのが太陽電池の基板表面をテクスチャー化して、光電変換光率を向上させる手法である。太陽電池を形成する基板の表面に無数の凹凸を導入しテクスチャー化すると、反対面から入射した光は凹凸面で散乱し、様々な方向に散乱する。これによって、太陽電池内の光の経路が長くなるとともに、多重反射を繰り返すことで使われない光が減るため、光電変換効率は上昇する。また、凹凸の形成により基板表面積が増えることから、その上に形成される光電変換層の面積も増えることとなり、やはり光電変換効率は上昇する。
【０００５】
ところが、基板表面に形成される凹凸形状は、単純にどんな凹凸を形成しても光電変換効率を向上させるという効果が得られるものではない。効果が望める凹凸形状は、その凹凸面を被覆して形成する光電変換層など膜の本来の特性を損なわないものでなくてはならない。つまり、この凹凸形状を形成することで、光電変換層の比抵抗の上昇などがあってはならない。また、基板表面への凹凸形状の導入により、光の透過率が低下することもあってはならない。さらには産業上での利用を考えると、出来るだけ容易にそして安価な工程で、所望の形状の凹凸形状を基板表面に製造出来るものが良い。
【０００６】
そこで、この様な問題を解消する基板表面のテクスチャー化の方法が開示された（例えば、特許文献１参照のこと）。この特許文献１に記載の方法では、無機物の微粒子を高速で基板に吹き付け加工するブラスト処理を利用している。この方法によれば、ブラスト処理はそれほど高価な装置を用いることなく、確実に表面を粗面化することは可能であり、フィルム基板への凹凸付与は確実に行える。
また別な方法として、プラズマ処理を利用して凹凸を形成する方法も開示されている（例えば、特許文献２参照のこと）。この特許文献２の方法は、不活性ガスを導入した真空チャンバ内にて高周波プラズマを発生させ、そのプラズマガスにより基板表面をエッチング処理し凹凸を形成する手法である。本文献によれば、ポリイミド基板表面に数１００ｎｍ大のピラミッド状凹凸が出来るとなっている。
【０００７】
さらに別な方法として、プレス加工を利用して基板表面に凹凸形状を形成する方法も開示された（例えば、特許文献３参照のこと）。この特許文献３の方法は、あらかじめ所望の凹凸形状を有している母型を用意し、プラスチック基板を加熱した状態で母型と合わせて加圧しているので、母型と反転した凹凸形状を基板に導入することが出来る。
【０００８】
【特許文献１】特開平７−１２２７６４号公報（［００１０］、第３図）
【特許文献２】特許第３２１６７５４号公報（［０００７］−［０００８］、第１図）
【特許文献３】特開２００３−２９８０８５号公報（［００３０］−［００３４］、第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
以上のように従来から各種の方法で有機樹脂基板には凹凸を形成することが提案されており、そこに光電変換層を形成することで、平坦な基板に形成するよりも変換効率を向上させたセルにすることも可能である。ただし、従来の方法にはそれぞれまだ課題が残されている。
【００１０】
特許文献１に示されているブラスト処理による加工では、微粒子を吹き付けて加工することから、形成された凹凸は深く鋭い形状のものになってしまう。そこで、文献１では処理した基板にエッチング処理やＳｉＯ２の塗布など余分な工程を加えないと、鋭さを緩和することが出来ない。さらに、ブラスト処理を有機樹脂の基板に利用すると、樹脂が捲れ上がったり、吹き付けた粒子が埋め込まれるなどの新たな問題も生じる。これらのため、１μｍ未満の薄膜の上部電極、または下部電極などを積層配置した太陽電池では、膜の断線などの不良がどうしても発生してしまう。
【００１１】
また、特許文献２に示されているプラズマ処理による加工では、ブラスト処理に比べると凹凸の大きさは小さくなるが、やはり基板を削り飛ばすという行為から、角部をもつ突起がどうしても形成され、上述したと同様に、膜の断線の原因になりやすい。さらにプラズマ処理は装置が高価であるとともに、大量の処理が難しいことから、簡易な表面処理とは言い難い。
【００１２】
さらに、特許文献３に示されているプレス加工では、母型の調整により鋭角の突起を形成しないことが可能である。しかし、そもそも母型自体を数μｍオーダーの密に並んだ凹凸に形成すること自体が非常に難しい。さらに数ｃｍ角ほどの狭い面積ならプレス加工も行えるが、数１０ｃｍほどになるとプレスをする加圧機自体を非常に大型化させないと加工が難しくなる。特に太陽電池で利用する樹脂基板は後のプロセスに耐えうるため、耐熱性も高く塑性変形しにくいＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）やＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）などを利用するため、相当な圧力が必要であり現在では工業的に利用するのは難しい。
【００１３】
そこで、本発明は上記課題を解決し、光の散乱効果や膜面積の増加効果を与えることでその変換効率を向上させることができる太陽電池とその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の目的を達成するために、本発明の太陽電池とその製造方法においては、下記に記載する手段を採用する。
【００１５】
有機樹脂からなる平板状の基板に、下部電極膜、光電変換層および上部電極膜を順次積層してなる太陽電池において、下部電極膜を形成する基板の表面には、断面形状が曲面形状であり、平面形状が不規則な凹凸を有する形状の突起物が、複数個形成されている太陽電池とする。
【００１６】
また、この突起物は、基板表面にランダムに配置されているものであり、基板の材料の
一部が隆起して形成されたものであり、また突起物は、その平面形状の幅より高さが小さく、さらに突起物は、基板の下部電極膜を形成する側の面にそのほとんどが形成されていると良い。
【００１７】
またその製造方法では、有機樹脂からなる平板状の基板に、下部電極膜、光電変換層および上部電極膜を積層してなる太陽電池の製造方法において、基板表面を摩擦体により摩擦することにより、基板の材料の一部を隆起させ、基板の表面に突起物を形成する工程と、突起物が形成された面に下部電極膜、光電変換層および上部電極膜を順次形成する工程を有する。
【００１８】
そして摩擦体は、有機物の微細な繊維を含む布材であり、さらに摩擦体は、円筒状のローラーの表面に布材を貼付し、ローラーを回転させることで基板表面を摩擦すると良い。
【００１９】
さらに摩擦工程は、一枚の基板に対してローラーの回転による摩擦方向を変えることで、複数回行うとなお良い。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の如く樹脂基板に複数の突起を形成し、その上に上下の電極と光電変換層を形成し太陽電池とすることで、入射した光は形成した突起部分により散乱をすることで、光電変換層内の長い距離を通過させることができるようになり、光電変換層自体の膜面積を実質的に増加して発電領域を増やしたと同様に、光変換効率を向上させることが出来る。
【００２１】
そして本発明の太陽電池基板に形成する突起物は、主に曲面形状をしており角部が存在しないため、その上に形成した上部電極、または下部電極からなる薄膜に断線などが生ずる危険性がなく、従来の構成より信頼性が高まる。
【００２２】
また、本発明の基板に形成する突起物は、その平面形状に凹凸を有していることから、平面形状の外周の長さが長くなり、つまりは突起の斜面部分が多くなる。これにより、単純な円や楕円などの突起物に比べると入射光が散乱する確率が増し、この上に形成した太陽電池は変換効率をさらに増加させることが出来る。
【００２３】
また、突起の平面形状の凹凸は不規則に形成されているため、斜面の方向が面内のどの方向にも異方的でないことから、形成する太陽電池のどの場所でも一定した変換効率が得られる。
【００２４】
一方、本発明の太陽電池の製造方法によれば、摩擦により表面付近のみの温度を上昇させ、基板材料を変形させているため、基板全体が熱変形などすることもなく、平滑な面に突起のみを形成することが可能となる。また、これら突起は摩擦した基板片面のみに形成されるが、その基板反対面は平滑なままであることから、この平滑な基板反対面から入射する光の光量が、ここで減衰することはない。
【００２５】
また、摩擦の工程は、ローラーに布材を貼付したような簡単な構造の摩擦体を回転することで行うことが可能であるため、処理が非常に簡単であるとともに大量生産にも適応可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施例について図を用いて説明する。
まず初めに図１を用いて、本実施例の太陽電池の構造を説明する。図１は本実施例の太陽電池の要部断面構造を示している。
【００２７】
基板１０には、厚み０．１ｍｍ程度のＰＥＴやＰＥＮなどの有機樹脂フィルムを用いている。基板１０は元々は平滑なフィルムであるが、後に説明する方法により片面に複数の突起１１が形成されている。この突起１１の断面は図１から分かるように、凸部の断面形状が主に曲面をなしており、尖った角部を有さない滑らかな形状になっている。突起１１の大きさは数μｍ〜数１０μｍであり、高さは幅より小さくなっている。そして、突起１１は基板１０の片面にのみ存在しているため、平滑な基板反対面から入射する光の光量が、ここで減衰することはない。
【００２８】
また、基板１０の突起１１がある面には、下部電極膜２０が形成されている。下部電極膜２０は、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）などの透明性導電膜からなっている。下部電極膜２０の厚さは約０．１μｍほどであるため、突起１１の大きさよりはだいぶ小さい。
【００２９】
下部電極膜２０の上には、光電変換層３０が形成されている。光電変換層３０は、ｐ型シリコン半導体とｉ型シリコン半導体とｎ型シリコン半導体との３層構造になっている。その総厚は０．５μｍ〜１μｍほどである。
【００３０】
そして、光電変換層３０の上には、上部電極膜４０が形成されている。上部電極膜４０は、アルミニウム、銀、金、プラチナ、チタンなどの金属膜で出来ており、厚みは０．５μｍほどである。ただし、ここでの金属は導電性が高く、光の反射率が大きく吸収されにくい材料が望まれる。これら基板１０に各薄膜が積層されて、本実施例の太陽電池は作られている。この様に、基板１０上に形成する膜は、突起１１にくらべてだいぶ薄いが、突起１１は高さの低いなだらかな曲面を描いているため、形成された膜がかなり薄くなり、抵抗の増加や断線が起きるという心配はない。
【００３１】
実用上は、これら積層体の上に保護膜を形成し、さらには外部引き出し用の取り出し電極を、上下の電極膜のそれぞれに形成するのであるが、本実施例を説明する上では特に必要ないので、図示していない。
【００３２】
続いて、本実施例の太陽電池に光を照射して発電するときについて、図２を用いて説明する。図２は先に示した本実施例の太陽電池に矢印で示したように外部光が侵入し、膜内で散乱する様子を示している。
【００３３】
本実施例の太陽電池に、シリコン半導体が吸収する波長の光４５が入射すると、その光４５は、光電変換層３０にて吸収されて電荷分離を起こす。この電荷分離で生成した電子は、下部電極膜２０あるいは上部電極膜４０に流れ込むことで、発電電流として利用することが出来る。
【００３４】
ここで本実施例の太陽電池では、基板１０に突起１１が形成されていることから、図に示したように光４５は散乱する。これによって、光電変換層３０には斜め方向から光４５が入射することになり、光電変換層３０を光４５が通過する距離が長くなり、光閉じ込め効果を向上させる。そこで、電荷分離を起こす確率が増えることから電流が増加する。
【００３５】
また、突起１１があることによって、図からも明らかなように、その上に形成されている膜の表面積が大きくなる。つまり、この構成によれば、発電出来る領域が増えると言うことであり、ここからも電流が増加して、発電効率という面からも向上するのである。
【００３６】
さらに、本実施例の太陽電池に用いる基板１０に形成された突起１１の平面的な構造を図３を用いて説明する。図３には、基板１０を平面的に見たその一部分が示されており、複数の突起１１の平面形状を見ることが出来る。
【００３７】
図に示すように、突起１１は単純な円や楕円の構造をしているわけではなく、その平面構造に不規則な凹凸を有している。先に図２で説明したように、外部から入射した光４５は、突起１１の斜面にて散乱する。そして、図３のように突起１１の平面構造に凹凸があることで、突起１１の外周長さが長くなり、斜面の部分も増えることから、円や楕円の突起にくらべ入射光はさらに散乱されやすくなり、太陽電池の発電効率も向上する。
【００３８】
また、平面形状の凹凸は、その大きさや方向も不規則で一定していない。従来のように、たとえばピラミッド構造のような幾何学的に形成した凹凸では、平面形状がそろってしまうことから、散乱の方向が一定となるため、入射光の入射方向依存性が出てしまう。しかしながら、本実施例のように、突起１１の平面構造の凹凸を不規則な形状にすることで、入射光依存性もなく太陽電池内のどの場所も同等の発電が出来る。
【００３９】
また、本図に示すように、これら複数個の突起１１は、規則的ではなく、基板１０表面にランダムに配列されている。この様にランダムに複数個の突起１１を配列することで、上述した入射光はさらに散乱の度合いを大きくする。
【００４０】
続いて、本実施例の太陽電池の製造方法について説明する。ここで、本実施例で利用する基板の加工方法について図４を用いて説明する。
【００４１】
まずは円筒状のローラー５１を用意し、ローラー５１の表面に実際に摩擦するための布材６０を巻き付けて固定し、摩擦体５０とする。布材６０は、摩擦力が加わったときに摩擦熱で破損したりしないよう、耐熱性の高い材料が好ましく、たとえばレーヨンなどが用いられる。摩擦体５０は、回転軸５２を中心に回転出来るようになっている。そして、可動性の基板ホルダ７０を用意し、その上にＰＥＴやＰＥＮの有機樹脂からなる基板１０を固定しておく。
【００４２】
摩擦体５０は、外部からモーターなどの力を回転軸５２に与え、図４の矢印の方向に回転させる。ここでの回転数は、約１０００回転／分ほどである。そして、この摩擦体５０に向かって、基板ホルダ７０を矢印方向に徐々に移動させ、布材６０と基板１０の表面が接触するようにする。両者が接触して、基板１０表面に摩擦力が加えられ始めてから、基板ホルダ７０を約２ｍｍ／秒の速度で移動させ、基板１０全面を摩擦処理する。なお、摩擦体５０の回転速度は基板ホルダ７０の移動速度に比べ十分早いので、その回転方向は、どちら向きでもかまわない。
【００４３】
この様な処理を経て、有機樹脂からなる基板１０は、その表面を擦られることで表面の温度が上昇し、材料のガラス転移点温度近辺やそれ以上になる。すると、有機樹脂の表面付近は流動性が大きくなり、含まれる低分子樹脂部分が膨張し表面に突起１１が形成される。ただし、この処理で発生する摩擦力は継続して加えられているため、突起１１はある程度つぶされて、断面形状がなだらかな凸形状となるとともに、平面形状は不規則な凹凸が形成される。
【００４４】
なお、この摩擦工程は１回の処理で終了しても良いが、さらに突起１１を複雑な形状にするためには、基板１０の向きを、図示した方向に対し９０度回転させたのち、２回目の摩擦処理を行うとなお良い。この２回の摩擦工程を経て、図３に示した複雑な平面形状を有する理想的な突起１１を複数個ランダムに配した基板１０を、得ることができる。
【００４５】
前述したように、樹脂基板１０は温度が上昇することで突起１１が形成出来るため、基板１０全体を電気炉などで加熱することも考えられる。しかし、積層体の全体を加熱すると、薄い基板１０は変形してしまい、必要のない裏面にまでも突起が形成されてしまう。本実施例の摩擦による処理は、突起を片面のみに形成することから、反対面は平滑なまま
であり光入射に対して影響を与えることはなく、局所的な突起１１形成法としても優れている手法である。
【００４６】
以上のように、本実施例の製造方法における、基板１０への突起１１形成工程は、ローラー５１と布材６０という非常に簡単な構造の装置により達成出来、高価な真空装置なども必要ないことから、処理が簡単であるとともに、太陽電池の大量生産にも適応可能な方法である。
【００４７】
以上の工程で、複数の突起１１を形成した基板１０に、下部電極膜２０を形成する。下部電極膜２０にはＩＴＯを利用するが、スパッタリング等の真空装置を用いて約０．１μｍの薄膜として形成する。
【００４８】
続いて、下部電極膜２０の上に、光電変換層３０を形成する。光電変換層３０は、先に示した３層のシリコン膜からなっている。まず、シラン系ガスを導入したプラズマＣＶＤ装置を用い、ホウ素系のドーピングガスを導入してｐ型半導体層を形成する。続いてドーピングガスは導入せずにｉ型半導体層を形成し、最後にリン系のドーピングガスを導入してｎ型半導体層を形成する。光電変換層３０の総厚は０．５μｍ〜１μｍほどである。
【００４９】
そして最後に、その光電変換層３０上に上部電極膜４０を形成する。上部電極膜４０は金属材料をターゲットとしたスパッタリング法を用いて約０．５μｍの膜として形成する。
【００５０】
以上によって本実施例の太陽電池は作成出来るが、装置に組み込んだりするためには、このあと上部電極４０の上には図示しない保護膜の形成や、引き出し電極の形成が必要となる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施形態における太陽電池を示した断面図である。
【図２】本発明の実施形態における太陽電池内での光の進行を説明する断面図である。
【図３】本発明の実施形態における太陽電池に用いる基板に形成した突起の平面図である。
【図４】本発明の実施形態における太陽電池に用いる基板に突起を形成する方法を示した斜視図である。
【符号の説明】
【００５２】
１０  基板
１１  突起
２０  下部電極膜
３０  光電変換層
４０  上部電極膜
４５  光
５０  摩擦体
５１  ローラー
５２  回転軸
６０  布材
７０  基板ホルダ
【図１】
2009302109.tif 000003
【図２】
2009302109.tif 000004
【図３】
2009302109.tif 000005
【図４】
2009302109.tif 000006