(57)【要約】【課題】透明導電層を最適化することによって、光電変換装置の短絡電流を向上させる。【解決手段】基板１上に第１透明電極層２と、発電層３と、第２透明電極層６と、裏面電極層４とを備える光電変換装置１００であって、前記第２透明電極層６の膜厚が８０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、波長６００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の領域における前記第２透明電極層６の光吸収率が１．５％以下であることを特徴とする光電変換装置。及び、前記第２透明電極層６の膜厚が８０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、前記第２透明電極層６及び前記裏面電極層４で反射された光の反射率が、波長６００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の領域で９１％以上であることを特徴とする光電変換装置。【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透明電極層と、発電層と、第２透明電極層と、裏面電極層とを備える光電変換装置であって、
前記第２透明電極層の膜厚が８０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、
波長６００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の領域における前記第２透明電極層の光吸収率が１．５％以下であることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
基板上に第１透明電極層と、発電層と、第２透明電極層と、裏面電極層とを備える光電変換装置であって、
前記第２透明電極層の膜厚が８０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、
前記第２透明電極層と前記発電層との界面及び前記第２透明電極層と前記裏面電極層との界面で反射された光の反射率が、波長６００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の領域で９１％以上であることを特徴とする光電変換装置。
【請求項３】
前記発電層が、結晶質シリコンｉ層を含む請求項１または請求項２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記発電層が、２以上の電池層を備え、
１つの電池層と該１つの電池層に最も近い他の電池層との間に設けられた中間コンタクト層を少なくとも１つ有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記発電層が単一の電池層からなり、該電池層が非晶質シリコンｉ層を有し、
波長６００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の領域における前記第２透明電極層の光吸収率が１．０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記発電層が単一の電池層からなり、該電池層が非晶質シリコンｉ層を有し、
前記第２透明電極層と前記発電層との界面及び前記第２透明電極層と前記裏面電極層との界面で反射された光の反射率が、波長６００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の領域で９１％以上であることを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
【請求項７】
前記裏面電極層が、銀薄膜、アルミ薄膜、金薄膜、銅薄膜の中から選択される１種類以上の薄膜を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置に関し、特に発電層としてシリコンを用いる太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
光を受光して電力に変換する光電変換装置として、太陽電池が知られている。太陽電池の中でも、例えば発電層（光電変換層）に薄膜シリコン系の層を積層させた薄膜系太陽電池は、大面積化が容易である、膜厚が結晶系太陽電池の１／１００程度と薄く、材料が少なくて済む、などの利点がある。このため、薄膜シリコン系太陽電池は、結晶系太陽電池と比較して低コストでの製造が可能となる。しかしながら、薄膜シリコン系太陽電池の短所としては、変換効率が結晶系に比べて低いことが挙げられる。
【０００３】
薄膜系太陽電池において、変換効率、すなわち、出力電力を増加させるために、種々の工夫がなされてきた。例えば、吸収波長帯域が異なる光電変換セルを２段重ねることによって、入射光を効率良く吸収させて高い発電効率を得るタンデム型太陽電池が提案されている。この場合、光電変換セルの結晶質シリコンにおいて波長６００ｎｍから１０００ｎｍの長波長光が吸収されるが、同波長域での結晶質シリコンの吸収係数が小さいために、太陽電池内で入射光を反射させて光路長を長くし、結晶質シリコンでの光吸収量を増大させる必要がある。このため、透明基板側から太陽光が入射するスーパーストレート型においては、発電層に対して光入射側と反対側の裏面構造の改良が検討されてきた。
【０００４】
特許文献１には、裏面構造として、太陽光の放射スペクトルの波長域の光に対して高い反射率を示す金属で背面電極を形成し、背面電極とシリコン半導体層との間に透明導電層を形成することが開示されている。透明導電層を形成することによって、背面電極材料とシリコン薄膜とが合金化するのを防止して背面電極の高反射率を維持し、変換効率の低下を防止することができる。
【特許文献１】特公昭６０−４１８７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来は、上記透明導電層の製膜条件の適正化が未達であり、透明導電層の内部透明性に問題があった。従来、上記透明導電層の製膜条件を設定する際に、一般的に導電性を重視し、内部透明性が犠牲になる傾向があった。ここで、導電性と内部透明性は背反事象であることが良く知られている。上記透明導電層を形成した場合、透明導電層による光吸収が損失となり、太陽電池の短絡電流低下の原因となっていた。このため、透明導電層の透明性を改善して、太陽電池の短絡電流を向上させることが課題となっていた。
【０００６】
本発明は、透明導電層を最適化することによって、光電変換装置の短絡電流を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の光電変換装置は、基板上に第１透明電極層と、発電層と、第２透明電極層と、裏面電極層とを備える光電変換装置であって、前記第２透明電極層の膜厚が８０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、波長６００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の領域における前記第２透明電極層の光吸収率が１．５％以下であることを特徴とする。
【０００８】
第２透明電極層の膜厚を増加させると、発電層と裏面電極層との距離が大きくなるので、裏面電極層表面での光吸収を抑制することができる。この理由は、第２透明電極層の膜厚増に応じて、裏面電極層の内部に染み込む光の電界強度分布が浅くかつ小さくなり、裏面電極層での光吸収量が減少するためである。一方で、従来の第２透明電極層は光吸収率が大きいために、第２透明電極層の膜厚を増加させた場合に裏面電極層で反射され発電層に到達する光の光量が減少する。
最適な第２透明電極層の膜厚及び光学特性を検討した結果、第２透明電極層の膜厚が８０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、波長６００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の領域における第２透明電極層の光吸収率が１．５％以下である光電変換装置とすることにより、裏面電極層表面での光吸収を低減させるとともに、第２透明電極層での光吸収も低減させることができる。この結果、発電層で吸収される光の光量を増大させ、発電層での短絡電流を増加させることができる。
【０００９】
また、本発明の光電変換装置は、基板上に第１透明電極層と、発電層と、第２透明電極層と、裏面電極層とを備える光電変換装置であって、前記第２透明電極層の膜厚が８０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、前記第２透明電極層と前記発電層との界面及び前記第２透明電極層と前記裏面電極層との界面で反射された光の反射率が、波長６００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の領域で９１％以上であることを特徴とする。
【００１０】
このように、最適な第２透明電極層の膜厚及び光学特性を検討した結果、第２透明電極層の膜厚が８０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、前記第２透明電極層と前記発電層との界面及び前記第２透明電極層と前記裏面電極層との界面で反射された光の反射率が、波長６００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の領域で９１％以上である光電変換装置とすることにより、裏面電極層表面での光吸収を低減させるとともに、第２透明電極層での光吸収も低減させることができる。この結果、発電層での短絡電流を増加させることが可能となる。
【００１１】
上記発明において、前記発電層が、結晶質シリコンｉ層を含むことが好ましい。結晶質シリコンは、波長６００ｎｍから１０００ｎｍの領域の光を吸収する。従って、波長６００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の領域において、第２透明電極層の光吸収率が１．５％以下、または、第２透明電極層及び裏面電極層で反射された光の反射率が９１％以上であれば、結晶質シリコンでの光吸収量を増大させることができるので、光電変換装置の短絡電流が更に向上する。
【００１２】
この場合、前記発電層が、２以上の電池層を備え、１つの電池層と該１つの電池層に最も近い他の電池層との間に設けられた中間コンタクト層を少なくとも１つ有してもよい。
【００１３】
中間コンタクト層は光閉じ込め増強効果がある。中間コンタクト層を設けることにより、裏面電極層及び第２透明電極層からの反射光を増加させることができ、短絡電流向上効果が高くなる。
【００１４】
上記発明において、前記発電層が単一の電池層からなり、該電池層が非晶質シリコンｉ層を有し、波長６００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の領域における前記第２透明電極層の光吸収率が１．０％以下であることが好ましい。
【００１５】
非晶質シリコンは、波長６００ｎｍから１０００ｎｍの領域の光を吸収する。このように、発電層が非晶質シリコンｉ層を有する単一の電池層からなる光電変換装置においては、波長６００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の領域で、第２透明電極層の光吸収率が１．０％以下であれば、非晶質シリコンでの光吸収量を増大させることができる。この結果、光電変換装置の短絡電流を増加させることができる。
【００１６】
上記発明において、前記発電層が単一の電池層からなり、該電池層が非晶質シリコンｉ層を有し、前記第２透明電極層と前記発電層との界面及び前記第２透明電極層と前記裏面電極層との界面で反射された光の反射率が、波長６００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の領域で９１％以上であることが好ましい。これにより、発電層が非晶質シリコンｉ層を有する単一の電池層からなる光電変換装置において、非晶質シリコンでの光吸収量を増大させることができ、光電変換装置の短絡電流を増加させることができる。
【００１７】
上記発明において、前記裏面電極層が、銀薄膜、アルミ薄膜、金薄膜、銅薄膜の中から選択される１種類以上の薄膜を備えることが好ましい。
列挙した薄膜は反射率が高いため、発電層で吸収される光の光量を増大させ、発電層での短絡電流を増加させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の光電変換装置は、第２透明電極層の膜厚が８０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、波長６００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の領域における第２透明電極層の光吸収率が１．５％以下であるため、発電層での光吸収量が増大し、高い短絡電流を示す光電変換装置となる。
また、本発明の光電変換装置は、第２透明電極層の膜厚が８０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、前記第２透明電極層と前記発電層との界面及び前記第２透明電極層と前記裏面電極層との界面で反射された光の反射率が、波長６００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の領域で９１％以上であるため、発電層での光吸収量が増大し、高い短絡電流を示す光電変換装置となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の光電変換装置の実施形態の構成について説明する。
図１は、本実施形態に係る光電変換装置の構成を示す概略図である。光電変換装置１００は、シリコン系太陽電池であり、基板１、第１透明電極層２、発電層３としての第１電池層９１（非晶質シリコン系）及び第２電池層９２（結晶質シリコン系）、裏面構造として第２透明電極層６及び裏面電極層４を備える。なお、ここで、シリコン系とはシリコン（Ｓｉ）やシリコンカーバイト（ＳｉＣ）やシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）を含む総称である。また、結晶質シリコン系とは、非晶質シリコン系以外のシリコン系を意味するものであり、微結晶シリコンや多結晶シリコン系も含まれる。
【００２０】
次に、本実施形態の光電変換装置として、太陽電池パネルを製造する工程を図２から図５を用いて説明する。
【００２１】
（１）図２（ａ）
基板１としてソーダフロートガラス基板（例えば、１．４ｍ×１．１ｍ×板厚：３〜６ｍｍの一辺が１ｍを超える大面積基板）を使用する。基板端面は熱応力や衝撃などによる破損防止にコーナー面取りやＲ面取り加工されていることが望ましい。
【００２２】
（２）図２（ｂ）
第１透明電極層２として酸化錫（ＳｎＯ２）を主成分とする膜厚約５００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の透明電極膜を、熱ＣＶＤ装置にて約５００℃で製膜する。この際、透明電極膜の表面には、適当な凹凸のあるテクスチャが形成される。第１透明電極層２として、透明電極膜に加えて、基板１と透明電極膜との間にアルカリバリア膜（図示されず）を形成しても良い。アルカリバリア膜は、膜厚５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の酸化シリコン膜（ＳｉＯ２）を熱ＣＶＤ装置にて約５００℃で製膜する。
【００２３】
（３）図２（ｃ）
その後、基板１をＸ−Ｙテーブルに設置して、ＹＡＧレーザーの第１高調波（１０６４ｎｍ）を、図の矢印に示すように、第１透明電極層の層面側から入射する。加工速度が適切となるようにレーザーパワーを調整して、透明電極膜を発電セルの直列接続方向に対して垂直な方向へ、基板１とレーザー光を相対移動して、溝１０を形成するように幅約６ｍｍから１５ｍｍの所定幅の短冊状にレーザーエッチングする。
【００２４】
（４）図２（ｄ）
第１電池層９１として、非晶質シリコン薄膜からなるｐ層、ｉ層及びｎ層を、プラズマＣＶＤ装置により製膜する。ＳｉＨ４ガス及びＨ２ガスを主原料にして、減圧雰囲気：３０Ｐａ以上１０００Ｐａ以下、基板温度：約２００℃にて、第１透明電極層２上に太陽光の入射する側から非晶質シリコンｐ層３１、非晶質シリコンｉ層３２、非晶質シリコンｎ層３３の順で製膜する。非晶質シリコンｐ層３１は非晶質のＢドープシリコン膜であり、膜厚１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。非晶質シリコンｉ層３２は、膜厚２００ｎｍ以上３５０ｎｍ以下である。非晶質シリコンｎ層３３はＰドープ非晶質シリコン膜であり、膜厚３０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。非晶質シリコンｎ層３３に代えて、結晶質シリコン膜を形成しても良く、あるいは、非晶質シリコン膜と結晶質シリコン膜との積層構造としても良い。非晶質シリコンｐ層３１と非晶質シリコンｉ層３２の間には、界面特性の向上のためにバッファー層を設けても良い。
【００２５】
第１電池層９１上に、第２電池層９２として結晶質シリコン薄膜からなるｐ層、i層及びｎ層を、プラズマＣＶＤ装置により製膜する。ＳｉＨ４ガス及びＨ２ガスを主原料にして、減圧雰囲気：３０００Ｐａ以下、基板温度：約２００℃、プラズマ発生周波数：４０ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下にて、結晶質シリコンｐ層４１、結晶質シリコンｉ層４２、結晶質シリコンｎ層４３の順で製膜する。
【００２６】
結晶質シリコンｐ層４１はＢドープした結晶質シリコン膜であり、膜厚１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。結晶質シリコンｉ層４２の膜厚は、１．２μｍ以上３．０μｍ以下である。結晶質シリコンｎ層４３はＰドープした結晶質シリコン膜であり、膜厚２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。
【００２７】
本実施形態において、第１電池層９１上に、第１電池層９１と第２電池層９２との接触性を改善するとともに電流整合性を取るために半反射膜となる中間コンタクト層５を形成しても良い。中間コンタクト層５として、ＤＣスパッタリング装置により、ターゲット：ＧａドープＺｎＯ焼結体を用いて、膜厚２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下のＧＺＯ（ＧａドープＺｎＯ）膜を形成する。
【００２８】
（５）図２（ｅ）
基板１をＸ−Ｙテーブルに設置して、レーザーダイオード励起ＹＡＧレーザーの第２高調波（５３２ｎｍ）を、図の矢印に示すように、光電変換層３の膜面側から入射する。パルス発振：１０ｋＨｚ以上２０ｋＨｚ以下として加工速度に適切となるようにレーザーパワーを調整して、第１透明電極層２のレーザーエッチングラインの約１００μｍから１５０μｍの横側を、溝１１を形成するようにレーザーエッチングする。またこのレーザーは基板１側から入射しても良い。この場合は光電変換層３の第１電池層９１で吸収されたエネルギーで発生する高い蒸気圧を利用できるので、更に安定したレーザーエッチング加工を行うことが可能となる。レーザーエッチングラインの位置は前工程でのエッチングラインと交差しないように位置決め公差を考慮して選定する。
【００２９】
（６）図３（ａ）
第２電池層９２の結晶質シリコンｎ層４３上に、順に第２透明電極層６及び裏面電極層４を形成する。
第２透明電極層６として、スパッタリング装置により、ターゲット：ＧａドープＺｎＯ焼結体を用いて、放電ガス：アルゴン及び酸素、酸素分圧：０．５％以上２％以下、基板温度２０℃以上２００℃以下の条件で、ＧＺＯ膜を製膜する。第２透明電極層６の膜厚は、８０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは９０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、とする。
上記のように、本実施形態では、酸素を導入しながらＧＺＯ膜を製膜することによって、第２透明電極層の透明性を向上させる。
なお、酸素分圧の適正値は、第２透明電極層の吸収率と導電性を計測し、設定する。すなわち、酸素分圧が高すぎると吸収率は小さくなるが、導電性が悪化し、透明電極層として機能しなくなる。酸素分圧が低すぎると、導電性は良好となるが、吸収率が悪化する。
【００３０】
太陽電池の第２透明電極層の膜厚は、切断、研磨、集束イオンビーム（ＦＩＢ）加工などにより太陽電池断面を露出させた後、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）または透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて断面を観察して測定する。
【００３１】
裏面電極層４として、スパッタリング装置により、ターゲット：Ａｇ、放電ガス：アルゴン、製膜温度：約１５０℃にて銀薄膜を製膜する。あるいは、裏面電極層４として、銀薄膜：２００〜５００ｎｍ、これを保護するものとして防食効果の高いチタン薄膜：１０〜２０ｎｍを順に積層して、銀薄膜／チタン薄膜の積層膜を形成しても良い。この場合は、基板側に銀薄膜が設置される層構成とする。
裏面電極層４として、アルミ薄膜、金薄膜、または銅薄膜を形成することも可能である。特に、アルミ薄膜を形成する場合は、材料コストを大幅に削減できるため好ましい。また、例えば、銀薄膜／アルミ薄膜の積層膜からなる裏面電極層を形成しても良い。
【００３２】
本実施形態において、波長６００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の領域における第２透明電極層７の光吸収率は、１．５％以下、好ましくは０．２％以下とされる。また、波長６００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の領域において、第２透明電極層と発電層との界面及び第２透明電極層と裏面電極層との界面で反射された光の反射率は、９１％以上、好ましくは９３％以上とされる。
【００３３】
（７）図３（ｂ）
基板１をＸ−Ｙテーブルに設置して、レーザーダイオード励起ＹＡＧレーザーの第２高調波（５３２ｎｍ）を、図の矢印に示すように、基板１側から入射する。レーザー光が光電変換層３で吸収され、このとき発生する高いガス蒸気圧を利用して裏面電極層４が爆裂して除去される。パルス発振：１ｋＨｚ以上１０ｋＨｚ以下として加工速度に適切となるようにレーザーパワーを調整して、透明電極層２のレーザーエッチングラインの約２５０μｍから４００μｍの横側を、溝１２を形成するようにレーザーエッチングする。
【００３４】
（８）図３（ｃ）
発電領域を区分して、基板端周辺の膜端部においてレーザーエッチングによる直列接続部分が短絡し易い影響を除去する。基板１をＸ−Ｙテーブルに設置して、レーザーダイオード励起ＹＡＧレーザーの第２高調波（５３２ｎｍ）を、基板１側から入射する。レーザー光が透明電極層２と光電変換層３とで吸収され、このとき発生する高いガス蒸気圧を利用して裏面電極層４が爆裂して、裏面電極層４／光電変換層３／透明電極層２が除去される。パルス発振：１ｋＨｚ以上１０ｋＨｚ以下として加工速度に適切となるようにレーザーパワーを調整して、基板１の端部から５ｍｍから２０ｍｍの位置を、図３（ｃ）に示すように、Ｘ方向絶縁溝１５を形成するようにレーザーエッチングする。このとき、Ｙ方向絶縁溝は後工程で基板１周囲領域の膜面研磨除去処理を行うので、設ける必要がない。
【００３５】
絶縁溝１５は基板１の端より５ｍｍから１０ｍｍの位置にてエッチングを終了させることにより、太陽電池パネル端部からの太陽電池モジュール７内部への外部湿分浸入の抑制に、有効な効果を奏するので好ましい。
【００３６】
尚、以上までの工程におけるレーザー光はＹＡＧレーザーとしているが、ＹＶＯ４レーザーやファイバーレーザーなどが同様に使用できるものがある。
【００３７】
（９）図４（ａ）
後工程のＥＶＡ等を介したバックシート２４との健全な接着・シール面を確保するために、基板１周辺（周囲領域１４）の積層膜は、段差があるとともに剥離し易いため、積層膜を除去する。基板１の端から５ｍｍから２０ｍｍで基板１の全周囲にわたり、Ｘ方向は前述の図３（ｃ）工程で設けた絶縁溝１５よりも基板端側において、Ｙ方向は基板端側部付近の溝１０よりも基板端側において、裏面電極層４／光電変換層３／透明電極層２を、砥石研磨やブラスト研磨などを用いて除去を行う。研磨屑や砥粒は基板１を洗浄処理して除去する。
【００３８】
（１０）図４（ｂ）
端子箱取付け部分はバックシート２４に開口貫通窓を設けて集電板を取出す。この開口貫通窓部分には絶縁材を複数層設置して外部からの湿分などの浸入を抑制する。
【００３９】
直列に並んだ一方端の太陽電池発電セルと、他方端部の太陽電池発電セルとから銅箔を用いて集電して太陽電池パネル裏側の端子箱部分から電力が取出せるように処理する。銅箔は各部との短絡を防止するために銅箔幅より広い絶縁シートを配置する。
【００４０】
集電用銅箔などが所定位置に配置された後に、太陽電池モジュール７の全体を覆い、基板１からはみ出さないようにＥＶＡ（エチレン酢酸ビニル共重合体）等による接着充填材シートを配置する。
【００４１】
ＥＶＡの上に、防水効果の高いバックシート２４を設置する。バックシート２４は本実施形態では防水防湿効果が高いようにＰＥＴシート／ＡＬ箔／ＰＥＴシートの３層構造よりなる。
【００４２】
バックシート２４までを所定位置に配置したものを、ラミネータにより減圧雰囲気で内部の脱気を行い約１５０℃から１６０℃でプレスしながら、ＥＶＡを架橋させて密着させる。
【００４３】
（１１）図５（ａ）
太陽電池モジュール７の裏側に端子箱２３を接着剤で取付ける。
【００４４】
（１２）図５（ｂ）
銅箔と端子箱２３の出力ケーブルとをハンダ等で接続し、端子箱内部を封止剤（ポッティング剤）で充填して密閉する。これで太陽電池パネル５０が完成する。
【００４５】
（１３）図５（ｃ）
図５（ｂ）までの工程で形成された太陽電池パネル５０について発電検査ならびに、所定の性能試験を行う。発電検査は、ＡＭ１．５、全天日射基準太陽光（１０００Ｗ／ｍ２）のソーラシミュレータを用いて行う。
【００４６】
（１４）図５（ｄ）
発電検査（図５（ｃ））に前後して、外観検査をはじめ所定の性能検査を行う。
【００４７】
上記膜厚の第２透明電極層を形成することによって、発電層であるシリコンと裏面電極層である銀薄膜との距離を大きくし、銀薄膜表面での吸収を低減させる。
【００４８】
本実施形態の太陽電池は、第２透明電極層の膜厚が８０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とされる。また、波長６００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の領域における第２透明電極層の光吸収率が１．５％以下、あるいは、波長６００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の領域において、第２透明電極層と発電層との界面及び第２透明電極層と裏面電極層との界面で反射された光の反射率が９１％以上とされる。このように、第２透明電極層が膜厚８０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、かつ、高い透明性を有することによって、発電層と裏面電極層である銀薄膜との距離を大きくして銀薄膜表面での吸収が低減するとともに、第２透明電極層での光損失が低減する。この結果、第２電池層で吸収される光の光量が増大し、太陽電池の短絡電流が増加する。
【００４９】
上記実施形態では、タンデム型太陽電池を例に挙げて説明したが、本発明は非晶質シリコンシングル太陽電池、結晶質シリコンシングル太陽電池、結晶質ＳｉＧｅシングル型太陽電池、トリプル型太陽電池にも適用可能である。
【００５０】
特に、電池層が非晶質シリコンｉ層を有する非晶質シリコンシングル太陽電池の場合、波長６００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の領域における第２透明電極層の光吸収率が１．０％以下、あるいは、波長６００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の領域において、第２透明電極層と発電層との界面及び第２透明電極層と裏面電極層との界面で反射された光の反射率が９１％以上とされる。これにより、非晶質シリコンシングル型太陽電池においても、第２透明電極層での光損失が低減する。この結果、電池層で吸収される光の光量が増大して、太陽電池の短絡電流が増加する。
【実施例】
【００５１】
（光学薄膜計算）
光吸収特性（透明性）が（Ａ）：光吸収率小、（Ｂ）：光吸収率中程度、（Ｃ）：光吸収率大のＧＺＯ膜を形成したモデルについて、フレネル反射に基づく光学薄膜干渉計算を行った。計算ソフトは、サイバネット社のＯＰＴＡＳ−ＦＩＬＭを使用した。ガラス及び銀薄膜の媒質データは、公知文献に記載のデータを用いた。ＧＺＯ膜の媒質データは、ガラス上に形成したＧＺＯ膜を光学計測して求めた。結晶質シリコンの媒質データは、公知文献に記載の単結晶Ｓｉのデータを用いた。空気は、屈折率１、消衰係数０とした。
【００５２】
ガラス基板上に光吸収特性がそれぞれ（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）のＧＺＯ膜を形成した構造モデル（構造モデル１）の吸収率スペクトルを計算した。ここで、ガラス基板及びＧＺＯ膜は平滑であると仮定した。構造モデル１では、空気側で発生した光がＧＺＯ膜に入射し、一部が空気側に反射し、一部はガラス側に透過する、とした。構造モデル１の計算においては、ＧＺＯ膜を挟んで両側の半無限媒質における吸収を計算に加えずに、ＧＺＯ膜における光の吸収を求めることが出来る。構造モデル１の吸収率スペクトルは、充分に透明な光学ガラスをガラス基板に用いることで、実験的に観測することが可能である。
【００５３】
図６に、（Ａ）：光吸収率小のＧＺＯ膜を形成した構造モデル１の吸収率スペクトルの計算例を示す。図７に、（Ｂ）：光吸収率中程度のＧＺＯ膜を形成した構造モデル１の吸収率スペクトルの計算例を示す。図８に、（Ｃ）：光吸収率大のＧＺＯ膜を形成した構造モデル１の吸収率スペクトルの計算例を示す。図６乃至図８において、横軸は波長、縦軸は吸収率である。吸収率α（％）は、ＧＺＯ膜側の空気層から光を入射した場合の反射率Ｒ（％）及び透過率Ｔ（％）を光学薄膜計算により求めた後、式（１）：
α  ＝  １００−（Ｒ＋Ｔ）    ・・・（１）
から求めた。
【００５４】
図６に示すように、（Ａ）：光吸収率小のＧＺＯ膜は、膜厚１００ｎｍ以下で波長６００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の領域における光吸収率が０．２％以下であった。図７に示すように、（Ｂ）：光吸収率中のＧＺＯ膜は、膜厚１００ｎｍ以下で波長６００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の領域における光吸収率が１．５％以下であった。図８に示すように、（Ｃ）：光吸収率大のＧＺＯ膜は、膜厚５０ｎｍで長波長側（波長９５０ｎｍ以上）における光吸収率が１．５％より大きくなった。ＧＺＯ膜厚が大きくなるほど、光吸収率１．５％を超える波長域が広がった。
【００５５】
ガラス基板上にＧＺＯ膜、銀薄膜（膜厚：３００ｎｍ）の順で積層した構造モデル２について、反射率スペクトルを計算した。ここで、ガラス基板、ＧＺＯ膜、及び銀薄膜は平滑と仮定した。構造モデル２では、ガラス側で発生した光がＧＺＯ膜と銀薄膜の積層膜に入射し、一部がガラス側に反射する、とした。構造モデル２の計算においては、ガラスの吸収を計算に加えず、ＧＺＯ膜と銀薄膜の積層膜による反射率を求めることが出来る。構造モデル２の反射率スペクトルは、充分に透明な光学ガラスをガラス基板に用いることで、実験的に観測することが可能である。
図９に、（Ａ）：光吸収率小のＧＺＯ膜を形成した構造モデル２の反射率スペクトルの計算例を示す。図１０に、（Ｂ）：光吸収率中のＧＺＯ膜を形成した構造モデル２の反射率スペクトルの計算例を示す。図１１に、（Ｃ）：光吸収率大のＧＺＯ膜を形成した構造モデル２の反射率スペクトルの計算例を示す。図９乃至図１１において、横軸は波長、縦軸は反射率である。
【００５６】
（Ａ）：光吸収率小のＧＺＯ膜は、図９に示すように、膜厚１００ｎｍ以下、波長６００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の領域において、反射率９３％以上が得られた。（Ｂ）：光吸収率中のＧＺＯ膜は、図１０に示すように、膜厚１００ｎｍ以下、波長６００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の領域において、反射率９１％以上が得られた。（Ｃ）：光吸収率大のＧＺＯ膜は、図１１に示すように、膜厚が大きい場合に反射率が低下し、膜厚７０ｎｍ以上で反射率９１％未満となる波長領域が表れた。
【００５７】
図１２に示す構造モデル３について、反射率スペクトルを計算した。図１２の構造モデル３は、結晶質シリコン層１１１（膜厚：半無限）、ＧＺＯ膜１１２、銀薄膜１１３（膜厚：３００ｎｍ）の順で積層された構成である。銀薄膜１１３のＧＺＯ膜１１２と反対側は、空気層１１４とした。構造モデル３では、結晶質シリコン層側で発生した光がＧＺＯ膜と銀薄膜の積層膜に入射し、一部が結晶質シリコン側に反射する、とした。構造モデル３の計算においては、結晶質シリコン層における吸収を計算に加えずに、ＧＺＯ膜及び銀薄膜の積層膜による反射率を求めることが出来る。構造モデル３は、構造モデル２と構造が似ているが、光入射側の媒質が異なる。すなわち、光学薄膜干渉を解く際の境界条件が異なるため、得られる結果が全く異なる。さらに、構造モデル３は、実験的に観測することが原理的に不可能であり、計算でのみ現象を調べることができる。
【００５８】
上記（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）の吸収特性を有するＧＺＯ膜を形成した構造モデルの反射率スペクトルから、波長６００ｎｍ、８００ｎｍ、１０００ｎｍにおける反射率を読み取り、ＧＺＯ膜厚に対してプロットした。図１３乃至図１５はそれぞれ、波長６００ｎｍ、８００ｎｍ、及び１０００ｎｍにおけるＧＺＯ膜厚と反射率との関係を示すグラフである。同図において、横軸はＧＺＯ膜厚、縦軸は反射率である。
【００５９】
（Ｃ）：光吸収率大のＧＺＯ膜を形成した場合、各波長での反射率が極大となる膜厚は、４０ｎｍから７０ｎｍの範囲であった。これに対し、ＧＺＯ膜の透明性が改善された（Ａ）及び（Ｂ）は、各波長で反射率が極大となるＧＺＯ膜厚が厚膜側にシフトした。
【００６０】
（Ｃ）：光吸収率大のＧＺＯ膜を形成した場合、極大となる反射率は９７％以下であった。一方、（Ｂ）：光吸収率中のＧＺＯ膜を形成した場合、膜厚８０ｎｍ以上１００ｎｍ以下で、波長６００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の領域における反射率が９７％以上となった。また、（Ａ）：光吸収率小のＧＺＯ膜を形成した場合、膜厚８０ｎｍ以上１００ｎｍ以下で、波長６００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の領域における反射率が９８％以上となった。このように、ＧＺＯ膜の透明性を改善することで、反射率を向上させることができた。
【００６１】
光学薄膜計算の結果、ＧＺＯ膜の透明性を向上させることにより、反射率が極大となるＧＺＯ膜の膜厚が８０ｎｍ以上１００ｎｍ以下となり、光吸収率が大きいＧＺＯ膜よりも厚膜側にシフトすることが分かった。また、ＧＺＯ膜の透明性を向上させてＧＺＯ膜での光損失を低下させるとともに、ＧＺＯ膜を厚くして発電層と銀薄膜との距離を大きくし、銀薄膜表面での吸収を減少させることができるため、第２透明電極層及び裏面電極層によって反射されて発電層に戻る光の光量を増加させることができることが分かった。
【００６２】
（第２透明電極層膜厚と太陽電池性能との関係）
ガラス基板上に第１透明電極層、発電層として、非晶質シリコンｐ層、非晶質シリコンｉ層及び結晶質シリコンｎ層、第２透明電極層、及び裏面電極層を順次形成し、アモルファスシリコン太陽電池セルを作製した。第１透明電極層の膜厚を７００ｎｍ、非晶質シリコンｐ層の膜厚を１０ｎｍ、非晶質シリコンｉ層の膜厚を２００ｎｍ、結晶質シリコンｎ層の膜厚を３０ｎｍとした。第２透明電極層として、ＤＣスパッタリング装置を用い、ターゲット：ＧａドープＺｎＯ焼結体、放電ガス：アルゴン及び酸素、酸素分圧：０．５％、基板温度：６０℃にてＧＺＯ膜を製膜した。上記製膜条件において、波長６００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の領域における第２透明電極層の光吸収率は０．２％以下であった。裏面電極層として、ＤＣスパッタリング装置を用い、ターゲット：Ａｇ、放電ガス：アルゴン、基板温度：１３５℃で膜厚２５０ｎｍの銀薄膜を製膜した。裏面電極層を形成後、窒素雰囲気にて温度：１６０℃、処理時間：２時間のアニール処理を行った。
【００６３】
図１６に、第２透明電極層（ＧＺＯ膜）の膜厚とアモルファスシリコン太陽電池セルの短絡電流との関係を表すグラフを示す。同図において、横軸は膜厚、縦軸は第２透明電極層膜厚４０ｎｍでの短絡電流を基準とした場合の短絡電流の相対値である。なお、短絡電流の値は、５ｃｍ角基板面内のセル１５点、基板枚数５枚を測定した平均値である。
第２透明電極層の膜厚が４０ｎｍ及び６０ｎｍのアモルファスシリコン太陽電池セルでは、短絡電流はほぼ同程度であったが、膜厚が８０ｎｍ及び１００ｎｍで短絡電流が増大した。
【００６４】
ガラス基板上に、第１透明電極層、非晶質シリコンからなる発電層（第１電池層）、中間コンタクト層、結晶質シリコンからなる発電層（第２電池層）、第２透明電極層、及び裏面電極層を順次形成し、タンデム型太陽電池セルを作製した。なお、発電層はそれぞれ基板側からｐ層、ｉ層、ｎ層の順で製膜した。
【００６５】
第１透明電極層の膜厚を７００ｎｍとした。第１電池層ｐ層の膜厚を１０ｎｍ、第１電池層ｉ層の膜厚を２００ｎｍ、第１電池層ｎ層の膜厚を３０ｎｍとした。中間コンタクト層の膜厚を７０ｎｍとした。第２電池層ｐ層の膜厚を３０ｎｍ、第２電池層ｉ層の膜厚を２０００ｎｍ、第２電池層ｎ層の膜厚を３０ｎｍとした。第２透明電極層として、ＤＣスパッタリング装置を用い、ターゲット：ＧａドープＺｎＯ焼結体、放電ガス：アルゴン及び酸素、酸素分圧：０．５％、基板温度：６０℃にてＧＺＯ膜を製膜した。この製膜条件において、波長６００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の領域における第２透明電極層の光吸収率は０．２％以下であった。裏面電極層として、ＤＣスパッタリング装置を用い、ターゲット：Ａｇ、放電ガス：アルゴン、基板温度：１３５℃で膜厚２５０ｎｍの銀薄膜を製膜した。裏面電極層を形成後、窒素雰囲気にて温度：１６０℃、処理時間：２時間のアニール処理を行った。
【００６６】
図１７に、第２透明電極層（ＧＺＯ膜）の膜厚とタンデム型太陽電池セルの短絡電流との関係を表すグラフを示す。同図において、横軸は膜厚、縦軸は第２透明電極層膜厚４０ｎｍでの短絡電流を基準とした場合の短絡電流の相対値である。なお、短絡電流の値は、５ｃｍ角基板面内のセル１５点、基板枚数５枚を測定した平均値である。
【００６７】
タンデム型太陽電池セルにおいても、第２透明電極層の膜厚が４０ｎｍ及び６０ｎｍの場合は、短絡電流はほぼ同程度であったが、膜厚が８０ｎｍ及び１００ｎｍで短絡電流が増大した。
【００６８】
上記実施例では、裏面電極層として銀薄膜を形成した太陽電池を用いて説明したが、裏面電極層としてアルミ薄膜、金薄膜、銅薄膜などを形成した太陽電池でも、同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の一実施形態に係る光電変換装置の構成を模式的に示した断面図である。
【図２】本発明に係る光電変換装置として、太陽電池パネルを製造する一実施形態を説明する概略図である。
【図３】本発明に係る光電変換装置として、太陽電池パネルを製造する一実施形態を説明する概略図である。
【図４】本発明に係る光電変換装置として、太陽電池パネルを製造する一実施形態を説明する概略図である。
【図５】本発明に係る光電変換装置として、太陽電池パネルを製造する一実施形態を説明する概略図である。
【図６】光吸収率が小さいＧＺＯ膜を形成した構造モデル１の吸収率スペクトルの計算例である。
【図７】光吸収率が中程度のＧＺＯ膜を形成した構造モデル１の吸収率スペクトルの計算例である。
【図８】光吸収率が大きいＧＺＯ膜を形成した構造モデル１の吸収率スペクトルの計算例である。
【図９】光吸収率が小さいＧＺＯ膜を形成した構造モデル２の反射率スペクトルの計算例である。
【図１０】光吸収率が中程度ＧＺＯ膜を形成した構造モデル２の反射率スペクトルの計算例である。
【図１１】光吸収率が大きいＧＺＯ膜を形成した構造モデル２の反射率スペクトルの計算例である。
【図１２】光学薄膜計算に使用した構造モデル３を示す図である。
【図１３】波長６００ｎｍにおける第２透明電極層の膜厚と反射率との関係を示すグラフである。
【図１４】波長８００ｎｍにおける第２透明電極層の膜厚と反射率との関係を示すグラフである。
【図１５】波長１０００ｎｍにおける第２透明電極層の膜厚と反射率との関係を示すグラフである。
【図１６】第２透明電極層の膜厚と、アモルファスシリコン太陽電池セルの短絡電流の相対値との関係を表すグラフである。
【図１７】第２透明電極層の膜厚と、タンデム型太陽電池セルの短絡電流の相対値との関係を表すグラフである。
【符号の説明】
【００７０】
１  基板
２  第１透明電極層
３  光電変換層
４  裏面電極層
５  中間コンタクト層
６  第２透明電極層
７  太陽電池モジュール
３１  非晶質シリコンｐ層
３２  非晶質シリコンｉ層
３３  非晶質シリコンｎ層
４１  結晶質シリコンｐ層
４２  結晶質シリコンｉ層
４３  結晶質シリコンｎ層
９１  第１電池層
９２  第２電池層
１００  光電変換装置
【図１】
2009246031.tif 000003
【図２】
2009246031.tif 000004
【図３】
2009246031.tif 000005
【図４】
2009246031.tif 000006
【図５】
2009246031.tif 000007
【図６】
2009246031.tif 000008
【図７】
2009246031.tif 000009
【図８】
2009246031.tif 000010
【図９】
2009246031.tif 000011
【図１０】
2009246031.tif 000012
【図１１】
2009246031.tif 000013
【図１２】
2009246031.tif 000014
【図１３】
2009246031.tif 000015
【図１４】
2009246031.tif 000016
【図１５】
2009246031.tif 000017
【図１６】
2009246031.tif 000018
【図１７】
2009246031.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成21年4月8日(2009.4.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第１透明電極層と、発電層と、第２透明電極層と、裏面電極層とを備える光電変換装置であって、
前記第２透明電極層が、ＧａドープＺｎＯ膜とされ、
前記第２透明電極層の膜厚が８０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、
波長６００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の領域における前記第２透明電極層の光吸収率が０．２％以下であることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記発電層が、結晶質シリコンｉ層を含む請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記発電層が、２以上の電池層を備え、
１つの電池層と該１つの電池層に最も近い他の電池層との間に設けられた中間コンタクト層を少なくとも１つ有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記発電層が単一の電池層からなり、該電池層が非晶質シリコンｉ層を有し、
波長６００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の領域における前記第２透明電極層の光吸収率が０．２％以下であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記裏面電極層が、銀薄膜、アルミ薄膜、金薄膜、銅薄膜の中から選択される１種類以上の薄膜を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
本実施形態において、波長６００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の領域における第２透明電極層６の光吸収率は、１．５％以下、好ましくは０．２％以下とされる。また、波長６００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の領域において、第２透明電極層と発電層との界面及び第２透明電極層と裏面電極層との界面で反射された光の反射率は、９１％以上、好ましくは９３％以上とされる。