JP2004031648A

JP2004031648A - 光閉じ込め層を持つ光電変換素子と光電変換装置およびこの装置を備えた太陽電池

Info

Publication number: JP2004031648A
Application number: JP2002185901A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Maekawa; 前川　欣之
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2002-06-26
Filing date: 2002-06-26
Publication date: 2004-01-29

Abstract

【課題】薄膜型太陽電池などに好適に使用される、入射光を効率よく基板内に閉じこめることができる光閉じ込め層を持つ光電変換素子と光電変換装置およびこの装置を備えた太陽電池を提供する。
【解決手段】光電変換装置に用いられる所定形状の凹凸を有する光閉じ込め層２において、格子状の凹凸からなるセルを構成単位とする光閉じ込め層が、基板１上のほぼ全面に渡って配置された構成であることを特徴とする光閉じ込め層を持つ光電変換素子と光電変換装置およびこの装置を備えた太陽電池である。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜型太陽電池などに使用される入射光を効率よく基板内に閉じこめることができる光閉じ込め層を持つ光電変換素子と光電変換装置およびこの装置を備える太陽電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光電変換素子は、ガラス表面に酸化錫やＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）などの透明導電層を形成した透明導電層が基板として用いられる。光電変換素子の一つである薄膜型太陽電池は、ガラス表面に酸化錫層を形成させた透明導電体が広く使用されている。薄膜シリコンを光電変換材料とした薄膜型太陽電池は、その製造に係るエネルギーコストが小さいことから、非常に注目されている。
【０００３】
一般的な薄膜シリコン太陽電池の構成は、ガラス板表面に下地層、透明導電層、薄膜シリコン、金属層を順次形成したものである。
【０００４】
上記透明導電層としては、化学蒸着（ＣＶＤ）法など原料の熱分解酸化反応を伴う方法で形成された酸化錫層が多用されている。下地層は、ガラス板に含まれるナトリウムなどのアルカリ成分が透明導電層中に拡散し、透明導電層の電気抵抗特性を低下させる（抵抗値が高くなる）ことを防止するために設けられる。下地層としては、酸化珪素層などの透明薄層が用いられる。
【０００５】
薄膜太陽電池用の透明導電層には、透過率が高いこと（光電変換層により多くの光を入れる）、抵抗が低いこと（発生した電流を取り出す際のロスを少なくする）が求められる。また、透明導電層の表面に適当な凹凸を付与すると、透明導電層表面で入射光が散乱し、光電変換層での光閉じ込めに効果があることが知られている。
【０００６】
凹凸形状の好ましい例として、例えば、特開昭６１−２８８４７３号公報には、高低差約１０００〜５０００オングストローム、凸部と凸部との間隔約２０００〜１００００オングストロームの凹凸形状が記載されている。
【０００７】
また、例えば、特表平２−５０３６１５号公報には、直径が０．１μｍ〜０．３μｍであり、高さ／直径の比が０．７〜１．２である凹凸形状が記載されている。
【０００８】
さらにまた、例えば、特開平４−１３３３６０号公報には、高さが１０００〜３０００オングストロームの角錐台もしくは角錐の形状の凸部で、その稜線と基板の法線のなす角度が３０〜５０度である凹凸形状が記載されている。
【０００９】
従来、上記光閉じこめの効果を増大させるため、入射光の散乱成分をできるだけ増大させることが好ましいと言われてきた。そのため、ヘイズ率が１０％を越えるような基板が好ましいとされてきた。例えば、特表平２−５０３６１５号公報にはヘイズ率が８〜３０％である基板が開示されている。
【００１０】
透明導電層表面をこのような凹凸形状として、ヘイズ率の高い基板とし、その表面に非晶質（アモルファス）シリコンを堆積させて得られる太陽電池は、その特性が向上することが知られている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、透明導電層の凹凸形状は、薄膜太陽電池等の性能に直結する特性であり、さらに改善することが求められている。また、従来の凹凸形状は、電子顕微鏡で観察された形状であり、上記形状を確認するためには、観察倍率を大きくする必要があり、自ずと狭い領域（約１〜２μｍ角）での観察結果とならざるを得なかったため、必ずしも最適な凹凸形状を提供するのではなかった。
【００１２】
また、凸部の高さや間隔、稜線の角度などの範囲が、上記に引用した特許公報等に記載されていたが、現実問題として、全ての凹凸形状が前記範囲内に入った透明導電層を形成することは困難で、凹凸の大きさや形状はある程度の分布をもって形成される。特に、凹凸形状が不揃いで、粒径が大きい凸部が多く存在する表面凹凸形状を有する透明導電層を薄膜太陽電池基板に使用すると、電池性能が低下することが知られているが、従来の観察方法ではこの凹凸形状の分布に関して議論するには観察面積が狭く、何ら言及されていなかった。
【００１３】
ここで、凹凸形状が不揃いで、周囲に比べて粒径が大きい凸部が多く存在する表面凹凸形状を有する透明導電層を、薄膜太陽電池基板に使用すると、電池性能が低下する理由は明らかにはされてはいない。しかしながら、周囲に比べて粒径が大きい凸部が存在する透明導電層上に、非晶質（アモルファス）シリコン等の光電変換層を成膜すると、透明導電層へのステップカバレージ性の低下、非晶質（アモルファス）シリコンの膜質低下を生じ、その結果として、透明導電層と光電変換層との界面で、入射光が多く吸収されるにようになり、光電変換層への光の入射量低下を招くと考えられる。また、透明導電層と光電変換層との接合が不良となり、抵抗が大きくなり、発生した電流を取り出す際のロスが大きくなると考えられる。
【００１４】
そこで、本発明は、上記の技術課題を解決するためになされたもので、薄膜型太陽電池などに好適に使用される、入射光を効率よく基板内に閉じこめることができる光閉じ込め層を持つ光電変換素子と光電変換装置およびこの装置を備えた太陽電池を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、光電変換装置に用いられる所定形状の凹凸を有する光閉じ込め層において、
格子状の凹凸からなるセルを構成単位とする光閉じ込め層が、基板上のほぼ全面に渡って配置された構成であることを特徴とする光閉じ込め層を持つ光電変換素子である。
【００１６】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の光閉じ込め層を持つ光電変換素子において、前記光閉じ込め層を形成するセル構成単位に曲線の格子状の凹凸からなるセルを含むことを特徴とする。
【００１７】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の光閉じ込め層を持つ光電変換素子において、前記格子ピッチが５〜５００μｍ、凹凸の高さが０．５〜２μｍの範囲内にあることを特徴とする。
【００１８】
請求項４に係る発明は、基板上に形成された第１電極層と半導体光電変換層と第２電極層とをこの順序で含み、この基板と半導体光電変換層との間に、前記光閉じ込め層が配置されていることを特徴とする光電変換装置である。
【００１９】
請求項５に係る発明は、請求項４記載の光電変換装置を有する太陽電池であって、
太陽電池は、向きを変えずに地面に固定された構造であり、光電変換装置に含む前記光閉じ込め層を形成するセルは、季節もしくは時間に伴う太陽軌道に対応して選択されて配置された構成であることを特徴とする太陽電池である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面の基づいて説明する。
なお、図面の明瞭化のために寸法関係が適宜に変更されており、実際の寸法関係を反映してはいないが、本発明を不明確とするものではない。
【００２１】
図１は、本発明の一実施例としての光電変換装置を示した模式断面図である。図１に示すように、基板１の上に光拡散を生じさせるための凹凸層２の微細凹凸パターンが、電子ビーム露光装置を用い、かつコンピュータ制御により、平面状の基板が載置されたＸ―Ｙステージを移動させて作製される。
【００２２】
本発明において、微細凹凸パターンは特に限定されず、断面が三角形状や円形状からなるプリズム状パターン、又はピラミッド形状や半球状の単位を配備したレンズアレー状パターン、及びその他不規則的形状などの凹凸パターンが挙げられ、これらは規則的又は不規則的であっても良い。また、凹凸パターンのサイズも特に限定されず、例えば、高さ、ピッチがそれぞれ０．５μｍ程度〜数百μｍ程度から選ばれる。太陽電池基板として用いる場合は、高さ０．３μｍ〜２μｍ、ピッチ０．５μｍ〜３μｍ程度のものが好適で、このような微細パターンを有する凹凸層を使用することにより、光閉じ込め効果によって光吸収の増大をはかり効率変換を向上させる。
【００２３】
また、本発明における凹凸パターンは凹凸層内での光散乱を可能とすることに加え、入射光の特性に対応した凹凸形状に加工することも出来る。例えば、太陽電池においての入射光である太陽の太陽軌道（図２を参照）に対応し、図３の（ａ）、（ｂ）に示すように、半円周状に凹凸層を加工し、その中心を南方に向け設置することにより、日の出から日の入りまでを効率良く光散乱させることが可能である。
【００２４】
また、これらの凹凸を、図４に示すように、幅方向：５μｍ〜５００μｍ、高さ：０．５μｍ〜２μｍのサイズでセル構造にすることにより、凹凸層面内全体での均等な光散乱作用を得られる。
【００２５】
また、上記したセル構造内の凹凸形状の高低、ピッチ、形状を変更することにより、光散乱を制御することも可能である。
【００２６】
上記セル構造を持つ凹凸層において、一つのセル構造を電子ビーム露光装置を用いて上記と同様に作成し、その凹凸層を用いてエンボスなどの簡便な工程により複製し、複製された凹凸層を多面付けすることにより、一面の凹凸層として光電変換素子を作成することもでき得る。
【００２７】
凹凸層が形成された後は、従来の光電変換装置におけると同様の周知の方法によって、他の層として、透明導電層３、半導体光電変換層４、透明導電層５、金属電極層６が順次積層される。
【００２８】
凹凸層２上には、酸化錫やＩＴＯなどからなる透明電極層３が形成されている。
透明電極層３上には、半導体光電変換層４として、たとえば非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）層が堆積されている。ａ−Ｓｉ層５は、たとえば順次に積層されたｐ型サブ層、ｉ型サブ層、およびｎ型サブ層（図示せず）を含み得る。ａ−Ｓｉ層４上には、裏面反射金属電極層６が積層されている。
【００２９】
ａ−Ｓｉ層４上には、好ましくはＺｎＯの透明層５を介在させて、裏面反射金属電極層６が積層されている。ＺｎＯ層５は、金属電極層６からａ−Ｓｉ層４内に金属原子が拡散することを防止するように作用する。また、裏面電極の一部としても作用し得る。
【００３０】
なお、図１に示した光電変換装置においては、光は透光性の基板１側から入射させられることは言うまでもない。透光性基板１としては、ポリエステルフィルムのような電気絶縁性樹脂フィルムを用いることができる。樹脂フィルムの基板１が用いられる場合、光電変換装置は軽量化されてその取扱いも簡便になり、さらにその製造コストも低減され得る。なお、樹脂フィルム基板１の材料としては、ポリエステルに限られず、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）樹脂、またはフッ素樹脂なども好ましく用いられ得る。また、基板１として、樹脂フィルムの代わりにガラス板を用いてもよい。
【００３１】
また、本発明による光電変換装置のａ−Ｓｉ層４はｐｉｎ型のａ−Ｓｉ系光半導体素子を複数積層したタンデムセルやトリプルセル構造にしてもよい。
【００３２】
図５は、本発明の別の一実施例としての光電変換装置を示した模式断面図である。この光電変換装置においては、光拡散を生じさせるために本発明による凹凸層２が上記した凹凸の作製と同様な方法で基板１の上に形成されている。また、これら微細凹凸パターン、サイズは上記した凹凸と同様に特に限定されない。その凹凸層に真空蒸着法やスパッタリング法などでＡｌなどの金属層７を堆積してありこれらを裏面反射層とよぶ。裏面反射層の金属層上には、酸化錫やＩＴＯなどからなる透明電極層３が形成されている。
【００３３】
透明電極層３上には、順次に積層されたｎ型サブ層、ｉ型サブ層、およびｐ型サブ層（図示せず）を含むａ−Ｓｉ光電変換層４が形成されている。Ａａ−Ｓｉ光電変換層４上には、ＩＴＯなどからなる透明電極層５と、Ａｇなどからなる櫛形の集電金属電極層８とが積層されている。なお、図２に示されているような光電変換装置においては、光は櫛形金属電極層７と透明電極層３を介して光電変換層４内に入射されることは言うまでもない。
【００３４】
上記で得られる光電変換装置は、太陽電池のみならず、光スイッチや光センサなどの他の種々の用途にも用いられ得ることは言うまでもない。
【００３５】
【発明の効果】
本発明により、表面反射を低く抑えて、より多くの光を基板内に入射させることができ、入射した光を効率よく基板内に閉じこめることができる光閉じ込め層を持つ光電変換素子と光電変換装置およびこの装置を備える光電変換効率の高い太陽電池を提供できる。
本発明における光閉じ込め層は、既存の電子ビーム露光装置を用いて光閉じ込め層を構成する凹凸からなるセル構造を作成することから、入射光の特性に対応して、凹凸の高低、ピッチ、形状等を任意に、かつ容易に加工することができる。また、エンボス複製技術により、基板一面に光閉じ込め層を形成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例としての光電変換装置を示す模式断面図である。
【図２】各季節による太陽軌道を説明する説明図である。
【図３】太陽軌道に対応した凹凸層を示す模式斜視図である。
【図４】微小セル構造を説明する説明図である。
【図５】本発明の別の実施例としての光電変換装置を示す模式断面図である。
【符号の説明】
１　基板
２　凹凸層
３　透明導電層
４　半導体光電変換層
５　透明導電層
６　金属電極層
７　櫛形金属電極

Claims

光電変換装置に用いられる所定形状の凹凸を有する光閉じ込め層において、
格子状の凹凸からなるセルを構成単位とする光閉じ込め層が、基板上のほぼ全面に渡って配置された構成であることを特徴とする光閉じ込め層を持つ光電変換素子。
前記光閉じ込め層を形成するセル構成単位に曲線の格子状の凹凸からなるセルを含むことを特徴とする請求項１記載の光閉じ込め層を持つ光電変換素子。
前記格子ピッチが５〜５００μｍ、凹凸の高さが０．５〜２μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１または２に記載の光閉じ込め層を持つ光電変換素子。
基板上に形成された第１電極層と半導体光電変換層と第２電極層とをこの順序で含み、この基板と半導体光電変換層との間に、前記光閉じ込め層が配置されていることを特徴とする光電変換装置。
請求項４記載の光電変換装置を有する太陽電池であって、
太陽電池は、向きを変えずに地面に固定された構造であり、光電変換装置に含む前記光閉じ込め層を形成するセルは、季節もしくは時間に伴う太陽軌道に対応して選択されて配置された構成であることを特徴とする太陽電池。