【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は薄膜太陽電池の製造方法およびその方法で製造された薄膜太陽電池に関し、より詳細には高い光電変換効率を有する薄膜太陽電池の製造方法およびその方法で製造された薄膜太陽電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
現在、主要なエネルギー源として使用されている石油等の化石燃料は、将来の需給が懸念されており、かつ地球温暖化現象の原因となる二酸化炭素排出等の問題を有している。そこで、近年、石油等の化石燃料の代替エネルギー源として太陽電池が注目されている。
太陽電池としては、光エネルギーを電気に変換するためにpn接合を有するシリコン半導体が主に用いられており、光電変換効率の面からは単結晶シリコンを用いることが好ましい。しかし、単結晶シリコンを用いた太陽電池は、原料供給や大面積化、低コスト化等の問題を有している。
【0003】
これらの問題を解決する手段の一つとして、薄膜アモルファスシリコンを光電変換層とする太陽電池が一部実用化されている。
さらには、より高い光電変換効率を得るため、アモルファス材料の替わりに、薄膜結晶質シリコンの光電変換層への導入が検討されている。この薄膜結晶質シリコンは、アモルファスと同様に化学的気相成長法(以下、CVD法とする)によって形成することが可能であり、膜質としては多結晶のシリコン薄膜である。
【0004】
ところで、薄膜太陽電池において光電変換効率を高めるためには、光閉込効果の有効な活用が重要となる。
ここで、光閉込効果とは光電変換層に接する透明導電層あるいは金属層の表面を凹凸化して、その界面で光を散乱させることにより光路長を延長させ、光電変換層での光吸収を高める効果のことである。
【0005】
透明導電層の表面に凹凸を形成する方法としては、透明導電層をCVD法で形成する際にホウ素をドープする方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。
また、透明導電層の表面に酸性またはアルカリ性溶液を用いてエッチング処理を1回施す方法も知られている(例えば、特許文献2参照)。
【0006】
【特許文献1】
特開2000−252504号公報(段落0008)
【特許文献2】
特開平11−233800号公報(段落0015〜0022)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
CVD法で透明導電層を形成する際にホウ素をドープする方法では、ホウ素源としてジボラン等を用いるため特殊な高圧ガス設備が必要になる。
酸性またはアルカリ性溶液を用いてエッチング処理を施す方法は簡易であるという点で好ましいが、単に酸性またはアルカリ性溶液を用いてエッチング処理を1回のみ施しただけでは、比較的粗い凹凸が透明導電層の表面の全面にわたってほぼ一様に形成されるだけで、良好な光閉込効果は得られない。
【0008】
この発明は、以上のような事情を考慮してなされたものであり、良好な光閉込効果が得られ高い光電変換効率を示す薄膜太陽電池の製造方法およびその方法で製造された薄膜太陽電池を提供するものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
この発明は、基板上に第1電極層を形成し、第1電極層の上に光電変換層を形成し、光電変換層の上に第2電極層を形成する工程を備え、第1電極層を形成する工程および第2電極層を形成する工程の一方は、電極層として透明導電層を形成し、かつ、形成された透明導電層の表面に凹凸を形成するエッチング処理を含み、エッチング処理は、酸性またはアルカリ性溶液からなるエッチング液を用いて透明導電層の表面に少なくとも2回にわたってエッチングを施す処理を含む薄膜太陽電池の製造方法を提供するものである。
【0010】
このような製造方法によれば、酸性またはアルカリ性溶液からなるエッチング液を用いたエッチング処理が透明導電層の表面に少なくとも2回にわたって施されるので、1回目のエッチング処理によって透明導電層の表面に比較的大きな複数の凹部が形成され、2回目以降のエッチング処理によって各凹部の内面に微細な凹凸が形成される。
この結果、良好な光閉込効果を得るうえで理想的な凹凸が透明導電層の表面に形成され、高い光電変換効率を示す薄膜太陽電池を製造できるようになる。
なお、この発明による薄膜太陽電池の製造方法は、スーパーストレート型構造またはサブストレート型構造などの薄膜太陽電池の構造の違いに関わらず適用できる。
【0011】
【発明の実施の形態】
この発明による薄膜太陽電池の製造方法において、エッチング液は、濃度が1回目のエッチングに用いられるものよりも2回目以降のエッチングに用いられるものの方が低いことが好ましい。
また、この発明による薄膜太陽電池の製造方法において、エッチング液は、温度が1回目のエッチングに用いられるものよりも2回目以降のエッチングに用いられるものの方が低いことが好ましい。
というのは、酸性またはアルカリ性溶液からなるエッチング液を用いたウェットエッチングによる表面処理において、エッチング液の濃度または温度が高いと処理時間の増加に伴って比較的大きな穴状の凹部が形成されやすくなるのに対し、エッチング液の濃度または温度が低いと処理時間に大きな影響を受けることなく、微細な凹凸が形成されるからである。
また、濃度または温度が低いエッチング液での処理を2回目以降とすることにより、1回目のエッチング処理で形成された凹部の過度な拡大や、透明導電層自体の消失を防止できるという利点もある。
【0012】
また、この発明による薄膜太陽電池の製造方法において、エッチング液は、酸性物質またはアルカリ性物質からなる溶質を溶媒に溶解してなり、1回目のエッチングに用いられるエッチング液と、2回目以降のエッチングに用いられるエッチング液は、溶媒および溶質が同じであることが好ましい。
というのは、同一の溶媒および溶質を用いると、耐薬品性や廃液処理等の面においてエッチング設備の簡素化を図ることができるからである。
【0013】
この発明による薄膜太陽電池の製造方法において、透明導電層は酸化亜鉛薄膜層を有していることが好ましい。
というのは、透明導電層が酸化亜鉛薄膜を備えずSnO2等のみからなる場合、プラズマCVD法による光電変換層堆積時に、透明導電層がプロセスガスに含まれる水素プラズマにより還元され、黒化による透過率の低下が生じ、薄膜太陽電池の特性を低下させてしまう恐れがあるからである。一方、透明導電層が酸化亜鉛薄膜層を備えると、酸化亜鉛薄膜層の耐プラズマ性によって光電変換層堆積時に透明導電層の透過率低下が防止され、高い光電変換効率を示す薄膜太陽電池を提供することにつながる。
【0014】
この発明は別の観点からみると、上述の製造方法により製造された薄膜太陽電池であって、凹凸は1回目のエッチング処理で透明導電層の表面に形成された複数の凹部と、2回目以降のエッチング処理で各凹部の内面に形成された微細な凹凸とからなる薄膜太陽電池を提供するものでもある。
つまり、この発明による上述の製造方法で製造された薄膜太陽電池は、透明導電層の表面の凹凸が、1回目のエッチング処理で透明導電層の表面に形成された複数の凹部と、2回目以降のエッチング処理で各凹部の内面に形成された微細な凹凸とから構成されるので、透明導電層の表面において十分な光散乱を生じさせることができ、結果として、光電変換層における良好な光閉込効果により光電変換効率の向上が図られる。
【0015】
この発明による上記薄膜太陽電池において、各凹部は最大径が約200〜2000nmの範囲内で、深さが約50〜1200nmの範囲内にあり、微細な凹凸は高低差が約10〜300nmの範囲内にあることが好ましい。
ここで、各凹部は最大径が約400〜1200nmの範囲内で、深さが約100〜800nmの範囲内にあり、微細な凹凸は高低差が約20〜200nmの範囲内にあることがより好ましい。
【0016】
また、この発明による上記薄膜太陽電池は、凹部以外の表面にも微細な凹凸が形成されていることが、十分な光散乱を生じさせるうえでより好ましい。
この場合、凹部以外の表面に形成された微細な凹凸の高低差は、好ましくは約10〜300nmの範囲内であって、より好ましくは約20〜200nmの範囲内である。
【0017】
各凹部の最大径および深さ、並びに、微細な凹凸の高低差を上記の範囲内に設定することにより太陽光スペクトルの中心波長400〜650nm程度の光だけでなく、これより長い波長の光に対しても十分な光散乱を生じさせることができるようになる。
【0018】
実施形態
以下、図面に基づいてこの発明の実施形態について詳述する。
図1に示されるように、この発明の一実施形態による薄膜太陽電池20は、基板11a側から光Lを入射させて、光電変換層17において光電変換を行うスーパーストレート型構造を有している。
薄膜太陽電池20は、基板11aとその上に形成された透明導電層11bとからなる太陽電池用基板11上に、光電変換層17、裏面反射層15、裏面電極16が順に積層されて構成されている。
光電変換層17は、p型シリコン層12、i型シリコン層13およびn型シリコン層14を備えている。
【0019】
薄膜太陽電池20は、透明導電層11bと裏面電極16とからそれぞれ電極18a,18bが引き出され、光電変換層で光電変換され発生した電力はこれらの電極18a,18bを介して取り出される。
【0020】
基板
基板11aには、透光性絶縁基板として、例えば、ガラスあるいはアクリル等のプラスチック基板が用いられる。
【0021】
透明導電層
透明導電層11bは、基板11a上に形成されており、耐プラズマ性が高い酸化亜鉛(ZnO)薄膜層からなっている。ただし、透明導電層11bは、これに限定されるものではなく、酸化亜鉛薄膜層とSnO2、In2O3、ITO等とを積層した複合層でも構わない。また、光電変換層を堆積させる手法として、常圧CVD法や、水素プラズマによる還元性の小さい製膜条件を選択したプラズマCVD法等を用いる場合には、透明導電層11bは、SnO2、In2O3、ITO等の単層またはこれらを積層した複合層であってもよい。
【0022】
透明導電層11bは、膜厚が約1nm〜2μmであって、スパッタ法により形成されることが好ましい。というのは、スパッタ法は透明導電層11bの透過率や抵抗率を結晶質シリコン薄膜太陽電池に適したものに制御しやすいからである。また、透明導電層11bは抵抗率を低減するために不純物を含有していてもよい。このような不純物としては、ガリウムやアルミニウム等のIII族元素等があり、その濃度は、例えば、5×1020〜5×1021cm−3とすることができる。なお、透明導電層11bの形成にあたっては、スパッタ法以外にも、真空蒸着法、EB蒸着法、常圧CVD法、減圧CVD法、ゾルゲル法、電析法等を用いることができる。
【0023】
透明導電層11bの表面は、酸性またはアルカリ性のエッチング液を用いた複数回のエッチング処理により、基板11aまでは達しない略半球形の凹部(以下、この明細書において単に「穴」と称す)が多数形成され、その穴の内面にはさらに微細な凹凸が形成されている。
ここで言う複数回のエッチング処理とは2回以上をさすものであり、実用的には2〜3回が適当である。というのは、3回以上の処理でもこの発明の効果は得られるものの、好適なエッチング処理条件を選択すれば、2〜3回程度のエッチング処理によって複数の穴と各穴の内面の微細な凹凸を形成することは可能であり、必要以上に多くのエッチング処理を施すことは、製造工程を複雑にするだけであり、歩留まりの低下や製造コストの増大を招く恐れがある。
【0024】
なお、透明導電層11bの表面に形成された複数の穴および各穴の内面の微細な凹凸は、光電変換層17に対して良好な光散乱状態が生じ、かつ、透明導電層11bの上に積層される光電変換層17の欠陥密度が低減されるような数、大きさ、形状、深さ等を有している。これらの穴および微細な凹凸の好ましい設定については、後段にて詳述する。
【0025】
光電変換層
光電変換層17は、透明導電層11b上に形成されており、例えば、pin接合で形成される。ここで、光電変換層17は、結晶質シリコンあるいは非晶質シリコンを含む層であってもよいが、図1に示す単接合型の薄膜太陽電池20では、光電変換層17が結晶質シリコンを含む層であることがより好ましい。
【0026】
光電変換層17は、例えば、p型シリコン層12、i型シリコン層13、n型シリコン層14から構成でき、これら各層は、いずれも結晶質シリコンで形成できる。ただし、この発明はこれに限定されるものではなく、i型シリコン層13、p型シリコン層12およびn型シリコン層14のうち、上記透明導電層11bに接する1つの層のみが結晶質シリコンからなる層であってもよい。
また、ここでいう結晶質シリコンには、合金化されたシリコン、例えば、炭素が添加されたSixC1−x、ゲルマニウムが添加されたSixGe1−x、またはその他の不純物等が添加されたシリコンが含まれる。
【0027】
p型シリコン層
光電変換層17を構成するp型シリコン層12は、III族元素(例えば、ボロン、アルミニウム、インジウム等)が含有された層である。p型シリコン層12は単層であってもよいし、III族元素濃度が異なる、または積層した各層毎に徐々に変化する複合層により形成されていてもよい。III族元素濃度は、例えば、0.01〜8原子%程度とすることができ、p型シリコン層12の膜厚は、例えば、1〜200nm程度とすることができる。
【0028】
p型シリコン層12は、p型の導電型を有するシリコン層を形成することができれば、どのような方法で形成されてもよく、シリコン層を形成する一般的な方法としてはCVD法がある。ここで、このCVD法は、常圧CVD、減圧CVD、プラズマCVD、ECRプラズマCVD、高温CVD、低温CVD等の何れであってもよいが、RFからVHFの周波数帯の高周波によるもの、ECRプラズマCVD法、これらの組み合わせによる方法で形成することが好ましい。例えば、プラズマCVD法を用いる場合には、その条件は、周波数10〜200MHz程度、パワー数W〜数kW程度、チャンバー内圧力0.1〜20Torr程度、基板温度は室温〜600℃程度とすることができる。
【0029】
上記シリコン層を形成するために用いられるシリコン含有ガスとしては、例えば、SiH4、Si2H6、SiF4、SiH2Cl2、SiCl4等が挙げられる。シリコン含有ガスは、通常、希釈ガスとして、H2、Ar、He、Ne、Xe等の不活性ガスとともに使用され、なかでもH2ガスを用いることが好ましい。シリコン含有ガスと希釈ガスとの混合比は、一定あるいは変化させながら、例えば、容量比で1:1〜1:100程度とすることができる。
【0030】
また、ドーピングガスとしては、任意のIII族元素を含有するガス、例えばB2H6等を用いることができる。この場合、シリコン含有ガスとIII族元素を含有するガスとの混合比は、CVD等の製膜装置の大きさ、所望のIII族元素濃度等に応じて適宜調整することができ、一定あるいは変化させながら、例えば、容量比で1:0.001〜1:1程度とすることができる。なお、III族元素のドーピングは、上記のように結晶質シリコン層の製膜と同時に行ってもよいし、シリコン膜を形成した後、イオン注入、結晶質シリコン層の表面処理または固層拡散等の手法を用いて行ってもよい。さらに、シリコン含有ガス等にフッ素ガスを添加してもよい。ここで用いるフッ素含有ガスとしては、例えば、F2、SiF4、SiH2F2等があり、この場合のフッ素含有ガスの使用量としては、例えば、水素ガスの0.01〜10倍程度とすることができる。
【0031】
i型シリコン層
i型シリコン層13は、実質的にp型およびn型の導電型を示さない層であるが、光電変換機能を損なわない程度の非常に弱いp型またはn型の導電型を示す層であってもよい。i型シリコン層13は、例えば、プラズマCVDによって形成することができ、その膜厚は、例えば、0.1〜10μm程度とすることができる。i型シリコン層13は、使用ガスにIII族元素を含んでいない点以外は、p型シリコン層12と実質的に同様な方法で形成することができる。
【0032】
n型シリコン層
n型シリコン層14は、ドーパントガスとしてV族元素を含むガス、例えば、PH3等を使用する以外は、p型シリコン層12およびi型シリコン層13と同様に形成することができ、その膜厚は、例えば、10〜100nm程度とすることができる。ドナーとなる不純物としては、例えば、リン、砒素、アンチモン等が挙げられ、不純物濃度は1018〜1020cm−3程度とすることができる。
なお、光電変換層17を構成する層のうち、少なくとも1つの活性層を、結晶質を含むシリコンまたはシリコン合金からなる層とすれば、アモルファスシリコンでは光電変換に利用できない波長700nm以上の長波長光を十分に利用できるようになる。
これは、短波長感度が高いアモルファスシリコンと長波長感度が高い結晶質シリコンとの光感度の違いによるものである。
【0033】
特に、X線回折測定において、上記結晶質を含むシリコンまたはシリコン合金からなる活性層のSi(220)X線回折ピークの積分強度I220およびSi(111)X線回折ピークの積分強度I111の比I220/I111が5以上である場合には、非常に欠陥の少ない活性層が形成されており、高品質な光電変換層17を得ることができる。
【0034】
裏面反射層
光電変換層17上には、必要に応じて裏面反射層15として透明導電層が形成される。この透明導電層も上記光入射側の透明導電層11bと同様に、例えば、SnO2、In2O3、ZnO、ITO等の透明導電材料からなる単層、あるいはこれらを積層した複合層から構成できる。透明導電層としては、スパッタ法、真空蒸着法、EB蒸着法、常圧CVD法、減圧CVD法、ゾルゲル法、電析法等を挙げることができるが、透明導電層11bと同様に、透過率や抵抗率を結晶質シリコン太陽電池に適した値に制御し易いという利点を考慮すれば、スパッタ法を用いて形成することが好ましい。
【0035】
裏面電極
光電変換層17、あるいは裏面反射層15上には裏面電極16として、比較的高い反射率を有する、例えば、銀、アルミ等の金属の単層、あるいはこれらを積層した複合層が、スパッタ法、真空蒸着法、EB蒸着法、常圧CVD法、減圧CVD法、ゾルゲル法、電析法等によって形成される。
【0036】
穴および微細な凹凸
ここで、透明導電層11bの表面における複数の穴と、各穴の内面に形成される微細な凹凸について詳細に説明する。
通常、透明導電層11bとして用いる酸化亜鉛等の薄膜は、電極として用いられるため低抵抗であることが望ましく、膜質としては結晶質を多分に含むものが用いられる。このため、膜表面および膜中には複数の粒界が存在しており、走査型電子顕微鏡による観察やX線回折装置による測定を行うと、数10〜数100nmの粒径を有する多結晶薄膜であることが確認される。
【0037】
透明導電層11bが基板面に対して特定軸方向に配向すると、エッチング等の処理における面方位依存性の影響がなくなり、透明導電層11bの光電変換層17側の表面に形成される上記複数の穴、並びに、各穴の内面に形成される微細な凹凸を均一に形成できるようになる。
また、配向性が向上すると、エッチング処理後に形成される穴の深さが大きくなるため、波長700nm以上の長波長光を効果的に吸収できるようになる。
【0038】
以上のことから、例えば、酸化亜鉛を透明導電層11bに用いる場合には、X線回折測定で得られるZnO(0001)回折ピークの積分強度が、全回折ピークの積分強度の和に対して70%以上になることが、電気的、光学的特性の面からみて好ましい。
そして、この発明では、以上のような透明導電層11bの表面に、複数回のエッチング処理を施すことにより、複数の穴と各穴の内面の微細な凹凸とを形成し、光電変換層17において良好な光閉込効果が得られるようにする。
【0039】
なお、エッチング処理を複数回にわたって施す理由は以下のような理由による。
すなわち、一般的に、多結晶薄膜である酸化亜鉛等の透明導電層を酸性あるいはアルカリ性のエッチング液でエッチングすると、エッチング初期においては結晶粒界に沿って結晶粒の特定の面だけが支配的にエッチングされ複数の微細な穴が生じる。さらにエッチングを進めると、全体的にエッチングが進行するとともに、エッチング初期に形成された微細な穴がエッチング時間の経過とともに大きくなり、最終的には透明導電層自体がなくなってしまう。
【0040】
ここで、エッチング液の濃度や温度が高い時は、エッチング時間の増加に伴って穴の深さが大きくなるのと同時に穴の径が著しく広がっていくが、エッチング液の濃度や温度が低い時は、穴の深さ方向へのエッチングが支配的となり、穴の広がり方はさほど大きくならないという傾向がある。しかしながら、いづれにしても1回のみのエッチング処理では、良好な光閉込効果を得るうえで十分となるような複数の穴と各穴の内面の微細な凹凸を透明導電層の表面に形成できない。
【0041】
そこで、この発明による薄膜太陽電池の製造方法では、酸性、あるいはアルカリ性のエッチング液を用いて透明導電層の表面エッチング処理を複数回に分けて行い、2回目以降のエッチング処理では1回目のエッチング処理で形成された穴の径を拡大することなく、穴の内面に複数の微細な凹凸を形成するのである。
なお、2回目以降のエッチング処理で形成済みの穴の径を拡大することなく、穴の内面に微細な凹凸を形成するためには、2回目以降のエッチング処理におけるエッチング条件を、穴を拡大する方向に進行する異方性エッチングの働きが1回目のエッチング処理よりも適度に抑えられ、1回目のエッチング処理で形成された穴の内面に対してエッチングが生じるような条件に設定することが好ましい。具体的には、1回目のエッチング処理に用いたエッチング液の酸あるいはアルカリの濃度に比べ、2回目以降のエッチング処理に用いるエッチング液の濃度を低く設定するか、あるいは、1回目のエッチング処理に用いたエッチング液の温度に比べ、2回目以降のエッチング処理に用いるエッチング液の温度を低く設定するとよい。
【0042】
ここで、エッチング液の温度範囲は、5〜80℃の範囲内であることが好ましい。というのは、エッチング液の温度が80℃より高くなると、酸、あるいは溶媒である水の蒸発によりエッチング液中の酸あるいはアルカリの濃度の制御が困難になり、所望の凹凸を安定して形成しにくくなるからである。一方、エッチング液の温度が5℃より低くなると、エッチング処理速度の低下を招き、生産効率の低下を招く恐れがある。
【0043】
酸性のエッチング液における酸性物質としては、酢酸、塩酸、硫酸、硝酸、フッ酸、過塩素酸等の酸の1種または2種以上の混合物が挙げられるが、なかでも酢酸を用いることが好ましい。また、これらの酸性物質の溶媒としては、例えば、水を用いることができる。そして、これらの酸性水溶液は、0.05〜10重量%程度の濃度で使用することが好ましい。
一方、アルカリ性のエッチング液におけるアルカリ性物質としては、水酸化ナトリウム、ヒドラジン、水酸化カリウム、水酸化カルシウム等の1種または2種以上の混合物が挙げられるが、これらの中でも、水酸化ナトリウムを用いることが好ましい。また、これらアルカリ性物質の溶媒としては、例えば、水を用いることができる。そして、これらのアルカリ性水溶液は、1〜10重量%程度の濃度で使用することが好ましい。
【0044】
例えば、エッチング処理が2回にわたって同時間ずつ施され、1回目と2回目のエッチング処理に用いられるエッチング液の溶媒および溶質、並びに、温度が同じである場合、2回目のエッチング処理に用いられるエッチング液の濃度は、1回目のエッチング処理に用いられるエッチング液の濃度よりも
0.05〜8重量%程度低く設定するとよい。
また、エッチング処理が2回にわたって同時間ずつ施され、1回目と2回目のエッチング処理に用いられるエッチング液の溶媒および溶質、並びに、濃度が同じである場合、2回目のエッチング処理に用いられるエッチング液の温度は、1回目のエッチング処理に用いられるエッチング液の温度よりも
5〜50℃程度低く設定するとよい。
もちろん、1回目と2回目のエッチング処理において、濃度と温度を共に変更することも可能であり、その場合は、上述の値を参考として適宜濃度と温度の変更するとよい。
【0045】
透明導電層11bの表面に形成される各穴の最大直径は、200〜2000nm程度の範囲内であって、特に、400〜1200nm程度の範囲内であることが好ましい。また、穴の深さは50〜1200nm程度の範囲内であって、特に、100〜800nm程度の範囲内であることが好ましい。さらに、微細な凹凸の高低差は、10〜300nm程度の範囲内であって、特に、20〜200nm程度の範囲内であることが好ましい。
また、さらに良好な光散乱状態を生じさせるためには、上記透明導電層11b表面に形成された穴以外の表面にも微細な凹凸が形成されていることが好ましい。これにより、さらに光散乱効果を高め、光電変換層17においてより良好な光閉込効果を得ることができ、より高い光電変換効率を示す薄膜太陽電池を提供できるようになる。なお、この場合、穴以外の表面における微細な凹凸の高低差は、10〜300nm程度の範囲内であって、特に、20〜200nm程度であることが好ましい。
【0046】
各穴および各穴の内面の微細な凹凸のサイズを以上のように設定することにより、太陽光スペクトルの中心波長400〜650nm程度の光だけでなく、これらより長い波長の光に対しても十分な光散乱を生じさせることができるようになる。なお、光散乱は、凹凸形状により得られる効果の大小はあるものの、その形状により効果が得られなくなるようなものではなく、この発明でいう穴は、例えば、略立方体、直方体、円柱、円錐、球、半球等の形状、またはこれらが組み合わされた形状であればよい。
【0047】
良好な光閉込効果は、光電変換層17を構成する各層の膜厚を低減できるという効果につながる。特に、アモルファスシリコン太陽電池の場合には、Stabler−Wronski効果に起因する光電変換効率の劣化を抑制できる。また、光吸収特性のためにアモルファスシリコンと比較して数倍から十数倍となる数μmオーダーの膜厚が必要とされる結晶質シリコン太陽電池の場合には、製膜時間を大幅に短縮できることにもつながる。このように、良好な光閉込効果は、薄膜太陽電池を実用化するうえでの大きな課題である高効率化、安定化、低コスト化の全ての面について改善する方向に寄与する。
【0048】
この発明の適用例
この発明を図1に示すようなスーパーストレート型構造の薄膜太陽電池20に適用した場合、透明導電層11bの表面における各穴の内面の微細な凹凸は、透明導電層11bとその上に堆積されるシリコン薄膜との中間的な光学特性を有する薄い層として作用し、透明導電層11bとその上に堆積されるシリコン薄膜との界面における反射を低減し、光散乱を促進させることで光電変換層17における光閉込効果を向上させる。この結果、高い光電変換効率を示すスーパーストレート型構造の薄膜太陽電池20が提供される。
【0049】
また、この発明を図2に示すようなサブストレート型構造の薄膜太陽電池50に適用した場合、透明導電層44の表面における各穴の内面の微細な凹凸は、透明導電層44とそれに接する外部の雰囲気(保護膜であってもよい)との中間的な光学特性を有する薄い層として作用し、透明導電層44と外部の雰囲気との界面における反射を低減し、光電変換層45に対する光入射を促進する。この結果、高い光電変換効率を示すサブストレート型構造の薄膜太陽電池50が提供される。
【0050】
このように、この発明は、図1に示すような、基板11a側から光を入射させるスーパーストレート型構造のもの以外に、図3に示すような、透明導電層44側から光Lを入射させるサブストレート型構造のものにも適用できる。
また、上述の光閉込効果と入射光の反射低減効果は、多結晶シリコン薄膜太陽電池に限られるものではないため、この発明が、アモルファスシリコン太陽電池、CIGS太陽電池、色素増感太陽電池等の薄膜太陽電池にも有効であることは言うまでも無い。
【0051】
さらに、この発明の適用例は、図1および図2に示すような単接合型の薄膜太陽電池20,50に限られず、図3に示すような複数のpin接合を有する多接合型の薄膜太陽電池60にも適用可能である。
図3に示すような多接合型の薄膜太陽電池60では、全ての光電変換層、すなわち第1および第2シリコン光電変換層27,37が、結晶質シリコンまたは非晶質シリコンのいずれかに統一される必要はなく、例えば、結晶質シリコンを含む層と非晶質シリコンを含む層とが積層されていてもよい。むしろ、図3に示す多接合型の薄膜太陽電池60では、結晶質シリコンを含む層と非晶質シリコンを含む層とが混在していることが好ましい。
【0052】
また、第1および第2シリコン光電変換層27,37が結晶質シリコンを含む場合、特に注意することがない限り、多結晶および単結晶の他、いわゆる微結晶またはマイクロクリスタルと呼ばれる全ての結晶状態を含んでいる。これらの結晶状態は、第1および第2シリコン光電変換層27,37の全体にわたって存在していてもよいし、第1および第2シリコン光電変換層27,37を構成する各層において全体的あるいは部分的に存在していてもよい。
以下、この発明による薄膜太陽電池の製造方法の実施例について具体的に説明する。
【0053】
実施例1
実施例1は、上記実施形態で説明した図1に示されるスーパーストレート型構造で単接合型の薄膜太陽電池20を製造したものである。
【0054】
まず、表面が平滑なガラス板を基板11aとして用い、この基板11a上にマグネトロンスパッタリング法により基板温度150℃、製膜圧力0.3mTorrで、透明導電層11bとして酸化亜鉛を厚さ1200nmで形成し、太陽電池用基板11を形成した。
透明導電層11bには、1×1021cm−3程度のガリウムが添加されている。この結果、得られた透明導電層11bのシート抵抗は10Ω/□であり、波長800nmの光に対する透過率は80%であった。また、透明導電層11bに対して、理学電気(株)製のX線回折装置RINT X−ray Diffactometer を用いて粉末法によるX線回折測定を行った。その結果、ZnO(0001)回折ピークの積分強度は、全回折ピークの積分強度の和に対して75%であった。
【0055】
続いて、透明導電層11b表面に凹凸の形成を行った。
まず、エッチング液として5.0重量%の酢酸水溶液(液温25℃)を用意し、この酢酸水溶液に、太陽電池用基板11を150秒浸漬した。次に、エッチング液として0.5重量%の酢酸水溶液(液温25℃)を用意し、この酢酸水溶液に太陽電池用基板11を100秒浸漬した後、太陽電池用基板11の表面を純水で十分に洗浄した。この実施例1では、1回目のエッチング処理と2回目のエッチング処理を連続して行ったが、これらの間に洗浄・乾燥工程を設けても構わない。
【0056】
光電変換層17の形成前に、透明導電層11bの表面を日本電子(株)製の走査型電子顕微鏡JSM−5310LVを用いて観察したところ、穴の形状は略円形で、穴の最大直径22(図4参照)は300〜1200nmの範囲内であり、密度は1個/μm2程度であった。
この穴の内面および周辺の表面を更に詳細に調べるため、(株)東陽テクニカ製の原子間力顕微鏡NanoscopeIIIを用いて透明導電層11b表面の観察を行った。図4にこの発明の実施例に係る薄膜太陽電池において、透明導電層の表面に形成された穴とその内面に形成された微細な凹凸、並びに穴周辺の表面形状を模式的に示す。
【0057】
観察の結果、図4に示す穴の深さ21は100〜800nmの範囲内であった。また、穴の内面にも微細な凹凸が形成されており、その微細な凹凸は、大きさ23(凹凸の高低差)が20〜150nmの範囲内であって、間隔24が80〜350nmの範囲内であった。つまり、透明導電層11bは、形成された穴の内面にさらに微細な凹凸が形成された構造になっていることがわかった。
また、穴以外の透明導電層11bの表面にも微細な凹凸が形成されており、その微細な凹凸の大きさは50〜150nmの範囲内であった。
【0058】
続いて、得られた太陽電池用基板11の上に厚さ20nmのp型シリコン層12、厚さ2μmのi型シリコン層13、厚さ30nmのn型シリコン層14を高周波プラズマCVD法により順に積層し、結晶質シリコンからなる光電変換層17を形成した。
なお、p型シリコン層12の製膜にあたっては、SiH4ガスを流量比で50倍のH2ガスにより希釈したものを原料ガスとし、この原料ガスにB2H6ガスをSiH4ガス流量に対して0.1%添加した。i型シリコン層13の製膜にあたっては、SiH4ガスを流量比で50倍のH2ガスにより希釈したものを原料ガスとした。n型シリコン層14の製膜にあたっては、SiH4ガスを流量比で50倍のH2ガスにより希釈したものを原料ガスとし、この原料ガスにPH3ガスをSiH4ガス流量に対して0.01%添加した。また、製膜時の基板温度は、各々の層において200℃とした。
【0059】
光電変換層17の形成後、太陽電池用基板11をプラズマCVD装置から取り出し、得られた光電変換層17に対してX線回折測定を行った。その結果、Si(220)X線回折ピークの積分強度I220とSi(111)X線回折ピークの積分強度I111との比I220/I111は5.5であった。
ここで、実際に得られたX線回折ピークは、光電変換層17中のi型シリコン層13単体の情報ではないが、i型シリコン層13に比べて、p型シリコン層12およびn型シリコン層14の膜厚は非常に薄いため、i型シリコン層13の結晶配向性を反映しているものと考えられる。
【0060】
その後、マグネトロンスパッタリング法により、光電変換層17上に裏面反射層15として酸化亜鉛を厚さ約50nmにわたって製膜し、次いで、電子ビーム蒸着法により、裏面反射層15上に裏面電極16として銀を厚さ約500nmにわたって製膜し、基板11a側から光Lを入射するスーパーストレート型構造で単接合型の薄膜太陽電池20を得た。
【0061】
実施例2
実施例2は、透明導電層の表面に凹凸を形成するエッチング処理の条件のみを実施例1に対して変更し、それ以外は実施例1と同様にして図1に示すスーパーストレート型構造で単接合型の薄膜太陽電池20を製造したものである。
実施例2では、透明導電層11bの表面に凹凸を形成するにあたって、まず、エッチング液として1.0重量%の酢酸水溶液(液温25℃)を用意し、この酢酸水溶液に太陽電池用基板11を250秒浸漬した。次に、エッチング液として5.0重量%の酢酸水溶液(液温25℃)を用意し、この酢酸水溶液に太陽電池用基板11を30秒浸漬した後、太陽電池用基板11の表面を純水で十分に洗浄した。
【0062】
実施例1と同様に、透明導電層11bの表面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、穴の形状は略円形で、図4に示す最大直径22は200〜1600nmの範囲内であり、密度は2個/μm2程度であった。
また、実施例1と同様に、この穴の内面および周辺の表面を原子間力顕微鏡で更に詳細に観察したところ、図4に示す穴の深さ21は200〜1100nmの範囲内であった。また、穴の内面にも微細な凹凸が形成されており、その微細な凹凸は、大きさ23(凹凸の高低差)が10〜50nmの範囲内であって、間隔24が300〜1000nmの範囲内であった。また、穴以外の透明導電層11bの表面にも微細な凹凸が形成されており、その微細な凹凸の大きさは100〜300nmの範囲内であった。
【0063】
ここで、実施例1および2に係る薄膜太陽電池を比較すると、実施例2では穴の内面における微細な凹凸の間隔24が実施例1よりも広がっていることがわかる。
これは、2回目のエッチング処理に用いられるエッチング液の濃度が、1回目のエッチング処理に用いられるエッチング液の濃度よりも高くなると、穴が1回目のエッチング処理と2回目のエッチング処理の合成で形成されるようになり、穴の内面に微細な凹凸が形成されにくくなるためと考えられる。
【0064】
実施例3
実施例3は、透明導電層の表面に凹凸を形成するエッチング処理の条件のみを上述の実施例1および2に対して変更し、それ以外は実施例1と同様にして図1に示すスーパーストレート型構造で単接合型の薄膜太陽電池20を製造したものである。
実施例3では、透明導電層11bの表面に凹凸を形成するにあたって、まず、エッチング液として1.5重量%の酢酸水溶液(液温40℃)を用意し、この酢酸水溶液に太陽電池用基板11を50秒浸漬した。次に、エッチング液として1.5重量%の酢酸水溶液(液温25℃)を用意し、この酢酸水溶液に太陽電池用基板11を60秒浸漬した後、太陽電池用基板11の表面を純水で十分に洗浄した。
【0065】
実施例1と同様に、透明導電層11bの表面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、穴の形状は略円形で、図4に示す最大直径は400〜1200nmの範囲内であり、密度は1個/μm2程度であった。
また、実施例1と同様に、この穴の内面および周辺の表面を原子間力顕微鏡で更に詳細に観察したところ、図4に示す穴の深さ21は100〜900nmの範囲内であった。また、穴の内面にも微細な凹凸が形成されており、その微細な凹凸は、大きさ23(凹凸の高低差)が30〜200nmの範囲内であって、間隔24が80〜500nmの範囲内であった。また、穴以外の透明導電層11bの表面にも微細な凹凸が形成されており、その微細な凹凸の大きさは50〜100nmの範囲内であった。
【0066】
実施例4
実施例4は、透明導電層の表面に凹凸を形成するエッチング処理の条件のみを上述の実施例1〜3に対して変更し、それ以外は実施例1と同様にして図1に示すスーパーストレート型構造で単接合型の薄膜太陽電池20を製造したものである。
実施例4では、透明導電層11bの表面に凹凸を形成するにあたって、まず、エッチング液として1.5重量%の酢酸水溶液(液温25℃)を用意し、この酢酸水溶液に太陽電池用基板11を150秒浸漬した。次に、エッチング液として1.5重量%の酢酸水溶液(液温40℃)を用意し、この酢酸水溶液に太陽電池用基板11を30秒浸漬した後、太陽電池用基板11の表面を純水で十分に洗浄した。
【0067】
実施例1と同様に、透明導電層11bの表面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、穴の形状は略円形で、図4に示す最大直径は200〜1800nmの範囲内であり、密度は1個/μm2程度であった。
また、実施例1と同様に、この穴の内面および周辺の表面を原子間力顕微鏡で更に詳細に観察したところ、図4に示す穴の深さ21は300〜1000nmの範囲内であった。また、穴の内面にも微細な凹凸が形成されており、その微細な凹凸は、大きさ23(凹凸の高低差)が20〜80nmの範囲内であって、間隔24が200〜800nmの範囲内であった。また、穴以外の透明導電層11bの表面にも微細な凹凸が形成されており、その微細な凹凸の大きさは100〜200nmの範囲内であった。
【0068】
ここで、実施例3および4に係る薄膜太陽電池を比較すると、実施例4では穴の内面における微細な凹凸の間隔24が実施例3よりも広がっていることがわかる。
これは、2回目のエッチング処理に用いられるエッチング液の温度が、1回目のエッチング処理に用いられるエッチング液の温度よりも高くなると、穴が1回目のエッチング処理と2回目のエッチング処理の合成で形成されるようになり、穴の内面に微細な凹凸が形成されにくくなるためと考えられる。
【0069】
実施例5
実施例5は、透明導電層の表面に凹凸を形成するエッチング処理の条件のみを上述の実施例1〜4に対して変更し、それ以外は実施例1と同様にして図1に示すスーパーストレート型構造で単接合型の薄膜太陽電池20を製造したものである。
実施例5では、透明導電層11bの表面に凹凸を形成するにあたって、まず、エッチング液として2.0重量%の水酸化ナトリウム水溶液(液温25℃)を用意し、この水酸化ナトリウム水溶液に太陽電池用基板11を80秒浸漬した。次に、エッチング液として0.5重量%の水酸化ナトリウム水溶液(液温25℃)を用意し、この水酸化ナトリウム水溶液に太陽電池用基板11を60秒浸漬した後、太陽電池用基板11の表面を純水で十分に洗浄した。
【0070】
実施例1と同様に、透明導電層11bの表面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、穴の形状は略円形で、図4に示す最大直径は300〜1000nmの範囲内であり、密度は1個/μm2程度であった。
また、実施例1と同様に、この穴の内面および周辺の表面を原子間力顕微鏡で更に詳細に観察したところ、図4に示す穴の深さ21は100〜800nmの範囲内であった。また、穴の内面にも微細な凹凸が形成されており、その微細な凹凸は、大きさ23(凹凸の高低差)が10〜100nmの範囲内であって、間隔24が100〜400nmの範囲内であった。また、穴以外の透明導電層11bの表面にも微細な凹凸が形成されており、その微細な凹凸の大きさは80〜150nmの範囲内であった。
【0071】
実施例6
実施例6は、透明導電層の表面に凹凸を形成するエッチング処理の条件のみを上述の実施例1〜5に対して変更し、それ以外は実施例1と同様にして図1に示すスーパーストレート型構造で単接合型の薄膜太陽電池20を製造したものである。
実施例6では、透明導電層11bの表面に凹凸を形成するにあたって、まず、エッチング液として1.0重量%の水酸化ナトリウム水溶液(液温40℃)を用意し、この水酸化ナトリウム水溶液に太陽電池用基板11を80秒浸漬した。次に、エッチング液として1.0重量%の水酸化ナトリウム水溶液(液温25℃)を用意し、この水酸化ナトリウム水溶液に太陽電池用基板11を30秒浸漬した後、太陽電池用基板11の表面を純水で十分に洗浄した。
【0072】
実施例1と同様に、透明導電層11bの表面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、穴の形状は略円形で、図4に示す最大直径は350〜1200nmの範囲内であり、密度は1個/μm2程度であった。
また、実施例1と同様に、この穴の内面および周辺の表面を原子間力顕微鏡で更に詳細に観察したところ、図4に示す穴の深さ21は150〜1000nmの範囲内であった。また、穴の内面にも微細な凹凸が形成されており、その微細な凹凸は、大きさ23(凹凸の高低差)が20〜180nmの範囲内であって、間隔24が120〜460nmの範囲内であった。また、穴以外の透明導電層11bの表面にも微細な凹凸が形成されており、その微細な凹凸の大きさは100〜200nmの範囲内であった。
【0073】
比較例1
比較例1は、透明導電層の表面に凹凸を形成する際に、1回のみのエッチング処理で凹凸を形成し、それ以外は実施例1と同様にしてスーパーストレート型構造で単接合型の薄膜太陽電池(図示せず)を製造したものである。
比較例1では、透明導電層の表面に凹凸を形成するにあたって、2.5重量%の水酸化ナトリウム水溶液(液温25℃)に太陽電池用基板を120秒浸漬した。
【0074】
実施例1と同様に、透明導電層の表面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、穴の形状は略円形で、その最大直径32(図5参照)は80〜2000nmの範囲内であり、密度は2.5個/μm2程度であった。
また、実施例1と同様に、この穴の内面および周辺の表面を原子間力顕微鏡で更に詳細に観察した。図5に比較例に係る薄膜太陽電池において、透明導電層の表面に形成された穴とその内面の形状、並びに穴周辺の表面形状を模式的に示す。図5に示すように、比較例1で形成された穴の深さ31は300〜1100nmであって、穴の内面には高低差33が10nm以下という僅かな形状の変化が認められるだけであった。
一方、穴以外の透明導電層の表面には、穴との区別が難しい程の大きな凹凸が形成されていた。
【0075】
なお、比較例1において、穴の密度が2.5個/μm2程度まで増加した理由としては、1回のみのエッチング処理で透明導電層を掘り下げたために微細な凹凸が形成されずらくなり、先の実施例1〜6では穴以外の表面における微細な凹凸として分類されていたものが、比較例1では穴と分類されるほどまでそのサイズが大きくなったことが考えられる。
【0076】
ここで、上述の実施例1〜7、並びに、比較例1に係る薄膜太陽電池の透明導電層の表面形状と光電変換層の配向性を以下の表1に示す。
【0077】
【表1】
【0078】
また、上述の実施例1〜7、並びに、比較例1に係る薄膜太陽電池のAM1.5(100mW/cm2)照射条件下における電流−電圧特性を以下の表2に示す。
【0079】
【表2】
【0080】
ここで、上記の表1および表2を参照しつつ、実施例1〜6と比較例1とを比較・検討する。
表1に示されるように、実施例1〜6による薄膜太陽電池の透明導電層の表面には、エッチング処理が2回施されることによっていずれも複数の穴と、各穴の内面の微細な凹凸と、穴以外の表面における微細な凹凸が形成されている(図4参照)。
これに対し、比較例1では、実施例1〜6よりも穴の最大直径範囲が広がると共に穴の数が増加する一方で、穴の内面における微細な凹凸が小さくなり、またその数も減少している。
一方、X線回折測定による光電変換層の配向性I220/I111では、実施例1〜6および比較例1ともに5.0、もしくはそれ以上の値が得られたことから、いずれの薄膜太陽電池の光電変換層についても欠陥の少ない良好な膜が形成されていると考えられる。
【0081】
さらに、表2に基づいて実施例1〜6、並びに、比較例1の薄膜太陽電池の電流−電圧特性を比較すると、いずれの薄膜太陽電池も同程度の開放電圧および形状因子が得られているにもかかわらず、比較例1の短絡電流が実施例1〜6に対して低くなっていることがわかる。つまり、比較例1に係る薄膜太陽電池は、光閉込効果が実施例1〜6ほど十分でないことがわかる。
これにより、透明導電層11bの表面形状、すなわち実施例1〜6に係る薄膜太陽電池20の透明導電層11bに認められた複数の穴と各穴の内面の微細な凹凸が、光閉込効果に大きく寄与しているものと考えることができる。
具体的には、各穴の内面に微細な凹凸が形成されることにより、透明導電層11bとシリコン薄膜との界面において、入射光に対して十分な光散乱を生じさるとともに、透明導電層とその上に堆積されるシリコン薄膜との界面における反射を低減し、光電変換層17への効果的な光入射を促進することができたためと考えられる。この結果、良好な光閉込効果が得られたと考えられる。
【0082】
また、実施例1〜6の中では、実施例2と実施例4が最も低い短絡電流値を示した。これは、2回目に施されたエッチング処理の条件が、1回目のエッチング処理の条件よりも穴が形成され易い条件であるため、穴の内面に微細な凹凸が十分に形成されなかったためと考えられる。
これにより、透明導電層11bの表面に穴が形成されやすいエッチング処理を施した後に、微細な凹凸が形成されやすいエッチング処理を施すことが、透明導電層11bの表面において十分な光散乱を生じさせ、光電変換層における十分な光閉込効果を得るうえで重要であり、ひいては高い光電変換効率を示す薄膜太陽電池を製造することにつながると考えることができる。
なお、実施例1〜6では、基板11a上に形成された透明導電層11bのみにエッチングによる表面処理を施したが、裏面電極16側の裏面反射層15として用いた透明導電層に同様の処理を施しても同様の光閉込効果が得られると考えられる。
【0083】
実施例7
実施例7は、上述の実施形態で触れた図2に示されるサブストレート型構造で単接合型の薄膜太陽電池50を製造したものである。
図2に示されるように、実施例7で製造した薄膜太陽電池50は、太陽電池用基板40の上に光電変換層45、透明導電層44が順に積層されて構成されている。
ここで、太陽電池用基板40は、ステンレス基板40aの上に裏面電極40bと、透明導電性材料からなる裏面反射層40cが順に積層されて構成されている。
また、光電変換層45は、n型シリコン層41、i型シリコン層42およびp型シリコン層43が順に積層されて構成されている。
【0084】
このようなサブストレート型構造で単接合型の薄膜太陽電池50を、以下のような手順で製造した。
まず、電子ビーム蒸着法により、表面が平滑なステンレス基板40a上に裏面電極40bとして銀を厚さ500nmにわたって製膜し、次いで、マグネトロンスパッタリング法により、裏面電極40b上に裏面反射層40cとして酸化亜鉛からなる透明導電層を厚さ50nmにわたって製膜し、太陽電池用基板40を形成した。
【0085】
続いて、得られた太陽電池用基板40の上に厚さ30nmのn型シリコン層41、厚さ2μmのi型シリコン層42、厚さ20nmのp型シリコン層43を高周波プラズマCVD法により順に積層し、光電変換層45を形成した。
なお、n型シリコン層41の製膜にあたっては、SiH4ガスを流量比で50倍のH2ガスにより希釈したものを原料ガスとし、この原料ガスにPH3ガスをSiH4ガス流量に対して0.01%添加した。i型シリコン層13の製膜にあたっては、SiH4ガスを流量比で50倍のH2ガスにより希釈したものを原料ガスとした。p型シリコン層43の製膜にあたっては、SiH4ガスを流量比で50倍のH2ガスにより希釈したものを原料ガスとし、この原料ガスにB2H6ガスをSiH4ガス流量に対して0.1%添加した。また、製膜時の基板温度は各々の層において200℃とした。
【0086】
続いて、形成された光電変換層45の上に、マグネトロンスパッタリング法により基板温度150℃、製膜圧力0.3mTorrで、透明導電層44として酸化亜鉛を厚さ1000nmにわたって製膜した。透明導電層44には、1×1021cm−3程度のガリウムが添加されている。この結果、得られた透明導電層44のシート抵抗は10Ω/□であり、波長800nmの光に対する透過率は80%であった。また、透明導電層44に対してX線回折測定を行ったところ、ZnO(0001)回折ピークの積分強度は、全回折ピークの積分強度の和に対して75%であった。
【0087】
続いて、透明導電層44の表面に凹凸の形成を行った。
まず、エッチング液として0.35重量%の塩酸水溶液(液温25℃)を用意し、この塩酸水溶液に、先の工程で得られた作製中の薄膜太陽電池を100秒浸漬した。次に、エッチング液として0.1重量%の塩酸水溶液(液温25℃)を用意し、この塩酸水溶液に再び100秒浸漬した後、表面を純水で十分に洗浄し、透明導電層44側から光Lを入射するサブストレート型構造で単接合型の薄膜太陽電池50を得た。
【0088】
実施例1と同様に、透明導電層44の表面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、穴の形状は略円形で、その最大直径は300〜1000nmの範囲内であり、個数密度は1個/μm2程度であった。
また、実施例1と同様に、この穴の内面および周辺の表面を原子間力顕微鏡で更に詳細に観察したところ、図4に示す穴の深さ21は80〜900nmの範囲内であった。また、穴の内面にも微細な凹凸が形成されており、その微細な凹凸は、大きさ(凹凸の高低差)23が10〜180nmの範囲内であって、間隔24が80〜600nmの範囲内であった。また、穴以外の透明導電層44の表面にも微細な凹凸が形成されており、その微細な凹凸の大きさは30〜150nmの範囲内であった。
【0089】
比較例2
比較例2は、透明導電層の表面に凹凸を形成する際に、1回のみのエッチング処理で凹凸を形成し、それ以外は実施例7と同様にしてサブストレート型構造で単接合型の薄膜太陽電池(図示せず)を製造したものである。
比較例1では、透明導電層の表面に凹凸を形成するにあたって、0.35重量%の塩酸水溶液(液温25℃)に受光面側の透明導電層まで順次積層された作製中の薄膜太陽電池を120秒浸漬した。
【0090】
実施例1と同様に、透明導電層の表面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、穴の形状は略円形で、図5に示す最大直径は100〜1600nmの範囲内であり、密度はおよそ2.8個/μm2程度であった。
また、実施例1と同様に、この穴の内面および周辺の表面を原子間力顕微鏡で更に詳細に観察したところ、図5に示す穴の深さ31は300〜900nmの範囲内であって、穴の内面には高低差33が10nm以下という僅かな形状の変化が認められるだけであった。
一方、穴以外の透明導電層の表面には、穴との区別が難しい程の大きな凹凸が形成されていた。
【0091】
なお、比較例2において、穴の密度が2.8個/μm2程度まで増加した理由としては、上述の比較例1と同様に、1回のみのエッチング処理で透明導電層を掘り下げたために微細な凹凸が形成されずらくなり、先の実施例7では穴以外の表面における微細な凹凸として分類されていたものが、比較例2では穴と分類されるほどまでそのサイズが大きくなったことが考えられる。
【0092】
ここで、また、上述の実施例7および比較例2に係る薄膜太陽電池のAM1.5(100mW/cm2)照射条件下における電流−電圧特性を以下の表3に示す。
【0093】
【表3】
【0094】
上記の表3に基づいて実施例7および比較例2に係る薄膜太陽電池の電流−電圧特性を比較すると、開放電圧および形状因子の値はほとんど変わらないにもかかわらず、短絡電流については実施例7の方が比較例2よりも高い値を示していることがわかる。
これにより、実施例7に係る薄膜太陽電池の透明導電層44に認められた複数の穴と各穴の内面の微細な凹凸が、短絡電流の向上に大きく寄与しているものと考えることができる。
具体的には、各穴の内面に微細な凹凸が形成されることにより、透明導電層44と外部の雰囲気との界面において入射光の反射が低減され、光電変換層45に対する光入射が促進されたためためと考えられる。
【0095】
なお、実施例7では、基板上に形成された透明導電層のみにエッチングによる表面処理を施したが、裏面電極側の裏面反射層として用いた透明導電層に同様の処理を施した場合には、裏面反射層と光電変換層の界面において十分な光散乱が生じ、光電変換層45における良好な光閉込効果が得られると考えられる。
【0096】
実施例8
実施例8は、上述の実施形態で触れた図3に示されるスーパーストレート構造で多接合型の薄膜太陽電池60を製造したものである。
図3に示されるように、実施例8で製造した薄膜太陽電池60は、基板11aとその上に形成された透明導電層11bとからなる太陽電池用基板11上に、第1光電変換層27、透明導電材料からなる中間層11c、第2光電変換層37、裏面反射層15、裏面電極16が順に積層されて構成されている。
【0097】
第1光電変換層27は、p型非晶質シリコン層12a、i型非晶質シリコン層13aおよびn型非晶質シリコン層14aから構成されており、第2シリコン光電変換層37は、p型シリコン層12b、i型シリコン層13bおよびn型シリコン層14bから構成されている。
【0098】
このようなスーパーストレート構造で多接合型の薄膜太陽電池60を、以下のような手順で製造した。
まず、実施例1と同様に、表面が平滑なガラス板を基板11aとして用い、この基板11a上にマグネトロンスパッタリング法により基板温度150℃、製膜圧力0.3mTorrで、透明導電層11bとして酸化亜鉛を厚さ1200nmにわたって製膜し、太陽電池用基板11を形成した。
続いて、透明導電層11b表面に実施例2と同様にして2回のエッチング処理を行い凹凸を形成した。
その後、実施例1と同様にして透明導電層の表面を走査型電子顕微鏡および原子間力顕微鏡で観察したところ、略円形の形状を有する複数の穴と穴の内面の微細な凹凸が確認された。
【0099】
続いて、得られた太陽電池用基板11の上に厚さ20nmのp型非晶質シリコン層12a、厚さ300nmのi型非晶質シリコン層13a、厚さ30nmのn型非晶質シリコン層14aを高周波プラズマCVD法により順に積層し、非晶質シリコンからなる第1光電変換層27を形成した。
なお、p型非晶質シリコン層12aの製膜にあたっては、SiH4ガスを流量比で5倍のH2ガスにより希釈したものを原料ガスとし、この原料ガスにB2H6ガスをSiH4ガス流量に対して0.1%添加した。i型非晶質シリコン層13aの製膜にあたっては、SiH4ガスを流量比で5倍のH2ガスにより希釈したものを原料ガスとした。n型非晶質シリコン層14aの製膜にあたっては、SiH4ガスを流量比で5倍のH2ガスにより希釈したものを原料ガスとし、この原料ガスにPH3ガスをSiH4ガス流量に対して0.01%添加した。また、製膜時の基板温度は、各々の層において200℃とした。
【0100】
その後、マグネトロンスパッタリング法により、第1光電変換層27上に中間層11cとして酸化亜鉛を透明導電層11bと同条件で膜厚5nmにわたって製膜した。
その後、中間層11c上に、実施例1の光電変換層17と同条件で第2光電変換層37を形成した。
第2光電変換層37の形成後にX線回折測定を行ったところ、Si(220)X線回折ピークの積分強度I220とSi(111)X線回折ピークの積分強度I111の比I220/I111は5.5であり、実施例1との間に差は認められなかった。
その後、実施例1と同様にして、裏面反射層15および裏面電極16を形成し、基板11aから光Lを入射するスーパーストレート型構造で多接合型の薄膜太陽電池60を得た。
【0101】
比較例3
比較例3は、太陽電池用基板を構成する透明導電層の表面に凹凸を形成する際に、1回のみのエッチング処理で凹凸を形成し、それ以外は実施例8と同様にしてスーパーストレート型構造で多接合型の薄膜太陽電池を製造したものである。
比較例3では、比較例1と同様に、透明導電層の表面に凹凸を形成するにあたって、2.5重量%の水酸化ナトリウム水溶液(液温25℃)に太陽電池用基板を120秒浸漬した。
また、第2光電変換層37の形成後、実施例8と同様にX線回折測定を行ったところ、Si(220)X線回折ピークの積分強度I220とSi(111)X線回折ピークの積分強度I111の比I220/I111は5.0であった。
【0102】
ここで、上述の実施例8および比較例3に係る薄膜太陽電池のAM1.5(100mW/cm2)照射条件下における電流−電圧特性を表4に示す。
【0103】
【表4】
【0104】
上記の表4に基づいて実施例8および比較例3に係る薄膜太陽電池の電流−電圧特性を比較すると、開放電圧および形状因子の値はほとんど変わらないにもかかわらず、短絡電流については実施例8の方が比較例3よりも高い値を示していることがわかる。
これにより、実施例8に係る薄膜太陽電池の透明導電層11bに認められた複数の穴と各穴の内面の微細な凹凸が、短絡電流の向上に大きく寄与しているものと考えることができる。
具体的には、各穴の内面に微細な凹凸が形成されることにより、透明導電層11bと第1光電変換層27との界面において入射光に対する十分な光散乱が生じ、光電変換層において良好な光閉込効果が得られたためと考えられる。
【0105】
なお、実施例8では、基板11a上に形成された透明導電層11bのみにエッチングによる表面処理を施したが、裏面電極16側の裏面反射層15や第1光電変換層27と第2光電変換層37との間に挿入される中間層11cに同様の処理を施しても同様の効果が得られると考えられる。
【0106】
以上、実施例では酸化亜鉛からなる透明導電層11b、44を有する薄膜太陽電池について説明したが、この発明は上述の実施例に限定されるものではない。上述の実施形態で説明した各種の透明導電層およびエッチング液以外でもこの発明と同様の効果を得ることができ、例えば、酸強度もしくはアルカリ強度の異なるエッチング液を用いた場合でも基本的にはこの発明と同様の効果を得ることができる。
【0107】
【発明の効果】
この発明によれば、酸性またはアルカリ性溶液からなるエッチング液を用いたエッチング処理が透明導電層の表面に少なくとも2回にわたって施されるので、1回目のエッチング処理によって透明導電層の表面に比較的大きな複数の凹部が形成され、2回目以降のエッチング処理によって各凹部の内面に微細な凹凸が形成され、結果として、光閉込効果を得るうえで理想的な凹凸が透明導電層の表面に形成され、高い光電変換効率を示す薄膜太陽電池を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施形態、並びに、実施例1〜6に係るスーパーストレート型構造で単接合型の薄膜太陽電池の構造を概略的に示す断面図である。
【図2】この発明の実施形態および実施例7に係るサブストレート型構造で単接合型の薄膜太陽電池の構造を概略的に示す断面図である。
【図3】この発明の実施形態および実施例8に係るスーパーストレート型構造で多接合型の薄膜太陽電池の構造を概略的に示す断面図である。
【図4】この発明の実施形態および実施例に係る薄膜太陽電池において、透明導電層の表面に形成された穴とその内面に形成された微細な凹凸、並びに穴周辺の表面形状を模式的に示す説明図である。
【図5】比較例に係る薄膜太陽電池において、透明導電層の表面に形成された穴およびその内面の形状、並びに穴周辺の表面形状を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
11・・・太陽電池用基板
11a・・・基板
11b・・・透明導電層
12・・・p型シリコン層
13・・・i型シリコン層
14・・・n型シリコン層
15・・・裏面反射層
16・・・裏面電極
17・・・光電変換層
18a,18b・・・電極
20・・・薄膜太陽電池
L・・・光[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of manufacturing a thin film solar cell and a thin film solar cell manufactured by the method, and more particularly, to a method of manufacturing a thin film solar cell having high photoelectric conversion efficiency and a thin film solar cell manufactured by the method.
[0002]
[Prior art]
Currently, fossil fuels such as petroleum, which are used as major energy sources, are concerned about future supply and demand, and have problems such as carbon dioxide emission which causes a global warming phenomenon. Therefore, in recent years, solar cells have attracted attention as an alternative energy source for fossil fuels such as petroleum.
As a solar cell, a silicon semiconductor having a pn junction is mainly used for converting light energy into electricity, and single crystal silicon is preferably used in terms of photoelectric conversion efficiency. However, a solar cell using single crystal silicon has problems such as a raw material supply, a large area, and a low cost.
[0003]
As one of means for solving these problems, some solar cells using a thin film amorphous silicon as a photoelectric conversion layer have been put into practical use.
Further, in order to obtain higher photoelectric conversion efficiency, introduction of a thin-film crystalline silicon into a photoelectric conversion layer instead of an amorphous material has been studied. This thin-film crystalline silicon can be formed by a chemical vapor deposition method (hereinafter, referred to as a CVD method) similarly to amorphous, and the film quality is a polycrystalline silicon thin film.
[0004]
By the way, in order to increase the photoelectric conversion efficiency in a thin-film solar cell, it is important to effectively use the light confinement effect.
Here, the light confinement effect means that the surface of the transparent conductive layer or the metal layer in contact with the photoelectric conversion layer is made uneven, and light is scattered at the interface to extend the optical path length, thereby reducing light absorption in the photoelectric conversion layer. It is the effect of increasing.
[0005]
As a method of forming irregularities on the surface of the transparent conductive layer, a method of doping boron when forming the transparent conductive layer by a CVD method is known (for example, see Patent Document 1).
Also, a method is known in which the surface of the transparent conductive layer is subjected to etching once using an acidic or alkaline solution (for example, see Patent Document 2).
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2000-252504 A (Paragraph 0008)
[Patent Document 2]
JP-A-11-233800 (paragraphs 0015 to 0022)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the method of doping boron when forming a transparent conductive layer by the CVD method, special high-pressure gas equipment is required because diborane or the like is used as a boron source.
The method of performing an etching treatment using an acidic or alkaline solution is preferable in that it is simple. However, if the etching treatment is performed only once using an acidic or alkaline solution, relatively rough unevenness may occur on the transparent conductive layer. A good light confinement effect cannot be obtained only by forming the film almost uniformly over the entire surface.
[0008]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a method of manufacturing a thin-film solar cell exhibiting a good light confinement effect and exhibiting high photoelectric conversion efficiency, and a thin-film solar cell manufactured by the method. Is provided.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention includes a step of forming a first electrode layer on a substrate, forming a photoelectric conversion layer on the first electrode layer, and forming a second electrode layer on the photoelectric conversion layer. One of the step of forming the second conductive layer and the step of forming the second electrode layer include an etching process of forming a transparent conductive layer as an electrode layer, and forming irregularities on the surface of the formed transparent conductive layer. And a method for manufacturing a thin-film solar cell including a process of etching the surface of a transparent conductive layer at least twice using an etching solution composed of an acidic or alkaline solution.
[0010]
According to such a manufacturing method, since the etching treatment using the etching solution composed of an acidic or alkaline solution is performed at least twice on the surface of the transparent conductive layer, the surface of the transparent conductive layer is subjected to the first etching treatment. A plurality of relatively large concave portions are formed, and fine irregularities are formed on the inner surface of each concave portion by the second and subsequent etching processes.
As a result, ideal concavities and convexities are formed on the surface of the transparent conductive layer for obtaining a good light confinement effect, and a thin-film solar cell exhibiting high photoelectric conversion efficiency can be manufactured.
The method for manufacturing a thin film solar cell according to the present invention can be applied regardless of the difference in the structure of the thin film solar cell such as a superstrate type structure or a substrate type structure.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the method for manufacturing a thin-film solar cell according to the present invention, it is preferable that the concentration of the etchant used in the second or subsequent etching is lower than that used in the first etching.
In the method for manufacturing a thin-film solar cell according to the present invention, it is preferable that the temperature of the etchant used in the second or subsequent etching is lower than that used in the first etching.
This is because, in surface treatment by wet etching using an etching solution composed of an acidic or alkaline solution, if the concentration or temperature of the etching solution is high, a relatively large hole-shaped concave portion tends to be formed as the processing time increases. On the other hand, when the concentration or temperature of the etching solution is low, fine irregularities are formed without being greatly affected by the processing time.
Further, by performing the treatment with the etching solution having a low concentration or temperature for the second time or later, there is an advantage that excessive enlargement of the concave portion formed in the first etching treatment and disappearance of the transparent conductive layer itself can be prevented. .
[0012]
In the method for manufacturing a thin-film solar cell according to the present invention, the etching solution is obtained by dissolving a solute composed of an acidic substance or an alkaline substance in a solvent, and is used for the first etching and the second and subsequent etchings. The etchant used is preferably the same solvent and solute.
This is because the use of the same solvent and solute can simplify the etching equipment in terms of chemical resistance and waste liquid treatment.
[0013]
In the method for manufacturing a thin film solar cell according to the present invention, the transparent conductive layer preferably has a zinc oxide thin film layer.
This is because the transparent conductive layer does not have a zinc oxide thin film2In the case where the transparent conductive layer is formed only by the plasma CVD method, the transparent conductive layer is reduced by the hydrogen plasma contained in the process gas, the transmittance is reduced by blackening, and the characteristics of the thin film solar cell are reduced. This is because there is a danger of it getting lost. On the other hand, when the transparent conductive layer is provided with a zinc oxide thin film layer, the plasma resistance of the zinc oxide thin film layer prevents a decrease in the transmittance of the transparent conductive layer when the photoelectric conversion layer is deposited, thereby providing a thin film solar cell exhibiting high photoelectric conversion efficiency. Leads to
[0014]
Viewed from another viewpoint, the present invention is a thin-film solar cell manufactured by the above manufacturing method, wherein the unevenness is formed by a plurality of recesses formed on the surface of the transparent conductive layer in the first etching treatment, The present invention also provides a thin-film solar cell including fine irregularities formed on the inner surface of each concave portion by the etching process.
That is, in the thin-film solar cell manufactured by the above-described manufacturing method according to the present invention, the unevenness on the surface of the transparent conductive layer includes a plurality of concave portions formed on the surface of the transparent conductive layer in the first etching process, and the second and subsequent times. And the fine unevenness formed on the inner surface of each concave portion by the etching process, sufficient light scattering can be caused on the surface of the transparent conductive layer, and as a result, good light The photoelectric conversion efficiency is improved by the incorporation effect.
[0015]
In the thin film solar cell according to the present invention, each concave portion has a maximum diameter within a range of about 200 to 2000 nm and a depth within a range of about 50 to 1200 nm, and the fine irregularities have a height difference of about 10 to 300 nm. It is preferable that the
Here, each concave portion has a maximum diameter within a range of about 400 to 1200 nm and a depth within a range of about 100 to 800 nm, and the fine unevenness has a height difference within a range of about 20 to 200 nm. preferable.
[0016]
Further, in the thin-film solar cell according to the present invention, it is more preferable that fine unevenness is formed on the surface other than the concave portion in order to cause sufficient light scattering.
In this case, the height difference of the fine unevenness formed on the surface other than the concave portion is preferably in the range of about 10 to 300 nm, and more preferably in the range of about 20 to 200 nm.
[0017]
By setting the maximum diameter and depth of each concave portion, and the height difference of fine irregularities within the above range, not only light having a center wavelength of about 400 to 650 nm of the solar spectrum, but also light having a longer wavelength. Also, sufficient light scattering can be generated.
[0018]
Embodiment
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the thin-film solar cell 20 according to one embodiment of the present invention has a superstrate structure in which light L is incident from the substrate 11a side and photoelectric conversion is performed in the photoelectric conversion layer 17. .
The thin-film solar cell 20 is configured such that a photoelectric conversion layer 17, a back reflection layer 15, and a back electrode 16 are sequentially stacked on a solar cell substrate 11 including a substrate 11a and a transparent conductive layer 11b formed thereon. ing.
The photoelectric conversion layer 17 includes a p-type silicon layer 12, an i-type silicon layer 13, and an n-type silicon layer 14.
[0019]
In the thin-film solar cell 20, the electrodes 18a and 18b are extracted from the transparent conductive layer 11b and the back surface electrode 16, respectively, and the electric power generated by photoelectric conversion in the photoelectric conversion layer is extracted through these electrodes 18a and 18b.
[0020]
substrate
As the substrate 11a, for example, a plastic substrate such as glass or acrylic is used as the light-transmitting insulating substrate.
[0021]
Transparent conductive layer
The transparent conductive layer 11b is formed on the substrate 11a and is made of a zinc oxide (ZnO) thin film layer having high plasma resistance. However, the transparent conductive layer 11b is not limited to this, and the zinc oxide thin film layer and the SnO2, In2O3, ITO or the like may be a composite layer. When a normal pressure CVD method or a plasma CVD method in which a film forming condition with low reducibility by hydrogen plasma is selected as a method for depositing the photoelectric conversion layer, the transparent conductive layer 11b is formed of SnO.2, In2O3, ITO or the like or a composite layer obtained by laminating them.
[0022]
The transparent conductive layer 11b preferably has a thickness of about 1 nm to 2 μm and is formed by a sputtering method. This is because the sputtering method can easily control the transmittance and the resistivity of the transparent conductive layer 11b to those suitable for the crystalline silicon thin film solar cell. Further, the transparent conductive layer 11b may contain an impurity in order to reduce the resistivity. Examples of such impurities include Group III elements such as gallium and aluminum.20~ 5 × 1021cm-3It can be. In forming the transparent conductive layer 11b, a vacuum evaporation method, an EB evaporation method, a normal pressure CVD method, a low pressure CVD method, a sol-gel method, an electrodeposition method, or the like can be used other than the sputtering method.
[0023]
The surface of the transparent conductive layer 11b has a substantially hemispherical concave portion (hereinafter simply referred to as "hole" in this specification) that does not reach the substrate 11a by a plurality of etching processes using an acidic or alkaline etching solution. Many holes are formed, and finer irregularities are formed on the inner surface of the hole.
The term "a plurality of etching treatments" as used herein refers to two or more etching treatments, and practically two or three etching treatments are appropriate. That is, although the effects of the present invention can be obtained even if the processing is performed three or more times, if a suitable etching processing condition is selected, a plurality of holes and fine irregularities on the inner surface of each hole can be obtained by performing the etching processing about two to three times. Can be formed. Performing more etching processes than necessary only complicates the manufacturing process, and may cause a decrease in yield and an increase in manufacturing cost.
[0024]
Note that the plurality of holes formed on the surface of the transparent conductive layer 11b and the fine irregularities on the inner surface of each hole cause a favorable light scattering state with respect to the photoelectric conversion layer 17 and cause the light-emitting device to have a light scattering state on the transparent conductive layer 11b. The number, size, shape, depth, and the like are such that the defect density of the stacked photoelectric conversion layers 17 is reduced. The preferred setting of these holes and fine irregularities will be described in detail later.
[0025]
Photoelectric conversion layer
The photoelectric conversion layer 17 is formed on the transparent conductive layer 11b, and is formed by, for example, a pin junction. Here, the photoelectric conversion layer 17 may be a layer containing crystalline silicon or amorphous silicon. However, in the single-junction thin-film solar cell 20 shown in FIG. More preferably, it is a layer containing.
[0026]
The photoelectric conversion layer 17 can be composed of, for example, a p-type silicon layer 12, an i-type silicon layer 13, and an n-type silicon layer 14, and each of these layers can be formed of crystalline silicon. However, the present invention is not limited to this, and only one of the i-type silicon layer 13, the p-type silicon layer 12, and the n-type silicon layer 14 which is in contact with the transparent conductive layer 11b is made of crystalline silicon. Layer.
Further, the crystalline silicon referred to here is alloyed silicon, for example, Si to which carbon is added.xC1-x, Germanium-doped SixGe1-x, Or silicon to which other impurities or the like are added.
[0027]
p-type silicon layer
The p-type silicon layer 12 constituting the photoelectric conversion layer 17 is a layer containing a group III element (for example, boron, aluminum, indium, or the like). The p-type silicon layer 12 may be a single layer, or may be formed by a composite layer having a different group III element concentration or gradually changing for each of the stacked layers. The group III element concentration can be, for example, about 0.01 to 8 atomic%, and the thickness of the p-type silicon layer 12 can be, for example, about 1 to 200 nm.
[0028]
The p-type silicon layer 12 may be formed by any method as long as a silicon layer having a p-type conductivity can be formed, and a general method of forming a silicon layer is a CVD method. Here, the CVD method may be any one of normal pressure CVD, low pressure CVD, plasma CVD, ECR plasma CVD, high temperature CVD, low temperature CVD, etc., and a method using a high frequency in a frequency band from RF to VHF, ECR plasma It is preferable to form them by a CVD method or a combination thereof. For example, when using the plasma CVD method, the conditions are that the frequency is about 10 to 200 MHz, the power is about several W to several kW, the pressure in the chamber is about 0.1 to 20 Torr, and the substrate temperature is about room temperature to about 600 ° C. Can be.
[0029]
Examples of the silicon-containing gas used to form the silicon layer include SiH4, Si2H6, SiF4, SiH2Cl2, SiCl4And the like. The silicon-containing gas is typically H2, Ar, He, Ne, Xe, and other inert gases.2Preferably, a gas is used. The mixing ratio of the silicon-containing gas and the diluent gas can be, for example, about 1: 1 to 1: 100 in terms of a volume ratio while being constant or changing.
[0030]
As the doping gas, a gas containing an arbitrary Group III element, for example, B2H6Etc. can be used. In this case, the mixing ratio between the silicon-containing gas and the gas containing the group III element can be adjusted as appropriate depending on the size of the film forming apparatus such as CVD, the desired concentration of the group III element, and the like. For example, the capacity ratio can be set to about 1: 0.001 to 1: 1. The doping of the group III element may be performed simultaneously with the formation of the crystalline silicon layer as described above, or after the formation of the silicon film, ion implantation, surface treatment of the crystalline silicon layer, solid phase diffusion, or the like. The method may be used. Further, a fluorine gas may be added to a silicon-containing gas or the like. As the fluorine-containing gas used here, for example, F2, SiF4, SiH2F2The amount of the fluorine-containing gas used in this case can be, for example, about 0.01 to 10 times the hydrogen gas.
[0031]
i-type silicon layer
The i-type silicon layer 13 is a layer that does not substantially exhibit the p-type and n-type conductivity types, but is a layer that exhibits a very weak p-type or n-type conductivity type that does not impair the photoelectric conversion function. You may. The i-type silicon layer 13 can be formed by, for example, plasma CVD, and its thickness can be, for example, about 0.1 to 10 μm. The i-type silicon layer 13 can be formed by a method substantially similar to that of the p-type silicon layer 12, except that the used gas does not include a group III element.
[0032]
n-type silicon layer
The n-type silicon layer 14 can be formed in the same manner as the p-type silicon layer 12 and the i-type silicon layer 13 except that a gas containing a group V element such as PH3 is used as a dopant gas. Can be, for example, about 10 to 100 nm. Examples of the impurity serving as a donor include phosphorus, arsenic, antimony, and the like.18-1020cm-3Degree.
If at least one active layer among the layers constituting the photoelectric conversion layer 17 is a layer made of crystalline silicon or a silicon alloy, long wavelength light of 700 nm or more which cannot be used for photoelectric conversion with amorphous silicon. Will be fully available.
This is due to the difference in light sensitivity between amorphous silicon having high short wavelength sensitivity and crystalline silicon having high long wavelength sensitivity.
[0033]
In particular, in the X-ray diffraction measurement, the integrated intensity I of the Si (220) X-ray diffraction peak of the active layer made of the above-mentioned crystalline silicon or silicon alloy is obtained.220And integrated intensity I of Si (111) X-ray diffraction peak111Ratio I220/ I111Is 5 or more, an active layer with very few defects is formed, and a high-quality photoelectric conversion layer 17 can be obtained.
[0034]
Back reflection layer
On the photoelectric conversion layer 17, a transparent conductive layer is formed as the back surface reflection layer 15 as necessary. This transparent conductive layer is made of, for example, SnO, similarly to the light incident side transparent conductive layer 11b.2, In2O3, ZnO, ITO or the like, or a composite layer obtained by laminating them. Examples of the transparent conductive layer include a sputtering method, a vacuum evaporation method, an EB evaporation method, a normal-pressure CVD method, a low-pressure CVD method, a sol-gel method, and an electrodeposition method. In view of the advantage that the resistivity and the resistivity can be easily controlled to a value suitable for the crystalline silicon solar cell, it is preferable to form the film by using the sputtering method.
[0035]
Back electrode
On the photoelectric conversion layer 17 or the back reflection layer 15, as the back electrode 16, a single layer of a metal having a relatively high reflectance, for example, a metal such as silver or aluminum, or a composite layer obtained by laminating them is formed by a sputtering method. It is formed by a vacuum evaporation method, an EB evaporation method, a normal pressure CVD method, a low pressure CVD method, a sol-gel method, an electrodeposition method, or the like.
[0036]
Holes and fine irregularities
Here, the plurality of holes on the surface of the transparent conductive layer 11b and the fine unevenness formed on the inner surface of each hole will be described in detail.
Usually, a thin film of zinc oxide or the like used as the transparent conductive layer 11b is desirably low in resistance because it is used as an electrode. As the film quality, a film containing a large amount of crystalline is used. For this reason, a plurality of grain boundaries exist on the film surface and in the film, and when observed by a scanning electron microscope or measured by an X-ray diffractometer, a polycrystalline thin film having a particle size of several tens to several hundreds of nm is obtained. Is confirmed.
[0037]
When the transparent conductive layer 11b is oriented in a specific axis direction with respect to the substrate surface, the influence of plane orientation on processing such as etching is eliminated, and the plurality of transparent conductive layers 11b formed on the surface on the photoelectric conversion layer 17 side of the transparent conductive layer 11b are eliminated. The holes and fine irregularities formed on the inner surface of each hole can be formed uniformly.
Further, when the orientation is improved, the depth of the hole formed after the etching treatment is increased, so that long-wavelength light having a wavelength of 700 nm or more can be effectively absorbed.
[0038]
From the above, for example, when zinc oxide is used for the transparent conductive layer 11b, the integrated intensity of the ZnO (0001) diffraction peak obtained by X-ray diffraction measurement is 70% of the sum of the integrated intensity of all diffraction peaks. % Is preferable in terms of electrical and optical characteristics.
Then, in the present invention, a plurality of holes and fine irregularities on the inner surface of each hole are formed by performing a plurality of etching processes on the surface of the transparent conductive layer 11b as described above. A good light confinement effect is obtained.
[0039]
The reason why the etching process is performed a plurality of times is as follows.
That is, in general, when a transparent conductive layer such as zinc oxide, which is a polycrystalline thin film, is etched with an acidic or alkaline etching solution, only a specific surface of a crystal grain is dominant along the crystal grain boundary at the beginning of etching. Etching produces a plurality of fine holes. When the etching is further advanced, the etching proceeds as a whole, and the fine holes formed in the initial stage of the etching become larger as the etching time elapses, and eventually the transparent conductive layer itself disappears.
[0040]
Here, when the concentration or temperature of the etching solution is high, the hole diameter increases significantly as the etching time increases, and at the same time the hole diameter increases significantly. However, the etching tends to be dominant in the depth direction of the hole, and the way the hole spreads is not so large. However, in any case, only one etching process cannot form a plurality of holes and fine irregularities on the inner surface of each hole on the surface of the transparent conductive layer, which are sufficient for obtaining a good light confinement effect. .
[0041]
Therefore, in the method for manufacturing a thin-film solar cell according to the present invention, the surface etching treatment of the transparent conductive layer is divided into a plurality of times by using an acidic or alkaline etching solution, and the first etching treatment is performed in the second and subsequent etching treatments. A plurality of fine irregularities are formed on the inner surface of the hole without increasing the diameter of the hole formed by the method.
In order to form fine irregularities on the inner surface of the hole without increasing the diameter of the hole already formed in the second and subsequent etching processes, the etching conditions in the second and subsequent etching processes are increased. It is preferable to set the conditions such that the function of the anisotropic etching that proceeds in the direction is appropriately suppressed compared to the first etching process, and the inner surface of the hole formed in the first etching process is etched. . Specifically, the concentration of the etching solution used for the second and subsequent etching processes is set lower than the concentration of the acid or alkali of the etching solution used for the first etching process, or the concentration of the etching solution used for the first etching process is reduced. The temperature of the etchant used for the second and subsequent etching treatments may be set lower than the temperature of the etchant used.
[0042]
Here, the temperature range of the etching solution is preferably in the range of 5 to 80C. That is, when the temperature of the etching solution is higher than 80 ° C., it becomes difficult to control the concentration of the acid or alkali in the etching solution due to evaporation of the acid or the water as a solvent, and the desired unevenness is stably formed. This is because it becomes difficult. On the other hand, when the temperature of the etching solution is lower than 5 ° C., the etching rate may be reduced, and the production efficiency may be reduced.
[0043]
Examples of the acidic substance in the acidic etching solution include one or a mixture of two or more acids such as acetic acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, hydrofluoric acid, and perchloric acid. Among them, acetic acid is preferable. As a solvent for these acidic substances, for example, water can be used. These acidic aqueous solutions are preferably used at a concentration of about 0.05 to 10% by weight.
On the other hand, examples of the alkaline substance in the alkaline etching solution include one or a mixture of two or more of sodium hydroxide, hydrazine, potassium hydroxide, and calcium hydroxide. Among these, sodium hydroxide is preferably used. Is preferred. Further, as a solvent for these alkaline substances, for example, water can be used. These alkaline aqueous solutions are preferably used at a concentration of about 1 to 10% by weight.
[0044]
For example, when the etching process is performed twice for the same time, and the solvent and solute of the etchant used for the first and second etching processes and the temperature are the same, the etching process used for the second etching process is performed. The concentration of the solution is lower than the concentration of the etching solution used in the first etching process.
It may be set to be lower by about 0.05 to 8% by weight.
When the etching process is performed twice for the same time, and the solvent and solute of the etchant used for the first and second etching processes and the concentration are the same, the etching process used for the second etching process is performed. The temperature of the solution is lower than the temperature of the etching solution used for the first etching process.
It may be set to be lower by about 5 to 50 ° C.
Of course, it is also possible to change both the concentration and the temperature in the first and second etching processes. In such a case, the concentration and the temperature may be appropriately changed with reference to the above-mentioned values.
[0045]
The maximum diameter of each hole formed on the surface of the transparent conductive layer 11b is in the range of about 200 to 2000 nm, and particularly preferably in the range of about 400 to 1200 nm. Further, the depth of the hole is in the range of about 50 to 1200 nm, and particularly preferably in the range of about 100 to 800 nm. Further, the height difference of the fine unevenness is in the range of about 10 to 300 nm, and particularly preferably in the range of about 20 to 200 nm.
Further, in order to generate a more favorable light scattering state, it is preferable that fine irregularities are formed on surfaces other than the holes formed on the surface of the transparent conductive layer 11b. As a result, the light scattering effect can be further enhanced, and a better light confinement effect can be obtained in the photoelectric conversion layer 17, and a thin-film solar cell exhibiting higher photoelectric conversion efficiency can be provided. In this case, the height difference of fine irregularities on the surface other than the holes is in the range of about 10 to 300 nm, and particularly preferably about 20 to 200 nm.
[0046]
By setting the size of each hole and the fine irregularities on the inner surface of each hole as described above, not only the light having a center wavelength of about 400 to 650 nm of the solar spectrum but also the light having a longer wavelength is sufficient. Light scattering can be caused. In addition, the light scattering, although there is a magnitude of the effect obtained by the uneven shape, it is not such that the effect is not obtained by the shape, the hole in the present invention, for example, a substantially cubic, rectangular parallelepiped, cylinder, cone, Any shape such as a sphere, a hemisphere, or a combination thereof may be used.
[0047]
The good light confinement effect leads to the effect that the thickness of each layer constituting the photoelectric conversion layer 17 can be reduced. In particular, in the case of an amorphous silicon solar cell, deterioration of the photoelectric conversion efficiency due to the Stabiler-Wronski effect can be suppressed. In addition, in the case of crystalline silicon solar cells that require a film thickness on the order of several μm, which is several times to ten and several times greater than amorphous silicon due to light absorption characteristics, the film formation time is greatly reduced. It leads to what you can do. Thus, a good light confinement effect contributes to improving all aspects of high efficiency, stabilization, and cost reduction, which are major issues in putting thin-film solar cells into practical use.
[0048]
Example of application of the present invention
When the present invention is applied to a thin film solar cell 20 having a superstrate type structure as shown in FIG. 1, fine irregularities on the inner surface of each hole in the surface of the transparent conductive layer 11b are deposited on the transparent conductive layer 11b and on the transparent conductive layer 11b. Acts as a thin layer having optical properties intermediate to that of the silicon thin film, reduces reflection at the interface between the transparent conductive layer 11b and the silicon thin film deposited thereon, and promotes light scattering, thereby promoting light scattering. 17 to improve the light confinement effect. As a result, a thin film solar cell 20 having a super straight type structure exhibiting high photoelectric conversion efficiency is provided.
[0049]
In addition, when the present invention is applied to a thin film solar cell 50 having a substrate type structure as shown in FIG. 2, fine irregularities on the inner surface of each hole on the surface of the transparent conductive layer 44 are caused by the transparent conductive layer 44 and an external Acts as a thin layer having optical characteristics intermediate to that of the atmosphere (which may be a protective film), reduces reflection at the interface between the transparent conductive layer 44 and the outside atmosphere, and allows light to enter the photoelectric conversion layer 45. To promote. As a result, a thin film solar cell 50 having a substrate type structure exhibiting high photoelectric conversion efficiency is provided.
[0050]
As described above, according to the present invention, in addition to the super-straight structure in which light enters from the substrate 11a side as shown in FIG. 1, the light L enters from the transparent conductive layer 44 side as shown in FIG. It can also be applied to a substrate type structure.
Further, since the above-described light confinement effect and the effect of reducing the reflection of incident light are not limited to polycrystalline silicon thin film solar cells, the present invention relates to amorphous silicon solar cells, CIGS solar cells, dye-sensitized solar cells, etc. Needless to say, it is also effective for thin film solar cells.
[0051]
Further, the application example of the present invention is not limited to the single-junction thin-film solar cells 20 and 50 as shown in FIGS. 1 and 2, and a multi-junction thin-film solar cell having a plurality of pin junctions as shown in FIG. The present invention is also applicable to the battery 60.
In the multi-junction thin-film solar cell 60 as shown in FIG. 3, all photoelectric conversion layers, that is, the first and second silicon photoelectric conversion layers 27 and 37 are unified to either crystalline silicon or amorphous silicon. However, for example, a layer containing crystalline silicon and a layer containing amorphous silicon may be stacked. Rather, in the multi-junction thin-film solar cell 60 shown in FIG. 3, it is preferable that a layer containing crystalline silicon and a layer containing amorphous silicon are mixed.
[0052]
When the first and second silicon photoelectric conversion layers 27 and 37 contain crystalline silicon, unless otherwise specified, not only polycrystals and single crystals but also all crystal states called so-called microcrystals or microcrystals Contains. These crystalline states may exist over the entirety of the first and second silicon photoelectric conversion layers 27 and 37, or may be entirely or partially present in each of the layers constituting the first and second silicon photoelectric conversion layers 27 and 37. May be present.
Examples of the method for manufacturing a thin film solar cell according to the present invention will be specifically described below.
[0053]
Example 1
In Example 1, the single-junction thin-film solar cell 20 having the superstrate type structure shown in FIG. 1 described in the above embodiment was manufactured.
[0054]
First, a glass plate having a smooth surface is used as the substrate 11a, and zinc oxide is formed as a transparent conductive layer 11b with a thickness of 1200 nm on the substrate 11a by a magnetron sputtering method at a substrate temperature of 150 ° C. and a film forming pressure of 0.3 mTorr. Then, a solar cell substrate 11 was formed.
The transparent conductive layer 11b has 1 × 1021cm-3About gallium is added. As a result, the sheet resistance of the obtained transparent conductive layer 11b was 10Ω / □, and the transmittance for light having a wavelength of 800 nm was 80%. Further, the transparent conductive layer 11b was subjected to an X-ray diffraction measurement by a powder method using an X-ray diffractometer RINT {X-ray Diffactometer} manufactured by Rigaku Corporation. As a result, the integrated intensity of the ZnO (0001) diffraction peak was 75% with respect to the sum of the integrated intensity of all diffraction peaks.
[0055]
Subsequently, irregularities were formed on the surface of the transparent conductive layer 11b.
First, a 5.0% by weight aqueous solution of acetic acid (solution temperature: 25 ° C.) was prepared as an etching solution, and the solar cell substrate 11 was immersed in the aqueous solution of acetic acid for 150 seconds. Next, a 0.5% by weight aqueous solution of acetic acid (solution temperature: 25 ° C.) is prepared as an etching solution, and the solar cell substrate 11 is immersed in the acetic acid aqueous solution for 100 seconds. Was thoroughly washed. In the first embodiment, the first etching process and the second etching process are continuously performed, but a cleaning / drying process may be provided between them.
[0056]
Before the formation of the photoelectric conversion layer 17, the surface of the transparent conductive layer 11b was observed using a scanning electron microscope JSM-5310LV manufactured by JEOL Ltd., and the shape of the hole was substantially circular and the maximum diameter of the hole was 22 mm. (See FIG. 4) is within the range of 300 to 1200 nm, and the density is 1 piece / μm.2It was about.
In order to examine the inner surface and the peripheral surface of the hole in more detail, the surface of the transparent conductive layer 11b was observed using an atomic force microscope Nanoscope III manufactured by Toyo Corporation. FIG. 4 schematically shows the holes formed on the surface of the transparent conductive layer, the fine irregularities formed on the inner surface thereof, and the surface shape around the holes in the thin-film solar cell according to the embodiment of the present invention.
[0057]
As a result of the observation, the depth 21 of the hole shown in FIG. 4 was in the range of 100 to 800 nm. Fine irregularities are also formed on the inner surface of the hole, and the fine irregularities have a size 23 (difference in elevation) in the range of 20 to 150 nm and a gap 24 in the range of 80 to 350 nm. Was within. That is, it was found that the transparent conductive layer 11b had a structure in which finer irregularities were formed on the inner surface of the formed hole.
Fine irregularities were also formed on the surface of the transparent conductive layer 11b other than the holes, and the size of the fine irregularities was in the range of 50 to 150 nm.
[0058]
Subsequently, a 20 nm-thick p-type silicon layer 12, a 2 μm-thick i-type silicon layer 13, and a 30 nm-thick n-type silicon layer 14 are sequentially formed on the obtained solar cell substrate 11 by a high-frequency plasma CVD method. The layers were stacked to form a photoelectric conversion layer 17 made of crystalline silicon.
In forming the p-type silicon layer 12, SiH4Gas is H at 50 times flow rate ratio2The material diluted with the gas is used as a source gas, and2H6Gas is SiH40.1% was added to the gas flow rate. In forming the i-type silicon layer 13, SiH4Gas is H at 50 times flow rate ratio2The material diluted with the gas was used as a source gas. In forming the n-type silicon layer 14, SiH4Gas is H at 50 times flow rate ratio2The gas diluted with the gas is used as a source gas, and the3Gas is SiH40.01% was added to the gas flow rate. The substrate temperature during film formation was 200 ° C. for each layer.
[0059]
After the formation of the photoelectric conversion layer 17, the solar cell substrate 11 was taken out of the plasma CVD apparatus, and the obtained photoelectric conversion layer 17 was subjected to X-ray diffraction measurement. As a result, the integrated intensity I of the Si (220) X-ray diffraction peak220And integrated intensity I of Si (111) X-ray diffraction peak111Ratio I220/ I111Was 5.5.
Here, the actually obtained X-ray diffraction peak is not information of the i-type silicon layer 13 alone in the photoelectric conversion layer 17, but the p-type silicon layer 12 and the n-type silicon Since the thickness of the layer 14 is very small, it is considered that the thickness reflects the crystal orientation of the i-type silicon layer 13.
[0060]
Thereafter, zinc oxide is formed as a back reflection layer 15 on the photoelectric conversion layer 17 by a magnetron sputtering method so as to have a thickness of about 50 nm, and then silver is formed as a back electrode 16 on the back reflection layer 15 by an electron beam evaporation method. A film was formed over a thickness of about 500 nm, and a single-junction thin-film solar cell 20 having a super straight type structure in which light L was incident from the substrate 11a side was obtained.
[0061]
Example 2
In the second embodiment, only the conditions of the etching process for forming irregularities on the surface of the transparent conductive layer are changed from those in the first embodiment, and the other conditions are the same as in the first embodiment, and the superstrate structure shown in FIG. This is a junction type thin-film solar cell 20 manufactured.
In Example 2, when forming irregularities on the surface of the transparent conductive layer 11b, first, an aqueous solution of acetic acid of 1.0% by weight (liquid temperature of 25 ° C.) was prepared as an etchant, and the solar cell substrate 11 was added to the aqueous solution of acetic acid. Was immersed for 250 seconds. Next, a 5.0% by weight acetic acid aqueous solution (solution temperature: 25 ° C.) was prepared as an etching solution, and the solar cell substrate 11 was immersed in the acetic acid aqueous solution for 30 seconds. Was thoroughly washed.
[0062]
When the surface of the transparent conductive layer 11b was observed with a scanning electron microscope in the same manner as in Example 1, the shape of the hole was substantially circular, the maximum diameter 22 shown in FIG. 4 was in the range of 200 to 1600 nm, and the density was 2 pieces / μm2It was about.
Further, as in Example 1, when the inner surface and the peripheral surface of the hole were observed in more detail with an atomic force microscope, the depth 21 of the hole shown in FIG. 4 was in the range of 200 to 1100 nm. Fine irregularities are also formed on the inner surface of the hole, and the fine irregularities have a size 23 (difference in height of irregularities) in a range of 10 to 50 nm and an interval 24 in a range of 300 to 1000 nm. Was within. Fine irregularities were also formed on the surface of the transparent conductive layer 11b other than the holes, and the size of the fine irregularities was in the range of 100 to 300 nm.
[0063]
Here, comparing the thin-film solar cells according to Examples 1 and 2, it can be seen that in Example 2, the interval 24 between the fine irregularities on the inner surface of the hole is wider than in Example 1.
This is because if the concentration of the etching solution used for the second etching process becomes higher than the concentration of the etching solution used for the first etching process, the hole is formed by combining the first etching process and the second etching process. This is considered to be due to the fact that it becomes difficult to form fine irregularities on the inner surface of the hole.
[0064]
Example 3
Example 3 differs from Examples 1 and 2 only in the conditions of the etching treatment for forming irregularities on the surface of the transparent conductive layer, and is the same as Example 1 except for the superstrate shown in FIG. A single-junction thin-film solar cell 20 having a mold structure is manufactured.
In Example 3, when forming irregularities on the surface of the transparent conductive layer 11b, first, a 1.5 wt% acetic acid aqueous solution (liquid temperature of 40 ° C.) was prepared as an etching solution, and the solar cell substrate 11 was added to the acetic acid aqueous solution. Was immersed for 50 seconds. Next, a 1.5% by weight aqueous acetic acid solution (solution temperature: 25 ° C.) was prepared as an etching solution, and the solar cell substrate 11 was immersed in the acetic acid aqueous solution for 60 seconds. Was thoroughly washed.
[0065]
As in Example 1, when the surface of the transparent conductive layer 11b was observed with a scanning electron microscope, the shape of the hole was substantially circular, the maximum diameter shown in FIG. 4 was in the range of 400 to 1200 nm, and the density was 1 Pieces / μm2It was about.
Further, as in Example 1, when the inner surface and the peripheral surface of the hole were observed in more detail with an atomic force microscope, the depth 21 of the hole shown in FIG. 4 was in the range of 100 to 900 nm. Fine irregularities are also formed on the inner surface of the hole, and the fine irregularities have a size 23 (difference in height of irregularities) in a range of 30 to 200 nm and a gap 24 in a range of 80 to 500 nm. Was within. Fine irregularities were also formed on the surface of the transparent conductive layer 11b other than the holes, and the size of the fine irregularities was in the range of 50 to 100 nm.
[0066]
Example 4
Example 4 differs from Examples 1 to 3 only in the conditions of the etching treatment for forming irregularities on the surface of the transparent conductive layer, and is otherwise the same as in Example 1 except that the superstrate shown in FIG. A single-junction thin-film solar cell 20 having a mold structure is manufactured.
In Example 4, when forming irregularities on the surface of the transparent conductive layer 11b, first, a 1.5% by weight acetic acid aqueous solution (liquid temperature: 25 ° C.) was prepared as an etching solution, and the acetic acid aqueous solution was added to the solar cell substrate 11 For 150 seconds. Next, a 1.5% by weight acetic acid aqueous solution (liquid temperature: 40 ° C.) was prepared as an etching solution, and the solar cell substrate 11 was immersed in the acetic acid aqueous solution for 30 seconds. Was thoroughly washed.
[0067]
As in Example 1, when the surface of the transparent conductive layer 11b was observed with a scanning electron microscope, the shape of the hole was substantially circular, the maximum diameter shown in FIG. 4 was in the range of 200 to 1800 nm, and the density was 1 Pieces / μm2It was about.
Further, as in Example 1, when the inner surface and the peripheral surface of the hole were observed in more detail with an atomic force microscope, the depth 21 of the hole shown in FIG. 4 was in the range of 300 to 1000 nm. Further, fine irregularities are also formed on the inner surface of the hole, and the fine irregularities have a size 23 (difference in height of irregularities) within a range of 20 to 80 nm, and an interval 24 within a range of 200 to 800 nm. Was within. Fine irregularities were also formed on the surface of the transparent conductive layer 11b other than the holes, and the size of the fine irregularities was in the range of 100 to 200 nm.
[0068]
Here, comparing the thin-film solar cells according to Examples 3 and 4, it can be seen that in Example 4, the interval 24 between the fine irregularities on the inner surface of the hole is wider than in Example 3.
This is because if the temperature of the etching solution used for the second etching process becomes higher than the temperature of the etching solution used for the first etching process, the hole is formed by combining the first etching process and the second etching process. This is considered to be due to the fact that it becomes difficult to form fine irregularities on the inner surface of the hole.
[0069]
Example 5
In the fifth embodiment, only the conditions of the etching process for forming irregularities on the surface of the transparent conductive layer are changed from those of the first to fourth embodiments, and otherwise, the superstrate shown in FIG. A single-junction thin-film solar cell 20 having a mold structure is manufactured.
In Example 5, when forming irregularities on the surface of the transparent conductive layer 11b, first, a 2.0% by weight aqueous solution of sodium hydroxide (solution temperature: 25 ° C.) was prepared as an etching solution, and The battery substrate 11 was immersed for 80 seconds. Next, a 0.5% by weight aqueous solution of sodium hydroxide (solution temperature: 25 ° C.) was prepared as an etchant, and the solar cell substrate 11 was immersed in the aqueous sodium hydroxide solution for 60 seconds. The surface was thoroughly washed with pure water.
[0070]
As in Example 1, when the surface of the transparent conductive layer 11b was observed with a scanning electron microscope, the shape of the hole was substantially circular, the maximum diameter shown in FIG. 4 was in the range of 300 to 1000 nm, and the density was 1 Pieces / μm2It was about.
Further, as in Example 1, when the inner surface and the peripheral surface of the hole were observed in more detail with an atomic force microscope, the depth 21 of the hole shown in FIG. 4 was in the range of 100 to 800 nm. Further, fine irregularities are also formed on the inner surface of the hole, and the fine irregularities have a size 23 (difference in elevation) within a range of 10 to 100 nm and an interval 24 within a range of 100 to 400 nm. Was within. Fine irregularities were also formed on the surface of the transparent conductive layer 11b other than the holes, and the size of the fine irregularities was in the range of 80 to 150 nm.
[0071]
Example 6
Example 6 differs from Examples 1 to 5 only in the etching conditions for forming irregularities on the surface of the transparent conductive layer in the same manner as in Example 1 except for the superstrate shown in FIG. A single-junction thin-film solar cell 20 having a mold structure is manufactured.
In the sixth embodiment, when forming irregularities on the surface of the transparent conductive layer 11b, first, a 1.0% by weight aqueous sodium hydroxide solution (liquid temperature of 40 ° C.) is prepared as an etching solution, and The battery substrate 11 was immersed for 80 seconds. Next, a 1.0% by weight aqueous solution of sodium hydroxide (solution temperature of 25 ° C.) was prepared as an etching solution, and the solar cell substrate 11 was immersed in the aqueous solution of sodium hydroxide for 30 seconds. The surface was thoroughly washed with pure water.
[0072]
As in Example 1, when the surface of the transparent conductive layer 11b was observed with a scanning electron microscope, the shape of the hole was substantially circular, the maximum diameter shown in FIG. 4 was in the range of 350 to 1200 nm, and the density was 1 Pieces / μm2It was about.
Further, as in Example 1, when the inner surface and the peripheral surface of the hole were observed in more detail with an atomic force microscope, the depth 21 of the hole shown in FIG. 4 was in the range of 150 to 1000 nm. Fine irregularities are also formed on the inner surface of the hole, and the fine irregularities have a size 23 (difference in height of irregularities) in a range of 20 to 180 nm and an interval 24 in a range of 120 to 460 nm. Was within. Fine irregularities were also formed on the surface of the transparent conductive layer 11b other than the holes, and the size of the fine irregularities was in the range of 100 to 200 nm.
[0073]
Comparative Example 1
In Comparative Example 1, when forming irregularities on the surface of the transparent conductive layer, the irregularities were formed by only one etching treatment, and otherwise the same as in Example 1 except that the thin film was of a super-straight type structure and a single-junction type. A solar cell (not shown) was manufactured.
In Comparative Example 1, when forming irregularities on the surface of the transparent conductive layer, the solar cell substrate was immersed in a 2.5% by weight aqueous sodium hydroxide solution (liquid temperature: 25 ° C.) for 120 seconds.
[0074]
When the surface of the transparent conductive layer was observed with a scanning electron microscope in the same manner as in Example 1, the shape of the hole was substantially circular, and the maximum diameter 32 (see FIG. 5) was in the range of 80 to 2000 nm. Is 2.5 pieces / μm2It was about.
Further, similarly to Example 1, the inner surface and the peripheral surface of the hole were observed in more detail with an atomic force microscope. FIG. 5 schematically shows the hole formed on the surface of the transparent conductive layer, the shape of the inner surface thereof, and the surface shape around the hole in the thin-film solar cell according to the comparative example. As shown in FIG. 5, the depth 31 of the hole formed in Comparative Example 1 was 300 to 1100 nm, and only a slight change in shape such as a height difference 33 of 10 nm or less was found on the inner surface of the hole. Was.
On the other hand, on the surface of the transparent conductive layer other than the holes, large irregularities were formed so as to be difficult to distinguish from the holes.
[0075]
In Comparative Example 1, the density of the holes was 2.5 holes / μm.2The reason for this is that the transparent conductive layer is dug down by only one etching process, so that fine irregularities are difficult to be formed. In Examples 1 to 6, the irregularities are classified as fine irregularities on the surface other than the holes. It is conceivable that the size was increased to such an extent that it was classified as a hole in Comparative Example 1.
[0076]
Here, the surface shape of the transparent conductive layer and the orientation of the photoelectric conversion layer of the thin film solar cells according to Examples 1 to 7 and Comparative Example 1 are shown in Table 1 below.
[0077]
[Table 1]
[0078]
In addition, the AM1.5 (100 mW / cm) of the thin-film solar cells according to Examples 1 to 7 and Comparative Example 1 described above.2Table 2 shows the current-voltage characteristics under the irradiation conditions.
[0079]
[Table 2]
[0080]
Here, Examples 1 to 6 and Comparative Example 1 will be compared and studied with reference to Tables 1 and 2 above.
As shown in Table 1, the surfaces of the transparent conductive layers of the thin-film solar cells according to Examples 1 to 6 were each subjected to a plurality of etching treatments so that a plurality of holes were formed, and the fine inner surface of each hole was formed. Irregularities and fine irregularities on the surface other than the holes are formed (see FIG. 4).
On the other hand, in Comparative Example 1, while the maximum diameter range of the hole is wider and the number of holes is larger than in Examples 1 to 6, fine irregularities on the inner surface of the hole are reduced, and the number is also reduced. ing.
On the other hand, the orientation I of the photoelectric conversion layer is determined by X-ray diffraction measurement.220/ I111In each of Examples 1 to 6 and Comparative Example 1, a value of 5.0 or more was obtained, so that a good film with few defects was formed for the photoelectric conversion layer of any thin-film solar cell. it is conceivable that.
[0081]
Furthermore, comparing the current-voltage characteristics of the thin-film solar cells of Examples 1 to 6 and Comparative Example 1 based on Table 2, all of the thin-film solar cells have similar open-circuit voltages and form factors. Nevertheless, it can be seen that the short-circuit current of Comparative Example 1 is lower than Examples 1 to 6. That is, the thin-film solar cell according to Comparative Example 1 has a light confinement effect that is not as sufficient as Examples 1 to 6.
Thereby, the surface shape of the transparent conductive layer 11b, that is, the plurality of holes observed in the transparent conductive layer 11b of the thin film solar cells 20 according to Examples 1 to 6 and the fine irregularities on the inner surface of each hole are reduced by the light confinement effect. Can be considered to have greatly contributed to
Specifically, by forming fine irregularities on the inner surface of each hole, sufficient light scattering for incident light is generated at the interface between the transparent conductive layer 11b and the silicon thin film, and the transparent conductive layer This is probably because reflection at the interface with the silicon thin film deposited thereon was reduced, and effective light incidence on the photoelectric conversion layer 17 was promoted. As a result, it is considered that a good light confinement effect was obtained.
[0082]
Further, among Examples 1 to 6, Examples 2 and 4 showed the lowest short-circuit current value. This is thought to be because the conditions of the second etching treatment were such that holes were more likely to be formed than the conditions of the first etching treatment, so that fine irregularities were not sufficiently formed on the inner surface of the holes. Can be
Thereby, after performing an etching process in which holes are easily formed on the surface of the transparent conductive layer 11b and then performing an etching process in which fine irregularities are easily formed, sufficient light scattering occurs on the surface of the transparent conductive layer 11b. This is important for obtaining a sufficient light confinement effect in the photoelectric conversion layer, and can be considered to lead to the production of a thin-film solar cell exhibiting high photoelectric conversion efficiency.
In Examples 1 to 6, only the transparent conductive layer 11b formed on the substrate 11a was subjected to the surface treatment by etching. However, the same processing was performed on the transparent conductive layer used as the back reflection layer 15 on the back electrode 16 side. It is considered that the same light confinement effect can be obtained even if the above method is applied.
[0083]
Example 7
In Example 7, a single-junction thin-film solar cell 50 having the substrate type structure shown in FIG. 2 mentioned in the above embodiment was manufactured.
As shown in FIG. 2, the thin-film solar cell 50 manufactured in Example 7 has a configuration in which a photoelectric conversion layer 45 and a transparent conductive layer 44 are sequentially stacked on a solar cell substrate 40.
Here, the solar cell substrate 40 is configured by sequentially laminating a back electrode 40b and a back reflection layer 40c made of a transparent conductive material on a stainless steel substrate 40a.
Further, the photoelectric conversion layer 45 is configured by sequentially stacking an n-type silicon layer 41, an i-type silicon layer 42, and a p-type silicon layer 43.
[0084]
The single-junction thin-film solar cell 50 having such a substrate-type structure was manufactured by the following procedure.
First, silver is formed in a thickness of 500 nm as a back electrode 40b on a stainless steel substrate 40a having a smooth surface by electron beam evaporation, and then zinc oxide is formed as a back reflection layer 40c on the back electrode 40b by magnetron sputtering. Was formed over a thickness of 50 nm to form a solar cell substrate 40.
[0085]
Subsequently, an n-type silicon layer 41 having a thickness of 30 nm, an i-type silicon layer 42 having a thickness of 2 μm, and a p-type silicon layer 43 having a thickness of 20 nm are sequentially formed on the obtained solar cell substrate 40 by a high-frequency plasma CVD method. The layers were stacked to form the photoelectric conversion layer 45.
In forming the n-type silicon layer 41, SiH4Gas is H at 50 times flow rate ratio2The gas diluted with the gas is used as a source gas, and the3Gas is SiH40.01% was added to the gas flow rate. In forming the i-type silicon layer 13, SiH4Gas is H at 50 times flow rate ratio2The material diluted with the gas was used as a source gas. In forming the p-type silicon layer 43, SiH4Gas is H at 50 times flow rate ratio2The material diluted with the gas is used as a source gas, and2H6Gas is SiH40.1% was added to the gas flow rate. The substrate temperature during film formation was 200 ° C. for each layer.
[0086]
Subsequently, on the formed photoelectric conversion layer 45, zinc oxide was formed as a transparent conductive layer 44 to a thickness of 1000 nm as a transparent conductive layer 44 by a magnetron sputtering method at a substrate temperature of 150 ° C. and a film forming pressure of 0.3 mTorr. 1 × 1021cm-3About gallium is added. As a result, the sheet resistance of the obtained transparent conductive layer 44 was 10 Ω / □, and the transmittance for light having a wavelength of 800 nm was 80%. When the X-ray diffraction measurement was performed on the transparent conductive layer 44, the integrated intensity of the ZnO (0001) diffraction peak was 75% with respect to the sum of the integrated intensity of all the diffraction peaks.
[0087]
Subsequently, irregularities were formed on the surface of the transparent conductive layer 44.
First, a 0.35% by weight aqueous solution of hydrochloric acid (solution temperature: 25 ° C.) was prepared as an etchant, and the thin film solar cell being manufactured in the previous step was immersed in the aqueous solution of hydrochloric acid for 100 seconds. Next, a 0.1% by weight aqueous solution of hydrochloric acid (solution temperature: 25 ° C.) was prepared as an etching solution, immersed again in this aqueous solution of hydrochloric acid for 100 seconds, and the surface was sufficiently washed with pure water. And a single-junction thin-film solar cell 50 having a substrate-type structure in which light L is incident.
[0088]
When the surface of the transparent conductive layer 44 was observed with a scanning electron microscope in the same manner as in Example 1, the shape of the hole was substantially circular, the maximum diameter was in the range of 300 to 1000 nm, and the number density was 1 / μm2It was about.
Further, as in Example 1, when the inner surface and the peripheral surface of the hole were observed in more detail with an atomic force microscope, the depth 21 of the hole shown in FIG. 4 was in the range of 80 to 900 nm. Fine irregularities are also formed on the inner surface of the hole, and the fine irregularities have a size (difference in height) 23 in the range of 10 to 180 nm and a gap 24 in the range of 80 to 600 nm. Was within. Fine irregularities were also formed on the surface of the transparent conductive layer 44 other than the holes, and the size of the fine irregularities was in the range of 30 to 150 nm.
[0089]
Comparative Example 2
In Comparative Example 2, when forming the irregularities on the surface of the transparent conductive layer, the irregularities were formed by only one etching process, and otherwise the same as in Example 7, the substrate type structure and the single-junction thin film. A solar cell (not shown) was manufactured.
In Comparative Example 1, in forming irregularities on the surface of the transparent conductive layer, a thin-film solar cell being manufactured in which a transparent conductive layer on the light-receiving surface side was sequentially laminated in a 0.35% by weight aqueous hydrochloric acid solution (liquid temperature: 25 ° C.). For 120 seconds.
[0090]
When the surface of the transparent conductive layer was observed with a scanning electron microscope in the same manner as in Example 1, the shape of the hole was substantially circular, the maximum diameter shown in FIG. 5 was in the range of 100 to 1600 nm, and the density was about 2 .8 pieces / μm2It was about.
Further, as in Example 1, when the inner surface and the peripheral surface of the hole were observed in more detail with an atomic force microscope, the depth 31 of the hole shown in FIG. 5 was in the range of 300 to 900 nm, Only a slight change in shape was observed on the inner surface of the hole with a height difference 33 of 10 nm or less.
On the other hand, on the surface of the transparent conductive layer other than the holes, large irregularities were formed so as to be difficult to distinguish from the holes.
[0091]
In Comparative Example 2, the density of the holes was 2.8 / μm.2The reason for the increase is that the transparent conductive layer is dug down by only one etching treatment as in Comparative Example 1 described above, so that fine irregularities are difficult to be formed. It is conceivable that the surface was classified as fine irregularities on the surface, but in Comparative Example 2, the size became large enough to be classified as a hole.
[0092]
Here, AM1.5 (100 mW / cm) of the thin-film solar cells according to Example 7 and Comparative Example 2 described above.2) The current-voltage characteristics under irradiation conditions are shown in Table 3 below.
[0093]
[Table 3]
[0094]
Comparing the current-voltage characteristics of the thin-film solar cells according to Example 7 and Comparative Example 2 based on Table 3 above, the short-circuit current was not changed even though the values of the open-circuit voltage and the form factor hardly changed. It can be seen that 7 shows a higher value than Comparative Example 2.
Accordingly, it can be considered that the plurality of holes and the fine irregularities on the inner surface of each hole, which are observed in the transparent conductive layer 44 of the thin-film solar cell according to Example 7, greatly contribute to the improvement of the short-circuit current. .
Specifically, by forming fine irregularities on the inner surface of each hole, reflection of incident light is reduced at the interface between the transparent conductive layer 44 and the outside atmosphere, and light incidence on the photoelectric conversion layer 45 is promoted. It is thought that it was accumulating.
[0095]
In Example 7, only the transparent conductive layer formed on the substrate was subjected to the surface treatment by etching. However, when the transparent conductive layer used as the back reflection layer on the back electrode side was subjected to the same treatment, It is considered that sufficient light scattering occurs at the interface between the back reflection layer and the photoelectric conversion layer, and a good light confinement effect in the photoelectric conversion layer 45 can be obtained.
[0096]
Example 8
In Example 8, a multi-junction thin-film solar cell 60 having the superstrate structure shown in FIG. 3 mentioned in the above embodiment was manufactured.
As shown in FIG. 3, the thin-film solar cell 60 manufactured in Example 8 includes a first photoelectric conversion layer 27 on a solar cell substrate 11 including a substrate 11a and a transparent conductive layer 11b formed thereon. , An intermediate layer 11c made of a transparent conductive material, a second photoelectric conversion layer 37, a back reflection layer 15, and a back electrode 16 are sequentially laminated.
[0097]
The first photoelectric conversion layer 27 is composed of a p-type amorphous silicon layer 12a, an i-type amorphous silicon layer 13a, and an n-type amorphous silicon layer 14a. It comprises a type silicon layer 12b, an i-type silicon layer 13b and an n-type silicon layer 14b.
[0098]
The multi-junction thin-film solar cell 60 having such a superstrate structure was manufactured by the following procedure.
First, as in Example 1, a glass plate having a smooth surface was used as the substrate 11a, and a zinc oxide was used as the transparent conductive layer 11b on the substrate 11a at a substrate temperature of 150 ° C., a film forming pressure of 0.3 mTorr by a magnetron sputtering method. Was formed over a thickness of 1200 nm to form a solar cell substrate 11.
Subsequently, the surface of the transparent conductive layer 11b was etched twice in the same manner as in Example 2 to form irregularities.
After that, when the surface of the transparent conductive layer was observed with a scanning electron microscope and an atomic force microscope in the same manner as in Example 1, a plurality of holes having a substantially circular shape and fine irregularities on the inner surface of the holes were confirmed. .
[0099]
Subsequently, on the obtained solar cell substrate 11, a 20-nm thick p-type amorphous silicon layer 12a, a 300-nm thick i-type amorphous silicon layer 13a, and a 30-nm thick n-type amorphous silicon The layers 14a were sequentially stacked by a high-frequency plasma CVD method to form a first photoelectric conversion layer 27 made of amorphous silicon.
In forming the p-type amorphous silicon layer 12a, SiH45 times the gas flow rate H2The material diluted with the gas is used as a source gas, and2H6Gas is SiH40.1% was added to the gas flow rate. In forming the i-type amorphous silicon layer 13a, SiH45 times the gas flow rate H2The material diluted with the gas was used as a source gas. In forming the n-type amorphous silicon layer 14a, SiH45 times the gas flow rate H2The gas diluted with the gas is used as a source gas, and the3Gas is SiH40.01% was added to the gas flow rate. The substrate temperature during film formation was 200 ° C. for each layer.
[0100]
Thereafter, zinc oxide was formed as the intermediate layer 11c on the first photoelectric conversion layer 27 over the film thickness of 5 nm under the same conditions as the transparent conductive layer 11b by magnetron sputtering.
Thereafter, a second photoelectric conversion layer 37 was formed on the intermediate layer 11c under the same conditions as the photoelectric conversion layer 17 of Example 1.
When the X-ray diffraction measurement was performed after the formation of the second photoelectric conversion layer 37, the integrated intensity I of the Si (220) X-ray diffraction peak was obtained.220And integrated intensity I of Si (111) X-ray diffraction peak111Ratio I220/ I111Was 5.5, and no difference from Example 1 was observed.
Thereafter, in the same manner as in Example 1, the back reflection layer 15 and the back electrode 16 were formed, and a multi-junction thin-film solar cell 60 having a super straight structure in which light L was incident from the substrate 11a was obtained.
[0101]
Comparative Example 3
In Comparative Example 3, when forming the irregularities on the surface of the transparent conductive layer constituting the solar cell substrate, the irregularities were formed by only one etching treatment. This is a multi-junction type thin-film solar cell with a structure.
In Comparative Example 3, as in Comparative Example 1, when forming irregularities on the surface of the transparent conductive layer, the solar cell substrate was immersed in a 2.5% by weight aqueous sodium hydroxide solution (at a liquid temperature of 25 ° C.) for 120 seconds. .
After the formation of the second photoelectric conversion layer 37, X-ray diffraction measurement was performed in the same manner as in Example 8, and the integrated intensity I of the Si (220) X-ray diffraction peak was obtained.220And integrated intensity I of Si (111) X-ray diffraction peak111Ratio I220/ I111Was 5.0.
[0102]
Here, the AM1.5 (100 mW / cm) of the thin film solar cells according to Example 8 and Comparative Example 3 described above.2Table 4 shows current-voltage characteristics under irradiation conditions.
[0103]
[Table 4]
[0104]
Comparing the current-voltage characteristics of the thin-film solar cells according to Example 8 and Comparative Example 3 based on Table 4 above, the short-circuit current was not changed even though the values of the open-circuit voltage and the form factor hardly changed. It can be seen that 8 shows a higher value than Comparative Example 3.
Accordingly, it can be considered that the plurality of holes and the fine irregularities on the inner surface of each hole, which are observed in the transparent conductive layer 11b of the thin-film solar cell according to Example 8, greatly contribute to the improvement of the short-circuit current. .
Specifically, by forming fine irregularities on the inner surface of each hole, sufficient light scattering with respect to incident light occurs at the interface between the transparent conductive layer 11b and the first photoelectric conversion layer 27, so that good photoelectric conversion layers are obtained. It is considered that a great light confinement effect was obtained.
[0105]
In Example 8, only the transparent conductive layer 11b formed on the substrate 11a was subjected to the surface treatment by etching. However, the back reflection layer 15, the first photoelectric conversion layer 27, and the second photoelectric conversion layer 27 on the back electrode 16 side. It is considered that the same effect can be obtained by performing the same treatment on the intermediate layer 11c inserted between the layer 37 and the intermediate layer 11c.
[0106]
In the above, the thin-film solar cell having the transparent conductive layers 11b and 44 made of zinc oxide has been described in the embodiment, but the present invention is not limited to the above-described embodiment. Other than the various transparent conductive layers and the etching solution described in the above embodiment, the same effects as those of the present invention can be obtained. For example, even when an etching solution having a different acid strength or alkali strength is used, this effect is basically obtained. The same effect as the invention can be obtained.
[0107]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the etching process using the etching solution composed of an acidic or alkaline solution is performed at least twice on the surface of the transparent conductive layer, the surface of the transparent conductive layer is relatively large by the first etching process. A plurality of recesses are formed, and fine recesses and projections are formed on the inner surface of each recess by the second and subsequent etching processes. As a result, ideal recesses and protrusions for obtaining a light confinement effect are formed on the surface of the transparent conductive layer. A thin-film solar cell exhibiting high photoelectric conversion efficiency can be manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a structure of a single-junction thin-film solar cell having a superstrate type structure and a single junction type according to an embodiment of the present invention and Examples 1 to 6.
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a structure of a single-junction thin-film solar cell having a substrate-type structure according to an embodiment of the present invention and Example 7.
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a structure of a multi-junction thin-film solar cell having a super straight structure according to an embodiment of the present invention and Example 8.
FIG. 4 schematically shows a hole formed on the surface of a transparent conductive layer, fine irregularities formed on the inner surface thereof, and a surface shape around the hole in the thin film solar cell according to the embodiment and the example of the present invention. FIG.
FIG. 5 is an explanatory view schematically showing a hole formed on the surface of a transparent conductive layer, a shape of an inner surface thereof, and a surface shape around the hole in a thin film solar cell according to a comparative example.
[Explanation of symbols]
11 ... Substrate for solar cell
11a ... substrate
11b ... Transparent conductive layer
12 ... p-type silicon layer
13 ... i-type silicon layer
14 ... n-type silicon layer
15 ... Back reflection layer
16 ・ ・ ・ Back electrode
17 ... photoelectric conversion layer
18a, 18b ... electrodes
20 ... Thin film solar cell
L: Light