JP2010045368A

JP2010045368A - 色調整を有する太陽電池及びその製造方法

Info

Publication number: JP2010045368A
Application number: JP2009187606A
Authority: JP
Inventors: Huey-Liang Hwang; ワンヒュエイ−リアン; Lee Chen-Chun; リーチェン−チュン; Naejye Hwang; ワンナエジィ; Hsiang-Chih Yang; ヤンシアン−チー; Meng-Hsun Sung; スンメン−スン
Original assignee: Integrated Digital Technologies Inc
Current assignee: Integrated Digital Technologies Inc
Priority date: 2008-08-14
Filing date: 2009-08-13
Publication date: 2010-02-25
Also published as: CN101651157A; US20100037948A1; CN101651157B; EP2154727B1; EP2154727A3; TW201007959A; SI2154727T1; KR101127182B1; KR20100021347A; EP2154727A2; US20170263792A1; TWI409962B

Abstract

【課題】
色調整を有する太陽電池、及び色調整を有する太陽電池を製造する方法を提供する。
【解決手段】
太陽電池は、光電変換層と、光電変換層の上方に設けられた色調整層とを含んでいる。光電変換層は、入射光から電気エネルギーを生成するために用いられ、色調整層は色的な外観を調整するために用いられる。
【選択図】図５

Description

本発明は、太陽放射を使用可能な電気エネルギーに変換することが可能な光電池に関する。より具体的には、本発明は、色調整を備えた太陽電池及びその製造方法に関する。

太陽電池又は光電池は、太陽光の光エネルギーを光電変換機構によって電気エネルギーに変換する装置である。世界的な環境保全の観点から、近年、太陽電池は、電気を生成するものとして高く期待されており、広範囲に及ぶ商業化に向けて活発に開発されている。建物、乗物、及びその他の物が、部分的に、太陽エネルギーの使用を最大化するように太陽電池の対象となり得る。装飾的あるいは美学的な理由により、太陽電池ユニットは様々な色を有するように要求されることがある。一例として、太陽電池が建物の屋根又は壁を覆うように用いられるとき、デザイン上の選択又は美的外観を考慮して、様々な色が建物又は周囲環境の１つ又は複数の色に統一されることが要求され得る。

例えば特許文献１及び２に記載されるような、太陽電池に様々な色を付けるための従来の手法は、追加の製造プロセスを必要としたり、太陽電池の光電変換効率を低下させたりし得る。故に、設計又はプロセスを複雑化させずに、あるいは太陽電池のソーラーパワー変換効率に過大な影響を及ぼさずに、太陽電池に様々な色を与えることが望まれる。

米国特許第５７２５００６号明細書米国特許第６０４９０３５号明細書

本発明は、色調整を有する太陽電池及びその製造方法を提供することを目的とする。

太陽電池は、光電変換層、及び光電変換層の上方に設けられた色調整層を含む。光電変換層は、入射光から電気エネルギーを生成するために用いられ、色調整層は色的な外観を調整するため、あるいは光電変換効率を高めるために用いられる。

本発明の一実施形態は、
− 入射光から電気エネルギーを生成する光電変換層、
− 光電変換層上に形成され、前記電気エネルギーを出力する、少なくとも１つの第１の電極及び少なくとも１つの第２の電極、及び
− 光電変換層上に設けられて色的外観を調整する色調整層、
を有する太陽電池を開示する。

本発明に従った太陽電池は更に、色調整層上に形成された保護層、及び保護層上に形成された透明層を有していてもよい。

本発明の他の一実施形態は、
− 光電変換層を設ける工程、
− 光電変換層上に少なくとも１つの第１の電極及び少なくとも１つの第２の電極を形成する工程、及び
− 光電変換層上に、色的外観を調整するための、あるいは光電変換効率を高めるための色調整層を形成する工程、
を有する太陽電池を製造する方法を開示する。

本発明に従った方法は更に、色調整層上に保護層を形成する工程、及び保護層上に透明層を形成する工程を有してもよい。

本発明のその他の特徴及び効果が、添付の図面を併せて参照する以下の発明の詳細な説明から明らかになる。

本発明の好適な一実施形態に従った太陽電池を製造するためのプロセスを概略的に示す部分的な断面図である。本発明の好適な一実施形態に従った太陽電池を製造するためのプロセスを概略的に示す部分的な断面図である。本発明の好適な一実施形態に従った太陽電池を製造するためのプロセスを概略的に示す部分的な断面図である。本発明の好適な一実施形態に従った太陽電池を製造するためのプロセスを概略的に示す部分的な断面図である。本発明の好適な一実施形態に従った太陽電池を製造するためのプロセスを概略的に示す部分的な断面図である。例１に示した太陽電池の反射スペクトルを例示する図である。例２における色調整層の屈折率−波長曲線を例示する図である。例２に示した太陽電池の反射スペクトルを例示する図である。例３における色調整層の屈折率−波長曲線を例示する図である。例３に示した太陽電池の反射スペクトルを例示する図である。例４に示した太陽電池の反射スペクトルを例示する図である。

以下の説明及び特許請求の範囲を通して、特定の要素を参照するために特定の用語を使用する。当業者に認識されるように、太陽電池の製造者は或る１つの要素を相異なる名称で呼ぶことがある。本明細書は、名称は異なるが機能は異ならない要素を区別しようとするものではない。以下の説明及び特許請求の範囲において、用語“含む”及び“有する”は非限定的に使用され、“含むが、それに限定されない”と解釈されるべきものである。また、用語“上に形成される”又は“上方に形成される”は、２つの層の間での間接的な接触又は直接的な接触の何れかを意味する。従って、上側の層が下側の層の“上に形成される”あるいは“上方に形成される”場合、２つの層が互いに直接的に接触していてもよいし、２つの層の間に中間層が挿入あるいは配置されていてもよい。

図１−５は、本発明の好適な一実施形態に従った太陽電池ユニット１を製造するためのプロセスフローを、部分的な断面図にて概略的に示している。図１を参照するに、ｐ型半導体基板１０上にｎ型半導体層１２が形成され、それらの間にｐｎ接合１４が形成されている。従って、ｐｎ接合１４の位置に電界が構築され得る。この電界に突き当たる光による正電荷キャリアと負電荷キャリアとが分離させ、ｐｎ接合１４を通り抜ける電流が作り出される。これがいわゆる光電変換機構である。一般的に、ｐ型半導体基板１０とｎ型半導体層１２との組み合わせは、入射光から電気エネルギーを生成するために用いられる光電変換層１１を構成する。ｎ型半導体層１２がｐ型半導体基板１０上に適合的に堆積され、あるいはｐ型半導体基板１０にｎ型不純物をドーピングすることによって形成され得るように、ｐ型半導体基板１０はｐ型シリコン基板とし得る。代替的に、同様に光電変換層１１を構成するように、ｎ型半導体基板とｐ型半導体層との組み合わせが用いられてもよい。一般的に、光電変換層１１は、例えば単結晶、多結晶、非晶質の状態の例えばシリコン又はゲルマニウム等の半導体材料など、１つ以上の半導体材料から成り得る。

図２に示すように、光電変換層１１上に透明な反射防止層１６が形成される。反射防止層１６は、蒸着法、スパッタ法、スクリーン印刷法、ＣＶＤ法、又は当業者に知られたその他の方法による窒化シリコンから成り得る。反射防止層１６は、太陽電池ユニット１を保護するために用いられ、また、該ユニットの表面での反射損を低減する。好ましくは、反射防止層１６は１ｎｍ−５００ｎｍの範囲の厚さを有する。

その後、蒸着法、スパッタ法、スクリーン印刷法、ＣＶＤ法、又は当業者に知られたその他の方法によって、光電変換層１１の両側の表面上に導電層１８及び２０が形成される。図３に示すように、導電層１８は光電変換層１１の表面上、故に反射防止層１６上に形成される。導電層２０は光電変換層１１の裏面上に、ｐ型基板１０に接触するように形成される。導電層１８又は２０は、例えば金、銀、アルミニウム、銅、若しくは白金といった金属又は合金から成っていてもよいし、例えばＩＴＯ膜又はＺｎＯ膜などの透明な導電性酸化物（transparent conductive oxide；ＴＣＯ）層から成っていてもよい。

導電層１８に含まれる導電材料が、スパイク効果によって、反射防止層１６を突き抜けてｎ型半導体層１２と接触するように、導電層１８を熱処理にかけることができる。加えて、導電層１８及び２０を、それぞれ表面電極群２２及び裏面電極群２４を形成するように平行線状にパターニングすることができる。図４に示すように、表面電極群２２はｎ型半導体層１２と電気的に接続され、裏面電極群２４はｐ型半導体基板１０と電気的に接続される。従って、表面電極群２２及び裏面電極群２４は、光電変換層１１の２つの電気端子群となるように形成される。言い換えると、電極群２２及び２４は、太陽電池ユニット１が太陽光に晒されたときに光電変換層１１から生成される電気エネルギーの充電又は放電を行うために使用される。好ましくは、裏面電極群２４は、光収集を促進するように、例えば凹凸構造等の様々な形状又は構造に形成され得る。また、表面電極群２２は、粗面構造、すなわち、いわゆるテクスチャ模様、を含む表面凹凸構造を有するように形成されてもよい。電極群２２の表面がこのようなテクスチャ模様を備えるとき、光電変換層１１への光の入射効率が向上され得る。

本発明に従って、太陽電池ユニット１に様々な色を与えるために、反射防止層１６上に色調整層２６が形成される。色調整層２６は、反射防止層１６上の１つ以上の誘電体材料から成っていてもよく、真空環境下又は真空に近い準真空環境下で、塗布法、蒸着法（例えば電子銃など）、スパッタ法、ＣＶＤ法、又は好適且つ実行可能であればその他の方法によって形成され得る。

様々な誘電体材料又はその組み合わせが用いられ得る。一部の例において、例えば酸化物（ＳｎＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＺｎＯ、Ｙ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、Ｃｒ_２Ｏ_３等）、フッ化物（ＭｇＦ_２、Ｎａ_３ＡｌＦ_６等）、硫化物（ＺｎＳ、ＰｂＳ、ＣｄＳ等）、窒化物（Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮ、ＡｌＯ_ｘＮ_ｙ等）、テルル化物（ＣｄＴｅ等）、及びセレン化物（ＰｂＳｅ）、及び／又はこれらに類する材料である。様々な例において、色調整層２６の厚さは、様々な用途に応じて、１ｎｍ未満から５０００ｎｍの範囲内とし得る。

反射防止層１６上に色調整層２６を設けることにより、変換効率の損失の問題を有することなく、また、複雑な製造方法を用いることなく、所望の視覚効果が達成され得る。一部の例において、色調整層２６は反射損を低下させ、ソーラーパワー変換効率を高めることができる。

その後、色調整層２６を覆うように、保護（パッシベーション）層２８及び透明層３０が順に形成される。保護層２８は、太陽電池ユニットが太陽及び雨に直接晒されること、又は湿気に晒されることを防止するための、好ましくはエチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）又はポリビニル・ブチラール（ＰＶＢ）から成る透明膜である。透明層３０は好ましくは、処理ガラス又は未処理ガラスから成る。

なお、上述の実施形態の工程順は、実際の用途を考慮して変更され得る。例えば、電極群２２及び２４の形成は、色調整層２６の形成後に行われてもよい。故に、例示の実施形態は、請求項の範囲を限定的に解釈するために用いられ得るものではない。

以下を参照して、幾つかの例を説明する。

（例１）
光電変換層１１は、第２導電型のシリコン基板内／上に形成された第１導電型のシリコン層から成る。第１導電型がｐ型である場合、第２導電型はｎ型である。逆に、第１導電型がｎ型である場合、第２導電型はｐ型である。一例として、シリコンで形成された光電変換層１１は、３．４−３．６の範囲内の屈折率（ｎ）を有し、１４０μｍ−２５０μｍの範囲内の厚さを有する。反射防止層１６は、１．８−２．２の範囲内の屈折率（ｎ）と６０ｎｍ−１２０ｎｍの範囲内の厚さとを有する窒化シリコンで形成される。なお、例２、３及び４との比較となるよう、下地層の上に色調整層２６は形成していない。測定した反射スペクトルを図６に示す。そのＣＩＥＬ^＊ａ^＊ｂ^＊値を測定したところ、それぞれ、３４．９２、１．７３、及び−２９．４９であった。

（例２）
光電変換層１１は、第２導電型のシリコン基板内／上に形成された第１導電型のシリコン層から成る。第１導電型がｐ型である場合、第２導電型はｎ型である。逆に、第１導電型がｎ型である場合、第２導電型はｐ型である。一例として、シリコンで形成された光電変換層１１は、３．４−３．６の範囲内の屈折率（ｎ）を有し、１４０μｍ−２５０μｍの範囲内の厚さを有する。反射防止層１６は、１．８−２．２の範囲内の屈折率（ｎ）と６０ｎｍ−１２０ｎｍの範囲内の厚さとを有する窒化シリコンで形成される。色調整層２６は、約１６００Å−２０００Åの厚さと図７に示すような屈折率−波長曲線とを有する材料から成る。測定した反射スペクトルを図８に示す。ＣＩＥＬ^＊ａ^＊ｂ^＊値を測定したところ、それぞれ、５６．６５、−１８．５４、及び２３．７６であった。

（例３）
光電変換層１１は、第２導電型のシリコン基板内／上に形成された第１導電型のシリコン層から成る。第１導電型がｐ型である場合、第２導電型はｎ型である。逆に、第１導電型がｎ型である場合、第２導電型はｐ型である。一例として、シリコンで形成された光電変換層１１は、３．４−３．６の範囲内の屈折率（ｎ）を有し、１４０μｍ−２５０μｍの範囲内の厚さを有する。反射防止層１６は、１．８−２．２の範囲内の屈折率（ｎ）と６０ｎｍ−１２０ｎｍの範囲内の厚さとを有する窒化シリコンで形成される。色調整層２６は、約８００Å−１２００Åの厚さと図９に示すような屈折率−波長曲線とを有する材料から成る。測定した反射スペクトルを図１０に示す。ＣＩＥＬ^＊ａ^＊ｂ^＊値を測定したところ、それぞれ、２２、１４．４１、及び−８．２９であった。

（例４）
光電変換層１１は、第２導電型のシリコン基板内／上に形成された第１導電型のシリコン層から成る。第１導電型がｐ型である場合、第２導電型はｎ型である。逆に、第１導電型がｎ型である場合、第２導電型はｐ型である。一例として、シリコンで形成された光電変換層１１は、３．４−３．６の範囲内の屈折率（ｎ）を有し、１４０μｍ−２５０μｍの範囲内の厚さを有する。反射防止層１６は、１．８−２．２の範囲内の屈折率（ｎ）と６０ｎｍ−１２０ｎｍの範囲内の厚さとを有する窒化シリコンで形成される。色調整層２６は複数の層から成り、この例においては３つの層が設けられる。この例において、第１の層は、２．１５−２．５５の範囲内の屈折率（ｎ１）と７５０Å−１１００Åの範囲内の厚さとを有し、第２の層は、３．６−４．０の範囲内の屈折率（ｎ２）と１５５０Å−１９５０Åの範囲内の厚さとを有し、第３の層は、２．１５−２．５５の範囲内の屈折率（ｎ３）と９６０Å−１３６０Åの範囲内の厚さとを有する。第１、第２及び第３の層は底部から頂部に向けて順に積層される。測定した反射スペクトルを図１１に示す。ＣＩＥＬ^＊ａ^＊ｂ^＊値を測定したところ、それぞれ、４７．０５、２８．６３、及び−１３．７７であった。

上述の複数の例が示すように、本発明は当業者に、非常に単純な構造と十分な効率とを有しながら所定の色を示す色調整層を有する太陽電池を設計する手段を提供し、このような太陽電池は、建材やその美的外観が重要な要件である物として機能するのに適したものである。

以上では本発明を実施形態及び複数の例により説明したが、本発明は上述の実施形態及び例に限定されるものではなく、様々に変更され得るものである。色調整材料は、必ずしも列挙した材料の何れかに限定されず、太陽電池の外観色を色調整層２６の色調整特性を用いて調整することが可能である限り、自由に設定され得るものである。より具体的には、色調整層２６の材料は、例えば、先に列挙した種類以外の種類の酸化物、フッ化物、硫化物、窒化物、テルル化物及びセレン化物、又は、酸化物、フッ化物、硫化物、窒化物、テルル化物及びセレン化物以外の材料であってもよい。

明らかであるように、上述の教示を踏まえ、本発明の数多くの変更及び変形が可能である。故に、理解されるように、本発明は、添付の請求項の範囲を逸脱することなく、具体的に説明したものとは異なるように実施され得るものである。

１太陽電池
１０半導体基板
１１光電変換層
１２半導体層
１４ｐｎ接合
１６反射防止層
１８、２０導電層
２２、２４電極
２６色調整層
２８保護層
３０透明層

Claims

− 入射光から電気エネルギーを生成する光電変換層；
− 前記光電変換層上に形成され、前記電気エネルギーを出力する、少なくとも１つの第１の電極及び少なくとも１つの第２の電極；及び
− 前記光電変換層上に設けられて色的外観を調整する色調整層；
を有する太陽電池。
前記色調整層と前記光電変換層との間に積層された反射防止層、を更に有する請求項１に記載の太陽電池。
前記少なくとも１つの第１の電極は、前記反射防止層を貫通して前記光電変換層に接触するように設けられている、請求項２に記載の太陽電池。
前記色調整層は、酸化物、フッ化物、硫化物、窒化物、テルル化物、及びセレン化物のうちの少なくとも１つを有する、請求項１に記載の太陽電池。
前記色調整層は複数の膜から成る、請求項１に記載の太陽電池。
前記色調整層は約１ｎｍ−５０００ｎｍの範囲内の厚さを有する、請求項１に記載の太陽電池。
前記光電変換層はテクスチャ表面を有する、請求項１に記載の太陽電池。
前記光電変換層は非テクスチャ表面を有する、請求項１に記載の太陽電池。
前記色調整層上に順に形成された保護層及び透明層、を更に有する請求項１に記載の太陽電池。
前記保護層は１．４−１．６の範囲内の屈折率を有する、請求項９に記載の太陽電池。
前記保護層は、エチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）及びポリビニル・ブチラール（ＰＶＢ）のうちの少なくとも一方から成る、請求項１０に記載の太陽電池。
前記透明層は１．４−１．６の範囲内の屈折率を有する、請求項９に記載の太陽電池。
前記透明層はガラスから成る、請求項１２に記載の太陽電池。
前記第１の電極及び前記第２の電極は、前記光電変換層の同一表面上に形成されている、請求項１に記載の太陽電池。
前記第１の電極及び前記第２の電極は、前記光電変換層の反対側の表面上に形成されている、請求項１に記載の太陽電池。
− 光電変換層を設ける工程；
− 前記光電変換層上に少なくとも１つの第１の電極及び少なくとも１つの第２の電極を形成する工程；及び
− 前記光電変換層上に、色的外観を調整する色調整層を形成する工程；
を有する太陽電池を製造する方法。
前記色調整層と前記光電変換層との間に積層された反射防止層を形成する工程、を更に有する請求項１６に記載の方法。
前記少なくとも１つの第１の電極を、前記反射防止層を貫通して前記光電変換層に接触するように形成する工程、を有する請求項１７に記載の方法。
前記色調整層は、酸化物、フッ化物、硫化物、窒化物、テルル化物、及びセレン化物のうちの少なくとも１つを有する、請求項１６に記載の方法。
前記色調整層は約１ｎｍ−５０００ｎｍの範囲内の厚さを有する、請求項１６に記載の方法。
前記色調整層を形成する工程は真空環境下又は準真空環境下で行われる、請求項１６に記載の方法。
前記光電変換層はテクスチャ表面を有する、請求項１６に記載の方法。
前記光電変換層は非テクスチャ表面を有する、請求項１６に記載の方法。
− 前記色調整層上に保護層を形成する工程；及び
− 前記保護層上に透明層を形成する工程；
を更に有する請求項１６に記載の方法。
前記保護層は１．４−１．６の範囲内の屈折率を有する、請求項２４に記載の方法。
前記保護層は、エチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）及びポリビニル・ブチラール（ＰＶＢ）のうちの少なくとも一方から成る、請求項２５に記載の方法。
前記透明層は１．４−１．６の範囲内の屈折率を有する、請求項２４に記載の方法。
前記透明層はガラスから成る、請求項２７に記載の方法。
前記第１の電極及び前記第２の電極は、前記光電変換層の同一表面上に形成される、請求項１６に記載の方法。
前記第１の電極及び前記第２の電極は、前記光電変換層の反対側の表面上に形成される、請求項１６に記載の方法。