JP2018174263A

JP2018174263A - 光電変換装置

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Publication number: JP2018174263A
Application number: JP2017072386A
Authority: JP
Inventors: 哲史大谷; Tetsufumi Otani; 将典福田; Masanori Fukuda
Original assignee: Kaneka Corp
Current assignee: Kaneka Corp
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2018-11-08

Abstract

【課題】シリコン系太陽電池を窓ガラス等に設置した場合における、光劣化による変換効率の低下を抑制する。【解決手段】本開示に係る光電変換装置は、透光性基板の裏面側に、アモルファスシリコン光電変換部と、微結晶シリコン光電変換部と、を少なくともこの順に含む光電変換装置であって、４００ｎｍ〜７５０ｎｍの波長領域における前記アモルファスシリコン光電変換部の分光感度積分電流値と、４００ｎｍ〜７５０ｎｍの波長領域における前記微結晶シリコン光電変換部の分光感度積分電流値の内、小さい方の値を大きい方の値で割った第１の値が、エアマス１．５の太陽光スペクトルに含まれる波長領域における前記アモルファスシリコン光電変換部の分光感度積分電流値と、エアマス１．５の太陽光スペクトルに含まれる波長領域における前記微結晶シリコン光電変換部の分光感度積分電流値の内、小さい方の値を大きい方の値で割った第２の値よりも大きい。【選択図】図２

Description

本発明は、光電変換装置に関する。

下記特許文献１には、ペアガラスの内側に太陽電池が配置された窓ガラスが開示されている。また、このペアガラスの内側に配置される太陽電池としてアモルファスシリコン太陽電池を用いることが開示されている。

ペアガラスの内側に配置される太陽電池は、ペアガラスの透過率によって受光できる波長範囲が制限されるが、このような受光可能な波長範囲が制限されるような状況下においても、比較的高い変換効率を得やすいアモルファスシリコン太陽電池が適していた。

国際公開第２０１１／１５８５６８号

しかし、従来のアモルファスシリコン太陽電池は光劣化が大きく、長期的に高い変換効率を維持することが難しかった。そのため、交換が困難である窓ガラス等への設置など、建材一体型太陽光発電（BIPV: Building-integrated photovoltaics）用途への使用については課題があった。

本開示は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、光劣化の影響が少ない、アモルファスシリコン光電変換部と微結晶シリコン光電変換部とを有するタンデム型太陽電池を窓ガラス等に設置した場合において、高い変換効率を得ることにある。

（１）本開示に係る光起電装置は、透光性基板の裏面側に、アモルファスシリコン光電変換部と、微結晶シリコン光電変換部と、を少なくともこの順に含む光電変換装置であって、４００ｎｍ〜７５０ｎｍの波長領域における前記アモルファスシリコン光電変換部の分光感度積分電流値と、４００ｎｍ〜７５０ｎｍの波長領域における前記微結晶シリコン光電変換部の分光感度積分電流値の内、小さい方の値を大きい方の値で割った第１の値が、エアマス１．５の太陽光スペクトルに含まれる波長領域における前記アモルファスシリコン光電変換部の分光感度積分電流値と、エアマス１．５の太陽光スペクトルに含まれる波長領域における前記微結晶シリコン光電変換部の分光感度積分電流値の内、小さい方の値を大きい方の値で割った第２の値よりも大きい。

（２）上記（１）における光起電装置において、前記透光性基板は、ガラス基材の裏面側に配置され、前記ガラス基材は、紫外光領域、及び赤外光領域の透過率が、可視光領域の透過率よりも低い構成としてもよい。

（３）上記（１）〜（２）における光起電装置において、前記透光性基板と前記アモルファスシリコン光電変換部との間に設けられた透明導電膜を更に含み、前記透明導電膜は、ＳｎＯ_２又はＺｎＯを含む構成としてもよい。

（４）上記（１）〜（３）における光電変換装置において、前記微結晶シリコン光電変換部の裏面側に設けられた裏面反射電極層を更に含み、前記裏面反射電極層は、Ａｇ、Ａｌ、及びそれらの合金の内のいずれかを含む構成としてもよい。

（５）上記（４）における光電変換装置において、前記微結晶シリコン光電変換部と前記裏面反射電極層との間に設けられた透明電極層を更に含み、前記透明電極層は、ＺｎＯ又はＩＴＯを含む構成としてもよい。

（６）上記（１）〜（５）における光電変換装置において、前記アモルファスシリコン光電変換部の膜厚が、前記微結晶シリコン光電変換部の膜厚の７％以下である構成としてもよい。

図１は本実施形態に係る光電変換装置がガラス基材に設置された状態の概略を示す平面図である。図２は本実施形態に係る光電変換装置の概略を示す断面図である。図３は本実施形態に係るアモルファスシリコン光電変換部と微結晶シリコン光電変換部の分光感度特性図である。図４は本実施形態における一実施例及び比較例の光電変換装置の標準試験条件下における特性表である。図５は本実施形態における一実施例及び比較例の光電変換装置の紫外光、赤外光カット下における特性表である。図６は本実施形態における一実施例及び比較例の光電変換装置のエアマス１．５の太陽光スペクトルに含まれる波長領域における分光感度積分電流値及び第２の値を示す表である。図７は本実施形態における一実施例及び比較例の光電変換装置の４００ｎｍ〜７５０ｎｍの波長領域における分光感度積分電流値及び第１の値を示す表である。

本開示の実施形態について、図面を用いて以下に説明する。

図１は、窓などに用いられるガラス基材２００の裏面側に本実施形態に係る光電変換装置１００が設置された状態の概略を示す平面図である。

図１に示すように、ガラス基材２００は、間隔を隔てて配置された複数の光電変換装置１００の受光面側を覆うように設けられている。複数の光電変換装置１００は、例えば一方向に延伸する形状をしており、各光電変換装置１００は、例えばガラス基材２００の端部領域に配置されている。光電変換装置１００は、例えば封止材などによってガラス基材２００に固定されている。

ここで、ガラス基材２００は、建物の窓などに用いられるガラス基材であり、室内及び太陽電池の表面に太陽光を入射させるよう、一般的に透過率の高い材料により構成されている。

ただし、近年、太陽光に含まれる赤外光や紫外光をカットするタイプのガラス基材が多く用いられており、本実施形態に係るガラス基材２００も、赤外光、紫外光の透過率が可視光領域の透過率と比較して著しく低いタイプのガラス基材２００を用いる。本実施形態におけるガラス基材２００としては、２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域における９０％以上の波長領域の透過率が、可視光領域の透過率の最小値よりも低く、且つ７５０ｎｍ〜１４００ｎｍの波長領域における９５％以上の波長領域の透過率が、可視光領域の透過率の最小値よりも低いものを使用している。即ち、本実施形態におけるガラス基材２００は、２００ｎｍ〜１４００ｎｍの波長領域において、紫外光領域における９０％以上の波長領域の透過率、及び赤外光領域における９５％以上の波長領域の透過率が、可視光領域の透過率の最小値よりも低い。

図２は、本実施形態に係る光電変換装置１００の概略を示す断面図である。

図２に示すように、本開示の光電変換装置１００は、透光性基板１０を有しており、当該透光性基板１０が、ガラス基材２００の裏面側に配置される。透光性基板１０は透過率の高いガラスなどの材料により構成している。

透光性基板１０の裏面側には第１の透明導電膜２０が設けられている。第１の透明導電膜２０としては、例えばＳｎＯ_２やＺｎＯなどを用いることができる。第１の透明導電膜２０は、全波長領域において、比較的に高い透過率を有するが、赤外光成分、及び紫外光成分の一部を吸収する。

第１の透明導電膜２０の裏面側には、アモルファスシリコン光電変換部３０が設けられている。アモルファスシリコン光電変換部３０は、第１の透明導電膜２０の裏面側に設けられたｐ型アモルファスシリコンカーバイド層３６と、このｐ型アモルファスシリコンカーバイド層３６の裏面側に設けられたノンドープｉ型アモルファスシリコン光電変換層３４と、ノンドープｉ型アモルファスシリコン光電変換層３４の裏面側に設けられたｎ型シリコン層３２とを有している。

アモルファスシリコン光電変換部３０は、そのｐ型アモルファスシリコンカーバイド層３６側から、ガラス基材２００、透光性基板１０、第１の透明導電膜２０に透過された光を受光し、主にノンドープｉ型アモルファスシリコン光電変換層３４において、光電変換が行われる。なお、本実施形態においては、ノンドープｉ型アモルファスシリコン光電変換層３４の受光面側に配置されるｐ型アモルファスシリコン層として、ｐ型アモルファスシリコンカーバイド層３６を用いたが、本発明はこれに限定されない。

上述した通り、ガラス基材２００が紫外光、及び赤外光をカットするため、アモルファスシリコン光電変換部３０には、およそ４００ｎｍから７５０ｎｍの光が入射する。ここで、アモルファスシリコン光電変換部３０と微結晶シリコン光電変換部４０の分光感度特性を示す図３に示されるように、アモルファスシリコン光電変換部３０は３００ｎｍから７００ｎｍ付近までの波長範囲に感度を有しており、このような紫外光、及び赤外光をカットするガラス基材２００に取り付ける光電変換装置１００として適していることがわかる。

一方で、アモルファスシリコン光電変換部３０は、光劣化を起こすという課題を有している。

本実施形態に係る光電変換装置１００は、このアモルファスシリコン光電変換部３０の裏面側に、微結晶シリコン光電変換部４０が設けられており、所謂タンデム型太陽電池を構成している。

微結晶シリコン光電変換部４０は、アモルファスシリコン光電変換部３０の裏面側に設けられたｐ型微結晶シリコン層４６と、このｐ型微結晶シリコン層４６の裏面側に設けられたｉ型微結晶シリコン光電変換層４４と、ｉ型微結晶シリコン光電変換層４４の裏面側に設けられたｎ型微結晶シリコン層４２とを有している。

この微結晶シリコン光電変換部４０は、そのｐ型微結晶シリコン層４６側から、アモルファスシリコン光電変換部３０に透過された光を受光し、主にｉ型微結晶シリコン光電変換層４４において、光電変換が行われる。

ここで、図３に示されるように、微結晶シリコン光電変換部４０はアモルファスシリコン光電変換部３０よりも長波長側に高い分光感度を有しており、およそ５００ｎｍから１０００ｎｍ付近までの波長範囲に感度を有している。従って、微結晶シリコン光電変換部４０は、アモルファスシリコン光電変換部３０で吸収されなかった長波長光を効率よく吸収し、発電に寄与させることが可能である。

また、微結晶シリコン光電変換部４０は、アモルファスシリコン光電変換部３０と異なり、光劣化を起こさないため、微結晶シリコン光電変換部４０とアモルファスシリコン光電変換部３０とを接合する本開示の構成とすることにより、光劣化により変換効率が低下する割合を、アモルファスシリコン太陽電池のみで構成された光電変換装置と比較して小さくすることができる。

ただし、本開示において、この微結晶シリコン光電変換部４０が効率よく発電に寄与させることができる長波長光の内、赤外光に関しては、上述したガラス基材２００によりカットされている。そのため、およそ７５０ｎｍよりも長波長側の光に関しては、発電に寄与させることができず、微結晶シリコン光電変換部４０において発生する電流値が小さくなってしまう。

この微結晶シリコン光電変換部４０において発生する電流値が小さくなってしまうと、この微結晶シリコン光電変換部４０に直列接続されているアモルファスシリコン光電変換部３０において発生する電流値が、微結晶シリコン光電変換部４０において発生する電流値に制限されてしまい、その結果として、光電変換装置１００全体として高い変換効率を期待できなくなってしまう。

そのため、本開示においては、４００ｎｍ〜７５０ｎｍの波長領域におけるアモルファスシリコン光電変換部３０の分光感度積分電流値と、４００ｎｍ〜７５０ｎｍの波長領域における微結晶シリコン光電変換部４０の分光感度積分電流値の内、小さい方の値を大きい方の値で割った第１の値が、エアマス１．５の太陽光スペクトルに含まれる波長領域におけるアモルファスシリコン光電変換部３０の分光感度積分電流値と、エアマス１．５の太陽光スペクトルに含まれる波長領域における微結晶シリコン光電変換部４０の分光感度積分電流値の内、小さい方の値を大きい方の値で割った第２の値よりも大きい構成としている。

なお、分光感度積分電流値とは、分光感度にエアマス１．５の太陽光スペクトル強度を波長毎に乗じ、所定の波長領域において積分し算出される出力電流密度のことをいう。

このような構成とすることにより、紫外光、赤外光がカットされたガラス基材２００に取り付けられた光電変換装置１００であっても、微結晶シリコン光電変換部４０において発生する電流値によって、アモルファスシリコン光電変換部３０において発生する電流値が、著しく制限されることを抑制することができ、且つアモルファスシリコン光電変換部３０において発生する電流値によって、微結晶シリコン光電変換部４０において発生する電流値が、著しく制限されることを抑制することができる。更に、光電変換装置１００が、微結晶シリコン光電変換部４０を有するため、光劣化による変換効率の低下を抑制することができ、更に広い波長範囲での発電を可能とすることができる。以下、この構成について詳述する。

まず、アモルファスシリコン光電変換部３０において発生する電流値と微結晶シリコン光電変換部４０において発生する電流値の内、小さい方の値を大きい方の値で割った値が大きければ大きいほど、電流マッチングが適切に行えていることを示す。そして、４００ｎｍ〜７５０ｎｍの波長領域の光を照射した場合において、アモルファスシリコン光電変換部３０の分光感度積分電流値と、微結晶シリコン光電変換部４０の分光感度積分電流値の内、小さい方の値を大きい方の値で割った第１の値は、本開示のように、紫外光、赤外光がカットされた状態の光電変換装置１００における電流マッチングの度合いを示す。この第１の値が、エアマス１．５の太陽光スペクトルに含まれる波長領域における電流マッチングの度合いを示す第２の値よりも大きい値となる構成とすることにより、紫外光、及び赤外光がカットされたガラス基材２００に取り付けられた光電変換装置１００であっても、微結晶シリコン光電変換部４０において発生する電流値によって、アモルファスシリコン光電変換部３０において発生する電流値が、著しく制限されることを抑制することができる。

図４は、本実施形態における一実施例及び比較例の光電変換装置の標準試験条件（日射強度が１０００Ｗ／ｍ２、エアマスが１．５、光電変換装置の温度が２５±２℃の試験条件）下における特性表である。本実施形態に係る光電変換装置１００は、トップセルとしてアモルファスシリコン光電変換部３０を有し、ボトムセルとして微結晶シリコン光電変換部４０を有する。図４においては、本実施形態における一実施例の光電変換装置１００の変換効率、及び短絡電流密度（Ｊｓｃ）を１とし、比較例１〜３の光電変換装置の変換効率及び短絡電流密度を、一実施例の変換効率及び短絡電流密度に対する相対値で表示している。また、本実施形態における一実施例においては、図４に示すように、アモルファスシリコン光電変換部３０の膜厚を１３０ｎｍとし、微結晶シリコン光電変換部４０の膜厚を２３００ｎｍとしており、アモルファスシリコン光電変換部３０の膜厚が、微結晶シリコン光電変換部４０の膜厚のおよそ５．７％となっている。

図６は、本実施形態における一実施例及び比較例の光電変換装置の、エアマス１．５の太陽光スペクトルに含まれる波長領域における分光感度積分電流値、及び第２の値を示す表である。この図６においては、本実施形態における一実施例の光電変換装置１００の、エアマス１．５の太陽光スペクトルに含まれる波長領域におけるトップセルの分光感度積分電流値を１とし、比較例１〜３の光電変換装置のエアマス１．５の太陽光スペクトルに含まれる波長領域におけるトップセルの分光感度積分電流値を、一実施例の光電変換装置１００のトップセルの分光感度積分電流値に対する相対値で表示している。また、一実施例の光電変換装置１００及び比較例１〜３の光電変換装置のエアマス１．５の太陽光スペクトルに含まれる波長領域におけるボトムセルの分光感度積分電流値を、一実施例の光電変換装置１００のトップセルの分光感度積分電流値に対する相対値で表示している。

また、図６においては、一実施例の光電変換装置１００及び比較例２、３の光電変換装置における、エアマス１．５の太陽光スペクトルに含まれる波長領域におけるトップセルの分光感度積分電流値と、ボトムセルの分光感度積分電流値の内、小さい方の値を大きい方の値で割った第２の値を表示している。なお、比較例１の光電変換装置は、アモルファスシリコン光電変換部のみを有する構成のため、第２の値を持たない。

本実施形態における一実施例の構成においては、ボトムセルである微結晶シリコン光電変換部４０の分光感度積分電流値が、トップセルであるアモルファスシリコン光電変換部３０の分光感度積分電流値よりも大きくなっている。従って、トップセルであるアモルファスシリコン光電変換部３０の分光感度積分電流値の相対値である１を、ボトムセルである微結晶シリコン光電変換部４０の分光感度積分電流値の相対値である１．５８で割った値である０．６３が、エアマス１．５の太陽光スペクトルに含まれる波長領域における電流マッチングの度合いを示し、これが上述した第２の値となる。

図４に示す比較例１としては、アモルファスシリコン太陽電池のみで構成される光電変換装置を用いており、２７０ｎｍの膜厚を有する。標準試験条件下において、比較例１の変換効率の相対値は０．９３と、上述した実施例よりも若干低く、短絡電流密度の相対値は１．５７となっている。また、図６に示すように、エアマス１．５の太陽光スペクトルに含まれる波長領域における分光感度積分電流値の相対値は１．５７となっている。

図４に示す比較例２としては、本実施形態における一実施例としての光電変換装置１００と同様に、トップセルとしてアモルファスシリコン光電変換部を有し、ボトムセルとして微結晶シリコン光電変換部を有するタンデム型太陽電池を用いている。アモルファスシリコン光電変換部の膜厚を２３０ｎｍとしており、上述した本実施形態における一実施例よりも厚くしている。また、微結晶シリコン光電変換部の膜厚を２３００ｎｍと、本実施形態における一実施例と同じ膜厚としている。標準試験条件下において、比較例２の変換効率の相対値は１．２５であり、本実施形態における一実施例よりも高く、短絡電流密度の相対値は１．３１となっている。

ここで、図６に示すように、比較例２の光電変換装置においては、エアマス１．５の太陽光スペクトルに含まれる波長領域におけるトップセルの分光感度積分電流値の相対値は１．３０となっており、本実施形態における一実施例の分光感度積分電流値の相対値よりも高い値となっている。これは、アモルファスシリコン光電変換部の膜厚を、一実施例よりも厚い構成としているためである。一方、エアマス１．５の太陽光スペクトルに含まれる波長領域におけるボトムセルの分光感度積分電流値の相対値は１．３２となっており、本実施形態における一実施例よりも低い値となっている。これは、アモルファスシリコン光電変換部の膜厚を、一実施例よりも厚い構成としているため、アモルファスシリコン光電変換部に透過される光が減少し、微結晶シリコン光電変換部に入射する光が減少しているためである。

比較例２において、トップセルの分光感度積分電流値の相対値である１．３０を、ボトムセルの分光感度積分電流値の相対値である１．３２で割った第２の値が０．９９となっており、本実施形態における一実施例よりも高い値となっている。即ち、この比較例２は、エアマス１．５の太陽光スペクトルに含まれる波長領域においては、本実施形態における一実施例と比較して、電流マッチング度合いが高く、微結晶シリコン光電変換部の分光感度の積分値と、アモルファスシリコン光電変換部の分光感度の積分値とが非常に近い値となっている。

図４に示す比較例３としては、本実施形態における一実施例としての光電変換装置１００と同様に、トップセルとしてアモルファスシリコン光電変換部を有し、ボトムセルとして微結晶シリコン光電変換部を有するタンデム型太陽電池を用いている。アモルファスシリコン光電変換部の膜厚を１８０ｎｍとしており、上述した本実施形態における一実施例よりも厚くしている。また、微結晶シリコン光電変換部４０の膜厚を２３００ｎｍと、一実施例と同じ膜厚としている。標準試験条件下において、比較例３の変換効率の相対値は１．１７であり、本実施形態における一実施例よりも高く、短絡電流密度の相対値は１．１８となっている。

ここで、図６に示すように、比較例３の光電変換装置においては、エアマス１．５の太陽光スペクトルに含まれる波長領域におけるトップセルの分光感度積分電流値の相対値は１．１８となっており、本実施形態における一実施例の分光感度積分電流値の相対値よりも高い値となっている。これは、アモルファスシリコン光電変換部の膜厚を、一実施例よりも厚い構成としているためである。一方、エアマス１．５の太陽光スペクトルに含まれる波長領域におけるボトムセルの分光感度積分電流値の相対値は１．４８となっており、本実施形態における一実施例よりも低い値となっている。これは、アモルファスシリコン光電変換部の膜厚を、一実施例よりも厚い構成としているため、アモルファスシリコン光電変換部に透過される光が減少し、微結晶シリコン光電変換部に入射する光が減少しているためである。

比較例３において、トップセルの分光感度積分電流値の相対値である１．１８を、ボトムセルの分光感度積分電流値の相対値である１．４８で割った第２の値が０．７９となっており、本実施形態における一実施例よりも高く、比較例２よりも低い値となっている。即ち、この比較例３は、エアマス１．５の太陽光スペクトルに含まれる波長領域においては、本実施形態における一実施例よりも電流マッチング度合いが高く、比較例２よりも電流マッチング度合いが低くなっている。

図５は本実施形態における一実施例及び比較例の光電変換装置の紫外光、赤外光カット下における特性表であり、各光電変換装置１００を紫外光、赤外光カットガラスに設置した状態におけるシミュレーション値の相対値を表示している。この図５においては、図４に示した一実施例の光電変換装置１００の標準試験条件下における、変換効率、及び短絡電流密度（Ｊｓｃ）を１とし、一実施例の光電変換装置１００、及び比較例１〜３の光電変換装置の紫外光、赤外光カットガラスに設置した状態における変換効率及び短絡電流密度のシミュレーション値を、一実施例の光電変換装置１００の標準試験条件下における、変換効率、及び短絡電流密度に対する相対値で表示している。

図５に示すように、一実施例の光電変換装置１００の紫外光、赤外光カットガラスに設置した状態における変換効率の相対値は０．５０、短絡電流密度の相対値は０．５１となっている。紫外光、赤外光カットガラス設置下においては、各波長域における光が吸収、又は反射され、光電変換装置１００に入射する量が減少しており、特に、紫外光領域、及び赤外光領域における光の入射は略無い状態となっている。そのため、短絡電流密度が大きく低下しており、それに伴って変換効率が低下しているものと推測される。

図７は、本実施形態における一実施例及び比較例の光電変換装置の、４００〜７５０ｎｍの波長領域における分光感度積分電流値、及び第１の値を示す表である。この図７においては、本実施形態における一実施例の光電変換装置１００の、エアマス１．５の太陽光スペクトルに含まれる波長領域におけるトップセルの分光感度積分電流値を１とし、４００〜７５０ｎｍの波長領域における、一実施例の光電変換装置１００及び比較例１〜３の光電変換装置のトップセルの分光感度積分電流値及びボトムセル分光感度積分電流値を、エアマス１．５の太陽光スペクトルに含まれる波長領域における一実施例の光電変換装置１００のトップセルの分光感度積分電流値に対する相対値で表示している。

また、図７においては、一実施例の光電変換装置１００及び比較例２、３の光電変換装置における、４００〜７５０ｎｍの波長領域におけるトップセルの分光感度積分電流値と、ボトムセルの分光感度積分電流値の内、小さい方の値を大きい方の値で割った第１の値を表示している。なお、比較例１の光電変換装置は、アモルファスシリコン光電変換部のみを有する構成のため、第１の値を持たない。

本実施形態における一実施例の構成においては、４００〜７５０ｎｍまでの波長範囲において、トップセルであるアモルファスシリコン光電変換部３０の分光感度積分電流値の相対値が０．９３となっており、エアマス１．５の太陽光スペクトルに含まれる波長領域におけるアモルファスシリコン光電変換部３０の分光感度積分電流値の相対値から若干低下していることがわかる。

一方、４００〜７５０ｎｍまでの波長範囲において、ボトムセルである微結晶シリコン光電変換部４０の分光感度積分電流値の相対値が０．９９となっており、エアマス１．５の太陽光スペクトルに含まれる波長領域における微結晶シリコン光電変換部４０の分光感度積分電流値の相対値である１．５８から大幅に低下していることがわかる。これは、図３における微結晶シリコンの分光感度特性に示されるように、微結晶シリコン光電変換部４０はアモルファスシリコン光電変換部３０よりも長波長側に高い分光感度を有しており、およそ５００ｎｍから１０００ｎｍ付近までの波長範囲に感度を有しているが、この内の７５０ｎｍ以上の波長範囲における光が、分光感度の積分範囲から除外されたためである。

この本実施形態における一実施例に示す光電変換装置１００においては、４００〜７５０ｎｍまでの波長範囲においても、ボトムセルである微結晶シリコン光電変換部４０の分光感度積分電流値が、トップセルであるアモルファスシリコン光電変換部３０の分光感度積分電流値よりも若干大きくなっている。従って、トップセルであるアモルファスシリコン光電変換部３０の分光感度積分電流値の相対値である０．９３を、ボトムセルである微結晶シリコン光電変換部４０の分光感度積分電流値の相対値である０．９９で割った値である０．９４が、４００ｎｍ〜７５０ｎｍの波長領域における電流マッチング度合いを示し、これが上述した第１の値となる。

このように、本実施形態における一実施例においては、エアマス１．５の太陽光スペクトルに含まれる波長領域における電流マッチング度合いを示す第２の値が０．６３であったのに対し、４００ｎｍ〜７５０ｎｍの波長領域における電流マッチング度合いを示す第１の値が０．９４と高い値となっている。また、図５に示すように、紫外光、赤外光カットガラス設置下において、本実施形態における一実施例の光電変換装置１００の変換効率の相対値は０．５０となっており、この値は、紫外光、赤外光カットガラス設置下における比較例１〜３のいずれの変換効率の相対値よりも高い値となっている。

これは、紫外光、赤外光カットガラス設置下においては、微結晶シリコン光電変換部４０において発生する電流値が減少することを見越し、標準試験条件下においては、あえてアモルファスシリコン光電変換部３０において発生する電流値と、微結晶シリコン光電変換部４０において発生する電流値とをアンバランスにしておくことにより、紫外光、赤外光カットガラス設置下においても、比較的高い変換効率を得ることができたことを示す。

比較例２、３については、４００〜７５０ｎｍまでの波長領域においては、ボトムセルである微結晶シリコン光電変換部の分光感度積分電流値が大幅に低下し、トップセルであるアモルファスシリコン光電変換部の分光感度席部電流値よりも小さくなっている。そのため、小さい方の値であるボトムセルの分光感度積分電流値を、大きい方の値であるトップセルの分光感度積分電流値で割った値が、４００〜７５０ｎｍまでの波長領域における、電流マッチング度合いを示す第１の値となり、この第１の値がそれぞれ比較例２においては０．５７、比較例３においては０．７７となっている。

比較例２、３は、共にエアマス１．５の太陽光スペクトルに含まれる波長領域における電流マッチング度合いを示す第２の値が、本実施形態の一実施例よりも高かったが、この４００〜７５０ｎｍまでの波長領域における電流マッチング度合いを示す第１の値が、本実施形態の一実施例よりも低い結果となっている。

この結果は、エアマス１．５の太陽光スペクトルに含まれる波長領域において、アモルファスシリコン光電変換部において発生する電流値に対してうまく整合されていた微結晶シリコン光電変換部において発生する電流値が、４００〜７５０ｎｍの波長範囲においては、著しく低下した結果、アモルファスシリコン光電変換部において発生する電流値を制限してしまっていることを示す。また、図５において、これを裏付けるように、紫外光、赤外光をカットするガラス基材２００に取り付けた状態での変換効率の相対値も、比較例２が０．３４、比較例３が０．４２と、本実施形態の一実施例の変換効率の相対値よりも低くなっており、更にはアモルファスシリコン光電変換部のみからなる比較例１の変換効率の相対値０．４９よりも小さい値となっている。

これに対して、本実施形態の一実施例の光電変換装置１００においては、アモルファスシリコン光電変換部３０の膜厚を、微結晶シリコン光電変換部４０の膜厚の５．７％とし、比較例１〜３と比較して薄く形成しておき、微結晶シリコン光電変換部４０で吸収できる光の量を多く設定しておくことにより、紫外光、赤外光カットガラス設置下においても、高い電流マッチング度合いを実現し、比較例１〜３よりも高い変換効率を得ることができる。アモルファスシリコン光電変換部３０の膜厚は、微結晶シリコン光電変換部４０の膜厚の７％以下とすることが望ましく、更には、本実施形態の一実施例に示したように５．７％以下とすることが望ましい。

なお、本実施形態においては、微結晶シリコン光電変換部４０の裏面側に、第２の透明導電膜５２と、裏面反射電極層５０とを設けている。

第２の透明導電膜５２の構成材料としては、例えばＺｎＯ、ＩＴＯなどを用いることができる。

裏面反射電極層５０の構成材料としては、例えばＡｇやＡｌなどを用いることができる。裏面反射電極層５０は、アモルファスシリコン光電変換部３０、微結晶シリコン光電変換部４０などに透過された光を、再度、微結晶シリコン光電変換部４０、アモルファスシリコン光電変換部３０側に反射させ、微結晶シリコン光電変換部４０、アモルファスシリコン光電変換部３０側において、この反射光を吸収させる役割を果たしている。

［光電変換装置１００の製造方法］
以下、本実施形態に係る光電変換装置１００の製造方法について説明する。

［透光性基板１０準備ステップ］
まず、図２に示すように、透光性基板１０を準備する。透光性基板１０としては、例えば、ガラス、透明樹脂等から成る板状部材やシート状部材が用いられる。

［第１の透明導電膜２０形成ステップ］
次に、図２に示すように、透光性基板１０の裏面側に、導電性金属酸化物などからなる第１の透明導電膜２０を形成する。導電性金属酸化物の具体例としては、ＳｎＯ_２、ＺｎＯなどが挙げられる。第１の透明導電膜２０は、透光性基板１０の裏面側に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、スパッタ、蒸着などの方法により形成することができる。第１の透明導電膜２０はその表面において入射光の散乱を増大させる効果を有することが望ましい。具体的には、第１の透明導電膜２０が、その表面に微細な凹凸を有することにより、入射光の散乱を増大させる効果を有することが望ましい。

［アモルファスシリコン光電変換部３０形成ステップ］
次に、図２に示すように、第１の透明導電膜２０の裏面側に、アモルファスシリコン光電変換部３０を形成する。アモルファスシリコン光電変換部３０は、ｐ型アモルファスシリコンカーバイド層３６、ノンドープｉ型アモルファスシリコン光電変換層３４、ｎ型シリコン層３２を含んで形成される。アモルファスシリコン光電変換部３０は、例えば高周波プラズマＣＶＤ法により形成することができる。

なお、ノンドープｉ型アモルファスシリコン光電変換層３４の裏面側においては、ｎ型シリコン層３２の代わりに、微結晶シリコンを含むシリコンオキサイド層などの低屈折率層を設ける構成としてもよい。低屈折率層を設けることにより、ノンドープｉ型アモルファスシリコン光電変換層３４で吸収されずに裏面側に抜けてきた光を、再度ノンドープｉ型アモルファスシリコン光電変換層３４側に反射させ、ノンドープｉ型アモルファスシリコン光電変換層３４において吸収させることができる。

アモルファスシリコン光電変換部３０を形成方法として、高周波プラズマＣＶＤ法を利用した場合の条件としては、本実施形態においては、基板温度を１００〜３００℃、圧力を３０〜１５００Ｐａ、高周波パワー密度を０．０１〜０．５Ｗ／ｃｍ２とする。使用する原料ガスとしては、ＳｉＨ_４、Ｓｉ_２Ｈ_６等のシリコン含有ガスまたは、それらのガスとＨ_２を混合したものが用いられる。ｐ型アモルファスシリコンカーバイド層３６を形成するためのドーパントガスとしては、Ｂ_２Ｈ_６等が好ましく用いられる。また、ｎ型シリコン層３２を形成するためのドーパントガスとしては、ＰＨ_３等が好ましく用いられる。

なお、本実施形態においては、このアモルファスシリコン光電変換部３０の膜厚を、微結晶シリコン光電変換部４０の膜厚と比較して薄く形成しておき、微結晶シリコン光電変換部４０で吸収できる光の量を多く設定しておくことにより、紫外光、赤外光カットガラス設置下においても、高い電流マッチングを実現し、比較的高い変換効率を得ることができる。

［微結晶シリコン光電変換部４０形成ステップ］
次に、図２に示すように、アモルファスシリコン光電変換部３０の裏面側に微結晶シリコン光電変換部４０を形成する。微結晶シリコン光電変換部４０は、ｐ型微結晶シリコン層４６、ｉ型微結晶シリコン光電変換層４４、ｎ型微結晶シリコン層４２を含んで形成される。微結晶シリコン光電変換部４０は、例えば高周波プラズマＣＶＤ法により形成することができる。

なお、ｉ型微結晶シリコン光電変換層４４とｎ型微結晶シリコン層４２の間には、微結晶シリコンを含むシリコンオキサイド層などの低屈折率層を介在させる構成としてもよい。低屈折率層を設けることにより、ｉ型微結晶シリコン光電変換層４４で吸収されずに裏面側に抜けてきた長波長光を、再度ｉ型微結晶シリコン光電変換層４４側に反射させ、ｉ型微結晶シリコン光電変換層４４において吸収させることができる。

微結晶シリコン光電変換部４０を形成方法として、高周波プラズマＣＶＤ法を利用した場合の条件としては、上述したアモルファスシリコン光電変換部３０と同様、本実施形態においては、基板温度を１００〜３００℃、圧力を３０〜１５００Ｐａ、高周波パワー密度を０．０１〜０．５Ｗ／ｃｍ^２とする。使用する原料ガスとしては、ＳｉＨ_４、Ｓｉ_２Ｈ_６等のシリコン含有ガスまたは、それらのガスとＨ_２を混合したものが用いられる。ｐ型微結晶シリコン層４６を形成するためのドーパントガスとしては、Ｂ_２Ｈ_６等が好ましく用いられる。また、ｎ型微結晶シリコン層４２を形成するためのドーパントガスとしては、ＰＨ_３等が好ましく用いられる。

［第２の透明導電膜５２形成ステップ］
次に、図２に示すように、微結晶シリコン光電変換部４０の裏面側に第２の透明導電膜５２を形成する。第２の透明導電膜５２を構成する材料としては、例えばＺｎＯ、ＩＴＯなどを用いることができる。第２の透明導電膜５２の形成方法としては、例えばスパッタ、蒸着などを用いることができる。

［裏面反射電極層５０形成ステップ］
次に、図２に示すように、第２の透明導電膜５２の裏面側に裏面反射電極層５０を形成する。裏面反射電極層５０を構成する材料としては、例えばＡｇ、Ａｌ、又はそれらの合金を用いることができる。裏面反射電極層５０の形成方法としては、例えばスパッタ、蒸着などを用いることができる。

１０透光性基板、２０第１の透明導電膜、３０アモルファスシリコン光電変換部、３２ｎ型シリコン層、３４ノンドープｉ型アモルファスシリコン光電変換層、３６ｐ型アモルファスシリコンカーバイド層、４０微結晶シリコン光電変換部、４２ｎ型微結晶シリコン層、４４ｉ型微結晶シリコン光電変換層、４６ｐ型微結晶シリコン層、５０裏面反射電極層、５２第２の透明導電膜、１００光電変換装置、２００ガラス基材。

Claims

透光性基板の裏面側に、アモルファスシリコン光電変換部と、微結晶シリコン光電変換部と、を少なくともこの順に含む光電変換装置であって、
４００ｎｍ〜７５０ｎｍの波長領域における前記アモルファスシリコン光電変換部の分光感度積分電流値と、４００ｎｍ〜７５０ｎｍの波長領域における前記微結晶シリコン光電変換部の分光感度積分電流値の内、小さい方の値を大きい方の値で割った第１の値が、
エアマス１．５の太陽光スペクトルに含まれる波長領域における前記アモルファスシリコン光電変換部の分光感度積分電流値と、エアマス１．５の太陽光スペクトルに含まれる波長領域における前記微結晶シリコン光電変換部の分光感度積分電流値の内、小さい方の値を大きい方の値で割った第２の値よりも大きい、
光電変換装置。
前記透光性基板は、ガラス基材の裏面側に配置され、
前記ガラス基材は、紫外光領域、及び赤外光領域の透過率が、可視光領域の透過率よりも低い、
請求項１に記載の光電変換装置。
前記透光性基板と前記アモルファスシリコン光電変換部との間に設けられた透明導電膜を更に含み、
前記透明導電膜は、ＳｎＯ_２又はＺｎＯを含む、
請求項１又は２に記載の光電変換装置。
前記微結晶シリコン光電変換部の裏面側に設けられた裏面反射電極層を更に含み、
前記裏面反射電極層は、Ａｇ、Ａｌ、及びそれらの合金の内のいずれかを含む、
請求項１乃至３のいずれか一つに記載の光電変換装置。
前記微結晶シリコン光電変換部と前記裏面反射電極層との間に設けられた透明電極層を更に含み、
前記透明電極層は、ＺｎＯ又はＩＴＯを含む、
請求項４に記載の光電変換装置。
前記アモルファスシリコン光電変換部の膜厚が、前記微結晶シリコン光電変換部の膜厚の７％以下である、
請求項１乃至５のいずれか一つに記載の光電変換装置。