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WO2010067704A1 - 光起電力装置及びその製造方法 - Google Patents

光起電力装置及びその製造方法 Download PDF

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WO2010067704A1
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Definitions

  • the solar cell unit as a power generation layer is exposed to oxygen, resulting in a new problem that the characteristics of the solar cell unit itself deteriorate.
  • the first separation groove A is formed in the surface electrode 22.
  • the separation groove A is formed by laser processing, for example.
  • an Nd: YAG laser having a wavelength of about 1064 nm and an energy density of 1 ⁇ 10 5 W / cm 2 is used.
  • the line width of the separation groove A is preferably 10 ⁇ m or more and 200 ⁇ m or less.

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Abstract

表面電極と裏面電極との間に第１太陽電池ユニットと第２太陽電池ユニットとを導電性を有する中間層を挟み込んで積層した光起電力装置において、表面電極の表面まで第１太陽電池ユニット、第２太陽電池ユニット及び中間層を貫いて形成された溝を介して表面電極と裏面電極とが電気的に接続され、裏面電極と接する中間層の端部にドーパントを添加することによってＰＮ接合を形成する。

Description

光起電力装置及びその製造方法
　本発明は、光起電力装置及びその製造方法に関する。
　図３に示すように、中間層１４を挟んで上部及び下部の２つの太陽電池ユニット１０，１２を積層したタンデム型の光起電力装置が知られている。上部及び下部の太陽電池ユニット１０，１２に挟まれる中間層１４には１種以上の透明導電膜が用いられる。また、裏面電極の一部には裏面反射層を兼ねる銀（Ａｇ）の裏面電極１８が形成され、表面電極１６まで貫いて形成された溝Ｄを介して裏面電極１８が表面電極１６に接続される。
　このような構造において、上部及び下部の太陽電池ユニット１０，１２に挟まれた中間層１４は、溝Ｄにおいて裏面電極１８と部分的に接している。中間層１４と裏面電極１８とが電気的に接触していると、その接触点を介して電流のリークが生じ、光起電力装置の発電特性が低下する。
　そこで、溝Ｄを形成する際に酸化性雰囲気中でレーザ光線を用いて太陽電池ユニット１０，１２を除去することにより、中間層１４の端部付近の酸素含有量を高めて電流リークを抑制する技術が開示されている（特許文献１等）。
特公平７－１１４２９２号公報
　しかしながら、酸化性雰囲気中でレーザ加工を行う際に発電層である太陽電池ユニットが酸素に曝され、太陽電池ユニット自体の特性が低下してしまうという新たな問題を生じている。
　本発明は、上記課題を鑑み、太陽電池ユニットの特性を劣化させることなく、中間層と裏面電極との間の接触による特性の低下を抑制した光起電力装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
　本発明の１つの態様は、第１電極と、第２電極との間に、第１太陽電池ユニットと第２太陽電池ユニットとを導電性を有する中間層を挟み込んで積層した光起電力装置であって、第１電極の表面まで第１太陽電池ユニット、第２太陽電池ユニット及び中間層を貫いて形成された溝を介して第１電極と第２電極とが電気的に接続され、第２電極と接する中間層の端部にドーパントが添加されてＰＮ接合が形成されていることを特徴とする。
　また、本発明の別の態様は、第１電極、第１太陽電池ユニット、導電性を有する中間層、第２太陽電池ユニット及び第２電極の順に積層した光起電力装置であって、第１電極の表面まで第１太陽電池ユニット、第２太陽電池ユニット及び中間層を貫いて形成された溝を介して第１電極と第２電極とが電気的に接続され、第２太陽電池ユニットの第２電極側の表面近傍の窒素濃度が第２太陽電池ユニットの表面近傍以外の領域の窒素濃度よりも高いことを特徴とする。
　また、本発明の別の態様は、第１電極と、第２電極との間に、第１太陽電池ユニットと第２太陽電池ユニットとを導電性を有する中間層を挟み込んで積層した光起電力装置の製造方法であって、第１電極の表面まで第１太陽電池ユニット、第２太陽電池ユニット及び中間層を貫く溝を形成する第１工程と、溝に露出された中間層にドーパントを添加して、中間層の端部にＰＮ接合を形成する第２工程と、溝を介して第１電極と電気的に接続されるように第２電極を形成する第３工程と、を含むことを特徴とする。
　本発明によれば、太陽電池ユニットの特性を劣化させることなく、光起電力装置における中間層と裏面電極との間の接触による特性の低下を抑制することができる。
本発明の実施の形態における光起電力装置の構成を示す断面模式図である。 本発明の実施の形態における光起電力装置の製造工程を示す図である。 従来の光起電力装置の構成を示す断面模式図である。
　本発明の実施の形態における光起電力装置１００は、図１の断面図に示すように、基板２０、表面電極２２、第１太陽電池ユニット２４、中間層２６、第２太陽電池ユニット２８及び裏面電極３０を含んで構成される。
　以下、図２の製造工程図を参照して、光起電力装置１００の製造方法及びその構造について説明する。なお、図１及び図２では光起電力装置１００の構造を明確に示すために、光起電力装置１００の一部を拡大して示し、各部の比率を変えて示している。
　ステップＳ１０では、基板２０上に表面電極２２を形成する。基板２０は、透光性を有する材料で構成する。基板２０は、例えば、ガラス基板、プラスチック基板等とすることができる。表面電極２２は、透光性を有する透明導電膜とする。表面電極２２は、例えば、ＳｎＯ2，ＺｎＯ，ＴｉＯ2，ＳｉＯ2，Ｉｎ2Ｏ3等とすることができる。これらの金属酸化物にＦ，Ｓｎ，Ａｌ，Ｆｅ，Ｇａ，Ｎｂ等がドープされていてもよい。表面電極２２は、例えば、スパッタリング法、ＭＯＣＶＤ法（熱ＣＶＤ）により形成する。基板２０と表面電極２２の一方又は両方の表面に凹凸（テクスチャ構造）を設けることも好適である。
　ステップＳ１２では、表面電極２２に第１の分離溝Ａを形成する。分離溝Ａは、例えば、レーザ加工により形成する。例えば、波長約１０６４ｎｍ、エネルギー密度１×１０5Ｗ／ｃｍ2のＮｄ：ＹＡＧレーザを使用して形成する。分離溝Ａの線幅は１０μｍ以上２００μｍ以下とすることが好適である。
　ステップＳ１４では、表面電極２２上に第１太陽電池ユニット２４を形成する。本実施の形態では、第１太陽電池ユニット２４は非晶質（アモルファス）シリコン太陽電池とする。第１太陽電池ユニット２４は、基板２０側からｐ型、ｉ型、ｎ型の順に非晶質シリコン膜を積層して形成する。第１太陽電池ユニット２４のｉ層の膜厚は１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることが好適である。第１太陽電池ユニット２４は、例えば、プラズマ化学気相成長法（ＣＶＤ）により形成する。第１太陽電池ユニット２４の成膜条件の例を表１に示す。
　ステップＳ１６では、第１太陽電池ユニット２４上に中間層２６を形成する。中間層２６は、透光性を有する材料で構成する。中間層２６は、例えば、ＺｎＯ，ＳｉＯ2，ＳｎＯ2，ＴｉＯ2，Ｉｎ2Ｏ3等とすることができる。これらの金属酸化物にＦ，Ｓｎ，Ａｌ，Ｆｅ，Ｇａ，Ｎｂ等がドープされていてもよい。中間層２６の膜厚は１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることが好適である。中間層２６は、ＤＣスパッタリング法により形成することができる。中間層２６の成膜条件の例を表１に示す。
　ステップＳ１８では、中間層２６上に第２太陽電池ユニット２８を形成する。本実施の形態では、第２太陽電池ユニット２８は微結晶シリコン太陽電池とする。第２太陽電池ユニット２８は、基板２０側からｐ型、ｉ型、ｎ型の順に微結晶シリコン膜を積層して形成する。第２太陽電池ユニット２８のｉ層の膜厚は１０００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下とすることが好適である。第２太陽電池ユニット２８は、例えば、ＶＨＦプラズマ化学気相成長法（ＣＶＤ）により形成する。第２太陽電池ユニット２８の成膜条件の例を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　ステップＳ２０では、第２の分離溝Ｂを形成する。分離溝Ｂは、第２太陽電池ユニット２８，中間層２６，第１太陽電池ユニット２４を貫いて表面電極２２に到達するように形成する。分離溝Ｂの線幅は、１０μｍ以上２００μｍ以下とすることが好適である。
　分離溝Ｂは、例えば、レーザ加工により形成する。レーザ加工は、これに限定されるものではないが、波長約５３２ｎｍ（ＹＡＧレーザの第２高調波）を用いて行うことが好適である。レーザ加工のエネルギー密度は例えば１×１０5Ｗ／ｃｍ2とすればよい。
　ステップＳ２２では、窒素（Ｎ）を含有する気体雰囲気中でプラズマ処理を行う。例えば、窒素（Ｎ2）又はアンモニア（ＮＨ3）雰囲気中においてプラズマ処理を行うことが好適である。プラズマ処理は、ＲＦプラズマ処理とすることが好適である。プラズマ処理の際の窒素含有ガスの圧力は５０Ｐａ以上１０００Ｐａ以下とすることが好適である。プラズマ処理の際の導入エネルギーは０．５Ｗ／ｃｍ2以上１００Ｗ／ｃｍ2とすることが好適である。
　このプラズマ処理によって、分離溝Ｂに露出している中間層２６の端部２６ａにおける窒素含有量を高くすることができる。
　また、このプラズマ処理によって第２太陽電池ユニット２８のｎ層の表面の窒素含有量が第２太陽電池ユニット２８の他の領域、少なくともｉ層及びｐ層における窒素含有量よりも高くなる。例えば、第２太陽電池ユニット２８のｎ層の表面から１０００ｎｍの深さまでの領域の窒素含有濃度が１０００ｎｍより深い領域の窒素含有濃度より高くなる。この窒素含有濃度の分布によりステップＳ２０の処理が施されているか否かを判定することができる。なお、窒素は酸素に比べて太陽電池の特性を劣化させる原因となり難く、さらに、ｎ型のシリコン層に与える影響は小さい。
　ステップＳ２４では、第２太陽電池ユニット２８上に裏面電極３０を形成する。裏面電極３０は、透明導電膜と金属膜との積層構造とすることが好ましい。透明導電膜は、例えば、ＺｎＯ，ＳｉＯ2，ＳｎＯ2，ＴｉＯ2等とすることができ、ＺｎＯを用いることがより好ましい。金属膜は、例えば、銀（Ａｇ），アルミニウム（Ａｌ），金（Ａｕ）等を用いることができ、利用する光の反射率を考慮すると銀（Ａｇ）を用いることがより好ましい。裏面電極３０は、例えば、スパッタリング法を用いることにより形成する。
　裏面電極３０は、分離溝Ｂに埋め込まれ、分離溝Ｂ内で裏面電極３０と表面電極２２とが電気的に接続される。すなわち、裏面電極３０は、分離溝Ｂにおいて中間層２６の端部２６ａと接触する。
　ステップＳ２６では、第３の分離溝Ｃを形成する。分離溝Ｃは、裏面電極３０，第２太陽電池ユニット２８，中間層２６，第１太陽電池ユニット２４を貫いて表面電極２２に到達するように形成する。分離溝Ｃは、分離溝Ａとの間に分離溝Ｂを挟む位置に形成する。分離溝Ｃの線幅は、１０μｍ以上２００μｍ以下とすることが好適である。分離溝Ｃは、レーザ加工により形成することができる。例えば、波長約５３２ｎｍ（ＹＡＧレーザの第２高調波）、エネルギー密度１×１０5Ｗ／ｃｍ2のＮｄ：ＹＡＧレーザを使用して分離溝Ｃを形成することができる。
　さらに、レーザ加工により光起電力装置１００の周辺に周辺領域と発電領域とを分離する溝を形成する。
　以上のように、本実施の形態における光起電力装置１００では、裏面電極３０は、分離溝Ｂにおいて窒素含有量を高くした中間層２６の端部２６ａと接触する。窒素を導入することにより中間層２６の端部２６ａは高抵抗化、または、ｐ型化されていると考えられ、裏面電極３０をその端部２６ａと接触させることによってキャリア（電子又は正孔）に対する障壁とし、裏面電極３０と中間層２６との間の電流のリークを抑制することができる。
（実施例）
　ガラスの基板２０に凹凸構造を有するＳｎＯ2膜である表面電極２２を形成し、４０μｍの線幅の分離溝Ａを形成した。その後、ｉ層の膜厚が２５０ｎｍのアモルファスシリコンの第１太陽電池ユニット２４を形成した。
　第１太陽電池ユニット２４を形成した後、アルミニウムをドーパントとして含む膜厚５０ｎｍのＺｎＯ膜を中間層２６として形成した。続いて、ｉ層の膜厚が２０００ｎｍの微結晶シリコンの第２太陽電池ユニット２８を形成した。
　第２太陽電池ユニット２８を形成後、波長５３２ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波を用いて、線幅５０μｍの分離溝Ｂを形成した。その後、窒素（Ｎ2）又はアンモニア（ＮＨ3）ガス雰囲気中でＲＦプラズマ処理を行い、中間層２６の端部２６ａに窒素を他の領域より高濃度に含有させた。窒化処理後、ＤＣスパッタリング法により、裏面電極３０として膜厚１００ｎｍのアルミニウムドープされたＺｎＯ膜と膜厚３００ｎｍの銀（Ａｇ）膜を順次形成した。
　裏面電極３０を形成後、波長５３２ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波を用いて、線幅５０μｍの分離溝Ｃを形成した。また、波長１０６４ｎｍ及び５３２ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザの基本波及び第２高調波を用いて、光起電力装置１００の周辺領域と発電領域とを分離する溝を形成した。
（比較例）
　窒素（Ｎ2）ガス雰囲気中でのＲＦプラズマ処理のより窒化を行わないこと以外は上記実施例と同様に光起電力装置を製造した。
　上記実施例で製造された光起電力装置１００及び上記比較例で製造された光起電力装置についてＡＭ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ2、２５℃の条件下で電流－電圧特性（Ｉ－Ｖ特性）を測定した。測定結果を表２に示す。なお、表２では比較例で製造された光起電力装置の特性を１として、実施例で製造された光起電力装置１００の特性を規格化して示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　測定の結果から、本実施の形態における光起電力装置１００は従来に比べて変換効率が向上した。特に、開放電圧Ｖｏｃ，曲線因子ＦＦについては窒素（Ｎ2）及びアンモニア（ＮＨ3）のいずれの雰囲気中でのプラズマ処理でも特性が向上した。
　なお、本実施の形態では中間層２６に対するドーパントして窒素を用いたが、他のｐ型ドーパントでも同様の効果が得られると考えられる。また、中間層２６としてＳｉＯ2やＴｉＯ2等の金属酸化膜、他の透明導電膜を用いても同様の効果が得られる。
　また、本実施の形態ではアモルファスシリコン／微結晶シリコンのタンデム構造薄膜太陽電池について説明したが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。すなわち、透明導電膜が中間層として用いられた光起電力装置であれば同様の効果が得られると考えられる。特に、主材料をシリコンとし、シリコンと隣接する領域に透明導電膜からなる中間層が設けられたシリコン太陽電池であれば同様の効果が得られる。

Claims (7)

  1. 　第１電極と、第２電極との間に、第１太陽電池ユニットと第２太陽電池ユニットとを導電性を有する中間層を挟み込んで積層した光起電力装置であって、
    　前記第１電極の表面まで前記第１太陽電池ユニット、前記第２太陽電池ユニット及び前記中間層を貫いて形成された溝を介して前記第１電極と前記第２電極とが電気的に接続され、
    　前記第２電極と接する前記中間層の端部にドーパントが添加されてＰＮ接合が形成されていることを特徴とする光起電力装置。
  2. 　第１電極、第１太陽電池ユニット、導電性を有する中間層、第２太陽電池ユニット及び第２電極の順に積層した光起電力装置であって、
    　前記第１電極の表面まで前記第１太陽電池ユニット、前記第２太陽電池ユニット及び前記中間層を貫いて形成された溝を介して前記第１電極と前記第２電極とが電気的に接続され、
    　前記第２太陽電池ユニットの前記第２電極側の表面近傍の窒素濃度が前記第２太陽電池ユニットの前記表面近傍以外の領域の窒素濃度よりも高いことを特徴とする光起電力装置。
  3. 　請求項１に記載の光起電力装置であって、
    　前記中間層は、ＺｎＯ，ＳｉＯ2，ＳｎＯ2，ＴｉＯ2，Ｉｎ2Ｏ3の少なくとも１つを含むことを特徴とする光起電力装置。
  4. 　請求項２に記載の光起電力装置であって、
    　前記中間層は、ＺｎＯ，ＳｉＯ2，ＳｎＯ2，ＴｉＯ2，Ｉｎ2Ｏ3の少なくとも１つを含むことを特徴とする光起電力装置。
  5. 　請求項１に記載の光起電力装置であって、
    　前記中間層はＺｎＯであり、
    　前記ドーパントは、Ｎ，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｒｂ，Ｃｓ，Ｆｒ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕの少なくとも１つであることを特徴とする光起電力装置。
  6. 　第１電極と、第２電極との間に、第１太陽電池ユニットと第２太陽電池ユニットとを導電性を有する中間層を挟み込んで積層した光起電力装置の製造方法であって、
    　前記第１電極の表面まで前記第１太陽電池ユニット、前記第２太陽電池ユニット及び前記中間層を貫く溝を形成する第１工程と、
    　前記溝に露出された前記中間層にドーパントを添加して、前記中間層の端部にＰＮ接合を形成する第２工程と、
    　前記溝を介して前記第１電極と電気的に接続されるように前記第２電極を形成する第３工程と、
    を含むことを特徴とする光起電力装置の製造方法。
  7. 　請求項６に記載の光起電力装置の製造方法であって、
    　前記第２工程では、窒素又はアンモニア雰囲気中においてプラズマ処理を行うことによって、前記中間層に前記ドーパントとして窒素を添加することを特徴とする光起電力装置の製造方法。
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