JP2002299661A - 薄膜結晶質Si太陽電池 - Google Patents
薄膜結晶質Si太陽電池Info
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Abstract
の問題を解決しつつ、さらには凹凸構造の特性長と傾斜
角度にはなお実質的な制約があるという他の問題をも解
決する。 【解決手段】 透光性基板の一主面側に、裏電極となる
裏透明導電層、光活性層部を結晶質Siで形成した半導
体接合を有する半導体層、表電極となる表透明導電層お
よび表集電極を順次積層した薄膜結晶質Si太陽電池に
おいて、前記透光性基板の他の主面側が3角錐以上の多
数の多角錐からなる凹凸構造を有し、この凹凸構造の隣
接する多角錐の頂点間の平均距離が100nm以上であ
り、さらにこの凹凸構造上に金属からなる光反射層を形
成したことを特徴とする。
Description
電池等に代表される光電変換素子に関する。
される薄膜結晶質Si太陽電池は、次世代太陽電池とし
て注目されているが、結晶Siの光吸収係数が薄膜たる
膜厚に対して充分大きな値ではないため、充分な光電流
値を得るには光閉じ込め構造を導入して光利用効率の向
上を図ることが特に重要である。
面側へ反射防止膜を形成することや凹凸構造を形成する
ことが知られており、太陽電池に応用実用化されて久し
い。
は、結晶Siの光吸収係数が長波長側で小さいため、数
μm程度以下の膜厚で光吸収を充分に生ぜしめて光電変
換をより効率的に行わせるためには、入射光が結晶質S
i膜内を多数回反射往復するようにして光をより有効に
閉じ込められる構造にすることが特に重要である。この
ため、薄膜結晶質Si太陽電池では、従来の半導体層の
光入射面側表面へ凹凸構造を形成することに加えて、半
導体層の光入射面とは反対側にも凹凸構造を形成して光
閉じ込めをより有効に行う検討が進められている。
847号、特許第2771414号、特許第27848
41号、特許第3027669号、特許第302916
9号、特開平5−218469号、特開平6−1967
38号、特開平10−117006号、特開平11−2
33800号等の文献に述べられており、いずれにおい
ても光電流が増大して変換効率が向上する結果が得られ
ている。
5に示す。図3、図4、図5中、31、41、51は基
板、32、42、52は裏電極層、33、43、53は
裏透明導電層、34、44、54は半導体層、35、4
5、55は表透明導電層、36、46、56は表集電極
である。
半導体層両面を凹凸構造とする従来の両面凹凸構造で
は、半導体層34、44、54を既に凹凸構造が形成さ
れた面を堆積面として成長させることになる。これは電
気的に良質な半導体膜を成長させるためには本来は好ま
しくないものである。なぜならば、フラット面への薄膜
成長であれば、凹凸構造に起因した不要な核発生サイト
が少ないので結晶の大粒径化がはかりやすく、また、全
ての結晶がフラット面に対して垂直な方向に成長してい
くために成長した結晶粒どうしが衝突して結晶粒界を生
じさせたりすることがなく、また結晶配向も一方向にそ
ろいやすく望ましい結晶配向特性に制御しやすいという
利点があるのに対して、凹凸構造面上への薄膜成長では
これらの利点が失われてしまうからである。
いことによる結晶粒界の増加や、成長結晶粒どうしの衝
突による結晶粒界の生成は、結晶粒界部がリーク電流の
発生経路となるため半導体層34、44、54の電気的
特性が劣化し、開放電圧特性の低下や曲線因子特性の低
下を招く致命的なマイナス因子となる。
ては、第61回秋期応用物理学会予稿集6a−C−6,
p.829(2000)、同6a−C−7,p.830
(2000)で報告されており、凹凸形状の増大(凹凸
構造を形成する凹凸単位の平均サイズ(特性長)の増大
や、凹凸構造を形成する面の基板水平方向に対する傾斜
角度の増大)とともに光電流は増大するが、開放電圧は
低下してしまうことが述べられている。
る従来の両面凹凸構造では、光学的に望ましい凹凸構造
を形成して光電流を増大させることはできても、リーク
電流の増大が抑えられず、本来期待される特性レベルに
までは到達できないという課題があった。
ては、その結晶配向特性を(110)配向とすること
が、光閉じ込めに適した凹凸形状をその成長表面に自生
的に形成するためには重要であるが、半導体層34、4
4、54を形成する前に既に凹凸形状が形成されている
場合は、この配向の制御性が乱されてしまい、理想的な
強い(110)配向を得にくいという課題があった。
001−20623号で、前記従来例よりもリーク電流
量を少なくできる両面凹凸構造素子を開示しており、こ
れを図6、図7に示す。図6、図7中、61、71は基
板、62、72は裏電極層、63、73は裏透明導電
層、64、74半導体層、65、75は表透明導電層、
66、76は表集電極である。これらの素子構造では、
前記した図3、4、5で示した素子構造に対して、半導
体層64、74をより平坦化された面上に成長させるこ
とができるので、電気的により良質な半導体層64、7
4を得ることができる。
72の表面の凹凸構造の特性長と傾斜角度がある程度以
上の値になると、裏透明導電層63、73でこれを完全
に被覆して埋め込むためには裏透明導電層63、73を
かなり厚く成膜する必要があり、この成膜工程に時間が
かかるとともに、厚膜となるほど透明導電層の結晶構造
を反映した表面凹凸形状がより増大し、ある程度の平坦
化工程を必要とするという課題があった。このため、裏
電極層62、72の表面の凹凸形状をより増大させた方
が光学的には望ましいとわかっていても、その凹凸構造
の特性長と傾斜角度にはなお実質的な制約があった。
いという従来の両面凹凸構造での問題点を解決しつつ、
さらには凹凸構造の特性長と傾斜角度にはなお実質的な
制約があるという他の従来の問題をも解決するものであ
る。
に、請求項1に係る薄膜結晶質Si太陽電池では、透光
性基板の一主面側に、裏電極となる裏透明導電層、光活
性層部を結晶質Siで形成した半導体接合を有する半導
体層、表電極となる表透明導電層および表集電極を順次
積層した薄膜結晶質Si太陽電池において、前記透光性
基板の他の主面側が3角錐以上の多数の多角錐からなる
凹凸構造を有し、この凹凸構造の隣接する多角錐の頂点
間の平均距離が100nm以上であり、さらにこの凹凸
構造上に金属からなる光反射層を形成したことを特徴と
する。
電池では、前記凹凸構造の凹部が曲面からなっていて、
この凹凸構造の隣接する凹部の最下点間の平均距離を1
00nm以上としたことを特徴とする。
電池では、基板の一主面側に、裏電極となる裏透明導電
層、光活性層部を結晶質Siで形成した半導体接合を有
する半導体層、表電極となる表透明導電層および表集電
極を順次積層した薄膜結晶質Si太陽電池において、前
記基板の一主面側が3角錐以上の多数の多角錐からなる
凹凸構造、または凹部が曲面からなる凹凸構造を有し、
この凹凸構造の隣接する多角錐の頂点間の平均距離、ま
たは同凹凸構造の隣接する凹部の最下点間の平均距離が
100nm以上であり、さらにこの凹凸構造上と前記裏
透明導電層との間に、表面が実質的に平坦な透光性薄膜
層を形成したことを特徴とする。
て、前記基板が透光性基板である場合は、この透光性基
板と前記透光性薄膜層との間に金属からなる光反射層を
設けたことを特徴とする。
る発明の実施の形態を説明する。図中、11は透光性基
板、12は光反射層、13は裏透明導電層、14は光活
性層部を結晶質Siで形成した半導体接合を有する半導
体層、15は表透明導電層、16は表集電極である。な
お、図1は請求項1を説明するためのものであるが、請
求項2を説明する際にも凹凸構造を請求項2で述べた形
状のものと解釈することと約して流用することにする。
る裏透明導電層13、光活性層部を結晶質Siで形成し
た半導体接合を有する半導体層14、表電極となる表透
明導電層15および表集電極16を順次積層する。透光
性基板の他の主面側は、3角錐以上の多数の多角錘から
なる凹凸構造を有し、この凹凸構造の隣接する多角錐の
頂点間の平均距離が100nm以上であり、さらにこの
凹凸構造上に金属からなる光反射層12を形成してい
る。
ち光入射面とは反対側に位置する裏面側凹凸構造は、半
導体形成面側とは反対側の透光性基板11の裏面に形成
されるので、半導体層14は実質的にフラットな面に形
成されることになり、半導体層14が凹凸形状表面に形
成されることによって生ずるリーク電流の増大を回避す
ることができるとともに、裏透明導電層13の表面の平
坦化工程も省くことができる。また、凹凸構造の特性長
と傾斜角度の上限についての実質的制約も完全になくす
ことができる。よって、素子の電気特性(リーク特性)
とのトレードオフを全く考慮する必要がなく、独立に光
学的な最適構造化をはかれる素子構造を実現することが
できる。
体層14と裏透明導電層13との界面にまで達したもの
は、一部は半導体層14側へ反射され、残りは裏透明導
電層13と透光性基板11との界面にまで達し、後者の
一部は半導体層14側へ反射され、残りは透光性基板1
1中を透過して光反射層12に達する。光反射層12に
達した光は、裏面側凹凸構造の傾斜角度に応じて半導体
層14側へ向けて斜めに反射される。この反射した光の
うち素子表面にまで達したものは素子表面に形成された
結晶質Siの自生的凹凸構造を反映した凹凸面において
その傾斜角度に応じて半導体層14へ向けて斜めに反射
される。このように凹凸構造導入素子では、入射光が素
子中をある傾斜角をもって多数回反射することによって
光電変換がなされるが、半導体層中を斜めに進む光に対
しては、表透明導電層15と半導体層14との界面、お
よび半導体層14と裏透明導電層13との界面は全反射
条件がより成立しやすくなっているので、非常に高い光
閉じ込め効果が得られる。
における傾斜角度には上限がないので、例えば45°を
超えるようなかなり急角度な傾斜面を形成することも可
能となり、光反射層12で反射した光をより水平な方向
に進ませることができる。より水平な方向に進む光は半
導体層14中を次に反射するまでにより長い距離を進む
ことができるので、半導体層14中の光の走行距離に対
する反射回数を減らすことができ、反射時にわずかに生
ずる光吸収の累積ロスがより低く抑えられたより効率的
な光電変換を実現することができる。
接する任意の多角錐の頂点間の平均距離(以後、凹凸構
造単位の平均サイズと表現したり、特性長と表現したり
する)を100nm以上としたのは、それ以下では光学
的にフラットとみなされてしまい、期待する光散乱効果
が得られないからである。
特性長を有する凹凸構造は光学的にフラットとみなされ
るので、期待する光散乱効果を有する凹凸構造とするに
は、その特性長を少なくとも問題とする光の波長の1/
4以上、望ましくは1/2以上とする必要がある。
晶質Siで構成されているので、利用できる最長光波長
は約1200nmである。つまり本件で問題にすべき光
の波長は1200nmまでであるが、このとき本件の透
光性基板11または透光性薄膜層22(後述)の代表的
材料としてガラスを例にとると、その屈折率は約1.5
であるため、この材料媒質中での光波長は800nmと
みなせる。つまり、波長1200nmの光を素子裏面側
の光反射層部で斜め反射させて素子内部に有効に閉じ込
めるにはその凹凸構造の特性長は、少なくとも800n
mの1/4の200nm以上、望ましくは1/2の40
0nm以上とする必要があることになる。実際には波長
800nm前後までの光に対して光閉じ込め効果が得ら
れるだけでもかなりの実質的特性向上効果があるので、
この場合の最小特性長は少なくとも133nm前後以
上、望ましくは267nm前後以上とすればよく、これ
が前記した特性長を100nm以上とするとした理由で
ある。
性薄膜層22としてガラスの他にプラスチックや樹脂を
使っても屈折率はやはり1.5程度なので、前述した数
値はやはり有効である。
部は曲面からなっていてもよい。
製造方法を説明する。まず、透光性基板11として、ガ
ラス、プラスチック、樹脂などを材料とした板材あるい
はフィルム材などを用意し、基板11の裏面を凹凸形状
に加工する。
て、請求項1に述べられている3角錐以上の多数の多角
錐からなる凹凸構造を形成したい場合には、予めこのネ
ガ構造を有した金型等のネガレプリカを用意しておき、
これによって基板11の表面を適当な温度条件でプレス
加工すれば比較的低コストで容易に実現できる。ここ
で、この凹凸構造における隣接する任意の多角錐の頂点
間の平均距離は100nm以上、より好ましくは200
nm以上とする。なお、ネガレプリカを作製するための
オリジナル凹凸構造としては、例えば結晶Si基板を所
定のウェットエッチング条件やドライエッチング条件で
エッチングすることによって形成されるSi結晶の面方
位を反映した凹凸構造を利用することができるし、Sn
O2等の透明導電膜を所定の条件で製膜することによっ
て得られる自生的表面凹凸構造などを利用することもで
き、得たい凹凸構造に応じて様々な材料を利用すること
ができる。
請求項2に述べられている凹部が曲面の凹凸構造を形成
する場合には、ドライエッチング法やウエットエッチン
グ法を用いて加工すれば比較的低コストで実現すること
ができる。特にドライエッチング法の一種であるRIE
法を用いれば、ガス種、ガス圧、プラズマパワー等のエ
ッチング条件によって所望の凹凸形状が得られること
が、例えば特願2000−301419号に述べられて
いる。この凹凸構造における凹部の曲面の最下点間の平
均距離は100nm以上、より好ましくは200nm以
上とする。なお、この凹凸構造の形成にあたっても前述
したネガレプリカによるプレス加工法を利用することが
できる。
凸構造が形成された透光性基板11の裏面側に成膜す
る。金属材料としては、光反射特性に優れるAl、Ag
などを用いるのが望ましい。製膜方法としては、蒸着
法、スパッタリング法、イオンプレーティング法などの
公知の技術を使用できる。このとき膜厚は、0.01μ
m程度以上とする。なお、光反射層12と透光性基板1
1との接着強度が弱い場合は、Tiなどの酸化しやすい
金属薄膜を厚さ1〜10nm程度で光反射層12と透光
性基板11との間に挿入させるとよい。
の表面側に形成する。透明導電膜材料としては、SnO
2、ITO、ZnOなど公知の材料を用いることができ
るが、この後に堆積するSi膜形成時にSiH4とH2を
使用することに起因して水素ガス雰囲気に曝されること
になるので、耐還元性に優れるZnO膜を少なくとも最
終表面として形成するのが望ましい。製膜方法として
は、CVD法、蒸着法、イオンプレーティング法、スパ
ッタリング法など公知の技術を用いることができる。こ
のとき、膜厚は、裏透明導電層13が裏電極を兼ねるこ
とを考慮して、そのシート抵抗値を充分低くするため
に、10nm以上、より好ましくは20nm以上とす
る。なお、透明導電層は膜厚増大とともにその結晶構造
に起因した凹凸形状が増大していく傾向があるので、条
件によっては期待する実質的に平坦な表面形状が得られ
ない場合があるが、この場合は透明導電層13をまず非
晶質状態で成膜しておき、その後熱アニール処理などに
よって結晶化させれば実質的に平坦な表面形状を得るこ
とができる。
半導体接合を有する半導体層14を形成する。プロセス
は大別して下地層の形成、光活性層の形成、接合の形成
となる(それぞれ不図示)。なお、これらの半導体層の
形成においては、前述したように既に半導体堆積面が実
質的に平坦化されているので不要な核形成が抑えられて
半導体結晶粒の大粒径化を行いやすく、また結晶粒は共
に基板に垂直な方向に平行して柱状成長していくので結
晶粒どうしの衝突による結晶粒界発生を抑えることがで
き、結晶粒界に起因した半導体膜の品質低下が極力抑制
された半導体層形成を行うことができる。また比較的容
易に強い(110)配向特性を得ることができるので、
半導体層14表面に光閉じ込めに適した理想的な自生的
凹凸構造を形成することができる。
CVD法やプラズマCVD法などの方法で形成する。膜
厚は、10〜500nm程度とする。ドーピング元素濃
度については1×1E18〜1E21/cm3程度とし
てp+型(またはn+型)とする。
CVD法やプラズマCVD法などの方法で形成する。膜
厚は、0.5〜10μm程度とする。なお、導電型は、
上記下地層よりはドーピング濃度が低い同導電型とする
か、あるいは実質的なi型とする。
晶Si膜を触媒CVD法やプラズマCVD法などの方法
で形成する。膜厚は5〜500nm程度とする。ドーピ
ング元素濃度は1×1E18〜1E21/cm3程度と
し、前述した下地層とは反対導電型であるn+(または
p+型)とする。なお、接合特性をより改善するために
光活性層と接合層との間に実質的にi型の非単結晶Si
層を挿入してもよい。このとき挿入層の厚さは結晶質S
i層の場合は10〜500nm程度、非晶質Siの場合
は1〜20nm程度とする。
導電膜材料としては、SnO2、ITO、ZnOなど公
知の材料を用いることができる。製膜方法としては、C
VD法、蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリ
ング法など公知の技術を用いることができる。このと
き、膜厚は光学的干渉効果を考慮して60〜300nm
程度にする。
する。金属膜材料としては、導電性に優れるAl、Ag
などを用いるのが望ましい。製膜方法としては、蒸着
法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、スク
リーン印刷法などの公知の技術を使用できる。電極パタ
ーンについては、マスキング法、リフトオフ法などを用
いて所望のパターンに形成することができる。なお、表
透明導電層15との接着強度強化のためには、表透明導
電層15と表集電極16との間に、Ti等の酸化物材料
との接着強度に優れる金属材料を挿入すると効果的であ
る。
とのない両面凹凸光閉じ込め構造を有した高効率な薄膜
結晶質Si太陽電池を得ることができる。
に係る発明の実施の形態を説明する。図中、20は基
板、21は金属からなる光反射層、22は透光性薄膜
層、23は裏電極となる裏透明導電層、24は光活性層
部を結晶質Siで形成した半導体接合を有する半導体
層、25は表電極となる表透明導電層、26は表集電極
である。
ック、ステンレス等の金属などを材料とした板材あるい
はフィルム材などを用意し、該基板の一主面側を凹凸形
状に加工する。このとき、基板20の一主面側は、実施
例1で述べた方法を用いれば、3角錐以上の多数の多角
錐からなる凹凸構造を有し、この凹凸構造の隣接する多
角錐の頂点間の平均距離が100nm以上、より好まし
くは200nm以上であるような凹凸構造とすることも
できるし、凹部が曲面からなる凹凸構造を有し、この凹
凸構造の隣接する凹部の最下点間の平均距離が100n
m以上、より好ましくは200nm以上であるような凹
凸構造とすることもできる。次に金属からなる光反射層
21を形成する。この金属材料としては、光反射特性に
優れるAl、Agなどを用いるのが望ましい。製膜方法
としては、蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーテ
ィング法などの公知の技術を使用できる。このとき膜厚
は、0.01〜1μm程度とする。なお、光反射層21
と基板20との接着強度が弱い場合は、Tiなどの酸化
しやすい金属薄膜を厚さ1〜10nm程度で光反射層2
1と基板20との間に挿入させるとよい。なお、基板2
0がステンレス材などの光反射性を有する金属などから
成っている場合はこの基板20自体が光反射層の機能を
兼ねることができるので光反射層21を省略することが
できる。次に、透光性薄膜層22として、ガラス層、プ
ラスチック層、あるいは樹脂層などを堆積する。このと
き、これらの材料を適当な条件下で流動性のある状態と
して、これを前記光反射層21上に適量堆積すれば、該
透光性薄膜層22の表面は前記流動性の効果で自然と凹
凸形状が低減された実質的に平坦な面を得ることができ
る。なお、この流動化による平坦化処理は前記材料を堆
積した後に行ってもよい。さらに、必要な場合は平坦化
加工を追加してもよい。なお、透光性薄膜層22と光反
射層21との接着強度が弱い場合は、Tiなどの酸化し
やすい金属薄膜を厚さ1〜10nm程度で透光性薄膜層
22と光反射層21との間に挿入させるとよい。以下、
裏透明導電層23、光活性層部を結晶質Siで形成した
半導体接合を有する半導体層24、表透明導電層25、
表集電極26を順次形成していくが、実施内容は実施例
1で述べたものと同一であるため以下は省略する。
で述べたのと同様に、半導体層24が実質的に平坦な面
上に形成できるようになるので、素子の電気特性(リー
ク特性)とのトレードオフを考慮する必要が全くなく、
完全に独立に光学的な最適構造化をはかれる素子構造を
実現することができる。また、この実施例2での素子構
造では、実施例1でいう透光性基板が透光性薄膜層とな
っているので、透光性材料中での光走行距離を短くする
ことができ、この透光性材料中でも生じているわずかな
光吸収ロスを減らすことができる。さらに、基板として
金属材料を用いれば光反射層の形成を省略することもで
き低コスト化をはかれる。
係る発明によれば、薄膜結晶質Si太陽電池において、
リーク電流を増大させることのない両面凹凸光閉じ込め
構造を実現できるので、従来よりも高効率な薄膜結晶質
Si太陽電池を製造することが可能となる。
よれば、透光性薄膜層を用いているので、この材料中で
の光吸収ロスを減らすことができ、また、基板として金
属材料を用いれば光反射層の形成を省略することもでき
るのでさらなる低コスト化をはかれる。
質Si太陽電池の一実施形態を示す断面図である。
質Si太陽電池の一実施形態を示す断面図である。
陽電池の一例を示す断面図である。
陽電池の他の例を示す断面図である。
陽電池のその他の例を示す断面図である。
有する課題を解決するためになされた先行技術の一例を
示す断面図である。
有する課題を解決するためになされた先行技術の他の例
を示す断面図である。
層、14;光活性層部を結晶質Siで形成した半導体接
合を有する半導体層、15;表透明導電層、16;表集
電極
Claims (4)
- 【請求項1】 透光性基板の一主面側に、裏電極となる
裏透明導電層、光活性層部を結晶質Siで形成した半導
体接合を有する半導体層、表電極となる表透明導電層お
よび表集電極を順次積層した薄膜結晶質Si太陽電池に
おいて、前記透光性基板の他の主面側が3角錐以上の多
数の多角錐からなる凹凸構造を有し、この凹凸構造の隣
接する多角錐の頂点間の平均距離が100nm以上であ
り、さらにこの凹凸構造上に金属からなる光反射層を形
成したことを特徴とする薄膜結晶質Si太陽電池。 - 【請求項2】 前記凹凸構造の凹部が曲面からなってい
て、この凹凸構造の隣接する凹部の最下点間の平均距離
を100nm以上としたことを特徴とする請求項1に記
載の薄膜結晶質Si太陽電池。 - 【請求項3】 基板の一主面側に、裏電極となる裏透明
導電層、光活性層部を結晶質Siで形成した半導体接合
を有する半導体層、表電極となる表透明導電層および表
集電極を順次積層した薄膜結晶質Si太陽電池におい
て、前記基板の一主面側が3角錐以上の多数の多角錐か
らなる凹凸構造、または凹部が曲面からなる凹凸構造を
有し、この凹凸構造の隣接する多角錐の頂点間の平均距
離、または凹凸構造の隣接する凹部の最下点間の平均距
離が100nm以上であり、さらにこの凹凸構造上と前
記裏透明導電層との間に、表面が実質的に平坦な透光性
薄膜層を形成したことを特徴とする薄膜結晶質Si太陽
電池。 - 【請求項4】 前記基板が透光性基板であり、この透光
性基板と前記透光性薄膜層との間に、金属からなる光反
射層を設けたことを特徴とする請求項3に記載の薄膜結
晶質Si太陽電池。
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