JP2004103692A

JP2004103692A - 太陽電池

Info

Publication number: JP2004103692A
Application number: JP2002261098A
Authority: JP
Inventors: Kenji Araki; 荒木　建次; Hisafumi Uozumi; 魚住　久文; Masashi Yamaguchi; 山口　真史
Original assignee: Daido Steel Co Ltd; Toyota Gauken
Current assignee: Daido Steel Co Ltd; Toyota Gauken
Priority date: 2002-09-06
Filing date: 2002-09-06
Publication date: 2004-04-02

Abstract

【課題】高効率のシリコン太陽電池を提供する。
【解決手段】ｐｎ接合層１８の裏面に反射層１６が備えられることによって反射防止膜３０との間で光閉込め構造が形成されているため、その光は反射層１６によって受光面３２側に向かって反射され、その反射防止膜３０との間に閉込められる。そのため、それらの間で繰り返し反射されるうち、ｐｎ接合層１８の接合界面で吸収され且つ電気エネルギに変換される確率が高められることから、ｐｎ接合層１８に吸収されず透過する光の長波長成分が発電に寄与することとなるので、短絡電流が増加して上記のような高い特性が得られる。
【選択図】　　　　　　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンのｐｎ接合層を有する太陽電池の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ｎ型シリコンおよびｐ型シリコンのｐｎ接合層を有するシリコン太陽電池が知られている。例えば、下記の非特許文献１に記載されている単結晶シリコン太陽電池等がそれである。シリコン太陽電池は、原料となるシリコンが地球上に豊富に存在し、シリコン半導体の基本的な製造技術が熟成しており、シリコンが低比重であるため軽量であり、発電特性の安定性に優れる等の特徴を有するため、種々の太陽電池の中でも最も広く用いられている。
【０００３】
【非特許文献１】
浜川圭弘・桑野幸徳共編「太陽エネルギー工学」初版第７刷、培風館、２０００年１２月５日、ｐ．６３−９５
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のシリコン太陽電池のエネルギ変換効率は、量産品では１７．５（％）程度、実験室レベルでも２２．７（％）程度に過ぎず低効率である。そのため、太陽電池を用いた発電設備を設けるに際して大量の太陽電池が必要となることから、設置費用が高額になると共に、太陽光発電の急速な普及に伴ってシリコンの逼迫が問題となっている。例えば、家庭用に必要な３〜４（ｋＷ）の電力を得るためには、住宅の屋根全面に太陽電池を敷き詰めなければならないのである。
【０００５】
本発明は、以上の事情を背景として為されたものであって、その目的は、高効率のシリコン太陽電池を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
斯かる目的を達成するため、本発明の要旨とするところは、シリコンのｐｎ接合層を有する太陽電池であって、前記ｐｎ接合層の受光面とは反対側の裏面側に入射光をその受光面に向かって反射して光を閉じ込めるための多層膜反射層を備えたことにある。
【０００７】
【発明の効果】
このようにすれば、シリコン太陽電池には、受光面と多層膜反射層との間に光閉込め構造が形成されるので、受光面から入射した光のうち、ｐｎ接合層で吸収されることなくその裏面まで到達した光は、多層膜反射層で受光面に向かって反射されることにより、それら多層膜反射層と受光面との間に閉じ込められる。そのため、それらの間で繰り返し反射させられる間にｐｎ接合界面で吸収される確率が高められることから、エネルギ変換効率が高められる。また、上記多層膜反射層を導入することにより、前記裏面側に備えられる裏面電極との間にバンド障壁が形成される。この障壁により少数キャリアが閉じ込められることから、太陽電池の裏面における再結合速度が抑制されるので発電電力が増大する利点もある。更に、この多層膜反射層によって、裏面電極とｐｎ接合層との間の熱膨張率差による歪みが緩和される利点もある。
【０００８】
しかも、光閉込め構造が形成されることによって、ｐｎ接合層の厚さ寸法に拘わらず光が透過し難く内部で吸収され易いので、これを薄くすることができるためシリコンの消費量を抑制し得る利点もある。因みに、光閉込め構造を備えていない従来のシリコン太陽電池は、厚さ寸法が０．３（ｍｍ）程度の厚いシリコン基板を用いていたため、太陽電池の製造に必要なエネルギを回収するために必要な年月（Ｅｎｅｒｇｙ　Ｐａｙｂａｃｋ　Ｔｉｍｅ）も約２年程度の長期間を必要とする問題もあった。なお、金属で反射層を構成すると、その上に成膜されるシリコンと金属との合金化が生じるので十分な反射効率を得ることができないが、多層膜反射層であればそのような不都合は生じないので、高い光閉込め効果を得ることができる。
【０００９】
なお、上記多層膜反射層は、例えば、格子定数の相互に異なる２種類の薄膜を、閉込めようとする波長λの１／４の厚さ寸法で交互に所定の複数対重ねたブラッグ反射層である。ブラッグ反射層は薄膜対の数を適宜定めることによって略全反射を得ることができるので、高い光閉込め効果が得られる。しかも、ブラッグ反射層を設けるとバンドギャップ障壁が形成されるので、少数キャリアが閉込められて再結合が一層減る利点もある。なお、上記波長λは、シリコンのｐｎ接合層において発電に寄与する３５０〜１２００（ｎｍ）程度の波長範囲の光のうち、ｐｎ接合層内で吸収される短波長域よりも十分に長波長側の値に定められるものであり、例えば９００（ｎｍ）程度の値が選択される。
【００１０】
【発明の他の態様】
ここで、好適には、前記多層膜反射層は、基板上にそれらの間の格子不整合を緩和するためのバッファ層を介して積層形成されたものである。このようにすれば、基板材料と多層膜反射層の構成材料との格子不整合に起因する歪みが吸収されて反射層の転位が抑制されるので、その多層膜反射層上に形成されるｐｎ接合層の転位が生じ難くなる。また、格子不整合や熱膨張係数等の相違に起因してバッファ層が歪みを有するので、不純物を吸収し易くなるゲッタリング効果が得られることから、その上に成膜される半導体中の不純物をバッファ層内に固定してｐｎ接合層等の純度延いては膜品質を高めることができる。
【００１１】
また、好適には、前記ｐｎ接合層の前記受光面側の表面にシリコンよりもバンドギャップ・エネルギの大きい窓層を備えたものである。このようにすれば、表面の少数キャリア密度が小さくされるので、再結合が生じ難くなって太陽電池のエネルギ変換効率が一層高められる。
【００１２】
また、好適には、前記基板はシリコンから成るものである。このようにすれば、シリコンは他の半導体に比較して特性が安定しており且つ安価に入手できることから、高特性の太陽電池を低コストで製造し得る利点がある。また、シリコンは他の半導体基板に比較して硬く且つ割れにくいため、薄く加工し易い利点もある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施例であるシリコン太陽電池１０の断面構造を説明する模式図である。図において、シリコン太陽電池１０は、例えば単結晶シリコン（Ｓｉ）から成る厚さ寸法が１００（μｍ）程度の基板１２上に、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長：Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等のエピタキシャル成長技術を用いて順次に結晶成長させられたバッファ層１４，反射層１６，およびｐｎ接合層１８を備えている。すなわち、本実施例においては、光起電力を発生させるｐｎ接合層１８の裏面に反射層１６が備えられている。
【００１５】
上記バッファ層１４は、例えばＧａＡｓ単結晶の成膜とアニールとを繰り返すことによって薄いＧａＡｓ膜が積層されたものであって、全体として数百（ｎｍ）、例えば３００（ｎｍ）程度の厚さ寸法を備えている。また、上記反射層１６は、図２に示すように、例えばｎ−ＧａＡｓ単結晶から成る厚さ寸法が６０（ｎｍ）程度の第１反射層２０およびｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ単結晶（ｘは混晶比；０＜Ｘ＜１）から成る厚さ寸法が７１（ｎｍ）程度の第２反射層２２を、前者が基板１２側となるように交互に例えば２０対積層されることによりブラッグ反射機能が備えられた半導体多層膜反射層（ＢＲ層）である。上記混晶比ｘは例えば０．８であって、中心反射波長は８８０（ｎｍ）程度である。
【００１６】
なお、上記のようなＧａＡｓ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ多層膜反射層１６では、その混晶比ｘに関連して、多層膜の組数と反射率との間に図３に示されるような関係のあることが知られている。図において、反射率は全反射を１．０としたときの相対値である。図に混晶比ｘ＝０．２，０．４，０．６，０．８，１．０の各々について、反射層２０，２２の組数と反射層１６の反射率との関係が示されており、混晶比ｘ＝０．８に対して反射率が約１．０に到達するのは組数が２０組以上の場合である。そのため、反射層２０，２２の組数が２０組に設定されているのである。
【００１７】
前記のバッファ層１４は、このような多層膜で構成された反射層１６を基板１２上に設けるに際して、基板１２との格子不整合に起因してその反射層１６に歪み延いては転位が生じることを抑制するために設けられている。また、このバッファ層１４には、基板１２との格子不整合や熱膨張係数差に基づいて歪みが生じていることから、成膜中の重金属等の不純物をそこに固定して反射層１６やｐｎ接合層１８の純度を高めるためのゲッタとしても機能するものである。
【００１８】
また、前記のｐｎ接合層１８は、ｐ−Ｓｉ単結晶から成るｐ型層２４と、ｎ−Ｓｉ単結晶から成るｎ型層２６とから構成されている。これらｐ型層２４およびｎ型層２６の厚さ寸法は、例えばそれぞれ２０（μｍ）、０．２（μｍ）程度である。本実施例においては、このｐｎ接合層１８のみが光起電力を発生させる半導体太陽電池を構成しており、基板１２は単なる支持体として用いられている。
【００１９】
また、上記ｐｎ接合層１８上には、例えば窒化珪素（ｎ−Ｓｉ_３Ｎ_４）から成る厚さ寸法が７０（ｎｍ）程度の窓層２８、および酸化チタン（ＴｉＯ_２）から成る厚さ寸法が７０（ｎｍ）程度の反射防止膜３０が、それぞれ例えばＣＶＤや蒸着等により設けられている。窒化珪素のバンドギャップ・エネルギは例えば３（ｅＶ）程度であって、１．１（ｅＶ）程度であるシリコンに比較して極めて高いので、上記窓層２８は、ｐｎ接合層１８表面の少数キャリア密度を低下させて再結合を抑制する機能を有する。また、上記の反射防止膜３０は、その表面すなわち受光面３２に入射した光が外側に反射されることを抑制すると共に反射層１６で反射された光が受光面３２から射出されることを抑制する機能を有する。本実施例においては、これら反射層１６および反射防止膜３０との間に光閉込め構造が形成されている。なお、窒化珪素から成る窓層２８の厚みを８０（ｎｍ）程度以上とした場合には十分な反射性能が得られるので、酸化チタンから成る反射防止膜３０を省略することもできる。
【００２０】
なお、基板１２の下面およびｐｎ接合層１８の上面には、それぞれ下部電極３４および上部電極３６が固着されている。下部電極３４は、例えばアルミニウム（Ａｌ）から成るものであって下面全体に設けられており、上部電極３６は、例えば金（Ａｕ）から成るものであって上面（受光面３２）の一部に設けられている。なお、前記の窓層２８および反射防止膜３０は、受光面３２のうち上部電極３６が設けられていない残部全体に設けられている。また、前記バッファ層１４乃至反射防止膜３０は、基板１２の裏面に上記の下部電極３４を形成したのちに成膜されている。
【００２１】
以上のように構成された太陽電池１０は、下部電極３４および上部電極３６間にインバータを接続して受光面３２で太陽光を受光させることにより、ｐｎ接合層１８で光起電力を発生させて、そのインバータから電流を取り出して用いられる。下記の表に、太陽電池１０の特性を評価した結果を示す。太陽電池１０は、短絡電流密度、ＦＦ（曲線因子：ｃｕｒｖｅ　ｆｉｌｌ−ｆａｃｔｏｒ）、開放電圧、およびエネルギ変換効率の何れについても、反射層１６を備えていない他は同様に構成された比較例のシリコン太陽電池に比較して高い特性を有していることが判った。
【００２２】

【００２３】すなわち、本実施例においては、前記のようにｐｎ接合層１８がエピタキシャル成長により形成されたｐ型層２４およびｎ型層２６で構成されていることから、その厚さ寸法すなわち入射光の吸収パスが極めて短いため、シリコン太陽電池において発電に寄与する３５０〜１２００（ｎｍ）程度の波長の光のうち、例えば８５０（ｎｍ）程度以上の長波長側の光の多くが吸収されることなくｐｎ接合層１８の裏面側まで透過する。このとき、本実施例においては、そのｐｎ接合層１８の裏面に反射層１６が備えられることによって反射防止膜３０との間で光閉込め構造が形成されているため、その光は反射層１６によって受光面３２側に向かって反射され、その反射防止膜３０との間に閉込められる。そのため、それらの間で繰り返し反射されるうち、ｐｎ接合層１８の接合界面で吸収され且つ電気エネルギに変換される確率が高められることから、ｐｎ接合層１８が薄い膜厚で備えられているにも拘わらず、上記のようにそのｐｎ接合層１８に吸収されず透過する光の長波長成分が発電に寄与することとなるので、短絡電流が増加して上記のような高い特性が得られるのである。
【００２４】
因みに、図４は、反射層１６の反射率の波長依存特性を示したものである。図において実線が理論値を、黒点が実測値をそれぞれ表している。図に示されるように、本実施例の反射層１６は、８８０（ｎｍ）程度を中心波長とする波長特性を有している。すなわち、第１反射層２０および第２反射層２２は、その組成の相違に起因して屈折率が相互に異なるものであるが、前述した各々の厚さ寸法は、反射の中心波長をλ＝８８０（ｎｍ）としたとき、何れもその屈折率を考慮したλ／４の厚さ寸法となるように定められているのである。このような厚さ寸法を備えた反射層１６が備えられているので、本実施例によれば、上述したようにシリコンの吸収波長の長波長側において好適に光閉込め構造が形成される。なお、短波長域はｐｎ接合層１８が薄くとも殆ど吸収されることから、長波長域だけを反射して閉込めれば足りる。また、上記の図４において、理論値と実測値との相違は、層間の拡散や層表面の凹凸等に起因するものである。
【００２５】
しかも、本実施例においては、多層膜反射層１６内のバンドギャップ障壁で少数キャリアがその反射層１６の下側に閉じ込められると共に、窓層２８のバンドギャップ障壁によっても少数キャリアがｐｎ接合層１８よりも表面側に閉込められて表面における少数キャリア密度が低下させられるので、ｐｎ接合層１８内における再結合が好適に抑制される。そのため、短絡電流や少数キャリア密度に関連するＦＦや開放電圧も向上させられ、延いてはエネルギ変換効率が向上させられるのである。なお、上記多層膜反射層１６は、下部電極３４とｐｎ接合層１８との熱膨張率の差を緩和する作用もある。
【００２６】
また、本実施例においては、上記の反射層１６がバッファ層１４を介して基板１２上に成長させられているが、そのバッファ層１４は３００（ｎｍ）程度と十分に厚くされているので、Ｓｉから成る基板１２の上に成長させられることによりＧａＡｓ膜内に生ずる格子不整合に起因する歪みは、そのバッファ層１４で吸収される。そのため、Ｓｉ基板１２とＳｉ単結晶のｐｎ接合から成るｐｎ接合層１８との間に設けられている半導体多層膜反射層１６内には殆ど歪みが存在しないので、上記のような良好な反射特性が得られることとなる。
【００２７】
以上、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、本発明は他の態様で実施することもできる。
【００２８】
例えば、前記実施例ではシリコン基板１２上に反射層１６を介して単結晶シリコンのｐｎ接合層１８を設けた太陽電池１０に本発明が適用された場合について説明したが、ｐｎ接合層１８の構成材料は、単結晶シリコンに限られず、多結晶シリコンや微結晶シリコンであっても良い。また、基板１２の構成材料もシリコンに限られず、例えば、ＧａＡｓ基板やＧｅ基板等を用いても本発明の効果を享受し得る。
【００２９】
また、実施例においては、バッファ層１４を介して反射層１６を設けていたが、基板１２との格子定数差が小さい等の理由で歪みが生じ難い場合には、反射層１６を基板１２上に直に設けても差し支えない。
【００３０】
また、実施例においては、反射層１６がＧａＡｓから成る第１反射層２０とＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓから成る第２反射層２２とを積層した半導体多層膜反射層で構成されていたが、多層膜反射層は、屈折率が相互に異なる薄膜を交互に積層したものであれば良いので、上記組合せにおける混晶比ｘは適宜変更することができ、他の半導体から成る多層膜反射層や、ＴｉＯ_２およびＳｉＯ_２を交互に積層した誘電体多層膜反射層等をこれに代えて用いることもできる。誘電体多層膜反射層を用いる場合には、例えばこれに電流経路となる穴を例えばレーザ加工などにより開け、その穴に蒸着等により金属を堆積し、裏面電極３４とコンタクトさせる構造を採ればよい。
【００３１】
また、実施例においては、基板１２上に一つの半導体太陽電池（ｐｎ接合層１８）のみが備えられた太陽電池１０に本発明が適用された場合について説明したが、反射層１６およびシリコンのｐｎ接合層１８の上に、シリコンとはバンドギャップ・エネルギが異なる他の半導体太陽電池が１つ以上積層されたタンデム型太陽電池にも、本発明を適用することもできる。
【００３２】
また、前記実施例ではＭＯＣＶＤ装置を用いてバッファ層１４乃至ｐｎ接合層１８等を形成する場合について説明したが、分子線エピタキシー法など他のエピタキシャル成長法も採用できる。
【００３３】
また、実施例では受光面３２側にｎ型層２６が位置させられていたが、反対にｐ型層２４を位置させることもできる。
【００３４】
また、実施例においては、窓層２８が受光面３２に備えられていたが、これは必ずしも設けられなくとも良い。また、反射防止膜３０についても、反射層１６との間の光閉込め構造が実現されるのであれば、窓層２８にその役割を担わせても良く、或いは、ｐｎ接合層１８の表面と反射層１６との間で光が閉込められるように構成してもよい。
【００３５】
また、実施例においては、窓層２８が窒化珪素で構成されていたが、ＳｉＯ_２、ＳｉＯ、ＴｉＯ_２等で構成することもできる。
【００３６】
その他、一々例示はしないが、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のシリコン太陽電池の断面構造を模式的に示す図である。
【図２】図１のシリコン太陽電池に備えられた反射層の構成を説明する図である。
【図３】図２に示す反射層の組数と反射率との関係を説明する図である。
【図４】図２に示す反射層の波長依存特性を理論値および実測値について示す図である。
【符号の説明】
１０：シリコン太陽電池
１２：基板
１４：バッファ層
１６：反射層（多層膜反射層）
１８：ｐｎ接合層
３０：反射防止膜
３２：受光面

Claims

シリコンのｐｎ接合層を有する太陽電池であって、
前記ｐｎ接合層の受光面とは反対側の裏面側に入射光をその受光面に向かって反射して光を閉じ込めるための多層膜反射層を備えたことを特徴とする太陽電池。
前記多層膜反射層は、基板上にそれらの間の格子不整合を緩和するためのバッファ層を介して積層形成されたものである請求項１の太陽電池。
前記ｐｎ接合層の前記受光面側の表面にシリコンよりもバンドギャップ・エネルギの大きい窓層を備えたものである請求項１または請求項２の太陽電池。