JP2008053273A

JP2008053273A - 太陽電池およびその製造方法

Info

Publication number: JP2008053273A
Application number: JP2006225196A
Authority: JP
Inventors: Jo Shibata; 城柴田; Hideki Kodaira; 秀樹小平
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2006-08-22
Filing date: 2006-08-22
Publication date: 2008-03-06

Abstract

【課題】樹脂フィルム（太陽電池の被覆材）表面での光線の反射を抑制した太陽電池を提供すること。
【解決手段】基板１上に凹凸層２を有し、前記凹凸層２上に、第１電極３、光電変換層４および第２電極５がこの順で形成された太陽電池であって、前記凹凸層２の凹部断面深さが０．０６〜４．９μｍであり、凸部断面巾／凹部断面深さが０．４〜５．９であり、凹部断面巾／凹部断面深さが０．４〜９．９であり、前記基板１の厚さ方向から入射された波長４００ｎｍの光線の、前記凹凸層２における拡散反射率が５９％以下であり、かつ、前記基板１の厚さ方向から入射された波長６００ｎｍの光線の、前記凹凸層２における拡散反射率が７６％以上であることを特徴とする太陽電池およびその製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、光−電気変換効率に優れた太陽電池およびその製造方法に関する。

近年、太陽電池は排気ガス、放射線等の公害を発生しないクリーンなエネルギ−源として注目されている。

太陽電池としては、エネルギー変換率が高く、発電特性が安定しているシリコン太陽電池が一般的に使用されている。

太陽電池は、屋根等の屋外に設置されるため、雨水や塵埃に暴露される。
雨水や塵埃から太陽電池セルを保護するために、最表面に樹脂フィルムを有する被覆材を設けた太陽電池が広く用いられている（特許文献１参照）。
特開２０００−３２３７３４号公報

しかし、樹脂フィルムの表面は平滑であるため、樹脂フィルム表面に平行に近い角度で入射する光は臨界角を越えると全反射され、太陽電池の光電変換層に光が入光できず、発電効率が低くなるという問題が生じている。

本発明の課題は、前記のような被覆材を設けた場合であっても、優れた光−電気変換効率を有する太陽電池を、安価に提供することである。

請求項１に記載の発明は、基板上に凹凸構造を有し、前記凹凸構造上に、第１電極、光電変換層および第２電極がこの順で形成された太陽電池であって、
前記凹凸構造の凹部断面深さが０．０６〜４．９μｍであり、凸部断面巾／凹部断面深さが０．４〜５．９であり、凹部断面巾／凹部断面深さが０．４〜９．９であり、前記基板の厚さ方向から入射された波長４００ｎｍの光線の、前記凹凸構造における拡散反射率が５９％以下であり、かつ、前記基板の厚さ方向から入射された波長６００ｎｍの光線の、前記凹凸構造における拡散反射率が７６％以上であることを特徴とする太陽電池である。
請求項２に記載の発明は、前記基板上に設けられた凹凸構造が、前記基板上に凹凸層を設けることにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池である。
請求項３に記載の発明は、前記凹凸層が、耐熱性、耐候性、および、紫外線硬化性を有する樹脂からなることを特徴とする請求項２に記載の太陽電池である。
請求項４に記載の発明は、前記基板が、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリアミド、ポリイミドアミドおよびポリアリレートから選ばれたフィルム、または、前記フィルムの二種以上を積層した複合フィルムからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の太陽電池である。
請求項５に記載の発明は、前記第１電極が、ＺｎＯからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の太陽電池である。
請求項６に記載の発明は、前記第２電極が、ＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）（酸化インジウムスズ）からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の太陽電池である。
請求項７に記載の発明は、前記光電変換層が、ｐｎ接合またはｐｉｎ接合を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の太陽電池である。
請求項８に記載の発明は、前記第２電極上に、樹脂フィルムを含む被覆材をさらに設けたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の太陽電池である。
請求項９に記載の発明は、請求項１〜８のいずれかに記載の太陽電池を製造する方法であって、
前記凹凸構造の母型パターンを有するモールドを樹脂に押し当てて、前記凹凸構造を形成する工程を有することを特徴とする太陽電池の製造方法である。
請求項１０に記載の発明は、前記母型パターンが、露光源として紫外線を用いるフォトリソグラフィーを利用して形成されることを特徴とする請求項９に記載の太陽電池の製造方法である。

請求項１に記載の発明によれば、凹凸構造の凹部断面深さが０．０６〜４．９μｍであり、凸部断面巾／凹部断面深さが０．４〜５．９であり、凹部断面巾／凹部断面深さが０．４〜９．９であり、前記基板の厚さ方向から入射された波長４００ｎｍの光線の、前記凹凸構造における拡散反射率が５９％以下であり、かつ、前記基板の厚さ方向から入射された波長６００ｎｍの光線の、前記凹凸構造における拡散反射率が７６％以上であるので、光−電気変換効率の優れた太陽電池を得ることができる。

請求項２に記載の発明によれば、基板上に設けられた凹凸構造が、基板上に凹凸層を設けることにより形成されているので、光−電気変換効率の優れた太陽電池を得ることができる。

請求項３に記載の発明によれば、凹凸層が、耐熱性、耐候性、および、紫外線硬化性を有する樹脂からなるので、太陽電池の運転環境に耐えうる凹凸構造を、容易に形成することができる。

請求項４に記載の発明によれば、基板が、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリアミド、ポリイミドアミドおよびポリアリレートから選ばれたフィルム、または、前記フィルムの二種以上を積層した複合フィルムからなるので、第１電極形成（プラズマＣＶＤ加工）における温度負荷（約２５０℃）による劣化を防止することができる。

請求項５に記載の発明によれば、第１電極を、ＺｎＯとすることにより、光の透過性を維持できるとともに、導電性の優れた電極を得ることができる。

請求項６に記載の発明によれば、第２電極を、ＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）（酸化インジウムスズ）とすることにより、シリコン半導体膜へ拡散しない、導電性の優れた電極を得ることができる。

請求項７に記載の発明によれば、光電変換層を、ｐｎ接合またはｐｉｎ接合を有する構造とすることにより、光電変換が可能となる。

請求項８に記載の発明によれば、被覆材表面に平行に近い角度で光が入射した場合でも、光−電気変換効率の優れた太陽電池を得ることができる。

請求項９に記載の発明によれば、凹凸構造の母型パターンを有するモールドを樹脂に押し当てて、前記凹凸構造を形成することにより、面内の分布が一様な凹凸構造を形成することができる。

請求項１０に記載の発明によれば、前記母型パターンが、露光源として紫外線を用いるフォトリソグラフィーを利用して形成されるので、ミクロンオーダーの微小パターンを高精度に形成できる。

したがって本発明の太陽電池およびその製造方法によれば、光−電気変換効率の良い太陽電池を安価に提供することができる。

以下、本発明をさらに詳しく説明する。
本発明の太陽電池の作製方法を、図１を基に説明する。

まず、基板1を準備し（図１（ａ））、基板１上に凹凸層２を形成する（図１（ｂ））。

基板１の材料としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリアミド、ポリイミドアミド、ポリアリレートの中から選ばれたフィルム、または、前記フィルムの二種以上を積層した複合フィルムを用いることができる。

凹凸層２の材料としては、耐熱性、耐候性、および、紫外線硬化性を有する樹脂、例えば、紫外線硬化性アクリル樹脂などを用いることができる。

凹凸層２の形成方法としては、基板１上に、耐熱性、耐候性、および、紫外線硬化性を有する樹脂をスピンコートし、その後、母型パターンを有するモールドを耐熱性、耐候性、および、紫外線硬化性を有する樹脂に押し当て、その後、基板１を通して紫外線を照射し、その後、モールドを外す方法を用いることができる。このとき、母型パターンが、露光源として紫外線を用いるフォトリソグラフィーを利用して形成したものであると、ミクロンオーダーの微小パターンを高精度に形成でき、好ましい。

凹凸構造の形状は、とくに制限されないが、例えば図１に示したように、断面が三角形状であり、対向する斜面同士のなす角度（頂角）が９０°のものが好ましい。

次に、凹凸層２上に第１電極３を形成する（図１（ｃ））。

第１電極３の材料としては、ＺｎＯを用いることができる。

第１電極３の形成方法としては、プラズマＣＶＤ法や、ＤＣスパッタ法を用いることができる。

次に、第１電極３上に、光電変換層４を形成する（図１（ｄ））。

光電変換層４としては、ｎ層、ｉ層、および、ｐ層からなる多結晶Ｓｉを用いることができる。

光電変換層４の形成方法としては、プラズマＣＶＤ法を用いることができる。

次に、光電変換層４上に、第２電極５を形成することにより、太陽電池を得る（図１（ｅ））。

第２電極５の材料としては、ＩＴＯを用いることができる。

第２電極５の形成方法としては、ＤＣスパッタ法を用いることができる。

なお、必要に応じて、前記第２電極上に、樹脂フィルムを含む被覆材をさらに設けることもできる。
樹脂フィルムとしては、強度、耐熱性、透明性（可視光域の光の透過性）と共に、耐候性にも優れる物が好ましく、例えば、ポリビニルフルオライド（以下、ＰＶＦ）フィルム、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合樹脂（以下、ＥＴＦＥ樹脂）フィルムなどのフッ素樹脂フィルム、ポリカーボネートフィルム、ポリエーテルスルホンフィルム、ポリサルホンフィルム、ポリアクリロニトリルフィルム、アクリル樹脂フィルム、セルロースアセテートフィルム、ガラス繊維強化ポリエステルフィルム、ガラス繊維強化アクリル樹脂フィルム、ガラス繊維強化ポリカーボネートフィルム、その他、耐候性ポリエチレンテレフタレートフィルム、耐候性ポリプロピレンフィルムなどを使用することができる。これらは単独のフィルムを使用してもよいが、二種以上を積層した複合フィルムを使用することもできる。
なお、基材フィルムを太陽電池に積層するために、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−アクリル酸エステル共重合体、エチレン−αオレフィン共重合体などのエチレン共重合体、直鎖状低密度ポリエチレン（Ｌ・ＬＤＰＥ）、アイオノマー、ポリビニルブチラール、シリコーン系樹脂などの接着剤を用いてもよい。
また、樹脂フィルム上に、前記の特許文献１に記載されたような光線封じ込め層を設け、これが第２電極と接触するように被覆材を構成してもよい。

本発明では、凹凸構造の凹部断面深さが０．０６〜４．９μｍであり、凸部断面巾／凹部断面深さが０．４〜５．９であり、凹部断面巾／凹部断面深さが０．４〜９．９であり、前記基板の厚さ方向から入射された波長４００ｎｍの光線の、前記凹凸構造における拡散反射率が５９％以下であり、かつ、前記基板の厚さ方向から入射された波長６００ｎｍの光線の、前記凹凸構造における拡散反射率が７６％以上であることが必要である。これら条件のいずれか１つでも範囲外であると、本発明で所望される光−電気変換効率を得ることはできない。
さらに好ましい形態は、凹凸構造の凹部断面深さが１．０〜３．０μｍであり、凸部断面巾／凹部断面深さが３．０〜５．０であり、凹部断面巾／凹部断面深さが４．０〜５．０であり、前記基板の厚さ方向から入射された波長４００ｎｍの光線の、前記凹凸構造における拡散反射率が３０％以下であり、かつ、前記基板の厚さ方向から入射された波長６００ｎｍの光線の、前記凹凸構造における拡散反射率が８５％以上である。

また、前記凹凸構造の凹部断面深さは、凹凸構造が図１に示したような断面が三角形状である場合は、三角形の頂点から底辺までの高さであり、凸部断面巾は、三角形の底辺の長さを意味し、凹部断面巾は、隣接する三角形の頂点間距離を意味する。

以下、実施例および比較例により本発明をさらに説明するが、本発明は下記例に制限されるものではない。
実施例１
まず、厚さ１２μｍのポリエチレンテレフタレート（以下ＰＥＴと記述する）フィルムを８０ｒｐｍで回転させながら、その上に、紫外線硬化性樹脂（東亜合成社製（登録商標）アロニックスＵＶ−８０６０、粘度１００ｍＰａｓ、ガラス転移点２６０℃）を塗布し、その上に、母型パターンを有するモールドを押し当てた後、４０００ｒｐｍで１０秒間回転し、その後、出力３ｋＷの高圧水銀灯を用いて、ＰＥＴフィルム上１０ｃｍの距離から、１０００ｍＪ／ｃｍ^２の紫外線照射を１０秒間行ない、その後、モールドを外した。

得られた凹凸構造は、図１に示した構造であり、断面が三角形状であり、対向する斜面同士のなす角度（頂角）が９０°のものであった。
この時、凹部断面深さは０．３μｍ、凸部断面巾／凹部断面深さは２．９、凹部断面巾／凹部断面深さは７．２であった。

次に、測定光をＰＥＴフィルム表面に対して垂直に入射させ、正反射の反射光から５°以内の角度にある反射光を正反射光として扱い、拡散反射率を算出した。

波長３００〜５８０ｎｍの範囲で波長が長くなるにしたがって拡散反射率が増大しており、波長４００ｎｍでの拡散反射率は５８．５％であり、波長６００ｎｍ以上での拡散反射率は７６．０％以上の高い拡散反射率が得られた。

次に、スパッタガスとしてＡｒを用い、２５℃下において、圧力６５Ｐａ、投入電力：０．６Ｗ／ｃｍ^２の条件にて、ＺｎＯをスパッタした。

次に、原料ガスとして、ＰＨ_３とＨ_２およびＳｉＨ_４を用い、ＰＨ_３の流量を０．０５ｓｃｃｍ、Ｈ_２の流量を９００ｓｃｃｍ、ＳｉＨ_４の流量を６ｓｃｃｍ、温度２２５℃下において、圧力１３３Ｐａ、投入電力：５５ｍＷ／ｃｍ^２の条件にてプラズマＣＶＤを行うことにより、厚さ４０ｎｍのｎ層を形成した。

次に、原料ガスとして、Ｈ_２およびＳｉＨ_４を用い、Ｈ_２の流量を９００ｓｃｃｍ、ＳｉＨ_４の流量を２５ｓｃｃｍ、温度２２５℃下において、圧力２６Ｐａ、投入電力：７００ｍＷ／ｃｍ^２の条件にてプラズマＣＶＤを行うことにより、厚さ１２００ｎｍのｉ層を形成した。

次に、原料ガスとして、Ｂ_２Ｈ_６とＨ_２およびＳｉＨ_４を用い、Ｂ_２Ｈ_６の流量を０．０３ｓｃｃｍ、Ｈ_２の流量を１０００ｓｃｃｍ、ＳｉＨ_４の流量を５ｓｃｃｍ、温度１２５℃下において、圧力６６Ｐａ、投入電力：２００ｍＷ／ｃｍ^２の条件にてプラズマＣＶＤを行うことにより、厚さ１０ｎｍのｐ層を形成した。

最後に、スパッタガスとしてＡｒおよびＯ_２を用い、２５℃下において、Ａｒ圧力０．５ＰａおよびＯ_２圧力０．１Ｐａ、投入電力：０．４Ｗ／ｃｍ^２の条件にて、ＩＴＯをスパッタすることにより、太陽電池を得た。

次に、ソーラーシュミレーターを用い、太陽電池に光を照射することにより、電池特性を評価した。

開放電圧は０．５Ｖ、短絡電流は２４ｍＡ／ｃｍ^２、形状因子は０．７５、変換効率は９．０％であった。

実施例２
実施例１で得られた太陽電池におけるＩＴＯ上に、厚さ７５μｍのＥＴＦＥ樹脂フィルムを積層した。該樹脂フィルム表面に平行に近い角度で光を入射したところ、開放電圧は０．５Ｖ、短絡電流は２２ｍＡ／ｃｍ^２、形状因子は０．７５、変換効率は８．８％であった。

比較例１
凹凸層を設けなかった以外は、実施例１と同様に太陽電池を作製し、実施例１と同様に電池特性を測定した。

開放電圧は０．５Ｖ、短絡電流は１８ｍＡ／ｃｍ^２、形状因子は０．７５、変換効率は７．２％であった。

比較例２
凹部断面深さを０．３μｍ、凸部断面巾／凹部断面深さを０．３、凹部断面巾／凹部断面深さを０．３にしたこと以外は、実施例１と同様に太陽電池を作製し、実施例１と同様に電池特性を測定した。

開放電圧は０．５Ｖ、短絡電流は１９ｍＡ／ｃｍ^２、形状因子は０．７５、変換効率は６．６％であった。

比較例３
凹部断面深さを０．３μｍ、凸部断面巾／凹部断面深さを６．０、凹部断面巾／凹部断面深さを１０．０にしたこと以外は、実施例１と同様に太陽電池を作製し、実施例１と同様に電池特性を測定した。

比較例４
凹凸層を設けなかった以外は、実施例２と同様に太陽電池を作製し、実施例２と同様に電池特性を測定した。

開放電圧は０．５Ｖ、短絡電流は１０ｍＡ／ｃｍ^２、形状因子は０．７５、変換効率は５．０％であった。

比較例の太陽電池よりも実施例の太陽電池の方が、光電電流が大きく、変換効率が高い事が確認された。

本発明の、太陽電池およびその製造方法は、電気自動車、携帯電話、自動販売機、宇宙船用電源等に用いる太陽電池に利用できる。

本発明の太陽電池およびその製造方法を説明するための断面図である。

符号の説明

１……基板、２……凹凸層、３……第１電極、４……光電変換層、５……第２電極。

Claims

基板上に凹凸構造を有し、前記凹凸構造上に、第１電極、光電変換層および第２電極がこの順で形成された太陽電池であって、
前記凹凸構造の凹部断面深さが０．０６〜４．９μｍであり、凸部断面巾／凹部断面深さが０．４〜５．９であり、凹部断面巾／凹部断面深さが０．４〜９．９であり、前記基板の厚さ方向から入射された波長４００ｎｍの光線の、前記凹凸構造における拡散反射率が５９％以下であり、かつ、前記基板の厚さ方向から入射された波長６００ｎｍの光線の、前記凹凸構造における拡散反射率が７６％以上であることを特徴とする太陽電池。
前記基板上に設けられた凹凸構造が、前記基板上に凹凸層を設けることにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
前記凹凸層が、耐熱性、耐候性、および、紫外線硬化性を有する樹脂からなることを特徴とする請求項２に記載の太陽電池。
前記基板が、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリアミド、ポリイミドアミドおよびポリアリレートから選ばれたフィルム、または、前記フィルムの二種以上を積層した複合フィルムからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の太陽電池。
前記第１電極が、ＺｎＯからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の太陽電池。
前記第２電極が、ＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）（酸化インジウムスズ）からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の太陽電池。
前記光電変換層が、ｐｎ接合またはｐｉｎ接合を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の太陽電池。
前記第２電極上に、樹脂フィルムを含む被覆材をさらに設けたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の太陽電池。
請求項１〜８のいずれかに記載の太陽電池を製造する方法であって、
前記凹凸構造の母型パターンを有するモールドを樹脂に押し当てて、前記凹凸構造を形成する工程を有することを特徴とする太陽電池の製造方法。
前記母型パターンが、露光源として紫外線を用いるフォトリソグラフィーを利用して形成されることを特徴とする請求項９に記載の太陽電池の製造方法。