JP6226858B2 - 薄膜太陽電池及びその製造方法 - Google Patents
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Description
すなわち、本発明は、透光性基板と、前記透光性基板上に形成された第1透光性導電膜であって、ZnOを主成分として含む第1透光性導電膜と、前記第1透光性導電膜上に形成された第2透光性導電膜であって、開口部及び凹凸構造を有し且つZn1−xMgxO(式中、xは0.05〜0.45である)を主成分として含む第2透光性導電膜と、前記第2透光性導電膜上に形成された光電変換層と、前記光電変換層上に形成された裏面電極とを有し、前記第2透光性導電膜の開口部を介して前記第1透光性導電膜と光電変換層とが接触している薄膜太陽電池であって、前記透光性基板と前記第1透光性導電膜との間に、SnO 2 及びIn 2 O 3 から成る群から選択される1種以上の成分を主成分として含む第3透光性導電膜がさらに形成されていることを特徴とする薄膜太陽電池である。
図1は、本実施の形態に係る薄膜太陽電池の断面図である。図1において、薄膜太陽電池1は、透光性基板2と、透光性基板2上に形成された第1透光性導電膜3と、第1透光性導電膜3上に形成された第2透光性導電膜4と、第2透光性導電膜4上に形成された光電変換層5と、光電変換層5上に形成された裏面電極6とを有する。
第1透光性導電膜3におけるZnOの含有率は、好ましくは80質量%以上、より好ましくは90%質量%以上、さらに好ましくは95質量%以上、最も好ましくは97質量%以上である。
しかしながら、第1透光性導電膜3のキャリア濃度(密度)が高くなると、着色して透明性が低下する。ドーピング不純物の添加による着色は、自由キャリア吸収に起因しており、キャリア濃度が高いほど長波長光領域における光吸収が生じる。そのため、第1透光性導電膜3の透明性の観点からは、第1透光性導電膜3のキャリア濃度が低いことが好ましい。ここで、本明細書において「長波長光領域」とは、650nm以上の波長を有する光の領域を意味する。他方、第1透光性導電膜3のキャリア濃度が高いと、バースタイン−モス効果によって光吸収端のエネルギーが高エネルギー側へシフトし(すなわち、光吸収端が短波長側へシフトし)、光学的バンドギャップが広くなるため、短波長光領域における光線透過率が向上する。そのため、短波長光領域における光電変換層5の分光感度を向上させる観点からは、第1透光性導電膜3のキャリア濃度が高いことが好ましい。ここで、本明細書において「短波長光領域」とは、300nm以上400nm以下の波長を有する光の領域を意味する。
また、光電変換層5が微結晶シリコンから形成される場合は、第1透光性導電膜3のキャリア濃度は、好ましくは5×1020cm−3以下、より好ましくは2×1020cm−3以下である。
他方、第1透光性導電膜3の導電性の観点からは、第1透光性導電膜3のキャリア濃度は、1×1019cm−3以上であることが好ましい。
ここで、本明細書において「ZMO」とは、マグネシウムをドープしたZnO、具体的には、ZnOとMgOとの混合物を意味する。
第2透光性導電膜4におけるZMOの含有率は、好ましくは90質量%以上、より好ましくは95%質量%以上、さらに好ましくは97質量%以上、最も好ましくは99質量%以上である。
そこで、本実施の形態では、第2透光性導電膜4に開口部を設け、第2透光性導電膜4の開口部を介して第1透光性導電膜3と光電変換層5とを接触させることにより、短波長光領域での光吸収を低減しつつ、第1透光性導電膜3及び第2透光性導電膜4からなる透光性導電膜全体の導電性を向上させている。
ドーピング不純物としては、特に限定されず、当該技術分野において公知の元素を用いることができる。ドーピング不純物の例としては、Al、Ga、B、P、Sb、F及びInなどの元素が挙げられる。これらの元素は単独又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
第2透光性導電膜4の形成方法としては、特に限定されず、当該技術分野において公知の方法に準じて行うことができる。具体的には、スパッタリング法、MOCVD法、イオンプレーティング法、ゾルゲル法、PLD法などの各種方法によって第1透光性導電膜3を形成することができる。これらの方法の中でも、スパッタリング法、MOCVD法、イオンプレーティング法は、大面積化が容易であるため好ましい。第2透光性導電膜4を形成するための各方法における条件は、特に限定されず、使用する原料などの種類に応じて適宜設定すればよい。
例えば、同時スパッタリング法では、ドーピング不純物(Alなど)を添加したZnOターゲットとMgOターゲットとを用い、各ターゲットに印加する電力を制御することにより、所望のZnとMgとの割合を有するZMOを含む第2透光性導電膜4を形成することができる。この成膜の際の条件は、一般に、第1透光性導電膜3を形成した透光性基板2の温度が室温(25℃)以上500℃以下、成膜チャンバ内の圧力が0.1Pa以上10Pa以下である。
例えば、スパッタリング法を用いて第2透光性導電膜4を形成する場合、第2透光性導電膜4の表面は略平坦状となるが、エッチングを行うことで凹凸構造の表面が形成され、さらにエッチングを続けることにより、第2透光性導電膜4に開口部が形成され、第1透光性導電膜3の表面の一部が露出する。
また、MOCVD法を用いて第2透光性導電膜4を形成する場合、成膜条件によっては凹凸構造が形成されるが、エッチングを行うことで第2透光性導電膜4に開口部が形成され、第1透光性導電膜3の一部が露出する。
エッチングの条件は、特に限定されず、使用する方法及び第2透光性導電膜4の種類などに応じて適宜設定すればよい。
また、透光性基板2の代わりに金属基板などの遮光性基板を用い、各層の順序を逆にすれば、基板と対向する面側を受光面とする薄膜太陽電池1に応用することも可能である。
図5は、本実施の形態に係る薄膜太陽電池の断面図である。本実施の形態の薄膜太陽電池10は、透光性基板2と第1透光性導電膜3との間に第3透光性導電膜7を更に有する点で実施の形態1に係る薄膜太陽電池1と相違する。なお、第3透光性導電膜7以外の構成については、実施の形態1の薄膜太陽電池1と同じであるため、説明を省略する。
透光性基板2と第1透光性導電膜3との間に形成される第3透光性導電膜7は、透光性基板2から入射した光を第1透光性導電膜3に透過させると共に、集電電極としての役割を兼ねているために透光性基板2の表面に対して水平な方向の導電性を担う。
第3透光性導電膜7のキャリア濃度は、特に限定されず、自由キャリア吸収及び光吸収端シフトを考慮し、光電変換層5の感度波長領域に応じて適宜調整すればよい。
図6は、本実施の形態に係る薄膜太陽電池の断面図である。本実施の形態の薄膜太陽電池20は、第1透光性導電膜3が開口部を有し、第2透光性導電膜4と光電変換層5との間に第4透光性導電膜8を更に有し、且つ第1透光性導電膜3及び第2透光性導電膜4の開口部を介して第4透光性導電膜8と第3透光性導電膜7とが接触している点で実施の形態2に係る薄膜太陽電池10と相違する。なお、上記以外の構成については、実施の形態2の薄膜太陽電池10と同じであるため、説明を省略する。
そこで、本実施の形態の薄膜太陽電池20では、第1透光性導電膜3に開口部が形成された場合に、露出した第3透光性導電膜7上に第4透光性導電膜8を形成することにより、第3透光性導電膜7の水素還元を防止している。特に、本実施の形態では、第1透光性導電膜3に開口部が形成されることを前提としているため、実施の形態2の薄膜太陽電池10における第1透光性導電膜3の膜厚よりも小さくすることが可能である。本実施の形態の薄膜太陽電池20における第1透光性導電膜3の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは10nm以上50nm以下である。
(実施例1)
100mm×100mm×0.7mmのガラス基板(透光性基板)上にスパッタリング法によって、Alを含むZnO膜(AZO膜、第1透光性導電膜)を形成した。ここで、AZO膜中のAlの含有量を2質量%、AZO膜の膜厚を300nm、AZO膜のキャリア濃度を4.5×1020cm−3に設定した。また、スパッタリング法では、Arガスを導入し、圧力を0.2Pa、基板温度を400℃とした。形成されたAZO膜のシート抵抗は15Ω/□であった。
次に、AZO膜上に、Alを添加したZnOとMgOとの同時スパッタリング法によって、Alを含むZMO膜(第2透光性導電膜)を形成した。ここで、ZMO膜中のAlの含有量を1質量%、ZMO中のMg濃度を35原子%、Alを含むZMO膜の膜厚を1μmに設定した。また、同時スパッタリング法では、Arガスを導入し、圧力を0.2Pa、基板温度を400℃とした。
次に、エッチング後のAlを含むZMO膜上に、p型微結晶シリコン膜(p型半導体層)、微結晶シリコン膜(I層)及びn型微結晶シリコン膜(n型半導体層)を、プラズマCVD法を用いて順次形成した。ここで、p型微結晶シリコン膜の膜厚を20nm、微結晶シリコン膜の膜厚を2μm、n型微結晶シリコン膜を40nmに設定した。
次に、n型微結晶シリコン膜上に、裏面電極として、AZO膜及び銀膜をスパッタリング法によって順次形成した。ここで、AZO膜中のAlの含有量を2質量%、AZO膜の膜厚を100nm、銀膜の膜厚を300nmに設定した。また、スパッタリング法では、Arガスを導入し、圧力を0.2Pa、基板温度を400℃とした。
ガラス基板(透光性基板)とAZO膜(第1透光性導電膜)との間にITO膜(第3透光性導電膜)を形成したこと、AZO膜(第1透光性導電膜)の膜厚を100nmに変更したこと以外は実施例1と同様にして薄膜太陽電池を作製した。
ITO膜は、ガラス基板上に、スパッタリング法によって形成した。ここで、ITO膜におけるSnO2の含有量を10質量%、In2O3の含有量を90質量%、ITO膜の膜厚を200nmに設定した。また、スパッタリング法では、Arガス、O2ガス及びH2ガスを導入し、圧力を0.2Pa、基板温度を室温(25℃)とした。形成されたITO膜は非晶質であった。また、ITO膜とAZO膜(第1透光性導電膜)との積層膜のシート抵抗は12Ω/□であった。
(実施例3)
AZO膜(第1透光性導電膜)の膜厚を20nmに変更したこと、及びZMO膜(第2透光性導電膜)をエッチングして凹凸構造を形成した後に、10nmの膜厚を有するAZO膜(第4透光性導電膜)を形成したこと以外は実施例2と同様にして薄膜太陽電池を作製した。ここで、ITO膜とAZO膜(第1透光性導電膜)との積層膜のシート抵抗は13Ω/□であった。
上記のようにして得られた薄膜太陽電池について特性を評価した。その結果、変換効率(η)は9.3%、短絡電流密度(Jsc)は26.4mA/cm2、開放端電圧(Voc)は0.51V、フィルファクター(FF)は0.69であった。
100mm×100mm×0.7mmのガラス基板(透光性基板)上にスパッタリング法によってAZO膜を形成した。ここで、AZO膜中のAlの含有量を1質量%、AZO膜の膜厚を1μmに設定した。また、スパッタリング法では、Arガスを導入し、圧力を0.2Pa、基板温度を400℃とした。
次に、0.5質量%に希釈した塩酸を用いて、AZO膜のエッチングを30秒間行い、AZO膜に凹凸構造を形成した。エッチング後のAZO膜のシート抵抗は10Ω/□、波長800nmにおけるヘイズ率は40%であった。
次に、エッチング後のAZO膜上に、p型微結晶シリコン膜(p型半導体層)、微結晶シリコン膜(I層)、n型微結晶シリコン膜(n型半導体層)及び裏面電極を実施例1と同様にして形成した。
100mm×100mm×0.7mmのガラス基板(透光性基板)上にITO膜をスパッタリング法によって形成した。ここで、ITO膜におけるSnO2の含有量を10質量%、In2O3の含有量を90質量%、ITO膜の膜厚を200nmに設定した。また、スパッタリング法では、Arガス、O2ガス及びH2ガスを導入し、圧力を0.2Pa、基板温度を室温(25℃)とした。形成されたITO膜は非晶質であった。
次に、ITO膜上にZMO膜をスパッタリング法によって形成した。ここで、ZMO中のMg濃度を35原子%、ZMO膜の膜厚を1μmに設定した。このときZMO膜の表面に100nm〜1μm程度の開口部が形成されたため、20nmのZMO膜をスパッタリング法によって更に形成した。形成されたZMO膜のシート抵抗は12Ω/□、波長800nmにおけるヘイズ率は50%であった。
次に、ZMO膜上に、p型微結晶シリコン膜(p型半導体層)、微結晶シリコン膜(I層)、n型微結晶シリコン膜(n型半導体層)及び裏面電極を実施例1と同様にして形成した。
Claims (13)
- 透光性基板と、
前記透光性基板上に形成された第1透光性導電膜であって、ZnOを主成分として含む第1透光性導電膜と、
前記第1透光性導電膜上に形成された第2透光性導電膜であって、開口部及び凹凸構造を有し且つZn1−xMgxO(式中、xは0.05〜0.45である)を主成分として含む第2透光性導電膜と、
前記第2透光性導電膜上に形成された光電変換層と、
前記光電変換層上に形成された裏面電極と
を有し、前記第2透光性導電膜の開口部を介して前記第1透光性導電膜と光電変換層とが接触している薄膜太陽電池であって、
前記透光性基板と前記第1透光性導電膜との間に、SnO 2 及びIn 2 O 3 から成る群から選択される1種以上の成分を主成分として含む第3透光性導電膜がさらに形成されていることを特徴とする薄膜太陽電池。 - 前記第1透光性導電膜が、Al、Ga、B、P、Sb、F及びInからなる群から選択される1種以上の元素をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の薄膜太陽電池。
- 前記第1透光性導電膜の膜厚が100nm以上500nm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の薄膜太陽電池。
- 前記第2透光性導電膜の開口率が5%以上50%以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の薄膜太陽電池。
- 前記第2透光性導電膜の平均膜厚が50nm以上500nm以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の薄膜太陽電池。
- 前記光電変換層が、PIN接合型の光電変換層であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の薄膜太陽電池。
- 前記第1透光性導電膜の膜厚が10nm以上200nm以下であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の薄膜太陽電池。
- 前記第1透光性導電膜が開口部を有し、前記第2透光性導電膜と前記光電変換層との間に、ZnOを主成分として含む第4透光性導電膜がさらに形成されており、且つ前記第1透光性導電膜及び前記第2透光性導電膜の前記開口部を介して第4透光性導電膜と第3透光性導電膜とが接触していることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の薄膜太陽電池。
- 前記第1透光性導電膜の膜厚が10nm以上50nm以下であることを特徴とする請求項8に記載の薄膜太陽電池。
- 透光性基板上にZnOを主成分として含む第1透光性導電膜を形成する第1工程と、
前記第1透光性導電膜上にZn1−xMgxO(式中、xは0.05〜0.45である)を主成分として含む第2透光性導電膜を形成する第2工程と、
前記第2透光性導電膜をエッチングして前記第2透光性導電膜に開口部及び凹凸構造を形成する第3工程と、
エッチング後の前記第2透光性導電膜上に光電変換層を形成する第4工程と、
前記光電変換層上に裏面電極を形成する第5工程とを含む薄膜太陽電池の製造方法であって、
第1工程の前に、前記透光性基板上にSnO 2 及びIn 2 O 3 から成る群から選択される1種以上の成分を主成分として含む第3透光性導電膜を形成する工程をさらに含むことを特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。 - 前記第1透光性導電膜が、Al、Ga、B、P、Sb、F及びInからなる群から選択される1種以上の元素をさらに含むことを特徴とする請求項10に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
- 前記光電変換層が、PIN接合型の光電変換層であることを特徴とする請求項10又は11に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
- 第3工程において、前記第2透光性導電膜をオーバーエッチングして前記第2透光性導電膜に開口部及び凹凸構造を形成すると共に前記第1透光性導電膜に開口部を形成し、且つ第3工程と第4工程との間に、ZnOを主成分として含む第4透光性導電膜を前記第2透光性導電膜上に形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項10〜12のいずれか一項に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
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