JP2012146804A - 太陽電池及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造が容易で、光透過性を損なわずに透明電極とカバーガラスとの界面での入射光の反射を低減できる太陽電池及びその製造方法を提供する。
【解決手段】太陽電池１は、基板２上に、裏面電極層３と、入射した光線を光電変換して起電力を得る光吸収層４と、アルミニウムドープ酸化亜鉛からなる透明電極層５とを備える。透明電極層５は、光吸収層４との界面側よりも界面から離間する側のアルミニウム含有量が多い。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽電池及びその製造方法に関するものである。

従来、基板上に裏面電極、光吸収層、透明電極がこの順に積層された薄膜型太陽電池が知られている。前記裏面電極、光吸収層、透明電極の各層は、例えば、スパッタリング等により、前記基板上に形成される。前記薄膜型太陽電池は、カバーガラスとバックシートとにより画成される空間に、前記透明電極を該カバーガラスに対向させて配設され、該カバーガラス及びバックシートとの間隙はエチレン−酢酸ビニル（ＥＶＡ）樹脂等の封止剤により封止される。

前記薄膜型太陽電池では、前記カバーガラス側から前記透明電極を介して入射する前記光吸収層を形成するＳｉ半導体、化合物半導体等の半導体により光電変換されることにより起電力を得ることができる。ここで、前記透明電極として、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）に比較して低コストであり製膜温度を低くできることから、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）を用いることが検討されている。

ところが、前記ＡＺＯ電極は、屈折率が２．０程度であり、前記カバーガラス及びＥＶＡ樹脂の屈折率が１．５程度であるのに比較して大きいという問題がある。この結果、前記ＡＺＯ電極と前記封止剤としてのＥＶＡ樹脂との界面で入射光の反射が生じやすく、前記光吸収層に入射する光線が低減して十分な起電力を得られないことがある。

そこで、前記ＡＺＯ電極と前記ＥＶＡ樹脂との間に両者の中間の屈折率を備える反射防止層を配設し、入射光の反射を低減することにより、より大きな起電力を得られるようにすることが考えられる。前記反射防止層の材料としては、例えば、屈折率が１．７０であるＳｉＯ、屈折率が１．７５であるＭｇＯ等の無機酸化物が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００１−２８４６１３号公報

しかしながら、前記ＡＺＯ電極上に前記ＳｉＯ又はＭｇＯからなる反射防止層を形成するには、前記ＡＺＯとは異種の材料によるスパッタリングを行わねばならないので、異種のそれぞれの材料に合わせて製膜条件を変更しなければならないという不都合がある。

そこで、本発明は、かかる不都合を解消して、製造が容易で、光透過性を損なうことなく透明電極とカバーガラス又はＥＶＡ樹脂との界面における入射光の反射を低減することができる太陽電池及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、ＡＺＯの屈折率と光透過性との関係について検討した。この結果、ＡＺＯのアルミニウム含有量を、通常の透明電極として用いられるＡＺＯよりも高い特定の範囲とすることにより、光透過性を低減させることなく、屈折率を通常の透明電極として用いられるＡＺＯよりも小さくすることができることを見出し、本発明に到達した。

そこで、本発明の太陽電池は、前記目的を達成するために、基板上に、裏面電極層と、入射した光線を光電変換して起電力を得る光吸収層と、アルミニウムドープ酸化亜鉛からなる透明電極層とを備える太陽電池において、該透明電極層は、該光吸収層との界面側よりも該界面から離間する側のアルミニウム含有量が多いことを特徴とする。

本発明の太陽電池によれば、前記アルミニウムドープ酸化亜鉛からなる透明電極層の前記光吸収層との界面側から離間する側、即ち外層側のアルミニウム含有量を多くすることにより、この部分の屈折率が該光吸収層との界面側よりも小さくなる。この結果、本発明の太陽電池をカバーガラスとバックシートとにより画成される空間に、前記透明電極層を該カバーガラスに対向させて配設し、該カバーガラス及びバックシートとの間隙をＥＶＡ樹脂等の封止剤により封止したときに、該カバーガラス及びＥＶＡ樹脂と該透明電極層との屈折率の差が小さくなり、反射光を低減することができる。

本発明の太陽電池において、前記透明電極層は、前記光吸収層との界面側から離間する側に向かって連続的にアルミニウム含有量が増加するようにしてもよく、アルミニウム含有量が互いに異なる複数の層からなり、各層のアルミニウム含有量を、前記光吸収層との界面側よりも該界面から離隔する側の方で多くするようにしてもよい。

本発明の太陽電池において、前記透明電極層がアルミニウム含有量が互いに異なる複数の層からなるとき、前記透明電極層は、例えば、前記光吸収層上に積層された第１の透明電極層と、第１の透明電極層上に積層され第１の透明電極層よりもアルミニウム含有量が多い第２の透明電極層とからなるようにすることができる。このとき、前記第１の透明電極層はアルミニウム含有量が第１の透明電極層全体の２質量％以下の範囲であり、前記第２の透明電極層はアルミニウム含有量が第２の透明電極層全体の３．０〜５．０質量％の範囲であることが好ましい。

前記第２の透明電極層は、アルミニウム含有量が前記範囲であることにより、前記第１の透明電極層よりも屈折率を小さくすることができる。前記第２の透明電極層は、アルミニウム含有量が第２の透明電極層全体の３．０質量％未満では、その屈折率を前記第１の透明電極層に対して十分に小さくすることができないことがある。また、前記第２の透明電極層は、アルミニウム含有量が第２の透明電極層全体の５．０質量％を超えると十分な光透過性を得ることができないことがある。

本発明の太陽電池は、基板上に裏面電極層を形成する工程と、該裏面電極層上に入射した光線を光電変換して起電力を得る光吸収層を形成する工程と、該光吸収層上にアルミニウムを含む酸化亜鉛ターゲットを用いるスパッタリングによりアルミニウムドープ酸化亜鉛からなる透明電極層を形成する工程とを備える太陽電池の製造方法において、該スパッタリングは、アルミニウム含有量が互いに異なる複数の酸化亜鉛ターゲットを用い、同一の製膜条件下、酸化亜鉛ターゲットをアルミニウム含有量が少ないものから多いものに順次交換して行う製造方法により製造することができる。

本発明の製造方法によれば、前記アルミニウムドープ酸化亜鉛からなる透明電極層を形成する工程において、アルミニウム含有量が互いに異なる複数の酸化亜鉛ターゲットをアルミニウム含有量が少ないものから多いものに順次交換することにより、前記光吸収層との界面側よりも該界面から離間する側のアルミニウム含有量が多い前記透明電極層を形成することができる。本発明の製造方法によれば、いずれのターゲットも同種の酸化亜鉛であるため、スパッタリングの条件を変化させず同一の製膜条件下でアルミニウム含有量の異なる層を製造することができるので、本発明の太陽電池を容易に製造することができる。

本発明の製造方法において、前記スパッタリングは、所定のアルミニウムを含有する第１の酸化亜鉛ターゲットを用いて第１の透明電極層を形成した後、同一の製膜条件下、第１の酸化亜鉛ターゲットよりアルミニウム含有量が多い第２の酸化亜鉛ターゲットを用いて第１の透明電極層上に第２の透明電極層を形成することが好ましい。このようにすることにより、前記光吸収層上に積層された第１の透明電極層と、第１の透明電極層上に積層され第１の透明電極層よりもアルミニウム含有量が多い第２の透明電極層とからなる前記透明電極層を容易に形成することができる。

本発明の太陽電池の構成を示す説明的断面図。 本発明の太陽電池の要部を拡大して示す説明的断面図。 本発明の太陽電池における光吸収層から離間する側の屈折率と起電力との関係を示すグラフ。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。

図１（ａ）に示すように、本実施形態の太陽電池１は、ガラス基板２上に裏面電極層３、光吸収層４、透明電極層５がこの順に積層されている。太陽電池１は、図１（ｂ）に示すように、カバーガラス６とバックシート７とにより画成される空間内に配設されて太陽電池モジュール８を形成している。太陽電池モジュール８において、太陽電池１は透明電極５がカバーガラス６に対向するように配置され、太陽電池１とカバーガラス６及びバックシート７との間隙にはエチレン−酢酸ビニル（ＥＶＡ）樹脂等の封止剤９が充填され、太陽電池１が封止されている。

太陽電池１において、裏面電極層３は例えばＭｏ等からなり、光吸収層４は例えば化学式Ｃｕ（ＩｎＧａ）Ｓｅ_２で表されるカルコパイライト化合物（ＣＩＧＳ）等からなり、入射した光線を光電変換して起電力を得ることができる。また、光吸収層４は表面に図示しないバッファ層を備えている。前記バッファ層は例えばＩｎＳ等からなる。

本実施形態の太陽電池１において、透明電極層５はアルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）からなる。このとき、透明電極層５は、光吸収層４との界面側の部分ではアルミニウム含有量が少なく、該界面から離間する側の部分ではアルミニウム含有量が多くなっている。

このような透明電極層５は、例えば、図２に示すように、光吸収層４上に積層された第１の透明電極層５ａと、第１の透明電極層５ａ上に積層され第１の透明電極層５ａよりもアルミニウム含有量が多い第２の透明電極層５ｂとから構成することができる。尚、図２では封止剤９を省略して示している。

第１の透明電極層５ａは、例えばアルミニウム含有量が２．０質量％のＡＺＯからなり、屈折率が２．０である。一方、第２の透明電極層５ｂは、アルミニウム含有量が３．０〜５．０質量％の範囲のＡＺＯからなることにより、屈折率を１．７０〜１．８０の範囲とすることができる。

ここで、太陽電池モジュール８では、カバーガラス６の屈折率は１．５程度であり、封止剤９の屈折率もカバーガラス６と同程度である。そこで、透明電極層５を第１の透明電極層５ａ及び第２の透明電極層５ｂから構成することにより、アルミニウム含有量が２．０質量％のＡＺＯのみから構成する場合に比較して、カバーガラス６及び封止剤９との屈折率の差を小さくすることができる。従って、太陽電池１によれば、太陽電池モジュール８としたときに、カバーガラス６及び封止剤９（図２ではカバーガラス６で代表させている）との界面での反射光を低減することができる。

また、第２の透明電極層５ｂはアルミニウム含有量が３．０〜５．０質量％の範囲のＡＺＯからなることにより、光透過性を損なうことがない。従って、本実施形態の太陽電池１によれば、光吸収層４における光電変換効率を１％以上向上させることができる。

また、ＡＺＯの光透過性は膜厚にも関係があり、第２の透明電極層５ｂは６０〜１５０ｎｍの範囲の膜厚を備えていることが好ましい。第２の透明電極層５ｂの膜厚が前記範囲外であるときには、光吸収層４における光電変換効率を１％以上向上させる効果が得られないことがある。

尚、図２に示す構成では、透明電極層５を、アルミニウム含有量が２．０質量％のＡＺＯからなり屈折率が２．０の第１の透明電極層５ａと、アルミニウム含有量が３．０〜５．０質量％のＡＺＯからなり、屈折率が１．７０〜１．８０の範囲の第２の透明電極層５ｂとの２層により構成している。しかし、透明電極層５は３層以上の層から構成し、光吸収層４側からカバーガラス６に対向する側に向かって、各層のアルミニウム含有量が段階的に増加するようにしてもよい。また、透明電極層５を単一の層とし、光吸収層４側からカバーガラス６に対向する側に向かって連続的にアルミニウム含有量が多くなる構成としてもよい。

次に、図１及び図２に示す太陽電池１の製造方法について説明する。

太陽電池モジュール８を製造するときには、まず、ガラス基板２上に、Ｍｏからなる裏面電極３をスパッタリングし、レーザーを照射してスクライブすることにより、複数の領域に分割する。次に、分割された裏面電極４上に、Ｃｕ・Ｇａ層をスパッタリングし、さらにＣｕ・Ｇａ層上にＩｎ層をスパッタリングする。

次に、ガラス基板２をＨ_２Ｓｅガス雰囲気中、例えば４００〜６００℃の範囲の温度に加熱し、Ｃｕ・Ｇａ／Ｉｎ層をＳｅ化することによりＣＩＧＳとする。次に、ＣＩＧＳ層上に化学浴堆積法によりＩｎＳからなるバッファ層を形成し、ＣＩＧＳ層とバッファ層とからなる光吸収層４を形成する。そして、光吸収層４をニードルによりスクライブして、分割された裏面電極３に対応する複数の領域に分割する。

次に、光吸収層４上に、スパッタリングによりＡＺＯからなる透明電極５を形成する。ここで透明電極５が、第１の透明電極５ａと第２の透明電極５ｂとからなるときには、まず、２．０質量％のＡｌを含む酸化亜鉛ターゲットを用いてスパッタリングを行い、光吸収層４上に第１の透明電極５ａを所定の厚さ、例えば５２０ｎｍの厚さに形成する。次に、前記酸化亜鉛ターゲットを３．０〜５．０質量％のＡｌを含む酸化亜鉛ターゲットに交換し、第１の透明電極５ａの形成時と同一の製膜条件でスパッタリングを行うことにより、第１の透明電極５ａ上に第２の透明電極５ｂを６０〜１５５ｎｍの厚さ、例えば８０ｎｍの厚さに形成する。

この結果、本実施形態の太陽電池１を製造することができる。太陽電池１は、カバーガラス６とバックシート７とにより画成される空間に配設したのち、常法により、ＥＶＡ樹脂等の封止剤９により封止されることにより、太陽電池モジュール８を形成することができる。

次に、アルミニウム含有量が２．０質量％のＡＺＯからなり屈折率が２．０、膜厚が５２０ｎｍの第１の透明電極層５ａ上に、第２の透明電極層５ｂを形成した太陽電池１を用いて太陽電池モジュール８を形成し、光吸収層４の光電変換効率を測定した。ここで、第２の透明電極層５ｂはＡＺＯのアルミニウム含有量を３．０〜５．０質量％の範囲で変量することにより、屈折率が１．７０〜１．８０の範囲で変量するようにした。また、各屈折率の第２の透明電極層５ｂに対し、膜厚を６１〜１５１ｎｍの範囲で変量した。

透明電極５が、アルミニウム含有量が２．０質量％のＡＺＯからなり屈折率が２．０、膜厚が６００ｎｍの第１の透明電極層５ａのみからなるときの光吸収層４の光電変換効率を１００として、結果を図３に示す。

図３から、本実施形態の太陽電池１によれば、前記第１の透明電極層５ａ上に、アルミニウム含有量が３．０〜５．０質量％のＡＺＯからなり屈折率が１．７０〜１．８０、膜厚が６１〜１５１ｎｍの第２の透明電極層５ｂを形成することにより、光吸収層４の光電変換効率を１％以上向上している。従って、第２の透明電極層５ｂにより、カバーガラス６及び封止剤９と透明電極層５との界面における入射光の反射を低減することができると共に、第２の透明電極層５ｂの光透過性が損なわれていないことが明らかである。

１…太陽電池、 ２…ガラス基板、 ３…裏面電極層、 ４…光吸収層、 ５…透明電極層、 ５ａ…第１の透明電極層、 ５ｂ…第２の透明電極層。

Claims (6)

1. 基板上に、裏面電極層と、入射した光線を光電変換して起電力を得る光吸収層と、アルミニウムドープ酸化亜鉛からなる透明電極層とを備える太陽電池において、
   該透明電極層は、該光吸収層との界面側よりも該界面から離間する側のアルミニウム含有量が多いことを特徴とする太陽電池。
2. 請求項１記載の太陽電池において、前記透明電極層は、アルミニウム含有量が互いに異なる複数の層からなり、各層のアルミニウム含有量は、前記光吸収層との界面側よりも該界面から離隔する側の方が多いことを特徴とする太陽電池。
3. 請求項２記載の太陽電池において、前記透明電極層は、前記光吸収層上に積層された第１の透明電極層と、第１の透明電極層上に積層され第１の透明電極層よりもアルミニウム含有量が多い第２の透明電極層とからなることを特徴とする太陽電池。
4. 請求項３記載の太陽電池において、前記第１の透明電極層はアルミニウム含有量が第１の透明電極層全体の２質量％以下の範囲であり、前記第２の透明電極層はアルミニウム含有量が第２の透明電極層全体の３．０〜５．０質量％の範囲であることを特徴とする太陽電池。
5. 基板上に裏面電極層を形成する工程と、
   該裏面電極層上に入射した光線を光電変換して起電力を得る光吸収層を形成する工程と、
   該光吸収層上にアルミニウムを含む酸化亜鉛ターゲットを用いるスパッタリングによりアルミニウムドープ酸化亜鉛からなる透明電極層を形成する工程とを備える太陽電池の製造方法において、
   該スパッタリングは、アルミニウム含有量が互いに異なる複数の酸化亜鉛ターゲットを用い、同一の製膜条件下、酸化亜鉛ターゲットをアルミニウム含有量が少ないものから多いものに順次交換して行うことを特徴とする太陽電池の製造方法。
6. 請求項５記載の太陽電池の製造方法において、前記スパッタリングは、所定のアルミニウムを含有する第１の酸化亜鉛ターゲットを用いて第１の透明電極層を形成した後、同一の製膜条件下、第１の酸化亜鉛ターゲットよりアルミニウム含有量が多い第２の酸化亜鉛ターゲットを用いて第１の透明電極層上に第２の透明電極層を形成することを特徴とする太陽電池の製造方法。

Images