JP4565105B2

JP4565105B2 - 太陽電池用の光学薄膜およびその製造方法

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Publication number: JP4565105B2
Application number: JP2005134496A
Authority: JP
Inventors: 一紀島▲崎▼
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2005-05-02
Filing date: 2005-05-02
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2025-05-02
Also published as: JP2006310711A; US20060243320A1; EP1720206A1; US7999177B2

Description

本発明は、透明の導電膜を最上層にもつ地上用の薄膜太陽電池の熱光学特性を宇宙用に改善するための薄膜太陽電池用の光学薄膜に関する。

宇宙で使用される結晶系太陽電池は、ホウケイ酸ガラスを基材とした赤外放射率が大きいカバーガラスが貼り付けられている。このカバーガラスは、その大きな放射率によりガラス表面からの赤外ふく射により宇宙空間への排熱を行っている。地上用に開発された薄膜太陽電池を宇宙応用する場合、従来の宇宙用カバーガラスを用いれば重量および柔軟性の観点から薄膜としての利点が失われてしまう。しかしながら、薄膜太陽電池の多くは、結晶系の太陽電池と異なり最上層に透明導電膜が成膜されており、その赤外放射率が小さい。そのため、薄膜太陽電池をそのまま宇宙で使用すると適切な排熱を行うことができず従来以上の高温状態になり結果的に効率が低下してしまう。地上用では有機材等による太陽電池の封入も行われているが、宇宙での厳しい放射線環境によりその機械的・光学的特性が劣化してしまうことが予想される。そのため、宇宙空間において薄膜太陽電池を適切な温度範囲で使用するためには、カバーガラスに代わる新たな熱制御技術が必要となる。

また不要な太陽光を遮蔽するための従来技術にはBlue Red Reflector (BRR) coatingが施されたカバーガラスが挙げられる。ガラスの表裏面に数十層からなる光学薄膜を形成し、紫外および近赤外の光を反射することにより余分な熱入力を抑え、宇宙空間における太陽電池の更なる温度の低下を実現している。しかしながらその性能は非常に優れるものの、製作プロセスが複雑になる上、薄膜太陽電池用に基板温度などを考慮した最適化が必要となる。そこで薄膜太陽電池に適した成膜プロセスで作製された簡易な光学薄膜が必要となる。

C． Kitchen， K． Mullaney， M． Price， A． Dollery， K． Fyles， H． Eaves， R． Crabb and P． Buia， "Solar cell coverglass for satellites in the intermediate earth orbit"， Conference record of the 26th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (1997) 1011-1014．大西晃，小野田卓弘，山本茂，三部修司，森田洋右，"宇宙用カバーガラスと熱制御ミラーの開発"，電気学会論文誌A，115巻6号，（1995）471-478． J． R． Tuttle， A． Szalaj and J． Keane， "A 15．2% AM0/1433 W/kg thin-film Cu(In， Ga)Se2 Solar cell for space applications"， Proceedings of 28th IEEE Photovoltaics Specialists Conference (2000)． M． Kroon， G． Oomen， and R． van der Heijden， "End-of-Life power predictions of Cu(1n， Ga)Se2 solar cell"， Proceedings of 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion (2003) 3P-C3-55．

従来の宇宙用太陽電池は、カバーガラスにより適切な熱光学特性を実現しているが、重量と柔軟性の観点からカバーガラスをそのまま薄膜太陽電池に適用するのは不適当である。さらに、従来のカバーガラスには接着剤が太陽電池の重量を増加させているという問題がある。本発明はこのような事情を背景としてなされたもので、その目的は薄い光学薄膜を用いることで薄膜太陽電池に従来の宇宙用太陽電池と同等の熱光学的性能を与えるものである。つまり、従来のカバーガラスを用いることなくできるだけ薄い光学薄膜により地上用薄膜太陽電池の赤外放射率を大きくし、さらには、簡易な構成の光学薄膜により不要な太陽光入射を減らし、効率を維持したまま太陽光吸収率を小さくすることである。同時にこのような光学薄膜を用いることで軽量化を実現することである。

かかる目的を達成するために、本発明は、カバーガラスの代わりとなる光学薄膜を薄膜太陽電池上に直接成膜することを特徴とする。本発明の一つの特徴によれば、前記太陽電池構造体が基板と、該基板の表面上に形成された裏面電極層と、該裏面電極層の表面上に形成された光発電層と、該光発電層の表面上に透明導電膜層とを有しており、前記光学薄膜が、前記薄膜太陽電池の表面上に直接形成されたことを特徴とする太陽電池構造体が提供される。

この場合好ましくは、真空蒸着法にて約160℃以下の温度で成膜される。また、複数の異なる酸化物層を積層することによって形成されるのが好ましい。

製造において好ましくは、前記酸化物層が二酸化ケイ素およびアルミニウム酸化物の層をこの順で順次薄膜太陽電池の表面に形成される。さらにアルミニウム酸化物の層を前記薄膜太陽電池の表面に直接成膜し、その上に上記二酸化ケイ素およびアルミニウム酸化物の層をこの順で順次形成するが望ましい。

好ましい態様の一つとして、低屈折率材料と高屈折率材料で形成される層を組み合わせた複数の層を前記酸化物層の上に成膜した構造を有することがあげられる。前記低屈折率材料として二酸化ケイ素当業者またはフッ化マグネシウムを用い、前記高屈折率材料として五酸化ニオブ、または酸化チタンを用いることができる。前記各層の厚みが約50〜3000nmとするのが好適である。本発明にしたがう光学薄膜を使用する場合には前記赤外放射率が約７５％以上となる。または、前記太陽光吸収率が約８０％以下であることを特徴とする。

本発明の別の特徴によれば、薄膜太陽電池の表面に直接形成された光学薄膜を備えた太陽電池構造体の製造方法において、前記薄膜太陽電池の基板の表面上に前記薄膜太陽電池の裏面電極層を形成し、該裏面電極層の表面上に前記薄膜太陽電池の光発電層を形成し、該光発電層の表面上に前記薄膜太陽電池の透明導電膜層を形成し、該透明導電膜層の表面上に、前記光学薄膜の層を直接成膜する段階を備えることを特徴とする太陽電池構造体の製造方法が提供される。

好ましくは、光学薄膜は真空蒸着法にて成膜する。ここで真空蒸着法とは、真空中において蒸発させた物質を材料表面に成膜する方法を指す。好ましくは、電子ビーム蒸着法もしくはイオンプレーティング法により成膜される。成膜時の基板温度は、薄膜太陽電池へのダメージおよび蒸着源からのふく射加熱を考慮し160℃を超えないようにする。また、太陽光の波長領域で吸収が生じないように蒸着時には酸素の導入を適宜行う。

赤外放射率の増大のためには、薄膜太陽電池の最上層である透明導電膜上に酸化物膜を成膜する。ここでいう透明導電膜とは、可視光領域で透明かつ導電性を有する各種材料を指す。酸化物膜は基本的に二酸化ケイ素およびアルミニウム酸化物からなる。透明導電膜との密着性向上のため、必要であれば予めアルミニウム酸化物を薄く成膜した後、二酸化ケイ素、アルミニウム酸化物の順で成膜を行う。酸化物の最適な厚さに関しては、透明導電膜のキャリア濃度に依存する。

さらに赤外放射率を大きくするための酸化物層の上に不要な太陽光入射をコントロールする光学薄膜を成膜する。光学薄膜は、低屈折率材料と高屈折率材料を組合わせた多層膜とする。好ましくは、低屈折率材料として二酸化ケイ素とフッ化マグネシウムを、高屈折率材料として五酸化ニオブもしくは酸化チタンを用いる。膜厚および構成は、基板温度に依存して光学特性が変化するため、それに応じて最適化される。
1）透明導電膜を最上層に持つ薄膜太陽電池を宇宙応用する場合、最表面に光学薄膜を成膜する。
2）光学薄膜は真空蒸着法にて成膜され、成膜時の温度は室温〜160℃とする。
3）赤外放射率を大きくする光学薄膜は基本的に異なる種類の酸化物を組合わせ積層させる。
4）好ましくは、前記酸化物層は、二酸化ケイ素とアルミニウム酸化物の2層からなる。必要に応じて、予めアルミニウム酸化物を成膜した上に上記2層膜を蒸着する。
5）不要な太陽光入射を減らす光学薄膜は、低屈折率材料と高屈折率材料を組み合わせ、赤外放射率を大きくする酸化物層の上に成膜される。
6）好ましくは、低屈折率材料として二酸化ケイ素とフッ化マグネシウムを、高屈折率材料として五酸化ニオブもしくは酸化チタンを用いる。
7）光学薄膜の各膜厚は、50〜3000nmとする。

本発明にかかる光学薄膜は、従来必要とされていた太陽電池用のカバーガラスを不要化し、太陽電池表面に積層することによって、適切な熱光学特性（太陽光吸収率および赤外放射率）を与え、太陽光入射および太陽電池からの赤外熱放射を制御することができる。

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。図５および図６は、従来技術にかかる太陽電池構造体３０、４０を断面の形態でそれぞれ示している。図１は、本発明の好適に適用できる太陽電池構造体１を断面の形態で示している。図５および図６から明らかなように、従来技術にかかる太陽電池は、結晶太陽電池３１、４１を保護するための厚いカバーガラス層３２、４２を設けている。このカバーガラス３２、４２の層は、接着剤によって貼り付けて構成される。図５に示す従来の太陽電地構造体３０は、結晶太陽電池３１の上面に直接カバーガラス３２が貼り付けられ、その上面にさらに反射防止膜３３が形成されている。一方、図６に示す構造の従来技術にかかる太陽電池構造体４０はBlue Red Reflector (BRR) coating４３を介在せしめてカバーガラス４２の層が形成され、さらに最上面に別のＢＲＲコーティング４４が施されている。

これに対して、本発明が好適に適用される図１に示す太陽電池構造体１では、基板２に支持された薄膜太陽電池３の上面に本発明にかかる光学薄膜４が真空蒸着法により直接成膜されることによって構成される。この場合、成膜時の試料温度は、蒸着源からのふく射加熱を考慮し、太陽電池へダメージを与える温度を超えないようにする。また、成膜工程中において、光電変換に有効な太陽光の波長領域で吸収が生じないように蒸着時には酸素導入を適宜行うようになっている。

図２は、本発明の一実施例である光学薄膜４の構成を断面の形態で示したのものである。本例の構造では、太陽電池の表面との密着性を向上させるために、必要に応じてアルミニウム酸化物（Al₂O₃）の層５を予め薄膜太陽電池の透明導電膜の上に薄く成膜している。次に二酸化ケイ素（SiO₂）の層６、アルミニウム酸化物（Al₂O₃）の層７をそれぞれ1000〜3000nm、100〜500nm成膜している。この二層６および７で赤外放射率を大きくする機能を有する。さらにその上に五酸化ニオブ（Nb₂O₅）の層８、フッ化マグネシウム（MgF₂）の層９、五酸化ニオブ（Nb₂O₅）の層１０、二酸化ケイ素（SiO₂）１１の順にそれぞれ約50〜300nmの厚さで成膜する。この4層は、太陽光入射をコントロールするが直下の2層との光の干渉効果を考慮して太陽電池構造体の構造を最適化する機能を有する。なお、図2に示した光学薄膜の各層の厚さは薄膜太陽電池に依存して適宜調整することができる。なお本例の薄膜太陽電池３は、基板２の表面上に裏面電極の層１２を形成し、その表面上に光発電層１３を形成し、さらにその上層である最上層に透明導電膜層１４を形成している。

そしてその透明導電層１４の表面上に薄膜太陽電池３の表面との密着性を向上させる上記のアルミニウム酸化物（Al₂O₃）の層５が形成される。

図3は前記酸化物を成膜した薄膜太陽電池の放射率の膜厚依存性の測定結果を示したものである。ここで、基材となる薄膜太陽電池には、Cu(In、Ga)Se₂薄膜太陽電池を用いた。最上層の透明導電膜は、アルミニウム（Al）を10²⁰cm^-3のオーダーで添加した酸化亜鉛（ZnO）である。○が二酸化ケイ素（SiO₂）のみを成膜した場合、●が二酸化ケイ素（SiO₂）およびその上にアルミニウム酸化物（Al₂O₃）を成膜した場合である。図３から二酸化ケイ素（SiO₂）のみよりもアルミニウム酸化物（Al₂O₃）を組合わせたほうが同じ膜厚でもより大きな放射率が得られることが判明する。酸化物を形成しない薄膜太陽電池の放射率は約0.20程度であるのに対して本発明の光学薄膜により0.75以上にすることができる。なお、透明導電膜のキャリア濃度に依存して、薄膜太陽電池の本来の放射率が異なるため、酸化物の最適な厚さは透明導電膜のキャリア濃度により適宜調整される。

図４は薄膜太陽電池と本発明にかかる光学薄膜を形成した薄膜太陽電池の光反射率の波長依存性の測定結果を示したものである。

光学薄膜を成膜した場合は、紫外および近赤外領域での反射率が大きくなっていることが分かる。これより、本発明にかかる光学薄膜を形成することにより本来の太陽光吸収率が約0.90であるのが約0.83程度まで減少した。その結果、従来のカバーガラス付き宇宙用太陽電池（太陽光吸収率0.8程度、放射率0.80〜0.85程度）とほぼ同等の熱光学特性を有することが判明する。

以上、本発明の一実施例を図面に基づいて説明したが、本発明は他の態様で実施することもできる。

また、前記実施例では真空蒸着法にて光学薄膜を形成したが、スパッタ、CVD法など他の薄膜形成法を採用できることはもちろん、a-Si太陽電池など、最表面に様々な透明導電膜を有する他の薄膜太陽電池に対してその構造を適宜変更することが可能である。

その他、本発明の知見に基づいて当業者の技術常識および使用者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができるが、これらの変更改良等は本発明の範囲に含まれることはいうまでもない。

薄膜太陽電池の赤外放射率は約0.20程度であるが、本発明にかかる光学薄膜により3倍以上にすることができる。また、太陽光吸収率も簡易な構成の光学薄膜を用いることにより太陽光入射をコントロールすることができるため、薄膜太陽電池そのものの値より小さくすることができる。その結果、従来のカバーガス付き宇宙用太陽電池と同程度の熱光学特性を実現できることから、宇宙空間における薄膜太陽電池の最高温度を50〜60℃程度にすることができる。赤外放射率を大きくするだけでなく太陽光吸収率も小さくすることにより、宇宙空間において薄膜太陽電池を適正な温度に保つことができ、結果的には効率の減少も抑えられることから信頼性の向上につながる。

本発明にかかる光学薄膜は、従来のカバーガラスの代わりに太陽電池上に直接成膜される。従来技術では、厚さ100μm前後のカバーガラスを用いなければなかなかったが、本発明では2〜3μmの光学薄膜を形成することにより、従来のカバーガラスの機能を十分に発揮することができる。この結果、全体の太陽電池の大幅な軽量化が実現できる。また、従来のカバーガラスを太陽電池に貼り付けるための接着剤が不要となるためさらに軽量化が行える。ひいては、太陽電池パドルならびに宇宙機の軽量化にもつながることになる。

本発明の１実施例にかかる薄膜の太陽電池の積層状態を示す概略図である。本発明の１実施例にかかる薄膜を有する太陽電池の積層構造を示す図である。前記酸化物を成膜した薄膜太陽電池の放射率の膜厚依存性の測定結果を示すグラフである。薄膜太陽電池と光学薄膜を形成した薄膜太陽電池の光反射率の波長依存性の測定結果を示したグラフである。従来技術にかかるカバーガラスを表面に貼り着けたさらにその表面に反射防止膜を形成した構造の太陽電池の積層構造示す図である。従来技術にかかるカバーガラスを表面に貼り着けたさらにその表面に反射防止膜を形成した構造の太陽電池の積層構造示す図である。

符号の説明

１本発明にかかる薄膜太陽電池構造体
２基板
３薄膜太陽電池
４光学薄膜
５アルミナ層
６二酸化ケイ素層
７アルミナ層
８五酸化ニオブ（Nb₂O₅）層
９フッ化マグネシウム（MgF₂）層
１０五酸化ニオブ（Nb₂O₅）層
１１二酸化ケイ素（SiO₂）層
１２裏面電極層
１３光発電層
１４透明導電膜
３０従来の太陽電池構造体
４０従来の太陽電池構造体
３２、４２カバーガラス

Claims

基板と、
該基板の表面上に形成された裏面電極層と、該裏面電極層の表面上に形成された光発電層と、該光発電層の表面上に透明導電膜層を有する太陽電池と、
該太陽電池の前記透明導電膜層の表面上に直接形成された二酸化ケイ素（SiO₂）の層、アルミニウム酸化物（Al₂O₃）の層、五酸化ニオブ（Nb₂O₅）の層、フッ化マグネシウム（MgF2）の層、五酸化ニオブ（Nb₂O₅）の層および二酸化ケイ素（SiO₂）の層をこの順で積層した光学薄膜と、
を備えたことを特徴とする太陽電池構造体。
前記光学薄膜が真空蒸着法にて約160℃以下の温度で成膜されることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池構造体。
前記光学薄膜が電子ビーム蒸着法により成膜されることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池構造体。
前記光学薄膜がイオンプレーティング法により成膜されることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池構造体。
前記太陽電池の透明導電膜層の上に最初に形成される二酸化ケイ素（SiO₂）の層の厚さが1000〜3000nmであることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池構造体。
前記二酸化ケイ素（SiO₂）の層の上に形成されるアルミニウム酸化物（Al₂O₃）の層の厚さが100〜500nmであることを特徴とする請求項５に記載の太陽電池構造体。
基板と、
該基板の表面上に形成された裏面電極層と、該裏面電極層の表面上に形成された光発電層と、該光発電層の表面上に透明導電膜層を有する太陽電池と、
該太陽電池の前記透明導電膜層の表面上に直接形成されたアルミニウム酸化物の層、二酸化ケイ素（SiO ₂ ）の層、アルミニウム酸化物（Al ₂ O ₃ ）の層、五酸化ニオブ（Nb ₂ O ₅ ）の層、フッ化マグネシウム（MgF ₂ ）の層、五酸化ニオブ（Nb ₂ O ₅ ）の層および二酸化ケイ素（SiO ₂ ）の層をこの順で積層した光学薄膜と、
を備えたことを特徴とする太陽電池構造体。
薄膜太陽電池上に形成された光学薄膜を備えた太陽電池構造体の製造方法において、
前記薄膜太陽電池の基板の表面上に前記薄膜太陽電池の裏面電極層を形成し、
該裏面電極層の表面上に前記薄膜太陽電池の光発電層を形成し、
該光発電層の表面上に前記薄膜太陽電池の透明導電膜層を形成し、
該透明導電膜層の表面上に、直接形成された
二酸化ケイ素（SiO₂）の層、アルミニウム酸化物（Al₂O₃）の層、五酸化ニオブ（Nb₂O₅）の層、フッ化マグネシウム（MgF₂）の層、五酸化ニオブ（Nb₂O₅）の層および二酸化ケイ素（SiO₂）の層をこの順で積層した前記光学薄膜の層を成膜する段階を備えることを特徴とする太陽電池構造体の製造方法。
前記光学被膜の層を形成する段階が、真空蒸着法にて約160℃以下の温度で成膜することによって前記光学被膜の層を形成することを特徴とする請求項８に記載の太陽電池構造体の製造方法。
前記太陽電池の透明導電膜層の上に最初に形成される二酸化ケイ素（SiO₂）の層の厚さが1000〜3000nmであることを特徴とする請求項８に記載の太陽電池構造体の製造方法。
前記二酸化ケイ素（SiO₂）の層の上に形成されるアルミニウム酸化物（Al₂O₃）の層の厚さが100〜500nmであることを特徴とする請求項８に記載の太陽電池構造体の製造方法。
薄膜太陽電池上に形成された光学薄膜を備えた太陽電池構造体の製造方法において、
前記薄膜太陽電池の基板の表面上に前記薄膜太陽電池の裏面電極層を形成し、
該裏面電極層の表面上に前記薄膜太陽電池の光発電層を形成し、
該光発電層の表面上に前記薄膜太陽電池の透明導電膜層を形成し、
該透明導電膜層の表面上に、直接形成されたアルミニウム酸化物の層、二酸化ケイ素（SiO ₂ ）の層、アルミニウム酸化物（Al ₂ O ₃ ）の層、五酸化ニオブ（Nb ₂ O ₅ ）の層、フッ化マグネシウム（MgF ₂ ）の層、五酸化ニオブ（Nb ₂ O ₅ ）の層および二酸化ケイ素（SiO ₂ ）の層をこの順で積層した前記光学薄膜の層を成膜する段階を備えることを特徴とする太陽電構造体の製造方法。