JP2007305826A - シリコン系薄膜太陽電池 - Google Patents

Abstract

【課題】光電変換層に比べて低い屈折率を有する層を、光電変換層の形成と別種の設備を用いることなく、光入射側から見て光電変換層の後方にごく薄く配置することにより、十分な光閉じ込め効果を発揮でき、かつそのような低い屈折率を有する層が配置されていても太陽電池内のキャリア再結合を小さく保つことができ、高効率かつ低コストでシリコン系薄膜太陽電池を提供すること。
【解決手段】本発明によれば、光電変換層よりも低い屈折率を有するシリコン系低屈折率層を、光電変換層の形成と別種の設備を用いることなく、光入射側から見て光電変換層の後方に形成することができるため、低コストで十分な光閉じ込め効果を発揮できる。さらにシリコン系低屈折率層の後方に薄い導電型シリコン系界面層を配置することで太陽電池の直列抵抗を小さく保つことができる。この結果、高効率かつ低コストでシリコン系薄膜太陽電池を提供することができる。
【選択図】 なし

Description

本発明はシリコン系薄膜太陽電池に関し、特に、光入射側から見た光電変換層の後方に光電変換層よりも屈折率の小さい層を薄く配置することによって、光閉じ込め効果と太陽電池内でのキャリア再結合低減効果を同時に発揮する薄膜太陽電池に関するものである。

近年、光電変換装置の低コスト化、高効率化を両立するために使用原材料が少なくてすむ薄膜太陽電池が注目され、開発が精力的に行われている。現在、従来の非晶質薄膜太陽電池に加えて結晶質薄膜太陽電池も開発され、これらを積層したハイブリッド太陽電池と称される積層型薄膜太陽電池も実用化されている。

薄膜太陽電池は、一般に、基板上に順に積層された第１電極、１以上の半導体薄膜光電変換ユニット、および第２電極を含んでいる。そして、１つの光電変換ユニットはｐ型層とｎ型層でサンドイッチされたｉ型層を含んでいる。

ｉ型層は実質的に真性の半導体層であって光電変換ユニットの厚さの大部分を占め、光電変換作用は主としてこのｉ型層内で生じる。このため、このｉ型層は通常ｉ型光電変換層または単に光電変換層と呼ばれる。光電変換層は真性半導体層に限らず、ドープされた不純物によって吸収される光の損失が問題にならない範囲で微量にｐ型またはｎ型にドープされた層であってもよい。光電変換層は光吸収のためには厚い方が好ましいが、必要以上に厚くすればその製膜のためのコストと時間が増大することになる。

他方、ｐ型やｎ型の導電型層は光電変換ユニット内に拡散電位を生じさせる役目を果たし、この拡散電位の大きさによって薄膜太陽電池の重要な特性の１つである開放電圧（Ｖｏｃ）の値が左右される。しかし、これらの導電型層は光電変換に直接寄与しない不活性な層であり、導電型層にドープされた不純物によって吸収される光は発電に寄与しない損失となる。したがって、ｐ型とｎ型の導電型層は、十分な拡散電位を生じさせ得る範囲内であれば、できるだけ小さな厚さにとどめておくことが好ましい。ｐ型やｎ型の導電型層としては、光電変換層と同一の材料を用いる場合もあるが、例えば、シリコンに対するシリコンカーバイドのように、光電変換層よりもバンドギャップの広い材料を用いることにより、導電型層と光電変換層の界面に新たな電界を形成し、光吸収に伴って発生したキャリアが界面で再結合するのを抑制する技術も広く用いられている。

ここで、上述のようなｐｉｎ（ｎｉｐ）型の光電変換ユニットまたは薄膜太陽電池は、それに含まれるｐ型とｎ型の導電型層が非晶質か結晶質かにかかわらず、その主要部を占める光電変換層が非晶質のものは非晶質ユニットまたは非晶質薄膜太陽電池と称され、光電変換層が結晶質のものは結晶質ユニットまたは結晶質薄膜太陽電池と称される。

薄膜太陽電池の変換効率を向上させる方法として、２以上の光電変換ユニットを積層してタンデム型にする方法がある。この方法においては、薄膜太陽電池の光入射側に広いバンドギャップを有する光電変換層を含む前方ユニットを配置し、その後方に順に狭いバンドギャップを有する光電変換層を含む後方ユニットを配置することにより、入射光の広い波長範囲にわたって光電変換を可能にし、これによって太陽電池全体としての変換効率の向上が図られる。このようなタンデム型太陽電池の中でも、特に非晶質光電変換ユニットと結晶質光電変換ユニットを積層したものはハイブリッド薄膜太陽電池と称される。

例えば、ｉ型非晶質シリコンが光電変換し得る光の波長は長波長側において８００ｎｍ程度までであるが、ｉ型結晶質シリコンはそれより長い約１１００ｎｍ程度の波長までの光を光電変換することができる。ただし、光吸収係数の大きな非晶質シリコン光電変換層が十分に光吸収するためには０．３μｍ程度以下の厚さでも十分であるが、光吸収係数の小さな結晶質シリコン光電変換層は長波長の光をも十分に吸収するためには１．５〜３μｍ程度の厚さを有することが好ましい。すなわち、結晶質光電変換層は、通常は非晶質光電変換層に比べて５〜１０倍程度の厚さを有することが望まれる。

非晶質シリコン単層の薄膜太陽電池においても、前述のハイブリッド薄膜太陽電池においても、光電変換層の厚さをできるだけ小さく保つことが生産性の向上すなわち低コスト化の点からは望ましい。このため、光入射側から見て光電変換層の後方に光電変換層よりも屈折率の小さな層を配置して特定波長の光を有効に反射させる、いわゆる光閉じ込め効果を利用した構造が一般的に用いられている。光入射側から見て光電変換層の後方に配置する、というのは、光電変換層に接してその裏面側に配置されていること、もしくは光電変換層の裏面に別の層を配置し、その層を挟んで裏面側に配置されていることを指す。

従来技術として、特許文献１には、光入射側から、透光性第１電極、非晶質シリコン半導体薄膜（以下単に半導体薄膜と呼ぶ）、厚さ１２００Å未満の酸化亜鉛膜、不透光性第２電極（金属電極）が順に積層された太陽電池の構造を開示している。

従来技術として、特許文献２は、光電変換層／導電型シリコン系低屈折率層／導電型シリコン系界面層の構造を開示しており、本発明と同様の構造である。
公開特許公報特開平２−７３６７２号 国際公開特許公報ＷＯ２００５／０１１００２号

特許文献１には、光入射側から、透光性第１電極、非晶質シリコン半導体薄膜（以下単に半導体薄膜と呼ぶ）、厚さ１２００Å未満の酸化亜鉛膜、不透光性第２電極（金属電極）が順に積層された太陽電池の構造を開示している。酸化亜鉛膜は、半導体薄膜と金属電極との界面に珪化物が生じて吸収ロスが増えるのを防止する作用を有する。また、酸化亜鉛膜と半導体薄膜との間に屈折率差があるため、酸化亜鉛膜の厚さを１２００Å未満、好ましくは３００〜９００Åに限定すれば半導体薄膜／酸化亜鉛膜界面での反射率を向上させる効果を有する。このため、太陽電池の短絡電流密度が向上し、変換効率が向上する。しかしながら、酸化亜鉛膜はスパッタ、スプレーなどの手法で形成されるため、プラズマＣＶＤ法等で一般的に形成される半導体薄膜とは別設備を用いる必要があり、設備コストがかかり、生産タクトも長くなるという問題が発生する。さらに、特に酸化亜鉛膜の形成にスパッタ法を用いる場合、下地半導体薄膜へのスパッタダメージによる性能低下を引き起こす可能性がある、という問題も発生する。

特許文献２は、光電変換層／導電型シリコン系低屈折率層／導電型シリコン系界面層の構造を開示しており、本発明と同様の構造である。しかしながら、特許文献２においては、シリコン系低屈折率層の厚さは光学的な見地から実質的に３０ｎｍ以上に設計されている。更に、この厚さに加えて、シリコン系低屈折率層と裏面電極の間に生じる接触抵抗を低減させる役割を果たす、導電型シリコン系界面層の厚さをも加えると、導電型層のトータル厚さは実質的に４０ｎｍ程度以上になる。このため、導電型層を通過する際の光の吸収ロスが無視できない場合もあった。

上述のような状況に鑑み、本発明は、光電変換層に比べて低い屈折率を有するシリコン系の層を、光電変換層の形成と別種の設備を用いることなく、光入射側から見て光電変換層の後方にごく薄く配置することにより、十分な光閉じ込め効果を発揮した上でその層内での光の吸収ロスを小さく保ち、かつそのような低い屈折率を有する層が配置されていても太陽電池内で発生したキャリアの再結合損失を小さく保つことができる、高効率かつ低コストでシリコン系薄膜太陽電池を提供することを目的としている。

本発明者らは、特許文献２の知見を元に、太陽電池の裏面構造を更に鋭意検討した。その結果、当業者が容易に想到できない顕著な効果を有する下記の発明を完成するに至った。

本発明の第１は、
「光入射側から見て光電変換層の後方に導電型シリコン系低屈折率層、導電型シリコン系界面層が順に配置され、該導電型シリコン系低屈折率層および該導電型シリコン系界面層の厚さがそれぞれ０ｎｍより大きく１０ｎｍ以下であることを特徴とするシリコン系薄膜太陽電池」、である。

本発明は、また、「前記シリコン系低屈折率層の波長６００ｎｍにおける屈折率が２．５以下であることを特徴とするシリコン系薄膜太陽電池」、である。

本発明は、また、「前記シリコン系低屈折率層中に占める、シリコンを除く最多構成元素は酸素であることを特徴とするシリコン系薄膜太陽電池」、である。

本発明は、また、「前記シリコン系低屈折率層は、その層中に結晶質シリコン成分を含むことを特徴とするシリコン系薄膜太陽電池」、である。

本発明は、また、「前記導電型シリコン系界面層の厚さは５ｎｍ以上であることを特徴とするシリコン系薄膜太陽電池」、である。

本発明は、また、「前記のシリコン系薄膜太陽電池であって、少なくとも非晶質光電変換ユニットを１以上備え、かつ、結晶質光電変換ユニットを１以上備える、ハイブリッド薄膜太陽電池」、である。

本発明者らは、特許文献２の知見を元に、太陽電池の裏面構造を更に鋭意検討した結果、当業者が容易に想到できない顕著な効果を有する下記の発明を完成するに至った。

本発明の第１は、光入射側から見て光電変換層の後方に導電型シリコン系低屈折率層、導電型シリコン系界面層が順に配置され、該導電型シリコン系低屈折率層および該導電型シリコン系界面層の厚さがそれぞれ０ｎｍより大きく１０ｎｍ以下であることを特徴とするシリコン系薄膜太陽電池である。

本発明の第１の構成により、特許文献２当時の当業者の常識として特に期待をしていなかった、シリコン系低屈折率層の厚さが０ｎｍより大きく１０ｎｍ以下の範囲において、Ｖｏｃと曲線因子（ＦＦ）が改善された。更に驚くべきことに、シリコン系低屈折率層の厚さが１０ｎｍ以下では光閉じ込めによる短絡電流密度（Ｊｓｃ）の改善は見込めないと当時は考えられていたが、本発明の構成により、Ｊｓｃの改善も見られることがわかった。

シリコン系低屈折率層は光電変換層内に拡散電位を生じさせる役割を果たし、不純物によりｎ型にドープされた層である。本発明のシリコン系低屈折率層は、厚さが１０ｎｍ以下に設定されるため、その表面で光を有効に光電変換層側に反射させ、かつその層中での光の吸収ロスをできる限り小さく保つことができる。

本発明は、また、前記シリコン系低屈折率層の波長６００ｎｍにおける屈折率が２．５以下であることを特徴とするシリコン系薄膜太陽電池である。

本発明では、シリコン系低屈折率層の厚さを１０ｎｍ以下と薄くすることにより、導電型シリコン系界面層の屈折率を下げた場合に顕在化していく、層内の欠陥に起因したキャリアの再結合を低減することができる。従い、本発明の第２の構成のような、「前記シリコン系低屈折率層の波長６００ｎｍにおける屈折率が２．５以下」であっても、本発明の課題を解決できる。

本発明は、また、前記シリコン系低屈折率層中に占める、シリコンを除く最多構成元素は酸素であることを特徴とするシリコン系薄膜太陽電池である。

本発明は、また、前記シリコン系低屈折率層は、その層中に結晶質シリコン成分を含むことを特徴とするシリコン系薄膜太陽電池である。

本発明のシリコン系薄膜太陽電池は、導電型シリコン系界面層の層中に結晶質シリコン成分を含むことにより、導電型シリコン系界面層に接して配置された透明酸化物層との接触抵抗を小さく保つことができる。また、導電型シリコン系界面層のシリコンを除く最多構成元素を酸素とすることにより導電型シリコン系界面層の結晶化率を維持しつつ導電型シリコン系界面層の屈折率を低下させることが可能となり、導電型シリコン系界面層の屈折率を低下させても界面層の導電率を維持することができる。

本発明は、また、前記導電型シリコン系界面層の厚さは５ｎｍ以上であることを特徴とする、シリコン系薄膜太陽電池である。

導電型シリコン系界面層は、シリコンを主成分とする導電型層である。導電型シリコン系界面層はその層における光吸収損失をできるだけ小さく保つために、厚さが１０ｎｍ以下に設定される。また、薄いシリコン系低屈折率層だけでは不十分な可能性のある、光電変換層内の拡散電位の発生を補うため、その厚さは５ｎｍ以上であることが好ましい。

本発明の第５の構成であることによって、すなわち、導電型シリコン系界面層の厚さが５ｎｍ以上であることによって、薄いシリコン系低屈折率層だけでは不十分な可能性のある、光電変換層内の拡散電位の発生を補うことができる。

特に、図１に示すようにシリコン系低屈折率層としてシリコンオキサイドを用い、その層中酸素量を増やして屈折率を２．５以下にまで下げた場合、シリコン系低屈折率層と裏面電極層の接触抵抗を下げるのは困難であるが、このような問題も導電型シリコン系界面層を挿入することにより解決することができる。

本発明によれば、光電変換層よりも低い屈折率を有するシリコン系低屈折率層を、光電変換層の形成と別種の設備を用いることなく、光入射側から見て光電変換層の後方に形成することができるため、低コストで十分な光閉じ込め効果を発揮できる。さらにシリコン系低屈折率層の後方に薄い導電型シリコン系界面層を配置することで太陽電池の直列抵抗を小さく保つことができる。この結果、高効率かつ低コストでシリコン系薄膜太陽電池を提供することができる。

本発明は、また、「前記のシリコン系薄膜太陽電池であって、少なくとも非晶質光電変換ユニットを１以上備え、かつ、結晶質光電変換ユニットを１以上備える、ハイブリッド薄膜太陽電池」、である。

以下に、本発明の実施の形態としてのシリコン系薄膜太陽電池を、図２を参照しつつ説明する。

透光性基板１の上に透明電極層２が形成されている。透光性基板１としては、ガラス、透明樹脂等から成る板状部材やシート状部材が用いられる。透明電極層２はＳｎＯ₂、ＺｎＯ等の導電性金属酸化物から成ることが好ましく、ＣＶＤ、スパッタ、蒸着等の方法を用いて形成されることが好ましい。透明電極層２はその表面に微細な凹凸を有することにより、入射光の散乱を増大させる効果を有することが望ましい。透明電極層２の上には非晶質光電変換ユニット３が形成される。非晶質光電変換ユニット３は非晶質ｐ型シリコンカーバイド層３ｐ、ノンドープ非晶質ｉ型シリコン光電変換層３ｉ、ｎ型シリコン系界面層３ｎから成り立っている。非晶質光電変換ユニット３の上に結晶質光電変換ユニット４が形成されている。非晶質光電変換ユニット３、および結晶質光電変換ユニット４（以下、この両方のユニットをまとめて単に光電変換ユニットと称する）の形成には高周波プラズマＣＶＤ法が適している。光電変換ユニットの形成条件としては、基板温度１００〜３００℃、圧力３０〜１５００Ｐａ、高周波パワー密度０．０１〜０．５Ｗ／ｃｍ²が好ましく用いられる。光電変換ユニット形成に使用する原料ガスとしては、ＳｉＨ₄、Ｓｉ₂Ｈ₆等のシリコン含有ガスまたは、それらのガスとＨ₂を混合したものが用いられる。光電変換ユニットにおけるｐ型またはｎ型層を形成するためのドーパントガスとしては、Ｂ₂Ｈ₆またはＰＨ₃等が好ましく用いられる。

結晶質光電変換ユニット４は結晶質ｐ型シリコン層４ｐ、結晶質ｉ型シリコン光電変換層４ｉ、ｎ型シリコン系低屈折率層４ｏｎ、およびｎ型シリコン系界面層４ｎから成り立っている。ｎ型シリコン系低屈折率層４ｏｎとしてはシリコンオキサイドが代表的に用いられ、その場合使用する原料ガスとしては、ＳｉＨ₄、Ｈ₂、ＣＯ₂、ＰＨ₃の混合ガスが適している。シリコン系低屈折率層４ｏｎの厚さは１０ｎｍ以下に設定される。シリコン系低屈折率層４ｏｎには結晶質シリコン成分が含まれていなくてもよいが、含まれているほうがより好ましい。シリコン系低屈折率層４ｏｎの波長６００ｎｍにおける屈折率として２．５以下が好ましく用いられ、さらに好ましくは６００ｎｍにおける屈折率を２．２以下とすることが望ましい。シリコン系低屈折率層４ｏｎとしてシリコンオキサイドを用いた場合、層の導電率は１×１０^-3Ｓ／ｃｍ〜１×１０^-6Ｓ／ｃｍの範囲となる膜が用いられる。シリコン系低屈折率層４ｏｎは膜厚方向に屈折率が一定でもよく、途中で屈折率が変化していてもよい。さらに、屈折率が周期的に増減するようになっていてもよい。なお、図２では光入射側から見て結晶質ｉ型シリコン光電変換層４ｉの後方に、結晶質ｉ型シリコン光電変換層４ｉに接してｎ型シリコン系低屈折率層４ｏｎが配置される構造を示しているが、結晶質ｉ型シリコン光電変換層４ｉとｎ型シリコン系低屈折率層４ｏｎの間にｎ型シリコン層等の別の層が挟まれて配置されていてもよい。また、シリコン系低屈折率層４ｏｎとしては、シリコンオキサイドの代わりに、シリコンナイトライド、シリコンカーバイド、シリコンオキシナイトライド、シリコンオキシカーバイド等、シリコンに窒素、炭素、酸素のいずれか一つ以上の元素が含まれる層であってもよい。

ｎ型シリコン系低屈折率層４ｏｎ上にｎ型シリコン系界面層４ｎが形成される。ｎ型シリコン系界面層４ｎには主として結晶質シリコンが用いられる。ｎ型シリコン系界面層４ｎは、ｎ型シリコン系低屈折率層４ｏｎと透明酸化物層５の接触抵抗を改善する目的で用いられ、この層における光吸収ロスを最小限にとどめるためにできるだけ小さな厚さを有することが望ましい。具体的には１０ｎｍ以下の厚さが用いられる。一方で、ｎ型シリコン系界面層４ｎは光電変換層内に拡散電位を生じさせるのを補う役割も果たすので、５ｎｍ以上の厚さであることが好ましい。さらに、ｎ型シリコン系界面層４ｎには１〜１０²Ｓ／ｃｍ程度の導電率を有するものが用いられ得る。ｎ型シリコン系界面層４ｎには酸素、炭素、窒素のいずれか一つ以上の元素が、透明酸化物層５との接触抵抗を増大させない程度に含まれていてもよい。
ｎ型シリコン系界面層４ｎの上には透明酸化物層５と裏面反射電極層６が形成される。透明酸化物５にはＺｎＯ、ＩＴＯ等の金属酸化物が用いられ、裏面反射電極層６にはＡｇ、Ａｌまたはそれらの合金が好ましく用いられる。透明酸化物層５および裏面反射電極層６の形成においては、スパッタ、蒸着等の方法が好ましく用いられる。なお、図２にはハイブリッド薄膜太陽電池の構造を記載しているが、光電変換ユニット４は必ずしも２つである必要はなく、非晶質または結晶質のシングル構造、３層以上の積層型太陽電池構造であってもよい。さらに、図２は透光性基板上に光電変換層、シリコン系低屈折率層、ｎ型シリコン系界面層が順に配置された構造を示しているが、金属等の導電性基板上または絶縁基板上に、ｎ型シリコン系界面層、シリコン系低屈折率層、光電変換層が順に堆積された、いわゆる逆タイプの構造であってもよい。

本発明者らは、特許文献２の知見を元に、太陽電池の裏面構造を更に鋭意検討した結果、当業者が容易に想到できない顕著な効果を有する下記の発明を完成するに至った。

本発明の第１は、「光入射側から見て光電変換層の後方に導電型シリコン系低屈折率層、導電型シリコン系界面層が順に配置され、該導電型シリコン系低屈折率層および該導電型シリコン系界面層の厚さがそれぞれ０ｎｍより大きく１０ｎｍ以下であることを特徴とするシリコン系薄膜太陽電池」、である。

本発明の構成により、特許文献２当時の当業者の常識として特に期待をしていなかった、シリコン系低屈折率層の厚さが１０ｎｍ以下の範囲において、Ｖｏｃと曲線因子（ＦＦ）が改善された。更に驚くべきことに、シリコン系低屈折率層の厚さが１０ｎｍ以下では光閉じ込めによる短絡電流密度（Ｊｓｃ）の改善は見込めないと当時は考えられていたが、本発明の構成により、Ｊｓｃの改善も見られることがわかった。

これは、以下の理由によると推定しているが、今後の検討が待たれている。シリコン系低屈折率層は光電変換層よりもバンドギャップの広い層であり、かつ光電変換層との界面において格子不整合等による欠陥が少ないので、界面でのキャリア再結合を低減するいわゆるパッシべーション層の役割を果たす。しかしながら、シリコン系低屈折率層自体にはシリコン以外の元素が大量に含まれている。このため、シリコン系低屈折率層が僅かでも厚すぎれば、例えばシリコンのみの導電型層と比較して、その層内でのキャリア再結合が大幅に促進され、せっかく得られた界面でのキャリア再結合低減の効果を打ち消してしまい、ＶｏｃとＦＦが向上しない。さらに、シリコン系低屈折率層が厚すぎれば、その層を光が通過する際に吸収ロスが増え、Ｊｓｃが低下してしまう。

本発明によるシリコン系薄膜太陽電池は、光入射側から見て光電変換層の後方に厚さがそれぞれ１０ｎｍ以下のシリコン系低屈折率層、導電型シリコン系界面層が順に配置されたことを特徴とするシリコン系薄膜太陽電池である。

シリコン系低屈折率層は光電変換層内に拡散電位を生じさせる役割を果たし、不純物によりｎ型にドープされた層である。シリコン系低屈折率層は、その表面で光を有効に光電変換層側に反射させ、かつその層中での光の吸収ロスをできる限り小さく保つため、厚さは１０ｎｍ以下に設定される。

本発明は、また、「前記シリコン系低屈折率層の波長６００ｎｍにおける屈折率が２．５以下であることを特徴とするシリコン系薄膜太陽電池である。

また、波長６００ｎｍにおける屈折率が２．５以下であることが好ましい。また、シリコン系低屈折率層の厚さを１０ｎｍ以下と薄くすることにより、導電型シリコン系界面層の屈折率を下げた場合に顕在化していく、層内の欠陥に起因したキャリアの再結合を低減することができる。シリコン系低屈折率層は、シリコンオキサイドを代表とする、シリコンと酸素等の元素から成る合金層であり、薄くても光電変換層内に十分な拡散電位を生じさせるため、その層の導電率が１×１０^-3Ｓ／ｃｍ以下であり、かつ１×１０^-6Ｓ／ｃｍ以上の範囲にあることが好ましく、また、光電変換層と同種の製法、すなわち高周波プラズマＣＶＤ等の方法で形成されることが好ましい。シリコン系低屈折率層は、上記の導電率を得ると共に、それに接して形成される導電型シリコン系界面層との界面抵抗を小さくするため、その層中に結晶質シリコン成分を含むことが好ましい。

導電型シリコン系界面層は、シリコンを主成分とする導電型層である。導電型シリコン系界面層はその層における光吸収損失をできるだけ小さく保つために、厚さが１０ｎｍ以下に設定される。また、薄いシリコン系低屈折率層だけでは不十分な可能性のある、光電変換層内の拡散電位の発生を補うため、その厚さは５ｎｍ以上であることが好ましい。さらに、導電型シリコン系界面層に接して配置された透明酸化物層との接触抵抗を小さく保つために、導電型シリコン系界面層はその層中に結晶質シリコン成分を含むことが好ましい。

特に、図１に示すようにシリコン系低屈折率層としてシリコンオキサイドを用い、その層中酸素量を増やして屈折率を２．５以下にまで下げた場合、シリコン系低屈折率層と裏面電極層の接触抵抗を下げるのは困難であるが、このような問題も導電型シリコン系界面層を挿入することにより解決される。

本発明は、また、前記シリコン系低屈折率層中に占める、シリコンを除く最多構成元素は酸素であることを特徴とするシリコン系薄膜太陽電池である。

本発明は、また、前記シリコン系低屈折率層は、その層中に結晶質シリコン成分を含むことを特徴とする、シリコン系薄膜太陽電池である。

本発明は、また、「前記導電型シリコン系界面層の厚さは５ｎｍ以上であることを特徴とするシリコン系薄膜太陽電池」、である。

本発明は、また、「前記のシリコン系薄膜太陽電池であって、少なくとも非晶質光電変換ユニットを１以上備え、かつ、結晶質光電変換ユニットを１以上備える、ハイブリッド薄膜太陽電池」、である。

以下に、本発明によるシリコン系薄膜太陽電池として実施例１、２および３を、図３を参照しつつ、比較例１および２と比較しながら説明する。

（実施例１）
図３は、各実施例及び各比較例にて作製したハイブリッド薄膜太陽電池を模式的に示す断面図である。

まず、０．７ｍｍ厚の青板ガラスから成る透光性基板１の一主面上に、ＳｎＯ₂からなる表面に微細な凹凸構造を有する透明電極層２を熱ＣＶＤ法により形成した。

次に、非晶質光電変換ユニット３を形成するために、透明電極層２が形成された透光性基板１を高周波プラズマＣＶＤ装置内に導入し、所定の温度に加熱した後、厚さ１５ｎｍの非晶質ｐ型シリコンカーバイド層３ｐ、厚さ３３０ｎｍのノンドープ非晶質ｉ型シリコン光電変換層３ｉ、及び厚さ３０ｎｍのｎ型シリコン層３ｎを順次積層した。

さらに、結晶質光電変換ユニット４を形成するために、プラズマＣＶＤ装置を用いて、厚さ１５ｎｍのｐ型結晶質シリコン層４ｐ、厚さ１．４μｍの結晶質ｉ型シリコン光電変換層４ｉ、ｎ型シリコン系低屈折率層４ｏｎを５ｎｍ、及び厚さ７．５ｎｍのｎ型結晶質シリコン系界面層４ｎを順次積層した。その際のｎ型シリコン系低屈折率層４ｏｎの製膜条件は、基板製膜面−電極間距離８〜１５ｍｍ、圧力５〜１０Ｔｏｒｒ、高周波パワー密度０．１Ｗ／ｃｍ²、ＳｉＨ₄／ＣＯ₂／ＰＨ₃／Ｈ₂流量比を各々１／５／０．０４２／３８０とした。また、本構造で用いたｎ型シリコン系低屈折率層と同一の製膜条件でガラス上に３６０ｎｍ堆積したｎ型シリコン系低屈折率層の分光エリプソメトリにより測定した屈折率は、波長６００ｎｍにおいて２．１であり、導電率は１．３×１０^-4Ｓ／ｃｍであった。さらにガラス上のｎ型シリコン系低屈折率層をラマン散乱分光法で測定した際の５２０ｃｍ^-1付近の結晶Ｓｉのピーク強度と４８０ｃｍ^-1付近のアモルファスシリコンのピーク強度との比率を計算すると４．８であった。一方、ｎ型シリコン系界面層４ｎの製膜条件は、基板製膜面−電極間距離１０〜１５ｍｍ、圧力３５０〜１３００Ｐａ、高周波パワー密度０．１１Ｗ／ｃｍ²、ＳｉＨ₄／ＰＨ₃／Ｈ₂流量を各々２０／０．５／２５００ｓｃｃｍとした。また、これと同一の製膜条件でガラス上に３６０ｎｍ堆積したｎ型シリコン系界面層の導電率は１００Ｓ／ｃｍであった。

その後、厚さ３０ｎｍのＺｎＯから成る透明酸化物層５と厚さ２００ｎｍのＡｇから成る裏面反射電極層６をＤＣスパッタ法によって形成した。

さらに、透明電極層２を残して非晶質光電変換ユニット３、結晶質光電変換ユニット４、透明酸化物層５、及び裏面反射電極層６を島状に分離するために、ＹＡＧ第２高調波パルスレーザーを透光性基板１に照射することにより複数の裏面電極層分離溝５ａを形成した。図示はしていないが、裏面電極層分離溝５ａと垂直に交差する複数の裏面電極分離溝をも形成することにより、島状の分離領域を形成した。さらに、１本の裏面電極層分離溝５ａに隣接して島状の分離領域の外側にさらに裏面電極層分離溝を形成し、その内部に半田を浸透させて透明電極層２とのコンタクト領域６を形成することにより、ハイブリッド薄膜太陽電池を作製した。このハイブリッド薄膜太陽電池は有効面積が１ｃｍ²であり、実施例１では１枚の基板上に上記の太陽電池を合計２５個作製した。

実施例１で作製したハイブリッド薄膜太陽電池に、スペクトル分布ＡＭ１．５、エネルギー密度１００ｍＷ／ｃｍ²の擬似太陽光を、測定雰囲気及び太陽電池の温度が２５±１℃の下で照射し、透明電極層２にコンタクト領域６を通じて接触させた正極プローブ７と裏面電極５に接触させた負極プローブ８の間の電圧及び電流を測定することで、薄膜太陽電池の出力特性を測定した。表１に実施例１で作製した２５個のハイブリッド薄膜太陽電池の平均性能を示す。

（実施例２）
実施例２においては、実施例１とほぼ同様の工程を実施したが、ｎ型シリコン系低屈折率層４ｏｎの膜厚のみを１０ｎｍに変化させた点が、実施例１とは異なっていた。表１に実施例２で作製した２５個のハイブリッド薄膜太陽電池の平均性能を示す。

（比較例１）
比較例１においては、以下の点のみが実施例１と異なっていた。ｎ型シリコン系低屈折率層４ｏｎとｎ型結晶質シリコン系界面層４ｎを順次積層する代わりに、厚さ２０ｎｍのｎ型結晶質シリコン層と厚さ９０ｎｍのＺｎＯ透明酸化物層５を順次積層した。ＺｎＯ層の製膜はＤＣスパッタ法により行なった。また、これと同一の製膜条件でガラス上に２５０ｎｍ堆積したＺｎＯ層を分光エリプソメトリにより測定した屈折率は、波長６００ｎｍにおいて１．９であった。表１に比較例１で作製した２５個のハイブリッド薄膜太陽電池の平均性能を示す。

（比較例２）
比較例２においては、実施例１とほぼ同様の工程を実施したが、ｎ型シリコン系低屈折率層４ｏｎの膜厚のみを６０ｎｍに変化させた点が、実施例１とは異なっていた。表１に比較例２で作製した２５個の集積化ハイブリッド薄膜太陽電池の平均性能を示す。

実施例１と比較例１の比較から、実施例１においては比較例１よりも短絡電流が２．５％以上改善されていることがわかる。これは、実施例１においては、結晶質ｉ型シリコン光電変換層４ｉの後方に到達した光の大半が結晶質ｉ型シリコン光電変換層４ｉとｎ型シリコン系低屈折率層４ｏｎの界面で結晶質ｉ型シリコン光電変換層４ｉ側に反射され、光吸収ロスの大きいｎ型結晶質シリコン系界面層４ｎを光が通過する割合が小さいのに対して、比較例１においては結晶質ｉ型シリコン光電変換層４ｉの後方にｎ型結晶質シリコン層とＺｎＯ層が順次積層されており、光吸収ロスの大きいｎ型結晶質シリコン層を光が通過する割合が大きいためである。さらに実施例１においては比較例１よりも開放電圧が１％程度改善されていることがわかる。これは、実施例１においては比較例１のプロセス中で生じるようなＺｎＯ層のスパッタ時の下地結晶質シリコン層へのダメージを防止できるためである。

次に、実施例１と実施例２の比較から実施例２においては短絡電流が増加していることが分かる。これは、ｎ型シリコン系低屈折率層の厚さが厚くなったためにｎ型シリコン系低屈折率層による光閉じ込めの効果が増加しているためである。しかし、ここで開放電圧に着目すると実施例２においては実施例１と同等の開放電圧が得られており、薄いｎ型シリコン系低屈折率層による開放電圧向上の効果が維持されていることが分かる。
さらに実施例１および２と比較例２の比較から、比較例２においては短絡電流は実施例１および２と同等の値が得られているのにも関わらず開放電圧が１％程度劣っていることがわかる。これは、比較例２においてはｎ型シリコン系低屈折率層４ｏｎが６０ｎｍと厚くなったことでｎ型シリコン系低屈折率層におけるキャリアの再結合の確率が上がったため、開放電圧が低下したと考えられる。

以上のことから、本発明によれば、光電変換層よりも低い屈折率を有するシリコン系低屈折率層を、光電変換層の後方に薄く形成することで十分な光閉じ込め効果を発揮することができ、さらにシリコン系低屈折率層内で発生するキャリアの再結合を低減することができる。この結果、高効率かつ低コストでシリコン系薄膜太陽電池を提供することができる。

シリコン系低屈折率層の層中酸素量と屈折率の関係を表す図である。 本発明によるシリコン系低屈折率層を含む薄膜太陽電池の模式的断面図である。 各実施例および比較例にて作製したハイブリッド薄膜太陽電池の模式的断面図である。

符号の説明

１ 透光性基板
２ 透明導電膜
３ 非晶質シリコン光電変換ユニット
３ｐ 非晶質ｐ型シリコンカーバイド層
３ｉ 非晶質ｉ型シリコン光電変換層
３ｎ ｎ型結晶質シリコン層
４ 結晶質シリコン光電変換ユニット
４ｐ ｐ型結晶質シリコン層
４ｉ 結晶質ｉ型シリコン光電変換層
４ｏｎ ｎ型シリコン系低屈折率層
４ｎ ｎ型結晶質シリコン系界面層
５ａ 裏面電極層分離溝
５ 透明酸化物層
６ 裏面反射電極層
７ 正極プローブ
８ 負極プローブ

Claims (6)

1. 光入射側から見て光電変換層の後方に導電型シリコン系低屈折率層、導電型シリコン系界面層が順に配置され、該導電型シリコン系低屈折率層および該導電型シリコン系界面層の厚さがそれぞれ０ｎｍより大きく１０ｎｍ以下であることを特徴とするシリコン系薄膜太陽電池。
2. 前記シリコン系低屈折率層の波長６００ｎｍにおける屈折率が２．５以下であることを特徴とする、請求項１に記載のシリコン系薄膜太陽電池。
3. 前記シリコン系低屈折率層中に占める、シリコンを除く最多構成元素は酸素であることを特徴とする、請求項１または２に記載のシリコン系薄膜太陽電池。
4. 前記シリコン系低屈折率層は、その層中に結晶質シリコン成分を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のシリコン系薄膜太陽電池。
5. 前記導電型シリコン系界面層の厚さは５ｎｍ以上であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のシリコン系薄膜太陽電池。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のシリコン系薄膜太陽電池であって、少なくとも非晶質光電変換ユニットを１以上備え、かつ、結晶質光電変換ユニットを１以上備える、ハイブリッド薄膜太陽電池。