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太陽電池および太陽電池の製造方法

国内特許コード P170014261
整理番号 (FPV002A-WO)
掲載日 2017年6月23日
出願番号 特願2016-511357
出願日 平成27年3月13日(2015.3.13)
国際出願番号 JP2015001413
国際公開番号 WO2015151422
国際出願日 平成27年3月13日(2015.3.13)
国際公開日 平成27年10月8日(2015.10.8)
優先権データ
  • 特願2014-073369 (2014.3.31) JP
発明者
  • 市川 幸美
出願人
  • 国立研究開発法人科学技術振興機構
発明の名称 太陽電池および太陽電池の製造方法
発明の概要 本発明に係る太陽電池(300)は、例えば、光入射側に設けられたトップセル(100)と、このトップセル(100)の下方に設けられたボトムセル(200)が積層されたタンデム型の太陽電池であり、トップセル(100)のエネルギーギャップは、ボトムセル(200)のエネルギーギャップよりも大きな材料が選択されている。本発明では、トップセル(100)の結晶Si層の厚みを30μm以下とし、好ましくは5μm~10μmの範囲とする。n型結晶Si層の厚みが10μm以下では、結晶Si層内におけるキャリアのオージェ再結合が顕著に抑制される結果、開放電圧の向上が顕著である。また、出力を、トップセル(100)とボトムセル(200)から各々独立に取り出すことができるため、直列接続型タンデムセルで必要となる発電電流のマッチングを取る必要がない。
従来技術、競合技術の概要


太陽電池の分野においては、広波長域の太陽光を光電変換することで光電変換効率の向上を図るべく、複数の光電変換部を積層したタンデム型(多接合型)太陽電池が知られている(例えば、特許文献1~3を参照)。このようなタンデム型太陽電池の光電変換効率をさらに向上させるためには、光の利用効率をさらに高めて出力電流を向上させる必要がある。



単結晶Siウェハを用いた太陽電池として、現在高い光電変換効率を実現しているのは、アモルファスSiを単結晶Siウェハの両面に堆積したヘテロ接合太陽電池と、入射光側とは反対側の面にエミッタと裏面電界領域(BSF領域)を形成したバックコンタクト太陽電池である。



タンデム型Si太陽電池の光電変換効率の更なる向上のためには、結晶Si層内でのオージェ再結合の抑制が重要な課題となる。この課題解決のための方法のひとつに、結晶Si層の厚みを薄くすることがあり、研究レベルでは結晶Si層を100μm程度に薄くして比較的高い光電変換効率の太陽電池が得られている。

産業上の利用分野


本発明は、太陽電池技術に関し、より詳細には、従来の太陽電池に比較して光電変換効率の高いシリコン太陽電池およびその製造方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
トップセルが基体の主面上に設けられており、
前記トップセルは、光入射側から、順次、透明導電層、第1導電型アモルファスSi材料層、前記第1導電型とは逆の第2導電型結晶Si層、第2導電型アモルファスSi層を有する積層構造を有し、
前記トップセルの表面には受光面電極が、前記基体には裏面電極が設けられており、
前記トップセルの第2導電型結晶Si層の厚みが30μm以下である、ことを特徴とする太陽電池。

【請求項2】
前記トップセルの第2導電型結晶Si層の厚みが3μm~30μmである、請求項1に記載の太陽電池。

【請求項3】
前記トップセルの第2導電型結晶Si層の厚みが4μm~20μmである、請求項2に記載の太陽電池。

【請求項4】
前記トップセルの第2導電型結晶Si層の厚みが5μm~10μmである、請求項3に記載の太陽電池。

【請求項5】
前記トップセルは、前記第1導電型アモルファスSi材料層と第2導電型結晶Si層の間に、i型アモルファスSi材料層を備えている、請求項1~4の何れか1項に記載の太陽電池。

【請求項6】
前記トップセルは、前記第2導電型結晶Si層と第2導電型アモルファスSi層との間に、i型アモルファスSi層を備えている、請求項1~5の何れか1項に記載の太陽電池。

【請求項7】
前記トップセルと前記基体の間に、絶縁性透明パッシベーション層を備えている、請求項1~6の何れか1項に記載の太陽電池。

【請求項8】
前記絶縁性透明パッシベーション層は、シリコン酸化物もしくはアルミニウム酸化物からなる層である、請求項7に記載の太陽電池。

【請求項9】
前記基体は単結晶Siからなる、請求項1~8の何れか1項に記載の太陽電池。

【請求項10】
前記基体は単結晶Siからなり、前記トップセルと前記基体の間に、酸化インジウム・スズ(ITO)からなる層を備えている、請求項9に記載の太陽電池。

【請求項11】
前記基体は単結晶Siからなるボトムセルであり、前記トップセル側が第2導電型領域であり、その下方に第1導電型領域が形成されており、該ボトムセルの裏面に前記裏面電極が設けられてタンデム化されている、請求項9または10に記載の太陽電池。

【請求項12】
前記ボトムセルは、前記第2導電型領域の前記トップセル側に、該第2導電型領域よりもドナー濃度の高い第2導電型層を備えている、請求項11に記載の太陽電池。

【請求項13】
前記トップセルは、前記第2導電型アモルファスSi層の下側に設けられた第2の透明導電層を備えている、請求項1~12の何れか1項に記載の太陽電池。

【請求項14】
前記トップセルは、上方から見たときに、前記第2の透明導電層の表面が、バスバー部と該バスバー部から延在する複数のフィンガー部を有する櫛歯状に露出されている、請求項13に記載の太陽電池。

【請求項15】
前記トップセルの表面に、前記透明導電層に電気的に接続される第1の櫛歯状の受光面電極と、前記第2の透明導電層に電気的に接続される第2の櫛歯状の受光面電極が設けられている、請求項14に記載の太陽電池。

【請求項16】
前記ボトムセルの裏面側には、バスバー部と該バスバー部から延在する複数のフィンガー部を有する櫛歯状に形成された前記第1導電型領域と、バスバー部と該バスバー部から延在する複数のフィンガー部を有する櫛歯状に形成され、前記第2導電型領域よりもドナー濃度の高い第2の第2導電型領域が形成されており、前記第1導電型領域のフィンガー部と前記第2の第2導電型領域のフィンガー部は、所定間隔で交互に位置している、請求項11~15の何れか1項に記載の太陽電池。

【請求項17】
前記ボトムセルの裏面に、前記第1導電型領域に電気的に接続される第1の櫛歯状の裏面電極と、前記第2の第2導電型領域に電気的に接続される第2の櫛歯状の裏面電極が設けられている、請求項16に記載の太陽電池。

【請求項18】
前記太陽電池を上方から見たときに、前記第1の櫛歯状の受光面電極のバスバー部と前記第2の櫛歯状の裏面電極のバスバー部が一方端側で平行に位置しており、前記第2の櫛歯状の受光面電極のバスバー部と前記第1の櫛歯状の裏面電極のバスバー部が他方端側で平行に位置している、請求項15および17に記載の太陽電池。

【請求項19】
前記トップセルに設けられた透明導電層は、酸化インジウム・スズ(ITO)である、請求項1~18の何れか1項に記載の太陽電池。

【請求項20】
前記トップセルの光入射側に設けられた透明導電層は反射防止層を兼ねている、請求項1~19の何れか1項に記載の太陽電池。

【請求項21】
前記トップセルの前記第2導電型結晶Si層が、前記トップセルと前記ボトムセルの発電電流が同じになる厚みに設計されている、請求項11~20の何れか1項に記載の太陽電池。

【請求項22】
前記トップセルが備える透明導電層、第1導電型アモルファスSi材料層、第2導電型結晶Si層、第2導電型アモルファスSi層を有する積層構造は、前記太陽電池を上方から見たときに、所定の間隔で2次元配列する複数のナノワイヤ若しくは壁面が所定の方向に揃い且つ所定の間隔で2次元配列する複数の壁状のナノウォールに区画されたアレイ構造を有し、前記ナノワイヤの直径若しくは前記ナノウォールの厚みが、前記第2導電型結晶Si層の部位において10nm以下である、請求項1~21の何れか1項に記載の太陽電池。

【請求項23】
互いに隣接する前記ナノワイヤ若しくは前記ナノウォールは、絶縁性物質により離間されている、請求項22に記載の太陽電池。

【請求項24】
基体上にトップセルを有する太陽電池の製造方法であって、
表面領域に第2導電型アモルファスSi層が形成され、該第2導電型アモルファスSi層の上に透明導電層が設けられた第1の第2導電型Si結晶基板と、表面に透明導電層若しくは絶縁性透明パッシベーション層が形成された前記基体の表面同士を、400℃以下の温度で貼り合わせる第1のステップと、
前記第1の第2導電型Si結晶基板を裏面から厚み30μm以下まで薄くして前記トップセルの第2導電型結晶Si層とする第2のステップと、を備えている太陽電池の製造方法。

【請求項25】
前記基体は、表面領域にバルクよりも高いドナー濃度の第2導電型層が形成され、該第2導電型層の上に絶縁性透明パッシベーション層が設けられた第2の第2導電型Si結晶基板である、請求項24に記載の太陽電池の製造方法。

【請求項26】
前記第1のステップは、前記第1の第2導電型Si結晶基板の表面と前記基体の表面の少なくとも一方に、表面活性化処理を施すサブステップを備えている、請求項24または25に記載の太陽電池の製造方法。

【請求項27】
前記表面活性化処理はプラズマ処理又はオゾン処理の少なくとも一方で実行される、請求項26に記載の太陽電池の製造方法。

【請求項28】
前記透明導電層は酸化インジウム・スズ(ITO)であり、前記絶縁性透明パッシベーション層はシリコン酸化物もしくはアルミニウム酸化物からなる層である、請求項24~27の何れか1項に記載の太陽電池の製造方法。

【請求項29】
前記第1のステップに先立ち、前記第1の第2導電型Si結晶基板の表面領域に所定のドーズ量の水素を注入して水素イオン注入層を形成するステップを備え、
前記第2のステップにおいて、前記水素イオン注入層に機械的若しくは熱衝撃を付与することにより前記第1の第2導電型Si結晶基板から第2導電型結晶Si層を剥離させて前記トップセルの第2導電型結晶Si層とする、請求項24~28の何れか1項に記載の太陽電池の製造方法。

【請求項30】
前記第2のステップの後に、前記第2導電型結晶Si層の上方に、第2導電型とは逆の第1導電型アモルファスSi材料層を形成する第3のステップを備えている、請求項29に記載の太陽電池の製造方法。

【請求項31】
前記第3のステップは、前記第1導電型アモルファスSi材料層の形成に先立ち、前記第2導電型結晶Si層を、所定の間隔で2次元配列する複数のナノワイヤであって前記第2導電型結晶Si層の部位において直径が10nm以下のナノワイヤ、若しくは、壁面が所定の方向に揃い且つ所定の間隔で2次元配列する複数の壁状のナノウォールであって前記第2導電型結晶Si層の部位において厚みが10nm以下であるナノウォールに区画するサブステップを備えている、請求項30に記載の太陽電池の製造方法。
国際特許分類(IPC)
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出願権利状態 公開
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