JP2018157099A - 太陽電池、多接合型太陽電池、太陽電池モジュール及び太陽光発電システム - Google Patents

太陽電池、多接合型太陽電池、太陽電池モジュール及び太陽光発電システム Download PDF

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Abstract

【課題】実施形態は、変換効率を向上させた太陽電池、多接合型太陽電池、太陽電池モジュール及び太陽光発電システムを提供する。【解決手段】実施形態の太陽電池は、光透過性をもつ基板１と、複数の金属部９を有し、光透過性をもつ第１電極２と、前記第１電極２上に設けられ、光を吸収する光吸収層３と、前記光吸収層３上に設けられ、光透過性をもつ第２電極６と、を具備する。【選択図】図１

Description

実施形態は、太陽電池、多接合型太陽電池、太陽電池モジュール及び太陽光発電システ
ムに関する。
太陽電池として多接合型(タンデム)がある。波長帯毎に効率の良いセルを用いることが
できるため、単接合よりも高い変換効率が期待される。銅（Ｃｕ）、インジウム（Ｉｎ）
、ガリウム（Ｇａ）、セレン（Ｓｅ）の４種類の元素を原料として生成された化合物半導
体を使用したカルコパイライト太陽電池は他の太陽電池より変換効率がよいことが知られ
ており、ワイドギャップ化をすることによりトップセル候補となりうる。しかしながら、
トップセルとして用いる場合バンドギャップ以下の光を透過させるために透明電極を用い
る必要がある。透明電極上に直接光吸収層を成膜すると界面が酸化してしまい良いコンタ
クトが形成できないため、変換効率を下げる要因となる。
特許第５８７５１２４号公報
実施形態は、変換効率を改善した太陽電池、多接合型太陽電池、太陽電池モジュール及
び太陽光発電システムを提供する。
実施形態の太陽電池は、光透過性をもつ基板と、複数の金属部を有し、光透過性をもつ第
１電極と、前記第１電極上に設けられ、光を吸収する光吸収層と、前記光吸収層上に設け
られ、光透過性をもつ第２電極６と、を具備する。
実施形態にかかわる太陽電池の断面概念図。 実施形態にかかわるイメージ図。 実施形態にかかわる断面図。 本実施形態の製造方法のフローチャート。 実施形態にかかわる太陽電池の断面概念図。 実施形態にかかわる光学顕微鏡像。 実施形態にかかわる多接合太陽電池の断面概念図。 実施形態にかかわる太陽電池モジュールの概念図。 実施形態にかかわる太陽光電池システムの概念図。
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な一実施形態について詳細に説明する。
（第１実施形態）
第１実施形態について図１を参照して説明する。本実施形態に係る太陽電池１００は、光
が透過するアルカリ金属を含む基板１と、基板１上に設けられる第１電極２と、を備える
。第１電極２上に光吸収層３を有している。また、光吸収層３上に第２電極６が存在する
。第２電極上から入射した光によって光吸収層３は、第２電極６に電子を供給する。第１
電極２は、アルカリ金属を光吸収層３に拡散させる金属部９を有する非光透過部分１１を
含んでいる。また、非光透過部分１１は、基板１と対向している。第１電極２はさらに、
非光透過部分１１に隣接して光吸収層３から入射した光を透過させる材料を有する光透過
部分１０を含んでいる。非光透過部分とは、光透過性を持たない部分のことであり、光透
過性とは、光が透過可能である性質のことである。
ここで、本明細書内の「対向」は互いに向き合っていることを示しており、コンタクトし
て対向してもよいし、他の構成要素が間にあって対向してもよい。また、「上」及び「下
」は基板１から第２電極６に最短で向かう方向（積層方向）における上または下を示して
いる。
図１の実施形態では、金属部９は基板１側表面から第１電極３の光吸収層３側表面まで形
成されており、その結果、金属部９は、基板１および光吸収層３の両方にコンタクトして
いる。この金属９は、基板１にコンタクトしていればよく、たとえば図１に示すように基
板１側表面から光吸収層３内部まで形成されていてもよい。また、本発明の作用を得られ
る場合には、金属部９は、第１電極２の光吸収層３側表面まで形成されず第１電極２内部
まで形成されていてもよい。
（基板）
実施形態の基板１としては、アルカリ金属を含んだ光透過性を持つ基板である。光吸収
層３から入射した光は、基板１を透過する。例えば、ソーダライムガラスを用いることが
望ましく、石英、白板ガラス、化学強化ガラスなどガラス全般、ステンレス、Ｔｉ（チタ
ン）又はＣｒ（クロム）等の金属板あるいはポリイミド、アクリル等の樹脂を用いること
もできる。
ガラス基板であれば、ナトリウム、カリウムは含まれているので基板からの光吸収層内部
への拡散が期待されるが、ガラス中の含有量が少ない場合や、石英やその他の基板を用い
る場合にはナトリウム、カリウムを含む材料（たとえばフッ化物など）を基板に事前に蒸
着または成膜しておくことが望ましい。
（第１電極）
実施形態の第１電極２は、光透過性を持つ光透過部分１０と複数の金属部９が形成され光
透過性を持たない非光透過部分１１を含み、基板１と光吸収層３との間に存在し開口率が
５０％以上を有する領域である。開口率とは、第１電極２の光吸収層側表面において、光
透過部分１０及び非光透過部分１１を合わせた面積に対し光透過部分１０の面積の割合と
する。光透過部分１０とは光を透過する透明電極を有する部分であり、電極が存在しない
ことを意味するものではない。光透過部分１０によって、光吸収層３からの光は基板１方
向透過し、逆に基板１からの光は光吸収層３方向へ透過することができる。また、非光透
過部分１１には金属部９が存在し、この部分では光は透過しないが、基板１内のアルカリ
金属を光吸収層３に拡散させることができる。金属部９は例えば、光が入射する方向から
見てドット状に離間して設けられる。
光透過部分１０は、半導体膜を含む透明電極を有する部分である。透明電極としては、例
えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ：Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）を含む半導体
膜を用いることができる。
また、光透過部分１０と光吸収層３の間に、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、キャリアドープされた
ＺｎＯ：Ｇａ、ＺｎＯ：Ａｌなどの酸化物を含む層を積層してもよい。
非光透過部分１１は、金属部９を有する部分であり、光吸収層３を構成する化合物半導体
の酸化を抑えて、かつ、基板１由来のアルカリ金属を光吸収層３内に拡散させて電流特性
を改善する効果を有する。金属部９は、光吸収層３と反応しない材料又はほとんど反応し
ない材料、もしくは反応しても導電性を確保できる材料で構成されることが好ましい。そ
こで、金属部９は、金属、合金と導電性酸化物のうちのいずれか１種以上を含むことが好
ましい。光吸収層３がＳｅやＳを含む場合、金属を構成する材料はＳｅやＳによる腐食に
耐えられる材料が望ましい。金属であれば、貴金属系元素やＭｏが好ましい。そこで、金
属部９は、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、ＩｒとＰｔなどのうちのいずれか１種以上を
含むことが望ましい。導電性酸化物としては、Ｓｅ及びＳ耐食性の観点から、ＲｕＯ２、
ＰｄＯ、Ｒｈ２Ｏ３、ＰｔＯ２、ＩｒＯ２などが好ましい。また、光吸収層３とオーミッ
ク接触できる金属が好ましく、仕事関数が深い金属や化合物（酸化物、窒化物）が好まし
い。仕事関数は、５．４ｅＶ以上の金属や化合物（酸化物）が好ましい。これらのことか
ら、金属部９は、Ｍｏ，Ｐｔ，ＩｒとＰｄのうちのいずれか１種以上を含むことがより好
ましい。これら金属は、一種でも二種以上の材料の組合わせで構成されていても良い。
光吸収層３の第１電極２を向く面を図２のイメージ図のように格子状に１２領域（横２
、縦６）に等分割し、各領域の中央部を含む断面を例えば４０ｋ倍でＳＥＭ（Ｓｃａｎｎ
ｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：走査電子顕微鏡）観察する。領域は
、長辺方向に６分割、短辺側に２分割する。形状が正方形である場合は、どちらを６分割
してもよい。観察する断面は、積層方向の光吸収層３、第１電極２を含む面である。さら
に、観察する１２の断面は、すべて図２中の仮想線Ｘ１からＸ６までの線上の断面のよう
に、同一方向の断面である。格子領域の中心を通る各線の角度は、光透過部分１０及び非
光透過部分１１が観察できるように任意に選択される。金属部９がＳＥＭ像で７個確認で
きる面を観察する。観察面中の６×１０−６ｍｍ２の領域を観察し、図３のイメージ図の
ようなＳＥＭ像を得る。そして、図３のイメージ図に示すように各金属部９（図３では、
９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、９Ｄ、９Ｅ、９Ｆ、９Ｇ）を第１電極２側へ射影する。各金属の射影
したときの長さをＬ１、Ｌ２…Ｌｎ（図３では、Ｌ１からＬ７）とする。この、Ｌ１から
Ｌｎを金属部のドット径とする。観察面の第１電極２の幅をＬ０とする。Ｌ１からＬｎの
和をＬＳとする。そして、（ＬＳ／Ｌ０）２で求められる開口率が上記開口率を満たすこ
とを意味する。つまり、５０％≦（ＬＳ／Ｌ０）２≦９９．５％が好ましい。６１％≦（
ＬＳ／Ｌ０）２≦９９．５％がより好ましい。８０％≦（ＬＳ／Ｌ０）２≦９９．５％が
より好ましい。そして、１２の断面のすべてで上記開口率を満たした状態がより好ましい
。この状態を、全体的に上記開口率を満たすものとする。
金属部９のドット径は、２ｎｍ以上２０μｍ以下が好ましい。ここで金属部９のドット径
とは、光吸収層３の第１電極２を向いた面であり、積層方向においてほぼ直交する第１方
向もしくは第１方向にほぼ直交する第２方向における長さを示している。金属部９がドッ
ト形状である場合は、ドットの直径を示している。金属部９のドット径は、６ｎｍ以上１
０μｍ以下がより好ましい。金属部９のドット径が大きすぎると、透光性のばらつきが生
じたり、また、ドット径が小さすぎると光吸収層３が酸化されやすくなったりするため好
ましくない。
金属部９の積層方向における長さ（厚さ）は、特に限定されないが、第１電極２の膜厚と
同等か厚くなっていると光吸収層３が酸化しにくいという理由から好ましい。金属部９を
第１電極２に備えるだけでアルカリ金属を拡散しやすくなるので、金属部９の積層方向に
おける長さ（厚さ）は、第１電極２の膜厚よりも薄くてもよい。光吸収層３の移動度があ
まり高くない場合は、穴あきの中空形状の金属部９を用いることで金属部９同士の間隔を
縮めつつ、開口率を高くできるという点で好ましい。
例えば、ＭｏのようにＳＥＭで観測した際に結晶が柱状になる材料を用いると、隙間をア
ルカリ金属が成膜時の加熱により拡散し光吸収層へ拡散しやすくなることから望ましい。
電極が厚くなった場合は、加熱時間や温度を調整することで拡散を制御することができる
。
ＳＥＭ観察像中に金属部９が７個確認できない場合は、適宜倍率を変化させ、場合によっ
てはＴＥＭ（ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：透過
型電子顕微鏡）観察を行う。
また、各金属部９のドット径の差は小さいことが好ましい。ここで、Ｌ１、Ｌ２…Ｌｎ
の平均値をＬＡＶＥとする。Ｌ１、Ｌ２…Ｌｎのうちの最大値をＬＭＡＸとする。Ｌ１、
Ｌ２…Ｌｎのうちの最小値をＬＭＩＮとする。このとき、０．８ＬＡＶＥ≦ＬＭＩＮ≦Ｌ
ＭＡＸ≦１．２ＬＡＶＥを満たすとき、金属部９のドット径の最小値及び最大値は、金属
の平均値の０．８倍以上１．２倍以下であることを意味し、好ましい。同様に、０．９Ｌ
ＡＶＥ≦ＬＭＩＮ≦ＬＭＡＸ≦１．１ＬＡＶＥを満たすとき、金属部９のドット径の最小
値及び最大値は、金属の長さの平均値の０．９倍以上１．１倍以下であることを意味し、
より好ましい。また、１２つの断面のすべてで、各金属部９のドット径の差が小さいこと
が好ましい。この状態を、全体的に上記金属部９のドット径の差が小さい条件を満たすも
のとする。
また、金属部９が偏在していると、金属部９が多い領域では透光性が低く、金属が少な
い領域では光吸収層３の第１電極２を向いた面が酸化しやすいため好ましくない。そこで
、金属部９間隔の差は小さいことが好ましい。金属部９間隔の最小値及び最大値は、金属
部９間隔の平均値の０．８倍以上１．２倍以下であることが好ましい。金属部９間隔の最
小値及び最大値は、金属部９間隔の平均値の０．９倍以上１．１倍以下であることがより
好ましい。金属部９間隔のばらつきについて、図３のイメージ図を用いて説明する。金属
部９間隔を求める際に用いるＳＥＭ像は、開口率を求めるＳＥＭ像と同じである。各金属
部９（図３では、９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、９Ｄ、９Ｅ、９Ｆ、９Ｇ）を第１電極２側へ射影す
る。射影された部分Ｌ１、Ｌ２…Ｌｎ（図３では、Ｌ１からＬ７）の間の距離をＤ１、Ｄ
２…Ｄｎ（図３では、Ｄ１からＤ６）とする。Ｄ１、Ｄ２…Ｄｎの平均値をＤＡＶＥとす
る。Ｄ１、Ｄ２…Ｄｎのうちの最大値をＤＭＡＸとする。Ｄ１、Ｄ２…Ｄｎのうちの最小
値をＤＭＩＮとする。このとき、０．８ＤＡＶＥ≦ＤＭＩＮ≦ＤＭＡＸ≦１．２ＤＡＶＥ
を満たすとき、金属部９間隔の最小値及び最大値は、金属部９間隔の平均値の０．９倍以
上１．１倍以下であることを意味する。同様に、０．９ＤＡＶＥ≦ＤＭＩＮ≦ＤＭＡＸ≦
１．１ＤＡＶＥを満たすとき、金属部９間隔の最小値及び最大値は、金属部９間隔の平均
値の０．８倍以上１．２倍以下であることを意味する。同観点から、金属部９間隔は、０
．８ｎｍ以上２４μｍ以下が好ましい。このように金属部９が均一に分散していると、透
光性にばらつきが少なく、太陽電池１００の光学特性が向上し、また、同じ開口率で同じ
大きさの金属部９である場合、均一に分散している程、光吸収層３の酸化防止の機能が向
上して好ましい。これは、金属部９が非常に少ない又は無い領域において酸化が進行しや
すく、金属部９が少しでもあることで酸化膜の形成を阻害し、結果として変換効率が向上
すると考えられる。従って、１２の断面のすべてで上記金属部９間隔を満たした状態も好
ましい。この状態を、全体的に上記金属部９間隔を満たすものとする。
第１電極２の光透過部分１０と非光透過部分１１は、金属膜、酸化膜や窒化膜を成膜し
てマスクを用いて任意の金属部パターンになるように加工する方法や、金属部パターン形
状を有する鋳型を用いてインプリントすることによって形成することができる。
第１電極２の膜厚は、例えば、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。
本実施形態に係る太陽電池は、後述する光吸収層３と電極２との界面での酸化領域形成を
抑える働きも有し、コンタクト部分が金属部９になることで、金属部９部分に電界を集中
し、界面再結合を抑え開放電圧を向上できる。光吸収層３の酸化が抑えられると開放電圧
が向上し、変換効率も向上する。第１電極２上に絶縁層を導入すると、電極と後述する光
吸収層３のコンタクト部分が物理的に少なくなり（絶縁領域がパッシベーション膜に相当
する）、更に界面再結合を抑制し、高い開放電圧を保つことができる。さらに、図１では
、金属部９と基板１は、コンタクトしているので基板１から光吸収層３内部へ金属部９を
伝いアルカリ金属の拡散が促進される。アルカリ金属が光吸収層３の欠陥を補填すること
で、電流特性を改善することができる。高い透光性は、多接合型太陽電池のトップセルと
して用いる際に好適な特性である。また、多接合型太陽電池に用いるだけでなく、透明性
が求められる太陽電池の用途としても、実施形態の太陽電池は好適である。
光吸収層３の酸化防止としての機能は、極めて高い開口率でも生じる。具体的な開口率は
、５０％以上９９．９５％以下であることが好ましい。開口率が５０％未満であると、透
光性が低下してしまい好ましくない。開口率は、９９％未満は有効数字２桁（四捨五入）
で表し、９９％以上では有効数字３桁又は４桁（四捨五入）で表す。また、開口率が９９
．９５％を超えると光吸収層３の酸化防止の効果がほとんど見られず、変換効率向上に寄
与しにくくなる。より好ましい開口率は、６１％以上９９．９５％以下、８０％以上９９
．９５％以下である。このような高い開口率でも酸化防止機能を有するのは、金属部９が
分散して光吸収層３と第１電極２の間に存在することで、酸化膜の形成を阻害しているか
らであると考えられる。光吸収層３の化合物半導体と電極間にはコンタクト抵抗が生じる
が、その部分で低抵抗の金属を介した伝導が支配的になり、かつ、金属の存在する部分で
は酸化膜が形成されにくくなるために、良好なコンタクトが形成される。そのため、金属
部９に集電され、高い開口率を保ちつつ、効果的に機能する。
光が入射する方向から見た金属部９の形状は、特に限定されない。形状の具体例として
は、円形、楕円型、多角形などが挙げられる。これらの円形、楕円型、多角形は中空（Ｏ
型など）や開口（Ｃ型や括弧形状など）を有するものでもよく、特に限定はない。また、
光が入射する方向から見た金属部９の形状は、離間せずにアレイ状に設けられてもよく、
柵状に設けられてもよい。
また、図１の例では、金属部９は第１電極２を貫通し、基板１及び光吸収層に接してい
たが、基板１から光吸収層３へアルカリ金属の拡散が促進されるように金属部９が設けら
れればよい。具体的には、金属部９が基板１とコンタクトして光吸収層３にコンタクトし
ないもの、金属部９が光吸収層３とコンタクトして基板１にコンタクトしないものであっ
てもよい。
（光吸収層）
実施形態の光吸収層３は、ｎ型とｐ型の化合物半導体層を含みヘテロ接合した層である
。第１電極２と第２電極６との間に存在し、第２電極６上から透過する光によってｎ型と
ｐ型の化合物半導体層界面から第２電極６に電子を供給する。
ｎ型の化合物半導体は、高い開放電圧の光電変換素子を得ることのできるようにフェル
ミ準位が制御されたものが好ましい。ｎ型の化合物半導体は、例えば、Ｚｎ１−ｙＭｙＯ
１−ｘＳｘ、Ｚｎ１−ｙ−ｚＭｇｚＭｙＯ、ＺｎＯ１−ｘＳｘ、Ｚｎ１−ｚＭｇｚＯ（Ｍ
はＢ、Ａｌ、Ｉｎ及びＧａからなる群から選ばれる少なくとも１つの元素）や、ＣｄＳ、
キャリア濃度を制御したｎ型のＧａＰなどを用いることができる。ｎ型の化合物半導体の
厚さは、２ｎｍ以上８００ｎｍ以下であることが好ましい。ｎ型の化合物半導体は、例え
ば、スパッタやＣＢＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｂａｔｈ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学溶液
析出法）によって成膜される。ｎ型の化合物半導体をＣＢＤで成膜する場合、例えば、水
溶液中で金属塩（例えばＣｄＳＯ４）、硫化物（チオウレア）と錯化剤（アンモニア）を
化学反応により、光吸収層３上に形成できる。光吸収層３にＣｕＧａＳｅ２層、ＡｇＧａ
Ｓｅ２層、ＣｕＧａＡｌＳｅ２層、ＣｕＧａ（Ｓｅ，Ｓ）２層などＩＩＩｂ族元素にＩｎ
を含まないカルコパイライト型化合物を用いた場合、ｎ型の化合物半導体としては、Ｃｄ
Ｓが好ましい。
ｐ型の化合物半導体は、Ｉ族、ＩＩＩ族とＶＩ族元素を含む化合物を含んでいる。Ｉ族元
素は、Ｃｕを少なくとも含むことが好ましい。ＩＩＩ族元素は、Ｇａを少なくとも含むこ
とが好ましい。ＶＩ族元素は、Ｓｅを少なくとも含むことが好ましい。Ｉ族（Ｉｂ族）元
素、ＩＩＩ族（ＩＩＩｂ）族元素とＶＩ族（ＶＩｂ族）元素を含む、例えばＣｕ（Ｉｎ，
Ｇａ）Ｓｅ２やＣｕＩｎＴｅ２、ＣｕＧａＳｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ａｌ）Ｓｅ２，Ｃｕ（Ａ
ｌ，Ｇａ）（Ｓ，Ｓｅ）２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓ，Ｓｅ）２、ＣｕＧａ（Ｓ，Ｓｅ）
２，Ａｇ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２といったカルコパイライト構造を有する化合物半導体をｐ
型の化合物半導体として用いることができる。Ｉｂ族元素がＣｕ又はＣｕ及びＡｇからな
り、ＩＩＩｂ族元素がＧａ、ＡｌとＩｎのうちの１種以上の元素であり、ＶＩｂ族元素は
、Ｓｅ、ＳとＴｅのうちの１種以上の元素であることが好ましい。その中でも、Ｉｂ族元
素がＣｕからなり、ＩＩＩｂ族元素がＧａ、Ａｌ、又は、Ｇａ及びＡｌからなり、ＶＩｂ
族元素は、Ｓｅ、Ｓ、又は、Ｓｅ及びＳからなることがより好ましい。ＩＩＩｂ族元素に
Ｉｎが少ないと、多接合型の太陽電池のトップセルとして、光吸収層３のバンドギャップ
を好適な値に調整しやすいことが好ましい。光吸収層３の膜厚は、例えば、８００ｎｍ以
上３０００ｎｍ以下である。
元素の組み合わせにより、バンドギャップの大きさを目的とする値に調節しやすくする
ことができる。目的とするバンドギャップの値とは、例えば１．０ｅＶ以上２．７ｅＶ以
下である。
（第２電極）
実施形態の第２電極６は太陽光のような光を透過し尚且つ導電性を有する電極膜である
。第２電極６は、光吸収層３の上に設けられている。第２電極６は、例えば、Ａｒ雰囲気
中でスパッタリングやＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化
学気相成長）法を行なって成膜される。第２電極６は、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）
を２ｗｔ％含有したＺｎＯターゲットを用いたＺｎＯ：Ａｌ或いはジボランまたはトリエ
チルボロンからのＢをドーパントとしたＺｎＯ：Ｂを用いることができる。
（製造方法）
図４を用いて、本実施形態の製造方法をフローチャートに示す。
基板１上に金属部９膜を成膜する（図４（Ｓ１））。レジストマスクを用いて、金属部
９膜を所定のパターン（ドットの分布が所望の開口率になるように定める）に加工する（
図４（Ｓ２））。その後、第１電極２となる材料をスパッタなどで成膜する（図４（Ｓ３
））。レジストマスクを除去する（図４（Ｓ４））。その後、光吸収層３となる材料をス
パッタなどで成膜する（図４（Ｓ５））。第２電極６となる材料をスパッタなどで成膜す
る（図４（Ｓ５））。
製造方法は、上記のみに限られない。例えば、基板１上に第１電極２となる材料をスパ
ッタで成膜し、その後レジストマスクを用いて、第１電極２を所定のパターンに加工して
、金属部９となる材料をスパッタする。最後にレジストマスクを除去する。このような製
造方法も同様に行うことが可能である。
（第１の実施形態の変形例）
第１の実施形態は、第３電極を備えていてもよい。
実施形態の第３電極（図示せず）は、太陽電池１００の電極であって、第２電極上に形成
された金属膜である。第３電極をさらに備えると、より効率よく集電することができる。
第３電極としては、ＮｉやＡｌ等の導電性の金属膜を用いることができる。第３電極の膜
厚は、例えば、２００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下である。また、第２電極６の抵抗値が低
く、直列抵抗成分が無視できるほどの場合等には、第３電極を省いても構わない。
第１の実施形態は、反射防止膜を備えていてもよい。
実施形態の反射防止膜は、光吸収層３へ光を導入しやすくするための膜であって、第２
電極６上又は第３電極上に形成されている。反射防止膜としては、例えば、ＭｇＦ２やＳ
ｉＯ２を用いることが望ましい。なお、実施形態において、反射防止膜を省くことができ
る。各層の屈折率や膜厚に応じて膜厚を調整する必要があるが、７０−１３０ｎｍ（好ま
しくは、８０−１２０ｎｍ）蒸着することが好ましい。
第１の実施形態は、酸化物層を備えていてもよい。
実施形態の酸化物層は、光吸収層３と第２電極６の間に設けることが好ましい薄膜であ
る。酸化物層は、Ｚｎ１−ｘＭｇｘＯ、ＺｎＯ１−ｙＳｙとＺｎ１−ｘＭｇｘＯ１−ｙＳ
ｙ（０≦ｘ，ｙ＜１）のいずれかの化合物を含む薄膜である。酸化物層は、光吸収層３と
第２電極６の間をすべて覆っていない形態でもよい。例えば、第２電極６側の光吸収層３
の面の５０％を覆っていればよい。ほかの候補として、ウルツ型のＡｌＮやＧａＮ、Ｂｅ
Ｏなども挙げられる。酸化物層の体積抵抗率は、１Ωｃｍ以上であると光吸収層３内に存
在する可能性のある低抵抗成分に由来するリーク電流を抑えることが可能になるという利
点がある。なお、実施形態では、酸化物層を省略することができる。これらの酸化物層は
、酸化物粒子層であり、酸化物層中には多数の空隙を有することが好ましい。中間層は、
上記の化合物や物性に限定されるものではなく、太陽電池の変換効率向上等に寄与する層
であればよい。中間層は、物性の異なる複数の層であってもよい。
（第２の実施形態）
第１の実施形態と第２の実施形態で共通する説明は省略する。
図５に示すように、本実施形態に係る太陽電池は、第１の実施形態の光透過部分１０に
おいて第１電極２と光吸収層３の間に第１絶縁膜７を備える。
第１絶縁膜７を備えることで、第１電極２と光吸収層３間の電気伝導を抑制することが
でき、曲率因子ＦＦが向上し、変換効率が向上する。
（第１絶縁膜）
第１絶縁膜７は、光透過部分１０において第１電極２と光吸収層３の間に存在する。第
１絶縁膜７は、光吸収層３の酸化を防止する透光性のある膜である。金属部９によって光
吸収層３の酸化を一部防止できる。酸化防止の観点からは開口率が低い方が良いが、光の
透過率が低下してしまうため好ましくない。また、第１絶縁膜７を光吸収層３と第１電極
２の間の全面に設け、金属部９を設けない太陽電池では、電極と光吸収層のコンタクトが
良好でなくなり変換効率が向上しない。単純に絶縁膜を導入すると、太陽電池の直列抵抗
成分（Ｒｓ）が大きくなり効率が減少してしまう。
第１絶縁膜７としては、酸化膜と窒化膜のいずれかが挙げられる。酸化膜としては、具
体的には、ＡｌＯｘ、ＳｉＯｘとＭｇＯｘと（Ａｌ，Ｓｉ，Ｍｇ）Ｏｘのうちのいずれか
１種以上の膜が好ましい。また、窒化膜としては、ＳｉＮｘ、ＡｌＮｘとＧａＮｘと（Ｓ
ｉ，Ａｌ，Ｇａ）Ｎｘのうちのいずれか１種以上の膜が好ましい。第１絶縁膜７の厚さは
、１ｎｍ以上８０ｎｍ以下が好ましい。また、第１絶縁膜７の厚さは、５ｎｍ以上５０ｎ
ｍ以下がより好ましい。第１絶縁膜７は、光透過部分１０において第１電極２と光吸収層
３の間の全面を覆わなくても上記効果がある。酸化防止及びＦＦ向上の観点、並びに、成
膜プロセスの観点からは、第１絶縁膜７は、光透過部分１０において第１電極２と光吸収
層３の間の全面に存在することが好ましい。
図６に、第１電極２上に第１絶縁膜７が形成された部材の光学顕微鏡像を示す。図６（
Ａ）は、モリブデンからなる金属で、中空の円形（Ｏ型）、金属部９長さ（直径）５μｍ
、金属部９間隔８μｍで、開口率が８２％、金属部９高さ５０ｎｍである。なお、中空部
分における第１電極２と光吸収層３の間にも第１絶縁膜７が存在する。そして、図６（Ａ
）には、第１絶縁膜７として、厚さ４０ｎｍのＡｌＯｘが形成されている。図６（Ｂ）は
、ＳｉＮｘを第１絶縁膜７として用いたこと以外は、図５（Ａ）と同じである。いずれの
ＳＥＭ像においても均一な金属部９パターンが形成されている。なお、図６の光学顕微鏡
像に示す部材では、周辺部に金属部９を一部形成していない領域が含まれる。金属部９形
状が中空で、図６のように金属部が均一なパターンで配置されていると、第１絶縁膜７の
有無にかかわらず、光吸収層３の移動度があまり高くない場合において、穴あきの中空形
状の金属部９を用いることで金属部９同士の間隔を縮めつつ、開口率を高くできるという
点で好ましい。
（製造方法）
図４のＳ３とＳ４の間に第１絶縁層７となる材料をスパッタする工程が加わる以外第１の
実施形態と同様に製造される。
（第３実施形態）（多接合型太陽電池）
第３実施形態は、第１実施形態の太陽電池を用いた多接合型太陽電池である。図７に第
３実施形態の多接合型太陽電池の断面概略図を示す。図７の多接合型太陽電池は、トップ
セルの太陽電池２０１とボトムセルの太陽電池２０２を有する。第１実施形態の太陽電池
１００から第２実施形態の太陽電池１０１は、多接合型太陽電池２００のトップセル２０
１に用いられる。トップセルの太陽電池２０１の基板１を透過した光が、次にボトムセル
の太陽電池２０２に入射する。ボトムセルの電池２０２には、例えば、Ｓｉの光吸収層を
有する太陽電池や、トップセルの太陽電池２０１よりもナローギャップな光吸収層３を有
する第１実施形態の太陽電池１００から第２実施形態の太陽電池１０１を用いることもで
きる。第１実施形態の太陽電池１００をトップセルに用いる場合は、吸収波長と変換効率
の観点から、Ｉ族元素はＣｕ、ＩＩＩ族元素はＧａで、ＶＩ族元素はＳｅが好ましい。第
１実施形態の太陽電池の光吸収層は、ワイドギャップであるためトップセルに用いること
が好ましい。第１実施形態の太陽電池１００をボトムセルに用いる場合は、吸収波長と変
換効率の観点から、Ｉ族元素はＣｕ、ＩＩＩ族元素はＩｎとＧａで、ＶＩ族元素はＳｅが
好ましい。
（第４実施形態）（太陽電池モジュール）
第１から第３実施形態の太陽電池は、第５実施形態の太陽電池モジュールにおける発電
素子として用いることができる。実施形態の太陽電池が発電した電力は、太陽電池と電気
的に接続した負荷で消費されたり、太陽電池と電気的に接続した蓄電池にて貯められたり
する。
実施形態の太陽電池モジュールは、太陽電池のセルが複数、直列、並列、又は、直列及
び並列に接続した部材又は単一のセルがガラス等の支持部材に固定された構造が挙げられ
る。太陽電池モジュールには、集光体を設け、太陽電池セルの面積よりも多くの面積で受
光する光を電力に変換する構成にしてもよい。太陽電池セル中には、直列、並列、又は、
直列及び並列に接続した太陽電池が含まれる。
図８に複数の太陽電池セル３０１を横方向に６セル、縦方向に６セル並べた太陽電池モ
ジュール３００の構成概念図を示す。図８の太陽電池モジュール３００は、接続配線を省
略しているが、前述のとおり、複数の太陽電池セル３０１を、直列、並列、又は、直列及
び並列に接続することが好ましい。太陽電池セル３０１には、第１実施形態の太陽電池１
００から第３実施形態の多接合型太陽電池２００が用いられることが好ましい。また、実
施形態の太陽電池モジュール３００は、第１実施形態の太陽電池１００から第３実施形態
の多接合型太陽電池２００を用いたモジュールと他の太陽電池を用いたモジュールを重ね
たモジュール構造を採用してもよい。他にも変換効率を高める構造を採用することが好ま
しい。実施形態の太陽電池モジュール３００において、太陽電池セル３０１は、ワイドバ
ンドギャップの光電変換層を有することから、受光面側に設けられることが好ましい。
（第５実施形態）
実施形態の太陽電池モジュール３００は、第５実施形態の太陽光発電システムにおいて
、発電を行う発電機として用いることができる。実施形態の太陽光発電システムは、太陽
電池モジュールを用いて発電を行うものであって、具体的には、発電を行う太陽電池モジ
ュールと、発電した電気を電力変換する手段と、発電した電気をためる蓄電手段又は発電
した電気を消費する負荷とを有する。図９に実施形態の太陽光発電システム４００の構成
概念図を示す。図９の太陽光発電システムは、太陽電池モジュール４０１（３００）と、
コンバーター４０２と、蓄電池４０３と、負荷４０４とを有する。蓄電池４０３と負荷４
０４は、どちらか一方を省略しても良い。負荷４０４は、蓄電池４０３に蓄えられた電気
エネルギーを利用することもできる構成にしてもよい。コンバーター４０２は、ＤＣ−Ｄ
Ｃコンバーター、ＤＣ−ＡＣコンバーター、ＡＣ−ＡＣコンバーターなど変圧や直流交流
変換などの電力変換を行う回路又は素子を含む装置である。コンバーター４０２の構成は
、発電電圧、蓄電池４０３や負荷４０４の構成に応じて好適な構成を採用すればよい。
太陽電池モジュール３００に含まれる受光した太陽電池セル３０１が発電し、その電気
エネルギーは、コンバーター４０２で変換され、蓄電池４０３で蓄えられるか、負荷４０
４で消費される。太陽電池モジュール４０１には、太陽電池モジュール４０１を常に太陽
に向けるための太陽光追尾駆動装置を設けたり、太陽光を集光する集光体を設けたり、発
電効率を向上させるための装置等を付加することが好ましい。
太陽光発電システム４００は、住居、商業施設や工場などの不動産に用いられたり、車
両、航空機や電子機器などの動産に用いられたりすることが好ましい。実施形態の変換効
率に優れた光電変換素子を太陽電池モジュール４０１に用いることで、発電量の増加が期
待される。
以下、実施例に基づき本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定
されるものではない。
（実施例１）
トップセルとボトムセルの２つの太陽電池を接合し多接合型太陽電池を作成し、多接合型
太陽電池の変換効率、トップセルのＶｏｃ（解放電圧）、Ｊｓｃ（短絡電流密度）、ＦＦ
（出力因子）、光の透過率（７００ｎｍから１１５０ｎｍの平均）、開口率と変換効率、
さらに、ボトムセルの変換効率を評価する。まず、トップセルの作製方法について、説明
する。基板として高透過率ガラスやソーダライムガラスを用いる。第１電極としてＩＴＯ
（１５０ｎｍ）、ＳｎＯ２（１００ｎｍ）をスパッタで成膜する。リソグラフィーを用い
、第１電極に穴をあけ、金属部（導入体の直径：３μｍ、厚さ：２５０ｎｍ）を導入する
。ここで開口率は、８６％である。この例では金属部として、Ｍｏを用いる。その後３７
０℃に加熱し、その上にＧａ、Ｓｅ（Ｓ）を蒸着する。基板温度を５２０℃まで加熱しな
がら、Ｃｕ、Ｓｅ（Ｓ）を蒸着する。吸熱反応が見られたら、Ｃｕ、Ｓｅ（Ｓ）蒸着時間
の１０％まで蒸着を続け、最後にＧａ、Ｓｅ（Ｓ）を蒸着する。目的のＣｕ／Ｇａ組成に
到達したらＧａ蒸着をやめ、そのまま５分アニールを行い、その後基板温度を下げる。基
板温度が３８０℃まで下がったらＳｅ（Ｓ）の蒸着を停止する。
なお、第１電極に穴をあけた後、インプリントを用いて金属部を穴に導入してもよい。
ＣＢＤ法でｎ型化合物半導体として、ＣｄＳ層を作製する。硫酸カドミウムをアンモニ
ア水溶液に溶かし、チオウレアを投入、３００秒後に取り出し水洗する。有機Ｚｎ化合物
をスピンコートにより基板に塗布する。１２０℃で５分加熱し、１５−３０ｎｍのＺｎＯ
保護層を作製する。
第２電極としてＺｎＯ：Ａｌをスパッタで作製する。基板温度は０−１５０℃が望まし
い。比較的低温で成膜を行うと、開放電圧が大きくなりやすく好ましい。
第３電極としてＮｉ／Ａｌを蒸着する。Ｎｉを先に蒸着すること第２電極との界面で酸
化が起こっても伝導性を保つことができるため望ましい。その上にＡｌを蒸着する。膜厚
はそれぞれ６０ｎｍ、５００ｎｍ程度が好ましい。
反射防止膜としてＭｇＦ２を１００ｎｍ厚で蒸着する。
次に、ボトムセルの作製方法について説明する。
０．５μｍ厚のＳｉウエハーを用意し、光照射側にｎ型ドーパントをイオン注入する。Ａ
ｇ配線の直下は良好なコンタクトを形成するために、ｎ＋型にする。その上から反射防止
膜を形成する。裏面側にはＳｉＮｘを用いてパッシベーション層（領域）を作る。ＳｉＮ
ｘの存在しない部分を形成し、一部のみ裏面Ａｌ電極と導通させることで結晶界面での再
結合を減らし高い効率のボトムセルが得られる。
変換効率の測定方法を記述する。
ＡＭ１．５Ｇの光源を模擬したソーラーシミュレータを用い、気温は２５℃にてその光源
下で基準となるＳｉセルを用いて１ｓｕｎになるように光量を調節する。電圧をスイープ
し、電流密度（電流をセル面積で割ったもの）を測定する。横軸を電圧、縦軸を電流密度
とした際に、横軸と交わる点が開放電圧Ｖｏｃとなり、縦軸と交わる点が短絡電流密度Ｊ
ｓｃとなる。測定曲線上において、電圧と電流密度を掛け合わせ、最大になる点をそれぞ
れＶｍｐｐ、Ｊｍｐｐ（電圧、電流のマキシマムパワーポイント）とすると、FF=(Vmpp*J
mpp)/(Voc*Jsc)
効率Eff.=Voc*Jsc*FFで求まる。
透過率は分光光度計を用いてサンプル面を光源に対して垂直になるようにして入射光に対
する透過光の割合を測定する。反射率は、入射光に対し垂直から５度程傾けたサンプルの
反射光を測定することで求められる。透過率・反射率からバンドギャップが求められる。
バンドギャップ以下で透過が大きくなる領域（目安５０％以上透過）の波長からボトムセ
ルが吸収できる波長範囲内を目安として、実施例１では波長７００ｎｍ−１１５０ｎｍ透
過光の平均値を算出する。
結果を表１にまとめる。他の実施例および比較例の結果についても同様に表１にまとめ
る。
（比較例１）
金属部を有さない開口率１００％のトップセルの太陽電池を作製すること以外は、実施
例１と同様の方法でトップセルの太陽電池を作製し、比較例１の多接合型太陽電池を得る
。そして、実施例１と同様の方法で太陽電池の評価をする。
（実施例２−８）
金属部のドット径を変化させてトップセルの太陽電池を作製すること以外は、実施例１と
同様の方法でトップセルの太陽電池を作製し、実施例２−８の多接合型太陽電池を得る。
そして、実施例１と同様の方法で太陽電池の評価をする。なお、実施例２から８の金属部
のドット径は、４、５、６、７、８、９、１０μｍである。
（実施例９−１７）
開口率を変化させてトップセルの太陽電池を作製すること以外は、実施例４と同様の方法
でトップセルの太陽電池を作製し、実施例９−１７の多接合型太陽電池を得る。そして、
実施例１と同様の方法で太陽電池の評価をする。なお、実施例９から１７の開口率は、５
６、６２、７２、８１、８６、９２、９４、９９．９５％である。
（実施例１８−２０）
実施例１８−２０では、金属部形状を円状とし、金属部のドット径（直径）を６μｍと
して、実施例１と同様に領域を作製する。金属部は、中空であり、円形の空洞を有する。
実施例１８−２０の金属中の中空の円形の直径は、順に、１μｍ、１．５μｍ、２μｍで
ある。これらのこと以外は、実施例１と同様の方法でトップセルの太陽電池を作製し、実
施例１８−２０の多接合型太陽電池を得る。そして、実施例１と同様の方法で太陽電池の
評価をする。
（実施例２１―２２）
実施例２１―２２では、第１電極直上をＡｌＯｘで５、１５ｎｍの膜厚で覆う以外は、
実施例４と同様の方法でトップセルの太陽電池を作製し、実施例２１−２２の多接合型太
陽電池を得る。そして、実施例１と同様の方法で太陽電池の評価をする。
（実施例２３―２５）
実施例２１―２２では、第１電極直上をＳｉＮｘで５、１０、２０ｎｍの膜厚で覆う以
外は、実施例４と同様の方法でトップセルの太陽電池を作製し、実施例２１−２２の多接
合型太陽電池を得る。そして、実施例１と同様の方法で太陽電池の評価をする。
明細書中、元素の一部は元素記号のみで表している。
（実施例２６―２７）
実施例２６―２７では、金属部９の厚さを２００ｎｍ、３００ｎｍと変化させてトップセ
ルの太陽電池を作製すること以外は、実施例４と同様の方法でトップセルの太陽電池を作
製し、実施例２６―２７の多接合型太陽電池を得る。そして、実施例１同様の方法で太陽
電池の評価をする。
（実施例２８−２９）
実施例２８−２９では、ＳｉＮｘ１０、２０ｎｍと変化させ、金属部９の厚さを３００ｎ
ｍにしてトップセルの太陽電池を作製すること以外は、実施例４と同様の方法でトップセ
ルの太陽電池を作製し、実施例２８−２９の多接合型太陽を得る。そして、実施例１同様
の方法で太陽電池を評価する。
表１で示す通り、実施例１−２９は、比較例１に比較し、トップセル単体、すなわち太陽
電池としての変換効率が優れている。さらに、多接合型太陽電池として使用した場合にお
いて、実施例１−８及び１２−２８の多接合型太陽電池は、比較例１の多接合型太陽電池
と比べて変換効率が優れている。これは、酸化膜の形成を阻害し、開放電圧が向上する効
果を備えるために、変換効率が向上しているためである。一方で、比較例１と比べて実施
例９−１１の多接合型太陽電池は、変換効率が低くなっているが、ボトムセル単体におけ
る変換効率が低い場合であっても本実施形態のトップセル（太陽電池）を用いることで、
変換効率を向上することができることを示している。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態そのままに限定解釈され
るものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化で
きる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種
々の発明を形成することができる。例えば、変形例の様に異なる実施形態にわたる構成要
素を適宜組み合わせても良い。
１００、１０１、１０２…太陽電池、１…基板、２…第１電極、３…光吸収層、４…領
域、６…第２電極、７…第１絶縁膜、８…第２絶縁膜、９…金属部、１０…光透過部分、
１１…非光透過部分、２００…多接合型太陽電池、２０１…トップセルの太陽電池、２０
２…ボトムセルの太陽電池、３００…太陽電池モジュール、３０１…太陽電池セル、４０
０…太陽電池システム、４０１…太陽電池モジュール、４０２…コンバーター、４０３…
蓄電池、４０４…負荷

Claims (13)

  1. 光透過性を持つ基板と
    複数の金属部を有し、光透過性を持つ第１電極と、
    前記第１電極上に設けられ、光を吸収する光吸収層と、
    前記光吸収層上に設けられ、光透過性を持つ第２電極と、
    を具備する太陽電池。
  2. 前記金属部は、前記基板側表面から前記第１電極の光吸収層側表面まで形成されてなる
    、請求項１記載の太陽電池。
  3. 前記金属部は、前記基板側表面から前記光吸収層内部まで形成されてなる、請求項１記
    載の太陽電池。
  4. 前記第１電極は、光透過部分と非光透過部分を含む請求項１乃至３のいずれか記載の太陽
    電池。
  5. 前記非光透過部分は、前記金属部である請求項１乃至４のいずれか記載の太陽電池。
  6. 前記基板は、アルカリ金属を含む請求項１乃至５のいずれか記載の太陽電池。
  7. 前記第１電極の光吸収層側表面において、前記光透過部分及び前記非光透過部分を合わせ
    た面積に対し光透過部分の面積の割合が５０％以上９９．９５％以下である請求項１乃至
    ６のいずれ記載の太陽電池。
  8. 前記金属部は、金属、合金、導電性酸化物と導電性窒化物のうちのいずれか１種以上を
    含む請求項１乃至７のいずれか記載の太陽電池。
  9. 前記金属部は、Ｍｏ，Ｐｔ，ＩｒとＰｄのうちのいずれか１種以上を含む請求項１乃至８
    のいずれか記載の太陽電池。
  10. 前記光透過部分において前記第１電極と前記光吸収層の間に第１絶縁膜が存在する請求
    項１乃至９のいずれか記載の太陽電池。
  11. 請求項１乃至１０のいずれか記載の太陽電池を用いた多接合型太陽電池。
  12. 請求項１乃至１１のいずれか記載の太陽電池または請求項５に記載の多接合型太陽電池
    を用いた太陽電池モジュール。
  13. 請求項１２に記載の太陽電池モジュールを用いた太陽光発電システム。
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