JP2005277113A - 積層型太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 この発明は、最適な動作電流密度で動作が可能な積層型太陽電池モジュールを提供することを目的とする。
【解決手段】 この発明の積層型太陽電池モジュールは、光入射側から裏面側にかけてトップセル１とボトムセル２を透明絶縁層８を介して多段に積層し、各層（ｎ＝１，２）間で、各層における１つのセル実行面積をＳｎ、各層内のセルの動作電流密度をＪｎとすると、Ｓｎ×Ｊｎ＝一定になるように、層間でセルの面積を変え、かつ各層間が直列回路を形成するように電気的に接続されている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、複数の光電変換セルを多段に積層した積層型太陽電池モジュールに関するものである。

近年、光電変換装置の低コスト化と高効率化を両立させるために、資源の観点からも好ましい薄膜光電変換装置が注目され、その開発が精力的に行われている。薄膜光電変換装置の一例である非晶質シリコン光電変換装置は、大面積のガラス基板やステンレス基板上に比較的低温で形成可能であるので、その低コスト化が期待されている。

一般に薄膜光電変換装置は、表面が絶縁性の基板上に順に積層された第一電極、１以上の半導体薄膜光電変換セルおよび第二電極とを含んでいる。そして、１つの薄膜光電変換セルは、Ｐ型層とＮ型層で挟まれたＩ型層を含んでいる。

薄膜光電変換セルの厚さの大部分は、実質的に真性の半導体層であるＩ型層によって占められ、光電変換作用は主としてこのＩ型層内で生じる。したがって、光電変換層であるＩ型層は光吸収のためには厚いほうが好ましいが、必要以上に厚くすれば、その堆積にコストと時間がかかることになる。

また、薄膜光電変換装置の変換効率を向上させる方法として、２つ以上の光電変換セルを直結して積層したタンデム型にする方法が知られている。この方法においては、光電変換装置の光入射側に大きなバンドギャップを有する光電変換層を含む前方セルを配置し、その後ろに順に小さなバンドギャップを有する（例えばＳｉ−Ｇｅ合金の）光電変換層を含む後方セル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、これによって装置全体としての変換効率の向上が図られている。タンデム型薄膜光電変換装置のなかでも、非晶質光電変換セルと微結晶結晶質光電変換セルとを含むものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

例えば、バンドギャップの大きな非晶質シリコン光電変換層を含む非晶質シリコン光電変換セルと、バンドギャップの小さな微結晶シリコン光電変換層を含む微結晶シリコン光電変換セルとを備えたタンデム型薄膜光電変換装置においては、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、微結晶シリコンはそれより長い約１１００ｎｍ程度までの光を光電変換することが可能であるので、より広い波長範囲にわたって入射光を有効に光電変換することが可能になる。
特開２００３−１９７９３０号

ところで、タンデム型光電変換装置では、複数の光電変換セルが直列に接続されているので、光電変換装置としての短絡電流密度（Ｊｓｃ）はそれらの光電変換ユニットで発生する電流値のうちの最も小さな値で制限される。

したがって、複数の光電変換ユニットのそれぞれの電流値は大きくかつ互いに均等であることが好ましいが、最適動作電流密度は制約を受けることになる。そして、全てのセルが必ずしも最適な電流密度で動作するわけではないことが多いため、電流が出力の低い側のセルによって制限されるという難点がある。

また、非晶質シリコン光電変換セルの場合には、出力電流密度を大きくするために、光劣化が増大する膜厚で無理な設計を余儀なくされている。例えば、Ｉ層の膜厚は０．２μｍ以上である０．３μｍ程度が多く用いられているのが現状である。

この発明は、上記した問題点に鑑みなされたものにして、最適な動作電流密度で動作が可能な積層型太陽電池モジュールを提供することを目的とする。

この発明の積層型太陽電池モジュールは、光入射側から裏面側にかけて複数層の光電変換セルを透明絶縁層を介して多段に積層し、各層間で、各層の光電変換層における１つのセル実行面積と各層内のセルの動作電流密度との積、即ち、各層（ｎ＝１，２，３．．．）間で、各層の光電変換層における１つのセル実行面積をＳｎ、各層内のセルの動作電流密度をＪｎとすると、Ｓｎ×Ｊｎ＝一定になるように、層間でセルの面積を変え、かつ各層間が直列回路を形成するように電気的に接続されたことを特徴とする。

また、太陽電池モジュールの実効光入射面積をＳとし、各層内のセルの面積をＳ各層内のセルの直列接続数をＬｎ（Ｌｎは整数）としたとき、Ｓｎ×Ｌｎ≒Ｓとなるように、各層内のセル面積を設定するとよい。

また、順次接続される各層の光電変換層の出力端子が、上側と下側で正負の対をなし、接続のための配線距離が最小となるように形成するとよい。

この発明によれば、各セル層毎にセルの面積を変えることで電流の大きさを調節して、最適な動作電流密度で全ての太陽電池が動作し、かつ直列に接続することが可能となる。この結果、設計と製造上の自由度が増すとともに、太陽電池セルの光劣化等に悩まされることなく最適な条件（動作電流密度、透過光量、膜厚、等の最適値）で各太陽電池を動作させることができる。

そして、総合的な出力の高い２端子方の積層型太陽電池モジュールを製造することができる。

また、プラズマ耐性の低い太陽電池とａ−Ｓｉ等のプラズマＣＶＤを用いて作成される太陽電池を組み合わせて、積層型モジュールを作成する場合にも本発明は有効である。

更に、製造工程で各セル層の品質管理が個別にできるため、総合歩留りを高くすることも可能である。

以下、この発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。図１は、この発明の第１の実施形態にかかる積層型太陽電池モジュールを示す概略断面図、図２は、この発明の第１の実施形態にかかる積層型太陽電池モジュールの概略平面図である。

この第１の実施形態は、光入射側のトップセルに大きなバンドギャップを有する非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）（太陽電池）セル１をその下のボトムセルにバンドギャップの小さな微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）（太陽電池）セル２を積層した２層タイプの積層型太陽電池モジュールである。そして、動作電流密度の低いセル、この実施形態では、非晶質シリコンセル１の面積を大きくし、微結晶シリコンセル２と同じ動作電流が流れるようにしている。即ち、トップ側の非晶質シリコンセル１の最適な動作電流密度をＪｏｐ１とし、その１つのセル面積をＳ１とする。また、ボトムセルの微結晶シリコンセル２の最適な動作電流密度をＪｏｐ２とし、その１つのセル面積をＳ２とすると、Ｊｏｐ１×Ｓ１＝Ｊｏｐ２×Ｓ２の関係が成り立つように構成している。又、トップ側の非晶質シリコンセル１とボトム側の微結晶シリコンセル２とは、ポリイミドフィルム、エポキシ樹脂などからなる透明絶縁層間８により絶縁され、両者は層同士で直接には接続されない。

トップセル側の非晶質シリコンセル１は、透明絶縁基板１１、例えば、ガラス基板上に所定の面積で複数個集積化されて形成される。この図１に示す例では、２つの非晶質シリコンセル１が設けられる。この透明絶縁基板１１上に透明電極１２として、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）が用いられる。透明電極用ＴＣＯを構成する材料としては、酸化錫、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、酸化亜鉛などが使用できるが、この実施形態では、酸化錫膜が用いられる。この透明電極１２の上面には光閉じ込め効果を有する凹凸が設けられている。

この透明導電膜１２は、所定のセル毎にパターニングされ、分離されている。透明電極１２上に内部にＰＩＮ接合を有する非晶質シリコン半導体層１３が設けられ、この非晶質シリコン半導体層１３上に裏面側の透明電極１４として、ＩＴＯ膜が設けられ、隣接する非晶質シリコンセル１の光入射側の透明電極１２と接続され、隣接する非晶質シリコンセル１同士が直列に接続されている。

一方、ボトムセル側の微結晶シリコンセル２は、裏面保護膜２１上にポリイミド、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）などの透明絶縁層２２が設けられ、この透明絶縁層２２上に所定の面積で複数個集積化されて形成される。この図１に示す例では、４つの微結晶シリコンセル２が設けられる。この絶縁層２２上に裏面側の反射電極２３として、反射性金属と透明導電性酸化物（ＴＣＯ）との積層構造が用いられる。反射性金属としてはＡｇ、Ａｌ等の金属が使用でき、またＴＣＯを構成する材料としては、酸化錫、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などが使用できる。また、反射性金属膜は絶縁層２２側に配され、ＴＣＯ膜は、微結晶シリコン半導体層２４側に配される。反射性金属膜またはＴＣＯ膜の少なくともいずれか一方には、光閉じ込め効果を高めるための凹凸が設けられる。

裏面保護膜２１としてステンレス等の反射性の部材を用い、絶縁層２２として酸化シリコンなどの透光性の絶縁物を用いた場合には、反射電極２３の代わりに透明電極を用いても良い。この実施形態では、裏面保護膜２１としてステンレスを用い、絶縁層２２として酸化シリコンを用い、反射電極２３の代わりにＺｎＯからなる透明電極２３が用いられる。この透明電極２３の上面には光閉じ込め効果を高めるための凹凸が設けられている。

この反射電極膜２３は、所定のセル毎にパターニングされ、分離されている。反射電極２３２上に内部にＰＩＮ接合を有する微結晶シリコン半導体層２４が設けられ、この微結晶シリコン半導体層２４上に表面側の透明電極２５として、ＩＴＯ膜が設けられ、隣接する微結晶シリコンセル２の裏面側の反射電極２３と接続され、隣接する微結晶シリコンセル２同士が直列に接続されている

図１に示すように、これら互いに集積化された非晶質シリコンセル１と微結晶シリコンセル２とが、透明絶縁層８を介して積層され、電極部４で１個の非晶質シリコンセル１と微結晶シリコンセル２とが直列に接続される。そして、非晶質シリコンセル１側に一方の取り出し電極５が、微結晶シリコンセル２側に他方の取り出し電極６を設けてこの発明における積層型太陽電池モジュールが得られる。また、この実施形態による積層型太陽電池モジュールは、順次接続される各層のセル１、２の出力端子が、上側と下側で正負の対をなし、接続のための配線距離が最小となるように形成されている。

上記のように、この発明は、各セル層毎にセルの面積を変えることで、電流の大きさを調節して、最適な動作電流密度で全ての太陽電池が動作し、かつ直列に接続することを可能としている。た。この結果、設計と製造上の自由度が増すとともに、太陽電池セルの光劣化等に悩まされることなく最適な条件、動作電流密度、透過光量、膜厚、等の最適値で各太陽電池を動作させることが可能となり、総合的な出力の高い２端子の積層型太陽電池モジュールを製造することができる。

図３に、この発明による非晶質シリコンセル１、微結晶シリコンセル２の最適動作電流Ｊｏｐ１とＪｏｐ２が相違する場合の内部量子効率を調べた結果を、図４に従来のタンデム型太陽電池、即ち、Ｊｏｐ１とＪｏｐ２が一致するときの内部量子効率を調べた結果を示す。図３及び図４から分かるように、この発明のように、最適動作電流Ｊｏｐ１とＪｏｐ２が相違する場合のほうが内部量子効率が良くなる。

次に、上記した第１の実施形態における太陽電池モジュールの具体的実施例（第１の実施例）につき説明する。トップセルとしての非晶質シリコンセル（ａ−Ｓｉ太陽電池）１およびボトムセルとしての微結晶シリコンセル（μｃ−Ｓｉ太陽電池２）の膜厚、セル面積を決める手法につき説明する。

図５は、トップセルの非晶質シリコンセル（ａ−Ｓｉ太陽電池）１およびボトムセルの微結晶シリコンセル（μｃ−Ｓｉ太陽電池２）の膜厚、セル面積を決定する手法を示す工程図である。この実施例においては、ボトムセルの動作電流密度Ｊｏｐ２（ｍＡ／ｃｍ）とトップセルの動作電流密度Ｊｏｐ１（ｍＡ／ｃｍ）との関係がＪｏｐ２＝２×Ｊｏｐ１となり、トップセルの面積Ｓ１（ｃｍ）とボトムセルの面積Ｓ２（ｃｍ）との関係がＳ１＝０．５×Ｓ２となることを目的としている。

図５に示すように、ステップＳ１において、モジュールの面積Ｓを決定する。この実施例では、１０×１０ｃｍとする。

続いて、ステップＳ２において、トップセルの非晶質シリコンセル（ａ−Ｓｉ太陽電池）１のＩ層の膜厚を決定する。トップセルの非晶質シリコンセル（ａ−Ｓｉ太陽電池）１のＩ層の膜厚ｔ１は、光劣化が十分に小さい膜厚とする。この実施例では膜厚は０．２μｍ（又はそれ以下）とする。ここで、劣化率１０％以下となることを条件として選択した。劣化率はＡＭ１．５、５ＳＵＮ（５倍集光）、２５℃、照射時間１６０ｍｉｎの条件下で測定した。

次に、ステップＳ３において、トップセルの動作電流密度Ｊｏｐ１を決定する。Ｉ層の厚さ０．２μｍとして作成した有効面積１×１ｃｍの非晶質シリコンセル（ａ−Ｓｉ太陽電池）１を作成する。このときの形成条件は、実際にモジュールとして作成するときと同じ形成条件で、表１に示す条件で作成する。このサンプルは、この実施例と同じ積層型太陽電池モジュールのトップセル１と同じである。但し、集積構造は作らずに光透過率が同じものを作成した。作成したサンプルをソーラーシュミレーター（ＡＭ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ）にて、セルの電流−電圧特性を測定する。これによりトップセルの動作電流密度Ｊｏｐ１を求める。動作電流密度は、電流−電圧特性から出力電力（電流×電圧）を計算し最大になる点の電流値とした。この実施例では、Ｊｏｐ１＝８．１ｍＡ／ｃｍであった。

測定の際に実デバイスの構造を模擬するため、即ち、ボトムセル２からの反射光の影響を考慮する為に、トップセル１の下にボトムセル２を置く。ボトムセル２は次のステップＳ５で形成するものを用いる。初回のボトムセル２のＩ層の膜厚ｔ２は任意に選ぶ、そして、ステップＳ５の手順を行った後、膜厚ｔ２が決定されるので、実際には、ステップＳ２からＳ５の手順を数回繰り返している。

その後、ステップＳ４において、トップセル１の透過光量を求める。ステップＳ２で求めたＩ層の膜厚（ｔ１）を有するトップセル１を形成する。そして、このトップセル１をボトムセル２の上において、ボトムセル２の電流−電圧特性を測定する。ボトムセル２は、μｃ−Ｓｉ太陽電池で形成され、セル面積１×１ｃｍ、Ｉ層膜厚ｔ２は１．０〜３．０μｍの範囲で複数個準備する。このときの形成条件は、実際にモジュールとして作成するときと同じ形成条件で、表２に示す条件で作成する。

このように、トップセル１をボトムセル２の上において、ソーラーシュミレーター（ＡＭ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ）にて、ボトムセル２の電流−電圧特性を測定する。これにより、トップセル１から透過した光をボトムセル２に入射し、実使用条件での発電特性が測定可能となる。図６にボトムセル２のＩ層の膜厚ｔ２と動作電流密度ｊｏｐ２の関係を示す。

ステップＳ５において、ステップＳ４で測定した動作電流密度の膜厚依存性よりこの実施例の目標を満足するように、ボトムセル２の動作電流密度Ｊｏｐ２＝２×Ｊｏｐ１となるようなＩ層の膜厚ｔ２の最小値を探す。図６より、Ｉ層の膜厚ｔ２は２．４μｍ以上必要なことがわかる。ここで、ｔ２＝２．４μｍ、Ｊｏｐ２＝１６．２ｍＡ／ｃｍと決定する（ステップＳ６）。尚、目標を満足するｔ２の値が得られない場合、ｔ１の値及びｔ２の範囲を見直す必要がある。

続いて、ステップＳ７において、トップセル１の面積Ｓ１を決定する。ボトムセル面積Ｓ２は、この実施例ではＳ２＝１０×２．５ｃｍと設定しているので、図７に示すように、各セルが直列に接続された層間に流れる電流の連続関係は、Ｊｏｐ２×Ｓ２＝Ｊｏｐ１×Ｓ１から、Ｓ１＝１０×５ｃｍであることが導かれる。

そして、ステップＳ８に示すように、以上の手順により、Ｓ１＝１０×５ｃｍ、Ｓ２＝１０×２．５ｃｍ、Ｊｏｐ１＝８．１ｍＡ／ｃｍ、 Ｊｏｐ２＝１６．２ｍＡ／ｃｍが決定できる。

図５に示した設計手順に従って、トップセル（ａ−Ｓｉ太陽電池）１およびボトムセル（μｃ−Ｓｉ太陽電池）２の膜厚、セル面積を決定した後、トップセル（ａ−Ｓｉ太陽電池１）およびボトムセル２（μｃ−Ｓｉ太陽電池）を形成する。

（トップセル１としてのａ−Ｓｉ太陽電池層の形成）
図８に示すように、予め所定の領域にパターニングした膜厚８０ｎｍの酸化錫透明導電膜１２を設けた面積１２５×１２５ｍｍ²のガラス基板１１上に、ＲＦプラズマＣＶＤ法により、膜厚５ｎｍ程度のＰ型非晶質シリコンカーバイト層、膜厚０．２μｍのＩ型非晶質シリコン層、膜厚５ｎｍ程度のＮ型非晶質シリコン層からなる非晶質シリコン半導体層１３を形成する。形成条件を表１に示す。

非晶質シリコン半導体層１３は、周知のレーザパターニング法により所定のセルに分割されている。そして、この非晶質シリコン半導体層１３上に錫をドープした膜厚８０ｎｍのＩＴＯ膜１４がスパッタ法により形成される。このＩＴＯ膜１４は周知のレーザパターニング法で分離されているとともに、隣接する非晶質シリコンセル１の光入射側の透明電極１２と接続され、隣接する非晶質シリコンセル１同士が直列に接続され、この実施例では２セル集積型ａ−Ｓｉ太陽電池が形成される。各トップセル１の有効面積は１００×５０ｍｍ²である。

次に、図９に示すように、導電性ペーストを用いて接合電極４を形成するとともに、外部接続用の電極タブ（スズメッキ付き軟銅箔）５を透明導電膜１２と接合する。

（ボトムセル２としてのμｃ−Ｓｉ太陽電池層の形成）
図１０に示すように、面積１２５×１２５ｍｍ²のＳＵＳ基板２１上に、熱ＣＶＤ法にて膜厚０．５μｍのＳｉＯ₂からなる絶縁膜２２を設け、この絶縁膜２２上にＲＦスパッタにより１μｍ厚のＺｎＯ膜（裏面電極）２３を形成する。これをレーザパターニング法などにより、所定の領域にパターニングする。そして、表２に示す条件で、ＲＦプラズマＣＶＤ法により、膜厚５ｎｍ程度のＮ型微結晶シリコン層、膜厚２．４μｍのＩ型微結晶シリコン層、膜厚５ｎｍ程度のＰ型微結晶シリコンカーバイト層からなる微結晶シリコン半導体層２４を形成する。

微結晶シリコン半導体層２４は、周知のレーザパターニング法により所定のセルに分割されている。そして、この微結晶シリコン半導体層２４上に錫をドープした膜厚８０ｎｍのＩＴＯ膜２５がスパッタ法により形成される。このＩＴＯ膜２５は周知のレーザパターニング法で分離されているとともに、隣接する微結晶シリコンセル２の裏面電極２３と接続され、隣接する微結晶シリコンセル２同士が直列に接続され、この実施例では４セル集積型μｃ−Ｓｉ太陽電池が形成される。各ボトムセル２の有効面積１００×２５ｍｍ²である。

次に、図１１に示すように、導電性ペーストを用いて接合電極４を形成するとともに、裏面電極２３に外部接続用の電極タブ６を接合する。

（スペーサ挿入およびセル層間接合電極形成）
次に、図１２に示すように、各セル１、２層を精度良く接合するために、ａ−Ｓｉセル上に樹脂製のスペーサ７を仮固定する。次に、ａ−Ｓｉ太陽電池層の−極およびμｃ−Ｓｉ太陽電池層の＋極の接合のため、各接合電極４、４上に導電性ペーストを塗布し、接合電極が重なり合う様に張り合わせる。その後、図１３に示すように、両セル層間に絶縁層となる透明樹脂（エポキシ樹脂）８を充填し、真空脱気して気泡を除去しながら接着する。

そして、図１４に示すように、透明樹脂３の固化後にスペーサ７を除去する。以上の工程を経て、２つのａ−Ｓｉ太陽電池セル１、および４つのμｃ−Ｓｉ太陽電池セル２が直列に接合された積層型太陽電池モジュールが完成する。

この実施例における積層型太陽電池モジュールでは、膜厚０．２μｍのａ−Ｓｉ太陽電池セルを用いているため、光照射による初期劣化が数％いないと抑制されるという利点がある。また、各層のセル数の比が整数であることから、上側のセルの電極部が下側のセルの電極部と重なり合って、下側のセルの電極による光遮蔽が最小化されるという利点がある。

ところで、バンドギャップ（Ｂｇ）の大きく異なる紫外光セル（ＺｎＯ／ＣｕＡｌＯ₂）や、長波長感度が優れた微結晶シリコンゲルマニウム（μｃ−ＳｉＧｅ）セル等は動作電流密度が小さいために、従来の積層型太陽電池には利用困難であった。しかしながら、図１５に示すように、太陽光のスペクトルはこれらの素子にも有効な波長域にあるため、積層型の素子として活用することが望まれる。本発明の積層型太陽電池モジュールの構成によれば、図１６に示すように、広いバンドギャップ領域の半導体素子を積層型太陽電池モジュール向けに、動作電流を調節して最適な条件で使用することができる。図１６は、非晶質シリコン太陽電池セル１，微結晶シリコン太陽電池セル２，微結晶シリコンゲルマニウム太陽電池セル８を用いたこの発明の積層型太陽電池モジュールの構成を示す概略図である。この図１７に示すものは、短波長側から長波長側に向かって非晶質シリコン太陽電池セル１，微結晶シリコン太陽電池セル２，微結晶シリコンゲルマニウム太陽電池セル８を用いる構成である。

次に、上記した三層構造の積層型太陽電池モジュールの具体的実施例（第２の実施例）につき説明する。トップセルとしての非晶質シリコンセル（ａ−Ｓｉ太陽電池）１およびミドルセルとしての微結晶シリコンセル（μｃ−Ｓｉ太陽電池）２及びボトムセルとして微結晶シリコンゲルマニウム太陽電池セル３のそれぞれの膜厚、セル面積を決める手法につき説明する。

図１８は、トップセルの非晶質シリコンセル（ａ−Ｓｉ太陽電池）１、ミドルセルとしての微結晶シリコンセル（μｃ−Ｓｉ太陽電池）２及びボトムセルとして微結晶シリコンゲルマニウム太陽電池セル８のそれぞれのの膜厚、セル面積を決定する手法を示す工程図である。この実施例においては、ミドルセルの動作電流密度Ｊｏｐ２（ｍＡ／ｃｍ）とトップセルの動作電流密度Ｊｏｐ１（ｍＡ／ｃｍ）、ボトムセルの動作電流密度Ｊｏｐ３（ｍＡ／ｃｍ）との関係がＪｏｐ２＝２×Ｊｏｐ１＝４×Ｊｏｐ３となり、トップセルの面積Ｓ１（ｃｍ）とミドルセルの面積Ｓ２（ｃｍ）、ボトムセルの面積Ｓ３（ｃｍ）との関係がＳ１＝０．５×Ｓ２＝０．２５×Ｓ３となることを目的としている。

図１７に示すように、ステップＳ１１において、モジュールの面積Ｓを決定する。この実施例では、１０×１０ｃｍとする。

続いて、ステップＳ１２において、トップセルの非晶質シリコンセル（ａ−Ｓｉ太陽電池）１のｉ層の膜厚を決定する。トップセルの非晶質シリコンセル（ａ−Ｓｉ太陽電池）１のＩ層の膜厚ｔ１は、光劣化が十分に小さい膜厚とする。この実施例では膜厚は０．１５μｍ（又はそれ以下）とする。ここで、劣化率１０％以下となることを条件として選択した。劣化率はＡＭ１．５、５ＳＵＮ（５倍集光）、２５℃、照射時間１６０ｍｉｎの条件下で測定した。

次に、ステップＳ１３において、トップセルの動作電流密度Ｊｏｐ１を決定する。Ｉ層の厚さ０．１５μｍとして作成した有効面積１×１ｃｍの非晶質シリコンセル（ａ−ＳＩ太陽電池）１を作成する。このときの形成条件は、実際にモジュールとして作成するときと同じ形成条件で、表１に示す条件で作成する。このサンプルは、この実施例と同じ積層型太陽電池モジュールのトップセル１と同じでる。但し、集積構造は作らずに光透過率が同じものを作成した。作成したサンプルをソーラーシュミレーター（ＡＭ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ）にて、セルの電流−電圧特性を測定する。これによりトップセルの動作電流密度Ｊｏｐ１を求める。動作電流密度は、電流−電圧特性から出力電力（電流×電圧）を計算し最大になる点の電流値とした。この実施例では、Ｊｏｐ１＝６．１５ｍＡ／ｃｍであった。

測定の際に実デバイスの構造を模擬するため、即ち、セル裏面側からの反射光の影響を考慮する為に、トップセル１の下にミドルセル２、ボトムセル３を置く。ミドルセル２，ボトムセル３の膜厚が決まっていない初期段階で、実デバイスの構造を模擬する場合は、暫定的にミドルセル２の膜厚ｔ２、ボトムセル３の膜厚ｔ３に適当な値、例えば、１μｍ程度のものを用いて測定を行う。その後、ステップＳ１１からＳ１８の手順を繰り返し、ミドルセル２の膜厚ｔ２、ボトムセル３の膜厚ｔ３と順次決定しながら、膜厚の値が収束するまで繰り返す。

その後、ステップＳ１４において、トップセル１の透過光量を求める。ステップＳ１２で求めたＩ層の膜厚（ｔ１）を有するトップセル１を形成する。そして、このトップセル１をミドルセル２の上におき、且つミドルセル２の下にボトムセル３を置いた状態で電流−電圧特性を測定する。ミドルセル２は、μｃ−Ｓｉ太陽電池で形成され、セル面積１×１ｃｍ、Ｉ層膜厚ｔ２は１．０〜３．０μｍの範囲で複数個準備する。このときの形成条件は、実際にモジュールとして作成するときと同じ形成条件で、表２に示す条件で作成する。ミドルセル２の下に置くボトムセル３は上記ステップＳ１２の工程の際と同様に模擬の処理を行う必要がある。

このように、トップセル１をボトムセル２の上に置き且つミドルセル２の下にボトムセル３を置いた状態て、ソーラーシュミレーター（ＡＭ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ）にて、ミドルセル２の電流−電圧特性を測定する。これにより、トップセル１から透過した光をミドルセル２に入射し、ボトムセル３からの光反射を考慮した実使用条件での発電特性が測定可能となる。図１９にミドルセル２のＩ層の膜厚ｔ２と動作電流密度ｊｏｐ２の関係を示す。

ステップＳ１５において、ステップＳ１４で測定した動作電流密度の膜厚依存性よりこの実施例の目標を満足するように、ミドルセル２の動作電流密度Ｊｏｐ２＝２×Ｊｏｐ１となるようなＩ層の膜厚ｔ２の最小値を探す。図１９より、Ｉ層の膜厚ｔ２は０．９５μｍ以上必要なことがわかる。ここで、ｔ２＝０．９５μｍ、Ｊｏｐ２＝１２．３ｍＡ／ｃｍと決定する（ステップＳ１６）。尚、目標を満足するｔ２の値が得られない場合、ｔ１の値及びｔ２の範囲を見直す必要がある。

続いて、ステップＳ１７において、トップセル１の面積Ｓ１を決定する。ボトムセル面積Ｓ２は、この実施例ではＳ２＝１０×２．５ｃｍと設定しているので、各セルが直列に接続された層間に流れる電流の連続関係は、Ｊｏｐ２×Ｓ２＝Ｊｏｐ１×Ｓ１から、Ｓ１＝１０×５ｃｍであることが導かれる。

そして、ステップＳ１８で、ステップＳ１２、Ｓ１５で決定した膜厚のトップセル１とミドルセル２を、ボトムセル３の上に重ねておいて、ソーラーシュミレーター（ＡＭ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ）にて、ボトムセルの電流−電圧特性を測定する。ボトムセル３は、μｃ−ＳｉＧｅ太陽電池で形成され、セル面積１×１ｃｍ、Ｉ層膜厚ｔ３は１．０〜２．２５μｍの範囲で複数個準備する。このときの形成条件は、実際にモジュールとして作成するときと同じ形成条件で、表３に示す条件で作成する。、ソーラーシュミレーター（ＡＭ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ）にて、ボトムセルの電流−電圧特性を測定した結果を図２０に示す。これにより、トップセル１とミドルセル２から透過した光を用いた実使用条件での発電特性が測定可能となる。

次に、ステップＳ１９にて、ステップＳ１８で測定した動作電流密度の膜厚依存性よりこ実施例の目標を満足するようにボトムセル３の動作電流密度Ｊｏｐ２＝４×Ｊｏｐ３となるようなｔ３の最小値を探すと、ｔ３は１．７μｍ以上必要なことがわかる。ここでｔ３＝１．７μｍ、Ｊｏｐ３＝３．０８ｍＡ／ｃｍと決定できる（ステップＳ２０）。ここで目標を満足するｔ３の値が得られない場合、ｔ１の値及びｔ２の範囲及びｔ３の範囲を見直す必要がある。ここでステップＳ１７と同様に、電流の連続関係Ｊｏｐ２×Ｓ２＝Ｊｏｐ３×Ｓ３から、Ｓ３＝１０×１０ｃｍであることが導かれる。

そして、ステップＳ２１にて、以上の手順により、Ｓ１＝１０×５ｃｍ、Ｓ２＝１０×２．５ｃｍ、Ｓ３＝１０×１０ｃｍ、Ｊｏｐ１＝６．１５ｍＡ／ｃｍ、 Ｊｏｐ２＝１２．３ｍＡ／ｃｍ、Ｊｏｐ３＝３．０８ｍＡ／ｃｍと決定する。

表３に、上記した各セルの電流−電圧特性を測定した結果を示す。

図１８に示した設計手順に従って、トップセル（ａ−Ｓｉ太陽電池）１、ミドルセル（μｃ−Ｓｉ太陽電池）２およびボトムセル（μｃ−ＳｉＧｅ太陽電池）８の膜厚、セル面積を決定した後、トップセル（ａ−Ｓｉ太陽電池１）ミドルセル（μｃ−Ｓｉ太陽電池）２およびボトムセル（μｃ−ＳｉＧｅ太陽電池）８を形成する。

第２の実施例として３層の積層型太陽電池モジュールにつき図２０に従い説明する。

（トップセル１としてのａ−Ｓｉ太陽電池層の形成）
第１の実施例と同様に、予め所定の領域にパターニングした膜厚８０ｎｍの酸化錫透明導電膜１２を設けた面積１２５×１２５ｍｍ²のガラス基板１１上に、表１に示す条件により、ＲＦプラズマＣＶＤ法により、膜厚５ｎｍ程度のＰ型非晶質シリコン層、膜厚０．１５ミクロンのＩ型非晶質シリコン層、膜厚５ｎｍ程度のＮ型非晶質シリコン層からなる非晶質シリコン半導体層１３を形成する。そして、非晶質シリコン半導体層１３を周知のレーザパターニング法により所定のセルに分割した後、この非晶質シリコン半導体層１３上に錫をドープした膜厚８０ｎｍのＩＴＯ膜１４がスパッタ法により形成する。このＩＴＯ膜１４は周知のレーザパターニング法で分離されているとともに、隣接する非晶質シリコンセル１の光入射側の透明電極１２と接続され、隣接する非晶質シリコンセル１同士が直列に接続され、この実施例では２セル集積型ａ−Ｓｉ太陽電池が形成される。各トップセル１の有効面積は１００×５０ｍｍ²である。

導電性ペーストを用いて接合電極４を形成するとともに、外部接続用の電極タブ（スズメッキ付き軟銅箔）５を透明導電膜１２と接合する。

（ミドルセル２としてのμｃ−Ｓｉ太陽電池層の形成）
１２５×１１０×０．５ｍｍ厚のガラス基板２１上に、ＲＦスパッタにより１μｍ厚のＺｎＯ膜（裏面電極）２３を形成する。これをレーザパターニング法などにより、所定の領域にパターニングする。そして、表２に示す条件で、ＲＦプラズマＣＶＤ法により、膜厚５ｎｍ程度のＮ型微結晶シリコン層、膜厚２μｍのＩ型微結晶シリコン層、膜厚５ｎｍ程度のＰ型非微結晶からなる微結晶シリコン半導体層２４を形成する。微結晶シリコン半導体層２４は、周知のレーザパターニング法により所定のセルに分割され、この微結晶シリコン半導体層２４上に錫をドープした膜厚８０ｎｍのＩＴＯ膜２５がスパッタ法により形成される。このＩＴＯ膜２５は周知のレーザパターニング法で分離されているとともに、隣接する微結晶シリコンセル２の裏面電極２３と接続され、隣接する微結晶シリコンセル２同士が直列に接続され、この実施例では４セル集積型μｃ−Ｓｉ太陽電池が形成される。各ミドルセル２の有効面積１００×２５ｍｍ²である。１２５×１１０×０．５ｍｍ厚の

（ボトムセル３としてのμｃ−ＳｉＧｅ太陽電池層の形成）
面積１２５×１２５ｍｍ²のＳＵＳ基板３１上に、熱ＣＶＤ法にて膜厚０．５μｍのＳｉＯ₂からなる絶縁膜３２を設け、この絶縁膜３２上にＲＦスパッタにより１μｍ厚のＺｎＯ膜（裏面電極）３３を形成する。そして、表４に示す条件で、ＲＦプラズマＣＶＤ法により、膜厚５ｎｍ程度のＮ型微結晶シリコンゲルマニウム層、膜厚２μｍのＩ型微結晶シリコンゲルマニウム層、膜厚５ｎｍ程度のＰ型非微結晶からなる微結晶シリコンゲルマニウム半導体層３４を形成する。微結晶シリコンゲルマニウム半導体層３４上に透明導電膜３５が形成される。導電性ペーストを用いて接合電極タブ９を形成するとともに、外部接続用の電極タブ（スズメッキ付き軟銅箔）３７を裏面電極３３と接合する。尚、このボトムセル３の有効面積は１００×１００ｍｍ²である。

−Ｓｉ太陽電池セルおよびμｃ−Ｓｉ太陽電池セルの接続は基本的には第１の実施例と同じようにして接続及び張り合わせが行われる。μｃ−Ｓｉ太陽電池セルの負極とμｃ−ＳｉＧｅ太陽電池セルの正極は、電極タブ（スズメッキ付き軟銅箔）と低温硬化型銀ペースト９により接合する。

このように、この発明によれば、広いバンドギャップ領域の半導体素子を積層型太陽電池モジュール向けに、動作電流を調節して最適な条件で使用することができる。

上記した実施例においては、３層までの積層型太陽電池モジュールにつき説明したが、必要に応じ４層以上に構成することもできる。また、各セルの半導体の材料は、上記に限られず、必要なバンドギャップ野茂のを適宜選択すればよい。

この発明の第１の実施形態にかかる積層型太陽電池モジュールを示す概略断面図である。 この発明の第１の実施形態にかかる積層型太陽電池モジュールの概略平面図である。 この発明による非晶質シリコンセル、微結晶シリコンセルの動作電流Ｊｏｐ１とＪｏｐ２が相違する場合の内部量子効率を調べた結果を示す特性図である。 従来のタンデム型太陽電池、動作電流Ｊｏｐ１とＪｏｐ２が一致するときの内部量子効率を調べた結果を示す特性図である。 この発明によるトップセルの非晶質シリコンセル（ａ−Ｓｉ太陽電池）およびボトムセルの微結晶シリコンセル（μｃ−Ｓｉ太陽電池２）の膜厚、セル面積を決定する手法を示す工程図である。 この発明の第１の実施例のボトムセル２のＩ層の膜厚ｔ２と動作電流密度ｊｏｐ２の関係を示す測定図である。 各セルが直列に接続された層間に流れる電流の連続関係を示す図である。 この発明の第１の実施例に係る積層型太陽電池モジュールの製造方法を工程別に示す断面図である。 この発明の第１の実施例に係る積層型太陽電池モジュールの製造方法を工程別に示す断面図である。 この発明の第１の実施例に係る積層型太陽電池モジュールの製造方法を工程別に示す断面図である。 この発明の第１の実施例に係る積層型太陽電池モジュールの製造方法を工程別に示す断面図である。 この発明の第１の実施例に係る積層型太陽電池モジュールの製造方法を工程別に示す断面図である。 この発明の第１の実施例に係る積層型太陽電池モジュールの製造方法を工程別に示す断面図である。 この発明の第１の実施例に係る積層型太陽電池モジュールの製造方法を工程別に示す断面図である。 太陽光のスペクトル特性図である。 非晶質シリコン太陽電池セル、微結晶シリコン太陽電池セル、微結晶シリコンゲルマニウム太陽電池セルを用いたこの発明の積層型太陽電池モジュールの構成を示す概略図である。 トップセルの非晶質シリコンセル（ａ−Ｓｉ太陽電池）、ミドルセルとしての微結晶シリコンセル（μｃ−Ｓｉ太陽電池）及びボトムセルとして微結晶シリコンゲルマニウム太陽電池セル８それぞれのの膜厚、セル面積を決定する手法を示す工程図である。 この発明の第２の実施例のミドルセル２のＩ層の膜厚ｔ２と動作電流密度ｊｏｐ２の関係を示す測定図である。 この発明の第２の実施例のボトムセル３のＩ層の膜厚ｔ３と動作電流密度ｊｏｐ２の関係を示す測定図である。 この発明の第２の実施例に係る積層型太陽電池モジュールを示す断面図である。

符号の説明

１ 非晶質シリコンセル（トップセル）
２ 微結晶シリコンセル（ボトムセル）
８ 透明絶縁層
１１ 透明絶縁基板
１２ 透明電極
１３ 非晶質シリコン
１４ 透明電極
２１ 裏面保護膜
２２ 透明絶縁層
２３ 透明電極
２４ 微結晶シリコン半導体層
２５ 透明電極

Claims (3)

1. 光入射側から裏面側にかけて複数層の光電変換セルを透明絶縁層を介して多段に積層し、各層間で、各層の光電変換層における１つのセル実行面積と各層内のセルの動作電流密度との積が一定になるように、層間でセルの面積を変え、かつ各層間が直列回路を形成するように電気的に接続されたことを特徴とする積層型太陽電池モジュール。
2. 太陽電池モジュールの実効光入射面積をＳとし、各層内のセルの面積をＳ各層内のセルの直列接続数をＬｎ（Ｌｎは整数）としたとき、Ｓｎ×Ｌｎ≒Ｓとなるように、各層内のセル面積を設定することを特徴とする請求項1に記載の積層型太陽電池モジュール。
3. 順次接続される各層の光電変換層の出力端子が、上側と下側で正負の対をなし、接続のための配線距離が最小となるように形成されることを特徴とする請求項1なまたは２に記載の積層型太陽電池モジュール。

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