JP2009259926A - 太陽電池 - Google Patents

Abstract

【課題】光電変換層で発生する光電流のうち最も低い光電流に律速されることなく、光電流を向上可能な太陽電池を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る太陽電池は、透光性絶縁基板１の上面上に形成され、ワイドバンドギャップ光電変換層１２を備える複数のセル２と、透光性絶縁基板１の下面上に形成され、ワイドバンドギャップ光電変換層１２と異なる光学的バンドギャップを有するミドルバンドギャップ光電変換層２２を備える複数のタンデムセル３とを備える。透光性絶縁基板１を挟んで対向するセル２およびタンデムセル３は、ユニット４を構成する。ユニット４のワイドバンドギャップ光電変換層１２とミドルバンドギャップ光電変換層２２とは、透光性絶縁板１に設けられた貫通孔５を介して互いに電気的に並列に接続される。隣接するユニット４の光電変換層１２同士および光電変換層２２同士それぞれは、電気的に直列に接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、光電変換層の光起電力により発電する太陽電池に関するものである。

従来の薄膜太陽電池などの太陽電池では、タンデム構造のセル（タンデムセル）が、透光性絶縁基板上に形成されている。このタンデムセルは、透明導電膜と反射導電膜とからなる一対の電極の間に、ｐ層、ｉ層、ｎ層の半導体層からなる光電変換層を積み上げて形成される。さらに、発電効率を向上させる目的で、例えば、アモルファスシリコン半導体層および微結晶シリコン半導体層などの複数の光電変換層を積み上げて形成される。電流源として作用するこれら複数の光電変換層は、互いに光学的バンドギャップが異なり、互いに電気的に直列に接続される。このような構成からなるタンデムセルでは、例えば、太陽光の短波長成分をアモルファスシリコン半導体層、長波長成分を微結晶シリコン半導体層でそれぞれ吸収することにより、光の有効波長域を広げ、発電効率を向上させている。

また、透明導電膜と反射導電膜とからなる一対の電極の間に、複数の光電変換層を積み上げた構造単位（上述のタンデムセル）をユニットとし、複数のユニットを並置させ、本ユニットの反射導電膜と、隣接するユニットの透明導電膜とを接続して、光電変換層同士を互いに電気的に直列に接続した構造も提案されている。

特許文献１に記載の太陽電池では、互いに異なる光学的バンドギャップを有する光電変換層から構成されるセルを、透光性絶縁基板の上下面にそれぞれ配置し、透光性絶縁基板を挟んで対向する上部セルと下部セルとによりユニットを構成している。そして、ユニットの光電変換層同士は、透光性絶縁基板に付与された貫通孔を介して互いに電気的に接続されている。特許文献１の構造と従来構造との相違点は、従来構造では、光電変換層同士が接合して直接的に電気的に接続しているのに対して、特許文献１の構造では、光電変換層同士が、基板に付与した貫通孔を介して、間接的に電気的に接続されている点である。一方、特許文献１の構造と従来構造との共通点は、光学的バンドギャップが互いに異なる複数の光電変換層を、電気的に直列に接続して設けている点である。この構造により、太陽電池で発生する電圧は、光電変換層の数に応じて向上する。

特開平７−７９００４号公報（第２−４頁、第１−３図）

しかしながら、特許文献１の構造および従来構造では、電流発生源となる複数の光電変換層同士がすべて直列に接続されているため、太陽電池全体で発生する光電流は、各光電変換層で発生する光電流のうち最も低い光電流に律速されるという問題がある。例えば、光学的バンドギャップが互いに異なる２種類以上の光電変換層をユニット内で直列接続した場合、互いの光電変換層の特性が異なるため、そのユニットで発生する光電流は、各光電変換層で発生する光電流のうち最も低い光電流に律速される。

また、季節や天候による太陽光のスペクトルの変化によって、各光電変換層で発生する光電流が変化した場合、太陽電池全体の光電流は、その変化により光電流が減少する場合があるという問題がある。例えば、太陽光のスペクトルの変化により、一方の光電変換層では光電流が上昇しても、他方の光電変換層では光電流が減少した場合には、太陽電池全体の光電流は減少する場合がある。また、温度変化によって光電変換層の特性は変化し、温度変化によっても光電流は変動するが、その場合も、同様に、低い光電流に律速される。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、光電変換層で発生する光電流のうち最も低い光電流に律速されることなく、光電流を向上可能な太陽電池を提供することを目的とする。

本発明に係る太陽電池は、透光性絶縁基板の一方の面上に形成され、第１の光電変換層を備える複数の第１のセルと、前記透光性絶縁基板の他方の面上に形成され、前記第１の光電変換層と異なる光学的バンドギャップを有する第２の光電変換層を備える複数の第２のセルとを備える。前記透光性絶縁基板を挟んで対向する前記第１のセルおよび前記第２のセルは、ユニットを構成する。前記ユニットの前記第１の光電変換層と前記第２の光電変換層とは、前記透光性絶縁板に設けられた貫通孔を介して互いに電気的に並列に接続され、隣接する前記ユニットの前記第１の光電変換層同士および前記第２の光電変換層同士それぞれは、電気的に直列に接続される。

本発明の太陽電池では、互いに異なる光学的バンドギャップを有する光電変換層が電気的に並列に接続されているため、各光電変換層で発生する光電流のうち最も低い光電流に律速されることなく、光電流を向上させることができる。その結果、季節・天候による太陽光スペクトル、および、温度等の動作周辺環境の変化に対して、動作安定性を向上させることができる。

＜実施の形態１＞
図１は、本実施の形態に係る太陽電池の構成を示す断面図である。本実施の形態に係る太陽電池は、図１に示すように、透光性絶縁基板１と、セル２と、タンデムセル３とを備える。透光性絶縁基板１の材質には、例えば、ガラスを用いる。

本実施の形態に係る複数の第１のセルである複数のセル２は、透光性絶縁基板１の一方の面（図１の上面）上に形成され、第１の光電変換層であるワイドバンドギャップ光電変換層１２を備える。本実施の形態では、複数のセル２は、ワイドバンドギャップ光電変換層１２に加え、第１の透明導電膜１１と、第２の透明導電膜１３とをさらに備える。第１の透明導電膜１１は、透光性絶縁基板１の上面上に所定のパターンで配置される。

図１の破線部分を拡大した図を図１の下に示す。本実施の形態に係るワイドバンドギャップ光電変換層１２は、ワイドバンドギャップのｉ層半導体材料を含むｐ層１５、ｉ層１６、ｎ層１７を、第１の透明導電膜１１上に透光性絶縁基板１側から順次積層してなる。ワイドバンドギャップ光電変換層１２は、第１の透明導電膜１１を覆う。隣り合うワイドバンドギャップ光電変換層１２同士の間には、開口部１４が設けられている。なお、ワイドバンドギャップ光電変換層１２が、透明導電膜１１と接触することに対しては特に制限はない。

第２の透明導電膜１３は、透光性絶縁基板１上側のワイドバンドギャップ光電変換層１２の上に配置される。第２の透明導電膜１３と、セル２を構成する対面の第１の透明導電膜１１とは、上述のワイドバンドギャップ光電変換層１２によって空間的に離れている。その一方で、第２の透明導電膜１３と、隣接するセル２の第１の透明導電膜１１とは、ワイドバンドギャップ光電変換層１２同士の開口部１４において、空間的、電気的に接続されている。第２の透明導電膜１３には、図１に示すように、第１の透明導電膜１１上に分離部１８が設けられている。これにより、隣接する第２の透明導電膜１３同士は、互いに空間的に離れており、電気的に絶縁性を確保している。

本実施の形態に係る複数の第２のセルである複数のタンデムセル３は、透光性絶縁基板１の他方の面（図１の下面）上に形成され、第２の光電変換層であるミドルバンドギャップ光電変換層２２を備える。本実施の形態では、複数のタンデムセル３は、ミドルバンドギャップ光電変換層２２に加え、第３の透明導電膜２１と、第３の光電変換層であるナローバンドギャップ光電変換層２３と、反射導電層２４とをさらに備える。第３の透明導電膜２１は、透光性絶縁基板１の下面上に所定のパターンで配置される。

本実施の形態に係るミドルバンドギャップ光電変換層２２は、ミドルバンドギャップのｉ層半導体材料を含むｐ層２６、ｉ層２７、ｎ層２８を、第３の透明導電膜２１上に透光性絶縁基板１側から順次積層してなる。本実施の形態では、上述のワイドバンドギャップ光電変換層１２は、ミドルバンドギャップ光電変換層２２よりも光学的バンドギャップが広い。

ナローバンドギャップ光電変換層２３は、ナローバンドギャップのｉ層半導体材料を含むｐ層２９、ｉ層３０、ｎ層３１を、ミドルバンドギャップ光電変換層２２上に透光性絶縁基板１側から順次積層してなる。こうして、本実施の形態では、ナローバンドギャップ光電変換層２３は、ミドルバンドギャップ光電変換層２２上に透光性絶縁基板１と反対側に積層され、当該ミドルバンドギャップ光電変換層２２と電気的に直列に接続される。また、本実施の形態では、上述のミドルバンドギャップ光電変換層２２は、ナローバンドギャップ光電変換層２３よりも光学的バンドギャップが広い。

以下の説明では、ワイドバンドギャップ光電変換層１２、ミドルバンドギャップ光電変換層２２、ナローバンドギャップ光電変換層２３を区別しない場合には、簡単に、光電変換層１２，２２，２３と記すこともある。また、ミドルバンドギャップ光電変換層２２およびナローバンドギャップ光電変換層２３を区別しない場合には、簡単に、下側の光電変換層２２，２３と記し、それに対して、ワイドバンドギャップ光電変換層１２を上側の光電変換層１２と記すこともある。

下側の光電変換層２２，２３は、第３の透明導電膜２１を覆う。隣り合う下側の光電変換層２２，２３同士の間には、開口部２５が設けられている。なお、下側の光電変換層２２，２３が、第３の透明導電膜２１と接触することに対しては特に制限はない。

反射導電層２４は、透光性絶縁基板１下側のナローバンドギャップ光電変換層２３の上に配置される。反射導電層２４と、タンデムセル３を構成する対面の第３の透明導電膜２１とは、下側の光電変換層２２，２３によって空間的に離れている。その一方で、反射導電層２４と、隣接するタンデムセル３の第３の透明導電膜２１とは、下側の光電変換層２２，２３同士の開口部２５において、空間的、電気的に接続されている。反射導電層２４には、図１に示すように、第３の透明導電膜２１上に分離部３２が設けられている。これにより、隣接する反射導電層２４同士は、互いに空間的に離れており、電気的に絶縁性を確保している。

透光性絶縁基板１を挟んで対向するセル２およびタンデムセル３は、ユニット４を構成している。透光性絶縁基板１には、貫通孔５が設けられており、その貫通孔５の少なくとも内壁の一部に、透光性絶縁基板１の厚み方向に連続して設けられた導電部材を備える。これにより、第１の透明導電膜１１と第３の透明導電膜２１とは、透光性絶縁基板１に設けた貫通孔５を介して、電気的に接続される。透光性絶縁基板１には、例えば、厚さが１．１ｍｍのものを用い、貫通孔５は、例えば、半径０．５ｍｍの円柱形状に形成する。

貫通孔５の内部には、例えば、銀ろう材の充填、または、スパッタ透明導電膜を形成する。図２は、本実施の形態に係る貫通孔５を形成した透光性絶縁基板１上に、第１の透明導電膜１１と第３の透明導電膜２１を形成した途中段階の構造を示す断面図（図２（ａ））と上面図（図２（ｂ））である。図２（ｂ）に示すように、貫通孔５は、その電気抵抗に基づいて定めた一定間隔でライン上に配置される。この構造により、セル２とタンデムセル３は並列に接続される。

ミドルバンドギャップ光電変換層２２、および、ナローバンドギャップ光電変換層２３は、ｐ層２６，２９、ｉ層２７，３０、ｎ層２８，３１の積層方向が同一であり、電気的に直列に接続される。ミドルバンドギャップ光電変換層２２のｐ層２６と、ワイドバンドギャップ光電変換層１２のｐ層１５とは、第１，第３の透明導電膜１１，２１、貫通孔５を介して互いに電気的に接続される。これにより、ユニット４のワイドバンドギャップ光電変換層１２とミドルバンドギャップ光電変換層２２とは、透光性絶縁基板１に設けられた貫通孔５を介して互いに電気的に並列に接続される。

光が光電変換層１２，２２，２３で吸収されると、光電流は光電変換層１２，２２，２３のｎ層からｐ層へ流れる。そのため、上側の光電変換層１２では、図１の上の表面から透光性絶縁基板１側へ光電流が発生し、下側の光電変換層２２，２３では、図１の下の表面から透光性絶縁基板１側へ光電流が発生する。これら光電流は、各光電変換層１２，２２，２３それぞれにおいて独立して発生する。そのため、ユニット４で発生する光電流、つまり、太陽電池全体で発生する光電流は、透光性絶縁基板１の上下それぞれ発生する光電流の和となる。

また、透光性絶縁基板１全面に亘って形成され、透光性絶縁基板１を挟んで対向する上側のセル２および下側のタンデムセル３により構成される一のユニット４は、隣接するユニット４と、第１，第３の透明導電膜１１，２１を介して電気的に直列に接続される。これにより、隣接するユニット４のワイドバンドギャップ光電変換層１２同士およびミドルバンドギャップ光電変換層２２同士それぞれは、電気的に直列に接続される。

この構造により、上側の光電変換層１２で発生した光電流は、隣接するユニット４の上側の光電変換層１２に引き渡される。その一方で、下側の光電変換層２２，２３で発生した光電流は、隣接するユニット４の下側の光電変換層２２，２３に引き渡される。その結果、太陽電池全体で発生する電圧は、直列接続された各ユニット４で発生する電圧の和となる。

次に、本実施の形態に係る太陽電池が、上述の光電流や電圧の発生源となる光を吸収する動作について説明する。本実施の形態に係る太陽電池の構成では、透光性絶縁基板１上面が、太陽光を浴びる受光面である。上面から入射した太陽光は、第２の透明導電膜１３を通過し、ワイドバンドギャップ光電変換層１２で主に短波長成分の光が吸収される。残りの光は、第１透明導電膜１１および透光性絶縁基板１および第３の透明導電膜２１を通過し、ミドルバンドギャップ光電変換層２２，ナローバンドギャップ光電変換層２３それぞれにおいて、中波長成分の光、長波長成分の光それぞれが吸収される。

残りの光は、反射導電層２４で反射され、上記光の進行方向に対して逆方向に進行し、さらに、各光電変換層１２，２２，２３で吸収される。主な光の進行状況は、上述のとおりであるが、各膜の界面では、反射・屈折・干渉が起きるため、実際の光の進行状況は、より複雑なものになる。なお、太陽光が、透光性絶縁基板１の貫通孔５においても透過可能にするために、貫通孔５内に形成される膜は、透明導電膜であることが望ましい。

なお、各膜の表面構造については特に制限はないが、例えば、第１の透明導電膜１１および第３の透明導電膜２１のいずれか一方、または、両方の表面に凹凸形状を設けるテクスチャー構造を形成した方が望ましい。仮に、その構造を形成した場合には、太陽光の進行方向を屈折により変化させ、光電変換層１２，２２，２３に対する光の作用長を増加させるとともに、正反射により外部に光が飛び出すことを抑えて、光を内部に極力閉じ込める光学的な作用を持たせることができる。

例えば、第１の透明導電膜１１に上述のテクスチャー構造を持たせると、その上に後から形成するワイドバンドギャップ光電変換層１２および第２の透明導電膜１３表面に、下地のテクスチャー構造をある程度反映した表面形状が形成される。この場合、第２の透明導電膜１３に到達した太陽光は、その表面形状に応じて屈折するため、第２の透明導電膜１３は、光の内部閉じ込めに寄与することが可能となる。光の内部閉じ込めは、空気層ないし上部充填層（図示せず）と光電変換層以外にも、第２の透明導電膜１３とワイドバンドギャップ光電変換層１２との界面、および、ワイドバンドギャップ光電変換層１２と第１の透明導電膜１１との界面においても起こる。さらに、第３の透明導電膜２１に上述のテクスチャー構造を持たせると、透光性絶縁基板１上側のセル２のみならず、透光性絶縁基板１下側のタンデムセル３においても、同様に、屈折等による光の内部閉じ込めが可能となる。

なお、図１では、光電変換層１２，２２，２３を簡単な構造で示したが、これ以外の構成要素を挿入する構造であってもよい。例えば、波動光学的に光反射率を向上させるために、反射導電層２４とナローバンドギャップ光電変換層２３との間に、例えば、ＺｎＯ等の透明導電膜を挿入する構造であってもよい。また、例えば、光の内部閉じ込めの効率や、ミドルバンドギャップ光電変換層２２とナローバンドギャップ光電変換層２３との間の電気接続性を向上させるため、これらの光電変換層２２，２３の間に、半導体膜あるいは導電膜を挿入する構造であってもよい。

次に、図３を用いて、本実施の形態に係る太陽電池の製造工程例を説明する。図３（ａ）に示すように、例えば、ガラスからなる透光性絶縁基板１を準備する。この透光性絶縁基板１に、例えば、ダイヤモンド砥粒を備えた電鋳ドリルを用いて、貫通孔５を形成する。この貫通孔５内壁に、例えば、ＣｒおよびＴｉのスパッタ膜を形成する。貫通孔５内部の空洞部に、例えば、銀ろう材、または、透明導電材を充填し、貫通孔５以外の透光性絶縁基板１表面の金属部や導電材は、パッド研磨により除去する。

なお、透光性絶縁基板１は、ガラス基板に限ったものではなく、例えば、プラスチック基板であってもよい。透光性絶縁基板１にプラスチック基板を用いる場合、レーザあるいはポンチとダイからなる金型による加工等により、貫通孔５を形成すればよい。なお、ここで示した貫通孔５の形成は一例に過ぎず、特に本発明を制限するものではない。また、透光性絶縁基板１から、後工程で形成する膜への不純物拡散を抑えるために、バリア層としてのＳｉＯｘやＳｉＮｘ等の膜を透光性絶縁基板１表面に予め設けてもよい。

図３（ｂ）に示すように、透光性絶縁基板１の片面上に、例えば、熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により、ＳｎＯ₂からなる厚さ１．０μｍの透明導電膜を形成する。成膜条件として、例えば、透光性絶縁基板１の温度を５００℃にし、原料ガスとして２．０ｍｏｌ％のＳｎＣｌ₄、酸化性ガスとして１０ｍｏｌ％のＨ₂０および１．０ｍｏｌ％のＯ₂を用い、必要に応じて１．０ｍｏｌ％のＦドーパントのガスを、キャリアガスにＮ₂を用いて加え、これらガスを常圧下で供給する。透光性絶縁基板１の片面上に形成した透明導電膜に、Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザの基本波をパルス光照射する。この照射により、ライン状にセル間の透明導電膜をスクライブ除去して、透明導電膜を分割する。透光性絶縁基板１の他方の面に、上述と同様に、透明導電膜の形成とレーザスクライブ除去を施す。

こうして、透光性絶縁基板１の上面上に第１の透明導電膜１１が形成され、透光性絶縁基板１の下面上に第３の透明導電膜２１が形成される。なお、ここでは、第１，第３の透明導電膜１１，２１の材質は、ＳｎＯ₂である場合について説明したが、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide），ＩＺＯ（Indiumu Zinc Oxide），ＺｎＯであってもよい。また、透明導電膜の成膜には、透光性絶縁基板１の各面それぞれに分離される反応室を用いることにより、プラズマＣＶＤ法で透光性絶縁基板１両面上に、透明導電膜を同時に成膜してもよい。また、透光性絶縁基板１両面上に成膜された透明導電膜を、レーザスクライブにより同時に分割してもよい。

図３（ｃ）に示すように、第１の透明導電膜１１上に、例えば、ボロンドープａ−ＳｉＣからなる厚さ１０ｎｍのｐ層１５、ａ−ＳｉＣからなる厚さ２００ｎｍのｉ層１６、リンドープａ−Ｓｉからなる厚さ１５ｎｍのｎ層１７を順次成膜し、ワイドバンドギャップ光電変換層１２を形成する。第３の透明導電膜２１上に、例えば、ボロンドープａ−ＳｉＣからなる厚さ１０ｎｍのｐ層２６、ａ−Ｓｉからなる厚さ２５０ｎｍのｉ層２７、リンドープａ−Ｓｉからなる厚さ１５ｎｍのｎ層２８を順次成膜し、ミドルバンドギャップ光電変換層２２を形成する。そして、ミドルバンドギャップ光電変換層２２上に、例えば、アモルファス部分を含むボロンドープ微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）からなる厚さ１０ｎｍのｐ層２９、μｃ−Ｓｉからなる厚さ２μｍのｉ層３０、μｃ−Ｓｉからなる厚さ１５ｎｍのｎ層３１を順次成膜し、ナローバンドギャップ光電変換層２３を形成する。

これら成膜は、例えば、平行平板型のＲＦ帯の周波数のプラズマＣＶＤを用いる。その成膜条件として、透光性絶縁基板１の温度はすべて２００℃とし、成膜の原料ガスとしては、ａ−ＳｉＣにはＳｉＨ₄、ＣＨ₄，Ｈ₂を用い、ａ−ＳｉにはＳｉＨ₄、Ｈ₂を用い、μｃ−ＳｉにはＳｉＨ₄、Ｈ₂を用いる。ａ−Ｓｉでは、ガス濃度比［Ｈ₂］／［ＳｉＨ₄］＝１５とし、μｃ−Ｓｉでは、ガス濃度比［Ｈ₂］／［ＳｉＨ₄］＝５０とする。その他のプラズマＣＶＤによる成膜条件は、それぞれ最適となるように設定する。

図３（ｄ）に示すように、上面から見てライン状にセル間の光電変換層１２，２２，２３をスクライブ除去して、開口部１４，２５を形成し、光電変換層１２，２２，２３をパターン分割する。この分割は、透光性絶縁基板１の両面上に形成した光電変換層１２，２２，２３に対して、Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザの第二高調波（２ω）をパルス光照射することにより行う。なお、このスクライブ除去では、第１，第３の透明導電膜１１，２１、および、透光性絶縁基板１にもレーザが照射されるが、当該レーザ波長の光を透過するため、スクライブされずに形状が維持される。

図３（ｅ）に示すように、透光性絶縁基板１上面側でパターニングされたワイドバンドギャップ光電変換層１２上に、例えば、ＤＣマグネトロンスパッタによって、Ａｌ：２ｗｔ％ドープＺｎＯ膜からなる厚さ５００ｎｍの第２の透明導電膜１３を形成する。一方、透光性絶縁基板１下面側でパターニングされたナローバンドギャップ光電変換層２３上に、例えば、ＤＣマグネトロンスパッタによって、Ａｌ：２ｗｔ％ドープＺｎＯ膜をその厚さ１００ｎｍにして形成する。そして、そのＺｎＯ膜上に、例えば、Ａｇ，Ａｌ，Ａｕ，Ｐｔ等、あるいはその合金類からなる反射電極層２４を形成する。ここでは、一例として、ＺｎＯ膜上に、Ａｇ膜からなる厚さ３００ｎｍの反射導電層２４を積層する。なお、ここでは、ナローバンドギャップ光電変換層２３上にＺｎＯ膜を形成したが、これに限ったものではなく、その代わりに、例えば、ＩＴＯ膜、ＩＺＯ膜、ＳｎＯ₂膜を形成してもよい。

図３（ｆ）に示すように、例えば、透光性絶縁基板１と第１の透明導電膜１１との界面を基準としてクリアランスを設定し、加工針によりメカニカルスクライビングすることにより、セル２間の第２の透明導電膜１３を除去し、分離部１８を形成する。第２の透明導電膜１３を除去する位置は、ワイドバンドギャップ光電変換層１２のエッジであり、ワイドバンドギャップ光電変換層１２の一部（微量）と、第１の透明導電膜１１の一部（微量）の表層とともに、セル２間の第２の透明導電膜１３を除去する。これにより、隣接するセル２の第２の透明導電膜１３同士の分離を行う。透光性絶縁基板１下面側のタンデムセル３間の反射導電層２４を、上述の２ωレーザにより、ライン状にスクライブ除去し、隣接するタンデムセル３の反射導電層２４同士の分離を行う。

図４は、本実施の形態に係る太陽電池の別局面の構造を示す断面図である。この図４に係る太陽電池の構造が、図１に係る太陽電池の構造と異なる点は、第１の透明導電膜１１と第３の透明導電膜２１とを接続する貫通孔５の位置が異なる点である。図１に係る太陽電池の透光性絶縁基板１の貫通孔５は、ワイドバンドギャップ光電変換層１２と、ミドルバンドギャップ光電変換層２２との間に設けられていた。

それに対して、図４に係る太陽電池の透光性絶縁基板１の貫通孔５は、第１の透明導電膜１１と第３の透明導電膜１３との接続部と、第２の透明導電膜２１と反射導電層２４との接続部との間の位置に設けられている。つまり、図４に係る太陽電池の透光性絶縁基板１の貫通孔５は、ワイドバンドギャップ光電変換層１２と、ミドルバンドギャップ光電変換層２２との間を避けて設けられている。この図４に係る太陽電池によれば、図１に係る太陽電池に比べて、透光性絶縁基板１上面から下面へ透過する太陽光が、貫通孔５により遮蔽される弊害を無くすことができる。

次に、図５を用いて、図４に係る太陽電池の製造工程例を説明する。なお、ここでは、図３と共通する部分を除いて、図３と相違する工程のみを説明する。図５（ａ）に示すように、例えば、ガラスからなる透光性絶縁基板１を準備する。この透光性絶縁基板１に、例えば、ダイヤモンド砥粒を備えた電鋳ドリルを用いて、貫通孔５を形成する。この貫通孔５内壁に、例えば、ＩＴＯ，ＩＺＯないしＳｎＯ₂あるいはＺｎＯのスパッタ膜を形成する。貫通孔５内部の空洞部に、例えば、ポリアニリンを充填し、貫通孔５以外の透光性絶縁基板１表面のポリマー膜はパッド研磨により除去する。

図５（ｂ）に示すように、貫通孔５と、第１の透明導電膜１１および第３の透明導電膜１３との位置関係が、透光性絶縁基板１上面からみて、後の工程で形成する光電変換層１２，２２，２３と重ならない位置となるように第１，第３の透明導電膜１１，１３を形成する。図５（ｄ）に示すように、光電変換層１２，２２，２３に対して、Ｎｄ：ＹＶＯ₄−２ωレーザをパスル光照射することにより、隣接セル間、つまり、貫通孔５上下に位置する光電変換層１２，２２，２３をスクライブ除去して、光電変換層１２，２２，２３をパターン分割する。この際、第１の透明導電膜１１、第３の透明導電膜１３および貫通孔５は、当該レーザ波長の光を透過するため、形状を保持する。

以上のような本実施の形態に係る太陽電池によれば、光電変換層１２，２２，２３は、互いに異なる光学的バンドギャップを有するため、異なる波長域の光の吸収により光電流をそれぞれ発生する。そして、上側の光電変換層１２と下側の光電変換層２２，２３とは、電気的に並列に接続されているため、太陽電池全体で発生する光電流は、上側の光電変換層１２で発生する光電流と、下側の光電変換層２２，２３で発生する光電流の和となる。これにより、上側の光電変換層１２と下側の光電変換層２２，２３それぞれで発生する光電流のうち低い光電流に律速されないため、太陽電池全体で発生する光電流を向上させることができる。また、上側の光電変換層１２および下側の光電変換層２２，２３のうち、一方の光電変換層では光電流を増加させ、他方の光電変換層では光電流を減少させるような、季節・天候による太陽光スペクトル、および、温度等の動作周辺環境の変化があっても、太陽電池全体の光電流は、低い光電流に律速されない。そのため、動作周辺環境の変化に対して、動作安定性を向上させることができる。また、太陽電池全体で発生する電圧は、直列接続された各ユニット４で発生する電圧の和であるため、動作電圧を改善させることができる。

また、本実施の形態に係る太陽電池によれば、光学的バンドギャップの広いナローバンドギャップ光電変換層２３を設けたため、より効率よく光電変換を行うことができる。

なお、一般的に、ワイドバンドギャップ光電変換層１２で発生する光起電力は、ミドルバンドギャップ光電変換層２２で発生する光起電力、または、ナローバンドギャップ光電変換層２３で発生する光起電力に比べて大きくなっている。それに対して、上述した本実施の形態に係る太陽電池では、最も光起電力が大きい上側の光電変換層１２と、互いに直列接続され光起電力が小さい下側の光電変換層２２，２３とが並列に接続されることになる。そのため、光起電力の大きい上側の光電変換層１２と、光起電力が小さい下側の光電変換層２２，２３とが発生する光電流が異なっていても、効率よく電流を取り出すことができる。

なお、セル２が発生する光起電力と、タンデムセル３が発生する光起電力が異なる場合は、その差分が、低い光起電力側に逆に印加される問題がある。そこで、ワイドバンドギャップ光電変換層１２の光起電力が、ミドルバンドギャップ光電変換層２２の光起電力と、ナローバンドギャップ光電変換層２３の光起電力との和に略等しいとする構成であってもよい。このように構成するためには、例えば、光電変換層１２，２２，２３の半導体材料の組み合わせ選定、ｐ層１５，２６，２９ならびにｎ層１７，２８，３１のドーピング濃度および各層の膜質等を調整すればよい。

以下、上側の光電変換層１２の光起電力と、下側の光電変換層２２，２３の光起電力とを略等しくする構成について詳しく説明する。ワイドバンドギャップ光電変換層１２には、例えば、アモルファスシリコンを、ミドルバンドギャップ光電変換層２２には、例えば、微結晶シリコンを、ナローバンドギャップ光電変換層２３には、例えば、ゲルマニウムを添加した微結晶シリコンを用いる。アモルファスシリコンで形成した光電変換層の開放電圧は、ｐ層およびｎ層のドーパント濃度や、ｐ層、ｉ層、ｎ層の内部に含まれる水素濃度、膜厚などの調整により、０．８〜０．９５Ｖ程度に調整できる。また、微結晶シリコンで形成した光電変換層の開放電圧は、ｐ層およびｎ層のドーパント濃度や、微結晶シリコンとアモルファスシリコンとの割合や成膜条件の調整により、０．４〜０．５Ｖ程度に調整できる。さらに、この微結晶シリコンにゲルマニウムを添加することにより、０．３〜０．４５Ｖ程度に調整できる。

従って、これらを組み合わせて光電変換層１２，２２，２３それぞれで発生する光起電力を調整することにより、ワイドバンドギャップ光電変換層１２からなるセル２が発生する電圧と、ミドルバンドギャップ光電変換層２２およびナローバンドギャップ光電変換層２３からなるタンデムセル３が発生する電圧とをほぼ同じにすることができる。

以上のようにして、セル２が発生する光起電力と、タンデムセル３が発生する光起電力とが同じになるように構成すれば、低い光起電力側において、電圧が逆に印加されないため、効率よく電力を取り出すことができる。

また、セル２およびタンデムセル３両者が発生する電圧が、互いに完全に同じでない場合でも、その差がある程度小さければ、セル２およびタンデムセル３それぞれが発生する光電流の制限がなくなる効果が得られるので、効率的に電力を取り出す効果が得られる。

なお、上側の光電変換層１２の光起電力を、下側の光電変換層２２，２３の光起電力同士の和と同じにする構成は、上述の構成に限ったものではない。例えば、ワイドバンドギャップ光電変換層１２には、アモルファスシリコンを、ミドルバンドギャップ光電変換層２２には、ゲルマニウムを添加したアモルファスシリコンを、ナローバンドギャップ光電変換層２３には、ゲルマニウムを添加した微結晶シリコンを用いてもよい。ここで、ゲルマニウムを添加したアモルファスシリコンの光電変換層の開放電圧は、ゲルマニウム添加量および水素含有濃度を調整することにより、０．６〜０．８Ｖ程度に調整することができる。

実施の形態１に係る太陽電池の構成を示す断面図である。 実施の形態１に係る太陽電池の構成を示す上面図である。 実施の形態１に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。 実施の形態１に係る太陽電池の構成を示す断面図である。 実施の形態１に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。

符号の説明

１ 透光性絶縁基板、２ セル、３ タンデムセル、４ ユニット、５ 貫通孔、１１ 第１の透明導電膜、１２ ワイドバンドギャップ光電変換層、１３ 第２の透明導電膜、１４，２５ 開口部、１５，２６，２９ ｐ層、１６，２７，３０ ｉ層、１７，２８，３１ ｎ層、１８，３２ 分離部、２１ 第３の透明導電膜、２２ ミドルバンドギャップ光電変換層、２３ ナローバンドギャップ光電変換層、２４ 反射導電層。

Claims (3)

1. 透光性絶縁基板の一方の面上に形成され、第１の光電変換層を備える複数の第１のセルと、
   前記透光性絶縁基板の他方の面上に形成され、前記第１の光電変換層と異なる光学的バンドギャップを有する第２の光電変換層を備える複数の第２のセルとを備え、
   前記透光性絶縁基板を挟んで対向する前記第１のセルおよび前記第２のセルは、ユニットを構成し、
   前記ユニットの前記第１の光電変換層と前記第２の光電変換層とは、前記透光性絶縁板に設けられた貫通孔を介して互いに電気的に並列に接続され、
   隣接する前記ユニットの前記第１の光電変換層同士および前記第２の光電変換層同士それぞれは、電気的に直列に接続される、
   太陽電池。
2. 前記第２のセルは、
   前記第２の光電変換層上に前記透光性絶縁基板と反対側に積層され、当該第２の光電変換層と電気的に直列に接続される第３の光電変換層をさらに備え、
   前記第１の光電変換層は、前記第２の光電変換層よりも光学的バンドギャップが広く、
   前記第２の光電変換層は、前記第３の光電変換層よりも光学的バンドギャップが広い、
   請求項１に記載の太陽電池。
3. 前記第２のセルは、
   前記第２の光電変換層上に前記透光性絶縁基板と反対側に積層され、当該第２の光電変換層と電気的に直列に接続される第３の光電変換層をさらに備え、
   前記第１の光電変換層の光起電力は、前記第２の光電変換層の光起電力と前記第３の光電変換層の光起電力との和と略等しい、
   請求項１に記載の太陽電池。

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