JP2015039020A - 集光能力を有する素子になされた改善 - Google Patents

Abstract

【課題】吸収エージェント上に入射する放射光を最大にする改良された電極を提供する。
【解決手段】吸収材に基づく層と結合することを意図された主表面を含む、ガラス機能を有している基盤であって、該基盤は、主表面の少なくとも１つの表面部分の上に、紫外線から近赤外線に及ぶ波長範囲において反射する少なくとも１つの電極であって、間に接合境界面ゾーンを規定するｎ層（ｎ≧２）から成る電極を備えることを特徴とする、基盤。
【選択図】図１

Description

本願発明は、集光能力を有する素子になされる改善に関するものである。または、より具体的には、半導体材料に基づいた太陽電池のような電子装置に関するものである。

薄膜光起電力太陽電池タイプの集光能力を有する素子が、吸収エージェントの層、電気伝導性材料に基づく、光が入射する側に置かれる少なくとも１つの電極、および、伝導性でもある材料に基づく後部電極から成ることが知られている。後部電極は、比較的厚くて不透明であることが可能である。後部電極は、基本的に電気表面抵抗ができるだけ小さいこと、吸収層への、また必要に応じて、基盤への良い粘着力を、特徴として持たなければならない。

吸収材の働きをすることができる黄銅鉱三元化合物は、一般的に、銅、インジウム及びセレンを含む。そのような吸収エージェントの層は、それからＣＩＳｅ２層と呼ばれる。吸収エージェントの層は、ガリウム（例えばＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２またはＣｕＧａＳｅ２）、アルミニウム（例えばＣｕ（Ｉｎ，Ａｌ）Ｓｅ２）をも含み、あるいは、硫黄（例えばＣｕＩｎ（Ｓｅ，Ｓ）も含むことができる。それらは、以下では、一般に、「黄銅鉱吸収エージェント層」という語で呼ぶことにする。

この黄銅鉱吸収エージェント・システムの文脈において、通常製造される後部電極は、導電性材料（例えばモリブデン）に基づいている。

現在、このシステムの高性能さは、吸収エージェント層の結晶成長と、その化学組成を厳密に制御することによってのみ、達成することができる。

そして、それに貢献しているすべての要因の間で、Ｍｏの層の上のナトリウム（Ｎａ）の存在は、黄銅鉱吸収エージェントの結晶化を進めるキー・パラメータであることが知られている。その存在の量を制御することは、吸収材の欠陥の密度を減少することを可能にして、その導電性を増加する。

アルカリ金属を含むガラス機能を有する基盤は、一般的に、ソーダ石灰−石英ガラスに基づいており、ナトリウム蓄積部を自然に構成する。一般的に高温で実行される、吸収エージェントの層を製造するプロセスの効果の下で、アルカリ金属は基盤中を、モリブデン・ベースの後部電極を通って、吸収エージェントの層に移動する。特に、黄銅鉱タイプではそうである。モリブデン層は、熱アニーリング操作の影響の下で、ナトリウムが、基盤から、上の活動層に自由に拡散することを可能とする。ともかく、このＭｏ層はそうしたＭｏ／ＣＩＧＳｅ２境界面に移動するＮａの量の部分的であまり正確でない管理しか可能にできないという欠点をもっている。

欧州特許出願公開第１３５６５２８号明細書 欧州特許出願公開第７３９０４２号明細書 欧州特許第１１７９５１６号明細書

種々の実施形態の１つにおいて、吸収エージェントの層が、モリブデン・ベースの層上に、高温で堆積される。そのモリブデン・ベースの層は、窒化ケイ素、ケイ素酸化物またはケイ素酸窒化物に基づく、またはアルミニウム酸化物またはアルミニウム酸化窒化物に基づくか、チタンまたは窒化ジルコニウムに基づく障壁層によって、基盤から分離される。このバリア層は、ナトリウムが、基盤の中で拡散して、Ｍｏ上に配置されたアクティブ層へ拡散することを防ぐ。

追加的なステップを製造プロセスに加えるのであるが、後者のソリューションは、外部ソース（例えばＮａＦ、Ｎａ２Ｏ２またはＮａ２Ｓｅ）を使用することによってＭｏ層の上に堆積されるＮａの量を非常に正確に測定する可能性を提供する。他の吸収エージェント・ファミリを、薄膜の形式で、集光能力を有する素子において、使用することができる。特に、シリコンに基づくものが知られており、シリコンは、おそらく、アモルファスであるか、微結晶性である、さらには、結晶体、またはテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）に基づくものである。

５０μｍないし２５０μｍの厚さの、厚膜の形式での、単結晶または多結晶シリコンウエハに基づく吸収エージェントの別のファミリも存在する。

吸収エージェントのファミリが何であっても、太陽光スペクトルの最大部分をカバーしている光エネルギーの量が、すなわち、紫外線から可視光線の波長範囲を通過して近赤外線までが、電気エネルギーに変換されるために、吸収エージェントによって吸収されるときに、エネルギー変換効率が常により高いことが分かる。この観測から始まって、光起電力セル・メーカーは、吸収されなかった、すなわち、吸収エージェントの方へ反射したほんのわずかな放射をも反射することを含めて、セルの中で光放射の最大量を捕捉しようとする。

エネルギー変換を最適化するこの調査の中で、発明者は、驚くべきことに、また、予想に反して、吸収エージェントの層と接触する電極の構造が、顕著な役割を果たすことを発見した。

したがって、本願発明の目的は、吸収エージェント上に入射する放射光を最大にする改良された電極を提案することによって、これらの欠点を軽減することである。

この目的のために、吸収材に基づく層と結合することを意図された主表面を含む、ガラス機能を有する基盤が、主表面の少なくとも１つの表面部分の上に、紫外線から近赤外線に及ぶ波長範囲において反射する少なくとも１つの電気伝導性電極を備えることを特徴とし、その電極は、間に接合境界面ゾーンを規定するｎ層（ここでｎ≧２）から成る。

電極をつくる層の間の接合境界面ゾーンが存在するために、屈折率のジャンプが、各々の接合境界面につくられ、その結果、吸収エージェント上への入射光の反射を改善する。

本願発明の好ましい実施形態において、以下の構成の１つあるいは、別のものを、さらに選択的に採用することができる。
− 電極は、銀、モリブデン、銅、アルミニウム、ニッケル、クロミウム、ニッケル−クロミウム、及びタンタルから選ばれる導電性材料に基づくか、又は、モリブデン、チタニウム、ニオビウム、ジルコニウム、及びタンタルから選ばれる導電性材料の窒素化合物に基づく。
− 電極は、厚みで、多くても５００ｎｍ、特に多くても４００ｎｍまたは多くても３００ｎｍまたは多くても２００ｎｍ、モリブデンに基づく。
− 電極は、１〜１６の層、望ましくは４〜１２の層とより望ましくは約８枚の層から成る。
− 電極を作っている層の各々は、同一の材料から成る。
− 電極を作っている層の各々は、ほぼ同一の厚みを所有する。
− 電極を作っている層は、異なる材料から作られる。
− 前記基盤が、前記主表面の少なくとも１つの表面部分上に、少なくとも１つのアルカリ・バリア層を含み、前記電極は、前記バリア層上に堆積されている。
− 前記バリア層は、誘電材料に基づく。
− 前記誘電材料は、窒化ケイ素、ケイ素酸化物またはケイ素酸窒化物に基づくか、窒化アルミニウム、アルミニウム酸化物またはアルミニウム酸化窒化物に基づくか、チタンまたは窒化ジルコニウムに基づくか、それらの、単独、または混合で使用される。
− バリア層の厚みは、３ｎｍと２００ｎｍの間、望ましくは２０ｎｍと１５０ｎｍとの間、実質的に、１３０ｎｍの近くにある。
− バリア層は、窒化ケイ素に基づく。
− 窒化ケイ素に基づく層は、準化学量論的である。
− 窒化ケイ素に基づく層は、超化学量論的である。

本願発明の別の形態においては、上で規定されるような、少なくとも１つの基盤を使用する集光能力を有する素子に関するものである。

本願発明の好ましい実施形態において、以下の構成の１つ以上のものを、さらに選択的に採用することができる。
− サポート機能を有する第１の基盤と、ガラス機能を有する第２の基盤とを備える集光能力を有する素子であって、前記基盤は、電極を形成している２つの導電層の間に、光エネルギーが電気エネルギーに変換されるのを可能とする吸収エージェントに基づく少なくとも１つの機能層をサンドイッチしており、電極のうちの少なくとも１つは、紫外線から近赤外線にわたる波長範囲で反射しており、その電極は、間に接合境界面ゾーンを規定するｎ層（ここでｎ≧２）から成ることを特徴とする集光能力を有する素子。

本願発明の更なる特徴、詳細および長所は、まったく非限定的な具体例として、添付の図面に関して与えられる以下の説明を読むことにより明らかになる。
発明に従う集光能力を有する素子の略図である。 一定の層の厚さに対して、電極を構成している層数の関数として反射率における変化を表しているグラフである。 一定の層数において、電極を構成している層数の関数として反射率における変化を表しているグラフである。

図１は、集光ができる素子（太陽電池または光起電力セル）を表す。

ガラス機能がある透明な基盤１は、たとえば、ソーダ石灰−石英ガラスのようなアルカリ金属を含んでいるガラスで、全体ができていても良い。それは、また、ポリウレタンまたはポリカーボネートまたはポリメチルメタクリレートのような熱可塑性ポリマーでできていても良い。

本質的に、全て質量（すなわち、少なくとも９８重量％）またはガラス機能を有している基盤の全てであっても、最高の可能な透明性を有する１つ以上の材料から成り、そして、望ましくは、アプリケーション（ソーラー・モジュール）に有用なスペクトルの部分である、０．０１ｍｍ^−１未満のリニア吸収を有する。一般的には、紫外線（およそ２８０ｎｍ）から近赤外線（実質的に１２００ｎｍ近く）にわたっているスペクトルである。

本発明による基盤１は、種々の黄銅鉱技術（ＣＩＳ、ＣＩＧＳ、ＣＩＧＳｅ_２、その他）に基づく光起電力セルのための保護プレートとして、または、全ての機能多層スタックを受け入れることを意図するサポート基盤１’として、使用される場合には、０．５から１０ｍｍの範囲のトータルの厚みを有することができる。基盤１が保護プレートとして使われる場合、このプレートを、ガラスでできているとき（例えば、硬化タイプの）熱処理を受けさせるのに有利であることができる。

従来から、光線に向けられる基盤の正面は、面Ａ（これは、外部面である）と定義され、そして、ソーラー・モジュールの残りの層に向けられる基盤の裏面は、Ｂ面（それは、内部面である）と定義される。

基盤１’のＢ面は、電極としての役割をしなければならない伝導性の第１層２で被膜される。黄銅鉱吸収エージェントに基づく機能層３は、この電極２の上に堆積される。機能層３が、たとえば、ＣＩＳ、ＣＩＧＳまたはＣＩＧＳｅ２に基づく場合には、機能層３と電極２間の境界面がモリブデンに基づくことは、好ましいことである。これらの要求を満たしている導電層は、ヨーロッパ特許出願ＥＰ１３５６５２８に記述される。

本発明の１つの有利な特徴によれば、モリブデン電極は、各々、同一の材料、または、異なる材料からなるｎ層のスタック（ｎ≧２）から、実際に、成り立っている。

全スペクトルの上の反射率における変化を、モリブデン・ベースの電極を構成している層数の関数として示す図２のグラフの中で見られるように、同じモリブデンの厚さに対して、スタックにおける層数が多いほど、反射率がより高いことが分かる。

さらに、反射率の増加（望ましい効果）は、電極を構成する層数と比例しているが、しかし、また、抵抗率の増加（望ましくない効果）となることも分かる。

下部層の厚さの関数として全ペクトルの上の反射率における変化を示す図３に基づいて、抵抗率を損なうまで反射率を最大にするためには、下部層の厚さを小さくすることを優先して電極を有することが好ましいことも理解することができる。

図２と図３の２つのグラフを結合することによって、（モリブデン層のトータルの厚さが４００ｎｍで）ｎが８に等しい多層スタックに対して妥協点を見出せることが理解できる。

モリブデン・ベースの電極が、より層数が少ない従来の電極と比較して、より反射するようになるので、反射された光子の余剰は、セルの効率を増加するのを助けることになる。さらに、同程度の効率を維持しながら、吸収層の厚みを減らすことも可能である。

黄銅鉱吸収エージェントのレイヤ３は、硫化カドミウム（ＣｄＳ）の薄膜層４でおおわれており、黄銅鉱レイヤ３によって、ｐｎ接合をつくることを可能にしている。具体的には、黄銅鉱エージェントは、一般的に、ｐ−ドープされ、ＣｄＳ層４は、ｎ−ドープされ、それによって、電流を確立するのに必要なｐｎ接合をつくる。

この薄いＣｄＳ層４は、一般に、真性酸化亜鉛（ｉ：ＺｎＯ）から形成された結合層５により、それ自体おおわれている。

第２の電極を形成するために、ｉ：ＺｎＯ層５は、ＴＣＯ（透明導電性酸化物）で形成された層６でおおわれている。これは、以下の材料から選択することができる。
− ドープ酸化スズ、特にフッ素で、または、アンチモンでドープされたもの（ＣＶＤによる堆積の場合に使用される前駆物質は、フッ化水素酸またはトリフルオロ酢酸タイプのフッ素前駆体に関係するスズの有機金属化合物またはハロゲン化物であり得る）。
− ドープ酸化亜鉛、特にアルミニウムまたは硼素でドープされたもの（ＣＶＤによる堆積の場合に使用される前駆物質は、亜鉛及びアルミニウム有機金属化合物またはハロゲン化物であり得る）。
または、他に、
− ドープ酸化インジウム、特にスズをドープされたもの（ＣＶＤによる堆積の場合に使用される前駆物質は、スズとインジウム有機金属化合物またはハロゲン化物であり得る）。
ソーラー・モジュールの効率を必要以上に減らさないために、この導電層は、できるだけ透明でなければならず、そして、機能層を構成している材料の吸収スペクトルに対応するすべての波長を通す高光透過性を有するものでなければならない。

機能層３と、例えばＣｄＳでできているｎ−ドープされた導電層の間の誘電体ＺｎＯ（ｉ：ＺｎＯ）の比較的薄い（たとえば１００ｎｍ）層５は、機能層を堆積するプロセスの安定性にたいしてポジティブな影響を有することが見出された。

導電層６は、最大で３０Ω／□、特に、多くて２０Ω／□、望ましくは、多くて１０ないし１５Ω／□の抵抗を有する。それは、一般的には、５ないし１２Ω／□である。

薄膜多層スタック７は、たとえば、ＰＵ、ＰＶＢまたはＥＶＡでできている積層中間層８を介して、２つの基盤１および１’の間にサンドイッチされている。基盤１’は、太陽電池あるいは光起電力セルに整合するように、例えば、ソーダ石灰−石英ガラスまたは低ナトリウム含量を有しているガラスなどアルカリ金属に基づくガラスでできており、次に、ガスケットまたは密封樹脂によって周囲をカプセル化されているという事実によって基盤１と区別される。この樹脂の組成およびインプリメントの手段の１つの例は、特許出願ＥＰ７３９０４２に記載されている。

本発明の１つの特徴によれば、電極２を堆積する前に、特にモリブデンに基づくものでは、アルカリ・バリア層９が、基盤１’の面の全体または一部の上に堆積される。このアルカリ・バリア層９は、誘電材料に基づいており、この誘電材料は、窒化ケイ素、ケイ素酸化物またはケイ素酸窒化物に基づくか、または、窒化アルミニウム、アルミニウム酸化物またはアルミニウム酸化窒化物に基づくか、あるいは、チタンまたは窒化ジルコニウムに基づいており、これらは、単独でも、または、混合してでも使用される。バリア層の厚みは、３ないし２００ｎｍ、望ましくは、２０ないし１５０ｎｍ、実質的には１３０ｎｍ近くである。

この場合、ガラスのＮａ含有量は、バリヤの存在のために、非常に小さな影響のみを有する。ソーダ石灰タイプのガラスが、経済理由のために好んで使用されるが、しかし、低Ｎａ含有量または、ホウケイ酸塩タイプのうちの１つを有しているガラスも、使用することができる。

このアルカリ・バリア層は、例えば窒化ケイ素に基づいており、化学量論的である必要はない。それは自然的に準化学量論的かもしれず、あるいは、望ましくは、超化学量論的でさえあり得る。例えば、この層は、少なくとも０．７６、望ましくは０．８０ないし０．９０のｘ／ｙ比率を有する、ＳｉｘＮｙでできている。ＳｉｘＮｙが、Ｓｉを多く含むときには、アルカリ・バリヤ効果がいっそう大きいことが証明されているからである。

化学量論は、たとえば、金属目標の反応性マグネトロン・スパッタリングによって層の堆積を行っている間に、スパッタリング・チャンバーで窒素圧を変えることによって、調節することができる。

モリブデン・ベースの多層スタックの堆積の前に、「スパッタ・ダウン」または「スパッタ・アップ」タイプのマグネトロン・スパッタリングによって、バリア層９が堆積される。この生産プロセスの１つの例が、例えば、特許ＥＰ１１７９５１６に記載されている。バリア層は、ＰＥ−ＣＶＤ等のＣＶＤプロセスによっても、堆積することができる。

すべての可能な組み合わせの内で、最も単純なソリューションは、シングル・ステップ・プロセスである。すなわち、同一のコーティング装置（つまり、マグネトロン・スパッタリング装置）ですべての層が堆積されるものである。

上で述べたソーラー・モジュールは、動作することができ、電気配電網に電圧を送給するためには、一方では、電気的接続デバイスが提供され、そして、他方では、光放射に対して正しい方向を向くことを確実にするように、サポート手段および固定手段が提供されなければならない。

Claims (16)

1. ガラス機能を有し、吸収材に基づく層（３）と結合されるような主表面を備える基盤（１、１’）であって、該基盤は、主表面の少なくとも１つの表面部分の上に、紫外線から近赤外線にわたる波長範囲で反射する、少なくとも１つの電気伝導性電極（２）であって、前記電極（２）が、間にインターフェース・ゾーンを規定しているｎ層のスタック（ｎ≧２）から形成され、前記電極（２）が２ないし１６層、望ましくは４ないし１２層、より望ましくは、８層近くを備える、電気伝導性電極を備える、ことを特徴とする基盤。
2. 前記電極（２）は、銀、モリブデン、銅、アルミニウム、ニッケル、クロミウム、ニッケル−クロミウム、及び、タンタルか、又は、モリブデン、チタニウム、ニオビウム、ジルコニウム、及び、タンタルから選ばれる導電性材料の窒素化合物に基づくから選ばれる導電性材料に基づく、ことを特徴とする請求項１に記載の基盤（１、１’）。
3. 前記電極（２）は、厚さにおいて、最大５００ｎｍ、特に、最大４００ｎｍ、又は、最大３００ｎｍ、又は、最大２００ｎｍ、のモリブデンに基づくことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の基盤（１、１’）。
4. 前記電極（２）を形成する各層は、同一の材料から成ることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の基盤（１、１’）。
5. 前記電極（２）を形成する各層は、ほぼ同一の厚みを有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の基盤（１、１’）。
6. 前記電極（２）を形成する前記層は、異なる材料から成ることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の基盤（１、１’）。
7. 前記基盤が、前記主表面の少なくとも１つの表面部分上に、少なくとも１つのアルカリ・バリア層を含み、前記電極（２）は、前記バリア層上に堆積されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の基盤（１、１’）。
8. 前記バリア層は、誘電材料に基づくことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の基盤（１、１’）。
9. 前記誘電材料は、窒化ケイ素、ケイ素酸化物またはケイ素酸窒化物に基づくか、窒化アルミニウム、アルミニウム酸化物またはアルミニウム酸化窒化物に基づくか、チタンまたは窒化ジルコニウムに基づくものであり、これらの単独で、または、混合で使われることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の基盤（１、１’）。
10. バリア層の厚みは、３ないし２００ｎｍ、望ましくは２０ないし１５０ｎｍ、実質的には１３０ｎｍ近くであることを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１項に記載の基盤（１、１’）。
11. バリア層は、窒化ケイ素に基づくことを特徴とする請求項７ないし１０のいずれか１項に記載の基盤（１、１’）。
12. 窒化ケイ素に基づく層は、準化学量論的であることを特徴とする請求項７ないし１１のいずれか１項に記載の基盤（１、１’）。
13. 窒化ケイ素に基づく層は、超化学量論的であることを特徴とする請求項７ないし１１のいずれか１項に記載の基盤（１、１’）。
14. 請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の基盤（１、１’）を少なくとも１つ使用する、集光能力を有する素子。
15. サポート機能を有する第１の基盤（１’）と、ガラス機能を有する第２の基盤（１）を備える集光能力を有する素子であって、前記基盤は、電極を形成している２つの導電層（２、６）の間に、光エネルギーが電気エネルギーに変換されるのを可能とする吸収エージェントに基づく少なくとも１つの機能層（３）をサンドイッチしており、電極（２、６）のうちの少なくとも１つは、紫外線から近赤外線にわたる波長範囲で反射しており、その電極は、間に接合境界面ゾーンを規定するｎ層（ｎ≧２）から成る、ことを特徴とする集光能力を有する素子。
16. バリア層と電気伝導層（２）は、マグネトロン・スパッタリング・プロセスを使用している堆積されることを特徴とする、請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の基盤を製造するプロセス。

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