JP2006140414A - 太陽電池用基板及びこれを用いた太陽電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】 半導体膜の製膜時において、基板温度を充分に上げることができる上、基板内における気泡の発生を防止することができる太陽電池用基板とこれを用いた太陽電池を提供する。
【解決手段】 本発明の太陽電池用基板(1)は、金属層(10)と、金属層(10)上に設けられた複合酸化物層(12)とを含む太陽電池用基板であって、金属層(10)と複合酸化物層(12)との間に配置されたガスバリア層(11)を含む。これにより、半導体膜の製膜時において、金属層(10)から拡散してくる気体をガスバリア層(11)により遮断して、複合酸化物層(12)内における気泡の発生を防止することができる。
【選択図】 図１
【解決手段】 本発明の太陽電池用基板(1)は、金属層(10)と、金属層(10)上に設けられた複合酸化物層(12)とを含む太陽電池用基板であって、金属層(10)と複合酸化物層(12)との間に配置されたガスバリア層(11)を含む。これにより、半導体膜の製膜時において、金属層(10)から拡散してくる気体をガスバリア層(11)により遮断して、複合酸化物層(12)内における気泡の発生を防止することができる。
【選択図】 図１
Description
本発明は、太陽電池用基板及びこれを用いた太陽電池に関する。
従来、Iｂ族元素、IIIｂ族元素及びVIｂ族元素を含む化合物半導体（カルコパイライト構造半導体）であるＣｕＩｎＳｅ2（以下、「ＣＩＳ」という）や、これにＧａを固溶させたＣｕＩｎ(1-X)ＧａXＳｅ2（Ｘは０＜Ｘ＜１の間の実数、以下、「ＣＩＧＳ」という）を光吸収層に用いた薄層系太陽電池（以下、「ＣＩＳ系太陽電池」ともいう）が、高い光電変換効率を示し、かつ、光照射等による光電変換効率の劣化が少ないという利点を有していることが知られている。
上記ＣＩＳ系太陽電池に使用される基板としては、例えばガラス基板（特許文献１参照）や、金属層と複合酸化物層（電気絶縁層）とを含む積層基板（特許文献２参照）を用いていた。
特開平８−３３０６１４号公報
特開昭６２−２６４６７４号公報
しかしながら、ガラス基板を用いる場合は、半導体膜の製膜時に基板温度を充分に上げることができないため、太陽電池として充分な特性が得られなくなるおそれがあった。
一方、金属層と複合酸化物層とを含む積層基板を用いる場合は、ガラス基板を用いる場合に比べ、半導体膜の製膜時の基板温度を高くすることができるが、半導体膜の製膜時に金属層から拡散してくる気体（例えば金属層内に含まれる窒素、酸素、水素、水蒸気等）により複合酸化物層中に気泡が発生するおそれがあった。気泡が発生すると、複合酸化物層の電気絶縁性が劣化する。また、金属層と複合酸化物層との密着性が劣化し、複合酸化物層が剥離する可能性もある。
本発明は、半導体膜の製膜時において、基板温度を充分に上げることができる上、基板内における気泡の発生を防止することができる太陽電池用基板とこれを用いた太陽電池を提供する。
本発明の太陽電池用基板は、金属層と、前記金属層上に設けられた複合酸化物層とを含む太陽電池用基板であって、
前記金属層と前記複合酸化物層との間に配置されたガスバリア層を含むことを特徴とする。
前記金属層と前記複合酸化物層との間に配置されたガスバリア層を含むことを特徴とする。
本発明の太陽電池は、基板と、前記基板上に順次積層された金属膜、光吸収層となる第１半導体膜、窓層となる第２半導体膜及び透明電極膜とを含む太陽電池であって、
前記基板が、金属層と、前記金属層上に設けられた複合酸化物層と、前記金属層と前記複合酸化物層との間に配置されたガスバリア層とを含むことを特徴とする。
前記基板が、金属層と、前記金属層上に設けられた複合酸化物層と、前記金属層と前記複合酸化物層との間に配置されたガスバリア層とを含むことを特徴とする。
本発明の太陽電池用基板は金属層を含むため、半導体膜の製膜時において、基板温度を充分に上げることができる。これにより、太陽電池に使用した際、例えば太陽電池の光電変換効率を向上させることができる。また、金属層と複合酸化物層との間に配置されたガスバリア層を含むため、半導体膜の製膜時において、金属層から拡散してくる気体を前記ガスバリア層により遮断して、複合酸化物層内における気泡の発生を防止することができる。これにより、複合酸化物層の電気絶縁に関する信頼性を向上させることができる。また、上述の太陽電池用基板を用いた本発明の太陽電池は、電気絶縁に関する信頼性が高い複合酸化物層を有するため、複合酸化物層上に形成される金属膜と基板の金属層との間の短絡を防ぐことができる。
本発明の太陽電池用基板（以下、単に「基板」ともいう）は、金属層と、この金属層上に設けられた複合酸化物層とを含む。本発明の基板は、金属層を含むため、半導体膜の製膜時において、基板温度を充分に上げることができる。なお、半導体膜としてＣＩＳ膜やＣＩＧＳ膜を使用する場合、半導体膜の製膜時における基板温度を、例えば５００〜７００℃とすると、半導体膜の結晶化が促進されるため、光電変換効率の高い太陽電池が得られる。
金属層の構成材料は、特に限定されず、例えばステンレス鋼、チタン等の慣用の金属材料が使用できる。特に、ステンレス鋼を使用する場合は、酸化物との接合性が良好なフェライト系ステンレス鋼を使用することが好ましい。また、金属層の熱膨張係数は、１.５×1０-6／℃以下であることが好ましい。半導体膜の製膜時において、金属層から複合酸化物層が剥離する不具合を防ぐことができるからである。なお、金属層の厚みは、例えば０．０５〜１ｍｍとすればよい。
複合酸化物層の構成材料は、電気絶縁材料である限り特に限定されず、例えばホーロー等が使用できる。なかでも、チタン、珪素、硼素及びナトリウムを含むホーローは、表面平滑性が高いため好ましい。この場合、前記元素を含むホーロー中のナトリウムの含有量は、例えば１〜２０質量％程度とすればよい。なお、複合酸化物層の厚みは、例えば０．０８〜０．３ｍｍとすればよい。
そして、本発明の基板は、金属層と複合酸化物層との間に配置されたガスバリア層を含む。これにより、半導体膜の製膜時において、金属層から拡散してくる気体を前記ガスバリア層により遮断して、複合酸化物層内における気泡の発生を防止することができる。よって、複合酸化物層の電気絶縁に関する信頼性を向上させることができる。
ガスバリア層は、窒素の透過速度が１０ｍｌ／ｍ2／ｄａｙ／ＭＰａ以下であることが好ましい。金属層から拡散してくる気体を、より確実に遮断することができるからである。なお、ここでいう透過速度とは、温度が２５℃で、圧力が１ＭＰａの窒素にガスバリア層を接触させた際、前記ガスバリア層１ｍ2当たり１日(ｄａｙ)に透過する窒素の量（ｍｌ）をいう。
また、ガスバリア層は、膜厚が１０〜１０００ｎｍであることが好ましい。ガスバリア層の膜厚が１０ｎｍ未満では、金属層から拡散してくる気体を、効果的に遮断することができなくなるおそれがある。一方、ガスバリア層の膜厚が１０００ｎｍを超えると、金属層との密着性が悪くなり剥離するおそれがある。
また、ガスバリア層は、金属層と複合酸化物層との間に配置されているため、半導体膜の製膜時において、複合酸化物層に比べより多くの熱が伝わる。よって、ガスバリア層の材料は、複合酸化物層を構成する材料の融点より高い融点を有する材料であることが好ましい。
より具体的なガスバリア層としては、酸化物を含むものが好ましい。例えば、酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化インジウム、酸化インジウム−錫、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化錫、酸化亜鉛等を含むものが挙げられる。特に、スパッタ法等の薄膜形成法で形成した酸化物層は、密に形成されていることから、ガスバリア性が良好であるため好ましい。
また、ガスバリア層は、複合酸化物層を構成する材料とは異なる材料で構成される複合酸化物を含んでいてもよい。複合酸化物層との密着性が高くなるからである。
また、ガスバリア層は、ダイアモンド・ライク・カーボンを含んでいてもよい。ガスバリア性がより向上するからである。
本発明の太陽電池は、基板と、この基板上に順次積層された金属膜、光吸収層となる第１半導体膜、窓層となる第２半導体膜及び透明電極膜とを含む。
基板には、上述した本発明の太陽電池用基板が使用される。よって、本発明の太陽電池は、電気絶縁に関する信頼性が高い複合酸化物層を有するため、複合酸化物層上に形成される金属膜と基板の金属層との間の短絡を防ぐことができる。
金属膜の材料としては、一般に太陽電池に使用される電極材料が使用でき、例えばＭｏ等が使用できる。また、金属膜の膜厚は、１００〜２０００ｎｍであることが好ましい。金属膜の膜厚が１００ｎｍ未満では、金属膜の電気抵抗値が高くなるおそれがある。一方、金属膜の膜厚が２０００ｎｍを超える場合は、金属膜が剥離するおそれがある。
第１半導体膜は、光吸収層となる半導体膜である限り特に限定されないが、Iｂ族元素とIIIｂ族元素とVIｂ族元素とを含むｐ型化合物半導体からなる半導体膜が好ましい。光電変換効率が高く、光照射等による光電変換効率の劣化が少ない太陽電池を構成することができるからである。より具体的には、前記Iｂ族元素がＣｕであり、前記IIIｂ族元素が、Ｉｎ及びＧａから選ばれる少なくとも１つの元素であり、前記VIｂ族元素が、Ｓｅ及びＳから選ばれる少なくとも１つの元素であるｐ型化合物半導体からなる半導体膜が挙げられる。また、第１半導体膜の厚みは、例えば０．５〜３μｍとすればよい。
第２半導体膜は、窓層となる半導体膜である限り特に限定されない。例えば、ＺｎＭｇＯやＣｄＳ等のｎ型半導体からなる半導体膜が使用できる。また、第２半導体膜の厚みは、例えば６０〜１００ｎｍとすればよい。
透明電極膜の材料としては、一般に太陽電池に使用される透明電極材料が使用できる。具体的には、酸化インジウム−錫（ＩＴＯ）や、ＺｎＯ：Ａｌ等が使用できる。また、透明電極膜の厚みは、例えば８０〜３００ｎｍとすればよい。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
まず、本発明の第１実施形態に係る基板について説明する。参照する図１は、第１実施形態に係る基板の断面図である。
まず、本発明の第１実施形態に係る基板について説明する。参照する図１は、第１実施形態に係る基板の断面図である。
図１に示すように、第１実施形態に係る基板１は、金属層１０と、金属層１０上に積層されたガスバリア層１１と、ガスバリア層１１上に積層された複合酸化物層１２とからなる。このように、基板１は、金属層１０と複合酸化物層１２との間に配置されたガスバリア層１１を含むため、半導体膜の製膜時において、金属層１０から拡散してくる気体をガスバリア層１１により遮断して、複合酸化物層１２内における気泡の発生を防止することができる。これにより、複合酸化物層１２の電気絶縁に関する信頼性を向上させることができる。また、複合酸化物層１２が、金属層１０上にガスバリア層１１を介して積層されているため、背景技術で説明したような複合酸化物層１２の剥離についても防止することができる。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る太陽電池について説明する。参照する図２は、第２実施形態に係る太陽電池が複数個接続された集積型太陽電池の一部を示す断面図である。なお、図１と同一の構成要素には、同一の符号を付し、その説明は省略する。
次に、本発明の第２実施形態に係る太陽電池について説明する。参照する図２は、第２実施形態に係る太陽電池が複数個接続された集積型太陽電池の一部を示す断面図である。なお、図１と同一の構成要素には、同一の符号を付し、その説明は省略する。
第２実施形態に係る太陽電池２は、図２に示すように、集積型太陽電池において、隣接する太陽電池間を分割するための分割溝１７，１８，１９によって分割された太陽電池（ユニットセル）であり、前述した第１実施形態に係る基板１を含む。具体的には、基板１と、基板１の複合酸化物層１２上に順次積層された金属膜１３、光吸収層となる第１半導体膜１４、窓層となる第２半導体膜１５及び透明電極膜１６とを含む。太陽電池２は、電気絶縁に関する信頼性が高い複合酸化物層１２を有するため、金属膜１３と金属層１０との間の短絡を防ぐことができる。また、太陽電池２は、金属層１０を含む基板１が使用されているため、第１半導体膜１４の製膜時において、基板１の温度を充分に上げることができる。これにより、例えば光電変換効率が高い太陽電池を提供できる。
以下、本発明の実施例について説明する。なお、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
まず、上述した第１実施形態に係る基板１の実施例である実施例１について説明する。用いた各構成要素の材料等は、金属層１０：ステンレス鋼（厚み：０．５ｍｍ）、ガスバリア層１１：ＳｉＯ2（厚み：３００ｎｍ）、複合酸化物層１２：ホーロー（厚み：７０μｍ）とした。
まず、上述した第１実施形態に係る基板１の実施例である実施例１について説明する。用いた各構成要素の材料等は、金属層１０：ステンレス鋼（厚み：０．５ｍｍ）、ガスバリア層１１：ＳｉＯ2（厚み：３００ｎｍ）、複合酸化物層１２：ホーロー（厚み：７０μｍ）とした。
また、各層の形成方法は、まず、金属層１０上にスパッタ法でガスバリア層１１を形成した。スパッタ時のＡｒガスの圧力は、２Ｐａであった。次に、ガスバリア層１１上に、チタン系釉薬をスクリーン印刷法により塗布した後、大気中、８００℃で４分間焼成し、複合酸化物層１２を形成した。得られた基板１における各層間の密着性は良好であった。また、複合酸化物層１２において、ピンホールは確認されなかった。なお、ガスバリア層１１は、窒素の透過速度が１０ｍｌ／ｍ2／ｄａｙ／ＭＰａであった。
（実施例２）
次に、上述した第２実施形態に係る太陽電池２を含む実施例２について説明する。実施例２は、第２実施形態に係る太陽電池２が２０個接続された集積型太陽電池の実施例である。用いた各構成要素の材料等は、基板１：上述した実施例１の基板（面積：１００ｃｍ2）、金属膜１３：Ｍｏ（厚み：１μｍ）、第１半導体膜１４：ＣＩＧＳ（金属膜１３上の厚み：２μｍ）、第２半導体膜１５：ＺｎＭｇＯ（厚み：１５０ｎｍ）、透明電極膜１６：ＩＴＯ（第２半導体膜１５上の厚み：１００ｎｍ）とした。
次に、上述した第２実施形態に係る太陽電池２を含む実施例２について説明する。実施例２は、第２実施形態に係る太陽電池２が２０個接続された集積型太陽電池の実施例である。用いた各構成要素の材料等は、基板１：上述した実施例１の基板（面積：１００ｃｍ2）、金属膜１３：Ｍｏ（厚み：１μｍ）、第１半導体膜１４：ＣＩＧＳ（金属膜１３上の厚み：２μｍ）、第２半導体膜１５：ＺｎＭｇＯ（厚み：１５０ｎｍ）、透明電極膜１６：ＩＴＯ（第２半導体膜１５上の厚み：１００ｎｍ）とした。
また、各膜の形成方法は、まず、基板１上にスパッタ法で金属膜１３を形成した。次に、レーザーを用いて金属膜１３に分割溝１７を形成した。分割溝１７は、溝幅：５０μｍ、溝ピッチ：５ｍｍとした。続いて、金属膜１３上及び分割溝１７内に蒸着法で第１半導体膜１４を形成した。蒸着時の基板１の温度は、７００℃であった。次に、第１半導体膜１４上にスパッタ法で第２半導体膜１５を形成した。続いて、メカニカルパターニング法により第１及び第２半導体膜１４，１５に分割溝１８を形成した。分割溝１８は、溝幅：２０μｍ、溝ピッチ：５ｍｍとした。次に、第２半導体膜１５上及び分割溝１８内にスパッタ法で透明電極膜１６を形成した。続いて、メカニカルパターニング法により透明電極膜１６に分割溝１９を形成した。分割溝１９は、溝幅：２０μｍ、溝ピッチ：５ｍｍとした。以上の方法により、２０個の太陽電池２が直列接続された集積型太陽電池を作製した。
得られた実施例２の集積型太陽電池について、光電変換効率の評価を行ったところ、短絡電流：１５５ｍＡ、開放電圧：１２．４Ｖ、曲線因子：０．７５、光電変換効率：１４．４％となった。なお、評価はエア・マス（ＡＭ）１．５の１００ｍＷ／ｃｍ2の疑似太陽光を用いて行った。
（比較例）
次に、比較例として、本発明の基板の代わりに従来のガラス基板を用いたことと、第１半導体膜１４を形成する際の基板温度を６００℃としたこと以外は、上記実施例２の作製方法と同様の方法で集積型太陽電池を作製した。そして、同様に光電変換効率の評価を行ったところ、短絡電流：１４３ｍＡ、開放電圧：１１．５Ｖ、曲線因子：０．７０、光電変換効率：１１．５％となり、いずれの項目も実施例２に劣る結果となった。
次に、比較例として、本発明の基板の代わりに従来のガラス基板を用いたことと、第１半導体膜１４を形成する際の基板温度を６００℃としたこと以外は、上記実施例２の作製方法と同様の方法で集積型太陽電池を作製した。そして、同様に光電変換効率の評価を行ったところ、短絡電流：１４３ｍＡ、開放電圧：１１．５Ｖ、曲線因子：０．７０、光電変換効率：１１．５％となり、いずれの項目も実施例２に劣る結果となった。
本発明の太陽電池用基板は、耐熱性が高い上、電気絶縁に関する信頼性が高いため、例えば高い光電変換効率が要求される太陽電池に有用である。
１ 基板
２ 太陽電池
１０ 金属層
１１ ガスバリア層
１２ 複合酸化物層
１３ 金属膜
１４ 第１半導体膜
１５ 第２半導体膜
１６ 透明電極膜
１７，１８，１９ 分割溝
２ 太陽電池
１０ 金属層
１１ ガスバリア層
１２ 複合酸化物層
１３ 金属膜
１４ 第１半導体膜
１５ 第２半導体膜
１６ 透明電極膜
１７，１８，１９ 分割溝
Claims (17)
- 金属層と、前記金属層上に設けられた複合酸化物層とを含む太陽電池用基板であって、
前記金属層と前記複合酸化物層との間に配置されたガスバリア層を含むことを特徴とする太陽電池用基板。 - 前記ガスバリア層は、窒素の透過速度が１０ｍｌ／ｍ2／ｄａｙ／ＭＰａ以下である請求項１に記載の太陽電池用基板。
- 前記ガスバリア層は、膜厚が１０〜１０００ｎｍである請求項１又は請求項２に記載の太陽電池用基板。
- 前記ガスバリア層は、前記複合酸化物層を構成する材料の融点より高い融点を有する材料からなる請求項１に記載の太陽電池用基板。
- 前記ガスバリア層は、酸化物を含む請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽電池用基板。
- 前記酸化物は、酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化インジウム、酸化インジウム−錫、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化錫及び酸化亜鉛からなる群から選ばれる少なくとも１つである請求項５に記載の太陽電池用基板。
- 前記ガスバリア層は、前記複合酸化物層を構成する材料とは異なる材料で構成される複合酸化物を含む請求項１に記載の太陽電池用基板。
- 前記ガスバリア層は、ダイアモンド・ライク・カーボンを含む請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽電池用基板。
- 前記複合酸化物層は、ホーローからなる請求項１に記載の太陽電池用基板。
- 前記ホーローは、チタン、珪素、硼素及びナトリウムを含む請求項９に記載の太陽電池用基板。
- 前記金属層は、熱膨張係数が１.５×1０-6／℃以下である請求項１に記載の太陽電池用基板。
- 前記金属層は、ステンレス鋼からなる請求項１又は請求項１１に記載の太陽電池用基板。
- 前記ステンレス鋼は、フェライト系ステンレス鋼である請求項１２に記載の太陽電池用基板。
- 基板と、前記基板上に順次積層された金属膜、光吸収層となる第１半導体膜、窓層となる第２半導体膜及び透明電極膜とを含む太陽電池であって、
前記基板が、金属層と、前記金属層上に設けられた複合酸化物層と、前記金属層と前記複合酸化物層との間に配置されたガスバリア層とを含むことを特徴とする太陽電池。 - 前記金属膜は、膜厚が１００〜２０００ｎｍである請求項１４に記載の太陽電池。
- 前記第１半導体膜は、Iｂ族元素とIIIｂ族元素とVIｂ族元素とを含むｐ型化合物半導体からなる請求項１４に記載の太陽電池。
- 前記Iｂ族元素は、Ｃｕであり、
前記IIIｂ族元素は、Ｉｎ及びＧａから選ばれる少なくとも１つの元素であり、
前記VIｂ族元素は、Ｓｅ及びＳから選ばれる少なくとも１つの元素である請求項１６に記載の太陽電池。
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-
2004
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