JP5666665B2 - 太陽電池およびそれを用いた太陽電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池および太陽電池モジュールに関するものである。

太陽電池は利用効率が高いが、実際の発電効率はそうでもない。電池の効率に影響する要因はたくさんあり、例えば、太陽電池自体の直列および並列抵抗や、太陽電池電極による太陽光の遮蔽、あるいは、反射光を効率よく収集できないことにより生じる損失等の要因がある。

電池内部の電子と正孔（hole）の再結合（recombination）は、電池の効率に影響する別の重要な要因である。太陽電池のバンドギャップ（band gap）よりも大きいエネルギーを有する入射光子の吸収により電子‐正孔対が生成され、太陽電池のｐ‐ｎ接合に存在する電場（electric field）の作用により、これらのキャリアが分離される。光で生成された少数キャリア（すなわち、電子‐正孔対の電子と正孔）は、ｐ‐ｎ接合に到達し、接合を通り抜けて多数キャリアになる。太陽電池が短絡回路である場合、光で生成されたキャリアは、外部回路の中を流れて回路を完成する。太陽電池の発電効率は、太陽電池内の電子と正孔の再結合率に影響するため、その結果、電荷キャリアの減少(depletion)が生じる。

標準のシリコン太陽電池は、ベースシリコン領域、エミッタシリコン領域、ｐ‐ｎ接合領域、前部電気接点（前部電極）および後部電気接点（後部または裏面電極）で構成される。近年、上述した再結合損失を改善するため、ＨＩＴ（heterojunction with intrinsic thin layer）、ＰＥＲＣ（passivated emitter and rear cell）、ＰＥＲＬ（passivated emitter and rear locally diffused cell）等の高効率結晶シリコンが開発されている。

誘電体パッシベーション（dielectric passivation）は、太陽電池の表面におけるキャリア再結合を最小化するための方法として一般的に使用されている。パッシベーション材料は、正電荷または負電荷のいずれかを保持することのできる適切な材料を含む。半導体エミッタまたはベース層に対して逆極性を有する電荷を適用して電場を生成し、少数キャリアが太陽電池内を移動しないようにすることによって、キャリアの再結合を減らすことができる。周知の表面パッシベーション法として、化学パッシベーション（chemical passivation）および電界効果パッシベーション（field-effect passivation）の２つがある。

化学パッシベーションは、高温（例えば、１０００℃）表面パッシベーション技術の１つである熱酸化プロセスにより、ｎ型またはｐ型半導体の表面に誘電材料を堆積させるステップを含む。熱酸化プロセスは、誘電体層と半導体の間の化学結合により良好な界面パッシベーション品質を提供し、その結果、半導体／誘電体層の界面における欠陥密度が低減するため、半導体表面の電子と正孔の再結合率が低下する。しかしながら、高温の状況により、キャリアの寿命低下やｎ+／ｐ界面におけるドーパント再分布が生じる可能性がある。熱酸化プロセスは、約４００℃の低温でプラズマを励起させるＰＥＣＶＤ（plasma-enhanced chemical vapor deposition）法に置き換えることができ、水素を用いて太陽電池の不安定な欠陥を修復することができる。

電界効果パッシベーション法は、誘電材料を用いて少数キャリアの再結合を阻止する。誘電材料の表面パッシベーション特性は、誘電体層内の固定電荷および半導体のドーピング濃度により決定される。ｎ型半導体については、正電荷を有する窒化シリコンが誘電体／半導体界面において多数キャリア（電子）の蓄積を誘発し、エネルギーバンド（energy band）を下方に湾曲させる。少数キャリア（正孔）は、結晶シリコン太陽電池表面から遮蔽される。

別のタイプの電界効果パッシベーションは、ｐ型半導体の裏面の障壁（barrier）として高濃度にドープしたｐ+領域を形成して、少数キャリア（電子）がバック接点（back contact）に移動するのを防止する。太陽電池の背面の高ドープ領域から成る裏面電界（back surface field, BSF）は、このようなパッシベーションの一種である。高ドープ領域と低ドープ領域の間の界面に形成された電場は、障壁を誘起して、少数キャリアを電極から遠ざける。しかしながら、ｐ+領域を形成するのに必要なアクセプタ型ドーパントで追加のドーピングを行う場合、製造工程をさらに追加して、処理費を上げる必要がある。

構造の観点から見ると、化学パッシベーションと電界効果パッシベーション法の両方により形成された誘電体パッシベーションは、太陽電池の半導体光電変換層に接触している。

上述した誘電体パッシベーションと対照的に、「パッシベーション」という単語は、太陽電池の信頼性に関する別の意味も有する。ポリマー封止材料（polymer encapsulant）は、電極層のような導電層に対して電気絶縁パッシベーション層を提供する材料として周知の材料の１つである。このポリマー封止材料は、太陽電池のカソードとアノードの両方に同時に付着して、環境危険物質に対して耐久性と持続性を有する保護を太陽電池に提供する。

現在、エチレン酢酸ビニル（ethylene vinyl acetate, EVA）、ポリビニルブチラール（polyvinyl butyral, PVB）、ジメチルポリシロキサン（polydimethyl siloxane, PDMS）、熱可塑性ポリオレフィン（thermoplastic polyolefins, TPO）、熱可塑性ポリウレタン（thermoplastic polyurethane, TPU）、エチレンプロピレンジエンモノマー（ethylene propylene diene monomer, EPDM）およびイオノマー（ionomer）を含む数種のポリマー封止材料が利用可能である。第３７回IEEE Photovoltaic Specialist Conference （2011）にて発表されたケンペ（Kempe）の研究「Overview of scientific issues involved in selection of polymers for PV applications」によると、ＥＶＡ、ＴＰＵおよびポリオレフィンの体積抵抗は、約Ｅ１４Ｏｈｍ／ｓｑであるが、シリコン、イオノマーおよびＥＰＤＭは、ＥＶＡの約１００倍の抵抗を有する。ポリマー封止材料の抵抗は、電気絶縁に関連する。

言及すべきこととして、イオノマーは、電気的に中性な繰り返し単位と重合体骨格（polymer backbone）に共有結合したわずかなイオン性イオン基の両方を含む荷電共重合体（charged copolymer）である。この種のポリマーでは、主にイオン会合が材料の熱可塑特性に貢献する。溶解温度以下では、このポリマーが一列に並んで、イオン基の引力による物理架橋（physical crosslinking）を形成する。しかしながら、昇温状態では、このイオン性相互作用が消失して、ポリマー鎖が自由に動き回る。この熱可逆的な熱可塑性挙動により、イオノマーは、昇温状態における容易な加工性と室温での高弾性を有することができるため、太陽電池封止剤の応用に適したイオノマーを作ることができる。

１つの実施形態中、太陽電池を提供する。太陽電池は、第１電極、第２電極、および第１電極と第２電極の間に配置された光電変換層を含む。イオン性荷電膜（ionizable charged film）は、第１電極の最外側面および第２電極の最外側面のうちの少なくとも１つに配置される。

１つの実施形態中、イオン性荷電膜を有する太陽電池モジュールを提出する。太陽電池モジュールは、少なくとも、複数の太陽電池と、封止剤とを含む。各太陽電池は、最外側面および内表面を有する第１電極と、第１電極の内表面と向かい合う最外側面および内表面を有する第２電極と、第１電極の内表面と第２電極の間に配置された光電変換層と、第１電極の最外側面および第２電極の最外側面のうちの少なくとも１つに配置されたイオン性荷電膜とを含む。封止剤は、イオン性荷電膜に付着する。

本発明の太陽電池は、イオン性電荷膜を含む。イオン性電荷膜内に蓄積された電荷は、エネルギーバンド結合を引き起こすため、太陽電池において電界効果表面パッシベーションを効果的に形成する。また、周知の真空半導体プロセスと比較して、本発明の技術は、重大な環境問題を生じさせずに、より安く且つより簡単に製造することができる。

本発明の上記および他の目的、特徴、および利点をより分かり易くするため、図面と併せた幾つかの実施形態を以下に説明する。

第１実施形態に係る太陽電池を示す概略図である。 第２実施形態に係る太陽電池を示す概略図である。 図２に太陽電池と第１電極の間の界面における概略的エネルギーバンド図である。 第３実施形態に係る太陽電池を示す概略図である。 第４実施形態に係る太陽電池を示す概略図である。 第５実施形態に係る太陽電池を示す概略図である。 第６実施形態に係る太陽電池を示す概略図である。 第７実施形態に係る太陽電池を示す概略図である。 実験例２に係る結晶シリコン太陽電池の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。 実験例２に係るイオン性荷電膜を有する／有さない結晶シリコン太陽電池のＡＣインピーダンス曲線である。 実験例２に係るイオン性荷電膜を有する／有さない結晶シリコン太陽電池の逆バイアス暗電流曲線である。 実験例３に係るイオン性荷電膜を有する／有さない結晶シリコン太陽電池のＡＣインピーダンス曲線である。 実験例３に係るイオン性荷電膜を有する／有さない結晶シリコン太陽電池の逆バイアス暗電流曲線である。 実験例４に係るイオン性荷電膜を有する／有さないＧＩＧＳ薄膜太陽電池のボード線図である。 実験例５に係るデュポン社製サーリンイオノマーと接触したＧＩＧＳ薄膜太陽電池のＣ‐Ｖ曲線である。

図１は、第１実施形態に係る太陽電池を示す概略図である。

図１において、太陽電池１００は、少なくとも、最外側面１０２ａを有する第１電極１０２と、内表面１０２ｂと、最外側面および内側面を有する第２電極１０６と、第１電極１０２の内表面１０２ｂと第２電極１０６の内表面の間に配置された光電変換層１０８と、第１電極１０２の最外側面１０２ａおよび第２電極１０６の最外側面のうちの少なくとも１つに配置されたイオン性荷電膜とを含む。光電変換層１０８は、半導体ベース領域１１２と、半導体エミッタ領域１１４と、ｐ‐ｎ接合領域１１６とを含んでもよい。ｐ‐ｎ接合領域１１６は、半導体ベース領域１１２と半導体エミッタ領域１１４の間に配置される。

本発明の太陽電池１００は、結晶シリコン太陽電池、アモルファスシリコン薄膜太陽電池、アモルファス微結晶シリコン薄膜太陽電池、ＣＩＧＳ（copper indium gallium selenide）またはテルル化カドミウム（cadmium telluride, CdTe）太陽電池を含む。

図１を参照すると、第１電極１０２および第２電極１０６は、太陽電池１００のカソードまたはアノードであり、その逆であってもよい。イオン性荷電膜１０４は、第１電極１０２における電荷制御を提供する。また、別のイオン性荷電膜（図示せず）を第２電極に配置して、第２電極１０６における電荷分布を操作してもよい。

イオン性荷電膜１０４は、等しい数のカチオン（正電荷をもつイオン）とアニオン（負電荷をもつイオン）から成る。例えば、イオン性荷電膜１０４は、有機または無機イオン性荷電膜を含む。

このイオン性荷電膜１０４は、電極と接触した時に、電気二重層を形成する。イオン性荷電膜は、正電荷をもつ電極の近くに設置されたアニオンを生成するか、あるいは、負電荷をもつ電極の隣に配置されたカチオンを生成する。

イオン性荷電膜１０４は、太陽電池のカソード、アノード、またはカソードとアノードの両方との唯一の電気接触を有する。しかしながら、イオン性荷電膜１０４のイオン導電率により、電極の両側に堆積したイオン性荷電膜は、互いに接触しない。カソードとアノードの両方に不意に接続することによって、デバイスに短絡回路が生じる。イオン性荷電膜１０４の電気的極性は、半導体（すなわち、半導体ベース領域１１２または半導体エミッタ領域１１４）の多数キャリアの極性と反対である。

無機イオン性荷電膜は、リン酸リチウムオキシナイトライド（lithium phosphorus oxynitride, LIPON）、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃またはＬｉＢＦ₄を含む。有機イオン性荷電膜は、高分子電解質（polyelectrolyte）を含む。

有機荷電薄膜の場合、この荷電ポリマーは、極性溶剤中に溶解した時に、反対の極性を有する固定電荷と可動イオンを有する重合体骨格に解離するため、重合体骨格上で正または負の電荷をもち、溶液中に対イオンを放出する。わずかなイオン性イオン基により、荷電ポリマーのイオン導電率が決まる。

負電荷をもつポリマー薄膜は、例えば、ポリスチレンスルホン酸（poly (styrene sulfonate acid), PSSA）、ポリアクリル酸（poly (acrylic acid), PAA）、ポリマレイン酸（polymaleic acid, PMA）またはポリパーフルオロスルフォン酸（poly (perfluorosulfonic acid), PFSA）を含み、正電荷をもつポリマー薄膜は、ポリジアリルジメチルアンモニウムクロリド（polydiallyldimethylammonium chloride, PDDA）、ポリアリルアミン塩酸塩（poly (allylamine hydrochloride, PAH）、ポリ‐Ｌ‐リシン（poly-L-lysine, PLL）またはポリエチレンイミン（polyethyleneimine, PEI）を含む。

実際の応用では、太陽電池１００が電気接続され、モジュールとして封止されることがよくある。エチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）、ジメチルポリシロキサン（ＰＤＭＳ）、熱可塑性ポリオレフィン（ＴＰＯ）、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）、エチレンプロピレンジエンモノマー（ＥＰＤＭ）またはイオノマー等のポリマーは、太陽電池モジュールのラミネート処理を行うための封止剤１１８として使用することができる。封止剤１１８は、太陽電池１００のイオン性荷電膜１０４と第２電極１０６の両方に付着して、異なる極性を有する電極を同時に接触させることができる。第１実施形態において、イオン性荷電膜１０４は、太陽電池１００の第１電極１０２に前もって配置されているため、封止剤１１８は、イオン性荷電膜１０４に順番にラミネートされる。さらに、イオン性荷電膜１０４が第２電極１０６の最外側面に選択的に配置された場合、封止剤１１８は、第２電極１０６の最外側面に配置されたイオン性荷電膜１０４の上に付着する。

図２は、第２実施形態に係る太陽電池を示す概略図である。

図２において、太陽電池２００は、第１電極２０２と、イオン性荷電膜２０４とを有する。イオン性荷電膜２０４は、第１電極２０２の最外側面２０２ａに配置される。結晶シリコン太陽電池を例に挙げて、第２実施形態の太陽電池２００について説明する。第１電極２０２は、裏面電極（back electrode）（例えば、金属電極）であり、光は、太陽電池２００の前側に入射するが、本発明はこれに限定されない。ここで、第１電極２０２は、入射光の方向に対して反対側に設置された電極を指す。イオン性荷電膜２０４は、第１電極２０２の最外側面２０２ａに配置されるため、イオン性荷電膜２０４は、バックエンドモジュールの生産段階で製造することができる。イオン性荷電膜２０４の極性は、実質的に、第１電極２０２の内表面２０２ｂに接触した半導体ベース領域２０６の導電型（ｐ型かｎ型か）によって決まる。イオン性荷電膜２０４の極性は、第１電極２０２の内表面２０２ｂに接続された半導体ベース領域の多数キャリアの極性と反対である。この場合、半導体ベース領域の極性はｐ型半導体層であるため、イオン性荷電膜２０４は、負電荷をもつ。例えば、図２の結晶シリコン太陽電池において、光電変換層の半導体ベース領域２０６は、第１電極２０２の内表面２０２ｂに接触しているｐ型半導体層であり、光電変換層の半導体エミッタ領域２０８（例えば、ｎ型半導体エミッタ層）は、ｐ型半導体層（２０６）の上に配置される。イオン性荷電膜２０４は、太陽電池２００の裏側から多数電荷キャリア（電子）上に電場の反発作用を引き起こして、結晶シリコン太陽電池の背面における再結合損失を減らす。イオン性荷電膜２０４は、単一層または多重層の構造であってもよい。

図２を参照すると、第２実施形態の太陽電池２００は、結晶シリコン太陽電池を例に挙げて説明しているため、第２電極（例えば、複数の金属グリッド電極）２１０を太陽電池２００の前側に配置して、太陽電池の出力電力を外部負荷に送信してもよい。また、反射防止層２１２を第２電極２１０のそばにある半導体エミッタ領域２０８に配置して、太陽電池２００の前側に入射する太陽光を取り込んでもよい。

第２実施形態において、イオン性荷電膜２０４は負電荷をもつため、この膜２０４は、第１電極２０２と接触している半導体ベース領域２０６のエネルギーバンドギャップに影響を与えることができる。

図３は、結晶シリコン太陽電池におけるイオン性荷電膜２０４の可能なパッシベーション構成を説明したものである。金属（アルミニウムペースト等）を有する結晶シリコン太陽電池を第１電極２０２として用いると、電子は、金属からｐ型半導体層（例えば、図２の半導体ベース領域２０６）の価電子帯の空状態(empty states)に流入するため、その結果、化学ポテンシャルが金属フェルミ準位（Fermi level）と均衡状態になった時に上向きのバンド曲がり（upward band bending）が生じる。この均衡状態は、正孔を減少させる領域の形成につながり、図３に示すように、電位障壁（potential barrier）が、金属との界面に対し平行に上昇する。負の極性を有するイオン性荷電膜が金属電極の最外側面に堆積した時、イオン性荷電膜の電荷は、金属電極とｐ型半導体層の間に界面に負電荷を誘起する。正孔は、界面に向かって引き寄せられ、空間電荷幅３００ａと正孔の電位障壁３００ｂを減少させる。したがって、金属電極が第１電極である場合、太陽電池の裏側に移動する多数キャリア（電子）の量が減少し、つまり、キャリア再結合が減少して、正孔を取り出す可能性が増えるため、デバイス全体の特性が向上する。

第２実施形態において、イオン性荷電膜２０４は、等しい数のカチオン（正電荷をもつイオン）とアニオン（負電荷をもつイオン）で構成される。イオン性電荷膜２０４の成分は、無機イオンと有機イオンを含む。リン酸リチウムオキシナイトライド（ＬＩＰＯＮ）、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃またはＬｉＢＦ₄は、無機イオンの例である。有機イオン性荷電膜は、高分子電解質を含み、この基のポリマーは、溶液中で分離することができるため、正電荷をもつポリカチオンまたは負電荷をもつポリアニオンのいずれかを運ぶポリマー鎖に電荷を残して、対イオンを放出することができる。ポリアニオンは、例えば、ポリスチレンスルホン酸（ＰＳＳＡ）、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、ポリマレイン酸（ＰＭＡ）またはポリパーフルオロスルフォン酸（ＰＦＳＡ）を含み、正電荷をもつポリマー薄膜は、ポリジアリルジメチル アンモニウムクロリド（ＰＤＤＡ）、ポリアリルアミン塩酸塩（ＰＡＨ）、ポリ‐Ｌ‐リシン（ＰＬＬ）またはポリエチレンイミン（ＰＥＩ）を含む。

さらに、太陽電池２００は、モジュールとして封止されてもよい。例えば、ＥＶＡ、ＰＶＢ、ＰＤＭＳ、ＴＰＯ、ＴＰＵ、ＥＰＤＭまたはイオノマー等のポリマーを太陽電池モジュールのラミネート処理に用いる封止剤２１４として使用してもよい。封止剤２１４は、太陽電池２００のイオン性荷電膜２０４、複数の金属グリッド電極２１０および反射防止層２１２に付着し、異なる極性を有する電極を同時に接触させることができる。第２実施形態において、イオン性荷電膜２０４は、太陽電池２００の第１電極２０２の上に前もって配置されるため、封止剤２１４は、イオン性荷電膜２０４の上に順番にラミネートされる。

図４は、第３実施形態に係る薄膜太陽電池を示す概略図である。

第３実施形態に係る薄膜太陽電池は、アモルファスシリコン（amorphous silicon, a-Si）薄膜太陽電池、またはアモルファス／微結晶シリコン（amorphous/micro crystalline silicon, a-Si/mc-Si）タンデム型薄膜太陽電池であってもよい。図４に示すように、薄膜太陽電池４０２およびイオン性荷電膜４０４は、透明基板４００の上に形成される。薄膜太陽電池４０２は、第１電極４０６を有し、イオン性荷電膜４０４は、第１電極４０６の最外側面４０６ａに形成される。スーパーストレート（superstrate）薄膜太陽電池を例に挙げて、第３実施形態の薄膜太陽電池４０２について説明する。薄膜太陽電池４０２は、基板４００の上に順番に積み重ねられた第２電極（例えば、透明導電酸化物層）４０８、光電変換層４１０および第１基板（すなわち、カソード層）４０６を含む。第２電極４０８は、入射光に面した電極を指す。第１電極４０６は、透明導電酸化物層４１２と、金属電極４１４とを含む。金属電極４１４は選択可能であり、シースルータイプのアモルファス薄膜太陽電池については、この金属電極が省略されるため、イオン性荷電膜４０４も透明導電酸化物層４１２に直接接触することができる。イオン性荷電膜４０４は、第１または第２実施形態を参照して選択することができるため、詳細についてはここで繰り返し説明しない。

図５は、第４実施形態に係る太陽電池のモジュールを示す概略図である。

第４実施形態に係る薄膜太陽電池は、アモルファスシリコン（ａ‐Ｓｉ）薄膜太陽電池、アモルファス／微結晶シリコン（ａ‐Ｓｉ／ｍｃ‐Ｓｉ）タンデム型薄膜太陽電池またはアモルファス／アモルファスシリコン（ａ‐Ｓｉ／ａ‐Ｓｉ）タンデム型薄膜太陽電池であってもよい。図５は、第４実施形態の誘電体パッシベーション層としてイオン性荷電膜を有するスーパーストレート構造を備えたモノリシック集積（monolithic integrated）薄膜太陽電池を示す概略的断面図である。第３実施形態と同じ参照番号は、同一のまたは類似する素子を表す。

モノリシック集積薄膜太陽電池は、透明基板４００上のｐ１間隔で区切られた複数の第２電極４０８（すなわち、アノード層）、第２電極４０８上のｐ３間隔で区切られた複数の第１電極４０６（すなわち、カソード層）および第２電極４０８と第１電極４０６の間に配置されたｐ２間隔で区切られた複数の光電変換層４１０によって形成される。第２電極４０８は、例えば、透明導電酸化物層を含み、第１電極４０６は、透明導電酸化物層４１２と、金属電極４１４とを含む。１つの薄膜太陽電池の第２電極４０８は、別の薄膜太陽電池の第１電極４０６に接続されるため、薄膜太陽電池間の直列接続を達成することができる。第４実施形態において、複数のイオン性荷電膜４０４が第１電極４０６と接触する。イオン性荷電膜４０４は、第１から第３実施形態を参照して選択することができるため、詳細についてはここで繰り返し説明しない。さらに、封止剤５００は、イオン性荷電膜４０４の上に付着して、薄膜太陽電池４０２を同時に覆う。

図６は、第５実施形態に係る太陽電池モジュールを示す概略図であり、第４実施形態と同じ参照番号は、同一のまたは類似する素子を表す。

第５実施形態に係る薄膜太陽電池モジュールは、第４実施形態の薄膜太陽電池モジュールに類似するが、ｐ３間隔は、電気絶縁層６００に覆われている。第５実施形態において、イオン性荷電膜６０２の連続層は、複数のカソード層４０６に同時に連続して接触する。

図７は、第６実施形態に係る薄膜太陽電池を示す概略図である。

図７に示すように、薄膜太陽電池７０２およびイオン性荷電膜７０４は、透明基板７００の上に形成される。薄膜太陽電池７０２は、第２電極７０６および第１電極７０８を有する。イオン性荷電膜７０４は、第１電極７０８の最外側面７０８ａだけでなく、第２電極７０６の最外側面７０６ａにも設置される。ＣＩＧＳまたはＣｄＴｅ太陽電池等の基板構造薄膜太陽電池を例に挙げて、第６実施形態の太陽電池７０２について説明する。薄膜太陽電池７０２は、基板７００の上に順番に積み重ねられた第１電極（すなわち、アノード層）７０８、光電変換層７１０および透明第２電極（すなわち、カソード層）７０６を含む。光電変換層７１０は、ＣＩＧＳ／ＣｄＳまたはＣｄＴｅ／ＣｄＳヘテロ接合を含む。イオン性荷電膜７０４は、第１または第２実施形態を参照して選択することができるため、詳細についてはここで繰り返し説明しない。

図８は、第７実施形態に係る太陽電池を示す概略図であり、第６実施形態と同じ参照番号は、同一のまたは類似する素子を表す。

第７実施形態に係る薄膜太陽電池は、第６実施形態の薄膜太陽電池に類似するが、透明第２電極７０６（すなわち、カソード層）の上部に、複数の金属接触線８００がある。イオン性荷電膜７０４は、透明第２電極７０６の最外側面に堆積して、透明第２電極７０６（たとえば、透明導電酸化物）と金属接触線８００を同時に覆う。

下記に示す実験例は、本発明の性能を証明するものである。以下の実験例において、結晶シリコン（ｃ‐Ｓｉ）太陽電池、アモルファスシリコン（ａ‐Ｓｉ）薄膜太陽電池およびＣＩＧＳ薄膜太陽電池を例に挙げて説明する。

実験例１ａ：ポリマー封止剤の体積抵抗率測定

ＡＳＴＭ Ｄ２５７‐０７を用いて、各種ポリマー封止材料の体積抵抗率測定を行った。ポリマー封止材料は、エチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）およびイオノマーを含む。測定後のＥＶＡ、ＰＶＢおよびサーリン（surlyn）イオノマーの体積抵抗率は、それぞれ１．８６ Ｅ１４ Ｏｈｍ．ｃｍ、３．１３ Ｅ＋１２ Ｏｈｍ．ｃｍ、２．５４ Ｅ＋１７ Ｏｈｍ．ｃｍであった。この結果は、デュポン（Dupon）社製のサーリンイオノマーが最も高い体積抵抗率を有することを示している。

実験例１ｂ：イオン性荷電膜のイオン導電率測定

正電荷をもつ高分子電解質：ポリアリルアミン塩酸塩（ＰＡＨ）および負電荷をもつ高分子電解質：ポリスチレンスルホン酸（polystyrene sulfonate, PSS）をイオン性荷電膜として利用する。これらの荷電薄膜中のイオン成分の濃度は、２０モル％〜８５モル％の間であった。電気化学インピーダンススペクトル法 （Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS）を用いて、２つのプラチナ箔の間にイオン性荷電膜を挟み、１２．９ｍＳ／ｃｍ塩化ナトリウム標準溶液で較正（calibration）して、高分子電解質薄膜のイオン導電率を測定した。測定後のポリスチレンスルホン酸（ＰＳＳ）およびポリアリルアミン塩酸塩（ＰＡＨ）のイオン導電率は、１０^-3〜１０^-6Ｓ／ｃｍの間であった。

実験例２〜６は、数種類の太陽電池における誘電体パッシベーション層としてのイオン性荷電膜の効果を証明している。

実験例２：ｃ‐Ｓｉ太陽電池の誘電体パッシベーション

イオン性荷電膜の製造

まず、アニオン高分子電解質を水に溶解して、荷電したポリマー溶液を形成する。この例において、材料は、ポリスチレンスルホン酸（ＰＳＳＡ）である。４ｇのＰＳＳＡを１０ｃｃの純水に溶解することにより、ＰＳＳＡ溶液をイオン化して、ＰＳＳ⁻負電荷ポリマーおよびＨ⁺正電荷対イオンを形成することができる。

パッシベーション層としてイオン性荷電膜を有する結晶シリコン太陽電池の製造

その後、図２で示した構造に基づいて、ＰＳＳＡ溶液を６インチのシリコン太陽電池のスクリーン印刷アルミニウム第1電極の上にコーティングする。その後、ＰＳＳＡ溶液を乾燥させ、第１電極の上に負電荷薄膜を得る。この例では、スクリーン印刷アルミニウム電極を第1電極として用いた。図９は、本実験例に係るパッシベーション層としてイオン性荷電膜を有する太陽電池の走査型電子顕微鏡（scanning electron microscope, SEM）写真である。ＳＥＭ写真は、厚さが９ミクロンのイオン性荷電膜９００およびイオン性荷電膜９００の下方にある第１電極９０２を示している。第１電極９０２は、アルミニウムペーストを焼成して形成する。イオン性荷電膜の一部は、コーティングプロセスの間に第１電極に進入する。

測定

結晶シリコン太陽電池に関する荷電膜のパッシベーションメカニズムを理解するため、荷電ポリマー溶液を太陽電池にコーティングする前に、ＡＣインピーダンススペクトル法、逆バイアス暗電流およびＩ‐Ｖテストを行った。正および負端子をｃ‐Ｓｉ太陽電池のリボン（母線にはんだ接合されたもの）に接続することによって、ＡＣインピーダンススペクトル法および逆バイアス暗電流測定を暗状態で行った。太陽電池のアノードをカソードに対する正端子に接続した。

その後、イオン性荷電膜でコーティングを行った後に、太陽電池のＡＣインピーダンス、暗電流およびＩ‐Ｖテストを行い、太陽電池の性能におけるイオン性荷電膜の効果を分析した。これらすべての実験は、制御された室温の下で行った。

Ｉ‐Ｖテスト結果は、イオン性薄膜をコーティングした後に、結晶シリコン太陽電池の開放回路電圧（Ｖ_oc）、短絡回路電流（Ｉ_sc）、フィルファクタ（ＦＦ）等のパラメータが向上したことを示している。短絡回路電流（Ｉ_sc）は、８．５８０Ａから８．６８５Ａまでの１．２３％増加した。開放回路電圧（Ｖ_oc）は、０．６２５Ｖから０．６３１Ｖまでの０．９６％増加した。フィルファクタ（ＦＦ）は、７７．４２％から７９．７８％までの３．０５％増加した。最大出力電力（Ｐ_max）は、４．１５Ｗから４．２８Ｗまでの３．１３％増加した。

ＡＣインピーダンス結果は、図１０に示した通りである。図１０において、パッシベーション層として荷電薄膜を有する太陽電池の直列抵抗（Ｒｓ）は減少したが、同じ太陽電池の並列抵抗（Ｒｓｈ）は増加した。この結果は、荷電薄膜がｃ‐Ｓｉ太陽電池の漏洩電流を減らすことができることを明らかにしている。

ｃ‐Ｓｉ太陽電池の逆バイアス暗電流を測定して、同じ結果を得た。図１１は、イオン性荷電膜を有するｃ‐Ｓｉをコーティングした後に、−１０Ｖの大きな逆バイアスで測定した暗電流が２３．８５％減少したことを明らかにしている。暗電流は、主に、少数キャリアの再結合損失によるものである。荷電薄膜を有するｃ‐Ｓｉ太陽電池において暗電流が比較的低いことは、電池内の再結合損失が向上したことを示している。

実験例３：ａ‐Ｓｉ薄膜太陽電池におけるパッシベーション

誘電体パッシベーション層としてイオン性荷電膜を有するシースルータイプのアモルファス結晶シリコン太陽電池の製造

図５に示した構造に基づいて、２０ｗｔ％のカチオン高分子電解質：Ｄ．Ｉ．水中のポリアリルアミン塩酸塩（ＰＡＨ）を直接ａ‐Ｓｉ薄膜太陽電池モジュールの裏面電極ＺｎＯ透明導電酸化物（ＴＣＯ）層の上にスピンコーティングした。ａ‐Ｓｉ薄膜太陽電池における荷電薄膜の効果をＡＣインピーダンススペクトル法により研究し、正電荷をもつ高分子電解質でコーティングする前と後で逆バイアス暗電流をテストした。太陽電池のアノードをカソードに対する正端子に接続した。全ての測定は、制御された室温で暗状態において行った。

ＡＣインピーダンス分析は、図１２に示した通りである。ナイキスト線図（Nyquist plot）は、パッシベーション層としてイオン性荷電膜を有する太陽電池の直列抵抗（Ｒｓ）が減少し、同時に並列抵抗（Ｒｓｈ）が増加したことを示している。この結果は、コーティングプロセスの後に比較的低いＲｓと比較的高いＲｓｈを達成できることを示している。方程式Ｃｐ＝１／（２×π×ｆ×Ｚ”_max）に基づき、寿命＝Ｒｓｈ*Ｃｐとして、ａ‐Ｓｉ薄膜太陽電池の寿命を計算することができる。ここで、Ｃｐは、太陽電池の容量を指し、ｆは、Ｚ”_maxで測定した周波数である。この結果は、イオン性荷電膜を有する太陽電池の寿命が、コーティング層を持たない太陽電池と比較して、２．４８倍増加することを示している。

図１３は、−１０Ｖの逆バイアスで測定した暗電流を示したものである。この結果は、イオン性荷電膜を有するａ‐Ｓｉ薄膜太陽電池をコーティングした後に暗電流において６５％の減少があることを明らかにしている。

実験例４：ＣＩＧＳ薄膜太陽電池におけるパッシベーション

誘電体パッシベーション層としてイオン性荷電膜を有するＣＩＧＳ薄膜太陽電池の製造

２０ｗｔ％のカチオン高分子電解質：Ｄ．Ｉ．水中のポリアリルアミン塩酸塩（ＰＡＨ）を直接ＣＩＧＳ薄膜太陽電池の第２電極ＺｎＯ透明導電酸化物の上にコーティングした。

図１４のボード線図（Bode plot）は、コーティングプロセスの前と後のＣＩＧＳ薄膜太陽電池の位相角を示している。イオン性電荷膜を有する太陽電池の位相角のピークは、より低い周波数へ移動しており、この結果は、この太陽電池の寿命がイオン性荷電膜を持たない太陽電池と比較して２．３倍増加したことを示している。

実験例５：ＣＩＧＳ電池のＣ‐Ｖ曲線におけるイオノマーの効果

図１５は、イオノマーの層でコーティングする前と後のＣＩＧＳ太陽電池のＣ‐Ｖ曲線（周波数１００Ｈｚで測定）を示したものである。Ｃ‐Ｖ曲線において大きな変化は見られなかったため、この種の荷電ポリマー（サーリンイオノマー）が絶縁体であることを示している。イオン性荷電膜と対照的に、イオノマー層は、電極の表面に電場電荷を誘起しない。そのため、イオノマーは、太陽電池において誘電体パッシベーション効果を有さない。

以上のように、本発明のパッシベーション構造は、コーティングプロセスにより荷電材料を直接太陽電池の電極の上に堆積する。イオン性電荷膜内に蓄積された電荷は、エネルギーバンド結合を引き起こすため、太陽電池において電界効果表面パッシベーションを効果的に形成する。また、周知の真空半導体プロセスと比較して、本発明の技術は、重大な環境問題を生じさせずに、より安く且つより簡単に製造することができる。

以上のごとく、この発明を実施形態により開示したが、もとより、この発明を限定するためのものではなく、当業者であれば容易に理解できるように、この発明の技術思想の範囲内において、適当な変更ならびに修正が当然なされうるものであるから、その特許権保護の範囲は、特許請求の範囲および、それと均等な領域を基準として定めなければならない。

１００、２００ 太陽電池
１０２、２０２、４０６、７０８、９０２ 第１電極
１０２ａ、２０２ａ、４０６ａ、７０６ａ、７０８ａ 最外側面
１０２ｂ、２０２ｂ 内表面
１０４、２０４、４０４、６０２、７０４、９００ イオン性荷電膜
１０６、２１０、４０８、７０６ 第２電極
１０８、４１０、７１０ 光電変換層
１１２、２０６ 半導体ベース領域
１１４、２０８ 半導体エミッタ領域
１１６ ｐ‐ｎ接合領域
１１８、２１４、５００ 封止剤
２１２ 反射防止層
３００ａ 空間電荷幅
３００ｂ 正孔の電位障壁
４００、７００ 透明基板
４０２ 薄膜太陽電池
４１２ 透明導電酸化物層
４１４ 金属電極
６００ 電気絶縁層
８００ 金属接触線

Claims (31)

1. 最外側面および内表面を含む第１電極と、
   最外側面および内表面を含む第２電極と、
   前記第１電極の前記内表面と前記第２電極の前記内表面の間に配置された光電変換層と、
   前記第１電極の前記最外側面および前記第２電極の前記最外側面のうちの少なくとも１つに配置されたイオン性荷電膜と、
   を少なくとも含む太陽電池。
2. 前記光電変換層が、半導体ベース領域と、半導体エミッタ領域と、前記半導体ベース領域と前記半導体エミッタ領域の間に配置されたｐ‐ｎ接合領域とを含む請求項１に記載の太陽電池。
3. 前記第２電極が、透明導電酸化物または金属グリッド電極を含む請求項１に記載の太陽電池。
4. 前記第１電極が、透明導電酸化物、金属層、または前記透明導電酸化物および前記金属層を有するラミネート層を含む請求項１に記載の太陽電池。
5. 前記イオン性荷電膜の電気極性が、前記第１電極に接触している前記半導体ベース領域または前記半導体エミッタ領域の多数キャリアの極性と反対である請求項２に記載の太陽電池。
6. 前記イオン性荷電膜が、無機荷電薄膜または有機荷電薄膜を含む請求項１に記載の太陽電池。
7. 前記無機荷電薄膜が、リン酸リチウムオキシナイトライド（ＬＩＰＯＮ）、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃またはＬｉＢＦ₄を含む請求項６に記載の太陽電池。
8. 前記有機荷電薄膜が、負電荷をもつポリマー薄膜または正電荷をもつポリマー薄膜を含む請求項６に記載の太陽電池。
9. 前記負電荷をもつポリマー薄膜が、ポリスチレンスルホン酸（ＰＳＳＡ）、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、ポリマレイン酸（ＰＭＡ）またはポリパーフルオロスルフォン酸（ＰＦＳＡ）を含む請求項８に記載の太陽電池。
10. 前記正電荷をもつポリマー薄膜が、ポリジアリルジメチル アンモニウムクロリド（ＰＤＤＡ）、ポリアリルアミン塩酸塩（ＰＡＨ）、ポリ‐Ｌ‐リシン（ＰＬＬ）またはポリエチレンイミン（ＰＥＩ）を含む請求項８に記載の太陽電池。
11. 前記イオン性荷電膜が、単一層または多重層を含む請求項１に記載の太陽電池。
12. 前記イオン性荷電膜が、１０^-3〜１０^-6Ｓ／ｃｍのイオン導電率を有する請求項１に記載の太陽電池。
13. 前記太陽電池が、結晶シリコン太陽電池、アモルファスシリコン薄膜太陽電池、アモルファス微結晶シリコン薄膜太陽電池、ＣＩＧＳまたはテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）太陽電池を含む請求項１に記載の太陽電池。
14. 前記イオン性荷電膜が、前記第１電極と前記第２電極の両方の前記最外側面に配置された請求項１に記載の太陽電池。
15. それぞれが、
    最外側面および内表面を含む第１電極と、
    最外側面および内表面を含む第２電極と、
    前記第１電極の前記内表面と前記第２電極の前記内表面の間に配置された光電変換層
    と、
    前記第１電極の前記最外側面および前記第２電極の前記最外側面のうちの少なくとも
    １つに配置されたイオン性荷電膜と
    を含む複数の太陽電池と、
    前記イオン性荷電膜に付着する封止剤と
    を少なくとも含む太陽電池モジュール。
16. 前記光電変換層が、半導体ベース領域と、半導体エミッタ領域と、前記半導体ベース領域と前記半導体エミッタ領域の間に配置されたｐ‐ｎ接合領域とを含む請求項１５に記載の太陽電池モジュール。
17. 前記イオン性荷電膜の電気極性が、前記第１電極に接触している前記半導体ベース領域または前記半導体エミッタ領域の多数キャリアの極性と反対である請求項１６に記載の太陽電池モジュール。
18. 前記イオン性荷電膜が、無機荷電薄膜または有機荷電薄膜を含む請求項１５に記載の太陽電池モジュール。
19. 前記イオン性荷電膜が、単一層または多重層を含む請求項１５に記載の太陽電池モジュール。
20. 前記イオン性荷電膜が、１０^-3〜１０^-6Ｓ／ｃｍのイオン導電率を有する請求項１５に記載の太陽電池モジュール。
21. 前記イオン性荷電膜が、前記第１電極と前記第２電極の両方の前記最外側面に配置された請求項１５に記載の太陽電池モジュール。
22. 前記封止剤が、前記第１電極と前記第２電極の両方の前記最外側面に配置された前記イオン性荷電膜の上に付着した請求項２１に記載の太陽電池モジュール。
23. 前記太陽電池が、結晶シリコン太陽電池、アモルファスシリコン薄膜太陽電池、アモルファス微結晶シリコン薄膜太陽電池、ＣＩＧＳまたはテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）太陽電池を含む請求項１５に記載の太陽電池モジュール。
24. 最外側面および内表面を含む第１電極と、
    それぞれが最外側面および内表面を含む複数の金属グリッド電極と、
    前記第１電極の前記内表面と前記複数の金属グリッド電極の前記内表面の間に配置された光電変換層と、
    前記第１電極の前記最外側面に配置されたイオン性荷電膜と
    を少なくとも含む複数の太陽電池。
25. 前記光電変換層の上および前記金属グリッド電極のそばに配置された反射防止層をさらに含む請求項２４に記載の太陽電池。
26. 前記第１電極が、裏面電極である請求項２４に記載の太陽電池。
27. 前記光電変換層が、半導体ベース領域と、半導体エミッタ領域と、前記半導体ベース領域と前記半導体エミッタ領域の間に配置されたｐ‐ｎ接合領域とを含む請求項２４に記載の太陽電池。
28. 前記イオン性荷電膜の電気極性が、前記第１電極に接触している前記半導体ベース領域の多数キャリアの極性と反対である請求項２７に記載の太陽電池。
29. 前記イオン性荷電膜が、無機荷電薄膜または有機荷電薄膜を含む請求項２４に記載の太陽電池。
30. 前記イオン性荷電膜が、単一層または多重層を含む請求項２４に記載の太陽電池。
31. 前記イオン性荷電膜が、１０^-3〜１０^-6Ｓ／ｃｍのイオン導電率を有する請求項２４に記載の太陽電池。