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zoom RSS シリコン系薄膜太陽電池

<<   作成日時 : 2009/05/10 18:46   >>

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 アモルファスシリコンや微結晶シリコンの薄膜を用いた太陽電池の構造は結晶系太陽電池とは少し異なります。もっとも違うのは基板です。結晶系太陽電池は単結晶または多結晶のウェハを基板とし、表面に不純物を拡散してpn接合を形成します。

 これに対して薄膜太陽電池はガラスまたはプラスチックなどの透明な絶縁体を基板にすることが一般的です。そしてその基板の上に透明な電極を設け、基板側から太陽光を入射する構造がほぼ定番となっています。これは結晶系の基板を使うタイプではできない構造です。

 さらにこの上にシリコンの薄膜を着けますが、p型、n型の伝導型は拡散ではなく、膜そのものに別々に不純物を入れて作ります。そしてp型とn型の薄膜を積層してpn接合を作ります。これは結晶系でもエピタキシャル成長技術を使えば可能で、後で出てくる化合物半導体太陽電池の場合に使われますが、シリコン系ではコストの点で不利なためあまり使われません。

 基板にガラスやプラスチックを使うと結晶基板を使うよりずっとコストが安くなります。また結晶基板に比べて面積の大きいものが得られるという特徴があります。太陽電池にとっては大面積のものが作れることは大きな強みになります。

 具体的な構造の例を特許の図面で説明します。透明基板、透明電極を使う構造は薄膜シリコン系太陽電池ではほとんど初めから考えられていたようで、さきに膜の作り方で紹介した特開昭52-16990にも記載されています。
画像
 ここではその後の実用的な構造につながるものを取り上げておきます。図は三洋電機の出願による特開昭55-123177号(特公昭62-5353号)の図面です。透明なガラス基板1の上に透明電極2を着けます。透明電極の材料としては酸化スズ(SnO)や酸化インジウム・スズ(ITO)などがよく知られています。酸化亜鉛(ZnO)を使うこともあります。

 この透明電極の上にアモルファス(非晶質)シリコン膜3を着けます。図では1層として描かれていますが、実際には3層のpin構造となっています。上にも書いたようにp層を成膜するときには初めから硼素(ボロン)などのp型不純物となる原料を加えて成膜します。n層も同様にリンなどの原料を加えて成膜します。i層は不純物原料を加えずに成膜した層です。i層のないpn接合でも太陽電池として動作はしますが、pin構造にした方が変換効率を高くできます。

 アモルファスシリコン層の上には電極層4を着けます。光は基板側から入れますから、上部の電極層4は光を通さない金属電極で構いません。さらに全体を覆う絶縁膜5が着けられています。これは半導体層を空気中に剥き出しにしておくと特性が悪くなるので、それを防ぐ目的の保護膜です。

 ここで注目しておきたいのは以上説明した太陽電池の素子が図ではa,b,cと3つ横に並べられていることです。3つというのは図を簡単にするためで、実際の素子数はもっと多いはずです。

 薄膜太陽電池は大きな受光面積にできるので有利なのですが、実際にはべったりと大きな電極を着けると、電極の電気抵抗もゼロではないので、その抵抗によって変換効率が低下してしまいます。また大きな面積のどこか1点に欠陥があると全体がだめになってしまうこともあります。

 それから太陽電池の1つのセルが出力する電圧はシリコンのバンドギャップエネルギー程度の1V強に過ぎません。これでは使いにくいのでセルをいくつか直列につないで電圧を高くすることがよく行われます。

 このようなために1つの基板上にいくつか複数のセルを作り、これを直列接続することがよく行われます。図の太陽電池も上部電極4が右隣の透明電極2につないであるのがわかります。

 このような複数の太陽電池を内部で直列につないだ集積型の太陽電池を太陽電池モジュールと呼ぶことがあります。太陽電池は外部のリード線で直列や並列につなぐこともありますが、それとこの1基板内での接続は違うものですが、これをモジュールという場合もあります。特許などでは、何をどういう手段で接続しているかがよくわからない場合がよくありますので、単にモジュールなどといった言葉に紛らわされないように注意が必要です。この点については別の機会に取り上げたいと思います。




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