薄膜シリコン太陽電池用光閉じ込め技術の開発 先端産業プロセス 低コスト化チーム齋均 発電効率 5%( 接合 ) J SC = 5 ma/cm c-s:h 単接合 ( 膜厚 ~ m) で30 ma/cm 光閉じ込めによる c-s:hの高電流化が必須 c-s:h で 30 ma/cm テクスチャ無しで膜厚 5 m 相当 光マネジメントで実現 a-s:h c-s:h Buffer BSR Glass TCO -- tye AR 膜 /AR 構造 高透明性窓層 テクスチャ 中間層 バッファ層裏面反射層 Potetal of c-s:h OPL (J SC ) (4.9) (8.) Lght trag requred 0 3 (8.3) () 30(3.7) 00(33.8) (35.4) 0. m (4.9mA/cm ) 0.7 0.9.. Wavelegth ( m)
最適な光閉じ込め用テクスチャ構造の探索 過去の取組み Al陽極酸化法* リソ不要 周期が可変0.~ m --型 c-s:h電池に適した凹凸構造 半導体プロセスによるテクスチャ形成 周期 アスペクト比可変 > mも容易 周期> m実現困難 高い制御性 再現性 形状も可変 形状制御困難 リソ必要 低コストプロセスの 開発は次のステップ Sa et al. APL 93 4350 (008) JAP 05 09455 (009) m m 0 m () 5 m (.8) 0.9 m (4.3) 周期に応じ 電流向上 ( JSC=8.6 ma/cm) Asah-U (.5) Asect rato =0. m (9.6) 本研究 高制御テクスチャ形成法 5 -- c-s:h, t= m 0.7 0.9 Wavelegth ( m) *Alを電解液中で通電酸化し規則構造を得る手法. 広範に 制御可 0 Pattered Al Hoeycomb (aodzato) (ew).5 Perod ( m)
周期 アスペクト依存性 AM.5 00 mw/cm 高アスペクト化でJSC向上 最適周期はセル膜厚に依存 セル表面平坦化と関連? c-s:h ( or m) ZO 周期. m Cell(t= m) Hoeycomb(t= m) 6 参照基板: Asah-U 8 JSC (ma/cm ) 新型 ハニカム基板 周期 = m, 高さ = 6 mでjsc最大(t= m) 周期 m 高アスペクト化 4 Ref. tex. 0 Pattered Al (t= m) 8 Substrate Hoeycomb(t= m) 6 m.5 (Average) Perod ( m)
周期 アスペクト依存性 -layer thckess ~ m 400 500 600 700 800 900 000 00 今後 Hoeycomb (6.6) Ref. tex. (4.8) ( ma/cm ) Wavelegth (m) (7.@-4V) 短波長側 長波長側のが向上 逆バイアス下でJ QE > 7 ma/cm 参照基板に対しV OC FFが改善 高品質 c-s:h 薄膜成長を示唆 更なる高アスペクト化 / 形状効果の検討 / 層 TCO の高透明化 高性能化 -- 型 ( スーパーストレート型 ) への展開 - R Curret desty (ma/cm ) 30 5 0 5 0 5 Ref. tex. t = m t = m Hoeycomb(P= m) 0 0. Voltage (V) Voc V Jsc ma/cm FF Eff. % Ref.tex. 8.6 0.78 8. Hoeycomb 39.8 0.744 9. Hoeycomb (t= m) Actve area = cm 9 6. 0.730 9.9
薄膜シリコン太陽電池用光閉じ込め技術の開発 齋 均 先端産業プロセス 低コスト化チーム 研究背景 発電効率5% 接合 JSC = 5 ma/cm µc-s:h単接合 膜厚~µm で 30 ma/cm 光閉じ込めによるµc-S:Hの高電流化が必須 µc-s:h Buffer TCO 高透明性窓層 テクスチャ 中間層 BSR バッファ層 裏面反射層 -- tye Lght trag requred OPL (JSC) 30(3.7) 0 3 (8.3) (4.9) () (8.) 課題 既報 Al陽極酸化法によるテクスチャサイズの系統的検討 リソ不要 周期が可変0.~µm --型µc-S:H電池に適した凹凸構造 テクスチャ無しでは 膜厚5µm相当が必要 (35.4) 陽極酸化後のAl表面 µm () 5 µm (.8) (JSC=8.6 ma/cm) 周期に応じ 電流向上 Asah-U (.5) -- µc-s:h, t=µm 0.7 0.9.. 0.7 0.9 Wavelegth (µm) Wavelegth (µm) 実験手法 制御性を高めたテクスチャ形成 手法を開発し µc-s:h電池を 高電流化 高性能化する光閉じ 込め構造を明らかにする µm 0.9 µm (4.3) 0.µm (4.9mA/cm) 周期>µm実現困難 形状制御困難 Λ=0. µm (9.6) 00(33.8) AR膜/AR構造 Potetal of µc-s:h a-s:h Glass µc-s:h電池に最適な光閉じ込め構造の探索. Sa et al. APL 93 4350 (008), Sa et al. JAP 05 09455 (009) 電流密度 半導体プロセスによるテクスチャ形成 AM.5 00 mw/cm 周期 アスペクト比可変 >µmも容易 高い制御性 再現性 形状も可変 リソ必要 低コストプロセスは次の課題 制御パラメータ H 周期 サイズ P パターン 高さ アスペクト比 H (H/P) パターン エッチング条件 ZO µc-s:h ( or µm) Asect rato = H/P Photoresst (a) B. Etchg HF+NH4F aq. (b) C. /ZO coatg µm ZO (c) D. Cell fabrcato ()µc-s:h 広範に 制御可 ハニカムテクスチャ µm (d) µc-s:h 参照基板 µm 8 6 5 ()µc-s:h 0 Pattered Al Hoeycomb (aodzato) (ew) 0 陽極酸化基板 µm.5 Perod (µm) JSC (ma/cm) SO Wafer Asect rato A. Patterg 高アスペクト化でJSC向上 最適周期はセル膜厚に依存 セル表面平坦化とも関連? 周期 = µm, 高さ = 6µmで JSC最大(t=µm) P 制御手法 周期.µm 基板周期とJSCの関係 セル表面(µm) Hoeycomb(t=µm) µm 高アスペクト化 4 Ref. tex. 0 8 6 周期 µm セル表面(µm) Pattered Al (t=µm) µm Hoeycomb(t=µm).5 (Average) Perod (µm) J-V特性 JQE, SC = 6.6 ma/cm, JQE(-4V) > 7 ma/cm 吸収量は参照基板と同程度 光吸収の増強が必要 30 (t = µm) 5 (t = µm) Sub Hoeycomb 0 Ref. texture (t = µm) 5 (t = µm) 0 5 0 0. Voltage (V) Ref. HC() Ref. HC() t µm JSC VOC Eff. FF V ma/cm % 39 7.5 0.74 7.0 8.6 0.78 8. 39.8 0.744 9. 9 0 9.9 4.4 6. 0.748 0.7 0.730 8.5 8.8 9.9 (7.@-4V) 結論 周期やアスペクト比を広範囲に制御可能な自由度の高いµc-S:H電池用の光 閉じ込め構造を開発した 最大のJSCが得られる最適周期はµc-S:H層の膜厚に応じて変化した 膜厚 µm 周期.4µm 膜厚µm 周期µm 膜厚が増すと周期依存性は緩 やかになった 適正化したテクスチャでは膜厚µm 逆バイアス下でJQE>7mA/cmを得た 参照基板と比較してJSCのみならずVOC FFも改善し 発電効率9.9%(actve area)を得た Ref. tex. (4.8) ( ma/cm ) µc-s:h電池の断面tem像 Hoeycomb (6.6) Actve area = cm -layer thckess ~ µm 400 500 600 700 -R J-V曲線 及び吸収スペクトル Curret desty (ma/cm) 参照基板に対しJSCに加えてVOC FFが改善 高品質µc-S:H薄膜成長を示唆 発電効率9.9% 800 900 000 00 Wavelegth (m) 謝辞 本研究開発はNEDO 太陽エネルギー技術研究開発 太陽光発 電システム次世代高性能技術の開発 次世代多接合薄膜シリコ ン太陽電池の産学官協力体制による研究開発 の中で実施され たものです また 本研究開発の一部は産総研ナノプロセシングセンター NPF の支援を受けて実施されたものです 関係各位に感謝致します htt://www.ast.go.j/