太陽光発電工学研究センター 2013成果報告会

薄膜シリコン太陽電池用高度光閉じ込め構造の開発

齋 均

先端産業プロセス・低コスト化チーム

太陽光発電工学研究センター 2013成果報告会

謝辞

近藤道雄、吉田郵司、松井卓矢、鯉田崇、Adrien Bideville、穂積康雄、

菱川善博、佐々木あゆみ、守屋美夏、増田賢一(AIST)

吉田功、齊藤公彦、前島圭剛、保月なな、宮城雄一、村田圭吾 (PVTEC)

本研究は新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の委託を受けて太陽光発電技術研究組合（PVTEC）と共同で実施した。また実験の一部では産総研ナノプロセシングパートナーシッププラットフォーム（AIST-NPPP）の支援を受けた。

太陽光発電工学研究センター 2013成果報告会

発表内容

薄膜シリコン太陽電池における光閉じ込め

ハニカムテクスチャの開発

微結晶シリコン（µc-Si:H）太陽電池への適用

• アスペクト比

• 周期

• 膜厚

• 最適化

まとめ

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薄膜シリコン太陽電池における光閉じ込め

p-i-n type

Glass

TCO

反射損失低減 (light in-coupling) 光閉じ込め (light trapping) 吸収損失低減 (parasitic absorption)

a-Si/µc-Siタンデムセル

η > 15% の実現には

JSC (tandem) > 15 mA/cm2

JSC (µc-Si:H) > 30 mA/cm2

AR film/ AR structure

Textures

High-%T TCO

IMR

Buffer layer Rear reflector

High-%T doped layers

[1] K. Sato, Rep. Res. Lab. AGC., Ltd. 42 (1992) 129. [2] S. Faÿ, SOLMAT 86 (2005) 385. [3] M. Berginski, JAP 101 (2007) 074903.

µc-Si:H

a-Si:H

ZnO[2] ZnO[3] SnO2[1]

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微結晶シリコン(µc-Si:H)太陽電池の光閉じ込め

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.20.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

300(35.4)

100(33.8)30(31.7)

10(28.3)3

(22.0)1

(14.9)0.3(8.1)

Light trapping required

Pote

ntia

l EQ

E of

µc-

Si:H

Wavelength (µm)

0.1µm (4.9mA/cm2)

OPL(JSC)

t

光路長（OPL） >> 膜厚（t）

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光閉じ込め用テクスチャの開発

サブストレート構造を使えば… • 材料（TCO）開発とテクスチャ開発を切り分け （参考）ナノモールドで形状転写したZnO基板

Battaglia et al., Nature photonics 5 (2011) 535.

周期構造を使えば…

• テクスチャ構造のパラメータと電池特性の相関を単純化・明確化 • ランダム構造を上回る光閉じ込め性能が期待

Z. Yu, A. Raman, S. Fan, PNAS 107 (2010)17491.

• 光学シミュレーションとの親和性（周期境界条件）

サブストレート（n-i-p）構造 + 周期構造テクスチャ

µc-Si:H

Periodic texture

p i n

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ハニカムテクスチャ開発

A. Patterning by photolithography

C. Ag/ZnO coating

B. Wet etching with HF+NH4F aq.

Supporting substrate SiO2

Photoresist

ZnO Ag

P

D H

Period P = 1 ~ 4 µm

Aspect ratio H/P = 0 ~ 0.3

Flat base D/P = 0.3 ~ 0.5

1µm 1µm 1µm 1µm

P = 1 µm P = 2 µm

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µc-Si:H太陽電池の作製

D. Cell fabrication (PECVD & sputtering)

Standard Advanced

n µc-Si:H nc-SiOx:H

i µc-Si:H

Thickness ti = 0.5 – 3 µm

p µc-Si:H nc-SiOx:H

TCO In2O3:Sn (ITO) In2O3:H (IOH)*

µc-Si:H

Periodic texture

p i n

AR-TCO Ag grid

Active area = 1 cm2

Substrate Cell surface

*Koida et al., JJAP 46 (2007) L685.

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0.51

0.52

0.53

0.54

0.55

0.56

0.57

18

20

22

24

26

0.0 0.1 0.2 0.30.68

0.70

0.72

0.74

0.76

0.78

0.0 0.1 0.2 0.3

7

8

9

10

P = 1.4 µmP = 1.5 µm

(d)(c)

(b)

V OC (

V)

i-layer thickness ~ 1 µmactive area = 1 cm2

(a)

Flat substrate JSC

(mA/

cm2 )

FF

Aspect ratio, H/P E

fficie

ncy

(%)

η = 10.1%

アスペクト比依存性

VOC, FF maintained

JSC improved

Optimal H/P

η > 10%

Sai et al., APL 101 (2012) 173901.

CVD-SnO2/Ag/GZO

~1.5 µm

1 µm

variable

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300 400 500 600 700 800 900 1000 11000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Abso

rptio

n (1

- R)

(1.5µm, 0.23)25.1 mA/cm2 (0V)

i-layer thickness = 1 µm

Flat17.5 mA/cm2

(1.4µm, 0.12)23.5 mA/cm2

(P, H/P) = (1.4µm, 0.06)22.0 mA/cm2

EQE

Wavelength (nm)

アスペクト比依存性

JSC improved by +43% compared to a flat cell

0.23

0.12

0.06

flat

~1.5 µm

1 µm

variable

Sai et al., APL 101 (2012) 173901.

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周期依存性

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.014

16

18

20

22

24

26

28

30

32

low

J SC (m

A/cm

2 )

(Average) Period, P (µm)

Patterned Al

ti ~ 1 µm

H/Phigh*

ti µm

Optimal P µm

JSC mA/cm2

1 1.5 25.5

1µm

0.45 µm (195V, H3PO4)

*Sai & Kondo, JAP 105 (2009) 094511.

Anodically oxidized Al

Variable

1 µm

H/P ~ 0.2

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0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.014

16

18

20

22

24

26

28

30

32

low

ti ~ 3 µm + (p)SiOx

ti ~ 0.5 µm

ti ~ 2 µm

J SC (m

A/cm

2 )

(Average) Period, P (µm)

Patterned Al

ti ~ 1 µm

H/Phigh

ti µm

Optimal P µm

JSC mA/cm2

0.5 ~1 ~21

1 1.5 25.5

2 2.5 27.8

3 3 ~ 4 30.2

Sai et al., APL 102 (2013) 053509.

Optimal P ↔ Cell thickness ti In thick cells, JSC is

(i) higher at longer P

(ii) less sensitive to P

Variable

varia

ble

H/P ~ 0.2

A

B

C

D

周期依存性

太陽光発電工学研究センター 2013成果報告会

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

P = 1.5 µm

P = 3.0 µm

Abs

orpt

ance

(1 -

R)

EQE

(a) ti ~ 1 µm, (p)µc-Si:H

300 400 500 600 700 800 900 1000 11000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

P = 3.0 µm

P = 1.5 µm

(b) ti ~ 3 µm, (p)SiOX:H

Abso

rpta

nce

(1 -

R)

EQE

Wavelength (µm)

-3V

-3V

P = 1.5 µm P = 3 µm

t i =

1 µm

t i

= 3 µm

Optical loss (absorption) Electrical loss (carrier collection)

⟩⟩

⟨⟨

C D

A B

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X-TEM (ti = 3 µm)

µc-Si:H

ITO

ZnO Ag

1 µm

1 µm

Growth direction

Sai et al., APL 102 (2013) 053509.

ID P µm

VOC V

JSC mA/cm2

FF Eff. %

C 1.5 0.460 28.3 0.658 8.6

D 3 0.480 30.3 0.688 10.0

C: P = 1.5 µm D: P = 3 µm

i

i. Surface flattening

ii

ii. Texture-induced defects

iii

iii. Non-uniform coverage

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0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.50.00.51.01.52.02.53.03.54.04.5

Optimal region for high JSC

Perio

d (µ

m)

Cell thickness (µm)

PeriodThickness = 1

P = 1 ~ 1.5 × ti

η = 10%

η = 8.6%

In case of: PECVD film growth on textured substrates with moderate aspect ratios

テクスチャ周期と膜厚の相関

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Sub ti µm

p n VOC V

JSC mA/cm2

FF Eff. %

Note

P = 1.5 µm 1 µc-Si µc-Si 0.519 26.7 0.746 10.3

P = 2.5 µm 2 SiOX SiOX 0.510 28.7 0.732 10.7

P = 3 µm 3 SiOX µc-Si 0.500 30.1 0.693 10.4 In2O3:H

KANEKA* random 2** - - 0.539 25.8

24.4(ap)** 0.766 10.7

10.1(ap)**

Active area, 1cm2

η > 10% in the range of ti = 1 – 3 µm with optimized P.

Highest η = 10.7% (active area) with ti = 2 µm and P = 2.5 µm.

Room for improvement in VOC & FF.

*Yamamoto, IEEE Trans. Electron Devices 46 (1999) 2041. **Solar Cell efficiency tables (ver. 41), PIP 21 (2012) 1.

ハニカムテクスチャによる高効率化

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η = 10.5% (da) confirmed

Area VOC V

JSC mA/cm2

FF Eff. %

AIST cal. lab. designated 0.521 28.17 0.716 10.5 In-house active 0.524 29.04 0.725 11.0

P = 2.5 µm ti = 2 µm w/ In2O3:H

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まとめ

サイズ・形状が制御可能な周期構造からなるハニカムテクスチャ基板を開発しµc-Si:H太陽電池に適用

最適アスペクト比 : 0.2 – 0.25

最適周期 : 1 < 周期/膜厚 < 1.5

適正化したハニカムテクスチャと吸収損失低減により JSC > 30 mA/cm2

を達成

産総研評価チームの評価で、10.5%（da）を達成（世界トップレベル）

今後の展開

キャリア収集ロス、VOC、FFの改善

スーパーストレート型・タンデム構造

インプリント法等による大面積化・低コスト化