507.2 工業所有権特許研究室




※オールソーラーシステム code No.20140820_01


作成:2014.08.20|改訂:

最新の量子系太陽電池の新規考案事例研究


今回は20140701〜20140819間の8件を調査。
尚、2件目の記載事例は量子ドットとは関係なく量子効率を高める方法に関するものである。

特開2014-146701 量子ドットおよび太陽電池 京セラ株式会社

要約

実際には、直径が4nm以下の粒子状の物質で光電変換特性を示す量子ドットを得ることは極めて難しいという問題があったが、量子ドット5aの主体が非晶質である。量子ドット5aの主体が結晶性の低い非晶質でも電子の閉じ込め効果を発揮する。また、太陽電池は、半導体基板1の主面上に、非晶質が主体の量子ドットを内包している量子ドット層を有している。これによりキャリアの輸送効率を高めることができ、光電変換効率の高い太陽電池を得ることができることでサイズが大きくても光電変換特性の得られる量子ドットと、それを適用した太陽電池の提供する。

【符号の説明】
1、7・・・・・・・・半導体基板 3・・・・・・・・・・主面 5、105・・・・・・量子ドット層 5a、105a・・・・量子ドット 5b、105b・・・・マトリックス
本件の特徴は、(1)非晶質が主体であることを特徴とする量子ドット。(2) 内部が非晶質である。(3) 直径が5nm以上で、(4) 平均粒径をx、標準偏差をσとしたときに、σ/xで表される粒径のばらつきが30%以上であり、(5)外形が球形状、円柱状および多角形状であるものが混在し、半導体基板の主面上に、量子ドットを内包している量子ドット層の構造の5つである。





特開2014-143436 角錐形状三次元薄膜太陽電池セル ソレクセル、インコーポレイテッド

要約

エミッタ接合領域及びドープ・ベース領域を有する複数の角錐形単位セルを含む角錐形状三次元薄膜太陽電池セル基板、エミッタ金属化処理領域、及びベース金属化処理領域を含む、角錐形状三次元薄膜太陽電池セル。任意選択として、角錐形状三次元薄膜太陽電池セルは、光閉じ込め及び変換効率を改善するために後部ミラーに取り付けることができることで、優れた特性を有する薄膜太陽電池を提供する。

背景技術

(前略)優れた分散エネルギー経済である。太陽は、全世界の年間エネルギー消費よりも多いエネルギーを1時間で地球に提供する。地球表面の多くはかなりの量の年間日照時間を受け、それは清浄で確実な電気発生のために効果的に利用される可能性がある。この市場をけん引するためのかぎとなる駆動要因は、環境に優しい技術への社会認識の高まりである。しかしながら、比較的太陽電池セル効率が低いこと(例えば、大部分の薄膜技術に対しては12%未満、及び大部分の結晶シリコン・太陽電池セル技術に対しては約12%〜18%)、原材料(例えば、結晶シリコン・ウエハ・太陽電池セルのためのシリコン)及び製造プロセスのコストが高いこと、コスト効率の良い及び効率的な蓄電が制限されていること、並びに太陽電池セルの急増を支援するための社会基盤の全体的な欠如が原因で、今までこのエネルギー解決策の使用が制限されていた(現在は、ソーラー光起電力による電気発生は、全世界の全電気発生の0.1%未満を占める)。(中略)過去10年間の40%を超える急速な年間成長速度並びに半導体マイクロエレクトロニクス及び太陽光発電産業の両方によるシリコン材料に対する同時需要が原因で、太陽光発電産業はポリシリコン原料の供給不足を経験してきた。ポリシリコン原料不足により、特に過去数年の間、太陽光発電産業の成長が大幅に抑制されてきた。実際に、太陽電池セル産業は現在、高純度ポリシリコン原料の全世界生産の半分以上を消費する。ここ数年内で、ポリシリコンの契約価格は、約$30/kgから約$85/kgまで上昇し、スポット価格は$250/kgを超えた。これは、今では全太陽電池モジュール製造コストの約半分を占める単結晶及び多結晶シリコン・ウエハの価格の大きな上昇をもたらした。(中略)歴史的には、結晶シリコン太陽電池セルは、累積の全世界セル生産の各倍増に対して20%のコスト低減を達成してきた(メガワット即ちMWp及びギガワット即ちGWpの単位で測定される)。革新的なコスト低減及び効率増大方法を通じて、配電網連結屋上ソーラー光起電力モジュールから引き出される電気のコストは、5〜10年内に公共施設配電網から購入される電気のコストと比較できるほどになる可能性があると予想される。商業用に利用できる単結晶シリコン及び多結晶シリコンの太陽電池モジュールの2005年概観によれば、約12.5%の中間効率値を有する9.1%〜16.1%の範囲内にある太陽電池モジュール効率を報告している。商業用の結晶シリコン・モジュールは、通常、ウエハ化太陽電池セルでの光劣化影響(例えば、ウエハ少数キャリア寿命劣化)を含む様々な影響が原因で、1%〜3%(相対的な)の急速な初期効率劣化を示す。単結晶シリコン・ウエハ太陽電池セル効率は、約16.5%の現在の効率(最先端の商業用に利用できる単結晶シリコン・太陽電池セル及び太陽電池モジュール効率は、それぞれ現在約21.5%及び18%である)から、2012年までに約20.5%まで増加すると予想される。多結晶シリコン・ウエハ太陽電池セル効率は、約15.5%の現在の効率レベルから、2012年までに約18%まで増加すると予想される。
 最新技術の結晶シリコン太陽電池セル製造は現在、ピーク・ワット当たり約10グラムの高純度ポリシリコン原料(g/Wp)を使用し、($85/kgのポリシリコン価格を仮定すると)約$0.85/Wpのポリシリコン原材料コストを要する。今後5年間にわたって、太陽電池セルのウエハ厚さ低減の予想傾向(例えば、200ミクロン未満のウエハまで)及びソーラー等級ポリシリコンに対する約$20/kgの長期予定価格は、ポリシリコン原料コスト(g/Wp単位で)を約$0.10/Wpから$0.20/Wpまで約4分の1から8分の1に低減する可能性がある。そのために、任意の競合する太陽電池セル技術は、それらの製造コスト目標をこの低減された原材料コスト数字に対して評価するべきである。所与のセル効率に対して、シリコン・ウエハ厚さ低減は、ピークの太陽電池の電力のワット当たり消費されるポリシリコン原料の量を低減させることによって太陽電池セルのコスト低減の主要な機会を与える。(中略)従来技術を示す図1は、エピタキシャル・シリコンによって作製される平面シリコン薄膜吸収体層を使用してc−Si TFSCを加工するためのプロセス・フロー10を示す。この従来技術のTFSC加工プロセス・フローは、セル構造を形成するためにいくつかのシャドー・マスク・プロセス・ステップを使用する。セル吸収体は単に、シリコン・エピタキシャル成長処理によって形成されるc−Siの薄い平面膜である。セルは、光閉じ込めを改善するための前側シリコンのきめ(テクスチャ)形成、及びセル効率を改善するための分離した後部アルミニウム・ミラーを使用する。ステップ12は、単結晶p+CZシリコンから始める。ステップ14は、20%の空隙率を有する1ミクロンの上部層及び50%よりも大きい空隙率を有する200ナノメートルの後部層を含む2層多孔質シリコンを形成するために、シリコンの電気化学的HFエッチングを含む。ステップ16は、1100℃で30分間の水素(H2)熱処理(アニール)を含む。ステップ18は、トリクロロシラン即ちSiHCl3を使用する1100℃でのエピタキシャル・シリコン成長を含み(分当たり1ミクロンの成長速度)、2ミクロンのp+−Si及び30ミクロンのp−Siを形成する。ステップ20は、直立表面角錐(ピラミッド)を形成するために、ウエットKOHエッチングによる前側表面テクスチャ形成を含む。ステップ22は、エミッタ拡散窓を規定するためにシャドー・マスクを通じてのLPCVD窒化シリコン(SiNx)被着を伴う第1のシャドー・マスク・プロセスを含む。ステップ24は、830℃での固体源リン拡散を含む(n+ドープ接合に対して80Ω/□(スクエア)を達成するため)。ステップ26は、シャドー・マスクを通じての蒸着による前側金属化処理(チタン/Pd/銀グリッド)を伴う第2のシャドー・マスク・プロセスを含む。ステップ28は、水素化PVD又はPECVD SiNxによるエミッタ表面パシベーション(表面安定化処理)を含む。ステップ30は、導電性接着剤によるコンタクト前側バスバーを含む。ステップ32は、透明接着剤を使用してセル前側をMgF2被覆ガラスに接着することを含む。ステップ34は、機械的応力によってセルをシリコン・ウエハから分離することを含む。ステップ36は、シャドー・マスクを通じての蒸着を使用する裏側アルミニウム金属化処理を伴う第3のシャドー・マスク・プロセスを含む。最後に、ステップ38は、セル裏側から200ミクロンの距離にアルミニウム反射体を取り付けることを含む。

従来技術を示す図2は、自己整合選択エミッタ及び金属化処理を伴うシリコン・ウエハ上への太陽電池セルの加工のための別のプロセス・フロー方法40を示す。この従来技術のプロセスは、高濃度にドープされたn++エミッタ・コンタクト拡散領域を形成するために下にあるシリコンを融解させながら、上部セル誘電体層をパターン形成するためにレーザー処理を使用する(高速熱処理による低濃度拡散選択エミッタ領域の形成後)。ステップ42は、単結晶p型シリコンから始める。ステップ44は、90℃の希釈NaOH中での切断損傷除去エッチング及び異方性テクスチャ形成エッチングを含む。ステップ46は、リン拡散源のスピン・オン塗布及び乾燥を含む。ステップ48は、低濃度拡散エミッタ(80〜200Ω/□)を形成するために高速熱処理を含む。ステップ50は、アルミニウム又は銀/アルミニウム合金の真空蒸着又はスクリーン印刷の裏側金属コンタクトへの適用を含み、後に乾燥が続く。ステップ52は、スクリーン印刷コンタクトの裏側金属焼結/焼成(例えば、酸素/窒素中820℃で)を含む(金属メッキ溶液に対する抵抗力を高めるために誘電体を酸化させながら金属ペーストを焼成する)。ステップ54は、n++コンタクト拡散領域を形成するために下にあるシリコンを融解させながら、上部誘電体層をパターン形成するためのレーザー処理を含む。ステップ56は、金属メッキ表面を準備するために希釈HFエッチングを含む。ステップ58は、90℃で5分間の無電解ニッケル・メッキを含む。ステップ60は、(窒素、アルゴン、又はフォーミング・ガス中の)350℃〜450℃でのニッケル焼結を含む。ステップ62は、厚い高導電性銅膜を形成するために、後に長時間の無電解銅メッキが続く、追加の2分間のニッケル・メッキを含む。ステップ64は、銅表面上へのフラッシュ浸漬銀(銀)被着を含む。最後に、ステップ66は、縁取り接合分離を含む(例えば、レーザー溝彫り、縁へき開、又はプラズマ・エッチングを使用)。
従来技術の結晶シリコン(c−Si)薄膜太陽電池セル(TFSC)技術に関しては、結晶シリコン膜厚さを低減させながら、表面反射損失を低減するための十分な薄いシリコン膜の表面テクスチャ形成に関する困難がある。これは、生産歩留り及びセル性能(効率)を考慮することにより、最小の平坦な(同一平面上の)単結晶シリコン厚さに制限を加える。平坦な又は同一平面上の膜の場合には、テクスチャ形成されない結晶シリコン膜の反射率は、極めて過度であり(30%よりも大きくできる)、大幅な光反射損失及び外部量子効率の劣化をもたらすため、表面テクスチャ形成を使用することは必須である。それ故に、同一平面上のエピタキシャル・シリコン膜での反射率誘起光子損失の低減は、それ自身最小エピタキシャル・シリコン層厚さに限度を設ける効果的な表面テクスチャ形成を必要とする。膜表面テクスチャ形成要件及びプロセスに応じて、最小結晶シリコン層厚さは、(テクスチャ形成プロセスが結晶シリコン層のどの部分も破らないように)少なくとも10ミクロン程度となる可能性がある。(中略)高性能c−Si薄膜太陽電池セルは、いくつかのパターン形成ステップ又はパターン形成された処理ステップを必要とする(例えば、選択エミッタ、前側エミッタ又は裏側エミッタ・ラップ・スルー金属化処理コンタクト、裏側ベース金属化処理コンタクト、その他の形成のため)。これらのパターン形成ステップは通常、フォトリソグラフィ、スクリーン印刷、及び/又はシャドー・マスク被着(例えば、シャドー・マスク・スパッタリング又は蒸着)プロセスを使用して達成される。フォトリソグラフィ及び/又はスクリーン印刷及び/又はシャドー・マスク被着パターン形成ステップの使用は、通常、製造プロセス・フローの複雑さ及びコストを増加させ、また、最終の達成可能な太陽電池セル効率と同様に、加工歩留りにも悪影響を及ぼす可能性もある。




課題

上記で確認された問題を修正する薄膜太陽電池セル(TFSC)に対する必要性が生じた。
その上、既存の主流のc−Si太陽電池セル技術の欠点に取り組むためのさらなる必要性が存在する。これは、ソーラー電力のピーク・ワット当たり消費されるポリシリコン原料の量を低減すること、並びに切断及びスライスに関連するカーフ・ロスを排除すること、それ故に、全体的な太陽電池セル製造コストを大幅に低減することを含む。
全体的な太陽電池セル及びモジュール製造コストを大幅に下げながら、セル及びモジュール効率を増加させる、革新的な太陽電池セル構造及び簡略化されたプロセス・フローに対するさらなる必要性が存在する。適度の生産容量を有する製造でさえ、大幅な太陽電池セル及びモジュール・コストの低減を促進し、適度の製造設定及び運転コストの低度から中間までの容量の太陽電池セル製造を可能にする(それ故に、従来の製造よりも大幅に低い製造容量での製造コスト低減のために規模の経済を達成する)、革新的なc−Si太陽電池セル設計及び簡略化された自己整合製造プロセスに対するさらなる必要性が存在する。
既存のTFSC技術の欠点に取り組むためのさらなる必要性が存在する。これは、生産歩留り及びセル性能の考慮が原因で、現在は最小の平坦な(同一平面上の)結晶シリコン厚さに限度を設ける、表面反射損失を低減するのに十分な薄い平面シリコン膜の表面テクスチャ形成に関連する困難に取り組むことを含む。低い表面再結合速度を達成しながら(高セル効率のために)、前面テクスチャ形成及び裏面ミラーの組合せに基づく効果的な光閉じ込めに対するさらなる必要性が存在する。
既存のTFSC技術の追加の欠点に取り組むためのさらなる必要性が存在する。これは、セル及びモジュール処理ステップ中の薄膜基板の剛性及び機械的支持の欠如の問題を含み、それ故に、TFSC基板のための支持又は取扱い基板(シリコン又は別の材料でできている)の使用を必要とする。これはさらに、特に平面結晶シリコンTFSCに必要とされるより厚いエピタキシャル膜に対しては、エピタキシャル・シリコン膜成長プロセスのコストを含む。これはさらに、通常は製造プロセス・フローの複雑さ及びコストを増加させる、複数のフォトリソグラフィ及び/又はスクリーン印刷及び/又はシャドー・マスク処理/パターン形成ステップの要件を含み、また、最終の達成可能な太陽電池セル効率と同様に、加工歩留りにも悪影響を及ぼす可能性もある。

課題を解決するための手段

本開示によると、角錐(ピラミッド)形状三次元薄膜太陽電池セル(3−D TFSC)が提供される。開示される主題の角錐形状3−D TFSCは、効率及び製造コストの両方の点から見て、これまでに開発されたTFSCに関連する不都合及び問題を大幅になくす又は低減する。
開示される主題の一観点によると、角錐形状3−D TFSC基板を含む、角錐形状3−D TFSCが提供される。ここで前記角錐形状3−D TFSC基板は、複数の角錐形単位セルを含む。
開示される主題の別の観点によると、角錐形状3−D TFSC基板を含む、角錐形状3−D TFSCが提供される。ここで前記角錐形状3−D TFSC基板は、角錐形空洞を有する複数の単位セルを含む。
任意選択で、角錐形状3−D TFSCは、光閉じ込め及び変換効率の改善のために、後部ミラーに取り付けられることができる。
開示される主題のさらに別の観点によると、角錐形状3−D TFSCが提供される。角錐形状3−D TFSCは、エミッタ接合領域及びドープ・ベース領域を有する角錐形状3−D TFSC基板を含む。さらに、角錐形状3−D TFSCは、エミッタ金属化処理領域及びベース金属化処理領域を含む。角錐形状3−D TFSC基板は、複数の角錐形単位セルを含む。
より具体的には、開示される主題は、シリコンでできている、及びさらにより具体的には結晶シリコンでできている、角錐形状3−D TFSC基板を含む。
より具体的には、開示される主題は、角錐配列設計、及びさらに具体的には、数ある中で、六角形角錐設計又は多角形角錐設計による角錐形状3−D TFSC基板を含む。
より具体的には、開示される主題は、一体化された後部ミラー又は分離された(detached)後部ミラーを有する角錐形状3−D TFSCを含む。
開示される主題のこれらの及び他の利点は、追加の新規な特徴と同様に、本明細書で提供される記述から明らかであろう。この課題を解決するための手段の意図は、特許請求される主題の包括的な記述ではなく、むしろ主題の機能性の一部の短い概観を提供することである。本明細書で提供される、他のシステム、方法、特徴及び利点は、次の図及び詳細な記述の検討により当業者には明らかになるであろう。全てのそのような追加のシステム、方法、特徴及び利点は、この記述内に含まれ、添付の特許請求の範囲内にあるであろうことが意図される。
開示される主題の特徴、性質、及び利点は、同様の符号が全体にわたって対応すると認識する図面と併せて理解すると、以下で説明される詳細な記述からより明らかになるであろう。

JP 2014-143436 A 2014.8.7 角錐形状三次元薄膜太陽電池セル


特開2014-143397 半導体膜、半導体膜の製造方法、太陽電池、発光ダイオード、薄膜トランジスタ、および、電子デバイス 富士フイルム株式会社

要約

コロイド量子ドットを用いた太陽電池に用いる高い光電流値が得られ、かつ膜剥がれが抑制される半導体膜の提供。金属原子を含み、平均粒径が2nm〜15nmであり、PbS、PbSe、InN、InAs、InSb、及びInPからなる群から選択される少なくとも1つを含む半導体量子ドットの集合体と、前記半導体量子ドットに配位しているチオシアネートイオンと、カリウムイオン又はリチウムイオンである金属イオンと、を有する半導体膜。量子ドットの平均粒径は2〜15nmである半導体膜。



特開2014-143384 太陽電池モジュールおよび太陽電池パネル 大日本印刷株式会社

要約

間隔をもって配置される二以上の太陽電池素子を有する太陽電池モジュールにおいて、太陽電池素子と太陽電池素子の間に、前記太陽電池素子と同色の第1着色層が設け、前記太陽電池モジュールの受光面側に、前記太陽電池素子側から、拡散層と第2着色層とをこの順で直接または他の層を介して設ける。

図1


特開2014-135445 半導体デバイス、太陽電池、発光素子及び受光素子の製造方法 積水化学工業株式会社

要約

基板上に、第一導電型の半導体粒子からなる第一導電型の半導体層と、第一導電型とは異なる第二導電型の半導体粒子からなる第二導電型の半導体層とが順次積層されてなる光電変換層、又は、基板上に、第一導電型の半導体粒子からなる第一導電型の半導体層中に第一導電型とは異なる第二導電型の半導体粒子が分散されてなる光電変換層の何れかを形成する際に、前記第一導電型の半導体粒子、前記第二導電型の半導体粒子の何れか一方又は両方を、前記基板に吹きつけることにより、前記光電変換層を形成することで、より簡易な工程により、PN接合における電荷分離が良好に生じる量子ドット構造の光電変換層を形成することができる半導体デバイスと該半導体デバイスを用いた太陽電池、発光素子及び受光素子の製造方法を提供する。

図1


特開2014-132657 中間セル内に低バンドギャップ吸収層を有する多接合型太陽電池 エムコア ソーラー パワー インコーポレイテッド

要約

上部セルと、上部セルに直接隣接して配置され、第1の光生成電流を生成し、かつ、異なる格子定数を有する一連の第1及び第2の異なる半導体層を含む第2のセルと、第2のサブセルに直接隣接して配置され、第1の光生成電流密度の量と実質的に等しい第2の光生成電流を生成する下部サブセルとを含む多接合型光起電力セルである構成で、中間セル内に低バンドギャップの吸収層を有する多接合型太陽電池及びその製造方法を提供する。

図1


特表2014-519060 薄型体積格子スタックを積層生成する方法及び装置、並びにホログラフィックディスプレイのビームコンバイナ シーリアル テクノロジーズ ソシエテ アノニム

要約

本発明は、露光によって記録媒体(AZM)に少なくとも1つの体積格子(VG)を積層生成する方法及び装置に関する。記録媒体は、露光光の事前設定可能な波長(λ)に対して感光する少なくとも1つの感光層を備える。各体積格子(VG)は、干渉を発生可能なコヒーレント光の少なくとも2つの波面(WF1、WF2)により記録媒体(AZM)に記録される。波面(WF1、WF2)は、事前設定可能な深さ(z)、事前設定可能な角度(2θ)及び事前設定可能な干渉コントラスト(Vz)で記録媒体(AZM)において重ね合わされる。記録媒体(AZM)における体積格子(VG)の屈折率変調と透明度変調との少なくともいずれかの深さ(z)及び厚さは、光伝播方向(z)に干渉する波面(WF1、WF2)の空間的コヒーレンス度と時間的コヒーレンス度との少なくともいずれか(Γ)を深さ別に制御することにより制御され、ホログラフィックディスプレイのビームコンバイナ及び効率を向上させた太陽電池パネルに関するものである。

図1b


脚注及び関連項目






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