光デバイス／太陽電池
１４．太陽電池の効率を低下させる原因（その３）
前項、前々項では光が太陽電池のセルの中にうまく入ってくれない問題を扱いました。この項では入ってくれはするものの電気に変換されずに通り抜けてしまうという問題を考えてみます。
太陽電池の原理に戻ってみると、半導体のバンドギャップエネルギーより大きいエネルギーをもった光が入射すると電子、正孔ができて電流が流れるわけですが、このような光も半導体中で完全に100％吸収されるわけではありません。
ある物質に光が入射すると図１４－１に示すように、光の強度は入射したｘ＝０の点から光が進むにつれて弱くなっていきます。これがその物質の光吸収です。光吸収の程度を表す量として吸収係数があります。この吸収係数αは次のように定義されます。図のように光が物質中を距離ｄ進んだとき光強度が最初の１／ｅになったとします。このときｄ＝１／αと書いてこのαを吸収係数とします。なお、ｅは自然対数の底と言われる定数でその値は約2.7ですから、１／ｅは大雑把に１／３程度です。
吸収が強く起こる物質では光は急に弱くなりますからｄが短く、αは大きくなります。つまり吸収係数αが大きい物質とは光の吸収が強く起こる物質ということです。一方、１０項などで説明しているように、光のエネルギーが物質のバンドギャップエネルギーより大きい（短い波長）の光ではαは大きいですが、バンドギャップエネルギーより小さいエネルギー（長い波長）の光ではαは小さくなります。つまりαは波長によって大きく変わりますから、その大小を言うときには波長を指定しないと意味がありません。
これは物質の基本的な性質で光吸収特性と言います。図１４－２のグラフを見て下さい。グラフの横軸は光のエネルギーをエレクトロンボルトの単位で表しています（1.24をこの横軸の値で割れば、μｍ単位の波長になります）。縦軸は吸収係数です。吸収係数は長さの逆数ですから単位は図ではｃｍ-1となっています。吸収係数は波長によって何桁も変わりますので、グラフの縦軸は対数目盛にしてあります。
図は太陽電池によく使われているシリコン（Ｓｉ）とＧａＡｓの室温での特性をごく大雑把に示してあります。細かい数字までは正確ではありません。Ｓｉのバンドギャップエネルギーは約1.1ｅＶ、ＧａＡｓは約1.4ｅＶです。図を見ると両方の物質ともバンドギャップエネルギーより小さいエネルギーの光に対して吸収が急激に小さくなっているのがわかります。
ところがバンドギャップエネルギーより大きいエネルギーでの吸収係数の変化はかなり様子が違います。ＧａＡｓは急に吸収係数が大きくなり一定値に近づく感じですが、Ｓｉではだらだらと増加しています。大体２ｅＶ前後のエネルギーが太陽光の強い可視光の波長範囲に相当しますが、このエネルギーでＳｉの吸収係数はＧａＡｓのそれより一桁以上小さいことがわかります。
２ｅＶのエネルギーでＳｉの吸収係数は大体104ｃｍ-1です。ということは厚さ１μｍ（＝10-4ｃｍ）のＳｉ膜に入射した光は強度が1/3くらいになったところで裏から抜けてしまうことになります。単結晶Ｓｉの太陽電池では数10μｍ以上の厚みのＳｉ基板を使うのであまり問題になりませんが、多結晶Ｓｉ膜を使った太陽電池ではこのように吸収されずに抜けてしまう光が変換効率を低下させる要因になります。
このような場合の対策としてすぐに考えられるのが、裏面に反射膜を着けて抜ける光を折り返してやる方法です。これは裏面側には元々電極を着けるので、その金属面の反射を利用すればよいので簡単です。ただ反射した光が今度は表面側から抜けてしまう問題が残ります。これにも対処する方法も考えられています。
この方法は図１４－３に示すように太陽電池表面に凹凸を設けるのがポイントです(1)。上から入射する光はこの凹凸面で屈折し太陽電池内を斜め方向に進むため、裏面で反射した光も多くは斜め方向に進み、上面の凹凸面で全反射されやすくなります。このため何度も上下面で反射されて往復し、太陽電池から外に抜けにくくなります。
具体的にはガラス基板上に非晶質（アモルファス）Ｓｉを成長させ、これをレーザ光により熱処理して結晶化し多結晶（ｐｏｌｙ）Ｓｉの下地層を形成します。その上に同じ方法でＳｉを成長させると、下地の影響で多結晶層が成長し、これが太陽電池としての光電変換層となります。そして表面には自然に角錐状の凹凸ができるようです。
下地層をｐ型Ｓｉとし、ノンドープ（ｉ型）の光電変換層の上にｎ型Ｓｉ層と透明導電膜を着けて太陽電池としています。凹凸面側を光入射面とし、ｐ型Ｓｉ下地層２の表面で入射光を反射します。入射光は実際の光電変換層の厚みの10倍以上も長い距離、光電変換層中を走行し、これによって変換効率も２倍程度向上したと書かれています。
(1)特開平9-307130号
