DE69936526T3

DE69936526T3 - Silizium dünnschicht photoelektrische vorrichtung

Info

Publication number: DE69936526T3
Application number: DE69936526T
Authority: DE
Inventors: Yuko Akashi-shi TAWADA; Akihiko Himeji-shi NAKAJIMA; Masashi Kobe-shi Yoshimi
Original assignee: Kaneka Corp
Current assignee: Kaneka Corp
Priority date: 1998-06-01
Filing date: 1999-05-31
Publication date: 2009-06-25
Anticipated expiration: 2019-06-01
Also published as: EP1100130B1; WO1999063600A1; DE69936526T2; EP1100130A1; EP1100130A4; DE69936526D1; US6388301B1; EP1100130B3

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft photoelektrische Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtungen und im Besonderen die Verringerung der Kosten sowie die Verbesserung des Leistungsverhaltens der photoelektrischen Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtungen auf Siliciumbasis.
Stand der Technik
In den letzten Jahren fand eine erhebliche Entwicklung im Bereich der eine Dünnschicht auf Siliciumbasis verwendenden photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung, besonders im Bereich jener, die kristallines Silicium, wie etwa polykristallines Silicium und mikrokristallines Silicium, enthält, statt. Diese Entwicklung verwendet einen Niedrigtemperaturvorgang zur Ausbildung einer kristallinen Siliciumdünnschicht von guter Qualität auf einem kostengünstigen Substrat, wodurch die Verringerung der Kosten sowie die Verbesserung der Leistung der Vorrichtung versucht wird, und es wird erwartet, dass diese Entwicklung nicht nur in Solarbatterien, sondern auch in optischen Sensoren und anderen verschiedenen photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung angewendet wird. Übrigens sollte angemerkt werden, dass in der gesamten vorliegenden Beschreibung die Termini „polykristallin", „mikrokristallin" und „kristallin" nicht nur zur Bezeichnung eines vollständigen kristallinen Zustands, sondern auch zur Bezeichnen eines „teilweise amorphen" Zustands, wie herkömmlicherweise im technischen Gebiet der photoelektrischen Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtungen gebraucht, verwendet werden.
Wenn eine photoelektrische Umwandlungsschicht eine Dünnschicht ist, absorbiert sie in einem längeren Wellenlängenbereich, in dem sie einen geringen Lichtabsorptionskoeffizienten aufweist, Licht in ungenügender Weise und sie wird daher ein begrenztes Ausmaß einer photoelektrischen Umwandlung aufweisen, das ihrer geringen Dicke zugeschrieben wird. Insbesondere im Falle einer photoelektrischen Umwandlungsschicht, einschließlich kristallinem Silicium, wird keine ausreichende Lichtabsorption bewirkt. Demgemäß wird zur effizienteren Nutzung des Lichteinfalls auf eine photoelektrische Umwandlungseinheit, einschließlich einer photoelektrischen Umwandlungsschicht, eine photoelektrische Umwandlungseinheit auf deren Rückseite mit einer hochreflektiven Metallschicht, die eine unebene Oberfläche (einer Strukturoberfläche) aufweist, bereitgestellt, um das Licht zu streuen und zurück in die photoelektrische Umwandlungseinheit zu reflektieren.
Ferner wird auf der Lichteinfallsseite ebenfalls eine transparente Elektrode mit einer unebenen Oberfläche (einer Strukturoberfläche) bereitgestellt, um Licht in die photoelektrische Umwandlungseinheit zu streuen und auch um das von der Metallelektrode reflektierte Licht wieder ungleichmäßig zurückzureflektieren. Photoelektrische Umwandlungseinheiten, umfassend eine transparente Elektrode mit einer wie oben strukturierten Oberfläche, sind beispielsweise in den japanischen Patentoffenlegungsschriften Nr. 59-61973 und 7-283432 offenbart, in denen erwähnt wird, dass der photoelektrische Umwandlungs-Wirkungsgrad noch verbessert werden kann.
Eine photoelektrische Umwandlungsvorrichtung auf Siliciumbasis, wie üblicherweise in einer Dünnschicht-Solarbatterie mit polykristallinem Silicium verwendet, umfasst eine photoelektrische Umwandlungsschicht, die auf einer siliciumbasierten Dünnschicht ausgebildet ist, und Schichten vom Leitfähigkeitstyp, zwischen denen die Umwandlungsschicht angeordnet ist. Die Schichten vom Leitfähigkeitstyp sind mit Unreinheiten dotiert, welche das Licht absorbieren und daher den Lichteinfall auf die photoelektrische Umwandlungsschicht verringern. Zur Verringerung der Lichtmenge, welche durch solche Unreinheiten absorbiert wird, und zur Erhöhung des Lichteinfalls auf die photoelektrische Umwandlungsschicht wird die Reduzierung der Dicke der Schichten vom Leitfähigkeitstyp innerhalb ihres zugelassenen Reduktionsbereichs bevorzugt.
Unter den oben genannten Bedingungen haben die Erfinder festgestellt, dass, wenn eine transparente vordere Elektrode und eine hintere Elektrode jeweils eine unebene Oberfläche haben, die zur Bereitstellung einer vorzugsweise unregelmäßigen Reflektion geeignet ist, um einer photoelektrischen Umwandlungsschicht die Absorption von mehr Licht zu ermöglichen, Dünnschicht-Elektroden vom Leitfähigkeitstyp in der photoelektrischen Umwandlungsschicht, die in Kontakt mit den Elektroden sind, mechanische und elektrische Defekte haben können und dass die erhaltenen Solarbatterie unvorteilhafterweise eine verringerte Leerlaufspannung haben kann oder kurzgeschlossen sein kann, was zu einem verringerten Ertrag derselben führt.
Damit solche durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung entdeckten Nachteile des Stands der Technik überwunden werden, wird in der vorliegenden Erfindung die Verwendung einer photoelektrischen Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtung vorgeschlagen, die die Verwendung eines kostengünstigen Substrats ermöglicht und lediglich durch einen Niedrigtemperaturvorgang hergestellt wird, der zur Verwendung von Lichteinschluss geeignet ist, um eine verbesserte photoelektrische Umwandlungseigenschaften bereitzustellen, während weder ihre Leerlaufspannung noch ihr Produktionsertrag verringert werden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben lange geforscht, um die oben genannten entdeckten Nachteile zu überwinden, und sie haben festgestellt, dass, wenn eine photoelektrische Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtung auf Siliciumbasis eine photoelektrische Umwandlungseinheit mit durch Halbleiterschichten ausgebildeten Halbleiterübergängen umfasst, die alle durch chemische Plasmagasphasenabscheidung (Plasma-CVD) bei geringer Temperatur bereitgestellt werden, eine hintere Elektrode und eine transparente vordere Elektrode eine näher an der photoelektrischen Umwandlungseinheit liegende Oberfläche mit unebener Struktur haben können, die bezüglich Niveau und Teilung gesteuert wird, um das Leistungsverhalten der photoelektrischen Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtung zu verbessern, was zu einer hohen Leerlaufspannung führt und es der photoelektrischen Umwandlungsschicht ermöglicht, eine größere Lichtmenge zu absorbieren.
Insbesondere die vorliegende Erfindung stellt eine photoelektrische Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtung auf Siliciumbasis nach Anspruch 1 bereit.
In der vorliegenden Erfindung kann eine photoelektrische Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtung auf Siliciumbasis einen lichtreflektierenden Metallfilm mit einer Oberfläche haben, die näher an der photoelektrischen Umwandlungseinheit auf Siliciumbasis liegt, die eine unebene Oberfläche hat, welche eine Niveaudifferenz von 0,01 bis 2 μm und eine größere Teilung als die Niveaudifferenz hat sowie nicht mehr als das 25fache der Niveaudifferenz aufweist.
Ferner kann eine photoelektrische Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtung auf Siliciumbasis eine transparente vordere Elektrode mit einer Oberfläche haben, die näher an der photoelektrischen Umwandlungseinheit auf Siliciumbasis mit einer unebenen Struktur liegt, welche eine Niveaudifferenz von 0,01 bis 2 μm und eine größere Teilung als die Niveaudifferenz hat und nicht mehr als das 25fache der Niveaudifferenz aufweist.
Diese Solarbatterien können eine photoelektrische Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtung auf Siliciumbasis mit einem lichtreflektierendem Metallfilm und einer transparenten vorderen Elektrode haben, die jeweils eine näher an der photoelektrischen Umwandlungseinheit mit einer unebenen Struktur liegende Oberfläche hat, welche wiederum eine Niveaudifferenz von 0,01 bis 2 μm und eine größere Teilung als die Niveaudifferenz hat sowie nicht mehr als das 25fache der Niveaudifferenz aufweist.
Vorzugsweise weisen der lichtreflektierende Metallfilm oder die transparente vordere Elektrode eine Oberfläche auf, die näher an der photoelektrischen Umwandlungseinheit auf Siliciumbasis mit einer unebenen Struktur liegt, die im Wesentlichen keine gebogenen Stellen umfasst, an denen die Steigungen der Krümmungen diskontinuierlich verändert werden.
Vorzugweise weisen ferner der lichtreflektierende Metallfilm oder die transparente vordere Elektrode eine Oberfläche auf, die näher an der photoelektrischen Umwandlungseinheit mit einer unebenen Struktur liegt, die im Wesentlichen keine gebogenen Stellen aufweist, an denen die Steigungen der Krümmungen diskontinuierlich verändert werden.
In den letzten Jahren wurde oft versucht, eine photoelektrische Umwandlungsvorrichtung mit einer photoelektrischen Umwandlungseinheit auf Siliciumbasis auszubilden, die auf einer hinteren Elektrode, einschließlich einer Metallschicht und einer transparenten leitfähigen Oxidschicht, wie etwa Zinkoxid (ZnO), abgeschieden wird, wie etwa in den japanischen Patentoffenlegungsschriften Nr. 3-99477 und 7-263731 offenbart wird sowie in IEEE 1st World Conf. an Photovoltaic Energy Conversion, 405 (1994) und in Applied Physics Letters, Bd. 70, 2975 (1997) veröffentlicht. Die transparente leitfähige Oxidschicht, die zwischen der Metallschicht der hinteren Elektrode und der siliciumbasierten photoelektrischen Umwandlungseinheit positioniert ist, kann eine Wärmeverzerrung, die dem Unterschied zwischen deren Wärmeausdehnungskoeffizienten zugeschrieben wird, vermindert werden und sie kann die Metallatome ebenfalls daran hindern, sich in der photoelektrischen Umwandlungseinheit zu diffundieren und sich mit dieser zu vermischen. Daher können Ertrag und Zuverlässigkeit sowie Lichtempfindlichkeit der erhaltenen photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung und somit ihre photoelektrische Umwandlungseigenschaften verbessert werden. In der vorliegenden Erfindung kann auch ein transparenter leitfähiger Oxidfilm zwischen dem lichtreflektierenden Metallfilm und der siliciumbasierten photoelektrischen Umwandlungseinheit bereitgestellt sein.
US-A-5.244.509 offenbart eine Umwandlungseinheit in Übereinstimmung mit dem Oberbegriff von Anspruch 1.
In der vorliegenden Erfindung umfasst die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung vorzugsweise einen Metallfilm mit einer hohen Reflexivität, die nicht weniger als 95% eines Lichts mit einer Wellenlänge in einem Bereich von 500 bis 1200 nm umfasst.
Insbesondere die Metallschicht wird vorzugsweise aus einem aus der Gruppe von Ag, Au, Al, Cu und Pt ausgewählten Element oder einer Legierung derselben ausgebildet.
Wenn ein transparenter leitfähiger Oxidfilm zwischen den lichtreflektierenden Metallfilm und die siliciumbasierte photoelektrische Umwandlungseinheit geschichtet wird, wird bevorzugt, dass die Kontaktfläche des Metallfilms mit dem transparenten leitfähigen Oxidfilm aus einem aus der Gruppe von Ag, Au, Al, Cu und Pt ausgewählten Element oder einer Legierung derselben ausgebildet wird.
Vorzugsweise wird die kristalline photoelektrische Umwandlungsschicht auf Siliciumbasis bei einer Substrattemperatur von maximal 400°C ausgebildet.
In der vorliegenden Erfindung kann eine photoelektrische Umwandlungsvorrichtung ferner eine photoelektrische Umwandlungseinheit, einschließlich einer kristallinen photoelektrischen Umwandlungsschicht auf Siliciumbasis, und zumindest eine photoelektrische Umwandlungseinheit, einschließlich einer amorphen photoelektrischen Schicht auf Siliciumbasis, umfassen, die tandemförmig aufeinander geschichtet sind.
In der vorliegenden Erfindung kann eine photoelektrische Umwandlungsvorrichtung auf Siliciumbasis eine hintere Elektrode mit einem lichtreflektierenden Metallfilm, zumindest eine photoelektrische Umwandlungsvorrichtung auf Siliciumbasis und eine transparente vordere Elektrode haben, die in dieser Reihenfolge auf einem Substrat aufeinander geschichtet sind.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Darstellung einer photoelektrischen Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtung auf Siliciumbasis gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Veranschaulichung einer photoelektrischen Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtung auf Siliciumbasis gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Darstellung einer tandemförmigen photoelektrischen Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtung auf Siliciumbasis vom amorph-kristallinen Typ gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine schematische Querschnittsansicht zur Veranschaulichung einer tandemförmigen photoelektrischen Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtung auf Siliciumbasis vom amorph-kristallinen Typ gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist ein Diagramm eines externen Quantenwirkungsgrads im Vergleich mit einer Lichtwellenlänge für verschiedene photoelektrische Umwandlungsvorrichtungen gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Bester Durchführungsmodus der Erfindung
Nun wird Bezug auf einen schematischen Querschnitt, der in 1 bereitgestellt ist, genommen, um eine photoelektrischen Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtung auf Siliciumbasis gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu beschreiben. Die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung kann ein Substrat 1 umfassen, das beispielsweise aus Metall, wie etwa Edelstahl, organischem Film, Keramik oder einem kostengünstigen Glas mit einem niedrigen Erweichungspunkt, ausgebildet ist.
Auf dem Substrat 1 ist eine hintere Elektrode 10 in Form eines lichtreflektierenden Metallfilms 102 bereitgestellt. Vorzugsweise ist die hintere Elektrode 10 eine Kombinationsschicht, umfassend einen lichtreflektierenden Metallfilm 102 und einen transparenten leitfähigen Oxidfilm 103. Der lichtreflektierende Metallfilm 102 kann auf dem Substrat 1 bereitgestellt sein, etwa durch Vakuumgasphasenabscheidung oder Sputterabscheidung auf dem Substrat 1. Vorzugsweise ist der reflektierende Metallfilm 102 aus einem aus der Gruppe aus Ag, Au, Al, Cu und Pt ausgewählten Element oder einer Legierung derselben ausgebildet. Eine hochreflektierende Ag-Schicht 102 kann beispielsweise auf einem Glassubstrat 1 durch Vakuumgasphasenabscheidung mit einer Substrattemperatur in einem Bereich von 100 bis 330°C, vorzugsweise 200 bis 300°C bereitgestellt werden. Ferner kann eine Ti-Schicht 101 mit einer Dicke 20 bis 50 nm zwischen das Glassubstrat 1 und die Ag-Schicht 102 eingeführt werden, um die Haftung zwischen diesen zu verbessern. Die Ti-Schicht 102 kann ebenfalls durch Gasphasenabscheidung oder Sputterabscheidung bereitgestellt werden. Vorzugsweise ist der transparente leitfähige Oxidfilm 103 aus Zinkoxid.
Der reflektierende Metallfilm 102 weist eine unebene obere Oberfläche auf, die beispielsweise durch zuvor erfolgtes Ätzen einer Oberfläche eines Substrats 1, um die Oberfläche mit Konvexitäten und Konkavitäten bereitzustellen, und dann durch Bereitstellen eines dünnen Metallfilms 102 mit einer unebenen oberen Oberfläche, die von den Konvexitäten und Konkavitäten übertragen wurde, ausgebildet werden kann. Als Alternative dazu, kann eine transparente leitfähige Oxidschicht (nicht abgebildet) mit einer unebenen Oberfläche, einschließlich Konvexitäten und Konkavitäten, auf dem Substrat 1 abgeschieden werden und ein dünner Metallfilm 102 kann dann mit einer unebenen oberen Oberfläche, die von den Konvexitäten und Konkavitäten übertragen wurde, bereitgestellt werden.
Die Konvexitäten und Konkavitäten auf der Oberfläche der lichtreflektierenden Metallschicht 102 verfügt über eine Niveaudifferenz in einem Bereich von 0,01 bis 2 μm und eine größere Teilung als die Niveaudifferenz sowie über nicht mehr als das 25fache der Niveaudifferenz. Vorzugsweise weisen die Konvexitäten und Konkavitäten eine Niveaudifferenz von 0,01 bis 1 μ, bevorzugterweise 0,01 bis 0,5 μ und noch bevorzugter von 0,5 bis 0,8 μ auf. Ferner sind die Querschnitte vorzugsweise frei von jedweden spitzen Vorsprüngen und sie weisen vorzugsweise keine gebogenen Stellen in den Steigungen auf. Solche Konvexitäten und Konkavitäten können beispielsweise durch Erhalten eines TEM-Bilds (Transmissionselektronenmikroskop-Bilds) eines Metallfilms 102 im Querschnitt oder Beobachten einer Oberfläche des Films mit einem AFM (Rasterkraftmikroskop) gemessen werden.
Wenn ein reflektiver Metallfilm 102 eine unebene Oberfläche mit Konvexitäten und Konkavitäten hat, die eine relativ zu deren Teilung zu große Niveaudifferenz aufweisen, bilden konkave Abschnitte und konvexe Abschnitte spitze Winkel und eine photoelektrische Umwandlungsvorrichtung auf Siliciumbasis, die auf diesen geschichtet ist, würde keine ausreichenden Halbleiterübergangsabschnitte umfassen, die zu einer verringerten Leerlaufspannung einer sich ergebenen Umwandlungsvorrichtung als ein Endprodukt und einem verringertem Ertrag derselben führen. Mit anderen Worten, es wurde festgestellt, dass eine hohe Leerlaufspannung erzielt werden kann, wenn der reflektive Metallfilm 102 eine unebene Oberfläche mit Konvexitäten und Konkavitäten hat, die bezüglich der Niveaudifferenz und der Teilung optimal sind, um eine ausreichend große Teilung relativ zu deren Niveaudifferenz zu haben, um konvexen Abschnitten und konkaven Abschnitten die Ausbildung von weniger spitzen Winkeln zu ermöglichen. Basierend auf diesen Erkenntnissen, kann eine lichtreflektierende Metallschicht 102 auf deren Oberfläche mit Konvexitäten und Konkavitäten bereitgestellt werden, die eine solche Niveaudifferenz und eine Teilung aufweisen, wie sie durch die vorliegende Erfindung definiert ist, um einen verbesserten Lichteinschluss zu erzielen, um eine photoelektrische Umwandlungsvorrichtung mit hohem Leistungsverhalten ohne Verringerung ihrer Leerlaufspannung und ihres Ertrags bereitzustellen.
Auf dem lichtreflektierenden Metallfilm 102 ist ein transparenter leitfähiger Oxidfilm 103 vorzugsweise aus zumindest einer Schicht, ausgewählt aus der Gruppe etwa von ITO, SnO₂ und ZnO, und bevorzugterweise aus einem Film, der ZnO als eine Hauptkomponente enthält, ausgebildet. Der transparente leitfähige Oxidfilm 103, der angrenzend an die photoelektrische Umwandlungseinheit 11 angeordnet ist, hat vorzugsweise eine durchschnittliche Kristallkorngröße von zumindest 100 nm und um diesen Zustand zu erzielen, ist es wünschenswert, dass der transparente leitfähige Oxidfilm 103 bei einer Substrattemperatur in einem Bereich von 100 bis 450°C ausgebildet wird. Es ist hierbei anzumerken, dass bevorzugt wird, dass der transparente leitfähige Oxidfilm 103, umfassend ZnO als dessen Hauptkomponente, eine Dicke in einem Bereich von 50 nm bis 1 μm und einen spezifischen Widerstand von nicht mehr als 5 × 10^–3 Ω cm aufweist.
Auf der hinteren Elektrode 10 wird eine photoelektrische Umwandlungseinheit auf Siliciumbasis 11 bereitgestellt. Die photoelektrische Umwandlungseinheit 11 umfasst Halbleiterschichten, die alle durch eine Plasma-CVD bei einer Substrattemperatur von nicht mehr als 400°C abgeschieden sind. Die Plasma-CVD kann eine allgemein bekannte parallele plasmaunterstützte HF-Platten-CVD sein oder sie kann eine Plasma-CVD unter Verwendung einer Hochfrequenz-Spannungsversorgung des HF-Bands bis zum Meterwellen-Hochfrequenzbereich von nicht mehr als 150 MHz sein.
Auf der hinteren Elektrode 10 einer Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp 11, die in der photoelektrischen Umwandlungseinheit 11 enthalten ist, wird zuerst abgeschieden. Die Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp 11 kann beispielsweise eine Dünnschicht vom n-Typ auf Siliciumbasis, die mit Phosphor als Leitfähigkeitstyp bestimmendes Dotiermittel dotiert ist, oder eine Dünnschicht vom p-Typ auf Siliciumbasis sein, die mit Bor dotiert ist. Die Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp 111 ist jedoch nicht darauf eingeschränkt und Dotieratome für eine n-Typ-Schicht kann Stickstoff, etc. sein. Die Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp 111 kann aus amorphem Silicium, einer Legierung aus beispielsweise amorphem Silizium, einer Legierung aus beispielsweise amorphem Siliciumcarbid oder amorphem Siliciumgermanium sowie polykristallinem Silicium, teilweise amorphem mikrokristallinen Silicium oder einer Legierung daraus ausgebildet sein. Es ist hierbei anzumerken, dass die abgeschiedene Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp 11, wenn gewünscht, mit einem Impulslaserstrahl bestrahlt werden kann, um dessen kristallisierte Volumenfraktion und die Trägerkonzentration zu steuern, die aufgrund des den Leitfähigkeitstyp bestimmenden Dotiermittels verursacht wird.
Auf der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp 111 ist eine amorphe oder kristalline Dünnschicht auf Siliciumbasis als eine photoelektrische Umwandlungsschicht 112 abgeschieden. Die kristalline siliciumbasierte photoelektrische Umwandlungsschicht 112 kann eine polykristalline Siliciumdünnschciht aus nicht dotierten Eigenhalbleitern, ein mikrokristalliner Siliciumfilm mit einer kristallisierten Volumenfraktion von zumindest 80%, oder eine siliciumbasierte Dünnschicht mit einem schwachen p- oder n-Typ sein, der eine geringe Menge eines Dotiermittels enthält und eine ausreichend photoelektrische Umwandlung bereitstellt. Die photoelektrische Umwandlungsschicht 112 ist jedoch nicht darauf eingeschränkt und kann aus einer Legierung, beispielsweise aus Siliciumcarbid und Siliciumgermanium, ausgebildet sein.
Eine solche photoelektrische Umwandlungsschicht 112 weist eine Dicke in einem Bereich von 0,1 bis 20 μm auf. Wenn es eine amorphe photoelektrische Dünnschicht-Umwandlungsschicht auf Siliciumbasis 112 ist, dann hat sie eine Dicke, die sich vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 bis 2 μm und bevorzugterweise in einem Bereich von 0,15 bis 0,5 μm befindet. Da die kristalline photoelektrische Umwandlungsschicht 112 bei einer niedrigen Temperatur von nicht mehr als 400°C ausgebildet ist, enthält sie eine große Anzahl an Wasserstoffatomen, die die Defekte in den Kristallgrenzen oder Kristallkörnern abschließt oder inaktiviert, und deren Wasserstoffgehalt sich in einem Bereich von 1 bis 30 Atom-% befindet. Vorzugsweise umfasst die kristalline photoelektrische Dünnschicht-Umwandlungsschicht auf Siliciumbasis 112 die Mehrheit der Kristallkörner, die säulenartig von der Unterseite nach oben wachsen und verfügt über eine bevorzugte (110)-Kristallausrichtungsebene, die parallel zu deren Oberfläche ist, und hat ein Röntgenbeugungs-Intensitätsverhältnis von nicht mehr als 0,2 in Form eines Verhältnisses des (111)-Beugungsmaximum zum (220)-Beugungsmaximum.
Auf der photoelektrischen Umwandlungsschicht 112 wird eine siliciumbasierte Dünnschicht 113 abgeschieden, um einen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp gegenüber dem Typ der Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp zu haben. Die Schicht vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp 113 kann beispielsweise eine siliciumbasierte Dünnschicht vom p-Typ, die mit Bor als Leitfähigkeitstyp bestimmendes Dotiermittel dotiert ist, oder eine siliciumbasierte Dünnschicht vom n-Typ sein, die mit Phosphor dotiert ist, obwohl sie vorzugsweise eine siliciumbasierte Dünnschicht vom p-Typ ist. Die Schicht vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp 113 ist jedoch nicht darauf und auf Dotieratome für eine Schicht vom p-Typ kann Aluminium, etc. beschränkt. Ferner kann die Schicht vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp 113 aus amorphem Silicium oder einer Legierung, wie etwa einem amorphem Siliciumcarbid oder amorphem Siliciumgermanium sein oder sie kann aus polykristallinem Silicium oder teilweise amorphen Silicium oder einer Legierung aus diesen ausgebildet sein.
Die hintere Elektrode 10 weist eine obere Oberfläche 1A auf, die mit einer Unebenheit strukturiert ist und die obere Oberfläche der photoelektrischen Umwandlungseinheit 1B ist mit feinen Unebenheiten strukturiert, die in Teilung kleiner als die obere Oberfläche 1A der hinteren Elektrode sind, da die kristalline photoelektrische Umwandlungsschicht 112 in der photoelektrischen Umwandlungseinheit 11 selbstverständlich deren strukturierte unebene Oberflächenstruktur hervorruft, wenn sie abgeschieden wird. Daher weist die photoelektrische Umwandlungseinheit 11 eine obere Oberfläche 1B auf, die mit feinen Unebenheiten strukturiert ist, die zum Streuen des einfallenden Lichts eines weiten Wellenlängenbereichs geeignet ist, und es der gewünschten photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung ebenfalls ermöglicht, darin mehr Licht einzuschließen.
Nachdem die photoelektrische Umwandlungseinheit 11 vollständig abgeschieden ist, wird ein transparenter leitfähiger Oxidfilm, umfassend zumindest eine aus ITO, SnO₂, ZnO ausgewählte Schicht, als eine transparente vordere Elektrode 2 ausgewählt. Wenn die photoelektrische Umwandlungseinheit 11 eine mit Unebenheiten strukturierte Oberfläche hat, werden die Konvexitäten und Konkavitäten gemäß der Unebenheit auf der Oberfläche der Einheit in dieser Oberfläche der transparenten vorderen Elektrode 2 näher an der photoelektrischen Umwandlungseinheit ausgebildet. Ferner tendiert die transparente vordere Elektrode 2 selbst dazu, die Konvexitäten und Konkavitäten in ihrer Oberfläche zu erzeugen, wenn sie abgeschieden wird. Vorzugsweise weist die näher an der photoelektrischen Umwandlungseinheit liegende Oberfläche der transparenten vorderen Elektrode 2 Konvexitäten und Konkavitäten mit einer Niveaudifferenz in einem Bereich von 0,01 bis 2 μm und eine größere Teilung als die Niveaudifferenz und nicht mehr als das 25fache der Niveaudifferenz auf.
Es gilt anzumerken, dass die vorliegende Erfindung effektiv arbeitet, wenn in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entweder einer oder beide reflektiven Metallfilme 102 und die transparente vordere Elektrode 2 Konvexitäten und Konkavitäten mit der oben erwähnten Niveaudifferenz und Teilung aufweist/aufweisen. Für die photoelektrische Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtung von 1 arbeitet die vorliegende Erfindung am effizientesten, wenn der reflektierende Metallfilm 102 Konvexitäten und Konkavitäten mit der oben erwähnten Niveaudifferenz und Teilung aufweist. In diesem Beispiel weist die transparente vordere Elektrode 2 vorzugsweise Konvexitäten und Konkavitäten mit derselben Niveaudifferenz und Teilung wie der reflektierende Metallfilm 102 oder feinere Konvexitäten und Konkavitäten wie der reflektierende Metallfilm 102 auf.
Ferner wird eine Metallelektrode 3 als Gitterelektrode in Form eines Kamms, umfassend eine Schicht von zumindest einem aus der Gruppe von Al, Ag, Au, Cu oder Pt ausgewählten Element oder einer Legierung derselben, ist auf der transparenten vorderen Elektrode 2 bereitgestellt, um eine photoelektrische Umwandlungsvorrichtung zu vervollständigen. Durch die Verwendung einer solchen photoelektrischen Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtung auf Siliciumbasis beleuchtet das photoelektrisch umzuwandelnde Licht 4 die Vorrichtung an der transparenten vorderen Elektrode 2.
2 zeigt eine photoelektrische Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtung auf Siliciumbasis gemäß einer zweiten Ausführungsform als eine Alternative zur ersten Ausführungsform von 1. Es gilt anzumerken, dass in den 1 und 2 gleiche Bezugszeichen gleiche Abschnitte bezeichnen. Für die photoelektrischen Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtung von 2 wird eine transparente vordere Elektrode 2 auf einem transparenten Substrat 1 aus Glas, etc. bereitgestellt. Das photoelektrisch umzuwandelnde Licht 4 fällt auf das transparente Substrat 1. Die transparente vordere Elektrode 2 kann aus einem transparenten leitfähigen Oxidfilm, umfassend zumindest eine aus ITO, SnO₂ und ZnO ausgewählte Schicht, ausgebildet sein. Von solchen Materialien ist SnO₂ hinsichtlich Durchlässigkeit, Leitfähigkeit und chemischer Stabilität besonders geeignet und ITO ist ebenfalls hinsichtlich Verarbeitbarkeit, Leit fähigkeit und Durchlässigkeit besonders geeignet. Die transparente Elektrode 2 kann auf dem Substrat 1 beispielsweise durch Vakuumgasphasenabscheidung oder thermische CVD oder Sputterabscheidung auf dem Substrat 1 bereitgestellt werden. Auf der transparenten vorderen Elektrode 2 ist eine photoelektrische Dünnschicht-Umwandlungseinheit auf Siliciumbasis 11 bereitgestellt. Die photoelektrische Umwandlungseinheit 11 kann ähnlich wie die photoelektrische Umwandlungseinheit von 1 sein. Die Leitfähigkeitsschicht 113 auf der Lichteinfallseite ist vorzugsweise vom p-Typ.
Auf der photoelektrischen Umwandlungseinheit 11 wird ein lichtreflektierender Metallfilm 102 als hintere Elektrode 10 bereitgestellt, obwohl die hintere Elektrode 10 vorzugsweise ein Verbundfilm, umfassend einen lichtreflektierenden Film 102 und einen transparenten leitfähigen Oxidfilm 103, ist. Die hintere Elektrode 10 entspricht daher in der vorliegenden Ausführungsform jener von 1.
Für die in 2 dargestellte photoelektrische Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtung arbeitet die vorliegende Erfindung am effizientesten, wenn die Oberfläche der transparenten vorderen Elektrode 2 näher an der photoelektrischen Umwandlungseinheit 11 Konvexitäten und Konkavitäten aufweist, die eine Niveaudifferenz in einem Bereich von 0,01 bis 2 μm und eine größere Teilung als die Niveaudifferenz haben. In diesem Beispiel hat der reflektive Metallfilm 102 feinere Konvexitäten und Konkavitäten als die transparente vordere Elektrode 2.
Damit die transparente vordere Elektrode eine Oberfläche mit solchen Konkavitäten und Konvexitäten hat, kann eine Oberfläche eines Substrats 1 beispielsweise geätzt werden, um über Konkavitäten und Konvexitäten zu verfügen und auf dieser kann eine dünne transparente Elektrode 2 ausgebildet sein, um eine Oberfläche mit entlang jener des Substrats 1 bereitgestellten Konvexitäten und Konkavitäten auszubilden. Als Alternative dazu, kann eine transparente Elektrodenschicht mit einer Oberfläche, die mit steilen Konvexitäten und Konkavitäten bereitgestellt ist, zuerst auf dem Substrat 1 abgeschieden werden und beispielsweise in einer reduzierten Atmosphäre mit Plasma, Elektronenstrahl, Korona oder Ähnlichem geätzt oder bearbeitet werden und daher bearbeitet werden, um gewünschte mäßige Konvexitäten und Konkavitäten zu haben. Als Alternative dazu kann auf einer darunter liegenden Schicht aus SnO₂ mit einer mit steilen Konvexitäten und Konkavitäten bereitgestellten Oberfläche eine andere leitfähige Schicht, wie etwa aus ZnO, bereitgestellt werden, um eine Oberfläche mit mäßigen Konvexitäten und Konkavitäten zu erhalten.
Beispielsweise wird zuerst eine thermische Atmosphärendruck-CVD mit einem darunter liegenden Substrat 1 mit einer auf ungefähr nicht weniger als 350°C festgesetzten Temperatur, vorzugsweise etwa 450 bis 550°C, und mit SnCl₄, O₂, CH₃OH, HF, H₂O oder Ähnlichem als Quellenmaterial verwendet, um eine transparente Elektrode 2 aus SnO₂ auszubilden. Für SnO₂ kann die Änderung der Substrattemperatur und der Menge an jedem Quellenmaterial, das während der thermischen Atmosphärendruck-CVD eingeführt wird, die Konvexitäten und Konkavitäten auf der Oberfläche der Elektrode in gewissem Umfang anpassen. Nachdem auf der SnO₂-Schicht eine Zn-Schicht durch Vakuumgasphasenabscheidung bereitgestellt ist, kann die SnO₂-Schicht ferner mit HCl oder Ähnlichem geätzt werden, um eine Oberfläche mit mäßigen Konvexitäten und Konkavitäten zu erhalten. Solche Konvexitäten und Konkavitäten können durch Änderung der Menge an gasphasenabgeschiedenen Zn und Änderung der Ätzmenge angepasst werden.
Nun wird auf eine schematische Querschnittsansicht in 3 Bezug genommen, um eine tandemförmige photoelektrische Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtung auf Siliciumbasis gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu beschreiben. Die Vorrichtung von 3 weist auf einem Substrat 1 mehrere Schichten 201 bis 203 und 211 bis 213 auf, die den mehreren Schichten 101 bis 103 und 111 bis 113 auf Substrat 1 in 1 entsprechen und daher ähnlich bereitgestellt sind.
Ferner verwendet die tandemförmige photoelektrische Umwandlungsvorrichtung von 3 eine erste Einheit 21, umfassend eine kristalline photoelektrische Umwandlungsschicht auf Siliciumbasis als hintere photoelektrische Umwandlungseinheit und eine zweite Einheit 22, die darauf geschichtet ist, als vordere photoelektrische Umwandlungseinheit. Die zweite photoelektrische Umwandlungseinheit 22 umfasst eine mikrokristalline oder amorphe Dünnschicht auf Siliciumbasis 221 von einem ersten Leitfähigkeitstyp, eine amorphe photoelektrische Dünnschicht-Umwandlungsschicht auf Siliciumbasis 222, die im Wesentlichen aus einem Eigenhalbleiter ist, und eine mikrokristalline oder amorphe Dünnschicht auf Siliciumbasis 223 vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, die nacheinander durch Plasma-CVD bereitgestellt werden. Auf der zweiten photoelektrischen Umwandlungseinheit 22 sind eine transparente vordere Elektrode 2 und eine Metallelektrode 3 in Form eines Kamms, ähnlich wie in 1, bereitgestellt, um die tandemförmige photoelektrische Umwandlungsvorrichtung, wie in 3 dargestellt, fertigzustellen.
4 stellt eine tandemförmige photoelektrische Umwandlungsvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform als Alternative zu der Vorrichtung in 3 gemäß einer dritten Ausführungsform dar. Die photoelektrischen Umwandlungsvorrichtungen der 3 und 4 haben zwischen diesen eine ähnliche Beziehung wie die Vorrichtungen in den 1 und 2 zwischen diesen haben und in den 3 und 4 werden gleiche Abschnitte durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet.
Hiernach werden photoelektrische Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtungen als Beispiele der vorliegenden Erfindung zusammen mit den photoelektrischen Umwandlungsvorrichtungen als Vergleichsbeispiele beschrieben.
(Das erste Beispiel)
Entsprechend der unter Bezug auf 1 beschriebenen ersten Ausführungsform wurde eine photoelektrische Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtung auf Siliciumbasis als erstes Beispiel hergestellt. In dem ersten Beispiel ist eine hintere Elektrode 10 auf einem Glassubstrat ausgebildet. Die hintere Elektrode 10 umfasst eine Ti-Schicht 101 von 20 nm Dicke, eine Ag-Schicht 102 von 300 nm Dicke und eine ZnO-Schicht 103 von 100 nm Dicke, die nacheinander abgeschieden werden. Von solchen Schichten wurde eine Ag-Schicht 102, die als ein lichtreflektierender Metallfilm dient, durch Vakuumgasphasenabscheidung bereitgestellt. Auf der hinteren Elektrode 10 wurde eine photoelektrische Dünnschicht-Umwandlungseinheit auf Siliciumbasis 11, umfassend eine n-Typ-Schicht 111, eine nichtdotierte kristalline photoelektrische Umwandlungsschicht auf Siliciumbasis 112 und eine p-Typ-Schicht 113, die durch Plasma-CVD bereitgestellt wurden, bereitgestellt. Auf der photoelektrischen Umwandlungseinheit 11 wurde ein transparenter leitfähiger ITO-Film von 80 nm Dicke als eine vordere Elektrode 2 bereitgestellt und darauf wurde eine Ag-Elektrode 3 in Form eines Kamms zur Stromextraktion bereitgestellt.
Durch Bereitstellen der photoelektrischen Umwandlungseinheit 11 wurde eine nichtdotierte kristalline photoelektrische Umwandlungsschicht auf Siliciumbasis 112 durch Hochfrequenzplasma-CVD bei einer Substrattemperatur von 300°C bereitgestellt und sie war 1,5 μm dick. Die kristalline photoelektrische Umwandlungsschicht 112 hatte einen Wasserstoffgehalt von 2,3 Atom-%, wie durch Sekundärionenmassenspektroskopie erhalten, und sie wies ein Verhältnis des (111)-Beugungsmaximums zum (220)-Beugungsmaximum in der Intensität von 0,084, wie durch Röntgenbeugung erhalten, auf.
Wenn die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung der ersten Ausführungsform mit einfallendem Licht 4 von AM 1,5 mit einer Lichtmenge von 100 mW/cm² beleuchtet wurde, betrugen dessen Ausgangssignaleigenschaften: eine Leerlaufspannung von 0,550 V, eine Kurzschlussstromdichte von 22,5 mA/cm², eine Fülldichte von 76,8% und eine Umwandlungseffizienz von 9,50%.
(Zweites bis fünftes Beispiel und erstes und zweites Vergleichsbeispiel)
Im zweiten bis fünften Beispiel und im ersten und zweiten Vergleichsbeispiel wurden photoelektrische Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtungen auf Siliciumbasis unter denselben Bedingungen wie im ersten Beispiel hergestellt, außer, dass die als eine lichtreflektierende Metalldünnschicht dienende Ag-Schicht 102 mit unterschiedlicher Substrattemperatur und Abscheidungsrate bereitgestellt wurde, um es der Ag-Schicht 102 zu ermöglichen, eine mit verschiedenen Konvexitäten und Konkavitäten bereitgestellte Oberfläche zu haben.

Die daraus entstehenden Ag-Schichten 102 verfügen jeweils über eine mit Konvexitäten und Konkavitäten strukturierte Oberfläche, die eine Niveaudifferenz, eine Teilung und ein Verhältnis der Teilung zur Niveaudifferenz haben, wie in Tabelle 1 zusammen mit den verschiedenen photoelektrischen Umwandlungseigenschaften der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtungen dargestellt. Es gilt anzumerken, dass Tabelle 1 ebenfalls die Ergebnisse des ersten Beispiels darstellt. Tabelle 1

Nr.	Niveaudifferenz zwischen Konvexitäten und Konkavitäten des Ag-Films (nm)	Teilung der Konvexitäten und Konkavitäten des Ag-Films (nm)	Teilungs-/Niveaudifferenz	Leerlauf spannung (V)	Kurzschlussstromdichte (mA/cm²)	Fülldichte (%)	Umwandlungseffizienz (%)
Beispiel 1	40	700	17,5	0,550	22,5	76,8	9,50
Beispiel 2	81	700	8,6	0,498	23,2	74,9	8,65
Beispiel 3	32	700	21,8	0,511	21,1	75,9	8,18
Beispiel 4	38	505	13,2	0,530	22,2	76,1	8,95
Beispiel 5	58	435	7,5	0,501	23,9	75,5	9,04
Vergleichsbeispiel 1	125	100	0,8	0,462	21,0	74,5	7,22
Vergleichsbeispiel 2	20	700	35	0,508	18,5	76,0	7,14

Die photoelektrischen Umwandlungsvorrichtungen der ersten bis dritten Beispiele weisen jeweils Lichtabsorptionseigenschaften auf, wie sie im Diagramm von 5 dargestellt sind. In diesem Diagramm stellen insbesondere die horizontale Achse die Lichtwellenlänge und die vertikale Achse jeweils den externen Quantenwirkungsgrad jeder Vorrichtung dar. Die photoelektrischen Umwandlungsvorrichtungen der ersten, zweiten und dritten Beispiele habe ihre jeweiligen spektralen Empfindlichkeiten, die durch eine Volllinienkurve A, eine Punktlinienkurve B bzw. eine Strichpunktlinienkurve C dargestellt sind. Es gilt anzumerken, dass alle Beispiele und Vergleichsbeispiele jeweils kristalline photoelektrische Umwandlungsschichten 112 mit einer relativ dünn festgesetzten Dicke, also 1,5 μm, aufwiesen, um den Einfluss des Lichtein schlusses in einem längeren Wellenlängenbereich von 600 bis 1000 nm zur leichteren Beobachtung zu erhöhen.
Wie aus Tabelle 1 und dem Diagramm von 5 ersichtlich, wird, wenn die Ag-Schicht 102 eine mit Konvexitäten und Konkavitäten strukturierte Oberfläche hat, die ein geringeres Teilungs-/Niveaudifferenz-Verhältnis hat, also die Schicht eine mit steileren Konvexitäten und Konkavitäten bereitgestellte Oberfläche hat, im längeren Wellenlängenbereich von 600 bis 1000 nm ein höherer externer Quantenwirkungsgrad erzielt, der einen erhöhten Lichteinschluss anzeigt.
Demgegenüber stimmen die Leerlaufspannungen in Tabelle 1 nicht notwendigerweise mit der Tendenz in den spektralen Empfindlichkeitseigenschaften, die in 5 dargestellt werden, überein und weisen relativ große Werte auf, wenn die Ag-Schicht 102 eine mit Konvexitäten und Konkavitäten bereitgestellte Oberfläche hat, die eine in einem Bereich von etwa 10 bis 20 liegendes Teilungs-/Niveaudifferenzverhältnis haben.
Das erste und zweite Vergleichsbeispiel haben jeweils ihre Ag-Schichten 102 mit ihren Oberflächen, die mit Konvexitäten und Konkavitäten mit relativ kleinem Teilungs-/Niveaudifferenzverhältnis bzw. einem relativ großen Teilungs-/Niveaudifferenzverhältnis bereitgestellt werden. In diesen Vergleichsbeispielen erzielt das zweite Vergleichsbeispiel, welches eine Oberfläche hat, die mit nicht so steilen Konvexitäten und Konkavitäten bereitgestellt ist, eine höhere Leerlaufspannung. In Übereinstimmung mit einem Messergebnis ihrer jeweiligen Empfindlichkeitseigenschaften, ähnlich wie in 5, schränkte jedoch das zweite Vergleichsbeispiel weniger Licht als das erste Vergleichsbeispiel ein. Obwohl die Gründe dafür noch nicht bekannt sind, wurde festgestellt, dass eine Oberfläche mit zu steilen Konvexitäten und Konkavitäten, wie im ersten Vergleichsbeispiel, weniger Lichteinschluss als in den Beispielen bereitstellte.
Daher ist es wünschenswert, dass die lichtreflektierende Metalldünnschicht 102 eine Oberfläche hat, die mit Konvexitäten und Konkavitäten bereitgestellt wird, die das Licht in der photoelektrischen Umwandlungseinheit 11 bis zu einem gewissen Grad einschränkt, aber wenn solche Konvexitäten und Konkavitäten eine zu große Niveaudifferenz zwischen diesen haben und die konvexen Abschnitte und die konkaven Abschnitte zwischen diesen spitze Winkel ausbilden, dann würde die darauf bereitgestellte photoelektrische Umwandlungseinheit 11 unzureichende Halbleiterübergangsabschnitte umfassen, was zu einer verringerten Leerlaufspannung der gewünschten photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung und einem verringerten Ertrag derselben führen würde. Daher kann festgestellt werden, dass ein geeigneter Bereich für die Parameter der Konvexitäten und Konkavitäten auf der Oberfläche des lichtreflektierenden Metallfilms 102 vorhanden ist. Insbesondere haben solche Konvexitäten und Konkavitäten vorzugsweise zwischen diesen eine Niveaudifferenz in einem Bereich von 0,01 bis 2 μm, wobei ein Teilungs-/Niveaudifferenzverhältnis größer als 1fache und nicht größer als das 25fache, bevorzugterweise in einem Bereich des 4- bis 20fachen, ist.
(Sechstes Beispiel)
Entsprechend der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die unter Bezug auf 3 beschrieben wurde, wurde eine tandemförmige photoelektrische Umwandlungsvorrichtung als sechstes Beispiel hergestellt. In dem sechsten Beispiel hatte eine tandemförmige photoelektrische Umwandlungsvorrichtung die Elemente 201 bis 203 und 211 bis 213 auf einem Glassubstrat 1, welche den Elementen 101 bis 103 und 111 bis 113 des ersten Beispiels entsprechen und wurden daher in ähnlicher Weise bereitgestellt, obwohl die kristalline photoelektrische Umwandlungsschicht 212 auf Siliciumbasis eine auf 3,0 μm eingestellte Dicke aufwies. Auf einer ersten Einheit 21 als hintere photoelektrische Umwandlungseinheit wurde eine zweite Einheit 22 ferner als vordere photoelektrische Umwandlungseinheit geschichtet. Die zweite photoelektrische Umwandlungseinheit 22 umfasst eine n-Typ-Schicht 221, eine amorphe photoelektrische Umwandlungsschicht auf Siliciumbasis 222 und eine p-Typ-Schicht 223, die aufeinander geschichtet werden. Die amorphe photoelektrische Umwandlungsschicht 222 hat eine festgesetzte Dicke von 300 nm. Auf der zweiten photoelektrischen Umwandlungseinheit 22 wurden eine transparente vordere Elektrode 2 und eine Ag-Elektrode 3 in Form eines Kamms, ähnlich wie in der ersten Ausführungsform, bereitgestellt.
Wenn die tandemförmige photoelektrische Umwandlungsvorrichtung auf Siliciumbasis vom amorph-kristallinen Typ des sechsten Beispiels mit einfallendem Licht 4 von AM 1,5 mit einer Lichtmenge von 100 mW/cm² beleuchtet wurde, waren deren Ausgabeeigenschaften: eine Leerlaufspannung von 1,42 V, eine Kurzschlussstromdichte von 13,0 mA/cm², eine Fülldichte von 73,5% und eine Umwandlungseffizienz von 13,6%.
Daher kann die vorliegende Erfindung eine photoelektrische Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtung auf Siliciumbasis bereitstellen, die einen erheblichen Lichteinschluss erzielt und eine hohe Leerlaufspannung bereitstellt, und sie verringert die Kosten der photoelektrischen Umwandlungsvorrichtung erheblich und erhöht das Leistungsverhalten der Vorrichtung.

Claims

Photoelektrische Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtung auf Siliciumbasis, umfassend ein Substrat (1), eine hintere Elektrode (10) mit einem lichtreflektierenden Metallfilm (102), zumindest eine photoelektrische Umwandlungseinheit auf Siliciumbasis (11, 21, 22) und eine transparente vordere Elektrode (2), worin die Oberflächen (1A, 2A, 1B) des lichtreflektierenden Metallfilms (102) und der transparenten vorderen Elektrode (2), die am nächsten zu der photoelektrischen Umwandlungseinheit (11, 21, 22) auf Siliziumbasis sind, jeweils mit Konvexitäten und Konkavitäten bereitgestellt sind, die eine Niveaudifferenz zwischen diesen, welche das Mittelmaß der Höhendifferenzen zwischen den Konvexitäten und den Konkavitäten ist, und eine Teilung, welche das Mittelmaß des Abstands zwischen angrenzenden Konvexitäten oder angrenzenden Konkavitäten ist, definieren, wobei eine oder beide der Oberflächen des lichtreflektierenden Metallfilms (102) und der transparenten vorderen Elektrode (2) die Niveaudifferenz im Bereich von 0,01 bis 2 μm aufweisen und eine größere Teilung als die entsprechende Niveaudifferenz und nicht mehr als das 25fache der entsprechenden Niveaudifferenz aufweisen, und worin die photoelektrische Umwandlungseinheit (11, 21) eine erste Schicht vom Leitfähigkeitstyp, eine kristalline photoelektrische Umwandlungsschicht auf Siliciumbasis und eine gegenüberliegende Schicht vom Leitfähigkeitstyp umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die kristalline photoelektrische Umwandlungsschicht auf Siliciumbasis (112, 212) einen kristallisierten Volumenanteil von zumindest 80%, einen Wasserstoffgehalt im Bereich von 1 bis 30 Atom-%, eine Dicke im Bereich von 0,5 bis 20 μm, eine bevorzugte Kristallorientierungsebene von (110), die parallel zu einer Filmoberfläche derselben steht, und ein Röntgenbeugungs-Intensitätsverhältnis in Form eines Verhält nisses des (111)-Beugungsmaximums zum (220)-Beugungsmaximum von nicht mehr als 0,2 aufweist, und dass die Teilung für die eine der Oberflächen des lichtreflektierenden Metallfilms (102) und der transparenten vorderen Elektrode (2), die weiter weg vom Substrat (1) liegt, kleiner ist.
Photoelektrische Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtung auf Siliciumbasis nach Anspruch 1, worin die Oberfläche des lichtreflektierenden Metallfilms (102), der näher zu der photoelektrischen Umwandlungseinheit auf Siliciumbasis (11, 21, 22) ist, mit Konvexitäten und Konkavitäten bereitgestellt ist, die eine Niveaudifferenz zwischen diesen im Bereich von 0,01 bis 2 μm und eine Teilung aufweisen, die größer als die Niveaudifferenz ist und nicht mehr als das 25fache der Niveaudifferenz beträgt.
Photoelektrische Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtung auf Siliciumbasis nach Anspruch 1, worin die Oberfläche der transparenten vorderen Elektrode (2), die näher zu der photoelektrischen Umwandlungseinheit auf Siliciumbasis (11, 21, 22) ist, mit Konvexitäten und Konkavitäten bereitgestellt ist, die eine Niveaudifferenz zwischen diesen im Bereich von 0,01 bis 2 μm und eine Teilung aufweisen, die größer als die Niveaudifferenz ist und nicht mehr als das 25fache der Niveaudifferenz beträgt.
Photoelektrische Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtung auf Siliciumbasis nach Anspruch 1, worin die Oberflächen des lichtreflektierenden Metallfilms (102) und der transparenten vorderen Elektrode (2), die näher zu der photoelektrischen Umwandlungseinheit auf Siliciumbasis (11, 21, 22) ist, jeweils mit Konvexitäten und Konkavitäten bereitgestellt sind, die eine Niveaudifferenz zwischen diesen im Bereich von 0,01 bis 2 μm und eine Teilung aufweisen, die größer als die Niveaudifferenz ist und nicht mehr als das 25fache der Niveaudifferenz beträgt.
Photoelektrische Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtung auf Siliciumbasis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine oder beide des lichtreflektierenden Metallfilms (102) und der transparenten vorderen Elektrode (2) ihre Oberfläche näher zu der photoelektrischen Umwandlungseinheit auf Siliciumbasis hat und mit Konvexitäten und Konkavitäten bereitgestellt sind, die Krümmungen darstellen, welche im Wesentlichen keine spitzen Vorsprünge aufweisen.
Photoelektrische Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtung auf Siliciumbasis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine oder beide des lichtreflektierenden Metallfilms (102) und der transparenten vorderen Elektrode (2) ihre Oberfläche näher zu der photoelektrischen Umwandlungseinheit auf Siliciumbasis hat und mit Konvexitäten und Konkavitäten bereitgestellt sind, die Krümmungen darstellen, welche im Wesentlichen keine gebogenen Stellen aufweisen, an denen Steigungen diskontinuierlich verändert werden.
Photoelektrische Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtung auf Siliciumbasis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die hintere Elektrode (10) einen transparenten leitfähigen Oxidfilm (103) beinhaltet, der näher zu der photoelektrischen Umwandlungseinheit (11, 21, 22) angeordnet ist.
Photoelektrische Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtung auf Siliciumbasis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die hintere Elektrode (10) einen Metallfilm (102) mit hohem Reflexionsvermögen beinhaltet, um nicht weniger als 95% eines Lichts mit einer Wellenlänge im Bereich von 500 bis 1.200 nm zu reflektieren.
Photoelektrische Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtung auf Siliciumbasis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die hintere Elektrode (10) einen aus Ag, Au, Al, Cu und Pt oder einer Legierung davon bestehenden Metallfilm (102) umfasst.
Photoelektrische Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtung auf Siliciumbasis nach Anspruch 7, worin die hintere Elektrode (10) einen Metallfilm (102) umfasst, der eine Grenzfläche mit dem transparenten leitfähigen Oxidfilm (103) aufweist und aus einem aus Ag, Au, Al, Cu und Pt oder einer Legierung davon besteht.
Photoelektrische Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtung auf Siliciumbasis nach Anspruch 1, worin die photoelektrische Umwandlungsvorrichtung auf Siliciumbasis vom Tandemtyp ist und die kristalline photoelektrische Umwandlungseinheit auf Siliciumbasis (21) sowie zumindest eine amorphe photoelektrische Umwandlungsschicht (22) umfasst, die eine amorphe photoelektrische Umwandlungsschicht auf Siliciumbasis (222) umfasst und auf der kristallinen photoelektrischen Umwandlungseinheit (21) tandemförmig aufeinander geschichtet ist.
Photoelektrische Dünnschicht-Umwandlungsvorrichtung auf Siliciumbasis nach einem der Ansprüche 1 bis 11, worin eine hintere Elektrode (10), die einen lichtreflektierenden Metallfilm (102) aufweist, zumindest eine photoelektrische Umwandlungseinheit auf Siliciumbasis (11, 21 22) und eine transparente vordere Elektrode (2) in dieser Reihenfolge auf einem Substrat aufeinander geschichtet sind.