JP2000312014A

JP2000312014A - 薄膜光電変換装置

Info

Publication number: JP2000312014A
Application number: JP11119397A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Nakanishi; 健中西; Yasue Nagano; 尉絵長野; Hisashi Hayakawa; 尚志早川; Hiroshi Taniguchi; 浩谷口
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1999-04-27
Filing date: 1999-04-27
Publication date: 2000-11-07

Abstract

(57)【要約】【課題】優れた光電変換特性を有する薄膜光電変換装
置を高い歩留りで提供する。【解決手段】所定の表面粗さの凹凸を含む表面テクス
チャ構造を有する基板（１，１ａ）上に気相成長法によ
って順次堆積された裏面電極（２，３，４）、半導体光
電変換層（５）、および透明電極（６）を含む薄膜光電
変換装置において、裏面電極は互いに異なる材質の複数
の導電層（２，３，４）を含み、これらの導電層のうち
で或る１つの第１導電層（２）は基板の表面粗さを維持
または縮小しながら気相成長する性質を有するが、他の
１つの第２導電層（３）はその表面粗さを増大ししなが
ら気相成長する性質を有することを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は薄膜光電変換装置に
関し、特に、その裏面電極構造の改善に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年では、太陽電池に適用される薄膜光
電変換装置においては、光電変換効率を向上させるため
に、半導体光電変換層に入射した光を拡散させて光路長
を長くする光拡散効果を生じさせる工夫がなされてい
る。そのような光拡散効果を生じさせる手段として、た
とえばガラス基板上において微細な凹凸を含む表面テク
スチャ構造を有するＳｎＯ₂等の透明電極がしばしば形
成される（たとえば、特開平６−２０４５３５，特開平
７−１１５２１４，特開平８−１８０７４などを参
照）。このような表面テクスチャ構造を利用すれば、そ
れに隣接して形成された半導体光電変換層に入射した太
陽光が散乱させられて閉じ込められる。その結果、光電
変換層内で太陽光が効率的に吸収されて電気エネルギに
変換され、薄膜光電変換装置の短絡電流密度が増大させ
られ得る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな表面テクスチャ構造は、それに含まれる微細な凹凸
の形状や寸法を適切に制御しなければ、あまり光電変換
効率の改善に寄与しない場合があり、逆に薄膜光電変換
装置における電流リークを生じさせる原因になることも
ある。すなわち、表面テクスチャ構造に含まれる凹凸の
寸法が大きすぎたり小さすぎたりすれば、光がその表面
テクスチャ構造によって十分には散乱させられない。ま
た、表面テクスチャ構造に含まれる微細な凹凸における
突出部の先端が鋭利であば、半導体薄膜光電変換層を損
なうことによる電流リークが生じやすくなる。

【０００４】このような半導体光電変換層が接する表面
テクスチャ構造における微細な凹凸の形状や寸法は、主
として裏面電極の気相成長の下地となる基板表面の凹凸
の寸法形状によって影響されるが、裏面電極に含まれる
金属層が気相成長中にその表面粗さを増大させることに
る影響も受け得る。特に、銀層はその気相成長時に表面
粗さを増大させる性質が強く、薄膜光電変換装置におけ
る電流リークを生じさせる原因になることが多い。

【０００５】このような先行技術の課題に鑑みて、本発
明は、裏面電極構造を改良することによって、半導体光
電変換層中で十分な光拡散効果が得られかつ電流リーク
が少なくて歩留りのよい薄膜光電変換装置を提供するこ
とを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】薄膜光電変換装置は、所
定の表面粗さの凹凸を含む表面テクスチャ構造を有する
基板上に気相成長法によって順次堆積された裏面電極、
半導体光電変換層、および透明電極を含み、裏面電極は
互いに異なる材質の複数の導電層を含み、これらの複数
の導電層の内で或る１つの第１導電層は表面粗さを維持
または縮小しながら気相成長する性質を有するが、他の
１つの第２導電層は表面粗さを増大しながら気相成長す
る性質を有することを特徴としている。

【０００７】第１導電層は第２導電層より基板に近い側
に配置されていることが好ましい。第１導電層はアルミ
ニウムまたはその合金からなり、第２導電層は銀または
その合金からなることが好ましい。

【０００８】基板の表面テクスチャ構造の平均表面粗さ
Ｒａは２０〜１００ｎｍの範囲内で最大表面粗さＲｍａ
ｘは２００〜７００ｎｍの範囲内にあり、裏面電極と半
導体光電変換層とが接する界面の平均表面粗さＲａは３
０〜１２０ｎｍの範囲内で最大表面粗さＲｍａｘは２５
０〜９５０ｎｍの範囲内にあることが好ましい。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１において、本発明の実施の形
態の一例による薄膜光電変換装置が模式的な断面図で示
されている。この薄膜光電変換装置は、少なくとも表面
が絶縁性である基板１を含んでいる。基板１の表面層１
ａは、所定の表面粗さの凹凸を含む表面テクスチャ構造
にされている。この基板表面層１ａにおけるテクスチャ
構造の平均表面粗さＲａは２０〜１００ｎｍの範囲内に
あることが好ましく、その最大粗さＲｍａｘは２００〜
７００ｎｍの範囲内にあることが好ましい。

【００１０】このような基板表面層１ａにおける表面テ
クスチャ構造は、好ましくは微細な酸化珪素粒子，酸化
アルミニウム粒子，酸化チタン粒子などを含む樹脂層を
基板１上に形成することによって得ることができる。そ
の場合には、樹脂層に混入される微細粒子の粒径は０．
０１〜１０μｍの範囲内にあることが好ましい。なお、
このような基板表面層１ａにおける表面テクスチャ構造
は、基板１の表面を直接に機械的にまたは化学的に処理
することによって形成することもできる。また、基板１
の材料としては、樹脂フィルム、ステンレスのような金
属のシート、さらには通常のガラス基板などが用いられ
得る。

【００１１】基板１の表面層１ａにおける表面テクスチ
ャ構造上には、その表面粗さを維持または縮小しながら
気相成長する性質を有する金属層２が堆積される。この
ような性質を有する金属層２として、たとえばアルミニ
ウムが用いられ得る。金属層２は裏面電極層の主要部を
構成するので、アルミニウムは良好な導電性を有すると
いう観点からも好ましい。

【００１２】表面粗さを維持または縮小しながら気相成
長する性質を有する金属層２上には、表面粗さを増大し
ながら気相成長する性質を有する第２の金属層３が堆積
される。このような第２の金属層３としては、たとえば
銀が好ましく用いられる。銀は優れた導電性を有するの
みならず優れた光反射性をも有するので、裏面電極の光
反射面として作用させるために好ましい。

【００１３】第２金属層３上には、必ずしも必要なもの
ではないが、好ましくは透明導電性酸化物層４が堆積さ
れる。このような透明導電性酸化物層４としては、たと
えばＺｎＯが好ましく用いられ得る。このような透明導
電性酸化物層４を堆積することが好ましいのは、その上
に堆積される半導体光電変換層内へ金属層３，２から金
属原子が拡散することを防止し得るとともに、第２金属
層３の光反射性を向上させることができるからである。
裏面電極の最上層となる透明導電性酸化物層４の表面テ
クスチャ構造における平均表面粗さＲａは３０〜１２０
ｎｍの範囲内で、その最大表面粗さＲｍａｘは２５０〜
９５０ｎｍの範囲内にあることが好ましい。

【００１４】透明導電性酸化物層４上には、半導体光電
変換層５が堆積される。薄膜光電変換装置において、半
導体光電変換層５は、一般に順次堆積されたｎ層，ｉ
層，およびｐ層を含んでいる。光電変換作用は、主とし
て、比較的大きな厚さを有するｉ層において行なわれ
る。ｉ層より遙に薄いｎ層およびｐ層は、電界を形成す
るように作用する。

【００１５】半導体光電変換層５上には、透明導電性酸
化物からなる前面電極６が堆積され、その上に櫛形の集
電金属電極７が形成される。透明な前面電極６として
は、たとえばＩＴＯが好ましく用いられ、櫛形金属電極
７としてはたとえば銀が好ましく用いられ得る。

【００１６】図１に示されているような薄膜光電変換装
置においては、裏面電極が基板表面層１ａの表面粗さを
維持または縮小しながら気相成長する性質を有する第１
導電層２と、その表面粗さを増大しながら気相成長する
第２導電層３とが組合されているので、半導体光電変換
層５の底面に好ましい寸法形状を含む表面テクスチャ構
造を形成することができる。その結果として、優れた光
電変換効率を有しかつ電流リークが生じにくい歩留りの
よい薄膜光電変換装置を提供することができる。

【００１７】

【実施例】以下において、本発明のいくつかの実施例に
よる薄膜光電変換装置が、いくつかの比較例による薄膜
光電変換装置とともに説明される。

【００１８】（実施例１）図１の実施の形態に対応し
て、実施例１の薄膜光電変換装置が作製された。まず、
厚さ０．２ｍｍのポリイミドフィルム基板１上に、平均
粒径０．３μｍの酸化珪素粒子を含むポリイミド樹脂が
ダイコート法によって塗布されて硬化され、微細の凹凸
を含む表面テクスチャ構造を有する基板表面層１ａが形
成された。このダイコート法においては、ポリイミドフ
ィルムがロールからロールへ移送され、それらのロール
の間でポリイミドフィルムの進行方向に直交する方向に
配置された細長い開口からポリイミド樹脂が押出されて
塗布された。こうして形成された基板表面層１ａのテク
スチャ構造に含まれる凹凸による表面粗さを測定したと
ころ、平均表面粗さＲａが６０ｎｍであり、最大粗さＲ
ｍａｘが６５０ｎｍであった。

【００１９】基板表面層１ａ上には、ＤＣスパッタリン
グ法によってＡｌ層２が５００ｎｍの厚さに堆積され
た。この堆積条件としては、基板温度が１５０℃、ＤＣ
パワーが０．５Ｗ／ｃｍ²、Ａｒガス圧が５ｍＴｏｒ
ｒ、そしてＡｒガス流量が１００ｓｃｃｍであった。Ａ
ｌ層２上には、同様なＤＣスパッタリング法によって、
Ａｇ層３とＺｎＯ層４がそれぞれ５０ｎｍと１００ｎｍ
の厚さに堆積された。この状態でＺｎＯ層４の表面粗さ
を測定したところ、平均表面粗さＲａが７０ｎｍであ
り、最大表面粗さＲｍａｘが６９０ｎｍであった。

【００２０】ＺｎＯ層４上には、半導体光電変換層５と
して、非晶質シリコンのｎ層，ｉ層およびｐ層がプラズ
マＣＶＤ法によって順次積層された。ｎ層の堆積条件と
しては、基板温度が１７０℃、高周波パワーが０．５Ｗ
／ｃｍ²、反応ガス圧が０．２Ｔｏｒｒ、そしてＳｉＨ
₄，Ｈ₂，およびＰＨ₃のそれぞれのガス流量が１００
ｓｃｃｍ，３００ｓｃｃｍ，および２０ｓｃｃｍであっ
た。ｉ層の堆積条件においては、基板温度が１７０℃、
高周波パワーが０．１Ｗ／ｃｍ²、反応ガス圧が０．１
Ｔｏｒｒ、そしてＳｉＨ₄とＨ₂のガス流量がそれぞれ
１５０ｓｃｃｍと３００ｓｃｃｍであった。ｐ層の堆積
条件においては、基板温度が１７０℃、高周波パワーが
０．５Ｗ／ｃｍ²、反応ガス圧が０．２Ｔｏｒｒ、そし
てＳｉＨ ₄，Ｈ₂，およびＢ₂Ｈ₆のガス流量がそれぞ
れ５０ｓｃｃｍ，２０ｓｃｃｍ，および１００ｓｃｃｍ
であった。これらの堆積条件のもとにおいて、ｎ層，ｉ
層，およびｐ層は、それぞれ３０ｎｍ，５００ｎｍ，お
よび１０ｎｍの厚さに堆積された。

【００２１】半導体光電変換層５上には、透明前面電極
６として、ＩＴＯ層がスパッタリング法によって６０ｎ
ｍの厚さに堆積された。そして、透明前面電極層６上に
厚さ５００ｎｍの櫛形集電Ａｇ電極をスパッタリング法
で形成することによって、図１に示されているような薄
膜光電変換装置が完成させられた。

【００２２】この実施例１の薄膜光電変換装置に対して
ソーラーシミュレータからＡＭ−１．５の光を１００ｍ
Ｗ／ｃｍ²の光量で照射したときの光電変換特性とし
て、短絡電流密度Ｊｃｓ，開放電圧Ｖｏｃ，曲線因子Ｆ
Ｆ，および変換効率ηが表１に示されている。なお、表
１においては、これらの光電変換特性に加えて、薄膜光
電変換装置の歩留りも示されている。この歩留りは、曲
線因子ＦＦが０．６に満たない光電変換装置を不良品と
して求められたものである。

【００２３】（実施例２）実施例１に類似して、実施例
２による薄膜光電変換装置が作製された。この実施例２
においては、ポリイミドフィルム基板１上に塗布される
ポリイミド樹脂に含まれる酸化珪素粒子の平均粒径が
０．２μｍであったことのみにおいて実施例１と相違
し、光電変換装置の他の製造条件は実施例１と同一であ
った。この実施例２においては、基板表面層１ａの表面
テクスチャ構造における平均表面粗さＲａは２５ｎｍで
あり、最大表面粗さＲｍａｘは２５０ｎｍであった。ま
た、ＺｎＯ層４の表面テクスチャ構造における平均表面
粗さＲａは３４ｎｍであり、最大表面粗さＲｍａｘは２
７０ｎｍであった。このような実施例２の光電変換装置
に関して、実施例１と同じ条件で光照射したときの光電
変換特性と歩留りも、表１に示されている。

【００２４】（実施例３）実施例３の薄膜光電変換装置
も、実施例１に類似して作製された。実施例３において
は、基板表面層１ａを形成するためのポリイミド樹脂に
含まれる酸化珪素微粒子の平均粒径が０．５μｍであっ
たことのみにおいて実施例１と異なり、他の製造条件は
実施例１と同じであった。この実施例３においては、基
板表面層１ａの表面テクスチャ構造における平均表面粗
さＲａは８０ｎｍであり、最大表面粗さＲａは６８０ｎ
ｍであった。また、ＺｎＯ層４の表面テクスチャ構造に
おける平均表面粗さＲａは１０５ｎｍであり、最大表面
粗さＲｍａｘは９００ｎｍであった。このような実施例
３の薄膜光電変換装置に関して、実施例１と同じ条件で
光照射したときの光電変換特性と歩留りも、表１に示さ
れている。

【００２５】（比較例１）比較例１としての薄膜光電変
換装置が、実施例１に類似して作製された。比較例１に
おいて、基板表面層１ａの表面テクスチャ構造における
平均表面粗さＲａは５５ｎｍであり、最大表面粗さＲｍ
ａｘは６００ｎｍであった。そして、Ａｌ層２とＡｇ層
３の代わりに、厚さ５００ｎｍのＡｇ単一層がＤＣスパ
ッタリング法によって形成された。このＡｇ単一層上に
実施例１の場合と同様に堆積されたＺｎＯ層の表面にお
ける平均表面粗さＲａは２００ｎｍであり、最大表面粗
さＲｍａｘは１２００ｎｍであった。比較例１の薄膜光
電変換装置におけるその他の製造条件は実施例１と同じ
であった。この比較例１に関して、実施例１の場合と同
様に評価された光電変換特性と歩留りも、表１に示され
ている。

【００２６】（比較例２）比較例２としての光電変換装
置が、実施例１に類似して作製された。比較例２の薄膜
光電変換装置の製造条件としては、基板表面層１ａを形
成するためのポリイミド樹脂に含まれる酸化珪素粒子の
平均粒径が０．１μｍであったことのみにおいて実施例
１と異なっている。比較例２の薄膜光電変換装置におい
て、基板表面層１ａの表面における平均表面粗さＲａは
１０ｎｍであり、最大表面粗さＲｍａｘは１２０ｎｍで
あった。またＺｎＯ層４の表面における平均表面粗さＲ
ａは１６ｎｍであり、最大表面粗さＲｍａｘは１４５ｎ
ｍであった。比較例２に関して、実施例１の場合と同様
に評価された光電変換特性と歩留りも、表１に示されて
いる。

【００２７】（比較例３）比較例３としての薄膜光電変
換装置が、実施例１に類似して作製された。比較例３に
おいては、基板表面層１ａを形成するためのポリイミド
樹脂に含まれる酸化珪素粒子の平均粒径が０．７μｍで
あったことのみにおいて実施例１の製造条件と異なって
いる。比較例３において、基板表面層１ａの表面におけ
る平均表面粗さＲａは９０ｎｍであり、最大表面粗さＲ
ｍａｘは７２０ｎｍであった。また、ＺｎＯ層４の表面
における平均表面粗さＲａは１８０ｎｍであり、最大表
面粗さＲｍａｘは９６０ｎｍであった。比較例３に関し
て、実施例１の場合と同様に評価した光電変換特性と歩
留りも、表１に示されている。

【００２８】（比較例４）比較例４の薄膜光電変換装置
も、実施例１に類似して作製された。比較例４において
は、基板表面層１ａを形成するためのポリイミド樹脂に
含まれる酸化珪素粒子の平均粒径が０．８μｍであった
ことのみにおいて実施例１と異なっている。比較例４に
おいては、基板表面層１ａの表面における平均表面粗さ
Ｒａは１５０ｎｍであり、最大表面粗さＲｍａｘは８０
０ｎｍであった。また、ＺｎＯ層４の表面における平均
表面粗さＲａは１８０ｎｍであり、最大表面粗さＲｍａ
ｘは１１００ｎｍであった。この比較例４に関して、実
施例１の場合と同様に評価した光電変換特性と歩留り
も、表１に示されている。

【００２９】（比較例５）比較例５としての薄膜光電変
換装置が、実施例１に類似して作製された。比較例５に
おいては、表面テクスチャ構造を有する表面層１ａを含
む基板１の代わりに、平らな表面を有するコーニング７
０５９ガラス板が基板として用いられたことのみにおい
て実施例１と異なっている。この比較例５の薄膜光電変
換装置に対して実施例１と同様に評価した光電変換特性
と歩留りが、表１に示されている。

【００３０】

【表１】

【００３１】図２は、図１におけるＺｎＯ層４の表面に
おける平均表面粗さＲａ（ｎｍ）と短絡電流密度Ｊｓｃ
（ｍＡ／ｃｍ²）との関係を示すグラフである。図３
は、図２に類似して、ＺｎＯ層４の表面における最大表
面粗さＲｍａｘと短絡電流密度Ｊｓｃとの関係を示すグ
ラフである。図４は、ＺｎＯ層４の表面における平均表
面粗さＲａと薄膜光電変換装置の歩留り（％）との関係
を示すグラフである。そして、図５は図４に類似し、Ｚ
ｎＯ層４の表面における最大表面粗さＲｍａｘと薄膜光
電変換装置の歩留りとの関係を示すグラフである。

【００３２】表１および図２から図５までのグラフから
理解されるように、ＺｎＯ層４の表面における平均表面
粗さＲａが３０ｎｍ以下で最大表面粗さＲｍａｘが２５
０ｎｍ以下になれば、薄膜光電変換装置の半導体装置に
おける光散乱効果が低下し、短絡電流密度Ｊｓｃが低下
する。他方、ＺｎＯ層４の表面における平均表面粗さＲ
ａが１２０ｎｍ以上になって最大表面粗さＲｍａｘが９
５０ｎｍ以上になれば、薄膜光電変換装置における電流
リークを生じやすくなり、歩留りが低下することがわか
る。

【００３３】したがって、優れた光電変換効率と高い歩
留りの両方を得るためには、薄膜半導体装置に含まれる
裏面電極の表面における平均表面粗さＲａが３０〜１２
０ｎｍの範囲内にありかつ最大表面粗さＲｍａｘが２５
０〜９５０ｎｍの範囲内にあることが好ましいことがわ
かる。

【００３４】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、裏面電
極に含まれる複数の導電層のうちで或る１つの第１導電
層が表面粗さを維持または縮小しながら気相成長する性
質を有するとともに、他の１つの第２導電層が表面粗さ
を増大しながら気相成長する性質を有するので、裏面電
極とそれに接する半導体光電変換層との界面において好
ましい寸法形状の凹凸を含む表面テクスチャ構造を形成
することができる。その好ましい寸法形状の凹凸を含む
裏面電極と半導体光電変換層との界面の構造に基づい
て、光電変換層内の光拡散効果を高めかつリーク電流を
防止することによって、優れた光電変換効率を有する薄
膜半導体装置を高い歩留りで提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例による薄膜光電変換
装置を示す模式的な断面図である。

【図２】薄膜光電変換装置における裏面電極と半導体光
電変換層との界面における凹凸の平均表面粗さＲａと短
絡電流密度Ｊｓｃとの関係を示すグラフである。

【図３】裏面電極と半導体光電変換層との界面における
凹凸の最大表面粗さＲｍａｘと短絡電流密度Ｊｓｃとの
関係を示すグラフである。

【図４】裏面電極と半導体光電変換層との界面における
凹凸の平均表面粗さＲａと薄膜光電変換装置の歩留りと
の関係を示すグラフである。

【図５】裏面電極と半導体光電変換層との界面における
凹凸の最大表面粗さＲｍａｘと薄膜半導体装置の歩留り
との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１基板１ａ微細な凹凸を含む表面テクスチャ構造を有する基
板表面層２Ａｌ層３Ａｇ層４ＺｎＯ層５半導体光電変換層６ＩＴＯ前面電極層７櫛形のＡｇ集電電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者早川尚志大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内 (72)発明者谷口浩大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内Ｆターム(参考） 5F051 AA05 CA15 FA02 FA04 FA06 FA15 GA03 GA05 GA14 GA16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の表面粗さの凹凸を含む表面テクス
チャ構造を有する基板上に気相成長法によって順次堆積
された裏面電極、半導体光電変換層、および透明電極を
含む薄膜光電変換装置であって、前記裏面電極は互いに異なる材質の複数の導電層を含
み、これらの複数の導電層の内で或る１つの第１の導電層は
前記表面粗さを維持または縮小しながら気相成長する性
質を有するが、他の１つの第２の導電層は前記表面粗さ
を増大しながら気相成長する性質を有することを特徴と
する薄膜光電変換装置。
【請求項２】前記第１の導電層は前記第２の導電層よ
り前記基板に近い側に配置されていることを特徴とする
請求項１に記載の薄膜光電変換装置。
【請求項３】前記第１の導電層はアルミニウムまたは
その合金からなり、前記第２の導電層は銀またはその合
金からなることを特徴とする請求項１または２に記載の
薄膜光電変換装置。
【請求項４】前記基板の表面テクスチャ構造の平均表
面粗さＲａが２０〜１００ｎｍの範囲内で最大表面粗さ
Ｒｍａｘが２００〜７００ｎｍの範囲内にあり、前記裏
面電極と前記半導体光電変換層とが接する界面の平均表
面粗さＲａが３０〜１２０ｎｍの範囲内で最大表面粗さ
Ｒｍａｘが２５０〜９５０ｎｍの範囲内にあることを特
徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載の薄膜光
電変換装置。