JP2001028452A - Photoelectric conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、光電変換装置に関
するものであり、特に、宇宙用太陽電池、地上用太陽電
池、およびフォトセンサ等に適用可能なタンデム型の光
電変換装置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a photoelectric conversion device, and more particularly to a tandem-type photoelectric conversion device applicable to space solar cells, ground solar cells, photo sensors, and the like.
【０００２】[0002]
【従来の技術】宇宙用太陽電池の分野では、現在、Ｇａ
Ａｓ／Ｇｅ、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ／Ｇｅ等の構造の開
発研究がなされている。これらの構造は、高効率で、か
つ耐放射性がよいため、実際の宇宙用太陽電池に多く用
いられるようになっている。しかしながら、ＧａＡｓ等
の薄膜をＭＯＣＶＤ法により形成するためには、毒性の
強い有機金属化合物を使用する。また、Ｇｅ、ＧａＡｓ
基板は、高価格で、脆く、地球上資源として有限であ
る。さらに、宇宙用電源として、まだコストが高く、出
力重量比が低いという問題もある。2. Description of the Related Art In the field of space solar cells, Ga
Research and development of structures such as As / Ge and InGaP / GaAs / Ge are being conducted. Since these structures have high efficiency and good radiation resistance, they are widely used in actual space solar cells. However, in order to form a thin film of GaAs or the like by the MOCVD method, a highly toxic organometallic compound is used. Ge, GaAs
Substrates are expensive, brittle, and finite as a global resource. Further, there is a problem that the cost is still high and the output weight ratio is low as a space power supply.
【０００３】これに対して、Ｓｉ宇宙用太陽電池は、単
一接合であり、低コスト、軽重量等の利点がある。On the other hand, a solar cell for space use in Si has a single junction and has advantages such as low cost and light weight.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
Ｓｉ地上用太陽電池に用いられるタンデム構造の光電変
換装置は、アモルファスシリコンからなる上部光電変換
部分と多結晶からなる下部光電変換部分とが直接に接続
されて形成されていた。そのため、アモルファスシリコ
ンからなる上部光電変換部分のエネルギバンドギャップ
が約１．７２〜１．８５ｅＶであり、発生した光電流は
下部光電変換部分の光電流より小さくなり、光電流不整
合の問題が生じていた。However, in the conventional tandem-type photoelectric conversion device used for the Si ground-based solar cell, the upper photoelectric conversion portion made of amorphous silicon and the lower photoelectric conversion portion made of polycrystal are directly connected. It was connected and formed. Therefore, the energy band gap of the upper photoelectric conversion portion made of amorphous silicon is about 1.72 to 1.85 eV, and the generated photocurrent is smaller than the photocurrent of the lower photoelectric conversion portion, which causes a problem of photocurrent mismatch. I was
【０００５】この発明の目的は、上述したシリコンタン
デム光電変換装置における光電流不整合という問題点を
解決し、変換効率が向上された光電変換装置を提供する
ことにある。また、この発明の目的は、特に、宇宙用太
陽電池として、低コスト、軽重量、良好な耐放射性等の
利点を有する光電変換装置を提供することにある。An object of the present invention is to solve the above-mentioned problem of photocurrent mismatch in a silicon tandem photoelectric conversion device and to provide a photoelectric conversion device with improved conversion efficiency. Another object of the present invention is to provide a photoelectric conversion device having advantages such as low cost, light weight, and good radiation resistance, especially as a space solar cell.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】この発明による光電変換
装置は、上部光電変換部分と下部光電変換部分とを備え
るタンデム構造の太陽電池に用いられる光電変換装置で
あって、上部光電変換部分はアモルファスシリコンから
構成され、下部光電変換部分は単結晶シリコンから構成
され、上部光電変換部分と下部光電変換部分との間に、
酸化物半導体からなる中間層をさらに備えている。A photoelectric conversion device according to the present invention is a photoelectric conversion device used for a tandem solar cell having an upper photoelectric conversion portion and a lower photoelectric conversion portion, wherein the upper photoelectric conversion portion is amorphous. It is composed of silicon, the lower photoelectric conversion part is composed of single crystal silicon, and between the upper photoelectric conversion part and the lower photoelectric conversion part,
An intermediate layer made of an oxide semiconductor is further provided.
【０００７】この発明によれば、複数の光電変換部分が
積層されたタンデム構造において、上部光電変換部分
が、耐放射性に優れたアモルファス半導体から構成され
る。そのため、光に対する光電変換効率の低下および放
射線による劣化が解決され、光電変換装置の変換効率が
向上される。According to the present invention, in a tandem structure in which a plurality of photoelectric conversion portions are stacked, the upper photoelectric conversion portion is made of an amorphous semiconductor having excellent radiation resistance. Therefore, a decrease in photoelectric conversion efficiency with respect to light and a deterioration due to radiation are solved, and the conversion efficiency of the photoelectric conversion device is improved.
【０００８】また、この発明によれば、上部光電変換部
分と下部光電変換部分との界面に、酸化物半導体からな
る中間層が介在される。そのため、アモルファスシリコ
ンから構成される上部光電変換部分の裏の反射率が向上
される。According to the present invention, an intermediate layer made of an oxide semiconductor is interposed at the interface between the upper photoelectric conversion part and the lower photoelectric conversion part. Therefore, the reflectivity behind the upper photoelectric conversion portion made of amorphous silicon is improved.
【０００９】この発明において、好ましくは、上部光電
変換部分は、Ｐ型半導体層、Ｉ型半導体層、およびＮ型
半導体層を含み、Ｉ型半導体層は、たとえば、水素を含
むアモルファス水素化シリコンゲルマニウム合金半導体
またはアモルファス水素化シリコン半導体から構成され
る。In the present invention, preferably, the upper photoelectric conversion portion includes a P-type semiconductor layer, an I-type semiconductor layer, and an N-type semiconductor layer, and the I-type semiconductor layer is, for example, an amorphous silicon germanium hydride containing hydrogen. It is composed of an alloy semiconductor or an amorphous hydrogenated silicon semiconductor.
【００１０】このように、上部光電変換部分において、
アモルファス材料によるＰ−Ｉ−Ｎ構造を採用した上
で、バンドギャップを下部光電変換部分と電流整合させ
ることにより、変換効率をさらに向上させることができ
る。As described above, in the upper photoelectric conversion portion,
The conversion efficiency can be further improved by adopting a PIN structure using an amorphous material and then matching the band gap with the lower photoelectric conversion portion.
【００１１】アモルファス水素化シリコンゲルマニウム
合金（ＳｉＧｅ：Ｈ）は、水素を１０21ｃｍ-3（１０％
以上）含有するアモルファス半導体であり、原子配置は
不規則であるが、原子の配位数や最接近原子間距離は、
対応する結晶系の値にかなり近いという近距離秩序が存
在する。そのため、電子とプロットに対する耐放射性
が、シリコン、ガリウムより優れた材料である。したが
って、このアモルファス水素化シリコンゲルマニウムを
上部光電変換部分の材料として用いることにより、耐放
射性を向上させることができる。An amorphous hydrogenated silicon-germanium alloy (SiGe: H) converts hydrogen to 10 21 cm -3 (10%
Above) is an amorphous semiconductor containing, the atomic arrangement is irregular, but the coordination number of atoms and the closest interatomic distance,
There is a short-range order that is quite close to the value of the corresponding crystal system. Therefore, the material has higher radiation resistance to electrons and plots than silicon and gallium. Therefore, radiation resistance can be improved by using this amorphous silicon germanium hydride as the material of the upper photoelectric conversion portion.
【００１２】好ましくは、上部光電変換部分の材料のバ
ンドギャップは、１．５２〜１．６５ｅＶであるとよ
い。Preferably, the material of the upper photoelectric conversion portion has a band gap of 1.52 to 1.65 eV.
【００１３】このように、アモルファスシリコンから構
成される上部光電変換部分のエネルギバンドギャップを
１．５２〜１．６５ｅＶに調整することにより、タンデ
ム構造の光電変換装置の光電流および変換効率を向上さ
せることができる。一方、バンドギャップが１．５２ｅ
Ｖ未満になると、下部光電変換部分が受ける透過光の強
度が弱くなってしまうため、タンデム構造の光電変換装
置の変換効率は低下してしまう。また、バンドギャップ
が１．６５ｅＶより大きくなると、光電流不整合の問題
が発生してしまう。As described above, by adjusting the energy band gap of the upper photoelectric conversion portion made of amorphous silicon to 1.52 to 1.65 eV, the photocurrent and the conversion efficiency of the tandem photoelectric conversion device are improved. be able to. On the other hand, the band gap is 1.52e
When the voltage is lower than V, the intensity of transmitted light received by the lower photoelectric conversion portion is weakened, so that the conversion efficiency of the tandem-structured photoelectric conversion device is reduced. When the band gap is larger than 1.65 eV, a problem of photocurrent mismatch occurs.
【００１４】この発明において、中間層としては、たと
えばＺｎＯを用いることができる。また、この酸化物半
導体からなる中間層の厚みは、好ましくは１０〜６０ｎ
ｍ、より好ましくは３０〜６０ｎｍであるとよい。中間
層の厚さが１０ｎｍ未満になると、反射効率が小さくな
ってしまい、一方、６０ｎｍより厚い場合には、反射率
のピークが上部光電変換部分の長波長領域を超え、反射
率が弱くなってしまうからである。これに対して、中間
層の厚さが１０ｎｍ〜６０ｎｍ、より好ましくは３０ｎ
ｍ〜６０ｎｍの場合には、上部光電変換部分の光電流を
向上させることができる。In the present invention, for the intermediate layer, for example, ZnO can be used. The thickness of the intermediate layer made of the oxide semiconductor is preferably 10 to 60 n.
m, more preferably 30 to 60 nm. When the thickness of the intermediate layer is less than 10 nm, the reflection efficiency decreases. On the other hand, when the thickness is more than 60 nm, the peak of the reflectance exceeds the long wavelength region of the upper photoelectric conversion portion, and the reflectance becomes weak. It is because. On the other hand, the thickness of the intermediate layer is 10 nm to 60 nm, more preferably 30 nm.
In the case of m to 60 nm, the photocurrent of the upper photoelectric conversion portion can be improved.
【００１５】この発明において、好ましくは、下部光電
変換部分は、厚さが５０〜３８０μｍであり、基板抵抗
率が０．１〜１０Ω・ｃｍであるとよい。In the present invention, preferably, the lower photoelectric conversion portion has a thickness of 50 to 380 μm and a substrate resistivity of 0.1 to 10 Ω · cm.
【００１６】下部光電変換部分の厚さが５０μｍ未満に
なると、機械強度が極めて弱くなってしまい、一方、３
８０μｍより厚くなると、開放電圧は低下してしまうか
らである。また、基板抵抗率が０．１Ω・ｃｍ未満にな
ると、下部光電変換部分の光電流が小さくなり、タンデ
ム構造の光電変換装置の変換効率が低下するが、逆に、
１０Ω・ｃｍより大きくなると、開放電圧が低下してし
まうからである。When the thickness of the lower photoelectric conversion portion is less than 50 μm, the mechanical strength becomes extremely weak.
If the thickness is more than 80 μm, the open-circuit voltage decreases. Further, when the substrate resistivity is less than 0.1 Ω · cm, the photocurrent of the lower photoelectric conversion portion decreases, and the conversion efficiency of the tandem-structure photoelectric conversion device decreases.
This is because if it exceeds 10 Ω · cm, the open-circuit voltage will decrease.
【００１７】[0017]
【発明の実施の形態】図１は、本発明による光電変換装
置の一例の構造を示す断面図である。FIG. 1 is a sectional view showing the structure of an example of a photoelectric conversion device according to the present invention.
【００１８】図１を参照して、この光電変換装置は、タ
ンデム構造を有する光電変換装置であって、Ａｌ金属電
極１と、その上に順次形成された下部光電変換部分１
１、中間層５、上部光電変換部分１０、および表面透明
電極９とを備えた、二層縦列直列接続素子である。Referring to FIG. 1, this photoelectric conversion device is a photoelectric conversion device having a tandem structure, in which an Al metal electrode 1 and a lower photoelectric conversion portion 1 sequentially formed thereon are provided.
1, a two-layer cascade connection element including an intermediate layer 5, an upper photoelectric conversion part 10, and a surface transparent electrode 9.
【００１９】下部光電変換部分１１は、低エネルギバン
ドギャップ（ほぼ１．１ｅＶ）を持つ結晶シリコン（ｃ
−Ｓｉ）材料からなるＰ−Ｎ整合を有し、具体的には、
高不純物濃度のＰ型ｃ−Ｓｉ層２、Ｐ型ｃ−Ｓｉ層３、
およびＮ型ｃ−Ｓｉ層４が順次積層されて構成されてい
る。The lower photoelectric conversion portion 11 is made of crystalline silicon (c) having a low energy band gap (approximately 1.1 eV).
-Si) material has PN matching, and specifically,
A P-type c-Si layer 2, a P-type c-Si layer 3 having a high impurity concentration,
And an N-type c-Si layer 4 are sequentially laminated.
【００２０】中間層５は、高エネルギバンドギャップを
持つ金属酸化物半導体のＺｎＯからなっている。The intermediate layer 5 is made of a metal oxide semiconductor ZnO having a high energy band gap.
【００２１】上部光電変換部分１０は、高エネルギバン
ドギャップを持つアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）材
料からなるＰ−Ｉ−Ｎ素子部分を有し、具体的には、Ｐ
型ａ−Ｓｉ層６、Ｉ型ａ−Ｓｉ層（またはａ−ＳｉＧｅ
層）７、およびＮ型ａ−Ｓｉ層８が順次積層されて構成
されている。表面透明電極９は、ＩＴＯ層からなる。The upper photoelectric conversion portion 10 has a PIN device portion made of amorphous silicon (a-Si) material having a high energy band gap.
Type a-Si layer 6, I-type a-Si layer (or a-SiGe
Layer 7) and an N-type a-Si layer 8 are sequentially laminated. The transparent electrode 9 is made of an ITO layer.
【００２２】このように構成される本発明によるタンデ
ム型光電変換装置は、入射光の有効利用のため、素子構
造において高エネルギバンドギャップの半導体材料で構
成された上部光電変換部分で、短波長側の光を収集し、
低エネルギバンドギャップの半導体材料で構成された下
部光電変換部分で、長波長側の光を収集する。このこと
で、光を有効に利用し、より光電変換効率を高めようと
するものである。The tandem-type photoelectric conversion device according to the present invention having the above-described structure is configured such that the upper photoelectric conversion portion made of a semiconductor material having a high energy band gap in the element structure is used for effective use of incident light. Collect the light of
The lower photoelectric conversion portion made of a semiconductor material having a low energy band gap collects light of a longer wavelength. Thus, the light is used effectively, and the photoelectric conversion efficiency is further increased.
【００２３】図２は、図１に示す光電変換装置のエネル
ギダイアグラムの概要を示す図である。図２において、
横軸は光電変換装置内での空間距離を示し、縦軸は電子
エネルギを示している。また、図１および図２におい
て、同一符号は同一部分を示す。FIG. 2 is a diagram showing an outline of an energy diagram of the photoelectric conversion device shown in FIG. In FIG.
The horizontal axis indicates the spatial distance in the photoelectric conversion device, and the vertical axis indicates the electron energy. 1 and 2, the same reference numerals indicate the same parts.
【００２４】本発明に使用可能な半導体層としては、単
結晶シリコン、非単結晶シリコン、セミアモルファスシ
リコン、シリコンゲルマニウム半導体、シリコンカーボ
ン半導体、多結晶シリコン半導体、結晶化したシリコン
半導体等が適用できる。作製コストを鑑み、上部光電変
換部分はプラズマＣＶＤ法により、大面積、均質の薄膜
形成が望まれ、大量生産と低コスト化が達成できる。As the semiconductor layer usable in the present invention, single crystal silicon, non-single crystal silicon, semi-amorphous silicon, silicon germanium semiconductor, silicon carbon semiconductor, polycrystalline silicon semiconductor, crystallized silicon semiconductor, etc. can be applied. In view of the manufacturing cost, it is desired that the upper photoelectric conversion portion has a large area and a uniform thin film formed by a plasma CVD method, and mass production and cost reduction can be achieved.
【００２５】また、タンデム構造を有する光電変換装置
において、上部光電変換部分でのＩ型半導体について
は、特に使用材料を限定する必要はなく、シリコンゲル
マニウム合金ではなく、水素量を少なくしたアモルファ
スシリコンも使用できる。In the photoelectric conversion device having the tandem structure, the I-type semiconductor in the upper photoelectric conversion portion does not need to be particularly limited in the material used, and is not limited to silicon-germanium alloy but amorphous silicon with a reduced hydrogen content. Can be used.
【００２６】また、本発明を適用し得る光電変換装置と
しては、入射光側がＮ型からのＮ−Ｉ−Ｐ／Ｎ−Ｐ構造
（以下「構造Ａ」という）と、入射側がＰ型からのＰ−
Ｉ−Ｎ／Ｐ−Ｎ構造（以下「構造Ｂ」という）のタンデ
ムでも、同様に適用可能である。ただし、構造Ａの場合
において、下部光電変換部分とする単結晶太陽電池の製
作は、従来技術、設備を援用でき、製造工程、コスト等
の点で有利である。一方、構造Ｂの場合においては、Ｐ
−Ｉ−Ｎ構造を持つ上部光電変換部分とするアモルファ
スシリコン太陽電池、あるいはアモルファスシリコンゲ
ルマニウム光電変換部分の高効率化の点で、構造Ａに対
して相対的に容易にできるという利点がある。The photoelectric conversion device to which the present invention can be applied includes an NIP / NP structure (hereinafter referred to as “structure A”) on the incident light side from an N-type, and a P-type structure on the incident side. P-
The present invention can be similarly applied to a tandem having an IN / PN structure (hereinafter, referred to as “structure B”). However, in the case of the structure A, the production of the single crystal solar cell as the lower photoelectric conversion portion can use conventional technology and equipment, and is advantageous in terms of a manufacturing process, cost, and the like. On the other hand, in the case of structure B, P
There is an advantage that the structure A can be relatively easily formed with respect to the structure A in terms of increasing the efficiency of an amorphous silicon solar cell or an amorphous silicon germanium photoelectric conversion portion having an upper photoelectric conversion portion having an IN structure.
【００２７】[0027]
【実施例】（実施例１）図３は、本発明による光電変換
装置の他の例の構造を示す断面図である。(Embodiment 1) FIG. 3 is a sectional view showing the structure of another example of the photoelectric conversion device according to the present invention.
【００２８】以下のように、実際に図３に示す構造の光
電変換装置を作製した。まず、図３を参照して、下部光
電変換部分１１の作製では、結晶面（１００）、抵抗率
０．５〜１．０Ω・ｃｍのＰ型ＣＺ−Ｓｉ基板１３を用
いた。アルカリ性溶液（ＮＨ4ＯＨ：Ｈ2Ｏ2：Ｈ2Ｏ＝
１：１：５）および酸性溶液（ＨＣｌ：Ｈ 2Ｏ2：Ｈ2Ｏ
＝１：１：５）を用いて、それぞれ８０℃で１５分間の
洗浄を行なった。その後、厚さ約０．５μｍのＮ層４
を、酸素と窒素との混合雰囲気でリンをドーパントとす
る熱拡散法により形成した。この工程後、基板１３の側
面と裏面側の不要なＮ層４を、濃ＨＮＯ3とＨＦ（５０
％）の混合溶液（３：１）でエッチングし、Ｐ型基板１
３を露出させた。その上にＡｌペーストを印刷法により
印刷し、焼成することにより、高濃度不純物のＰ+層２
を形成した。さらに、Ａｌペーストを無機化学溶液で除
去し、Ｐ+層２上に、電子ビーム蒸着により、裏面のＡ
ｌ電極１を形成した。As described below, the light having the structure shown in FIG.
An electric conversion device was manufactured. First, referring to FIG.
In the production of the electric conversion part 11, the crystal plane (100), the resistivity
For P-type CZ-Si substrate 13 of 0.5-1.0Ω · cm
Was. Alkaline solution (NHFourOH: HTwoOTwo: HTwoO =
1: 1: 5) and acidic solution (HCl: H TwoOTwo: HTwoO
= 1: 1: 5) for 15 minutes at 80 ° C.
Washing was performed. Thereafter, an N layer 4 having a thickness of about 0.5 μm
And phosphorus as a dopant in a mixed atmosphere of oxygen and nitrogen.
Formed by a thermal diffusion method. After this step, the side of the substrate 13
Unnecessary N layer 4 on the front and back sides isThreeAnd HF (50
%) And a P-type substrate 1 (3: 1).
3 was exposed. Al paste on it by printing method
By printing and baking, the high-concentration impurity P+Layer 2
Was formed. Further, the Al paste is removed with an inorganic chemical solution.
Leave, P+On the layer 2, by electron beam evaporation,
1 electrode 1 was formed.
【００２９】次に、このＮ−Ｐ−Ｐ+構造を持つ下部光
電変換部分１１のＮ層４の上に、電子銃蒸着法により、
透明導電性膜からなる中間層として、金属酸化物半導体
のＺｎＯ膜５を形成した。このＺｎＯ膜５の厚さ範囲
は、０〜９０ｎｍであった。Next, on the N layer 4 of the lower photoelectric conversion portion 11 having this NPP ++ structure, an electron gun vapor deposition method is used.
As an intermediate layer made of a transparent conductive film, a ZnO film 5 of a metal oxide semiconductor was formed. The thickness range of the ZnO film 5 was 0 to 90 nm.
【００３０】また、このＺｎＯ膜５の上に、プラズマＣ
ＶＤ法により、厚さ約２０ｎｍのＰ型ａ−Ｓｉ層６を形
成した後、Ｐ型ａ−ＳｉXＣ1-X（０＜Ｘ＜１）を成膜
し、上部光電変換部分１０におけるＰ型半導体層１６を
形成した。On the ZnO film 5, a plasma C
After a P-type a-Si layer 6 having a thickness of about 20 nm is formed by the VD method, a P-type a-Si x C 1-x (0 <X <1) is formed, and the P-type a-Si x C 1-x (0 <X <1) is formed. The mold semiconductor layer 16 was formed.
【００３１】さらに、このアモルファスシリコンカーボ
ン層１６の上に、水素が添加されたアモルファスＩ型シ
リコン半導体層１７（厚さ約３００ｎｍ）およびＮ型微
結晶シリコン半導体層１８を、順次プラズマＣＶＤ法に
より形成し、上部光電変換部分１０を形成した。Further, on this amorphous silicon carbon layer 16, an amorphous I-type silicon semiconductor layer 17 (having a thickness of about 300 nm) to which hydrogen is added and an N-type microcrystalline silicon semiconductor layer 18 are sequentially formed by a plasma CVD method. Then, the upper photoelectric conversion part 10 was formed.
【００３２】続いて、この上部光電変換部分１０のＮ型
微結晶シリコン半導体層８の上に、反射防止膜とするＩ
ＴＯ透明電極層９を、厚さ１０７ｎｍとなるように形成
し、さらに、その上に、表面電極層（Ｔｉ／Ｐｄ／Ａ
ｇ）１９を、厚さ４００ｎｍとなるように形成して、タ
ンデム構造の光電変換装置を完成させた。Subsequently, an I-type antireflection film is formed on the N-type microcrystalline silicon semiconductor layer 8 of the upper photoelectric conversion portion 10.
A TO transparent electrode layer 9 is formed so as to have a thickness of 107 nm, and a surface electrode layer (Ti / Pd / A) is further formed thereon.
g) 19 was formed to a thickness of 400 nm to complete a tandem photoelectric conversion device.
【００３３】結果として、下部光電変換部分１１の半導
体層は、単結晶構造が主体となっており、その光学のバ
ンドギャップＥｇとして１．１２ｅＶを有していた。一
方、上部光電変換部分１０のＩ型半導体層１７は、アモ
ルファス構造が主体であったため、水素を５〜２０原子
％含み、光学的バンドギャップ幅は１．６０〜１．８０
ｅＶを有していた。また、上部光電変換部分１０の半導
体層と下部光電変換部分１１の半導体層をつなぐ中間層
としてのＺｎＯ層５は、Ｎ型金属酸化物半導体であり、
Ｅｇが３．２ｅＶを有していた。As a result, the semiconductor layer of the lower photoelectric conversion portion 11 was mainly composed of a single crystal structure, and had an optical band gap Eg of 1.12 eV. On the other hand, since the I-type semiconductor layer 17 of the upper photoelectric conversion portion 10 mainly has an amorphous structure, it contains 5 to 20 atomic% of hydrogen and has an optical band gap width of 1.60 to 1.80.
had an eV. The ZnO layer 5 as an intermediate layer connecting the semiconductor layer of the upper photoelectric conversion portion 10 and the semiconductor layer of the lower photoelectric conversion portion 11 is an N-type metal oxide semiconductor,
Eg had 3.2 eV.
【００３４】このようにして作製された光電変換装置
（面積１ｃｍ2）においては、開放電圧が１．４１Ｖ、
短絡電流が１１．２ｍＡ／ｃｍ2、曲線因子が７２．８
％で、光電変換効率（真性効率）が１１．５％で、ＡＭ
が１．５であった。In the photoelectric conversion device (area 1 cm 2 ) thus manufactured, the open-circuit voltage is 1.41 V,
Short-circuit current is 11.2 mA / cm 2 and fill factor is 72.8
%, The photoelectric conversion efficiency (intrinsic efficiency) is 11.5%, and the AM
Was 1.5.
【００３５】図４は、このようにして得られた光電変換
装置の光電変換効率のＩ−Ｖ特性を示す図である。図４
において、横軸は電圧（Ｖ）を示し、縦軸は電流（ｍ
Ａ）を示している。FIG. 4 is a diagram showing the IV characteristics of the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion device thus obtained. FIG.
, The horizontal axis represents voltage (V), and the vertical axis represents current (m
A) is shown.
【００３６】（実施例２）図５は、中間層としてのＺｎ
Ｏ層５の厚さを０から９０ｎｍまで変化させた場合の、
短絡電流密度Ｊｓｃ（ｍＡ／ｃｍ2）の変化を示す図で
ある。図５より明らかなように、ＺｎＯ層５の厚さは、
１０〜６０ｎｍの範囲の場合に、変換効率＞１０％とな
り、好ましいことがわかった。(Example 2) FIG. 5 shows that Zn is used as an intermediate layer.
When the thickness of the O layer 5 is changed from 0 to 90 nm,
It is a figure which shows the change of short circuit current density Jsc (mA / cm < 2 >). As is clear from FIG. 5, the thickness of the ZnO layer 5 is:
In the case of the range of 10 to 60 nm, the conversion efficiency was more than 10%, which proved to be preferable.
【００３７】これは、上部光電変換部分と中間層として
のＺｎＯ層との界面反射率（短波長領域：３００〜７０
０ｎｍ）により、上部光電変換部分の短絡電流密度が影
響を受けたためと考えられる。This is because the interface reflectance between the upper photoelectric conversion portion and the ZnO layer as the intermediate layer (short wavelength region: 300 to 70)
0 nm) is considered to have affected the short-circuit current density of the upper photoelectric conversion portion.
【００３８】（実施例３）上部光電変換部分と下部光電
変換部分との光電流整合は、タンデム型太陽電池として
の変換効率に大きな影響を与える。そこで、上部光電変
換部分のバンドギャップ（Ｅｇ）によるタンデム構造の
光電変換装置の変換効率の変化について調べるため、下
記の実験を実施した。(Embodiment 3) Photocurrent matching between the upper photoelectric conversion part and the lower photoelectric conversion part greatly affects the conversion efficiency of the tandem solar cell. Therefore, the following experiment was performed in order to investigate the change in the conversion efficiency of the tandem photoelectric conversion device due to the band gap (Eg) of the upper photoelectric conversion portion.
【００３９】本発明の光電変換装置において、成膜基板
温度およびＨ2希釈のＳｉＨ4ガス流量を変化させて、上
記実施例１におけるＩ型アモルファス半導体の水素量を
変えることにより、各々の上部光電変換部分のＩ型アモ
ルファスシリコンのバンドギャップを１．５２ｅＶ〜
１．７５ｅＶに変化させ、他の条件は実施例１と全く同
様にして、タンデム型光電変換装置を作製した。In the photoelectric conversion device of the present invention, by changing the film-forming substrate temperature and the flow rate of H 2 -diluted SiH 4 gas to change the amount of hydrogen of the I-type amorphous semiconductor in the first embodiment, each of the upper photoelectric The band gap of the I-type amorphous silicon in the conversion portion is 1.52 eV or more.
A tandem-type photoelectric conversion device was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the voltage was changed to 1.75 eV.
【００４０】図６は、上部光電変換部分におけるａ−Ｓ
ｉ：Ｈのバンドギャップ（Ｅｇ）に対する変換効率の変
化を示す図である。図６において、横軸は上部光電変換
部分のバンドギャップ（ｅＶ）を示し、縦軸は変換効率
（％）を示している。FIG. 6 is a graph showing a-S in the upper photoelectric conversion portion.
It is a figure which shows the change of the conversion efficiency with respect to the band gap (Eg) of i: H. 6, the horizontal axis indicates the band gap (eV) of the upper photoelectric conversion portion, and the vertical axis indicates the conversion efficiency (%).
【００４１】図６より明らかなように、バンドギャップ
Ｅｇが１．５２〜１．６５ｅＶのとき、変換効率が１３
％を超え、最高の変動値は１．５５ｅＶのときであっ
た。As is clear from FIG. 6, when the band gap Eg is 1.52 to 1.65 eV, the conversion efficiency is 13
% And the highest variation was at 1.55 eV.
【００４２】（実施例４）本発明に従う実施例４の光電
変換装置として、Ｉ型アモルファス半導体であるａ−Ｓ
ｉ1-XＧｅXを有する上部光電変換部分をグロー放電法に
より形成した。成膜装置は、平行平板型プラズマＣＶＤ
装置を用い、電源周波数として１３．５６ＭＨｚを用い
た。原料ガスとしてＨ2希釈用のＳｉＨ4ガス、ＧｅＨ4
ガスを用い、圧力０．５Ｔｏｒｒ、基板温度２００〜４
００℃とした。ガス流量比を変えることにより、アモル
ファス半導体ａ−Ｓｉ1-XＧｅX（Ｇｅの組成Ｘ：０．１
〜０．４）のバンドギャップＥｇを１．７〜１．５ｅＶ
の範囲で容易に制御することができた。しかしながら、
上部光電変換部分の影響による光電変換効率の低下は、
上記実施例１におけるＩ型アモルファスシリコンの場合
より相対的に著しかった。(Embodiment 4) As a photoelectric conversion device according to Embodiment 4 of the present invention, an a-type amorphous semiconductor a-S
An upper photoelectric conversion portion having i 1-X Ge X was formed by a glow discharge method. The deposition system is a parallel plate type plasma CVD.
13.56 MHz was used as a power supply frequency using the apparatus. SiH 4 gas for diluting H 2 , GeH 4
Using gas, pressure 0.5 Torr, substrate temperature 200-4
The temperature was set to 00 ° C. By changing the gas flow ratio, the amorphous semiconductor a-Si 1-x Ge x (Ge composition X: 0.1
To 0.4) band gap Eg of 1.7 to 1.5 eV.
Could be easily controlled within the range. However,
The decrease in photoelectric conversion efficiency due to the effect of the upper photoelectric conversion
It was relatively more remarkable than the case of the I-type amorphous silicon in Example 1 described above.
【００４３】[0043]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高効率、低コスト、耐放射性、軽重量という条件を満た
す次世代宇宙用光電変換装置を提供することができる。As described above, according to the present invention,
A next-generation photoelectric conversion device for space that satisfies the conditions of high efficiency, low cost, radiation resistance, and light weight can be provided.
【図１】 本発明による光電変換装置の一例の構造を示
す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a structure of an example of a photoelectric conversion device according to the present invention.
【図２】 図１に示す光電変換装置のエネルギダイアグ
ラムの概要を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an outline of an energy diagram of the photoelectric conversion device shown in FIG.
【図３】 本発明による光電変換装置の他の例の構造を
示す断面図である。FIG. 3 is a sectional view showing the structure of another example of the photoelectric conversion device according to the present invention.
【図４】 実施例１で得られた光電変換装置の光電変換
効率のＩ−Ｖ特性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing IV characteristics of photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion device obtained in Example 1.
【図５】 実施例２において中間層としてのＺｎＯ層の
厚さを変化させた場合の短絡電流密度の変化を示す図で
ある。FIG. 5 is a diagram showing a change in short-circuit current density when the thickness of a ZnO layer as an intermediate layer is changed in Example 2.
【図６】 実施例３において上部光電変換部分における
ａ−Ｓｉ：Ｈのバンドギャップに対するタンデム光電変
換装置の変換効率の変化を示した図である。FIG. 6 is a diagram showing a change in conversion efficiency of a tandem photoelectric conversion device with respect to the band gap of a-Si: H in an upper photoelectric conversion portion in Example 3.
１ Ａｌ金属電極、２ Ｐ型ｃ−Ｓｉ層、３ Ｐ型ｃ−
Ｓｉ層、４ Ｎ型ｃ−Ｓｉ層、５ 中間層、６ Ｐ型ａ
−Ｓｉ層、７ Ｉ型ａ−Ｓｉ層、８ Ｎ型ａ−Ｓｉ層、
９ 表面透明電極、１０ 上部光電変換部分、１１ 下
部光電変換部分、１３ Ｐ型ＣＺ−Ｓｉ基板、１６ Ｐ
型半導体層、１７ アモルファスＩ型シリコン半導体
層、１８ Ｎ型微結晶シリコン半導体層、１９ 表面電
極層。1 Al metal electrode, 2 P-type c-Si layer, 3 P-type c-
Si layer, 4 N-type c-Si layer, 5 intermediate layer, 6 P-type a
-Si layer, 7 I-type a-Si layer, 8 N-type a-Si layer,
9 surface transparent electrode, 10 upper photoelectric conversion part, 11 lower photoelectric conversion part, 13 P-type CZ-Si substrate, 16 P
Semiconductor layer, 17 amorphous I-type silicon semiconductor layer, 18 N-type microcrystalline silicon semiconductor layer, 19 surface electrode layer.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡本 諭 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 佃 至弘 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 AA02 AA05 BA02 BA18 DA04 DA15 DA18 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Satoshi Okamoto 22-22 Nagaikecho, Abeno-ku, Osaka-shi, Osaka Inside Sharp Corporation (72) Inventor Toshihiro Tsukuda 22-22 Nagaikecho, Abeno-ku, Osaka-shi, Osaka F-term (for reference) in CAP Co., Ltd. 5F051 AA02 AA05 BA02 BA18 DA04 DA15 DA18
Claims (6)
を備えるタンデム構造の太陽電池に用いられる光電変換
装置であって、 前記上部光電変換部分はアモルファスシリコンから構成
され、 前記下部光電変換部分は単結晶シリコンから構成され、 前記上部光電変換部分と前記下部光電変換部分との間
に、酸化物半導体からなる中間層をさらに備える、光電
変換装置。1. A photoelectric conversion device used for a tandem solar cell including an upper photoelectric conversion part and a lower photoelectric conversion part, wherein the upper photoelectric conversion part is made of amorphous silicon, and the lower photoelectric conversion part is A photoelectric conversion device comprising single crystal silicon, further comprising an intermediate layer made of an oxide semiconductor between the upper photoelectric conversion portion and the lower photoelectric conversion portion.
層、Ｉ型半導体層、およびＮ型半導体層を含み、 前記Ｉ型半導体層は、水素を含むアモルファス水素化シ
リコンゲルマニウム合金半導体またはアモルファス水素
化シリコン半導体から構成される、請求項１記載の光電
変換装置。2. The upper photoelectric conversion portion includes a P-type semiconductor layer, an I-type semiconductor layer, and an N-type semiconductor layer, wherein the I-type semiconductor layer is an amorphous hydrogenated silicon germanium alloy semiconductor containing hydrogen or amorphous hydrogen. The photoelectric conversion device according to claim 1, comprising a silicon nitride semiconductor.
ャップは、１．５２〜１．６５ｅＶである、請求項１ま
たは請求項２記載の光電変換装置。3. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein a band gap of a material of the upper photoelectric conversion portion is 1.52 to 1.65 eV.
１〜請求項３のいずれかに記載の光電変換装置。4. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the intermediate layer is made of ZnO.
有する、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の光電変
換装置。5. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the intermediate layer has a thickness of 10 to 60 nm.
請求項５のいずれかに記載の光電変換装置。6. The lower photoelectric conversion part has a thickness of 50 to 380 μm and a substrate resistivity of 0.1 to 10 Ω · cm.
The photoelectric conversion device according to claim 5.
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- 1999-07-15 JP JP11201539A patent/JP2001028452A/en not_active Withdrawn
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