JP2001177134A - 集積型ハイブリッド薄膜光電変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 集積型ハイブリッド薄膜光電変換装置の高い
光電変換効率を維持しつつ、その集積化を容易にすると
ともに生産歩留まりを改善する。 【解決手段】 集積型ハイブリッド薄膜光電変換装置に
おいて、透明絶縁基板１０１上に順に積層された非晶質
光電変換ユニット層１１０、結晶質半導体光電変換ユニ
ット層１２０、および裏面電極層１３０が複数のハイブ
リッド光電変換セルを形成するようにレーザスクライブ
で形成された複数の平行な直線状の分離溝１０７によっ
て分離されていて、かつそれらの複数のセルは分離溝１
０７に平行な複数の接続用溝１０６を介して互いに電気
的に直列接続されており、非晶質光電変換ユニット層に
含まれる非晶質光電変換層の厚さは２５０ｎｍ以上であ
り、結晶質光電変換ユニット層に含まれる結晶質光電変
換層の厚さは３μｍ未満であってかつ非晶質光電変換層
の厚さの４〜８倍の範囲内にある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は集積型ハイブリッド
薄膜光電変換装置に関し、特に、その高い光電変換効率
を維持しつつ集積化を容易にするとともに生産歩留まり
を改善する技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体薄膜光電変換装置は、一般に、少
なくとも表面が絶縁性の基板上に順に積層された第１電
極、１以上の半導体薄膜光電変換ユニット、および第２
電極を含んでいる。そして、１つの光電変換ユニットは
ｐ型層とｎ型層でサンドイッチされたｉ型層を含んでい
る。

【０００３】光電変換ユニットの厚さの大部分を占める
ｉ型層は実質的に真性の半導体層であって、光電変換作
用は主としてこのｉ型層内で生じる。したがって、ｉ型
光電変換層は光吸収のためには厚い方が好ましいが、必
要以上に厚くすれば、その堆積のためのコストと時間が
増大することになる。

【０００４】他方、ｐ型やｎ型の導電型層は光電変換ユ
ニット内に拡散電位を生じさせる役目を果たし、この拡
散電位の大きさによって光電変換装置の重要な特性の１
つである開放端電圧の値が左右される。しかし、これら
の導電型層は光電変換に直接寄与しない不活性な層であ
り、導電型層にドープされた不純物によって吸収される
光は発電に寄与しない損失となる。したがって、ｐ型と
ｎ型の導電型層は、十分な拡散電位を生じさせる範囲内
であれば、できるだけ小さな厚さを有することが好まし
い。

【０００５】このようなことから、光電変換ユニット
は、それに含まれるｐ型とｎ型の導電型層が非晶質か結
晶質かにかかわらず、その主要部を占めるｉ型の光電変
換層が非晶質のものは非晶質ユニットと称され、ｉ型層
が結晶質のものは結晶質ユニットと称される。

【０００６】ところで、薄膜光電変換装置の変換効率を
向上させる方法として、２以上の光電変換ユニットを積
層してタンデム型にする方法がある。この方法において
は、光電変換装置の光入射側に大きなバンドギャップを
有する光電変換層を含む前方ユニットを配置し、その後
ろに順に小さなバンドギャップを有する（たとえばＳｉ
−Ｇｅ合金などの）光電変換層を含む後方ユニットを配
置することにより、入射光の広い波長範囲にわたって光
電変換を可能にし、これによって装置全体としての変換
効率の向上が図られる。このようなタンデム型薄膜光電
変換装置の中でも、非晶質光電変換ユニットと結晶質光
電変換ユニットを積層したものはハイブリッド薄膜光電
変換装置と称される。

【０００７】たとえば、ｉ型非晶質シリコンが光電変換
し得る光の波長は長波長側において８００ｎｍ程度まで
であるが、ｉ型結晶質シリコンはそれより長い約１００
０ｎｍ程度の波長の光までを光電変換することができ
る。ここで、光吸収係数の大きな非晶質シリコン光電変
換層は光吸収のためには２５０ｎｍ未満の厚さでも十分
であるが、光吸収係数の小さな結晶質シリコン光電変換
層は長波長の光をも十分に吸収するためには３μｍ以上
の厚さを有することが好ましい。また、結晶質シリコン
光電変換層は比較的小さな抵抗率を有しているので、３
μｍ以上の厚さにされても問題はないが、非晶質シリコ
ン光電変換層は比較的大きな抵抗率を有しているので、
光吸収に必要な厚さを超えて厚くすることは好ましくな
い。さらに、非晶質光電変換ユニットは長期間の光照射
によって光電変換特性が少し低下するという光劣化の問
題を有しており、この光劣化は非晶質光電変換層が厚い
ほど顕著になる。

【０００８】上述のような事情から、従来のハイブリッ
ド薄膜光電変換装置では、それに含まれる結晶質光電変
換層の厚さが一般に３μｍ以上にされるとともに、非晶
質光電変換層の厚さが２５０ｎｍにされている。すなわ
ち、従来のハイブリッド薄膜光電変換装置では、結晶質
光電変換層の厚さは非晶質光電変換層の厚さの１０倍を
超えている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、電力用太陽
電池のように高電圧で高出力を生じ得る大面積の薄膜光
電変換装置を作製する場合、大きな基板に形成された薄
膜太陽電池の複数個を直列接続して用いるのではなく、
歩留まりを良くするために、大きな基板上に形成された
薄膜太陽電池を複数のセルに分割してそれらのセルを直
列接続して集積化するのが一般的である。特に、ガラス
基板側から光を入射させるｐｉｎ型光電変換装置におい
ては、ガラス基板上の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）電極
層の抵抗によるロスを低減するために、レーザ光を用い
てその透明電極層を所定幅の短冊状に加工し、その短冊
状の長手方向に直交する方向に各セルを直列接続して集
積化するのが一般的である。

【００１０】特公平５−３７５２においては、透明基板
側からレーザ光を入射させて加工する方法を用いて複数
のセルを集積化する方法が提案されている。しかし、こ
れは単一のｐｉｎ型非晶質光電変換ユニット層を含む薄
膜太陽電池に関するものであり、結晶質シリコン系光電
変換ユニット層を含むハイブリッド薄膜光電変換装置の
場合における次のような課題に関しては何ら言及されて
いない。すなわち、結晶質シリコン層は非晶質シリコン
層に比べてレーザ光の吸収効率が低く、また、前述のよ
うに結晶質シリコン系光電変換層は非晶質シリコン系光
電変換層に比べて同等の光吸収のために約１０倍を超え
る厚さが望まれるので、そのように厚い結晶質シリコン
系光電変換層を完全に切断するためには大きなエネルギ
ーを有するレーザ光を用いる必要がある。その場合に、
目的とする切断部位以外に熱損傷を与えることがあり、
薄膜光電変換装置の性能低下を引き起こすことなく複数
のセルへの分割化とそれらのセルの集積化を行なうこと
が容易ではない。他方、レーザ光のエネルギーが不十分
であればセル間の分離が不完全になり、この場合にも薄
膜光電変換装置の性能低下をもたらす。

【００１１】以上のような従来技術の状況の鑑み、本発
明は、集積型ハイブリッド薄膜光電変換装置の高い光電
変換効率を維持しつつ、その集積化を容易にするととも
に生産歩留まりを改善し得る技術を提供することを目的
としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明による集積型ハイ
ブリッド薄膜光電変換装置においては、透明絶縁基板上
に順に積層された透明電極層、非晶質半導体光電変換ユ
ニット層、結晶質半導体光電変換ユニット層、および裏
面電極層が複数のハイブリッド光電変換セルを形成する
ようにレーザスクライブで形成された複数の平行な直線
状の分離溝によって分離されていて、かつそれらの複数
のセルは分離溝に平行な複数の接続用溝を介して互いに
電気的に直列接続されており、非晶質光電変換ユニット
層に含まれる非晶質光電変換層の厚さは２５０ｎｍ以上
であり、結晶質光電変換ユニット層に含まれる結晶質光
電変換層の厚さは３μｍ未満でありかつ非晶質光電変換
層の厚さの４〜８倍の範囲内にあることを特徴としてい
る。

【００１３】なお、非晶質光電変換ユニット層に含まれ
る非晶質光電変換層の厚さは３００ｎｍ以上であること
がより好ましく、結晶質光電変換ユニット層に含まれる
結晶質光電変換層の厚さは２．５μｍ未満であることが
より好ましい。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態のより具体的
な例として、いくつかの実施例による集積型ハイブリッ
ド薄膜光電変換装置が、以下においていくつかの比較例
とともに図１〜３を参照しつつ説明される。

【００１５】図１においては、本発明の一実施例による
集積型ハイブリッド薄膜光電変換装置の裏面が模式的な
平面図で示されている。図２は、図１中において楕円２
Ａで囲まれた領域の拡大された断面構造を模式的に示し
ている。そして、図３は、図２中において楕円３Ａで囲
まれた領域のより詳細な積層構造をさらに拡大した模式
的な断面図で示している。

【００１６】（実施例１）図１〜３を参照して、まず、
１辺Ｌが５０ｍｍの正方形の光電変換領域を形成するた
めに十分な大きさを有する透明絶縁基板１０１として、
ガラス板が用いられた。ガラス基板１０１上には透明電
極層１０２として、厚さ８００ｎｍのＳｎＯ₂層が熱Ｃ
ＶＤ法で形成された。透明電極層１０２は、レーザスク
ライブで幅約１００μｍの透明電極分離溝１０５を形成
することによって、約５ｍｍの幅Ｗを有する１０本の短
冊状透明電極に分離された。レーザスクライブにおいて
はＹＡＧレーザの第２高調波が用いられ、レーザビーム
はガラス基板１０１側から入射されて透明電極層１０２
に焦点合わせされた。

【００１７】レーザパターニングされた透明電極層１０
２上には、非晶質光電変換ユニット層１１０と結晶質光
電変換ユニット層１２０が、この順にプラズマＣＶＤ法
で積層された。非晶質光電変換ユニット層１１０に含ま
れるｉ型非晶質光電変換層１１２として、厚さ３００ｎ
ｍのノンドープ非晶質シリコン層が堆積された。結晶質
光電変換ユニット層１２０に含まれるｉ型結晶質光電変
換層１２２としては、厚さ１．５μｍのノンドープ結晶
質シリコン層が堆積された。すなわち、結晶質シリコン
光電変換層１２２の厚さは、非晶質シリコン光電変換層
１１２の厚さの５倍であった。他方、非晶質光電変換ユ
ニット層１１０と結晶質光電変換ユニット層１２０にそ
れぞれ含まれるｐ型導電層としてはいずれも厚さ１５ｎ
ｍのｐ型シリコンカーバイド層１１１とｐ型微結晶シリ
コン層１２１が形成され、ｎ型導電層１１３と１２３と
してはいずれも厚さ３０ｎｍのｎ型シリコン層が形成さ
れた。

【００１８】こうして積層された非晶質光電変換ユニッ
ト層１１０と結晶質光電変換ユニット層１２０は、透明
電極層１０２の場合と同様なレーザスクライブによって
形成された半導体層分割溝１０６によって、複数の短冊
状の半導体領域に分割された。このとき、レーザビーム
の焦点深さは、半導体層１１０と１２０を吹き飛ばすの
に適した深さに設定される。

【００１９】レーザパターニングされた半導体層１１０
と１２０上には、裏面電極層１３０として、厚さ９０ｎ
ｍのＺｎＯ層１３１と厚さ３００ｎｍのＡｇ層１３２が
それぞれスパッタリング法と蒸着法で形成された。この
とき、半導体層分割溝１０６は接続用溝として働き、裏
面電極層１３０はそれらの接続用溝１０６を介して各短
冊状透明電極１０２へ電気的に接続される。

【００２０】裏面電極層１３０は半導体層１１０と１２
０の場合と同様のレーザスクライブによってパターニン
グされ、半導体層１１０および１２０とともに裏面電極
層１３０を局所的に吹き飛ばすことによって複数の裏面
電極分離溝１０７が形成された。これによって複数の短
冊状ハイブリッド光電変換セルが形成され、それらのセ
ルは接続用溝１０６を介して互いに電気的に直列接続さ
れていることになる。

【００２１】こうして形成された実施例１の集積型ハイ
ブリッド薄膜光電変換装置において、裏面電極分離溝１
０７を光学顕微鏡で観察したが、局所的に分離が不完全
になっているような箇所は全く見られなかった。そし
て、この実施例１の光電変換装置に対してソーラシミュ
レータを用いてＡＭ１．５の光を１００ｍＡ／ｃｍ²の
エネルギー密度で照射したときの初期光電変換特性とし
ては、開放端電圧Ｖｏｃが１３．５Ｖ（単位セル当りで
１．３５Ｖ／ｕｎｉｔ）、短絡電流密度Ｊｓｃが１１．
８ｍＡ／ｃｍ²、曲線因子Ｆ．Ｆ．が７２．１％、そし
て変換効率が１１．５％であった。また、４８℃におけ
る光劣化の加速試験において、５５０時間の劣化試験後
においてＶｏｃ＝１３．１Ｖ（１．３１Ｖ／ｕｎｉ
ｔ）、Ｊｓｃ＝１１．７ｍＡ／ｃｍ²、Ｆ．Ｆ．＝６
７．８％、そして変換効率が１０．４％であった。

【００２２】（比較例１）非晶質シリコン光電変換層１
１２の厚さが１８０ｎｍに減少させられたことを除い
て、実施例１の場合と同様にして比較例１の集積型ハイ
ブリッド薄膜光電変換装置が作製された。すなわち、比
較例１においては、結晶質シリコン光電変換層１２２の
厚さは、非晶質シリコン光電変換層１１２の厚さの８．
３倍に増大された。

【００２３】この比較例１による集積型ハイブリッド薄
膜光電変換装置において、裏面電極分離溝１０７を光学
顕微鏡で観察したところ、局所的に分離が不完全になっ
ている箇所が見られた。そして、この比較例１の光電変
換装置に対して実施例１の場合と同様の条件で光照射し
たときの初期光電変換特性としては、Ｖｏｃ＝１２．７
Ｖ（１．２７Ｖ／ｕｎｉｔ）、Ｊｓｃ＝１１．１ｍＡ／
ｃｍ²、Ｆ．Ｆ．＝６８．６％、そして変換効率が９．
７％であった。また、この比較例１の光電変換装置に対
して実施例１の場合と同様の光劣化試験を行なったとこ
ろ、５５０時間の劣化試験後において、Ｖｏｃ＝１２．
４Ｖ（１．２４Ｖ／ｕｎｉｔ）、Ｊｓｃ＝１０．９ｍＡ
／ｃｍ²、Ｆ．Ｆ．＝６４．９％、そして変換効率が
８．８％であった。

【００２４】上述の実施例１と比較例１との比較におい
て、比較例１ではレーザ光の吸収効率が高い非晶質シリ
コン光電変換層１１２の厚さが１８０ｎｍのように薄い
ことに加えて、レーザ光の吸収効率の低い結晶質シリコ
ン光電変換層１２２の厚さがその８．３倍の１．５μｍ
のように厚かったので、レーザ光の吸収による熱エネル
ギーが非晶質ユニット層１１０、結晶質ユニット層１２
０、および裏面電極層１３０を局所的に完全に吹き飛ば
すには十分でなかったと考えられる。その結果として、
比較例１の集積型ハイブリッド薄膜光電変換装置におい
て横方向のリーク電流による影響のためにＶｏｃとＦ．
Ｆ．が低下したものと考えられる。

【００２５】（比較例２）非晶質シリコン光電変換層１
１２の厚さが３００ｎｍに増大されて結晶質シリコン光
電変換層１２２の厚さも３．０μｍに増大されたことを
除いて、実施例１の場合と同様にして比較例２の集積型
ハイブリッド薄膜光電変換装置が作製された。この比較
例２の集積型ハイブリッド薄膜光電変換装置においても
裏面電極分離溝１０７を光学顕微鏡で観察したところ、
比較例１の場合と同様に局所的に分離が不完全な箇所が
見られた。そして、この比較例２の光電変換装置に対し
ても実施例１の場合と同様の条件で光照射したときの初
期光電変換特性としては、Ｖｏｃ＝１２．６Ｖ（１．２
６Ｖ／ｕｎｉｔ）、Ｊｓｃ＝１１．９ｍＡ／ｃｍ²、
Ｆ．Ｆ．＝６４．６％、そして変換効率が９．７％であ
った。また、この比較例２の光電変換装置についても実
施例１の場合と同様の光劣化試験を行なったところ、５
５０時間劣化試験後における光電変換特性としては、Ｖ
ｏｃ＝１２．２Ｖ（１．２２Ｖ／ｕｎｉｔ）、Ｊｓｃ＝
１１．５ｍＡ／ｃｍ²、Ｆ．Ｆ．＝６０．１％、そして
変換効率が８．４％であった。

【００２６】実施例１と比較例２との比較において、比
較例２における非晶質シリコン光電変換層の厚さは実施
例１と同じ３００ｎｍであるが、結晶質シリコン光電変
換層１２２の厚さがその１０倍である３．０μｍに増大
させられている。したがって、比較例１の場合と同様
に、比較例２においてもレーザ光の吸収熱によって非晶
質ユニット層１１２、結晶質ユニット層１２２、および
裏面電極層１３０のすべてを局所的に完全に吹き飛ばす
には十分でなかったと考えられる。その結果として、比
較例２においても横方向のリーク電流の影響のためにＶ
ｏｃとＦ．Ｆ．が低下していると考えられる。また、そ
れに加えて結晶質光電変換ユニットに対して電流を制限
するように作用する非晶質光電変換ユニットが比較的厚
くて３００ｎｍであるので、全体としての光劣化の度合
も大きくなっている。

【００２７】（実施例２〜５および比較例３〜４）非晶
質シリコン光電変換層１１２と結晶質シリコン光電変換
層１２２の厚さが種々に変化させられたことを除いて、
実施例１の場合と同様にして実施例２〜５および比較例
３〜４による集積型ハイブリッド薄膜光電変換装置が作
製された。これらの実施例および比較例による光電変換
装置における非晶質シリコン光電変換層と結晶質シリコ
ン光電変換層の厚さおよびそれらの厚さの比率ととも
に、種々の光電変換特性が表１において示されている。
なお、この表１においては、実施例１および比較例１と
２の結果も併記されている。

【００２８】

【表１】

【００２９】表１に示された実施例と比較例から、集積
型ハイブリッド薄膜光電変換装置の高い光電変換特性を
維持しつつ集積化を容易にするとともに歩留まりを改善
するためには、非晶質光電変換層１１２の厚さが２５０
ｎｍ以上であり、結晶質光電変換層１２２の厚さが３μ
ｍ未満でかつ非晶質光電変換層の厚さの４〜８倍の範囲
内にあるのが望ましいことがわかる。

【００３０】なお、比較例３においては非晶質光電変換
層１１２の厚さに対する結晶質光電変換層１２２の厚さ
の比率が５倍であって４〜８倍の範囲内に含まれている
が、非晶質光電変換層１１２の厚さが２５０ｎｍよりは
るかに小さな１８０ｎｍであったので、この場合にも裏
面電極分離溝１０７において不完全な部分が観察され
た。

【００３１】他方、比較例４においては、結晶質光電変
換層１２２が０．９μｍのように薄い上にレーザ光を吸
収しやすい非晶質光電変換層１１２が３００ｎｍのよう
に厚いので、完全な裏面電極分離溝１０７は容易に形成
され得る。しかし、この場合には結晶質光電変換層１２
２が薄すぎるために、長波長の光をも十分に光電変換に
利用するというハイブリッド薄膜光電変換装置としての
利点を生すことができず、その結果として高い光電変換
効率が得られていないと考えられる。

【００３２】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、集積型
ハイブリッド薄膜光電変換装置の高い光電変換効率を維
持しつつ、その集積化を容易にするとともに生産歩留ま
りを改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例による集積型ハイブリッド
薄膜光電変換装置の裏面を示す模式的な平面図である。

【図２】 図１内の楕円２Ａで囲まれた領域における積
層構造を拡大して示す模式的な断面図である。

【図３】 図２中の楕円３Ａで囲まれた領域のより詳細
な積層構造をさらに拡大して示す模式的な断面図であ
る。

【符号の説明】

２Ａ 図２に対応する領域、３Ａ 図３に対応する領
域、１０１ 透明絶縁基板、１０２ 透明電極層、１０
３ 入射光、１０５ 透明電極分離溝、１０６半導体層
分割溝、１０７ 裏面電極分離溝、１１０ 非晶質光電
変換ユニット層、１２０ 結晶質光電変換ユニット層、
１３０ 裏面電極層、１１１ ｐ型導電層、１１２ ｉ
型非晶質光電変換層、１１３ ｎ型導電層、１２１ ｐ
型導電層、１２２ ｉ型結晶質光電変換層、１２３ ｎ
型導電層、１３１ 透明導電性酸化物層、１３２ 金属
層。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 透明絶縁基板上に順に積層された透明電
   極層、非晶質半導体光電変換ユニット層、結晶質半導体
   光電変換ユニット層、および裏面電極層が複数のハイブ
   リッド光電変換セルを形成するようにレーザスクライブ
   で形成された複数の平行な直線状の分離溝によって分離
   されていて、かつそれらの複数のセルは前記分離溝に平
   行な複数の接続用溝を介して互いに電気的に直列接続さ
   れており、 前記非晶質光電変換ユニット層に含まれる非晶質光電変
   換層の厚さは２５０ｎｍ以上であり、 前記結晶質光電変換ユニット層に含まれる結晶質光電変
   換層の厚さは３μｍ未満であり、かつ前記非晶質光電変
   換層の厚さの４〜８倍の範囲内にあることを特徴とする
   集積型ハイブリッド薄膜光電変換装置。
2. 【請求項２】 前記結晶質光電変換層の厚さは２．５μ
   ｍ未満であることを特徴とする請求項１に記載の集積型
   ハイブリッド薄膜光電変換装置。
3. 【請求項３】 前記非晶質光電変換層の厚さは３００ｎ
   ｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載
   の集積型ハイブリッド薄膜光電変換装置。