JP2004296551A - Photovoltaic element - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体接合を用いた光起電力素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、n型単結晶シリコン基板とp型非晶質シリコン膜とのpn接合を有する光起電力素子が開発されている。光起電力素子の光電変換効率の向上のためには、光電変換部で発生した電子・正孔対をいかに有効に取り出すかが重要である。一般に、光起電力素子では、光入射側(n型単結晶シリコン基板の主面側)にn型単結晶シリコン基板とp型非晶質シリコン膜とのpn接合が形成されているため、そのpn接合に起因する強い内部電界のために電子・正孔対が有効に取り出されやすくなっている。
【0003】
一方、光透過側(n型単結晶シリコン基板の裏面側)では、pn接合が形成されていないために、内部電界がないかあっても微弱である。そこで、例えばBSF(Back Surface Field)構造が提案されている。このBSF構造では、n型単結晶シリコン基板の裏面に相対的にドープ量の多いn型非晶質シリコン膜を設けることによりバンド障壁を形成し、裏面電極側への少数キャリアの流入を阻止している。
【0004】
また、n型単結晶シリコン基板上にp型非晶質シリコン膜をCVD(化学蒸着)法により形成する場合、n型単結晶シリコン基板とp型非晶質シリコン膜との接合部に界面準位が多数形成される。その界面準位により、電子・正孔対の有効な取り出しが阻害される。
【0005】
そこで、n型単結晶シリコン基板とp型またはn型非晶質シリコン膜との接合部における界面準位を低減するために、n型単結晶シリコン基板とp型またはn型非晶質シリコン膜との間に実質的に真性な非晶質シリコン膜(i型非晶質シリコン膜)が挿入されたHIT(真性薄膜を有するヘテロ接合:Heterojunction with Intrinsic Thin−Layer)構造を有する光起電力素子が提案されている(例えば、特許文献1〜3参照)。
【0006】
【特許文献1】
特許第2614561号公報
【特許文献2】
特許第2740284号公報
【特許文献3】
特開2002−268199号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来のHIT構造を有する光起電力素子では、i型非晶質シリコン膜によりn型単結晶シリコン基板とp型またはn型非晶質シリコン膜との接合部の界面特性が改善される。それにより、出力特性が向上する。
【0008】
しかしながら、HIT構造を有する光起電力素子において、出力特性をさらに向上させるためには、HIT構造部付近で発生する少数キャリアをより多く取り出すことが重要である。そのために、i型非晶質シリコン膜とp型またはn型非晶質シリコン膜との接合部における界面準位を十分に低減することが必要となる。
【0009】
本発明の目的は、出力特性が向上された光起電力素子を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
本明細書中における結晶系半導体には単結晶半導体および多結晶半導体が含まれるものとし、非晶質系半導体には非晶質半導体および微結晶半導体が含まれるものとする。
【0011】
また、真性の非晶質系半導体膜とは、不純物が意図的にドープされていない非晶質系半導体膜であり、半導体原料に本来的に含まれる不純物または製造過程において自然に混入する不純物を含む非晶質系半導体膜も含む。
【0012】
本発明に係る光起電力素子は、第1導電型の結晶系半導体と、真性の第1の非晶質系半導体膜と、第1導電型と同じまたは逆の第2導電型の第2の非晶質系半導体膜とを順に備え、第1の非晶質系半導体膜は、結晶系半導体側から第2の非晶質系半導体膜側へ第1の層および第2の層を順に含み、第2の層は、第1の層における最大の光学ギャップよりも小さい光学ギャップを有するものである。
【0013】
第1の発明に係る光起電力素子においては、第1導電型の結晶系半導体と第2導電型の第2の非晶質系半導体膜との間に真性の第1の非晶質系半導体膜が設けられ、第1の非晶質系半導体膜において、第2の非晶質系半導体膜側の第2の層の光学ギャップが、結晶系半導体側の第1の層における最大の光学ギャップよりも小さい。
【0014】
それにより、第1の非晶質系半導体膜と第2の非晶質系半導体膜との接合部における光学ギャップの差に起因するバンド勾配が第1の非晶質系半導体膜中の第2の層により緩やかにされる。その結果、第1の非晶質系半導体膜と第2の非晶質系半導体膜との接合部における界面準位が低減され、光起電力素子の出力特性が向上する。
【0015】
第1の層は、第2の層側に最大の光学ギャップを有する領域を含み、結晶系半導体側に最大の光学ギャップよりも小さい光学ギャップを有する領域を含んでもよい。
【0016】
この場合、第1の非晶質系半導体膜の第1の層によりバンド障壁が形成されるので、少数キャリアが第2の非晶質系半導体膜へ流入することが阻止される。また、第1の非晶質系半導体膜の第2の層により第1の非晶質系半導体膜と第2の非晶質系半導体膜との接合部における光学ギャップの差に起因するバンド勾配が緩やかにされるので、第1の非晶質系半導体膜と第2の非晶質系半導体膜との接合部における界面準位が低減される。その結果、光起電力素子の出力特性がさらに向上する。
【0017】
第2の層の厚さは、第1の非晶質系半導体膜の厚さの30%以下であってもよい。この場合、第1の層により少数キャリアが第2の非晶質系半導体膜へ流入することを十分に阻止しつつ第2の層により第1の非晶質系半導体膜と第2の非晶質系半導体膜との接合部における界面準位を低減することが可能となる。
【0018】
第1導電型と第2導電型とは同じ導電型であってもよい。この場合、互いに導電型が同じ結晶系半導体と第2の非晶質系半導体膜との間に真性の第1の非晶質系半導体膜が設けられた構造において、第1の非晶質系半導体膜と第2の非晶質系半導体膜との接合部における界面準位が低減される。
【0019】
第1導電型と第2導電型とは逆の導電型であってもよい。この場合、互いに導電型が異なる結晶系半導体と第2の非晶質系半導体膜との間に真性の第1の非晶質系半導体膜が設けられた構造において、第1の非晶質系半導体膜と第2の非晶質系半導体膜との接合部における界面準位が低減される。
【0020】
第2の発明に係る光起電力素子は、一導電型の結晶系半導体の一面側に真性の第1の非晶質系半導体膜と一導電型の第2の非晶質系半導体膜とを順に備え、結晶系半導体の他面側に一導電型と逆の他導電型の第3の非晶質系半導体膜を備え、第1の非晶質系半導体膜は、結晶系半導体側から第2の非晶質系半導体膜側へ第1の層および第2の層を順に含み、第2の層は、第1の層における最大の光学ギャップよりも小さい光学ギャップを有するものである。
【0021】
本発明に係る光起電力素子においては、一導電型の結晶系半導体の一面にBSF構造が形成され、結晶半導体の他面にpn接合による光電変換部が形成されている。この場合、一導電型の結晶系半導体と一導電型の第2の非晶質系半導体膜との間に真性の第1の非晶質系半導体膜が設けられ、第1の非晶質系半導体膜において、第2の非晶質系半導体膜側の第2の層の光学ギャップが、結晶系半導体側の第1の層における最大の光学ギャップよりも小さい。
【0022】
それにより、第1の非晶質系半導体膜と第2の非晶質系半導体膜との接合部における光学ギャップの差に起因するバンド勾配が第1の非晶質系半導体膜中の第2の層により緩やかにされる。その結果、第1の非晶質系半導体膜と第2の非晶質系半導体膜との接合部における界面準位が低減され、光起電力素子の出力特性が向上する。
【0023】
結晶系半導体と第3の非晶質系半導体膜との間に真性の第4の非晶質系半導体膜をさらに備えてもよい。この場合、結晶系半導体の他面にpin接合からなるHIT構造が形成される。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【0025】
図1は本発明の第1の本実施の形態に係る光起電力素子の構造を示す模式的断面図である。
【0026】
図1に示すように、n型単結晶シリコン基板1の主面(表側の面)上にi型非晶質シリコン膜2(ノンドープ非晶質シリコン膜)およびp型非晶質シリコン膜3が順に形成されている。p型非晶質シリコン膜3上に表面電極4が形成され、表面電極4上にくし形の集電極5が形成されている。
【0027】
n型単結晶シリコン基板1の裏面には、i型非晶質シリコン膜6およびn型非晶質シリコン膜7が順に形成されている。n型非晶質シリコン膜7上に裏面電極8が形成され、裏面電極8上にくし形の集電極9が形成されている。図1の光起電力素子では、n型単結晶シリコン基板1が主たる発電層となる。
【0028】
表面電極4および裏面電極8は、ITO(酸化インジウム錫)、SnO2(酸化錫)、ZnO(酸化亜鉛)等からなる透明電極である。集電極5,9は、Ag(銀)等からなる。なお、くし形の集電極9の代わりに裏面電極8の全面に金属電極を設けてもよい。
【0029】
本実施の形態の光起電力素子は、pn接合特性を改善するためにn型単結晶シリコン基板1とp型非晶質シリコン膜3との間にi型非晶質シリコン膜2を設けたHIT構造を有するとともに、裏面でのキャリア再結合を防止するためにn型単結晶シリコン基板1の裏面にi型非晶質シリコン膜6およびn型非晶質シリコン膜7を設けたBSF(Back Surface Field)構造を有する。
【0030】
i型非晶質シリコン膜6は、n型単結晶シリコン基板1側のi層61およびn型非晶質シリコン膜7側のi層62からなる2層構造を有する。i層62はi層61よりも小さな光学ギャップを有する。i層61の光学ギャップは例えば1.61eVであり、i層62の光学ギャップは1.61eV未満であり、例えば1.56eVである。
【0031】
一般に、成膜条件のうち成膜温度(基板温度)、原料ガス(SiH4ガス)の水素希釈量、成膜時の圧力、パワー等を調整することによりi層61,62中の水素含有量および水素結合状態を制御することができる。それにより、i層61,62の光学ギャップを変化させることが可能である。
【0032】
i型非晶質シリコン膜6の膜厚は50〜250Åであることが好ましい。同様に、i型非晶質シリコン膜2の膜厚も50〜250Åであることが好ましい。また、i層62の膜厚は、後述するように、i型非晶質シリコン膜6の膜厚の30%以下であることが好ましい。
【0033】
次に、図1の光起電力素子の製造方法を説明する。まず、洗浄したn型単結晶シリコン基板1を真空チャンバ内で加熱する。それにより、n型単結晶シリコン基板1の表面に付着した水分が除去される。その後、真空チャンバ内にH2(水素)ガスを導入して、プラズマ放電によりn型単結晶シリコン基板1表面のクリーニングを行う。
【0034】
次に、真空チャンバ内にSiH4(シラン)ガスおよびH2ガスを導入し、プラズマCVD(化学蒸着)法によりn型単結晶シリコン基板1の主面上にi型非晶質シリコン膜2を形成する。続いて、真空チャンバ内にSiH4ガス、H2ガスおよびB2H6(ジボラン)ガスを導入して、i型非晶質シリコン膜2上にプラズマCVD法によりp型非晶質シリコン膜3を形成する。
【0035】
次いで、真空チャンバ内にSiH4ガスおよびH2ガスを導入して、プラズマCVD法によりn型単結晶シリコン基板1の裏面にi層61を形成する。さらに、i層61上にプラズマCVD法によりi層62を形成する。この場合、基板温度、SiH4ガスのH2希釈量、圧力およびパワーのいずれかまたはすべてを調整することによりi層62の光学ギャップをi層61の光学ギャップよりも小さくする。
【0036】
続いて、真空チャンバ内にSiH4ガス、H2ガスおよびPH3(ホスフィン)ガスを導入して、i層62上にプラズマCVD法によりn型非晶質シリコン膜7を形成する。
【0037】
次に、スパッタリング法により、p型非晶質シリコン膜3上に表面電極4を形成し、n型非晶質シリコン膜7上に裏面電極8を形成する。さらに、スクリーン印刷法により、表面電極4上に集電極5を形成し、裏面電極8上に集電極9を形成する。
【0038】
図2は図1の光起電力素子におけるn型単結晶シリコン基板1、i型非晶質シリコン膜6およびn型非晶質シリコン膜7のバンドプロファイルを示す図である。
【0039】
なお、バンドプロファイルは、説明を容易にするために、光起電力素子の出力特性等を考慮して概念的に図式化したものである。
【0040】
図2に示すように、本実施の形態の光起電力素子においては、i型非晶質シリコン膜6のi層61とn型非晶質シリコン膜7との間にi層61よりも小さな光学ギャップを有するi層62が設けられることにより、i型非晶質シリコン膜6のバルク(i層61)における光学ギャップとn型非晶質シリコン膜7の光学ギャップとの間の差に起因するバンド勾配が緩やかになる。
【0041】
それにより、i型非晶質シリコン膜6とn型非晶質シリコン膜7との接合部における界面準位が低減される。その結果、開放電圧Voc、曲線因子F.F.および最大出力Pmaxが向上し、光電変換効率が向上する。
【0042】
なお、本実施の形態では、n型単結晶シリコン基板1の裏面側のi型非晶質シリコン膜6がi層61およびi層62からなる2層構造を有するが、n型単結晶シリコン基板1の主面側のi型非晶質シリコン膜2が2つのi層からなる2層構造を有してもよい。その場合には、p型非晶質シリコン膜3側のi層がn型単結晶シリコン基板1側のi層よりも小さな光学ギャップを有する。
【0043】
また、n型単結晶シリコン基板1の代わりにp型単結晶シリコン基板を用い、p型単結晶シリコン基板の主面にi型非晶質シリコン膜およびn型非晶質シリコン膜を形成し、裏面にi型非晶質シリコン膜およびp型非晶質シリコン膜を形成してもよい。
【0044】
その場合、p型単結晶シリコン基板の裏面側のi型非晶質シリコン膜が2つのi層からなる2層構造を有してもよく、またはp型単結晶シリコン基板の主面側のi型非晶質シリコン膜が2つのi層からなる2層構造を有してもよい。この場合には、p型またはn型非晶質シリコン膜側のi層がp型単結晶シリコン基板側のi層よりも小さな光学ギャップを有する。
【0045】
図3は本発明の第2の実施の形態に係る光起電力素子の構造を示す模式的断面図である。
【0046】
図3の光起電力素子が図1の光起電力素子と異なるのは、i型非晶質シリコン膜6のi層61がさらにi層6aとi層6bとに分離されている点である。すなわち、i型非晶質シリコン膜6は、i層6a、i層6bおよびi層62からなる3層構造を有する。i層6bは、i層6aよりも大きな光学ギャップを有する。また、i層62は、i層6bよりも小さな光学ギャップを有する。
【0047】
i層6aの光学ギャップは例えば1.61eVである。この場合、i層6bの光学ギャップは、1.61eVよりも大きく、例えば1.67eVである。また、i層62の光学ギャップは1.61eVよりも小さく、例えば1.56eVである。
【0048】
図3の光起電力素子においても、i型非晶質シリコン膜6の膜厚は50〜250Åであることが好ましい。同様にi型非晶質シリコン膜2の膜厚も50〜250Åであることが好ましい。i層62の膜厚は、後述するように、i型非晶質シリコン膜6の膜厚の30%以下であることが好ましい。
【0049】
図4は図3の光起電力素子におけるn型単結晶シリコン基板1、i型非晶質シリコン膜6およびn型非晶質シリコン膜7のバンドプロファイルを示す図である。
【0050】
なお、バンドプロファイルは、説明を容易にするために、光起電力素子の出力特性等を考慮して概念的に図式化したものである。
【0051】
図4に示すように、本実施の形態の光起電力素子においては、i層6aとi層62との間にi層6bが設けられることにより、BSFの効果が強調される。それにより、開放電圧Voc、曲線因子F.F.および最大出力Pmaxが向上する。その結果、光電変換効率が向上する。
【0052】
なお、本実施の形態では、n型単結晶シリコン基板1の裏面側のi型非晶質シリコン膜6がi層6a、i層6bおよびi層62からなる3層構造を有するが、n型単結晶シリコン基板1の主面側のi型非晶質シリコン膜2が3つのi層からなる3層構造を有してもよい。その場合には、中央部のi層がn型単結晶シリコン基板1側のi層よりも大きな光学ギャップを有し、p型非晶質シリコン膜3側のi層が中央部のi層よりも小さな光学ギャップを有する。
【0053】
また、n型単結晶シリコン基板1の代わりにp型単結晶シリコン基板を用い、p型単結晶シリコン基板の主面にi型非晶質シリコン膜およびn型非晶質シリコン膜を形成し、裏面にi型非晶質シリコン膜およびp型非晶質シリコン膜を形成してもよい。
【0054】
その場合、p型単結晶シリコン基板の裏面側のi型非晶質シリコン膜が3つのi層からなる3層構造を有してもよく、またはp型単結晶シリコン基板の主面側のi型非晶質シリコン膜が3つのi層からなる3層構造を有してもよい。この場合には、中央部のi層がp型単結晶シリコン基板側のi層よりも大きな光学ギャップを有し、n型またはp型非晶質シリコン膜側のi層が中央部のi層よりも小さな光学ギャップを有する。
【0055】
上記第1および第2の実施の形態では、n型単結晶シリコン基板1が第1導電型の結晶系半導体または一導電型の結晶系半導体に相当し、i型非晶質シリコン膜2またはi型非晶質シリコン膜6が真性の第1の非晶質系半導体膜に相当し、p型非晶質シリコン膜3またはn型非晶質シリコン膜7が第2導電型の第2の非晶質系半導体膜に相当する。また、p型非晶質シリコン膜3が第3の非晶質系半導体膜に相当する。また、i層61が第1の層に相当し、i層62が第2の層に相当し、i層6aが最大の光学ギャップよりも小さい光学ギャップを有する領域に相当し、i層6bが最大の光学ギャップを有する領域に相当する。
【0056】
上記第1および第2の実施の形態では、結晶系半導体基板としてn型単結晶シリコン基板1が用いられているが、これに限定されず、n型単結晶シリコン基板1の代わりにn型多結晶シリコン基板を用いてもよい。i型非晶質シリコン膜2、p型非晶質シリコン膜3、i型非晶質シリコン膜6およびn型非晶質シリコン膜7が微結晶シリコンを含んでもよい。
【0057】
また、上記第1および第2の実施の形態では、結晶系半導体および非晶質系半導体膜の材料としてシリコンを用いているが、これに限定されず、例えば、SiC(炭化シリコン)、SiGe(シリコンゲルマニウム)、Ge(ゲルマニウム)等のような他のIV族元素を用いてもよい。
【0058】
さらに、第1および第2の実施の形態では、水素の含有量を制御することによりi型非晶質シリコン膜6の光学ギャップを調整しているが、i型非晶質シリコン膜6を形成する際の原料ガスとしてC、O、N等を含むガスを用いることにより光学ギャップを調整してもよい。
【0059】
ただし、このような不純物を含むi型非晶質シリコン膜では広い光学ギャプが得られるが、再結合中心等が発生しやすいため、水素の含有量を制御することによりi型非晶質シリコン膜6の光学ギャップを調整することが好ましい。その場合、水素の含有量を制御することにより広い光学ギャップが得られるとともに、水素によるダングリングボンドの終端に起因する再結合中心の抑制を行うことができる。
【0060】
【実施例】
以下の実施例1〜5では、上記第1または第2の実施の形態の方法で図1および図3の構造を有する光起電力素子を作製し、出力特性を測定した。同様に、比較例1〜4の光起電力素子を作製し、出力特性を測定した。実施例1〜5および比較例1〜4の光起電力素子の作製条件を表1に示す。
【0061】
【表1】
【0062】
実施例1〜5および比較例1〜4の光起電力素子におけるi型非晶質シリコン膜6の形成条件を表2に示す。
【0063】
【表2】
【0064】
なお、実施例1〜5および比較例1〜4の光起電力素子において、3乗根プロットにより求められたi型非晶質シリコン膜6の光学ギャップは1.56〜1.67eVとなった。
【0065】
実施例1〜5および比較例1〜4の光起電力素子のi型非晶質シリコン膜6における上記の光学ギャップに対する膜中水素量は3.0×1021〜2.5×1022atoms/cm3である。また、実施例1〜5および比較例1〜4の光起電力素子のn型非晶質シリコン膜7の光学ギャップは1.51〜1.55eVである。
【0066】
(比較例1)
比較例1では、単層構造のi型非晶質シリコン膜6を有する光起電力素子を作製した。i型非晶質シリコン膜6の光学ギャップは、1.61eVであり、膜厚は100Åである。参考のために、図8に比較例1の光起電力素子におけるバンドプロファイルを示す。なお、バンドプロファイルは、説明を容易にするために、光起電力素子の出力特性等を考慮して概念的に図式化したものである。
【0067】
(実施例1および比較例2,3)
実施例1および比較例2,3では、図5に示すように、i層62の光学ギャップを1.56eVから1.67eVまで変えて図1の2層構造のi層61,62を有する光起電力素子を作製し、出力特性を測定した。
【0068】
実施例1の光起電力素子では、i層62の光学ギャップは1.56eVであり、比較例1の光起電力素子では、i層62の光学ギャップは1.64eVであり、比較例2の光起電力素子では、i層62の光学ギャップは1.67eVである。i型非晶質シリコン膜6の全体の膜厚は100Åであり、i層62の膜厚は10Åである。
【0069】
このように、i型非晶質シリコン膜6のバルク部分(i層61)の光学ギャップをほぼ一定としてn型非晶質シリコン膜7との界面での接合のみを制御することを試みた。
【0070】
(評価1)
表3に実施例1および比較例1,2の光起電力素子の出力特性の測定結果を示す。表3においては、実施例1および比較例1,2の光起電力素子における開放電圧Voc、短絡電流Isc、曲線因子F.F.および最大出力Pmaxの測定結果を比較例1の光起電力素子における測定結果を1.000として規格化し、規格化した開放電圧Voc、短絡電流Isc、曲線因子F.F.および最大出力Pmaxを示している。
【0071】
【表3】
【0072】
表3に示すように、実施例1の光起電力素子では、比較例1の光起電力素子に比較して、短絡電流Iscを維持しつつ開放電圧Voc、曲線因子F.F.および最大出力Pmaxが向上した。
【0073】
比較例2の光起電力素子では、比較例1の光起電力素子に比較して、開放電圧Voc、短絡電流Iscおよび曲線因子F.F.にほとんど変化は見られなかったが、最大出力Pmaxがやや低下した。
【0074】
比較例3の光起電力素子では、比較例1の光起電力素子に比較して、短絡電流Iscは変化していないが、開放電圧Voc、曲線因子F.F.および最大出力Pmaxが低下した。
【0075】
実施例1のように、n型非晶質シリコン膜7に隣接するi層62の光学ギャップを狭くすることにより、開放電圧Voc、曲線因子F.F.および最大出力Pmaxが向上することがわかる。
【0076】
これは、i型非晶質シリコン膜6のi層61とn型非晶質シリコン膜7との間に狭い光学ギャップを有するi層62を設けることによりi型非晶質シリコン膜6のバルク(i層61)とn型非晶質シリコン膜7との光学ギャップの差に起因する接合部でのバンド勾配が緩やかになり、界面準位が低減されたためであると考えられる。
【0077】
逆に、比較例2,3のように、n型非晶質シリコン膜7に接するi層62の光学ギャップを広くした場合、開放電圧Voc、曲線因子F.F.および最大出力Pmaxが低減することがわかる。
【0078】
これは、i型非晶質シリコン膜6のi層61とn型非晶質シリコン膜7との間に広い光学ギャップを有するi層62を設けることによりi型非晶質シリコン膜6のバルクとn型非晶質シリコン膜7との光学ギャップの差が大きくなり、界面準位が増加したためであると考えられる。
【0079】
(実施例1〜3)
実施例1〜3では、図6に示すように、i層6bの光学ギャップを1.56eVから1.67eVまで変えて図3の3層構造のi層6a,6b,62を有する光起電力素子を作製し、出力特性を測定した。
【0080】
ここで、i層62の光学ギャップは1.56eVで一定とした。したがって、i層6bの光学ギャップが1.56eVの場合には、実施例1の光起電力素子と実質的に同様になる。
【0081】
実施例2の光起電力素子では、i層6bの光学ギャップは1.64eVであり、実施例3の光起電力素子では、i層6bの光学ギャップは1.67eVである。i型非晶質シリコン膜6の全体の膜厚は100Åであり、i層6bの膜厚は45Åであり、i層62の膜厚は10Åである。
【0082】
(評価2)
表4に実施例1〜3の光起電力素子の出力特性の測定結果を示す。表4においては、実施例1〜3の光起電力素子における開放電圧Voc、短絡電流Isc、曲線因子F.F.および最大出力Pmaxの測定結果を実施例1の光起電力素子における測定結果を1.000として規格化し、規格化した開放電圧Voc、短絡電流Isc、曲線因子F.F.および最大出力Pmaxを示している。参考として、i型非晶質シリコン膜6が光学ギャップ1.61eVの単層構造の場合(比較例1)に対する最大出力Pmaxの向上率も表4に示す。
【0083】
【表4】
【0084】
表4に示すように、実施例2の光起電力素子では、実施例1の光起電力素子に比較して、短絡電流Iscを維持しつつ開放電圧Voc、曲線因子F.F.および最大出力Pmaxが向上した。
【0085】
実施例3の光起電力素子では、実施例1の光起電力素子に比較して、短絡電流Iscを維持しつつ開放電圧Voc、曲線因子F.F.および最大出力Pmaxがさらに向上した。
【0086】
実施例2,3のように、i型非晶質シリコン膜6のi層6a,62間に光学ギャップが広いi層6bを有する光起電力素子では、特に開放電圧Vocが大幅に向上し、i型非晶質シリコン膜6が単層構造の場合に比べて2%近く向上していることがわかる。
【0087】
これは、図4に示したように、3層構造のi型非晶質シリコン膜6では、バンドプロファイル内に単層構造のi型非晶質シリコン膜6に比べて大きなバンド障壁が生じるために、BSF効果が強調されたためであると考えられる。
【0088】
(実施例3〜5および比較例4)
実施例3〜5および比較例4では、図7に示すように、i層62の光学ギャップを1.56eVから1.67eVまで変えて図3の3層構造のi型非晶質シリコン膜6を有する光起電力素子を作製し、出力特性を測定した。
【0089】
実施例3の光起電力素子では、上記のように、i層62の光学ギャップは1.56eVであり、実施例4の光起電力素子では、i層62の光学ギャップは1.61eVであり、実施例5の光起電力素子では、i層62の光学ギャップは1.64eVである。比較例4の光起電力素子では、i層62の光学ギャップは1.67eVである。i型非晶質シリコン膜6の全体の膜厚は100Åであり、i層6bの膜厚は45Åである、i層62の膜厚は10Åである。
【0090】
ここで、i層6bの光学ギャップは1.67eVで一定とした。したがって、比較例4の光起電力素子は、比較例3の光起電力素子と類似に、2層構造のi型非晶質シリコン膜6a,6bを有する。この構造は、特開平6−291342号に開示されている。
【0091】
参考のために、図9に比較例4の光起電力素子におけるバンドプロファイルを示す。なお、バンドプロファイルは、説明を容易にするために、光起電力素子の出力特性等を考慮して概念的に図式化したものである。
【0092】
(評価3)
表5に実施例3〜5および比較例4の光起電力素子の出力特性の測定結果を示す。表5においては、実施例3〜5および比較例4の光起電力素子における開放電圧Voc、短絡電流Isc、曲線因子F.F.および最大出力Pmaxの測定結果を実施例3の光起電力素子における測定結果を1.000として規格化し、規格化した開放電圧Voc、短絡電流Isc、曲線因子F.F.および最大出力Pmaxを示している。参考として、i型非晶質シリコン膜6が光学ギャップ1.61eVの単層構造の場合(比較例1)に対する最大出力Pmaxの向上率も表5に示す。
【0093】
【表5】
【0094】
表5に示すように、実施例3〜5の光起電力素子のいずれにおいても、i型非晶質シリコン膜6が単層構造の場合(比較例1)に比べて最大出力Pmaxが1〜2%近く向上していることがわかる。
【0095】
また、実施例3〜5の光起電力素子では、比較例4の光起電力素子に比較して、短絡電流Iscを維持しつつ開放電圧Voc、曲線因子F.F.および最大出力Pmaxが向上した。
【0096】
特に、実施例3,4の光起電力素子では、比較例4の光起電力素子に比較して、開放電圧Voc、曲線因子F.F.および最大出力Pmaxが著しく向上した。
【0097】
比較例4のように、i型非晶質シリコン膜6のi層6aとn型非晶質シリコン膜7との間に広い光学ギャップのi層6b,62を設けた光起電力素子では、単層構造のi型非晶質シリコン膜6を有する光起電力素子に比べて、最大出力Pmaxが向上するが、実施例3〜5のように、i型非晶質シリコン膜6のi層6bとn型非晶質シリコン膜7との間に狭い光学ギャップを有するi層62をさらに設けた光起電力素子では、単層構造のi型非晶質シリコン膜6を有する光起電力素子に比較して最大出力Pmaxが2%以上向上し、比較例4の光起電力素子に比較しても最大出力Pmaxが1%以上向上することがわかる。
【0098】
次に、実施例3の光起電力素子におけるn型非晶質シリコン膜7との界面側のi層62の厚膜化について検討を行った。ここでは、i型非晶質シリコン膜6の全体の膜厚に対するi層62の膜厚の割合を変えて実施例3の構造を有する光起電力素子を作製し、最大出力Pmaxを測定した。i型非晶質シリコン膜6のi層6aとi層6bとの膜厚比は1:1とした。
【0099】
図10はi型非晶質シリコン膜6の全体の膜厚に対するi層62の膜厚の割合と最大出力Pmaxとの関係の測定結果を示す図である。
【0100】
図10の横軸はi型非晶質シリコン膜6の全体の膜厚に対するi層62の膜厚の割合を示し、縦軸はi層62の膜厚が異なる実施例3の光起電力素子の最大出力Pmaxの測定結果を比較例4の光起電力素子における測定結果を1として規格化し、規格化した最大出力Pmaxの値を示している。
【0101】
図10に示すように、実施例3の光起電力素子では、i型非晶質シリコン膜6の全体の膜厚に対するi層62の膜厚が30%以下の場合に、比較例4の光起電力素子に比較して最大出力Pmaxが向上していることがわかる。
【0102】
狭い光学ギャップを有するi層62は十分な界面制御を行うためにある程度の膜厚を有することが望ましいが、開放電圧Vocの向上に大きく寄与するi型非晶質シリコン膜6のバルク(i層61)の特性を損なわないようにi層62の膜厚の上限が定まると考えられる。すなわち、i型非晶質シリコン膜6の全体の膜厚に対するi層62の膜厚の割合が30%以下の場合に、i型非晶質シリコン膜6のi層61により開放電圧Vocが向上されるとともに、i層62により界面準位が低減される。
【0103】
なお、i型非晶質シリコン膜6が3層構造を有する実施例3〜5の光起電力素子では、水素含有量の調整により光学ギャップを制御する以外にも、C、N、O等の不純物を添加することによりi層6bの光学ギャップを広くした場合にも、膜質が若干劣るため効果は小さいが、水素含有量の調整により光学ギャップを制御した場合と同様の効果が得られることもわかった。
【0104】
また、上記実施例では、光学ギャップと成膜条件との相関が比較的わかりやすい構造を用いたが、異なる組成を有する非晶質系半導体膜を積層する以外にも、ある非晶質系半導体膜を形成した後に広い光学ギャップを形成するための不純物を注入するなど、後処理で光学ギャップの制御を行った場合でも、同様の効果が得られることも確認された。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る光起電力素子の構造を示す模式的断面図である。
【図2】図1の光起電力素子におけるn型単結晶シリコン基板、i型非晶質シリコン膜およびn型非晶質シリコン基板のバンドプロファイルを示す図である。
【図3】本発明の第2の実施の形態に係る光起電力素子の構造を示す模式的断面図である。
【図4】図3の光起電力素子におけるn型単結晶シリコン基板、i型非晶質シリコン膜およびn型非晶質シリコン基板のバンドプロファイルを示す図である。
【図5】実施例1および比較例2,3におけるi層の光学ギャップを示す図である。
【図6】実施例1〜3におけるi層の光学ギャップを示す図である。
【図7】実施例3〜5および比較例4におけるi層の光学ギャップを示す図である。
【図8】比較例1の光起電力素子におけるバンドプロファイルを示す図である。
【図9】比較例4の光起電力素子におけるバンドプロファイルを示す図である。
【図10】i型非晶質シリコン膜の全体の膜厚に対するn型非晶質シリコン膜側の狭い光学ギャップを有するi層の膜厚の割合と最大出力との関係の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
1 n型単結晶シリコン基板
2,6 i型非晶質シリコン膜
3 p型非晶質シリコン膜
5,9 集電極
7 n型非晶質シリコン膜
8 裏面電極
61,62,6a,6b i層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a photovoltaic device using a semiconductor junction.
[0002]
[Prior art]
In recent years, photovoltaic elements having a pn junction between an n-type single-crystal silicon substrate and a p-type amorphous silicon film have been developed. In order to improve the photoelectric conversion efficiency of the photovoltaic element, it is important how to effectively extract the electron-hole pairs generated in the photoelectric conversion unit. Generally, in a photovoltaic element, a pn junction between an n-type single crystal silicon substrate and a p-type amorphous silicon film is formed on the light incident side (the main surface side of the n-type single crystal silicon substrate). Due to the strong internal electric field caused by the pn junction, electron-hole pairs are easily extracted effectively.
[0003]
On the other hand, since no pn junction is formed on the light transmitting side (the back side of the n-type single crystal silicon substrate), the internal electric field is weak even if there is no electric field. Therefore, for example, a BSF (Back Surface Field) structure has been proposed. In this BSF structure, a band barrier is formed by providing an n-type amorphous silicon film with a relatively high doping amount on the back surface of the n-type single crystal silicon substrate, and the inflow of minority carriers to the back electrode is prevented. ing.
[0004]
When a p-type amorphous silicon film is formed on an n-type single crystal silicon substrate by a CVD (chemical vapor deposition) method, an interface state is formed at a junction between the n-type single crystal silicon substrate and the p-type amorphous silicon film. Many positions are formed. The interface level hinders effective extraction of electron-hole pairs.
[0005]
In order to reduce the interface state at the junction between the n-type single-crystal silicon substrate and the p-type or n-type amorphous silicon film, the n-type single-crystal silicon substrate and the p-type or n-type amorphous silicon film And a photovoltaic device having a heterojunction with intrinsic thin-layer (HIT) structure in which a substantially intrinsic amorphous silicon film (i-type amorphous silicon film) is inserted between the two. (For example, see
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 2614561
[Patent Document 2]
Japanese Patent No. 2740284
[Patent Document 3]
JP-A-2002-268199
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described conventional photovoltaic device having the HIT structure, the interface characteristics of the junction between the n-type single-crystal silicon substrate and the p-type or n-type amorphous silicon film are improved by the i-type amorphous silicon film. . Thereby, output characteristics are improved.
[0008]
However, in the photovoltaic device having the HIT structure, it is important to take out more minority carriers generated near the HIT structure in order to further improve the output characteristics. Therefore, it is necessary to sufficiently reduce the interface state at the junction between the i-type amorphous silicon film and the p-type or n-type amorphous silicon film.
[0009]
An object of the present invention is to provide a photovoltaic device having improved output characteristics.
[0010]
Means for Solving the Problems and Effects of the Invention
In this specification, a crystalline semiconductor includes a single crystal semiconductor and a polycrystalline semiconductor, and an amorphous semiconductor includes an amorphous semiconductor and a microcrystalline semiconductor.
[0011]
In addition, an intrinsic amorphous semiconductor film is an amorphous semiconductor film in which an impurity is not intentionally doped, and an impurity originally contained in a semiconductor material or an impurity naturally mixed in a manufacturing process. Including an amorphous semiconductor film.
[0012]
The photovoltaic element according to the present invention includes a first-conductivity-type crystalline semiconductor, an intrinsic first amorphous-type semiconductor film, and a second conductivity-type second semiconductor of the same or opposite to the first conductivity-type. An amorphous semiconductor film, and the first amorphous semiconductor film includes a first layer and a second layer in order from a crystalline semiconductor side to a second amorphous semiconductor film side. , The second layer has an optical gap smaller than the largest optical gap in the first layer.
[0013]
In the photovoltaic device according to the first invention, an intrinsic first amorphous semiconductor is provided between the first conductive type crystalline semiconductor and the second conductive type second amorphous semiconductor film. A first amorphous semiconductor film, wherein the optical gap of the second layer on the side of the second amorphous semiconductor film is the maximum optical gap of the first layer on the side of the crystalline semiconductor; Less than.
[0014]
Thus, the band gradient caused by the difference in the optical gap at the junction between the first amorphous semiconductor film and the second amorphous semiconductor film is reduced by the second gradient in the first amorphous semiconductor film. Layered. As a result, the interface state at the junction between the first amorphous semiconductor film and the second amorphous semiconductor film is reduced, and the output characteristics of the photovoltaic element are improved.
[0015]
The first layer may include a region having a maximum optical gap on the second layer side, and may include a region having an optical gap smaller than the maximum optical gap on the crystalline semiconductor side.
[0016]
In this case, a band barrier is formed by the first layer of the first amorphous semiconductor film, so that minority carriers are prevented from flowing into the second amorphous semiconductor film. Further, a band gradient caused by a difference in an optical gap at a junction between the first amorphous semiconductor film and the second amorphous semiconductor film due to the second layer of the first amorphous semiconductor film. Is moderated, so that the interface state at the junction between the first amorphous semiconductor film and the second amorphous semiconductor film is reduced. As a result, the output characteristics of the photovoltaic element are further improved.
[0017]
The thickness of the second layer may be 30% or less of the thickness of the first amorphous semiconductor film. In this case, the first layer sufficiently prevents the minority carriers from flowing into the second amorphous semiconductor film, and the second layer allows the first amorphous semiconductor film and the second amorphous semiconductor film to be in contact with each other. It is possible to reduce the interface state at the junction with the porous semiconductor film.
[0018]
The first conductivity type and the second conductivity type may be the same conductivity type. In this case, in the structure in which the intrinsic first amorphous semiconductor film is provided between the crystalline semiconductor and the second amorphous semiconductor film having the same conductivity type, the first amorphous The interface state at the junction between the semiconductor film and the second amorphous semiconductor film is reduced.
[0019]
The first conductivity type and the second conductivity type may be opposite conductivity types. In this case, in a structure in which the intrinsic first amorphous semiconductor film is provided between the crystalline semiconductor and the second amorphous semiconductor film having different conductivity types, the first amorphous The interface state at the junction between the semiconductor film and the second amorphous semiconductor film is reduced.
[0020]
A photovoltaic element according to a second aspect of the present invention includes an intrinsic first amorphous semiconductor film and one conductive second amorphous semiconductor film on one surface of a one conductivity type crystalline semiconductor. And a third amorphous semiconductor film of the other conductivity type opposite to the one conductivity type is provided on the other surface side of the crystalline semiconductor, and the first amorphous semiconductor film is A first layer and a second layer in this order on the amorphous semiconductor film side, and the second layer has an optical gap smaller than the maximum optical gap in the first layer.
[0021]
In the photovoltaic element according to the present invention, a BSF structure is formed on one surface of a crystalline semiconductor of one conductivity type, and a photoelectric conversion portion by a pn junction is formed on the other surface of the crystalline semiconductor. In this case, an intrinsic first amorphous semiconductor film is provided between the one conductivity type crystalline semiconductor and the one conductivity type second amorphous semiconductor film. In the semiconductor film, the optical gap of the second layer on the side of the second amorphous semiconductor film is smaller than the maximum optical gap of the first layer on the side of the crystalline semiconductor.
[0022]
Thus, the band gradient caused by the difference in the optical gap at the junction between the first amorphous semiconductor film and the second amorphous semiconductor film is reduced by the second gradient in the first amorphous semiconductor film. Layered. As a result, the interface state at the junction between the first amorphous semiconductor film and the second amorphous semiconductor film is reduced, and the output characteristics of the photovoltaic element are improved.
[0023]
An intrinsic fourth amorphous semiconductor film may be further provided between the crystalline semiconductor and the third amorphous semiconductor film. In this case, a HIT structure composed of a pin junction is formed on the other surface of the crystalline semiconductor.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0025]
FIG. 1 is a schematic sectional view showing the structure of the photovoltaic device according to the first embodiment of the present invention.
[0026]
As shown in FIG. 1, an i-type amorphous silicon film 2 (non-doped amorphous silicon film) and a p-type
[0027]
On the back surface of the n-type single
[0028]
The
[0029]
In the photovoltaic element of the present embodiment, an i-type
[0030]
The i-type
[0031]
In general, the film forming temperature (substrate temperature), source gas (SiH 4 The hydrogen content and the hydrogen bonding state in the i-
[0032]
The i-type
[0033]
Next, a method for manufacturing the photovoltaic element of FIG. 1 will be described. First, the cleaned n-type single
[0034]
Next, SiH is placed in a vacuum chamber. 4 (Silane) gas and H 2 A gas is introduced, and an i-type
[0035]
Next, the SiH is placed in a vacuum chamber. 4 Gas and H 2 By introducing a gas, an i-
[0036]
Subsequently, SiH is placed in a vacuum chamber. 4 Gas, H 2 Gas and PH 3 By introducing a (phosphine) gas, an n-type
[0037]
Next, the
[0038]
FIG. 2 is a diagram showing band profiles of the n-type single-
[0039]
Note that the band profile is conceptually conceptualized in consideration of the output characteristics and the like of the photovoltaic element for easy explanation.
[0040]
As shown in FIG. 2, in the photovoltaic element of the present embodiment, a smaller size than the i-
[0041]
Thereby, the interface state at the junction between the i-type
[0042]
In the present embodiment, the i-type
[0043]
Further, a p-type single-crystal silicon substrate is used instead of the n-type single-
[0044]
In that case, the i-type amorphous silicon film on the back surface side of the p-type single crystal silicon substrate may have a two-layer structure composed of two i-layers, or i-type amorphous silicon film on the main surface side of the p-type single crystal silicon substrate. The type amorphous silicon film may have a two-layer structure including two i-layers. In this case, the i-layer on the p-type or n-type amorphous silicon film side has a smaller optical gap than the i-layer on the p-type single crystal silicon substrate side.
[0045]
FIG. 3 is a schematic sectional view showing the structure of the photovoltaic device according to the second embodiment of the present invention.
[0046]
The photovoltaic element of FIG. 3 differs from the photovoltaic element of FIG. 1 in that the i-
[0047]
The optical gap of the i-
[0048]
Also in the photovoltaic element of FIG. 3, it is preferable that the thickness of i-type
[0049]
FIG. 4 is a diagram showing band profiles of the n-type single-
[0050]
Note that the band profile is conceptually conceptualized in consideration of the output characteristics and the like of the photovoltaic element for easy explanation.
[0051]
As shown in FIG. 4, in the photovoltaic element of the present embodiment, the effect of BSF is emphasized by providing i-
[0052]
In the present embodiment, the i-type
[0053]
Further, a p-type single-crystal silicon substrate is used instead of the n-type single-
[0054]
In that case, the i-type amorphous silicon film on the back surface side of the p-type single-crystal silicon substrate may have a three-layer structure composed of three i-layers, or i-type amorphous silicon film on the main surface side of the p-type single-crystal silicon substrate. The type amorphous silicon film may have a three-layer structure including three i-layers. In this case, the central i-layer has a larger optical gap than the i-layer on the p-type single crystal silicon substrate side, and the i-layer on the n-type or p-type amorphous silicon film side has the central i-layer. With a smaller optical gap.
[0055]
In the first and second embodiments, the n-type single
[0056]
In the first and second embodiments, the n-type single-
[0057]
In the first and second embodiments, silicon is used as the material of the crystalline semiconductor and the amorphous semiconductor film. However, the present invention is not limited to this. For example, SiC (silicon carbide), SiGe ( Other group IV elements such as silicon germanium), Ge (germanium) and the like may be used.
[0058]
Further, in the first and second embodiments, the optical gap of the i-type
[0059]
However, a wide optical gap can be obtained with the i-type amorphous silicon film containing such impurities, but recombination centers and the like are easily generated. Therefore, by controlling the hydrogen content, the i-type amorphous silicon film is controlled. It is preferable to adjust the optical gap of No. 6. In that case, by controlling the content of hydrogen, a wide optical gap can be obtained, and the recombination center caused by the termination of the dangling bond by hydrogen can be suppressed.
[0060]
【Example】
In the following Examples 1 to 5, photovoltaic elements having the structures shown in FIGS. 1 and 3 were produced by the method of the first or second embodiment, and the output characteristics were measured. Similarly, the photovoltaic elements of Comparative Examples 1 to 4 were produced, and the output characteristics were measured. Table 1 shows the manufacturing conditions of the photovoltaic elements of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 4.
[0061]
[Table 1]
[0062]
Table 2 shows the conditions for forming the i-type
[0063]
[Table 2]
[0064]
In the photovoltaic devices of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 4, the optical gap of the i-type
[0065]
In the photovoltaic devices of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 4, the amount of hydrogen in the i-type
[0066]
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, a photovoltaic element having an i-type
[0067]
(Example 1 and Comparative Examples 2 and 3)
In Example 1 and Comparative Examples 2 and 3, as shown in FIG. 5, the optical gap of the i-
[0068]
In the photovoltaic device of Example 1, the optical gap of the i-
[0069]
Thus, an attempt was made to control only the junction at the interface with the n-type
[0070]
(Evaluation 1)
Table 3 shows the measurement results of the output characteristics of the photovoltaic elements of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. In Table 3, the open-circuit voltage Voc, the short-circuit current Isc, and the fill factor F.F in the photovoltaic elements of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 are shown. F. The measurement result of the maximum output Pmax and the measurement result of the photovoltaic device of Comparative Example 1 were normalized to 1.000, and the normalized open-circuit voltage Voc, short-circuit current Isc, and fill factor F. F. And the maximum output Pmax.
[0071]
[Table 3]
[0072]
As shown in Table 3, in the photovoltaic device of Example 1, the open circuit voltage Voc and the fill factor F.F. F. And the maximum output Pmax was improved.
[0073]
In the photovoltaic element of Comparative Example 2, the open-circuit voltage Voc, the short-circuit current Isc, and the fill factor F.F. F. , The maximum output Pmax slightly decreased.
[0074]
In the photovoltaic device of Comparative Example 3, the short-circuit current Isc is not changed as compared with the photovoltaic device of Comparative Example 1, but the open-circuit voltage Voc and the fill factor F. F. And the maximum output Pmax decreased.
[0075]
As in the first embodiment, by reducing the optical gap of the i-
[0076]
This is because by providing an i-
[0077]
Conversely, when the optical gap of the i-
[0078]
This is because by providing an i-
[0079]
(Examples 1 to 3)
In Examples 1 to 3, as shown in FIG. 6, the photovoltaic device having the three-layer i-
[0080]
Here, the optical gap of the i-
[0081]
In the photovoltaic device of Example 2, the optical gap of the i-
[0082]
(Evaluation 2)
Table 4 shows the measurement results of the output characteristics of the photovoltaic elements of Examples 1 to 3. In Table 4, the open-circuit voltage Voc, the short-circuit current Isc, and the fill factor F. in the photovoltaic elements of Examples 1 to 3 are shown. F. The measurement result of the maximum output Pmax and the measurement result of the photovoltaic device of Example 1 were normalized to 1.000, and the normalized open-circuit voltage Voc, short-circuit current Isc, and fill factor F. F. And the maximum output Pmax. For reference, Table 4 also shows the improvement rate of the maximum output Pmax with respect to the case where the i-type
[0083]
[Table 4]
[0084]
As shown in Table 4, in the photovoltaic device of Example 2, the open circuit voltage Voc and the fill factor F.F. F. And the maximum output Pmax was improved.
[0085]
In the photovoltaic element of the third embodiment, as compared with the photovoltaic element of the first embodiment, the open circuit voltage Voc and the fill factor F.F. F. And the maximum output Pmax was further improved.
[0086]
As in the second and third embodiments, in the photovoltaic device having the i-
[0087]
This is because, as shown in FIG. 4, the i-type
[0088]
(Examples 3 to 5 and Comparative Example 4)
In Examples 3 to 5 and Comparative Example 4, as shown in FIG. 7, the optical gap of the i-
[0089]
As described above, in the photovoltaic device of Example 3, the optical gap of the i-
[0090]
Here, the optical gap of the i-
[0091]
FIG. 9 shows a band profile of the photovoltaic device of Comparative Example 4 for reference. Note that the band profile is conceptually conceptualized in consideration of the output characteristics and the like of the photovoltaic element for easy explanation.
[0092]
(Evaluation 3)
Table 5 shows the measurement results of the output characteristics of the photovoltaic elements of Examples 3 to 5 and Comparative Example 4. In Table 5, the open-circuit voltage Voc, the short-circuit current Isc, the fill factor F. in the photovoltaic elements of Examples 3 to 5 and Comparative Example 4 are shown. F. And the measurement result of the maximum output Pmax was normalized with the measurement result of the photovoltaic device of Example 3 being 1.000, and the normalized open circuit voltage Voc, short circuit current Isc, and fill factor F. F. And the maximum output Pmax. For reference, Table 5 also shows the improvement rate of the maximum output Pmax in the case where the i-type
[0093]
[Table 5]
[0094]
As shown in Table 5, in each of the photovoltaic elements of Examples 3 to 5, the maximum output Pmax was 1 to 1 compared to the case where the i-type
[0095]
Further, in the photovoltaic elements of Examples 3 to 5, as compared with the photovoltaic element of Comparative Example 4, the open circuit voltage Voc and the fill factor F.F. F. And the maximum output Pmax was improved.
[0096]
In particular, in the photovoltaic elements of Examples 3 and 4, compared with the photovoltaic element of Comparative Example 4, the open-circuit voltage Voc and the fill factor F.F. F. And the maximum output Pmax was significantly improved.
[0097]
As in Comparative Example 4, in the photovoltaic element in which the i-
[0098]
Next, the thickness of the i-
[0099]
FIG. 10 is a diagram showing the measurement results of the relationship between the ratio of the thickness of the i-
[0100]
The horizontal axis in FIG. 10 shows the ratio of the thickness of the i-
[0101]
As shown in FIG. 10, in the photovoltaic device of Example 3, when the thickness of the i-
[0102]
The i-
[0103]
In the photovoltaic elements of Examples 3 to 5 in which the i-type
[0104]
In the above embodiment, a structure in which the correlation between the optical gap and the film forming conditions is relatively easy to understand is used. However, in addition to stacking amorphous semiconductor films having different compositions, a certain amorphous semiconductor film may be used. It has also been confirmed that the same effect can be obtained even when the optical gap is controlled in post-processing, such as by implanting impurities for forming a wide optical gap after forming the optical gap.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view showing the structure of a photovoltaic device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing band profiles of an n-type single-crystal silicon substrate, an i-type amorphous silicon film, and an n-type amorphous silicon substrate in the photovoltaic device of FIG.
FIG. 3 is a schematic sectional view showing a structure of a photovoltaic device according to a second embodiment of the present invention.
4 is a diagram showing band profiles of an n-type single-crystal silicon substrate, an i-type amorphous silicon film, and an n-type amorphous silicon substrate in the photovoltaic device of FIG.
FIG. 5 is a diagram showing an optical gap of an i-layer in Example 1 and Comparative Examples 2 and 3.
FIG. 6 is a diagram showing an optical gap of an i-layer in Examples 1 to 3.
FIG. 7 is a diagram showing an optical gap of an i-layer in Examples 3 to 5 and Comparative Example 4.
FIG. 8 is a view showing a band profile of the photovoltaic element of Comparative Example 1.
FIG. 9 is a view showing a band profile of a photovoltaic element of Comparative Example 4.
FIG. 10 is a diagram showing a measurement result of a relationship between a ratio of a film thickness of an i-layer having a narrow optical gap on an n-type amorphous silicon film side to a total film thickness of an i-type amorphous silicon film and a maximum output. It is.
[Explanation of symbols]
1 n-type single crystal silicon substrate
2,6 i-type amorphous silicon film
3 p-type amorphous silicon film
5,9 collector electrode
7 n-type amorphous silicon film
8 Back electrode
61, 62, 6a, 6bi i-layer
Claims (7)
真性の第1の非晶質系半導体膜と、
前記第1導電型と同じまたは逆の第2導電型の第2の非晶質系半導体膜とを順に備え、
前記第1の非晶質系半導体膜は、前記結晶系半導体側から前記第2の非晶質系半導体膜側へ第1の層および第2の層を順に含み、
前記第2の層は、前記第1の層における最大の光学ギャップよりも小さい光学ギャップを有することを特徴とする光起電力素子。A first conductivity type crystalline semiconductor;
An intrinsic first amorphous semiconductor film;
A second amorphous semiconductor film of a second conductivity type that is the same as or opposite to the first conductivity type, and
The first amorphous semiconductor film includes a first layer and a second layer in order from the crystal semiconductor side to the second amorphous semiconductor film side,
The said 2nd layer has an optical gap smaller than the largest optical gap in the said 1st layer, The photovoltaic element characterized by the above-mentioned.
前記結晶系半導体の他面側に前記一導電型と逆の他導電型の第3の非晶質系半導体膜を備え、
前記第1の非晶質系半導体膜は、前記結晶系半導体側から前記第2の非晶質系半導体膜側へ第1の層および第2の層を順に含み、
前記第2の層は、前記第1の層における最大の光学ギャップよりも小さい光学ギャップを有することを特徴とする光起電力素子。An intrinsic first amorphous semiconductor film and a second amorphous semiconductor film of one conductivity type are sequentially provided on one surface side of the crystalline semiconductor of one conductivity type;
A third amorphous semiconductor film of another conductivity type opposite to the one conductivity type on the other surface side of the crystalline semiconductor;
The first amorphous semiconductor film includes a first layer and a second layer in order from the crystal semiconductor side to the second amorphous semiconductor film side,
The said 2nd layer has an optical gap smaller than the largest optical gap in the said 1st layer, The photovoltaic element characterized by the above-mentioned.
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