JP2009060149A - 積層型光電変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】中間層でのボトムセルで利用可能な波長に対する光反射を抑制し、ボトムセル内への入射光量を増加させることができる積層型光電変換装置を提供する。
【解決手段】本発明は、複数の光電変換層を重ねて備え、隣接する少なくとも１組の光電変換層は、中間層を挟持し、中間層は、少なくとも１つの開口部を有する透明導電層であり、中間層を挟持する１組の光電変換層は、前記開口部を介して互いに接触する。
【選択図】図１５

Description

本発明は、高い光電流および光電変換効率を得ることができる積層型光電変換装置に関するものである。
石油等の化石燃料は、将来の枯渇が懸念されており、かつ地球温暖化現象の原因となる二酸化炭素排出の問題がある。近年、特に環境意識の高まりやシステムの低価格化などにより、太陽光発電システムの普及が拡大してきており、石油等の化石燃料の代替エネルギー源として期待されている。
一般的な太陽電池は、バルク太陽電池と薄膜太陽電池に分類される。バルク太陽電池とは、単結晶および多結晶シリコンや、ガリウム砒素化合物太陽電池等のバルク結晶の半導体を用いて作られるもので、現在すでに量産技術が確立されているものが多い。しかし、最近ではバルク太陽電池の急激な生産量の増加による原料不足や低コスト化が困難であるといった問題がある。それに対して、薄膜太陽電池は使用する半導体の量を大幅に減らすことができるため、原料不足問題が解消できるとともに、大幅な低コスト化の可能性をもつ次世代型の太陽電池として注目されている。具体的には、前記バルク太陽電池が数百μｍの厚さを有するのに対し、前記薄膜太陽電池は半導体層の厚さが１０μｍ〜数μｍ以下である。該薄膜太陽電池の構造は、一般的に下記の２つのタイプに分類することができる。すなわち、透光性基板上に透明導電層、光電変換層、裏面電極層の順に積層し、透光性基板側から光を入射するスーパーストレートタイプと、非透光性基板上に裏面電極層、光電変換層、透明導電層及び金属グリッド電極の順に積層し、金属グリッド電極側から光を入射するサブストレートタイプである。
上述のように、薄膜太陽電池は使用する半導体量が少ないため、高い光電変換効率を得るためには、半導体層に入射する光を有効に利用する技術が非常に重要である。そのための技術の１つとして、光閉じ込め技術が挙げられる。光閉じ込め技術とは、光電変換層と屈折率の異なる材料との界面に光を散乱・屈折させるような構造を形成することによって、光電変換層内での実質的な光路長を伸ばすことで光吸収量を増加させ光電変換効率を向上させる技術である。
特に、前記スーパーストレートタイプの薄膜太陽電池において光閉じ込め効果を向上させるためには、前記透明導電層が次の２つの効果を有することが要求される。第一に、前記透明導電層における光吸収が少ないこと、すなわち、高い透過率を有することである。これにより、透光性基板側から薄膜太陽電池に入射する光をより多く光電変換層に送り込むことができる。第二に、前記透明導電層が入射光を有効に散乱・屈折させることができる構造（光閉じ込め構造）を有することである。該光閉じ込め構造としては、前記透光性基板、前記透明導電層等の表面凹凸を利用する場合が多い。また、前記光閉じ込め構造を評価する物性値の１つとしてヘイズ率が利用できることが一般的に知られており、ヘイズ率が高ければ高いほど該構造による散乱・屈折光が増加することを示す。さらに、光閉じ込め効果とは別に前記透明導電層に求められる要件として、電気抵抗（シート抵抗）が低いことも重要である。前記透明導電層は光電変換層において発生した電力を集めて取り出すための集電電極の役割も兼ねているので、シート抵抗が低ければ低いほど抵抗損失が低減され、高い光電変換効率を得ることができるのである。
上記光閉じ込め効果を利用した従来技術として以下のようなものが挙げられる。例えば、特許文献１では透明導電層表面に形成される円形状の穴の大きさや密度、さらには穴の表面に形成される凹凸の高低差や凹凸の間隔を規定している。また、特許文献２では透明導電層表面の凹凸の高低差の二乗平均値や凹凸の傾斜角を規定している。しかし、凹凸の高低差が大きく、凹凸ピッチが小さい表面凹凸構造を有する基板を用いた場合には凹凸に起因した機械的または電気的な欠陥が生じやすく、欠陥が光電変換装置の開放端電圧の低下や歩留まりの低下をもたらすという問題が生じる。そのため、光電変換装置の性能のばらつきが大きくなるとして、特許文献３では２層構造の透明導電層により１層目と２層目の凹凸の高低差を規定することで、光電変換ユニット層の欠陥を低減し、光電変換特性のばらつきを低減できるとしている。
積層型光電変換装置構造を用いることも入射光を有効利用する技術の１つである。積層型光電変換装置構造とは、入射光スペクトルを複数個の光電変換層で分割して受光するための構造であり、各波長帯域を吸収するのに適した禁制帯幅を有する半導体材料を用いた複数個の光電変換層を光の入射側から禁制帯幅の大きい順序で積層することにより、短波長の光は禁制帯幅の大きい光電変換層で長波長の光は禁制帯幅の小さい光電変換層でそれぞれ吸収させることができる。このため、光電変換層が１つの場合と比較してより広い波長帯域の太陽光を光電変換に寄与させることができるため、光電変換効率を向上させることが可能になる。ここで、前記積層型光電変換装置においては、複数の光電変換層が直列に接続されるため、開放端電圧は各光電変換層で発生する電圧の和として無駄なく利用されるが、短絡電流密度は各光電変換層で発生する光電流の内で最も小さい値によって制限されてしまうことになる。したがって、各光電変換層で発生する光電流の値を均等にすることが、入射光のエネルギーを無駄なく利用するための重要な因子となる。各光電変換層で発生する光電流の値を均等化する方法としては、各光電変換層の膜厚を制御する方法が一般的であるが、隣り合う２つの光電変換層間に中間層を設けることで各光電変換層に入射する光の量を制御するという方法も知られている。前記中間層を設けた場合、中間層に達した光の一部を反射し、残りの光を透過させるため、中間層よりも光入射側の光電変換層（トップセル）内への入射光量を増加させる一方で、光入射と反対側の光電変換層（ボトムセル）内への入射光量を減少させるという各光電変換層への入射光量制御効果がある。中間層に望まれる特性としては、少なくともボトムセルで光吸収可能な波長領域において光吸収係数が小さいこと、及び大きな直列抵抗を生じない程度の電気伝導率を有していることの２つであり、この条件を満たす材料を用いることが望ましい。
さらに、特許文献４に開示されているように、中間層の上面に１０〜５０ｎｍの範囲内の平均凹凸ピッチを有する表面形状がある場合には、トップセル内への入射光量を増加させる一方で、ボトムセル内への入射光量を減少させるという効果自体には変化はないものの、中間層上面の表面形状による光散乱・屈折等の光閉じ込め効果により、トップセル及びボトムセルの両方において発生する光電流値をそれぞれ向上させることができる。これにより、タンデム型薄膜光電変換装置の変換効率を向上させている。
特開２００２−３１４１０９号公報 特開２００２−１４１５２５号公報 特開２０００−２５２５００号公報 特開２００３−３４７５７２号公報
（第２の課題）
また、積層型光電変換装置構造においては、上述したように、前記中間層を設けた場合には、該中間層における光反射及び光吸収によりボトムセル内への入射光量を減少させてしまうという現象が避けられないため、光の利用効率を制限してしまっているという課題がある。
本発明は、係る事情に鑑みてなされたものであり、中間層でのボトムセルで利用可能な波長に対する光反射を抑制し、ボトムセル内への入射光量を増加させることができる積層型光電変換装置を提供するものである。
（第２の発明）
第２の発明の積層型光電変換装置は、複数の光電変換層を重ねて備え、隣接する少なくとも１組の光電変換層は、中間層を挟持し、中間層は、少なくとも１つの開口部を有する透明導電層であり、中間層を挟持する１組の光電変換層は、前記開口部を介して互いに接触する。
（第２の発明の効果）
中間層を挟持する１組の光電変換層の何れか一方がトップセルとなり、他方がボトムセルとなる。
第２の発明によれば、中間層が少なくとも１つの開口部を有しているので、中間層に到達した光は、高い透過率で中間層を透過する。このため、ボトムセル内への入射光量が増加する。
第２の発明によれば、中間層に形成する開口部のサイズ又は密度などを調節することによって、ボトムセル内への入射光量を調節することができる。従って、ボトムセルとトップセルの短絡電流密度が等しくなるように、開口部を形成することができ、高効率な積層型光電変換装置を得ることができる。
また、通常、トップセルは、禁制帯幅が大きい材料で形成されるので、トップセルでは、短波長光が多く吸収され、長波長光はあまり吸収されない。従って、この場合、中間層には、長波長光が多く到達する。中間層が開口部を有しない場合、この長波長光の多くが反射され、光電変換に利用されなかったが、第２の発明によれば、中間層が開口部を有するので、この長波長光は効率的に中間層を透過し、ボトムセルにおいて光電変換に寄与する。このように、第２の発明によれば、長波長光の利用効率を高めることができる。
また、このように、第２の発明によれば、特に、長波長光の利用効率を高めることができ、また、開口部のサイズ又は密度などを調節することによって、トップセル、ボトムセル共に高い電流値が実現できるため、光電変換効率が高い積層型光電変換装置を得ることができる。
以下に本発明である第２の発明について説明する。なお、第２の発明の説明の後、本発明に適用することができる第１の発明についても説明する。
１．第２の発明についての実施形態
第２の発明の積層型光電変換装置は、複数の光電変換層を重ねて備え、隣接する少なくとも１組の光電変換層は、中間層を挟持し、中間層は、少なくとも１つの開口部を有する透明導電層であり、中間層を挟持する１組の光電変換層は、前記開口部を介して互いに接触する。光電変換層は、２層であっても、３層以上であってもよく、そのうちの隣接する少なくとも１組の光電変換層の間に、少なくとも１つの開口部を有する中間層が形成されていればよい。
また、第２の発明の積層型光電変換装置は、中間層を挟持する１組の光電変換層に注目すると、第１の光電変換層と、中間層と、第２の光電変換層とをこの順に重ねて備え、中間層は、少なくとも１つの開口部を有し、第１及び第２の光電変換層は、前記開口部を介して互いに接触する、と表現することができる。
第２の発明の積層型光電変換装置は、具体的には、例えば、以下の態様で実施される。
１−１．第１の実施形態（スーパーストレート型構造）
第２の発明の第１の実施形態に係る光電変換装置は、透光性基板上に、前面透明導電層、複数の光電変換層及び裏面電極層をこの順に重ねて備え、隣接する少なくとも１組の光電変換層は、中間層を挟持し、中間層は、少なくとも１つの開口部を有し、中間層を挟持する１組の光電変換層（透光性基板側から、それぞれ第１の光電変換層、第２の光電変換層と呼ぶ。）は、前記開口部を介して互いに接触する。
また、本実施形態に係る光電変換装置は、中間層を挟持する１組の光電変換層に注目すると、透光性基板上に、前面透明導電層、第１の光電変換層、中間層、第２の光電変換層及び裏面電極層をこの順に重ねて備え、中間層は、少なくとも１つの開口部を有し、第１及び第２の光電変換層は、前記開口部を介して互いに接触する、と表現することができる。
この場合、透光性基板側が光入射面となり、第１の光電変換層がトップセル、第２の光電変換層がボトムセルとなる。
１−１−１．透光性基板
透光性基板としては、ガラス、ポリイミド若しくはポリビニルなどの耐熱性を有する透光性樹脂、又はそれらが積層されたものなどが好適に用いられるが、光透過性が高く光電変換装置全体を構造的に支持し得るものであれば特に限定されない。また、それらの表面に金属膜、透明導電膜、又は絶縁膜などを被覆したものであってもよい。
１−１−２．前面透明導電層
前面透明導電層は、透明導電性の材料からなり、例えば、ＩＴＯ、酸化錫、及び酸化亜鉛等の透明導電性膜を用いるとよい。なお、前面透明導電層の材料中に微量の不純物が添加されていてもよい。例えば、酸化亜鉛が主成分である場合には、５×１０20〜５×１０21ｃｍ-3程度のガリウムやアルミニウムやボロンといった第ＩＩＩＢ族元素、あるいは銅のような第ＩＢ族元素が含有されることにより抵抗率が低減するため、電極として使用するのに適している。前面透明導電層の製法は、スパッタリング法、常圧ＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、電子ビーム蒸着法、ゾルゲル法、電析法、スプレー法等の公知の方法により作製できる。
また、前面透明導電層の表面には、凹凸が形成されていてもよい。この凹凸によって、光の散乱・屈折が生じ第１の光電変換層及び第２の光電変換層内での光閉じ込め効果が得られ、短絡電流密度の向上が期待できるからである。この凹凸は、透光性基板及び前面透明導電層の表面にドライエッチング、又はウェットエッチングなどを施すことにより形成することができる。前記ドライエッチングは、プラズマ放電によりエッチングガスをイオン化またはラジカル化して照射し物理的または化学的にエッチングして凹凸を形成する。物理的なエッチングにはエッチングガスとしてＡｒなどの不活性ガスが用いられ、化学的エッチングにはエッチングガスにはフッ素系ガスとしてＣＦ4、ＳＦ6など、塩素系ガスとしてＣＣｌ4、ＳｉＣｌ4などが用いられる。前記ウェットエッチング法としては、透光性基板または前面透明導電層を酸またはアルカリ溶液中に浸す方法などを用いることができる。この際、使用できる酸溶液としては塩酸、硫酸、硝酸、フッ酸、酢酸、蟻酸、過塩素酸等の１種または２種以上の混合物が挙げられる。また、アルカリ溶液としては水酸化ナトリウム、アンモニア、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、水酸化アルミニウム等の１種または２種以上の混合物が挙げられる。また、サンドブラストのような機械加工を行うことによっても凹凸形成可能である。さらに、上記のようなエッチング法を用いずに、ＣＶＤ等による透明導電膜堆積時に、透明導電膜材料の結晶成長により形成される表面凹凸を利用する方法、結晶成長面が配向しているために規則的な表面凹凸が形成されることを利用する方法、及びゾルゲル法やスプレー法により、透明導電膜形成時に結晶粒径に依存した凹凸が形成されることを利用した方法等が挙げられる。
１−１−３．第１の光電変換層
第１の光電変換層は、通常、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層を有するｐｎ接合、もしくはｐ型半導体層、真性半導体層、及びｎ型半導体層を有するｐｉｎ接合により形成されるが、ｐ型半導体層とｎ型半導体層のどちらか一方のみを有するショットキー接合やその他公知の半導体接合により形成されていてもよい。また、前記真性半導体層は、光電変換機能を損なわない限り、弱いｐ型またはｎ型の導電型を示すものであってもよい。上述の各半導体層を構成する材料としては、シリコン等の元素半導体、シリコンに炭素やゲルマニウムまたはその他の不純物が添加されたシリコン合金、ガリウム砒素やリン化インジウムなどのIII−Ｖ族化合物半導体、テルル化カドミウムや硫化カドミウムなどのII−VI族化合物半導体、銅−インジウム−ガリウム−セレンなどの多元系化合物半導体、酸化チタン等の多孔質膜に色素等を吸着させたものなどが挙げられる。これらの製法としては、ＭＢＥ法、ＣＶＤ法、蒸着法、近接昇華法、スパッタ法、ゾルゲル法、スプレー法、スクリーン印刷法等の公知の作製方法を半導体材料に応じて適宜用いることができる。上記ＣＶＤ法としては、常圧ＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤ、ホットワイヤーＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ法等が挙げられる。
ここでは、第１の光電変換層を構成する半導体材料として水素化アモルファスシリコン（禁制帯幅 〜１．７ｅＶ）を用いたｐｉｎ接合を一例に挙げて説明する。第１の光電変換層は、ｐ型半導体層及びｉ型半導体層及びｎ型半導体層からなり、光入射側からｐｉｎの順に堆積し、形成した。しかし、ｎｉｐの順に堆積して形成することも可能である。ｐ型半導体層は、水素化アモルファスシリコン半導体に、ボロン、アルミニウム等のｐ導電型となる不純物原子がドープされたものである。ｉ型半導体層は、特に不純物を添加していない水素化アモルファスシリコン半導体である。ただし、実質的に真性半導体であれば、少量の不純物元素が含まれていてもよい。ｎ型半導体層は、上記半導体層に、リン、窒素等のｎ導電型となる不純物原子がドープされたものである。ここで、上述の各半導体層は、炭素やゲルマニウムなどの元素を添加して禁制帯幅を変化させたシリコン合金を適宜用いてもよい。
また、ｉ型半導体層（光活性層）の膜厚は、特に限定されるものではないが、光電変換機能を損なわないこと、光劣化現象を抑制すること、及び製造コストを低減することの各観点から、１００ｎｍ〜５００ｎｍ程度が望ましい。ｐ型半導体層及びｎ型半導体層は光活性層ではないため、その膜厚は、光電変換機能を損なわない範囲で薄いほうがよい。したがって、特に限定されるものではないが、１００ｎｍ以下が望ましい。
１−１−４．中間層
中間層は第１の光電変換層の上に形成される。中間層には、第１の光電変換層が露出するように少なくとも１つの開口部が形成されている。開口部とは、中間層を挟持する第１の光電変換層と第２の光電変換層が接触するような領域のことである。より詳細には、たとえば、図１７に示すように、島状の開口部が中間層の間に点在しているような場合や、図１８に示すように、島状の中間層が開口部の間に形成されている場合も含んでいる。さらには、たとえば図１９に示すように、島状の中間層の１つの島の中に、第１の光電変換層と第２の光電変換層が接触するような領域を有していてもよい。また、開口部の数、形状、サイズ、および配置は様々である。中間層が少なくとも１つの開口部を有しているので、中間層に到達した光は、高い透過率で中間層を透過する。このため、第２の光電変換層内への入射光量が増加する。また、中間層に形成する開口部のサイズ又は密度などを調節することによって、第２の光電変換層内への入射光量を調節することができる。従って、第１の光電変換層と第２の光電変換層の短絡電流密度が等しくなるように、開口部を形成することができ、高効率な積層型光電変換装置を得ることができる。なお、開口部の数は、第２の発明の効果が得られる限り、単数であっても複数であってもよい。
また、通常、第１の光電変換層は、禁制帯幅が大きい材料で形成されるので、第１の光電変換層では、短波長光が多く吸収され、長波長光はあまり吸収されない。従って、この場合、中間層には、長波長光が多く到達する。中間層が開口部を有しない場合、この長波長光の多くが反射され、光電変換に利用されなかったが、本実施形態によれば、中間層が開口部を有するので、この長波長光は効率的に中間層を透過し、第２の光電変換層において光電変換に寄与する。このように、本実施形態によれば、長波長光の利用効率を高めることができる。また、このように本実施形態によれば、特に、長波長光の利用効率を高めることができ、また、開口部のサイズ又は密度などを調節することによって、第１の光電変換層、第２の光電変換層共に高い電流値が実現できるため、光電変換効率が高い積層型光電変換装置を得ることができる。中間層の平均膜厚は５ｎｍ以上の場合に、第１の光電変換層への光反射効果が顕著に表れ、平均膜厚が増加するにつれて中間層での光吸収が増加するため、光吸収抑制のために５００ｎｍ以下の平均膜厚が好ましい。より好ましくは１０〜２００ｎｍである。ここでの平均膜厚とは、開口部以外の部分の中間層の平均膜厚を意味する。また、平均膜厚は、電子顕微鏡、光学顕微鏡、原子間力顕微鏡等で観察することにより測定できる。
また、中間層の表面には凹凸があってもよい。中間層の表面の凹凸形状による光散乱・屈折等の光閉じ込め効果により、第１の光電変換層及び第２の光電変換層の両方において発生する光電流値をそれぞれ向上させることができるため、積層型光電変換装置の変換効率向上が期待できるからである。この凹凸形状は、前面透明導電層に凹凸が形成されている場合には、この凹凸形状を引き継ぐ形状であってもよいし、中間層に固有の形状であってもよい。
中間層を構成する材料に望まれる特性としては、少なくとも中間層よりも光入射と反対側に存在する光電変換層（第２の光電変換層）で光吸収可能な波長領域において光吸収係数が小さいこと、及び大きな直列抵抗を生じない程度の電気伝導率を有していることの２つであり、この条件を満たす材料が好ましい。例えば、前面透明導電層と同様の材料及び製法を用いて作製することができる。開口部の形成方法としては、前面透明導電層の表面凹凸形成方法と同様の方法を用いることができる。ここで、開口部の形成時に中間層の表面に凹凸形状が同時に形成される場合もある。また、開口部は、例えば、開口部を有するレジストを中間層上に形成したのち、ドライエッチング法、ウェットエッチング法等を行うことにより形成してもよい。前記レジストとしては、例えばフォトレジストなどを用いることができる。
１−１−５．中間層の開口率
「中間層の開口率」は、レーザー顕微鏡等の光学顕微鏡やＳＥＭ、ＴＥＭなどの電子顕微鏡で積層型光電変換装置の断面図（例えば図１５）を観察した場合に、各開口部の幅（線分）２１４を全て足し合わせ、積層型光電変換装置の幅（線分）２１５で除したときの比率によって求めることができる。ここで、開口率の算出精度が高くなるように、積層型光電変換装置の幅（線分）２１５が０．１ｍｍ以上得られるような観察条件が好ましい。
中間層の開口率が０．５％以上の場合に、中間層における長波長光の透過率が大きく向上し、９０％以下の場合に短波長光の第１の光電変換層への高い反射効果が得られる。
したがって、第１の光電変換層および第２の光電変換層の何れにおいても高い短絡電流密度を得るためには、開口率は０．５〜９０％であることが好ましい。さらに好ましくは１６〜６３％である。
１−１−６．第２の光電変換層
第２の光電変換層は、中間層（中間層上に第２の中間層が形成されている場合には、第２の中間層）の上に形成される。また、第１及び第２の光電変換層は、中間層の開口部を介して互いに接触する。第２の光電変換層の構成、半導体材料、及びその作製方法は、第１の光電変換層と同様であり、基本的にいずれを用いてもよいが、光活性層の禁制帯幅が第１の光電変換層の場合よりも小さいことが望ましい。また、第１の光電変換層と第２の光電変換層の組み合わせを考える場合、それぞれの光活性材料をＡ、Ｂとすると、Ａ／Ｂが、ａ−Ｓｉ／ａ−Ｓｉ、μｃ−Ｓｉ／μｃ−Ｓｉ、ａ−ＳｉＣ／ａ−Ｓｉ、ａ−Ｓｉ／ａ−ＳｉＧｅ、ａ−Ｓｉ／ｃ−Ｓｉ、ａ−Ｓｉ／μｃ−Ｓｉ、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ、ＣｕＧａＳｅ2／ＣｕＩｎＳｅ2など同系統の材料を組み合わせた場合のほうが、熱膨張係数が近い、作製方法の類似性があるなどの利点があり、より望ましい。
ここでは、第２の光電変換層を構成する半導体材料として水素化微結晶シリコン（禁制帯幅 〜１．１ｅＶ）を用いたｐｉｎ接合を一例に挙げて説明する。水素化微結晶シリコンとは、結晶シリコン薄膜をプラズマＣＶＤ法などの非平衡プロセスを用いて低温で作製した場合、結晶粒径が小さく(数十から千Å程度)、アモルファスシリコンとの混合相になる場合が多いが、このような状態の薄膜を総称したものである。
第２の光電変換層はｐ型半導体層及びｉ型半導体層及びｎ型半導体層から成り、光入射側からｐｉｎの順に堆積して形成する。ここで、ｎｉｐの順に堆積して形成することも可能であるが、その場合は、第１の光電変換層もｎｉｐの順に堆積していなければならない。すなわち、第１の光電変換層と第２の光電変換層で接合方向の同一性がとられていることが必要条件である。ｐ型半導体層は、水素化微結晶シリコン半導体に、ボロン、アルミニウム等のｐ導電型となる不純物原子がドープされたものである。ｉ型半導体層は、特に不純物を添加していない水素化微結晶シリコン半導体である。ただし、実質的に真性半導体であれば、少量の不純物元素が含まれていてもよい。ｎ型半導体層は、上記半導体層に、リン、窒素、酸素等のｎ導電型となる不純物原子がドープされたものである。ここで、上述の各半導体層は、炭素やゲルマニウムなどの元素を添加して禁制帯幅を変化させたシリコン合金を適宜用いてもよい。
また、ｉ型半導体層（光活性層）の膜厚は、特に限定されるものではないが、光電変換機能を損なわないこと及び製造コストを低減することの各観点から、１μｍ〜１００μｍ程度が望ましい。さらに、第１の光電変換層で発生する光電流値と同等の光電流値を発生させ得るに足る膜厚にすることが望ましい。ｐ型半導体層及びｎ型半導体層は光活性層ではないため、その膜厚は、光電変換機能を損なわない範囲で薄いほうがよい、したがって、特に限定されるものではないが、１００ｎｍ以下が望ましい。
１−１−７．裏面電極層
裏面電極層は、導電層が少なくとも１層以上あればよく、光反射率が大きく導電率が高い程好ましい。導電層は、可視光反射率の高い銀、アルミニウム、チタン若しくはパラジウムなどの金属材料、又はこれらの合金などで形成することができる。導電層は、ＣＶＤ法、スパッタリング法、真空蒸着法、電子ビーム蒸着法、スプレー法又はスクリーン印刷法などで形成することができる。導電層は、光電変換層で吸収されなかった光を反射して再度光電変換層に戻すため、光電変換効率の向上に寄与する。
裏面電極層は、好ましくは、裏面透明導電層と、導電層をこの順に重ねて備える。この場合、入射光に対する光閉じ込め向上効果や光反射率向上効果が得られる。また、導電層に含まれる元素の光電変換層への拡散を抑制することができる。裏面透明導電層は、１−１−２で述べた前面透明導電層と同様の材料及び製法にて形成することができる。
１−２．第２の実施形態（サブストレート型構造）
第２の発明の第２の実施形態に係る光電変換装置は、金属からなる基板上に、又は表面を金属で被覆した基板上に、複数の光電変換層、透明導電層及びグリッド電極をこの順に重ねて備え、隣接する少なくとも１組の光電変換層は、中間層を挟持し、中間層は、少なくとも１つの開口部を有し、中間層を挟持する１組の光電変換層（基板側から、それぞれ第１の光電変換層、第２の光電変換層と呼ぶ。）は、前記開口部を介して互いに接触する。
また、本実施形態に係る光電変換装置は、中間層を挟持する１組の光電変換層に注目すると、金属からなる基板上に、又は表面を金属で被覆した基板上に、第１の光電変換層、中間層、第２の光電変換層、透明導電層及びグリッド電極をこの順に重ねて備え、中間層は、少なくとも１つの開口部を有し、第１及び第２の光電変換層は、前記開口部を介して互いに接触する、と表現することができる。
この場合、グリッド電極側が光入射面となる。
１−２−１．基板
基板には、ステンレス鋼（ＳＵＳ）又はアルミニウムなどの金属などの基板を用いることができる。また、基板には、ガラス、耐熱性の高分子フィルム（ポリイミド、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ＰＥＳ又はテフロン（登録商標）など）又はセラミックスなどを、金属などで被覆したものを用いてもよい。また、基板には、これらを積層したものを用いてもよい。
１−２−２．第１及び第２の光電変換層
第１及び第２の光電変換層の構成及び製造方法などは、第１の実施形態で述べたものと同様である。但し、本実施形態では、第１の光電変換層がボトムセルとなり、第２の光電変換層がトップセルとなる。従って、第２の光電変換層の禁制帯幅を、第１の光電変換層の禁制帯幅よりも大きくすることが好ましい。この場合、短波長光を主に第２の光電変換層で吸収し、長波長光を主に第１の光電変換層で吸収することができ、入射光を効率よく利用することができる。具体的には、例えば、第２の光電変換層を水素化アモルファスシリコンで形成し、第１の光電変換層を水素化微結晶シリコンで形成する。
１−２−３．中間層
中間層の構成及び製造方法などは、第１の実施形態で述べたものと同様である。
１−２−４．透明導電層
透明導電層の構成及び製造方法などは、１−１−２で述べたものと同様である。
１−２−５．グリッド電極
透明導電層上に、好ましくは、グリッド電極を形成する。グリッド電極の構成及び製造方法などは、公知のものを用いることができる。
１−３．その他
上述の通り、第１及び第２の光電変換層（中間層を挟持する１組の光電変換層）の一方は、他方よりも大きな禁制帯幅を有することが好ましい。トップセルの光電変換層の禁制帯幅をボトムセルの禁制帯幅よりも大きくすることにより、入射光を効率的に利用することができるからである。また、第１及び第２の光電変換層（中間層を挟持する１組の光電変換層）の一方は、水素化アモルファスシリコンからなり、他方は、水素化微結晶シリコンからなることが好ましい。この場合、一方の禁制帯幅が他方の禁制帯幅よりも大きくなる。
なお、以下に記載する第１の発明についての説明は、その趣旨に反しない限り、第２の発明についても当てはまり、その逆も成り立つ。例えば、第２の発明の積層型光電変換装置は、第１の発明の基板を用いて形成することができる。
以下に、本発明である第２の発明にかかる積層型光電変換装置に適用することができる第１の発明に係る光電変換装置用基板について説明する。
２．第１の発明の課題、手段及び効果
２−１．第１の発明の課題
上述したように、前記透明導電層を高透過率かつ高ヘイズ率とすることにより光閉じ込め効果を向上させるためには、以下に述べるような課題を解決する必要がある。
第一に、前記透明導電層を高透過率にするということは、換言すれば該透明導電層における光吸収を少なくするということであり、そのためには該透明導電層の膜厚を薄くする必要がある。しかし、該透明導電層の膜厚を薄くするにつれてシート抵抗が高くなり直列抵抗損失が増加するため、光電変換装置の光電変換効率が低下してしまう。また、膜厚を薄くすると表面凹凸を形成したときの高低差が小さくなり、ヘイズ率は低下する。
第二に、透明導電層を高ヘイズ率とするために表面に大きな凹凸形状を形成するためには、透明導電層の膜厚が厚いことが必要となる。しかし、膜厚を厚くすると透明導電層中での光吸収量が増加するため透過率は低下し、光電変換効率が低下する。
従って、高ヘイズ率と高透過率、および低シート抵抗の条件を同時に満たす透明導電層を作製することは困難である。
また、特許文献１及び特許文献２に記載の従来技術は、透明導電層表面の凹凸による光散乱を増加させるためのもので透明導電層の透過率を高めることはできない。
また、特許文献３に記載の従来技術は、透明導電層の凹凸形状に起因する機械的または電気的な欠陥の発生を抑制することはできるが、第１の透明導電層の上に第２の透明導電層を形成することにより透明導電層全体の膜厚が増加し、透過率の低下を招くため、光電変換装置の光電流を増加することはできない。
本発明は、係る事情に鑑みてなされたものであり、透明導電層の膜厚が厚い場合であっても高透過率を確保できる光電変換装置用基板、高透過率及び高ヘイズ率を両立させることができる光電変換装置用基板、高透過率、高ヘイズ率、及び低シート抵抗を同時に達成することができる光電変換装置用基板を提供するものである。
２−２．第１発明の手段
第１の発明の光電変換装置用基板は、基板の少なくとも一部の表面領域上に形成された第１の透明導電層を備える光電変換装置用基板であって、光電変換装置の集電電極用に設けられた第１の透明導電層は、第１の透明導電層を電気的に分離せずかつ基板を露出させる少なくとも１つの開口部を有する。
また、第１の透明導電層は、その表面上に凹凸を有することが好ましい。
また、第１の発明の光電変換装置用基板は、第１の透明導電層上に、第１の透明導電層の開口部を被覆する第２の透明導電層をさらに備えることが好ましい。
２−３．第１の発明の効果
第１の発明によれば、第１の透明導電層が少なくとも１つの開口部を有しており、光は開口部を高い透過率で通過することができる。従って、第１の発明によれば、第１の透明導電層の膜厚が厚い場合であっても、第１の透明導電層の透過率を実質的に大きくすることができる。また、第１の発明に係る光電変換装置用基板を用いて光電変換装置を製造すると、その光電変換効率を大きくすることができる。
また、第１の透明導電層がその表面上に凹凸を有することにより、第１の透明導電層のヘイズ率を大きくすることができる。従って、この場合、高透過率及び高ヘイズ率を両立させることができる。また、この光電変換装置用基板を用いて光電変換装置を製造すると、その光電変換効率をさらに大きくすることができる。
また、第１の発明の光電変換装置用基板が、第１の透明導電層上に、第１の透明導電層の開口部を被覆する第２の透明導電層をさらに備えることにより、透明導電層全体のシート抵抗を小さくすることができる。また、第２の透明導電層の膜厚を、第１の透明導電層よりも薄く形成することができ、透明導電層全体の透過率の低下を小さくすることができる。従って、この場合、高透過率、高ヘイズ率、及び低シート抵抗を同時に達成することができる。また、この光電変換装置用基板を用いて光電変換装置を製造すると、その光電変換効率をさらに大きくすることができる。
３．第１の発明についての実施形態
３−１．第１の実施形態
第１の発明の第１の実施形態に係る光電変換装置用基板は、基板の少なくとも一部の表面領域上に形成された第１の透明導電層を備える光電変換装置用基板であって、光電変換装置の集電電極用に設けられた第１の透明導電層は、第１の透明導電層を電気的に分離せずかつ基板を露出させる少なくとも１つの開口部を有する。
３−１−１．基板
スーパーストレートタイプ構造を有する光電変換装置においては、上記基板として透光性基板が用いられるが、サブストレートタイプ構造を有する光電変換装置においては、上記基板としてステンレスなどの不透光性基板を用いてもよい。以下、スーパーストレートタイプ構造を有する光電変換装置用の基板について説明するが、サブストレートタイプ構造を有する場合でも同様に適用できる。透光性基板の材料として、ガラス、又はポリイミド系やポリビニル系の耐熱性を有する樹脂、さらにはそれらが積層されたもの等、種々のものが使用できる。透光性基板の厚さは、特に限定されるものではないが、構造を支持できる適当な強度や重量を有するようなものであればよい。また、表面に凹凸が形成されていてもよい。さらには、それらの表面に金属膜、透明導電膜、あるいは絶縁膜等を被覆したものであってもよい。
３−１−２．第１の透明導電層
第１の透明導電層は、透光性基板の少なくとも一部の表面領域上に形成されていてもよく、透光性基板表面全体上に形成されていてもよい。
第１の透明導電層は、透明導電性の材料からなり、例えば、ＩＴＯ、酸化錫、及び酸化亜鉛等の透明導電性膜を用いるとよい。なお、第１の透明導電層の材料中に微量の不純物が添加されていてもよい。例えば、酸化亜鉛が主成分である場合には、５×１０20〜５×１０21ｃｍ-3程度のガリウムやアルミニウムやボロンといった第ＩＩＩＢ族元素、あるいは銅のような第ＩＢ族元素が含有されることにより抵抗率が低減するため、電極として使用するのに適している。第１の透明導電層は、スパッタリング法、常圧ＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、電子ビーム蒸着法、ゾルゲル法、電析法、スプレー法等の公知の方法により作製できる。また、第１の透明導電層は、その膜厚が、好ましくは、５００〜１３００ｎｍ程度である。
３−１−３．第１の透明導電層の開口部
第１の透明導電層は、少なくとも１つの開口部を有する。第１の透明導電層の実質的な透過率を効果的に向上させるため、第１の透明導電層は、複数の開口部を有していることが好ましい。少なくとも１つの開口部は、第１の透明導電層の少なくとも一部の領域に形成されていればよいが、第１の透明導電層全体に均等に分散されていることが好ましい。開口部は、透明導電層を光学顕微鏡等で観察することにより確認することができる。ここで、例えば特開平１１−１８６５７３の従来技術の項に記載のように、１枚の絶縁基板上に複数の光電変換セルが電気的に直列接続された集積型構造とするために設けられる透明電極分割溝は、上記開口部には含まれないものとする。より詳細には、上記集積型薄膜光電変換装置において、上記光電変換セル同士の電気的分離を目的としてレーザースクライブ法等により透明電極が分割されることにより、該透明電極上に絶縁基板が露出する開口部が形成されるが、これは透明電極の透過率向上を目的とするものではないので、第１の発明の請求範囲には該当しない。
第１の透明導電層の開口部は、例えば、該第１の透明導電層上に開口部を有するレジストを形成したのち、ドライエッチング法、ウェットエッチング法等を行うことにより形成することができる。前記レジストとしては、例えばフォトレジストなどを用いることができる。また、レジストを形成することなく上記エッチング法を行った場合には、上記第１の透明導電層の表面上に、何らかの凹凸形状が同時に形成される場合が多い。前記ドライエッチング法は、プラズマ放電によりエッチングガスをイオン化またはラジカル化して照射し、物理的または化学的にエッチングする。物理的なエッチングにはエッチングガスとしてＡｒなどの不活性ガスが用いられ、化学的エッチングにはエッチングガスにフッ素系ガスとしてＣＦ4、又はＳＦ6など、塩素系ガスとしてＣＣｌ4、又はＳｉＣｌ4などが用いられる。前記ウェットエッチング法としては、第１の透明導電層を酸またはアルカリ溶液中に浸す方法などを用いることができる。この際、使用できる酸溶液としては塩酸、硫酸、硝酸、フッ酸、酢酸、蟻酸、又は過塩素酸等の１種または２種以上の混合物が挙げられる。アルカリ溶液としては水酸化ナトリウム、アンモニア、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、又は水酸化アルミニウム等の１種または２種以上の混合物が挙げられる。
第１の発明によれば、光は開口部を高い透過率で通過することができるため、第１の透明導電層の膜厚が厚い場合であっても、第１の透明導電層の透過率を実質的に大きくすることができる。
また、第１の透明導電層は、その表面上に凹凸を有してもよい。この凹凸は、第１の透明導電層と、その上に形成される光電変換層との界面において、光電変換装置内に入射してきた光を屈折・散乱させる。その結果、入射光の光路長が長くなることで光閉込効果を高め、実質的に前記光電変換層で利用できる光量を増やすことができる。
第１の透明導電層は、開口部を有しているので、第１の透明導電層の膜厚が厚い場合であっても、第１の透明導電層の透過率を実質的に大きくすることができ、かつ、その厚い透明導電層の表面上に凹凸が形成されているので、第１の透明導電層のヘイズ率を大きくすることができる。従って、この場合、高ヘイズ率及び高透過率を両立させることができる。
第１の透明導電層上に形成される凹凸は、前記開口部の形成と同様に、第１の透明導電層の表面に対するドライエッチング法、又はウェットエッチング法等を用いて形成することができる。
このような方法で第１の透明導電層をエッチングすると、第１の透明導電層に凹凸が形成される。エッチングを進めるにつれて、凹凸は次第に大きくなり、最終的に凹部が透光性基板に到達し、第１の透明導電層に開口部が形成される。エッチングの進行の程度は、エッチング時間などによって制御することができる。
また、はじめに凹凸形状を形成した後、上述した方法で開口部を形成してもよい。上記のようなエッチング等を行わずに第１の透明導電層に凹凸形状を形成する方法としては、サンドブラストのような機械加工による方法が挙げられる。さらに、ＣＶＤ等による透明導電膜堆積時に、透明導電膜材料の結晶成長により形成される表面凹凸を利用する方法、結晶成長面が配向しているために規則的な表面凹凸が形成されることを利用する方法、およびゾルゲル法やスプレー法による透明導電膜形成時に結晶粒径に依存した凹凸が形成されることを利用した方法を用いることもできる。
３−１−４．第１の透明導電層の開口率、開口部の平均半径
第１の透明導電層の開口率が０．８〜３７％であり、かつ、開口部の平均半径が３．１３μｍ以下であることが好ましい。なぜなら、この場合、第１の透明導電層の表面上に凹凸を形成したときに、高透過率及び高ヘイズ率を両立させることができることができるからである。また、このような開口部を形成することにより、例えば、第１の透明導電層のヘイズ率が６５〜７８％であり、かつ、基板及び第１の透明導電層を通過する光の透過率が７８〜８４．３％であるような光電変換装置用基板を形成することができる。ここでの「ヘイズ率」及び「透過率」は、何れも、５５０ｎｍの光を用いて測定したときの値である。なお、一般にヘイズ率の大きさは測定波長に依存するが、波長５５０ｎｍでのヘイズ率が３０％以上の場合には、８００ｎｍ以上の長波長光に対するヘイズ率も高くなることが実験的に明らかになった。従って、５５０ｎｍでのヘイズ率を、短波長から長波長に至る広い範囲の光に対する光閉じ込め効果に対する指標として用いることができる。そのため、後に述べる実施例では５５０ｎｍでのヘイズ率のみを求め、これを光閉じ込め効果に対する指標として用いている。
第１の透明導電層の開口率が０．８〜３７％であることが好ましいのは、０．８％以上の場合には、第１の透明導電層の透過率が大きくなり、３７％以下の場合に、第１の透明導電層のヘイズ率の低下が抑制されるからである。
また、開口部の平均半径が３．１３μｍ以下であることが好ましいのは、３．１３μｍ以下の場合に、第１の透明導電層のヘイズ率の低下が抑制されるからである。一方、開口部の平均半径の下限については、開口率が０．８〜３７％であれば、特に限定されるものではないが、光電変換に寄与させるべき波長の十分の一以上の直径を有していることが該波長の光に対する透過率向上の観点から望ましい。例えば太陽電池で考えた場合、太陽光スペクトルの近似として一般的に用いられる６０００Ｋの黒体輻射スペクトルの下限である１５０ｎｍの波長の光に対して十分な透過率向上効果が得られるためには、該波長の十分の一である１５ｎｍ以上の直径（７ｎｍ以上の平均半径）をもつ開口部が存在していることが好ましい。
ここで、「第１の透明導電層の開口率」は、（１）所定の範囲（例えば、０．１ｍｍ×０．１ｍｍの範囲）を約３０００倍の光学顕微鏡で観察し、（２）その範囲に含まれる全ての開口部の面積を足し合わせ、（３）足し合わせた開口部の面積を上記所定の範囲の面積で除することによって、求めることができる。また、「開口部の平均半径」は、（１）所定の範囲（例えば、０．１ｍｍ×０．１ｍｍの範囲）を約３０００倍の光学顕微鏡で観察し、（２）その範囲に含まれる各開口部ｎ（ｋ個の開口部が存在するとする。）について、下記の数式１に基づいて半径ｒnを求め、（３）求まった半径ｒnの平均値を計算することによって、求めることができる。また、単位面積あたりの開口部の数を「開口部密度」と定義する。
（数１）
ｒn＝（Ｓn／π）1/2
上記の数式において、ｎ＝１,２,・・・ｋであり、ｒnは各開口部ｎの半径であり、Ｓnは各開口部ｎの面積である。
また、「開口部」とは、第１の透明導電層が完全に除去された領域であって、光学顕微鏡で観察したときの光透過率が実質的に一定である領域を意味する。
３−１−５．第２の透明導電層
また、本実施形態に係る光電変換装置用基板は、第１の透明導電層上に、第１の透明導電層の開口部を被覆する第２の透明導電層をさらに備えてもよい。
この場合、透明導電層全体のシート抵抗を小さくすることができるので、光電変換装置のシリーズ抵抗を低減し、ひいては変換効率を向上させることができる。
また、第２の透明導電層の膜厚は、第１の透明導電層よりも薄く形成することができ、透明導電層全体の実質的な透過率の低下を小さくすることができる。また、この場合、第１の透明導電層の開口部での透過率及び開口部以外の部分の凹凸形状を大きく変化させない。従って、この場合、低シート抵抗、高ヘイズ率、及び高透過率を同時に達成することができる。
具体的には、第２の透明導電層の膜厚は、好ましくは、１０〜１００ｎｍである。１０ｎｍ以上の場合に、低いシート抵抗を実現でき、１００ｎｍ以下の場合に、高い透過率を実現できるからである。
なお、第２の透明導電層を備える場合、第１の透明導電層の開口部は第２の透明導電層によって被覆されるが、この場合であっても、第１の透明導電層の開口部は、光学顕微鏡により、光透過率の違いから識別可能である。また、この場合、上で定義した「開口部」は、透明導電層が薄く形成された領域であって、光学顕微鏡で観察したときの光透過率が実質的に一定である領域を意味すると定義することも可能である。
また、第２の透明導電層は、その表面上に凹凸を有していることが好ましい。この場合、さらに、光電変換効率を向上させることができるからである。
第２の透明導電層は、第１の透明導電層と同様の材料群、および製法群で形成することができる。
なお、第１及び第２の透明導電層は、その合成されたシート抵抗が５〜２５Ω／□であることが好ましい。「合成されたシート抵抗」とは、第１及び第２の透明導電層からなる透明導電層全体のシート抵抗を意味する。
ここで、合成されたシート抵抗が５Ω／□以上であれば、第２の透明導電層の膜厚が十分に薄いので、高い透過率を達成でき、２５Ω／□以下であれば、シリーズ抵抗が小さくなり、形状因子を高くすることができる。これにより、本実施形態の基板を用いて製造された光電変換装置の光電変換効率が向上する。
なお、第１の透明導電層上に、第１の透明導電層の開口部を被覆する金属膜をさらに備えてもよい。
３−２．第２の実施形態
第１の発明の第２の実施形態に係る光電変換装置は、第１の実施形態の光電変換装置用基板上に、光電変換層と、裏面電極層とがこの順で積層されている。以下、スーパーストレートタイプ構造を有する光電変換装置について説明するが、サブストレートタイプ構造を有する場合でも同様に適用できる。
第１の実施形態の基板上に、光電変換層を形成しているので、光電変換層に入射する光の量を増加させることができ、光電変換装置の短絡電流密度を向上させることができる。
３−２−１．光電変換層
光電変換層は、第１の実施形態の光電変換装置用基板上に形成される。光電変換層は、通常、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層を有するｐｎ接合、もしくはｐ型半導体層、真性（ｉ型）半導体層、およびｎ型半導体層を有するｐｉｎ接合により形成されるが、ｐ型半導体層とｎ型半導体層のどちらか一方のみを有するショットキー接合やその他公知の半導体接合により形成されていてもよい。また、前記真性半導体層は、光電変換機能を損なわない限り、弱いｐ型またはｎ型の導電型を示すものであってもよい。
上述の各半導体層を構成する材料としては、シリコン等の元素半導体、シリコンに炭素やゲルマニウムまたはその他の不純物が添加されたシリコン合金、ガリウム砒素やリン化インジウムなどのIII−Ｖ族化合物半導体、テルル化カドミウムや硫化カドミウムなどのII−VI族化合物半導体、銅−インジウム−ガリウム−セレンなどの多元系化合物半導体、酸化チタン等の多孔質膜に色素等を吸着させたものなどが挙げられる。これらの製法としては、ＭＢＥ法、ＣＶＤ法、蒸着法、近接昇華法、スパッタ法、ゾルゲル法、スプレー法、スクリーン印刷法等の公知の作製方法を半導体材料に応じて適宜用いることができる。上記ＣＶＤ法としては、常圧ＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤ、ホットワイヤーＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ法等が挙げられる。
光電変換層が水素化微結晶シリコンを用いて形成されたｐｉｎ接合からなる場合を例にあげて、光電変換層の形成方法について説明する。なお、水素化微結晶シリコンとは、結晶シリコン薄膜をプラズマＣＶＤ法などの非平衡プロセスを用いて低温で作製した場合、結晶粒径が小さく(数十から千Å程度)、アモルファスシリコンとの混合相になる場合が多いが、このような状態の薄膜を総称したものである。
光電変換層は、ｐ型半導体層及びｉ型半導体層及びｎ型半導体層から成り、光入射側からｐｉｎの順に堆積し、形成する。ここで、ｎｉｐの順に堆積して形成することも可能である。ｐ型半導体層は、水素化微結晶シリコン半導体に、ボロン、アルミニウム等のｐ導電型となる不純物原子がドープされたものである。ｉ型半導体層は、特に不純物を添加していない水素化微結晶シリコン半導体である。ただし、実質的に真性半導体であれば、少量の不純物元素が含まれていてもよい。ｎ型半導体層は、上記半導体層に、リン、窒素、酸素等のｎ導電型となる不純物原子がドープされたものである。ここで、上述の各半導体層は、炭素やゲルマニウムなどの元素を添加して禁制帯幅を変化させたシリコン合金を適宜用いてもよい。
また、ｉ型半導体層（光活性層）の膜厚は、特に限定されるものではないが、光電変換機能を損なわないことおよび製造コストを低減することの各観点から、１μｍ〜１０μｍ程度が望ましい。ｐ型半導体層及びｎ型半導体層は光活性層ではないため、その膜厚は、光電変換機能を損なわない範囲で薄いほうがよい、したがって、特に限定されるものではないが、１００ｎｍ以下が望ましい。
裏面電極層は、導電層が少なくとも１層以上あればよく、光反射率が大きく導電率が高い程好ましい。これらを満たす材料として、光反射率の高い銀、アルミニウム、チタン、パラジウム等の金属材料やその合金が用いられ、ＣＶＤ法、スパッタリング法、真空蒸着法、電子ビーム蒸着法、スプレー法、スクリーン印刷法等により光電変換層の上に形成される。
また、裏面電極層は、光電変換層上に順次積層された裏面透明導電層と、導電層からなることが好ましい。裏面透明導電層を備えることにより、入射光に対する光閉じ込め向上効果や光反射率向上効果が得られ、さらに、導電層中に含まれる元素の光電変換層への拡散を抑制することができる。
このように、裏面電極層は、光電変換層で吸収しきれなかった光を反射して、再度光電変換層に戻すことで光電変換効率を向上させることが期待できる。ただし、第１の発明をサブストレートタイプ構造に適用する場合には、前記裏面電極層として、櫛形など表面を一様に覆わないグリッド形状であることが望ましい。
以上の構成により、第１の実施形態の光電変換装置用基板を用いた、光電変換効率の高い光電変換装置を得ることができる。
３−３．第３の実施形態
第１の発明の第３の実施形態に係る積層型光電変換装置は、第１の実施形態の光電変換装置用基板上に、複数の光電変換層と、裏面電極層とがこの順で積層される。以下、スーパーストレートタイプ構造を有する積層型光電変換装置について説明するが、サブストレートタイプ構造を有する場合でも同様に適用できる。
本実施形態に係る積層型光電変換装置は、複数の光電変換層を有するので、各光電変換層に幅広い光スペクトル領域を分割して受光させることができ、光の有効活用ができる。また、開放端電圧が各光電変換層での起電力の和となるので、開放端電圧が高くなる。
また、本実施形態に係る積層型光電変換装置は、隣接する２つの光電変換層（入射側から第１の光電変換層、第２の光電変換層と呼ぶ。）の少なくとも１組に挟持された第１の中間層を備えてもよい。
第１の中間層は、第１の中間層に達した光の一部を反射し、残りの光を透過させるため、第１の中間層よりも光入射側の光電変換層（第１の光電変換層）への入射光量を増加させ、第１の光電変換層での光電流を増加させることができる。
また、第１及び第２の光電変換層の異なる導電型の半導体層（例えば、第１の光電変換層のｎ型半導体層と、第２の光電変換層のｐ型半導体層）が直接接触すると、オーミックなコンタクト特性が得られ難くなる現象が生じる場合があるが、中間層を介して第１及び第２の光電変換層を接触させることにより、係る現象の発生を防ぐことができる。また、第１の中間層は、第１の光電変換層を保護し、第２の光電変換層を形成する際に、第１の光電変換層がダメージを受けるのを抑制することができる。これらの効果により、積層型光電変換装置の光電変換効率が向上する。
第１の中間層に望まれる特性としては、少なくとも第１の中間層より裏面電極層側の光電変換層（第２の光電変換層）が光吸収可能な波長領域において光吸収係数が小さいこと、および大きな直列抵抗を生じない程度の電気伝導率を有していることの２つであり、この条件を満たす材料を用いることが望ましい。
第１の中間層は、例えば、第１又は第２の透明導電層と同様の材料及び製法を用いて形成することができる。また、第１の中間層上には、複数の凹凸が形成されていることが好ましい。
第１の中間層の平均膜厚は、５〜５００ｎｍであることが好ましく、より好ましくは１０〜２００ｎｍである。なぜなら、第１の中間層の平均膜厚が５ｎｍ以上の場合に、上記中間層の効果が表れ、５００ｎｍ以下の場合に、高い透過率が達成できるからである。これにより、光電変換効率が向上する。
第１の中間層は、第１の中間層を挟持する１組の光電変換層が互いに接触するような、少なくとも１つの開口部を有することが好ましい。第１の中間層の開口部は、透明導電層を光学顕微鏡等で観察することにより確認することができる。また、ここでの、「開口部」とは、第１の中間層が十分に薄くされた、又は完全に除去された領域であって、光学顕微鏡で観察したときの光透過率が実質的に一定である領域を意味する。
第１の中間層の開口部は、第１の透明導電層の開口部と同様の方法を用いて形成することができる。第１の中間層の開口部を通過する光は、第１の中間層による光損失の影響を受けないので、第２の光電変換層に導かれる光量が増加する。すなわち、第１の中間層の実質的な透過率が向上するので、第２の光電変換層で利用できる光量がさらに増加する。したがって、光電変換装置の光電流が増加して光電変換効率を向上させることができる。
また、本実施形態の積層型光電変換装置は、第１の中間層とその上の光電変換層（第２の光電変換層）との間に、第１の中間層の開口部を被覆する第２の中間層をさらに備えることが好ましい。
第２の中間層は、例えば、第１又は第２の透明導電層と同様の材料及び製法を用いて形成することができる。第２の中間層を設けることにより、中間層全体のシート抵抗を低減させることができる。また、第１及び第２の光電変換層の異なる導電型の半導体層（例えば、第１の光電変換層のｎ型半導体層と、第２の光電変換層のｐ型半導体層）が直接接触して、オーミックなコンタクト特性が得られ難くなる現象を防ぐことができる。また、第２の中間層は、第１の光電変換層を保護し、第２の光電変換層を形成する際に、第１の光電変換層がダメージを受けるのを抑制することができる。これらの効果により、積層型光電変換装置の光電変換効率が向上する。
第２の中間層の膜厚は、第１の中間層の開口部での透過率及び開口部以外の部分の凹凸形状を大きく変化させないように、第１の中間層の膜厚より薄くすることが望ましい。また、第２の中間層の表面にも凹凸が存在するのがより好ましい。
第１及び第２の中間層の表面に形成されている凹凸は、第１及び第２の光電変換層の界面において、第１の光電変換層を透過してきた光を屈折・散乱させる。その結果、光路長が長くなることで光閉込効果を高め、実質的に第１及び第２の光電変換層で利用できる光量を増やすことができる。
第２の光電変換層は、第１又は第２の中間層の上に形成される。第２の光電変換層は、第２の実施形態での光電変換層と同様の方法で形成することができる。
裏面電極層は、第２の光電変換層上に形成される。裏面電極層は、第２の実施形態で示したのと同様の方法で形成することができる。
ただし、本発明をサブストレートタイプ構造に適用する場合には、上記第１及び第２の光電変換層の表記が互いに入れ替わる点に注意が必要である。
以上の構成により、光電変換効率の高い積層型光電変換装置を得ることができる。
以下、第１及び第２の発明の実施例を説明する。なお、本発明である第２の発明の実施例は「５」（実施例３７から）に記載している。
４．第１の発明についての実施例
４−１．透明導電層に開口部を形成することによる効果についての実施例（実施例１〜１２）
以下、第１の発明の実施例を説明する。
尚、本実施例では光電変換装置の例として、スーパーストレート型の水素化微結晶シリコン光電変換装置および水素化アモルファスシリコン／水素化微結晶シリコン積層型光電変換装置を挙げて説明する。
図１は、実施例１に係る光電変換装置用基板１を示す断面図である。光電変換装置用基板１は、透光性基板３の少なくとも一部の表面領域上に形成された第１の透明導電層５を備え、第１の透明導電層５は、透光性基板を露出させる少なくとも１つの開口部７を有する。また、第１の透明導電層５は、その表面上に凹凸９を有する。
以下、図１を用いて、光電変換装置用基板１の製造方法について説明する。
まず、表面が平滑なガラス基板からなる透光性基板３上に、酸化亜鉛を厚さ８００ｎｍとなるようにマグネトロンスパッタリング法により基板温度２００℃で堆積し、第１の透明導電層５を形成した
次に、第１の透明導電層５表面のエッチングを行った。第１の透明導電層５を液温２５℃の０．５％塩酸水溶液に１５０秒浸した後、第１の透明導電層５の表面を純水で十分に洗浄し、乾燥させた。エッチング後の第１の透明導電層５のシート抵抗は２２Ω／□、膜厚は３００ｎｍであり、波長５５０ｎｍの光に対する透過率は８５％、ヘイズ率は７１％であった。また、第１の透明導電層５の表面形状を詳細に調べるため、光学顕微鏡により表面形状を観察した。その結果、第１の透明導電層５では透光性基板３が第１の透明導電層５側に露出した開口部７が点在していることが分かった。
図２は、実施例２に係る光電変換装置用基板２１を示す断面図である。実施例１との違いは、第１の透明導電層５上に、第１の透明導電層５の開口部７を被覆する第２の透明導電層１１が形成されていることである。
実施例１と同様にして第１の透明導電層５まで形成した後、第１の透明導電層５上にマグネトロンスパッタリング法により基板温度２００℃で、酸化亜鉛を厚さ８０ｎｍとなるように堆積し、第２の透明導電層１１を形成した。
第２の透明導電層１１を形成した後の透明導電層全体のシート抵抗は１５Ω／□であり、波長５５０ｎｍの光に対する透過率は８５％、ヘイズ率は７０％であった。実施例１と比較すると、シート抵抗は低下し、透過率及びヘイズ率はほとんど変わらないことが分かった。
透明導電層の表面形状を詳細に調べるため、光学顕微鏡および原子間力顕微鏡により表面形状を観察した。その結果、第２の透明導電層１１が第１の透明導電層５の開口部７を被覆していることが分かった。
図３は、実施例３に係る光電変換装置３１を示す断面図である。光電変換装置３１では、実施例１で得られた光電変換装置用基板１上に、光電変換層１３と、裏面電極層１５とがこの順で積層されている。光電変換層１３では、ｐ型半導体層１３ａ、ｉ型半導体層１３ｂ、及びｎ型半導体層１３ｃがこの順で積層されている。裏面電極層１５では、裏面透明導電層１５ａ及び導電層１５ｂがこの順で積層されている。
以下、図３を用いて、光電変換装置３１の製造方法について説明する。
まず、実施例１で得られた光電変換装置用基板１の上に、プラズマＣＶＤ法により、原料ガスにＳｉＨ4、Ｈ2、Ｂ2Ｈ6を用い、ｐ導電型不純物原子であるボロンが０．０２原子％ドープされるようにｐ型微結晶シリコン層を厚さ２０ｎｍで堆積して、ｐ型半導体層１３ａを形成した。次に、原料ガスにＳｉＨ4、Ｈ2を用いてｉ型微結晶シリコン層を厚さ２．５μｍで堆積して、ｉ型半導体層１３ｂを形成した。次に、原料ガスにＳｉＨ4、Ｈ2、ＰＨ3を用い、ｎ導電型不純物原子であるリンが０．２原子％ドープされるようにｎ型アモルファスシリコン層を厚さ２５ｎｍで堆積して、ｎ型半導体層１３ｃを形成した。これにより、光電変換層１３が形成された。製膜時の基板温度は各々の層において２００℃とした。
次に、光電変換層１３上に、マグネトロンスパッタリング法により酸化亜鉛を厚さ５０ｎｍで堆積して裏面透明導電層１５ａを形成し、さらに、銀を厚さ５００ｎｍで堆積して導電層１５ｂを形成し、２層を合わせて裏面電極層１５とした。以上の工程により、透光性基板３側から光を入射する光電変換装置３１を製造した。
得られた光電変換装置３１のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は２６．６ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は０．５２Ｖ、形状因子は７０．１％、光電変換効率は９．７％であった。
図４は、実施例４に係る光電変換装置４１を示す断面図である。光電変換装置４１は、実施例２で得られた基板２１上に、実施例３と同じ条件で光電変換層１３と、裏面電極層１５とを積層して、製造した。
得られた光電変換装置４１のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は２６．５ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は０．５３Ｖ、形状因子は７３．０％、光電変換効率は１０．３％であった。
図５は、実施例５に係る積層型光電変換装置５１を示す断面図である。積層型光電変換装置５１では、実施例１で得られた光電変換装置用基板１上に、第１の光電変換層２３と、第２の光電変換層２５と、裏面電極層１５とがこの順で積層されている。
以下、図５を用いて、積層型光電変換装置５１の製造方法について説明する。
まず、実施例１で得られた光電変換装置用基板１の上に、プラズマＣＶＤ法により、原料ガスにＳｉＨ4、Ｈ2、Ｂ2Ｈ6を用い、ｐ導電型不純物原子であるボロンが０．２原子％ドープされるようにｐ型微結晶シリコン層を厚さ１５ｎｍで堆積して、ｐ型半導体層２３ａを形成した。次に、原料ガスにＳｉＨ4、Ｈ2を用いてｉ型微結晶シリコン層を厚さ３００ｎｍで堆積して、ｉ型半導体層２３ｂを形成した。次に、原料ガスにＳｉＨ4、Ｈ2、ＰＨ3を用い、ｎ導電型不純物原子であるリンが０．２原子％ドープされるようにｎ型アモルファスシリコン層を厚さ２５ｎｍｎで堆積して、ｎ型半導体層２３ｃを形成した。これにより、第１の光電変換層２３が形成された。製膜時の基板温度は各々の層において２００℃とした。
次に、実施例３で光電変換層１３を形成したのと同じ条件で、第２の光電変換層２５を形成した。さらに、実施例３と同じ条件で、裏面電極層１５を形成した。
以上の工程により、透光性基板３側から光を入射する積層型光電変換装置５１を製造した。
得られた積層型光電変換装置５１のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は１３．１ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は１．３５Ｖ、形状因子は７１．８％、光電変換効率は１２．７％であった。
図６は、実施例６に係る積層型光電変換装置６１を示す断面図である。実施例５との違いは、第１及び第２の光電変換層２３、２５の間に第１の中間層２７が形成されている点である。
以下、図６を用いて、積層型光電変換装置６１の製造方法について説明する。
まず、実施例５と同じ方法で、第１の光電変換層２３まで形成した。
次に、マグネトロンスパッタリング法により基板温度２００℃で、酸化亜鉛を厚さ１００ｎｍで堆積して第１の中間層２７を形成した。
次に、実施例５と同じ方法で、第２の光電変換層２５及び裏面電極層１５を形成した。
以上の工程により、透光性基板３側から光を入射する積層型光電変換装置６１を製造した。
得られた積層型光電変換装置６１のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は１３．３ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は１．３８Ｖ、形状因子は７３．１％、光電変換効率は１３．４％であった。
図７は、実施例７に係る積層型光電変換装置７１を示す断面図である。実施例６との違いは、第１の中間層２７は、第１及び第２の光電変換層２３、２５が互いに接触するような少なくとも１つの開口部２９を有する点である。
以下、図７を用いて、積層型光電変換装置７１の製造方法について説明する。
まず、実施例５と同じ方法で、第１の光電変換層２３まで形成した。
次に、マグネトロンスパッタリング法により基板温度２００℃で、酸化亜鉛を厚さ２００ｎｍで堆積して第１の中間層２７を形成した。
次に、第１の中間層２７の表面のエッチングを、実施例１の第１の透明導電層５のエッチングと同様の方法で行うことにより、開口部２９を形成した。ただし、エッチング時間は、２０秒である。こうして得られた第１の中間層２７の表面形状を詳細に調べるため、光学顕微鏡および原子間力顕微鏡により表面形状を観察した。その結果、第１の中間層２７には第１の光電変換層２３が露出した開口部２９が点在していることが分かった。また、第１の中間層２７表面には、凹凸２８が形成されている。
次に、実施例５と同じ方法で、第２の光電変換層２５及び裏面電極層１５を形成した。
以上の工程により、透光性基板３側から光を入射する積層型光電変換装置７１を製造した。
得られた積層型光電変換装置７１のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は１３．７ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は１．３７Ｖ、形状因子は７２．９％、光電変換効率は１３．７％であった。
図８は、実施例８に係る積層型光電変換装置８１を示す断面図である。実施例７との違いは、第１の中間層２７と、第２の光電変換層２５との間に、第１の中間層２７の開口部２９を被覆する第２の中間層３３が形成されていることである。
以下、図８を用いて、積層型光電変換装置８１の製造方法について説明する。
まず、実施例７と同じ方法で、第１の中間層２７を形成し、第１の中間層２７をエッチングすることにより、開口部２９を形成するまでの工程を行った。
次に、第２の透明導電層１１と同様の製法で酸化亜鉛を厚さ１５ｎｍで堆積して第２の中間層３３を形成した。
ここで、第２の中間層３３の表面形状を詳細に調べるため、光学顕微鏡および原子間力顕微鏡により表面形状を観察した。その結果、第２の中間層３３は、第１の中間層２７の開口部２９を被覆していることが分かった。
次に、実施例５と同じ方法で、第２の光電変換層２５及び裏面電極層１５を形成した。
以上の工程により、透光性基板３側から光を入射する積層型光電変換装置８１を製造した。
得られた積層型光電変換装置８１のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は１３．６ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は１．３９Ｖ、形状因子は７３．６％、光電変換効率は１３．９％であった。
図９は、実施例９に係る積層型光電変換装置９１を示す断面図である。実施例５との違いは、本実施例では、実施例２で得られた基板上に、第１の光電変換層２３と、第２の光電変換層２５と、裏面電極層１５とがこの順で積層されている点である。
第１の光電変換層２３、第２の光電変換層２５、及び裏面電極層１５は、実施例５と同様の方法で形成した。これにより、透光性基板３側から光を入射する積層型光電変換装置９１を製造した。
得られた積層型光電変換装置９１のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は１３．０ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は１．３６Ｖ、形状因子は７２．８％、光電変換効率は１２．９％であった。
図１０は、実施例１０に係る積層型光電変換装置１０１を示す断面図である。実施例６との違いは、本実施例では、実施例２で得られた基板上に、第１の光電変換層２３と、第１の中間層２７と、第２の光電変換層２５と、裏面電極層１５とがこの順で積層されている点である。
第１の光電変換層２３、第２の光電変換層２５、第１の中間層２７、及び裏面電極層１５は、実施例６と同様の方法で形成した。これにより、透光性基板３側から光を入射する積層型光電変換装置１０１を製造した。
得られた積層型光電変換装置１０１のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は１３．２ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は１．３９Ｖ、形状因子は７３．５％、光電変換効率は１３．５％であった。
図１１は、実施例１１に係る積層型光電変換装置１１１を示す断面図である。実施例７との違いは、本実施例では、実施例２で得られた基板上に、第１の光電変換層２３と、開口部２９を有する第１の中間層２７と、第２の光電変換層２５と、裏面電極層１５とがこの順で積層されている点である。
第１の光電変換層２３、第２の光電変換層２５、開口部２９を有する第１の中間層２７、及び裏面電極層１５は、実施例７と同様の方法で形成した。これにより、透光性基板３側から光を入射する積層型光電変換装置１１１を製造した。
得られた積層型光電変換装置１１１のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は１３．６ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は１．３８Ｖ、形状因子は７３．４％、光電変換効率は１３．８％であった。
図１２は、実施例１２に係る積層型光電変換装置１２１を示す断面図である。実施例８との違いは、本実施例では、実施例２で得られた基板上に、第１の光電変換層２３と、開口部２９を有する第１の中間層２７と、第２の中間層３３と、第２の光電変換層２５と、裏面電極層１５とがこの順で積層されている点である。
第１の光電変換層２３、第２の光電変換層２５、開口部２９を有する第１の中間層２７、第２の中間層３３及び裏面電極層１５は、実施例８と同様の方法で形成した。これにより、透光性基板３側から光を入射する積層型光電変換装置１２１を製造した。
得られた積層型光電変換装置１２１のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は１３．５ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は１．４１Ｖ、形状因子は７４．３％、光電変換効率は１４．１％であった。
比較例１
比較例１と実施例１の違いは、比較例１では、第１の透明導電層５に開口部７が形成されておらず、表面凹凸９だけが存在する点である。
比較例１に係る光電変換装置用基板は、第１の透明導電層５を、その膜厚が５００ｎｍとなるように形成した点、及び塩酸水溶液でのエッチング時間を９０秒とした点を除いては、実施例１と同様の方法で製造した。
この場合、第１の透明導電層５の平均膜厚は３８０ｎｍ、シート抵抗は１５Ω／□、波長５５０ｎｍの光に対する透過率は８０％、ヘイズ率が４５％であり、開口部７は存在しなかった。
比較例２
比較例２と実施例３の違いは、比較例２では、比較例１で得られた基板上に光電変換層１３と、裏面電極層１５とがこの順で積層されている点である。
光電変換層１３及び裏面電極層１５の形成方法は、実施例３と同様である。
得られた光電変換装置のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は２３．５ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は０．５２Ｖ、形状因子は７１．０％、光電変換効率は８．１％であった。
比較例３
比較例３と実施例６との違いは、比較例３では、比較例１で得られた基板上に、第１の光電変換層２３、第１の中間層２７、第２の光電変換層２５、及び裏面電極層１５とがこの順で積層されている点である。
第１の光電変換層２３、第１の中間層２７、第２の光電変換層２５、及び裏面電極層１５の形成方法は、実施例６と同様である。
得られた積層型光電変換装置のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は１１．８ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は１．３８Ｖ、形状因子は７３．２％、光電変換効率は１１．９％であった。
（考察）
光電変換装置用基板においては、従来の光電変換装置用基板である比較例１の場合より、実施例１の方が高いヘイズ率が実現できると共に高い透過率が得られている。一方、シート抵抗はやや増加してしまっているが、２５Ω／□以下であるため光電変換装置用基板として望ましい特性を有している。
また、実施例２は、実施例１の高いヘイズ率および高い透過率を実現した状態で、さらにシート抵抗を低減できていることがわかる。
したがって、比較例１の場合より、実施例１および２のいずれの場合においても光電変換装置用基板として望ましい特性を有していることが明らかになった。
また、表１は上述の比較例２〜３、実施例３〜１２の光電変換装置の光電変換特性をまとめた結果である。光電変換層を１つ備える光電変換装置においては、表１より、従来の光電変換装置用基板を用いた比較例２の構造の場合より、実施例３および４の構造の方が、いずれの場合においても高い短絡電流密度が得られたことにより、光電変換効率を向上させることができた。複数の光電変換層を備える積層型光電変換装置においても同様に、表１より、従来の光電変換装置用基板および中間層を用いた比較例３の構造の場合より、実施例５〜１２の構造の方が、いずれの場合においても高い短絡電流密度が得られたことにより、光電変換効率を向上させることができた。
Figure 2009060149
（第１の発明についての実施例）
４−２．透明導電層の開口率や開口部のサイズを変化させることによる効果についての実施例（実施例１３〜３６）
図３に示す構造の光電変換装置３１を以下のように作製した。
まず、透光性基板３として表面が平滑なガラス基板を用い、第１の透明導電層５として酸化亜鉛を厚さ６００ｎｍとなるようにマグネトロンスパッタリング法により基板温度２００℃で形成した。続いて、第１の透明導電層５表面のエッチングを行った。液温２５℃の０．５％塩酸水溶液に１１０秒浸した後、第１の透明導電層５表面を純水で十分に洗浄し、乾燥させた。エッチング後の第１の透明導電層５のシート抵抗は２５Ω／□、平均膜厚は約３８０ｎｍであり、波長５５０ｎｍの光に対する透過率は７８．０％、ヘイズ率は６７％であった。また、第１の透明導電層５の表面形状を詳細に調べるため、光学顕微鏡により表面形状を観察した。その結果、第１の透明導電層５では透光性基板３が露出した開口部７が点在していることが分かった。また、開口部７の平均半径は０．５１μｍ、開口部密度は９７３５ｍｍ-2、第１の透明導電層５の開口率は０．８％であった。以上の工程により、光電変換装置用基板が得られた。
次に、得られた光電変換装置用基板の上に、プラズマＣＶＤ法により、原料ガスにＳｉＨ4、Ｈ2、Ｂ2Ｈ6を用い、ｐ導電型不純物原子であるボロンが０．０２原子％ドープされるようにｐ型微結晶シリコン層を厚さ２０ｎｍで堆積して、ｐ型半導体層１３ａを形成した。次に、原料ガスにＳｉＨ4、Ｈ2を用いてｉ型微結晶シリコン層を厚さ２．５μｍで堆積して、ｉ型半導体層１３ｂを形成した。次に、原料ガスにＳｉＨ4、Ｈ2、ＰＨ3を用い、ｎ導電型不純物原子であるリンが０．２原子％ドープされるようにｎ型アモルファスシリコン層を厚さ２５ｎｍで堆積して、ｎ型半導体層１３ｃを形成した。これにより、光電変換層１３が形成された。製膜時の基板温度は各々の層において２００℃とした。
次に、光電変換層１３上に、マグネトロンスパッタリング法により酸化亜鉛を厚さ５０ｎｍで堆積して裏面透明導電層１５ａを形成し、さらに、銀を厚さ５００ｎｍで堆積して導電層１５ｂを形成し、２層を合わせて裏面電極層１５とした。以上の工程により、透光性基板３側から光を入射する光電変換装置３１を作製した。
得られた光電変換装置のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は２３．３ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は０．５２Ｖ、形状因子は７２％、光電変換効率は８．７％であった。
図３に示す構造の光電変換装置において、第１の透明導電層５のエッチング前の厚さが６５０ｎｍであり、エッチング時間が１２０秒である以外は実施例１３と同様の方法で光電変換装置用基板を形成した。
エッチング後の第１の透明導電層５のシート抵抗は２４Ω／□、平均膜厚は３８０ｎｍであり、波長５５０ｎｍの光に対する透過率は８４．０％、ヘイズ率は６５％であった。また、光学顕微鏡により表面形状を観察した結果、平均半径は０．９１μｍ、開口部密度は１４７３５ｍｍ-2、開口率は３．８％であった。
光電変換装置用基板上に、実施例１３と同様の方法で光電変換層１３、裏面電極層１５を形成し、透光性基板３側から光を入射する光電変換装置を作製した。
得られた光電変換装置のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は２４．２ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は０．５２Ｖ、形状因子は７１％、光電変換効率は８．９％であった。
図３に示す構造の光電変換装置において、第１の透明導電層５のエッチング前の厚さが７００ｎｍであり、エッチング時間が１３０秒である以外は実施例１３と同様の方法で光電変換装置用基板を形成した。
エッチング後の第１の透明導電層５のシート抵抗は２２Ω／□、膜厚は３９０ｎｍであり、波長５５０ｎｍの光に対する透過率は８３．８％、ヘイズ率は７１％であった。また、光学顕微鏡により表面形状を観察した結果、平均半径は１．２７μｍ、開口部密度は１５００９ｍｍ-2、開口率は７．６％であった。
光電変換装置用基板上に、実施例１３と同様の方法で光電変換層１３、裏面電極層１５を形成し、透光性基板３側から光を入射する光電変換装置を作製した。
得られた光電変換装置のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は２５．５ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は０．５２Ｖ、形状因子は７１％、光電変換効率は９．４％であった。
図３に示す構造の光電変換装置において、第１の透明導電層５のエッチング前の厚さが７５０ｎｍであり、エッチング時間が１４０秒である以外は実施例１３と同様の方法で光電変換装置用基板を形成した。
エッチング後の第１の透明導電層５のシート抵抗は２３Ω／□、膜厚は３９０ｎｍであり、波長５５０ｎｍの光に対する透過率は８４．３％、ヘイズ率は７６％であった。また、光学顕微鏡により表面形状を観察した結果、平均半径は１．４５μｍ、開口部密度は１５３８８ｍｍ-2、開口率は１０．１％であった。
光電変換装置用基板上に、実施例１３と同様の方法で光電変換層１３、裏面電極層１５を形成し、透光性基板３側から光を入射する光電変換装置を作製した。
得られた光電変換装置のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は２６．３ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は０．５２Ｖ、形状因子は７１％、光電変換効率は９．７％であった。
図３に示す構造の光電変換装置において、第１の透明導電層５のエッチング前の厚さが８００ｎｍであり、エッチング時間が１５０秒である以外は実施例１３と同様の方法で光電変換装置用基板を形成した。
エッチング後の第１の透明導電層５のシート抵抗は２１Ω／□、膜厚は４００ｎｍであり、波長５５０ｎｍの光に対する透過率は８３．０％、ヘイズ率は７８％であった。また、光学顕微鏡により表面形状を観察した結果、平均半径は１．４５μｍ、開口部密度は１９４３５ｍｍ-2、開口率は１２．８％であった。
光電変換装置用基板上に、実施例１３と同様の方法で光電変換層１３、裏面電極層１５を形成し、透光性基板３側から光を入射する光電変換装置を作製した。
得られた光電変換装置のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は２６．６ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は０．５２Ｖ、形状因子は７１％、光電変換効率は９．８％であった。
図３に示す構造の光電変換装置において、第１の透明導電層５のエッチング前の厚さが８５０ｎｍであり、エッチング時間が１６０秒である以外は実施例１３と同様の方法で光電変換装置用基板を形成した。
エッチング後の第１の透明導電層５のシート抵抗は２０Ω／□、平均膜厚は４００ｎｍであり、波長５５０ｎｍの光に対する透過率は８２．２％、ヘイズ率は７８％であった。また、光学顕微鏡により表面形状を観察した結果、平均半径は２．１８μｍ、開口部密度は１６７９５ｍｍ-2、開口率は２５．０％であった。
光電変換装置用基板上に、実施例１３と同様の方法で光電変換層１３、裏面電極層１５を形成し、透光性基板３側から光を入射する光電変換装置を作製した。
得られた光電変換装置のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は２６．３ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は０．５２Ｖ、形状因子は７１％、光電変換効率は９．７％であった。
図３に示す構造の光電変換装置において、第１の透明導電層５のエッチング前の厚さが９００ｎｍであり、エッチング時間が１７０秒である以外は実施例１３と同様の方法で光電変換装置用基板を形成した。
エッチング後の第１の透明導電層５のシート抵抗は２１Ω／□、平均膜厚は４１０ｎｍであり、波長５５０ｎｍの光に対する透過率は８０．９％、ヘイズ率は７２％であった。また、光学顕微鏡により表面形状を観察した結果、平均半径は２．７３μｍ、開口部密度は１２０６５ｍｍ-2、開口率は２８．２％であった。
光電変換装置用基板上に、実施例１３と同様の方法で光電変換層１３、裏面電極層１５を形成し、透光性基板３側から光を入射する光電変換装置を作製した。
得られた光電変換装置のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は２５．０ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は０．５２Ｖ、形状因子は７１％、光電変換効率は９．２％であった。
図３に示す構造の光電変換装置において、第１の透明導電層５のエッチング前の厚さが９５０ｎｍであり、エッチング時間が１８０秒である以外は実施例１３と同様の方法で光電変換装置用基板を形成した。
エッチング後の第１の透明導電層５のシート抵抗は２２Ω／□、平均膜厚は４２０ｎｍであり、波長５５０ｎｍの光に対する透過率は８１．０％、ヘイズ率は６８％であった。また、光学顕微鏡により表面形状を観察した結果、平均半径は２．９２μｍ、開口部密度は１１９８１ｍｍ-2、開口率は３２．１％であった。
光電変換装置用基板上に、実施例１３と同様の方法で光電変換層１３、裏面電極層１５を形成し、透光性基板３側から光を入射する光電変換装置を作製した。
得られた光電変換装置のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は２４．６ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は０．５２Ｖ、形状因子は７０％、光電変換効率は９．０％であった。
図３に示す構造の光電変換装置において、第１の透明導電層５のエッチング前の厚さが１０００ｎｍであり、エッチング時間が１９０秒である以外は実施例１３と同様の方法で光電変換装置用基板を形成した。
エッチング後の第１の透明導電層５のシート抵抗は２２Ω／□、平均膜厚は４２０ｎｍであり、波長５５０ｎｍの光に対する透過率は８１．３％、ヘイズ率は６６％であった。また、光学顕微鏡により表面形状を観察した結果、平均半径は３．１３μｍ、開口部密度は１２０１２ｍｍ-2、開口率は３６．９％であった。
光電変換装置用基板上に、実施例１３と同様の方法で光電変換層１３、裏面電極層１５を形成し、透光性基板３側から光を入射する光電変換装置を作製した。
得られた光電変換装置のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は２３．５ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は０．５２Ｖ、形状因子は７０％、光電変換効率は８．５％であった。
（比較例４）
図３に示す構造の光電変換装置において、第１の透明導電層５のエッチング前の厚さが１１００ｎｍであり、エッチング時間が２１０秒である以外は実施例１３と同様の方法で光電変換装置用基板を形成した。
エッチング後の第１の透明導電層５のシート抵抗は２３Ω／□、平均膜厚は４３０ｎｍであり、波長５５０ｎｍの光に対する透過率は８５．９％、ヘイズ率は５２％であった。また、光学顕微鏡により表面形状を観察した結果、平均半径は３．５０μｍ、開口部密度は９７３２ｍｍ-2、開口率は３７．４％であった。
光電変換装置用基板上に、実施例１３と同様の方法で光電変換層１３、裏面電極層１５を形成し、透光性基板３側から光を入射する光電変換装置を作製した。
得られた光電変換装置のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は２２．０ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は０．５１Ｖ、形状因子は７０％、光電変換効率は７．９％であった。
（従来例１）
図３において、光電変換装置用基板の第１の透明導電層５は１層構造で開口部７は無く、表面凹凸だけが存在すること以外は図３と同じ構造の光電変換装置を以下のように作製した。
透光性基板３として表面が平滑なガラス基板を用い、透光性基板３上に第１の透明導電層５として酸化亜鉛を６００ｎｍ厚さになるように形成し、液温２５℃の０．５％塩酸水溶液に９０秒浸した後、基板表面を純水で十分に洗浄すること以外は実施例１３と同様の方法で光電変換装置用基板を形成した。この第１の透明導電層５の平均膜厚は３８０ｎｍ、シート抵抗は１５Ω／□、波長５５０ｎｍの光に対する透過率は７６．０％、ヘイズ率が６６％であり、開口部７は存在しない。
光電変換装置用基板上に、実施例１３と同様の方法で光電変換層１３、裏面電極層１５を形成し、透光性基板３側から光を入射する光電変換装置を作製した。
得られた光電変換装置のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は２２．５ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は０．５２Ｖ、形状因子は７２％、光電変換効率は８．４％であった。
（従来例１、比較例４、実施例１３から２１の考察）
表２は上述の実施例１３から２１、比較例４及び従来例１による光電変換装置用基板の諸特性および光電変換装置の光電変換特性をまとめた結果である。
Figure 2009060149
まず、光電変換装置用基板の特性について考える。光電変換装置用基板は、シート抵抗が２５Ω／□以下で、ほぼ一定になるように、エッチング前の膜厚が薄い場合はエッチング時間を短く、エッチング前の膜厚が厚い場合はエッチング時間を長くして調節し、作製した。そのため、開口率が大きい場合ほど、エッチング後の平均膜厚が次第に増加していく傾向にある。
表２より、従来例１、実施例１３から２１、比較例４の順番で、平均半径の値が大きくなると共に開口率も増加していることが明らかになった。一方、開口部密度は実施例１７のときを極大値とする上に凸な曲線を描いて変化した。開口部密度の変化の傾向は、平均半径が小さい場合においては、平均半径、開口部密度は共に大きくなることができるが、平均半径が一定以上の大きさになると開口部同士が接触し次第に一体化してゆくため開口部密度の値が小さくなっていくことに起因していると考えられる。
次に、光電変換特性に大きな影響を与えるヘイズ率（５５０ｎｍ）および透過率が、開口率によりどのように変化するのかについて考える。従来例１、実施例１３から２１、比較例４の順番で開口率が増加するにつれて、ヘイズ率（５５０ｎｍ）および透過率は実施例１５から１８のときを極大値とする上に凸な曲線を描く傾向を示すことが明らかになった。また、ヘイズ率（５５０ｎｍ）および透過率のいずれにおいても従来例１と比較すると実施例１３から２１の方が高い値を示すことがわかった。
続いて、光電変換装置用基板の特性が光電変換装置の特性に与える効果について考える。図１３に開口率と短絡電流密度との相関関係を示す。図１３において、符号５２（□）は従来例１について、符号５３（●）は実施例１３から実施例２１について、符号５４（×）は比較例４についてのデータを示す。
図１３によると、開口率が小さい場合、短絡電流密度は開口率の増加と共に増加する。開口率が１０〜２５％程度になると、短絡電流密度の増加は止まり、極大を形成する。さらに、開口率が２５％より大きくなると、短絡電流密度は、減少し始める。また、０．８〜３７％の範囲で開口部が存在しない従来例１（開口率０％）よりも高い値が得られることがわかる。また、実施例２１と比較例４とを比較すると、開口率が何れも３７％前後で大きく変わっているわけではないにもかかわらず、短絡電流密度は比較例４の方が大きく下回っている。これは、表２より、平均半径が３．５μｍまで大きくなりすぎるとヘイズ率が急激に低下してしまうために生じた結果ではないかと考えられる。また、表２より、開放端電圧および形状因子は、開口率０．８％〜３７％の範囲で大きくは低下していない。以上より、光電変換効率は短絡電流密度とほぼ同様の傾向を示すことが明らかになった。
したがって、光電変換装置の光電変換効率を向上させるためには、開口率を０．８〜３７％の範囲とし、さらに、平均半径を３．１３μｍ以下にすることが好ましいことが分かる。
これらの効果より、開放端電圧および形状因子をほとんど低下させることなく短絡電流密度を大きく向上させることができ、もって光電変換効率を向上させることができたと考えられる。
図４に示す構造の光電変換装置４１を以下のように作製した。
実施例１７と同様にして第１の透明導電層５まで形成した後、第１の透明導電層５上にマグネトロンスパッタリング法により基板温度２００℃で、第２の透明導電層１１として酸化亜鉛を厚さ５ｎｍとなるように光電変換装置用基板を形成した。第２の透明導電層１１形成後のシート抵抗は２１Ω／□であり、波長５５０ｎｍの光に対する透過率は８３．０％、ヘイズ率は７８％であった。実施例１７と比較すると、透過率、ヘイズ率、シート抵抗いずれの値も変化していないことが明らかになった。第２の透明導電層１１の表面形状を詳細に調べるため、光学顕微鏡および原子間力顕微鏡により表面形状を観察した。その結果、第２の透明導電層１１により開口部７を被覆していることが分かった。
前記光電変換装置用基板上に、光電変換層１３および裏面電極層１５の順に実施例１３と同様にして形成し、透光性基板３側から光を入射する光電変換装置を作製した。
得られた光電変換装置のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は２６．６ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は０．５２Ｖ、形状因子は７１％、光電変換効率は９．８％であった。
図４に示す構造の光電変換装置において、第２の透明導電層１１の膜厚が１０ｎｍである以外は実施例２２と同様の方法で光電変換装置用基板を形成した。
第２の透明導電層１１形成後のシート抵抗は１８Ω／□であり、波長５５０ｎｍの光に対する透過率は８２．５％、ヘイズ率は７８％であった。実施例１７と比較すると、透過率及びヘイズ率をほとんど変化させずにシート抵抗を低下できていることが明らかになった。第２の透明導電層１１の表面形状を詳細に調べるため、光学顕微鏡および原子間力顕微鏡により表面形状を観察した。その結果、第２の透明導電層１１により開口部７を被覆していることが分かった。
前記第２の透明導電層１１上に、光電変換層１３および裏面電極層１５の順に実施例１３と同様にして形成し、透光性基板３側から光を入射する光電変換装置を作製した。
得られた光電変換装置のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は２６．６ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は０．５２Ｖ、形状因子は７２％、光電変換効率は９．９％であった。
図４に示す構造の光電変換装置において、第２の透明導電層１１の膜厚が２０ｎｍである以外は実施例２２と同様の方法で光電変換装置用基板を形成した。
第２の透明導電層１１形成後のシート抵抗は１７Ω／□であり、波長５５０ｎｍの光に対する透過率は８２．０％、ヘイズ率は７８％であった。
前記光電変換装置用基板上に、光電変換層１３および裏面電極層１５の順に実施例１３と同様にして形成し、透光性基板３側から光を入射する光電変換装置を作製した。
得られた光電変換装置のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は２６．５ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は０．５３Ｖ、形状因子は７３％、光電変換効率は１０．１％であった。
図４に示す構造の光電変換装置において、第２の透明導電層１１の膜厚が５０ｎｍである以外は実施例２２と同様の方法で光電変換装置用基板を形成した。
第２の透明導電層１１形成後のシート抵抗は１５Ω／□であり、波長５５０ｎｍの光に対する透過率は８１．５％、ヘイズ率は７８％であった。
前記光電変換装置用基板上に、光電変換層１３および裏面電極層１５の順に実施例１３と同様にして形成し、透光性基板３側から光を入射する光電変換装置を作製した。
得られた光電変換装置のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は２６．５ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は０．５３Ｖ、形状因子は７３％、光電変換効率は１０．２％であった。
図４に示す構造の光電変換装置において、第２の透明導電層１１の膜厚が８０ｎｍである以外は実施例２２と同様の方法で光電変換装置用基板を形成した。
第２の透明導電層１１形成後のシート抵抗は１３Ω／□であり、波長５５０ｎｍの光に対する透過率は８０．５％、ヘイズ率は７７％であった。
前記光電変換装置用基板上に、光電変換層１３および裏面電極層１５の順に実施例１３と同様にして形成し、透光性基板３側から光を入射する光電変換装置を作製した。
得られた光電変換装置のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は２６．０ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は０．５３Ｖ、形状因子は７３％、光電変換効率は１０．１％であった。
図４に示す構造の光電変換装置において、第２の透明導電層１１の膜厚が１００ｎｍである以外は実施例２２と同様の方法で光電変換装置用基板を形成した。
第２の透明導電層１１形成後のシート抵抗は１０Ω／□であり、波長５５０ｎｍの光に対する透過率は７９．０％、ヘイズ率は７７％であった。
前記光電変換装置用基板上に、光電変換層１３および裏面電極層１５の順に実施例１３と同様にして形成し、透光性基板３側から光を入射する光電変換装置を作製した。
得られた光電変換装置のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は２５．４ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は０．５３Ｖ、形状因子は７４％、光電変換効率は９．９％であった。
図４に示す構造の光電変換装置において、第２の透明導電層１１の膜厚が１２０ｎｍである以外は実施例２２と同様の方法で光電変換装置用基板を形成した。
第２の透明導電層１１形成後のシート抵抗は５Ω／□であり、波長５５０ｎｍの光に対する透過率は７７．５％、ヘイズ率は７６％であった。
前記光電変換装置用基板上に、光電変換層１３および裏面電極層１５の順に実施例１３と同様にして形成し、透光性基板３側から光を入射する光電変換装置を作製した。
得られた光電変換装置のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は２４．５ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は０．５３Ｖ、形状因子は７４％、光電変換効率は９．６％であった。
（実施例１７、実施例２２から２８の考察）
表３は上述の実施例１７、実施例２２から２８による光電変換装置用基板の諸特性および光電変換装置の光電変換特性をまとめた結果である。
Figure 2009060149
まず、光電変換装置用基板の特性について考える。実施例１７、実施例２２から２８の順番で、膜厚が増加するに伴い、シート抵抗が減少していくこと、透過率がわずかに低下していくこと、ヘイズ率はほとんど変化しないことが表３よりわかる。このときの光電変換効率と第２の透明導電層の膜厚との相関関係を図１４に示す。図１４において、符号５６（□）は実施例１７について、符号５７（●）は実施例２２〜実施例２８についてのデータを示す。
実施例２２から２８の何れにおいても表２記載の実施例１７を上回る光電変換効率が得られていることがわかる。より詳細に見ると、第２の透明導電層の膜厚が５ｎｍ以下の場合には、第２の透明導電層を設けていない実施例１７と比較して光電変換特性は変化せず、１２０ｎｍ以上になると光電変換効率が実施例１７を下回るため、光電変換効率が大きく向上した１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲がより好ましいことが明らかになった。これは、第２の透明導電層の膜厚が５ｎｍ以下の場合には、膜厚が薄いため十分な効果が得られていないためであると考えられる。一方、第２の透明導電層の膜厚が１２０ｎｍ以上の場合には、透過率の低下による短絡電流密度の低下がシート抵抗の低減による形状因子および開放端電圧の向上効果を上回ってしまうと考えられる。すなわち、第２の透明導電層の膜厚が１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲で、第２の透明導電層の膜厚を増加させると、ヘイズ率および透過率にほとんど影響を与えることなく、シート抵抗の減少による形状因子および開放端電圧の向上効果を実現できると考えられる。
したがって、変換装置の光電変換効率を大きく向上させるためには、第２の透明導電層の膜厚が１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲であることが望ましい。
これらの効果より、短絡電流密度をほとんど低下させることなく開放端電圧および形状因子を向上させることができ、もって光電変換効率を向上させることができたと考えられる。
図５は、実施例２９に係る積層型光電変換装置５１を示す断面図である。図５に示す構造の光電変換装置５１を以下のように作製した。
実施例１７と同様にして光電変換装置用基板まで形成した後、プラズマＣＶＤ法により、原料ガスにＳｉＨ4、Ｈ2、Ｂ2Ｈ6を用い、ｐ導電型不純物原子であるボロンが０．２原子％ドープされるようにｐ型微結晶シリコン層を厚さ１５ｎｍで堆積して、ｐ型半導体層２３ａを形成した。次に、原料ガスにＳｉＨ4、Ｈ2を用いてｉ型微結晶シリコン層を厚さ３００ｎｍで堆積して、ｉ型半導体層２３ｂを形成した。次に、原料ガスにＳｉＨ4、Ｈ2、ＰＨ3を用い、ｎ導電型不純物原子であるリンが０．２原子％ドープされるようにｎ型アモルファスシリコン層を厚さ２５ｎｍで堆積して、ｎ型半導体層２３ｃを形成した。これにより、第１の光電変換層２３が形成された。製膜時の基板温度は各々の層において２００℃とした。
次に、実施例１３で光電変換層１３を形成したのと同じ条件で、第２の光電変換層２５を形成した。さらに、実施例１３と同じ条件で、裏面電極層１５を形成した。
以上より、透光性基板３側から光を入射する積層型光電変換装置５１を作製した。
得られた積層型光電変換装置のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は１３．１ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は１．３５Ｖ、形状因子は７２％、光電変換効率は１２．７％であった。
図６は、実施例３０に係る積層型光電変換装置６１を示す断面図である。実施例２９との違いは、第１及び第２の光電変換層２３、２５の間に第１の中間層２７が形成されている点である。
以下、図６を用いて、積層型光電変換装置６１の製造方法について説明する。
まず、実施例２９と同じ方法で、第１の光電変換層２３まで形成した。
次に、マグネトロンスパッタリング法により基板温度２００℃で、酸化亜鉛を厚さ１００ｎｍで堆積して第１の中間層２７を形成した。
次に、実施例２９と同じ方法で、第２の光電変換層２５及び裏面電極層１５を形成した。
以上の工程により、透光性基板３側から光を入射する積層型光電変換装置６１を作製した。
得られた積層型光電変換装置のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は１３．３ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は１．３８Ｖ、形状因子は７３％、光電変換効率は１３．４％であった。
図７は、実施例３１に係る積層型光電変換装置７１を示す断面図である。実施例３０との違いは、第１の中間層２７は、第１及び第２の光電変換層２３、２５が互いに接触するような少なくとも１つの開口部２９を有する点である。
以下、図７を用いて、積層型光電変換装置７１の製造方法について説明する。
まず、実施例２９と同じ方法で、第１の光電変換層２３まで形成した。
次に、マグネトロンスパッタリング法により基板温度２００℃で、酸化亜鉛を厚さ２００ｎｍで堆積して第１の中間層２７を形成した。
次に、第１の中間層２７の表面のエッチングを、実施例１７の第１の透明導電層５のエッチングと同様の方法で行うことにより、開口部２９を形成した。ただし、エッチング時間は、２０秒である。こうして得られた第１の中間層２７の表面形状を詳細に調べるため、光学顕微鏡および原子間力顕微鏡により表面形状を観察した。その結果、第１の中間層２７には第１の光電変換層２３が露出した開口部２９が点在していることが分かった。また、第１の中間層２７表面には、凹凸２８が形成されている。
次に、実施例２９と同じ方法で、第２の光電変換層２５及び裏面電極層１５を形成した。
以上の工程により、透光性基板３側から光を入射する積層型光電変換装置７１を作製した。
得られた積層型光電変換装置のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は１３．７ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は１．３７Ｖ、形状因子は７３％、光電変換効率は１３．７％であった。
図８は、実施例３２に係る積層型光電変換装置８１を示す断面図である。実施例３１との違いは、第１の中間層２７と、第２の光電変換層２５との間に、第１の中間層２７の開口部２９を被覆する第２の中間層３３が形成されていることである。
以下、図８を用いて、積層型光電変換装置８１の製造方法について説明する。
まず、実施例３１と同じ方法で、第１の中間層２７を形成し、第１の中間層２７をエッチングすることにより、開口部２９を形成するまでの工程を行った。
次に、第２の透明導電層１１と同様の製法で酸化亜鉛を厚さ１５ｎｍで堆積して第２の中間層３３を形成した。
ここで、第２の中間層３３の表面形状を詳細に調べるため、光学顕微鏡および原子間力顕微鏡により表面形状を観察した。その結果、第２の中間層３３は、第１の中間層２７の開口部２９を被覆していることが分かった。
次に、実施例２９と同じ方法で、第２の光電変換層２５及び裏面電極層１５を形成した。
以上の工程により、透光性基板３側から光を入射する積層型光電変換装置８１を作製した。
得られた積層型光電変換装置のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は１３．６ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は１．３９Ｖ、形状因子は７４％、光電変換効率は１３．９％であった。
図９は、実施例３３に係る積層型光電変換装置９１を示す断面図である。実施例２９との違いは、本実施例では、第１の透明導電層５の開口部７を覆うように第２の透明導電層１１が形成されている点である。
第１の光電変換層２３、第２の光電変換層２５、及び裏面電極層１５は、実施例２９と同様の方法で形成した。これにより、透光性基板３側から光を入射する積層型光電変換装置９１を作製した。
得られた積層型光電変換装置のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は１３．０ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は１．３６Ｖ、形状因子は７３％、光電変換効率は１２．９％であった。
図１０は、実施例３４に係る積層型光電変換装置１０１を示す断面図である。実施例３０との違いは、本実施例では、第１の透明導電層５の開口部７を覆うように第２の透明導電層１１が形成されている点である。
第１の光電変換層２３、第２の光電変換層２５、第１の中間層２７、及び裏面電極層１５は、実施例３０と同様の方法で形成した。これにより、透光性基板３側から光を入射する積層型光電変換装置１０１を作製した。
得られた積層型光電変換装置のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は１３．２ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は１．３９Ｖ、形状因子は７４％、光電変換効率は１３．５％であった。
図１１は、実施例３５に係る積層型光電変換装置１１１を示す断面図である。実施例３１との違いは、本実施例では、第１の透明導電層５の開口部７を覆うように第２の透明導電層１１が形成されている点である。
第１の光電変換層２３、第２の光電変換層２５、開口部２９を有する第１の中間層２７、及び裏面電極層１５は、実施例３１と同様の方法で形成した。これにより、透光性基板３側から光を入射する積層型光電変換装置１１１を作製した。
得られた積層型光電変換装置のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は１３．６ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は１．３８Ｖ、形状因子は７３％、光電変換効率は１３．８％であった。
図１２は、実施例３６に係る積層型光電変換装置１２１を示す断面図である。実施例３２との違いは、本実施例では、第１の透明導電層５の開口部７を覆うように第２の透明導電層１１が形成されている点である。
第１の光電変換層２３、第２の光電変換層２５、開口部２９を有する第１の中間層２７、第２の中間層３３及び裏面電極層１５は、実施例３２と同様の方法で形成した。これにより、透光性基板３側から光を入射する積層型光電変換装置１２１を作製した。
得られた積層型光電変換装置のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は１３．５ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は１．４１Ｖ、形状因子は７４％、光電変換効率は１４．１％であった。
（比較例５）
光電変換装置用基板の第１の透明導電層５は１層構造で開口部７は無く、表面凹凸だけが存在すること以外は図６と同じ構造の積層型光電変換装置を以下のように作製した。
従来例１と同様にして、光電変換装置用基板まで形成した後、第１の光電変換層１３以降の層については実施例３０と同様な製法で作製し、透光性基板３側から光を入射する積層型光電変換装置を作製した。
得られた積層型光電変換装置のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は１１．８ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧は１．３８Ｖ、形状因子は７３％、光電変換効率は１１．９％であった。
（比較例５、実施例２９から３６の考察）
表４は上述の比較例５、実施例２９から３６による積層型光電変換装置の光電変換特性をまとめた結果である。表４より、従来の光電変換装置用基板および中間層を有する比較例５の構造の場合より、実施例２９から３６の構造の方がいずれの場合においても高い短絡電流密度が得られ、光電変換効率を向上させることができたことが分かる。
Figure 2009060149
５．第２の発明についての実施例
以下、第２の発明の実施例を説明する。
尚、本実施例では積層型光電変換装置として、スーパーストレート型の水素化アモルファスシリコン／水素化微結晶シリコン積層型光電変換装置を例として挙げ説明する。
５−１．中間層に開口部が存在する場合と、存在しない場合の比較
（実施例３７）
５−１−１．積層型光電変換装置の構造
図１５は、実施例３７に係る積層型光電変換装置の構造を示す断面図である。本実施例の積層型光電変換装置は、透光性基板２０１上に、前面透明導電層２０３、第１の光電変換層２０５、中間層２０７、第２の光電変換層２０９、裏面電極層２１１をこの順に重ねて備える。中間層２０７は、複数の開口部２０８を有し、第１及び第２の光電変換層２０５、２０９は、前記開口部２０８を介して互いに接触する。また、第１の光電変換層２０５は、ｐ型半導体層２０５ａ、ｉ型半導体層２０５ｂ及びｎ型半導体層２０５ｃをこの順に重ねて備え、第２の光電変換層２０９は、ｐ型半導体層２０９ａ、ｉ型半導体層２０９ｂ及びｎ型半導体層２０９ｃをこの順に重ねて備える。裏面電極層２１１は、裏面透明導電層２１１ａと、導電層２１１ｂをこの順に重ねて備える。
５−１−２．積層型光電変換装置の製造方法
この積層型光電変換装置は、以下のように作製した。
まず、透光性基板２０１として表面が平滑なガラス基板を用い、前面透明導電層２０３として酸化亜鉛を厚さ５００ｎｍとなるようにマグネトロンスパッタリング法により基板温度２００℃で形成した。続いて、前面透明導電層２０３表面のエッチングを行った。液温２５℃の０．５％塩酸水溶液に９０秒浸した後、前面透明導電層２０３表面を純水で十分に洗浄した。エッチング後の前面透明導電層２０３のシート抵抗は１５Ω／□、膜厚は３８０ｎｍであり、波長５５０ｎｍの光に対する透過率は８０％、ヘイズ率は４５％であった。
得られた基板上に、プラズマＣＶＤ法により、原料ガスにＳｉＨ4、Ｈ2、Ｂ2Ｈ6を用い、導電型決定不純物原子であるボロンが０．２原子％ドープされるように作製したｐ型アモルファスシリコン層を厚さ１５ｎｍで堆積して、ｐ型半導体層２０５ａを形成した。次に、原料ガスにＳｉＨ4、Ｈ2を用いて作製したｉ型アモルファスシリコン層を厚さ３００ｎｍで堆積して、ｉ型半導体層２０５ｂを形成した。次に、原料ガスにＳｉＨ4、Ｈ2、ＰＨ3を用い、導電型決定不純物原子であるリンが０．２原子％ドープされるように作製したｎ型アモルファスシリコン層を厚さ２５ｎｍで堆積して、ｎ型半導体層２０５ｃを形成した。これにより、第１の光電変換層２０５が形成された。製膜時の基板温度は各々の層において２００℃とした。
第１の光電変換層２０５の上に、マグネトロンスパッタリング法により基板温度２００℃で、中間層２０７として酸化亜鉛を厚さ２００ｎｍとなるように形成した。続いて、中間層２０７表面のエッチングを行い開口部２０８を形成した。前面透明導電層２０３のエッチングと同様に液温２５℃の０．５％塩酸水溶液に２０秒浸した後、中間層２０７表面を純水で十分に洗浄し、乾燥させた。こうして得られた中間層２０７の表面形状を詳細に調べるため、光学顕微鏡により表面形状を観察した。その結果、中間層２０７ではｎ型半導体層２０５ｃが露出した開口部２０８が点在していることが確認された。
開口部２０８を有する中間層２０７の上に、プラズマＣＶＤ法により、原料ガスにＳｉＨ4、Ｈ2、Ｂ2Ｈ6を用い、導電型決定不純物原子であるボロンが０．０２原子％ドープされるように作製したｐ型微結晶シリコン層を厚さ２０ｎｍで堆積して、ｐ型半導体層２０９ａを形成した。次に、原料ガスにＳｉＨ4、Ｈ2を用いて作製したｉ型微結晶シリコン層を厚さ２．５μｍで堆積して、ｉ型半導体層２０９ｂを形成した。次に、原料ガスにＳｉＨ4、Ｈ2、ＰＨ3を用い導電型決定不純物原子であるリンが０．２原子％ドープされるように作製したｎ型アモルファスシリコン層を厚さ２５ｎｍで堆積して、ｎ型半導体層２０９ｃを形成した。これにより、第２の光電変換層２０９が形成された。製膜時の基板温度は各々の層において２００℃とした。
第２の光電変換層２０９上にマグネトロンスパッタリング法により裏面透明導電層２１１ａとして酸化亜鉛を厚さ５０ｎｍと導電層２１１ｂとして銀を厚さ５００ｎｍ、２層を合わせて裏面電極層２１１として形成し、基板２０１側から光を入射する積層型光電変換装置を作製した。
得られた積層型光電変換装置のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下における受光面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、短絡電流密度（ＪSC）は１２．７ｍＡ／ｃｍ2、開放端電圧（ＶOC）は１．３９Ｖ、形状因子（Ｆ．Ｆ．）は７３．１％、光電変換効率（Ｅｆｆ．）は１２．９％であった。
５−１−３．比較例６
図１６は、比較例６に係る積層型光電変換装置の構造を示す断面図である。実施例３７が開口部２０８を有する中間層２０７を備える代わりに、比較例６は、開口部を有しない中間層２１７を備える。それ以外の構造は、実施例３７と同様である。
実施例３７と同様にして第１の光電変換層２０５まで形成した後、第１の光電変換層２０５の上に、マグネトロンスパッタリング法により基板温度２００℃で、中間層２１７として酸化亜鉛を厚さ１００ｎｍとなるように形成した。酸化亜鉛の厚さは、実施例３７の開口部２０８を有する中間層２０７の平均厚さと同じになるように決めた。
中間層２１７の上に、実施例３７と同様にして第２の光電変換層２０９及び裏面電極層２１１を作製し、基板２０１側から光を入射する積層型光電変換装置を作製した。
得られた積層型光電変換装置のＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下における受光面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定したところ、ＪSCは１１．８ｍＡ／ｃｍ2、ＶOCは１．３８Ｖ、Ｆ．Ｆ．は７３．２％、Ｅｆｆ．は１１．９％であった。
表５は上述の実施例３７及び比較例６による積層型光電変換装置の光電変換特性をまとめた結果である。
Figure 2009060149
ここで、第１の光電変換層２０５と第２の光電変換層２０９とを独立に測定した分光感度特性をもとに算出した、それぞれの出力電流値を、比較例６における第１の光電変換層２０５の出力電流値を１として規格化した相対値で表した結果も併載している。なお、分光感度特性は、白色光（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射下、室温（２５℃）、バイアス電圧０Ｖ、受光面積０．２５ｃｍ2の条件で測定した。
比較例６においては、中間層２１７で反射された光のうち第１の光電変換層２０５の禁制帯幅では吸収できない長波長光が光電変換に寄与しない損失となっているために、第１の光電変換層２０５の出力電流値が１．００であるのに対して第２の光電変換層２０９では、０．９５しか出力していないと考えられる。積層型光電変換装置では各光電変換層が直列に接続されているため、相対的に小さい第２の光電変換層２０９の出力電流値が積層型光電変換装置全体としての出力電流値になるため、比較例６のＪSCは低い値になっていると考えられる。
一方、実施例３７においては、開口部２０８の存在により、前記長波長光を第２の光電変換層２０９へ導くことが可能になる。また、開口部２０８の存在により、中間層２０７での短波長光の反射が減少し、第１の光電変換層２０５の電流値が減少するとも考えられるが、実際は、第１の光電変換層２０５での電流値は減少していない。これは、短波長光の多くは、中間層２０７に到達する前に第１の光電変換層２０５で吸収されるため、中間層２０７での反射率低減の影響が長波長光と比較して相対的に小さく、第１の光電変換層２０５での電流値の減少につながらなかったと考えられる。このため、第１の光電変換層２０５の出力電流値が比較例６の場合より低下することなく、第２の光電変換層２０９の出力電流値が比較例６の場合より飛躍的に増加していることが表５よりわかる。
また、表５より第１の光電変換層２０５の出力電流値が比較例６の場合よりわずかながら増加していることがわかる。これは、中間層２０７に形成された開口部２０８による表面形状の変化等により第１の光電変換層２０５内での光閉じ込め効果が向上したためであると考えられる。このことから、第２の光電変換層２０９の出力電流値の増加にも開口部２０８による第２の光電変換層２０９内での光閉じ込め向上効果が一部寄与している可能性が推察される。さらに、表５より開口部２０８の有無により、ＶOC、Ｆ．Ｆ．はほとんど影響を受けないことがわかる。
これらの効果より、ＶOC、Ｆ．Ｆ．を低下させることなく積層型光電変換装置全体としてのＪSCを増加させることができ、もってＥｆｆ．を向上させることができたと考えられる。
５−２．中間層の開口率を変化させたときの特性変化
５−２−１．実施例３８〜４７
実施例３８〜４７では、図１５に示す構造の積層型光電変換装置を以下のように作製した。
まず、透光性基板２０１として表面が平滑なガラス基板を用い、前面透明導電層２０３として酸化亜鉛を厚さ６００ｎｍとなるようにマグネトロンスパッタリング法により基板温度２００℃で形成した。続いて、前面透明導電層２０３表面のエッチングを行った。液温２５℃の０．５％塩酸水溶液に９０秒浸した後、前面透明導電層２０３表面を純水で十分に洗浄した。エッチング後の前面透明導電層２０３のシート抵抗は１５Ω／□、平均膜厚は３８０ｎｍであり、波長５５０ｎｍの光に対する透過率は８０％、ヘイズ率は４５％であった。
前面透明導電層２０３の上に、プラズマＣＶＤ法により、原料ガスにＳｉＨ4、Ｈ2、Ｂ2Ｈ6を用い、ｐ導電型不純物原子であるボロンが０．２原子％ドープされるようにｐ型アモルファスシリコン層を厚さ１５ｎｍで堆積して、ｐ型半導体層２０５ａを形成した。次に、原料ガスにＳｉＨ4、Ｈ2を用いてｉ型アモルファスシリコン層を厚さ３００ｎｍで堆積して、ｉ型半導体層２０５ｂを形成した。次に、原料ガスにＳｉＨ4、Ｈ2、ＰＨ3を用い、ｎ導電型不純物原子であるリンが０．２原子％ドープされるようにｎ型アモルファスシリコン層を厚さ２５ｎｍで堆積して、ｎ型半導体層２０５ｃを形成した。これにより、第１の光電変換層２０５が形成された。製膜時の基板温度は各々の層において２００℃とした。
次に、マグネトロンスパッタリング法により基板温度２００℃で、表６記載のように初期膜厚を変化させて酸化亜鉛を堆積した。
堆積した酸化亜鉛の表面のエッチングを、前面透明導電層２０３のエッチングと同様の方法で行うことにより開口部２０８を有する中間層２０７を形成した。ただし、エッチング時間は、表６記載のように変化させた。尚、エッチング後の中間層２０７の平均膜厚は１００ｎｍである。
こうして得られた中間層２０７の表面形状を詳細に調べるため、光学顕微鏡および原子間力顕微鏡により表面形状を観察した。その結果、中間層２０７には第１の光電変換層２０５が露出した開口部２０８が点在していることが分かった。また、中間層２０７表面には、凹凸２０７ａが形成されている。
次に、中間層２０７上に、プラズマＣＶＤ法により、原料ガスにＳｉＨ4、Ｈ2、Ｂ2Ｈ6を用い、ｐ導電型不純物原子であるボロンが０．０２原子％ドープされるようにｐ型微結晶シリコン層を厚さ２０ｎｍで堆積して、ｐ型半導体層２０９ａを形成した。次に、原料ガスにＳｉＨ4、Ｈ2を用いてｉ型微結晶シリコン層を厚さ２．５μｍで堆積して、ｉ型半導体層２０９ｂを形成した。次に、原料ガスにＳｉＨ4、Ｈ2、ＰＨ3を用い、ｎ導電型不純物原子であるリンが０．２原子％ドープされるようにｎ型アモルファスシリコン層を厚さ２５ｎｍで堆積して、ｎ型半導体層２０９ｃを形成した。これにより、第２の光電変換層２０９が形成された。製膜時の基板温度は各々の層において２００℃とした。
次に、第２の光電変換層２０９上に、マグネトロンスパッタリング法により酸化亜鉛を厚さ５０ｎｍで堆積して裏面透明導電層２１１ａを形成し、さらに、銀を厚さ５００ｎｍで堆積して導電層２１１ｂを形成し、２層を合わせて裏面電極層２１１とした。以上の工程により、透光性基板２０１側から光を入射する積層型光電変換装置を作製した。
５−２−２．比較例７〜８
比較例７では図１６に示すように開口部が無い中間層２１７が存在する積層型光電変換装置を、比較例８では中間層が存在しない積層型光電変換装置を以下のように作製した。尚、比較例７〜８において中間層以外の部分については実施例３８〜４７と同じ構造である。
実施例３８〜４７と同様にして、第１の光電変換層２０５まで形成した後、比較例７では第１の光電変換層２０５の上にマグネトロンスパッタリング法により基板温度２００℃で、酸化亜鉛を厚さ１００ｎｍで堆積して中間層２１７を形成した。また、比較例８では中間層は形成しない。
次に、比較例７では中間層２１７上に、比較例８では第１の光電変換層２０５上に、実施例３８〜４７と同じ方法で第２の光電変換層２０９及び裏面電極層２１１を形成した。以上の工程により、透光性基板２０１側から光を入射する積層型光電変換装置を作製した。
５−２−３．実施例４８
実施例４８について、便宜的に図１５を用いて説明するが、中間層２０７の表面形状は、以下に述べる通り、異なっている。
実施例４８では中間層２０７に開口部２０８は存在するが、開口部２０８以外の中間層２０７表面は第１の光電変換層２０５の凹凸形状を引き継いだ凹凸形状以外は存在しない積層型光電変換装置を以下のように作製した。
実施例３８〜４７と同様にして、第１の光電変換層２０５まで形成した後、第１の光電変換層２０５の上にマグネトロンスパッタリング法により基板温度２００℃で、酸化亜鉛を厚さ１００ｎｍになるように形成し、開口部を有するフォトレジストを中間層２０７上に形成したのち、実施例３８〜４７と同様の塩酸水溶液を用いてエッチングを行った。このようにして得られた開口部２０８を有する中間層２０７の表面形状を詳細に調べるため、光学顕微鏡および原子間力顕微鏡により表面形状を観察した。その結果、中間層２０７には第１の光電変換層２０５が露出した開口部２０８が点在していること、および、開口部２０８以外の中間層２０７表面上にはエッチングによる新たな凹凸は形成されていない事が明らかになった。従って、フォトレジストを用いてエッチングにより他の表面形状を変化させることなく開口部２０８のみを選択的に形成できたといえる。また開口率は３８％であった。
次に、中間層２０７上に、実施例３８〜４７と同じ方法で第２の光電変換層２０９及び裏面電極層２１１を形成した。以上の工程により、透光性基板２０１側から光を入射する積層型光電変換装置を作製した。
このようにして得られた本実施例３８〜４７および、比較例７〜８、実施例４８の積層型光電変換装置について、ＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ2）照射条件下におけるセル面積１ｃｍ2の電流−電圧特性を測定した。その結果得られた変換効率を表６にまとめて記し、特に、短絡電流密度の開口率依存性を図２０及び図２１に示した。図２０及び図２１において、（□）は比較例７について、（●）は実施例３８〜４７について、（△）は比較例８についてのデータを示す。
Figure 2009060149
５−２−４．実施例３８〜４７および、比較例７〜８、実施例４８に関する考察
まず、酸化亜鉛の初期膜厚とエッチング時間について考える。中間層２０７はエッチング後の平均膜厚が１００ｎｍでほぼ一定になるように、エッチング前の初期膜厚が薄い場合はエッチング時間を短く、エッチング前の初期幕厚が厚い場合はエッチング時間を長くして調節し、作製した。
その結果、図２０によると、開口率が小さい場合、短絡電流密度は開口率の増加と共に増加する。開口率が４０〜５０％程度になると、短絡電流密度の増加は止まり、極大を形成する。さらに、開口率が５０％より大きくなると、短絡電流密度は、減少し始める。この結果から、開口率が５０％までは開口率が増加するに従い、長波長光が中間層２０７を効率的に透過し、第２の光電変換層２０９において光電変換に寄与するため、短絡電流は増加していくが、開口率が５０％を超えると中間層２０７での反射効果が低下し、第１の光電変換層２０５において光電変換に寄与する光が減少するため、短絡電流密度が減少していくと考えられる。また、表６より、開放端電圧および曲線因子は、開口率０．５％〜９０％の範囲で従来よりも高い短絡電流密度が得られていることがわかる。以上より、光電変換効率は短絡電流密度とほぼ同様の傾向を示すことが明らかになった。
また、実施例４３と実施例４８を比較すると開口率は３８％で同じであるが、実施例４３では中間層２０７表面上に凹凸２０７ａが存在するため、光散乱・屈折等の光閉じ込め効果により、第１の光電変換層２０５及び第２の光電変換層２０９の両方において発生する光電流値をそれぞれ向上させることができ、実施例４８よりも高い短絡電流が得られていると考えられる。
したがって、積層型光電変換装置の光電変換効率を向上させるためには、開口率を０．５〜９０％の範囲にすることが好ましい。さらに、開口率を１６〜６３％の範囲にすると、より高い光電変換効率が得られるため好ましい。
これらの効果より、開放端電圧および形状因子をほとんど低下させることなく短絡電流密度を大きく向上させることができ、もって光電変換効率を向上させることができたと考えられる。
第１の発明に係る、実施例１に係る光電変換装置用基板を示す断面図である。 第１の発明に係る、実施例２に係る光電変換装置用基板を示す断面図である。 第１の発明に係る、実施例３に係る光電変換装置を示す断面図である。 第１の発明に係る、実施例４に係る光電変換装置を示す断面図である。 第１の発明に係る、実施例５に係る積層型光電変換装置を示す断面図である。 第１の発明に係る、実施例６に係る積層型光電変換装置を示す断面図である。 第１の発明に係る、実施例７に係る積層型光電変換装置を示す断面図である。 第１の発明に係る、実施例８に係る積層型光電変換装置を示す断面図である。 第１の発明に係る、実施例９に係る積層型光電変換装置を示す断面図である。 第１の発明に係る、実施例１０に係る積層型光電変換装置を示す断面図である。 第１の発明に係る、実施例１１に係る積層型光電変換装置を示す断面図である。 第１の発明に係る、実施例１２に係る積層型光電変換装置を示す断面図である。 第１の発明に係る、実施例１３から２１に係る、第１の透明導電層の開口率と短絡電流密度との関係を示すグラフである。 第１の発明に係る、実施例２２から２８に係る、第２の透明導電層の膜厚と光電変換効率との関係を示すグラフである。 第２の発明に係る、実施例３７〜４７に係る、積層型光電変換装置の構造を示す断面図である。 比較例６に係る、積層型光電変換装置の構造を示す断面図である。 第２の発明に係る、中間層の開口部の形状を示す平面図である。 第２の発明に係る、中間層の開口部の形状を示す平面図である。 第２の発明に係る、中間層の開口部の形状を示す平面図である。 第２の発明に係る、実施例３８〜４７及び比較例７〜８に係る、中間層の開口率と短絡電流密度との関係を示すグラフである。 第２の発明に係る、実施例３８〜４７及び比較例７〜８に係る、中間層の開口率と光電変換効率との関係を示すグラフである。
符号の説明
１、２１ 光電変換装置用基板
３１、４１ 光電変換装置
５１、６１、７１、８１、９１、１０１、１１１、１２１ 積層型光電変換装置
３ 透光性基板
５ 第１の透明導電層
７ 開口部
９ 凹凸
１１ 第２の透明導電層
１３ 光電変換層
１３ａ ｐ型半導体層
１３ｂ ｉ型半導体層
１３ｃ ｎ型半導体層
１５ 裏面電極層
１５ａ 裏面透明導電層
１５ｂ 導電層
２３ 第１の光電変換層
２５ 第２の光電変換層
２７ 第１の中間層
２８ 凹凸
２９ 開口部
３３ 第２の中間層３３
５２ 従来例１についてのデータ
５３ 実施例１３から２１についてのデータ
５４ 比較例４についてのデータ
５６ 実施例１７についてのデータ
５７ 実施例２２から２８についてのデータ
２０１ 透光性基板
２０３ 前面透明導電層
２０５ 第１の光電変換層
２０５ａ、２０９ａ ｐ型半導体層
２０５ｂ、２０９ｂ ｉ型半導体層
２０５ｃ、２０９ｃ ｎ型半導体層
２０７、２１７、２７１、２７２、２７３ 中間層
２０８、２８１、２８２、２８３、２８４ 開口部
２０９ 第２の光電変換層
２１１ 裏面電極層
２１１ａ 裏面透明導電層
２１１ｂ 導電層
２１４ 各開口部の幅（線分）
２１５ 積層型光電変換装置の幅（線分）

Claims (9)

  1. 複数の光電変換層を重ねて備え、隣接する少なくとも１組の光電変換層は、中間層を挟持し、中間層は、少なくとも１つの開口部を有する透明導電層であり、中間層を挟持する１組の光電変換層は、前記開口部を介して互いに接触する積層型光電変換装置。
  2. 開口部が島状である請求項１に記載の装置。
  3. 中間層は、少なくともその一部が島状に形成されている請求項１に記載の装置。
  4. 中間層は、その表面に凹凸を有する請求項１に記載の装置。
  5. 中間層を挟持する１組の光電変換層の一方は、他方よりも大きな禁制帯幅を有する請求項１に記載の装置。
  6. 中間層を挟持する１組の光電変換層の一方は、水素化アモルファスシリコンからなり、他方は、水素化微結晶シリコンからなる請求項５に記載の装置。
  7. 中間層の開口率が０．５〜９０％である請求項１に記載の装置。
  8. 中間層の開口率が１６〜６３％である請求項１に記載の装置。
  9. 中間層は、その平均膜厚が５〜５００ｎｍである請求項７又は８に記載の装置。
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