JP2009141059A - 薄膜光電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】十分な光閉じ込め効果による高い変換効率を有する薄膜光電変換装置を低コストで提供する。
【解決手段】１以上の光電変換ユニットを含む薄膜光電変換装置において、それらの光電変換ユニットの少なくとも１つ（３ａ、４ａ）は、光入射側から順に一導電型半導体層（３１、４１）、実質的に真性半導体の光電変換層（３２１、４２１）、実質的に真性半導体の高屈折率層（３２２、４２２）、および逆導電型半導体層（３３、４３）を含み、その高屈折率層（３２２、４２２）はその両側に隣接するいずれの層（３２１、３３、４２１、４３）に比べても高い屈折率を有していることを特徴としている。
【選択図】図４

Description

本発明は薄膜光電変換装置の変換特性の改善に関し、特に入射光の利用効率の改善による変換特性の改善に関する。

近年では薄膜光電変換装置の典型例である薄膜太陽電池も多様化し、従来の非晶質薄膜太陽電池の他に結晶質薄膜太陽電池も開発され、これらを積層したハイブリッド型（積層型の一種）薄膜太陽電池も実用化されている。

薄膜太陽電池は、一般に少なくとも表面が絶縁性の基板上に順に積層された透明導電膜の第１電極、１以上の半導体薄膜光電変換ユニット、および第２電極を含んでいる。そして１つの光電変換ユニットはｐ型層とｎ型層でサンドイッチされたｉ型層を含んでいる。

光電変換ユニットの厚さの大部分は、実質的に真性の半導体層であるｉ型層によって占められ、光電変換作用は主としてこのｉ型層内で生じる。したがって、このｉ型層は、通常ではｉ型光電変換層または単に光電変換層と呼ばれる。光電変換層は真性半導体層に限られず、ドープされた不純物によって吸収される光の損失が問題にならない範囲でｐ型またはｎ型に微量にドープされた層であってもよい。光電変換層の厚さは光吸収のためには厚いほうが好ましいが、必要以上に厚くすればその堆積のためのコストと時間が増大することになる。

他方、ｐ型やｎ型の導電型層は光電変換ユニット内に拡散電位を生じさせる役目を果たし、この拡散電位の大きさによって薄膜太陽電池の重要な特性の１つである開放端電圧の値が左右される。しかし、これらの導電型層は光電変換には寄与しない不活性な層であり、導電型層にドープされた不純物によって吸収される光は発電に寄与せず損失となる。したがって、ｐ型とｎ型の導電型層の厚さは、十分な拡散電位を生じさせる範囲内で可能な限り薄くすることが好ましい。

上述のようなことから、ｐｉｎ（またはｎｉｐ）型の光電変換ユニットまたは薄膜太陽電池は、それに含まれるｐ型とｎ型の導電型層が非晶質か結晶質かにかかわらず、ｉ型の光電変換層が非晶質のものは非晶質光電変換ユニットまたは非晶質薄膜太陽電池と称され、ｉ型層が結晶質のものは結晶質光電変換ユニットまたは結晶質薄膜太陽電池と称される。

薄膜太陽電池の変換効率を向上させる方法として、２以上の光電変換ユニットを積層してタンデム型（積層型）にする方法がある。この方法では、薄膜太陽電池の光入射側に大きなバンドギャップを有する光電変換層を含む前方ユニットを配置し、その後方に順に小さなバンドギャップを有する光電変換層を含む後方ユニットを配置することにより、入射光の広い波長範囲にわたって光電変換を可能にし、これによって太陽電池全体としての変換効率の向上が図られる。このようなタンデム型太陽電池の中でも、特に非晶質光電変換ユニットと結晶質光電変換ユニットを積層したものは前述のハイブリッド薄膜太陽電池と称される。

例えば、ｉ型非晶質シリコンが光電変換し得る光の波長は長波長側において８００ｎｍ程度までであるが、ｉ型結晶質シリコンはそれより長い１１００ｎｍ程度の波長までの光を光電変換することができる。ただし、光吸収係数の大きな非晶質シリコン光電変換層は光吸収のためには０．３μｍ程度以下の厚さでも十分であるが、光吸収係数の小さな結晶質シリコン光電変換層は長波長の光をも十分に吸収するためには１．５〜３μｍ程度の厚さを有することが好ましい。すなわち、結晶質光電変換層は、通常は非晶質光電変換層に比べて５〜１０倍程度の厚さを有することが望まれる。

しかし、単一の非晶質シリコン光電変換層を含む薄膜太陽電池と前述のハイブリッド薄膜太陽電池とのいずれにおいても、それらに含まれる光電変換層の厚さをできるだけ小さくすることが生産性の向上および低コスト化の観点からは望ましい。

そこで、例えば特許文献１においては、光電変換層の後方に相対的に屈折率の小さな導電型シリコン系層を配置して特定波長の光の一部を有効に反射させ、それによる所謂光閉じ込め効果を利用した薄膜太陽電池が開示されている。この場合に、光電変換層と低屈折率層との間に付加的な層が介在させられてもよい。すなわち、特許文献１においては、光電変換層とその後方の低屈折率の導電型シリコン系層との間の屈折率差に起因する光閉じ込め効果によって、薄膜太陽電池の短絡電流密度が向上して変換効率が向上する。

他方、特許文献２においては、光電変換層の後方に相対的に低屈折率の導電型シリコン系層とシリコン系界面層が順次配置された薄膜太陽電池が開示されている。この場合においても、光電変換層とその後方の低屈折率の導電型シリコン系層との間の屈折率差に起因する光閉じ込め効果によって、薄膜太陽電池の短絡電流密度が向上して変換効率が向上する。
国際公開第２００５／０１１００２号パンフレット 特開２００５−１３５９８７号公報

しかしながら、特許文献１や２におけるように光電変換層とその後方の低屈折率導電型シリコン系層との屈折率差だけでは光閉じ込め効果としては不十分であり、薄膜太陽電池の変換特性を十分に向上させることはできない。

上述のような先行技術の状況に鑑み、本発明は、十分な光閉じ込め効果による高い変換効率を有する薄膜光電変換装置を低コストで提供することを目的とする。

本発明によれば、１以上の光電変換ユニットを含む薄膜光電変換装置において、それらの光電変換ユニットの少なくとも１つは、光入射側から順に一導電型半導体層、実質的に真性半導体の光電変換層、実質的に真性半導体の高屈折率層、および逆導電型半導体層を含み、その高屈折率層はその両側に隣接するいずれの層に比べても高い屈折率を有していることを特徴としている。

なお、その少なくとも１つの光電変換ユニットは非晶質光電変換ユニットであり得て、実質的に真性半導体の光電変換層としてｉ型非晶質シリコン光電変換層を含むとともに、実質的に真性半導体の高屈折率層としてｉ型非晶質シリコンゲルマニウム層を含み得る。この場合、ｉ型非晶質シリコンゲルマニウム層は、５．５未満の屈折率を有していることが好ましい。また、ｉ型非晶質シリコンゲルマニウム層は、０より大きくて１５０ｎｍより小さい厚さを有していることが好ましい。

本発明による薄膜光電変換装置は非晶質光電変換ユニットに積層された結晶質光電変換ユニットをも好ましく含むことができ、この結晶質光電変換ユニットは実質的に真性半導体の光電変換層としてｉ型結晶質シリコン光電変換層を含むとともに、実質的に真性半導体の高屈折率層としてｉ型結晶質シリコンゲルマニウム層を含み得る。この場合、ｉ型結晶質シリコンゲルマニウム層は、５．５未満の屈折率を有していることが好ましい。また、ｉ型結晶質シリコンゲルマニウム層は、０より大きくて１０００ｎｍより小さい厚さを有していることが好ましい。

以上のような本発明によれば、高屈折率層とその両側に隣接する層との屈折率差に起因する界面反射作用によって光電変換ユニット内で十分な光閉じ込め効果を発揮でき、薄膜光電変換装置の光電変換特性を顕著に向上させることができる。

図１は、本発明の一実施形態による薄膜光電変換装置を模式的な断面図で示している。なお、本願の図面において、同一の参照符号は同一部分または相当部分を表している。また、図面に示された種々の層の厚さ関係は、図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の厚さ関係を表してはいない。

図１のような薄膜光電変換装置の作製においては、まずガラス板などの透光性基板１上に透明導電膜層２を形成する。透明導電膜層２は、例えば酸化亜鉛、酸化錫、酸化インジウムなどの透明導電性酸化物（ＴＣＯ）を利用して形成することができる。

透明導電膜層２上には、第１の光電変換ユニット３ａをプラズマ化学気層成長法（ＰＥＣＶＤ法）により形成する。この第１光電変換ユニット３ａは、光入射側（ガラス基板側）から順に例えば一導電型層としてのｐ型非晶質シリコンカーバイド層３１、実質的に真性のｉ型非晶質シリコン光電変換層３２１、実質的真性のｉ型非晶質シリコンゲルマニウム高屈折率層３２２、および逆導電型層としての非晶質または結晶質のｎ型酸化シリコン層を含むｎ型層３３を含んでいる。すなわち、第１光電変換ユニット３ａは、非晶質光電変換ユニットである。

ここで重要なことは、ｉ型非晶質シリコンゲルマニウム高屈折率層３２２は、その両側に隣接するｉ型非晶質シリコン光電変換層３２１およびｎ型層３３に含まれるｎ型酸化シリコン層のいずれに比べても高い屈折率を有していることである。

ただし、ｉ型光電変換層３２１とｉ型高屈折率層３２２との電気的および光学的特性の連続性を保つために、ｉ型高屈折率層３２２はｉ型光電変換層３２１の非晶質シリコンから非晶質シリコンゲルマニウムに徐々に組成が変わるグレイデッド領域を含むことが好ましい。なお、ｉ型高屈折率層３２２の材質は、非晶質シリコンゲルマニウムに限られず、高い屈折率を有する限りにおいて他のｉ型半導体層を利用することも可能である。

ｉ型高屈折率層３２２とｎ型層３３との間の屈折率差は、その界面における高い反射効果を得るためになるべく大きいことが好ましい。したがって、ｉ型非晶質シリコンゲルマニウム高屈折率層３２２に比べて顕著に低い屈折率を有する酸化シリコン層を含むｎ型層３３が好ましく利用され得る。ただし、ｎ型層３３に含まれる層の材質は、酸化シリコンに限定されず、低い屈折率を有する限りにおいて他のｎ型半導体を利用することも可能である。具体的に幾つかの材料の屈折率を例示すれば、ＳｉＣの屈折率は約２．４〜２．７、ＺｎＯの屈折率は約２．０、ＩＴＯ（インジュウム錫酸化物）の屈折率は約２．０、Ｓｉの屈折率は約４.０、そしてＳｉＧｅの屈折率は約４．０〜５．７であり得る。

第１光電変換ユニット３ａ上には、第２の光電変換ユニット４をＰＥＣＶＤ法により形成する。第２光電変換ユニット４は、光入射側から順に例えばｐ型の非晶質または結晶質の酸化シリコン層４１、実質的に真性のｉ型結晶質シリコン光電変換層４２、およびｎ型結晶質酸化シリコン層を含むｎ型層４３を含んでいる。すなわち、第２光電変換ユニット４は、結晶質光電変換ユニットである。

ｎ型層４３上には、裏面電極層５を形成する。裏面電極層５は、順に積層された酸化亜鉛層と銀層またはアルミニウム層とを含み、これらはＤＣ（直流）スパッタ法によって形成される。こうして作製される図１の積層型薄膜光電変換装置は、非晶質光電変換ユニット３ａと結晶質光電変換ユニット４を含むハイブリッド薄膜光電変換装置である。

以上のような本発明による図１の薄膜光電変換装置においては、非晶質光電変換ユニット３ａ内に含まれるｉ型非晶質シリコン光電変換層３２１の背面に高屈折率のｉ型非晶質シリコンゲルマニウム層３２２を配置し、さらにその背面に低屈折率のｎ型酸化シリコン層を含むｎ型層３３を配置することによって、屈折率差に起因する界面反射効果によるｉ型層３２ａ内への光閉じ込め効果が増大し、第１光電変換ユニット３ａの発電電流密度を増大させることができる。

ここで、図１において、結晶質光電変換ユニット４が省略されても、ｉ型非晶質シリコンゲルマニウム高屈折率層３２２の効果によって非晶質光電変換ユニット３ａの発電電流密度を増大させ得ることが理解されよう。ハイブリッド薄膜光電変換装置において変換効率を高めるためには、非晶質光電変換ユニットと結晶質光電変換ユニットとの発電電流密度を整合させることが重要である。なぜならば、積層型光電変換装置において、全体としての発電電流密度は最も小さな発電電流密度を有する光電変換ユニットによって制限されるからである。

したがって、図１のハイブリッド光電変換装置において、高屈折率層３２２の効果によって非晶質光電変換ユニットの発電電流密度を改善することは、全体としてのハイブリッド光電変換装置の変換効率を顕著に改善することに寄与することになる。

以下においては、本発明による種々の実施例が比較例とともに説明される。なお、本発明が以下の実施例に限定されないことは言うまでもない。

（実施例１）
本発明の実施例１として、図１に対応する積層型薄膜光電変換装置を作製した。まず、ガラスの透光性基板１上に、酸化錫の透明導電層２を熱ＣＶＤ法により約８００ｎｍの厚さに堆積した。こうして形成された酸化錫層は微細な凹凸を含む表面テクスチャ構造を有していて入射光の散乱透過を生じ、光電変換ユニット３ａ、４中の実質的な光路長を長くして光の閉じ込め効果を高める作用を生じる。なお、透明導電層２は酸化錫に限られず、酸化亜鉛、酸化インジウムなどの他のＴＣＯで形成されてもよい。

透明導電層２上には、ＰＥＣＶＤ法によって、厚さ１５ｎｍのｐ型非晶質シリコンカーバイド層３１および厚さ２５０ｎｍのｉ型非晶質シリコン光電変換層３２１を形成した。その後、放電を維持したままで原料ガス組成の変更を行い、波長６００ｎｍの光に関して５．０の屈折率を有する厚さ５０ｎｍのｉ型非晶質シリコンゲルマニウム高屈折率層３２２を形成した。なお、５．０の屈折率は、Ｇｅ／（Ｓｉ＋Ｇｅ）＝７５％のシリコンゲルマニウム層によって得ることができる。

放電維持したままで原料ガス組成の変更を行ったのは、電気的また光学的特性の連続性を保つために非晶質シリコン光電変換層３２１から非晶質シリコンゲルマニウム高屈折率層３２２に徐々に組成が変わるグレイデッド領域を形成するためである。より具体的には、成膜チャンバ内の放電を維持したままでＳｉＨ₄にＧｅＨ₄を追加して導入し、チャンバ内に残っていたＳｉＨ₄の影響によるグレイデッド層を形成した。なお、ＧｅＨ₄は、追加導入時からＧｅＨ₄／（ＳｉＨ₄＋ＧｅＨ₄）＝３５％の一定割合で導入された。

ｉ型非晶質シリコンゲルマニウム高屈折率層３２２上には、波長６００ｎｍの光に関して１．７の低い屈折率を有する厚さ５０ｎｍのｎ型微結晶酸化シリコン層と厚さ５ｎｍのｎ型微結晶シリコン層とを含むｎ型層３３を形成し、これによって第１光電変換ユニット３ａを完成させた。

第１光電変換ユニット３ａ上には、同じくＰＥＣＶＤ法によって、波長６００ｎｍの光に関して２．３の低い屈折率を有する厚さ２０ｎｍのｐ型微結晶酸化シリコン層４１および厚さ２９００ｎｍのｉ型微結晶シリコン光電変換層４２を形成し、さらに波長６００ｎｍの光に関して１．９の低い屈折率を有する厚さ６０ｎｍのｎ型微結晶酸化シリコン層と厚さ５ｎｍのｎ型微結晶シリコン層とを含むｎ型層４３を形成し、これによって第２光電変換ユニット４を完成させた。

最後に、第２光電変換ユニット４上において、アルミニウムがドープされた厚さ３０ｎｍの酸化亜鉛層と厚さ２００ｎｍの銀層とを含む裏面電極層５が、ＤＣスパッタ法にて形成された。

本実施例１で得られた光電変換装置の有効面積１ｃｍ²に関して、ＡＭ１．５のスペクトル分布と１００ｍＷ／ｃｍ²エネルギ密度を有する擬似太陽光を２５℃の環境下で照射して出力特性を測定したところ、短絡電流密度が１４．３８ｍＡ／ｃｍ²、開放電圧が１．３７５Ｖ、曲線因子が０．７１４、そして変換効率が１４．１２％であった。

（実施例２）
本発明の実施例２は、実施例１に比べて、ｉ型非晶質シリコンゲルマニウム高屈折率層３２２の堆積条件のみが種々に変更された種々の光電変換装置が作製されたことにおいて異なっていた。すなわち、本実施例２においては、第１光電変換ユニット３ａ内の厚さ５０ｎｍのｉ型非晶質シリコンゲルマニウム高屈折率層３２２におけるゲルマニウム濃度を種々に変化させ、波長６００ｎｍの光に関する屈折率が４．０から５．７の範囲で種々に変化させられた複数の光電変換装置が作製された。

なお、最も高い５．７の屈折率を有するシリコンゲルマニウム層は、シリコンを含んでいないゲルマニウム層に相当し、ＧｅＨ₄／（ＳｉＨ₄＋ＧｅＨ₄）＝１００％の条件のもとで堆積され、Ｇｅ／（Ｓｉ＋Ｇｅ）＝１００％のゲルマニウム濃度を有していた。

本実施例２で得られた種々の光電変換装置に関して、実施例１の場合と同じ条件で変換効率が測定された。得られた測定結果が、図２のグラフにまとめて示されている。すなわち、図２のグラフにおいて、横軸は波長６００ｎｍの光に関するｉ型非晶質シリコンゲルマニウム高屈折率層３２２の屈折率を表し、縦軸はその高屈折率層を含む光電変換装置の変換効率［％］を表している。

（実施例３）
本発明の実施例３は、実施例１に比べて、ｉ型非晶質シリコンゲルマニウム高屈折率層３２２の厚さが種々に変更さるとともに、それに伴ってｉ型非晶質シリコン光電変換層３２１の厚さも調整されたことのみにおいて異なっていた。すなわち、ｉ型非晶質シリコン光電変換層３２１とｉ型非晶質シリコンゲルマニウム高屈折率層３２２との合計厚さが３００ｎｍになるように設定されるとともに、ｉ型非晶質シリコンゲルマニウム高屈折率層３２２の厚さが０〜２００ｎｍの範囲で種々に変化させられた。

本実施例３で得られた種々の光電変換装置に関して、実施例１の場合と同じ条件で変換効率が測定された。得られた測定結果が、図３のグラフにまとめて示されている。すなわち、図３のグラフにおいて、横軸はｉ型非晶質シリコンゲルマニウム高屈折率層３２２の厚さ［ｎｍ］を表し、縦軸はその高屈折率層を含む光電変換装置の変換効率［％］を表している。

（実施例４）
本発明の実施例４として、図１に類似した図４の模式的断面図に示すような積層型薄膜光電変換装置を作製した。図４の光電変換装置は、第２光電変換ユニット４ａに含まれるｉ型層４２ａがｉ型光電変換層４２１に加えてｉ型高屈折率層４２２を含んでいることのみにおいて異なっている。

より具体的には、本実施例４の光電変換装置では、第２光電変換ユニット４ａに含まれるｉ型層４２ａとして、厚さ２３００ｎｍのｉ型微結晶シリコン光電変換層４２１を形成し、その後に放電維持したままで原料ガス組成の変更を行い、波長６００ｎｍの光に関して５．０の屈折率を有する厚さ２００ｎｍのｉ型微結晶シリコンゲルマニウム高屈折率層４２２を形成した。ここで、放電維持したままで原料ガス組成の変更を行ったのは、電気的また光学的特性の連続性を保つために微結晶シリコン光電変換層４２１から微結晶シリコンゲルマニウム高屈折率層４２２に徐々に組成が変わるグレイデッド領域を形成するためである。

本実施例４で得られた光電変換装置に関して、実施例１の場合と同じ条件で出力特性を測定したところ、短絡電流密度が１４．５３ｍＡ／ｃｍ²、開放電圧が１．３７３Ｖ、曲線因子が０．７３１、そして変換効率が１４．５８％であった。

（実施例５）
本発明の実施例５は、実施例４に比べて、ｉ型微結晶シリコンゲルマニウム高屈折率層４２２の堆積条件のみが種々に変更された種々の光電変換装置が作製されたことにおいて異なっていた。すなわち、本実施例５においては、第２光電変換ユニット４ａ内の厚さ２００ｎｍのｉ型微結晶シリコンゲルマニウム高屈折率層４２２におけるゲルマニウム濃度を種々に変化させ、波長６００ｎｍの光に関する屈折率が４．０から５．７の範囲で種々に変化させられた複数の光電変換装置が作製された。

本実施例５で得られた種々の光電変換装置に関して、実施例１の場合と同じ条件で変換効率が測定された。得られた測定結果が、図５のグラフにまとめて示されている。すなわち、図５のグラフにおいて、横軸は波長６００ｎｍの光に関するｉ型微結晶シリコンゲルマニウム高屈折率層４２２の屈折率を表し、縦軸はその高屈折率層を含む光電変換装置の変換効率［％］を表している。

（実施例６）
本発明の実施例６は、実施例４に比べて、ｉ型微結晶シリコンゲルマニウム高屈折率層４２２の厚さが種々に変更さるとともに、それに伴ってｉ型微結晶シリコン光電変換層４２１の厚さも調整されたことのみにおいて異なっていた。すなわち、ｉ型微結晶シリコン光電変換層４２１とｉ型微結晶シリコンゲルマニウム高屈折率層４２２との合計厚さが２５００ｎｍになるように設定されるとともに、ｉ型微結晶シリコンゲルマニウム高屈折率層４２２の厚さが０〜１５００ｎｍの範囲で種々に変化させられた。

本実施例６で得られた種々の光電変換装置に関して、実施例１の場合と同じ条件で変換効率が測定された。得られた測定結果が、図６のグラフにまとめて示されている。すなわち、図６のグラフにおいて、横軸はｉ型微結晶シリコンゲルマニウム高屈折率層４２２の厚さ［ｎｍ］を表し、縦軸はその高屈折率層を含む光電変換装置の変換効率［％］を表している。

（比較例）
上述の種々の実施例との比較のために、図１に類似した図７の模式的断面図に示すような積層型薄膜光電変換装置を比較例として作製した。図７の光電変換装置は、第１光電変換ユニット３がｉ型非晶質シリコン光電変換層３２１とｉ型非晶質シリコンゲルマニウム高屈折率層３２２の代わりに厚さ３００ｎｍのｉ型非晶質シリコン光電変換層３２を含んでいることのみにおいて異なっていた。

本比較例で得られた光電変換装置に関して、実施例１の場合と同じ条件で出力特性を測定したところ、短絡電流密度が１４．１０ｍＡ／ｃｍ²、開放電圧が１．３９０Ｖ、曲線因子が０．７０９、そして変換効率が１３．９０％であった。

（実施例１と比較例との比較）
実施例１においては、比較例に比べて、短絡電流密度が約０．３ｍＡ／ｃｍ²向上していることが分かる。この理由として、実施例１においては第１光電変換ユニット３ａ内のｉ型非晶質シリコンゲルマニウム高屈折率層３２２がそれに隣接するｉ型非晶質シリコン光電変換層３２１およびｎ型層３３内に含まれる微結晶酸化シリコン層に比べて大きな屈折率を有しているので、それら屈折率差に起因する界面反射作用によってｉ型層３２ａ内の光閉じ込め効果が増大したことによると考えられる。

（実施例２の検討）
実施例２に基づく図２のグラフを検討すれば、第１光電変換ユニット３ａ内のｉ型非晶質シリコンゲルマニウム高屈折率層３２２の屈折率には好ましい数値範囲が存在することが分かる。すなわち、ｉ型非晶質シリコンゲルマニウム高屈折率層３２２の屈折率は前述のようにｉ型非晶質シリコン光電変換層３２１およびｎ型層３３に含まれるｎ型微結晶酸化シリコン層に比べて大きな屈折率を有することを要するが、図２から分かるように５．５未満の屈折率を有することが好ましい。

この場合、上述のようにｉ型非晶質シリコンゲルマニウム高屈折率層３２２がｉ型非晶質シリコン光電変換層３２１およびｎ型層１３３に含まれる微結晶酸化シリコン層に比べて大きな屈折率を有しているので、それらの屈折率差に起因する界面反射作用によってｉ型層３２ａ内の光閉じ込め効果が増大して短絡電流密度が高くなる傾向にある。しかし、非晶質シリコンゲルマニウム高屈折率層３２２の屈折率を高めるためにゲルマニウム濃度を高くし過ぎれば、その層内のキャリアの再結合が増大し、その結果として曲線因子が低下して光電変換効率が低下すると考えられる。

（実施例３の検討）
実施例３に基づく図３のグラフを検討すれば、第１光電変換ユニット３ａ内のｉ型非晶質シリコンゲルマニウム高屈折率層３２２の厚さには好ましい数値範囲が存在することが分かる。すなわち、ｉ型非晶質シリコンゲルマニウム高屈折率層３２２は、図３から分かるように、０より大きくて１５０ｎｍ未満の厚さを有することが好ましい。

この場合、ｉ型非晶質シリコンゲルマニウム高屈折率層３２２の厚さの増大は、光閉じ込め効果を高めて短絡電流密度を増大させる。また、ｉ型非晶質シリコンゲルマニウム高屈折率層３２２はｉ型非晶質シリコン光電変換層３２１に比べて小さなバンドギャップを有するので、その厚さの増大は短絡電流密度を増大させる傾向にある。しかし、ｉ型非晶質シリコン光電変換層３２１の厚さの過剰な増大はその層内でのキャリアの再結合を増大させ、その結果として曲線因子が低下して光電変換効率が低下すると考えられる。

（実施例４と実施例１との比較）
実施例４においては、実施例１に比べて、光電変換効率がさらに向上していることが分かる。これは、実施例４においては第１光電変換ユニット３ａ内のｉ型非晶質シリコンゲルマニウム高屈折率層３２２のみらならず第２光電変換ユニット４ａ内にもｉ型微結晶シリコンゲルマニウム高屈折率層４２２を設けたことによることが明らかであろう。

（実施例５の検討）
実施例５に基づく図５のグラフを検討すれば、第２光電変換ユニット４ａ内のｉ型微結晶シリコンゲルマニウム高屈折率層４２２の屈折率には好ましい数値範囲が存在することが分かる。すなわち、ｉ型微結晶シリコンゲルマニウム高屈折率層４２２の屈折率は前述のようにｉ型微結晶シリコン光電変換層４２１およびｎ型層４３に含まれる微結晶酸化シリコン層に比べて大きな屈折率を有することを要するが、図５から分かるように５．５未満の屈折率を有することが好ましい。

この場合、上述のようにｉ型微結晶シリコンゲルマニウム高屈折率層４２２がｉ型微結晶シリコン光電変換層４２１およびｎ型層４３に含まれる微結晶酸化シリコン層に比べて大きな屈折率を有しているので、それらの屈折率差に起因する界面反射作用によってｉ型層４２ａ内の光閉じ込め効果が増大して短絡電流密度が高くなる傾向にある。しかし、ｉ型微結晶シリコンゲルマニウム高屈折率層４２２の屈折率を高めるためにゲルマニウム濃度を高くし過ぎれば、その層内のキャリアの再結合が増大し、その結果として曲線因子が低下して光電変換効率が低下すると考えられる。

（実施例６の検討）
実施例６に基づく図６のグラフを検討すれば、第２光電変換ユニット４ａ内のｉ型微結晶シリコンゲルマニウム高屈折率層４２２の厚さには好ましい数値範囲が存在することが分かる。すなわち、ｉ型微結晶シリコンゲルマニウム高屈折率層４２２は、図６から分かるように、０より大きくて１０００ｎｍ未満の厚さを有することが好ましい。

この場合、ｉ型微結晶シリコンゲルマニウム高屈折率層４２２の厚さの増大は、光閉じ込め効果を高めて短絡電流密度を増大させる。また、ｉ型微結晶シリコンゲルマニウム高屈折率層４２２はｉ型非晶質シリコン光電変換層４２１に比べて小さなバンドギャップを有するので、その厚さの増大は短絡電流密度を増大させる傾向にある。しかし、ｉ型微結晶シリコンゲルマニウム高屈折率層４２２の厚さの過剰な増大はその層内でキャリアの再結合を増大させ、その結果として曲線因子が低下して光電変換効率が低下すると考えられる。

以上のように、本発明によれば、高屈折率層とその両側に隣接する層との屈折率差に起因する界面反射作用によって光電変換ユニット内で十分な光閉じ込め効果を発揮でき、薄膜光電変換装置の光電変換特性を顕著に向上させることができる。そして、高効率の薄膜光電変換装置を低コストで提供することができる。

本発明の一実施形態による積層型薄膜光電変換装置の積層構造を説明する模式的な断面図である。 図１の積層型薄膜光電変換装置に関して、それに含まれるｉ型非晶質シリコンゲルマニウム高屈折率層の屈折率と変換効率の関係を示すグラフである。 図１の積層型薄膜光電変換装置に関して、それに含まれるｉ型非晶質シリコンゲルマニウム高屈折率層の厚さと変換効率の関係を示すグラフである。 本発明の他の実施形態による積層型薄膜光電変換装置の積層構造を説明する模式的な断面図である。 図４の積層型薄膜光電変換装置に関して、それに含まれるｉ型微結晶シリコンゲルマニウム高屈折率層の屈折率と変換効率の関係を示すグラフである。 図４の積層型薄膜光電変換装置に関して、それに含まれるｉ型微結晶シリコンゲルマニウム高屈折率層の厚さと変換効率の関係を示すグラフである。 従来の積層型薄膜光電変換装置の積層構造を説明する模式的な断面図である。

符号の説明

１ 透光性基板、２ 透明導電層、３、３ａ 第１光電変換ユニット、３１ 一導電型層、３２、３２ａ 実施的に真性のｉ型層、３２１ ｉ型光電変換層、３２２ ｉ型高屈折率層、３３ 逆導電型層、４、４ａ 第２光電変換ユニット、４１ 一導電型層、４２、４２ａ 実質的に真性のｉ型層、４２１ ｉ型光電変換層、４２２ ｉ型高屈折率層、４３ 逆導電型層、５ 裏面電極層。

Claims (7)

1. １以上の光電変換ユニットを含む薄膜光電変換装置であって、
   前記光電変換ユニットの少なくとも１つは、光入射側から順に一導電型半導体層、実質的に真性半導体の光電変換層、実質的に真性半導体の高屈折率層、および逆導電型半導体層を含み、
   前記高屈折率層は、その両側に隣接するいずれの層に比べても高い屈折率を有していることを特徴とする薄膜光電変換装置。
2. 前記少なくとも１つの光電変換ユニットは非晶質光電変換ユニットであり、前記実質的に真性半導体の光電変換層としてｉ型非晶質シリコン光電変換層を含むとともに、前記実質的に真性半導体の高屈折率層としてｉ型非晶質シリコンゲルマニウム層を含むことを特徴とする請求項１に記載の薄膜光電変換装置。
3. 前記ｉ型非晶質シリコンゲルマニウム層は５．５未満の屈折率を有していることを特徴とする請求項２に記載の薄膜光電変換装置。
4. 前記ｉ型非晶質シリコンゲルマニウム層は０より大きくて１５０ｎｍより小さい厚さを有していることを特徴とする請求項２または３に記載の薄膜光電変換装置。
5. 前記非晶質光電変換ユニットに積層された結晶質光電変換ユニットをさらに含み、この結晶質光電変換ユニットは前記実質的に真性半導体の光電変換層としてｉ型結晶質シリコン光電変換層を含むとともに、前記実質的に真性半導体の高屈折率層としてｉ型結晶質シリコンゲルマニウム層を含むことを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の薄膜光電変換装置。
6. 前記ｉ型結晶質シリコンゲルマニウム層は５．５未満の屈折率を有していることを特徴とする請求項５に記載の薄膜光電変換装置。
7. 前記ｉ型結晶質シリコンゲルマニウム層は０より大きくて１０００ｎｍより小さい厚さを有していることを特徴とする請求項５または６に記載の薄膜光電変換装置。

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