JP2012513119A - 裏面金属コンタクトを含む光電変換装置 - Google Patents
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Abstract
光電変換セルは、透明導電性酸化物層を有する基板と、ＣｄＳ/ＣｄＴｅ層と、裏面金属コンタクトと、を含んでもよい。この裏面金属コンタクトは、スパッタリングまたは化学気相蒸着により成膜することができる。
【選択図】図１
【選択図】図１
Description
本願は、２００８年１２月１８日に出願した米国仮特許出願第６１／１３８，９１４号の恩典を主張する。この米国仮特許出願の開示内容を参照により本明細書に援用する。
本発明は、光電変換装置および裏面金属コンタクトに関するものである。
光電変換装置の製作においては、複数の半導体材料の層を基板に設けて、第１層を窓層として機能させ、第２層を光吸収層として機能させることができる。窓層は太陽光を光吸収層まで通し、そこで光エネルギーを電気エネルギーに変換させる。光電変換装置には、電荷の導体でもある透明な薄膜を用いることができる。
この導電性薄膜は、酸化スズのような透明導電性酸化物（ＴＣＯ）を含む透明導電層を含んでもよい。ＴＣＯは、光を半導体窓層から活性の光吸収材料まで透過させることができ、オーミック接触の役目をして光生成電荷キャリアを光吸収材料から運び出すこともできる。
裏面電極は半導体層の裏面上に形成することができる。裏面電極は導電性材料を含むことができる。
本発明の光電変換装置は概して、透明導電層の上に位置する第１半導体層、該第１半導体層の上に位置する第２半導体層、およびポリシリコン裏面金属コンタクトを含むことができる。前記ポリシリコン裏面金属コンタクトは、少なくとも１×１０１７ｃｍ−３のキャリア濃度を有するｐ型ドープポリシリコンとすることができる。前記ポリシリコン裏面金属コンタクトは、少なくとも５×１０１９ｃｍ−３のキャリア濃度を有する縮退したｐ型ドープポリシリコンとすることができる。前記第１半導体層は硫化カドミウムを含んでもよい。前記第２半導体層はテルル化カドミウムを含んでもよい。
本発明の光電変換装置は、透明導電層の上に位置する第１半導体層、該第１半導体層の上に位置する第２半導体層、およびアモルファスシリコン裏面金属コンタクトを含むことができる。前記アモルファスシリコン裏面金属コンタクトはホウ素のドーパントを含んでもよい。前記第１半導体層は硫化カドミウムを含んでもよい。前記第２半導体層はテルル化カドミウムを含んでもよい。
本発明の光電変換装置の製造方法は、硫化カドミウム半導体を含む第１半導体層を成膜する工程と、該第１半導体層の上にテルル化カドミウム半導体を含む第２半導体層を成膜する工程と、ポリシリコンを含む裏面金属コンタクトを成膜する工程と、を含むことができる。前記ポリシリコン裏面金属コンタクトはｐ型ドープポリシリコンとすることができる。前記裏面金属コンタクトは化学気相蒸着またはスパッタリングにより成膜することができる。
本発明の光電変換装置の製造方法は、硫化カドミウム半導体を含む第１半導体層を成膜する工程と、該第１半導体層の上にテルル化カドミウム半導体を含む第２半導体層を成膜する工程と、アモルファスシリコンを含む裏面金属コンタクトを成膜する工程と、を含むことができる。前記アモルファスシリコン裏面金属コンタクトは、ホウ素のドーパントを含んでもよい。前記裏面金属コンタクトは化学気相蒸着またはスパッタリングにより成膜することができる。
１つ以上の実施形態の詳細を、添付の図面および以下の説明にて開示する。他の特徴、目的および利点は以下の説明および図面ならびに特許請求の範囲から明白であろう。
光電変換セルは、基板表面上の透明導電層と、半導体層と、この半導体層と接触した裏面金属層と、を含むことができる。
図１を参照すると、光電変換セル１００は第１半導体層１０２を含んでもよい。この第１半導体層１０２は、例えば硫化カドミウムでもよい。光電変換セル１００は第２半導体層１０４を含んでもよい。第２半導体層１０４は、例えばテルル化カドミウムを含んでもよい。光電変換セル１００は、裏面金属コンタクト１０６を第２半導体層１０４上に含んでもよい。この裏面金属コンタクト１０６は、アモルファスシリコンまたは多結晶シリコンとすることができる。光拡散バリア（図示せず）を第２半導体層１０４および裏面金属コンタクト１０６の間に加えてもよい。裏面金属コンタクト１０６は、例えば低圧の化学気相蒸着、プラズマ化学気相蒸着またはスパッタリングにより成膜することができる。
アモルファスシリコンセルは、多結晶シリコン太陽電池を含んでもよく、これは、窒化ケイ素ゲート誘電体／アモルファスシリコン半導体界面を有する。例えば、米国特許第５，２７３，９２０号明細書、米国特許第５，２８１，５４６号、Ｍ．Ｊ．Ｋｅｅｖｅｓ，Ａ．Ｔｕｒｎｅｒ，Ｕ．Ｓｃｈｕｂｅｒｔ，Ｐ．Ａ．Ｂａｓｏｒｅ，Ｍ．Ａ．Ｇｒｅｅｎ，第２０回ＥＵ光電変換太陽エネルギー会議，バルセロナ，２００５年，ｐ１３０５〜１３０８、および、Ｐ．Ａ．Ｂａｓｏｒｅ，第４回光電エネルギー変換世界会議，ハワイ，２００６年，ｐ２０８９〜２０９３を参照されたく、これらの開示内容を本明細書に援用する。
多結晶シリコンまたはポリシリコン（「ｐｏｌｙ−Ｓｉ」または「ｐｏｌｙ」としても知られている）と、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉとしても知られている）との違いは、ｐｏｌｙ−Ｓｉの方が電荷キャリアの移動度が桁違いに大きく、電界および光誘起下での安定的も優れていることである。他の差異として、ａ−Ｓｉはよりリークが少ないという特性を有する。
裏面金属コンタクト１０６は縮退ドープｐ型ａ−Ｓｉまたは微結晶シリコンとすることができる。ＣｄＴｅ光吸収体層１０４で効率的に電荷分離を起こすために、裏面金属コンタクト１０６は、ｐ＋＋ａ−Ｓｉまたはｐｏｌｙ−Ｓｉとすることができる。ｐｏｌｙ−Ｓｉは、ｐ型にドープされて、少なくとも１×１０１７ｃｍ−３のキャリア濃度としてもよい。ｐｏｌｙ−Ｓｉは、縮退したｐ型にドープされ、少なくとも５×１０１９ｃｍ−３のキャリア濃度としてもよい。ａ−Ｓｉはホウ素のドーパントを使用してもよい。
図２では、ＣｄＳ、ＣｄＴｅ、およびアモルファスシリコンまたはポリシリコンのエネルギーバンドギャップを示す。光電変換セルが吸収する太陽光のスペクトルの部分は、バンドギャップによって決まる。通常、バンドギャップは狭いよりも広い方が、太陽光のスペクトルのより広い部分をエネルギーに変換できるので好ましい。図２において、約１μｍのＣｄＴｅ層があれば、ＣｄＳとＣｄＴｅとの間およびＣｄＴｅとｐｏｌｙ−Ｓｉまたはａ−Ｓｉとの間のエネルギーバンドギャップが増加することがわかる。バンドギャップが増加することから、ｐｏｌｙ−Ｓｉまたはａ−Ｓｉを追加することとした。
一般的な光電変換セルは複数の層を有し得る。複数の層は、透明導電層である最下層、キャッピング層、窓層、光吸収層、および最上層を含んでもよい。各層は、各ステーションに必要に応じて成膜ガスの供給を分離し、真空封止成膜チャンバを配置した製造ラインのそれぞれ異なる成膜ステーションで成膜してもよい。基板は、ローリングコンベヤーで成膜ステーション間を移動させて、所望の層の全てを成膜してもよい。最上基板層は最上層の上部に配置し、サンドイッチ構造を形成して、光電変換セルを完成させることができる。
光電変換装置の製造における半導体層の成膜は、例えば、米国特許第５，２４８，３４９号明細書、米国特許第５，３７２，６４６号明細書、米国特許第５，４７０，３９７号明細書、米国特許第５，５３６，３３３号明細書、米国特許第５，９４５，１６３号明細書、米国特許第６，０３７，２４１号明細書、米国特許第６，４４４，０４３号明細書に記載されており、これらの開示内容を参照により本明細書に援用する。成膜は、供給源から基板にガスを送ること、または閉鎖系の固体の昇華によるものとできる。光電変換セルの製造装置はコンベヤー、例えばローラーを有するローラコンベヤーを含んでもよい。他のタイプのコンベヤーでもよい。コンベヤーは、基板を一連の１以上の成膜ステーションへ輸送し、各成膜ステーションで基板の露出面上に材料の層を成膜する。コンベヤーは米国仮特許出願第１１／６９２，６６７号明細書に記載されており、この開示内容を参照により本明細書に援用する。
成膜チャンバは、約４５０℃以上７００℃以下の処理温度に到達するまで加熱してもよく、この処理温度は、例えば、４５０〜５５０℃、５５０〜６５０℃、５７０〜６００℃、６００〜６４０度、または４５０℃以上７００℃以下の任意の他の範囲であってもよい。成膜チャンバは、成膜ガス供給源に接続された成膜分配器を含む。分散器は種々の層を成膜するための複数のガス供給源に接続され、または、基板は、それぞれ個別のガス分配器および供給源を有する複数および種々の成膜ステーションを通ってもよい。分配器は、多様なノズル配置を有するスプレーノズルの形状とすることができ、ガス供給の均一な分配が容易となる。
窓層および光吸収層は、例えば２成分半導体を含んでもよく、それは、ＩＩ−ＶＩ族、ＩＩＩ−Ｖ族またはＩＶ族半導体など、例えば、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＯ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＭｇＯ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＴｅ、ＨｇＯ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＭｎＯ、ＭｎＳ、ＭｎＴｅ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＴｌＮ、ＴｌＰ、ＴｌＡｓ、ＴｌＳｂまたはこれらの混合物でもよい。窓層および光吸収層の例として、ＣｄＴｅ層に被膜されたＣｄＳ層がある。最上層は半導体層を覆ってもよい。最上層は金属、例えばアルミニウム、モリブデン、クロム、コバルト、ニッケル、チタン、タングステン、またはこれらの合金を含んでもよい。また、最上層は金属酸化物もしくは金属窒化物、またはこれらの合金を含んでもよい。
光電変換セルの最下層は透明導電層であってもよい。薄いキャッピング層は透明導電層の最上部にあり、透明伝導層の一部を少なくとも覆っていてもよい。次の成膜層は第１半導体層であり、これは窓層として機能し、透明伝導層およびキャッピング層を用いる結果、より薄くしてもよい。その次の成膜層は、第２半導体層であり、これは光吸収層として機能する。ドーパントを含む層などの他の層を、製造プロセス中必要に応じて基板上に成膜または配置してもよい。
透明導電層は、透明導電性酸化物とすることができ、これは例えばフッ素をドープした酸化スズ等の金属酸化物である。この層は、前面コンタクトと第１半導体層との間に成膜することができ、第１半導体層におけるピンホール効果を減少させるべく十分高い抵抗率を有し得る。第１半導体層におけるピンホールは、第２半導体層と第１コンタクトとの間での短絡を形成させ、ピンホールの周りの局所電場で流出を発生させる。この経路での抵抗をわずかに増やすことで、短絡の影響を受ける領域を劇的に減らすことができる。
この抵抗の増大をもたらすべく、キャッピング層を設けてもよい。キャッピング層は、高い化学的安定性を有する材料の非常に薄い層でありうる。キャッピング層は、同じ厚さで比較して半導体材料よりも高い透明度を有してもよい。キャッピング層として使用するのに好ましい材料の例としては、二酸化ケイ素、三酸化ジアルミニウム、二酸化チタン、三酸化ジボロン、および他の類似物が挙げられる。キャッピング層は、透明導電層を第１半導体層から電気的、化学的に分離する機能を有するものとして、その結果、高温で起こり、性能および安定性に悪影響を及ぼす反応を防ぐこともできる。キャッピング層は、第１半導体層の成膜をするのにより好ましい、導電性の表面を提供することもできる。例えば、キャッピング層は表面粗さを減少させた表面を提供することもできる。
第１半導体層は第２半導体層の窓層として機能しうる。第１半導体層は第２半導体層よりも薄くしうる。薄くすることにより、第１半導体層は、より短波長の入射光を第２半導体層へより多く透過させることができる。
第１半導体層はＩＩ−ＶＩ族、ＩＩＩ−Ｖ族またはＩＶ族半導体とすることができ、例えば、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＯ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＭｇＯ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＴｅ、ＨｇＯ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＭｎＯ、ＭｎＳ、ＭｎＴｅ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＴｌＮ、ＴｌＰ、ＴｌＡｓ、ＴｌＳｂ、またはこれらの混合物もしくは合金であってもよい。２成分半導体、例えば、ＣｄＳであってもよい。第２半導体層は、第１半導体層上に成膜することができる。第１半導体層が窓層として機能する場合、第２半導体は入射光の吸収層として昨日し得る。第１半導体層と同様に、第２半導体層もＩＩ−ＶＩ族、ＩＩＩ−Ｖ族またはＩＶ族半導体とすることができ、例えば、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＯ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＭｇＯ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＴｅ、ＨｇＯ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＭｎＯ、ＭｎＳ、ＭｎＴｅ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＴｌＮ、ＴｌＰ、ＴｌＡｓ、ＴｌＳｂ、またはこれらの混合物であってもよい。
第２半導体層は第１半導体層上に成膜することができる。キャッピング層は、透明導電層を第１半導体層から電気的、化学的に分離する機能を有するものとして、その結果、高温で起こり、性能および安定性に悪影響を及ぼす反応を防ぐことができる。透明導電層は基板上に成膜することができる。
これまでいくつかの実施形態を記載したが、本発明の主旨と範囲から逸脱しない種々の変更をしうると理解されたい。例えば、半導体層は多様な他の材料を含んでもよいし、バッファ層やキャッピング層の材料も同様である。また、光電変換装置の第２半導体層と裏面金属電極との間に界面層を設けて、第２半導体と裏面金属電極との界面での抵抗損失や再結合損失を減らすことができる。従って、他の実施形態は請求項記載の範囲内である。
１００ 光電変換セル
１０２ 第１半導体層
１０４ 第２半導体層
１０６ 裏面金属コンタクト
１０２ 第１半導体層
１０４ 第２半導体層
１０６ 裏面金属コンタクト
Claims (24)
- 透明導電層の上に位置する第１半導体層、該第１半導体層の上に位置する第２半導体層、およびポリシリコン裏面金属コンタクトを有する光電変換装置。
- 前記ポリシリコン裏面金属コンタクトがｐ型ドープポリシリコンである、請求項１に記載の光電変換装置。
- 前記ポリシリコン裏面金属コンタクトが、少なくとも１×１０１７ｃｍ−３のキャリア濃度を有するｐ型ドープポリシリコンである、請求項１に記載の光電変換装置。
- 前記ポリシリコン裏面金属コンタクトが、少なくとも５×１０１９ｃｍ−３のキャリア濃度を有する縮退したｐ型ドープポリシリコンである、請求項１に記載の光電変換装置。
- 前記第１半導体層が硫化カドミウムである、請求項１に記載の光電変換装置。
- 前記第１半導体層が硫化カドミウムを含む、請求項１に記載の光電変換装置。
- 前記第２半導体層がテルル化カドミウムである、請求項１に記載の光電変換装置。
- 前記第２半導体層がテルル化カドミウムを含む、請求項１に記載の光電変換装置。
- 透明導電層の上に位置する第１半導体層、第１半導体層の上に位置する第２半導体層、およびアモルファスシリコン裏面金属コンタクトを有する光電変換装置。
- 前記アモルファスシリコン裏面金属コンタクトがホウ素のドーパントを含む、請求項９に記載の光電変換装置。
- 前記第１半導体層が硫化カドミウムである、請求項９に記載の光電変換装置。
- 前記第１半導体層が硫化カドミウムを含む、請求項９に記載の光電変換装置。
- 前記第２半導体層がテルル化カドミウムである、請求項９に記載の光電変換装置。
- 前記第２半導体層がテルル化カドミウムを含む、請求項９に記載の光電変換装置。
- 硫化カドミウム半導体を含む第１半導体層を成膜する工程と、
テルル化カドミウム半導体を含む第２半導体層を前記第１半導体層上に成膜する工程と、
ポリシリコンを含む裏面金属コンタクトを成膜する工程と、
を有する光電変換装置の製造方法。 - 前記裏面金属コンタクトを低圧化学気相蒸着により成膜する、請求項１５に記載の光電変換装置の製造方法。
- 前記裏面金属コンタクトをプラズマ化学気相蒸着により成膜する、請求項１５に記載の光電変換装置の製造方法。
- 前記裏面金属コンタクトをスパッタリングにより成膜する、請求項１５に記載の光電変換装置の製造方法。
- 前記ポリシリコン裏面金属コンタクトがｐ型ドープポリシリコンである、請求項１５に記載の光電変換装置の製造方法。
- 硫化カドミウム半導体を含む第１半導体層を成膜する工程と、
テルル化カドミウム半導体を含む第２半導体層を前記第１半導体層上に成膜する工程と、
アモルファスシリコンを含む裏面金属コンタクトを成膜する工程と、
を有する光電変換装置の製造方法。 - 前記裏面金属コンタクトを低圧化学気相蒸着により成膜する、請求項２０に記載の光電変換装置の製造方法。
- 前記裏面金属コンタクトをプラズマ化学気相蒸着により成膜する、請求項２０に記載の光電変換装置の製造方法。
- 前記裏面金属コンタクトをスパッタリングにより成膜する、請求項２０に記載の光電変換装置の製造方法。
- 前記アモルファスシリコン裏面金属コンタクトがホウ素のドーパントを含む、請求項２０に記載の光電変換装置の製造方法。
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