JP2669834B2 - 積層型光起電力装置 - Google Patents

積層型光起電力装置

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JP2669834B2 JP62286202A JP28620287A JP2669834B2 JP 2669834 B2 JP2669834 B2 JP 2669834B2 JP 62286202 A JP62286202 A JP 62286202A JP 28620287 A JP28620287 A JP 28620287A JP 2669834 B2 JP2669834 B2 JP 2669834B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (イ) 産業上の利用分野 本発明は、太陽電池や光センサ等に利用される積層型
光起電力装置に関する。 (ロ) 従来の技術 発電に寄与する光活性層が主として単結晶シリコンや
多結晶シリコンの結晶シリコン(以下c−Siという)か
らなる結晶系光起電力素子と、上記光活性層が主として
アモルフアスシリコン(以下a−Siという)のアモルフ
アス系光起電力素子とを積層した積層型光起電力装置
は、例えば特開昭59−175170号公報に示されている。斯
る光起電力装置は上述の2つの異なった光起電力素子を
電気的且つ光学的に直列に接続し、短波長光を光学的バ
ンドギヤツプの広いアモルフアス系で、また長波長光を
光学的バンドギヤツプの狭い結晶系で吸収することで、
全体として高い光電変換効率を得んとするものである。
この場合、アモルフアス系の素子で発生する光電流と結
晶系の素子で発生する光電流とが等しくする必要がある
が、実際は、入射光の変化や材料の膜質等により等しく
することは困難で、結果的に変換効率が低くなるという
問題点を有している。これに対し、アモルフアス系光起
電力素子と、結晶系光起電力素子とを絶縁体を挾んで積
層し、光学的には直列に接続され、電気的には分離され
た4端子構造を用いることが考えられる。 従来、この絶縁体としてはSi3N4やSiO2が検討されて
きたが、これらの材料の屈折率は、2.8以下とa−Siや
c−Siの屈折率(3.1〜3.7)に比べ、大幅に小さく、そ
の結果、c−Siで吸収すべき長波長光が、a−Siと絶縁
体との界面で反射されて、c−Siに到達する割合が小さ
くなって出力特性が低くなるという新たな問題点が発生
する。 (ハ) 発明が解決しようとする問題点 本発明は上述の如くアモルフアス系光電力素子と結晶
系光起電力素子を絶縁力を挾んで積層すると、アモルフ
アス系光起電力素子と絶縁体との界面において後段の結
晶系光起電力素子で吸収すべき長波長光が反射されて出
力特性が低下する点を解決しようとするものである。 (ニ) 問題点を解決するための手段 本発明光起電力装置は上記問題点を解決すべく、アモ
ルフアス系光起電力素子と結晶系光起電力素子との間に
配置される絶縁体を、炭素、窒素の元素の内少なくとも
一方の元素を含んだアモルファスシリコンアロイに、酸
素を添加して構成することを特徴とする。 (ホ) 作用 上述の如く絶縁体を、炭素、窒素の内少なくとも一方
の元素を含んだアモルファスシリコンアロイに、酸素を
添加して構成することによって、波長約700nm〜1100nm
の長波長光に対する屈折率が約3.4〜3.6とa−Si及びc
−Siの屈折率に近づきアモルフアス系光起電力素子と当
該絶縁体との界面における上記長波長光に対する反射が
減少する。 (へ) 実 施 例 第1図は本発明積層型光起電力装置の基本構造を示す
模式的断面図である。光入射が為される受光面側から見
て、ガラス等の透光性且つ絶縁性の基板(1)上に、Sn
O2、ITO等の透光性導電酸化物(TCO)からなる受光面電
極(2)、p型のアモルフアスシリコンカーバイド(a
−SiC)層(3)、主として可視光領域の短波長光を吸
収し光キヤリアを発生する発電に寄与する光活性層とし
てのi型(真性)a−SiC層(4)、n型微結晶シリコ
ン(μc−Si)層(5)及び銀、アルミニウム等の金属
からなるくし型の第1透過電極(6)をこの順序で配置
したアモルフアス系光起電力措置(SC1)が設けられて
いる。斯るアモルフアス系光起電力素子(SC1)自体は
周知である。次に本発明の構成的特徴点である炭素
(C)、窒素(N)の元素の内少なくとも一方を含むa
−Siアロイに、酸素(O)を添加してなる膜厚0.5μm
〜1μm程度の絶縁体(7)が形成される。代表的な製
法はa−SiCと同じプラズマCVD法であり、原料ガスとし
てSiH4、H2及びCH4またはNH3等と、酸素の添加用のO2
が用いられ、成膜すべき膜組成に応じて斯る原料ガスの
組合せ及び流量が選択され、a−Si:C:O:H、a−Si:N:
O:H及びa−Si:C:N:O:Hで表わされるa−Siアロイが得
られる。これらa−Siアロイは膜組成比にもよるがa−
Siやc−Siの屈折率(3.1〜3.7)とほぼ等しい3.4〜3.6
の屈折率を備える。 斯る絶縁体(7)の一例としてSi:C:O:H=70:10:2:18
のa−Si:C:O:Hは原料ガスとしてSiH4(5SCCM)、CH
4(2SCCM)、O2(0.1SCCM)、H2(100SCCM)を用い、基
板温度250℃、RFパワー40W、反応圧力0.3Torrの反応条
件により得られる。このようにして得られたa−Siアロ
イは、光学的バンドギヤツプが概ね2.4eV以上であるも
のの直接光照射を受けると光導電効果により抵抗値の減
少を招く。しかし、光入射側に配置されたアモルフアス
系光起電力素子(SC1)が当該アロイの吸収波長域を含
む可視光波長を吸収し光電変換動作することから、到達
するのは吸収動作するに至らない長波長光であり、従っ
て斯る長波長光の照射を受けても光導電効果を生じるこ
とがなく、長波長光に対して良好な透光性絶縁体とな
る。 斯る絶縁体(7)の後段に、前段のアモルフアス系光
起電力素子(SC1)で吸収されることなく、しかもアモ
ルフアス系光起電力素子(SC1)と絶縁体(7)との界
面で反射することなく到達した波長約700nm〜1100nmの
長波長光を吸収し光電変換動作する結晶系光起電力素子
(SC2)が光学的に積層される。当該光起電力素子(S
C2)は先ず第1透光電極(6)と対向して同一形状の第
2透光電極(8)が設けられ、次いでp型多結晶シリコ
ン層(9)が例えばSiH4+B2H6+H2を原料ガスとした水
銀増感光CVD法により形成され、そして同じくSiH4+PH3
+H2によりn型多結晶シリコン層(10)が積層される。
代表的な光CVD法による成膜条件は、光源として成膜面
における光エネルギ強度が約30mW/cm2となる紫外光を輻
射する低圧水銀灯を用い、基板温度250℃、反応圧力0.3
Torr、原料ガスの流量比と膜厚は、p型多結晶シリコン
層(9)がSiH4(5SCCM)、B2H6(0.05SCCM)、H2(100
SCCM)で0.5μm、n型多結晶シリコン層(10)がSiH4
(5SCCM)、PH3(0.03SCCM)、H2(100SCCM)で20μm
である。最後にn型多結晶シリコン層(10)の背面側に
銀、アルミニウム、銀ペースト、ニツケルペースト、カ
ーボンペースト等の金属或いは金属ペースト膜からなる
背面電極(11)が周知の真空蒸着法、スパツタ法或いは
印刷法により形成される。 このようにして、共通の基板(1)上の光入射方向前
段に可射光を吸収して光電変換動作するアモルフアス系
光起電力素子(SC1)を配置し、次いで当該光起電力素
子(SC1)と屈折率がほぼ等しいa−Siアロイの絶縁体
(7)を設け、そして前段のアモルフアス系光起電力素
子(SC1)及び絶縁対(7)で吸収することなく到達し
た長波長光を吸収して光電変換動作する結晶系光起電力
素子(SC2)が積層されて、光学的には直列に接続さ
れ、電気的には分離されて各素子(SC1)(SC2)毎に電
極(2)(6)、(8)(11)に連なった出力端子(T
11)(T12)、(T21)(T22)から個別の光電変換出力
が導出される。斯る本発明実施例の光起電力装置につい
て、太陽光下(AM−1.5、100mW/cm2)の出力特性が第2
図において実線で示されている。この実施例装置におい
て使用された絶縁体(7)は、波長約700nm〜1100nmに
対し屈折率が約3.4〜3.6のa−Si0.70:C0.10:O0.02:H
0.18で膜厚約1μmであった。一方、比較のために、上
記実施例装置のa−Si0.70:C0.10:O0.02:H0.18の絶縁体
(7)に代えて酸素を添付しないSi3N4の絶縁体を備
え、それ以外は同一構成とした比較例装置を作成し、同
じくAM−1.5、100mW/cm2の太陽光の下で出力特性を測定
した。その出力特性が第2図において破線で示されてい
る。第2図の実線(b)と破線(b′)はそれぞれ、実
施例装置および比較例装置におけるアモルフアス系光起
電力素子(SC1)の出力特性を示し、実線(a)と破線
(a′)は、それぞれ、実施例装置および比較例装置に
おける結晶系光起電力素子(SC2)の出力特性を示して
いる。アモルフアス系光起電力素子(SC1)について
は、比較例装置の方が、わずかに電流が大きいが、結晶
系光起電力素子(SC2)については、実施例装置の方が
大幅に電流が大きくなっている。これは、比較例装置の
場合、実施例装置と比べて、アモルフアス系光起電力素
子(SC1)と絶縁体の界面における長波長光の反射が大
きいため、アモルフアス系光起電力素子(SC1)側で吸
収される光の総量が増えるが、a−Siの長波長光に対す
る吸収が小さいために、その増加分はわずかであり、発
生電流の増加分も少ない。それに対し、実施例装置の場
合は、逆に結晶系光起電力素子(SC2)側で吸収される
光が大幅に増えることから発生電流が大幅に増加する。
従って、光起電力装置全体の出力特性は各光起電力素子
(SC1)(SC2)が個別の出力端子(T11)(T12
(T21)(T22)を備えることから、各光起電力素子(SC
1)(SC2)の総和となる。その結果各起光電力素子(SC
1)(SC2)の構成は同じであっても、本発明の実施例装
置における変換効率は約18.0%となるのに対し、比較例
装置のそれは約15.2%に止まる。即ち、本発明実施例装
置にあっては比較例装置と同じ光起電力素子(SC1)(S
C2)を用いたにも拘らず、その両者の間に存在する絶縁
体(7)を特定の元素から構成したアモルファスシリコ
ンアロイから構成することにより高い変換効率が得られ
る。 尚本発明にあっては第1・第2透過電極(6)(8)
を構成するくし形電極が低抵抗であることが望ましいた
め、その材料として高温超電導体の採用も考えられる。
また、各光起電力素子(SC1)(SC2)は凸凹状の断面形
状を有するテクスチユア構造である方が、より高い出力
特性を得られる。さらに、このテクスチユアの凸凹の平
均間隔は、アモルフアス系光起電力素子(SC1)では可
視光に対して光損失が少なくなるように選び、かつ、結
晶系光起電力素子(SC2)では近赤外光に対して光損失
が少なくなるように選べば、さらに特性が高くなる。 (ト) 発明の効果 本発明光起電力装置は以上の説明から明らかな如く、
アモルフアス系光起電力素子と絶縁体との界面における
長波長光に対する反射が減少するので、当該長波長光を
後段の結晶系光起電力素子に良好に導くことができ、装
置全体の総合出力特性の改善が図れる。
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明の光起電力装置の一実施例を示す模式的
断面図、第2図は斯る実施例装置と比較例装置の光照射
下の電流・電圧特性を示す出力特性図である。 (1)……基板、(7)……絶縁体、(SC1)……アモ
ルフアス系光起電力素子、(SC2)……結晶系光起電力
素子。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−153478(JP,A) 特開 昭58−191479(JP,A) 特開 昭59−125669(JP,A) 特開 昭61−1062(JP,A)

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 1.発電に寄与する光活性層が主としてアモルファスシ
    リコンからなるアモルファス系光起電力素子と、上記光
    活性層が主として結晶シリコンからなる結晶系光起電力
    素子と、を絶縁体を挟んで積層し、光入射側にアモルフ
    ァス系光起電力素子を配置した積層型光起電力装置にお
    いて、上記絶縁体は炭素、窒素の元素の内少なくとも一
    方の元素を含んだアモルファスシリコンアロイに、酸素
    を添加してなることを特徴とした積層型光起電力装置。 2.上記結晶シリコンは多結晶シリコンであることを特
    徴とした特許請求の範囲第1項記載の積層型光起電力装
    置。 3.上記結晶シリコンは単結晶シリコンであることを特
    徴とした特許請求の範囲第1項記載の積層型光起電力装
    置。
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