JP2704565B2 - Photoelectric conversion device - Google Patents

Photoelectric conversion device

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JP2704565B2
JP2704565B2 JP2418870A JP41887090A JP2704565B2 JP 2704565 B2 JP2704565 B2 JP 2704565B2 JP 2418870 A JP2418870 A JP 2418870A JP 41887090 A JP41887090 A JP 41887090A JP 2704565 B2 JP2704565 B2 JP 2704565B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は光電変換装置、特に太陽
電池、フォトセンサおよひ蛍光灯電池等に適用可能なタ
ンデム型の光電変換装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a photoelectric conversion device, and more particularly to a tandem type photoelectric conversion device applicable to a solar cell, a photosensor, a fluorescent lamp cell and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】非単結晶シリコン半導体層を使用した光
電辺感装置が各種知られているが、非単結晶シリコン半
導体層の物性等については充分に解明されていないのが
現状であります。
2. Description of the Related Art Various types of photoelectric sensing devices using a non-single-crystal silicon semiconductor layer have been known, but at present, the physical properties of the non-single-crystal silicon semiconductor layer have not been sufficiently elucidated.

【0003】非単結晶半導体を使用した光電変換装置は
単結晶半導体を使用した光電変換装置および多結晶半導
体を使用した光電変換装置と比較して、可視光領域での
光の吸収が大きく、蛍光灯下での光電変換効率が優れて
いることで注目されている。
A photoelectric conversion device using a non-single-crystal semiconductor absorbs light in the visible light region more than a photoelectric conversion device using a single-crystal semiconductor and a photoelectric conversion device using a polycrystalline semiconductor. Attention has been paid to its excellent photoelectric conversion efficiency under lighting.

【0004】この非単結晶半導体を使用した光電変換装
置は通常はシラン、ジシラン等の水素化珪素気体をプラ
ズマCVD装置内で分解、活性化させて、基板上に薄膜
状に積層して形成される。その為、種々の構成が提案さ
れているが、P型半導体層、I型半導体層およびN型半
導体層を積層したシングルセルとP型半導体層、I型半
導体層およびN型半導体層を複数積層したタンデム型セ
ルに大別される。
A photoelectric conversion device using a non-single-crystal semiconductor is usually formed by decomposing and activating a silicon hydride gas such as silane or disilane in a plasma CVD device, and laminating a thin film on a substrate. You. Therefore, although various configurations have been proposed, a single cell in which a P-type semiconductor layer, an I-type semiconductor layer, and an N-type semiconductor layer are stacked, and a plurality of P-type semiconductor layers, I-type semiconductor layers, and N-type semiconductor layers are stacked. Tandem cells.

【0005】このうち、タンデム型セルは光の有効利用
の為、半導体自身の分光感度特性に合わせて自由に材料
設計できる為に高効率化の技術として注目されている。
このタンデム型の光電変換装置の代表例を図2に示す。
図2は低エネルギーバンドギャップを持つ、例えばa−
SiPIN素子と高エネルギーバンドギャップを持つa
−SiPIN素子を使用して作成された二層縦型直列接
続素子(以下二層タンデムセルという)を示している。
[0005] Among them, tandem cells have been attracting attention as a technique for increasing the efficiency because the material can be freely designed in accordance with the spectral sensitivity characteristics of the semiconductor itself for effective use of light.
FIG. 2 shows a representative example of this tandem photoelectric conversion device.
FIG. 2 has a low energy bandgap, eg, a-
A with a high energy band gap with a SiPIN device
2 shows a two-layer vertical series connection element (hereinafter referred to as a two-layer tandem cell) made using a SiPIN element.

【0006】図において、1は導電性基板、2はP型a
−Si層、3はI型a−SiGe層、4はN型a−Si
層、5はP型a−Si層、6はI型a−Si層、7はN
型a−Si層、8は透明電極である。
In the figure, 1 is a conductive substrate, 2 is a P-type a
-Si layer, 3 is an I-type a-SiGe layer, 4 is an N-type a-Si
Layer, 5 is a P-type a-Si layer, 6 is an I-type a-Si layer, 7 is N
The type a-Si layer 8 is a transparent electrode.

【0007】これらの素子構造においては、低エネルギ
ーバンドギャップで構成された光電変換素子を長波長側
の光を収集し、高エネルギーバンドギャップ側で構成さ
れた光電変換素子で短波長側の光を収集するもので、光
を有効に利用して、より光電変換効率を高めようとする
ものであった。
In these device structures, light of a longer wavelength is collected by a photoelectric conversion device having a low energy band gap, and light of a shorter wavelength is collected by a photoelectric conversion device having a high energy band gap. It was intended to collect light, and to improve the photoelectric conversion efficiency by effectively utilizing light.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】上記の様な非単結晶半
導体を使用した光電変換装置は光に対して劣化すること
が知られている。すなわち、実際の使用の際に照射され
る光により、光電変換の効率が照射時間に応じて低下し
てゆき、1000時間の光照射では最高30%以上も変
換効率が低下することが知られている。これは非単結晶
半導体層を使用した光電変換装置の普及に大きな障害と
なり、この光に対する信頼性を向上することが望まれて
いた。
It is known that a photoelectric conversion device using a non-single-crystal semiconductor as described above deteriorates with respect to light. That is, it is known that the efficiency of photoelectric conversion is reduced in accordance with the irradiation time due to light irradiated in actual use, and that the conversion efficiency is reduced by up to 30% or more by light irradiation for 1000 hours. I have. This is a major obstacle to the spread of photoelectric conversion devices using a non-single-crystal semiconductor layer, and it has been desired to improve the reliability of the light.

【0009】[0009]

【課題を解決する為の手段】本発明は前述の如き、課題
を解決するものであり、特に光に対する光電変換効率の
低下をタンデム型セルで解決するものであります。すな
わち、基板上に複数の光電変換装置が積層されたタンデ
ム構造を有する光電変換装置であって、前記光電変換装
置のうちに含まれるひとつのI型半導体層は、他のI型
半導体層と比較して、狭いエネルギーバンドギャップを
有し、このI型半導体層は光入射側に設けられているこ
とを特徴とするものであります。また、この時光入射側
のI型半導体層の厚みを他のI型半導体層の厚さに比べ
て薄くすると、光に対する劣化の程度が弱くなることが
判明している。この厚さとは200〜2000Åの厚さ
であり、これ以上厚みが増すと光電変換装置としての変
換効率が低下してくる。また逆にこの範囲以下の厚みの
場合は光に対する劣化を防止する効果が薄れてくる。こ
れは恐らく半導体膜が均一に形成されなくなるためであ
ると考えられる。その為特に好ましくは300〜100
0Åの範囲が良かった。
Means for Solving the Problems The present invention solves the above-mentioned problems, and more particularly, a tandem-type cell for reducing a decrease in photoelectric conversion efficiency with respect to light. That is, a photoelectric conversion device having a tandem structure in which a plurality of photoelectric conversion devices are stacked over a substrate, wherein one I-type semiconductor layer included in the photoelectric conversion device is compared with another I-type semiconductor layer. Therefore, it has a narrow energy band gap, and this I-type semiconductor layer is provided on the light incident side. It has also been found that, at this time, when the thickness of the I-type semiconductor layer on the light incident side is smaller than the thickness of the other I-type semiconductor layers, the degree of deterioration with respect to light is reduced. This thickness is a thickness of 200 to 2000 °, and when the thickness is further increased, the conversion efficiency as a photoelectric conversion device decreases. Conversely, if the thickness is less than this range, the effect of preventing deterioration with respect to light is reduced. This is probably because the semiconductor film is not formed uniformly. Therefore, particularly preferably 300 to 100
The range of 0 ° was good.

【0010】また、本課題を解決する他の方法として
は、基板上に複数の光電変換装置が積層されたタンデム
構造を有する光電変換装置であって、前記光電変換装置
のうちに含まれるひとつのI型半導体層は、他のI型半
導体層と比較して、水素の含有量が少なく、このI型半
導体層は光入射側に設けられていることを特徴とするも
のであります。厚みについては同様に200〜2000
Åの厚さの範囲、特に好ましくは300〜1000Åの
範囲が良かった。また、水素量を少なくする技術として
は、半導体膜形成後熱アニールを行なう、膜形成時に水
素量を少なくする等があるが特に成膜方法に限定される
ものではない。
Another method for solving this problem is a photoelectric conversion device having a tandem structure in which a plurality of photoelectric conversion devices are stacked on a substrate, wherein one of the photoelectric conversion devices included in the photoelectric conversion device is included. The I-type semiconductor layer has a lower hydrogen content than other I-type semiconductor layers, and is characterized in that the I-type semiconductor layer is provided on the light incident side. About 200-2000 similarly about thickness
The thickness range of Å, particularly preferably the range of 300 to 1000 良, was good. Techniques for reducing the amount of hydrogen include performing thermal annealing after forming a semiconductor film and reducing the amount of hydrogen during film formation, but are not particularly limited to a film forming method.

【0011】さらにまた、本課題を解決する他の方法と
しては、基板上に複数の光電変換装置が積層されたタン
デム構造を有する光電変換装置であって、前記光電変換
装置のうちに含まれるひとつのI型半導体層は、セミア
モルファス半導体より構成され、光入射側に設けられて
おり、他のI型半導体層はアモルファス半導体より構成
されていることを特徴とするものであります。この場合
は厚みについては300〜2500Åの厚さの範囲がよ
かった。
Still another method for solving the problem is a photoelectric conversion device having a tandem structure in which a plurality of photoelectric conversion devices are stacked on a substrate, wherein one of the photoelectric conversion devices included in the photoelectric conversion device is included. The I-type semiconductor layer is composed of a semi-amorphous semiconductor and is provided on the light incident side, and the other I-type semiconductor layer is composed of an amorphous semiconductor. In this case, the thickness range of 300 to 2500 ° was good.

【0012】このセミアモルファス半導体を使用した場
合は、光に対する吸収係数がアモルファス半導体に比べ
て小さい為にこのI型半導体層の厚みを厚くすることが
できる。この為、プラズマCVD法で半導体膜を形成す
る際にプロセス技術上の許容範囲が広くなる。
When the semi-amorphous semiconductor is used, the thickness of the I-type semiconductor layer can be increased because the absorption coefficient for light is smaller than that of the amorphous semiconductor. Therefore, when a semiconductor film is formed by the plasma CVD method, the allowable range in the process technology is widened.

【0013】本発明に使用可能な半導体層としては非単
結晶シリコン半導体、セミアモルファス半導体、シリコ
ンゲルマニウム半導体、脱水素化した非単結晶シリコン
半導体、多結晶シリコン半導体、結晶化処理を施したシ
リコン半導体等が適用可能である。
The semiconductor layer usable in the present invention includes a non-single-crystal silicon semiconductor, a semi-amorphous semiconductor, a silicon germanium semiconductor, a dehydrogenated non-single-crystal silicon semiconductor, a polycrystalline silicon semiconductor, and a crystallization-treated silicon semiconductor. Etc. are applicable.

【0014】本発明のセミアモルファス半導体膜はLP
CVD法、スパッタ法あるいはPCVD法等により膜形
成の後に熱結晶化処理を施して得られるが、以下にはス
パッタ法を例にとり説明をする。
The semi-amorphous semiconductor film of the present invention is LP
It can be obtained by performing a thermal crystallization treatment after forming a film by a CVD method, a sputtering method, a PCVD method, or the like.

【0015】すなわちスパッタ法において単結晶のシリ
コン半導体をターゲットとし、水素とアルゴンとの混合
気体でスパッタをすると、アルゴンの重い原子のスパッ
タ(衝撃)によりターゲットからは原子状のシリコンも
離れ、被形成面を有する基板上に飛しょうするが、同時
に数十〜数十万個の原子が固まった塊がクラスタとして
ターゲットから離れ、被形成面に飛しょうする。
That is, when a single-crystal silicon semiconductor is used as a target in the sputtering method and sputtering is performed with a mixed gas of hydrogen and argon, atomic silicon is separated from the target by sputtering (impact) of heavy atoms of argon, and the target is formed. While flying on a substrate having a surface, a cluster of tens to hundreds of thousands of atoms solidified at the same time leaves the target as a cluster and flies to the surface to be formed.

【0016】この飛しょう中は、水素がこのクラスタの
外周辺の珪素の不対結合手と結合し、被形成面上に秩序
性の比較的高い領域として作られる。
During the flight, hydrogen combines with the dangling bonds of silicon in the outer periphery of the cluster and forms a region having a relatively high order on the surface on which the cluster is formed.

【0017】すなわち、被膜形成面上には秩序性の高
い、かつ周辺にSi−H結合を有するクラスタと純粋の
アモルファス珪素との混合物とする。これを450℃〜
700℃の非酸化性気体中での熱処理により、クラスタ
の外周辺のSi−H結合は他のSi−H結合と反応し、
Si−Si結合を作る。
That is, a mixture of pure amorphous silicon and clusters having high order and having Si—H bonds in the periphery is formed on the surface on which the film is formed. 450 ° C ~
By the heat treatment in a non-oxidizing gas at 700 ° C., the Si—H bonds around the cluster react with other Si—H bonds,
Create a Si-Si bond.

【0018】しかし、この結合はお互い引っぱりあうと
同時に、秩序性の高いクラスタはより高い秩序性の高い
状態、すなわち結晶化に相を移そうとする。しかし隣合
ったクラスタ間は、互いに結合したSi−Siがそれぞ
れのクラスタ間を引っぱりあう。その結果は、結晶は格
子歪を持ちレーザラマンでの結晶ピークは単結晶の52
0cm−1より低波数側にずれて測定される。
However, at the same time that the bonds are pulling together, the highly ordered clusters tend to shift to a more ordered state, ie crystallization. However, between adjacent clusters, Si-Si bonded to each other pulls between the clusters. As a result, the crystal has lattice distortion and the crystal peak in laser Raman is 52% of the single crystal.
It is measured shifted from 0 cm -1 to the lower wave number side.

【0019】また、このクラスタ間のSi−Si結合は
互いのクラスタをアンカリング(連結)するため、各ク
ラスタでのエネルギバンドはこのアンカリングの個所を
経て互いに電気的に連結しあえる。そのため結晶粒界が
キャリアのバリアとして働く多結晶シリコンとは根本的
に異なり、キャリア移動度も10〜200cm/VS
ecを得ることができる。
Further, since the Si-Si bond between the clusters anchors (connects) each other, the energy band in each cluster may be electrically connected to each other via the anchoring portion. Therefore, it is fundamentally different from polycrystalline silicon in which a crystal grain boundary acts as a carrier barrier, and has a carrier mobility of 10 to 200 cm 2 / VS.
ec can be obtained.

【0020】つまり本発明の如く、かるる定義に基づく
セミアモルファスは見掛け上結晶性を持ちながらも、電
気的には結晶粒界が実質的にない状態を予想できる。
That is, as in the present invention, a semi-amorphous material based on such a definition can be expected to have a state in which although it has apparent crystallinity, there is substantially no crystal grain boundary.

【0021】もちろん、アニール温度がシリコン半導体
の場合の450℃〜700℃という中温アニールではな
く、1000℃またはそれ以上の結晶成長をともなう結
晶化をさせる時はこの結晶成長により、膜中の酸素等が
粒界に折出し、バリアを作ってしまう。これは、単結晶
と同じ結晶と粒界のある材料である。
Of course, instead of the intermediate temperature annealing of 450 ° C. to 700 ° C. in the case of a silicon semiconductor, when performing crystallization accompanied by crystal growth of 1000 ° C. or more, the crystal growth causes Breaks out at the grain boundaries and creates a barrier. This is a material having the same crystal and grain boundaries as a single crystal.

【0022】またこの半導体におけるクラスタ間のアン
カリングの程度を大きくすると、よりキャリア移動度は
大きくなる。このためにはこの膜中にある酸素量を7×
1019cm−3好ましくは1×1019cm−3以下
にすると、さらに600℃よりも低い温度で結晶化がで
きるに加えて、高いキャリア移動度を得ることができ
る。
When the degree of anchoring between clusters in the semiconductor is increased, the carrier mobility is further increased. For this purpose, the amount of oxygen in this film is reduced by 7 ×
When it is set to 10 19 cm −3, preferably 1 × 10 19 cm −3 or less, crystallization can be performed at a temperature lower than 600 ° C., and high carrier mobility can be obtained.

【0023】本発明においては前述の如き課題を解決す
る為に単独あるいは各々の技術が複合化されて構成され
る。例えば、タンデム型セルにおいて、光入射側のI型
半導体層を脱水素化したa−Si半導体とし、他方を通
常のa−Si半導体とした場合、脱水素化したa−Si
の持つエネルギーバンドは通常のa−Si半導体より狭
い。またこの時に脱水素化したa−Si半導体がセミア
モルファス構造を取ることも可能である。
In the present invention, in order to solve the above-mentioned problems, the present invention is constituted singly or in combination of respective techniques. For example, in a tandem cell, when the I-type semiconductor layer on the light incident side is a dehydrogenated a-Si semiconductor and the other is a normal a-Si semiconductor, the dehydrogenated a-Si semiconductor is used.
Has a narrower energy band than ordinary a-Si semiconductors. At this time, the dehydrogenated a-Si semiconductor may have a semi-amorphous structure.

【0024】また、タンデム型セルを構成するI型以外
の半導体層については、特にその特性を限定する必要は
なく任意の半導体層を使用できる。ただし製造技術上の
制限から、個々のPINの半導体層を同じ材料から構成
する方が製造工程、コスト等の点で利点がある。
The semiconductor layers other than the I-type semiconductor layer constituting the tandem cell do not need to be particularly limited in their characteristics, and any semiconductor layer can be used. However, due to limitations in manufacturing technology, it is advantageous to form the individual PIN semiconductor layers from the same material in terms of manufacturing steps, costs, and the like.

【0025】[0025]

【作用】本発明は前述の構成をとることにより、光電変
換装置の光に対する光電変換効率の低下を防止すること
に効果があり、従来より行なわれている光の有効利用の
為のタンデム化とは解決しようとする課題、構成、効果
がことなっている。すなわち、光入射側のI型半導体層
のエネルギーバンドギャップを狭くする、水素量を少な
くする、セミアモルファス半導体を使用する等であり、
従来の技術思想とは全く異なるものである。
The present invention having the above-described structure is effective in preventing a decrease in the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion device with respect to light, and is provided with a conventional tandem for effective use of light. The problems, configurations and effects to be solved are different. That is, the energy band gap of the I-type semiconductor layer on the light incident side is reduced, the amount of hydrogen is reduced, a semi-amorphous semiconductor is used, and the like.
This is completely different from the conventional technical idea.

【0026】本発明を適用し得る光電変換装置としては
2層タンデムのみではなく、3層、4層のタンデム型光
電変換装置でも適用できる。また、個々の光電変換装置
を直列に接続した集積化構造の光電変換装置でも同様に
適用可能である。
As a photoelectric conversion device to which the present invention can be applied, not only a two-layer tandem but also a three-layer or four-layer tandem-type photoelectric conversion device can be applied. Further, the present invention can be similarly applied to a photoelectric conversion device having an integrated structure in which individual photoelectric conversion devices are connected in series.

【0027】[0027]

【実施例1】図1(A)に本実施例の光電変換装置の概
略図を示す。基板として厚さ1.1mmのガラス基板1
0を用いた。この上面に酸化スズ透光性導電膜が第1の
電極11として形成されている。この上面にプラズマC
VD法によりP型半導体SixC1−x(0<X<1厚
さ約200Å)12−水素が添加されたI型珪素半導体
(厚さ600Å)13−N型微結晶珪素半導体14を公
知の技術により形成し第1の光電変換装置15を形成し
た。
Embodiment 1 FIG. 1A is a schematic view of a photoelectric conversion device of this embodiment. 1.1 mm thick glass substrate 1 as substrate
0 was used. On this upper surface, a tin oxide light-transmitting conductive film is formed as a first electrode 11. Plasma C
A P-type semiconductor SixC 1-x (0 <X <1 about 200 ° thick) 12-I-type silicon semiconductor (600 ° thick) 13-N-type microcrystalline silicon semiconductor 14 doped with hydrogen by a VD method is known in the art. And the first photoelectric conversion device 15 was formed.

【0028】この工程の後、超高圧水銀灯(出力5K
W)の600nm以上の波長光をフィルタでカットし、
250〜600nmの波長として、この第1の光電変換
装置15に照射した。この照射光はシリンドリカル石英
レンズにより集光し、巾3mm長さ10cmのスリット
状の強光として被照射面に受光させ、この受光下をXテ
ーブルに配設した照射光を走査(速度5cm/分〜50
cm/分)した。基板温度は室温〜400℃例えば21
0℃とした。すると第1の光電変換装置のうちN型微結
晶半導体の結晶性を有し、I型半導体内に柱状(カラム
ナ状)に結晶化層を成長させることができた。この結晶
化はP型半導体が炭素を含むSixC1−x(0<X<
1)であるためここでブロックされた。
After this step, an ultra-high pressure mercury lamp (output 5K)
W) wavelength light of 600 nm or more is cut by a filter,
The first photoelectric conversion device 15 was irradiated with a wavelength of 250 to 600 nm. This irradiation light is condensed by a cylindrical quartz lens, and is received as a slit-like strong light having a width of 3 mm and a length of 10 cm on the surface to be irradiated. ~ 50
cm / min). The substrate temperature is from room temperature to 400 ° C., for example, 21
0 ° C. Then, the crystallinity of the N-type microcrystalline semiconductor in the first photoelectric conversion device was obtained, and a crystallized layer could be grown in a columnar (columnar) shape in the I-type semiconductor. This crystallization is due to SixC 1-x (0 <X <
Blocked here because of 1).

【0029】次にこのN型半導体14の上にP型半導体
(SixC1−x0<X<1 平均厚さ100Å)16
−水素が添加されたI型珪素半導体17(厚さ3000
Å)(ホウ素、酸素等の不純物はそれぞれ1原子%以
下)−N型微結晶半導体18(厚さ400Å)による第
2の光電変換装置19を形成しさらにこの上面に、透明
電極としてITO20を1050Å形成しその上面に反
射電極20’としてAgとCrを厚さ3000Åに形成
してタンデム型の光電変換装置を完成させた。
Next, on this N-type semiconductor 14, a P-type semiconductor (SixC 1-x 0 <X <1 average thickness 100 °) 16
The hydrogen-added I-type silicon semiconductor 17 (thickness 3000)
Å) (The impurities such as boron and oxygen are each 1 atomic% or less.) A second photoelectric conversion device 19 made of an N-type microcrystalline semiconductor 18 (400 Å in thickness) is formed. Then, Ag and Cr were formed to a thickness of 3000 ° as reflective electrodes 20 ′ on the upper surface thereof to complete a tandem-type photoelectric conversion device.

【0030】結果として第2の光電変換装置のI型半導
体層はアモルファス構造が主体的であったため水素を1
0〜20原子%含み、光学的エネルギバンド巾が1.7
〜1.8eVを有していた。一方、第1の光電変換装置
のI型半導体は多結晶構造を主体としており、その光学
的Egとして1.4〜1.6eVを有せしめることがで
き、そのEgの差は0.15〜0.4eVを有してい
た。対応したエネルギバンドダイヤグラムの一例を図1
(B)に示す。
As a result, since the I-type semiconductor layer of the second photoelectric conversion device mainly has an amorphous structure, hydrogen is reduced to 1%.
0 to 20 atomic%, and the optical energy bandwidth is 1.7
1.8 eV. On the other hand, the I-type semiconductor of the first photoelectric conversion device mainly has a polycrystalline structure, and can have an optical Eg of 1.4 to 1.6 eV, and the difference of Eg is 0.15 to 0. .4 eV. Fig. 1 shows an example of the corresponding energy band diagram.
It is shown in (B).

【0031】作製された光電変換装置(面積1.05c
)の特性は開放電圧は1.69V、短絡電流は7.
7A/cm、曲線因子74.6%で光電変換効率は
9.26%であった。この光電変換装置のI−V特性を
図3に示す。
The fabricated photoelectric conversion device (area: 1.05 c
The characteristic of m 2 ) is that the open circuit voltage is 1.69 V and the short circuit current is 7.
The photoelectric conversion efficiency was 9.26% with a fill factor of 7A / cm 2 and a fill factor of 74.6%. FIG. 3 shows the IV characteristics of this photoelectric conversion device.

【0032】また、この光電変換装置に対して、AM
1.5(100nW/cm)の光を長時間照射した際
の光劣化の程度を測定した結果を図4に示す。図4では
比較の為に従来のシングルセルの光劣化の程度と本発明
のタンデム型セルの光入射側のI型半導体層の厚みを変
えた光電変換装置の劣化の様子を示している。曲線21
は本実施例のデータであり、曲線22は本発明のタンデ
ム型セルの光入射側のI型半導体層の厚みを1000Å
とした場合のデータであり、曲線23は従来の光電変換
装置の場合のデータを示している。明らかに本発明の場
合は光に対する劣化が少ないことがわかる。また、光入
射側のI型半導体層の厚みを薄くした方がさらに劣化の
程度は少なくなることがわかる。
Further, for this photoelectric conversion device, AM
FIG. 4 shows the result of measuring the degree of photodeterioration upon irradiation with 1.5 (100 nW / cm 2 ) light for a long time. FIG. 4 shows, for comparison, the degree of light deterioration of the conventional single cell and the state of deterioration of the photoelectric conversion device in which the thickness of the I-type semiconductor layer on the light incident side of the tandem cell of the present invention is changed. Curve 21
Is the data of the present embodiment, and curve 22 indicates that the thickness of the I-type semiconductor layer on the light incident side of the tandem cell of the present invention is 1000 °.
, And a curve 23 indicates data in the case of a conventional photoelectric conversion device. Obviously, in the case of the present invention, deterioration with respect to light is small. Further, it can be seen that the degree of deterioration is further reduced when the thickness of the I-type semiconductor layer on the light incident side is reduced.

【0033】[0033]

【実施例2】本実施例の光電変換装置を図5に示す。基
板として厚さ1.1mmのガラス基板10を用いた。こ
の上面に酸化スズ透光性導電膜が第1の電極11として
形成されている。この上面にスパッタ法によりP型半導
体12厚さ約200Å−I型半導体(厚さ500Å)1
3−N型半導体14を形成し、第1の光電変換装置を設
けた。
Embodiment 2 FIG. 5 shows a photoelectric conversion device according to this embodiment. A glass substrate 10 having a thickness of 1.1 mm was used as a substrate. On this upper surface, a tin oxide light-transmitting conductive film is formed as a first electrode 11. On this upper surface, a P-type semiconductor 12 having a thickness of about 200 ° -I-type semiconductor (thickness 500 °) 1 is formed by sputtering.
A 3-N-type semiconductor 14 was formed, and a first photoelectric conversion device was provided.

【0034】その作成条件は、スパッタ前の背圧を1×
10−5Pa以下とし、単結晶シリコンをターゲットと
し、アルゴンに水素を20〜80%に混入した雰囲気で
行った。例えばアルゴン20%、水素80%とした。成
膜温度は150℃、周波数は13.56MHz、スパッ
タ出力400〜800Wとした。圧力は0.5Paであ
った。また、P型、N型の導電型を決定する不純物はタ
ーゲット中にドーピングしておいた。
The conditions for the formation are such that the back pressure before sputtering is 1 ×
The test was performed at a pressure of 10 −5 Pa or less, using single crystal silicon as a target, and in an atmosphere in which hydrogen was mixed with 20 to 80% of argon. For example, argon was 20% and hydrogen was 80%. The film formation temperature was 150 ° C., the frequency was 13.56 MHz, and the sputter output was 400 to 800 W. The pressure was 0.5 Pa. Also, the impurities that determine the P-type and N-type conductivity types have been doped in the target.

【0035】これらの方法によって形成された被膜は、
酸素が7×1019cm−3以下、好ましくは1×10
19cm−3以下の濃度であることが好ましい。そのよ
うな範囲にあった場合、珪素膜を結晶化をさせる場合、
結晶化の程度を助長させ得るからである。
The coatings formed by these methods are:
Oxygen is 7 × 10 19 cm −3 or less, preferably 1 × 10 19 cm −3
The concentration is preferably 19 cm −3 or less. When the silicon film is crystallized in such a range,
This is because the degree of crystallization can be promoted.

【0036】例えばSIMS(二次イオン質量分析)法
における不純物濃度として酸素が8×1018
−3、炭素3×1016cm−3を得、また水素は4
×1020cm−3であり、珪素4×1022cm−3
として比較すると1原子%であった。
For example, as an impurity concentration in SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy), oxygen is 8 × 10 18 c
m −3 , 3 × 10 16 cm −3 of carbon, and 4% of hydrogen.
× 10 20 cm −3 and silicon 4 × 10 22 cm −3.
Was 1 atomic%.

【0037】かくして、アモルファス状態の珪素膜を2
000Å〜2μm、例えば1μmの厚さに作製の後、4
50〜700℃の温度にて12〜70時間非酸化物雰囲
気にて中温の加熱処理した。例えば窒素または水素雰囲
気にて600℃の温度で保持した。
Thus, the amorphous silicon film is
After manufacturing to a thickness of 2,000 mm to 2 μm, for example, 1 μm,
Medium-temperature heat treatment was performed in a non-oxide atmosphere at a temperature of 50 to 700 ° C. for 12 to 70 hours. For example, it was kept at a temperature of 600 ° C. in a nitrogen or hydrogen atmosphere.

【0038】この珪素膜の下の基板表面にはアモルファ
ス状態の酸化珪素膜が形成されているため、この熱処理
で珪素膜中に特定の核が存在せず、全体が均一に加熱ア
ニールされる。即ち、成膜時はアモルファス構造を有
し、また水素は単に混入しているのみである。
Since a silicon oxide film in an amorphous state is formed on the surface of the substrate below the silicon film, no specific nucleus is present in the silicon film by this heat treatment, and the entire silicon film is annealed uniformly. That is, it has an amorphous structure at the time of film formation, and hydrogen is simply mixed therein.

【0039】このアニールにより、珪素膜はアモルファ
ス構造から秩序性の高い状態に移り、その一部は結晶状
態を呈する。特にシリコンの成膜時に比較的秩序性の高
い領域は特に結晶化をして結晶状態となろうとする。し
かしこれらの領域間に存在する珪素により互いの結合が
なされるため、珪素同志は互いにひっぱりあう。結晶と
してもレーザラマン分光により測定すると、単結晶の珪
素のピーク522cm−1より低周波側にシフトしたピ
ークが観察される。それの見掛け上の粒径は半値巾から
計算すると、50〜500Åとマイクロクリスタルのよ
うになっているが、実際はこの結晶性の高い領域は多数
あってクラスタ構造を有し、その各クラスタ間は互いに
珪素同志で結合(アンカリング)がされたセミアモルフ
ァス構造の被膜を形成させることができた。
By this annealing, the silicon film shifts from an amorphous structure to a highly ordered state, and a part of the silicon film exhibits a crystalline state. In particular, a region having a relatively high order at the time of forming a silicon film is particularly likely to be crystallized to be in a crystalline state. However, since the silicon existing between these regions is bonded to each other, silicon mutually pulls each other. When the crystal is measured by laser Raman spectroscopy, a peak shifted from the single crystal silicon peak 522 cm −1 to a lower frequency side is observed. Calculated from the half width, the apparent particle size is 50 to 500 °, which is like a microcrystal. However, in actuality, there are a large number of regions having high crystallinity and a cluster structure. It was possible to form a film having a semi-amorphous structure in which silicon mutually bonded (anchored) each other.

【0040】結果として、この被膜は実質的にグレイン
バウンダリ(GBという)がないといってもよい状態を
呈する。キャリアは各クラスタ間をアンカリングされた
個所を通じ互いに容易に移動し得るため、いわゆるGB
の明確に存在する多結晶珪素よりも高いキャリア移動度
となる。即ちホール移動度(μh)=10〜200cm
/Vsec、電子移動度(μe)=15〜300cm
/Vsecが得られる。同様にキャリアの拡散長も数
μmから十数μmと多結晶半導体と同等またはそれ以上
の値が得られる。
As a result, the coating exhibits a state substantially free of grain boundaries (GB). Carriers can easily move from one cluster to another through the anchored locations between the clusters, so-called GB
Carrier mobility higher than that of polycrystalline silicon that clearly exists. That is, hole mobility (μh) = 10 to 200 cm
2 / Vsec, electron mobility (μe) = 15 to 300 cm
2 / Vsec is obtained. Similarly, the carrier diffusion length is several μm to several tens μm, which is equivalent to or larger than that of the polycrystalline semiconductor.

【0041】他方、上記の如く中温でのアニールではな
く、900〜1200℃の温度での高温アニールにより
被膜を多結晶化すると、核からの固相成長により被膜中
の不純物の偏析がおきて、GBには酸素、炭素、窒素等
の不純物が多くなり、結晶中の移動度は大きいが、GB
でのバリア(障壁)を作ってそこでのキャリアの移動を
阻害してしまう。そして結果としては10cm/Vs
ec以上の移動度がなかなか得られないのが実情であ
る。
On the other hand, when the film is polycrystallized by high-temperature annealing at a temperature of 900 to 1200 ° C. instead of annealing at a medium temperature as described above, segregation of impurities in the film occurs due to solid phase growth from nuclei. GB has many impurities such as oxygen, carbon, and nitrogen, and has high mobility in the crystal.
In this case, a barrier is formed, and the movement of carriers there is hindered. And as a result, 10 cm 2 / Vs
Actually, it is difficult to obtain a mobility higher than ec.

【0042】即ち、本発明の実施例ではかくの如く、セ
ミアモルファス構造を有するシリコン半導体を用いてい
る。
That is, in the embodiment of the present invention, as described above, a silicon semiconductor having a semi-amorphous structure is used.

【0043】次に第2の光電変換装置と第1の光電変換
装置の間に透明電極としてクロムシリサイド25を形成
する。この電極により、第1の光電変換装置のN型半導
体と第2の光電変換装置のP型半導体層間でプラズマC
VD法の成膜時に不純物が混入するのを防止でき、かつ
発電したキャリアを効率よく流すことができる。
Next, chromium silicide 25 is formed as a transparent electrode between the second photoelectric conversion device and the first photoelectric conversion device. This electrode allows plasma C between the N-type semiconductor of the first photoelectric conversion device and the P-type semiconductor layer of the second photoelectric conversion device.
It is possible to prevent impurities from being mixed during film formation by the VD method, and to efficiently flow generated power.

【0044】次にこの透明電極25の上にP型半導体
(SixC1−x 0<X<1 平均厚さ100Å)1
6−水素が添加されたI型珪素半導体17(厚さ300
0Å)(ホウ素、酸素等の不純物はそれぞれ1原子%以
下)−N型微結晶半導体18(厚さ400Å)による第
2の光電変換装置19を形成しさらにこの上面に、透明
電極としてITO20を1050Å形成しその上面に反
射電極20’としてAgとCrを厚さ3000Åに形成
してタンデム型の光電変換装置を完成させた。
Next, a P-type semiconductor (SixC 1-x 0 <X <1 average thickness 100 °) 1 is formed on the transparent electrode 25.
6-I-type silicon semiconductor 17 doped with hydrogen (thickness 300
0 [deg.]) (Impurities such as boron and oxygen are each 1 atomic% or less). A second photoelectric conversion device 19 made of an N-type microcrystalline semiconductor 18 (thickness 400 [deg.]) Is formed. Then, Ag and Cr were formed to a thickness of 3000 ° as reflective electrodes 20 ′ on the upper surface thereof to complete a tandem-type photoelectric conversion device.

【0045】作製された光電変換装置(面積1.05c
)の特性は開放電圧は1.60V、短絡電流は7.
7A/cm、曲線因子75.6%で光電変換効率は
9.31%であり、光に対する劣化率は100時間のA
M1.5の照射で4.6%であった。
The fabricated photoelectric conversion device (area: 1.05 c
The characteristic of m 2 ) is that the open-circuit voltage is 1.60 V and the short-circuit current is 7.
7A / cm 2 , fill factor of 75.6%, photoelectric conversion efficiency of 9.31%, and degradation rate against light of 100 hours A
It was 4.6% by irradiation with M1.5.

【0046】本実施例では、半導体層中の酸素、炭素、
窒素の濃度を少なくしたので、熱に対する信頼性やや長
期の信頼性が向上した。
In this embodiment, oxygen, carbon,
Since the nitrogen concentration was reduced, the reliability against heat and the long-term reliability were improved.

【0047】[0047]

【効果】本発明の構成により、光に照射によって光電変
換装置の光電変換効率が低下率が従来に比較して、格段
に少なくなった。これにより、信頼性が向上し、実用化
へ近づいた。
According to the structure of the present invention, the rate of decrease in the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion device due to irradiation with light is significantly reduced as compared with the conventional case. As a result, the reliability has been improved, and practical use has been approached.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の光電変換装置の概略図を示す。FIG. 1 shows a schematic diagram of a photoelectric conversion device of the present invention.

【図2】従来の光電変換装置の概略図を示す。FIG. 2 shows a schematic diagram of a conventional photoelectric conversion device.

【図3】本発明の光電変換装置のI−V特性を示す。FIG. 3 shows IV characteristics of the photoelectric conversion device of the present invention.

【図4】光劣化の測定結果を示す。FIG. 4 shows measurement results of light degradation.

【図5】本発明の他の実施例を示す。FIG. 5 shows another embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10・・・・基板 13・・・・I型半導体層 15・・・・第1の光電変換装置 19・・・・第2の光電変換装置 25・・・・クロムシリサイド 10 substrate 13 I-type semiconductor layer 15 first photoelectric conversion device 19 second photoelectric conversion device 25 chrome silicide

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 基板上に複数の光電変換装置が積層され
たタンデム構造を有す光電変換装置であって、前記光電
変換装置のうちに含まれるひとつのI型半導体層は、
晶性を有する半導体より構成され、光入射側に設けられ
ており、他のI型半導体層はアモルファス半導体より構
成されていることを特徴とする光電変換装置。
1. A photoelectric conversion device having a tandem structure in which a plurality of photoelectric conversion devices are stacked on a substrate, I-type semiconductor layer of one contained in one of the photoelectric conversion device, imaging
Composed of crystalline semiconductor and provided on the light incident side
The other I-type semiconductor layers are composed of amorphous semiconductors.
A photoelectric conversion device characterized by being formed .
【請求項2】 請求項1に記載の結晶性を有する半導体
より構成されるI型半導体層は300〜2500Åの厚
さを有することを特徴とする光電変換装置。
2. The semiconductor having crystallinity according to claim 1.
The I-type semiconductor layer having a thickness of 300 to 2500 degrees .
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