JP2719230B2 - 光起電力素子 - Google Patents

光起電力素子

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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、製造コストが低く、高い光電変換効率を有
する光起電力素子に関し、特にpin接合を有する光起電
力素子に関する。
［従来の技術］ 太陽光などの光を電気エネルギーに変換する太陽電池
などの光起電力素子は、石油エネルギーの代替エネルギ
ーとして、将来、電力用に実用化されうる技術として注
目されている。
太陽電池すなわち光起電力素子は、一般的には、ｐ型
あるいはｎ型の価電子制御剤を微量混合した単結晶シリ
コン（Si）をチョクラルスキー法（CZ法）などの結晶成
長法によって作製し、これからシリコンウェハーを切り
出し、さらに異種の価電子制御剤を拡散させるなどして
前記ウェハーにpn接合を形成することによって製造さ
れ、太陽光などの光を吸収し、励起された光キャリアを
pn接合の内部電界によって移動させて外部に取り出すも
のである。現在、主に実用化されている太陽電池は、信
頼性や変換効率の高さなどの点から、上述の単結晶シリ
コンのものであるが、単結晶シリコン太陽電池の場合、
上述したように半導体プロセスによって製造されるた
め、製造コストが高いものとなる。さらに、単結晶であ
るため直径の大きいウェハーを製造できず大面積化が困
難でり、単位セルを直列あるいは並列に接続するための
配線を行わなければならず、また、屋外に設置するため
には太陽電池を保護するための高価な実装が必要になる
など、単位発電量に対する製造コストが石油エネルギー
を利用した場合に比べ割高になるという問題点がある。
このような事情から、太陽電池を電力用として実用化す
るためには、低コスト化および大面積化が重要な課題で
あって、種々の検討がなされている。
このような要求に対し、コストの安い材料、変換効率
の高い材料など、材料面での探究が行われている。探究
された材料として、例えば、アモルファスシリコン（a-
Si）、アモルファスシリコンゲルマニウム（a-SiGe）、
アモルファスシリコンカーボン（a-SiC）などのテトラ
ヘドラル系のアモルファス（非晶質）半導体や、Cds,Cd
Te,Cu2S,ZnSe,ZnTeなどのII-VI族や、CuInSe2,CuInS2な
どのI-III-VI族の化合物半導体などが挙げられる。とり
わけ、アモルファス半導体を光起電力発生層に用いた薄
膜太陽電池は、単結晶太陽電池に比較して、大面積の膜
を作製できることや、膜厚が薄くできること、任意の基
板材料に堆積できることなどの長所があり、有望視され
ている。
このような材料を用いた太陽電池の素子構造として
は、pin型、MIS（金属−絶縁層−半導体）型、ヘテロ接
合型などが知られているが、最も実用的なものはpin型
である。より具体的には、例えば、基板上に第１の電極
（下部電極）となる金属層を設け、その上に、ｎ型半導
体層、ｉ型半導体層、ｐ型半導体層の順か、ｐ型半導体
層、ｉ型半導体層、ｎ型半導体層の順に積層して光起電
力発生層を形成した後、透明な電気伝導性物質からなる
第２の電極を設ける構造である。基板としては、ガラ
ス、プラスチックフィルムなどの絶縁物を仕様してもよ
いし、金属などの電気伝導体を使用してもよい。
しかしながら、上記アモルファス半導体を用いた太陽
電池は、結晶系の太陽電池に比べて現状では光電変換効
率が低いことが問題点であり、そのため変換効率を向上
させる工夫がなされている。アモルファス半導体として
最も広く用いられているアモルファスシリコン（a-Si）
は、エネルギーバンド幅が約1.7eV以上であるため、波
長が750nm以上の光を吸収することができず、太陽光ス
ペクトルの長波長成分を有効に利用できないので、光電
変換効率の向上に限界があった。
そこで、a-Siよりも狭いバンドギャップを有するナロ
ーバンドギャップ材料が研究されてきた。その一例とし
て、a-Siにゲルマニウム（Ge）、スズ（Sn）、鉛（Pb）
などの元素を添加しアモルファス合金とすることによ
り、バンドギャップを狭くしたものがある。このような
アモルファス合金は、添加する元素の添加量によって、
バンドギャップを調整できることが１つの利点となって
いる。このようなナローバンドギャップ材料をｉ型半導
体層に用いたpin型の太陽電池が作られている。また、
前記ナローバンドギャップ材料をｉ型半導体層に用いた
pin型接合構造と通常のa-Siのｉ型半導体層を用いたpin
型接合構造とを積層したスタックセル型の太陽電池が開
発されている。このスタックセル型の太陽電池では、１
層のpin型接合構造のみからなる太陽電池（シングルセ
ル）よりも、高効率のものが得られている。
しかしながら、上述したアモルファス合金は、膜質が
悪くなり易く、a-Siに比べて電子と正孔のμτ（キャリ
ア移動度・平均寿命積）が悪化するという問題点があ
り、膜質の向上が課題であって、良質のアモルファス合
金を作成する成膜法の研究が行われている。
一方、アモルファス合金をｉ型半導体層に用いたpin
型太陽電池において、ｉ型半導体層のバンドギャップを
調整して、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層に接する部
分のｉ型半導体層のバンドギャップを広くし、ｉ型半導
体層の一点でバンドギャップが最小となるように、ｉ型
半導体層のバンドギャップを傾斜させる技術が米国特許
第4816082号明細書に開示されている。この技術は、ｉ
型半導体層のバンドギャップを膜厚方向の位置によって
変化させることによって、光電変換効率を向上させるも
のである。
また、ｎ型半導体層あるいはｐ型半導体層として、ｉ
型半導体層よりバンドギャップの広い材料を使用する場
合、ｎ型半導体層とｉ型半導体層との界面、ｐ型半導体
層とｉ型半導体層との界面に、それぞれバンドギャップ
が連続的に変化する層（いわゆるバッファ層）を介在さ
せることにより、光電変換効率を向上させる技術が米国
特許第4542256号明細書に開示されている。
［発明が解決しようとする課題］ 現状では上述したアモルファス合金の膜質はアモルフ
ァスシリコンのレベルまで至っていないため、上述した
ｉ型半導体層のバンドギャップを傾斜させたり、バッフ
ァ層を介在させたりする技術が試みられている。しかし
ながらこれらの技術を用いても、アモルファス合金をも
ちいた光起電力素子は、光電変換効率の値として満足で
きる値が得られず、改善の余地を残しているという問題
点がある。
本発明の目的は、アモルファス合金による光起電力素
子において、さらに光電変換効率を向上させた太陽電池
を提供することにある。
［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するための本発明の光起電力素子は、
pin型の半導体接合構造を有する光起電力素子におい
て、 ｉ型半導体層のバンドギャップ幅がｐ型層界面からバ
ンドギャップ極小点まで漸減し、且つ該バンドギャップ
極小点からｎ型層界面まで漸増しており、 該バンドギャップ極小点は前記ｉ型半導体層の膜厚方
向中央よりｐ型半導体層側に設けられ、 前記ｉ型半導体層のバンドギャップ幅の増加割合が、
前記バンドギャップ極小点に近い側で相対的に小さく、
ｎ型半導体層に向かって相対的に大きくなるように、単
調に変化していることを特徴とする。
ｉ型半導体層としてアモルファス半導体を使用すると
よく、さらにアモルファスシリコンよりもバンドギャッ
プの狭い半導体材料を使用するとよい。また、１組のpi
n型の半導体接合構造を有する単位光起電力素子を複数
個積層し、少なくとも１つの単位光起電力素子において
ｉ型半導体層のバンドギャップ幅をｐ型層界面からバン
ドギャップ極小点まで漸減させ、且つバンドギャップ極
小点からｎ型層界面まで漸増させ、このバンドギャップ
極小点をｉ型半導体層の膜厚方向中央よりｐ型半導体層
側に設け、ｉ型半導体層のバンドギャップ幅の増加割合
が、バンドギャップ極小点に近い側で相対的に小さく、
ｎ型半導体層に向かって相対的に大きくなるように、単
調に変化するようにしてもよい。
［作用］ 本発明の光起電力素子の作用について説明する。
前記米国特許第4816082号明細書に開示された技術で
は、バンドギャップの最小点から最大点を結ぶバンドギ
ャップの傾斜は直線的すなわち一様であったが、本発明
の光起電力素子は、ｉ型半導体層中のバンドギャップ
が、ｉ型半導体層の中央よりｐ型半導体層側の部分で最
小になるようにし、ｎ型半導体層との界面およびｐ型半
導体層との界面で最大となるようにしたものである。さ
らに、ｉ型半導体層のバンドギャップ幅の増加割合が、
バンドギャップ極小点に近い側で相対的に小さく、ｎ型
半導体層に向かって相対的に大きくなるように、単調に
変化するようになっている。このようにすることによ
り、光電変換効率をさらに向上させたものである。
一般に、pin型太陽電池において、pin接合によるｉ型
半導体層の内部電界は、ｐ型半導体層およびｎ型半導体
層との各界面で強く、ｉ型半導体層の内部では弱くなっ
ていると考えられる。さらに、ｐ型半導体層側、ｎ型半
導体層側のいずれから光を入射させる場合であっても、
最も電界の弱くなる位置は、ｉ型半導体層の中央よりｎ
型半導体層側であると考えられている。このことは、ソ
ーラー セルズ（Solar Cells）誌第９巻（1983年）19
〜23頁に掲載されたD.E.Carlsonらによる"Light-Induce
d effect in amorphous silicon material and device
s"という報文あるいはジャーナル オブ アプライド
フィジックス（J.Appl.Phys.）誌第58巻（1985年）997
頁以降に掲載されたM.Hack、M.Shorによるシミュレーシ
ョン結果などによって示されている。
本発明者らは、以上のpin型太陽電池の特性について
鋭意研究した結果、以下のような結論に至った。
すなわち、ｐ型半導体層側、ｎ型半導体層のいずれか
ら光が入射する太陽電池においても、内部電界の最も弱
くなる部分、すなわちｉ型半導体層中の中央からｎ型半
導体層側の部分のバンドギャップの幅の増加割合を大き
くすることによって、マイノリティキャリアの輸送を促
進することができる。特にマイノリティキャリアが正孔
と考えられる場合には、ｎ型半導体層との界面近くのｉ
型半導体層のバンドギャップの幅の増加割合を相対的に
大きくし、ｉ型半導体層内部（バンドギャップの最小点
寄り）のバンドギャップの幅の増加割合を相対的に小さ
くすることによって、前記内部電界の最小となる点近傍
の価電子帯のバンド端の傾きを大きくし、正孔の輸送を
促進できると考えた。さらに、ｉ型半導体層の中央より
ｐ型半導体層側にバンドギャップの最小点をもってくる
ことにより、ｐ型半導体層側から光が入射するときに、
ｐ型半導体層との界面近傍の光の吸収が大きくなって光
キャリアの発生が増大し、発生した正孔の輸送距離を短
くすることができるので、光キャリアの収集効率を高め
ることができると考えた。本発明は、以上の知見を総合
して得られたものである。
米国特許第4816082号明細書に開示されたｉ型半導体
層のバンドギャップを傾斜させる技術によって、太陽電
池の開放電圧（Voc）とフィルファクタ（FF）が、バン
ドギャップの傾斜をもたなすｉ型半導体層を用いた太陽
電池よりも向上したが、本発明によればさらにフィルフ
ァクタが向上する。すなわち、本発明では、バンドギャ
ップの幅が直線的に変化するようにする場合に比べ、ｉ
型半導体層のバンドギャップの平均値が小さくなるので
長波長光の吸収が増えて短絡電流（Isc）が増大する。
また、バンドギャップの幅が直線的に変化するものと同
じ短絡電流を得るようにする場合を考えると、本発明で
はｉ型半導体層の膜厚を薄くすることができるため、フ
ィルファクタが向上する。なお、フィルファクタは、一
定の入射光の条件下において取り出し得る最大の電力を
そのときの開放電圧と短絡電流の積で除したものであ
り、一般に、100％に近いほど太陽電池として優れてい
るとされている。
以上の如く、本発明の光起電力素子によって、特に短
絡電流とフィルファクタが向上し、光電変換効率が向上
する。
本発明において、ｉ型半導体層のバンドギャップを変
化させる方法は、ｉ型半導体層に用いる材料によって異
なるが、２種類以上の元素を含む材料の場合は、成分元
素の組成比を変化させることによってバンドギャップを
変化させることができる。例えば、アモルファスシリコ
ンゲルマニウム（a-SiGe）の場合には、シリコンとゲル
マニウムの組成比を変化させることによって、組成比に
対してほぼ直線的にバンドギャップが変化することが知
られている。したがって、a-SiGeのような２種類以上の
元素を含む材料においては、ｉ型半導体層の膜厚方向に
組成比を連続的に変化させることによって、バンドギャ
ップの幅に変化をもたせることができる。また、材料に
よっては、水素含有量あるいは結晶粒の粒径を変化させ
ることによってバンドギャップを変化させることができ
る。
本発明においてｉ型半導体層のバンドギャップの幅の
増加割合の値は、ｉ型半導体層に用いる材料によって、
またｉ型半導体層の膜厚によって大きく異なるが、例え
ば、a-SiGeの場合、ｉ型半導体層のバンドギャップの最
小点に近い側の幅の増加割合が、好ましくは0.1〜五eV/
μｍ、より好ましくは0.2〜2eV/μｍであることが望ま
しく、ｉ型半導体層のｎ型半導体層に近い側の幅の増加
割合が、好ましくは0.5〜60eV/μｍ、より好ましくは1.
0〜12eV/μｍであることが望ましい。
［実施例］ 次に、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。
第１図は、本発明の光起電力素子の一実施例である太
陽電池の構造を示す模式断面図である。
この太陽電池は、基板101上に、下部電極102、ｎ型半
導体層103、ｉ型半導体層104、ｐ型半導体層105、透明
電極106が順次積層された構造であり、さらに、透明電
極106の上に集電電極107が形成されている。この太陽電
池は、ｐ型半導体層105側から光が入射する形態のもの
である。下部電極102、透明電極106は、この太陽電池の
pin接合構造から光電流を取り出すためのものであっ
て、それぞれｎ型半導体層103、ｐ型半導体層105とオー
ミックに接合されている。
まず、この太陽電池の各構成要素について説明する。
基板101としては、電気伝導性のものを用いてもよい
し、電気絶縁性のものを用いてもよい。電気伝導性のも
のとしては、Al,Fe,Cu,Ni,Agなどの金属単体の薄板ある
いはステンレスなどの合金の薄板などが挙げられる。導
電性のものであるときは基板自体を下部電極として使用
することも可能であり、また電流取り出し用の電極とし
て利用することもできる。絶縁性の基板としては、無ア
ルカリガラス、SiO2,Si3N4,Al2O3などの無機物質を用い
ることもできるし、ポリイミド、ポリアミド、ポリエチ
レンテレフタレート、エポキシなどの合成樹脂で耐熱性
のあるものを選択して用いることもできる。また、導電
性の板に、いま述べた合成樹脂などの絶縁物質をコーテ
ィングしたものを用いてもよい。
これらの基板材料によって基板101を構成する場合、
電気伝導性のものであれば、上述のように基板101を直
接、電流取り出し用の電極としてもよいし、電気絶縁性
のものの場合には、堆積膜（上部電極102や各半導体
層）の設けられる側の表面に、Al,Ag,Pt,Au,Ni,Ti,Mo,
W,Fe,V,Cr,Cuなどの金属単体、ステンレス、黄銅、ニク
ロムなどの合金、あるいはSnO2,In2O3,ITO(In2O3+SnO2)
などの透明導電性酸化物（TCO）からなる導電性の薄膜
をメッキ、蒸着、スパッタリングなどの方法で設けて、
電流取り出し用の電極を予め形成しておくことが望まし
い。
もちろん、基板101が金属などの導電性のものからな
っているときでも、基板101表面での長波長光の反射率
を向上させたり、基板101と前記堆積膜との間での相互
拡散を防ぐため、基板材料とは異種の金属層を基板101
の堆積膜の形成される側に設けてもよい。
基板材料が比較的透明であって、該基板の側から光を
入射させるような層構成の太陽電池とする場合には、基
板の表面上に、透明導電性酸化物や光が透過する厚さの
金属からなる薄膜を予め堆積形成しておくことが望まし
い。基板側から光を入射させる例については後述する。
また、基板102の表面は、いわゆる平滑面であって
も、微小な凸凹を有する面であってもよい。微小な凸凹
を有する面の場合には、その凸凹形状は、球状、円錐
状、角錐状などであって、かつその最大高さ（Rmax）を
好ましくは500Å〜5000Åとすることにより、該表面で
の光反射が乱反射となり、該表面での反射光の光路長の
増大をもたらす。
次に、各電極について説明する。
下部電極102は、上述したように、基板101とｎ型半導
体層103の間に設けられる。しかし、基板101が導電性で
ある場合には、該基板が下部電極を兼ねることができ
る。ただしこの場合、基板101が導電性であってもシー
ト抵抗値が大きい場合には、電流取り出し用の低抵抗の
電極としてあるいは基板面での光の反射率を高め入射光
の有効利用を図るため、下部電極102が設けられる。ま
た、基板101として電気絶縁性のものを用いる場合に
は、電流を取り出すため、下部電極102が必須である。
下部電極102の材料としては、Ag,Au,Pt,Ni,Cr,Cu,Al,
Ti,Zn,Mo,Wなどの金属単体またはこれらの合金が挙げら
れ、これらの金属の薄膜を真空蒸着、電子ビーム加熱蒸
着、スパッタリングなどで形成する。また、形成された
金属薄膜は太陽電池の出力に対して抵抗成分とならない
ように配慮されねばならず、シート抵抗値としては500
Ω以下が望ましく、10Ω以下であることが好ましい。
下部電極102とｎ型半導体層103との間に、図示されて
いないが、導電性酸化亜鉛などからなる拡散防止層を設
けてもよい。この拡散防止層を設けることにより、下部
電極102を構成する金属元素がｎ型半導体層103中に拡散
することを防止し、また、薄膜による多重干渉を発生さ
せて入射光を半導体層内に閉じ込める効果があり、さら
にこの拡散防止層に若干の抵抗値をもたせることによ
り、半導体層を挟んで設けられた下部電極102と透明電
極106との間にピンホールその他の欠陥が発生しても、
この欠陥によるショート（短絡）を防止できるという効
果がある。
透明電極106は、太陽や白色蛍光灯などからの光を半
導体層内に効率よく吸収させるため、光の透過率が85％
以上であることが望ましく、さらに、電気的には太陽電
池の出力に対して抵抗成分とならないように、シート抵
抗値が100Ω以下であることが望ましい。このような特
性を備えた材料として、SnO2,In2O3,ZnO,CdO,Cd2SnO4,I
TO(In2O3+SnO2)などの金属酸化物や、Au,Al,Cuなどの金
属をきわめて薄く半透明状に成膜した薄膜などが挙げら
れる。また、透明電極106は、ｐ型半導体層105の上に形
成されるため、密着性のよい材料である必要がある。透
明電極106の作成方法としては、抵抗加熱蒸着法、電子
ビーム加熱蒸着法、スパッタリング法、スプレー法など
用いることができ、所望に応じて適宜選択される。
集電電極107は、透明電極106の表面抵抗値を実質的に
低減させるためのものであって、透明電極106の上に櫛
形あるいは格子状に形成される。集電電極の材料として
は、Ag,Cr,Ni,Al,Au,Ti,Pt,Cu,Mo,Wなどの金属単体また
はこれらの合金の薄膜が挙げられる。これらの薄膜は必
要に応じて積層して用いることができ、また各半導体層
への充分な光の入射が確保されるよう、集電電極107の
形状および透明電極106を覆う面積が決定される。例え
ば、その形状は太陽電池の受光面に対して一様に広が
り、かつ受光面積に対してその面積は15％以下であるこ
とが望ましく、10％以下であることが好ましい。また、
集電電極107のシート抵抗値は、50Ω以下が望ましく、1
0Ω以下が好ましい。
次に、この太陽電池を構成する各半導体層について説
明する。
まず、ｉ型半導体層104について説明する。
ｉ型半導体層104は、バンドギャップの調整が可能な
材料で構成されるが、例えばアモルファスシリコン（a-
Si）、アモルファスシリコンゲルマニウム（a-SiGe）や
アモルファスシリコンスズ（a-SiSn）、アモルファスシ
リコン鉛（a-SiPb）といったアモルファス合金、あるい
は微結晶Si、多結晶Si、またはSdS、CdTeなどのII-VI族
化合物、GaAs、InSbなどのIII-V族化合物などが挙げら
れる。ｉ型半導体層104の膜厚は、材料によって適する
値が大きく異なるが、例えばa-Siの場合であれば500〜8
000Å、a-SiGeなどのアモルファス合金の場合であれば1
000〜5000Åが望ましい。
次に、ｉ型半導体層104のバンドギャップについて説
明する。
ｉ型半導体層104中のバンドギャップ、ｉ型半導体層1
04の膜厚方向の位置によって変化し、ｉ型半導体層104
の一点で最小のバンドギャップとなるようになってい
て、この点をバンドギャップの最小点とする。そして、
この最小点からｎ型半導体層103との界面に向かう方向
に単調にバンドギャップは広くなり、ｎ型半導体層103
との接合面でバンドギャップの不連続がないようになっ
ている。そして、前記最小点からｎ型半導体層104に向
かうバンドギャップの幅の増加割合は、前記最小点側で
相対的に小さく、ｎ型半導体層103側で相対的に大きく
なっている。また、前記最小点からｐ型半導体層105と
の界面に向かう方向に単調にバンドギャップは広くな
り、ｐ型半導体層105との接合面でバンドギャップの不
連続がないようになっている。前記最小点のｉ型半導体
層104中における最適の位置は、用いる材料や太陽電池
の構成によって異なるが、ｉ型半導体層104の膜厚方向
中央位置よりｐ型半導体層105側にあり、ｐ型半導体層1
05との界面から膜厚方向にｉ型半導体層104全体の膜厚
の1/3までの間にあることが好ましく、ｐ型半導体層105
との界面から膜厚方向にｉ型半導体層104全体の膜厚の1
/4までの間にあることがより好ましい。
このｉ型半導体層104におけるバンドギャップの形状
をさらに詳しく説明する。第２図は、本発明の光起電力
素子の一例の太陽電池の半導体層のエネルギーバンドプ
ロファイルを示すエネルギーバンド図である。図中、CB
は伝導帯の端部、VBは価電子帯の端部を示す。
ｐ型半導体層側から光が入射するものとして、ｉ型半
導体層のその中心よりｐ型半導体層に寄った位置（Ｂ
点）においてバンドギャップが最小（すなわち最小点）
となるようにし、ｉ型半導体層とｐ型半導体層との界面
であるＡ点と、ｉ型半導体層とｎ型半導体層との界面で
あるＤ点とでバンドギャップが最大になるようにｉ型半
導体を調整してある。さらに、バンドギャップの最小点
（Ｂ点）とｎ型半導体層側の最大点（Ｄ点）との間のバ
ンドギャップの幅の増加割合をＢ点に近い側で相対的に
小さくし、Ｄ点に近い側で相対的に大きくなるようにし
てある。第２図の場合、Ｂ点とＤ点との間のある１点
（Ｃ点）について、Ｂ−Ｃ点間でバンドギャップが直線
的に変化し、Ｃ点でバンドギャップが折れ曲がり、Ｃ−
Ｄ点間でバンドギャップが直線的に変化するようになっ
ている。もちろん、Ｂ−Ｃ点間の幅の増加割合よりＣ−
Ｄ点間の幅の増加割合の方が大きい。
さらに、バンドギャップの最小点とｎ型半導体層界面
との間で、バンドギャップの幅の増加割合が変わる点を
２点以上設けるようにしてもよい。この場合、バンドギ
ャップの幅の増加割合は、前記最小点からｎ型半導体層
との界面に向かう方向に段階的に大きくなることにな
る。
また、第３図のように、バンドギャップの折れ曲がる
点（Ｃ点）を設けずに、Ｂ点からＤ点に向かって、徐々
にバンドギャップの幅の増加割合が大きくなるようにし
てもよい。
ｉ型半導体層104におけるバンドギャップの最大値と
最小値は、ｉ型半導体層を構成する材料と太陽電池の構
成によって適宜選択される。アモルファス合金を用いる
場合には、一般にバンドギャップの最小値を小さくする
ほど光の吸収が増えるが、バンドギャップの小さな材料
は膜質が低下することを考慮して最適値を定める必要が
ある。
また、ｉ型半導体層104とｎ型半導体層103及びｐ型半
導体層105の材料の選択の仕方によっては、ｉ型半導体
層104−ｎ型半導体層103界面において、あるいはｉ型半
導体層104−ｐ型半導体層105界面において、バンドギャ
ップが不連続とする場合もあるが、この場合には、ｉ型
半導体層104の前記界面部分に場合が連続的に遷移する
層（いわゆるバッファ層）を設け、前記界面におけるバ
ンドギャップの不連続を解消するようにしてもよい。こ
のようなものの例として、ｉ型半導体層104にa-SiGe、
ｐ型半導体層105にアモルファスシリコンカーボン（a-S
iC）を用いた太陽電池を挙げることができ、このときの
エネルギーバンドのプロファイルの例が第４図に示され
ている。第４図中のｉ型半導体層の斜線部分（図示Ａ−
Ｅ、Ｄ−Ｆの部分）はバッファ層である。
ここで、ｉ型半導体層とｎ型半導体層との界面部分に
連続的にバンドギャップの変化するバッファ層を設けた
場合、本発明のｉ型半導体層のｎ型半導体層側の部分
（バンドギャップが変化している）と区別がつかなくな
るように思われるかも知れないが、バッファ層はｎ型半
導体層との界面から高々500Å以下の膜厚で設けられた
層である。ｉ型半導体層とｎ型半導体層とのバンドギャ
ップが異なる場合、一般に界面に多くの界面準位が発生
して界面での光キャリアの再結合が増大するが、バッフ
ァ層は界面準位の発生を防ぐことによって光キャリアの
再結合を防止し、これにより主に開放電圧を向上させる
ためのものである。また、バッファ層は前記界面部分に
あるので、その内部電界は相対的に大きい、一方、本発
明におけるｉ型半導体層のｎ型半導体層側のバンドギャ
ップの幅の増加割合とは、前記界面でのバンドギャップ
の幅の増加割合ではなくｉ型半導体層内部でのバンドギ
ャップの幅の増加割合であり、上述したバッファ層に比
べｉ型半導体層内部までバンドギャップの幅の増加が連
続するものである。したがって、本発明におけるｉ型半
導体層のｎ型半導体層側のバンドギャップの幅の増加し
ている部分は、ｉ型半導体層内の内部電界の相対的に弱
い部分に位置し、マイノリティキャリアの輸送を促進し
てフィルファクタの向上を図るためのものである。すな
わち、バッファ層とは位置も役割も異なる。
次に、ｎ型半導体層103とｐ型半導体層105について説
明する。
ｎ型半導体層103の材料としては、ｉ型半導体層104の
材料として上述した材料の他、a-SiC、アモルファス窒
化シリコン（a-SiN）、アモルファス酸化シリコン（a-S
iO）などのa-Siよりバンドギャップの広い材料を用いる
こともできる。半導体材料に応じてP,As,Sb,Nなどの価
電子制御物質を添加し、ｎ型に価電子制御される。
ｐ型半導体層105の材料としては、ｎ型半導体層103の
材料として上述した材料を用いることができる。半導体
材料に応じてB,Al,Ga,Inなどの価電子制御物質を添加
し、ｐ型に価電子制御される。
また、ｎ型半導体層103、ｐ型半導体層105のいずれと
も、抵抗が低く、活性化エネルギーが小さく、膜中の欠
陥の少ないものが好ましい。ｐ型半導体層、ｎ型半導体
層のいずれから光を入射させる場合であっても、入射側
の半導体層は、バンドギャップを広くし膜厚を薄くし
て、光の透過率を高めるようにするのが好ましい。ま
た、ｎ型半導体層103、ｐ型半導体層105の膜厚は、それ
ぞれ材料によって最適値が大きく異なるが、例えばa-S
i、a-SiC、a-SiN、a-SiOなどの場合には、30〜500Å程
度が望ましい。
上述した太陽電池では、光は基板101の反対側から入
射するようになっているが、基板側から入射するように
することもできる。第５図は、基板側から光を入射させ
る太陽電池の一例を示す模式断面図である。
この太陽電池は、透光性の基板111の上に、透明電極1
16、ｎ型半導体層113、ｉ型半導体層114、ｐ型半導体層
115、下部電極112が順次積層された構造となっている。
透明電極116、ｎ型半導体層113、ｉ型半導体層114、ｐ
型半導体層115、下部電極112のそれぞれの構成は上述し
た太陽電池におけるそれらの構成と同様である。この場
合、基板111の表面上に、導電性酸化物や光が透過する
厚さの金属からなる薄膜を予め堆積形成しておくことが
望ましい。また、透明電極116は、基板111とｎ型半導体
層113との間に位置することになるので、基板111に対し
てもｎ型半導体層113に対しても密着性のよい材料で構
成することが好ましい。
以上、太陽電池の構成について述べてきたが、複数の
pin接合からなるいわゆるスタックセルとすることもで
きる。太陽電池の構成がいずれであっても、これらの太
陽電池を実用に供する場合、所望の出力電圧及び出力電
流に応じて太陽電池を直列および並列に接続して集積化
し、表面を保護するための層を設け、出力端子を取り付
けていわゆる太陽電池モジュールを構成して使用するこ
とになる。
次に、本発明の光起電力素子の実施例である太陽電池
について、具体的数値を挙げてさらに詳しく説明する。
（実施例１） ｉ型半導体層104がa-SiGeからなる、第１図に示した
層構成の太陽電池を作成した。
まず、この太陽電池の作成方法について説明する。
この太陽電池の作成に使用した成膜装置について、第
６図によって説明する。
この成膜装置は、高周波プラズマCVD法による成膜を
行うものであって、公知の構成のものである。反応チャ
ンバ201は、排気管206とガス導入管208が接続され、排
気管206の他端に接続された排気ポンプ207により排気さ
れるようになっている。一方、ガス導入管208の他端に
は複数本の枝管209が接続され、各枝管209にはバルブ21
0、マスフローコントローラ212、バルブ211が設けら
れ、各バルブ211にはガスボンベなどの図示しないガス
供給源がそれぞれ接続されている。したがって、ガス供
給源からの各種のガスは、それぞれバルブ211、マスフ
ローコントローラ212、バルブ210を経て、ガス導入管20
8に流れ込み、ガス導入管208で前記各種のガスが混合し
て反応チャンバ201に供給されることになる。また、マ
スフローコントローラ212を制御することによって、ガ
スの流量をガスの種別毎に個別に変化させることができ
る。このマスフローコントローラ212は、不図示のコン
ピュータによって制御されるようになっており、コンピ
ュータをプログラムすることによって、任意の流量パタ
ーンが得られるようになっている。
反応チャンバ201の内部には、基板ホルダ204と基板ホ
ルダ204に対向する高周波電極203とが設けられている。
基板ホルダ204は、成膜時に太陽電池の基板101を保持す
るものであって、導電性の部材からなり接地されてい
る。また基板ホルダ204の内部には、基板101を加熱する
ためのヒータ205が埋め込まれている。高周波電極203は
他端が接地された高周波電源202の一端に図示しないマ
ッチングボックスを介して接続されている。反応チャン
バ201を減圧にして所定の反応ガスを供給し、高周波電
源202により高周波電極203に高周波電力を供給すること
により、反応チャンバ201内で高周波プラズマ放電が発
生し、基板ホルダ204に保持された基板101に成膜される
ことになる。
次に、この太陽電池の作成手順について説明する。
まず、5cm角の大きさのステンレス（SUS304）製の基
板101を鏡面研磨し、表面の最大高さを0.05μm Rmax以
下とした。次に、この基板101の表面に高周波スパッタ
法によってAgを厚さ1000Å、ZnOを厚さ4000Å成膜し、
下部電極102を形成した。Agの成膜時に基板温度を約300
℃に保つことによって、入射光が乱反射するようAgの表
面を適度に粗くした。すなわち、いわゆるテクスチャー
化を施した。
次に、下部電極102を設けた基板101を上述した成膜装
置の基板ホルダ204に装着し、排気ポンプ207で排気し
て、反応チャンバ201内の真空度が10-6Torrになるよう
にした。真空度の監視は不図示のイオンゲージで行っ
た。そして、ヒータ205により基板101を約300℃に加熱
し、基板温度が一定になったらバルブ210、211を操作
し、不図示のSi2H6ガスボンベからSi2H6ガスを反応チャ
ンバ201に1sccm導入した。導入量の制御はマスフローコ
ントローラ212によって行った。同様にして、H2ガを50s
ccm導入し、H2ガスで50％に希釈されたPH3ガスを1sccm
導入した。
反応チャンバ201内の圧力が1.2Torrとなるように調整
した後、高周波電源202から1.5Wの高周波電力を投入し
てプラズマ放電を２分間継続させ、ｎ型a-Siからなる厚
さ200Åのｎ型半導体層103を成膜した。ｎ型半導体層10
3が成膜されたらガスの導入を停止した。
そののち、反応チャンバ201を10-6Torr以下まで排気
し、基板温度を280℃に保って、Si2H6ガス0.65sccmとH2
ガス50sccmとを反応チャンバ201内に導入した。そし
て、GeH4ガスを導入しながら、反応チャンバ201の内圧
を1.15Torrに保ち、高周波電源202から1.3Wの高周波を
投入して25分間成膜を行い、a-SiGeからなるｉ型半導体
層104を基板101上に堆積した。このとき、GeH4ガス用の
マスフローコントローラ212をコンピュータで制御する
ことにより、GeH4ガスを第７図に示すような流量パター
ンで導入し、この結果、第８図に示すような膜厚方向の
バンドギャップの変化を有するｉ型半導体層104が形成
された。なお、ｉ型半導体層104の成膜の最後の４分
間、すなわちｉ型半導体層104のうちｐ型半導体層105と
の界面部分（図示Ａ−Ｅ間）を成膜するときにはGeH4ガ
スの導入を中止し、この部分がゲルマニウムを含まない
ｉ型a-Si層からなるバッファ層となるようにした。
ｉ型半導体層104のＡ〜Ｅ点（第７図、第８図）にお
ける光学的バンドギャップ（Egopt）、Geの濃度、およ
びこれらの点のｎ型半導体層103側界面からの距離を第
１表に示す。光学的バンドギャップは、全く同じ成膜条
件でガラス基板上に成膜を行った試料を作成して、この
試料について光の吸収係数の波長特性を求めることによ
って測定した。またGeの濃度はＸ線マイクロアナライザ
（XMA）を利用して定量した。
第８図、第１表の結果から明らかなように、ｉ型半導
体層104のｎ型半導体層103側、すなわち図示Ｃ−Ｄ間の
光学的バンドギャップの幅の増加割合は2.7eV/μｍ、ｉ
型半導体層104のバンドギャップの最小点（Ｂ点）から
前記Ｃ点までの光学的バンドギャップの幅の増加割合は
0.67eV/μｍであり、Ｃ−Ｄ間の幅の増加割合の方が大
きくなっている。
ｉ型半導体層104の成膜が終了したら高周波電力の投
入とガスの導入を停止し、反応チャンバ201内を10-6Tor
r以下まで排気した。そののち、基板温度を200℃に保っ
て、H2ガスで５％に希釈したSiH4ガス1sccmとH2ガス75s
ccmとH2ガスで２％に希釈したBF3ガスを反応チャンバ20
1内に導入し、続いて高周波電源202より50Wの高周波電
力を投入して、0.5分間にわたってプラズマ放電を起こ
させ、厚さ60Åのｐ型微結晶シリコンからなるｐ型半導
体層105を成膜した。
ｐ型半導体層105の成膜が終了したら反応チャンバ201
から原料ガスを排気し、基板101を冷却された後、上述
のようにして各半導体層が形成された基板101を取り出
し、不図示の蒸着装置に装着して基板温度を170℃に保
ち、厚さ700ÅのITO（In2O3＋SnO2）からなる透明電極1
06を蒸着形成した。この透明電極106は、光電流を取り
出すと同時に反射防止効果を得るためのものである。こ
の蒸着終了後、試料を蒸着装置から取り出し、不図示の
ドライエッチング装置により1cm×1cmの大きさのサブセ
ルに分離し、別の蒸着装置に移して電子ビーム加熱蒸着
法によってアルミニウムからなる集電電極107を形成
し、この太陽電池を完成させた。
次に、この太陽電池について、キセノンランプを利用
した疑似太陽光源（ソーラーシミュレータ）を用いてAM
値が1.5の太陽光スペクトルに近似したスペクトルの光
を100mW/cm2で照射し、太陽光に対する太陽電池の特性
を調べた。AM値は、標準大気圧下で太陽が天頂距離ｚに
あるときのスペクトルを基準にして、そのスペクトルを
sec zで表示した太陽光のスペクトルの指標である。特
性の揃っていた10個のサブセルについての開放電圧（Vo
c）、単位面積当りの短絡電流（Joc）、フィルファクタ
（FF）および光電変換効率（η）の平均値を第２表に示
す。また、波長（λ）が600nm以下の光を透過させない
フィルタに前記のAM値1.5、強度100mW/cm2のソーラーシ
ミュレータの光を透過させ、透過光を前記太陽電池に照
射して、この太陽電池の長波長光に対する特性を上記と
同様に測定した。特性が揃っていた10個のサブセルにつ
いての測定結果を第３表に示す。
（実施例２） 上述した実施例１の太陽電池では、ｉ型半導体層104
のバンドギャップの最小点からｎ型半導体層103に向か
うバンドギャップの幅の増加割合は、折れ線状に変化し
ていたが、ここでは、このバンドギャップの幅の増加割
合が連続的に滑らかに変化する太陽電池を作成した。
まず、この太陽電池の作成方法について説明する。
上述した第６図の成膜装置を用い、実施例１と同様に
基板101上に下部電極102、ｎ型半導体層103を形成し
た。
ｎ型半導体層103の形成に引続き、厚さ約2000Åのｉ
型半導体層104を形成した。ｉ型半導体層104の成膜時に
おける基板温度、使用する原料ガスの種類と流量、成膜
時の圧力、投入する高周波電力などは実施例１と同様に
し、ただしGeH4ガスを第９図に示す流量パターンで反応
チャンバ201内に導入した。すなわち、ｎ型半導体層103
との界面（図中Ｄ点）からｉ型半導体層104中のバンド
ギャップの最小点（図中Ｂ点）まで、GeH4ガスの流量が
上に凸である曲線に従うように、GeH4ガス用のマスフロ
ーコントローラ212を制御した。その結果、第10図に示
されるような、バンドギャップの最小点からｎ型半導体
層103に向かってバンドギャップが連続的に滑らかに変
化し、かつｎ型半導体層103に近づくにつれてバンドギ
ャップの幅の増加割合が大きくなる太陽電池が作成され
ることになる。なお、ｉ型半導体層104の成膜の最後の
４分間にはGeH4ガスの導入を停止し、ｉ型半導体層104
のｐ型半導体層105の界面部分（第９図、第10図のＥ−
Ａ間）にa-Siからなるバッファ層を形成した。
ｉ型半導体層104の成膜終了後、実施例１と同様にｐ
型半導体層105、透明電極106、集電電極107を形成し
て、太陽電池を完成させた。この太陽電池の構成は、ｉ
型半導体層104のバンドギャップの幅の増加割合の変化
状況を除き、実施例１の太陽電池と同じである。
次に、実施例１と同様に、この太陽電池の太陽光に対
する特性を測定した。特性の揃った10個のサブセルの特
性値の平均を第２表に示す。また、実施例１と同様にし
て、長波長光に対するこの太陽電池の特性を調べた。特
性の揃っていた10個のサブセルの平均値を第３表に示
す。
（比較例１） 実施例１、２と比較を行うため、従来の構成のa-SiGe
太陽電池を作成した。すなわち、ｉ型半導体層中でバン
ドギャップの傾斜のない太陽電池である。第15図はこの
太陽電池のエネルギーバンドのプロファイルを示すエネ
ルギーバンド図である。ただし、ｐ型半導体層とｉ型半
導体層との界面、ｎ型半導体層とｉ型半導体層との界面
におけるバンドギャップの不連続を軽減し、界面準位を
減らすため、バッファ層（図示Ａ−Ｅ間）と傾斜層（図
示Ｅ−Ｂ間）と傾斜バッファ層（図示Ｆ−Ｄ間）をｉ型
半導体層に設けてある。ｉ型半導体層における光学的バ
ンドギャップEgoptは、前記バッファ層、前記傾斜層、
前記傾斜バッファ層の部分を除き、1.45eVである。
まず、この太陽電池の作成方法について説明する。
基板上に下部電極とｎ型半導体層とを形成するところ
までは実施例１と同様である。ｎ型半導体層の成膜に引
続き、膜厚2000Åのｉ型半導体層を成膜した。ｉ型半導
体層の成膜条件（原料ガスの種別と流量、投入電力、圧
力）は実施例１と同様であり、GeH4ガスの流量を0sccm
から0.6sccmまで制御して前記傾斜層と前記傾斜バッフ
ァ層を設けるようにし、第15図に示すバンドギャップの
構成となるようにした。なお、ｎ型半導体層の傾斜バッ
ファ層の膜厚は約250Åである。
ｉ型半導体層の成膜終了後、実施例１と全く同様にし
て、ｐ型微結晶シリコンからなるｐ型半導体層を成膜
し、さらに、透明電極、集電電極を形成して、太陽電池
を完成させた。この太陽電池の構成は、ｉ型半導体層の
バンドギャップ構成を除き、実施例１の太陽電池と同じ
である。
次に、実施例１と同様に、この太陽電池の太陽光に対
する特性を測定した。特性の揃った10個のサブセルの特
性値の平均を第２表に示す。また、実施例１と同様にし
て、長波長光に対するこの太陽電池の特性を調べた。特
性の揃っていた10個のサブセルの平均値を第３表に示
す。
（比較例２） 実施例１、２と比較するため、米国特許第4816082号
明細書に開示されている、ｐ型半導体層およびｎ型半導
体層に接する部分のｉ型半導体層のバンドギャップを広
くし、ｉ型半導体層の１点でバンドギャップが最小とな
るようにし、さらにこのバンドギャップの最小点からｎ
型半導体層に向かってバンドギャップの幅が直線的に変
化する太陽電池を作成した。この太陽電池のエネルギー
バンドのプロファイルを第16図に示す。
まず、この太陽電池の作成方法について説明する。
基板上に下部電極とｎ型半導体層とを形成するところ
までは実施例１と同様である。ｎ型半導体層の成膜に引
続き、膜厚約2000Åのｉ型半導体層を成膜した。ｉ型半
導体層の成膜条件（原料ガスの種別と流量、投入電力、
圧力）は、実施例１と同様であり、GeH4の流量を0sccm
から0.6sccmまで制御し、上述の第16図に示すバンドギ
ャップの構成となるようにした。
ｉ型半導体層の成膜終了後、実施例１と全く同様にし
て、ｐ型微結晶シリコンからなるｐ型半導体層を成膜
し、さらに透明電極、集電電極を形成して、太陽電池を
完成させた。この太陽電池の構成は、ｉ型半導体層のバ
ンドギャップ構成を除き実施例１の太陽電池と同じであ
る。
次に、実施例１と同様に、この太陽電池の太陽光に対
する特性を測定した。特性の揃った10個のサブセルの特
性値の平均を第２表に示す。また、実施例１と同様にし
て、長波長光に対するこの太陽電池の特性を調べた。特
性の揃っていた10個のサブセルの平均値を第３表に示
す。
以上の実施例１、２と比較例１とを比較すると、本発
明の光起電力素子である太陽電池（実施例１、２）は、
比較例１に示された従来の太陽電池に比べ、開放電圧、
フィルファクタが大きく向上し、その結果、光電交換効
率が大きく向上し、従来のものより太陽電池として優れ
ていることがわかった。また、実施例１、２のものは、
比較例２に示された米国特許第4816082号明細書に開示
された太陽電池と比較すると、短絡電流とフィルファク
タが向上して、その結果、光電変換効率が向上している
ことがわかる。
実施例１、２のものは、比較例１、２のものに比べ、
とりわけ波長が600nm以上の長波長光において光電変換
効率が向上しており、本発明による光起電力素子の特性
の改善が、長波長光に対してより顕著であることを示し
ている。
（実施例３） 実施例１、２では、光は基板とは反対側から入射する
ようになっているが、ここでは上述した第５図の構成
の、基板側から光が入射する太陽電池を作成した。
まず、この太陽電池の作成方法について説明する。
基板材料としては、例えばコーニング社製＃7059のよ
うな無アルカリガラスを用い、5cm角の大きさの投光性
の基板111の上に、透明電極116として、厚さ1800ÅのIT
O（In2O3＋SnO2）と厚さ200ÅのSnO2を蒸着し、格子状
にパターニングした。
次に、第６図で示した成膜装置を用い、基板111を260
℃に加熱しながら、反応チャンバ201に、Si2H6ガス1scc
m、H2ガス50sccm、H2ガスで５％に希釈されたPH3ガス1s
ccm、CH4ガス4sccmを導入し、実施例１と同様にして成
膜を行って、厚さ約120Åのa-SiCからなるｎ型半導体層
113を形成した。
基板111を引続きこの成膜装置に装着したまま260℃に
保ち、実施例１と同様にしてｉ型半導体層114を形成し
た。ただしこの場合、マスフローコントローラ212をコ
ンピュータで制御することにより、第11図に示すように
GeH4ガスの流量を0sccmから0.5sccmまで変化させた。ま
た、ｉ型半導体層114の成膜開始から３分間にわたってC
H4ガスを導入することにより、a-SiCからなるｎ型半導
体層113側のバッファ層を形成した。バッファ層を形成
する場合、バッファ層の成膜開始時にはCH4のガス流量
が4sccmであり、３分後には0sccmとなるように、CH4ガ
スの流量を第11図に示すように直線的に変化させた。ま
たｉ型半導体層114の成膜の最後の３分間にはGeH4ガス
の導入を停止し、a-Siからなるｐ型半導体層115側のバ
ッファ層を形成した。各バッファ層を含めてｉ型半導体
層114の膜厚は約3250Åである。この結果、第12図に示
されるようなバンドギャップの構造を有する太陽電池が
作成されることになる。ｉ型半導体層114のＡ〜Ｆ点
（第11図、第12図）における光学的バンドギャップ（Eg
opt）、Geの濃度およびこれらの点のｎ型半導体層103側
界面からの距離を第４表に示す。光学的バンドギャッ
プ、Geの濃度の測定は、実施例１と同様に行った。
ｉ型半導体層114の成膜が終了したら、高周波電力の
投入とガスの導入を防止し、反応チャンバ201内を10-6T
orr以下まで排気した。そののち、基板温度を220℃に保
って、Si2H6ガス1sccm、H2ガス50sccm、H2ガスで２％に
希釈したB2H6ガスを反応チャンバ201内に導入し、反応
チャンバ201内を1.0Torrに保ち、2Wの高周波電力を投入
して、厚さ200Åのｐ型アモルファスシリコンからなる
ｐ型半導体層115を成膜した。
こののち、下部電極112として、まずCrを厚さ200Å、
次にAlを厚さ1800Åにわたって蒸着した。最後に1cm角
のサブセルに分離するためにパターニングを行った。
以上のようにして太陽電池が完成したら、次に、実施
例１と同様に、この太陽電池の太陽光に対する特性を測
定した。特性の揃った10個のサブセルの特性値の平均を
第５表に示す。また、実施例１と同様にして、長波長光
に対するこの太陽電池の特性を調べた。特性の揃ってい
た10個のサブセルの平均値も第５表に示す。これらの結
果から明らかなように、この太陽電池は良好な特性を示
すことがわかった。
（実施例４） 実施例１〜３はいずれもpin接合を１つのみ有する構
成の太陽電池であったが、２つのpin接合が垂直に積み
重ねられた構成の、すなわちいわゆるスタックセル型の
太陽電池を作成した。第13図は、この太陽電池の構成を
示す模式断面図である。
この太陽電池は、ステンレス製の基板131の上に、下
部電極132、第１のｎ型半導体層133、第１のｉ型半導体
層134、第１のｐ型半導体層135、第２のｎ型半導体層13
6、第２のｉ型半導体層137、第２のｐ型半導体層138、
透明電極139が順次積層され、さらに透明電極139の上に
集電電極140が形成されている。ここで、第１のｎ型半
導体層133と第１のｉ型半導体層134と第１のｐ型半導体
層135とは第１のpin接合121を形成し、同様にして、第
２のｎ型半導体層136と第２のｉ型半導体層137と第２の
ｐ型半導体層138とは第２のpin接合122を形成すること
になる。第１のpin接合122は、上述の実施例１の太陽電
池のpin接合と同じ構成のものである。したがって、第
１のpin接合121のバンドギャップの膜厚方向への変化
は、実施例１でのバンドギャップの変化と同じである。
また、下部電極132、透明電極139、集電電極140のそれ
ぞれの構成も実施例１のものと同様である。また、第２
のｉ型半導体層136においては、バンドギャップの膜厚
方向の変化は設けられていない。
まず、この太陽電池の作成方法について説明する。
ステンレス製の基板131の上に実施例１と同様に下部
電極132を形成し、第６図の成膜装置を利用して、第１
のｎ型半導体層133、第１のｉ型半導体層134を成膜し、
その後、基板温度を260℃保って、第１のｐ型半導体層1
35を実施例１と同様の方法で成膜し、第１のpin接合121
を形成した。
第１のｐ型半導体層135の成膜が終了したら、成膜装
置の反応チャンバ201内をいったん排気し、基板温度を2
40℃に保ち、実施例１のｎ型半導体層103と同様にし
て、厚さ180Åの第２のｎ型半導体層136を成膜した。
次に、基板温度を240℃に保ち、反応チャンバ201内に
Si2H6を1sccm、H2を50sccmそれぞれ導入し、内圧を1.15
Torrに調整し、1.2Wの高周波電力を投入して30分間にわ
たって成膜を行い、厚さ約2000Åのa-Siからなる第２の
ｉ型半導体層137を形成した。
その後基板温度を200℃に保ち、実施例１のｐ型半導
体層105の成膜と同様にして0.4分間にわたって成膜を行
い、厚さ50Åの第２のｐ型半導体層138を形成した。そ
して実施例１と同様にして、厚さ700ÅのITOからなる透
明電極139を蒸着によって形成し、ドライエッチングに
よって1cm×1cmの大きさのサブセルに分離したのち、電
子ビーム加熱蒸着法によってアルミニウムからなる集電
電極140を形成し、この太陽電池を完成させた。
次に、実施例１と同様に、この太陽電池の太陽光に対
する特性を測定した。特性の揃った10個のサブセルの特
性値の平均を第６表に示す。
このスタックセル構造の太陽電池では、第２のpin接
合122の側から光が入射するようになっているので、第
２のpin接合122においては主として短波長領域の光が吸
収され、長波長領域の光は第２のpin接合122を透過して
第１のpin接合121で吸収されるようになる。ここで、第
１のpin接合121を特に長波長光に対する特性の向上した
ものとすることにより、スタックセル全体としての変換
効率が向上し、太陽電池として良好な特性を有するもの
を得ることができた。
（実施例５） 実施例４は２つのpin接合を垂直に積層した太陽電池
の例であるが、ここでは３つのpin接合構造を垂直に積
層した、いわゆる３層スタックセル型の太陽電池を作成
した。第14図はこの太陽電池の構成を示す模式断面図で
ある。
この太陽電池は、ステンレス製の基板151の上に、下
部電極152、第１のpin接合141、第２のpin接合142、第
３のpin接合143、透明電極162が順次積層され、さらに
透明電極162の上に集電電極163が形成されている。各pi
n接合141、142、143は、基板151側から、それぞれｎ型
半導体層153、156、159、ｉ型半導体層154、157、160、
ｐ型半導体層155、158、161が積層された構造である。
基板151、下部電極152、透明電極162、集電電極163はそ
れぞれ実施例１のものと同様である。また、第１のpin
接合141の構成は実施例２の太陽電池のpin接合と同様で
あって、第１のpin接合141のバンドギャップの膜厚方向
への変化は、実施例２の太陽電池のバンドギャップの変
化と同じである。また、第２および第３のpin接合142、
143のｉ型半導体層157、160においては、それぞれバン
ドギャップの幅は膜厚方向には一定である。
次に、この太陽電池の作成方法について説明する。
この太陽電池の各半導体層153〜161の成膜には、上記
各実施例と同様に、第６図に示した成膜装置を使用し
た。まず、実施例１と同様にして、基板151の上に下部
電極152を形成し、前記成膜装置に装着し、基板温度を3
20℃に保って、実施例１のｎ型半導体層103と同様にし
てｎ型a-Siからなるｎ型半導体層153を成膜した。次
に、基板温度を320℃に保ち実施例２と同様にしてa-SiG
eからなるｉ型半導体層154を成膜し、さらに基板温度を
300℃に保って実施例１のｐ型半導体層105と同様にして
ｐ型半導体層155を成膜した。これにより、第10図に示
す実施例２のバンドギャップの変化と同様のバンドギャ
ップの変化を有する第１のpin接合141が形成されたこと
になる。ただし基板温度が40℃高いため、その分、実施
例２よりも全体的にバンドギャップは狭くなっている。
次に、基板温度を280℃に保って、実施例１のｎ型半
導体層103と同様にしてｎ型a-Siからなるｎ型半導体層1
56を成膜し、続いて基板温度を280℃に保ち、実施例４
の第２のｉ型半導体層137と同様にして75分間成膜を行
い、厚さ5000Åのa-Siからなるｉ型半導体層157を形成
した。さらに、基板温度を260℃に保ち、実施例１のｐ
型半導体層105と同様にしてｐ型半導体層158を成膜し
た。これにより、ｉ型半導体層157においてバンドギャ
ップの膜厚方向の変化のない第２のpin接合142が形成さ
れたことになる。
次に、基板温度を240℃に保って、実施例１のｎ型半
導体層103と同様にしてｎ型a-Siからなるｎ型半導体層1
59を成膜し、続いて基板温度を220℃に保ち、実施例４
の第２のｉ型半導体層137と同様にして12分間成膜を行
い、厚さ800Åのa-Siからなるｉ型半導体層160を形成し
た。さらに、基板温度を200℃に保ち、実施例４のｐ型
半導体層138と同様にしてｐ型半導体層161を成膜した。
これにより、ｉ型半導体層160においてバンドギャップ
の膜厚方向の変化のない第３のpin接合143が形成された
ことになる。
その後、実施例１と同様にして、厚さ700ÅのITOから
なる透明電極162を蒸着により形成し、ドライエッチン
グにより1cm×1cmのサブセルに分離し、電子ビーム加熱
蒸着法によってアルミニウムからなる集電電極163を形
成して、この太陽電池を完成させた。
次に、実施例１と同様に、この太陽電池の太陽光に対
する特性を測定した。特性の揃った10個のサブセルの特
性値の平均を第６表に示す。
このスタックセル構造の太陽電池では、第３のpin接
合143の側か光が入射するようになっているので、第２
および第３のpin接合142、143においては主として短波
長領域の光が吸収され、長波長領域の光は第１のpin接
合141で吸収されるようになる。ここで、第１のpin接合
141を特に長波長光に対する特性の向上したものとする
ことにより、スタックセル全体としての変換効率が向上
し、太陽電池として良好な特性を有するものを得ること
ができた。
［発明の効果］ 以上説明したように本発明は、ｉ型半導体層のバンド
ギャップが最小となるバンドギャップ最小点をｉ型半導
体層の膜厚方向中央よりｐ型半導体層側に設け、バンド
ギャップ最小点からｎ型半導体層側に向かう膜厚方向に
沿ったｉ型半導体層のバンドギャップ幅の増加割合が、
バンドギャップ極小点に近い側で相対的に小さく、ｎ型
半導体層に向かって相対的に大きくなるように、単調に
変化するようにしたことにより、光起電力素子中のマイ
ノリティキャリアの輸送が促進され、ｉ型半導体層のｐ
型半導体層側での光の吸収が増大し、光キャリアの収集
効率が向上するので、開放電圧、短絡電流、フィルファ
クタが向上して光電変換効率が高まり、優れた特性を有
する光起電力素子が得られるという効果がある。特に、
前述した短絡電流とフィルファクタの向上は、長波長領
域の光に対して顕著であって、太陽光のスペクトル分布
を有効に利用できるようになるという効果があり、本発
明の光起電力素子をスタックセル型の光起電力素子の長
波長光吸収側のセルに用いることにより、スタックセル
型の光起電力素子の光電変換効率が向上するという効果
がある。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例の太陽電池の構成を示す模式
断面図、第２図は本発明の実施例の太陽電池のエネルギ
ーバンドのプロファイルを示すエネルギーバンド図、第
３図は本発明の別の実施例の太陽電池のエネルギーバン
ドのプロファイルを示すエネルギーバンド図、第４図は
本発明のさらに別の実施例の太陽電池のエネルギーバン
ドのプロファイルを示すエネルギーバンド図、第５図は
基板側から光が入射する本発明の実施例の太陽電池の構
成を示す模式断面図、第６図は本発明の実施例の太陽電
池の作成に用いる成膜装置の構成を示す概略構成図、第
７図は実施例１の太陽電池の成膜条件を示す特性図、第
８図は実施例１の太陽電池のエネルギーバンドのプロフ
ァイルを示すエネルギーバンド図、第９図は実施例２の
太陽電池の成膜条件を示す特性図、第10図は実施例２の
太陽電池のエネルギーバンドのプロファイルを示すエネ
ルギーバンド図、第11図は実施例３の太陽電池の成膜条
件を示す特性図、第12図は実施例３の太陽電池のエネル
ギーバンドのプロファイルを示すエネルギーバンド図、
第13図は実施例４の太陽電池の構成を示す模式断面図、
第14図は実施例５の太陽電池の構成を示す模式断面図、
第15図は従来の太陽電池のエネルギーバンドのプロファ
イルを示すエネルギーバンド図、第16図は別の従来の太
陽電池のエネルギーバンドのプロファイルを示すエネル
ギーバンド図である。 101、111、131、151……基板、102、112、132、152……
下部電極、103、113、133、136、153、156、159……ｎ
型半導体層、104、114、134、137、154、157、160……
ｉ型半導体層、105、115、135、138、155、158、161…
…ｐ型半導体層、106、116、139、162……透明電極、10
7、140、163……集電電極、121、141……第１のpin接
合、122、142……第２のpin接合、143……第３のpin接
合、201……反応チャンバ、202……高周波電源、203…
…高周波電極、204……基板ホルダ、205……ヒータ、20
6……排気管、207……排気ポンプ、208……ガス導入
管、209……枝管、210、211……バルブ、212……マスフ
ローコントローラ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 浩史 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 山下 敏裕 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭64−71182（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−249376（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−44366（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−208376（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】pin型の半導体接合構造を有する光起電力
    素子において、 ｉ型半導体層のバンドギャップ幅がｐ型層界面からバン
    ドギャップ極小点まで漸減し、且つ該バンドギャップ極
    小点からｎ型層界面まで漸増しており、 該バンドギャップ極小点は前記ｉ型半導体層の膜厚方向
    中央よりｐ型半導体層側に設けられ、 前記ｉ型半導体層のバンドギャップ幅の増加割合が、前
    記バンドギャップ極小点に近い側で相対的に小さく、ｎ
    型半導体層に向かって相対的に大きくなるように、単調
    に変化していることを特徴とする光起電力素子。
  2. 【請求項２】ｉ型半導体層がアモルファス半導体からな
    る請求項１記載の光起電力素子。
  3. 【請求項３】ｉ型半導体層としてアモルファスシリコン
    よりもバンドギャップの狭い半導体を使用した請求項１
    または２記載の光起電力素子。
  4. 【請求項４】１組のpin型の半導体接合構造を有する単
    位光起電力素子を複数個積層した光起電力素子におい
    て、 少なくとも１つの前記単位光起電力素子においてｉ型半
    導体層のバンドギャップ幅がｐ型層界面からバンドギャ
    ップ極小点まで漸減し、且つ該バンドギャップ極小点か
    らｎ型層界面まで漸増しており、 該バンドギャップ極小点は前記ｉ型半導体層の膜厚方向
    中央よりｐ型半導体層側に設けられ、 前記ｉ型半導体層のバンドギャップ幅の増加割合が、前
    記バンドギャップ極小点に近い側で相対的に小さく、ｎ
    型半導体層に向かって相対的に大きくなるように、単調
    に変化していることを特徴とする光起電力素子。
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