JP2723608B2 - 太陽電池 - Google Patents

太陽電池

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    • Y02E10/548Amorphous silicon PV cells

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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、太陽光や室内光を照射することで電力を発
生する太陽電池に関するものである。
従来の技術 従来、アモルファスシリコンを用いた太陽電池は、イ
ンジウム−スズの酸化物などを主体とする透明電極の上
にアモルファスシリコン層をプラズマCVD法等を用いて
形成した後、これに不純物をドープしPIN型構造を与
え、その後N型アモルファスシリコンに対してオーミッ
ク接触を保つアルミニウムなどの金属を付けていた。
このようなアモルファスシリコン太陽電池は、光吸収
係数が太陽光のスペクトル分布と良く一致し、またその
光吸収係数は非常に大きいものであるため、太陽光を照
射した際の、電気エネルギーへの変換効率は10%を越え
るほど高く、また室内の蛍光灯の光に対しても、有効な
電力源となっていた。
発明が解決しようとする課題 上述のように、PIN型アモルファスシリコンにアルミ
ニウムなどの金属を接合した太陽電池は、蛍光灯や太陽
光に対しては高い変換効率を有するが、電気的に解放状
態のまま強い光を連続的に照射すると、次第に出力特性
が劣化するという光劣化の課題や、高温保存により出力
性能が劣化するという高温保存劣化課題を有していた。
課題を解決するための手段 以上のような課題に鑑み、本発明は、P−I−N接合
型アモルファスシリコン太陽電池素子、及び前記素子の
N型アモルファスシリコン層と接続された集電電極を具
備し、前記N型アモルファスシリコン層が表面から少な
くとも50Åの深さまで熱酸化して酸化物表面を形成し、
この酸化物表面に少なくとも20原子%の酸素を含有する
アルミニウムからなる集電電極を接続するものである。
作用 高温雰囲気中における素子の性能劣化の原因として、
シリコンと金属との接合面に於て金属原子がシリコン中
に熱拡散する所謂マイグレーションが考えられる。この
ような高温雰囲気でのマイグレーションを防ぐ手段のひ
とつとして、シリコンと金属との接合面の中間層に、た
とえば酸化珪素などの化学的に不活性な層を設け、これ
により金属の熱拡散を阻止する方法がある。ただしこれ
らの物質は多くの場合、電気的に絶縁物質であるため、
その膜厚は、電子が量子力学的なトンネル効果で通り抜
けられるだけのものでなければならない。
これらのことをもとにして、本発明の太陽電池は、P
−I−N接合型アモルファスシリコンのN面を酸化しこ
れに金属を接合する構成とした。このような構造にする
と、アモルファスシリコンと金属とは直接接触すること
はなく、マイグレーションによる、性能劣化を防ぐこと
ができる。
また、純粋なN型シリコンに対して良好なオーミック
接触を保つことができる金属は実際上アルミニウムなど
ごく一部のものに限られていたが、湿度の高い雰囲気下
では、水分の侵入によりアルミニウムの劣化が発生し、
素子に損傷を与えるため、これを防ぐためアルミニウム
層の外側にチタンを被覆し、直接水分がアルミニウムに
接触するのを防止する方法が取られていた。
これに対して、本発明者の測定の結果、N型シリコン
面を一部熱酸化し、これに電極を接合すると、アルミニ
ウムのみならず多くの金属や合金、あるいはそれらの酸
素や窒素を含有するものまでが、良好な特性を素子に与
えるものであることが判明した。従って、本発明は、こ
れらの材料のなかで前記のような耐水安定性に優れたも
のを選択することにより、上述の課題を解決することが
できた。更に、予め集電電極を構成する金属材料に有る
程度の量の酸素を含ませ酸化物を構成させておくと、上
述のマイグレーション反応を引き起こすのに必要なエネ
ルギーが、金属単体のものよりも大きくなるため、素子
の熱的安定性が向上する。
一方、素子を電気的に解放状態のまま強い光を照射す
ると、次第に出力が低下する現象の原因は今だ究明され
ていないが、強い光を照射し出力特性の劣化したもので
も、150℃程度の温度で1時間程加熱すると再び特性
は、もとに戻ることも報告されている(ステブラー.ロ
ンスキー効果,太陽電池ハンドブック,電気学会発行,
昭和60年)。しかしながら従来の素子では、この150℃
の温度に対して、上述のように熱劣化を引き起こすため
実際上、一度光劣化を起こしたものを再び使用すること
はできなかった。
これに対して、本発明の太陽電池は、この程度の温度
での熱劣化は極めて小さいものであるため、光劣化した
素子も上記温度で加熱することにより、繰り返して使用
することができる。
また、結果的に本発明の構造を有する太陽電池は、従
来のPIN型アモルファスシリコン太陽電池に較べて、光
劣化の度合が大きく低下した。この原因は、強い光を照
射すると素子自身の温度が上昇し、このため光劣化の度
合が、小さくなったものと考えられる。
以下、実施例で具体的に説明する。
実 施 例 (実施例1) 本実施例の素子の断面図を第1図に示す。大きさ50×
20mm、厚さ1.1mmのガラス基体1の上に酸化インジウム
と酸化スズの化合物よりなるITOを大きさ40×12mm、膜
厚0.25μm蒸着し透明電極2とした。次にこの透明電極
2の上にCVD法により、アモルファスシリコン層3を大
きさ41×11mm厚さ0.04μm形成した後、不純物としてホ
ウ素をドープしP型半導体特性を与えた。さらに連続し
て上記CVD法によりI型アモルファスシリコン層4を0.4
μm形成した後、不純物として燐を0.04μmの深さまで
ドープしN型半導体特性を与え、N型アモルファスシリ
コン層5とした。この後、空気中で1kWの赤外線ランプ
を用いN型アモルファスシリコンを1時間熱酸化するこ
とにより、酸化珪素層6を形成した。ひき続きこの酸化
珪素層6に真空加熱蒸着法により3×10-5torrの圧力
下、20Å/秒の蒸着速度でアルミニウム電極7を40×15
mmの大きさで膜厚0.2μm形成した。最後にエポキシ樹
脂の封止層8で全体を封止し、本実施例の素子とした。
なお、本素子の発電部分の面積は第1図に示したよう
に40×10mmの大きさであり、また9は負極用リード端子
であり透明電極2の作成時に同時に作成した。さらに、
上記アルミニウム電極7を形成した直後、2次イオン質
量分析装置を用いて、熱酸化により形成された酸化珪素
層6の膜厚を測定した結果、約50Åであり、またアルミ
ニウム電極7内に均一に約20原子%の割合で酸素が含ま
れていることを確認した。このように構成したものを電
池Aと称す。
これに対して、P−I−N型アモルファスシリコンに
直接、酸素を殆ど含有しないアルミニウムを接合させる
ことにより作成したものを比較例の電池Bとする。な
お、上述の酸素を殆ど含有しないアルミニウム電極の作
成は、前記実施例の電池Aの作成で用いたものと同一の
真空蒸着装置を用い、圧力5×10-8torrまで真空にした
後、99.999%のアルゴンガスにより1気圧までリーク
し、その後再び5×10-8torrまで真空度を高め、アルミ
ニウムの蒸着を行なった。なお、このときの蒸着速度
は、前記同様20Å/秒である。また、これ以外の作成方
法、及び、素子の形状は前記電池Aと全く同一とした。
このようにして作成した電池A及び電池Bに対して出
力特性の高温保存による劣化の様子を調べた。その結果
を第2図、第3図、第4図に示した。出力特性は、AM1,
100mW/cm2照射時の解放電圧、短絡電流、変換効率の値
をそれぞれ縦軸とし、保存時間を横軸として示した。保
存は120℃及び150℃の温度で暗所で行なった。
その結果、比較例の電池Bは高温保存時間と共に大き
く出力特性が劣化するのに対して、本実施例の電池A
は、殆どその影響を受けないことが分かった。
また、AM1,100mW/cm2の連続照射による電池A、Bの
出力低下の度合を評価し、その結果を第5図、第6図、
第7図に示した。出力特性はAM1,100mW/cm2照射時の解
放電圧、短絡電流、変換効率の値をそれぞれ縦軸とし、
電池A、Bに対する光の照射時間を横軸として示した。
その結果、比較例の電池Bは光照射時間と共に出力特
性が大きく劣化するのに対して、本実施例の電池Aは、
その影響が小さいことが分かった。
(実施例2) 実施例1の電池Aに対して、N型シリコンの熱酸化の
温度及び時間を変えることにより、酸化膜の膜厚が異な
った3種類の電池を作成し、その出力特性を測定した。
これらの電池をC、D、Eとし、その酸化膜の膜厚はそ
れぞれ約20、100、150Åである。なお、酸化膜の膜厚以
外は実施例1の電池Aと全く同一とし、また、酸化膜の
膜厚は実施例1と同様に2次イオン質量分析装置により
測定した。
これらの電池C〜Eに対して実施例1と同一の150℃
の高温保存評価を行い、AM1,100mW/cm2の照射光に対す
る力特性を第8図、第9図に示した。
この結果から酸化膜の膜厚が大きいほど、高温熱劣化
の程度は小さくなるが、あまり大きいと電池の初期出力
が小さくなり、最適膜厚のあることが分かった。
(実施例3) 実施例1の電池Aに対して、N型シリコンの熱酸化を
行なわず、直接これに対して、酸素を含有したアルミニ
ウムを接合した電池を作成し、その出力特性を測定し
た。これらの素子をF、G、Hとし、その酸素含有量を
それぞれ約5、30、50原子%とした。なお、上記電池
F、G、Hの作成に於て、酸化膜を作成せずまた酸素含
有量を異なるものとした以外は実施例1の電池Aと全く
同一構成とした。また、上記アルミニウム電極中におけ
る酸素濃度の制御は、真空蒸着時における雰囲気ガス中
の酸素圧力を制御することにより行なった。また酸素含
有量の測定は実施例1と同様に2次イオン質量分析装置
により行なった。
これらの電池F〜Hに対して実施例1と同一の150℃
の高温保存評価を行い、AM1,100mW/cm2の照射光に対す
る出力特性を第11図、第12図、第13図に示した。
この結果からアルミニウム電極中に含まれる酸素が大
きいほど、高温熱劣化の程度は小さくなるが、あまり大
きいと、電池の初期出力が小さくなり、最適酸素濃度の
あることが分かった。
本実施例および実施例1から、適量の酸素を含むアル
ミニウム電極をN型アモルファスシリコン層の熱酸化さ
れた酸化物表面に接続しても有効であることがわかる。
発明の効果 本発明に従えば耐高強度光照射性能及び耐高温、高湿
保存性能に優れた太陽電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例1における電池Aの断面図、第
2図、第3図、第4図、第5図、第6図及び第7図はそ
の特性図、第8図、第9図及び第10図は本発明の実施例
2における電池C、D、Eの特性図、第11図、第12図及
び第13図は本発明の実施例3における電池F、G、Hの
特性図。 1……ガラス基体、2……ITO透明電極、3……P型ア
モルファスシリコン、4……I型アモルファスシリコ
ン、5……N型アモルファスシリコン、6……酸化珪素
層、7……アルミニウム電極、8……封止層、9……リ
ード電極。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−84075(JP,A) 特開 昭56−150874(JP,A) 実開 平2−72564(JP,U)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】P−I−N接合型アモルファスシリコン太
    陽電池素子、及び前記素子のN型アモルファスシリコン
    層と接続された集電電極を具備し、前記N型アモルファ
    スシリコン層が表面から少なくとも50Åの深さまで熱酸
    化された酸化物表面を有し、前記酸化物表面に接続され
    た集電電極が少なくとも20原子%の酸素を含有するアル
    ミニウムからなることを特徴とする太陽電池。
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