JP2869178B2 - Photovoltaic device - Google Patents
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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、光センサなどの光起電力装置に関
する。The present invention relates to a photovoltaic device such as a solar cell and an optical sensor.
（ロ） 従来の技術 太陽電池で代表される光起電力装置では、その変換効
率を向上させるために、その構成材料及びその素子構造
に関し各種の工夫がなされている。(B) Conventional technology In a photovoltaic device typified by a solar cell, various ideas have been devised regarding its constituent materials and its element structure in order to improve its conversion efficiency.
例えば前記光起電力装置に光吸収係数の大きい非晶質
シリコンゲルマニュウム膜（以下、ａ−SiGe膜という）
を使用することは、構成材料による前記工夫で、これに
よれば、特に長波長光に対する光吸収を増加させること
が可能となる。For example, an amorphous silicon germanium film (hereinafter, referred to as an a-SiGe film) having a large light absorption coefficient is used for the photovoltaic device.
Is the above-mentioned contrivance based on the constituent material, and according to this, it becomes possible to increase the light absorption especially for long-wavelength light.
また、素子構造に関する前記工夫としては、所謂光閉
じ込め効果のための素子構造がある。第５図は、その光
閉じ込め効果を説明するための光起電力装置の素子構造
図で、（51）は基板、（52）は透明導電膜、（53）は光
電変換層で、ｐ型半導体、光活性層としてのｉ型半導
体、及びｎ型半導体を順次重畳形成された積層体からな
り、（54）は金属膜からなる背面電極である。この構造
の特徴とするところは、前記透明導電膜（52）の表面が
凹凸形状となるように形成されていることである。Further, as a device for the device structure, there is a device structure for a so-called light confinement effect. FIG. 5 is a diagram showing the element structure of a photovoltaic device for explaining its light confinement effect. (51) is a substrate, (52) is a transparent conductive film, (53) is a photoelectric conversion layer, and a p-type semiconductor. And (54) a back electrode made of a metal film. The feature of this structure is that the transparent conductive film (52) is formed so as to have an uneven surface.
従って、前記光閉じ込め効果とは、基板（51）側から
前記光電変換層（53）に入射した光を、前記背面電極
（54）と前記凹凸形状を有する前記透明導電膜（52）と
の間で多重反射させることにより、前記光活性層内での
前記光の実効的な走行距離を増加せしめ、前記光の吸収
量を増加することをいう。特に、この効果は、前記光起
電力装置の長波長光の光吸収を増加させるのに有効であ
る。Therefore, the light confinement effect means that light incident on the photoelectric conversion layer (53) from the substrate (51) side is transmitted between the back electrode (54) and the transparent conductive film (52) having the uneven shape. Means that the effective traveling distance of the light in the photoactive layer is increased and the amount of the light absorbed is increased. In particular, this effect is effective in increasing the light absorption of long wavelength light of the photovoltaic device.
（ハ） 発明が解決しようとする課題 然し乍ら、前記ａ−SiGe膜の使用や、前記光閉じ込め
効果に関しては、幾つかの問題がある。(C) Problems to be Solved by the Invention However, there are some problems concerning the use of the a-SiGe film and the light confinement effect.
前記ａ−SiGe膜の使用は、前述の如く光吸収量の増加
により前記光起電力装置の短絡電流の増加を果たし得る
ものの、開放電圧の減少をもたらす。The use of the a-SiGe film can increase the short-circuit current of the photovoltaic device by increasing the amount of light absorption as described above, but results in a decrease in open-circuit voltage.
また、前記光閉じ込め効果では、該効果により短絡電
流の増加は実現できるものの、その一方で開放電圧が著
しく減少する問題が生じていた。In the light confinement effect, although an increase in short-circuit current can be realized by the effect, on the other hand, there has been a problem that the open-circuit voltage is significantly reduced.
特に、前記光閉じ込め効果による前記開放電圧の減少
は、前記透明導電膜の表面に形成された凹凸の程度が前
記ｐ型半導体膜の膜厚と比較して非常に大きいものであ
ることから、該ｐ型半導体膜が良好に形成できないこと
に起因している。In particular, the decrease in the open-circuit voltage due to the light confinement effect is caused by the fact that the degree of unevenness formed on the surface of the transparent conductive film is much larger than the thickness of the p-type semiconductor film. This is because the p-type semiconductor film cannot be formed satisfactorily.
このような理由により、本発明の光起電力装置の目的
とするところは、前記ａ−SiGe膜を使用することによる
前記短絡電流の増加を計り得るとともに、前記開放電圧
の減少を防止し得る光起電力装置を提供することにあ
る。For these reasons, the purpose of the photovoltaic device of the present invention is to increase the short-circuit current by using the a-SiGe film and to prevent the decrease in the open-circuit voltage. An electromotive device is provided.
（ニ） 課題を解決するための手段 本発明光起電力装置の特徴とするところは、基板上に
ｐ型非晶質半導体膜、ｉ型非晶質半導体膜及びｎ型非晶
質半導体膜を重畳形成されてなる積層体を具備する光起
電力装置に於て、前記ｉ型非晶質半導体膜内の光入射側
近傍に、その表面を凹凸形状とした非晶質シリコンゲル
マニュウム膜、又は島状に形成された非晶質シリコンゲ
ルマニュウム膜を備えたことにある。(D) Means for Solving the Problems A feature of the photovoltaic device of the present invention is that a p-type amorphous semiconductor film, an i-type amorphous semiconductor film, and an n-type amorphous semiconductor film are formed on a substrate. In a photovoltaic device having a stacked body formed in a superimposed manner, an amorphous silicon germanium film having an uneven surface or an island in the vicinity of a light incident side in the i-type amorphous semiconductor film. In other words, an amorphous silicon germanium film formed in a shape is provided.
（ホ） 作用 本発明光起電力装置では、前記ｉ型非晶質半導体膜内
の光入射側近傍に、その表面を凹凸形状とした前記ａ−
SiGe膜、或るいは、島状に形成されたａ−SiGe膜を介在
させることにより、該ａ−SiGe膜と前記光起電力装置に
おける背面電極との間で前記多重反射が発生し、所謂光
閉じ込め効果が得られる。(E) Function In the photovoltaic device of the present invention, the a-type amorphous semiconductor film has an a-type amorphous semiconductor film having an irregular surface near the light incident side.
By interposing a SiGe film or an a-SiGe film formed in an island shape, the multiple reflection occurs between the a-SiGe film and the back electrode of the photovoltaic device. A confinement effect is obtained.
更に、前記ａ−SiGe膜自体を使用することで、光吸収
量の増加も同時に行える。Further, by using the a-SiGe film itself, the amount of light absorption can be increased at the same time.
（へ） 実施例 第１図は本発明光起電力装置を説明するための素子構
造図である。(F) Example FIG. 1 is an element structure diagram for explaining a photovoltaic device of the present invention.
（１）はガラスや透明プラスチックからなる基板、
（２）は基板（１）上に形成されたSnO2膜やITO（Indiu
m Tin Oxide）膜などからなる透明導電膜、（３）は光
電変換層、（４）はアルミニュウムなどからなる金属電
極である。(1) is a substrate made of glass or transparent plastic,
(2) SnO 2 film or ITO (Indiu) formed on the substrate (1)
(3) is a photoelectric conversion layer, and (4) is a metal electrode made of aluminum or the like.
光電変換層（３）は、本発明光起電力装置の特徴であ
る層を含めて５層からなる。つまり、（3a）はｐ型非晶
質半導体膜で、入射光に含まれる短波長光の吸収を少な
くするために、炭素原子が含有されたｐ型非晶質シリコ
ンカーバイド膜からなる、（3b）及び（3d）はｉ型非晶
質半導体膜で、ｉ型非晶質シリコン膜からなる、（3c）
は本発明光起電力装置の特徴であるｉ型ａ−SiGe膜、更
に（3e）はｎ型非晶質半導体膜で、ｎ型非晶質シリコン
膜である。The photoelectric conversion layer (3) is composed of five layers including the layer characteristic of the photovoltaic device of the present invention. That is, (3a) is a p-type amorphous semiconductor film made of a p-type amorphous silicon carbide film containing carbon atoms in order to reduce absorption of short-wavelength light included in incident light. ) And (3d) are i-type amorphous semiconductor films made of an i-type amorphous silicon film, (3c)
Is an i-type a-SiGe film which is a feature of the photovoltaic device of the present invention, and (3e) is an n-type amorphous semiconductor film, which is an n-type amorphous silicon film.
これにより、本発明光起電力装置では、ｐ型非晶質半
導体膜（3a）、ｉ型非晶質半導体膜（（3b）及び（3
d））及びｎ型非晶質シリコン膜（3e）で積層体を構成
している。尚、（3b）（3c）及び（3d）は、前記光活性
層に相当する。Thereby, in the photovoltaic device of the present invention, the p-type amorphous semiconductor film (3a), the i-type amorphous semiconductor film ((3b) and (3)
d)) and the n-type amorphous silicon film (3e) constitute a laminate. Incidentally, (3b), (3c) and (3d) correspond to the photoactive layer.
前記光起電力装置の中で、ｉ型ａ−SiGe膜（3c）以外
は従来周知のものである。Among the photovoltaic devices, those other than the i-type a-SiGe film (3c) are conventionally known.
前記光起電力装置の製造としては、まず、前記透明導
電膜（２）が形成された基板（１）上に、従来周知のプ
ラズマCVD法によって、ｐ型非晶質半導体膜（3a）、ｉ
型非晶質半導体膜（3b）及びｉ型ａ−SiGe膜（3c）を重
畳形成する。In manufacturing the photovoltaic device, first, on a substrate (1) on which the transparent conductive film (2) is formed, a p-type amorphous semiconductor film (3a), i
The type amorphous semiconductor film (3b) and the i-type a-SiGe film (3c) are overlapped.
次に、前記凹凸形状を前記ｉ型ａ−SiGe膜（3c）に具
備せしめるため、従来のフォト・レジスト工程における
エッチング処理を該ｉ型ａ−SiGe膜（3c）に施す。斯る
場合のレジストは、島状のパターン形状となるように形
成する。Next, in order to provide the i-type a-SiGe film (3c) with the irregularities, an etching process in a conventional photoresist process is performed on the i-type a-SiGe film (3c). The resist in such a case is formed so as to have an island pattern.
この場合、前記エッチング処理の工程としては、２種
類の態様がある。即ち、一方は、前記レジストに被われ
ていない部分の前記ｉ型ａ−SiGe膜（3c）のエッチング
について、そのエッチングを途中で中止し、前記ｉ型ａ
−SiGe膜（3c）の表面に段差を形成するものである。従
って、前記段差の程度は、前記エッチングの時間等によ
って制御することが可能である。In this case, there are two types of processes for the etching process. That is, on one side, the etching of the portion of the i-type a-SiGe film (3c) not covered with the resist is stopped halfway, and
Forming a step on the surface of the SiGe film (3c). Therefore, the degree of the step can be controlled by the etching time or the like.
他方は、前記レジストによって被われていない部分の
前記ｉ型ａ−SiGe膜（3c）を全てエッチング除去するも
ので、このために、ｉ型ａ−SiGe膜（3c）は、島状の膜
となる。The other is to etch away all of the i-type a-SiGe film (3c) in a portion not covered by the resist. For this reason, the i-type a-SiGe film (3c) is formed as an island-like film. Become.
同図に示す実施例光起電力装置は、前者の態様の場合
について示し、前記エッチング処理は、従来周知のプラ
ズマエッチング法によって行った。The photovoltaic device of the embodiment shown in the figure shows the case of the former embodiment, and the etching treatment was performed by a conventionally known plasma etching method.
前記エッチング工程を経た後、前記ｉ型ａ−SiGe膜
（3c）上に前記プラズマCVD法により、引き続きｉ型非
晶質半導体膜（3d）及びｎ型非晶質半導体膜（3e）を形
成する。最後に、金属膜（４）を従来周知の蒸着法また
はスパッタ法などによって形成した。After the etching process, an i-type amorphous semiconductor film (3d) and an n-type amorphous semiconductor film (3e) are successively formed on the i-type a-SiGe film (3c) by the plasma CVD method. . Finally, a metal film (4) was formed by a conventionally well-known vapor deposition method or sputtering method.
尚、前記ｉ型ａ−SiGe膜（3c）から見て光入射側近傍
にｉ型非晶質半導体膜（3b）を配置するのは、ｐ型非晶
質半導体膜（3a）と良好な接合を形成するためである。It should be noted that the i-type amorphous semiconductor film (3b) is arranged in the vicinity of the light incident side when viewed from the i-type a-SiGe film (3c) because of good junction with the p-type amorphous semiconductor film (3a). Is formed.
前記各非晶質シリコン膜のプラズマCVD法に於る形成
条件を第１表に示す。Table 1 shows conditions for forming each of the amorphous silicon films by the plasma CVD method.
注）p a−SiCはｐ型非晶質シリコンカーバイド膜,i a−
Siはｉ型非晶質シリコン膜,n a−Siはｎ型非晶質シリコ
ン膜を示す。尚、その他の条件として、基板温度及び放
電電力は、各膜ともに、それぞれ200℃,30Wである。 Note) pa-SiC is a p-type amorphous silicon carbide film, ia-
Si indicates an i-type amorphous silicon film, and na-Si indicates an n-type amorphous silicon film. As other conditions, the substrate temperature and the discharge power of each film are 200 ° C. and 30 W, respectively.
第２表に、実施例光起電力装置及び従来の光起電力装
置の代表的な電気特性を示す。ここに於る従来の光起電
力装置としては２種類用意した。Table 2 shows representative electrical characteristics of the photovoltaic device of the embodiment and the conventional photovoltaic device. Two types of conventional photovoltaic devices were prepared here.
一方の従来例１は、前記実施例光起電力装置のｉ型非
晶質半導体膜（3b）及びｉ型ａ−SiGe膜（3c）に替え
て、その表面に凹凸形状を具備していないｉ型ａ−SiGe
膜を具えた構造の光起電力装置である。他方の従来例２
は、前記実施例光起電力装置のｉ型非晶質半導体膜（3
b）、ｉ型ａ−SiGe膜（3c）及びｉ型非晶質半導体膜（3
d）に替えて、5000Åのｉ型非晶質シリコン膜のみを使
用したものである。On the other hand, in Conventional Example 1, instead of the i-type amorphous semiconductor film (3b) and the i-type a-SiGe film (3c) of the photovoltaic device of the embodiment, i has no irregularities on its surface. Type a-SiGe
This is a photovoltaic device having a structure with a film. Conventional example 2
Is the i-type amorphous semiconductor film (3
b), i-type a-SiGe film (3c) and i-type amorphous semiconductor film (3
Instead of d), only a 5000 ° i-type amorphous silicon film was used.
注）照射条件;AM−1,100mW/cm2 第２表に示されているように、前記実施例光起電力装
置では、従来例１と比較して短絡電流においてはやや劣
るものの、開放電圧については15％の増加が確認できて
おり、従来のａ−SiGe膜を使用した場合における前記開
放電圧の低下は十分に防止し得ている。また実施例光起
電力装置では先述の短絡電流の減損が発生しているが、
従来例２の光起電力装置と比較しても明らかな如く、本
発明光起電力装置では、12％以上の短絡電流向上を達成
しており前記ａ−SiGe膜に因る光吸収量の増加をはたせ
ていることが判る。 Note) Irradiation condition: AM-1,100 mW / cm 2 As shown in Table 2, in the photovoltaic device of the embodiment, although the short-circuit current was slightly inferior to that of the conventional example 1, the open-circuit voltage was lower. Has been confirmed to increase by 15%, and the decrease in the open-circuit voltage when a conventional a-SiGe film is used can be sufficiently prevented. In the photovoltaic device of the embodiment, the short-circuit current described above is impaired,
As is clear from comparison with the photovoltaic device of Conventional Example 2, in the photovoltaic device of the present invention, the short-circuit current was improved by 12% or more, and the amount of light absorption due to the a-SiGe film was increased. It can be seen that it is added.
第２図は、本発明光起電力装置において、前記ｉ型ａ
−SiGe膜の前記凹凸形状に基づく凸部と凹部との段差、
即ち、前記実施例での前記エッチング深さと、前記電気
特性のうちの変換効率との関係について示している。斯
る場合の条件として、前記凸部の前記ｉ型ａ−SiGe膜の
膜厚は、3000Åと一定にしている。FIG. 2 shows the i-type a
A step between the convex portion and the concave portion based on the concave-convex shape of the SiGe film,
That is, the relationship between the etching depth in the embodiment and the conversion efficiency of the electrical characteristics is shown. As a condition in such a case, the thickness of the i-type a-SiGe film of the convex portion is fixed at 3000 °.
同図の如く前記段差は500Å以上とすることにより、
前記凹凸形状の効果が顕著となる。その上限値として
は、3000Å以下とすることが好ましい。この理由は、30
00Åを越える前記段差とすると、光起電力装置としての
リーク電流が増加し変換効率の低下が起こるためであ
る。By setting the step to 500 mm or more as shown in FIG.
The effect of the uneven shape becomes remarkable. The upper limit is preferably 3000 ° or less. The reason is 30
This is because, if the step is larger than 00 °, the leakage current of the photovoltaic device increases and the conversion efficiency decreases.
第３図は実施例光起電力装置の前記ｉ型ａ−SiGe膜の
膜厚を変化させた場合の変換効率の変化を示している。
前記段差は1500Åで一定とした。同図から明らかなよう
に、前記変換効率は、4000Å近傍で最大値を示してい
る。これは、ｉ型ａ−SiGe膜の膜厚が大きくなり過ぎる
と前記変換効率に影響する開放電圧及び曲率因子がとも
に低下することに起因している。FIG. 3 shows a change in conversion efficiency when the film thickness of the i-type a-SiGe film of the photovoltaic device of the embodiment is changed.
The step was constant at 1500 °. As is clear from the figure, the conversion efficiency has a maximum value near 4000 °. This is because when the film thickness of the i-type a-SiGe film becomes too large, both the open-circuit voltage and the curvature factor which affect the conversion efficiency decrease.
従って、本発明光起電力装置に因れば、前記ｉ型ａ−
SiGe膜は好適には2000〜5000Åであり、最適には3000〜
4000Åである。Therefore, according to the photovoltaic device of the present invention, the i-type a-
The SiGe film is preferably 2000-5000Å, optimally 3000-
4000Å.
次に、前記凹凸形状に於る各凸部間の距離と前記変換
効率の関係について第４図に示す。斯る場合の条件とし
ては、前記凸部の前記ｉ型ａ−SiGe膜の前記膜厚を3000
Åとし、また前記段差は1500Åとした。Next, FIG. 4 shows a relationship between the distance between the respective convex portions in the uneven shape and the conversion efficiency. As a condition in such a case, the thickness of the i-type a-SiGe film of the convex portion is set to 3000.
And the step was 1500 °.
同図から判るように、前記距離を10μｍ以上に大きく
すると、前記変換効率が緩やかに減少する。この減少
は、特に短絡電流の減少に基づくもので、前記光閉じ込
め効果が漸減していることによる。As can be seen from the figure, when the distance is increased to 10 μm or more, the conversion efficiency gradually decreases. This decrease is particularly due to the decrease in the short-circuit current, and is due to the gradual decrease in the optical confinement effect.
本発明光起電力装置は、実施例の如く１つの積層体に
よってのみ光電変換層が構成されているものに限るもの
ではなく、例えば、前記積層体を複数個、該積層体が直
列接続となる様に積層形成された構造を有する光起電力
装置に於ても同様の効果を呈する。斯る構造を有する光
起電力装置にあっては、それら積層体のうちの１つに本
発明の特徴であるところのｉ型ａ−SiGe膜を採用すれば
よい。特に、この場合、前記ｉ型ａ−SiGe間を備えた積
層体が長波長光に大きな感度を有することから、該積層
体は、前記直列接続では光入射側より遠方となる位置に
配置されることが好適である。The photovoltaic device of the present invention is not limited to one in which the photoelectric conversion layer is constituted only by one laminate as in the embodiment. For example, a plurality of the laminates are connected in series. The same effect is exhibited in a photovoltaic device having a structure formed in a stacked manner as described above. In a photovoltaic device having such a structure, an i-type a-SiGe film, which is a feature of the present invention, may be used for one of the stacked bodies. In particular, in this case, since the stacked body including the i-type a-SiGe has high sensitivity to long-wavelength light, the stacked body is arranged at a position farther from the light incident side in the series connection. Is preferred.
（ト） 発明の効果 本発明光起電力装置によれば、ａ−SiGe膜の使用によ
る従来の開放電圧の低下を防止し得るとともに、前記光
閉じ込め効果による短絡電流の向上を計りうる。(G) Effects of the Invention According to the photovoltaic device of the present invention, it is possible to prevent a decrease in the conventional open-circuit voltage due to the use of the a-SiGe film and to improve the short-circuit current due to the light confinement effect.
第１図は本発明光起電力装置の素子構造断面図、第２図
はエッチング深さと変換効率との関係を示す特性図、第
３図はａ−SiGe膜の膜厚に対する変換効率との関係を示
す特性図、第４図は前記凹凸形状に於る各凸部間の距離
と変換効率の関係を示す特性図、第５図は従来光起電力
装置の素子構造断面図である。1 is a sectional view of the element structure of the photovoltaic device of the present invention, FIG. 2 is a characteristic diagram showing the relationship between the etching depth and the conversion efficiency, and FIG. 3 is the relationship between the conversion efficiency and the thickness of the a-SiGe film. FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the distance between each convex portion and the conversion efficiency in the uneven shape, and FIG. 5 is a sectional view of the element structure of a conventional photovoltaic device.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−90983（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−152672（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 31/04 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-62-90983 (JP, A) JP-A-59-152672 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) H01L 31/04
Claims (1)
半導体膜及びｎ型非晶質半導体膜を重畳形成されてなる
積層体を具備する光起電力装置に於て、前記ｉ型非晶質
半導体膜内の光入射側近傍に、その表面を凹凸形状とし
た非晶質シリコンゲルマニュウム膜、又は島状に形成さ
れた非晶質シリコンゲルマニュウム膜を備えたことを特
徴とする光起電力装置。1. A photovoltaic device comprising a stacked structure in which a p-type amorphous semiconductor film, an i-type amorphous semiconductor film, and an n-type amorphous semiconductor film are formed on a substrate. In the vicinity of the light incident side in the i-type amorphous semiconductor film, an amorphous silicon germanium film having an uneven surface or an amorphous silicon germanium film formed in an island shape is provided. Photovoltaic device.
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