JP2974485B2 - 光起電力素子の製造法 - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、高性能で信頼性が高
く、しかも量産性に優れた太陽電池等の光起電力素子の
製造法に関する。
く、しかも量産性に優れた太陽電池等の光起電力素子の
製造法に関する。
【0002】
【従来の技術】人類のこれからのエネルギー源として、
その使用の結果発生する二酸化炭素の為に地球の温暖化
をもたらすと言われる石油や石炭等の化石燃料、不測の
事故により、さらには正常な運転時に於いてすら放射線
の危険が皆無とは言えない原子力に全面的に依存してい
くことは問題が多い。それに対して太陽をエネルギー源
とする太陽電池は、地球環境に対する影響がきわめて少
ないので、一層の普及が期待されている。しかし現状に
於いては、本格的な普及を妨げているいくつかの問題点
がある。
その使用の結果発生する二酸化炭素の為に地球の温暖化
をもたらすと言われる石油や石炭等の化石燃料、不測の
事故により、さらには正常な運転時に於いてすら放射線
の危険が皆無とは言えない原子力に全面的に依存してい
くことは問題が多い。それに対して太陽をエネルギー源
とする太陽電池は、地球環境に対する影響がきわめて少
ないので、一層の普及が期待されている。しかし現状に
於いては、本格的な普及を妨げているいくつかの問題点
がある。
【0003】従来太陽光発電用としては、単結晶または
多結晶のシリコンが多く用いられてきた。しかしこれら
の光起電力素子の一例としての太陽電池は結晶の成長に
多くのエネルギーと時間を要し、またその後も複雑な工
程が必要となるため量産効果があがりにくく、低価格で
の提供が困難であった。一方アモルファスシリコン(以
下a−Siと記載)や、CdS・CuInSe2などの
化合物半導体を用いた、いわゆる薄膜半導体光起電力素
子が盛んに研究、開発されてきた。これらの光起電力素
子では、ガラスやステンレススティールなどの安価な基
板上に必要なだけの半導体層を形成すればよく、その製
造工程も比較的簡単であり、低価格化できる、可能性を
持っている。しかし薄膜半導体光起電力素子は、その変
換効率が結晶シリコン光起電力素子に比べて低く、しか
も長期の使用に対する信頼性に不安がある為これまで本
格的に使用されてこなかった。そこで薄膜半導体光起電
力素子の性能を改善する為、様々な工夫がなされてい
る。
多結晶のシリコンが多く用いられてきた。しかしこれら
の光起電力素子の一例としての太陽電池は結晶の成長に
多くのエネルギーと時間を要し、またその後も複雑な工
程が必要となるため量産効果があがりにくく、低価格で
の提供が困難であった。一方アモルファスシリコン(以
下a−Siと記載)や、CdS・CuInSe2などの
化合物半導体を用いた、いわゆる薄膜半導体光起電力素
子が盛んに研究、開発されてきた。これらの光起電力素
子では、ガラスやステンレススティールなどの安価な基
板上に必要なだけの半導体層を形成すればよく、その製
造工程も比較的簡単であり、低価格化できる、可能性を
持っている。しかし薄膜半導体光起電力素子は、その変
換効率が結晶シリコン光起電力素子に比べて低く、しか
も長期の使用に対する信頼性に不安がある為これまで本
格的に使用されてこなかった。そこで薄膜半導体光起電
力素子の性能を改善する為、様々な工夫がなされてい
る。
【0004】その一つが光の反射率を高めた層を用いる
ことにより半導体層で吸収されなかった光を、再び半導
体層に戻し入射光を有効に利用する為の裏面反射層であ
る。その為に、透明な基板の基板側から光を入射させる
場合には、半導体の表面に形成する電極を銀(Ag)、
アルミニウム(Al)、銅(Cu)など反射率の高い金
属で形成するとよい。また半導体層の表面から光を入射
させる場合には、同様の金属の層を基板上に形成した後
半導体層を形成するとよい。また金属層と半導体層の間
に適当な光学的性質を持った透明層を介在させると、多
重干渉効果によりさらに反射率を高めることができる。
図4(a)はシリコンと各種金属の間に透明層を有しな
い場合であり、図4(b)は、シリコンと各種金属の間
に透明層として酸化亜鉛(ZnO)を介在させた場合
の、反射率の向上を示すシミュレーションの結果であ
る。
ことにより半導体層で吸収されなかった光を、再び半導
体層に戻し入射光を有効に利用する為の裏面反射層であ
る。その為に、透明な基板の基板側から光を入射させる
場合には、半導体の表面に形成する電極を銀(Ag)、
アルミニウム(Al)、銅(Cu)など反射率の高い金
属で形成するとよい。また半導体層の表面から光を入射
させる場合には、同様の金属の層を基板上に形成した後
半導体層を形成するとよい。また金属層と半導体層の間
に適当な光学的性質を持った透明層を介在させると、多
重干渉効果によりさらに反射率を高めることができる。
図4(a)はシリコンと各種金属の間に透明層を有しな
い場合であり、図4(b)は、シリコンと各種金属の間
に透明層として酸化亜鉛(ZnO)を介在させた場合
の、反射率の向上を示すシミュレーションの結果であ
る。
【0005】この様な透明層を用いることは光起電力素
子の信頼性を高める上で効果がある。特公昭60−41
878号公報には透明層を用いることにより半導体と金
属層が合金化することを防止できるとの記載がある。ま
た米国特許4,532,372及び4,598,306
には、適度な抵抗を持った透明層を用いることにより万
が一半導体層に短絡箇所が発生しても電極間に過剰な電
流が流れるのを防止できるとの記載がある。
子の信頼性を高める上で効果がある。特公昭60−41
878号公報には透明層を用いることにより半導体と金
属層が合金化することを防止できるとの記載がある。ま
た米国特許4,532,372及び4,598,306
には、適度な抵抗を持った透明層を用いることにより万
が一半導体層に短絡箇所が発生しても電極間に過剰な電
流が流れるのを防止できるとの記載がある。
【0006】また光起電力素子の変換効率を高める為の
別の工夫として、光起電力素子の表面または/及び裏面
反射層との界面を微細な凹凸状とする(テクスチャー構
造)方法がある。このような構成とすることにより、光
起電力素子の表面または/及び裏面反射層との界面で光
が散乱され、更に半導体の内部に閉じこめられ、(光ト
ラップ効果)半導体中で有効に吸収できる様になる。基
板が透明な場合には、基板上の酸化錫(SnO2)など
の透明電極の表面を凹凸構造にすると良い。また半導体
の表面から光を入射する場合には、裏面反射層に用いる
金属層の表面を凹凸構造とすればよい。M.Hiras
aka,K.Suzuki,K.Nakatani,
M.Asano,M.Yano,H.Okaniwaは
Alを基板温度や堆積速度を調整して堆積することによ
り裏面反射層用凹凸構造が得られることを示している。
(Solar Cell Materials 20
(1990)pp99−110)このような凹凸構造の
裏面反射層を用いたことによる入射光の吸収の増加の例
を図5に示す。ここで曲線(a)は、金属層として平滑
なAgを用いたa−Si太陽電池の分光感度、曲線
(b)は、凹凸構造のAgを用いた場合の分光感度を示
す。
別の工夫として、光起電力素子の表面または/及び裏面
反射層との界面を微細な凹凸状とする(テクスチャー構
造)方法がある。このような構成とすることにより、光
起電力素子の表面または/及び裏面反射層との界面で光
が散乱され、更に半導体の内部に閉じこめられ、(光ト
ラップ効果)半導体中で有効に吸収できる様になる。基
板が透明な場合には、基板上の酸化錫(SnO2)など
の透明電極の表面を凹凸構造にすると良い。また半導体
の表面から光を入射する場合には、裏面反射層に用いる
金属層の表面を凹凸構造とすればよい。M.Hiras
aka,K.Suzuki,K.Nakatani,
M.Asano,M.Yano,H.Okaniwaは
Alを基板温度や堆積速度を調整して堆積することによ
り裏面反射層用凹凸構造が得られることを示している。
(Solar Cell Materials 20
(1990)pp99−110)このような凹凸構造の
裏面反射層を用いたことによる入射光の吸収の増加の例
を図5に示す。ここで曲線(a)は、金属層として平滑
なAgを用いたa−Si太陽電池の分光感度、曲線
(b)は、凹凸構造のAgを用いた場合の分光感度を示
す。
【0007】さらに金属層と透明層との2層からなる裏
面反射層の考え方と、凹凸構造の考え方を組み合わせる
こともできる。米国特許4,419,533には金属層
の表面がテクスチャー構造を持ち、且つその上に透明層
が形成された裏面反射層の考え方が開示されている。こ
の様な組み合わせにより太陽電池の変換効率は著しく向
上することが期待される。しかしながら本発明者等の知
見によれば、実際にはあらかじめ期待されたほどの効果
が得られないことが多かった。また半導体の堆積条件に
よっては、透明層が設けられているにも拘らず、形成さ
れた太陽電池の高温高湿下での使用に対する十分な信頼
性が得られないことがあった。この為薄膜太陽電池は低
価格にて生産できる可能性がありながら、太陽光発電用
には本格的に普及するに至っていなかった。
面反射層の考え方と、凹凸構造の考え方を組み合わせる
こともできる。米国特許4,419,533には金属層
の表面がテクスチャー構造を持ち、且つその上に透明層
が形成された裏面反射層の考え方が開示されている。こ
の様な組み合わせにより太陽電池の変換効率は著しく向
上することが期待される。しかしながら本発明者等の知
見によれば、実際にはあらかじめ期待されたほどの効果
が得られないことが多かった。また半導体の堆積条件に
よっては、透明層が設けられているにも拘らず、形成さ
れた太陽電池の高温高湿下での使用に対する十分な信頼
性が得られないことがあった。この為薄膜太陽電池は低
価格にて生産できる可能性がありながら、太陽光発電用
には本格的に普及するに至っていなかった。
【0008】本発明者等は、従来の裏面反射層には次の
ような問題点があることを見いだした。
ような問題点があることを見いだした。
【0009】 (1)金属層の凹凸化に伴う反射率の低下 金属層を凹凸構造にすると表面で反射される光は様々な
方向に乱反射される。しかしこの点を考慮し、あらゆる
方向に反射された光を集められる積分球を備えた反射率
測定装置を用いて測定しても、凹凸とされた金属層は平
滑な金属に比べ、反射率がかなり低下する傾向がある。
特にAlやCuの場合にはその傾向が著しい。このため
半導体層を通過してきた光を有効に反射し半導体に送り
返すことができない。この結果、光起電力素子の変換効
率が期待したほど高くならない。
方向に乱反射される。しかしこの点を考慮し、あらゆる
方向に反射された光を集められる積分球を備えた反射率
測定装置を用いて測定しても、凹凸とされた金属層は平
滑な金属に比べ、反射率がかなり低下する傾向がある。
特にAlやCuの場合にはその傾向が著しい。このため
半導体層を通過してきた光を有効に反射し半導体に送り
返すことができない。この結果、光起電力素子の変換効
率が期待したほど高くならない。
【0010】 (2)透明層表面への金属の拡散 裏面反射層の上に半導体層を堆積する際には、通常20
0度以上の基板温度とされる。この様な温度では金属原
子が透明層を貫通して透明層の表面まで拡散し得る。こ
のように金属が直接半導体層と接触した場合透明層の機
能が不十分となり信頼性の低下を招くものと思われる。
0度以上の基板温度とされる。この様な温度では金属原
子が透明層を貫通して透明層の表面まで拡散し得る。こ
のように金属が直接半導体層と接触した場合透明層の機
能が不十分となり信頼性の低下を招くものと思われる。
【0011】 (3)半導体層への金属の拡散 透明層を形成する際、下地の金属層が一部分で露出して
しまう場合がある。特に金属層の凹凸構造の凹凸を大き
くし、透明層を薄くした場合にはこの現象が顕著であ
る。この上に半導体層を堆積した場合、前述金属層の露
出部分より金属原子が半導体層に拡散し、半導体接合の
特性に影響を及ぼす。
しまう場合がある。特に金属層の凹凸構造の凹凸を大き
くし、透明層を薄くした場合にはこの現象が顕著であ
る。この上に半導体層を堆積した場合、前述金属層の露
出部分より金属原子が半導体層に拡散し、半導体接合の
特性に影響を及ぼす。
【0012】 (4)後工程での問題 半導体層にはピンホール等の欠陥箇所がある為、この様
な欠陥箇所を介して半導体層表面の電極と透明層が直接
接触し得る。透明層が適度な抵抗を持っていないと、こ
の部分で過剰な電流が流れるのを防止できない。
な欠陥箇所を介して半導体層表面の電極と透明層が直接
接触し得る。透明層が適度な抵抗を持っていないと、こ
の部分で過剰な電流が流れるのを防止できない。
【0013】また前述(3)の様な金属層の露出部分が
あると半導体のピンホール等の欠陥箇所を介して、上部
電極と背面電極が接触し得る。
あると半導体のピンホール等の欠陥箇所を介して、上部
電極と背面電極が接触し得る。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、この様な現
状に鑑みてなされたものであって、改良された裏面反射
層を用いることによって、変換効率が高くしかも信頼性
が高く、量産性に優れた光起電力素子の製造法を提供す
ることを特徴とするものである。
状に鑑みてなされたものであって、改良された裏面反射
層を用いることによって、変換効率が高くしかも信頼性
が高く、量産性に優れた光起電力素子の製造法を提供す
ることを特徴とするものである。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明は、金属層を設け
た基板の上に第1透明導電層を設ける工程、第1透明導
電層の上に光電変換層を設ける工程、及び光電変換層の
上に第2透明導電層を設ける工程を有する光起電力素子
の製造法において、前記第1透明導電層を設ける工程
は、前記金属層を設けた基板上に、該基板温度を低温部
の温度設定から高温部の温度設定に変化させて、透明導
電物質をマグネトロンスパッタによって堆積させ、これ
によって第1透明導電層を前記金属層の上に成膜させる
光起電力素子の製造法、に特徴を有する。
た基板の上に第1透明導電層を設ける工程、第1透明導
電層の上に光電変換層を設ける工程、及び光電変換層の
上に第2透明導電層を設ける工程を有する光起電力素子
の製造法において、前記第1透明導電層を設ける工程
は、前記金属層を設けた基板上に、該基板温度を低温部
の温度設定から高温部の温度設定に変化させて、透明導
電物質をマグネトロンスパッタによって堆積させ、これ
によって第1透明導電層を前記金属層の上に成膜させる
光起電力素子の製造法、に特徴を有する。
【0016】 (発明の態様の説明) 本発明による光起電力素子の構造の一例を図1に示す。
101は導電性の基板である。その表面に反射率の高い
金属の層102が形成されている。もし基板自身が十分
反射率の高い材料でできている場合は、金属層102は
省略されても良い。
101は導電性の基板である。その表面に反射率の高い
金属の層102が形成されている。もし基板自身が十分
反射率の高い材料でできている場合は、金属層102は
省略されても良い。
【0017】ここで少なくとも金属層102の表面は金
属が持つ固有の反射率をそこなわない程度、すなわち凹
凸が1000Å以下の平滑な面である。その上に、透明
層103が形成されている。透明層103は、光電変換
層を透過してきた光に対して透明で適度な電気抵抗を持
ち、凹凸構造を取る。透明層が複数の層領域をとる場
合、(図2では第1層領域103a、第2層領域103
bの2層から成る例を示してある。)第一層領域103
aの表面が凹凸500Å−20000Å、凹凸の間隔が
3000Å−20000Åの凹凸構造を取り、その上に
形成される。第二層領域103bの電気特性は、第1層
領域103aに比べて比抵抗のかなり高いものでもかま
わない。ただし、この際には、第二層領域103bの厚
みをできるだけ薄くして太陽電池の単位面積あたりの抵
抗値を下げてやる必要がある。また透明層が複数の層領
域を取る場合(図3では第1層領域103c、第2層領
域103dの2層から成る例を示してある。)で第一層
領域103cの入光面の凹凸ピッチが3000Å以下の
平滑な面で、適度な電気抵抗を持ち、後述する第二層領
域103dの表面凹凸形成時に酸またはアルカリまたは
塩水溶液を使用する際は、それら水溶液に対して第二層
領域103dより浸食されにくい第一層領域103cを
使用する。第二層領域103dの表面の凹凸ピッチが3
000Å〜20000Å凹凸の高さが500Å〜200
00Åの凹凸構造と光の透過特性および電気的特性は第
1層領域と同様であってもよい。
属が持つ固有の反射率をそこなわない程度、すなわち凹
凸が1000Å以下の平滑な面である。その上に、透明
層103が形成されている。透明層103は、光電変換
層を透過してきた光に対して透明で適度な電気抵抗を持
ち、凹凸構造を取る。透明層が複数の層領域をとる場
合、(図2では第1層領域103a、第2層領域103
bの2層から成る例を示してある。)第一層領域103
aの表面が凹凸500Å−20000Å、凹凸の間隔が
3000Å−20000Åの凹凸構造を取り、その上に
形成される。第二層領域103bの電気特性は、第1層
領域103aに比べて比抵抗のかなり高いものでもかま
わない。ただし、この際には、第二層領域103bの厚
みをできるだけ薄くして太陽電池の単位面積あたりの抵
抗値を下げてやる必要がある。また透明層が複数の層領
域を取る場合(図3では第1層領域103c、第2層領
域103dの2層から成る例を示してある。)で第一層
領域103cの入光面の凹凸ピッチが3000Å以下の
平滑な面で、適度な電気抵抗を持ち、後述する第二層領
域103dの表面凹凸形成時に酸またはアルカリまたは
塩水溶液を使用する際は、それら水溶液に対して第二層
領域103dより浸食されにくい第一層領域103cを
使用する。第二層領域103dの表面の凹凸ピッチが3
000Å〜20000Å凹凸の高さが500Å〜200
00Åの凹凸構造と光の透過特性および電気的特性は第
1層領域と同様であってもよい。
【0018】また該透明層は後工程で使用するエッチャ
ントなどに対する耐薬品性がある。この上に半導体接合
104がある。ここでは半導体接合としてpin型のa
−Si光起電力素子を用いた例を示す。即ち105はn
型a−Si、106はi型a−Si、107はp型a−
Siである。半導体接合104が薄い場合には、図1、
図2、図3に示すように、半導体接合全体が、透明層1
03と同様の凹凸構造を示すことが多い。108は表面
の透明電極である。その上に櫛型の集積電極109が設
けられている。この様な構造を取ることにより次のよう
な効果を生じる。
ントなどに対する耐薬品性がある。この上に半導体接合
104がある。ここでは半導体接合としてpin型のa
−Si光起電力素子を用いた例を示す。即ち105はn
型a−Si、106はi型a−Si、107はp型a−
Siである。半導体接合104が薄い場合には、図1、
図2、図3に示すように、半導体接合全体が、透明層1
03と同様の凹凸構造を示すことが多い。108は表面
の透明電極である。その上に櫛型の集積電極109が設
けられている。この様な構造を取ることにより次のよう
な効果を生じる。
【0019】(1)金属層102(または基板101自
身)の表面が平滑である為、金属面での光の反射率が高
まる。しかも透明層103(および半導体接合104)
の表面が凹凸構造を持っていることにより、透明層との
界面において入射光の位相が凹部と凸部のずれによる散
乱より半導体接合104内部での光トラップ効果が生じ
る。その為入射した光が効果的に吸収され、光起電力素
子の変換効率が向上する。
身)の表面が平滑である為、金属面での光の反射率が高
まる。しかも透明層103(および半導体接合104)
の表面が凹凸構造を持っていることにより、透明層との
界面において入射光の位相が凹部と凸部のずれによる散
乱より半導体接合104内部での光トラップ効果が生じ
る。その為入射した光が効果的に吸収され、光起電力素
子の変換効率が向上する。
【0020】(2)金属層102(または基板101自
身)の表面が平滑である為、透明層103との接触面積
が減少し、透明層103への金属原子の拡散等の反応が
起こりにくくなる。
身)の表面が平滑である為、透明層103との接触面積
が減少し、透明層103への金属原子の拡散等の反応が
起こりにくくなる。
【0021】透明層103が適度な抵抗を持っている
為、たとえ光電変換層104に欠陥を生じても過剰な電
流が流れない。また透明層103が耐薬品性を持ってい
るので後工程に於いても裏面反射層がダメージを受けに
くい。
為、たとえ光電変換層104に欠陥を生じても過剰な電
流が流れない。また透明層103が耐薬品性を持ってい
るので後工程に於いても裏面反射層がダメージを受けに
くい。
【0022】(3)第1層領域103aの表面を凹凸構
造とする際、たとえ金属層102の一部分が露出する様
な場合でも、再度第2層領域103bによって被覆され
る為、上部電極と金属層102が接触する確率は極端に
減少し、光起電力素子の信頼性が著しく向上する。
造とする際、たとえ金属層102の一部分が露出する様
な場合でも、再度第2層領域103bによって被覆され
る為、上部電極と金属層102が接触する確率は極端に
減少し、光起電力素子の信頼性が著しく向上する。
【0023】(4)また、平滑な金属層に平滑な第1層
領域103cが堆積される為金属層に凹凸構造を設ける
時に発生することのある金属層102の一部露出の頻度
が極端に低減され、金属層102から半導体層104へ
の金属原子の拡散が防止できる。
領域103cが堆積される為金属層に凹凸構造を設ける
時に発生することのある金属層102の一部露出の頻度
が極端に低減され、金属層102から半導体層104へ
の金属原子の拡散が防止できる。
【0024】(5)また、平滑な金属層102に平滑な
第1層領域103cが堆積される為、金属層に凹凸構造
を設ける時に発生することのある金属層の一部露出の頻
度が極端に低減され、上部電極と金属層の接触がほとん
どない信頼性の高い太陽電池が得られる。
第1層領域103cが堆積される為、金属層に凹凸構造
を設ける時に発生することのある金属層の一部露出の頻
度が極端に低減され、上部電極と金属層の接触がほとん
どない信頼性の高い太陽電池が得られる。
【0025】本発明の効果を示す為の実験について説明
する。
する。
【0026】 (実験1) 5×5cmのステンレス基板(SUS430)上にDC
マグネトロンスパッタ法にてAlを1500Å堆積し
た。この時の基板温度を室温とした。その上にDCマグ
ネトロンスパッタ法にてZnOを1000Å堆積した。
この時の基板温度も室温とした。SEM観察によると、
Alの表面は凹凸ピッチ1000Å以下の平滑面であり
光沢があった。また、ZnOの表面の凹凸ピッチも10
00Å程度であり、やや黄色味は帯びていたが平滑な光
沢面だった。さらにこの上にDCマグネトロンスパッタ
法にてZnOを3000Å堆積した。この時の基板温度
を300℃とした。SEM観察によると、第2層領域と
なるZnOの表面凹凸ピッチは4000Å−8000
Å、凹凸は2000Å−3000Åの凹凸構造となりそ
の表面は白濁していた。この段階で波長6000Å−9
000Åの範囲での光の反射率を求めた。
マグネトロンスパッタ法にてAlを1500Å堆積し
た。この時の基板温度を室温とした。その上にDCマグ
ネトロンスパッタ法にてZnOを1000Å堆積した。
この時の基板温度も室温とした。SEM観察によると、
Alの表面は凹凸ピッチ1000Å以下の平滑面であり
光沢があった。また、ZnOの表面の凹凸ピッチも10
00Å程度であり、やや黄色味は帯びていたが平滑な光
沢面だった。さらにこの上にDCマグネトロンスパッタ
法にてZnOを3000Å堆積した。この時の基板温度
を300℃とした。SEM観察によると、第2層領域と
なるZnOの表面凹凸ピッチは4000Å−8000
Å、凹凸は2000Å−3000Åの凹凸構造となりそ
の表面は白濁していた。この段階で波長6000Å−9
000Åの範囲での光の反射率を求めた。
【0027】こうして形成した裏面反射層の上にグロー
放電分解法にて、SiH4、PH3、を原料ガスとしてn
型a−Si層を200Å、SiH4を原料ガスとしてi
型a−Si層を4000ÅSiH4、BH3、H2を原料
ガスとしてp型微結晶(μc)Si層を100Å堆積し
半導体接合とした。(尚SiH4などのグロー放電分解
法によるa−Si中には、10%程度の水素(H)が含
まれる為、一般にはa−Si:Hと表記されるが、本説
明中では簡単の為にa−Siと表記するものとする。)
この上に透明電極として抵抗加熱蒸着法によりITO膜
を650Å堆積した。さらにその上に銀ペーストで幅3
00μmの集電電極を形成し試料1aとした。
放電分解法にて、SiH4、PH3、を原料ガスとしてn
型a−Si層を200Å、SiH4を原料ガスとしてi
型a−Si層を4000ÅSiH4、BH3、H2を原料
ガスとしてp型微結晶(μc)Si層を100Å堆積し
半導体接合とした。(尚SiH4などのグロー放電分解
法によるa−Si中には、10%程度の水素(H)が含
まれる為、一般にはa−Si:Hと表記されるが、本説
明中では簡単の為にa−Siと表記するものとする。)
この上に透明電極として抵抗加熱蒸着法によりITO膜
を650Å堆積した。さらにその上に銀ペーストで幅3
00μmの集電電極を形成し試料1aとした。
【0028】次にAlの堆積時の基板温度を100℃と
した他は、試料1aと同様にして試料1bを得た。
した他は、試料1aと同様にして試料1bを得た。
【0029】次に第2層領域のZnOの堆積を行なわな
かった他は、試料1aと同様にして試料1cを得た。
かった他は、試料1aと同様にして試料1cを得た。
【0030】次に第1層領域のZnOを基板温度室温で
4000Å堆積し、第2層領域のZnOの堆積を行なわ
なかった他は、試料1aと同様にして試料1dを得た。
4000Å堆積し、第2層領域のZnOの堆積を行なわ
なかった他は、試料1aと同様にして試料1dを得た。
【0031】次に第1層領域のZnOを基板温度300
℃で4000Å堆積し、第2層領域のZnOの堆積を行
なわなかった他は、試料1aと同様にして試料1eを得
た。
℃で4000Å堆積し、第2層領域のZnOの堆積を行
なわなかった他は、試料1aと同様にして試料1eを得
た。
【0032】次にステンレス基板と同サイズの表面を凹
凸1000Å以下に研磨したAl基板を用い、Alの堆
積を行なわなかった他は、試料1aと同様にして試料1
fを得た。
凸1000Å以下に研磨したAl基板を用い、Alの堆
積を行なわなかった他は、試料1aと同様にして試料1
fを得た。
【0033】こうして得られた6種の試料をAM−1.
5のソーラーシミュレーターの下で測定し、光起電力素
子の一例としての太陽電池の変換効率を評価した。結果
を表1に示す。表1から次のことが解る。
5のソーラーシミュレーターの下で測定し、光起電力素
子の一例としての太陽電池の変換効率を評価した。結果
を表1に示す。表1から次のことが解る。
【0034】(1)平滑な金属層と凹凸構造を持つ透明
層の組み合わせからなる裏面反射層を用いた場合(試料
1a.1e.1f)、変換効率は向上した。
層の組み合わせからなる裏面反射層を用いた場合(試料
1a.1e.1f)、変換効率は向上した。
【0035】(2)試料1a.1e.1fで変換効率に
おける差違はほとんど見られなかったが、透明層が1層
の場合(試料1e)、2層の場合(試料1a.1f)で
は、光起電力素子の歩留が試料1eで約70%、試料1
aで約95%、試料1gで約95%となり、2層構成の
方が明らかに歩留が高く、信頼性が高かった。(ここで
言う歩留の基準は、各試料の電流電圧特性の測定から求
めた単位面積(1cm2)あたりのシャント抵抗が20
0Ωとし、それ以上の場合は良品、それ未満の場合は不
良品とした。)これは透明層に凹凸構造を形成するとき
に、1層では凹部が局所的に大きくなる場所が発生し一
部分で金属層が露出する。この上に形成される半導体層
にあるピンホール等の欠陥箇所を介して、前記露出部分
と上部電極が接触し電気的短絡が生じたものと思われ
る。これに対して2層領域からなる透明層を設けて、そ
の第1層領域を平滑面にすることにより前記露出部分の
発現が極端に低減され、電気的短絡の発生率を低下さ
せ、歩留が向上したものと思われる。
おける差違はほとんど見られなかったが、透明層が1層
の場合(試料1e)、2層の場合(試料1a.1f)で
は、光起電力素子の歩留が試料1eで約70%、試料1
aで約95%、試料1gで約95%となり、2層構成の
方が明らかに歩留が高く、信頼性が高かった。(ここで
言う歩留の基準は、各試料の電流電圧特性の測定から求
めた単位面積(1cm2)あたりのシャント抵抗が20
0Ωとし、それ以上の場合は良品、それ未満の場合は不
良品とした。)これは透明層に凹凸構造を形成するとき
に、1層では凹部が局所的に大きくなる場所が発生し一
部分で金属層が露出する。この上に形成される半導体層
にあるピンホール等の欠陥箇所を介して、前記露出部分
と上部電極が接触し電気的短絡が生じたものと思われ
る。これに対して2層領域からなる透明層を設けて、そ
の第1層領域を平滑面にすることにより前記露出部分の
発現が極端に低減され、電気的短絡の発生率を低下さ
せ、歩留が向上したものと思われる。
【0036】 (実験2) 実験1で、Alの代わりにAgを用い、集電電極を形成
しなかった他は、試料1aと同様にして試料2aを得
た。
しなかった他は、試料1aと同様にして試料2aを得
た。
【0037】Agの堆積時の基板温度として室温の代わ
りに300℃とした他は、試料2aと同様にして試料2
bを得た。
りに300℃とした他は、試料2aと同様にして試料2
bを得た。
【0038】試料2aではAgの表面は平滑であった。
ただしZnOの表面が凹凸構造であるために裏面反射層
全体としては、光沢がない。2bではAgの表面が凹凸
構造を示していた。
ただしZnOの表面が凹凸構造であるために裏面反射層
全体としては、光沢がない。2bではAgの表面が凹凸
構造を示していた。
【0039】表2に両試料のAM−1.5での変換効率
の測定結果を示す。試料2bは著しく変換効率が低い
が、これは電流電圧特性から短絡が生じているためと考
えられた。更に両試料をSEMで観察すると、試料2b
では各所にスポットの欠陥が観察され、更にオージェ分
析の結果よりこれらの箇所ではAgが表面まで拡散して
いることが解った。
の測定結果を示す。試料2bは著しく変換効率が低い
が、これは電流電圧特性から短絡が生じているためと考
えられた。更に両試料をSEMで観察すると、試料2b
では各所にスポットの欠陥が観察され、更にオージェ分
析の結果よりこれらの箇所ではAgが表面まで拡散して
いることが解った。
【0040】 (実験3) 実験1で、第1層領域としてSnO2をDCマグネトロ
ンスパッタ法にて1000Å堆積した。この時の基板温
度を200℃とした。この時SnO2表面の凹凸ピッチ
は1000Å以下であり、光沢のある平滑面だった。そ
の上に第2層領域としてZnOを10000Å堆積し
た。この時の基板温度を300℃とした。その後、20
%過塩素酸水溶液に基板表面を室温で30秒間浸した他
は、試料1aと同様にして試料3aを得た。
ンスパッタ法にて1000Å堆積した。この時の基板温
度を200℃とした。この時SnO2表面の凹凸ピッチ
は1000Å以下であり、光沢のある平滑面だった。そ
の上に第2層領域としてZnOを10000Å堆積し
た。この時の基板温度を300℃とした。その後、20
%過塩素酸水溶液に基板表面を室温で30秒間浸した他
は、試料1aと同様にして試料3aを得た。
【0041】次に20%過塩素酸水溶液に基板表面を浸
す時間を45秒間とした他は、試料3aと同様にして試
料3bを得た。
す時間を45秒間とした他は、試料3aと同様にして試
料3bを得た。
【0042】次に第2層領域のZnOを25000Å堆
積した他は、試料3aと同様にして試料3cを得た。
積した他は、試料3aと同様にして試料3cを得た。
【0043】次に20%過塩素酸水溶液に基板表面を浸
す時間を45秒間とした他は、試料3cと同様にして試
料3dを得た。
す時間を45秒間とした他は、試料3cと同様にして試
料3dを得た。
【0044】次に20%過塩素酸水溶液に基板表面を浸
す時間を90秒間とした他は、試料3cと同様にして試
料3eを得た。
す時間を90秒間とした他は、試料3cと同様にして試
料3eを得た。
【0045】SEM観察によれば、過塩素酸水溶液の侵
食作用によって第2層領域のZnOの表面の凹凸構造の
凹凸が浸した時間に応じて大きくなっているのが解る。
食作用によって第2層領域のZnOの表面の凹凸構造の
凹凸が浸した時間に応じて大きくなっているのが解る。
【0046】試料3dの凹凸から類推すると試料3bの
凹凸は小さい。これはSnO2に対する過塩素酸水溶液
の侵食作用がZnOに対する侵食作用に比べて弱いため
と考えられる。
凹凸は小さい。これはSnO2に対する過塩素酸水溶液
の侵食作用がZnOに対する侵食作用に比べて弱いため
と考えられる。
【0047】表3にこれら5種類の試料のAM−1.5
での変換効率の測定結果を示す。試料3a〜3dでは高
い変換効率が得られたが、試料3eでは高い変換効率は
得られなかった。
での変換効率の測定結果を示す。試料3a〜3dでは高
い変換効率が得られたが、試料3eでは高い変換効率は
得られなかった。
【0048】次に本発明の光起電力素子において用いら
れる裏面反射層について詳しく説明する。
れる裏面反射層について詳しく説明する。
【0049】 (基板及び金属層) 基板としては各種の金属が用いられる。中でもステンレ
ススティール板、亜鉛鋼板、アルミニウム板、銅板等
は、価格が比較的低く好適である。これらの金属板は、
一定の形状に切断して用いても良いし、板厚によっては
長尺のシート状の形態で用いても良い。この場合にはコ
イル状に巻く事ができるので連続生産に適合性がよく、
保管や輸送も容易になる。又用途によってはシリコン等
の結晶基板、ガラスやセラミックスの板を用いる事もで
きる。基板の表面は研磨しても良いが、例えばブライト
アニール処理されたステンレス板の様に仕上がりの良い
場合にはそのまま用いても良い。
ススティール板、亜鉛鋼板、アルミニウム板、銅板等
は、価格が比較的低く好適である。これらの金属板は、
一定の形状に切断して用いても良いし、板厚によっては
長尺のシート状の形態で用いても良い。この場合にはコ
イル状に巻く事ができるので連続生産に適合性がよく、
保管や輸送も容易になる。又用途によってはシリコン等
の結晶基板、ガラスやセラミックスの板を用いる事もで
きる。基板の表面は研磨しても良いが、例えばブライト
アニール処理されたステンレス板の様に仕上がりの良い
場合にはそのまま用いても良い。
【0050】ステンレススティールや亜鉛鋼板の様にそ
のままでは光の反射率が低い基板やガラスやセラミック
スの様にそのままでは導電性の低い材料からなる基板で
は、その上に銀やアルミニウム、銅の様な反射率の高い
金属の層を設けることによって基板として使用可能とな
る。但し裏面反射層として用いる場合には、太陽光のス
ペクトルの内の短波長の成分は、既に半導体層に吸収さ
れているので、それより長波長の光に対して反射率が高
ければ十分である。どの波長以上で反射率が高ければ良
いかは、用いる半導体の光吸収係数、膜厚に依存する。
例えば厚さ4000Åのa−Siの場合には、この波長
は約6000Åとなり、銅が好適に使用できる(図4参
照)。
のままでは光の反射率が低い基板やガラスやセラミック
スの様にそのままでは導電性の低い材料からなる基板で
は、その上に銀やアルミニウム、銅の様な反射率の高い
金属の層を設けることによって基板として使用可能とな
る。但し裏面反射層として用いる場合には、太陽光のス
ペクトルの内の短波長の成分は、既に半導体層に吸収さ
れているので、それより長波長の光に対して反射率が高
ければ十分である。どの波長以上で反射率が高ければ良
いかは、用いる半導体の光吸収係数、膜厚に依存する。
例えば厚さ4000Åのa−Siの場合には、この波長
は約6000Åとなり、銅が好適に使用できる(図4参
照)。
【0051】金属層の堆積には、抵抗加熱や電子ビーム
による真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーテ
ィング法、CVD法、メッキ法等が用いられる。成膜法
の一例としてスパッタリング法の場合を説明する。図6
にスパッタリング装置の一例を示す。401は堆積室で
あり、不図示の排気ポンプで真空排気できる。この内部
に、不図示のガスボンベに接続されたガス導入管402
より、アルゴン(Ar)等の不活性ガスが所定の流量導
入され、排気弁403の開度を調整し堆積室401内は
所定の圧力とされる。また基板404は内部にヒーター
405が設けられたアノード406の表面に固定され
る。アノード406に対向してその表面にターゲット4
07が固定されたカソード電極408が設けられてい
る。ターゲット407は堆積されるべき金属のブロック
である。通常は純度99.9%乃至99.999%程度
の純金属であるが、場合により特定の不純物を導入して
も良い。カソード電極は電源409に接続されている。
電源409により、ラジオ周波数(RF)や直流(D
C)の高電圧を加え、カソード・アノード間にプラズマ
410をたてる。このプラズマの作用によりターゲット
407の金属原子が基板404上に堆積される。またカ
ソード408の内部に磁石を設けプラズマの強度を高め
たマグネトロンスパッタリング装置では、堆積速度を高
める事ができる。
による真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーテ
ィング法、CVD法、メッキ法等が用いられる。成膜法
の一例としてスパッタリング法の場合を説明する。図6
にスパッタリング装置の一例を示す。401は堆積室で
あり、不図示の排気ポンプで真空排気できる。この内部
に、不図示のガスボンベに接続されたガス導入管402
より、アルゴン(Ar)等の不活性ガスが所定の流量導
入され、排気弁403の開度を調整し堆積室401内は
所定の圧力とされる。また基板404は内部にヒーター
405が設けられたアノード406の表面に固定され
る。アノード406に対向してその表面にターゲット4
07が固定されたカソード電極408が設けられてい
る。ターゲット407は堆積されるべき金属のブロック
である。通常は純度99.9%乃至99.999%程度
の純金属であるが、場合により特定の不純物を導入して
も良い。カソード電極は電源409に接続されている。
電源409により、ラジオ周波数(RF)や直流(D
C)の高電圧を加え、カソード・アノード間にプラズマ
410をたてる。このプラズマの作用によりターゲット
407の金属原子が基板404上に堆積される。またカ
ソード408の内部に磁石を設けプラズマの強度を高め
たマグネトロンスパッタリング装置では、堆積速度を高
める事ができる。
【0052】堆積条件の一例を挙げる。直径6インチ純
度99.99%のAlターゲットを用いた。表面を研磨
した5cm×5cm厚さ1mmのステンレス板(sus
430)を基板とした。ターゲット基板間の距離を5c
mとした。Arを10sccm流しつつ、圧力を1.5
mTorrに保った。直径6インチ純度99.99%の
Alターゲットを用い500Vの直流電圧を加えたとこ
ろ、プラズマがたち2アンペアの電流が流れた。この状
態で1分間放電を継続した。基板温度を、室温100
度、200度、300度と変えて試料4a、4b、4
c、4dとした。表4にこれらの試料の外観、SEM観
察の結果をまとめた。明らかに温度を高めるとAlの表
面が平滑面から凹凸構造へと変化するのが認められる。
他の金属、他の成膜方法に於ても概ね同様の傾向がみら
れる。
度99.99%のAlターゲットを用いた。表面を研磨
した5cm×5cm厚さ1mmのステンレス板(sus
430)を基板とした。ターゲット基板間の距離を5c
mとした。Arを10sccm流しつつ、圧力を1.5
mTorrに保った。直径6インチ純度99.99%の
Alターゲットを用い500Vの直流電圧を加えたとこ
ろ、プラズマがたち2アンペアの電流が流れた。この状
態で1分間放電を継続した。基板温度を、室温100
度、200度、300度と変えて試料4a、4b、4
c、4dとした。表4にこれらの試料の外観、SEM観
察の結果をまとめた。明らかに温度を高めるとAlの表
面が平滑面から凹凸構造へと変化するのが認められる。
他の金属、他の成膜方法に於ても概ね同様の傾向がみら
れる。
【0053】 (透明層及びその凹凸構造) 透明層としては、ZnOをはじめIn2O3、SnO2、
CdO、CdSnO4、TiO等の酸化物がしばしば用
いられる。(だだしここで示した化合物の組成比は実態
と必ずしも一致していない。)各透明層の光の透過率は
一般的には高いほど良いが、半導体に吸収される波長域
の光に対しては、透明である必要はない。透明層はピン
ホールなどによる電流を抑制するためにはむしろ抵抗が
あった方がよい。一方この抵抗による直列抵抗損失が光
起電力素子の変換効率に与える影響が無視できる範囲で
なくてはならない。この様な観点から透明層の単位面積
(1cm2)あたりの抵抗の範囲は好ましくは10-6〜
10Ω、更に好ましくは10-5〜3Ω、最も好ましくは
10-4〜1Ωである。また透明層の膜厚は透明性の点か
らは薄いほどよいが、多重干渉の点からは500Å以上
必要である。また表面の凹凸構造を取るためには平均的
な膜厚として1000Å以上必要である。また信頼性の
点からこれ以上の膜厚が必要な場合もある。複数の層領
域からなる場合、第1層領域表面の凹凸構造を取るため
には平均的な膜厚として1000Å以上必要である。
CdO、CdSnO4、TiO等の酸化物がしばしば用
いられる。(だだしここで示した化合物の組成比は実態
と必ずしも一致していない。)各透明層の光の透過率は
一般的には高いほど良いが、半導体に吸収される波長域
の光に対しては、透明である必要はない。透明層はピン
ホールなどによる電流を抑制するためにはむしろ抵抗が
あった方がよい。一方この抵抗による直列抵抗損失が光
起電力素子の変換効率に与える影響が無視できる範囲で
なくてはならない。この様な観点から透明層の単位面積
(1cm2)あたりの抵抗の範囲は好ましくは10-6〜
10Ω、更に好ましくは10-5〜3Ω、最も好ましくは
10-4〜1Ωである。また透明層の膜厚は透明性の点か
らは薄いほどよいが、多重干渉の点からは500Å以上
必要である。また表面の凹凸構造を取るためには平均的
な膜厚として1000Å以上必要である。また信頼性の
点からこれ以上の膜厚が必要な場合もある。複数の層領
域からなる場合、第1層領域表面の凹凸構造を取るため
には平均的な膜厚として1000Å以上必要である。
【0054】本発明の方法の例において、第1層の凹凸
ピッチ3000Å以下を形成させる第1形成手段の一手
段としては、第1形成温度T1をできるだけ低くすると
良い。第1形成温度T1は、第1層形成に用いられる材
料、装置等によって適宜変化するが、例えば、ZnOタ
ーゲット(純度99.9%)を用いたDCマグネトロン
スパッタ法においては、T1<200℃が好ましい。
ピッチ3000Å以下を形成させる第1形成手段の一手
段としては、第1形成温度T1をできるだけ低くすると
良い。第1形成温度T1は、第1層形成に用いられる材
料、装置等によって適宜変化するが、例えば、ZnOタ
ーゲット(純度99.9%)を用いたDCマグネトロン
スパッタ法においては、T1<200℃が好ましい。
【0055】第2形成手段以降の形成手段によって形成
される透明層のうち凹凸構造を採る第n層領域は、凹凸
構造を採るために平均的な膜厚として1000Å以上必
要である。また、前記凹凸構造の一形成手段としては、
第n形成温度Tnを高くすると良い。第n形成温度T
nは、第n層領域形成に用いられる材料、装置等によっ
て適宜変化するが、例えば、ZnOターゲット(純度9
9.9%)を用いたDCマグネトロンスパッタ法におい
ては、Tn>200℃が好ましい。また、前述透明層に
用いられる酸化物等の表面形状は、形成温度Tが高いほ
ど凹凸構造が進むことから、T1とTnの関係は、T1<
Tnとなる。
される透明層のうち凹凸構造を採る第n層領域は、凹凸
構造を採るために平均的な膜厚として1000Å以上必
要である。また、前記凹凸構造の一形成手段としては、
第n形成温度Tnを高くすると良い。第n形成温度T
nは、第n層領域形成に用いられる材料、装置等によっ
て適宜変化するが、例えば、ZnOターゲット(純度9
9.9%)を用いたDCマグネトロンスパッタ法におい
ては、Tn>200℃が好ましい。また、前述透明層に
用いられる酸化物等の表面形状は、形成温度Tが高いほ
ど凹凸構造が進むことから、T1とTnの関係は、T1<
Tnとなる。
【0056】また別の凹凸構造の形成手段としては、第
1層を堆積した後、その表面を酸またはアルカリまたは
塩水溶液に浸す方法がある。浸す時間の長短により所望
の凹凸構造が得られる。この時用いられる酸としては、
酢酸、硫酸、塩酸、硝酸、過塩素酸等が、アルカリとし
ては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化アル
ミニウム等が、塩としては塩化鉄、塩化アルミニウム等
がしばしば用いられる。
1層を堆積した後、その表面を酸またはアルカリまたは
塩水溶液に浸す方法がある。浸す時間の長短により所望
の凹凸構造が得られる。この時用いられる酸としては、
酢酸、硫酸、塩酸、硝酸、過塩素酸等が、アルカリとし
ては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化アル
ミニウム等が、塩としては塩化鉄、塩化アルミニウム等
がしばしば用いられる。
【0057】また別の凹凸構造の形成手段としては、第
2層領域以降に形成される透明層のうち所望の凹凸構造
を採らせたい透明層を堆積した後、その表面をスパッタ
リング等を用いて凹凸構造を採らせたい透明層をプラズ
マ、イオン等でたたく方法がある。この凹凸構造形成手
段は比較的簡便に行うことができ、バッヂ式製法に適し
ている。
2層領域以降に形成される透明層のうち所望の凹凸構造
を採らせたい透明層を堆積した後、その表面をスパッタ
リング等を用いて凹凸構造を採らせたい透明層をプラズ
マ、イオン等でたたく方法がある。この凹凸構造形成手
段は比較的簡便に行うことができ、バッヂ式製法に適し
ている。
【0058】第2形成手段以降の形成手段によって形成
される層領域のうち凹凸構造を採る第n層領域より上に
堆積される透明層の総膜厚は、前記凹凸構造を損なわな
い程度の厚みでなければならず、半導体の厚みも考慮す
れば、前記総膜厚は500Å−3000Å、好ましくは
500Å−2500Å、更に好ましくは500Å−20
00Åである。
される層領域のうち凹凸構造を採る第n層領域より上に
堆積される透明層の総膜厚は、前記凹凸構造を損なわな
い程度の厚みでなければならず、半導体の厚みも考慮す
れば、前記総膜厚は500Å−3000Å、好ましくは
500Å−2500Å、更に好ましくは500Å−20
00Åである。
【0059】透明層の堆積には、抵抗加熱や電子ビーム
による真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーテ
ィング法、CVD法、スプレーコート法等が用いられ
る。成膜法の一例としてスパッタリング法を説明する。
この場合も図6に示したスパッタリング装置が使用でき
る。ただし酸化物ではターゲットとして酸化物そのもの
を用いる場合と、金属(Zn、Sn等)のターゲットを
用いる場合がある。後者の場合では、堆積室にArと同
時に酸素を流す必要がある(反応性スパッタリング法と
呼ばれる)。
による真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーテ
ィング法、CVD法、スプレーコート法等が用いられ
る。成膜法の一例としてスパッタリング法を説明する。
この場合も図6に示したスパッタリング装置が使用でき
る。ただし酸化物ではターゲットとして酸化物そのもの
を用いる場合と、金属(Zn、Sn等)のターゲットを
用いる場合がある。後者の場合では、堆積室にArと同
時に酸素を流す必要がある(反応性スパッタリング法と
呼ばれる)。
【0060】また透明層の比抵抗を制御するためには適
当な不純物を添加すると良い。本発明の透明層として
は、前述したような導電性酸化物では比抵抗が低すぎる
場合があり、又全体をより薄くするために不純物として
その添加により抵抗を適度に高める物が好ましい。例え
ばn型の半導体である透明層にアクセプター型の不純物
(例えばZnOにCu.SnO2にAl等)を適当量加
えて真性化し抵抗を高めることができる。
当な不純物を添加すると良い。本発明の透明層として
は、前述したような導電性酸化物では比抵抗が低すぎる
場合があり、又全体をより薄くするために不純物として
その添加により抵抗を適度に高める物が好ましい。例え
ばn型の半導体である透明層にアクセプター型の不純物
(例えばZnOにCu.SnO2にAl等)を適当量加
えて真性化し抵抗を高めることができる。
【0061】なお、透明層が複数の層領域からなる場合
には、それぞれの層領域に適当な不純物を導入してもよ
いが、少なくとも1つの層領域に不純物を導入し真性化
すれば透明層全体として適度な抵抗を持たせることがで
きる。
には、それぞれの層領域に適当な不純物を導入してもよ
いが、少なくとも1つの層領域に不純物を導入し真性化
すれば透明層全体として適度な抵抗を持たせることがで
きる。
【0062】また真性化した透明層は一般に酸やアルカ
リに対してエッチングされにくくなるので、太陽電池製
造の後工程において半導体層やITO層のパターンニン
グ等に用いられる薬品に浸されにくくなり、また太陽電
池を高温高湿環境下で長期に渡って使用する場合の耐久
性が高まるメリットもある。
リに対してエッチングされにくくなるので、太陽電池製
造の後工程において半導体層やITO層のパターンニン
グ等に用いられる薬品に浸されにくくなり、また太陽電
池を高温高湿環境下で長期に渡って使用する場合の耐久
性が高まるメリットもある。
【0063】ただし、透明層の凹凸構造を形成するため
に酸,アルカリ,塩の溶液等によるエッチングを用いる
場合には、透明層を真性化すると作業能率が低下するの
で望ましくない。この場合には不純物の導入によって真
性化を行なわずに形成した透明層をエッチング処理した
後、さらに真性化を行った透明層を積層すれば透明層全
体としては適度な抵抗を持ち、耐薬品性や耐久性が高い
太陽電池とすることができる。透明膜へ不純物を添加す
るには実験3、実験4にて説明したように蒸発源やター
ゲットに所望の不純物を添加しても良いし、特にスパッ
タリング法ではターゲットの上に不純物を含む材料の小
片を置いても良い。
に酸,アルカリ,塩の溶液等によるエッチングを用いる
場合には、透明層を真性化すると作業能率が低下するの
で望ましくない。この場合には不純物の導入によって真
性化を行なわずに形成した透明層をエッチング処理した
後、さらに真性化を行った透明層を積層すれば透明層全
体としては適度な抵抗を持ち、耐薬品性や耐久性が高い
太陽電池とすることができる。透明膜へ不純物を添加す
るには実験3、実験4にて説明したように蒸発源やター
ゲットに所望の不純物を添加しても良いし、特にスパッ
タリング法ではターゲットの上に不純物を含む材料の小
片を置いても良い。
【0064】
(実施例1) 図7に示す装置を用いて連続的に裏面反射層の形成を行
った。ここで基板送り出し室603に洗浄済みの幅35
0mm、厚さ0.2mm、長さ500mのステンレスシ
ートロール601がセットされている。ここからステン
レスシート602は金属層堆積室604、第1層堆積室
605c、第2層領域堆積室605dを経て基板巻き取
り室606に送られて行く。シート602は各々の堆積
室にて基板ヒーター607、608c、608dにて所
望の温度に加熱できるようになっている。堆積室604
のターゲット609は純度99.99%のAlで、DC
マグネトロンスパッタリングによりシート602上にA
l層を堆積する。堆積室605c、605dのターゲッ
ト610c、610dは純度99.9%のZnOで、D
Cマグネトロンスパッタリングにより引き続きZnO層
を堆積する。堆積速度、所望の膜厚の関係でターゲット
610cは1/2枚、ターゲット610dは4枚からな
る。
った。ここで基板送り出し室603に洗浄済みの幅35
0mm、厚さ0.2mm、長さ500mのステンレスシ
ートロール601がセットされている。ここからステン
レスシート602は金属層堆積室604、第1層堆積室
605c、第2層領域堆積室605dを経て基板巻き取
り室606に送られて行く。シート602は各々の堆積
室にて基板ヒーター607、608c、608dにて所
望の温度に加熱できるようになっている。堆積室604
のターゲット609は純度99.99%のAlで、DC
マグネトロンスパッタリングによりシート602上にA
l層を堆積する。堆積室605c、605dのターゲッ
ト610c、610dは純度99.9%のZnOで、D
Cマグネトロンスパッタリングにより引き続きZnO層
を堆積する。堆積速度、所望の膜厚の関係でターゲット
610cは1/2枚、ターゲット610dは4枚からな
る。
【0065】この装置を用いて裏面反射層の形成を行っ
た。シートの送り速度を毎分20cmとし基板ヒーター
608dのみを用いてZnO堆積時の基板温度を250
度となるように調整した(608cは使用せず、基板温
度を室温とした)。Arを流して圧力を1.5mTor
rとし、各々のカソードに500VのDC電圧を加え
た。ターゲット609には6アンペア、ターゲット61
0cには2A、ターゲット610dには各4アンペアの
電流が流れた。巻き取られたシートを調べたところAl
層の厚さは1600Å、ZnO層の厚さは2層領域合せ
て平均4400ÅでありZnO層の表面は白濁してい
た。
た。シートの送り速度を毎分20cmとし基板ヒーター
608dのみを用いてZnO堆積時の基板温度を250
度となるように調整した(608cは使用せず、基板温
度を室温とした)。Arを流して圧力を1.5mTor
rとし、各々のカソードに500VのDC電圧を加え
た。ターゲット609には6アンペア、ターゲット61
0cには2A、ターゲット610dには各4アンペアの
電流が流れた。巻き取られたシートを調べたところAl
層の厚さは1600Å、ZnO層の厚さは2層領域合せ
て平均4400ÅでありZnO層の表面は白濁してい
た。
【0066】この上に図8に示す構造のa−Si/a−
SiGeタンデム光起電力素子を形成した。ここで70
1は基板、702は金属層、703は透明層、704は
ボトムセル、708はトップセルである。さらに703
cは第1層、703dは第2層領域、705、709は
n型a−Si層、707、711はp型μc−Si、7
06はi型a−SiGe層、710はi型a−Si層で
ある。これらの半導体層は、米国特許4,492,18
1に記載されている様なロール・ツー・ロール型成膜装
置を用いて連続的に製造した。また712は透明電極で
あり図9の装置に類似のスパッタリング装置で堆積し
た。713は集電電極である。透明電極のパターンニン
グ及び集電電極の形成を行った後シート602を切断し
た。こうして全工程を連続的に処理し、量産効果を挙げ
る事ができた。
SiGeタンデム光起電力素子を形成した。ここで70
1は基板、702は金属層、703は透明層、704は
ボトムセル、708はトップセルである。さらに703
cは第1層、703dは第2層領域、705、709は
n型a−Si層、707、711はp型μc−Si、7
06はi型a−SiGe層、710はi型a−Si層で
ある。これらの半導体層は、米国特許4,492,18
1に記載されている様なロール・ツー・ロール型成膜装
置を用いて連続的に製造した。また712は透明電極で
あり図9の装置に類似のスパッタリング装置で堆積し
た。713は集電電極である。透明電極のパターンニン
グ及び集電電極の形成を行った後シート602を切断し
た。こうして全工程を連続的に処理し、量産効果を挙げ
る事ができた。
【0067】この方法で100枚の試料を作成し、AM
1.5(100mW/cm2)光照射下にて特性評価を
行ったところ、光電変換効率で11.3±0.2%と優
れた変換効率が再現性良く得られた。またこれらの光起
電力素子を温度50度、湿度90%の環境下に1000
時間放置したが変換効率は11.1±0.6%とほとん
ど劣化が認められなかった。又この方法で作成した別の
100枚を、開放状態にてAM1.5相当の光に600
時間照射したところ10.7±0.3%と光による劣化
も少なかった。これはタンデム構成を取る事でより波長
の長い光まで有効に吸収され、出力電圧がより高くでき
たためである。また光照射下での薄膜半導体層の劣化を
低くできたためである。こうして本発明の裏面反射層の
効果と相まって変換効率が高く、信頼性の高い光起電力
素子が得られた。
1.5(100mW/cm2)光照射下にて特性評価を
行ったところ、光電変換効率で11.3±0.2%と優
れた変換効率が再現性良く得られた。またこれらの光起
電力素子を温度50度、湿度90%の環境下に1000
時間放置したが変換効率は11.1±0.6%とほとん
ど劣化が認められなかった。又この方法で作成した別の
100枚を、開放状態にてAM1.5相当の光に600
時間照射したところ10.7±0.3%と光による劣化
も少なかった。これはタンデム構成を取る事でより波長
の長い光まで有効に吸収され、出力電圧がより高くでき
たためである。また光照射下での薄膜半導体層の劣化を
低くできたためである。こうして本発明の裏面反射層の
効果と相まって変換効率が高く、信頼性の高い光起電力
素子が得られた。
【0068】 (実施例2) 表面を研磨したCu板を基板として用いた他は実施例1
と同様の方法で裏面反射層を形成した。この基板と第2
層領域ZnO層を堆積しなかった基板の上にスパッタリ
ング法にてCuを0.2ミクロン、インジューム(I
n)を0.4ミクロン堆積した。次いでこの試料を石英
ガラス製のベルジャーに移し400度に加熱しながらベ
ルジャー内に水素で10%に希釈したセレン化水素(H
2Se)を流し、CuInSe2(CIS)の薄膜を形成
した。この上に再びスパッタリング法によりCdSの層
を0.1ミクロン堆積した後250度でアニールしp/
n接合を形成した。この上に実施例9と同様にして透明
電極、集電電極を形成した。
と同様の方法で裏面反射層を形成した。この基板と第2
層領域ZnO層を堆積しなかった基板の上にスパッタリ
ング法にてCuを0.2ミクロン、インジューム(I
n)を0.4ミクロン堆積した。次いでこの試料を石英
ガラス製のベルジャーに移し400度に加熱しながらベ
ルジャー内に水素で10%に希釈したセレン化水素(H
2Se)を流し、CuInSe2(CIS)の薄膜を形成
した。この上に再びスパッタリング法によりCdSの層
を0.1ミクロン堆積した後250度でアニールしp/
n接合を形成した。この上に実施例9と同様にして透明
電極、集電電極を形成した。
【0069】この光起電力素子をAM1.5(100m
W/cm2)光照射下にて特性評価を行ったところ、Z
nO層が2層領域ある光起電力素子では変換効率が9.
6%と優れた変換効率が得られたのに対し、ZnOが平
滑な1層のみの光起電力素子では8.3%と特性が劣っ
ており、本発明がa−Si以外の半導体に対しても効果
があることがわかった。
W/cm2)光照射下にて特性評価を行ったところ、Z
nO層が2層領域ある光起電力素子では変換効率が9.
6%と優れた変換効率が得られたのに対し、ZnOが平
滑な1層のみの光起電力素子では8.3%と特性が劣っ
ており、本発明がa−Si以外の半導体に対しても効果
があることがわかった。
【0070】(実施例3)本実施例は、本発明の方法に
よって製造された光起電力素子の一例としての太陽電池
をニッケルカドミウム蓄電池(以下NiCd電池と記
す。)等の蓄電池と一体化することによって、極めて蓄
電池の取扱いが容易になることを示すものである。
よって製造された光起電力素子の一例としての太陽電池
をニッケルカドミウム蓄電池(以下NiCd電池と記
す。)等の蓄電池と一体化することによって、極めて蓄
電池の取扱いが容易になることを示すものである。
【0071】まず太陽電池を形成するための基板として
JISG3141相当の幅350mm、厚さ0.015
mmの冷間圧延鋼板にニッケルメッキ(厚さ5ミクロ
ン)を施したシートロール等を用意し、ステンレスロー
ルシート601の代りに用いた以外は実施例3の方法と
全く同様にしてa−Si/a−SiGeタンデム光起電
力素子を形成した、透明電極1521を58mm×10
0mmにパターンニングし、集電電極1513を形成し
た後、70mm×110mmに切断した。こうして作製
した光起電力素子を電槽として用いた蓄電池を図9に示
す。図9(a)は蓄電池の外部構造を示す。
JISG3141相当の幅350mm、厚さ0.015
mmの冷間圧延鋼板にニッケルメッキ(厚さ5ミクロ
ン)を施したシートロール等を用意し、ステンレスロー
ルシート601の代りに用いた以外は実施例3の方法と
全く同様にしてa−Si/a−SiGeタンデム光起電
力素子を形成した、透明電極1521を58mm×10
0mmにパターンニングし、集電電極1513を形成し
た後、70mm×110mmに切断した。こうして作製
した光起電力素子を電槽として用いた蓄電池を図9に示
す。図9(a)は蓄電池の外部構造を示す。
【0072】ここで電槽1501の上にはすでに説明し
た様に光起電力素子が作り込まれている。内部で発生し
たガスの圧力に耐えうる様に丈夫な底板がとりつけられ
ている。底板には光起電力素子が形成されておらず、こ
の部分が負極端子となる。図9(b)は蓄電池の内部構
造を示す。内部には負極板1504と正極板1505と
がセパレータ1506によって仕切られて巻きこまれて
いる。極板1504、1505はNiとCdの合金の燒
結体であり、セパレータ1506はナイロン製の不織布
であり苛性カリの電解液がしませてある。負極板150
4は電槽1501に接続され、正極板1505は正極端
子1502に接続される。さらに、電解液が漏れること
がない様パッキング1508をかませた合成樹脂製の封
口ふた1507で内部は封じられる。ただし急速充放電
に伴う圧力の急上昇による事故を防止するため封口ふた
1507には安全弁1509が設けられている。
た様に光起電力素子が作り込まれている。内部で発生し
たガスの圧力に耐えうる様に丈夫な底板がとりつけられ
ている。底板には光起電力素子が形成されておらず、こ
の部分が負極端子となる。図9(b)は蓄電池の内部構
造を示す。内部には負極板1504と正極板1505と
がセパレータ1506によって仕切られて巻きこまれて
いる。極板1504、1505はNiとCdの合金の燒
結体であり、セパレータ1506はナイロン製の不織布
であり苛性カリの電解液がしませてある。負極板150
4は電槽1501に接続され、正極板1505は正極端
子1502に接続される。さらに、電解液が漏れること
がない様パッキング1508をかませた合成樹脂製の封
口ふた1507で内部は封じられる。ただし急速充放電
に伴う圧力の急上昇による事故を防止するため封口ふた
1507には安全弁1509が設けられている。
【0073】さてここで、光起電力素子表面のグリッド
電極1513にはリード線が取り付けられ逆流防止ダイ
オード1503を介して正極端子1502に接続されて
いる。さらに、光起電力素子の表面を損傷から守るため
に電槽に円筒状の透明な熱収縮シートをかぶせた後、熱
風で加熱し、正極端子1505及び電槽の底板を除いて
おおった。この様な接続をした場合の等価回路を図10
に示す。ここで蓄電池本体1510は負極端子(電槽の
底板)1501及び正極端子1502より外部の負荷1
512に接続される。
電極1513にはリード線が取り付けられ逆流防止ダイ
オード1503を介して正極端子1502に接続されて
いる。さらに、光起電力素子の表面を損傷から守るため
に電槽に円筒状の透明な熱収縮シートをかぶせた後、熱
風で加熱し、正極端子1505及び電槽の底板を除いて
おおった。この様な接続をした場合の等価回路を図10
に示す。ここで蓄電池本体1510は負極端子(電槽の
底板)1501及び正極端子1502より外部の負荷1
512に接続される。
【0074】ここで光起電力素子1511に光が当ると
約1.6Vの光起電力を生じ、この電圧は蓄電池本体1
510に加わる。蓄電池の電圧は最大でも約1.2Vで
あるため逆流防止ダイオード1503は順方向にバイア
スされ光起電力素子1511から蓄電池1510に充電
が行われる。
約1.6Vの光起電力を生じ、この電圧は蓄電池本体1
510に加わる。蓄電池の電圧は最大でも約1.2Vで
あるため逆流防止ダイオード1503は順方向にバイア
スされ光起電力素子1511から蓄電池1510に充電
が行われる。
【0075】しかし、光起電力素子1511に光が当っ
ていないと逆流防止ダイオード1503は逆方向にバイ
アスされるため、蓄電池1510から無駄に電流が流れ
ることはない。また、この電池を通常の充電器に入れて
充電する場合にも逆流防止ダイオードの作用で、光起電
力素子に無駄に電流が流れることもなく、通常の場合と
同様にして充電することができる。こうして本実施例の
光起電力素子蓄電池は放電後電池ケースから取り出して
窓辺等の強い光の当る場所に放置しておくだけで、ある
いは電池を使用する電気器具の電池ケースのふたが透明
であれば、そのままで光により充電することができ、特
別な充電器が不要なため特に屋外での使用に当って便利
である。また急速に充電する必要がある場合は、従来通
りの充電器で充電できる。しかも形状は自在で単1型電
池、単2型電池、タンク型等から成り一般電池と全く同
様にし、多くの電気機器に使用でき、外観もスマートで
ある。
ていないと逆流防止ダイオード1503は逆方向にバイ
アスされるため、蓄電池1510から無駄に電流が流れ
ることはない。また、この電池を通常の充電器に入れて
充電する場合にも逆流防止ダイオードの作用で、光起電
力素子に無駄に電流が流れることもなく、通常の場合と
同様にして充電することができる。こうして本実施例の
光起電力素子蓄電池は放電後電池ケースから取り出して
窓辺等の強い光の当る場所に放置しておくだけで、ある
いは電池を使用する電気器具の電池ケースのふたが透明
であれば、そのままで光により充電することができ、特
別な充電器が不要なため特に屋外での使用に当って便利
である。また急速に充電する必要がある場合は、従来通
りの充電器で充電できる。しかも形状は自在で単1型電
池、単2型電池、タンク型等から成り一般電池と全く同
様にし、多くの電気機器に使用でき、外観もスマートで
ある。
【0076】さて実際、この電池2個を懐中電灯に入れ
て使用し暗く使用できなくなった所で懐中電灯から取り
出して日当りのよい窓辺に2本並べて立てて充電した。
天気のよい日に1日充電した所で再び懐中電灯に入れた
所、十分に充電されており、再び使用することができ
た。
て使用し暗く使用できなくなった所で懐中電灯から取り
出して日当りのよい窓辺に2本並べて立てて充電した。
天気のよい日に1日充電した所で再び懐中電灯に入れた
所、十分に充電されており、再び使用することができ
た。
【0077】 (実施例4) 一般に人工衛星用の太陽電池としては、単位面積当りの
出力が大きく放射線損傷の少いInPなどの化合物結晶
太陽電池が用いられる事が多い。しかし、この様な太陽
電池は一般にウェハーをつなぎ合せて用いる事から、パ
ネル上に固着せざるを得ない。しかし一方で人工衛星の
打上げ時にはパネルの全体が少さくまとまっている必要
がある事から多数のパネルの複雑な展開−折り畳み機構
が必要であり、太陽電池の面積当りの出力が大きくと
も、全体として重量当り出力は低くならざるを得なかっ
た。
出力が大きく放射線損傷の少いInPなどの化合物結晶
太陽電池が用いられる事が多い。しかし、この様な太陽
電池は一般にウェハーをつなぎ合せて用いる事から、パ
ネル上に固着せざるを得ない。しかし一方で人工衛星の
打上げ時にはパネルの全体が少さくまとまっている必要
がある事から多数のパネルの複雑な展開−折り畳み機構
が必要であり、太陽電池の面積当りの出力が大きくと
も、全体として重量当り出力は低くならざるを得なかっ
た。
【0078】本実施例は本発明の方法によって製造され
た光起電力素子の一例としての太陽電池を人工衛星の電
源として用いることにより簡単な機構により大きな単位
重量当り出力が得られる事を示すものである。
た光起電力素子の一例としての太陽電池を人工衛星の電
源として用いることにより簡単な機構により大きな単位
重量当り出力が得られる事を示すものである。
【0079】まず、光起電力素子を形成するための基板
としてJIS2219相当の幅350mm厚さ0.15
mmのアルミニウム板(銅、マンガン等を含む)のシー
トロールをステンレスシート601の代りに用いた他は
実施例1の方法と全く同様にしてa−Si/a−SiG
eタンデム光起電力素子を作製し、透明電極1512を
105mm×320mmにパターンニングし、集電電極
1513を形成した後切断した。さらに各光起電力素子
の長辺の一端をグラインダーをかけて基板面を露出させ
た。次にこれらを直列接続した。これを図11に示す。
すなわち、光起電力素子1701と光起電力素子170
2を約5mmの間隔を保ってポリスチレンフィルム、ポ
リイミド樹脂フィルム、セルローストリアセテート樹脂
フィルム、3ふっ化エチレンフィルム樹脂等の絶縁フィ
ルム1703で裏面から接続し、光起電力素子1701
の集電電極1513と光起電力素子1702の基板の露
出面1704との間を銅シート1705で銅インク、銀
インク等により加熱圧着接続した。ここで銅シート17
05と光起電力素子1701の基板との間でショートが
起こるのを防ぐため、ポリイミド樹脂のフィルム170
6をエッヂ部にかけてある。さらにこの上から保護のた
め透明なマイラーフィルム1707を接着した。
としてJIS2219相当の幅350mm厚さ0.15
mmのアルミニウム板(銅、マンガン等を含む)のシー
トロールをステンレスシート601の代りに用いた他は
実施例1の方法と全く同様にしてa−Si/a−SiG
eタンデム光起電力素子を作製し、透明電極1512を
105mm×320mmにパターンニングし、集電電極
1513を形成した後切断した。さらに各光起電力素子
の長辺の一端をグラインダーをかけて基板面を露出させ
た。次にこれらを直列接続した。これを図11に示す。
すなわち、光起電力素子1701と光起電力素子170
2を約5mmの間隔を保ってポリスチレンフィルム、ポ
リイミド樹脂フィルム、セルローストリアセテート樹脂
フィルム、3ふっ化エチレンフィルム樹脂等の絶縁フィ
ルム1703で裏面から接続し、光起電力素子1701
の集電電極1513と光起電力素子1702の基板の露
出面1704との間を銅シート1705で銅インク、銀
インク等により加熱圧着接続した。ここで銅シート17
05と光起電力素子1701の基板との間でショートが
起こるのを防ぐため、ポリイミド樹脂のフィルム170
6をエッヂ部にかけてある。さらにこの上から保護のた
め透明なマイラーフィルム1707を接着した。
【0080】こうして200枚の光起電力素子を直列接
続し長さ20m余りのシート状光起電力素子の一例とし
ての太陽電池とした。この光起電力素子は図12に示す
様に構成される。ここで人工衛星の本体1901には回
転自在のシャフト1902が取り付けられており、シャ
フト1902にはシート状光起電力素子1903、19
04等が巻きつけられている。1903は光起電力素子
が完全に展開した状態、1904は半ば巻きとられた状
態を示す。なお、ここでシート状光起電力素子の先端で
発生した電流は不図示の光起電力素子と同時に巻き取り
可能なケーブルによって人工衛星本体に接続される。ま
たシート状光起電力素子1903、1904及びケーブ
ルは不図示の駆動系によって自在に展開巻きとりが可能
である。
続し長さ20m余りのシート状光起電力素子の一例とし
ての太陽電池とした。この光起電力素子は図12に示す
様に構成される。ここで人工衛星の本体1901には回
転自在のシャフト1902が取り付けられており、シャ
フト1902にはシート状光起電力素子1903、19
04等が巻きつけられている。1903は光起電力素子
が完全に展開した状態、1904は半ば巻きとられた状
態を示す。なお、ここでシート状光起電力素子の先端で
発生した電流は不図示の光起電力素子と同時に巻き取り
可能なケーブルによって人工衛星本体に接続される。ま
たシート状光起電力素子1903、1904及びケーブ
ルは不図示の駆動系によって自在に展開巻きとりが可能
である。
【0081】このシステムは次の様に使用される。まず
人工衛星の打合時にはシート状光起電力素子1903、
1904はすべて巻き取られた状態としておく。人工衛
星が起動に乗った後、人工衛星を回転軸が太陽の方向を
向く様にして、ゆるやかに自転させる。同時にシート状
光起電力素子をゆっくりくり出すと、円心力によりシー
ト状光起電力素子は放射状に展開して発電する。人工衛
星の軌道の変更、姿勢の制御の軌道からの回収等を行う
時はシート状光起電力素子をモーター等により巻きもど
す。その後必要に応じて再度展開して発電が行える。こ
の6枚のシート状光起電力素子からなるシステムでは出
力が最大5KWで駆動系を合わせた全重量が約30Kg
であり、重量当り出力の大きな発電システムが構築でき
る。
人工衛星の打合時にはシート状光起電力素子1903、
1904はすべて巻き取られた状態としておく。人工衛
星が起動に乗った後、人工衛星を回転軸が太陽の方向を
向く様にして、ゆるやかに自転させる。同時にシート状
光起電力素子をゆっくりくり出すと、円心力によりシー
ト状光起電力素子は放射状に展開して発電する。人工衛
星の軌道の変更、姿勢の制御の軌道からの回収等を行う
時はシート状光起電力素子をモーター等により巻きもど
す。その後必要に応じて再度展開して発電が行える。こ
の6枚のシート状光起電力素子からなるシステムでは出
力が最大5KWで駆動系を合わせた全重量が約30Kg
であり、重量当り出力の大きな発電システムが構築でき
る。
【0082】 (実施例5) 本実施例は本発明の方法によって製造された光起電力素
子を波形に整形し簡易な屋根材とした例である。実施例
1の方法で製造した光起電力素子を長さ100mm、巾
900mmに切断し、1枚1枚を波形にプレス整型し
た。長さ1800mm、巾900mmの塩化ビニール樹
脂性のポリエステル樹脂性等の波型板に貼りつけた。光
起電力素子相互の接続部の詳細を図13に示す。光起電
力素子2001と光起電力素子2002は10mmの間
隔を保って波型板2003に貼りつけてある。
子を波形に整形し簡易な屋根材とした例である。実施例
1の方法で製造した光起電力素子を長さ100mm、巾
900mmに切断し、1枚1枚を波形にプレス整型し
た。長さ1800mm、巾900mmの塩化ビニール樹
脂性のポリエステル樹脂性等の波型板に貼りつけた。光
起電力素子相互の接続部の詳細を図13に示す。光起電
力素子2001と光起電力素子2002は10mmの間
隔を保って波型板2003に貼りつけてある。
【0083】光起電力素子2001のグリッド電極と光
起電力素子2002の基板の露出部2004は銅シート
2005で接続した。2006はショートを防ぐための
ポリイミド樹脂シート、ポリビニルアルコール樹脂シー
ト、ポリスチレンフィルム樹脂シート等の絶縁フィルム
である。また屋根材として固定するための釘穴2007
があらかじめ波型板2003にあけてある。ここでショ
ートを防ぐため銅シート2005には大きめの穴200
8があけてある。ただし釘穴は必要な直列接続部のみに
あけるにとどめてある。この上からPVA樹脂層200
9、フッ素樹脂層2010を重ねて圧着、加熱し、1体
の屋根板として整形した。これを用いて屋根をふいた状
態を図14に示す。(ここで1体に整形された屋根材2
102は説明の簡略のために波形の数等が少なく描かれ
ている。)ここで屋根材2102の光起電力素子単体2
101は図12にその詳細を示した。直列接続部210
3、2104で隣接する光起電力素子単体と接続されて
いる。ここで直列接続部2103には釘穴が明けられて
おり2104には明けられていない。また別の屋根材2
105とは波形1個が重なり合う様重ねて固定される。
屋根材2102の左端2106は光起電力素子が貼りつ
けられていない。また、波型板は透明であるため隣接の
波型屋根材2105の上に重っても光はさえぎられな
い。またこの部分で屋根材2102の左端からの出力端
子は、2102を2106に重ねる前にあらかじめ21
05の右端の出力端子と接続された後、接続部を端子の
絶縁性のため耐侵性の塗料等でシールしてかつ表に露出
しない様にしておく。この様にして所望の枚数の屋根材
をふくと同時に直列接続が完了する。
起電力素子2002の基板の露出部2004は銅シート
2005で接続した。2006はショートを防ぐための
ポリイミド樹脂シート、ポリビニルアルコール樹脂シー
ト、ポリスチレンフィルム樹脂シート等の絶縁フィルム
である。また屋根材として固定するための釘穴2007
があらかじめ波型板2003にあけてある。ここでショ
ートを防ぐため銅シート2005には大きめの穴200
8があけてある。ただし釘穴は必要な直列接続部のみに
あけるにとどめてある。この上からPVA樹脂層200
9、フッ素樹脂層2010を重ねて圧着、加熱し、1体
の屋根板として整形した。これを用いて屋根をふいた状
態を図14に示す。(ここで1体に整形された屋根材2
102は説明の簡略のために波形の数等が少なく描かれ
ている。)ここで屋根材2102の光起電力素子単体2
101は図12にその詳細を示した。直列接続部210
3、2104で隣接する光起電力素子単体と接続されて
いる。ここで直列接続部2103には釘穴が明けられて
おり2104には明けられていない。また別の屋根材2
105とは波形1個が重なり合う様重ねて固定される。
屋根材2102の左端2106は光起電力素子が貼りつ
けられていない。また、波型板は透明であるため隣接の
波型屋根材2105の上に重っても光はさえぎられな
い。またこの部分で屋根材2102の左端からの出力端
子は、2102を2106に重ねる前にあらかじめ21
05の右端の出力端子と接続された後、接続部を端子の
絶縁性のため耐侵性の塗料等でシールしてかつ表に露出
しない様にしておく。この様にして所望の枚数の屋根材
をふくと同時に直列接続が完了する。
【0084】また場合により直列接続を行わない場合
は、各々の光起電力素子の出力端子にケーブルを接続
し、波形の下の部分2108にケーブルをはわせて外部
に出力をとり出すこともできる。
は、各々の光起電力素子の出力端子にケーブルを接続
し、波形の下の部分2108にケーブルをはわせて外部
に出力をとり出すこともできる。
【0085】この屋根材4枚を直列接続した物を8組並
列にして南向き30°の傾斜の屋根をふいた所、盛夏の
日中ほぼ5kwの出力が得られ一般家庭用の電力源とし
て十分な出力が得られた。
列にして南向き30°の傾斜の屋根をふいた所、盛夏の
日中ほぼ5kwの出力が得られ一般家庭用の電力源とし
て十分な出力が得られた。
【0086】 (実施例6) 本実施例は、自動車の換気ファンの駆動、蓄電池の放電
防止等の目的で用いられる自動車用光起電力素子であ
る。最近自動車用の光起電力素子が実用化されはじめて
いるが、自動車のデザインを損わない様、サンルーフや
高速走行安定用整流板等のスペースに設置されている。
しかし一般仕様の車には何々適当なスペースがない。す
なわち日照を受けやすい点からはボンネットや天井が良
いが、デザイン上問題があり、また車の前後、側面は接
触等による損傷を受け易い。その中で車のリアクォータ
ーピラーは、適度な面積が取れ、損傷も受けにくく、か
くデザイン上も難点が少い。
防止等の目的で用いられる自動車用光起電力素子であ
る。最近自動車用の光起電力素子が実用化されはじめて
いるが、自動車のデザインを損わない様、サンルーフや
高速走行安定用整流板等のスペースに設置されている。
しかし一般仕様の車には何々適当なスペースがない。す
なわち日照を受けやすい点からはボンネットや天井が良
いが、デザイン上問題があり、また車の前後、側面は接
触等による損傷を受け易い。その中で車のリアクォータ
ーピラーは、適度な面積が取れ、損傷も受けにくく、か
くデザイン上も難点が少い。
【0087】本実施例は、シート状金属基板から構成さ
れる光起電力素子である特徴を生かしてリアクォーター
ピラーに設置するボディと1体感のある曲面状のフォル
ムを持った自動車用光起電力素子を作りうることを示す
ものである。
れる光起電力素子である特徴を生かしてリアクォーター
ピラーに設置するボディと1体感のある曲面状のフォル
ムを持った自動車用光起電力素子を作りうることを示す
ものである。
【0088】実施例1と同様にして光起電力素子を作製
し、車のデザインに合せて透明電極のパターンニング、
集電々極の形成、切断を行って単体の光起電力片を作っ
た。
し、車のデザインに合せて透明電極のパターンニング、
集電々極の形成、切断を行って単体の光起電力片を作っ
た。
【0089】こうしてできたものを実施例4の方法で直
列接続した。ここでは電圧12Vの蓄電池を持つ自動車
用として図15に10枚の光起電力素子の一例としての
太陽電池片からなる例を示す。ここで支柱上部に位置す
る光起電力素子片は2201巾がとれないため長さが長
く、支柱下部に位置する光起電力素子片2202は巾が
広いので短くし、各光起電力素子片の面積がほぼそろう
様にしてある。さらに長さの長い光起電力素子片ほど集
電々極2203の密度を高くして透明電極の抵抗ロスを
十分抑えられる様にしてある。
列接続した。ここでは電圧12Vの蓄電池を持つ自動車
用として図15に10枚の光起電力素子の一例としての
太陽電池片からなる例を示す。ここで支柱上部に位置す
る光起電力素子片は2201巾がとれないため長さが長
く、支柱下部に位置する光起電力素子片2202は巾が
広いので短くし、各光起電力素子片の面積がほぼそろう
様にしてある。さらに長さの長い光起電力素子片ほど集
電々極2203の密度を高くして透明電極の抵抗ロスを
十分抑えられる様にしてある。
【0090】またデザイン上、光起電力素子の色は重要
な要素であるが、車の他の部分の色とマッチする様、透
明電極の厚さを調製することができる。すなわち透明電
極としてITOを用いた場合一般的には厚さ650Åと
するが、この場合ほぼ紫色の外観を呈する。これを薄く
し、透明電極の厚さを450Å〜500Åにすると黄緑
を呈し、500Å〜600Åにすると茶色味が強まる。
さらに、600Å〜700Åの厚さにすると紫色の外
観、700Å〜800Åにすると青味が強まる色彩とな
り適当な色合に調整することが出来る。ただしITOの
厚さが標準からはずれると光起電力素子の出力はやや低
下するが、タンデムセルの場合、ITOをうすくした場
合には、光の波長が短波長側にずれるのでトップセルを
うすめに設定し、ITOを厚くした場合には逆にトップ
セルを厚めに設定し、トップセルとボトムセルの分光感
度のバランスを調整することで効率の低下を最小限に抑
えられる。
な要素であるが、車の他の部分の色とマッチする様、透
明電極の厚さを調製することができる。すなわち透明電
極としてITOを用いた場合一般的には厚さ650Åと
するが、この場合ほぼ紫色の外観を呈する。これを薄く
し、透明電極の厚さを450Å〜500Åにすると黄緑
を呈し、500Å〜600Åにすると茶色味が強まる。
さらに、600Å〜700Åの厚さにすると紫色の外
観、700Å〜800Åにすると青味が強まる色彩とな
り適当な色合に調整することが出来る。ただしITOの
厚さが標準からはずれると光起電力素子の出力はやや低
下するが、タンデムセルの場合、ITOをうすくした場
合には、光の波長が短波長側にずれるのでトップセルを
うすめに設定し、ITOを厚くした場合には逆にトップ
セルを厚めに設定し、トップセルとボトムセルの分光感
度のバランスを調整することで効率の低下を最小限に抑
えられる。
【0091】本実施例の自動車用光起電力素子モジュー
ル2302を図16に示す4ドアセダン車2301(塗
装色ブルー)内左右のリアクォーターピラーに取り付け
た。(図15には左側用を示してある。)これをさらに
図17にその概略を示した回路に組んだ。ここで左側光
起電力素子2401と右側光起電力素子2402は各々
逆流防止ダイオード2403、2404を介して蓄電池
2405に接続されている。また日射が強く車内の温度
が高い時には、換気ファン2406が回る様になってい
る。この動作を行うため左右の光起電力素子から出力電
流を検知する電流センサ2409、2410からの信号
の少くとも一方がhighの時であって、かつ感温セン
サ2408からの信号がhighである時に限って換気
ファン2406のスイッチ2407がonとなる。
ル2302を図16に示す4ドアセダン車2301(塗
装色ブルー)内左右のリアクォーターピラーに取り付け
た。(図15には左側用を示してある。)これをさらに
図17にその概略を示した回路に組んだ。ここで左側光
起電力素子2401と右側光起電力素子2402は各々
逆流防止ダイオード2403、2404を介して蓄電池
2405に接続されている。また日射が強く車内の温度
が高い時には、換気ファン2406が回る様になってい
る。この動作を行うため左右の光起電力素子から出力電
流を検知する電流センサ2409、2410からの信号
の少くとも一方がhighの時であって、かつ感温セン
サ2408からの信号がhighである時に限って換気
ファン2406のスイッチ2407がonとなる。
【0092】この様にして光起電力素子モジュールを設
けた所、盛夏の晴天時に従来80℃以上に上っていた室
温を30℃程度引き下げることが可能となり、かつ厳冬
期に、1週間以上放置しておいても蓄電池があがること
がなくなった。また積雪後もリアクォーターピラー上は
積雪が日射後すぐ融けるためただちに充電可能となるの
で、積雪の多い地方でも支障がなかった。
けた所、盛夏の晴天時に従来80℃以上に上っていた室
温を30℃程度引き下げることが可能となり、かつ厳冬
期に、1週間以上放置しておいても蓄電池があがること
がなくなった。また積雪後もリアクォーターピラー上は
積雪が日射後すぐ融けるためただちに充電可能となるの
で、積雪の多い地方でも支障がなかった。
【0093】
【表1】
【0094】
【表2】
【0095】
【表3】
【0096】
【表4】
【0097】
【発明の効果】本発明の裏面反射層を用いる事により、
光の反射率が高くなり、光が半導体中に有効に閉じこめ
られるため、半導体への光の吸収が増加し、変換効率が
高い光起電力素子が得られる。また金属原子が半導体膜
中に拡散しにくくなり、さらに半導体中に部分的な短絡
箇所があっても適度な電気抵抗によってリーク電流が抑
えられ、また耐薬品性が高まるため後工程で新たに欠陥
を生じる恐れも少なく、信頼性の高い光起電力素子が得
られる。更にこの様な裏面反射層はロール・ツー・ロー
ル法等の量産性に富む方法の一環とて製造できる。この
ように本発明は光起電力素子の普及に大いに寄与するも
のである。
光の反射率が高くなり、光が半導体中に有効に閉じこめ
られるため、半導体への光の吸収が増加し、変換効率が
高い光起電力素子が得られる。また金属原子が半導体膜
中に拡散しにくくなり、さらに半導体中に部分的な短絡
箇所があっても適度な電気抵抗によってリーク電流が抑
えられ、また耐薬品性が高まるため後工程で新たに欠陥
を生じる恐れも少なく、信頼性の高い光起電力素子が得
られる。更にこの様な裏面反射層はロール・ツー・ロー
ル法等の量産性に富む方法の一環とて製造できる。この
ように本発明は光起電力素子の普及に大いに寄与するも
のである。
【0098】本願発明の方法によれば、平滑金属表面の
高反射効率を全く損なうことなく、増大させた光拡散効
率をもつ第1透明導電層を形成することができ、この結
果太陽光の電気変換率を実用レベルまで増大させること
ができ、同時に第1透明導電層と第2透明導電層との間
でのショート及びシャントパス(周囲と比べて高電流の
経路)が原因となる太陽電池のシャント抵抗を増大させ
ることがなくなり、この結果、本願発明の方法によって
製造した太陽電池は、長期間(通常、20年以上)にわ
たる使用中での安定電源としての使用を実現させること
ができ、更に、同時に太陽電池製造における歩留まりを
大幅に向上させることができるのである。
高反射効率を全く損なうことなく、増大させた光拡散効
率をもつ第1透明導電層を形成することができ、この結
果太陽光の電気変換率を実用レベルまで増大させること
ができ、同時に第1透明導電層と第2透明導電層との間
でのショート及びシャントパス(周囲と比べて高電流の
経路)が原因となる太陽電池のシャント抵抗を増大させ
ることがなくなり、この結果、本願発明の方法によって
製造した太陽電池は、長期間(通常、20年以上)にわ
たる使用中での安定電源としての使用を実現させること
ができ、更に、同時に太陽電池製造における歩留まりを
大幅に向上させることができるのである。
【0099】また、本願発明によれば、反射面として、
薄膜金属層による反射面を用いることにより、金属基板
の表面を研磨加工することによって形成させた表面を反
射面として用いる場合と比べて、簡単で、且つ低価格
で、高反射面を得ることができるのである。
薄膜金属層による反射面を用いることにより、金属基板
の表面を研磨加工することによって形成させた表面を反
射面として用いる場合と比べて、簡単で、且つ低価格
で、高反射面を得ることができるのである。
【0100】上記効果に基づいて、本願発明の方法は、
太陽電池を屋根材と一体構成させた太陽電池付き屋根に
よる発電の実用化に大きく貢献するものである。
太陽電池を屋根材と一体構成させた太陽電池付き屋根に
よる発電の実用化に大きく貢献するものである。
【図1】本発明の光起電力素子の実施例の断面構造を示
す図で透明層が一層の場合。
す図で透明層が一層の場合。
【図2】本発明の光起電力素子の実施例の断面構造を示
す図で第一層領域が凹凸構造の場合。
す図で第一層領域が凹凸構造の場合。
【図3】本発明の光起電力素子の実施例の断面構造を示
す図で第二層領域が凹凸構造の場合。
す図で第二層領域が凹凸構造の場合。
【図4】シリコンと金属の界面での反射率に対するZn
Oの効果を示す図。(a)ZnOが無い場合、(b)Z
nOがある場合。
Oの効果を示す図。(a)ZnOが無い場合、(b)Z
nOがある場合。
【図5】凹凸構造による光起電力素子の分光感度の改善
を示す図。
を示す図。
【図6】本発明の裏面反射層を製造するに好適なスパッ
タリング装置の構造を示す図。
タリング装置の構造を示す図。
【図7】本発明の第二層領域が凹凸の構造の場合の裏面
反射層を製造するのに好適なスパッタリング装置の構造
を示す図。
反射層を製造するのに好適なスパッタリング装置の構造
を示す図。
【図8】本発明の太陽電池の別の実施例で第二層領域が
凹凸構造の場合の断面構造を示す図。
凹凸構造の場合の断面構造を示す図。
【図9】本発明の光起電力素子を蓄電池に用いた図及び
断面図。
断面図。
【図10】本発明の光起電力素子を用いた蓄電池使用例
の等価回路。
の等価回路。
【図11】本発明の光起電力素子を用いた衛星用電池の
接続部。
接続部。
【図12】本発明の光起電力素子を用いた衛星の図。
【図13】本発明の光起電力素子を用いた波型屋根材の
拡大図。
拡大図。
【図14】本発明の光起電力素子を用いた波型屋根材。
【図15】本発明の光起電力素子を用いた面積を変るこ
とにより集電電極密度が異なるモジュールの実施例の
図。
とにより集電電極密度が異なるモジュールの実施例の
図。
【図16】本発明の光起電力素子を用いた自動車の図。
【図17】本発明の光起電力素子を用いた自動車使用例
の等価回路を示す図。
の等価回路を示す図。
101,701 基板 102,702 金属層 103 透明層 103a,103c,703a,703c 第1層領域 103b,103d,703b,703d 第2層領域 105,705,709 n型a−Si 106,710 i型a−Si 706 i型a−SiGe 107,707,711 p型μc−Si 108,712 透明電極 109,713 集電電極 604 金属層堆積室 605 透明層堆積室 605a,605c 第1層領域堆積室 605b,605d 第2層領域堆積室 404,602 基板 601 基板のロール 407,609,610,610a,610b,610
c,610d ターゲット 405,607,608,608a,608b,608
c,608d 基板加熱ヒーター 409 電源 410 プラズマ 1501 電槽 1502 正極端子 1503 逆流防止ダイオード 1504 負極板 1505 正極板 1506 セパレーター 1507 封口ぶた 1508 パッキング 1509 安全弁 1510 蓄電池 1511 光起電力素子 1512 透明電極 1513 集電電極 1701 光起電力素子 1702 光起電力素子 1703 ポリイミド樹脂 1704 基板露出面 1705 銅シート 1706 ポリイミド樹脂 1707 マイラーフィルム 1901 衛星本体 1902 シャフト 1903 展開した状態の光起電力素子 1904 巻きとられている状態の光起電力素子 2001 光起電力素子 2002 光起電力素子 2003 波型板 2004 露出部 2005 銅シート 2006 ポリイミド樹脂 2007 固定用ステンレスの穴 2008 銅シートの穴 2009 PVA樹脂 2010 フッ素樹脂 2101 光起電力素子単体 2102 波型屋根材 2103 釘穴あり直接接続部 2104 釘穴なし直接接続部 2105 光起電力素子 2106 波型屋根材の左端 2107 釘穴 2108 波形下部部分 2201 光起電力素子片 2202 光起電力素子片 2203,2204 集電電極 2301 車の車体 2302 光起電力素子 2401 左側光起電力素子 2402 右側光起電力素子 2403,2404 逆流防止ダイオード 2405 蓄電池 2406 換気ファン 2407 換気ファンのスイッチ 2408 感温センサー 2409,2410 光起電力素子の出力電流を検知す
るセンサー
c,610d ターゲット 405,607,608,608a,608b,608
c,608d 基板加熱ヒーター 409 電源 410 プラズマ 1501 電槽 1502 正極端子 1503 逆流防止ダイオード 1504 負極板 1505 正極板 1506 セパレーター 1507 封口ぶた 1508 パッキング 1509 安全弁 1510 蓄電池 1511 光起電力素子 1512 透明電極 1513 集電電極 1701 光起電力素子 1702 光起電力素子 1703 ポリイミド樹脂 1704 基板露出面 1705 銅シート 1706 ポリイミド樹脂 1707 マイラーフィルム 1901 衛星本体 1902 シャフト 1903 展開した状態の光起電力素子 1904 巻きとられている状態の光起電力素子 2001 光起電力素子 2002 光起電力素子 2003 波型板 2004 露出部 2005 銅シート 2006 ポリイミド樹脂 2007 固定用ステンレスの穴 2008 銅シートの穴 2009 PVA樹脂 2010 フッ素樹脂 2101 光起電力素子単体 2102 波型屋根材 2103 釘穴あり直接接続部 2104 釘穴なし直接接続部 2105 光起電力素子 2106 波型屋根材の左端 2107 釘穴 2108 波形下部部分 2201 光起電力素子片 2202 光起電力素子片 2203,2204 集電電極 2301 車の車体 2302 光起電力素子 2401 左側光起電力素子 2402 右側光起電力素子 2403,2404 逆流防止ダイオード 2405 蓄電池 2406 換気ファン 2407 換気ファンのスイッチ 2408 感温センサー 2409,2410 光起電力素子の出力電流を検知す
るセンサー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−123781(JP,A) 特開 昭63−199863(JP,A) 特開 平2−90574(JP,A) 特開 平1−311511(JP,A) 特開 昭61−23423(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 31/04
Claims (3)
- 【請求項1】金属層を設けた基板の上に第1透明導電層
を設ける工程、第1透明導電層の上に光電変換層を設け
る工程、及び光電変換層の上に第2透明導電層を設ける
工程を有する光起電力素子の製造法において、前記第1
透明導電層を設ける工程は、前記金属層を設けた基板上
に、該基板温度を低温部の温度設定から高温部の温度設
定に変化させて、透明導電物質をマグネトロンスパッタ
によって堆積させ、これによって第1透明導電層を前記
金属層の上に成膜させることを特徴とする光起電力素子
の製造法。 - 【請求項2】前記第1透明導電層を設ける工程は、基板
温度を200℃以下の温度設定から200℃以上の温度
設定に変化させる工程を有する請求項1記載の光起電力
素子の製造法。 - 【請求項3】前記第1透明導電層は、ZnO層又はSn
O 2 である請求項1記載の光起電力素子の製造法。
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DK93101759T DK0554877T3 (da) | 1992-02-05 | 1993-02-04 | Fotoelektromotorisk anordning og fremgangsmåde tilfremstilling af samme |
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AT93101759T ATE166184T1 (de) | 1992-02-05 | 1993-02-04 | Photovoltaische vorrichtung und verfahren zu ihrer herstellung |
KR1019930001536A KR960001188B1 (ko) | 1992-02-05 | 1993-02-05 | 광기전력소자 및 그 제조방법 |
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US09/061,233 US6061977A (en) | 1992-02-05 | 1998-04-16 | Photovoltaic roofing element |
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DK (1) | DK0554877T3 (ja) |
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