JP2980993B2 - 光電変換装置 - Google Patents
光電変換装置Info
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、光電変換層が複数重
ね合わされてなる所謂タンデムタイプの光電変換装置に
関する。
ね合わされてなる所謂タンデムタイプの光電変換装置に
関する。
【０００２】
【従来の技術】タンデムタイプの光電変換装置として、
発明者らは、図５に示す如く、Ｌ≦１／α（λ）となる
波長の光を光電変換する半導体薄膜を有する光電変換層
複数が重ね合わされてなるタンデムタイプの光電変換装
置を先に提案した（特願平１−０４４１２３号）。
発明者らは、図５に示す如く、Ｌ≦１／α（λ）となる
波長の光を光電変換する半導体薄膜を有する光電変換層
複数が重ね合わされてなるタンデムタイプの光電変換装
置を先に提案した（特願平１−０４４１２３号）。
【０００３】図５の光電変換装置では、絶縁基板５０の
表面に、例えば、Ｎｉ−ＣｒやＡｌ等の下電極５１が形
成されており、その上に、アモルファスシリコン（ａ−
Ｓｉ）等からなるＬ≦１／α（λ）の関係を満たす半導
体薄膜を有する光電変換層５２、５３、５４が積層され
ている。すなわち、各光電変換層５２〜５４において
は、第１導電型不純物半導体層（例えばｐ層）６１、比
較的価電子制御不純物濃度の少ない半導体層（例えばｉ
層：この発明の光電変換を行う半導体薄膜）６２、およ
び、第２（逆）導電型不純物半導体層（例えばｎ層）６
３がこの順序で積層されているのである。最も上の第３
の光電変換層５４の表面には、Ｉｎ2 Ｏ3等の透明電極
５５が形成されている。
表面に、例えば、Ｎｉ−ＣｒやＡｌ等の下電極５１が形
成されており、その上に、アモルファスシリコン（ａ−
Ｓｉ）等からなるＬ≦１／α（λ）の関係を満たす半導
体薄膜を有する光電変換層５２、５３、５４が積層され
ている。すなわち、各光電変換層５２〜５４において
は、第１導電型不純物半導体層（例えばｐ層）６１、比
較的価電子制御不純物濃度の少ない半導体層（例えばｉ
層：この発明の光電変換を行う半導体薄膜）６２、およ
び、第２（逆）導電型不純物半導体層（例えばｎ層）６
３がこの順序で積層されているのである。最も上の第３
の光電変換層５４の表面には、Ｉｎ2 Ｏ3等の透明電極
５５が形成されている。
【０００４】この光電変換装置は、キャリア収集長Ｌに
起因する光電変換率の低下や接続ロス、デッドスペース
等の不都合が解消されるため、光電変換率が比較的よ
く、設計面での自由度が広く、しかも、光劣化し難くて
信頼性も高いといった利点を有する。
起因する光電変換率の低下や接続ロス、デッドスペース
等の不都合が解消されるため、光電変換率が比較的よ
く、設計面での自由度が広く、しかも、光劣化し難くて
信頼性も高いといった利点を有する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】図５の光電変換装置
は、多くの利点を有するのであるが、光電変換率につい
ては十分に改善されているとは言いがたい。この光電変
換装置は、ｐ層ないしｎ層の不純物濃度が余り高くない
（ドーピングガスがシランガスの流量の０．２５％程
度）ため、図４に破線で示すようにＩ−Ｖ特性に屈曲歪
みＧを生じており、その分、光電変換率が悪くなる。こ
れは、各光電変換層５２〜５４間は整流性コンタクトに
なっており、図９の等価回路図にみるように、各光電変
換層５２〜５４の間に寄生ダイオードＤが介在した状態
になっているからである。図５の光電変換装置の半導体
層構成説明図である図６と対応させてあらわしたエネル
ギーバンド説明図を図７に示す。このエネルギーバンド
説明図にみるように、ｐｎ接合のところではトンネル効
果による電子・正孔対の再結合が起こらないのである。
は、多くの利点を有するのであるが、光電変換率につい
ては十分に改善されているとは言いがたい。この光電変
換装置は、ｐ層ないしｎ層の不純物濃度が余り高くない
（ドーピングガスがシランガスの流量の０．２５％程
度）ため、図４に破線で示すようにＩ−Ｖ特性に屈曲歪
みＧを生じており、その分、光電変換率が悪くなる。こ
れは、各光電変換層５２〜５４間は整流性コンタクトに
なっており、図９の等価回路図にみるように、各光電変
換層５２〜５４の間に寄生ダイオードＤが介在した状態
になっているからである。図５の光電変換装置の半導体
層構成説明図である図６と対応させてあらわしたエネル
ギーバンド説明図を図７に示す。このエネルギーバンド
説明図にみるように、ｐｎ接合のところではトンネル効
果による電子・正孔対の再結合が起こらないのである。
【０００６】隣接するｐ層、ｎ層の両方の不純物濃度を
高くすれば、図８のエネルギーバンド説明図にみるよう
に、ｐｎ接合のところでトンネル効果による電子・正孔
対の再結合が起こるため整流性コンタクトは解消できる
が、しかし、この場合には、ｉ層以外の半導体層で吸収
される無効光吸収量が増えて光電変換率の改善が出来な
いばかりか、以下のような不都合も生じる。
高くすれば、図８のエネルギーバンド説明図にみるよう
に、ｐｎ接合のところでトンネル効果による電子・正孔
対の再結合が起こるため整流性コンタクトは解消できる
が、しかし、この場合には、ｉ層以外の半導体層で吸収
される無効光吸収量が増えて光電変換率の改善が出来な
いばかりか、以下のような不都合も生じる。
【０００７】光電変換層５２〜５４を形成のために、必
要な半導体膜を全て積層してから湿式エッチングにより
所定のパターンにするフォトリソグラフィ工程を経るの
であるが、不純物高濃度ｐ層は他の半導体層に比べエッ
チングされ難く、図１０（ａ）にみるように、光電変換
層５２〜５４側面に不純物高濃度ｐ層が突出する事態が
生じ、続いて形成する透明電極５５が、図１０（ｂ）に
みるように、途切れがちで信頼性が薄くなってしまうの
である。
要な半導体膜を全て積層してから湿式エッチングにより
所定のパターンにするフォトリソグラフィ工程を経るの
であるが、不純物高濃度ｐ層は他の半導体層に比べエッ
チングされ難く、図１０（ａ）にみるように、光電変換
層５２〜５４側面に不純物高濃度ｐ層が突出する事態が
生じ、続いて形成する透明電極５５が、図１０（ｂ）に
みるように、途切れがちで信頼性が薄くなってしまうの
である。
【０００８】この発明は、上記の事情に鑑み、上記光電
変換装置において、信頼性を低下させずに各光電変換層
間の整流性コンタクトを解消し光電変換率を十分に改善
することを課題とする。
変換装置において、信頼性を低下させずに各光電変換層
間の整流性コンタクトを解消し光電変換率を十分に改善
することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、この発明にかかる光電変換装置では、Ｌ≦１／α
（λ）となる波長の光を光電変換する半導体薄膜を有す
る光電変換層複数が重ね合わされてなる構成において、
光電変換層の間に、禁止帯に多数のエネルギー準位を有
していて、注入される電子・正孔対の殆どを前記エネル
ギー準位に捕捉できる層を設けるようにしている。但
し、λ、α（λ）、Ｌは以下の通りである。
め、この発明にかかる光電変換装置では、Ｌ≦１／α
（λ）となる波長の光を光電変換する半導体薄膜を有す
る光電変換層複数が重ね合わされてなる構成において、
光電変換層の間に、禁止帯に多数のエネルギー準位を有
していて、注入される電子・正孔対の殆どを前記エネル
ギー準位に捕捉できる層を設けるようにしている。但
し、λ、α（λ）、Ｌは以下の通りである。
【００１０】 λ・・・入射光の波長 α（λ）・・・波長λの光に対する半導体薄膜の吸収係
数 Ｌ・・・キャリア収集長上記捕捉層は、隣接する光電変換層同士の電気的接触を
オーミックのものとする機能がある。捕捉層の具体例と
しては、 水素未含有ないし水素含有量の少ないアモルフ
ァスシリコン（ａ−Ｓｉ）層がある。
数 Ｌ・・・キャリア収集長上記捕捉層は、隣接する光電変換層同士の電気的接触を
オーミックのものとする機能がある。捕捉層の具体例と
しては、 水素未含有ないし水素含有量の少ないアモルフ
ァスシリコン（ａ−Ｓｉ）層がある。
【００１１】光電変換層としては、第１導電型不純物半
導体層（例えばｐ型ａ−Ｓｉ層）、比較的価電子制御不
純物濃度の少ない半導体層（例えばｉ型ａ−Ｓｉ層：こ
の発明の光電変換を行う半導体薄膜）、および、第２導
電型不純物半導体層（例えばｎ型ａ−Ｓｉ層）がこの順
序で積層された光電池機能を有するｐｉｎタイプの光電
変換層が挙げられる。積層される光電変換層の数は、通
常、３以上、好ましくは、５以上である。
導体層（例えばｐ型ａ−Ｓｉ層）、比較的価電子制御不
純物濃度の少ない半導体層（例えばｉ型ａ−Ｓｉ層：こ
の発明の光電変換を行う半導体薄膜）、および、第２導
電型不純物半導体層（例えばｎ型ａ−Ｓｉ層）がこの順
序で積層された光電池機能を有するｐｉｎタイプの光電
変換層が挙げられる。積層される光電変換層の数は、通
常、３以上、好ましくは、５以上である。
【００１２】なお、各光電変換層の光電変換を行う半導
体薄膜であるｉ型ａ−Ｓｉ層の厚みが全てキャリア収集
長Ｌ以下であったり、全ｉ型ａ−Ｓｉ層の合計膜厚ｄが
光電変換層の積層数をｎとするときＬ＜ｄ＜ｎＬであっ
たり、光電変換層の積層数が１／〔α（λ）・Ｌ〕以上
であったりすれば、より高い光電変換率が達成可能とな
る。
体薄膜であるｉ型ａ−Ｓｉ層の厚みが全てキャリア収集
長Ｌ以下であったり、全ｉ型ａ−Ｓｉ層の合計膜厚ｄが
光電変換層の積層数をｎとするときＬ＜ｄ＜ｎＬであっ
たり、光電変換層の積層数が１／〔α（λ）・Ｌ〕以上
であったりすれば、より高い光電変換率が達成可能とな
る。
【００１３】
【作用】この発明の光電変換装置では、複数の光電変換
層の各光電変換を行う半導体薄膜ひとつひとつは、Ｌ≦
１／α（λ）であっても、各半導体薄膜の厚みを薄くす
ることにより、キャリア収集長Ｌに起因する光電変換率
の低下を解消させられる。半導体薄膜の厚みが薄くて光
が透過しやすくなるが、透過した光はその下側の半導体
薄膜で吸収され光電変換に寄与する。また、厚みの薄い
半導体薄膜は光劣化し難く信頼性が高い。光電変換層が
複数あっても積層されたタンデム構造であるため、接続
ロスやデッドスペースが少ない。
層の各光電変換を行う半導体薄膜ひとつひとつは、Ｌ≦
１／α（λ）であっても、各半導体薄膜の厚みを薄くす
ることにより、キャリア収集長Ｌに起因する光電変換率
の低下を解消させられる。半導体薄膜の厚みが薄くて光
が透過しやすくなるが、透過した光はその下側の半導体
薄膜で吸収され光電変換に寄与する。また、厚みの薄い
半導体薄膜は光劣化し難く信頼性が高い。光電変換層が
複数あっても積層されたタンデム構造であるため、接続
ロスやデッドスペースが少ない。
【００１４】さらに、この発明の光電変換装置の場合、
各光電変換層の間には、前記した捕捉層が設けられてい
るため、光電変換層に不純物濃度の高い半導体層を設け
ずとも、整流性コンタクトを解消して寄生ダイオードを
無くすることができる。したがって、図４の実線で示す
Ｉ−Ｖ特性曲線にみるように、屈曲歪みはなくなり、取
り出せる最大電力が増大し、光電変換率を十分に改善す
ることができると同時に電極が途切れたりせず信頼性は
低下しない。
各光電変換層の間には、前記した捕捉層が設けられてい
るため、光電変換層に不純物濃度の高い半導体層を設け
ずとも、整流性コンタクトを解消して寄生ダイオードを
無くすることができる。したがって、図４の実線で示す
Ｉ−Ｖ特性曲線にみるように、屈曲歪みはなくなり、取
り出せる最大電力が増大し、光電変換率を十分に改善す
ることができると同時に電極が途切れたりせず信頼性は
低下しない。
【００１５】前記捕捉層が水素未含有ないし水素含有量
の少ないａ−Ｓｉ層の場合は、図３にみるように、禁止
帯に多数のエネルギー準位Ｅ1 ・・Ｅn ・・があって、
ａ−Ｓｉ層に注入されてくる電子・正孔対がエネルギー
順位Ｅ1 ・・Ｅn ・・に捕獲されることにより前記機能
が確保されると考えられる。
の少ないａ−Ｓｉ層の場合は、図３にみるように、禁止
帯に多数のエネルギー準位Ｅ1 ・・Ｅn ・・があって、
ａ−Ｓｉ層に注入されてくる電子・正孔対がエネルギー
順位Ｅ1 ・・Ｅn ・・に捕獲されることにより前記機能
が確保されると考えられる。
【００１６】ａ−Ｓｉのオーミック層は、光電変換層が
ａ−Ｓｉからなるものの場合、光電変換層の形成の際に
同じ装置で前記捕捉層を連続して形成出来ると共に同じ
エッチャントでパターン化できるため、非常に製造が容
易になる。
ａ−Ｓｉからなるものの場合、光電変換層の形成の際に
同じ装置で前記捕捉層を連続して形成出来ると共に同じ
エッチャントでパターン化できるため、非常に製造が容
易になる。
【００１７】
【実施例】以下、この発明にかかる光電変換装置の実施
例を説明する。図１は、この発明の光電変換装置の基本
構成例をあらわし、図２は、この光電変換装置の等価回
路をあらわす。光電変換装置１は、光電池機能を有する
ａ−Ｓｉ系ｐｉｎタイプの光電変換層２が５個（図１、
２では便宜上３つだけ示してある）、透明上電極４と下
電極５の間に設けられている。光は勿論、透明上電極４
側から入ってくる。各光電変換層２のｉ層は全てＬ≦１
／α（λ）となる波長の光を光電変換する半導体薄膜で
ある。光電変換層２におけるｐ、ｉ、ｎの各半導体層の
厚みは、普通、ｉ層が５０００Å以下程度、ｎ層および
ｐ層がそれぞれｉ層の１／１０の以下であって５００Å
以下程度である。ｐ層やｎ層としては、シランガスに
０．２５〜１％以下程度の流量のドーピングガス（ｎ型
の場合は例えばホスフィン、ｐ型の場合は例えばジボラ
ン）を添加することで形成した不純物半導体層が挙げら
れる。
例を説明する。図１は、この発明の光電変換装置の基本
構成例をあらわし、図２は、この光電変換装置の等価回
路をあらわす。光電変換装置１は、光電池機能を有する
ａ−Ｓｉ系ｐｉｎタイプの光電変換層２が５個（図１、
２では便宜上３つだけ示してある）、透明上電極４と下
電極５の間に設けられている。光は勿論、透明上電極４
側から入ってくる。各光電変換層２のｉ層は全てＬ≦１
／α（λ）となる波長の光を光電変換する半導体薄膜で
ある。光電変換層２におけるｐ、ｉ、ｎの各半導体層の
厚みは、普通、ｉ層が５０００Å以下程度、ｎ層および
ｐ層がそれぞれｉ層の１／１０の以下であって５００Å
以下程度である。ｐ層やｎ層としては、シランガスに
０．２５〜１％以下程度の流量のドーピングガス（ｎ型
の場合は例えばホスフィン、ｐ型の場合は例えばジボラ
ン）を添加することで形成した不純物半導体層が挙げら
れる。
【００１８】そして、各光電変換層２の間には、捕捉層
３がそれぞれ設けられており、光電変換率が改善される
ことは前述の通りである。捕捉層３としては、水素未含
有ないし水素含有量の少ないａ−Ｓｉ層があり、真空蒸
着、スパッタ法、プラズマＣＶＤ法等により形成されて
いる。水素未含有ないし低含有量のａ−Ｓｉ層は、例え
ば、プラズマＣＶＤ法により水素補償無しのシランガス
を使って膜化することで形成できる。ａ−Ｓｉ層は、ｎ
型およびｐ型のいずれの導電型でもよく、ｉ型でもよ
い。
３がそれぞれ設けられており、光電変換率が改善される
ことは前述の通りである。捕捉層３としては、水素未含
有ないし水素含有量の少ないａ−Ｓｉ層があり、真空蒸
着、スパッタ法、プラズマＣＶＤ法等により形成されて
いる。水素未含有ないし低含有量のａ−Ｓｉ層は、例え
ば、プラズマＣＶＤ法により水素補償無しのシランガス
を使って膜化することで形成できる。ａ−Ｓｉ層は、ｎ
型およびｐ型のいずれの導電型でもよく、ｉ型でもよ
い。
【００１９】この発明は、上記実施例に限らない。例え
ば、図１においてｎとｐが逆転したものが、他の実施例
として挙げられる。
ば、図１においてｎとｐが逆転したものが、他の実施例
として挙げられる。
【００２０】
【発明の効果】前述したように、この発明の光電変換装
置は、各光電変換層間に前記捕捉層を設け整流性コンタ
クトを解消するようにしているため、光電変換率が十分
に改善されているとともに十分な信頼性を有する非常に
有用な装置となっている。前記捕捉層がａ−Ｓｉからな
るものであれば、製造が容易となるという利点がある。
置は、各光電変換層間に前記捕捉層を設け整流性コンタ
クトを解消するようにしているため、光電変換率が十分
に改善されているとともに十分な信頼性を有する非常に
有用な装置となっている。前記捕捉層がａ−Ｓｉからな
るものであれば、製造が容易となるという利点がある。
【図１】この発明の光電変換装置の構成例をあらわす断
面図である。
面図である。
【図２】図１の光電変換装置の等価回路図である。
【図３】図１の光電変換装置のエネルギーバンド説明図
である。
である。
【図４】この発明の光電変換装置および従来の光電変換
装置のＩ−Ｖ特性をあらわすグラフである。
装置のＩ−Ｖ特性をあらわすグラフである。
【図５】従来の光電変換装置の構成をあらわす断面図で
ある。
ある。
【図】従来の光電変換装置の半導体層構成の説明図であ
る。
る。
【図７】従来の光電変換装置の一例のエネルギーバンド
説明図である。
説明図である。
【図８】従来の光電変換装置の他の例のエネルギーバン
ド説明図である。
ド説明図である。
【図９】図５の光電変換装置の等価回路図である。
【図１０】従来の光電変換装置の製造工程の説明図であ
る。
る。
１・・・光電変換装置 ２・・・光電変換層 ３・・・捕捉層 ４・・・透明上電極 ５・・・下電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−222582（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−292873（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−77182（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−32481（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−194370（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−122783（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−82959（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 31/10 H01L 31/04 - 31/078
Claims (2)
- 【請求項１】 Ｌ≦１／α（λ）となる波長の光を光電
変換する半導体薄膜を有する光電変換層複数が重ね合わ
されてなる光電変換装置において、光電変換層の間に、
禁止帯に多数のエネルギー準位を有していて、注入され
る電子・正孔対の殆どを前記エネルギー準位に捕捉でき
る層が設けられていることを特徴とする光電変換装置。 但し、λ・・・入射光の波長 α（λ）・・・波長λの光に対する半導体薄膜の吸収係
数 Ｌ・・・キャリア収集長 - 【請求項２】 前記捕捉層が、水素未含有ないし水素含
有量の少ないアモルファスシリコン層である請求項１記
載の光電変換装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3008771A JP2980993B2 (ja) | 1991-01-28 | 1991-01-28 | 光電変換装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3008771A JP2980993B2 (ja) | 1991-01-28 | 1991-01-28 | 光電変換装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04252080A JPH04252080A (ja) | 1992-09-08 |
| JP2980993B2 true JP2980993B2 (ja) | 1999-11-22 |
Family
ID=11702159
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3008771A Expired - Lifetime JP2980993B2 (ja) | 1991-01-28 | 1991-01-28 | 光電変換装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2980993B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5050925B2 (ja) | 2008-02-28 | 2012-10-17 | 三菱電機株式会社 | 半導体受光素子 |
-
1991
- 1991-01-28 JP JP3008771A patent/JP2980993B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04252080A (ja) | 1992-09-08 |
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