JP3202593B2 - Amorphous silicon solar cell - Google Patents
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Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、アモルファスシリ
コンを光電変換層に用いたアモルファスシリコン太陽電
池に関する。The present invention relates to an amorphous silicon solar cell using amorphous silicon for a photoelectric conversion layer.
【０００２】[0002]
【従来の技術】アモルファス（ａ−Ｓｉ）太陽電池は、
材料特性に優れ、高品質なものを量産性よく生産するこ
とができ、低コストな太陽電池として注目されている。
通常、ａ−Ｓｉ太陽電池は、透明基板上に、透明電極、
ｐ型ａ−Ｓｉ層、ｉ型ａ−Ｓｉ層、ｎ型ａ−Ｓｉ層、背
面電極が積層されて構成されている。2. Description of the Related Art An amorphous (a-Si) solar cell is
Solar cells with excellent material properties and high quality can be produced with good mass productivity, and are attracting attention as low-cost solar cells.
Usually, an a-Si solar cell has a transparent electrode on a transparent substrate,
The p-type a-Si layer, the i-type a-Si layer, the n-type a-Si layer, and the back electrode are stacked.
【０００３】上記構造のａ−Ｓｉ太陽電池のガラス基板
側から光を照射すると、半導体の光電効果により電流が
発生し、電子はｎ型ａ−Ｓｉ層に移動し、正孔はｐ型ａ
−Ｓｉ層に移動するため、透明電極及び背面電極の間に
リード線を介して負荷を接続すると電流が取り出すこと
ができる。When light is irradiated from the glass substrate side of the a-Si solar cell having the above structure, a current is generated by the photoelectric effect of the semiconductor, electrons move to the n-type a-Si layer, and holes are formed in the p-type a-Si layer.
When the load is connected via a lead wire between the transparent electrode and the back electrode to move to the -Si layer, current can be taken out.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】光エネルギーを電気エ
ネルギーに変換する変換効率は、太陽電池を構成する半
導体固有の分光感度特性と入射光のスペクトルとに依存
する。ここで、ａ−Ｓｉ太陽電池の分光感度特性を図４
に示す。太陽光は波長３００〜２０００ｎｍ以上にわた
る幅広い放射スペクトルを有しているのに対し、ａ−Ｓ
ｉ太陽電池の分光感度特性は、図４に示すように、波長
６００ｎｍ付近にピークがあり、波長４００ｎｍ以下で
は極端に低下する特性を有する。従って、波長４００ｎ
ｍ以下の光は、光電変換に有効に寄与しないので、低波
長領域での変換効率が低いという問題点があった。The conversion efficiency of converting light energy into electric energy depends on the spectral sensitivity characteristic of the semiconductor constituting the solar cell and the spectrum of incident light. Here, the spectral sensitivity characteristics of the a-Si solar cell are shown in FIG.
Shown in While sunlight has a broad emission spectrum over a wavelength of 300 to 2000 nm or more, a-S
As shown in FIG. 4, the spectral sensitivity characteristics of the i-solar cell have a peak near a wavelength of 600 nm, and extremely lower at a wavelength of 400 nm or less. Therefore, the wavelength 400n
Since light of m or less does not effectively contribute to photoelectric conversion, there is a problem that conversion efficiency in a low wavelength region is low.
【０００５】また、ａ−Ｓｉ太陽電池は、光照射時間と
ともに変換効率が徐々に低下する、いわゆる光劣化が生
じるという問題がある。通常、模擬太陽光を１００時間
程度照射すると、変換効率は初期値に対し、２０〜３０
％程度低下する。光劣化のメカニズムは、完全には解明
されていないが、光照射によって、半導体薄膜内に生じ
る欠陥が関与していると考えられている。この光劣化現
象は、ａ−Ｓｉ太陽電池を電力用途への使用を阻害する
大きな要因になっている。[0005] Further, the a-Si solar cell has a problem that the conversion efficiency gradually decreases with the light irradiation time, that is, so-called light deterioration occurs. Usually, when simulated sunlight is irradiated for about 100 hours, the conversion efficiency is 20 to 30 with respect to the initial value.
%. Although the mechanism of photodegradation has not been completely elucidated, it is considered that defects caused in the semiconductor thin film by light irradiation are involved. This photodegradation phenomenon is a major factor that hinders the use of a-Si solar cells for power applications.
【０００６】本発明の目的は、低波長領域における変換
効率の低下を防止することによって変換効率の向上を図
り、かつ光劣化の抑制をも図り得るアモルファスシリコ
ン太陽電池を提供することにある。An object of the present invention is to provide an amorphous silicon solar cell capable of improving the conversion efficiency by preventing a decrease in the conversion efficiency in a low wavelength region and suppressing the light deterioration.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明のアモルファスシ
リコン太陽電池は、以下のように構成されている。 （１） 本発明のアモルファスシリコン太陽電池は、ア
モルファスシリコンからなる光電変換層を含むアモルフ
ァスシリコン太陽電池において、前記光電変換層に光が
入射する光路の途中に、テルビウム（Ｔｂ）を１重量％
以上含有するガラス層が形成されていることを特徴とす
る。 （２） 前記ガラス層が、アモルファスシリコン太陽電
池の基板であることが望ましい。 （３） 前記ガラス層に有されるテルビウムが３価のＴ
ｂイオンである。The amorphous silicon solar cell according to the present invention is constituted as follows. (1) In an amorphous silicon solar cell according to the present invention, in an amorphous silicon solar cell including a photoelectric conversion layer made of amorphous silicon, terbium (Tb) is contained in an amount of 1% by weight in an optical path where light enters the photoelectric conversion layer.
A glass layer containing the above is formed. (2) Preferably, the glass layer is a substrate of an amorphous silicon solar cell. (3) Terbium contained in the glass layer is trivalent T
b ion.
【０００８】本発明のアモルファスシリコン太陽電池
は、上記構成によって以下の作用を有する。発明者らの
鋭意研究によって、テルビウム（Ｔｂ）は、波長４００
ｎｍ以下の紫外光を吸収し、波長５４５ｎｍを中心とす
る緑色の可視光を発光する光学特性を有することが見い
だされた。また、この光学特性は、Ｔｂを含有させる母
体材料には、ほとんど影響されないことも見いだされ
た。即ち、母体材料が酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）
単結晶、あるいはガラスであっても、Ｔｂを含有した物
質に紫外線を照射すると、波長５４５ｎｍを中心とする
緑色の可視光が発光する。なお、Ｔｂイオンには３価と
４価の状態があるが、上記光学特性を示すのは、３価の
Ｔｂイオンのみである。[0008] The amorphous silicon solar cell of the present invention has the following functions by the above configuration. According to the inventors' intensive research, terbium (Tb) has a wavelength of 400 nm.
It has been found that it has an optical property of absorbing ultraviolet light of nm or less and emitting green visible light centered at a wavelength of 545 nm. It was also found that this optical property was hardly affected by the base material containing Tb. That is, the base material is aluminum oxide (Al 2 O 3 ).
Irradiation of ultraviolet light to a substance containing Tb, even a single crystal or glass, emits green visible light having a wavelength of 545 nm. Although Tb ions have trivalent and tetravalent states, only trivalent Tb ions exhibit the above optical characteristics.
【０００９】この様な光学特性を有するＴｂを含有する
ガラス層を用いて太陽電池を形成すると、従来、光電変
換には有効に寄与しなかった波長４００ｎｍ以下の紫外
光が、ａ−Ｓｉ太陽電池の分光感度特性の高い可視光に
変換されるため、変換効率が向上する。Ｔｂは、可視波
長領域では透明であるので、Ｔｂを含有させたガラス層
を用いても、太陽電池の特性に悪影響を与えることはな
い。また、エネルギーの高い紫外光が減少するため、半
導体薄膜内に生じる欠陥が減少し、光劣化現象が緩和さ
れるという効果もある。When a solar cell is formed using a glass layer containing Tb having such optical characteristics, ultraviolet light having a wavelength of 400 nm or less, which has not conventionally contributed effectively to photoelectric conversion, is converted into an a-Si solar cell. Is converted into visible light having high spectral sensitivity characteristics, thereby improving the conversion efficiency. Since Tb is transparent in the visible wavelength region, the use of a glass layer containing Tb does not adversely affect the characteristics of the solar cell. In addition, since ultraviolet light having high energy is reduced, defects generated in the semiconductor thin film are reduced, and there is an effect that a photodegradation phenomenon is reduced.
【００１０】また、図５にガラス（厚さ１ｍｍ）に３６
５ｎｍの光を照射したときに生じる５４５ｎｍの発光強
度のＴｂ濃度依存性を示す。ここで、縦軸は、発光強度
の最大値を１００としたときの相対値で示してある。こ
れから、ガラスに含有させるＴｂの量が１重量％以上で
有れば、発光強度が高くなり、紫外光が可視光に変換さ
れる量が大きくなるので、変換効率が高くなるといえ
る。FIG. 5 shows that 36 (thickness) glass is used.
5 shows the Tb concentration dependency of the emission intensity at 545 nm which is generated when light of 5 nm is irradiated. Here, the vertical axis indicates a relative value when the maximum value of the light emission intensity is 100. From this, it can be said that when the amount of Tb contained in the glass is 1% by weight or more, the emission intensity increases and the amount of conversion of ultraviolet light to visible light increases, so that the conversion efficiency increases.
【００１１】特に２〜５重量％の間が発光強度が高いの
で望ましい。すなわち、２〜５重量％の間であると、Ｔ
ｂ同士の相互作用による濃度消光現象による可視光の発
光が弱くなることがない。また、Ｔｂ同士の相互作用に
よる蛍光寿命が短寿命化がないので、発光強度が減少す
ることがない。[0011] In particular, between 2% and 5% by weight is desirable because of high emission intensity. That is, if it is between 2 and 5% by weight, T
The emission of visible light due to the concentration quenching phenomenon due to the interaction between b does not become weak. Further, since the fluorescence lifetime due to the interaction between Tb is not shortened, the emission intensity does not decrease.
【００１２】[0012]
【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施形態に係
わるアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）太陽電池の断面
図である。１０重量％のＴｂを含むケイ酸塩ガラス基板
１（厚さ１．０ｍｍ）上に、透明電極２を介してｐ型ア
モルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）層３が形成されてい
る。そして、ｐ型アモルファスシリコン層３上に、ｉ型
アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）層４、ｎ型アモルフ
ァスシリコン（ａ−Ｓｉ）層５が積層されている。そし
て、ｎ型ａ−Ｓｉ層５上には複数の金属電極６が形成さ
れている。FIG. 1 is a sectional view of an amorphous silicon (a-Si) solar cell according to an embodiment of the present invention. A p-type amorphous silicon (a-Si) layer 3 is formed via a transparent electrode 2 on a silicate glass substrate 1 (1.0 mm thick) containing 10% by weight of Tb. An i-type amorphous silicon (a-Si) layer 4 and an n-type amorphous silicon (a-Si) layer 5 are stacked on the p-type amorphous silicon layer 3. A plurality of metal electrodes 6 are formed on the n-type a-Si layer 5.
【００１３】本実施形態のａ−Ｓｉ太陽電池の形成につ
いて以下に説明する。アルコール中で超音波洗浄を行っ
たガラス基板１上に、熱ＣＶＤ法により、透明電極２と
してフッ素（Ｆ）を含む酸化スズ（ＳｎＯ2 ）を約６０
０ｎｍ成膜した。そして次に、高周波プラズマＣＶＤ法
によって、ｐ型ａ−Ｓｉ層３、ｉ型ａ−Ｓｉ層４及びｎ
型ａ−Ｓｉ層５を順次積層した。The formation of the a-Si solar cell of this embodiment will be described below. On a glass substrate 1 that has been subjected to ultrasonic cleaning in alcohol, tin oxide (SnO 2 ) containing fluorine (F) is applied as a transparent electrode 2 to the glass substrate 1 by thermal CVD for about 60 hours.
0 nm was formed. Next, the p-type a-Si layer 3, the i-type a-Si layer 4, and the n-type
The mold a-Si layers 5 were sequentially stacked.
【００１４】ｐ型ａ−Ｓｉ層３は、ＳｉＨ４，ＣＨ４及
びＢ２Ｈ６の混合ガスを原料ガスとして用い、５Ｗの高
周波電力を加えて１５ｎｍの厚さに形成した。また、ｉ
型ａ−Ｓｉ層４は、ＳｉＨ４を原料ガスとして用い、２
０Ｗの高周波電力を加えて、４００ｎｍの厚さに形成し
た。また、ｎ型ａ−Ｓｉ層５は、ＳｉＨ ４ 及びＰＨ ３ の
混合ガスを原料ガスとして用い、１５０Ｗの高周波電力
を加えて、３０ｎｍの厚さに形成した。そして最後に、
電子ビーム蒸着法によって、金属電極６として、アルミ
ニウムを５００ｎｍ成膜して、本実施形態の太陽電池を
形成した。The p-type a-Si layer 3 was formed to a thickness of 15 nm by using a mixed gas of SiH 4 , CH 4 and B 2 H 6 as a source gas and applying a high frequency power of 5 W. Also, i
The type a-Si layer 4 uses SiH 4 as a source gas,
A high-frequency power of 0 W was applied to form a film having a thickness of 400 nm. The n-type a-Si layer 5 was formed to a thickness of 30 nm by using a mixed gas of SiH 4 and PH 3 as a source gas and applying a high frequency power of 150 W. And finally,
A 500 nm-thick aluminum film was formed as the metal electrode 6 by electron beam evaporation to form the solar cell of the present embodiment.
【００１５】ここで、Ｔｂの含まれたケイ酸塩ガラス基
板１単体の透過スペクトルを図２示す。ここで、実線は
Ｔｂを含むケイ酸塩ガラス基板のスペクトルで、破線は
従来の太陽電池に用いていたＴｂを含まないガラスの吸
収スペクトルである。Ｔｂを含むガラス基板１おける、
３００〜４００ｎｍの波長領域の存在する鋭い吸収ピー
クは、Ｔｂの吸収によるものである。また、アモルファ
スシリコンの分光感度の高い波長５００〜６００ｎｍの
範囲には、吸収ピークはなく、Ｔｂを含有させても透明
であることがわかる。また、Ｔｂを含まないガラスの場
合、波長３５０〜４００ｎｍの領域には吸収ピークは存
在せず、９０％程度の透過率を有していることがわか
る。FIG. 2 shows the transmission spectrum of the silicate glass substrate 1 containing Tb alone. Here, a solid line is a spectrum of a silicate glass substrate containing Tb, and a broken line is an absorption spectrum of glass not containing Tb used in a conventional solar cell. In the glass substrate 1 containing Tb,
The sharp absorption peak in the wavelength region of 300 to 400 nm is due to the absorption of Tb . Further, it can be seen that there is no absorption peak in the wavelength range of 500 to 600 nm where the spectral sensitivity of amorphous silicon is high, and it is transparent even when Tb is contained. Further, in the case of glass containing no Tb, it can be seen that there is no absorption peak in the wavelength region of 350 to 400 nm, and the glass has a transmittance of about 90%.
【００１６】また、図３は本実施形態のガラス基板１に
波長３６５ｎｍの光を照射したときの発光スペクトルを
示す図である。５４５ｎｍ付近に明かな発光ピークが認
められる。これは、図２に透過スペクトルを示したよう
に、ガラス基板１中に含まれるＴｂが波長３６５ｎｍを
吸収し、励起された電子がより低いエネルギー状態に遷
移する際にそのエネルギーを光として放出するためであ
る。ここで、照射する光の波長は３６５ｎｍに限らず、
３３０〜４００ｎｍの範囲であれば、緑色の発光が認め
られた。これに対し、Ｔｂを含まない従来のケイ酸塩ガ
ラスに波長３３０〜４００ｎｍの光を照射しても発光は
全く認められなかった。FIG. 3 is a diagram showing an emission spectrum when the glass substrate 1 of this embodiment is irradiated with light having a wavelength of 365 nm. A clear emission peak is observed around 545 nm. This is because, as shown in the transmission spectrum in FIG. 2, the Tb contained in the glass substrate 1 absorbs a wavelength of 365 nm and emits the energy as light when the excited electrons transition to a lower energy state. That's why. Here, the wavelength of the irradiated light is not limited to 365 nm,
In the range of 330 to 400 nm, green light emission was observed. On the other hand, when the conventional silicate glass containing no Tb was irradiated with light having a wavelength of 330 to 400 nm, no light emission was observed.
【００１７】また、比較のためＴｂを含まないケイ酸塩
ガラス基板を使用した従来型の太陽電池を形成した。ガ
ラス基板をはじめ、各層の厚さは前述した太陽電池と全
く同一とした。これらの太陽電池に模擬太陽光を照射し
て特性を評価し、その結果を表１に示す。For comparison, a conventional solar cell using a silicate glass substrate containing no Tb was formed. The thickness of each layer including the glass substrate was exactly the same as the solar cell described above. These solar cells were irradiated with simulated sunlight to evaluate the characteristics, and the results are shown in Table 1.
【００１８】[0018]
【表１】 [Table 1]
【００１９】本実施形態の太陽電池は従来のものと比
べ、短絡電流及び形状因子が増大し、変換効率が約１１
％向上している。また、本実施形態と従来の太陽電池に
模擬太陽光を１００時間照射した後、変換効率の再測定
を行ったところ、従来の太陽電池の変換効率は、初期値
に対し２５％低下したのに対し、本実施形態の太陽電池
の変換効率は、１５％の低下に留まり、光劣化現象が緩
和されることが確認された。The solar cell of the present embodiment has an increased short-circuit current and a form factor as compared with the conventional solar cell, and has a conversion efficiency of about 11
% Has improved. In addition, when the conversion efficiency was measured again after irradiating the present embodiment and the conventional solar cell with simulated sunlight for 100 hours, the conversion efficiency of the conventional solar cell was reduced by 25% from the initial value. On the other hand, it was confirmed that the conversion efficiency of the solar cell of the present embodiment was reduced by only 15%, and the photodegradation phenomenon was reduced.
【００２０】本発明は上記実施形態に限定されるもので
はない。例えば、ガラス基板に含有させるテルビウムの
量は１０重量％に限らず、１重量％以上で有れば良い。
また、ガラス基板にＴｂを含有させるのでは無く、カバ
ーとして使用する強化ガラスにＴｂを含有させても良
い。つまり、光電変換層の光入射側にＴｂを含む母体材
料が存在すれば良い。ただし、母体材料に入射される紫
外光が吸収されないこと、また、Ｔｂを含む母体材料と
光電変換層との間に、Ｔｂの発光した可視光が、吸収さ
れないことが条件である。The present invention is not limited to the above embodiment. For example, the amount of terbium contained in the glass substrate is not limited to 10% by weight, and may be 1% by weight or more.
Further, instead of including Tb in the glass substrate, Tb may be included in the tempered glass used as the cover. That is, a base material containing Tb may be present on the light incident side of the photoelectric conversion layer. However, it is necessary that ultraviolet light incident on the base material is not absorbed, and that visible light emitted by Tb is not absorbed between the base material containing Tb and the photoelectric conversion layer.
【００２１】ガラス基板の厚さは１．０ｍｍに限らな
い。ただし、極端に厚くなると、ガラス自体での光吸収
が無視できなくなるため、Ｔｂを含有させた効果が低減
する。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々
変形して実施することが可能である。The thickness of the glass substrate is not limited to 1.0 mm. However, if the thickness is extremely large, the light absorption by the glass itself cannot be ignored, and the effect of containing Tb is reduced. In addition, various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
【００２２】[0022]
【発明の効果】本発明のアモルファスシリコン太陽電池
は、ガラス基板中に含有させたテルビウムによって、光
電変換に寄与しない紫外光がアモルファスシリコン太陽
電池の感度が高い可視光に変換されるため、変換効率が
向上する。また、エネルギーの高い紫外光が減少するの
で、光劣化現象が緩和される。According to the amorphous silicon solar cell of the present invention, the terbium contained in the glass substrate converts ultraviolet light that does not contribute to photoelectric conversion into visible light with high sensitivity of the amorphous silicon solar cell. Is improved. Further, since ultraviolet light having high energy is reduced, the photodegradation phenomenon is reduced.
【図１】本発明の一実施形態に係わる太陽電池の断面
図。FIG. 1 is a sectional view of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
【図２】本発明の一実施形態に係わるＴｂを含むケイ酸
塩ガラス基板と含まないものの透過率を示す特性図。FIG. 2 is a characteristic diagram showing transmittances of a silicate glass substrate containing Tb according to one embodiment of the present invention and a substrate not containing Tb.
【図３】本発明の一実施形態に係わるＴｂを含有するケ
イ酸塩ガラス基板の発光スペクトルを示す特性図。FIG. 3 is a characteristic diagram showing an emission spectrum of a silicate glass substrate containing Tb according to one embodiment of the present invention.
【図４】従来のアモルファスシリコン太陽電池の分光感
度特性を示す図。FIG. 4 is a diagram showing spectral sensitivity characteristics of a conventional amorphous silicon solar cell.
【図５】Ｔｂを含有するケイ酸塩ガラス基板のＴｂ重量
濃度依存性を示す特性図。FIG. 5 is a characteristic diagram showing the Tb weight concentration dependency of a silicate glass substrate containing Tb.
１ ケイ酸塩ガラス基板 ２ 透明電極 ３ ｐ型アモルファスシリコン層 ４ ｉ型アモルファスシリコン層 ５ ｎ型アモルファスシリコン層 ６ 金属電極 Reference Signs List 1 silicate glass substrate 2 transparent electrode 3 p-type amorphous silicon layer 4 i-type amorphous silicon layer 5 n-type amorphous silicon layer 6 metal electrode
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭54−100279（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−200576（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−187801（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−219773（ＪＰ，Ａ) 実開 昭64−24865（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 31/04 - 31/078 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-54-100279 (JP, A) JP-A-63-200576 (JP, A) JP-A-6-187801 (JP, A) JP-A-6-187801 219773 (JP, A) Japanese Utility Model Showa 64-24865 (JP, U) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 31/04-31/078
Claims (1)
を含むアモルファスシリコン太陽電池において、 前記光電変換層に光が入射する光路の途中に、テルビウ
ム（Ｔｂ）を１重量％以上含有するガラス層が形成され
ていることを特徴とするアモルファスシリコン太陽電
池。1. An amorphous silicon solar cell including a photoelectric conversion layer made of amorphous silicon, wherein a glass layer containing 1% by weight or more of terbium (Tb) is formed in an optical path where light enters the photoelectric conversion layer. An amorphous silicon solar cell, characterized in that:
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| JP11148196A JP3202593B2 (en) | 1996-05-02 | 1996-05-02 | Amorphous silicon solar cell |
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| Publication Number | Publication Date |
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| JPH09298306A JPH09298306A (en) | 1997-11-18 |
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- 1996-05-02 JP JP11148196A patent/JP3202593B2/en not_active Expired - Fee Related
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20010515 |
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