JP3203102B2 - 光起電力装置 - Google Patents
光起電力装置Info
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- Japan
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- layer
- region
- photovoltaic device
- substrate
- amorphous semiconductor
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は光起電力装置に関し、
特にたとえば太陽電池や光センサなどに用いられる光起
電力装置に関する。
特にたとえば太陽電池や光センサなどに用いられる光起
電力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】非晶質半導体層を用いた従来の光起電力
装置において、変換効率の向上をめざした技術の１つ
に、表面に微細な凹凸（以下「テクスチャ」という）を
持たせた透明電極がその上に形成された基板（以下「テ
クスチャ基板」という）を用いた光閉じ込め技術があ
る。
装置において、変換効率の向上をめざした技術の１つ
に、表面に微細な凹凸（以下「テクスチャ」という）を
持たせた透明電極がその上に形成された基板（以下「テ
クスチャ基板」という）を用いた光閉じ込め技術があ
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】この従来技術は、短絡
光電流の改善に大きな効果があり、太陽電池特性の向上
に有効な技術であるが、フラット基板を用いた太陽電池
に比べると、内部量子効率が低下することが計算機シミ
ュレーションから明らかになっている。その原因の１つ
として、テクスチャ構造に起因して光起電力装置のバル
ク内に電位分布の偏りが生じるため、テクスチャ基板表
面の凹部近傍で内部電界の弱い部分が生じ、その結果と
して部分的に生成キャリアの再結合速度が大きくなる個
所が生じるためであることがシミュレーションの結果か
ら予想されている（1991年 第５２回応用物理学会学術
講演会予稿集 9p-D-8）。その結果、変換効率の向上が
妨げられていた。
光電流の改善に大きな効果があり、太陽電池特性の向上
に有効な技術であるが、フラット基板を用いた太陽電池
に比べると、内部量子効率が低下することが計算機シミ
ュレーションから明らかになっている。その原因の１つ
として、テクスチャ構造に起因して光起電力装置のバル
ク内に電位分布の偏りが生じるため、テクスチャ基板表
面の凹部近傍で内部電界の弱い部分が生じ、その結果と
して部分的に生成キャリアの再結合速度が大きくなる個
所が生じるためであることがシミュレーションの結果か
ら予想されている（1991年 第５２回応用物理学会学術
講演会予稿集 9p-D-8）。その結果、変換効率の向上が
妨げられていた。
【０００４】それゆえに、この発明の主たる目的は、変
換効率を向上できる、光起電力装置を提供することであ
る。
換効率を向上できる、光起電力装置を提供することであ
る。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この発明は、凹凸基板お
よび凹凸基板上に形成される非晶質半導体層を含む光起
電力装置において、凹凸基板の凹部に相当する非晶質半
導体層の凸部にドーパントの活性化率が高い高活性化領
域を形成したことを特徴とする、光起電力装置である。
よび凹凸基板上に形成される非晶質半導体層を含む光起
電力装置において、凹凸基板の凹部に相当する非晶質半
導体層の凸部にドーパントの活性化率が高い高活性化領
域を形成したことを特徴とする、光起電力装置である。
【０００６】
【作用】凹凸基板上の凹部に相当する非晶質半導体層の
凸部に、ドーパントの活性化率が高い高活性化領域を形
成する。高活性化領域は、ハイドープ領域または微結晶
化領域として形成される。したがって、光起電力装置の
バルク内での電位分布の偏りを低減して電位分布を均一
化し、凹部近傍における内部電界が弱められるのを防
ぐ。その結果、生成キャリアの再結合速度の上昇および
内部量子効率の低下を抑える。
凸部に、ドーパントの活性化率が高い高活性化領域を形
成する。高活性化領域は、ハイドープ領域または微結晶
化領域として形成される。したがって、光起電力装置の
バルク内での電位分布の偏りを低減して電位分布を均一
化し、凹部近傍における内部電界が弱められるのを防
ぐ。その結果、生成キャリアの再結合速度の上昇および
内部量子効率の低下を抑える。
【０００７】
【発明の効果】この発明によれば、生成キャリアの再結
合速度の上昇および内部量子効率の低下を抑えることが
できるので、光起電力装置の変換効率を向上させること
ができ、高効率の光起電力装置が得られる。この発明の
上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を
参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らか
となろう。
合速度の上昇および内部量子効率の低下を抑えることが
できるので、光起電力装置の変換効率を向上させること
ができ、高効率の光起電力装置が得られる。この発明の
上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を
参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らか
となろう。
【０００８】
【実施例】図１（Ｄ）を参照して、この実施例の光起電
力装置１０は、いわゆる順タイプに構成され、ガラス基
板などの透光性基板１２を含む。透光性基板１２上に
は、テクスチャ構造を有するＳｎＯ2 などの透明電極１
４，ｐ型のａ−ＳｉＣの非晶質半導体層（ｐ層）１６，
ノンドープのａ−Ｓｉからなる非晶質半導体層（ｉ層）
１８，ｎ型のａ−Ｓｉからなる非晶質半導体層（ｎ層）
２０，およびたとえばＡｇまたはＡｌ等の金属からなる
裏面電極２２が、順に積層形成される。ここで、透明電
極１４の凹部２４に相当するｐ層１６の凸部には、ドー
パントの活性化率が高くなる高活性化領域２６が形成さ
れる。
力装置１０は、いわゆる順タイプに構成され、ガラス基
板などの透光性基板１２を含む。透光性基板１２上に
は、テクスチャ構造を有するＳｎＯ2 などの透明電極１
４，ｐ型のａ−ＳｉＣの非晶質半導体層（ｐ層）１６，
ノンドープのａ−Ｓｉからなる非晶質半導体層（ｉ層）
１８，ｎ型のａ−Ｓｉからなる非晶質半導体層（ｎ層）
２０，およびたとえばＡｇまたはＡｌ等の金属からなる
裏面電極２２が、順に積層形成される。ここで、透明電
極１４の凹部２４に相当するｐ層１６の凸部には、ドー
パントの活性化率が高くなる高活性化領域２６が形成さ
れる。
【０００９】このような光起電力装置１０は、たとえば
以下に示すように形成される。まず、図１（Ａ）に示す
ように、透光性基板１２上に、たとえば熱ＣＶＤ法など
でテクスチャ構造を有する透明電極１４が形成される。
テクスチャのヘイズ率は１０％以上であり、テクスチャ
の底から頂点までの高さＨおよび頂点相互間の距離Ｌは
いずれもたとえば５０〜５００ｎｍに形成される。次い
で、その状態でチャンバ内に入れられ、図１（Ｂ）に示
すように、透明電極１４上にｐ層１６が、たとえばプラ
ズマＣＶＤ法などによって形成される。ｐ層１６は、た
とえば５０〜２００Åに形成される。図２（Ｃ）に示す
ように、ｐ層１６の高活性化領域２６は後述のようにし
てハイドープ領域または微結晶化領域として形成される
ことによって、ドーパントの活性化率が高くなる。そし
て、図１（Ｄ）に示すように、ｉ層１８，ｎ層２０およ
び裏面電極２２が、それぞれたとえばプラズマＣＶＤ法
などによって形成される。ｉ層１８は、たとえば３００
０〜７０００Åに形成され、ｎ層は、たとえば５０〜４
００Åに形成され、裏面電極２２は、たとえば３０００
Å以上に形成される。
以下に示すように形成される。まず、図１（Ａ）に示す
ように、透光性基板１２上に、たとえば熱ＣＶＤ法など
でテクスチャ構造を有する透明電極１４が形成される。
テクスチャのヘイズ率は１０％以上であり、テクスチャ
の底から頂点までの高さＨおよび頂点相互間の距離Ｌは
いずれもたとえば５０〜５００ｎｍに形成される。次い
で、その状態でチャンバ内に入れられ、図１（Ｂ）に示
すように、透明電極１４上にｐ層１６が、たとえばプラ
ズマＣＶＤ法などによって形成される。ｐ層１６は、た
とえば５０〜２００Åに形成される。図２（Ｃ）に示す
ように、ｐ層１６の高活性化領域２６は後述のようにし
てハイドープ領域または微結晶化領域として形成される
ことによって、ドーパントの活性化率が高くなる。そし
て、図１（Ｄ）に示すように、ｉ層１８，ｎ層２０およ
び裏面電極２２が、それぞれたとえばプラズマＣＶＤ法
などによって形成される。ｉ層１８は、たとえば３００
０〜７０００Åに形成され、ｎ層は、たとえば５０〜４
００Åに形成され、裏面電極２２は、たとえば３０００
Å以上に形成される。
【００１０】なお、表１に、ｐ層１６，ｉ層１８および
ｎ層２０の形成条件を示す。
ｎ層２０の形成条件を示す。
【００１１】
【表１】
【００１２】このように形成される光起電力装置１０に
おいて、ｐ層１６の高活性化領域２６は以下のように形
成される。まず、高活性化領域２６をハイドープ領域と
して形成する場合について述べる。ｐ層１６は、図２に
示すように、原料ガスを透光性基板１２表面に対して平
行（矢印Ａに示す）に導入して形成される。ガス口（図
示せず）は基板を囲むように周りに配置される。このよ
うに原料ガスを透光性基板１２表面に対して平行に導入
することによって、透明電極１４の凸部２８は原料ガス
に直接さらされるが、凹部２４はさらされない。したが
って、透明電極１４の表面で温度分布が生じ、凹部２４
は凸部２８に比べて高温になる。このときの凸部２８と
凹部２４との間に生じる温度差は、ガス流量によって異
なり、ガス流量が１００ｓｃｃｍ程度では２０〜３０℃
であるが、ガス流量が多いほど温度差が大きくなり、１
ＳＬＭ以上では５０℃以上になる。
おいて、ｐ層１６の高活性化領域２６は以下のように形
成される。まず、高活性化領域２６をハイドープ領域と
して形成する場合について述べる。ｐ層１６は、図２に
示すように、原料ガスを透光性基板１２表面に対して平
行（矢印Ａに示す）に導入して形成される。ガス口（図
示せず）は基板を囲むように周りに配置される。このよ
うに原料ガスを透光性基板１２表面に対して平行に導入
することによって、透明電極１４の凸部２８は原料ガス
に直接さらされるが、凹部２４はさらされない。したが
って、透明電極１４の表面で温度分布が生じ、凹部２４
は凸部２８に比べて高温になる。このときの凸部２８と
凹部２４との間に生じる温度差は、ガス流量によって異
なり、ガス流量が１００ｓｃｃｍ程度では２０〜３０℃
であるが、ガス流量が多いほど温度差が大きくなり、１
ＳＬＭ以上では５０℃以上になる。
【００１３】ここで図３に、ｐ層１６の形成温度とその
導電率との関係を示す。ガス流量はトータルで１．５Ｓ
ＬＭである。図３からわかるように、ｐ層１６の温度が
高いほど導電率は高くなり、これは、高温になるほどド
ーパントの活性化率が高いことを示している。ただし、
ｐ層１６の温度が２５０℃以上になると、導電率の変化
は小さくなるので、実際には１５０℃以下の温度でｐ層
１６が形成されることが望ましい。
導電率との関係を示す。ガス流量はトータルで１．５Ｓ
ＬＭである。図３からわかるように、ｐ層１６の温度が
高いほど導電率は高くなり、これは、高温になるほどド
ーパントの活性化率が高いことを示している。ただし、
ｐ層１６の温度が２５０℃以上になると、導電率の変化
は小さくなるので、実際には１５０℃以下の温度でｐ層
１６が形成されることが望ましい。
【００１４】この実施例によれば、透明電極１４のテク
スチャ表面に形成されるｐ層１６は、温度の高い凹部２
４ほどドーパントの活性化率が高くなり、凹部２４に相
当するｐ層１６の凸部にこの実施例の特徴である高活性
化領域２６が形成される。このようにハイドープ領域を
形成することによって、光起電力装置１０のバルク内で
の電位分布の偏り（テクスチャ構造に起因して生じる）
を低減して電位分布を均一化し、凹部２４近傍における
内部電界が弱められるのを防ぐ。その結果、生成キャリ
アの再結合速度の上昇および内部量子効率の低下を抑え
ることができる。
スチャ表面に形成されるｐ層１６は、温度の高い凹部２
４ほどドーパントの活性化率が高くなり、凹部２４に相
当するｐ層１６の凸部にこの実施例の特徴である高活性
化領域２６が形成される。このようにハイドープ領域を
形成することによって、光起電力装置１０のバルク内で
の電位分布の偏り（テクスチャ構造に起因して生じる）
を低減して電位分布を均一化し、凹部２４近傍における
内部電界が弱められるのを防ぐ。その結果、生成キャリ
アの再結合速度の上昇および内部量子効率の低下を抑え
ることができる。
【００１５】図１に示す光起電力装置１０を用いて形成
された太陽電池（実施例１）の太陽電池特性を、従来構
造の太陽電池（従来例１）のそれと比較したものを表２
に示す。
された太陽電池（実施例１）の太陽電池特性を、従来構
造の太陽電池（従来例１）のそれと比較したものを表２
に示す。
【００１６】
【表２】
【００１７】表２からわかるように、実施例１によれ
ば、太陽電池特性の曲線因子（Ｆ．Ｆ．）が改善され、
変換効率（Ｅｆｆ．）が向上することがわかる。次に、
高活性化領域２６を微結晶化領域として形成する場合、
ｐ層１６は、アモルファス半導体層として形成され、そ
の中に微結晶化領域が形成される。その方法としては固
相成長法やレーザを利用した方法がある。
ば、太陽電池特性の曲線因子（Ｆ．Ｆ．）が改善され、
変換効率（Ｅｆｆ．）が向上することがわかる。次に、
高活性化領域２６を微結晶化領域として形成する場合、
ｐ層１６は、アモルファス半導体層として形成され、そ
の中に微結晶化領域が形成される。その方法としては固
相成長法やレーザを利用した方法がある。
【００１８】まず、固相成長法を利用して微結晶化領域
を形成する方法について述べる。アモルファスＳｉの微
結晶化に関して、出発材料の歪みエネルギの大きい場所
に結晶核が発生しやすいことが固相成長法による薄膜多
結晶シリコンの形成実験から知られている（参考文献
１：T.Matsuyama et al.“HIGH-QUALITY POLYCRYSTALLI
NE SILICON THIN FILMS PREPARED BY SOLID PHASE CRYS
TALLIZATION (SPC)METHOD”Proc. of the MRS Fall Mee
tig, Nov. 30-Dec.4,1992, Boston）。この実験事実
は、この実施例において透明電極１４の凹部２４に相当
するｐ層１６の凸部、すなわち高活性化領域２６を選択
的に微結晶化領域として形成するために応用できる。す
なわち、高活性化領域２６は歪みエネルギが大きいた
め、結晶核が優先的に発生し、その部分のドーパントの
活性化率を高めることができる。したがって、この実施
例ではこの方法を用いることによって、透明電極１４上
にｐ層１６がたとえばプラズマＣＶＤ法などを用いて形
成された後、その状態の基板が短時間熱処理されて結晶
核を発生させ、微結晶化領域を形成している。このと
き、ｐ層１６はたとえば１００Åの膜厚に形成され、５
００〜６００℃で熱処理される。そして、所望の結晶核
が形成されると固相成長（ＳＰＣ）が止められるように
処理時間を制御する。たとえば３０分で固相成長を止め
れば、凹部２４上で所望の結晶核すなわち微結晶化領域
が形成される。
を形成する方法について述べる。アモルファスＳｉの微
結晶化に関して、出発材料の歪みエネルギの大きい場所
に結晶核が発生しやすいことが固相成長法による薄膜多
結晶シリコンの形成実験から知られている（参考文献
１：T.Matsuyama et al.“HIGH-QUALITY POLYCRYSTALLI
NE SILICON THIN FILMS PREPARED BY SOLID PHASE CRYS
TALLIZATION (SPC)METHOD”Proc. of the MRS Fall Mee
tig, Nov. 30-Dec.4,1992, Boston）。この実験事実
は、この実施例において透明電極１４の凹部２４に相当
するｐ層１６の凸部、すなわち高活性化領域２６を選択
的に微結晶化領域として形成するために応用できる。す
なわち、高活性化領域２６は歪みエネルギが大きいた
め、結晶核が優先的に発生し、その部分のドーパントの
活性化率を高めることができる。したがって、この実施
例ではこの方法を用いることによって、透明電極１４上
にｐ層１６がたとえばプラズマＣＶＤ法などを用いて形
成された後、その状態の基板が短時間熱処理されて結晶
核を発生させ、微結晶化領域を形成している。このと
き、ｐ層１６はたとえば１００Åの膜厚に形成され、５
００〜６００℃で熱処理される。そして、所望の結晶核
が形成されると固相成長（ＳＰＣ）が止められるように
処理時間を制御する。たとえば３０分で固相成長を止め
れば、凹部２４上で所望の結晶核すなわち微結晶化領域
が形成される。
【００１９】このように微結晶化領域を形成することに
よって、光起電力装置１０のバルク内での電位分布の偏
り（テクスチャ構造に起因して生じる）を低減して電位
分布を均一化し、凹部２４近傍における内部電界が弱め
られるのを防ぐ。その結果、生成キャリアの再結合速度
の上昇および内部量子効率の低下を抑えることができ
る。
よって、光起電力装置１０のバルク内での電位分布の偏
り（テクスチャ構造に起因して生じる）を低減して電位
分布を均一化し、凹部２４近傍における内部電界が弱め
られるのを防ぐ。その結果、生成キャリアの再結合速度
の上昇および内部量子効率の低下を抑えることができ
る。
【００２０】このようにして高活性化領域２６を微結晶
化して得られた光起電力装置を用いて形成された太陽電
池（実施例２）と微結晶化処理していない従来の太陽電
池（従来例２）との電流−電圧特性を図５に示す。図５
において、ａは実施例２，ｂは従来例２の特性を示す。
また、各々の太陽電池特性を表３に示す。
化して得られた光起電力装置を用いて形成された太陽電
池（実施例２）と微結晶化処理していない従来の太陽電
池（従来例２）との電流−電圧特性を図５に示す。図５
において、ａは実施例２，ｂは従来例２の特性を示す。
また、各々の太陽電池特性を表３に示す。
【００２１】
【表３】
【００２２】図５および表３から明らかなように、実施
例２の方が曲線因子が高く、また短絡電流が若干向上し
ており、変換効率が向上していることがわかる。したが
って、実施例２によれば、太陽電池特性を向上させるこ
とができる。次いで、レーザを利用して微結晶化領域を
形成する方法について述べる。まず、図１（Ａ）および
（Ｂ）と同様に、透明電極１４上にｐ層１６がたとえば
プラズマＣＶＤ法などを用いて形成された後、図４に示
すように、透光性基板１２側から矢印Ｂに示すようにレ
ーザ光が入射される。入射されたレーザ光は、透明電極
１４とｐ層１６との屈折率の差によって、図４に示すよ
うに屈折する。その結果、凹部２４の底近辺にレーザ光
のエネルギが集中する部分が生じ、その部分にのみ微結
晶化領域を形成することができる。
例２の方が曲線因子が高く、また短絡電流が若干向上し
ており、変換効率が向上していることがわかる。したが
って、実施例２によれば、太陽電池特性を向上させるこ
とができる。次いで、レーザを利用して微結晶化領域を
形成する方法について述べる。まず、図１（Ａ）および
（Ｂ）と同様に、透明電極１４上にｐ層１６がたとえば
プラズマＣＶＤ法などを用いて形成された後、図４に示
すように、透光性基板１２側から矢印Ｂに示すようにレ
ーザ光が入射される。入射されたレーザ光は、透明電極
１４とｐ層１６との屈折率の差によって、図４に示すよ
うに屈折する。その結果、凹部２４の底近辺にレーザ光
のエネルギが集中する部分が生じ、その部分にのみ微結
晶化領域を形成することができる。
【００２３】この場合においても、上述の固相成長法を
用いて微結晶化領域を形成する場合と同様の効果が得ら
れる。なお、この発明は、透明電極１４上に、ｎ層２
０，ｉ層１８およびｐ層１６の順に各層が積層形成され
る構造の光起電力装置に対しても用いることができる。
この場合、たとえばハイドープ領域を形成するには、ｎ
層形成時に原料ガスを透光性基板１２表面に対して平行
に導入すればよい。
用いて微結晶化領域を形成する場合と同様の効果が得ら
れる。なお、この発明は、透明電極１４上に、ｎ層２
０，ｉ層１８およびｐ層１６の順に各層が積層形成され
る構造の光起電力装置に対しても用いることができる。
この場合、たとえばハイドープ領域を形成するには、ｎ
層形成時に原料ガスを透光性基板１２表面に対して平行
に導入すればよい。
【００２４】また、いわゆる逆タイプの光起電力装置の
場合にも、その基板にテクスチャ構造のものを用いれ
ば、利用できる。
場合にも、その基板にテクスチャ構造のものを用いれ
ば、利用できる。
【図１】この発明の一実施例の製造工程を示す図解図で
ある。
ある。
【図２】透明電極上にｐ層およびハイドープ領域を形成
する方法を示す図解図である。
する方法を示す図解図である。
【図３】ｐ層の温度と導電率との関係を示すグラフであ
る。
る。
【図４】レーザを用いて透明電極の凹部上に微結晶化領
域を形成する方法を示す図解図である。
域を形成する方法を示す図解図である。
【図５】微結晶化領域を有する光起電力装置を用いて得
られた太陽電池および微結晶化処理していない従来の太
陽電池のそれぞれの電流−電圧特性を示すグラフであ
る。
られた太陽電池および微結晶化処理していない従来の太
陽電池のそれぞれの電流−電圧特性を示すグラフであ
る。
１０ …光起電力装置 １２ …透光性基板 １４ …透明電極 １６ …ｐ層 １８ …ｉ層 ２０ …ｎ層 ２２ …裏面電極 ２４ …凹部 ２６ …高活性化領域 ２８ …凸部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 31/04 - 31/078
Claims (3)
- 【請求項１】凹凸基板および前記凹凸基板上に形成され
る非晶質半導体層を含む光起電力装置において、 前記凹凸基板の凹部に相当する前記非晶質半導体層の凸
部にドーパントの活性化率が高い高活性化領域を形成し
たことを特徴とする、光起電力装置。 - 【請求項２】前記高活性化領域はハイドープ領域として
形成される、請求項１記載の光起電力装置。 - 【請求項３】前記非晶質半導体層はアモルファス半導体
層として形成され、 前記高活性化領域は微結晶化領域として形成される、請
求項１記載の光起電力装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18380293A JP3203102B2 (ja) | 1993-07-26 | 1993-07-26 | 光起電力装置 |
| US08/280,453 US5549763A (en) | 1993-07-26 | 1994-07-26 | Photovoltaic device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18380293A JP3203102B2 (ja) | 1993-07-26 | 1993-07-26 | 光起電力装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0745845A JPH0745845A (ja) | 1995-02-14 |
| JP3203102B2 true JP3203102B2 (ja) | 2001-08-27 |
Family
ID=16142164
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP18380293A Expired - Lifetime JP3203102B2 (ja) | 1993-07-26 | 1993-07-26 | 光起電力装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3203102B2 (ja) |
-
1993
- 1993-07-26 JP JP18380293A patent/JP3203102B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0745845A (ja) | 1995-02-14 |
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