JP3659511B2 - Photovoltaic element - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、光起電力素子に係わり、特に光電変換効率が高く、且つ信頼性の高い光起電力素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
太陽光を電気エネルギーに変換する光電変換素子である光起電力素子は、電卓、腕時計など民生用の小電力用電源として広く応用されており、また、将来、石油、石炭などのいわゆる化石燃料の代替用電力として実用化可能な技術として注目されている。
【0003】
光起電力素子は半導体のpn接合の光起電力を利用した技術であり、シリコンなどの半導体が太陽光を吸収し電子と正孔の光キャリアを生成し、該光キャリアをpn接合部の内部電界によりドリフトさせ、外部に取り出すものである。この様な光起電力素子の作製方法としては、ほぼ半導体プロセスを用いることにより行われる。具体的には、CZ法などの結晶成長法によりp型、あるいはn型に価電子制御したシリコンの単結晶を作製し、該単結晶をスライスして約300μmの厚みのシリコンウエハを作る。さらに前記ウエハの導電型と反対の導電型となるように価電子制御剤を拡散などの適当な手段により、異種の導電型の層を形成することでpn接合を作るものである。
【0004】
ところで、現在、主に実用化されている光起電力素子には、信頼性や変換効率の観点から、単結晶シリコンが使われているが、上述のように光起電力素子作製は半導体プロセスを用いるため生産コストは高いものとなっている。
【0005】
単結晶シリコン光起電力素子の他の欠点は、単結晶シリコンは間接遷移であるため光吸収係数が小さく、単結晶の光起電力素子は入射太陽光を吸収するために少なくとも50ミクロンの厚さにしなければならないことや、バンドギャップが約1.1eVと、光起電力素子として好適な1.5eVよりも狭いため太陽光全体を有効に利用できないことである。また、仮に、多結晶シリコンを用いて生産コストを下げたとしても、間接遷移の問題は残り、光起電力素子の厚さを減らすことはできない。さらに多結晶シリコンには粒界その他の問題を合わせ持っている。
【0006】
更に、結晶質であるがために面積の大きなウエハーは製造できず大面積化が困難であり、大きな電力を取り出す場合には単位素子を直列化あるいは、並列化をするための配線を行わなければならないことや、屋外で使用する際に光起電力素子を様々な気象条件によりもたらされる機械的損傷から保護するため、高価な実装が必要になることなどから、単位発電量に対する生産コストが既存の発電方法に比べて割高になってしまうという問題がある。
【0007】
このような事情から光起電力素子の電力用としての実用化を進めるに当たって、低コスト化及び大面積化が重要な技術的課題であり、様々な検討がなされており、コストの安い材料、変換効率の高い材料などの材料の探求が行われてきた。このような光起電力素子の材料としては、非晶質シリコン、非晶質シリコンゲルマニウム、非晶質炭化珪素などのテトラヘドラル系の非晶質半導体や、CdS,Cu2SなどのII−VI族やGaAs,GaAlAsなどのIII-V族の化合物半導体等が挙げられる。とりわけ、非晶質半導体を光起電力発生層に用いた薄膜光起電力素子は、単結晶光起電力素子に比較して大面積の膜が作製できることや、膜厚が薄くて済むこと、任意の基板材料に堆積できることなどの長所があり有望視されている。
【0008】
しかしながら、上記非晶質半導体を用いた光起電力素子は、電力用素子としては光電変換効率の向上、信頼性の向上の面で問題が残っている。
【0009】
非晶質半導体を用いた光起電力素子の光電変換効率の向上の手段としては、例えば、バンドギャップを狭くして長波長の光に対する感度を増加することが行われている。即ち、非晶質シリコンは、バンドギャップが約1.7eV位であるため700nm以上の長波長の光は吸収できず、有効に利用できないため、長波長光に感度のある、バンドギャップが狭い材料を用いることが検討されている。この様な材料としては成膜時にシリコン原料ガスとゲルマニウム原料ガスの比を変えることで容易にバンドギャップを1.3eV位から1.7eV位まで任意に変化できる非晶質シリコンゲルマニウムが挙げられる。
【0010】
また、光起電力素子の変換効率を向上させる他の方法として単位素子構造の光起電力素子を複数積層するいわゆるスタックセルを用いることが米国特許2,949,498明細書に開示されている。このスタックセルにはpn接合結晶半導体が用いられたが、その思想は非晶質あるいは結晶質いずれにも共通するものであり、太陽光スペクトルを、異なるバンドギャップの光起電力素子により効率よく吸収させ、開放電圧Vocを増大させる事により発電効率を向上させるものであった。
【0011】
スタックセルは、異なるバンドギャップの素子を積層し太陽光線のスペクトルの各部分を効率よく吸収することにより変換効率を向上させるものであり積層する素子の光入射側に位置するいわゆるトップ層のバンドギャップよりも該トップ層の下に位置するいわゆるボトム層のバンドギャップが狭くなる様に設計される。これに対して浜川らは同じバンドギャップの非晶質シリコンを光起電力素子間に絶縁層を持たない形で多重積層し素子全体のVocを増加させるいわゆるカスケード型電池を報告している。この方法では同じバンドギャップの非晶質シリコン材料から作られる単位素子を積層する方法である。
【0012】
非晶質シリコンゲルマニウムはバンドギャップが狭く長波長の光に対し感度が優れているため上述したスタックセルのボトム層として好適な材料として用いられる。
【0013】
ところで、このように長波長感度を向上させ、また、スタックセルのボトム層としても応用可能な非晶質シリコンゲルマニウムは、一般的に膜質において非晶質シリコンよりも劣り、光起電力素子を作製した場合も変換効率が低いという欠点がある。この原因はバンドギャップ内の局在準位が非晶質シリコンに比べて多いためである。このため、バンドギャップ内準位を減らして膜質を向上させるための研究開発が行われているが、例えば、活性化されたフッ素原子を用いて非晶質シリコンゲルマニウム中のダングリングボンドを補償し局在準位密度を低減した非晶質シリコンゲルマニウムが、特公昭63−48197号公報等に開示されている。
【0014】
一方、上述のような膜質の本質的な向上以外の方法で非晶質シリコンゲルマニウム光起電力素子特性の向上も検討されている。その一例としてp型半導体及び/またはn型半導体とi型半導体層との接合界面においてバンド幅の傾斜を持たせるいわゆるバッファ層を用いる方法が米国特許第4,254,429号公報、米国特許第4,377,723号公報に開示されている。該バッファ層の目的は非晶質シリコンによって作製されるp型半導体またはn型半導体と非晶質シリコンゲルマニウムで作製されるi型半導体との接合界面には、格子定数の違いにより多数の準位が生成されるため接合界面に非晶質シリコンを用いることにより準位を無くして接合を良くしキャリアの走行性を損なわないようにしてVocを向上させることにある。
【0015】
さらに、他の方法として、シリコンとゲルマニウムの組成比を変化させることによりイントリンジック層中に組成の分布を設け特性を向上させるいわゆる傾斜層を設ける方法が開示されている。例えば、米国特許第4,816,082号公報によれば、光入射側の第1の価電子制御された半導体層に接する部分のi層のバンドギャップを広くし、中央部に向かうに従い徐々にバンドギャップを狭くし、更に、第2の価電子制御された半導体層に向かうに従い徐々にバンドギャップを広くしていく方法が開示されている。該方法によれば、光により発生したキャリアは、内部電界の働きにより、効率良く分離でき特性が向上する。
【0016】
ところで、非晶質半導体を用いた光起電力素子の他の問題点は、光照射により変換効率が低下することである。これは、非晶質シリコン及び非晶質シリコンゲルマニウムは光照射により膜質が低下してしまい、このためキャリアの走行性が悪くなることにより引き起こされるものであり、結晶系には見られない非晶質半導体特有の現象である。そのため電力用途に用いる場合、信頼性が劣り、実用化の障害となっているのが実状である。非晶質半導体の光劣化の改善は、鋭意研究がなされているが、膜質を改善することにより光劣化を防止する検討がされている一方、セル構造の改良による光劣化の低減も検討されている。この様な方法の具体例として、上述したスタックセル構造を用いることは有効な手段であり、光照射によるセル特性の低下が少なくなることが確認されている。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら前記非晶質光起電力素子においては、結晶系シリコン光起電力素子に比べ膜質が劣るため変換効率が充分ではなく、1ワット当りの発電コストは既存の原子力、火力、水力発電等よりも高いものとなっている。非晶質シリコン系の光起電力素子が既存の発電方法と伍して電力用途に用いられるためには変換効率をさらに向上させることが求められている。
【0018】
更に、上述したように光劣化のメカニズムの解明及び光劣化防止の検討が続けられているにもかかわらず光劣化の問題は完全には解決できておらず、非晶質シリコン系の光起電力素子は更なる信頼性が求められている。
【0019】
本発明の目的は、上述した問題点を解決し、実用化に適した低コストで、且つ信頼性及び光電変換効率が高い光起電力素子を提供することである。
【0020】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上述した問題点を克服し、光劣化が少なく、且つ、変換効率の高いスタック型の光起電力素子を鋭意検討した結果、下述する実験結果から以下のような知見を得た。
【0021】
すなわち、
(1)高い光電変換効率を維持しながら、光劣化率を低下させ、光劣化後の変換効率を向上させるには、いわゆるスタック型の光起電力素子の中でも、光入射側から数えて第一のpin接合のi層として非晶質シリコンを用い、第二および第三のpin接合のi層として非晶質シリコンゲルマニウムを用いたSi/SiGe/SiGeトリプル型の光起電力素子が適していること、
(2)さらに、第二または第三のpin接合のi層である非晶質シリコンゲルマニウムの膜厚を従来好適と考えられてきた膜厚を外れて薄くすることによって、スタック型の光起電力素子の中でもさらに光劣化を抑制することができること、
(3)さらに、第二または第三のpin接合のi層である非晶質シリコンゲルマニウムのゲルマニウム組成を増大させることによって、非晶質シリコンゲルマニウムの膜厚を薄くした場合でも高い光電変換効率を維持できること、
(4)さらに、前記第二または第三のpin接合のp層と非晶質シリコンゲルマニウム層の間に非晶質シリコン層あるいは非晶質シリコンカーボン層を配置することにより、またさらに、非晶質シリコンゲルマニウム層のゲルマニウム組成を膜厚方向で変化させ、ゲルマニウム組成が最大となる位置をp層側から測って、非晶質シリコンゲルマニウム層全体の膜厚の4分の1以下にすることによってトリプル型の光起電力素子の光劣化後の光電変換効率をさらに高めることができること、
(5)さらに、従来は非晶質シリコンゲルマニウムは、ゲルマニウム組成を増大させると局在準位密度が増大し、膜質が低下すると考えられていたが、非晶質シリコンゲルマニウムの堆積手段として、マイクロ波CVD法を用い特に堆積初期のプラズマ状態を制御することによって、ゲルマニウム組成を増大させた場合においても局在準位密度を抑制し、良好な膜質を維持して、トリプル型の光起電力素子の光劣化後の光電変換効率をさらに高めることができること、
である。
【0022】
本発明は以上の知見に基いて更なる研究を行い、光起電力素子に適用し、完成するに至ったものである。
【0023】
然るに、本発明の骨子とするところは、p型半導体層とi型半導体層とn型半導体層を積層して形成したpin型の半導体接合を複数重ねた、いわゆるスタック型の光起電力素子において、光入射側から数えて第一のpin接合のi層として非晶質シリコンを用い、第二および第三のpin接合のi層として非晶質シリコンゲルマニウムを用い、第二のpin接合のi層である非晶質シリコンゲルマニウムの膜厚を100nm以下にすること、及び、第三のpin接合のi層である非晶質シリコンゲルマニウムの膜厚を150nm以下にしたことを特徴とする光起電力素子である。
【0024】
さらには、前記第二のpin接合のi層である非晶質シリコンゲルマニウムのゲルマニウム組成(Ge/(Si+Ge))を0.35以上にすること、前記第三のpin接合のi層である非晶質シリコンゲルマニウムのゲルマニウム組成(Ge/(Si+Ge))を0.40以上にすることが好ましい。
【0025】
また、前記第二または/および第三のpin接合のp層と非晶質シリコンゲルマニウム層の間に非晶質シリコン層あるいは非晶質シリコンカーボン層を配置するのが好ましく、さらに非晶質シリコンゲルマニウム層のゲルマニウム組成を膜厚方向で変化させ、ゲルマニウム組成が最大となる位置をp層側から測って、非晶質シリコンゲルマニウム層全体の膜厚の4分の1以下にするのが好ましい。
【0026】
さらには、前記第二および第三のpin接合のi層である非晶質シリコンゲルマニウムの局在準位密度が、コンスタントフォトカレントメソッドによって測定した場合に、5×1016/cm3以下であるのが好ましい。
【0027】
【作用及び実施態様例】
請求項1と2の発明によれば、第二および第三のpin接合のi層である非晶質シリコンゲルマニウムの膜厚を、従来好適と考えられてきた膜厚を外れて薄くすることによって、光照射によるi層中での局在準位の増加を抑制することができ、スタック型の光起電力素子の中でもさらに光劣化を抑制することができる。
【0028】
請求項3と4の発明によれば、第二または/および第三のpin接合のi層である非晶質シリコンゲルマニウムのゲルマニウム組成を増大させることによって、非晶質シリコンゲルマニウムの膜厚を上述の如く薄くした場合においても、第一、第二及び第三のpin接合で発生する電流のマッチングをとることができ、光劣化を抑制しながら、なおかつ高い光電変換効率を維持することができる。
【0029】
請求項5〜7の発明によれば、非晶質シリコンゲルマニウム中のゲルマニウムの含有量を増大させた場合においても、光起電力素子の開放電圧(Voc)と曲線因子(FF)を特に向上させることができ、光劣化を抑制しながら、なおかつさらに高い光電変換効率を維持することができる。
【0030】
以上の構成の本発明のスタック型光起電力素子によって、第二、第三のpin接合のi層である非晶質シリコンゲルマニウムの光劣化が抑制され、高い光電変換効率を維持しながら、光劣化率を低下させ、光劣化後の変換効率を向上させることができる。
【0031】
ここで、本発明者らの行った実験とその実験によって得られた知見を示すことによって、本発明の作用を実施態様例とともにさらに詳しく説明する。
【0032】
本発明者らは、非晶質シリコン系の光起電力素子の変換効率をさらに向上させ、光劣化を防止して、非晶質シリコン系の光起電力素子の信頼性を高めるために、以下のような検討を行った。
【0033】
まず、光劣化を低減する方法として、光起電力素子の構成としてスタック型の構成にすることが有効であることは上述したように従来から知られていたが、光劣化の低減はまだ充分ではなかった。そこで本発明者らは、スタック型の光起電力素子の構成の検討を進めた結果、以下のような知見を得た。
【0034】
すなわち、スタック型の光起電力素子の中でも、pin接合を2つ重ねたダブル型の光起電力素子よりも、pin接合を3つ重ねたトリプル型の光起電力素子の方が、より光劣化を低減できるということである。これは、同じ種類の半導体材料を用いた場合、ダブル型よりもトリプル型の方が、1つあたりのpin接合で発生する光電流が少なくなり、非晶質半導体の光劣化の原因となる正孔と電子の再結合が減少するからであると考えられる。
【0035】
また、トリプル型の光起電力素子の中でも、光入射側から数えて第一のpin接合のi層として非晶質シリコンを用い、第二および第三のpin接合のi層として非晶質シリコンゲルマニウムを用いる、Si/SiGe/SiGeトリプル型の光起電力素子が光劣化の低減に最も適しているという知見を得た。これは、非晶質シリコンゲルマニウムが、非晶質シリコンよりも小さいバンドギャップを有していることにより、非晶質シリコンでは吸収できない長波長光を吸収できることと、ゲルマニウムの組成比を変化させることによりバンドギャップの大小を制御できる優位性によるものである。また第二のpin接合のi層として、非晶質シリコンを用いた、Si/Si/SiGeの構成よりも、Si/SiGe/SiGeの方が、第二のpin接合のi型半導体層のバンドギャップが小さいため、i型半導体層の膜厚を薄くすることができ、その結果光劣化をより低減することができた。
【0036】
そこで、本発明者らは、Si/SiGe/SiGeトリプル型の光起電力素子について、さらに検討を進めた。その結果、Si/SiGe/SiGeトリプル型の光起電力素子の光電変換効率を最も高くするには、第一のpin接合のi層である非晶質シリコンのバンドギャップを1.60eVから1.85eVにし、第二のpin接合のi層である非晶質シリコンゲルマニウムのバンドギャップを1.5eVから1.6eVにし、第三のpin接合のi層である非晶質シリコンゲルマニウムのバンドギャップを1.45eVから1.55eVにすることが、好適であることが分かった。このとき、第二と第三のpin接合のi層である、非晶質シリコンゲルマニウムの好適な膜厚は、それぞれ、100〜200nm、200〜350nmであることが分かった。(以下、第一のpin接合をトップ、第二のpin接合をミドル、第三のpin接合をボトムと略記する。)
しかしながら、本発明者らはさらに検討を進め、Si/SiGe/SiGeトリプル型の光起電力素子の光電変換効率と光劣化率の両方を考慮し、高い光電変換効率を維持しながら光劣化率を低減すること、すなわち光劣化による光電変換効率の低下が飽和した後の光電変換効率(以下、安定化変換効率と記す。)を最大にする検討を行った。
【0037】
まず、Si/SiGe/SiGe卜リプル型の光起電力素子の光劣化率に注目して実験を重ねたところ、Si/SiGe/SiGe卜リプル型の光起電力素子のミドルとボトムの光劣化率が、素子全体の光劣化率を大きく左右することが分かった。そして、ミドルとボトムのi層である非晶質シリコンゲルマニウムの膜厚を、それぞれ100nm以下及び150nm以下とし、より好適には80nm以下と130nm以下にすることが望ましいことが分かった。従来のいかなる技術においても、このような薄い膜厚の半導体層をスタック型の光起電力素子の光入射方向に対し下部のpin接合のi層に用いられたことは全く無い。
【0038】
一方、スタック型の光起電力素子は、複数のpin接合を直列接続した構成であるので、それぞれのpin接合で発生する電流値ができる限り大きく、かつそれぞれの電流値が近いものでなければ、高い光電変換効率は得られない。これは、スタックセルの電流のマッチングと呼ばれている。したがって、Si/SiGe/SiGeトリプル型の光起電力素子の、ミドルとボトムのi層である非晶質シリコンゲルマニウムの膜厚を前述のような値にまで薄くすれば、ミドルとボトムで発生する電流値が低下するため、光電変換効率が低下してしまうことが予想された。
【0039】
そこで、本発明者らはさらに検討を進め、実験を重ねた結果、ミドルとボトムのi層である非晶質シリコンゲルマニウムの膜厚を前述のような値にまで薄くした場合であっても、非晶質シリコンゲルマニウムのバンドギャップを小さくすることによって、ミドルとボトムで発生する電流値が維持できることが分かった。具体的には、ミドルのi層である非晶質シリコンゲルマニウムのゲルマニウム組成(Ge/(Si+Ge))を0.35から0.80にし、ボトムのi層である非晶質シリコンゲルマニウムのゲルマニウム組成(Ge/(Si+Ge))を0.40から0.90にすること、より好適には、ミドルのi層である非晶質シリコンゲルマニウムのゲルマニウム組成を0.40から0.70にし、ボトムのi層である非晶質シリコンゲルマニウムのゲルマニウム組成を0.45から0.80にすることが望ましい。このようなゲルマニウム組成にすることによって、非晶質シリコンゲルマニウムのバンドギャップが小さくなり、ミドルとボトムで発生する電流値が維持できることが分かった。
【0040】
以上の検討のために行った実験の一例を実験例1−1から1−6に示してある。
【0041】
このようにして、本発明者らは、高い光電変換効率を維持しながら、光劣化率を低減すること、すなわち安定化変換効率を向上させることができた。
【0042】
そして、本発明者らは、Si/SiGe/SiGeトリプル型の光起電力素子の安定化変換効率の向上をさらに検討した結果、以下のような知見を得た。
【0043】
すなわち、ミドルとボトムのp層と非晶質シリコンゲルマニウム層の間に非晶質シリコン層あるいは非晶質シリコンカーボン層を配置することにより、またさらに非晶質シリコンゲルマニウム層のゲルマニウム組成を膜厚方向で変化させ、ゲルマニウム組成が最大となる位置を非晶質シリコン層あるいは非晶質シリコンカーボン層と非晶質シリコンゲルマニウム層の界面から測って、非晶質シリコンゲルマニウム層全体の膜厚の4分の1以下にすることによって、トリプル型の光起電力素子の光劣化後の光電変換効率をさらに高めることができることである。これは、主に、Si/SiGe/SiGeトリプル型の光起電力素子のミドルとボトムの開放電圧(Voc)と曲線因子(FF)を向上できたことによって、素子の光電変換効率が向上できたものと考えられる。
【0044】
ここで、ミドルとボトムのp層と非晶質シリコンゲルマニウム層の間に非晶質シリコン層あるいは非晶質シリコンカーボン層を配置する効果としては、主に光起電力素子の開放電圧(Voc)を向上させる働きを持つ。これは、非晶質シリコン層あるいは非晶質シリコンカーボン層によって、pin接合の拡散電位が大きくなるためと考えられる。また、非晶質シリコンゲルマニウム中で光により発生した電子が、p層に拡散するのを防止する障壁を形成していることも考えられる。また、非晶質シリコン層あるいは非晶質シリコンカーボン層は、n層と非晶質シリコンゲルマニウム層の間にも形成することで、さらに光電変換効率を向上できる。
【0045】
非晶質シリコン層あるいは非晶質シリコンカーボン層の膜厚は3nm〜50nm、より好ましくは5nm〜40nmが望ましい。また、この程度の膜厚の非晶質シリコン層あるいは非晶質シリコンカーボン層を配置しても、光起電力素子の光劣化率はほとんど増大することはなかった。
【0046】
また、非晶質シリコンゲルマニウム層のゲルマニウム組成を膜厚方向で変化させ、ゲルマニウム組成が最大となる位置を非晶質シリコン層あるいは非晶質シリコンカーボン層と非晶質シリコンゲルマニウム層の界面から測って、非晶質シリコンゲルマニウム層全体の膜厚の4分の1以下にすることの効果としては、主に光起電力素子の開放電圧(Voc)と曲線因子(FF)を向上させる働きを持つ。これは、非晶質半導体において、光によって生成された電子と正孔では、正孔の方が拡散長が短く、全体の特性を律速していると考えられ、非晶質シリコンゲルマニウムのバンドギャップを膜厚方向で変化させ、バンドギャップが最少となる位置をp層の近くに配置することにより、膜厚方向に均一なバンドギャップを有する場合よりも、フォトキャリアがp層近くに多く分布することになり、フォトキャリアの内の正孔については、i型半導体中を移動する距離が短くなることが、曲線因子(FF)の向上をもたらすと考えられる。また、非晶質シリコンゲルマニウムのバンドギャップを連続的に変化させ、価電子帯に傾きを持たせることによって、フォトキャリアの内の正孔の拡散を促進し、光起電力素子の開放電圧(Voc)と曲線因子(FF)を向上させると考えられる。
【0047】
また、また非晶質シリコンゲルマニウム層のゲルマニウム組成を膜厚方向で変化させる場合の好適なゲルマニウム組成は変化のさせ方によって異なるが、ゲルマニウムが最大となる部分でゲルマニウム組成が、ミドル層の場合で0.35〜0.80、ボトム層の場合で0.40〜0.90にするのが好ましい。
【0048】
以上の検討のために行った実験の一例を実験例2、3、4に示した。
【0049】
さらに、本発明者らは、ゲルマニウム組成の多い非晶質シリコンゲルマニウムの局在準位を抑制することによって、非晶質シリコンゲルマニウムをi層に用いた光起電力素子の光電変換効率を向上させ、光劣化率を低下させて、安定化効率を向上させることができるという知見を得た。
【0050】
従来、非晶質シリコンゲルマニウムという半導体材料は、一般に、ゲルマニウムの組成を増大させると、光導電率が低下することが多かった。特に、ゲルマニウム組成が0.35以上の非晶質シリコンゲルマニウムにおいて、顕著に光導電率が低下することが多かった。そのため、このようにゲルマニウム組成の多い非晶質シリコンゲルマニウムをi層に用いた光起電力素子は、高い光電変換効率を得るのは困難であった。これは、ゲルマニウム組成が増大するとともに、バンドギャップ内の局在準位が増大し、伝導帯端および価電子帯端の裾状態の準位(テイルステイトと呼ばれる)が増大して、電子および正孔の拡散長が短くなるためと考えられる。
【0051】
しかしながら、本発明者らは鋭意研究の結果、マイクロ波プラズマCVD法によって非晶質シリコンゲルマニウムを形成し、さらに形成条件を最適化することによって、ゲルマニウム組成が0.35以上の非晶質シリコンゲルマニウムにおいても、局在準位およびテイルステイトを減少させ、良質の非晶質シリコンゲルマニウムを得ることができた。その結果、ゲルマニウム組成が0.35以上の非晶質シリコンゲルマニウムをi層に用いた光起電力素子の光電変換効率を向上させることができた。また、光劣化率も低下し、安定化効率を向上させることができた。
【0052】
これは、従来はほとんどRFプラズマCVD法を用いて非晶質シリコンゲルマニウムを形成していたのに対し、マイクロ波プラズマCVD法によって非晶質シリコンゲルマニウムを形成し、さらに形成条件を最適化することによって達成できたものである。即ち、RFプラズマCVD法を用いて非晶質シリコンゲルマニウムを形成する場合、プラズマを生起させて原料ガスを分解する真空槽内の圧力を100mTorr以下にするのは困難であったのに対し、マイクロ波プラズマCVD法によって非晶質シリコンゲルマニウムを形成する場合は、プラズマを生起させて原料ガスを分解する真空槽内の圧力を容易に50mTorr以下にすることができる。従って、分解された原料ガスの分子あるいは原子の平均自由行程が増大して、気相中で分解された原料ガスの分子あるいは原子同士が反応して、いわゆるクラスターを生成することが少なくなり、堆積している薄膜の成長表面におけるプリカーサーの移動度が増大したため、良質な非晶質シリコンゲルマニウムを形成することができたと考えられる。
【0053】
また、帯状基板を連続的に搬送しながら該基板表面に薄膜を形成する、いわゆるロール・ツー・ロール法と上述のマイクロ波プラズマCVD法を組み合わせることにより、複数の真空槽の間で基板を移動させて1層ずつ形成する方法に比べて、複数の半導体層の界面近傍における局在準位を減少させ、光起電力素子の光電変換効率を向上させることができた。
【0054】
以上の検討のために行った実験の一例を実験例5、6に示した。
【0055】
次に、実験例における評価方法について説明する。
【0056】
まず、光起電力素子の光劣化後の光電変換効率(安定化効率)の評価方法であるが、通常非晶質シリコン系半導体をi層に用いた光起電力素子の光劣化を評価する場合には、素子の温度を50℃に保ち、1SUN(100mW/cm2)の擬似太陽光を照射して光電変換効率の劣化を測定することが多い。しかしながらこの方法では、安定化効率を求めるのに少なくとも1000時間程度の光照射が必要であり、評価にかかる時間が長すぎるのが問題であった。そこで本発明者らは、この光劣化試験を加速試験することを考え、照射する光の強度を50SUN(5W/cm2)に強め、光照射下の素子の温度を50℃から130℃まで変化させて、それぞれの条件における安定化効率を測定した。その結果、50SUN(5W/cm2)、110℃において加速劣化させた場合に、1SUNの光劣化と同じ安定化効率が得られ、安定化効率を求めるのに必要な光照射時間は数万秒(10〜20時間)に短縮された。そこで、実験例や実施例では、50SUN(5W/cm2)、110℃の加速劣化によって、光起電力素子の光劣化を評価した。
【0057】
また、コンスタントフォトカレントメソッド(CPM)による局在準位密度の評価は通常行われている方法で行った。CPMは、一定の光電流が得られる単色光の強度を波長を変化させながら求め、吸収係数の波長依存性を求めるものである。そして図6に示すように、横軸を光のエネルギー、縦軸を吸収係数の対数をとってグラフにすると、吸収係数の対数が光のエネルギーに対して、直線的に変化する部分が現れる。この部分の傾きがアーバックエナジーと呼ばれる特性値である。そして、低エネルギ一側で直線部分の延長からずれてくる部分と直線の延長との間の図6の斜線部分の面積から、バンドギャップ内の局在準位密度を計算することができる。吸収係数の絶対値は、可視、近赤外領域の光学測定から求めた吸収係数とフィッティングすることによって求められる。
【0058】
【実験例】
(実験例1−1)
図1に示したトリプル型太陽電池のi層膜厚と光による加速劣化後の変換効率(ηs)の関係を調べた。
【0059】
図2に示した堆積装置200は本発明のトリプル型太陽電池を作製するのに適した堆積装置であり、マイクロ波プラズマCVD(MWPCVD)法、RFプラズCVD(RFPCVD)法を実施することができる。
【0060】
まず、RFPCVD法を実施するには堆積室201内部の基板ホルダー209に基板204を設置し、不図示の真空排気装置(メカニカルブースターポンプ、油拡散ポンプ、ターボ分子ポンプなど)で内部の圧力が1×10-6(Torr)になるまで真空排気する。その後、ヒーター205の電源を入れ、基板温度が設定温度で一定になるようにし、層形成用の原料ガスをガス導入管211から導入し、コンダクタンスバルブ207で所定の圧力になるようにその開口を調整する。RF電源203からRF電極210にRF電力を供給し、RFプラズマを生起し、シャッター215を開けて、基板上に所望の堆積膜を形成する。所望の膜厚を形成したら、シャッターを閉じ、RF電力の供給を停止し、プラズマを消滅させる。その後、原料ガスの供給を止め、再び内部の圧力が1×10-6(Torr)になるまで真空排気し、次の堆積膜の形成を始める。
【0061】
MWPCVD法を実施するには堆積室内部の基板ホルダー209に基板204を設置し、不図示の真空排気装置(メカニカルブースターポンプ、油拡散ポンプ、ターボ分子ポンプなど)で内部の圧力が1×10-6(Torr)になるまで真空排気する。その後、ヒーター205の電源を入れ、基板温度が設定温度で一定になるようにし、層形成用の原料ガスをガス導入管211から導入し、コンダクタンスバルブ207で所定の圧力になるようにその開口を調整する。MW電源219から誘電体窓213を通してMW電力を供給し、マイクロ波プラズマを生起する。さらにRF電源203からRF電極210にRF電力を供給し、シャッター215を開けて、基板上に所望の堆積膜を形成する。所望の膜厚を形成したら、シャッターを閉じ、MW電力、RF電力の供給を停止し、プラズマを消滅させる。その後、原料ガスの供給を止め、再び内部の圧力が1×10-6(Torr)になるまで真空排気し、次の堆積膜の形成を始める。
【0062】
上記のような方法で図1のトリプル型太陽電池を作製した。i3層、i2層、i1層の膜厚が180nm、140nm、100nm、i3層、i2層のゲルマニウム組成がそれぞれ0.35、0.30である従来型のトリプル型太陽電池を光による加速劣化装置に設置し、AM1.5スペクトル、照射光強度50SUN(5W/cm2)、基板表面温度110℃という劣化条件で太陽電池表面に光を照射した。光を照射し始めてから50000秒経過したところで、この加速劣化装置から太陽電池を取り出した。次に、取り出した太陽電池の光電変換効率を測定する装置に設置し、AM1.5スペクトル、照射光強度1SUN(100mW/cm2)、基板表面温度25℃の測定条件で光電変換効率を測定した。
【0063】
(実験例1−2)
上記のような光による加速劣化と、加速劣化後の光電変換効率の測定という評価を、i3層、i2層、i1層の膜厚を140nm、140nm、100nmとした本発明のトリプル型太陽電池に対して行った。測定の結果、加速劣化後の変換効率(ηs)は従来型のトリプル型太陽電池のそれよりも1.22倍優れていることが分った。
【0064】
(実験例1−3)
同様に光による加速劣化と、加速劣化後の光電変換効率の測定という評価を、i3層、i2層、i1層の膜厚を110nm、95nm、90nmとした本発明のトリプル型太陽電池に対して行った。測定の結果、加速劣化後の変換効率(ηs)は従来型のトリプル型太陽電池のそれよりも1.31倍優れていることが分った。
【0065】
(実験例1−4)
同様に光による加速劣化と、加速劣化後の光電変換効率の測定という評価を、実験例1−2においてi3層中のゲルマニウム組成を0.50にした本発明のトリプル型太陽電池に対して行った。測定の結果、加速劣化後の変換効率(ηs)は従来型のトリプル型太陽電池のそれよりも1.36倍優れていることが分った。
【0066】
(実験例1−5)
同様に光による加速劣化と、加速劣化後の光電変換効率の測定という評価を、実験例1−3においてi2層中のゲルマニウム組成をそれぞれ0.40にした本発明のトリプル型太陽電池に対して行った。測定の結果、加速劣化後の変換効率(ηs)は従来型のトリプル型太陽電池のそれよりも1.37倍優れていることが分った。
【0067】
(実験例1−6)
更に、同様な評価を、i3層、i2層、i1層の膜厚を75nm、70nm、85nmとし、さらにi3層、i2層中のゲルマニウム組成をそれぞれ0.65、0.50にした本発明のトリプル型太陽電池に対して行った。測定の結果、加速劣化後の変換効率(ηs)は従来型のトリプル型太陽電池のそれよりも1.39倍優れていることが分った。
【0068】
(実験例2)
i3層、i2層をグレーデッドバンドギャップ構造とした図1に示したトリプル型太陽電池を作製し、実験例1と同様な評価を行った。
【0069】
i3層、i2層のバンド構造が図3のようなバンドプロファイルになるようにSiH4流量、GeH4流量を制御した以外は実験例1−2と同様なトリプル型太陽電池を作製し、実験例1と同様な評価を行ったところ、このトリプル型太陽電池の光による加速劣化後の変換効率(ηs)は実験例1の従来型のトリプル型太陽電池のそれよりも1.27倍優れていることが分かった。
【0070】
(実験例3)
i3層とn3層の間、i3層とp3層の間、i2層とn2層の間、i2層とp2層の間にそれぞれRFプラズマCVD法で形成され、a−Si:Hからなるバッファ層を積層する以外は実験例1−3と同様なトリプル型太陽電池を作製した。実験例1と同様な評価を行ったところ、従来のトリプル型太陽電池よりも光による加速劣化後の変換効率(ηs)は実験例1の従来型のトリプル型太陽電池のそれよりも1.35倍優れていることが分かった。
【0071】
(実験例4)
実験例3で作製したトリプル型太陽電池のi3層、i2層のバンド構造を図3のようなバンドプロファイルになるようにSiH4流量、GeH4流量を制御したトリプル型太陽電池を作製した。実験例1と同様な評価を行ったところ、従来のトリプル型太陽電池よりも光による加速劣化後の変換効率(ηs)は実験例1の従来型のトリプル型太陽電池のそれよりも1.39倍優れていることが分かった。
【0072】
(実験例5)
コンスタントフォトカレントメソッド(CPM)で測定した局在準位密度と光による加速劣化後の変換効率(ηs)の関係を調べた。
【0073】
実験例1−3で作製したトリプル型太陽電池のミドル層を用いたシングルセル(ミドルセル実と呼ぶ)を実験例1−3と同様な方法で新たに作製した。次に、ミドルセル実の集電電極とステンレス基板を外部電気回路を用いて短絡し、チョッパーを通った弱い光(掃引光)を照射し、外部短絡回路に流れる電流をロックインアンプで検出した。掃引光の波長を変化させても検出される電流を一定に保つように掃引光の照射光強度を変化させ、i2層の吸収スペクトル(750nm〜1700nm)を測定した。吸収スペクトルの掃引光エネルギー依存性から局在準位密度を算出したところ、i2層の局在準位密度は3×1016(1/cm3)であることが分った。
【0074】
i2層形成時にバイアス(RF電極にRF電力を)印加しないで新たにシングルセル(ミドルセル比と呼ぶ)を作製した。ミドルセル比のi2層の局在準位密度を算出したところ、i2層の局在準位密度は2×1017(1/cm3)であることが分かった。
【0075】
i2層形成時にバイアス(RF電極にRF電力)を印加しない以外は、実験例1−3と同様な方法でトリプル型太陽電池を作製した。次に実験例1と同様な評価を行ったところ、このトリプル型太陽電池の光による加速劣化後の変換効率(ηs)は実験例1−3のそれより0.78倍であることが分かった。
【0076】
(実験例6)
同様に、コンスタントフォトカレントメソッド(CPM)で測定した局在準位密度と光による加速劣化後の変換効率(ηs)の関係を調べた。
【0077】
まず、実験例1−3で作製したトリプル型太陽電池のボトム層を用いたシングルセル(ボトムセル実と呼ぶ)を実験例1−3と同様な方法で新たに作製した。次に、実験例5と同様な方法で局在準位密度を算出したところ、i3層の局在準位密度は4×1016(1/cm3)であることが分った。
【0078】
i3層形成時にバイアス(RF電極にRF電力を)印加しないで新たにシングルセル(ボトムセル比と呼ぶ)を作製した。ボトムセル比のi3層の局在準位密度を算出したところ、i3層の局在準位密度は3×1017(1/cm3)であることが分かった。
【0079】
i3層形成時にバイアス(RF電極にRF電力)を印加しない以外は、実験例1−3と同様な方法でトリプル型太陽電池を作製した。次に実験例1と同様な評価を行ったところ、このトリプル型太陽電池の光による加速劣化後の変換効率(ηs)は実験例1−3のそれより0.81倍であることが分かった。
【0080】
(光起電力素子の構成)
以下に、図を用いて本発明の光起電力素子の構成を詳細に説明するが、本発明の光起電力素子はこれにより何ら限定されるものではない。
【0081】
図1は、本発明のスタック型の光起電力素子の断面を模式的に表わしたものである。図1の本発明のスタック型の光起電力素子は、3つのpin接合が積層された構造をしており、116は光入射側から数えて第一のpin接合、115は第二のpin接合、114は第三のpin接合である。これら3つのpin接合は、基板101上に形成された下部電極102上に積層されたものであり、3つのpin接合の最上部に、透明電極112と集電電極113が形成されて、スタック型の光起電力素子を形成している。そして、それぞれのpin接合は、n型半導体層103、106、109、i型半導体層104、107、110、p型半導体層105、108、111から成る。また、本発明では、第一のpin接合のi型半導体層110として、非晶質シリコンを用い、第二及び第三の半導体層107、104として、非晶質シリコンゲルマニウムを用いている。
【0082】
なお、pin接合のn型半導体層とp形半導体層とを入れ換えた構成をとることもできる。
【0083】
(基板)
半導体層103〜111は高々1μm程度の薄膜であるため適当な基板上に堆積される。このような基板101としては、単結晶質もしくは非結晶質のものであってもよく、さらにそれらは導電性のものであっても、また電気絶縁性のものであってもよい。さらには、それらは透光性のものであっても、また非透光性のものであってもよいが、変形、歪みが少なく、所望の強度を有するものであることが好ましい。
【0084】
具体的にはFe,Ni,Cr,Al,Mo,Au,Nb,Ta,V,Ti,Pt,Pb等の金属またはこれらの合金、例えば真鍮、ステンレス鋼等の薄板及びその複合体、及びポリエステル、ポリエチレン、ポリカーボネート、セルロースアセテート、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリイミド、エポキシ等の耐熱性合成樹脂のフィルムまたはシートまたはこれらとガラスファイバー、カーボンファイバー、ホウ素ファイバー、金属繊維等との複合体、及びこれらの金属の薄板、樹脂シート等の表面に異種材質の金属薄膜及び/またはSiO2,Si34,Al23,AlN等の絶縁性薄膜をスパッタ法、蒸着法、鍍金法等により表面コーティング処理を行ったものおよび、ガラス、セラミックスなどが挙げられる。
【0085】
前記基板を光起電力素子用の基板として用いる場合には、該帯状基板が金属等の電気導電性である場合には直接電流取り出し用の電極としても良いし、合成樹脂等の電気絶縁性である場合には堆積膜の形成される側の表面にAl,Ag,Pt,Au,Ni,Ti,Mo,W,Fe,V,Cr,Cu,ステンレス、真鍮、ニクロム、SnO2,In23,ZnO,ITO等のいわゆる金属単体または合金、及び透明導電性酸化物(TCO)を鍍金、蒸着、スパッタ等の方法であらかじめ表面処理を行って電流取り出し用の電極を形成しておくことが望ましい。
【0086】
勿論、前記帯状基板が金属等の電気導電性のものであっても、長波長光の基板表面上での反射率を向上させたり、基板材質と堆積膜との間での構成元素の相互拡散を防止する等の目的で異種の金属層等を前記基板上の堆積膜が形成される側に設けても良い。また、前記基板が比較的透明であって、該基板の側から光入射を行う層構成の光起電力素子とする場合には前記透明導電性酸化物や金属薄膜等の導電性薄膜をあらかじめ堆積形成しておくことが望ましい。
【0087】
また、前記基板の表面性としてはいわゆる平滑面であっても、微小の凹凸面であっても良い。
【0088】
微小の凹凸面とする場合にはその凹凸形状は球状、円錐状、角錐状等であって、且つその最大高さ(Rmax)を好ましくは0.05μm乃至2μmとすることにより、該表面での光反射が乱反射となり、該表面での反射光の光路長の増大をもたらす。基板の形状は、用途により平滑表面或は凸凹表面の板状、長尺べルト状、円筒状等であることができ、その厚さは、所望通りの光起電力素子を形成し得るように適宜決定するが、光起電力素子として可撓性が要求される場合、または基板の側より光入射がなされる場合には、基板としての機能が充分発揮される範囲内で可能な限り薄くすることが出来る。しかしながら、基板の製造上及び取扱上、機械的強度の点から、通常は10μm以上とされる。
【0089】
(裏面電極、光反射層)
本発明に用いられる裏面電極は光入射方向に対し半導体層の裏面に配される電極である。したがって、図1の102の位置かあるいは、基板101が透光性で、基板の方向から光を入射させる場合には、112の位置に配置される。裏面電極の材料としては、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、鉄、クロム、モリブデン、タングステン、チタン、コバルト、タンタル、ニオブ、ジルコニウム等の金属またはステンレス等の合金が挙げられる。なかでもアルミニウム、銅、銀、金などの反射率の高い金属が特に好ましい。反射率の高い金属を用いる場合には、裏面電極に半導体層で吸収しきれなかった光を再び半導体層に反射する光反射層の役割を兼ねさせる事ができる。
【0090】
また裏面電極の形状は平坦であっても良いが、光を散乱する凹凸形状を有する事がより好ましい。光を散乱する凹凸形状を有する事によって、半導体層で吸収しきれなかった長波長光を散乱させて半導体層内での光路長を延ばし、光起電力素子の長波長感度を向上させて短絡電流を増大させ、光電変換効率を向上させることができる。光を散乱する凹凸形状は、凹凸の山と谷の高さの差がRmaxで0.2μmから2.0μmであることが望ましい。
【0091】
ただし基板が裏面電極を兼ねる場合には、裏面電極の形成を必要としない場合もある。
【0092】
また、裏面電極の形成には、蒸着法、スパッタ法、メッキ法、印刷法などが用いられる。また裏面電極を光を散乱する凹凸形状に形成する場合には、形成した金属あるいは合金の膜をドライエッチングするか、あるいはウェットエッチングするか、あるいはサンドブラストするか、あるいは加熱すること等によって形成される。また基板を加熱しながら前述の金属あるいは合金を蒸着することにより光を散乱する凹凸形状を形成することもできる。
【0093】
また、裏面電極102とn型半導体層103との間に、図中には示されていないが、導電性酸化亜鉛等の拡散防止層を設けても良い。該拡散防止層の効果としては裏面電極102を構成する金属元素がn型半導体層中へ拡散するのを防止するのみならず、若干の抵抗値をもたせることで半導体層を挟んで設けられた裏面電極102と透明電極112との間にピンホール等の欠陥で発生するショートを防止すること、及び薄膜による多重干渉を発生させ入射した光を光起電力素子内に閉じ込める等の効果を挙げることができる。
【0094】
(半導体層)
本発明に用いられる半導体層の材料としては、Si,C,Ge等のIV族元素を用いたもの、あるいはSiGe,SiC,SiSn等のIV族合金を用いたものが用いられる。
【0095】
また、以上の半導体材料の中で、本発明の光起電力装置に特に好適に用いられる半導体材料としては、a−Si:H(水素化非晶質シリコンの略記、なおa−は非晶質材料を表す)、a−Si:F,a−Si:H:F,a−SiGe:H,a−SiGe:F,a−SiGe:H:F,a−SiC:H,a−SiC:F,a−SiC:H:F等のIV族及びIV族合金系非晶質半導体材料が挙げられる。
【0096】
また、半導体層は価電子制御及び禁制帯幅制御を行うことができる。具体的には半導体層を形成する際に価電子制御剤または禁制帯幅制御剤となる元素を含む原料化合物を単独で、または前記堆積膜形成用原料ガスまたは前記希釈ガスに混合して成膜空間内に導入してやれば良い。
【0097】
また、半導体層は、価電子制御によって、少なくともその一部が、p型およびn型にドーピングされ、少なくとも一組のpin接合を形成する。そして、pin接合を複数積層することにより、いわゆるスタックセルの構成になる。
【0098】
また、半導体層の形成方法としては、マイクロ波プラズマCVD法、RFプラズマCVD法、光CVD法、熱CVD法、MOCVD法などの各種CVD法によって、あるいはEB蒸着、MBE、イオンプレーティング、イオンビーム法等の各種蒸着法、スパッタ法、スプレー法、印刷法などによって形成される。工業的に採用されている方法としては、原料ガスをプラズマで分解し、基板上に堆積させるプラズマCVD法が好んで用いられる。また、反応装置としては、バッチ式の装置や連続成膜装置などが所望に応じて使用できる。
【0099】
以下、本発明の光起電力素子に特に好適なIV族及びIV族合金系非晶質半導体材料を用いた半導体層について、さらに詳しく述べる。
【0100】
(1)i型半導体層(真性半導体層)
特にIV族及びIV族合金系非晶質半導体材料を用いた光起電力素子において、pin接合に用いるi型層は照射光に対してキャリアを発生輸送する重要な層である。i型層としては、僅かp型、僅かn型の層も使用できるものである。
【0101】
IV族及びIV族合金系非晶質半導体材料には、上述のごとく、水素原子(H,D)またはハロゲン原子(X)が含有され、これが重要な働きを持つ。
【0102】
i型層に含有される水素原子(H,D)またはハロゲン原子(X)は、i型層の未結合手(ダングリングボンド)を補償する働きをし、i型層でのキァリアの移動度と寿命の積を向上させるものである。またp型層/i型層、n型層/i型層の各界面の界面準位を補償する働きをし、光起電力素子の光起電力、光電流そして光応答性を向上させる効果のあるものである。i型層に含有される水素原子または/及びハロゲン原子は1〜40atm%が最適な含有量として挙げられる。特に、p型層/i型層、n型層/i型層の各界面側で水素原子または/及びハロゲン原子の含有量が多く分布しているものが好ましい分布形態として挙げられ、該界面近傍での水素原子または/及びハロゲン原子の含有量はバルク内の含有量の1.1〜2倍の範囲が好ましい範囲として挙げられる。更にシリコン原子の含有量に対応して水素原子または/及びハロゲン原子の含有量が変化していることが好ましいものである。
【0103】
本発明の光起電力素子において、第一のpin接合116のi型半導体層110を構成する半導体材料としては、非晶質シリコンが用いられ、第二及び第三のpin接合のi型半導体層107、104を構成する半導体材料としては、非晶質シリコンゲルマニウムが用いられる。
【0104】
非晶質シリコン、非晶質シリコンゲルマニウムは、ダングリングボンドを補償する元素によって、a−Si:H,a−Si:F,a−Si:H:F,a−SiGe:H,a−SiGe:F,a−SiGe:H:F等と表記される。
【0105】
さらに具体的には、例えば、本発明の光起電力素子に好適な第一のpin接合のi型半導体層110としては、i型の水素化非晶質シリコン(a−Si:H)が挙げられ、その特性としては、光学的バンドギャップ(Eg)が、1.60eV〜1.85eV、水素原子の含有量(CH)が、1.0〜25.0%、AM1.5、100mW/cm2の疑似太陽光照射下の光電導度(σp)が、1.0×10-5S/cm以上、暗電導度(σd)が、1.0×10-9S/cm以下、コンスタントフォトカレントメソッド(CPM)によるアーバックエナジーが、55meV以下、局在準位密度は1017/cm3以下のものが好適に用いられる。
【0106】
また、本発明の光起電力素子の第二及び第三のpin接合のi型半導体層107、104を構成する半導体材料非晶質シリコンゲルマニウムは、前述した通りである。
【0107】
(2)p型層またはn型層
p型層またはn型層も、本発明の光起電力装置の特性を左右する重要な層である。
【0108】
p型層またはn型層の非晶質材料(a−と表示する)(微結晶材料(μc−と表示する)も非晶質材料の範ちゅうに入ることは言うまでもない。)としては、例えばa−Si:H,a−Si:HX,a−SiC:H,a−SiC:HX,a−SiGe:H,a−SiGeC:H,a−SiO:H,a−SiN:H,a−SiON:HX,a−SiOCN:HX,μc−Si:H,μc−SiC:H,μc−Si:HX,μc−SiC:HX,μc−SiGe:H,μc−SiO:H,μc−SiGeC:H,μc−SiN:H,μc−SiON:HX,μc−SiOCN:HX等にp型の価電子制御剤(周期率表第III族原子 B,Al,Ga,In,Tl)やn型の価電子制御剤(周期率表第V族原子 P,As,Sb,Bi)を高濃度に添加した材料が挙げられ、多結晶材料(poly−と表示する)としては、例えばpoly−Si:H,poly−Si:HX,poly−SiC:H,poly−SiC:HX,poly−SiGe:H,poly−Si,poly−SiC,poly−SiGe等にp型の価電子制御剤(周期率表第III族原子 B,Al,Ga,In,Tl)やn型の価電子制御剤(周期率表第V族原子 P,As,Sb,Bi)を高濃度に添加した材料が挙げられる。特に光入射側のp型層またはn型層には、光吸収の少ない結晶性の半導体層かバンドギァプの広い非晶質半導体層が適している。
【0109】
p型層への周期率表第III族原子の添加量およびn型層ヘの周期率表第V族原子の添加量は0.1〜50atm%が最適量として挙げられる。
【0110】
またp型層またはn型層に含有される水素原子(H,D)またはハロゲン原子はp型層またはn型層の未結合手を補償する働きをしp型層またはn型層のドーピング効率を向上させるものである。p型層またはn型層へ添加される水素原子またはハロゲン原子は0.1〜40atm%が最適量として挙げられる。特にp型層またはn型層が結晶性の場合、水素原子またはハロゲン原子は0.1〜8atm%が最適量として挙げられる。
【0111】
更にp型層/i型層、n型層/i型層の各界面側で水素原子または/及びバロゲン原子の含有量が多く分布しているものが好ましい分布形態として挙げられ、該界面近傍での水素原子または/及びハロゲン原子の含有量はバルク内の含有量の1.1〜2倍の範囲が好ましい範囲として挙げられる。このようにp型層/i型層、n型層/i型層の各界面近傍で水素原子またはハロゲン原子の含有量を多くすることによって該界面近傍の欠陥準位や機械的歪を減少させることができ本発明の光起電力素子の光起電力や光電流を増加させることができる。
【0112】
光起電力素子のp型層及びn型層の電気特性としては活性化エネルギーが0.2eV以下のものが好ましく、0.1eV以下のものが最適である。また比抵抗としては100Ωcm以下が好ましく、1Ωcm以下が最適である。さらにp型層及びn型層の層厚は1〜50nmが好ましく、3〜10nmが最適である。
【0113】
(3)半導体層の形成方法
本発明の光起電力素子の半導体層として、好適なIV族及びIV族合金系非晶質半導体層を形成するために、最も好適な製造方法はマイクロ波プラズマCVD法であり、次に好適な製造方法はRFプラズマCVD法である。
【0114】
マイクロ波プラズマCVD法は、減圧状態にできる堆積室(真空チャンバー)に原料ガス、希釈ガスなどの材料ガスを導入し、真空ポンプによって排気しつつ、堆積室の内圧を一定にして、マイクロ波電源によって発振されたマイクロ波を、導波管によって導き、誘電体窓(アルミナセラミックス等)を介して前記堆積室に導入して材料ガスのプラズマを生起させて分解し、堆積室内に配置された基板上に所望の堆積膜を形成する方法であり、広い堆積条件で光起電力素子に適用可能な堆積膜を形成することができる。
【0115】
本発明の光起電力素子用の半導体層をマイクロ波プラズマCVD法で堆積する場合、堆積室内の基板温度は100〜450℃、内圧は0.5〜30mTorr、マイクロ波パワーは0.01〜1W/cm3、マイクロ波の周波数は0.5〜10GHzが好ましい範囲として挙げられる。
【0116】
また、RFプラズマCVD法で堆積する場合、堆積室内の基板温度は100〜350℃、内圧は0.1〜10Torr、RFパワーは0.01〜5.0W/cm2、堆積速度は0.01〜3nm/secが好適な条件として挙げられる。
【0117】
また、本発明の光起電力素子の半導体層の形成に適した堆積膜形成方法として、米国特許第4400409号明細書に記載されたロール・ツー・ロール(Roll to Roll)方式によるものが用いられる。この堆積膜形成方法は、複数のグロー放電領域を順次貫通する経路に沿って配置し、必要とされる導電型の半導体層をそれぞれのグロー放電領域で堆積形成しつつ、帯状の基板をその長手方向に連続的に搬送させるものである。これによって、所望の半導体接合を有する光起電力素子を連続的に形成することができるようになっている。
【0118】
本発明の光起電力素子に好適なIV族及びIV族合金系非晶質半導体層の堆積に適した原料ガスとしては、シリコン原子を含有したガス化し得る化合物、ゲルマニウム原子を含有したガス化し得る化合物、炭素原子を含有したガス化し得る化合物、窒素原子を含有したガス化し得る化合物、酸素原子を含有したガス化し得る化合物等、及び該化合物の混合ガスを挙げることができる。
【0119】
具体的にシリコン原子を含有するガス化し得る化合物としては、鎖状または環状シラン化合物が用いられ、例えばSiH4,Si26,SiF4,SiFH3,SiF22,SiF3H,Si38,SiD4,SiHD3,SiH22,SiH3D,SiFD3,SiF22,Si233,(SiF25,(SiF26,(SiF24,Si26,Si38,Si224,Si233,SiCl4,(SiCl25,SiBr4,(SiBr25,Si2Cl6,SiHCl3,SiH2Br2,SiH2Cl2,Si2Cl33などのガス状態のまたは容易にガス化し得るものが挙げられる。
【0120】
具体的にゲルマニウム原子を含有するガス化し得る化合物としては、例えばGeH4,GeD4,GeF4,GeFH3,GeF22,GeF3H,GeHD3,GeH22,GeH3D,Ge26,Ge26等が挙げられる。具体的に炭素原子を含有するガス化し得る化合物としては、例えばCH4,CD4,Cn2n+2(nは整数),Cn2n(nは整数),C22,C66,CO2,CO等が挙げられる。窒素含有ガスとしてはN2,NH3,ND3,NO,NO2,N2Oが挙げられる。酸素含有ガスとしてはO2,CO,CO2,NO,NO2,N2O,CH3CH2OH,CH3OH等が挙げられる。
【0121】
また、価電子制御するためにp型層またはn型層に導入される物質としては周期率表第III族原子及び第V族原子が挙げられる。第III族原子導入用の出発物質として有効に使用されるものとしては、具体的にはホウ素原子導入用としては、B26,B410,B59,B511,B610,B612,B614等の水素化ホウ素、BF3,BCl3,等のハロゲン化ホウ素等を挙げることができる。このほかにAlCl3,GaCl3,InCl3,TlCl3等も挙げることができる。特にB26,BF3が適している。
【0122】
第V族原子導入用の出発物質として有効に使用されるのは、具体的には燐原子導入用としてはPH3,P24等の水素化燐、PH4I,PF3,PF5,PCl3,PCl5,PBr3,PBr5,PI3のハロゲン化燐が挙げられる。このほかAsH3,AsF3,AsCl3,AsBr3,AsF5,SbH3,SbF3,SbF5,SbCl3,SbCl5,BiH3,BiCl3,BiBr3等も挙げることができる。特にPH3,PF3が適している。
【0123】
また前記ガス化し得る化合物をH2,He,Ne,Ar,Xe,Kr等のガスで希釈して堆積室に導入しても良い。
【0124】
特に微結晶半導体やa−SiC:H等の光吸収の少ないかバンドギァップの広い層を堆積する場合は水素ガスで2〜100倍に原料ガスを希釈し、マイクロ波パワーあるいはRFパワーは比較的高いパワーで導入するのが好ましいものである。
【0125】
(透明電極)
本発明において、透明電極112は光を透過する光入射側の電極であるとともに、その膜厚を最適化する事によって反射防止膜としての役割も兼ねる。透明電極112は半導体層の吸収可能な波長領域において高い透過率を有することと、抵抗率が低いことが要求される。好ましくは、550nmにおける透過率が80%以上、より好ましくは85%以上であることが望ましい。また、抵抗率は好ましくは5×10-3Ωcm以下、より好ましくは1×10-3Ωcm以下であることが望ましい。その材料としては、In23,SnO2,ITO(In23+SnO2,ZnO,CdO,Cd2SnO4,TiO2,Ta25,Bi23,MoO3,NaXWO3等の導電性酸化物あるいはこれらを混合したものが好適に用いられる。また、これらの化合物に、導電率を変化させる元素(ドーパント)を添加しても良い。
【0126】
導電率を変化させる元素(ドーパント)としては、例えば透明電極112がZnOの場合には、Al,In,B,Ga,Si,F等が、またIn23の場合には、Sn,F,Te,Ti,Sb,Pb等が、またSnO2の場合には、F,Sb,P,As,In,Tl,Te,W,Cl,Br,I等が好適に用いられる。
【0127】
また、透明電極112の形成方法としては、蒸着法、CVD法、スプレー法、スピンオン法、ディップ法等が好適に用いられる。
【0128】
(集電電極)
本発明において、集電電極113は、透明電極112の抵抗率が充分低くできない場合に必要に応じて透明電極112上の一部分に形成され、電極の抵抗率を下げ光起電力素子の直列抵抗を下げる働きをする。その材料としては、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、鉄、クロム、モリブデン、タングステン、チタン、コバルト、タンタル、ニオブ、ジルコニウム等の金属、またはステンレス等の合金、あるいは粉末状金属を用いた導電ペーストなどが挙げられる。そしてその形状は、できるだけ半導体層への入射光を遮らないように、例えば図5のように枝状に形成される。
【0129】
また、光起電力素子の全体の面積の中で、集電電極の占める面積は、好ましくは15%以下、より好ましくは10%以下、最適には5%以下が望ましい。
【0130】
また、集電電極のパターンの形成にはマスクを用い、形成方法としては、蒸着法、スパッタ法、メッキ法、印刷法などが用いられる。
【0131】
なお、本発明の光起電力素子を用いて、所望の出力電圧、出力電流の光起電力装置を製造する場合には、本発明の光起電力素子を直列あるいは並列に接続し、表面と裏面に保護層を形成し、出力の取り出し電極等が取り付けられる。また、本発明の光起電力素子を直列接続する場合、逆流防止用のダイオードを組み込むことがある。
【0132】
【実施例】
以下、非単結晶シリコン系半導体材料からなる太陽電池によって本発明の光起電力素子を詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【0133】
(実施例1)
図2に示す堆積装置を用いて図1の構成をした太陽電池を作製した。まず、基板の作製を行った。厚さ0.5mm、50×50mm2のステンレス基板をアセトンとイソプロパノールで十分超音波洗浄した後、110℃に保たれた乾燥炉で温風乾燥させた。次に、スパッタリング法を用いてステンレス基板上に裏面反射層として、基板温度350℃で層厚0.45μmのAgの光反射層、及びその上に基板温度350℃で層厚2.0μmのZnOの透明導電層を形成し、基板の作製を終えた。ZnOは拡散防止層である。
【0134】
次に、裏面反射層上に各半導体層を形成した。図2の堆積装置は、MWプラズマCVD(MWPCVD)法とRFプラズマCVD(RFPCVD)法の両方を実施することができる。
【0135】
堆積装置200には不図示の原料ガス供給装置がガス導入管を通して接続されている。原料ガスボンベはいずれも超高純度に精製されたもので、SiH4ガスボンベ、GeH4ガスボンベ、Si26ガスボンベ、PH3/H2(2%)ガスボンベ、BF3/H2(1%)ガスボンベ、SiH4/H2(10%)ガスボンベ、H2ガスボンベ、Heガスボンベを接続した。また、各堆積室には不図示の真空排気ポンプがそれぞれ接続されている。
【0136】
成膜準備が完了した後、基板上にRFPCVD法でa−Siからなるn3層、MWPCVD法でa−SiGeからなるi3層、RFPCVD法でμc−Siからなるp3層(以上ボトム層)、RFPCVD法でa−Siからなるn2層、MWPCVD法でa−SiGeからなるi2層、RFPCVD法でμc−Siからなるp2層(以上ミドル層)、RFPCVD法でa−Siからなるn1層、RFPCVD法でa−Siからなるi1層、RFPCVD法でμc−Siからなるp1層(以上トップ層)を順次積層し、a−Si/a−SiGe/a−SiGeトリプル型太陽電池を作製した。
【0137】
a−Siからなるn3層を形成するには、H2ガスを堆積室201内に導入し、流量が50sccmになるようにマスフローコントローラーで調整し、堆積室内の圧力が1.3Torrになるように調整した。基板温度380℃になるようにヒーター205を設定し、基板温度が安定したところでSi26ガス、PH3/H2(2%)ガスを堆積室201内に導入した。この時、Si26ガス流量が1.0sccm、H2ガス流量が50sccm,PH3/H2(2%)ガス流量が0.5sccm、堆積室内圧力が1.0Torrとなるように調整した。RF電源の電力を2.0Wに設定し、RF電極にRF電力を印加し、グロー放電を生起させ、シャッターを開け、膜厚25nmのn3層を形成したところでシャッターを閉じ、グロー放電を止めた。堆積室内へのSi26ガス、PH3/H2(2%)ガスの導入を止め、5分間堆積室内へH2ガスを流し続けた後、H2の導入も止め、堆積室内及びガス配管内を1×10-5Torrまで真空排気した。
【0138】
a−SiGeからなるi3層はMWPCVD法によって形成した。まず、H2ガスを堆積室内に300sccm導入し、圧力7.0mTorr、基板温度が400℃になるようにした。基板温度が安定したところでSiH4ガス、GeH4ガスを導入し、SiH4ガス流量が40sccm、GeH4ガス流量が40sccm、H2ガス流量が300sccm、堆積室201内の圧力が7.0mTorrとなるように調整した。次に、RF電源の電力を900Wに設定し、RF電極に印加した。その後、MW電源の電力を400Wに設定し、誘電体窓を通して堆積室内にMW電力を導入し、グロー放電を生起させ、シャッターを開け、n3層上に膜厚80nmのi3層を形成したところでシャッターを閉じ、グロー放電を止めた。堆積室内へのSiH4ガス、GeH4ガスの導入を止め、5分間堆積室内へH2ガスを流し続けた後、H2の導入も止め、堆積室内及びガス配管内を1×10-5Torrまで真空排気した。
【0139】
μc−Siからなるp3層を形成するには、H2ガスを堆積室201内に40sccm導入し、堆積室内の圧力が2.0Torrになるように調整した。基板温度が250℃になるようにヒーターを設定し、基板温度が安定したところでSiH4/H2(10%)ガス、BF3/H2(1%)ガスを堆積室201内に導入した。この時、SiH4/H2(10%)ガス流量が0.25sccm、H2ガス流量が40sccm,BF3/H2(1%)ガス流量が2.0sccm、堆積室内圧力が2.0Torrとなるように調整した。RF電源の電力を40Wに設定し、RF電極にRF電力を印加し、グロー放電を生起させ、シャッターを開け、膜厚5nmのp3層を形成したところでシャッタ−を閉じ、グロー放電を止めた。堆積室内ヘのSiH4/H2(10%)ガス、BF3/H2(1%)ガスの導入を止め、5分間堆積室内へH2ガスを流し続けた後、H2の導入も止め、堆積室内及びガス配管内を1×10-5Torrまで真空排気した。
【0140】
以上でa−Si/a−SiGe/a−SiGeトリプルセルの内のボトム層の形成を終えた。
【0141】
次に、ボトム層上にa−Siからなるn2層、a−SiGeからなるi2層、μc−Siからなるp2層(以上ミドル層)の形成を行った。
【0142】
a−Siからなるn2層を形成するには、H2ガスを堆積室201内に導入し、流量が50sccmになるようにマスフローコントローラーで調整し、堆積室内の圧力が1.3Torrになるように調整した。基板温度が220℃になるようにヒーターを設定し、基板温度が安定したところでSi26ガス、PH3/H2(2%)ガスを堆積室201内に導入した。この時、Si26ガス流量が1.0sccm、H2ガス流量が50sccm、PH3/H2(2%)ガス流量が2.5sccm、堆積室内圧力が1.0Torrとなるように調整した。RF電源の電力を2.0Wに設定し、RF電極にRF電力を印加し、グロー放電を生起させ、シャッターを開け、膜厚10nmのn2層を形成したところでシャッターを閉じ、グロー放電を止めた。堆積室内へのSi26ガス、PH3/H2(2%)ガスの導入を止め、5分間堆積室内へH2ガスを流し続けた後、H2の導入も止め、堆積室内及びガス配管内を1×10-5Torrまで真空排気した。
【0143】
a−SiGeからなるi2層はMWPCVD法によって形成した。まず、H2ガスを堆積室201内に300sccm導入し、圧力が7.0mTorr、基板温度が400℃になるようにした。基板温度が安定したところでSiH4ガス、GeH4ガスを導入しSiH4ガス流量が40sccm、GeH4ガス流量が40sccm、H2ガス流量が300sccm、堆積室201内の圧力が7.0mTorrとなるように調整した。次に、RF電源の電力を900Wに設定し、RF電極に印加した。その後、MW電源の電力を400Wに設定し、誘電体窓を通して堆積室内にMW電力を導入し、グロー放電を生起させ、シャッターを開け、n2層上に膜厚75nmのi2層を形成したところでシャッターを閉じ、グロー放電を止めた。堆積室内へのSiH4ガス、GeH4ガスの導入を止め、5分間堆積室内へH2ガスを流し続けた後、H2の導入も止め、堆積室内及びガス配管内を1×10-5Torrまで真空排気した。
【0144】
μc−Siからなるp2層を形成するには、H2ガスを堆積室201内に40sccm導入し、堆積室内の圧力が2.0Torrになるように調整した。基板温度が250℃になるようにヒーターを設定し、基板温度が安定したところでSiH4/H2(10%)ガス、BF3/H2(1%)ガスを堆積室201内に導入した。この時、SiH4/H2(10%)ガス流量が0.25sccm、H2ガス流量が40sccm、BF3/H2(1%)ガス流量が2.0sccm、堆積室内圧力が2.0Torrとなるように調整した。RF電源の電力を40Wに設定し、RF電極にRF電力を印加し、グロー放電を生起させ、シャッターを開け、膜厚5nmのp2層を形成したところでシャッターを閉じ、グロー放電を止めた。堆積室内へのSiH4/H2(10%)ガス、BF3/H2(1%)ガスの導入を止め、5分間堆積室内へH2ガスを流し続けた後、H2の導入も止め、堆積室内及びガス配管内を1×10-5Torrまで真空排気した。
【0145】
以上でa−Si/a−SiGe/a−SiGeトリプルセルの内のミドル層の形成を終えた。
【0146】
次に、a−Siからなるn1層、a−Siからなるi1層、μc−Siからなるp1層(以上トップ層)の形成を行った。
【0147】
a−Siからなるn1層を形成するには、H2ガスを堆積室201内に導入し、流量が50sccmになるようにマスフローコントローラーで調整し、堆積室内の圧力が1.3Torrになるように調整した。基板温度が220℃になるようにヒーターを設定し、基板温度が安定したところでSi26ガス、PH3/H2(2%)ガスを堆積室201内に導入した。この時、Si26ガス流量が1.0sccm、H2ガス流量が50sccm,PH3/H2(2%)ガス流量が2.5sccm、堆積室内圧力が1.0Torrとなるように調整した。RF電源の電力を2.0Wに設定し、RF電極にRF電力を印加し、グロー放電を生起させ、シャッターを開け、膜厚10nmのn1層を形成したところでシャッターを閉じ、グロー放電を止めた。堆積室内へのSi26ガス、PH3/H2(2%)ガスの導入を止め、5分間堆積室内へH2ガスを流し続けた後、H2の導入も止め、堆積室内及びガス配管内を1×10-5Torrまで真空排気した。
【0148】
a−Siからなるi1層を形成するには、H2ガスを堆積室201内に導入し、流量が100sccmになるようにマスフローコントローラーで調整し、堆積室内の圧力が0.5Torrになるように調整した。基板温度が250℃になるようにヒーターを設定し、基板温度が安定したところでSi26ガスを堆積室内に導入した。この時、Si26ガス流量が4.0sccm、H2ガス流量が100sccm、堆積室内圧力が0.5Torrとなるように調整した。RF電源の電力を3.0Wに設定し、RF電極にRF電力を印加してグロー放電を生起させ、シャッターを開けて膜厚85nmのi1層を形成したところでシャッターを閉じグロー放電を止めた。堆積室内へのSi26ガスの導入を止め、5分間堆積室内へH2ガスを流し続けた後、H2の導入も止め、堆積室内及びガス配管内を1×10-5Torrまで真空排気した。
【0149】
μc−Siからなるp1層を形成するには、H2ガスを堆積室201内に40sccm導入し、堆積室内の圧力が2.0Torrになるように調整した。基板温度が250℃になるようにヒーターを設定し、基板温度が安定したところでSiH4/H2(10%)、BF3/H2(1%)ガスを堆積室内に導入した。この時、SiH4/H2(10%)ガス流量が0.25sccm、H2ガス流量が40sccm、BF3/H2(1%)ガス流量が2.0sccm、堆積室内圧力が2.0Torrとなるように調整した。RF電源の電力を40Wに設定し、RF電極にRF電力を印加し、グロー放電を生起させ、シャッターを開け、膜厚4nmのp1層を形成したところでシャッターを閉じ、グロー放電を止めた。堆積室内へのSiH4/H2(10%)ガス、BF3/H2(1%)ガスの導入を止め、5分間堆積室内へH2ガスを流し続けた後、H2の導入も止め、堆積室内及びガス配管内を1×10-5Torrまで真空排気した。
【0150】
以上でa−Si/a−SiGe/a−SiGeトリプルセルの内のトップ層の形成を終え、リークバルブを開けて、堆積室をリークし、トリプル型太陽電池を取り出した。
【0151】
次に、p1層上に、透明電極として、膜厚70nmのITOを抵抗加熱真空蒸着法で真空蒸着した。
【0152】
次に、透明電極上に櫛型の穴が開いたマスクを乗せ、Cr(20nm)/Ag(800nm)/Cr(20nm)からなる櫛型の集電電極をエレクトロンビーム真空蒸着法で真空蒸着した。
【0153】
以上で太陽電池の作製を終えた。この太陽電池を(SC実1)と呼ぶことにし、ボトム層、ミドル層、トップ層の形成条件を表1に示す。
【0154】
なお、太陽電池(SC実1)におけるi層のゲルマニウム組成は、ボトム層で0.60、ミドル層で0.50であった。また、i層のバンドギャップは、ボトム層で1.35eV、ミドル層で1.40eV、トップ層で1.75eVであった。
【0155】
【表1】

Figure 0003659511
【0156】
(比較例1)
a−Si/a−SiGe/a−SiGeトリプル型太陽電池のボトム層、ミドル層、トップ層のi層の膜厚を180nm、140nm、100nmとし、さらにボトム層、ミドル層のi層のゲルマニウム組成を0.30とした以外は実施例1と同条件で従来型の太陽電池(SC比1)を作製した。
【0157】
図1の構成をしたトリプル型太陽電池のi層膜厚と光による加速劣化後の光電変換効率(ηs)の関係を調べた。
【0158】
予め初期光電変換効率を測定しておいた太陽電池を光による加速劣化装置に設置し、AM1.5スペクトル、照射光強度50SUN(5W/cm2)、基板表面温度110℃という劣化条件で太陽電池表面に光を照射した。光を照射し始めてから50000秒経過したところで、この加速劣化装置から太陽電池を取り出した。次に、取り出した太陽電池を光電変換効率を測定する装置に設置し、AM1.5スペクトル、照射光強度1SUN(100mW/cm2)、基板表面温度25℃の測定条件で光電変換効率を測定した。
【0159】
上記のような光による加速劣化と、加速劣化後の光電変換効率の測定という評価を太陽電池(SC実1)と太陽電池(SC比1)に対して行った。測定の結果、(SC実1)の加速劣化後の光電変換効率(ηs)は(SC比1)のそれよりも1.23倍優れていることが分った。
【0160】
(実施例2)
ボトム層のi層(i3層)を図3のようなグレーデッドバンドギャップ構造とした図1の構成をしたトリプル型太陽電池を作製し、実施例1と同様な評価を行った。
【0161】
ボトム層のi層のバンド構造が図3のようなバンドプロファイルになるようにSiH4流量、GeH4流量を制御した以外は実施例1と同様なトリプル型太陽電池(SC実2)を作製し、実施例1と同様な評価を行ったところ、(SC実2)の光による加速劣化後の光電変換効率(ηs)は比較例1の従来型のトリプル型太陽電池(SC比1)のそれよりも1.27倍優れていることが分った。
【0162】
(実施例3)
n3層とi3層の間、i3層とp3層の間、n2層とi2層の間、i2層とp2層の間にそれぞれRFPCVD法で形成されa−Siからなるバッファ層を積層する以外は実施例2と同様なトリプル型太陽電池(SC実3)を作製した。実施例1と同様な評価を行ったところ(SC実3)の光による加速劣化後の光電変換効率(ηs)は比較例1の従来型のトリプル型太陽電池(SC比1)のそれよりも1.32倍優れていることが分った。
【0163】
(実施例4)
i3層のバンド構造が図3のようなバンドプロファイルになるようにSiH4流量、GeH4流量を制御し、さらにミドル層のi型層のゲルマニウム組成を0.60とした以外は実施例3と同様なトリプル型太陽電池(SC実4)を作製した。実施例1と同様な評価を行ったところ(SC実4)の光による加速劣化後の光電変換効率(ηs)は比較例1の従来型のトリプル型太陽電池(SC比1)のそれよりも1.35倍優れていることが分った。
【0164】
(実施例5)
ボトム層、ミドル層、トップ層のi層の膜厚を75nm、70nm、85nmとした以外は実施例4と同様なトリプル型太陽電池(SC実5)を作製した。実施例1と同様な評価を行ったところ(SC実5)の光による加速劣化後の光電変換効率(ηs)は実施例1の従来型のトリプル型太陽電池(SC比1)のそれよりも1.37倍優れていることが分った。
【0165】
(実施例6)
ミドル層のi層のバンド構造が図3のようなバンドプロファイルになるようにSiH4流量、GeH4流量を制御した以外は実施例3と同様なトリプル型太陽電池(SC実6)を作製し、実施例1と同様な評価を行ったところ、(SC実6)の光による加速劣化後の光電変換効率(ηs)は実施例1の従来型のトリプル型太陽電池(SC比1)のそれよりも1.40倍優れていることが分った。
【0166】
(実施例7)
図4に示すロール・ツー・ロール方式を用いた製造装置を使用して、図1のトリプル型太陽電池を作製した。基板は長さ300m、幅30cm、厚さ0.1mmの両面を鏡面研磨した帯状ステンレスシートを用いた。ロール・ツー・ロール方式を用いたスパッタリング装置でこのステンレス基板表面上に基板温度350℃で層厚0.3μmのAgからなる反射層を連続形成し、さらに基板温度350℃で層厚2.0μmのZnOからなる透明導電層を連続形成した。基板表面はテクスチャー化していることが分かった。基板表面の凹凸は、Rmaxで500nmであった。
【0167】
図4はロール・ツー・ロール方式を用いた半導体層の連続形成装置の概略図である。この装置は基板送り出し室401と、複数の堆積室402〜414と、基板巻き取り室415を順次配置し、それらの間を分離通路416で接続しており、帯状の基板417がこれらの中を通って、基板送り出し室から基板巻き取り室に絶え間なく移動することができ、かつ基板の移動と同時に各堆積室でそれぞれの半導体層を同時に形成することができる。
【0168】
450は堆積室を上から見た図で、それぞれの堆積室には原料ガスの入口419と原料ガスの排気口420があり、RF電極421、あるいはマイクロ波導入部422が必要に応じて取り付けられ、さらに基板を加熱するハロゲンランプヒーター418が内部に設置されている。また原料ガスの入口には不図示の原料ガス供給装置が接続されており、それぞれの原料ガスの排気口には油拡散ポンプ、メカニカルブースターポンプなどの真空排気ポンプが接続されている。それぞれのRF電極にはRF電源(不図示)が接続され、マイクロ波導入部にはマイクロ波(MW)電源が接続されている。堆積室に接続された分離通路には掃気ガスを流入させる入口424がある。基板送り出し室には送り出しロール425と基板に適度の張力を与えるためのガイドロール426があり、基板巻き取り室には巻き取りロール427とガイドロール428がある。
【0169】
まず、前記の反射層と透明導電層を形成した基板を送り出しロールに巻き付け、基板送り出し室にセットし、各堆積室内を通過させた後に基板の瑞を基板巻き取りロールに巻き付ける。装置全体を不図示の真空排気ポンプで真空排気し、各堆積室のランプヒーターを点灯させ、各堆積室内の基板温度が所定の温度になるように設定する。装置全体の圧力が1mTorr以下になったら各掃気ガスの入り口からH2ガスを流入させ、基板を図の矢印の方向に移動させながら、巻き取りロールで巻き取っていく。実施例1と同様にして各堆積室に各半導体層を形成するための原料ガスを流入させる。この際、各堆積室に流入させる原料ガスが他の堆積室に拡散しないように各分離通路に流入させるH2ガスの流量、各堆積室の圧力を調整する。
【0170】
次に、各堆積室にRF電力、MW電力を導入してグロー放電を生起し、それぞれの半導体層を形成していく。
【0171】
基板上に堆積室402ではRFプラズマCVD法でn3層(a−Si:H)を形成し、さらに堆積室403ではRFプラズマCVD法でb31バッファ層(a−Si:H)を、堆積室404ではMWプラズマCVD法でi3層(a−SiGe:H)を、堆積室405ではRFプラズマCVD法でb32バッファ層(a−Si:H)を、堆積室406ではRFプラズマCVD法でp3層(μc−Si:H)を、堆積室407ではRFプラズマCVD法でn2層(a−Si:H)を、堆積室408ではRFプラズマCVD法でb21バッファ層(a−Si:H)を、堆積室409ではMWプラズマCVD法でi2層(a−SiGe:H)を、堆積室410ではRFプラズマCVD法でb22バッファ層(a−Si:H)を、堆積室411ではRFプラズマCVD法でp2層(μc−Si:H)を、堆積室412ではRFプラズマCVD法でn1層(μc−Si:H)を、堆積室413ではRFプラズマCVD法でi3層(a−Si:H)を、堆積室414ではRFプラズマCVD法でp1層(μc−Si:H)を順次形成した。
【0172】
i3層を形成する堆積室、i2層を形成する堆積室の原料ガス入口429は複数に分かれており、それぞれの入口からSiH4ガス、GeH4ガス、H2ガスを流入させ、i3層、i2層のGe組成が層厚方向に均一になり、バンドギャップが層厚方向に均一になるようにした。基板の搬送が終わったところでMW電源、RF電源を切り、グロー放電を消滅させ、原料ガス、掃気ガスの流入を止めた。基板温度が室温まで下がったところで装置全体をリークし、巻き取られた基板を取り出した。詳細な作製条件は表2にまとめた。
【0173】
次にロール・ツー・ロール方式を用いたスパッタリング装置でp1層上に170℃で層厚70nmのITOからなる透明電極を連続形成した。
【0174】
次に、この基板の一部を50mm×50mmの大きさに切断し、スクリーン印刷法で層厚5μm、線幅0.5mmの銀ペーストを印刷し、集電電極を形成した。
【0175】
次に、定格電圧25V、定格出力50Wとなるように太陽電池同志の直列化、並列化を行った。
【0176】
次に、鋼材からなるバッキングプレート上に、EVA(エチレンビニルアセテート)シート、ナイロンシート、EVAシート、クレーンガラス(ガラス繊維の不織布)、直列化・並列化を行った太陽電池、クレーンガラス、EVAシート、クレーンガラス、EVAシート、クレーンガラス、ETFE(エチレンテトラフロロエチレン)シートを乗せ、真空ラミネート(150℃、40分)した。
【0177】
以上で、ロール・ツー・ロール方式を用いたトリプル型太陽電池モジュール(MJ実7)の作製を終えた。
【0178】
【表2】
Figure 0003659511
【0179】
(比較例7)
上記のロール・ツー・ロール方式の製造装置を用いて、i1層、i2層、i3層の膜厚をそれぞれ、100nm、130nm、190nmとした従来のトリプル型太陽電池を作製した。膜厚を変える以外は実施例7と同様にしてトリプル型太陽電池(MJ比7)を作製し、実験例1と同様な評価を行ったところ、実施例7の太陽電池モジュール(MJ実7)の光による加速劣化後の光電変換効率(ηs)は比較例7の太陽電池モジュール(MJ比7)のそれの1.21倍であることが分かった。
【0180】
(実施例8)
実施例7において複数に分割された原料ガス入口429からSiH4ガス、GeH4ガス、H2ガスを流入させ、i3層、i2層を形成する際、GeH4ガスの流量を430のように調整し,a−SiGe:Hが図3のバンドギャップとなるようにする以外は実施例7と同様にして図1のトリプル型太陽電池モジュールを作製した。実験例1と同様な評価を行ったところ、光による加速劣化後の光電変換効率(ηs)は比較例7の太陽電池モジュール(MJ比7)のそれの1.23倍であることが分かった。
【0181】
(実施例9)
実施例7において堆積室405、堆積室410の一部にH2ガスのみのプラズマを生起させる部分を設け、b32及びb22層に水素プラズマ処理を施す以外は実施例7と同様にして図1のトリプル型太陽電池モジュール(MJ実9)を作製した。実験例1と同様な評価を行ったところ、光による加速劣化後の光電変換効率(ηs)は比較例7の太陽電池モジュール(MJ比7)のそれの1.25倍であることが分かった。
【0182】
(実施例10)
実施例7において堆積室404、堆積室409に流入させるSiH4ガスの流量、GeH4ガスの流量を4/5にし、MW電力を4/5にする以外は実施例7と同様にして図1のトリプル型太陽電池モジュール(MJ実10)を作製した。実験例1と同様な評価を行ったところ、光による加速劣化後の光電変換効率(ηs)は比較例7の太陽電池モジュール(MJ比7)のそれの1.22倍であることが分かった。
【0183】
(実施例11)
実施例7において堆積室404、堆積室409に流入させるSiH4ガスの流量を4/5にし、GeH4ガスの流量を6/5にする以外は実施例7と同様にして図1のトリプル型太陽電池モジュール(MJ実11)を作製した。実験例1と同様な評価を行ったところ、光による加速劣化後の光電変換効率(ηs)は比較例7の太陽電池モジュール(MJ比7)のそれの1.26倍であることが分かった。
【0184】
(実施例12)
実施例7において堆積室405内の基板温度を350℃、堆積室410内の基板温度を330℃にする以外は実施例7と同様にして図1のトリプル型太陽電池モジュール(MJ実12)を作製した。実験例1と同様な評価を行ったところ、光による加速劣化後の光電変換効率(ηs)は比較例7の太陽電池モジュール(MJ比7)のそれの1.31倍であることが分かった。
【0185】
(実施例13)
実施例7においてb32層、b22層形成時に新たにCH4ガスを15sccm、堆積室に流入させて形成したa−SiC:Hのバッファー層を用いたトリプル型太陽電池モジュール(MJ実13)を作製した。実験例1と同様な評価を行ったところ、光による加速劣化後の光電変換効率(ηs)は比較例7の太陽電池モジュール(MJ比7)のそれの1.29倍であることが分かった。
【0186】
(実施例14)
実施例7において堆積室406、411、414に新たにマイクロ波導入部を設置し、p1層、p2層、p3層形成時に新たにCH4ガスを10sccm、各堆積室に流入させMWPCVD法で形成した微結晶SiC:Hのp層を用いたトリプル型太陽電池モジュール(MJ実14)を作製した。実験例1と同様な評価を行ったところ、光による加速劣化後の光電変換効率(ηs)は比較例7の太陽電池モジュール(MJ比7)のそれの1.32倍であることが分かった。
【0187】
【発明の効果】
請求項1、2の発明により、即ち前記第二および第三のpin接合のi層である非晶質シリコンゲルマニウムの膜厚を、従来好適と考えられてきた膜厚を外れて薄くすることによって、光照射によるi層中での局在準位の増加を抑制することができ、スタック型の光起電力素子の中でもさらに光劣化を抑制することができる。
【0188】
請求項3、4の発明により、即ち前記第ニおよび第三のpin接合のi層である非晶質シリコンゲルマニウムのゲルマニウム組成を増大させることによって、非晶質シリコンゲルマニウムの膜厚を上述の如く薄くした場合においても、第一、第二及び第三のpin接合で発生する電流のマッチングをとることができ、光劣化を抑制しながらなおかつ高い光電変換効率を維持することができる。
【0189】
請求項5〜7の発明によれば、非晶質シリコンゲルマニウム中のゲルマニウムの含有量を増大させた場合においても、光起電力素子の開放電圧(Voc)と曲線因子(FF)を特に向上させることができ、光劣化を抑制しながらなおかつさらに高い変換効率を維持することができる。
【0190】
以上の構成の本発明のスタック型光起電力素子によって、前記第二、第三のpin接合のi層である非晶質シリコンゲルマニウムの光劣化が抑制され、高い光電変換効率を維持しながら、光劣化を低下させ、光劣化後の変換効率を向上させることができる。それによって、実用に適した低いコストでありながら、信頼性が高くかつ光電変換効率の高い光起電力素子を提供することができる。
【0191】
また、本発明の光起電力素子の他の効果として、前記第二および第三のpin接合のi層である非晶質シリコンゲルマニウムの膜厚を、従来好適と考えられてきた膜厚を外れて薄くすることによって、シリコンより少ない資源であるゲルマニウムの使用量を削減することができる。また、製造工程における使用エネルギーも削減することができる。さらに、光起電力素子全体の膜厚が薄くなることによって、積層した薄膜にかかる応力が減少し、基板を曲げたり反らせたりしたときの耐久力が増大し、堆積膜の基板からの膜はがれの問題を減少させることができる。それによって、製造行程の歩留まりが向上し、光起電力素子の利用形態の柔軟性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の光起電力素子の一例を模式的に示す断面図である。
【図2】半導体層形成装置の一例を示す概念図である。
【図3】i層のバンドギャップの膜厚方向の変化の好適な例を示すグラフである。
【図4】光起電力素子の連続形成装置の一例を示す概念図である。
【図5】光起電力素子の集電電極形成パターンの一例を示した概念図である。
【図6】コンスタントフォトカレントメソッドによる測定例を示すグラフである。
【符号の説明】
101、204、417 基板、
102 下部電極、
103 n3層(p3層)、
104 i3層、
105 p3層(n3層)、
106 n2層(p2層)、
107 i2層、
108 p2層(n2層)、
109 n1層(p1層)、
110 i1層、
111 p1層(n1層)、
112 透明電極、
113 集電電極、
114 ボトム、
115 ミドル、
116 トップ、
200 堆積装置、
201 堆積室、
202 真空計、
203 バイアス(RF)電源、
205 ヒーター、
206 導波管、
207 コンダクタンスバルブ、
208 バルブ、
209 基板ホルダー、
210 バイアス(RF)電極、
211 ガス導入管、
212 マイクロ波導入部、
213 誘電体窓、
215 シャッター、
219 マイクロ波電源、
220 排気口、
401 基板送り出し室、
402〜414 堆積室、
415 基板巻き取り室、
416 分離通路、
418 ランプヒーター、
419 原料ガス入口、
420 排気口、
421 RF電極、
422 マイクロ波導入部、
424 掃気ガス入口、
425 送り出しロール、
426 ガイドロール、
427 巻き取りロール、
428 ガイドロール、
429 複数個のガス導入口、
430 GeHの流量、
431 RFバイアス電極、
450 上から見た図、
501 光起電力素子の光入射面、
502 取り出し電極。[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a photovoltaic device, and more particularly to a photovoltaic device having high photoelectric conversion efficiency and high reliability.
[0002]
[Prior art]
Photovoltaic elements, which are photoelectric conversion elements that convert sunlight into electrical energy, are widely applied as power sources for consumer use such as calculators and wristwatches. In the future, so-called fossil fuels such as oil and coal are used. It is attracting attention as a technology that can be put to practical use as an alternative power.
[0003]
A photovoltaic device is a technology that uses the photovoltaic power of a pn junction of a semiconductor, and a semiconductor such as silicon absorbs sunlight and generates photocarriers of electrons and holes. It is drifted by an electric field and taken out to the outside. Such a photovoltaic element is manufactured by using a semiconductor process. Specifically, a silicon single crystal whose valence electrons are controlled to be p-type or n-type is produced by a crystal growth method such as CZ method, and the single crystal is sliced to produce a silicon wafer having a thickness of about 300 μm. Furthermore, a pn junction is formed by forming a layer of a different conductivity type by an appropriate means such as diffusion of a valence electron control agent so that the conductivity type is opposite to that of the wafer.
[0004]
By the way, single crystal silicon is currently used for photovoltaic devices that are mainly put into practical use from the viewpoint of reliability and conversion efficiency. Since it is used, the production cost is high.
[0005]
Another drawback of single crystal silicon photovoltaic devices is that single crystal silicon is an indirect transition and thus has a low light absorption coefficient, and single crystal photovoltaic devices are at least 50 microns thick to absorb incident sunlight. And the band gap is about 1.1 eV, which is narrower than 1.5 eV, which is suitable as a photovoltaic element, and the entire sunlight cannot be used effectively. Moreover, even if the production cost is reduced by using polycrystalline silicon, the problem of indirect transition remains, and the thickness of the photovoltaic element cannot be reduced. Polycrystalline silicon also has grain boundaries and other problems.
[0006]
Furthermore, since it is crystalline, a wafer with a large area cannot be manufactured and it is difficult to increase the area, and when taking out a large amount of power, wiring for serializing or paralleling the unit elements must be performed. Production costs per unit of power generation are not possible because of the need for expensive mounting to protect photovoltaic elements from mechanical damage caused by various weather conditions when used outdoors. There is a problem that it is expensive compared to the power generation method.
[0007]
Under these circumstances, in promoting the practical use of photovoltaic devices for power, cost reduction and large area are important technical issues, and various studies have been made, and low-cost materials and conversion There has been a search for materials such as highly efficient materials. As a material of such a photovoltaic element, tetrahedral amorphous semiconductors such as amorphous silicon, amorphous silicon germanium, and amorphous silicon carbide, CdS, Cu 2 Examples include II-VI group compounds such as S and III-V group compound semiconductors such as GaAs and GaAlAs. In particular, a thin-film photovoltaic device using an amorphous semiconductor as a photovoltaic generation layer can produce a large-area film compared to a single-crystal photovoltaic device, and can be thin. It is promising because it has advantages such as being able to be deposited on other substrate materials.
[0008]
However, the photovoltaic element using the amorphous semiconductor has a problem in terms of improvement in photoelectric conversion efficiency and reliability as a power element.
[0009]
As a means for improving the photoelectric conversion efficiency of a photovoltaic element using an amorphous semiconductor, for example, the sensitivity to long-wavelength light is increased by narrowing the band gap. That is, since amorphous silicon has a band gap of about 1.7 eV, it cannot absorb light with a long wavelength of 700 nm or longer and cannot be used effectively. Therefore, it is sensitive to long wavelength light and has a narrow band gap. The use of is being considered. Examples of such a material include amorphous silicon germanium that can easily change the band gap from about 1.3 eV to about 1.7 eV easily by changing the ratio of the silicon source gas and the germanium source gas at the time of film formation.
[0010]
US Pat. No. 2,949,498 discloses the use of a so-called stack cell in which a plurality of photovoltaic elements having a unit element structure are stacked as another method for improving the conversion efficiency of a photovoltaic element. A pn junction crystal semiconductor was used for this stack cell, but the idea is common to both amorphous and crystalline materials, and the solar spectrum is efficiently absorbed by photovoltaic elements of different band gaps. The power generation efficiency is improved by increasing the open circuit voltage Voc.
[0011]
Stack cells improve the conversion efficiency by stacking elements with different band gaps and efficiently absorbing each part of the spectrum of sunlight. The so-called top layer band gap located on the light incident side of the stacked elements. Rather, the band gap of the so-called bottom layer located below the top layer is designed to be narrower. On the other hand, Hamakawa et al. Have reported a so-called cascade battery in which amorphous silicon having the same band gap is stacked in multiple layers without an insulating layer between photovoltaic elements to increase the Voc of the entire element. In this method, unit elements made of an amorphous silicon material having the same band gap are stacked.
[0012]
Amorphous silicon germanium has a narrow band gap and excellent sensitivity to light having a long wavelength, and therefore is used as a material suitable for the bottom layer of the stack cell described above.
[0013]
By the way, amorphous silicon germanium, which improves the long wavelength sensitivity in this way and can also be applied as the bottom layer of a stack cell, is generally inferior to amorphous silicon in terms of film quality, and thus produces a photovoltaic device. In this case, the conversion efficiency is low. This is because there are more localized levels in the band gap than amorphous silicon. For this reason, research and development has been carried out to improve the film quality by reducing the level in the band gap.For example, activated fluorine atoms are used to compensate for dangling bonds in amorphous silicon germanium. Amorphous silicon germanium with reduced localized level density is disclosed in Japanese Patent Publication No. 63-48197.
[0014]
On the other hand, improvement of characteristics of amorphous silicon germanium photovoltaic elements is also being studied by methods other than the essential improvement of film quality as described above. As an example, a method using a so-called buffer layer that gives a slope of a bandwidth at a junction interface between a p-type semiconductor and / or an n-type semiconductor and an i-type semiconductor layer is disclosed in US Pat. No. 4,254,429 and US Pat. No. 4,377,723. The purpose of the buffer layer is that there are many levels at the junction interface between a p-type semiconductor or n-type semiconductor made of amorphous silicon and an i-type semiconductor made of amorphous silicon germanium due to the difference in lattice constant. Therefore, by using amorphous silicon at the bonding interface, the level is eliminated, the bonding is improved, and Voc is improved so as not to impair the carrier runnability.
[0015]
Furthermore, as another method, a method of providing a so-called gradient layer that improves the characteristics by providing a distribution of composition in the intrinsic layer by changing the composition ratio of silicon and germanium is disclosed. For example, according to U.S. Pat. No. 4,816,082, the band gap of the i layer in the part in contact with the first valence-controlled semiconductor layer on the light incident side is increased, and gradually toward the center. A method is disclosed in which the band gap is narrowed and further the band gap is gradually increased toward the second valence-electron controlled semiconductor layer. According to this method, carriers generated by light can be separated efficiently by the action of an internal electric field, and the characteristics are improved.
[0016]
Incidentally, another problem of the photovoltaic element using an amorphous semiconductor is that the conversion efficiency is lowered by light irradiation. This is because amorphous silicon and amorphous silicon germanium are caused by the film quality being deteriorated by light irradiation, and therefore the carrier runnability is deteriorated. It is a phenomenon peculiar to quality semiconductors. Therefore, when it is used for electric power, the reliability is inferior and it is an obstacle to practical use. Research into improving the photodegradation of amorphous semiconductors has been conducted intensively, but studies have been made to prevent photodegradation by improving the film quality, while reducing the photodegradation by improving the cell structure has also been studied. Yes. As a specific example of such a method, use of the above-described stack cell structure is an effective means, and it has been confirmed that the deterioration of cell characteristics due to light irradiation is reduced.
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the amorphous photovoltaic device, the film quality is inferior to that of the crystalline silicon photovoltaic device, so the conversion efficiency is not sufficient, and the power generation cost per watt is higher than that of existing nuclear power, thermal power, hydroelectric power generation, etc. It is expensive. In order for an amorphous silicon-based photovoltaic element to be used for electric power as compared with an existing power generation method, it is required to further improve the conversion efficiency.
[0018]
Furthermore, as described above, despite the elucidation of the mechanism of photodegradation and the study of preventing photodegradation, the problem of photodegradation has not been completely solved. The device is required to have further reliability.
[0019]
An object of the present invention is to solve the above-described problems, and to provide a photovoltaic device having low cost suitable for practical use, high reliability and high photoelectric conversion efficiency.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
The inventors of the present invention have overcome the above-described problems, have made extensive studies on stack type photovoltaic devices with low photodegradation and high conversion efficiency, and have obtained the following knowledge from the experimental results described below. Obtained.
[0021]
That is,
(1) In order to reduce the light deterioration rate and improve the conversion efficiency after light deterioration while maintaining high photoelectric conversion efficiency, among the so-called stacked photovoltaic elements, the first is counted from the light incident side. A Si / SiGe / SiGe triple photovoltaic device using amorphous silicon as the i layer of the pin junction and amorphous silicon germanium as the i layer of the second and third pin junctions is suitable. about,
(2) Further, by reducing the film thickness of the amorphous silicon germanium, which is the i layer of the second or third pin junction, from the film thickness that has been considered to be suitable in the past, the stack type photovoltaic The ability to further suppress light degradation among the elements,
(3) Further, by increasing the germanium composition of amorphous silicon germanium which is the i layer of the second or third pin junction, high photoelectric conversion efficiency can be achieved even when the amorphous silicon germanium film thickness is reduced. That can be maintained,
(4) Furthermore, an amorphous silicon layer or an amorphous silicon carbon layer is disposed between the p layer of the second or third pin junction and the amorphous silicon germanium layer, and further, amorphous. By changing the germanium composition of the porous silicon germanium layer in the film thickness direction and measuring the position where the germanium composition is maximized from the p-layer side, the thickness is made less than one-fourth of the film thickness of the entire amorphous silicon germanium layer. The photoelectric conversion efficiency after photodegradation of the triple type photovoltaic device can be further increased,
(5) Furthermore, conventionally, it has been considered that amorphous silicon germanium increases the density of localized states and decreases the film quality when the germanium composition is increased. However, as a means for depositing amorphous silicon germanium, Triple-type photovoltaic device that suppresses localized state density and maintains good film quality even when the germanium composition is increased by controlling the plasma state at the initial stage of deposition using the wave CVD method Can further increase the photoelectric conversion efficiency after photodegradation of
It is.
[0022]
The present invention has been further researched based on the above knowledge, applied to photovoltaic devices, and has been completed.
[0023]
However, the gist of the present invention is a so-called stack type photovoltaic device in which a plurality of pin type semiconductor junctions formed by stacking a p type semiconductor layer, an i type semiconductor layer, and an n type semiconductor layer are stacked. Counting from the light incident side, using amorphous silicon as the i layer of the first pin junction, using amorphous silicon germanium as the i layer of the second and third pin junctions, and i of the second pin junction The thickness of the amorphous silicon germanium layer is 100 nm or less. about, In addition, the photovoltaic element is characterized in that the film thickness of amorphous silicon germanium which is the i layer of the third pin junction is 150 nm or less.
[0024]
Furthermore, the germanium composition (Ge / (Si + Ge)) of amorphous silicon germanium that is the i layer of the second pin junction is set to 0.35 or more, and the non-layer that is the i layer of the third pin junction. The germanium composition (Ge / (Si + Ge)) of crystalline silicon germanium is preferably 0.40 or more.
[0025]
Preferably, an amorphous silicon layer or an amorphous silicon carbon layer is disposed between the p layer of the second or / and third pin junction and the amorphous silicon germanium layer, and further amorphous silicon. It is preferable that the germanium composition of the germanium layer is changed in the film thickness direction, and the position where the germanium composition is maximized is measured from the p-layer side to be not more than a quarter of the film thickness of the entire amorphous silicon germanium layer.
[0026]
Further, when the local level density of amorphous silicon germanium, which is the i layer of the second and third pin junctions, is measured by a constant photocurrent method, 5 × 10 5 16 / Cm Three It is preferable that:
[0027]
[Operation and embodiment examples]
Claim 1 And 2 According to the invention of No. Two By reducing the film thickness of amorphous silicon germanium, which is the i layer of the third pin junction, from the film thickness that has been considered suitable in the past, the localized level in the i layer by light irradiation is reduced. Of the stack type photovoltaic device can further suppress the light deterioration.
[0028]
Claim 3 and 4 According to the invention, when the amorphous silicon germanium film thickness is reduced as described above by increasing the germanium composition of the amorphous silicon germanium that is the i layer of the second or / and third pin junction. In this case, it is possible to match currents generated in the first, second and third pin junctions, and to maintain high photoelectric conversion efficiency while suppressing photodegradation.
[0029]
Claim 5-7 According to the invention, even when the content of germanium in the amorphous silicon germanium is increased, the open-circuit voltage (Voc) and the fill factor (FF) of the photovoltaic element can be particularly improved. Still higher photoelectric conversion efficiency can be maintained while suppressing deterioration.
[0030]
The stacked photovoltaic device of the present invention having the above configuration suppresses photodegradation of amorphous silicon germanium, which is the i layer of the second and third pin junctions, while maintaining high photoelectric conversion efficiency. The deterioration rate can be reduced and the conversion efficiency after light deterioration can be improved.
[0031]
Here, the effect | action of this invention is demonstrated in more detail with the example of an embodiment by showing the experiment which the present inventors conducted, and the knowledge obtained by the experiment.
[0032]
In order to further improve the conversion efficiency of an amorphous silicon-based photovoltaic element, to prevent light degradation, and to improve the reliability of the amorphous silicon-based photovoltaic element, the following The following examination was conducted.
[0033]
First, as described above, it has been known that a stack type configuration is effective as a photovoltaic device configuration as a method for reducing photodegradation. However, reduction of photodegradation is still insufficient. There wasn't. Thus, as a result of studying the configuration of the stack type photovoltaic device, the present inventors have obtained the following knowledge.
[0034]
That is, among the stacked photovoltaic elements, the triple type photovoltaic element having three pin junctions is more deteriorated than the double type photovoltaic element having two pin junctions. It can be reduced. This is because when the same type of semiconductor material is used, the triple type has less photocurrent generated at a single pin junction than the double type, and causes positive photodegradation of the amorphous semiconductor. This is thought to be because the recombination of holes and electrons decreases.
[0035]
Further, among triple type photovoltaic elements, amorphous silicon is used as the i layer of the first pin junction counted from the light incident side, and amorphous silicon is used as the i layer of the second and third pin junctions. The inventors have found that a Si / SiGe / SiGe triple type photovoltaic device using germanium is most suitable for reducing light degradation. This is because amorphous silicon germanium has a smaller band gap than amorphous silicon, so it can absorb long wavelength light that cannot be absorbed by amorphous silicon, and change the composition ratio of germanium. This is because of the advantage of controlling the size of the band gap. The band of the i-type semiconductor layer of the second pin junction is more in the Si / SiGe / SiGe configuration than the Si / Si / SiGe configuration using amorphous silicon as the i layer of the second pin junction. Since the gap is small, the thickness of the i-type semiconductor layer can be reduced, and as a result, light degradation can be further reduced.
[0036]
Accordingly, the present inventors have further investigated the Si / SiGe / SiGe triple type photovoltaic device. As a result, in order to maximize the photoelectric conversion efficiency of the Si / SiGe / SiGe triple photovoltaic element, the band gap of the amorphous silicon which is the i layer of the first pin junction is changed from 1.60 eV to 1. 85 eV, the band gap of amorphous silicon germanium that is the i layer of the second pin junction is changed from 1.5 eV to 1.6 eV, and the band gap of amorphous silicon germanium that is the i layer of the third pin junction is It has been found that a value of 1.45 eV to 1.55 eV is preferable. At this time, it turned out that the suitable film thickness of the amorphous silicon germanium which is i layer of the 2nd and 3rd pin junction is 100-200 nm and 200-350 nm, respectively. (Hereinafter, the first pin junction is abbreviated as top, the second pin junction is abbreviated as middle, and the third pin junction is abbreviated as bottom.)
However, the present inventors have further studied, considering both the photoelectric conversion efficiency and the photodegradation rate of the Si / SiGe / SiGe triple type photovoltaic device, and maintaining the high photoelectric conversion efficiency while reducing the photodegradation rate. Studies were made to reduce the maximum, that is, the photoelectric conversion efficiency (hereinafter referred to as stabilized conversion efficiency) after saturation of the decrease in photoelectric conversion efficiency due to photodegradation.
[0037]
First, when experiments were repeated focusing on the photodegradation rate of the Si / SiGe / SiGe-ripple type photovoltaic device, the middle and bottom photodegradation rates of the Si / SiGe / SiGe-ripple type photovoltaic device were repeated. However, it has been found that the light degradation rate of the entire device greatly affects. Then, it was found that it is desirable that the film thicknesses of amorphous silicon germanium which is the middle and bottom i layers are 100 nm or less and 150 nm or less, respectively, and more preferably 80 nm or less and 130 nm or less. In any conventional technique, such a thin semiconductor layer has never been used for the i-layer of the lower pin junction with respect to the light incident direction of the stacked photovoltaic element.
[0038]
On the other hand, since the stack type photovoltaic device has a configuration in which a plurality of pin junctions are connected in series, the current value generated at each pin junction is as large as possible and the current values are not close to each other. High photoelectric conversion efficiency cannot be obtained. This is called current matching of the stack cell. Therefore, if the film thickness of the amorphous silicon germanium that is the i layer of the middle and bottom of the Si / SiGe / SiGe triple type photovoltaic device is reduced to the above-mentioned value, it is generated at the middle and the bottom. It was expected that the photoelectric conversion efficiency would decrease because the current value would decrease.
[0039]
Therefore, as a result of further investigations and repeated experiments, the present inventors, even when the film thickness of the amorphous silicon germanium that is the middle and bottom i layer is reduced to the above-mentioned value, It was found that the current value generated at the middle and bottom can be maintained by reducing the band gap of amorphous silicon germanium. Specifically, the germanium composition (Ge / (Si + Ge)) of amorphous silicon germanium that is the middle i layer is changed from 0.35 to 0.80, and the germanium composition of amorphous silicon germanium that is the bottom i layer. (Ge / (Si + Ge)) is changed from 0.40 to 0.90, more preferably, the germanium composition of amorphous silicon germanium, which is the middle i layer, is changed from 0.40 to 0.70. It is desirable that the germanium composition of the amorphous silicon germanium that is the i layer is 0.45 to 0.80. It was found that by using such a germanium composition, the band gap of amorphous silicon germanium becomes small, and the current value generated at the middle and bottom can be maintained.
[0040]
Examples of experiments conducted for the above examination are shown in Experimental Examples 1-1 to 1-6.
[0041]
Thus, the present inventors were able to reduce the photodegradation rate, that is, to improve the stabilized conversion efficiency, while maintaining high photoelectric conversion efficiency.
[0042]
As a result of further study on the improvement of the stabilization conversion efficiency of the Si / SiGe / SiGe triple photovoltaic device, the present inventors have obtained the following knowledge.
[0043]
That is, by disposing an amorphous silicon layer or an amorphous silicon carbon layer between the middle and bottom p-layers and the amorphous silicon germanium layer, and further changing the germanium composition of the amorphous silicon germanium layer The position where the germanium composition is maximized is measured from the interface between the amorphous silicon layer or the amorphous silicon carbon layer and the amorphous silicon germanium layer, and the film thickness of the entire amorphous silicon germanium layer is 4 By making the ratio 1 / n or less, the photoelectric conversion efficiency after photodegradation of the triple photovoltaic element can be further increased. This is mainly because the open / close voltage (Voc) and fill factor (FF) of the Si / SiGe / SiGe triple photovoltaic element can be improved, and the photoelectric conversion efficiency of the element can be improved. It is considered a thing.
[0044]
Here, the effect of disposing an amorphous silicon layer or an amorphous silicon carbon layer between the middle and bottom p layers and the amorphous silicon germanium layer is mainly the open circuit voltage (Voc) of the photovoltaic device. It has a function to improve. This is presumably because the diffusion potential of the pin junction is increased by the amorphous silicon layer or the amorphous silicon carbon layer. It is also conceivable that an electron generated by light in amorphous silicon germanium forms a barrier that prevents the electrons from diffusing into the p layer. Further, by forming the amorphous silicon layer or the amorphous silicon carbon layer also between the n layer and the amorphous silicon germanium layer, the photoelectric conversion efficiency can be further improved.
[0045]
The film thickness of the amorphous silicon layer or the amorphous silicon carbon layer is preferably 3 nm to 50 nm, more preferably 5 nm to 40 nm. Further, even when an amorphous silicon layer or an amorphous silicon carbon layer having such a film thickness is disposed, the photodegradation rate of the photovoltaic element hardly increased.
[0046]
In addition, the germanium composition of the amorphous silicon germanium layer is changed in the film thickness direction, and the position where the germanium composition is maximized is measured from the interface between the amorphous silicon layer or the amorphous silicon carbon layer and the amorphous silicon germanium layer. As an effect of reducing the thickness of the amorphous silicon germanium layer to a quarter or less, it mainly serves to improve the open circuit voltage (Voc) and the fill factor (FF) of the photovoltaic element. . This is because in amorphous semiconductors, electrons and holes generated by light are considered to have a shorter diffusion length and rate limiting the overall characteristics, and the band gap of amorphous silicon germanium. Is changed in the film thickness direction, and the position where the band gap is minimized is arranged near the p layer, so that more photocarriers are distributed near the p layer than in the case of having a uniform band gap in the film thickness direction. In other words, it is considered that for the holes in the photocarrier, the short distance traveled in the i-type semiconductor leads to an improvement in fill factor (FF). In addition, by continuously changing the band gap of amorphous silicon germanium and increasing the valence band, diffusion of holes in the photocarrier is promoted, and the open circuit voltage (Voc) of the photovoltaic device is promoted. ) And fill factor (FF).
[0047]
Also, the preferred germanium composition when changing the germanium composition of the amorphous silicon germanium layer in the film thickness direction varies depending on how it is changed, but in the case where the germanium composition is the middle layer at the portion where germanium is maximum. 0.35 to 0.80, and preferably 0.40 to 0.90 in the case of the bottom layer.
[0048]
Examples of experiments conducted for the above examination are shown in Experimental Examples 2, 3, and 4.
[0049]
Furthermore, the present inventors have improved the photoelectric conversion efficiency of a photovoltaic device using amorphous silicon germanium in the i layer by suppressing the localized level of amorphous silicon germanium having a large germanium composition. The present inventors have obtained the knowledge that the light degradation rate can be reduced and the stabilization efficiency can be improved.
[0050]
Conventionally, a semiconductor material called amorphous silicon germanium generally has a low photoconductivity when the composition of germanium is increased. In particular, in the case of amorphous silicon germanium having a germanium composition of 0.35 or more, the photoconductivity is often significantly reduced. Therefore, it has been difficult to obtain high photoelectric conversion efficiency in a photovoltaic device using amorphous silicon germanium having a large germanium composition in the i layer. This is because the germanium composition increases, the localized level in the band gap increases, the level of the bottom state of the conduction band edge and the valence band edge (called tail state) increases, and the electrons and positive This is thought to be because the diffusion length of the holes is shortened.
[0051]
However, as a result of intensive studies, the inventors of the present invention formed amorphous silicon germanium by a microwave plasma CVD method, and further optimized the formation conditions to thereby form an amorphous silicon germanium having a germanium composition of 0.35 or more. In FIG. 5, the local level and tail state were reduced, and high-quality amorphous silicon germanium could be obtained. As a result, it was possible to improve the photoelectric conversion efficiency of the photovoltaic device using amorphous silicon germanium having a germanium composition of 0.35 or more for the i layer. Moreover, the light deterioration rate also decreased and the stabilization efficiency was able to be improved.
[0052]
This is because the amorphous silicon germanium is formed by the microwave plasma CVD method, whereas the amorphous silicon germanium is formed by using the RF plasma CVD method. Has been achieved. That is, when amorphous silicon germanium is formed using the RF plasma CVD method, it is difficult to reduce the pressure in the vacuum chamber for generating the plasma and decomposing the raw material gas to 100 mTorr or less. When amorphous silicon germanium is formed by the wave plasma CVD method, the pressure in the vacuum chamber for generating plasma and decomposing the source gas can be easily reduced to 50 mTorr or less. Therefore, the mean free path of the decomposed source gas molecules or atoms increases, and the molecules or atoms of the decomposed source gas in the gas phase react with each other to generate so-called clusters. It is considered that high-quality amorphous silicon germanium could be formed because of the increased mobility of the precursor on the growth surface of the thin film.
[0053]
Also, the substrate can be moved between multiple vacuum chambers by combining the so-called roll-to-roll method, which forms a thin film on the substrate surface while continuously transporting the belt-like substrate, and the above-mentioned microwave plasma CVD method. In comparison with the method of forming each layer by layer, the localized level in the vicinity of the interface of the plurality of semiconductor layers can be reduced, and the photoelectric conversion efficiency of the photovoltaic element can be improved.
[0054]
Examples of experiments conducted for the above examination are shown in Experimental Examples 5 and 6.
[0055]
Next, an evaluation method in the experimental example will be described.
[0056]
First, there is a method for evaluating photoelectric conversion efficiency (stabilization efficiency) after photodegradation of a photovoltaic device. In the case of evaluating photodegradation of a photovoltaic device that usually uses an amorphous silicon-based semiconductor as an i layer. The temperature of the element is kept at 50 ° C. and 1 SUN (100 mW / cm 2 ) Is often measured for deterioration of photoelectric conversion efficiency. However, this method requires at least about 1000 hours of light irradiation to obtain the stabilization efficiency, and the problem is that the time required for evaluation is too long. Therefore, the present inventors consider that this light deterioration test is accelerated, and the intensity of the irradiated light is set to 50 SUN (5 W / cm 2 The stabilization efficiency under each condition was measured by changing the temperature of the device under light irradiation from 50 ° C. to 130 ° C. As a result, 50 SUN (5 W / cm 2 ), When accelerated deterioration at 110 ° C., the same stabilization efficiency as 1SUN light deterioration is obtained, and the light irradiation time required to obtain the stabilization efficiency is reduced to tens of thousands of seconds (10 to 20 hours). It was. Therefore, in the experimental examples and examples, 50 SUN (5 W / cm 2 ), The light deterioration of the photovoltaic device was evaluated by accelerated deterioration at 110 ° C.
[0057]
In addition, the evaluation of the localized level density by the constant photocurrent method (CPM) was performed by a usual method. CPM obtains the intensity of monochromatic light capable of obtaining a constant photocurrent while changing the wavelength, and obtains the wavelength dependency of the absorption coefficient. As shown in FIG. 6, when the horizontal axis represents the light energy and the vertical axis represents the logarithm of the absorption coefficient, a portion where the logarithm of the absorption coefficient changes linearly with respect to the light energy appears. The inclination of this part is a characteristic value called Urbach energy. Then, the local level density in the band gap can be calculated from the area of the hatched portion in FIG. 6 between the portion deviating from the extension of the straight line portion and the straight line extension on the low energy side. The absolute value of the absorption coefficient can be obtained by fitting with an absorption coefficient obtained from optical measurement in the visible and near infrared regions.
[0058]
[Experimental example]
(Experimental Example 1-1)
The relationship between the i-layer thickness of the triple solar cell shown in FIG. 1 and the conversion efficiency (ηs) after accelerated deterioration by light was examined.
[0059]
A deposition apparatus 200 shown in FIG. 2 is a deposition apparatus suitable for manufacturing the triple solar cell of the present invention, and can perform a microwave plasma CVD (MWPCVD) method and an RF plasma CVD (RFPCVD) method. .
[0060]
First, in order to carry out the RFPCVD method, the substrate 204 is placed on the substrate holder 209 inside the deposition chamber 201, and the internal pressure is set to 1 with a vacuum exhaust device (not shown) (mechanical booster pump, oil diffusion pump, turbo molecular pump, etc.). × 10 -6 Evacuate until (Torr). Thereafter, the heater 205 is turned on so that the substrate temperature becomes constant at the set temperature, the layer forming source gas is introduced from the gas introduction pipe 211, and the opening is opened by the conductance valve 207 so that the predetermined pressure is obtained. adjust. RF power is supplied from the RF power source 203 to the RF electrode 210, RF plasma is generated, the shutter 215 is opened, and a desired deposited film is formed on the substrate. When the desired film thickness is formed, the shutter is closed, the supply of RF power is stopped, and the plasma is extinguished. After that, the supply of the source gas is stopped, and the internal pressure is again 1 × 10 -6 Evacuation is performed until (Torr) is reached, and formation of the next deposited film is started.
[0061]
In order to carry out the MWPCVD method, the substrate 204 is placed on the substrate holder 209 in the deposition chamber, and the internal pressure is 1 × 10 3 by a vacuum exhaust device (not shown) (mechanical booster pump, oil diffusion pump, turbo molecular pump, etc.). -6 Evacuate until (Torr). Thereafter, the heater 205 is turned on so that the substrate temperature becomes constant at the set temperature, the layer forming source gas is introduced from the gas introduction pipe 211, and the opening is opened by the conductance valve 207 so that the predetermined pressure is obtained. adjust. MW power is supplied from the MW power source 219 through the dielectric window 213 to generate microwave plasma. Further, RF power is supplied from the RF power source 203 to the RF electrode 210, the shutter 215 is opened, and a desired deposited film is formed on the substrate. When the desired film thickness is formed, the shutter is closed, the supply of MW power and RF power is stopped, and the plasma is extinguished. After that, the supply of the source gas is stopped, and the internal pressure is again 1 × 10 -6 Evacuation is performed until (Torr) is reached, and formation of the next deposited film is started.
[0062]
The triple solar cell of FIG. 1 was produced by the method as described above. Accelerated degradation device using conventional triple type solar cell in which germanium composition of i3 layer, i2 layer and i1 layer is 180 nm, 140 nm, 100 nm, i3 layer and i2 layer are 0.35 and 0.30, respectively, by light Installed in the AM1.5 spectrum, irradiation light intensity 50SUN (5W / cm 2 ), The surface of the solar cell was irradiated with light under a deterioration condition of a substrate surface temperature of 110 ° C. When 50000 seconds had passed since the start of light irradiation, the solar cell was taken out from this accelerated deterioration device. Next, it installed in the apparatus which measures the photoelectric conversion efficiency of the taken-out solar cell, AM1.5 spectrum, irradiation light intensity 1SUN (100mW / cm 2 ), The photoelectric conversion efficiency was measured under the measurement condition of the substrate surface temperature of 25 ° C.
[0063]
(Experimental example 1-2)
Evaluation of acceleration degradation due to light as described above and measurement of photoelectric conversion efficiency after accelerated degradation was performed on the triple solar cell of the present invention in which the film thicknesses of the i3 layer, i2 layer, and i1 layer were 140 nm, 140 nm, and 100 nm. I went against it. As a result of the measurement, it was found that the conversion efficiency (ηs) after accelerated deterioration was 1.22 times better than that of the conventional triple solar cell.
[0064]
(Experimental Example 1-3)
Similarly, evaluation of acceleration degradation due to light and measurement of photoelectric conversion efficiency after acceleration degradation is performed on the triple solar cell of the present invention in which the film thicknesses of the i3 layer, i2 layer, and i1 layer are 110 nm, 95 nm, and 90 nm. went. As a result of the measurement, it was found that the conversion efficiency (ηs) after accelerated deterioration was 1.31 times better than that of the conventional triple solar cell.
[0065]
(Experimental Example 1-4)
Similarly, evaluation of acceleration degradation due to light and measurement of photoelectric conversion efficiency after acceleration degradation was performed on the triple solar cell of the present invention in which the germanium composition in the i3 layer was 0.50 in Experimental Example 1-2. It was. As a result of the measurement, it was found that the conversion efficiency (ηs) after accelerated deterioration was 1.36 times better than that of the conventional triple solar cell.
[0066]
(Experimental Example 1-5)
Similarly, the evaluation of acceleration degradation due to light and the measurement of photoelectric conversion efficiency after acceleration degradation was performed on the triple solar cell of the present invention in which the germanium composition in the i2 layer was 0.40 in Experimental Example 1-3. went. As a result of the measurement, it was found that the conversion efficiency (ηs) after accelerated deterioration was 1.37 times better than that of the conventional triple solar cell.
[0067]
(Experimental example 1-6)
Further, in the same evaluation, the film thicknesses of the i3 layer, i2 layer, and i1 layer were 75 nm, 70 nm, and 85 nm, and the germanium composition in the i3 layer and i2 layer was 0.65 and 0.50, respectively. This was done for a triple solar cell. As a result of the measurement, it was found that the conversion efficiency (ηs) after accelerated deterioration was 1.39 times better than that of the conventional triple solar cell.
[0068]
(Experimental example 2)
The triple solar cell shown in FIG. 1 having the graded band gap structure of the i3 layer and the i2 layer was produced, and the same evaluation as in Experimental Example 1 was performed.
[0069]
SiH so that the band structure of the i3 layer and the i2 layer has a band profile as shown in FIG. Four Flow rate, GeH Four A triple solar cell similar to that of Experimental Example 1-2 was manufactured except that the flow rate was controlled, and evaluation similar to that of Experimental Example 1 was performed. As a result, the conversion efficiency (ηs ) Was found to be 1.27 times better than that of the conventional triple solar cell of Experimental Example 1.
[0070]
(Experimental example 3)
A buffer layer made of a-Si: H formed by RF plasma CVD between the i3 layer and the n3 layer, between the i3 layer and the p3 layer, between the i2 layer and the n2 layer, and between the i2 layer and the p2 layer. A triple solar cell was manufactured in the same manner as in Experimental Example 1-3, except that the layers were stacked. When the same evaluation as in Experimental Example 1 was performed, the conversion efficiency (ηs) after accelerated deterioration by light was 1.35 higher than that of the conventional triple solar cell of Experimental Example 1 compared to that of the conventional triple solar cell. It was found to be twice as good.
[0071]
(Experimental example 4)
The band structure of the i3 layer and the i2 layer of the triple solar cell fabricated in Experimental Example 3 is SiH so that the band profile is as shown in FIG. Four Flow rate, GeH Four A triple solar cell with a controlled flow rate was fabricated. When the same evaluation as in Experimental Example 1 was performed, the conversion efficiency (ηs) after accelerated deterioration by light was 1.39 higher than that of the conventional triple solar cell of Experimental Example 1 compared to the conventional triple solar cell. It was found to be twice as good.
[0072]
(Experimental example 5)
The relationship between the localized state density measured by the constant photocurrent method (CPM) and the conversion efficiency (ηs) after accelerated deterioration by light was investigated.
[0073]
A single cell using the middle layer of the triple solar cell produced in Experimental Example 1-3 (referred to as a middle cell) was newly produced in the same manner as in Experimental Example 1-3. Next, the current collector electrode of the middle cell and the stainless steel substrate were short-circuited using an external electric circuit, weak light (swept light) passing through the chopper was irradiated, and the current flowing through the external short-circuit was detected by a lock-in amplifier. The irradiation light intensity of the sweep light was changed so as to keep the detected current constant even when the wavelength of the sweep light was changed, and the absorption spectrum (750 nm to 1700 nm) of the i2 layer was measured. When the local level density was calculated from the dependence of the absorption spectrum on the swept light energy, the local level density of the i2 layer was 3 × 10. 16 (1 / cm Three )
[0074]
A single cell (referred to as the middle cell ratio) was newly produced without applying a bias (RF power to the RF electrode) when forming the i2 layer. When the local level density of the i2 layer having the middle cell ratio is calculated, the local level density of the i2 layer is 2 × 10. 17 (1 / cm Three )
[0075]
A triple solar cell was fabricated in the same manner as in Experimental Example 1-3, except that no bias (RF power applied to the RF electrode) was applied when the i2 layer was formed. Next, when the same evaluation as in Experimental Example 1 was performed, it was found that the conversion efficiency (ηs) after accelerated deterioration by light of this triple solar cell was 0.78 times that of Experimental Example 1-3. .
[0076]
(Experimental example 6)
Similarly, the relationship between the localized state density measured by the constant photocurrent method (CPM) and the conversion efficiency (ηs) after accelerated deterioration by light was investigated.
[0077]
First, a single cell using the bottom layer of the triple solar cell manufactured in Experimental Example 1-3 (referred to as a bottom cell) was newly manufactured in the same manner as in Experimental Example 1-3. Next, when the localized level density was calculated by the same method as in Experimental Example 5, the localized level density of the i3 layer was 4 × 10 4. 16 (1 / cm Three )
[0078]
A single cell (referred to as a bottom cell ratio) was newly produced without applying a bias (RF power to the RF electrode) when forming the i3 layer. When the localized level density of the i3 layer having the bottom cell ratio was calculated, the localized level density of the i3 layer was 3 × 10. 17 (1 / cm Three )
[0079]
A triple solar cell was fabricated in the same manner as in Experimental Example 1-3, except that no bias (RF power applied to the RF electrode) was applied when the i3 layer was formed. Next, when the same evaluation as in Experimental Example 1 was performed, it was found that the conversion efficiency (ηs) after accelerated deterioration by light of this triple solar cell was 0.81 times that of Experimental Example 1-3. .
[0080]
(Configuration of photovoltaic element)
Hereinafter, the configuration of the photovoltaic device of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the photovoltaic device of the present invention is not limited thereto.
[0081]
FIG. 1 schematically shows a cross section of a stacked photovoltaic element of the present invention. 1 has a structure in which three pin junctions are stacked, 116 is a first pin junction counted from the light incident side, and 115 is a second pin junction. , 114 is a third pin junction. These three pin junctions are stacked on the lower electrode 102 formed on the substrate 101, and a transparent electrode 112 and a current collecting electrode 113 are formed on the top of the three pin junctions to form a stack type. The photovoltaic element is formed. Each pin junction is composed of n-type semiconductor layers 103, 106, 109, i-type semiconductor layers 104, 107, 110, and p-type semiconductor layers 105, 108, 111. In the present invention, amorphous silicon is used as the first pin junction i-type semiconductor layer 110, and amorphous silicon germanium is used as the second and third semiconductor layers 107 and 104.
[0082]
Note that a configuration in which an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer in a pin junction are interchanged can be employed.
[0083]
(substrate)
Since the semiconductor layers 103 to 111 are thin films of about 1 μm at most, they are deposited on a suitable substrate. Such a substrate 101 may be monocrystalline or non-crystalline, and may be conductive or electrically insulating. Furthermore, they may be translucent or non-translucent, but preferably have a desired strength with little deformation and distortion.
[0084]
Specifically, metal such as Fe, Ni, Cr, Al, Mo, Au, Nb, Ta, V, Ti, Pt, and Pb, or an alloy thereof, for example, a thin plate such as brass or stainless steel and a composite thereof, and polyester , Polyethylene or polycarbonate, cellulose acetate, polypropylene, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polystyrene, polyamide, polyimide, film or sheet of heat-resistant synthetic resin such as epoxy or glass fiber, carbon fiber, boron fiber, metal fiber, etc. And thin films of these metals, metal thin films of different materials on the surface of resin sheets, etc. and / or SiO 2 , Si Three N Four , Al 2 O Three , AlN and other insulating thin films subjected to surface coating treatment by sputtering, vapor deposition, plating, etc., and glass, ceramics and the like.
[0085]
When the substrate is used as a substrate for a photovoltaic element, when the strip substrate is electrically conductive such as metal, it may be used as an electrode for direct current extraction or may be electrically insulating such as synthetic resin. In some cases, Al, Ag, Pt, Au, Ni, Ti, Mo, W, Fe, V, Cr, Cu, stainless steel, brass, nichrome, SnO are formed on the surface on which the deposited film is formed. 2 , In 2 O Three It is desirable to form a current extraction electrode by subjecting a so-called simple metal or alloy such as ZnO, ITO or the like and a transparent conductive oxide (TCO) to surface treatment in advance by a method such as plating, vapor deposition, sputtering, or the like. .
[0086]
Of course, even if the belt-like substrate is an electrically conductive material such as a metal, the reflectance of the long-wavelength light on the substrate surface is improved, or the interdiffusion of constituent elements between the substrate material and the deposited film is improved. For the purpose of preventing or the like, a different metal layer or the like may be provided on the side on which the deposited film on the substrate is formed. In addition, when the substrate is relatively transparent and a photovoltaic device having a layer structure in which light is incident from the substrate side, a conductive thin film such as the transparent conductive oxide or metal thin film is deposited in advance. It is desirable to form it.
[0087]
The surface property of the substrate may be a so-called smooth surface or a minute uneven surface.
[0088]
In the case of a minute uneven surface, the uneven shape is spherical, conical, pyramidal, etc., and the maximum height (Rmax) is preferably 0.05 μm to 2 μm, so that The light reflection becomes irregular reflection, resulting in an increase in the optical path length of the reflected light on the surface. The shape of the substrate can be a flat or uneven surface plate, long belt shape, cylindrical shape, etc., depending on the application, and its thickness can form a photovoltaic element as desired. Although it is determined as appropriate, when flexibility is required as the photovoltaic element, or when light is incident from the substrate side, the thickness is made as thin as possible within the range in which the function as the substrate is sufficiently exhibited. I can do it. However, it is usually set to 10 μm or more from the viewpoint of mechanical strength in manufacturing and handling the substrate.
[0089]
(Back electrode, light reflecting layer)
The back electrode used in the present invention is an electrode disposed on the back surface of the semiconductor layer with respect to the light incident direction. Therefore, when the substrate 101 is translucent and light is incident from the direction of the substrate, it is disposed at the position 112 in FIG. Examples of the material of the back electrode include metals such as gold, silver, copper, aluminum, nickel, iron, chromium, molybdenum, tungsten, titanium, cobalt, tantalum, niobium, and zirconium, and alloys such as stainless steel. Of these, metals having high reflectivity such as aluminum, copper, silver, and gold are particularly preferable. When a metal having a high reflectance is used, the back electrode can also serve as a light reflecting layer that reflects again the light that could not be absorbed by the semiconductor layer to the semiconductor layer.
[0090]
The shape of the back electrode may be flat, but it is more preferable to have an uneven shape that scatters light. By having a concavo-convex shape that scatters light, it scatters long-wavelength light that could not be absorbed by the semiconductor layer, thereby extending the optical path length in the semiconductor layer and improving the long-wavelength sensitivity of the photovoltaic device, thereby reducing the short-circuit current And the photoelectric conversion efficiency can be improved. The uneven shape that scatters light desirably has a difference in height between peaks and valleys of the unevenness of 0.2 μm to 2.0 μm in Rmax.
[0091]
However, when the substrate also serves as the back electrode, it may not be necessary to form the back electrode.
[0092]
Further, the back electrode is formed by vapor deposition, sputtering, plating, printing, or the like. When the back electrode is formed in an uneven shape that scatters light, the formed metal or alloy film is formed by dry etching, wet etching, sandblasting, or heating. . Moreover, the uneven | corrugated shape which scatters light can also be formed by vapor-depositing the above-mentioned metal or alloy, heating a board | substrate.
[0093]
Further, although not shown in the drawing, a diffusion prevention layer such as conductive zinc oxide may be provided between the back electrode 102 and the n-type semiconductor layer 103. The effect of the diffusion preventing layer is not only to prevent the metal element constituting the back electrode 102 from diffusing into the n-type semiconductor layer, but also to provide a slight resistance so that the back surface provided with the semiconductor layer interposed therebetween. The effect of preventing a short circuit caused by a defect such as a pinhole between the electrode 102 and the transparent electrode 112, and confining incident light in the photovoltaic element by generating multiple interference due to a thin film, etc. it can.
[0094]
(Semiconductor layer)
As a material of the semiconductor layer used in the present invention, a material using a group IV element such as Si, C, Ge or a material using a group IV alloy such as SiGe, SiC, SiSn is used.
[0095]
Among the above semiconductor materials, a semiconductor material particularly preferably used for the photovoltaic device of the present invention is a-Si: H (abbreviation for hydrogenated amorphous silicon, where a- is amorphous. A-Si: F, a-Si: H: F, a-SiGe: H, a-SiGe: F, a-SiGe: H: F, a-SiC: H, a-SiC: F , A-SiC: H: F group IV and group IV alloy amorphous semiconductor materials.
[0096]
In addition, the semiconductor layer can perform valence electron control and forbidden bandwidth control. Specifically, when forming a semiconductor layer, a raw material compound containing an element that becomes a valence electron controlling agent or a forbidden band width controlling agent is formed alone or mixed with the deposited film forming raw material gas or the dilution gas. What is necessary is just to introduce in the space.
[0097]
The semiconductor layer is at least partially doped with p-type and n-type by valence electron control to form at least a pair of pin junctions. By stacking a plurality of pin junctions, a so-called stack cell configuration is obtained.
[0098]
The semiconductor layer can be formed by various CVD methods such as microwave plasma CVD method, RF plasma CVD method, photo CVD method, thermal CVD method, MOCVD method, or EB deposition, MBE, ion plating, ion beam. It is formed by various vapor deposition methods such as a sputtering method, a sputtering method, a spray method, and a printing method. As a method adopted industrially, a plasma CVD method in which a source gas is decomposed with plasma and deposited on a substrate is preferably used. As the reaction apparatus, a batch type apparatus or a continuous film forming apparatus can be used as desired.
[0099]
Hereinafter, a semiconductor layer using a group IV and group IV alloy-based amorphous semiconductor material particularly suitable for the photovoltaic device of the present invention will be described in more detail.
[0100]
(1) i-type semiconductor layer (intrinsic semiconductor layer)
In particular, in a photovoltaic device using a group IV and group IV alloy-based amorphous semiconductor material, an i-type layer used for a pin junction is an important layer that generates and transports carriers with respect to irradiation light. As the i-type layer, only a p-type layer and a slight n-type layer can be used.
[0101]
As described above, group IV and group IV alloy amorphous semiconductor materials contain hydrogen atoms (H, D) or halogen atoms (X), which have an important function.
[0102]
Hydrogen atoms (H, D) or halogen atoms (X) contained in the i-type layer function to compensate for dangling bonds in the i-type layer, and the mobility of the carrier in the i-type layer. And improve the product of life. Also, it works to compensate the interface state of each interface of the p-type layer / i-type layer and n-type layer / i-type layer, and has the effect of improving the photovoltaic power, photocurrent and photoresponsiveness of the photovoltaic device. There is something. The optimum content of hydrogen atoms and / or halogen atoms contained in the i-type layer is 1 to 40 atm%. In particular, those having a large distribution of hydrogen atoms and / or halogen atoms on the interface side of each of the p-type layer / i-type layer and n-type layer / i-type layer can be mentioned as a preferred distribution form. The content of hydrogen atoms and / or halogen atoms in is preferably in the range of 1.1 to 2 times the content in the bulk. Furthermore, it is preferable that the content of hydrogen atoms and / or halogen atoms is changed corresponding to the content of silicon atoms.
[0103]
In the photovoltaic device of the present invention, amorphous silicon is used as a semiconductor material constituting the i-type semiconductor layer 110 of the first pin junction 116, and the i-type semiconductor layers of the second and third pin junctions are used. As a semiconductor material constituting the elements 107 and 104, amorphous silicon germanium is used.
[0104]
Amorphous silicon and amorphous silicon germanium are made of a-Si: H, a-Si: F, a-Si: H: F, a-SiGe: H, a-SiGe depending on elements for compensating dangling bonds. : F, a-SiGe: H: F.
[0105]
More specifically, for example, i-type hydrogenated amorphous silicon (a-Si: H) is used as the first pin junction i-type semiconductor layer 110 suitable for the photovoltaic device of the present invention. As the characteristics, the optical band gap (Eg) is 1.60 eV to 1.85 eV, the hydrogen atom content (C H ) Is 1.0-25.0%, AM1.5, 100 mW / cm 2 The photoelectric conductivity (σp) under simulated sunlight irradiation is 1.0 × 10 -Five S / cm or more, dark conductivity (σd) is 1.0 × 10 -9 S / cm or less, Urbach energy by constant photocurrent method (CPM) is 55 meV or less, and localized level density is 10 17 / Cm Three The following are preferably used.
[0106]
The semiconductor material amorphous silicon germanium constituting the i-type semiconductor layers 107 and 104 of the second and third pin junctions of the photovoltaic device of the present invention is as described above.
[0107]
(2) p-type layer or n-type layer
The p-type layer or the n-type layer is also an important layer that determines the characteristics of the photovoltaic device of the present invention.
[0108]
Examples of the p-type layer or n-type layer amorphous material (denoted as a-) (of course, microcrystalline material (denoted as μc-) also falls into the category of amorphous materials), for example. a-Si: H, a-Si: HX, a-SiC: H, a-SiC: HX, a-SiGe: H, a-SiGeC: H, a-SiO: H, a-SiN: H, a- SiON: HX, a-SiOCN: HX, μc-Si: H, μc-SiC: H, μc-Si: HX, μc-SiC: HX, μc-SiGe: H, μc-SiO: H, μc-SiGeC: H, μc-SiN: H, μc-SiON: HX, μc-SiOCN: HX, etc. and p-type valence electron control agents (periodic group III atoms B, Al, Ga, In, Tl) and n-type A material in which a valence electron controlling agent (group V atom P, As, Sb, Bi) in a high concentration is added For example, poly-Si (H), poly-Si: HX, poly-SiC: H, poly-SiC: HX, poly-SiGe: H, poly-Si , Poly-SiC, poly-SiGe, etc., p-type valence electron control agent (periodic group III atoms B, Al, Ga, In, Tl) and n-type valence electron control agent (periodic table V group A material in which atoms P, As, Sb, Bi) are added at a high concentration can be mentioned. In particular, a crystalline semiconductor layer with little light absorption or an amorphous semiconductor layer with a wide band gap is suitable for the p-type layer or the n-type layer on the light incident side.
[0109]
Optimum amounts of addition of Group III atoms in the periodic table to the p-type layer and addition amounts of Group V atoms in the periodic table to the n-type layer are 0.1 to 50 atm%.
[0110]
Further, hydrogen atoms (H, D) or halogen atoms contained in the p-type layer or the n-type layer function to compensate dangling bonds of the p-type layer or the n-type layer, and the doping efficiency of the p-type layer or the n-type layer. Is to improve. The optimum amount of hydrogen atoms or halogen atoms added to the p-type layer or n-type layer is 0.1 to 40 atm%. In particular, when the p-type layer or the n-type layer is crystalline, the optimum amount of hydrogen atoms or halogen atoms is 0.1 to 8 atm%.
[0111]
Further, a preferable distribution form is one in which a large amount of hydrogen atoms and / or barogen atoms are distributed on each interface side of the p-type layer / i-type layer and n-type layer / i-type layer. The content of hydrogen atoms and / or halogen atoms is preferably in the range of 1.1 to 2 times the content in the bulk. Thus, by increasing the content of hydrogen atoms or halogen atoms in the vicinity of each interface of the p-type layer / i-type layer and n-type layer / i-type layer, the defect level and mechanical strain in the vicinity of the interface are reduced. The photovoltaic power and photocurrent of the photovoltaic device of the present invention can be increased.
[0112]
As the electrical characteristics of the p-type layer and the n-type layer of the photovoltaic device, those having an activation energy of 0.2 eV or less are preferable, and those having an activation energy of 0.1 eV or less are optimal. The specific resistance is preferably 100 Ωcm or less, and most preferably 1 Ωcm or less. Furthermore, the thickness of the p-type layer and the n-type layer is preferably 1 to 50 nm, and most preferably 3 to 10 nm.
[0113]
(3) Method for forming semiconductor layer
In order to form a group IV and group IV alloy-based amorphous semiconductor layer suitable as the semiconductor layer of the photovoltaic device of the present invention, the most preferable manufacturing method is a microwave plasma CVD method, and the next preferable The manufacturing method is an RF plasma CVD method.
[0114]
In the microwave plasma CVD method, a source gas, a dilution gas, or other material gas is introduced into a deposition chamber (vacuum chamber) that can be decompressed, and the vacuum chamber is evacuated while keeping the internal pressure of the deposition chamber constant. Microwaves oscillated by the substrate are guided by a waveguide, introduced into the deposition chamber through a dielectric window (alumina ceramics, etc.), and plasma of a material gas is generated and decomposed, and the substrate disposed in the deposition chamber This is a method for forming a desired deposited film thereon, and a deposited film applicable to a photovoltaic device can be formed under a wide range of deposition conditions.
[0115]
When the semiconductor layer for the photovoltaic device of the present invention is deposited by the microwave plasma CVD method, the substrate temperature in the deposition chamber is 100 to 450 ° C., the internal pressure is 0.5 to 30 mTorr, and the microwave power is 0.01 to 1 W. / Cm Three The microwave frequency is preferably in the range of 0.5 to 10 GHz.
[0116]
Further, when depositing by RF plasma CVD, the substrate temperature in the deposition chamber is 100 to 350 ° C., the internal pressure is 0.1 to 10 Torr, and the RF power is 0.01 to 5.0 W / cm. 2 The deposition rate is preferably 0.01 to 3 nm / sec.
[0117]
Further, as a method for forming a deposited film suitable for forming a semiconductor layer of the photovoltaic device of the present invention, a roll-to-roll method described in US Pat. No. 4,400,409 is used. . In this deposited film forming method, a plurality of glow discharge regions are arranged along a path that sequentially penetrates, and a semiconductor substrate having a required conductivity type is deposited and formed in each glow discharge region, while a belt-like substrate is formed in the longitudinal direction. It is conveyed continuously in the direction. As a result, a photovoltaic element having a desired semiconductor junction can be formed continuously.
[0118]
The source gas suitable for the deposition of the group IV and group IV alloy-based amorphous semiconductor layer suitable for the photovoltaic device of the present invention is a gasifiable compound containing silicon atoms, and can be gasified containing germanium atoms. Examples thereof include a compound, a gasifiable compound containing a carbon atom, a gasifiable compound containing a nitrogen atom, a gasifiable compound containing an oxygen atom, and a mixed gas of the compound.
[0119]
Specifically, as a gasifiable compound containing a silicon atom, a chain or cyclic silane compound is used, for example, SiH. Four , Si 2 H 6 , SiF Four , SiFH Three , SiF 2 H 2 , SiF Three H, Si Three H 8 , SiD Four , SiHD Three , SiH 2 D 2 , SiH Three D, SiFD Three , SiF 2 D 2 , Si 2 D Three H Three , (SiF 2 ) Five , (SiF 2 ) 6 , (SiF 2 ) Four , Si 2 F 6 , Si Three F 8 , Si 2 H 2 F Four , Si 2 H Three F Three , SiCl Four , (SiCl 2 ) Five , SiBr Four , (SiBr 2 ) Five , Si 2 Cl 6 , SiHCl Three , SiH 2 Br 2 , SiH 2 Cl 2 , Si 2 Cl Three F Three Or those that can be easily gasified.
[0120]
Specific examples of the gasifiable compound containing germanium atoms include GeH. Four , GeD Four , GeF Four , GeFH Three , GeF 2 H 2 , GeF Three H, GeHD Three , GeH 2 D 2 , GeH Three D, Ge 2 H 6 , Ge 2 D 6 Etc. Specific examples of compounds that can be gasified containing carbon atoms include CH. Four , CD Four , C n H 2n + 2 (N is an integer), C n H 2n (N is an integer), C 2 H 2 , C 6 H 6 , CO 2 , CO and the like. N as the nitrogen-containing gas 2 , NH Three , ND Three , NO, NO 2 , N 2 O is mentioned. O as an oxygen-containing gas 2 , CO, CO 2 , NO, NO 2 , N 2 O, CH Three CH 2 OH, CH Three OH etc. are mentioned.
[0121]
Examples of the substance introduced into the p-type layer or the n-type layer for valence electron control include Group III atoms and Group V atoms in the periodic table. As a material effectively used as a starting material for introducing a group III atom, specifically, for introducing a boron atom, B 2 H 6 , B Four H Ten , B Five H 9 , B Five H 11 , B 6 H Ten , B 6 H 12 , B 6 H 14 Boron hydride such as BF Three , BCl Three , And the like. Besides this, AlCl Three , GaCl Three , InCl Three , TlCl Three Etc. can also be mentioned. Especially B 2 H 6 , BF Three Is suitable.
[0122]
Specifically, it is effective to use as a starting material for introducing a group V atom, specifically, for introducing a phosphorus atom, PH. Three , P 2 H Four Phosphorus hydrides such as PH Four I, PF Three , PF Five , PCl Three , PCl Five , PBr Three , PBr Five , PI Three Of the halogenated phosphorus. In addition, AsH Three , AsF Three , AsCl Three , AsBr Three , AsF Five , SbH Three , SbF Three , SbF Five , SbCl Three , SbCl Five , BiH Three , BiCl Three , BiBr Three Etc. can also be mentioned. Especially PH Three , PF Three Is suitable.
[0123]
The gasatable compound is H 2 , He, Ne, Ar, Xe, Kr, and the like may be diluted with a gas and introduced into the deposition chamber.
[0124]
In particular, when depositing a layer with small light absorption or wide band gap such as microcrystalline semiconductor or a-SiC: H, the source gas is diluted 2 to 100 times with hydrogen gas, and the microwave power or RF power is relatively high. It is preferable to introduce by power.
[0125]
(Transparent electrode)
In the present invention, the transparent electrode 112 is a light incident side electrode that transmits light, and also serves as an antireflection film by optimizing its film thickness. The transparent electrode 112 is required to have a high transmittance in the wavelength region that can be absorbed by the semiconductor layer and to have a low resistivity. Preferably, the transmittance at 550 nm is 80% or more, more preferably 85% or more. The resistivity is preferably 5 × 10. -3 Ωcm or less, more preferably 1 × 10 -3 It is desirable that it is Ωcm or less. As the material, In 2 O Three , SnO 2 , ITO (In 2 O Three + SnO 2 , ZnO, CdO, Cd 2 SnO Four , TiO 2 , Ta 2 O Five , Bi 2 O Three , MoO Three , Na X WO Three Conductive oxides such as these or a mixture thereof are preferably used. Moreover, you may add the element (dopant) which changes electrical conductivity to these compounds.
[0126]
As an element (dopant) for changing the conductivity, for example, when the transparent electrode 112 is ZnO, Al, In, B, Ga, Si, F, etc., and In 2 O Three In the case of Sn, F, Te, Ti, Sb, Pb, etc., SnO 2 In this case, F, Sb, P, As, In, Tl, Te, W, Cl, Br, I, etc. are preferably used.
[0127]
As a method for forming the transparent electrode 112, a vapor deposition method, a CVD method, a spray method, a spin-on method, a dip method, or the like is preferably used.
[0128]
(Collector electrode)
In the present invention, the collecting electrode 113 is formed on a part of the transparent electrode 112 as necessary when the resistivity of the transparent electrode 112 cannot be sufficiently lowered, and the resistance of the electrode is lowered to reduce the series resistance of the photovoltaic element. It works to lower. The materials used are gold, silver, copper, aluminum, nickel, iron, chromium, molybdenum, tungsten, titanium, cobalt, tantalum, niobium, zirconium and other metals, alloys such as stainless steel, and conductive metals using powdered metals. A paste etc. are mentioned. The shape is formed in a branch shape as shown in FIG. 5, for example, so as not to block the incident light to the semiconductor layer as much as possible.
[0129]
Further, the area occupied by the current collecting electrode in the total area of the photovoltaic element is preferably 15% or less, more preferably 10% or less, and most preferably 5% or less.
[0130]
Further, a mask is used for forming the pattern of the collecting electrode, and as a forming method, an evaporation method, a sputtering method, a plating method, a printing method, or the like is used.
[0131]
When producing a photovoltaic device having a desired output voltage and output current using the photovoltaic device of the present invention, the photovoltaic devices of the present invention are connected in series or in parallel, and the front and back surfaces are connected. A protective layer is formed, and an output extraction electrode or the like is attached. Further, when the photovoltaic elements of the present invention are connected in series, a backflow preventing diode may be incorporated.
[0132]
【Example】
Hereinafter, although the photovoltaic element of this invention is demonstrated in detail by the solar cell which consists of a non-single-crystal silicon type semiconductor material, this invention is not limited to this.
[0133]
(Example 1)
A solar cell having the configuration shown in FIG. 1 was produced using the deposition apparatus shown in FIG. First, a substrate was produced. 0.5mm thickness, 50x50mm 2 The stainless steel substrate was sufficiently ultrasonically washed with acetone and isopropanol, and then dried with warm air in a drying furnace maintained at 110 ° C. Next, an Ag light reflecting layer having a substrate temperature of 350 ° C. and a layer thickness of 0.45 μm is formed on the stainless steel substrate by sputtering, and ZnO having a substrate temperature of 350 ° C. and a layer thickness of 2.0 μm is formed thereon. The transparent conductive layer was formed, and the production of the substrate was completed. ZnO is a diffusion preventing layer.
[0134]
Next, each semiconductor layer was formed on the back reflective layer. The deposition apparatus of FIG. 2 can perform both MW plasma CVD (MWPCVD) and RF plasma CVD (RFPCVD) methods.
[0135]
A raw material gas supply device (not shown) is connected to the deposition apparatus 200 through a gas introduction pipe. All of the source gas cylinders are refined to ultra high purity, and SiH Four Gas cylinder, GeH Four Gas cylinder, Si 2 H 6 Gas cylinder, PH Three / H 2 (2%) Gas cylinder, BF Three / H 2 (1%) gas cylinder, SiH Four / H 2 (10%) Gas cylinder, H 2 A gas cylinder and a He gas cylinder were connected. In addition, a vacuum exhaust pump (not shown) is connected to each deposition chamber.
[0136]
After the film formation preparation is completed, an n3 layer made of a-Si by RFPCVD method, an i3 layer made of a-SiGe by MWPCVD method, a p3 layer (above the bottom layer) made of μc-Si by RFPCVD method, and RFPCVD. N2 layer made of a-Si by the method, i2 layer made of a-SiGe by the MWPCVD method, p2 layer (more middle layer) made of μc-Si by the RFPCVD method, n1 layer made of a-Si by the RFPCVD method, RFPCVD method Then, the i1 layer made of a-Si and the p1 layer (more than the top layer) made of μc-Si by the RFPCVD method were sequentially laminated to produce an a-Si / a-SiGe / a-SiGe triple solar cell.
[0137]
To form an n3 layer made of a-Si, H 2 A gas was introduced into the deposition chamber 201 and adjusted with a mass flow controller so that the flow rate was 50 sccm, and the pressure in the deposition chamber was adjusted to 1.3 Torr. Set the heater 205 so that the substrate temperature becomes 380 ° C. 2 H 6 Gas, PH Three / H 2 (2%) gas was introduced into the deposition chamber 201. At this time, Si 2 H 6 Gas flow rate is 1.0 sccm, H 2 Gas flow rate is 50sccm, PH Three / H 2 (2%) The gas flow rate was adjusted to 0.5 sccm, and the pressure in the deposition chamber was adjusted to 1.0 Torr. The power of the RF power source was set to 2.0 W, RF power was applied to the RF electrode, glow discharge was generated, the shutter was opened, the n3 layer having a film thickness of 25 nm was formed, the shutter was closed, and the glow discharge was stopped. . Si into the deposition chamber 2 H 6 Gas, PH Three / H 2 (2%) Stop introducing gas and put H into the deposition chamber for 5 minutes. 2 After continuing to flow gas, 2 1 × 10 in the deposition chamber and gas pipe -Five It was evacuated to Torr.
[0138]
The i3 layer made of a-SiGe was formed by the MWPCVD method. First, H 2 Gas was introduced into the deposition chamber at 300 sccm so that the pressure was 7.0 mTorr and the substrate temperature was 400 ° C. When the substrate temperature is stable, SiH Four Gas, GeH Four Gas is introduced and SiH Four Gas flow rate is 40sccm, GeH Four Gas flow rate is 40sccm, H 2 The gas flow rate was adjusted to 300 sccm and the pressure in the deposition chamber 201 was adjusted to 7.0 mTorr. Next, the power of the RF power source was set to 900 W and applied to the RF electrode. Thereafter, the power of the MW power source is set to 400 W, MW power is introduced into the deposition chamber through the dielectric window, glow discharge is generated, the shutter is opened, and the i3 layer having a thickness of 80 nm is formed on the n3 layer. Was closed to stop glow discharge. SiH into the deposition chamber Four Gas, GeH Four Stop the introduction of gas and enter the deposition chamber for 5 minutes. 2 After continuing to flow gas, 2 1 × 10 in the deposition chamber and gas pipe -Five The vacuum was exhausted to Torr.
[0139]
To form a p3 layer made of μc-Si, H 2 Gas was introduced into the deposition chamber 201 at 40 sccm, and the pressure in the deposition chamber was adjusted to 2.0 Torr. Set the heater so that the substrate temperature becomes 250 ° C, and when the substrate temperature is stable, SiH Four / H 2 (10%) Gas, BF Three / H 2 (1%) gas was introduced into the deposition chamber 201. At this time, SiH Four / H 2 (10%) Gas flow rate is 0.25 sccm, H 2 Gas flow rate is 40sccm, BF Three / H 2 (1%) The gas flow rate was adjusted to 2.0 sccm, and the pressure in the deposition chamber was adjusted to 2.0 Torr. The power of the RF power source was set to 40 W, RF power was applied to the RF electrode to cause glow discharge, the shutter was opened, the shutter was closed when the p3 layer having a film thickness of 5 nm was formed, and the glow discharge was stopped. SiH into the deposition chamber Four / H 2 (10%) Gas, BF Three / H 2 (1%) Stop the gas introduction and enter the deposition chamber for 5 minutes. 2 After continuing to flow gas, 2 1 × 10 in the deposition chamber and gas pipe -Five The vacuum was exhausted to Torr.
[0140]
This completes the formation of the bottom layer of the a-Si / a-SiGe / a-SiGe triple cell.
[0141]
Next, an n2 layer made of a-Si, an i2 layer made of a-SiGe, and a p2 layer made of μc-Si (middle layer) were formed on the bottom layer.
[0142]
To form an n2 layer made of a-Si, H 2 A gas was introduced into the deposition chamber 201 and adjusted with a mass flow controller so that the flow rate was 50 sccm, and the pressure in the deposition chamber was adjusted to 1.3 Torr. Set the heater so that the substrate temperature is 220 ° C. 2 H 6 Gas, PH Three / H 2 (2%) gas was introduced into the deposition chamber 201. At this time, Si 2 H 6 Gas flow rate is 1.0 sccm, H 2 Gas flow rate is 50sccm, PH Three / H 2 (2%) The gas flow rate was adjusted to 2.5 sccm, and the pressure in the deposition chamber was adjusted to 1.0 Torr. The power of the RF power source was set to 2.0 W, RF power was applied to the RF electrode, glow discharge was generated, the shutter was opened, the n2 layer having a thickness of 10 nm was formed, the shutter was closed, and the glow discharge was stopped. . Si into the deposition chamber 2 H 6 Gas, PH Three / H 2 (2%) Stop introducing gas and put H into the deposition chamber for 5 minutes. 2 After continuing to flow gas, 2 1 × 10 in the deposition chamber and gas pipe -Five It was evacuated to Torr.
[0143]
The i2 layer made of a-SiGe was formed by the MWPCVD method. First, H 2 Gas was introduced into the deposition chamber 201 at 300 sccm so that the pressure was 7.0 mTorr and the substrate temperature was 400 ° C. When the substrate temperature is stable, SiH Four Gas, GeH Four Gas introduced SiH Four Gas flow rate is 40sccm, GeH4 gas flow rate is 40sccm, H 2 The gas flow rate was adjusted to 300 sccm and the pressure in the deposition chamber 201 was adjusted to 7.0 mTorr. Next, the power of the RF power source was set to 900 W and applied to the RF electrode. Thereafter, the power of the MW power source is set to 400 W, MW power is introduced into the deposition chamber through the dielectric window, glow discharge is generated, the shutter is opened, and the shutter is opened when the i2 layer having a film thickness of 75 nm is formed on the n2 layer. Was closed to stop glow discharge. SiH into the deposition chamber Four Gas, GeH Four Stop the introduction of gas and enter the deposition chamber for 5 minutes. 2 After continuing to flow gas, 2 1 × 10 in the deposition chamber and gas pipe -Five It was evacuated to Torr.
[0144]
To form a p2 layer made of μc-Si, H 2 Gas was introduced into the deposition chamber 201 at 40 sccm, and the pressure in the deposition chamber was adjusted to 2.0 Torr. Set the heater so that the substrate temperature becomes 250 ° C, and when the substrate temperature is stable, SiH Four / H 2 (10%) Gas, BF Three / H 2 (1%) gas was introduced into the deposition chamber 201. At this time, SiH Four / H 2 (10%) Gas flow rate is 0.25 sccm, H 2 Gas flow rate is 40sccm, BF Three / H 2 (1%) The gas flow rate was adjusted to 2.0 sccm, and the pressure in the deposition chamber was adjusted to 2.0 Torr. The power of the RF power supply was set to 40 W, RF power was applied to the RF electrode, glow discharge was generated, the shutter was opened, the p2 layer having a film thickness of 5 nm was formed, the shutter was closed, and the glow discharge was stopped. SiH into the deposition chamber Four / H 2 (10%) Gas, BF Three / H 2 (1%) Stop the gas introduction and enter the deposition chamber for 5 minutes. 2 After continuing to flow gas, 2 1 × 10 in the deposition chamber and gas pipe -Five It was evacuated to Torr.
[0145]
This completes the formation of the middle layer in the a-Si / a-SiGe / a-SiGe triple cell.
[0146]
Next, an n1 layer made of a-Si, an i1 layer made of a-Si, and a p1 layer made of μc-Si (top layer) were formed.
[0147]
To form an n1 layer made of a-Si, H 2 A gas was introduced into the deposition chamber 201 and adjusted with a mass flow controller so that the flow rate was 50 sccm, and the pressure in the deposition chamber was adjusted to 1.3 Torr. Set the heater so that the substrate temperature is 220 ° C. 2 H 6 Gas, PH Three / H 2 (2%) gas was introduced into the deposition chamber 201. At this time, Si 2 H 6 Gas flow rate is 1.0 sccm, H 2 Gas flow rate is 50sccm, PH Three / H 2 (2%) The gas flow rate was adjusted to 2.5 sccm, and the pressure in the deposition chamber was adjusted to 1.0 Torr. The power of the RF power source was set to 2.0 W, RF power was applied to the RF electrode, glow discharge was generated, the shutter was opened, the n1 layer having a film thickness of 10 nm was formed, the shutter was closed, and the glow discharge was stopped. . Si into the deposition chamber 2 H 6 Gas, PH Three / H 2 (2%) Stop introducing gas and put H into the deposition chamber for 5 minutes. 2 After continuing to flow gas, 2 1 × 10 in the deposition chamber and gas pipe -Five It was evacuated to Torr.
[0148]
In order to form an i1 layer made of a-Si, H 2 Gas was introduced into the deposition chamber 201 and adjusted with a mass flow controller so that the flow rate was 100 sccm, and the pressure in the deposition chamber was adjusted to 0.5 Torr. Set the heater so that the substrate temperature is 250 ° C. 2 H 6 Gas was introduced into the deposition chamber. At this time, Si 2 H 6 Gas flow rate is 4.0 sccm, H 2 The gas flow rate was adjusted to 100 sccm, and the pressure in the deposition chamber was adjusted to 0.5 Torr. The power of the RF power source was set to 3.0 W, RF power was applied to the RF electrode to cause glow discharge. When the shutter was opened to form an i1 layer having a film thickness of 85 nm, the shutter was closed to stop glow discharge. Si into the deposition chamber 2 H 6 Stop the introduction of gas and enter the deposition chamber for 5 minutes. 2 After continuing to flow gas, 2 1 × 10 in the deposition chamber and gas pipe -Five It was evacuated to Torr.
[0149]
To form a p1 layer made of μc-Si, H 2 Gas was introduced into the deposition chamber 201 at 40 sccm, and the pressure in the deposition chamber was adjusted to 2.0 Torr. Set the heater so that the substrate temperature becomes 250 ° C, and when the substrate temperature is stable, SiH Four / H 2 (10%), BF Three / H 2 (1%) gas was introduced into the deposition chamber. At this time, SiH Four / H 2 (10%) Gas flow rate is 0.25 sccm, H 2 Gas flow rate is 40sccm, BF Three / H 2 (1%) The gas flow rate was adjusted to 2.0 sccm, and the pressure in the deposition chamber was adjusted to 2.0 Torr. The power of the RF power source was set to 40 W, RF power was applied to the RF electrode, glow discharge was generated, the shutter was opened, the p1 layer having a film thickness of 4 nm was formed, the shutter was closed, and glow discharge was stopped. SiH into the deposition chamber Four / H 2 (10%) Gas, BF Three / H 2 (1%) Stop the gas introduction and enter the deposition chamber for 5 minutes. 2 After continuing to flow gas, 2 1 × 10 in the deposition chamber and gas pipe -Five It was evacuated to Torr.
[0150]
Thus, the formation of the top layer of the a-Si / a-SiGe / a-SiGe triple cell was completed, the leak valve was opened, the deposition chamber was leaked, and the triple solar cell was taken out.
[0151]
Next, ITO having a film thickness of 70 nm was vacuum-deposited on the p1 layer by a resistance heating vacuum deposition method as a transparent electrode.
[0152]
Next, a mask having a comb-shaped hole was placed on the transparent electrode, and a comb-shaped collector electrode made of Cr (20 nm) / Ag (800 nm) / Cr (20 nm) was vacuum-deposited by an electron beam vacuum deposition method. .
[0153]
This completes the production of the solar cell. This solar cell is referred to as (SC Ex 1), and the conditions for forming the bottom layer, middle layer, and top layer are shown in Table 1.
[0154]
In addition, the germanium composition of the i layer in the solar cell (SC Ex 1) was 0.60 for the bottom layer and 0.50 for the middle layer. The band gap of the i layer was 1.35 eV for the bottom layer, 1.40 eV for the middle layer, and 1.75 eV for the top layer.
[0155]
[Table 1]
Figure 0003659511
[0156]
(Comparative Example 1)
In the a-Si / a-SiGe / a-SiGe triple-type solar cell, the bottom layer, middle layer, and top layer i layers have a thickness of 180 nm, 140 nm, and 100 nm, and the bottom layer and middle layer i layer germanium composition. A conventional solar cell (SC ratio: 1) was produced under the same conditions as in Example 1 except that was set to 0.30.
[0157]
The relationship between the i-layer thickness of the triple solar cell having the configuration shown in FIG. 1 and the photoelectric conversion efficiency (ηs) after accelerated deterioration by light was examined.
[0158]
A solar cell whose initial photoelectric conversion efficiency has been measured in advance is installed in an accelerated deterioration apparatus using light, and an AM 1.5 spectrum, an irradiation light intensity of 50 SUN (5 W / cm 2 ), The surface of the solar cell was irradiated with light under a deterioration condition of a substrate surface temperature of 110 ° C. When 50000 seconds had passed since the start of light irradiation, the solar cell was taken out from this accelerated deterioration device. Next, the taken-out solar cell was installed in the apparatus which measures photoelectric conversion efficiency, AM1.5 spectrum, irradiation light intensity 1SUN (100mW / cm 2 ), The photoelectric conversion efficiency was measured under the measurement condition of the substrate surface temperature of 25 ° C.
[0159]
Evaluation of acceleration degradation due to light as described above and measurement of photoelectric conversion efficiency after acceleration degradation was performed on a solar cell (SC actual 1) and a solar cell (SC ratio 1). As a result of the measurement, it was found that the photoelectric conversion efficiency (ηs) after accelerated deterioration of (SC Ex 1) was 1.23 times better than that of (SC ratio 1).
[0160]
(Example 2)
A triple solar cell having the configuration of FIG. 1 having a graded band gap structure as shown in FIG. 3 as the bottom layer i layer (i3 layer) was produced, and the same evaluation as in Example 1 was performed.
[0161]
SiH so that the band structure of the i layer of the bottom layer has a band profile as shown in FIG. Four Flow rate, GeH Four A triple solar cell (SC Ex 2) similar to that in Example 1 was prepared except that the flow rate was controlled, and evaluation similar to that in Example 1 was performed. The conversion efficiency (ηs) was found to be 1.27 times better than that of the conventional triple solar cell of Comparative Example 1 (SC ratio 1).
[0162]
(Example 3)
Except for laminating a buffer layer made of RFPCVD between the n3 layer and the i3 layer, between the i3 layer and the p3 layer, between the n2 layer and the i2 layer, and between the i2 layer and the p2 layer. A triple solar cell (SC Ex 3) similar to that in Example 2 was produced. When the same evaluation as in Example 1 was performed (SC Ex. 3), the photoelectric conversion efficiency (ηs) after accelerated deterioration by light was higher than that of the conventional triple solar cell of Comparative Example 1 (SC ratio 1). 1.32 times better.
[0163]
(Example 4)
SiH so that the band structure of the i3 layer has a band profile as shown in FIG. Four Flow rate, GeH Four A triple solar cell (SC Ex 4) was produced in the same manner as in Example 3 except that the flow rate was controlled and the germanium composition of the middle i-type layer was 0.60. When the same evaluation as in Example 1 was performed (SC Ex. 4), the photoelectric conversion efficiency (ηs) after accelerated deterioration by light was higher than that of the conventional triple solar cell of Comparative Example 1 (SC ratio 1). It was found to be 1.35 times better.
[0164]
(Example 5)
A triple solar cell (SC Ex 5) was produced in the same manner as in Example 4 except that the film thicknesses of the bottom layer, middle layer, and top layer i layer were 75 nm, 70 nm, and 85 nm. When the same evaluation as in Example 1 was performed (SC Ex 5), the photoelectric conversion efficiency (ηs) after accelerated deterioration by light was higher than that of the conventional triple solar cell of Example 1 (SC ratio 1). 1.37 times better.
[0165]
(Example 6)
SiH so that the band structure of the i layer of the middle layer has a band profile as shown in FIG. Four Flow rate, GeH Four A triple solar cell (SC Ex 6) similar to that in Example 3 was produced except that the flow rate was controlled, and evaluation similar to that in Example 1 was performed. The conversion efficiency (ηs) was found to be 1.40 times better than that of the conventional triple solar cell of Example 1 (SC ratio 1).
[0166]
(Example 7)
The triple solar cell of FIG. 1 was produced using the manufacturing apparatus using the roll-to-roll method shown in FIG. The substrate used was a strip-shaped stainless steel sheet having a mirror-polished surface with a length of 300 m, a width of 30 cm, and a thickness of 0.1 mm. A sputtering apparatus using a roll-to-roll method is used to continuously form a reflective layer made of Ag having a layer thickness of 0.3 μm at a substrate temperature of 350 ° C. on the surface of this stainless steel substrate, and further to a layer thickness of 2.0 μm at a substrate temperature of 350 ° C. A transparent conductive layer made of ZnO was continuously formed. It was found that the substrate surface was textured. The unevenness on the surface of the substrate was 500 nm in Rmax.
[0167]
FIG. 4 is a schematic view of an apparatus for continuously forming semiconductor layers using a roll-to-roll method. In this apparatus, a substrate delivery chamber 401, a plurality of deposition chambers 402 to 414, and a substrate take-up chamber 415 are sequentially arranged, and they are connected by a separation passage 416, and a belt-like substrate 417 is passed through them. Accordingly, the substrate can be continuously moved from the substrate delivery chamber to the substrate take-up chamber, and the respective semiconductor layers can be simultaneously formed in the respective deposition chambers simultaneously with the movement of the substrate.
[0168]
450 is a top view of the deposition chambers. Each deposition chamber has a source gas inlet 419 and a source gas exhaust port 420, and an RF electrode 421 or a microwave introduction portion 422 is attached as necessary. Further, a halogen lamp heater 418 for heating the substrate is installed inside. A raw material gas supply device (not shown) is connected to the raw material gas inlet, and a vacuum exhaust pump such as an oil diffusion pump or a mechanical booster pump is connected to each raw material gas exhaust port. An RF power source (not shown) is connected to each RF electrode, and a microwave (MW) power source is connected to the microwave introduction unit. The separation passage connected to the deposition chamber has an inlet 424 through which scavenging gas flows. The substrate delivery chamber has a delivery roll 425 and a guide roll 426 for applying appropriate tension to the substrate, and the substrate take-up chamber has a take-up roll 427 and a guide roll 428.
[0169]
First, the substrate on which the reflective layer and the transparent conductive layer are formed is wound around a delivery roll, set in a substrate delivery chamber, and after passing through each deposition chamber, the substrate is wound around a substrate take-up roll. The entire apparatus is evacuated by an unillustrated evacuation pump, the lamp heater in each deposition chamber is turned on, and the substrate temperature in each deposition chamber is set to a predetermined temperature. When the pressure of the whole apparatus becomes 1 mTorr or less, H from the inlet of each scavenging gas 2 The gas is introduced, and the substrate is taken up by a take-up roll while moving the substrate in the direction of the arrow in the figure. In the same manner as in the first embodiment, a source gas for forming each semiconductor layer is caused to flow into each deposition chamber. At this time, H that is introduced into each separation passage so that the source gas flowing into each deposition chamber does not diffuse into other deposition chambers. 2 Adjust the gas flow rate and the pressure in each deposition chamber.
[0170]
Next, RF power and MW power are introduced into each deposition chamber to cause glow discharge to form respective semiconductor layers.
[0171]
An n3 layer (a-Si: H) is formed by RF plasma CVD in the deposition chamber 402 on the substrate, and a b31 buffer layer (a-Si: H) is formed in the deposition chamber 403 by RF plasma CVD. In the deposition chamber 405, the b3 buffer layer (a-Si: H) is formed by the RF plasma CVD method. In the deposition chamber 406, the p3 layer is formed by the RF plasma CVD method (a-SiGe: H). μc-Si: H), n2 layer (a-Si: H) is deposited by RF plasma CVD in the deposition chamber 407, and b21 buffer layer (a-Si: H) is deposited by RF plasma CVD in the deposition chamber 408. In the chamber 409, the i2 layer (a-SiGe: H) is formed by the MW plasma CVD method, the b22 buffer layer (a-Si: H) is formed in the deposition chamber 410 by the RF plasma CVD method, and the RF is formed in the deposition chamber 411. The p2 layer (μc-Si: H) is formed by the plasma CVD method, the n1 layer (μc-Si: H) is formed by the RF plasma CVD method in the deposition chamber 412, and the i3 layer (a-Si) is formed by the RF plasma CVD method in the deposition chamber 413. : H), and in the deposition chamber 414, a p1 layer (μc-Si: H) was sequentially formed by RF plasma CVD.
[0172]
The source gas inlet 429 of the deposition chamber for forming the i3 layer and the deposition chamber for forming the i2 layer is divided into a plurality of portions, and SiH from each inlet. Four Gas, GeH Four Gas, H 2 A gas was introduced so that the Ge composition of the i3 layer and the i2 layer was uniform in the layer thickness direction, and the band gap was uniform in the layer thickness direction. When the transfer of the substrate was completed, the MW power source and the RF power source were turned off, the glow discharge was extinguished, and the inflow of the source gas and the scavenging gas was stopped. When the substrate temperature dropped to room temperature, the entire apparatus was leaked, and the wound substrate was taken out. Detailed production conditions are summarized in Table 2.
[0173]
Next, the transparent electrode which consists of ITO with a layer thickness of 70 nm at 170 degreeC was continuously formed on p1 layer with the sputtering device using a roll-to-roll system.
[0174]
Next, a part of this substrate was cut into a size of 50 mm × 50 mm, and silver paste having a layer thickness of 5 μm and a line width of 0.5 mm was printed by a screen printing method to form a collecting electrode.
[0175]
Next, the solar cells were serialized and paralleled so that the rated voltage was 25 V and the rated output was 50 W.
[0176]
Next, on a steel backing plate, EVA (ethylene vinyl acetate) sheet, nylon sheet, EVA sheet, crane glass (glass fiber nonwoven fabric), serialized / parallel solar cell, crane glass, EVA sheet Crane glass, EVA sheet, crane glass, and ETFE (ethylene tetrafluoroethylene) sheet were placed and vacuum laminated (150 ° C., 40 minutes).
[0177]
This completes the production of the triple solar cell module (MJ real 7) using the roll-to-roll method.
[0178]
[Table 2]
Figure 0003659511
[0179]
(Comparative Example 7)
Using the roll-to-roll manufacturing apparatus, a conventional triple solar cell in which the film thicknesses of the i1, i2, and i3 layers were 100 nm, 130 nm, and 190 nm, respectively, was produced. A triple solar cell (MJ ratio 7) was prepared in the same manner as in Example 7 except that the film thickness was changed, and the same evaluation as in Experimental Example 1 was performed. As a result, the solar cell module of Example 7 (MJ Actual 7) It was found that the photoelectric conversion efficiency (ηs) after accelerated degradation by light of 1.21 was 1.21 times that of the solar cell module of Comparative Example 7 (MJ ratio 7).
[0180]
(Example 8)
SiH from source gas inlet 429 divided into a plurality in Example 7 Four Gas, GeH Four Gas, H 2 When gas is introduced to form the i3 layer and the i2 layer, GeH Four The triple solar cell module of FIG. 1 was produced in the same manner as in Example 7 except that the gas flow rate was adjusted to 430 so that a-SiGe: H would be the band gap of FIG. When the same evaluation as in Experimental Example 1 was performed, it was found that the photoelectric conversion efficiency (ηs) after accelerated deterioration by light was 1.23 times that of the solar cell module of Comparative Example 7 (MJ ratio 7). .
[0181]
Example 9
In Example 7, H is added to a part of the deposition chamber 405 and the deposition chamber 410. 2 A triple solar cell module (MJ real 9) of FIG. 1 was produced in the same manner as in Example 7 except that a portion for generating gas-only plasma was provided and the hydrogen plasma treatment was performed on the b32 and b22 layers. When the same evaluation as in Experimental Example 1 was performed, it was found that the photoelectric conversion efficiency (ηs) after accelerated deterioration by light was 1.25 times that of the solar cell module of Comparative Example 7 (MJ ratio 7). .
[0182]
(Example 10)
In Example 7, SiH to flow into the deposition chamber 404 and the deposition chamber 409 Four Gas flow rate, GeH Four A triple solar cell module (MJ actual 10) of FIG. 1 was produced in the same manner as in Example 7 except that the gas flow rate was changed to 4/5 and the MW power was changed to 4/5. When the same evaluation as in Experimental Example 1 was performed, it was found that the photoelectric conversion efficiency (ηs) after accelerated deterioration by light was 1.22 times that of the solar cell module of Comparative Example 7 (MJ ratio 7). .
[0183]
(Example 11)
In Example 7, SiH to flow into the deposition chamber 404 and the deposition chamber 409 Four The gas flow rate is 4/5 and GeH Four A triple solar cell module (MJ11) of FIG. 1 was produced in the same manner as in Example 7 except that the gas flow rate was changed to 6/5. When the same evaluation as in Experimental Example 1 was performed, it was found that the photoelectric conversion efficiency (ηs) after accelerated deterioration by light was 1.26 times that of the solar cell module of Comparative Example 7 (MJ ratio 7). .
[0184]
(Example 12)
1 in the same manner as in Example 7 except that the substrate temperature in the deposition chamber 405 is 350 ° C. and the substrate temperature in the deposition chamber 410 is 330 ° C. Produced. When the same evaluation as in Experimental Example 1 was performed, it was found that the photoelectric conversion efficiency (ηs) after accelerated deterioration by light was 1.31 times that of the solar cell module of Comparative Example 7 (MJ ratio 7). .
[0185]
(Example 13)
In Example 7, a new CH32 layer and b22 layer were formed. Four A triple solar cell module (MJ13) using an a-SiC: H buffer layer formed by flowing a gas into the deposition chamber at 15 sccm was produced. When the same evaluation as in Experimental Example 1 was performed, it was found that the photoelectric conversion efficiency (ηs) after accelerated deterioration by light was 1.29 times that of the solar cell module of Comparative Example 7 (MJ ratio 7). .
[0186]
(Example 14)
In Example 7, a new microwave introduction unit was installed in the deposition chambers 406, 411, and 414, and a new CH was formed when the p1, p2, and p3 layers were formed. Four A triple solar cell module (MJ real 14) using a p-layer of microcrystalline SiC: H formed by MWPCVD by flowing gas into each deposition chamber at 10 sccm was produced. When the same evaluation as in Experimental Example 1 was performed, it was found that the photoelectric conversion efficiency (ηs) after accelerated deterioration by light was 1.32 times that of the solar cell module of Comparative Example 7 (MJ ratio 7). .
[0187]
【The invention's effect】
Claim 1 2 In other words, the film thickness of the amorphous silicon germanium, which is the i layer of the second and third pin junctions, is reduced from the film thickness that has been considered to be suitable in the prior art. An increase in localized levels in the layer can be suppressed, and light degradation can be further suppressed in the stack type photovoltaic device.
[0188]
Claim 3, 4 Even when the amorphous silicon germanium film thickness is reduced as described above by increasing the germanium composition of the amorphous silicon germanium that is the i-layer of the second and third pin junctions. The current generated in the first, second, and third pin junctions can be matched, and high photoelectric conversion efficiency can be maintained while suppressing photodegradation.
[0189]
Claim 5-7 According to the invention, even when the content of germanium in the amorphous silicon germanium is increased, the open-circuit voltage (Voc) and the fill factor (FF) of the photovoltaic element can be particularly improved. It is possible to maintain higher conversion efficiency while suppressing deterioration.
[0190]
By the stacked photovoltaic element of the present invention having the above-described configuration, the photo-degradation of amorphous silicon germanium that is the i layer of the second and third pin junctions is suppressed, and while maintaining high photoelectric conversion efficiency, It is possible to reduce light deterioration and improve conversion efficiency after light deterioration. Accordingly, it is possible to provide a photovoltaic device with high reliability and high photoelectric conversion efficiency while having a low cost suitable for practical use.
[0191]
Further, as another effect of the photovoltaic device of the present invention, the film thickness of amorphous silicon germanium, which is the i layer of the second and third pin junctions, deviates from the film thickness that has conventionally been considered suitable. By using a thin film, the amount of germanium, which is a smaller resource than silicon, can be reduced. In addition, energy used in the manufacturing process can be reduced. Furthermore, the film thickness of the entire photovoltaic device is reduced, so that the stress applied to the laminated thin film is reduced, the durability when the substrate is bent or warped is increased, and the deposited film peels off from the substrate. The problem can be reduced. Thereby, the yield of the manufacturing process is improved, and the flexibility of the usage pattern of the photovoltaic device is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of a photovoltaic element of the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram showing an example of a semiconductor layer forming apparatus.
FIG. 3 is a graph showing a preferred example of a change in the film thickness direction of the band gap of the i layer.
FIG. 4 is a conceptual diagram showing an example of a continuous device for forming photovoltaic elements.
FIG. 5 is a conceptual diagram showing an example of a collecting electrode formation pattern of a photovoltaic element.
FIG. 6 is a graph showing an example of measurement by a constant photocurrent method.
[Explanation of symbols]
101, 204, 417 substrate,
102 Lower electrode,
103 n3 layer (p3 layer),
104 i3 layer,
105 p3 layer (n3 layer),
106 n2 layer (p2 layer),
107 i2 layer,
108 p2 layer (n2 layer),
109 n1 layer (p1 layer),
110 i1 layer,
111 p1 layer (n1 layer),
112 transparent electrode,
113 current collecting electrode,
114 bottom,
115 middle,
116 Top,
200 deposition equipment,
201 Deposition chamber,
202 vacuum gauge,
203 bias (RF) power supply,
205 heater,
206 waveguide,
207 conductance valve,
208 valves,
209 substrate holder,
210 bias (RF) electrode,
211 gas introduction pipe,
212 microwave introduction part,
213 dielectric window,
215 shutter,
219 microwave power supply,
220 exhaust port,
401 substrate delivery chamber,
402-414 deposition chamber,
415 substrate take-up chamber,
416 separation passage,
418 lamp heater,
419 Raw material gas inlet,
420 exhaust port,
421 RF electrode,
422 microwave introduction part,
424 scavenging gas inlet,
425 delivery roll,
426 guide roll,
427 Winding roll,
428 guide roll,
429 multiple gas inlets;
430 GeH 4 Flow rate,
431 RF bias electrode,
450 Viewed from above,
501 Light incident surface of the photovoltaic element,
502 Extraction electrode.

Claims (7)

p型半導体層とi型半導体層とn型半導体層とを積層して形成したpin型半導体接合を複数重ねた、いわゆるスタック型の光起電力素子において、光入射側から数えて第一のpin接合のi層として非晶質シリコンを用い、第二および第三のpin接合のi層として非晶質シリコンゲルマニウムを用い、第三のpin接合のi層である非晶質シリコンゲルマニウムの膜厚を150nm以下にしたことを特徴とする光起電力素子。  In a so-called stack type photovoltaic device in which a plurality of pin-type semiconductor junctions formed by stacking a p-type semiconductor layer, an i-type semiconductor layer, and an n-type semiconductor layer are stacked, the first pin counted from the light incident side Amorphous silicon is used as the i layer of the junction, amorphous silicon germanium is used as the i layer of the second and third pin junctions, and the film thickness of the amorphous silicon germanium that is the i layer of the third pin junction A photovoltaic element characterized by having a thickness of 150 nm or less. 前記第二のpin接合のi層である非晶質シリコンゲルマニウムの膜厚を100nm以下にしたことを特徴とする請求項1に記載の光起電力素子。 2. The photovoltaic element according to claim 1, wherein the film thickness of amorphous silicon germanium, which is the i layer of the second pin junction, is 100 nm or less. 前記第三のpin接合のi層である非晶質シリコンゲルマニウムのゲルマニウム組成(Ge/(Si+Ge))を0.4以上にしたことを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の光起電力素子。According to any one of claims 1-2, characterized in that the germanium content of the third amorphous silicon germanium is i layer of a pin junction of a (Ge / (Si + Ge) ) to 0.4 or more Photovoltaic element. 前記第二のpin接合のi層である非晶質シリコンゲルマニウムのゲルマニウム組成(Ge/(Si+Ge))を0.35以上にしたことを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の光起電力素子。According to any one of claims 1 to 3, characterized in that the said second germanium content of the amorphous silicon germanium is i layer of a pin junction (Ge / (Si + Ge) ) to 0.35 or higher Photovoltaic element. 前記第二または/および第三のpin接合のp層と非晶質シリコンゲルマニウム層の間に非晶質シリコン層あるいは非晶質シリコンカーボン層を配置したことを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の光起電力素子。According to claim 1-4, characterized in that a amorphous silicon layer or amorphous silicon carbon layer between the second and / or third pin junction p-layer and the amorphous silicon germanium layer The photovoltaic element of any one of Claims. 前記第二または/および第三のpin接合の非晶質シリコンゲルマニウム層のゲルマニウム組成を膜厚方向で変化させ、ゲルマニウム組成が最大となる位置を、p層側から測って非晶質シリコンゲルマニウム層全体の膜厚の4分の1以下にしたことを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の光起電力素子。The germanium composition of the amorphous silicon germanium layer of the second or / and third pin junction is changed in the film thickness direction, and the position where the germanium composition is maximized is measured from the p-layer side to measure the amorphous silicon germanium layer The photovoltaic element according to any one of claims 1 to 5 , wherein the photovoltaic element is set to one quarter or less of the entire film thickness. 前記第二および第三のpin接合のi層である非晶質シリコンゲルマニウムの局在準位密度が、コンスタントフォトカレントメソッドによって測定した場合に、5×1016/cm3以下であることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の光起電力素子。The localized level density of amorphous silicon germanium, which is the i layer of the second and third pin junctions, is 5 × 10 16 / cm 3 or less when measured by a constant photocurrent method. The photovoltaic device according to any one of claims 1 to 6 .
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