JP3687236B2 - 薄膜光電変換素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体接合を利用して光を電気エネルギーに変換する光電変換素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来知られている光電変換素子の例を図6、図7に示す。
図6は、ステンレス基板41上に銀電極2、酸化亜鉛(Zn X2 O)層4、n型非晶質シリコン層(以下a−Si層と記す)6とノンドープa−Si層7およびp型a−Si層8からなるp−i−n接合を持つ半導体層、透明電極9、グリッド電極10を順に積重ねた構成のものであり、また図7は、ガラス基板11に透明電極9、p−i−n接合を構成するp型、ノンドープ、n型a−Si層8、7、6、酸化亜鉛層4、銀電極2を順に積層した構成のものである。ただし、この図では、光が入射する側を上にしているので、ガラス基板11が上になっている。a−Si層と銀電極との間に、酸化亜鉛層を挟んだ構成は、光の反射率を高めるためであり、例えば Banerjee, A. らの報告[Conf. Record of the 23rd IEEE Photovoltaic Specialists Conf. -1993 , p.795 ] にも記載されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
これらの構成に共通の課題は、金属電極と酸化亜鉛層との界面の剥離の防止である。特に、初期的には、剥離が観察されない場合でも、ヒートサイクルや高温高湿サイクル等の、熱、湿度履歴により、金属電極と酸化亜鉛層との界面の接着力が低下して、金属電極の剥離が観察されることがある。
【0004】
以上の問題に鑑み本発明の目的は、金属電極の半導体層との間の接着強度を高め、特に熱、湿度履歴を経た後でも金属電極が剥離しない薄膜光電変換素子を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するため本発明は、少なくとも一つのpn接合からなる半導体層とそのn型層側に形成された金属電極とを備えた薄膜光電変換素子において、半導体層と金属電極との間に、酸化インジウム亜鉛層(ZnX1InY OZ 、ただしX1+Y=1)を形成するとともに、半導体層のn型層としてa−SiO X :Hを用いるものとする。
【0006】
そのようにすれば、酸化インジウム亜鉛層と金属電極界面の接着力が向上して剥離を防止できる。また、半導体層と前記金属電極との間に、半導体層側から酸化亜鉛(Zn X2 O)、酸化インジウム亜鉛(Zn X1 In Y O Z 、ただしX1+Y=1)を順次形成しても、半導体層と前記金属電極との間に、半導体層側から酸化錫(Sn X3 O 2 )、酸化インジウム亜鉛(Zn X1 In Y O Z 、ただしX1+Y=1)を順次形成してもよい。
【0007】
そのようにすれば、酸化インジウム亜鉛と金属電極界面の接着力が向上して剥離を防止できるだけでなく、酸化亜鉛層や酸化錫層が障壁となって、酸化インジウム亜鉛から半導体層への不純物の拡散が防止できる。特に、半導体層は、中間に高抵抗のi層を含むpin構造であるものがよい。pin構造であれば、i層中でのキャリアの拡散長が長く、光電変換の効率向上に寄与する。
【0008】
尚、本発明における酸化インジウム亜鉛層、酸化亜鉛層、酸化錫層は、上記のとおり、化学量理論比からずれた組成のものも含む。
【0009】
【発明の実施の形態】
[実施例1]
図1は、本発明第一の実施例の薄膜光電変換素子の断面図である。
絶縁性のプラスチックフィルムであるポリイミドの基板1上に、スパッタリング法により銀電極2(金属電極)を形成し、その銀電極2上にスパッタリング法により、酸化インジウム亜鉛層(ZnX1InY OZ 、ただしX1+Y=1)3を形成し、その酸化インジウム亜鉛層3上に同じくスパッタリング法または蒸着法により酸化亜鉛層(ZnX2O)4を形成する。酸化インジウム亜鉛層3の形成に用いたターゲットは、酸化亜鉛粉末と、酸化インジウムの粉末とを混合したものである。
【0010】
これを基板としてプラズマCVD法によりn型a−Si層6、ノンドープa−Si層7、p型a−Si層8を順次形成し、そのa−Si層の上に酸化インジウム錫(ITO)からなる透明電極9を形成し、最後に銀のスパッタリングにより取り出し電極5およびグリッド電極10を形成する。酸化亜鉛層4は、酸化インジウム亜鉛層3上に220℃以上の高温でn型、ノンドープ、p型a−Si層6、7、8を形成する場合に、a−Si層への不純物の拡散を防止するために挿入する。
【0011】
図2は、実施例1の薄膜光電変換素子における付着力の向上効果を示すグラフである。試料はポリイミドの基板1上に、銀電極2を約100nm堆積し、その上に酸化インジウム亜鉛層3を50nm堆積し、その上にn型、ノンドープ、p型a−Si層6、7、8を堆積したものである。酸化インジウム亜鉛層3の形成に用いたターゲットは、酸化亜鉛粉末と、酸化インジウムの粉末とを混合したものであり、グラフの横軸は、この混合物中のインジウムの含有比率Y/(X1+Y)を表している。スパッタリングには、アルゴンと酸素との混合ガスを用い、基板温度は200℃とした。試料を接着材で治具に固定し、セバスチャン試験法で評価をおこなった。試験片の接合面積は0.5cm2 とした。
【0012】
この接着力の向上効果は、Yが0.1〜0.9の範囲で顕著であり、酸化亜鉛のみの比較試料に比べで、最大で約3倍近い付着力の向上が観測された。この試験で破壊した試料は、いずれも銀電極2と酸化インジウム亜鉛層3との界面で剥がれていた。酸化インジウム亜鉛層3の厚さを変える実験もおこなったが、接着力は膜厚が5nm以上で顕著な増大が観測された。
【0013】
このように、酸化インジウム亜鉛層3を挿入することにより、同時に十分な導電率をもち、問題無いことがわかった。また、初期の接着力が増大するだけでなく、ヒートサイクルや高温高湿サイクル等の、熱、湿度履歴を経た後でも、剥離等を生じることが無かった。また、接着力の向上以外にも酸化インジウム亜鉛層3の挿入により、短絡光電流が増加する効果が観察された。この効果は、銀電極2上に酸化亜鉛層4や酸化インジウム層3を形成した場合の反射率向上による電流増加分よりも増加分が多いことがわかり、裏面側の銀電極2での散乱による光閉じ込め効果が大きくなっているものと考えられる。
【0014】
短絡光電流増加効果も酸化インジウム亜鉛の組成に依存して変化する。この実施例では、やはり、Yが0.1〜0.9の範囲で効果が確認された。また、短絡光電流の増加効果については、1〜2000nmまでは膜厚による反射率の影響によりピーク値が存在する。しかし、吸収ロスが存在しても、電流増加効果は十分に観測される。吸収ロスはまた、酸化インジウム亜鉛層3の形成方法にも依存する。
【0015】
本実施例では、基板1として絶縁性のポリイミドを使用したが、他にアラミド、ポリエーテルサルフォン(PES)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエチレンテレフタレート(PET)などのプラスチックフィルム、或いはガラスやステンレス、アルミニウム等の金属基板を使用することもできる。また、酸化インジウム亜鉛層3とn型a−Si層6との間に不純物拡散防止のため酸化亜鉛層4を挟んだが、これは酸化錫層でもよい。
[実施例2]
図3は、本発明の別の実施例を示す。図1との違いは、酸化亜鉛層4を形成していない点である。従って、酸化インジウム亜鉛層3とn型a−Si層6とが接している。このため、成膜時の不純物拡散を小さく抑えるために、n型a−Si層6として酸素を含んだa−SiOX :Hを用いて不純物の拡散を防いでいる。
【0016】
この例でも、酸化インジウム亜鉛層3を用いることにより十分な導電率を得、かつ銀電極2との接着性を確保できた。また、短絡光電流の増加も観察された。特に、図1、2で示された実施例では、基板1上に銀電極2を形成している。この銀電極2を高温で形成すると、銀電極2の表面形状が数十nm〜数百nmの粗さに凹凸化して接着力が増した。更に他の酸化亜鉛層のみ、酸化インジウム層のみの場合に比較して、短絡光電流の増加効果も大きくなった。
【0017】
また、同様の効果が、アルミニウム、ニッケル、クロム等の金属電極を用いた場合でも観察された。
[実施例3]
図4は、本発明第三の実施例の薄膜光電変換素子の断面図である。この例では、ガラス基板11上に透明電極9、pin接合を形成するp型、ノンドープ、n型a−Si層8、7、6を順次形成し、その後に、酸化亜鉛層4を介して酸化インジウム亜鉛層3、銀電極2を形成している。
【0018】
この例でも、酸化インジウム亜鉛層3を用いることにより十分な導電率を得ながら銀電極2との接着性を確保できた。金属電極としては、アルミニウム、ニッケル、クロム等の金属でもよいことは実施例2と同様である。
[実施例4]
図5は、本発明第四の実施例の薄膜光電変換素子の断面図である。この実施例では、実施例3の薄膜光電変換素子の酸化亜鉛層4を削除した例であり、酸化インジウム亜鉛層3がa−Si層6と接している。
【0019】
実施例3では、酸化インジウム亜鉛層3をa−Si層8、7、6を形成した後に成膜するため、酸化インジウム亜鉛層3を高温で形成しない場合は、不純物拡散の防止のための酸化亜鉛層を形成する必要が無く、削除できる。これまでの実施例では、半導体層がa−Si層である場合について記述したが、本発明は微結晶シリコンや、その他の薄膜系半導体材料にも適用可能である。
【0020】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、少なくとも一つのpn接合からなる半導体層とそのn型層側に形成された金属電極とを備えた薄膜光電変換素子において、前記半導体層と前記金属電極との間に、酸化インジウム亜鉛層(ZnX1InY OZ 、ただしX1+Y=1)を形成するとともに、前記半導体層のn型層としてa−SiO X :Hを用いたことにより、薄膜素子の付着力を向上させ、その信頼性を高めることができる。更に、短絡光電流を大幅に増加させて、薄膜光電変換素子の変換効率を向上させるという効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明第一の実施例の薄膜光電変換素子の断面図
【図2】 本発明のよる酸化インジウム亜鉛層の挿入により電極付着力の向上効果を示す特性図
【図3】 本発明第二の実施例の薄膜光電変換素子の断面図
【図4】 本発明第三の実施例の薄膜光電変換素子の断面図
【図5】 本発明第四の実施例の薄膜光電変換素子の断面図
【図6】 従来の薄膜光電変換素子の断面図
【図7】 従来の別の薄膜光電変換素子の断面図
【符号の説明】
1 基板
2 銀電極
3 酸化インジウム亜鉛層
4 酸化亜鉛層
5 取り出し電極
6 n型a−Si層
7 ノンドープa−Si層
8 p型a−Si層
9 透明電極
10 グリッド電極
11 ガラス基板
41 ステンレススチール基板
Claims (4)
- 少なくとも一つのpn接合からなる半導体層とそのn型層側に形成された金属電極とを備えた薄膜光電変換素子において、前記半導体層と前記金属電極との間に、酸化インジウム亜鉛層(ZnX1InY OZ 、ただしX1+Y=1)を形成するとともに、前記n型層としてa−SiO X :Hを用いたことを特徴とする薄膜光電変換素子。
- 少なくとも一つのpn接合からなる半導体層とそのn型層側に形成された金属電極とを備えた薄膜光電変換素子において、前記半導体層と前記金属電極との間に、半導体層側から酸化亜鉛(Zn X2 O)、酸化インジウム亜鉛(ZnX1InY OZ 、ただしX1+Y=1)を順次形成したことを特徴とする薄膜光電変換素子。
- 少なくとも一つのpn接合からなる半導体層とそのn型層側に形成された金属電極とを備えた薄膜光電変換素子において、前記半導体層と前記金属電極との間に、半導体層側から酸化錫(Sn X3 O 2 )、酸化インジウム亜鉛(ZnX1InY OZ 、ただしX1+Y=1)を順次形成したことを特徴とする薄膜光電変換素子。
- 前記半導体層は、中間に高抵抗のi層を含むpin構造であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の薄膜光電変換素子。
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- 1996-12-03 JP JP32250196A patent/JP3687236B2/ja not_active Expired - Fee Related
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