JP3762086B2 - タンデム型シリコン系薄膜光電変換装置 - Google Patents
タンデム型シリコン系薄膜光電変換装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は広い波長範囲の光に対して有効なタンデム型薄膜光電変換装置に関し、特に、タンデム型シリコン系薄膜光電変換装置の低コスト化と安定化後の光電変換効率の改善とに関するものである。なお、本願明細書において、「結晶質」と「微結晶」の用語は、部分的に非晶質状態を含むものをも意味するものとする。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜光電変換装置の代表的なものとして非晶質シリコン系太陽電池があり、これは低コストの光電変換装置としての有力候補として期待されている。他方、薄膜光電変換装置の低コスト化と高性能化を両立させるために、安価な基板上に低温プロセスで形成される良質の結晶質シリコンを含む多結晶シリコン薄膜や微結晶シリコン薄膜などを用いた光電変換装置の開発も精力的に行なわれている。
【０００３】
中でも、安価な低融点ガラスを用いることができる３００℃以下の低温プロセスのみによって優れた光電変換効率を有する結晶質シリコン系薄膜光電変換装置を形成し得る方法が近年脚光を浴びており、たとえば、微結晶シリコンのｐｉｎ接合を含む光電変換装置がAppl. Phys. Lett., vol.65, 1994, p.860に記載されている。この光電変換装置は、簡便にプラズマＣＶＤ法で順次積層されたｐ型半導体層、光電変換層としてのｉ型半導体層、およびｎ型半導体層を含み、これらの半導体層のすべてが微結晶シリコンであることを特徴としている。
【０００４】
また、同じくプラズマＣＶＤ法で低温形成される結晶質シリコン系薄膜光電変換装置において、基板や下地層が実質的に平面であっても微細な凹凸を含むテクスチャ構造の上面を有するシリコン系薄膜を形成することができ、そのシリコン系薄膜に入射した光がそのテクスチャ構造によって外部に逃げにくくなるといういわゆる光閉じ込め効果が得られる旨が、たとえばJpn. J. Appl. Phys., vol.36, 1997, L569 において述べられている。
【０００５】
しかし、これらの非晶質シリコン系薄膜または結晶質シリコン系薄膜のいずれを利用しても、それ単独では未だ十分な光電変換効率が得られず、さらなる改善のために種々の試みが行なわれている。それらの試みの１つとして、光吸収特性の異なる複数の光電変換ユニットを２段以上積層したタンデム型構造がある。タンデム型構造の利点としては、（１）幅広い波長領域にわたる光を複数の光電変換ユニットに分担して吸収させることができ、広い波長範囲の光の有効利用が図れること、（２）高い開放端電圧が得られること、（３）非晶質シリコン系材料を用いた場合に見られる光劣化現象による光電変換特性の低下率をある程度抑制できることなどが挙げられる。
【０００６】
このようなタンデム型において、２つの光電変換ユニットを積層した２段タンデム型が最も一般的である。たとえば、光入射側に配置された前方ユニットとして非晶質シリコン光電変換層を含むユニットを用い、後方ユニットとして非晶質シリコンまたは非晶質シリコンゲルマニウムの光電変換層を含むユニットを用いて、非晶質シリコン系材料のみで構成されるタンデム型光電変換装置が数多く実施されている。しかし、このような非晶質材料のみを用いた２段タンデム型光電変換装置は前方と後方の両光電変換ユニットともに光劣化を生じるので、厚い非晶質光電変換層を含む単独セルほどではないにしても、タンデム型でも光劣化率を十分に抑制できないという問題が残っている。
【０００７】
また、非晶質シリコン系材料では光電変換可能な光の波長域が狭く、たとえば後方ユニットに非晶質シリコンゲルマニウム光電変換層を含むユニットを用いたタンデム型の場合においても、その光電変換可能な光は約１０００ｎｍよりも短い波長領域の光に限定されてしまう。長波長領域における光感度を増大させるためには、非晶質シリコンゲルマニウム膜中のゲルマニウム含有量を増大させる必要があるが、その場合には、膜の光電特性が著しく低下して光電変換装置に適用し得る品質のものは得られず、かつ資源が乏しくて高価なゲルマニウムを大量に要することになって光電変換装置のコストが高くなってしまう。
【０００８】
近年では、前方ユニットとして非晶質シリコン光電変換層を含むユニットを用いて、後方ユニットとして結晶質シリコン系光電変換層を含むユニットを用いた２段タンデム型光電変換装置も多く実施されている。この場合は、後方ユニット中の結晶質シリコン系材料の光安定性が非常に高く、かつ約１１００ｎｍの長波長付近まで光感度を有することから、上述の非晶質シリコン系材料のみで構成されるタンデム型光電変換装置と比べれば高い光電変換効率が得られることが期待される。
【０００９】
ところが、結晶質シリコン系光電変換層を含むユニットが高い光電流を生じるのに対して、非晶質シリコン光電変換層を含むユニットの光感度が低くて、両者を直列接続したときに発生する電流のバランスを図るためには非晶質シリコン膜の厚さをかなり大きくすることが必要となる。しかし、一般に非晶質シリコン系光電変換層を含むユニットにおいては、その膜厚が増大するにつれて光劣化率も増大することが知られており、このように非晶質と結晶質の２つの光電変換ユニットを組合せた２段タンデム型光電変換装置においても、安定化後の光電変換効率は期待されるほどには高くならない。
【００１０】
他方、光電変換ユニットを３段以上積層したタンデム型光電変換装置においては、光の広い波長範囲をより細かく分割して各ユニットに分担して吸収させることができ、設計の自由度も大きくなって、より高性能化が期待できる。また、３段以上のタンデム型では高い開放端電圧が得られるとともに、全段に非晶質シリコン系光電変換ユニットを用いた場合の光劣化率は、設計パラメータによっては２段タンデム型よりもさらに抑制することができる。
【００１１】
このような例としては、光入射側に配置された前方ユニットとして非晶質シリコンまたは非晶質シリコンカーバイドの層を含む光電変換ユニットを用い、中間ユニットとして非晶質シリコンまたは非晶質シリコンゲルマニウムの層を含む光電変換ユニットを用い、そして後方ユニットとして非晶質シリコンゲルマニウムの層を含む光電変換ユニットを用いることによって、非晶質シリコン系材料のみで構成される３段タンデム型光電変換装置が比較的多く実施されている。たとえば、IEEE 1st World Conf. on Photovoltaic Energy Conversion, p.405 （1994）やApplied Physics Letters, vol.70, p.2975 （1997）などにおいて、このような３段タンデム型光電変換装置が試みられている。
【００１２】
また、後方端ユニットとして結晶質シリコン系光電変換層を含むユニットを用い、これと非晶質シリコン系光電変換層を含む複数のユニットとを組合せて３段以上のタンデム型構造にした光電変換装置が、特開平１−２８９１７３に開示されている。この場合も、前述の２段タンデム型の場合と同様に、後方端ユニットの結晶質シリコン系材料の光安定性が非常に高く、かつ約１１００ｎｍの長波長付近まで光感度を有することから、理論的には非晶質シリコン材料のみで構成されるタンデム型光電変換装置に比べれば高い変換効率が期待される。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のタンデム型シリコン系薄膜光電変換装置のうちで、非晶質シリコン材料のみで構成されるタンデム型光電変換装置においては、すべての非晶質光電変換ユニットにおいて依然として光劣化が生じるために、全体としての光劣化率があまり抑制できないという問題がある。また、非晶質のタンデム型でも、光電変換可能な光は、約１０００ｎｍより短い波長領域の光に限定される。さらに、光閉じ込め効果を得るためには凹凸表面テクスチャ構造を有する基板や裏面電極の上に光電変換ユニットを形成することが考えられるが、平らな下地上に形成される非晶質シリコン系薄膜自身は微細な凹凸表面テクスチャ構造を生じる性質がないので、その光閉じ込め効果には限界がある。さらにまた、３段以上のタンデム型では、中間ユニットに非晶質シリコンゲルマニウムを用いる場合にはゲルマニウム含有量が比較的少なくて済むが、後方端ユニットにシリコンゲルマニウムを用いる場合には多くのゲルマニウム含有量を必要とし、コストと半導体膜の光電特性とを両立させることが困難である。
【００１４】
他方、上述の従来技術においては、後方端ユニットとして結晶質シリコン系光電変換層を含むユニットを用いたタンデム型光電変換装置では、結晶質シリコン系薄膜の形成プロセスにレーザアニール法や熱アニール法などの高温プロセスを必要としており、製造工程が複雑でコストが高くなる。従来技術においてはまた、基板、裏面電極または結晶質シリコン系薄膜によって光電変換ユニットの表面が微細な凹凸を含むテクスチャ構造に制御されていないので光閉じ込め効果が低く、光電変換効率を高めるためには各ユニットに含まれる光電変換層の厚さを大きくする必要がある。さらに、結晶質光電変換ユニットを含む組合せのタンデム型構造は以前から提案されてはいるものの、実際に上述のようなプロセスで作製されたタンデム型光電変換装置において高い光電変換効率が得られたという例は、未だかつて報告されていない。
【００１５】
以上のような従来技術の課題に鑑み、本発明の目的は、安価な基板が使用可能な低温プロセスのみを用いて結晶質シリコン系光電変換ユニットを含むタンデム型光電変換装置を形成し、タンデム型シリコン系薄膜光電変換装置の低コスト化と高性能化の両立を図ることにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明によるタンデム型シリコン系薄膜光電変換装置では、絶縁性表面を有する基板上において、金属薄膜を含む裏面電極、第１光電変換ユニット、第２光電変換ユニット、および透明導電性酸化膜を含む前面電極がこの順序で積層されており、第１と第２の光電変換ユニットの各々は３００℃以下の下地温度の下でプラズマＣＶＤ法により順次に堆積された半導体層である１導電型層と光電変換層と逆導電型層を含み、第１光電変換ユニットの光電変換層は結晶質を含むシリコン系薄膜からなり、第２光電変換ユニットの光電変換層は非晶質シリコンゲルマニウム薄膜からなり、そして、第１光電変換ユニットの上面は微細な凹凸を含むテクスチャ構造を有し、裏面電極の上面も微細な凹凸を含むテクスチャ構造を有し、第１光電変換層の上面における凹凸の平均間隔は裏面電極の上面における凹凸の平均間隔の２／３以下であることを特徴としている。
【００１８】
また、第２光電変換ユニットと前面電極との間には第３光電変換ユニットを付加的に挿入してもよく、この第３光電変換ユニットも３００℃以下の下地温度の下でプラズマＣＶＤ法により順次に堆積された半導体層である１導電型層と光電変換層と逆導電型層を含み、その光電変換層は非晶質シリコン薄膜または非晶質シリコンカーバイド薄膜からなることが好ましい。
【００１９】
すなわち、本発明者たちは、上述のような従来技術における課題を解決すべく検討を重ねた結果、平らな下地上に堆積されても上面が微細な凹凸を含む表面テクスチャ構造を形成し得る性質を有する結晶質シリコン系薄膜を含む光電変換ユニットを後方端ユニットとして形成し、この上に形成された非晶質シリコンゲルマニウム層を含む光電変換ユニットにおいて光閉じ込め効果の向上による優れた光電変換特性を示すことを見出したのである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態によるタンデム型シリコン系薄膜光電変換装置が、その製造過程に従って、以下において説明される。
【００２１】
まず、本発明による光電変換装置のための基板としては、表面が絶縁処理されたステンレス等の金属、有機フィルム、または低融点の安価なガラスなどが用いられ得る。
【００２２】
基板上の裏面電極は、下記の薄膜（Ａ）と（Ｂ）のうちの１以上を含み、たとえば蒸着法やスパッタ法によって形成され得る。
（Ａ） Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、ＣｕおよびＰｔから選択された少なくとも１以上の金属またはこれらの合金からなる金属薄膜。
（Ｂ） ＩＴＯ、ＳｎＯ2 およびＺｎＯから選択された少なくとも１以上の酸化物からなる透明導電性薄膜。
【００２３】
裏面電極の上表面は、実質的に平坦であるか、または数百ｎｍから数μｍ程度の間隔の微細な凹凸を含む表面テクスチャ構造を有している。このような裏面電極の上面におけるテクスチャ構造は、たとえば表面が微細な凹凸を有するように加工された基板上に裏面電極を堆積するか、または裏面電極に含まれる少なくとも１つの層が自然に微細な凹凸表面を生じる堆積条件で形成されることによって得ることができる。
【００２４】
裏面電極上には、複数のシリコン系光電変換ユニットが積層されてタンデム型にされる。これらの光電変換ユニットの各々に含まれるすべての半導体層が、３００℃以下の下地温度の条件の下にプラズマＣＶＤ法によって堆積される。プラズマＣＶＤ法としては、一般に広く知られている平行平板型のＲＦプラズマＣＶＤを用い得る他、周波数が１５０ＭＨｚ以下のＲＦ帯からＶＨＦ帯までの高周波電源を利用するプラズマＣＶＤを用いてもよい。
【００２５】
裏面電極上には、まず第１光電変換ユニットに含まれる１導電型層が堆積される。この１導電型層としては、たとえば導電型決定不純物原子であるリンがドープされたｎ型シリコン系薄膜、またはボロンがドープされたｐ型シリコン系薄膜などが用いられ得る。しかし、この１導電型層についてのこれらの条件は限定的なものではなく、不純物原子としては、たとえばｎ型層においては窒素等でもよく、また材料としては非晶質シリコンまたは非晶質シリコンカーバイドや非晶質シリコンゲルマニウム等の合金材料の他に、多結晶もしくは部分的に非晶質を含む微結晶のシリコンまたはその合金材料を用いることもできる。なお、望まれる場合には、堆積されたこのような１導電型層にパルスレーザ光を照射することにより、その結晶化分率や導電型決定不純物原子によるキャリア濃度を制御することもできる。
【００２６】
第１光電変換ユニットの１導電型層上には、光電変換層として、結晶質を含むシリコン系薄膜光電変換層が堆積される。この結晶質を含むシリコン系薄膜光電変換層としては、ノンドープの真性半導体の多結晶シリコン薄膜や体積結晶化分率が８０％以上の多結晶シリコン膜、または微量の不純物を含む弱ｐ型もしくは弱ｎ型で光電変換機能を十分に備えているシリコン系薄膜材料が用いられ得る。しかし、この光電変換層はこれらに限定されず、シリコンカーバイドやシリコンゲルマニウム等の合金材料を用いて形成されてもよい。
【００２７】
このような光電変換層の厚さは０．５〜２０μｍの範囲内にあり、これは結晶質シリコン系薄膜光電変換層として必要かつ十分な膜厚である。また、この結晶質光電変換層は３００℃以下の低温で形成されるので、結晶粒界や粒内における欠陥を終端または不活性化させる水素原子を多く含み、その水素含有量は２〜３０原子％の範囲内にある。さらに、結晶質シリコン系薄膜光電変換層に含まれる結晶粒の多くは下地層から上方に柱状に延びて成長しており、その膜面に平行に（１１０）の優先結晶配向面を有し、そのＸ線回折における（２２０）回折ピークに対する（１１１）回折ピークの強度比は０．２以下である。
【００２８】
第１光電変換ユニットの結晶質光電変換層上には、第１導電型層とは逆タイプの逆導電型層としてのシリコン系薄膜が堆積される。この逆導電型層としては、たとえば導電型決定不純物原子であるボロンがドープされたｐ型シリコン系薄膜、またはリンがドープされたｎ型シリコン系薄膜などが用いられ得る。しかし、この逆導電型層についてのこれらの条件は限定的なものではなく、不純物原子としてはたとえばｐ型層においてはアルミニウム等でもよく、また材料としては非晶質シリコンまたは非晶質シリコンカーバイドや非晶質シリコンゲルマニウム等の合金材料の他に、多結晶もしくは部分的に非晶質を含む微結晶のシリコンまたはその合金材料を用いることもできる。
【００２９】
ここで、裏面電極の表面が実質的に平坦である場合でも、その上に堆積される第１光電変換ユニットの上面には、そのユニットの厚さよりも約１桁ほど小さな間隔の微細な凹凸を含む表面テクスチャ構造が形成される。また、裏面電極の上面が凹凸テクスチャ構造を有する場合、第１光電変換ユニットの上面のテクスチャ構造における微細な凹凸の平均間隔は、裏面電極のそれと比べて約３分の２以下に小さくなる。これは、第１光電変換ユニットに含まれる結晶質光電変換層がその堆積時に自然に凹凸テクスチャ構造を生じることによるものであり、これによって、第１光電変換ユニットの上面が、広範囲の波長領域の入射光を散乱させるのに一層適した微細な表面凹凸テクスチャ構造になり、タンデム型光電変換装置全体としての光閉じ込め効果も大きくなる。
【００３０】
なお、第１光電変換ユニットが形成された後には、場合によってはその逆導電型層上に、ＩＴＯ、ＳｎＯ2 およびＺｎＯから選択された１以上の層を含みかつ１０〜２００ｎｍの範囲内の厚さを有する透明導電性酸化膜が形成されてもよい。
【００３１】
第１光電変換ユニット上には、第２光電変換ユニットに含まれる第１導電型層と光電変換層と逆導電型層が、第１光電変換ユニットの場合と同様に順次に堆積される。しかし、第２光電変換ユニットに含まれる光電変換層は、実質的に真性半導体の非晶質シリコンゲルマニウム薄膜に限定される。この非晶質シリコンゲルマニウム（ａ−Ｓｉ1-X ＧｅX ）薄膜のゲルマニウム含有量は１〜３０原子％（ｘ＝０．０１〜０．３）の範囲内にあり、その光学的エネルギバンドギャップＥopt は１．５２〜１．７４ｅＶの範囲内にあることが好ましい。ここで、光学的バンドギャップＥopt は、ガラス基板上に直接堆積された半導体膜を被測定試料として、その光吸収係数αの光エネルギｈν依存性に基づくＴａｕｃの式（αｈν）1/2 ∝ｈν−Ｅopt を用いて求められたものである。
【００３２】
非晶質シリコンゲルマニウム光電変換層においてゲルマニウム含有量が少ない場合には実質的に非晶質シリコン膜と変わらず、そのバンドギャップが広くて長波長領域における光感度が不足するために大きな膜厚が必要となり、この第２の光電変換ユニットの光劣化率が増大してしまう。また、光閉じ込め効果の観点からしても、光電変換層のバンドギャップが狭くて長波長の光に対する感度が高いほどその閉じ込め効果が大きくなる。
【００３３】
第１光電変換ユニットの底面と第２光電変換ユニットの上面との間、すなわち積層された２つの光電変換ユニット全体に閉じ込められる光は半導体層に吸収されにくい近赤外領域の長波長の光が大部分である。したがって、従来のように結晶質シリコン系光電変換層を含むユニットとゲルマニウムを含まない非晶質シリコン光電変換層を含むユニットとの組合せでは、光閉じ込め効果による光吸収量と光電流の向上は結晶質シリコン系光電変換層を含むユニットにおいては顕著であるが、近赤外領域における光感度が低い非晶質シリコン光電変換層を含むユニットにおける光吸収量にはあまり変化がない。しかし、この非晶質シリコン光電変換層を含むユニットの代わりに非晶質シリコンゲルマニウム光電変換層を含むユニットを組合せた場合には、タンデム型光電変換装置全体として閉じ込められる長波長の光に対する感度があるので、このような長波長の光に対する光吸収量も増大する。
【００３４】
他方、第２光電変換ユニットに含まれる非晶質シリコンゲルマニウム光電変換層におけるゲルマニウム含有量が多い場合には、先に述べたように膜のコストと光電特性を両立させることが困難となるので好ましくない。本発明によるタンデム型光電変換装置においては第１ユニットとして長波長領域の光感度が高い結晶質シリコン系光電変換層を含むユニットが用いられるので、第２ユニットに含まれる光電変換層の長波長光感度は適度であればよい。したがって、第２光電変換ユニットに含まれる非晶質シリコンゲルマニウム光電変換層は上述のような範囲のゲルマニウム含有量と光学的バンドギャップを有することが好ましく、その厚さは１００〜４５０ｎｍの範囲内に設定される。
【００３５】
光電変換装置が２段タンデム型にされる場合は以上のような第１と第２の光電変換ユニットを形成することによって光電変換ユニットの積層が終了するが、光電変換装置が３段タンデム型にされる場合には、さらに以下のような第３の光電変換ユニットが積層される。
【００３６】
なお、第２光電変換ユニットが形成された後には、第１光電変換ユニットが形成された後の場合と同様に、場合によっては第２導電型ユニット上にＩＴＯ、ＳｎＯ2 またはＺｎＯから選択された１以上の層を含みかつ１０〜２００ｎｍの範囲内の厚さを有する透明導電性酸化膜が形成されてもよい。
【００３７】
第２光電変換ユニット上に形成される第３光電変換ユニットにおいても、第１導電型層と光電変換層と逆導電型層が順次に堆積される。これらの第１導電型層と逆導電型層は第１と第２の光電変換ユニットの場合と同様に形成されるが、第３ユニットの光電変換層としては実質的に真性半導体の非晶質シリコンまたは１０原子％以下の炭素を含む非晶質シリコンカーバイドの層が堆積される。この第３ユニットに含まれる非晶質光電変換層は５０〜１５０ｎｍの範囲内の比較的薄い厚さを有していればよく、その薄さに起因して、第３光電変換ユニットの光劣化率が相当程度に抑制され得る。
【００３８】
２段タンデム型と３段タンデム型のいずれにおいても、光電変換ユニットの積層が終了した後に、ＩＴＯ、ＳｎＯ2 、ＺｎＯから選択された１以上の層を含む透明導電性酸化膜が前面電極として形成される。さらにこの前面電極上のグリッド電極として、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、ＣｕおよびＰｔから選択された少なくとも１以上の金属またはこれらの合金の層を含む櫛型状の金属電極がスパッタ法または蒸着法により形成されて光電変換装置が完成する。このようなタンデム型シリコン系薄膜光電変換装置において、光電変換されるべき光は透明導電性酸化膜の前面電極側から照射される。
【００３９】
【実施例】
以下において、本発明のいくつかの実施例によるタンデム型シリコン系薄膜光電変換装置としての太陽電池が、参考例および比較例による太陽電池とともに説明される。
【００４０】
（参考例１）
図１の模式的な断面図で示されているような２段タンデム型太陽電池が、本発明に関連する参考例１として作製された。なお、本願の各図においては、図面の明瞭化と簡略化のために寸法関係は適宜に変更されており、各層の厚さや凹凸などにおける寸法関係は必ずしも実際の関係を反映してはいない。
【００４１】
図１の２段タンデム型太陽電池においては、ガラス基板１上に裏面電極１０が形成された。裏面電極１０は、１００℃の下地温度の条件の下で順次に堆積された厚さ２０ｎｍのＴｉ層１０１、厚さ３００ｎｍのＡｇ層１０２、および厚さ１００ｎｍのＺｎＯ層１０３を含んでいる。裏面電極１０上には、多結晶シリコン薄膜光電変換層１１２を含む第１ユニット１１と、非晶質シリコンゲルマニウム光電変換層１２２を含む第２ユニット１２がこの順序で積層された。これらの光電変換ユニット１１，１２においては、それぞれに対応するｐ型層１１１，１２１、ノンドープの光電変換層１１２，１２２、およびｎ型層１１３，１２３が、プラズマＣＶＤ法によって形成された。また、前面電極２としては厚さ８０ｎｍの透明導電性ＩＴＯ膜と、その上の電流取出し用の櫛型Ａｇ電極３が形成された。
【００４２】
第１ユニット１１に含まれるノンドープの多結晶シリコン光電変換層１１２は２５０℃の下地温度の下でＲＦプラズマＣＶＤ法によって堆積され、その膜厚は３．５μｍにされた。この結晶質光電変換層１１２において、２次イオン質量分析法によって求められた水素含有量は４．０原子％であり、Ｘ線回折における（２２０）回折ピークに対する（１１１）回折ピークの強度比は０．０９であった。
【００４３】
第２ユニット１２に含まれるノンドープの非晶質シリコンゲルマニウム光電変換層１２２は２２０℃の下地温度の下でＲＦプラズマＣＶＤ法によって堆積され、その膜厚は１８０ｎｍにされた。この非晶質光電変換層１２２において、２次イオン質量分析法によって求められたゲルマニウム含有量はその膜全体の平均で２０原子％であり、光学的バンドギャップＥopt は１．６０ｅＶであった。
【００４４】
ここで、図１の太陽電池において、ガラス基板１の上表面は凹凸表面に加工されておらず、裏面電極１０の上表面１Ａも、微細な凹凸を含む表面テクスチャ構造を有しておらず、実質的に平坦である。しかし、このような裏面電極１０の平坦な上面１Ａを下地として第１ユニット１１が堆積されるが、結晶質光電変換層１１２がその上表面に微細な凹凸を含むテクスチャ構造を生じるので、第２ユニット１１の上面１Ｂも微細な凹凸を含むテクスチャ構造を示す。このような第２ユニット１１の上面の凹凸テクスチャ構造を表面粗さ計で測定したところ、凹部の間隔の過半数が０．２２〜０．５μｍの範囲内に分布し、その平均間隔は０．３２μｍであった。
【００４５】
このような参考例１による２段タンデム型太陽電池に入射光４としてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ／ｃｍ2 の光量で照射したときの出力特性においては、開放端電圧が１．２９Ｖ、短絡電流密度が１３．３ｍＡ／ｃｍ2 、曲線因子が７２．０％、そして変換効率が１２．３％であった。また、この参考例１の太陽電池において、同じ入射光４を５５０時間照射した後における安定化後の変換効率は１０．７％であった。
【００４６】
（比較例１）
図１の参考例１に類似して、図２に示されるような２段タンデム型太陽電池が比較例１として作製された。この比較例１の太陽電池においては、第１ユニット２１に含まれる光電変換層２１２として非晶質シリコンゲルマニウム層が形成され、それに伴ってその第１ユニット２１の上面２Ｂが実質的に平坦であり、さらに第２ユニット２２と第１ユニット２１とで発生する光電流のバランスをとるために第２ユニット２２に含まれる光電変換層２２２の厚さが１６０ｎｍに変更されていることのみにおいて参考例１と異なっている。すなわち、その他の層２０１〜２０３，２１１，２１３，２２１，２２３は、参考例１における層１０１〜１０３，１１１，１１３，１２１，１２３にそれぞれ対応する同じ堆積条件の下に形成された。
【００４７】
この比較例１の第１ユニット２１に含まれるノンドープの非晶質シリコンゲルマニウム層２１２は２２０℃の下地温度の下でＲＦプラズマＣＶＤ法によって堆積され、その膜厚は２００ｎｍにされた。この光電変換層２１２において、２次イオン質量分析法によって求められたゲルマニウム含有量はその膜全体の平均で４０原子％であり、光学的バンドギャップＥopt は１．４５ｅＶであった。
【００４８】
このような比較例１による２段タンデム型太陽電池に入射光４としてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ／ｃｍ2 の光量で照射したときの出力特性においては、開放端電圧が１．４２Ｖ、短絡電流密度が９．８２ｍＡ／ｃｍ2 、曲線因子が６８．４％、そして変換効率が９．５％であった。また、この比較例１の太陽電池において、同じ入射光４を５５０時間照射した後における安定化後の変換効率は７．８％であった。
【００４９】
以上の参考例１と比較例１からわかるように、比較例１では第１ユニット２１の長波長における光感度を向上させることを目的としてゲルマニウム含有量の多いノンドープの非晶質シリコンゲルマニウム光電変換層２１２を用いているが、それにもかかわらず参考例１における多結晶シリコン光電変換層１１２の長波長光感度には及ばず、しかも、第１ユニット２１の上面２Ｂが凹凸表面テクスチャ構造を有していないので光閉じ込め効果も低く、したがって参考例１と比較例１の２段タンデム型太陽電池における短絡電流密度の値に大きな差が現われている。
【００５０】
（比較例２）
図１の参考例１と図２の比較例１とに類似して、図３に示されているような２段タンデム型太陽電池が比較例２として作製された。この比較例２の太陽電池においては、裏面電極３０に含まれるＡｇ膜３０２が２５０℃の下地温度の下で自然に凹凸表面テクスチャ構造を生じるように形成され、それに伴って裏面電極３０の上面３Ａ、第１ユニット３１の上面３Ｂ、および前方ユニット３２の上面が凹凸表面テクスチャ構造を有していることのみにおいて比較例１と異なっている。すなわち、その他の層３０１，３０３，３１１〜３１３，３２１〜３２３は、比較例１における層２０１，２０３，２１１〜２１３，２２１〜２２３にそれぞれ対応する同じ堆積条件の下に形成された。
【００５１】
このような比較例２の太陽電池において裏面電極３０の上面３Ａにおける凹凸形状を表面粗さ計で測定したところ、凹部の間隔の過半数が０．２４〜０．３５μｍの範囲内に分布し、その平均間隔は０．２８μｍであった。また、裏面電極３０のそのような凹凸表面３Ａ上に形成された第１ユニット３１の上面３Ｂと第２ユニット３２の上面もほぼ同じ凹凸形状を有していた。
【００５２】
このような比較例２による２段タンデム型太陽電池に入射光４としてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ／ｃｍ2 の光量で照射したときの出力特性においては、開放端電圧が１．３７Ｖ、短絡電流密度が１２．６ｍＡ／ｃｍ2 、曲線因子が６９．８％、そして変換効率が１２．１８％であった。また、この比較例２の太陽電池において、同じ入射光４を５５０時間照射した後における安定化後の変換効率は９．７％であった。
【００５３】
比較例２においては、比較例１とは異なって参考例１と同様に凹凸表面テクスチャ構造による光閉じ込め効果が得られることから、初期の光電変換効率では参考例１に近い値が得られている。これは、多結晶シリコン光電変換層１１２を含む第１ユニット１１よりも非晶質シリコンゲルマニウム光電変換層３１２を含む第１ユニット３１における方が得られる光電流が低いけれども開放端電圧が高いことによるものであり、その影響が２段タンデム型太陽電池全体の特性としても現われているものである。しかし、比較例２においても、やはり比較例１と同様に第１ユニット３１の光劣化の影響による変換効率の低下が大きく、安定化後の変換効率では参考例１に比べて歴然たる差が現われている。
【００５４】
（実施例１）
図１の参考例１と図３の比較例２に類似して、図４に示されているような２段タンデム型太陽電池が本発明の実施例１として作製された。この実施例１の太陽電池においては、比較例２の場合と同様に裏面電極４０に含まれるＡｇ膜４０２が自然に凹凸表面テクスチャ構造を生じる条件で形成されたことを除けば、参考例１と同じ製造条件の下で作製された。すなわち、実施例１の層４０１〜４０３は比較例２の層３０１〜３０３にそれぞれ対応する同じ堆積条件の下に形成され、実施例１の層４１１〜４１３，４２１〜４２３は参考例１の層１１１〜１１３，１２１〜１２３にそれぞれ対応する同じ堆積条件の下に形成された。
【００５５】
この実施例１の裏面電極４０の上面４Ａにおける凹凸形状を表面粗さ計で測定したところ、比較例２の場合と同様に、凹部の間隔の過半数は０．２４〜０．３５μｍの範囲内に分布し、その平均間隔は０．２８μｍであった。しかし、第１ユニット４１の上面４Ｂにおける凹凸形状は参考例１や比較例２の場合と比べればやや複雑であり、表面粗さ計で測定した結果では凹部の間隔の過半数が０．０５〜０．３５μｍの範囲内に分布し、その平均間隔は０．１６μｍであった。これは、第１ユニット４１に含まれる多結晶シリコン光電変換層４１２が下地とは独立に新たな凹凸表面テクスチャ構造を生じながら成長することに起因している。すなわち、第１ユニット４１の上面４Ｂにおいては裏面電極４０の上面４Ａにおける凹凸形状に加えて多結晶光電変換層４１２が生じた新たな凹凸が重畳されるので、第１ユニット４１の上面４Ｂにおいては微細な凹凸のサイズの分布範囲が広い複雑なテクスチャ構造になるのである。その結果、実施例１においては、参考例１や比較例２に比べてさらに光閉じ込め効果を向上させることができる。
【００５６】
このような実施例１による２段タンデム型太陽電池に入射光４としてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ／ｃｍ2 の光量で照射したときの出力特性においては、開放端電圧が１．２６Ｖ、短絡電流密度が１４．０ｍＡ／ｃｍ2 、曲線因子が７３．１％、そして変換効率が１３．０％であった。また、この実施例１の太陽電池において、同じ入射光４を５５０時間照射した後における安定化後の変換効率は１１．３％であった。すなわち、実施例１の太陽電池では、参考例１よりも高い光閉じ込め効果が得られて短絡電流密度がさらに向上し、初期変換効率と安定化後の変換効率ともに高い値が得られた。
【００５７】
（参考例２）
図１の参考例１による２段タンデム型太陽電池に類似して、図５に示されているような３段タンデム型太陽電池が参考例２として作製された。この参考例２の太陽電池は、第２光電変換ユニット１２と前面電極２との間に、さらに第３の光電変換ユニット１３が形成されていることのみにおいて参考例１の太陽電池と異なっている。この第３光電変換ユニット１３に含まれるｎ型層１３１とｐ型層１３３は、それぞれ第１および第２の光電変換ユニット１１，１２に含まれるｎ型層１１１，１２１およびｐ型層１１３，１２３と同様に形成された。しかし、第３光電変換ユニット１３に含まれる光電変換層１３２としては、２００℃の下地温度の下でＲＦプラズマＣＶＤ法によってノンドープの非晶質シリコン層１３２が堆積され、その膜厚は９０ｎｍにされた。
【００５８】
このような参考例２による３段タンデム型太陽電池に入射光４としてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ／ｃｍ2 の光量で照射したときの出力特性においては、開放端電圧が２．２２Ｖ、短絡電流密度が８．８１ｍＡ／ｃｍ2 、曲線因子が７２．６％、そして変換効率が１３．７％であった。また、この参考例２の太陽電池において、同じ入射光４を５５０時間照射した後における安定化後の変換効率は１３．０％であった。
【００５９】
（比較例３）
図２の比較例１による２段タンデム型太陽電池に類似して、図６に示されているような３段タンデム型太陽電池が比較例３として作製された。この比較例３の太陽電池は、第２光電変換ユニット２２と前面電極２との間に、第３の光電変換ユニット２３が形成されていることのみにおいて比較例１の太陽電池と異なっている。また、この比較例３における第３光電変換ユニット２８に含まれる層２３１〜２３３は、非晶質シリコン光電変換層２３２の厚さが８０ｎｍにされたことを除けば、図５の参考例２の層１３１〜１３３にそれぞれ対応する同様の堆積条件の下で形成された。
【００６０】
このような比較例３による３段タンデム型太陽電池に入射光４としてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ／ｃｍ2 の光量で照射したときの出力特性においては、開放端電圧が２．３６Ｖ、短絡電流密度が６．４８ｍＡ／ｃｍ2 、曲線因子が７０．５％、そして変換効率が１０．８％であった。また、この比較例３の太陽電池において、同じ入射光４を５５０時間照射した後における安定化後の変換効率は９．３％であった。
【００６１】
（比較例４）
図３の比較例２による２段タンデム型太陽電池に類似して、図７に示されているような３段タンデム型太陽電池が比較例４として作製された。この比較例４の太陽電池は、第２光電変換ユニット３２と前面電極２との間に、第３の光電変換ユニット３３がさらに形成されていることのみにおいて図３の比較例２による太陽電池と異なっている。この比較例４における第３光電変換ユニット３３に含まれる層３３１〜３３３は、図６の比較例３における層２３１〜２３３にそれぞれ対応する同じ堆積条件で形成された。
【００６２】
このような比較例４による３段タンデム型太陽電池に入射光４としてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ／ｃｍ2 の光量で照射したときの出力特性においては、開放端電圧が２．３２Ｖ、短絡電流密度が８．２９ｍＡ／ｃｍ2 、曲線因子が７１．７％、そして変換効率が１３．８％であった。また、この比較例４の太陽電池において、同じ入射光４を５５０時間照射した後における安定化後の変換効率は１１．８％であった。
【００６３】
（実施例２）
図４の実施例１による２段タンデム型太陽電池に類似して、図８に示されているような３段タンデム型太陽電池が実施例２として作製された。この実施例２の太陽電池は、第２光電変換ユニット４２と前面電極２との間に、第３の光電変換ユニット４３がさらに形成されていることのみにおいて図４の実施例１による太陽電池と異なっている。この実施例２における第３光電変換ユニット４３に含まれる層４３１〜４３３は、図５の参考例２における層１３１〜１３３にそれぞれ対応する同じ堆積条件で形成された。
【００６４】
このような実施例２による３段タンデム型太陽電池に入射光４としてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ／ｃｍ2 の光量で照射したときの出力特性においては、開放端電圧が２．１８Ｖ、短絡電流密度が９．２６ｍＡ／ｃｍ2 、曲線因子が７３．３％、そして変換効率が１４．８％であった。また、この実施例２の太陽電池において、同じ入射光４を５５０時間照射した後における安定化後の変換効率は１３．６％であった。
【００６５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、結晶質シリコン系薄膜光電変換層を含む第１光電変換ユニットと非晶質シリコンゲルマニウム光電変換層を含む第２光電変換ユニットを適切に組合せることによって、安定化後においても極めて高い変換効率を有するタンデム型光電変換装置を得ることができ、タンデム型シリコン系薄膜光電変換装置の低コスト化と高性能化の両立に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に関連する参考例１による２段タンデム型シリコン系薄膜光電変換装置を示す模式的な断面図である。
【図２】比較例１としての２段タンデム型シリコン系薄膜光電変換装置を示す模式的な断面図である。
【図３】比較例２としての２段タンデム型シリコン系薄膜光電変換装置を示す模式的な断面図である。
【図４】 本発明の実施例１による２段タンデム型シリコン系薄膜光電変換装置を示す模式的な断面図である。
【図５】 本発明に関連する参考例２による３段タンデム型シリコン系薄膜光電変換装置を示す模式的な断面図である。
【図６】比較例３としての３段タンデム型シリコン系薄膜光電変換装置を示す模式的な断面図である。
【図７】比較例４としての３段タンデム型シリコン系薄膜光電変換装置を示す模式的な断面図である。
【図８】 本発明の実施例２による３段タンデム型シリコン系薄膜光電変換装置を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
１：ガラス基板
２：ＩＴＯ等の前面透明電極
３：Ａｇ等の櫛型電極
４：入射光
１０、２０、３０、４０：裏面電極
１１、２１、３１、４１：第１光電変換ユニット
１２、２２、３２、４２：第２光電変換ユニット
１３、２３、３３、４３：第３光電変換ユニット
１０１、２０１、３０１、４０１：Ｔｉ膜
１０２、２０２：平坦な表面を有するＡｇ膜
３０２、４０２：凹凸表面テクスチャ構造を有するＡｇ膜
１０３、２０３、３０３、４０３：透明導電性酸化膜
１１１、１２１、１３１、２１１、２２１、２３１、３１１、３２１、３３１、４１１、４２１、４３１：ｎ型層
１１２、４１２：ノンドープの多結晶シリコン薄膜光電変換層
１２２、２１２、２２２、３１２、３２２、４２２：ノンドープの非晶質シリコンゲルマニウム光電変換層
１３２、２３２、３３２、４３２：ノンドープの非晶質シリコン光電変換層
１１３、１２３、１３３、２１３、２２３、２３３、３１３、３２３、３３３、４１３、４２３、４３３：ｐ型層
１Ａ、２Ａ、３Ａ、４Ａ：裏面電極の上表面
１Ｂ、２Ｂ、３Ｂ、４Ｂ：第１光電変換ユニットの上表面
【発明の属する技術分野】
本発明は広い波長範囲の光に対して有効なタンデム型薄膜光電変換装置に関し、特に、タンデム型シリコン系薄膜光電変換装置の低コスト化と安定化後の光電変換効率の改善とに関するものである。なお、本願明細書において、「結晶質」と「微結晶」の用語は、部分的に非晶質状態を含むものをも意味するものとする。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜光電変換装置の代表的なものとして非晶質シリコン系太陽電池があり、これは低コストの光電変換装置としての有力候補として期待されている。他方、薄膜光電変換装置の低コスト化と高性能化を両立させるために、安価な基板上に低温プロセスで形成される良質の結晶質シリコンを含む多結晶シリコン薄膜や微結晶シリコン薄膜などを用いた光電変換装置の開発も精力的に行なわれている。
【０００３】
中でも、安価な低融点ガラスを用いることができる３００℃以下の低温プロセスのみによって優れた光電変換効率を有する結晶質シリコン系薄膜光電変換装置を形成し得る方法が近年脚光を浴びており、たとえば、微結晶シリコンのｐｉｎ接合を含む光電変換装置がAppl. Phys. Lett., vol.65, 1994, p.860に記載されている。この光電変換装置は、簡便にプラズマＣＶＤ法で順次積層されたｐ型半導体層、光電変換層としてのｉ型半導体層、およびｎ型半導体層を含み、これらの半導体層のすべてが微結晶シリコンであることを特徴としている。
【０００４】
また、同じくプラズマＣＶＤ法で低温形成される結晶質シリコン系薄膜光電変換装置において、基板や下地層が実質的に平面であっても微細な凹凸を含むテクスチャ構造の上面を有するシリコン系薄膜を形成することができ、そのシリコン系薄膜に入射した光がそのテクスチャ構造によって外部に逃げにくくなるといういわゆる光閉じ込め効果が得られる旨が、たとえばJpn. J. Appl. Phys., vol.36, 1997, L569 において述べられている。
【０００５】
しかし、これらの非晶質シリコン系薄膜または結晶質シリコン系薄膜のいずれを利用しても、それ単独では未だ十分な光電変換効率が得られず、さらなる改善のために種々の試みが行なわれている。それらの試みの１つとして、光吸収特性の異なる複数の光電変換ユニットを２段以上積層したタンデム型構造がある。タンデム型構造の利点としては、（１）幅広い波長領域にわたる光を複数の光電変換ユニットに分担して吸収させることができ、広い波長範囲の光の有効利用が図れること、（２）高い開放端電圧が得られること、（３）非晶質シリコン系材料を用いた場合に見られる光劣化現象による光電変換特性の低下率をある程度抑制できることなどが挙げられる。
【０００６】
このようなタンデム型において、２つの光電変換ユニットを積層した２段タンデム型が最も一般的である。たとえば、光入射側に配置された前方ユニットとして非晶質シリコン光電変換層を含むユニットを用い、後方ユニットとして非晶質シリコンまたは非晶質シリコンゲルマニウムの光電変換層を含むユニットを用いて、非晶質シリコン系材料のみで構成されるタンデム型光電変換装置が数多く実施されている。しかし、このような非晶質材料のみを用いた２段タンデム型光電変換装置は前方と後方の両光電変換ユニットともに光劣化を生じるので、厚い非晶質光電変換層を含む単独セルほどではないにしても、タンデム型でも光劣化率を十分に抑制できないという問題が残っている。
【０００７】
また、非晶質シリコン系材料では光電変換可能な光の波長域が狭く、たとえば後方ユニットに非晶質シリコンゲルマニウム光電変換層を含むユニットを用いたタンデム型の場合においても、その光電変換可能な光は約１０００ｎｍよりも短い波長領域の光に限定されてしまう。長波長領域における光感度を増大させるためには、非晶質シリコンゲルマニウム膜中のゲルマニウム含有量を増大させる必要があるが、その場合には、膜の光電特性が著しく低下して光電変換装置に適用し得る品質のものは得られず、かつ資源が乏しくて高価なゲルマニウムを大量に要することになって光電変換装置のコストが高くなってしまう。
【０００８】
近年では、前方ユニットとして非晶質シリコン光電変換層を含むユニットを用いて、後方ユニットとして結晶質シリコン系光電変換層を含むユニットを用いた２段タンデム型光電変換装置も多く実施されている。この場合は、後方ユニット中の結晶質シリコン系材料の光安定性が非常に高く、かつ約１１００ｎｍの長波長付近まで光感度を有することから、上述の非晶質シリコン系材料のみで構成されるタンデム型光電変換装置と比べれば高い光電変換効率が得られることが期待される。
【０００９】
ところが、結晶質シリコン系光電変換層を含むユニットが高い光電流を生じるのに対して、非晶質シリコン光電変換層を含むユニットの光感度が低くて、両者を直列接続したときに発生する電流のバランスを図るためには非晶質シリコン膜の厚さをかなり大きくすることが必要となる。しかし、一般に非晶質シリコン系光電変換層を含むユニットにおいては、その膜厚が増大するにつれて光劣化率も増大することが知られており、このように非晶質と結晶質の２つの光電変換ユニットを組合せた２段タンデム型光電変換装置においても、安定化後の光電変換効率は期待されるほどには高くならない。
【００１０】
他方、光電変換ユニットを３段以上積層したタンデム型光電変換装置においては、光の広い波長範囲をより細かく分割して各ユニットに分担して吸収させることができ、設計の自由度も大きくなって、より高性能化が期待できる。また、３段以上のタンデム型では高い開放端電圧が得られるとともに、全段に非晶質シリコン系光電変換ユニットを用いた場合の光劣化率は、設計パラメータによっては２段タンデム型よりもさらに抑制することができる。
【００１１】
このような例としては、光入射側に配置された前方ユニットとして非晶質シリコンまたは非晶質シリコンカーバイドの層を含む光電変換ユニットを用い、中間ユニットとして非晶質シリコンまたは非晶質シリコンゲルマニウムの層を含む光電変換ユニットを用い、そして後方ユニットとして非晶質シリコンゲルマニウムの層を含む光電変換ユニットを用いることによって、非晶質シリコン系材料のみで構成される３段タンデム型光電変換装置が比較的多く実施されている。たとえば、IEEE 1st World Conf. on Photovoltaic Energy Conversion, p.405 （1994）やApplied Physics Letters, vol.70, p.2975 （1997）などにおいて、このような３段タンデム型光電変換装置が試みられている。
【００１２】
また、後方端ユニットとして結晶質シリコン系光電変換層を含むユニットを用い、これと非晶質シリコン系光電変換層を含む複数のユニットとを組合せて３段以上のタンデム型構造にした光電変換装置が、特開平１−２８９１７３に開示されている。この場合も、前述の２段タンデム型の場合と同様に、後方端ユニットの結晶質シリコン系材料の光安定性が非常に高く、かつ約１１００ｎｍの長波長付近まで光感度を有することから、理論的には非晶質シリコン材料のみで構成されるタンデム型光電変換装置に比べれば高い変換効率が期待される。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のタンデム型シリコン系薄膜光電変換装置のうちで、非晶質シリコン材料のみで構成されるタンデム型光電変換装置においては、すべての非晶質光電変換ユニットにおいて依然として光劣化が生じるために、全体としての光劣化率があまり抑制できないという問題がある。また、非晶質のタンデム型でも、光電変換可能な光は、約１０００ｎｍより短い波長領域の光に限定される。さらに、光閉じ込め効果を得るためには凹凸表面テクスチャ構造を有する基板や裏面電極の上に光電変換ユニットを形成することが考えられるが、平らな下地上に形成される非晶質シリコン系薄膜自身は微細な凹凸表面テクスチャ構造を生じる性質がないので、その光閉じ込め効果には限界がある。さらにまた、３段以上のタンデム型では、中間ユニットに非晶質シリコンゲルマニウムを用いる場合にはゲルマニウム含有量が比較的少なくて済むが、後方端ユニットにシリコンゲルマニウムを用いる場合には多くのゲルマニウム含有量を必要とし、コストと半導体膜の光電特性とを両立させることが困難である。
【００１４】
他方、上述の従来技術においては、後方端ユニットとして結晶質シリコン系光電変換層を含むユニットを用いたタンデム型光電変換装置では、結晶質シリコン系薄膜の形成プロセスにレーザアニール法や熱アニール法などの高温プロセスを必要としており、製造工程が複雑でコストが高くなる。従来技術においてはまた、基板、裏面電極または結晶質シリコン系薄膜によって光電変換ユニットの表面が微細な凹凸を含むテクスチャ構造に制御されていないので光閉じ込め効果が低く、光電変換効率を高めるためには各ユニットに含まれる光電変換層の厚さを大きくする必要がある。さらに、結晶質光電変換ユニットを含む組合せのタンデム型構造は以前から提案されてはいるものの、実際に上述のようなプロセスで作製されたタンデム型光電変換装置において高い光電変換効率が得られたという例は、未だかつて報告されていない。
【００１５】
以上のような従来技術の課題に鑑み、本発明の目的は、安価な基板が使用可能な低温プロセスのみを用いて結晶質シリコン系光電変換ユニットを含むタンデム型光電変換装置を形成し、タンデム型シリコン系薄膜光電変換装置の低コスト化と高性能化の両立を図ることにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明によるタンデム型シリコン系薄膜光電変換装置では、絶縁性表面を有する基板上において、金属薄膜を含む裏面電極、第１光電変換ユニット、第２光電変換ユニット、および透明導電性酸化膜を含む前面電極がこの順序で積層されており、第１と第２の光電変換ユニットの各々は３００℃以下の下地温度の下でプラズマＣＶＤ法により順次に堆積された半導体層である１導電型層と光電変換層と逆導電型層を含み、第１光電変換ユニットの光電変換層は結晶質を含むシリコン系薄膜からなり、第２光電変換ユニットの光電変換層は非晶質シリコンゲルマニウム薄膜からなり、そして、第１光電変換ユニットの上面は微細な凹凸を含むテクスチャ構造を有し、裏面電極の上面も微細な凹凸を含むテクスチャ構造を有し、第１光電変換層の上面における凹凸の平均間隔は裏面電極の上面における凹凸の平均間隔の２／３以下であることを特徴としている。
【００１８】
また、第２光電変換ユニットと前面電極との間には第３光電変換ユニットを付加的に挿入してもよく、この第３光電変換ユニットも３００℃以下の下地温度の下でプラズマＣＶＤ法により順次に堆積された半導体層である１導電型層と光電変換層と逆導電型層を含み、その光電変換層は非晶質シリコン薄膜または非晶質シリコンカーバイド薄膜からなることが好ましい。
【００１９】
すなわち、本発明者たちは、上述のような従来技術における課題を解決すべく検討を重ねた結果、平らな下地上に堆積されても上面が微細な凹凸を含む表面テクスチャ構造を形成し得る性質を有する結晶質シリコン系薄膜を含む光電変換ユニットを後方端ユニットとして形成し、この上に形成された非晶質シリコンゲルマニウム層を含む光電変換ユニットにおいて光閉じ込め効果の向上による優れた光電変換特性を示すことを見出したのである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態によるタンデム型シリコン系薄膜光電変換装置が、その製造過程に従って、以下において説明される。
【００２１】
まず、本発明による光電変換装置のための基板としては、表面が絶縁処理されたステンレス等の金属、有機フィルム、または低融点の安価なガラスなどが用いられ得る。
【００２２】
基板上の裏面電極は、下記の薄膜（Ａ）と（Ｂ）のうちの１以上を含み、たとえば蒸着法やスパッタ法によって形成され得る。
（Ａ） Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、ＣｕおよびＰｔから選択された少なくとも１以上の金属またはこれらの合金からなる金属薄膜。
（Ｂ） ＩＴＯ、ＳｎＯ2 およびＺｎＯから選択された少なくとも１以上の酸化物からなる透明導電性薄膜。
【００２３】
裏面電極の上表面は、実質的に平坦であるか、または数百ｎｍから数μｍ程度の間隔の微細な凹凸を含む表面テクスチャ構造を有している。このような裏面電極の上面におけるテクスチャ構造は、たとえば表面が微細な凹凸を有するように加工された基板上に裏面電極を堆積するか、または裏面電極に含まれる少なくとも１つの層が自然に微細な凹凸表面を生じる堆積条件で形成されることによって得ることができる。
【００２４】
裏面電極上には、複数のシリコン系光電変換ユニットが積層されてタンデム型にされる。これらの光電変換ユニットの各々に含まれるすべての半導体層が、３００℃以下の下地温度の条件の下にプラズマＣＶＤ法によって堆積される。プラズマＣＶＤ法としては、一般に広く知られている平行平板型のＲＦプラズマＣＶＤを用い得る他、周波数が１５０ＭＨｚ以下のＲＦ帯からＶＨＦ帯までの高周波電源を利用するプラズマＣＶＤを用いてもよい。
【００２５】
裏面電極上には、まず第１光電変換ユニットに含まれる１導電型層が堆積される。この１導電型層としては、たとえば導電型決定不純物原子であるリンがドープされたｎ型シリコン系薄膜、またはボロンがドープされたｐ型シリコン系薄膜などが用いられ得る。しかし、この１導電型層についてのこれらの条件は限定的なものではなく、不純物原子としては、たとえばｎ型層においては窒素等でもよく、また材料としては非晶質シリコンまたは非晶質シリコンカーバイドや非晶質シリコンゲルマニウム等の合金材料の他に、多結晶もしくは部分的に非晶質を含む微結晶のシリコンまたはその合金材料を用いることもできる。なお、望まれる場合には、堆積されたこのような１導電型層にパルスレーザ光を照射することにより、その結晶化分率や導電型決定不純物原子によるキャリア濃度を制御することもできる。
【００２６】
第１光電変換ユニットの１導電型層上には、光電変換層として、結晶質を含むシリコン系薄膜光電変換層が堆積される。この結晶質を含むシリコン系薄膜光電変換層としては、ノンドープの真性半導体の多結晶シリコン薄膜や体積結晶化分率が８０％以上の多結晶シリコン膜、または微量の不純物を含む弱ｐ型もしくは弱ｎ型で光電変換機能を十分に備えているシリコン系薄膜材料が用いられ得る。しかし、この光電変換層はこれらに限定されず、シリコンカーバイドやシリコンゲルマニウム等の合金材料を用いて形成されてもよい。
【００２７】
このような光電変換層の厚さは０．５〜２０μｍの範囲内にあり、これは結晶質シリコン系薄膜光電変換層として必要かつ十分な膜厚である。また、この結晶質光電変換層は３００℃以下の低温で形成されるので、結晶粒界や粒内における欠陥を終端または不活性化させる水素原子を多く含み、その水素含有量は２〜３０原子％の範囲内にある。さらに、結晶質シリコン系薄膜光電変換層に含まれる結晶粒の多くは下地層から上方に柱状に延びて成長しており、その膜面に平行に（１１０）の優先結晶配向面を有し、そのＸ線回折における（２２０）回折ピークに対する（１１１）回折ピークの強度比は０．２以下である。
【００２８】
第１光電変換ユニットの結晶質光電変換層上には、第１導電型層とは逆タイプの逆導電型層としてのシリコン系薄膜が堆積される。この逆導電型層としては、たとえば導電型決定不純物原子であるボロンがドープされたｐ型シリコン系薄膜、またはリンがドープされたｎ型シリコン系薄膜などが用いられ得る。しかし、この逆導電型層についてのこれらの条件は限定的なものではなく、不純物原子としてはたとえばｐ型層においてはアルミニウム等でもよく、また材料としては非晶質シリコンまたは非晶質シリコンカーバイドや非晶質シリコンゲルマニウム等の合金材料の他に、多結晶もしくは部分的に非晶質を含む微結晶のシリコンまたはその合金材料を用いることもできる。
【００２９】
ここで、裏面電極の表面が実質的に平坦である場合でも、その上に堆積される第１光電変換ユニットの上面には、そのユニットの厚さよりも約１桁ほど小さな間隔の微細な凹凸を含む表面テクスチャ構造が形成される。また、裏面電極の上面が凹凸テクスチャ構造を有する場合、第１光電変換ユニットの上面のテクスチャ構造における微細な凹凸の平均間隔は、裏面電極のそれと比べて約３分の２以下に小さくなる。これは、第１光電変換ユニットに含まれる結晶質光電変換層がその堆積時に自然に凹凸テクスチャ構造を生じることによるものであり、これによって、第１光電変換ユニットの上面が、広範囲の波長領域の入射光を散乱させるのに一層適した微細な表面凹凸テクスチャ構造になり、タンデム型光電変換装置全体としての光閉じ込め効果も大きくなる。
【００３０】
なお、第１光電変換ユニットが形成された後には、場合によってはその逆導電型層上に、ＩＴＯ、ＳｎＯ2 およびＺｎＯから選択された１以上の層を含みかつ１０〜２００ｎｍの範囲内の厚さを有する透明導電性酸化膜が形成されてもよい。
【００３１】
第１光電変換ユニット上には、第２光電変換ユニットに含まれる第１導電型層と光電変換層と逆導電型層が、第１光電変換ユニットの場合と同様に順次に堆積される。しかし、第２光電変換ユニットに含まれる光電変換層は、実質的に真性半導体の非晶質シリコンゲルマニウム薄膜に限定される。この非晶質シリコンゲルマニウム（ａ−Ｓｉ1-X ＧｅX ）薄膜のゲルマニウム含有量は１〜３０原子％（ｘ＝０．０１〜０．３）の範囲内にあり、その光学的エネルギバンドギャップＥopt は１．５２〜１．７４ｅＶの範囲内にあることが好ましい。ここで、光学的バンドギャップＥopt は、ガラス基板上に直接堆積された半導体膜を被測定試料として、その光吸収係数αの光エネルギｈν依存性に基づくＴａｕｃの式（αｈν）1/2 ∝ｈν−Ｅopt を用いて求められたものである。
【００３２】
非晶質シリコンゲルマニウム光電変換層においてゲルマニウム含有量が少ない場合には実質的に非晶質シリコン膜と変わらず、そのバンドギャップが広くて長波長領域における光感度が不足するために大きな膜厚が必要となり、この第２の光電変換ユニットの光劣化率が増大してしまう。また、光閉じ込め効果の観点からしても、光電変換層のバンドギャップが狭くて長波長の光に対する感度が高いほどその閉じ込め効果が大きくなる。
【００３３】
第１光電変換ユニットの底面と第２光電変換ユニットの上面との間、すなわち積層された２つの光電変換ユニット全体に閉じ込められる光は半導体層に吸収されにくい近赤外領域の長波長の光が大部分である。したがって、従来のように結晶質シリコン系光電変換層を含むユニットとゲルマニウムを含まない非晶質シリコン光電変換層を含むユニットとの組合せでは、光閉じ込め効果による光吸収量と光電流の向上は結晶質シリコン系光電変換層を含むユニットにおいては顕著であるが、近赤外領域における光感度が低い非晶質シリコン光電変換層を含むユニットにおける光吸収量にはあまり変化がない。しかし、この非晶質シリコン光電変換層を含むユニットの代わりに非晶質シリコンゲルマニウム光電変換層を含むユニットを組合せた場合には、タンデム型光電変換装置全体として閉じ込められる長波長の光に対する感度があるので、このような長波長の光に対する光吸収量も増大する。
【００３４】
他方、第２光電変換ユニットに含まれる非晶質シリコンゲルマニウム光電変換層におけるゲルマニウム含有量が多い場合には、先に述べたように膜のコストと光電特性を両立させることが困難となるので好ましくない。本発明によるタンデム型光電変換装置においては第１ユニットとして長波長領域の光感度が高い結晶質シリコン系光電変換層を含むユニットが用いられるので、第２ユニットに含まれる光電変換層の長波長光感度は適度であればよい。したがって、第２光電変換ユニットに含まれる非晶質シリコンゲルマニウム光電変換層は上述のような範囲のゲルマニウム含有量と光学的バンドギャップを有することが好ましく、その厚さは１００〜４５０ｎｍの範囲内に設定される。
【００３５】
光電変換装置が２段タンデム型にされる場合は以上のような第１と第２の光電変換ユニットを形成することによって光電変換ユニットの積層が終了するが、光電変換装置が３段タンデム型にされる場合には、さらに以下のような第３の光電変換ユニットが積層される。
【００３６】
なお、第２光電変換ユニットが形成された後には、第１光電変換ユニットが形成された後の場合と同様に、場合によっては第２導電型ユニット上にＩＴＯ、ＳｎＯ2 またはＺｎＯから選択された１以上の層を含みかつ１０〜２００ｎｍの範囲内の厚さを有する透明導電性酸化膜が形成されてもよい。
【００３７】
第２光電変換ユニット上に形成される第３光電変換ユニットにおいても、第１導電型層と光電変換層と逆導電型層が順次に堆積される。これらの第１導電型層と逆導電型層は第１と第２の光電変換ユニットの場合と同様に形成されるが、第３ユニットの光電変換層としては実質的に真性半導体の非晶質シリコンまたは１０原子％以下の炭素を含む非晶質シリコンカーバイドの層が堆積される。この第３ユニットに含まれる非晶質光電変換層は５０〜１５０ｎｍの範囲内の比較的薄い厚さを有していればよく、その薄さに起因して、第３光電変換ユニットの光劣化率が相当程度に抑制され得る。
【００３８】
２段タンデム型と３段タンデム型のいずれにおいても、光電変換ユニットの積層が終了した後に、ＩＴＯ、ＳｎＯ2 、ＺｎＯから選択された１以上の層を含む透明導電性酸化膜が前面電極として形成される。さらにこの前面電極上のグリッド電極として、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、ＣｕおよびＰｔから選択された少なくとも１以上の金属またはこれらの合金の層を含む櫛型状の金属電極がスパッタ法または蒸着法により形成されて光電変換装置が完成する。このようなタンデム型シリコン系薄膜光電変換装置において、光電変換されるべき光は透明導電性酸化膜の前面電極側から照射される。
【００３９】
【実施例】
以下において、本発明のいくつかの実施例によるタンデム型シリコン系薄膜光電変換装置としての太陽電池が、参考例および比較例による太陽電池とともに説明される。
【００４０】
（参考例１）
図１の模式的な断面図で示されているような２段タンデム型太陽電池が、本発明に関連する参考例１として作製された。なお、本願の各図においては、図面の明瞭化と簡略化のために寸法関係は適宜に変更されており、各層の厚さや凹凸などにおける寸法関係は必ずしも実際の関係を反映してはいない。
【００４１】
図１の２段タンデム型太陽電池においては、ガラス基板１上に裏面電極１０が形成された。裏面電極１０は、１００℃の下地温度の条件の下で順次に堆積された厚さ２０ｎｍのＴｉ層１０１、厚さ３００ｎｍのＡｇ層１０２、および厚さ１００ｎｍのＺｎＯ層１０３を含んでいる。裏面電極１０上には、多結晶シリコン薄膜光電変換層１１２を含む第１ユニット１１と、非晶質シリコンゲルマニウム光電変換層１２２を含む第２ユニット１２がこの順序で積層された。これらの光電変換ユニット１１，１２においては、それぞれに対応するｐ型層１１１，１２１、ノンドープの光電変換層１１２，１２２、およびｎ型層１１３，１２３が、プラズマＣＶＤ法によって形成された。また、前面電極２としては厚さ８０ｎｍの透明導電性ＩＴＯ膜と、その上の電流取出し用の櫛型Ａｇ電極３が形成された。
【００４２】
第１ユニット１１に含まれるノンドープの多結晶シリコン光電変換層１１２は２５０℃の下地温度の下でＲＦプラズマＣＶＤ法によって堆積され、その膜厚は３．５μｍにされた。この結晶質光電変換層１１２において、２次イオン質量分析法によって求められた水素含有量は４．０原子％であり、Ｘ線回折における（２２０）回折ピークに対する（１１１）回折ピークの強度比は０．０９であった。
【００４３】
第２ユニット１２に含まれるノンドープの非晶質シリコンゲルマニウム光電変換層１２２は２２０℃の下地温度の下でＲＦプラズマＣＶＤ法によって堆積され、その膜厚は１８０ｎｍにされた。この非晶質光電変換層１２２において、２次イオン質量分析法によって求められたゲルマニウム含有量はその膜全体の平均で２０原子％であり、光学的バンドギャップＥopt は１．６０ｅＶであった。
【００４４】
ここで、図１の太陽電池において、ガラス基板１の上表面は凹凸表面に加工されておらず、裏面電極１０の上表面１Ａも、微細な凹凸を含む表面テクスチャ構造を有しておらず、実質的に平坦である。しかし、このような裏面電極１０の平坦な上面１Ａを下地として第１ユニット１１が堆積されるが、結晶質光電変換層１１２がその上表面に微細な凹凸を含むテクスチャ構造を生じるので、第２ユニット１１の上面１Ｂも微細な凹凸を含むテクスチャ構造を示す。このような第２ユニット１１の上面の凹凸テクスチャ構造を表面粗さ計で測定したところ、凹部の間隔の過半数が０．２２〜０．５μｍの範囲内に分布し、その平均間隔は０．３２μｍであった。
【００４５】
このような参考例１による２段タンデム型太陽電池に入射光４としてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ／ｃｍ2 の光量で照射したときの出力特性においては、開放端電圧が１．２９Ｖ、短絡電流密度が１３．３ｍＡ／ｃｍ2 、曲線因子が７２．０％、そして変換効率が１２．３％であった。また、この参考例１の太陽電池において、同じ入射光４を５５０時間照射した後における安定化後の変換効率は１０．７％であった。
【００４６】
（比較例１）
図１の参考例１に類似して、図２に示されるような２段タンデム型太陽電池が比較例１として作製された。この比較例１の太陽電池においては、第１ユニット２１に含まれる光電変換層２１２として非晶質シリコンゲルマニウム層が形成され、それに伴ってその第１ユニット２１の上面２Ｂが実質的に平坦であり、さらに第２ユニット２２と第１ユニット２１とで発生する光電流のバランスをとるために第２ユニット２２に含まれる光電変換層２２２の厚さが１６０ｎｍに変更されていることのみにおいて参考例１と異なっている。すなわち、その他の層２０１〜２０３，２１１，２１３，２２１，２２３は、参考例１における層１０１〜１０３，１１１，１１３，１２１，１２３にそれぞれ対応する同じ堆積条件の下に形成された。
【００４７】
この比較例１の第１ユニット２１に含まれるノンドープの非晶質シリコンゲルマニウム層２１２は２２０℃の下地温度の下でＲＦプラズマＣＶＤ法によって堆積され、その膜厚は２００ｎｍにされた。この光電変換層２１２において、２次イオン質量分析法によって求められたゲルマニウム含有量はその膜全体の平均で４０原子％であり、光学的バンドギャップＥopt は１．４５ｅＶであった。
【００４８】
このような比較例１による２段タンデム型太陽電池に入射光４としてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ／ｃｍ2 の光量で照射したときの出力特性においては、開放端電圧が１．４２Ｖ、短絡電流密度が９．８２ｍＡ／ｃｍ2 、曲線因子が６８．４％、そして変換効率が９．５％であった。また、この比較例１の太陽電池において、同じ入射光４を５５０時間照射した後における安定化後の変換効率は７．８％であった。
【００４９】
以上の参考例１と比較例１からわかるように、比較例１では第１ユニット２１の長波長における光感度を向上させることを目的としてゲルマニウム含有量の多いノンドープの非晶質シリコンゲルマニウム光電変換層２１２を用いているが、それにもかかわらず参考例１における多結晶シリコン光電変換層１１２の長波長光感度には及ばず、しかも、第１ユニット２１の上面２Ｂが凹凸表面テクスチャ構造を有していないので光閉じ込め効果も低く、したがって参考例１と比較例１の２段タンデム型太陽電池における短絡電流密度の値に大きな差が現われている。
【００５０】
（比較例２）
図１の参考例１と図２の比較例１とに類似して、図３に示されているような２段タンデム型太陽電池が比較例２として作製された。この比較例２の太陽電池においては、裏面電極３０に含まれるＡｇ膜３０２が２５０℃の下地温度の下で自然に凹凸表面テクスチャ構造を生じるように形成され、それに伴って裏面電極３０の上面３Ａ、第１ユニット３１の上面３Ｂ、および前方ユニット３２の上面が凹凸表面テクスチャ構造を有していることのみにおいて比較例１と異なっている。すなわち、その他の層３０１，３０３，３１１〜３１３，３２１〜３２３は、比較例１における層２０１，２０３，２１１〜２１３，２２１〜２２３にそれぞれ対応する同じ堆積条件の下に形成された。
【００５１】
このような比較例２の太陽電池において裏面電極３０の上面３Ａにおける凹凸形状を表面粗さ計で測定したところ、凹部の間隔の過半数が０．２４〜０．３５μｍの範囲内に分布し、その平均間隔は０．２８μｍであった。また、裏面電極３０のそのような凹凸表面３Ａ上に形成された第１ユニット３１の上面３Ｂと第２ユニット３２の上面もほぼ同じ凹凸形状を有していた。
【００５２】
このような比較例２による２段タンデム型太陽電池に入射光４としてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ／ｃｍ2 の光量で照射したときの出力特性においては、開放端電圧が１．３７Ｖ、短絡電流密度が１２．６ｍＡ／ｃｍ2 、曲線因子が６９．８％、そして変換効率が１２．１８％であった。また、この比較例２の太陽電池において、同じ入射光４を５５０時間照射した後における安定化後の変換効率は９．７％であった。
【００５３】
比較例２においては、比較例１とは異なって参考例１と同様に凹凸表面テクスチャ構造による光閉じ込め効果が得られることから、初期の光電変換効率では参考例１に近い値が得られている。これは、多結晶シリコン光電変換層１１２を含む第１ユニット１１よりも非晶質シリコンゲルマニウム光電変換層３１２を含む第１ユニット３１における方が得られる光電流が低いけれども開放端電圧が高いことによるものであり、その影響が２段タンデム型太陽電池全体の特性としても現われているものである。しかし、比較例２においても、やはり比較例１と同様に第１ユニット３１の光劣化の影響による変換効率の低下が大きく、安定化後の変換効率では参考例１に比べて歴然たる差が現われている。
【００５４】
（実施例１）
図１の参考例１と図３の比較例２に類似して、図４に示されているような２段タンデム型太陽電池が本発明の実施例１として作製された。この実施例１の太陽電池においては、比較例２の場合と同様に裏面電極４０に含まれるＡｇ膜４０２が自然に凹凸表面テクスチャ構造を生じる条件で形成されたことを除けば、参考例１と同じ製造条件の下で作製された。すなわち、実施例１の層４０１〜４０３は比較例２の層３０１〜３０３にそれぞれ対応する同じ堆積条件の下に形成され、実施例１の層４１１〜４１３，４２１〜４２３は参考例１の層１１１〜１１３，１２１〜１２３にそれぞれ対応する同じ堆積条件の下に形成された。
【００５５】
この実施例１の裏面電極４０の上面４Ａにおける凹凸形状を表面粗さ計で測定したところ、比較例２の場合と同様に、凹部の間隔の過半数は０．２４〜０．３５μｍの範囲内に分布し、その平均間隔は０．２８μｍであった。しかし、第１ユニット４１の上面４Ｂにおける凹凸形状は参考例１や比較例２の場合と比べればやや複雑であり、表面粗さ計で測定した結果では凹部の間隔の過半数が０．０５〜０．３５μｍの範囲内に分布し、その平均間隔は０．１６μｍであった。これは、第１ユニット４１に含まれる多結晶シリコン光電変換層４１２が下地とは独立に新たな凹凸表面テクスチャ構造を生じながら成長することに起因している。すなわち、第１ユニット４１の上面４Ｂにおいては裏面電極４０の上面４Ａにおける凹凸形状に加えて多結晶光電変換層４１２が生じた新たな凹凸が重畳されるので、第１ユニット４１の上面４Ｂにおいては微細な凹凸のサイズの分布範囲が広い複雑なテクスチャ構造になるのである。その結果、実施例１においては、参考例１や比較例２に比べてさらに光閉じ込め効果を向上させることができる。
【００５６】
このような実施例１による２段タンデム型太陽電池に入射光４としてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ／ｃｍ2 の光量で照射したときの出力特性においては、開放端電圧が１．２６Ｖ、短絡電流密度が１４．０ｍＡ／ｃｍ2 、曲線因子が７３．１％、そして変換効率が１３．０％であった。また、この実施例１の太陽電池において、同じ入射光４を５５０時間照射した後における安定化後の変換効率は１１．３％であった。すなわち、実施例１の太陽電池では、参考例１よりも高い光閉じ込め効果が得られて短絡電流密度がさらに向上し、初期変換効率と安定化後の変換効率ともに高い値が得られた。
【００５７】
（参考例２）
図１の参考例１による２段タンデム型太陽電池に類似して、図５に示されているような３段タンデム型太陽電池が参考例２として作製された。この参考例２の太陽電池は、第２光電変換ユニット１２と前面電極２との間に、さらに第３の光電変換ユニット１３が形成されていることのみにおいて参考例１の太陽電池と異なっている。この第３光電変換ユニット１３に含まれるｎ型層１３１とｐ型層１３３は、それぞれ第１および第２の光電変換ユニット１１，１２に含まれるｎ型層１１１，１２１およびｐ型層１１３，１２３と同様に形成された。しかし、第３光電変換ユニット１３に含まれる光電変換層１３２としては、２００℃の下地温度の下でＲＦプラズマＣＶＤ法によってノンドープの非晶質シリコン層１３２が堆積され、その膜厚は９０ｎｍにされた。
【００５８】
このような参考例２による３段タンデム型太陽電池に入射光４としてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ／ｃｍ2 の光量で照射したときの出力特性においては、開放端電圧が２．２２Ｖ、短絡電流密度が８．８１ｍＡ／ｃｍ2 、曲線因子が７２．６％、そして変換効率が１３．７％であった。また、この参考例２の太陽電池において、同じ入射光４を５５０時間照射した後における安定化後の変換効率は１３．０％であった。
【００５９】
（比較例３）
図２の比較例１による２段タンデム型太陽電池に類似して、図６に示されているような３段タンデム型太陽電池が比較例３として作製された。この比較例３の太陽電池は、第２光電変換ユニット２２と前面電極２との間に、第３の光電変換ユニット２３が形成されていることのみにおいて比較例１の太陽電池と異なっている。また、この比較例３における第３光電変換ユニット２８に含まれる層２３１〜２３３は、非晶質シリコン光電変換層２３２の厚さが８０ｎｍにされたことを除けば、図５の参考例２の層１３１〜１３３にそれぞれ対応する同様の堆積条件の下で形成された。
【００６０】
このような比較例３による３段タンデム型太陽電池に入射光４としてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ／ｃｍ2 の光量で照射したときの出力特性においては、開放端電圧が２．３６Ｖ、短絡電流密度が６．４８ｍＡ／ｃｍ2 、曲線因子が７０．５％、そして変換効率が１０．８％であった。また、この比較例３の太陽電池において、同じ入射光４を５５０時間照射した後における安定化後の変換効率は９．３％であった。
【００６１】
（比較例４）
図３の比較例２による２段タンデム型太陽電池に類似して、図７に示されているような３段タンデム型太陽電池が比較例４として作製された。この比較例４の太陽電池は、第２光電変換ユニット３２と前面電極２との間に、第３の光電変換ユニット３３がさらに形成されていることのみにおいて図３の比較例２による太陽電池と異なっている。この比較例４における第３光電変換ユニット３３に含まれる層３３１〜３３３は、図６の比較例３における層２３１〜２３３にそれぞれ対応する同じ堆積条件で形成された。
【００６２】
このような比較例４による３段タンデム型太陽電池に入射光４としてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ／ｃｍ2 の光量で照射したときの出力特性においては、開放端電圧が２．３２Ｖ、短絡電流密度が８．２９ｍＡ／ｃｍ2 、曲線因子が７１．７％、そして変換効率が１３．８％であった。また、この比較例４の太陽電池において、同じ入射光４を５５０時間照射した後における安定化後の変換効率は１１．８％であった。
【００６３】
（実施例２）
図４の実施例１による２段タンデム型太陽電池に類似して、図８に示されているような３段タンデム型太陽電池が実施例２として作製された。この実施例２の太陽電池は、第２光電変換ユニット４２と前面電極２との間に、第３の光電変換ユニット４３がさらに形成されていることのみにおいて図４の実施例１による太陽電池と異なっている。この実施例２における第３光電変換ユニット４３に含まれる層４３１〜４３３は、図５の参考例２における層１３１〜１３３にそれぞれ対応する同じ堆積条件で形成された。
【００６４】
このような実施例２による３段タンデム型太陽電池に入射光４としてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ／ｃｍ2 の光量で照射したときの出力特性においては、開放端電圧が２．１８Ｖ、短絡電流密度が９．２６ｍＡ／ｃｍ2 、曲線因子が７３．３％、そして変換効率が１４．８％であった。また、この実施例２の太陽電池において、同じ入射光４を５５０時間照射した後における安定化後の変換効率は１３．６％であった。
【００６５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、結晶質シリコン系薄膜光電変換層を含む第１光電変換ユニットと非晶質シリコンゲルマニウム光電変換層を含む第２光電変換ユニットを適切に組合せることによって、安定化後においても極めて高い変換効率を有するタンデム型光電変換装置を得ることができ、タンデム型シリコン系薄膜光電変換装置の低コスト化と高性能化の両立に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に関連する参考例１による２段タンデム型シリコン系薄膜光電変換装置を示す模式的な断面図である。
【図２】比較例１としての２段タンデム型シリコン系薄膜光電変換装置を示す模式的な断面図である。
【図３】比較例２としての２段タンデム型シリコン系薄膜光電変換装置を示す模式的な断面図である。
【図４】 本発明の実施例１による２段タンデム型シリコン系薄膜光電変換装置を示す模式的な断面図である。
【図５】 本発明に関連する参考例２による３段タンデム型シリコン系薄膜光電変換装置を示す模式的な断面図である。
【図６】比較例３としての３段タンデム型シリコン系薄膜光電変換装置を示す模式的な断面図である。
【図７】比較例４としての３段タンデム型シリコン系薄膜光電変換装置を示す模式的な断面図である。
【図８】 本発明の実施例２による３段タンデム型シリコン系薄膜光電変換装置を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
１：ガラス基板
２：ＩＴＯ等の前面透明電極
３：Ａｇ等の櫛型電極
４：入射光
１０、２０、３０、４０：裏面電極
１１、２１、３１、４１：第１光電変換ユニット
１２、２２、３２、４２：第２光電変換ユニット
１３、２３、３３、４３：第３光電変換ユニット
１０１、２０１、３０１、４０１：Ｔｉ膜
１０２、２０２：平坦な表面を有するＡｇ膜
３０２、４０２：凹凸表面テクスチャ構造を有するＡｇ膜
１０３、２０３、３０３、４０３：透明導電性酸化膜
１１１、１２１、１３１、２１１、２２１、２３１、３１１、３２１、３３１、４１１、４２１、４３１：ｎ型層
１１２、４１２：ノンドープの多結晶シリコン薄膜光電変換層
１２２、２１２、２２２、３１２、３２２、４２２：ノンドープの非晶質シリコンゲルマニウム光電変換層
１３２、２３２、３３２、４３２：ノンドープの非晶質シリコン光電変換層
１１３、１２３、１３３、２１３、２２３、２３３、３１３、３２３、３３３、４１３、４２３、４３３：ｐ型層
１Ａ、２Ａ、３Ａ、４Ａ：裏面電極の上表面
１Ｂ、２Ｂ、３Ｂ、４Ｂ：第１光電変換ユニットの上表面
Claims (4)
- 絶縁性表面を有する基板上において、金属薄膜を含む裏面電極、第１光電変換ユニット、第２光電変換ユニット、および透明導電性酸化膜を含む前面電極がこの順序で積層され、
前記第１と第２の光電変換ユニットの各々は３００℃以下の下地温度の下でプラズマＣＶＤ法により順次に堆積された半導体層である１導電型層と光電変換層と逆導電型層を含み、
前記第１光電変換ユニットの光電変換層は結晶質を含むシリコン系薄膜からなり、
前記第２光電変換ユニットの光電変換層は非晶質シリコンゲルマニウム薄膜からなり、
前記第１光電変換ユニットの上面は微細な凹凸を含むテクスチャ構造を有し、
前記裏面電極の上面も微細な凹凸を含むテクスチャ構造を有し、
前記第１光電変換層の上面における前記凹凸の平均間隔は前記裏面電極の上面における前記凹凸の平均間隔の２／３以下であることを特徴とするタンデム型シリコン系薄膜光電変換装置。 - 前記第２光電変換ユニットと前記前面電極との間に第３光電変換ユニットが付加的に挿入されており、
この第３光電変換ユニットも３００℃以下の下地温度の下でプラズマＣＶＤ法により順次に堆積された半導体層である１導電型層と光電変換層と逆導電型層を含み、
前記第３光電変換ユニットの光電変換層は非晶質シリコン薄膜または非晶質シリコンカーバイド薄膜からなることを特徴とする請求項１に記載のタンデム型シリコン系薄膜光電変換装置。 - 前記第１光電変換ユニットに含まれる前記シリコン系薄膜光電変換層は、８０％以上の体積結晶化分率と、２〜３０原子％の範囲内の水素含有量と、０．５〜２０μｍの範囲内の厚さと、その膜面に平行な（１１０）の優先結晶配向面を有し、そのＸ線回折における（２２０）回折ピークに対する（１１１）回折ピークの強度比が０．２以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のタンデム型シリコン系薄膜光電変換装置。
- 前記第２光電変換ユニットに含まれる前記非晶質シリコンゲルマニウム薄膜光電変換層において、ゲルマニウムは１〜３０原子％の範囲内で含まれており、エネルギバンドギャップは１．５２〜１．７４ｅＶの範囲内にあることを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載のタンデム型シリコン系薄膜光電変換装置。
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