JPH03227575A - 光電変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光電変換装置において、太陽光の如き連続光に
おいて短波長側の光を利用して光起電力を発生せしめる
とともに、この装置に対し昇温により特性劣化用にしか
作用しない赤外光の如き光エネルギをこの光電変換装置
内で熱に変換せしめることなく透過させてしまうことを
目的としている。

本発明は光照射面でのＰまたはＮ型半導体層において入
射光がその半導体層内に添加された不純、物により散乱
・吸収され、熱に変換された結果光電変換装置が発熱し
てしまうことを防ぐため、この照射面での半導体層のエ
ネルギバンド巾をＩ型半導体層（真性または意図的に導
電型を決める不純物を添加しない実質的に真性の導電型
を有する半導体層）（以下１層という）のバンド巾と比
較して広くせしめたこと、さらに１層を透過しさらに裏
面に設けられたＮまたはＰ型の半導体層においても１層
のバンド巾よりも小さいエネルギ（長い波長）の光を透
過させてしまうことによりこの部分での発熱を防ぐこと
を目的としている。

本発明はかくの如く円ＮまたはＮＩＰ型構造を有する光
電変換装置において、光−電変換のみを行い、光−熱変
換を行い得る光または赤外線等の発熱要因となるエネル
ギ源をそのまま素通りさせてしまうことを目的としてい
る。

本発明はこのため従来より行われている光照射面側の電
極を透光性にするに加えて、半導体の裏面に設けられて
いる電極をも金属の面電極とするのではなく、透光性電
極とせしめることを特徴としている。

さらに本発明は光電変換装置を透過してきた赤外線を利
用してその裏面に設けられた冷却部に熱エネルギを与え
、結果として変換装置の昇温を防ぐとともにヒートパイ
プ系による光熱変換装置としての水を温めることをそれ
ぞれ個別にするのではなく一体化して、光照射面積を増
やすことな〈実施し、ないしは太陽光を一部電気に変換
し、部を吸水に用いることにより総合利用率を４０％以
上にすることを特徴としている。

従来光電変換装置（１）は第１図にその縦断面図の一例
か示されているか、照射光（１５）に対し半導体（１）
の上面に光照射側の表面電極として透光性電極（３）、
さらにその抵抗を保障するための櫛型電極および外部引
き出し電極（４）か設けられ、下面の裏面電極（２）と
して金属、例えばアルミニュームが裏面てのシート抵抗
を減少させるため全面に設けられていた。

しかしこの裏面の金属電極はこの面にて光を再び表面側
に反射してその光路を２倍またはそれ以上にする効果を
有しているため、半導体の厚さを１００〜２００μｍと
約１７２にすることかでき、光吸収係数の低い単結晶シ
リコンのような材料においては意味をもっている。しか
しアモルファスまたはセミアモルファス（１０〜１００
０人の大きさを有するマイクロクリスタル性構造の半結
晶性半導体膜）の如き非単結晶半導体においては、その
半導体の厚さか０．３〜２μｍと薄くてよく、さらにそ
の光吸収係数も単結晶半導体の１０倍も大きいため、か
くの如き反射効果を有する裏面電極はまったく無価値で
ある。

しかし従来この非単結晶半導体（ＮＳＣＳと以下いう）
においても単結晶半導体（以下ＳＯ３という）と同様に
裏面金属電極か設けられており、その効果は光照射側の
光（例えば赤外線）に対し遮蔽効果（半導体を昇温させ
る効果）しか有さず、きわめて都合の悪いものであった
。

本発明はかかる欠点を防止するため、光電変換装置の裏
面に対しても光照射面と同様に透光性電極としたことを
特徴としている。

さらに本発明は、かくの如き透光性電極を照射。

面および裏面に設けることにより、入射光のうち１５〜
２５％のエネルギを外部（裏面方向の外部）に放出でき
光電変換装置自体の発熱を防ぐことができた。

しかしさらに調査した結果、短波長の光特に６００ｎｍ
以下の波長（２ｅＶ以上の光エネルギを有する）の光に
対しては、入射光面側のＰまたはＮ型の導電型を有する
半導体層（以下ＰまたはＮ層という）を３００〜１００
０人の厚さに形成すると４０〜６０％も吸収され、電気
エネルギに変換されることなく単に熱エネルギになって
しまい、光電変換装置自体の発熱をさせひいては変換効
率の低下にのみ寄与してしまっていることが判明した。

本発明はかかる事実を防ぐため、このＰまたはＮ層に対
し窓効果をさせて１層よりも広いエネルギバンド巾とさ
せたことを特徴としている。

本発明はかかる目的のため、ＰまたはＮ型の導電型を有
する５ｉｘＣ＋−ｘ（０＜Ｘ＜１）、　Ｓｉ　３Ｎ４−
Ｘ（０＜Ｘ＜４）またはＳ　ｉ　０２−　Ｘ　（０＜Ｘ
＜２）と化合物化せしめ、そのＸ値を選択することによ
り２．　ＯｅＶ（６２０ｎｍ）〜４．　ＯｅＶ（３１０
ｎｍ）のエネルギバンド巾を有せしめ、このバンド巾以
下の光エネルギを有する照射光を透過させてしまうこと
ができた。

かくすることにより照射光面でのＰまたはＮ層での吸収
されて熱になってしまう光量は２０〜１０％にまで下げ
ることかでき、光電変換装置の発熱を１７３〜ｌ／４に
まで押さえることができた。

さらに本発明はかかる構造にして照射光面のＰまたはＮ
層を窓構造とするに加えて、長波長（７００ｎｍ以上）
の赤外線に対し裏面に設けられたＮ層またはＰ゛層がき
わめて悪影響を与えることかわかった。これはこのＮ層
またはＰ＋層かそのエネルギバンド巾を１層と同じ＜１
．４〜１．８ｅＶとするとその中に添加されたＮまたは
Ｐ型用不純物（例えばリン、ホウ素）により光散乱をさ
せてしまうためである。このため作製はこの裏面のＮま
たはＰ層は２０００人程度変形造作に形成していたが、
本発明はかかる層に対し光照射面と同様に１層に比べて
広いエネルギバンド巾を有せしめたことを特徴としてい
る。

即ちこのＮまたはＰ層を照射面側のＰまたはＮ層と同様
に２．０〜４．　ＯｅＶとすることにより、この半導体
層を透過する７００ｎｍ以上の波長の赤外線を５〜１０
倍も増すことかできた。即ち入射光の２０〜３０％がこ
の裏面電極側のＮまたはＰ層での不純物散乱により光電
変換装置を発熱させてしまっていたか、本発明はこの発
熱を広いエネルギバンド巾とすることにより３〜７％と
することかできた。

かくすることにより、入射光側では太陽光に対し従来は
照射面で４０〜６０％、裏面で２０〜３０％の光エネル
ギか熱エネルギになってしまっていたものが、照射面で
１０〜２０％、裏面で３〜７％となり、従来の６０〜９
０％の光−熱変換を１層での光−熱変換を考慮しても１
５〜３０％にまでさげることができその差の光エネルギ
は光として裏面電極下に設けられた熱エネルギを吸収し
て用いるヒートパイプ等の光−熱変換装置に与えること
かでき、太陽光の総合有効利用率を本発明の光電変換装
置により光電変換率８〜１５％、さらにその直下の光熱
変換装置により４０〜６５％を有効利用できた。このた
め総合有効利用率として従来の５〜３０％を４８〜８０
％にまで高めることかできた。

特に光電変換装置内での発熱を照射面、裏面に窓効果を
もつＰまたはＮ層を設けて防ぐことにより光電変換装置
それ自体の変換効率を５％より１２〜１５％にまでＡＭ
Ｉ下で高めることができ、その相乗効果はきわめて著し
いものであった。

さらに熱エネルギの伝導か熱として下部の変換装置に伝
えるのではなく、赤外線等の輻射エネルギにより下部の
光熱変換装置に伝えるため、その効果か大きく、光熱変
換装置より再び熱エネルギを光電変換装置かもらいうけ
ることを防ぐことかできた。即ちこの光熱変換装置と光
電変換装置との間に真空領域を設けることにより、伝導
による熱の移動を禁止し、輻射による熱の移動を行い、
ひいては光電変換装置と光熱変換装置とをともに有効に
動作させることかできた。

本発明において非晶質（以下ＡＳという）または半非晶
質（以下セミアモルファス即ちＳＡＳという）即ち結晶
の大きさの小さい結晶性半導体（２，５μｍ以下特に１
０〜１０００人の大きさを有するもの）または結晶体と
非結晶体との混合体または非結晶体よりなるＳＡＳはそ
のエネルギバンド巾か１．４〜１．８ｅＶ特に１．６ｅ
Ｖを有し、特に有効であることか判明した。

第２図は横軸に反射された光の波長を示し、縦軸は表面
および裏面に透光性電極を設けた構造における透過率を
示す。

図面より明らかな如く、Ｎ５Ｃ３（非単結晶即ちＡＳま
たはＳＡＳの如き珪素半導体でエネルギバンド巾が１．
４ｅＶ以上有する多結晶を含む非単結晶）を用いた本発
明においては曲線（５）に示す如く半導体の厚さが０．
３〜３μｍときわめて薄くてもよいため、そのエネルギ
バンド巾（Ｅｇという）に対応する７００ｎｍ（Ｅｇ　
１，６ｅＶ）よりも長波長側においては９０％以上のほ
とんどの光か半導体およびその表面および裏面の透光性
電極を経て反対側にまで透過していることがわかる。し
かし曲線（６）の５Ｏ３（単結晶珪素）を用いた構造に
おいては半導体の厚さが２００〜３００μｍもあるため
、エネルギバンド巾である１、　１ｅＶ以下の赤外線に
おいても透過率かあまり大きくなく、透過できなかった
光は半導体内にて熱に蓄積され、半導体のキャリア移動
度を下げるための昇温にしか作用しなくなっている。

このことよりＮ５Ｃ３においては本発明の表面裏面とも
に透光性であることがきわめて効果が大きくさらにその
Ｎ５Ｃ３のエネルギバンド巾も単結晶珪素の１．ｌｅＶ
よりも大きな１．４〜２．　ＯｅＶと赤外線に対し透光
性を有することか光電変換効率を高めるのみではな（、
半導体の昇温をも防ぐことができるためきわめて好まし
いものであった。

第３図はＰまたはＮ層に用いるための広いエネルギバン
ド巾を設けた場合の相対透過率をエネルギバンド巾が従
来どおりの１，６ｅＶ（１０）　、本発明の２．０〜４
．ＯｅＶの一例としての２．５ｅＶ（７）、　（８）お
よび３゜５ｅＶ（９）において示したものである。横軸
はプラズマグロー放電法を利用して３００°Ｃにて珪化
物気体であるシランまたは四弗化珪素と炭化物気体であ
るメタンまたはフロンを混合し、５ｔｘＣ＋−ｘ（０＜
Ｘ＜１）を設け、そのＸ値を制御することにより得られ
た光学的エネルギ巾である。測定は反射型のモノクロメ
ータにて行った。曲線（７）、　（１１）はＰまたはＮ
型用不純物を添加しなかった場合の透過率と波長との関
係を示す。曲線（’８）、　（９）、　（１０）はＰ型
用不純物であるホウ素またはＮ型用不純物であるリンを
５ｉＸＣ＋−８（０＜Ｘ＜１）において同時にジボラン
またはフオスヒンを０．１〜５モル％混入して得られた
ものである。

不純物を意図的に添加しない真性の半導体はＳＡＳの場
合１．６ｅＶを有していたため、（１７）においてこれ
よりも短波長側の光を曲線（１１）に示す如く吸収して
、電子・ホール対を発生させることができた。

しかしこれと同じエネルギバンド巾を有するＰまたはＮ
型不純物は曲線（１０）に示す如く、同様に短波長側で
１００％の吸収を示すため、ここでは不純物による再結
合中心か多いため、励起されて電子・ホールは再び同じ
ＰまたはＮ層で再結合して光電変換に寄与することかな
い。加えて領域（５０）のＥｇより小さい長波長側の光
すら３０〜４０％も吸収してしまうため、光電変換装置
自体を昇温させてしまっていた。

このためＰまたはＮ層に対し、結果どして広いエネルギ
バンド巾を有せしめ、そのＥｇを２．５ｅＶとすると曲
線（８）を、また３、　５ｅＶとすると曲線（９）を得
ることかできた。これらの曲線においては太陽光か強い
エネルギを有する５００〜７００ｎｍにおいて高い透過
率を得るため、照射面側に設けるＰまたはＮ層として広
いＥｇを有せしめることはきわめて重要であることかわ
かる。

さらにこの曲線（８）、　（９）は領域（５０）の赤外
線領域においても１層と同じＥｇの曲線（１０）に比較
して透過率か２０〜３５％も大きいため、赤外線の外部
への放出を可能としている。

これらの曲線はＰまたはＮ層が５００〜１０００人の厚
さの場合を示したが、この厚さを１７２または二倍にす
るとその透過率がそれぞれ２倍または１／２になること
はいうまでもない。

また図面では１層の曲線（７）、　（１１）は０．５〜
１μｍとしたが、これを０．３〜３μｍとかえてもよい
。

しかし薄くしすぎると、この半導体層での光の吸収量が
少なくなり、厚くしすぎると透過すべき赤外線の吸収か
おき、自己発熱をしてしまうため本発明のＳＡＳを用い
る場合は０．５〜１μｍか最適であった。

第４図は（Ａ）、　（Ｃ）に本発明の基本縦断面図構造
を示したものである。

即ちガラス等の透光性基板（４５）を通して光（１５）
が照射され、ガラス上にスズ（Ｓｎ）、インジューム（
Ｉｎ）、アンチモン（Ｓｂ）の酸化物により導電性であ
りかつ透光性の被膜（１６）、　（１９）が設けられて
いる。

被膜（１６）は光照射面側の透光性電極であり、（１９
）は同様に透光性の裏面電極である。■型半導体（２０
）と光照射面側のＰ層（２２）、裏面側のＮ層（２３）
が設けられている。

第４図（Ｂ）に示す如く、Ｐ、Ｎ層を５０〜ｌ０００人
の厚さに、また１層を０．５〜１μｍの厚さにして形成
し、ＰおよびＮ層（２２）、　（２３）を２．５ｅＶ、
３．５ｅＶとするとＡＭＩ下において変換効率８．０〜
ｌＯ％、１２．０〜１４％をそれぞれ得ることができた
。

本発明は以上のごとく、大きなＥｇを有する光を光電変
換し、また小さな光特に赤外光を（１５°）として裏面
電極より外部に放出せしめた。かくすることにより半導
体自身の温度が上昇することを防ぎ結果として光電変換
効率の向上と光熱変換装置との複合化を成就することか
できた。

第４図（Ｃ）は半導体装置にＰ（Ｉ）ＩＮ型（Ｐ型半導
体（２２）−）ンネル電流を許容する絶縁または半絶縁
膜（１７）−実質的に真性の半導体（１）　−Ｎ型半導
体（２３））を設け、（２２）、（２３）に対しその表
面裏面に密接して透明電極を第４図（Ａ）と同様に形成
したものである。

図面では基板は半導体側の裏面側に（１５）として透明
ガラスにより設けられている。

第４図（Ｄ）は（Ｃ）の光電変換装置（１）のエネルギ
バンドダイヤグラムをその番号を対応して示している。

この縦断面図において絶縁または半絶縁膜（１）層は１
０〜３０人の膜厚を有する炭化珪素ＳｉＣ、窒化珪素Ｓ
ｉ３Ｎ４を設けたもので、Ｐ−１接合の接合面における
ボイド、ピンホール等により接合面のリークの発生を防
止している。かくすることにより光電変換装置における
フィルファクターが向上し第４図（Ａ）において０．５
〜０．５５であったものが、０．７〜０．７５を示し向
上することができ、最大１８％の変換効率をＡ、Ｍｌの
条件下で得ることかできた。

第４図（Ａ）、　（Ｂ）の装置において透光性電極とは
櫛型電極とし、櫛の間のみを透光性としても、また金、
アルミニュームを２０〜５０人の極薄膜にて形成させた
半透明であっても、本発明と同一思想である。しかしか
かる構造においては透過率か十分でない、製造か微妙で
ある等の欠点を有し、大面積には必ずしも適していない
。

本発明においては光照射時における雰囲気が１０〜３０
℃の室温においては透光性にするのみでその効果か大き
い。

しかしさらにその雰囲気か４０〜１００°Ｃと高温にお
いては、その熱エネルギが変換効率の低下を促してしま
う。このためこの半導体の裏面電極下に冷却機構を有す
る光熱変換装置をヒートパイプ等を利用して設けること
も本発明の他の特徴であるＱヒートパイプは一般に低温
部より熱エネルギをとり高温部にこの熱エネルギを与え
る系であり、その−例はＵＳＰ３８７５９２６（太陽熱
エネルギ集合システム）に示されている。

本発明はかくの如き光熱変換装置を本発明の裏面の透明
電極に隣接してその下側に設けることかできるのである
。

かくすることにより、太陽光に対して直列にＥｇより大
きい光エネルギを有する短波長光をまず光電変換装置に
より電気エネルギを取り出し、さらにＥｇより小さな光
エネルギを有する長波長の光例えば赤外線に対してはこ
の光電変換装置を透過してその下側の光熱変換装置によ
り熱エネルギを取り出すようにしたものである。

第５図は本発明の光電変換装置にヒートパイプを一体化
して設けた場合の一例を示す斜視図である。

図面において太陽光（１５）に対し上側電極（１６）、
半導体（１）、下側電極（１９）、外部接続端子（３４
）。

（３５）よりなっている。

冷却水は（３２）よりヒートパイプ（３０）を経て（３
３）に放出される。図面ではヒートパイプを三段並列に
設けたものである。しかしこれを直列に接続してもよく
、またこの温水（３３）により再度能のヒートパイプを
経て変換効率の向上を図ってもよい。

この場合、一般にはアルコール、フロリーナート等の液
を用い次段にて熱容量の大きな水を用いる光熱変換装置
とするとその効率を高めることかできた。

第５図において光電変換装置が結果としてヒートパイプ
のその反射防止膜となっており、その面でも赤外線透光
用光電変換装置とヒートパイプ等光熱変換装置との一体
化は好ましいものであった。

以上の説明より明らかな如く、本発明は光電変換装置で
あって、光照射表面側の電極のみならず裏面に対しても
透光性電極およびＰおよびＮ層を１層に比べて広いエネ
ルギバンド巾を有せしめ、特に１．６ｅＶ以下のエネル
ギを有する光特に赤外光に対しこの光電変換装置自体の
昇温を防ぎ、この赤外光を含む熱エネルギをこの裏面電
極側に接して設けられた冷却用の熱電変換装置を光に対
して直列接続せしめたことにある。その結果、同一照射
面側にて光−電、光−熱変換により総合変換効率を７０
〜９０％にまで高めることができた。

本発明は珪素のアモルファスまたはセミアモルファス半
導体を利用した光電変換装置とヒートパイプを用いた光
−熱変換装置とを一体化したことを特徴としている。そ
の結果、それぞれの効果を波長の短い光により発電を、
また長い波長により発熱を起こすため、この装置部での
昇温を防止しひいては光電変換効率を高め、また光熱変
換において無駄になっていた光を発熱に利用した相乗効
果を利用したものである。

その結果、一般家庭の限られた面積の屋根を利用して太
陽光の一部を発電にまた他の一部を湯沸かしに利用した
きわめて効果の高い太陽エネルギの変換装置を作ること
ができた。なお本発明は本発明人の出願になる特許願５
５−１８１４６３．５５−１８１４６４（Ｓ５５．１２
．２２出願）の光電変換装置をさらに発展させたもので
あることを付記する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の光電変換装置の縦断面図を示す。 第２図は本発明の光電変換装置にて得られた波長に対す
る透過光の特性を示す。 第３図は本発明の光電変換装置に用いた１層、Ｐ層およ
びＮ層の波長と相対透過率との関係を示す。 第４図（Ａ）、　（Ｃ）は本発明の光電変換装置を示し
くＢ）、　（Ｄ）はそれぞれ（Ａ）、　（Ｃ）に対応す
るエネルギバンド図を示している。 第５図は本発明の光電変換装置と光熱変換装置とを一体
化した光電変換装置の実施例を示す。 第 図 ２Ｉ＃ デクｐ 第 ＋Ｊ＃＃１１＋・−ｔｅａ７Ｎ４＃＃ｔａａ４ａ。 図　　　　　　工ネＪい゛−バノに中 （ｅマ） υ声〕

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光照射により光起電力を発生するＰＩＮまたはＮＩ
   Ｐ型構造を有する半導体装置において、Ｐ型半導体層お
   よびＮ型半導体層はＩ型半導体層に比較して広いエネル
   ギバンド巾を有せしめ、かつＰ型半導体層およびＮ型半
   導体層に密接した電極がともに透光性電極であることを
   特徴とする光電変換装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、Ｉ型半導体層はエ
   ネルギバンド巾が１．４〜２．０ｅＶを有するとともに
   、Ｐ型およびＮ型半導体層は２．０〜４．０ｅＶを有す
   るセミアモルファス半導体が用いられたことを特徴とす
   る光電変換装置。