JPH0393279A

JPH0393279A - 光電変換素子

Info

Publication number: JPH0393279A
Application number: JP1229233A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Ashida; 芦田　芳徳; Nobuhiro Fukuda; 福田　信弘
Original assignee: Mitsui Toatsu Chemicals Inc
Current assignee: Mitsui Toatsu Chemicals Inc
Priority date: 1989-09-06
Filing date: 1989-09-06
Publication date: 1991-04-18

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】〔技術分野〕本発明は非晶質太陽電池（非晶質光電変換素子）の高性
能化に関し、とくに、開放端電圧、短絡光’ｔｉを高め
ることにより、非晶質太陽電池の高効率化を図る技術に
関する．〔背景技術〕非晶質太陽電池は電卓や時計を駆動するための、出力の
小さいエネルギー供給源としてすでに実用化されている
．しかしながら、出力の大きいエネルギー供給源として
は、性能不足であり、性能向上をめざして、各種の検討
が実施されている．太陽電池の光電変換効率は開放端電
圧、短絡ｉｔ流ならびに曲線因子の積で表される．各種
の検討の結果、短絡光電流ならびに曲線因子については
、飛躍的に改善・向上されてきたが、開放端電圧は十分
な向上は得られていない．太陽電池の信頼性向上のため
に、近年、光入射側にｐ層を設けた、ｐｉｎ型非晶賞太
陽電池が検討されている．この非晶質太陽電池において
、開放端電圧を改善するためには、ｐ型半導体薄膜の光
電特性を改善せねばならない．とくに、光学バンドギャ
ップの拡大と電気゜伝導率の向上を同時に行わねばなら
ないところに、技術の困難性があった．この理由は、光
学バンドギャップを拡大すると、一般的に電気伝導率が
低下するからであった．これらを満足する材料として、
微結晶薄膜が提案されている．しかしながら、プラズマ
ＣＶＤ法や光ＣＶＤ法のような従来技術を用いて、透明
ｉｉｔ８ｉ上にｐ型微結晶薄膜の形成が試みられたが、
結果的には、非晶質太陽電池の開放端電圧は向上せず、
光電変換効率の改善にはつながらなかった．本発明者ら
は、この問題を解決するために、鋭意検討をかさねて、
本発明を完威するにいたった．〔発明の基本的着想〕 ■族系材料のみで光電特性に飛躍的な向上を得るには、
多大な検討が必要であり、先に述べたように多くの困難
がある．本発明者らは、結晶性化合物半導体は導電率、
バンドギャップを任意に制御でき、■族材料に比べると
、結晶性を得やすいことに着目し、導電型を制御した■
一Ｖ族化合物半導体薄膜を導電型半導体￥ｉｌ膜に適用
した非晶質光起電力素子を形威することにより、非晶質
光起電力素子の開放端電圧・短絡光電流を高くすること
ができた．〔発明の開示〕本発明は、基板、第一電極、第一の導電型半導体薄膜、
実質的に真性の非晶質半導体薄膜、第二の導電型半導体
薄膜、第二電極の順に積層して形威された非晶質光ｔ変
換素子において、第一の導電型半導体薄膜および第二の
導電型半導体薄膜（以下、導電型半導体薄膜と略称する
）のうち、少なくとも一方が■一ｖ族化合物半導体薄膜
であることを特徴とする非晶質光起電力素子を要旨とす
るものである．本発明の充電変換素子の構戒において、導電型半導体薄
膜について具体的には、第一の導電型半導体薄膜が正孔
が多数キャリャであるＰ型半導体の場合には、第二の導
電型半導体薄膜は電子が多数キャリャであるｎ型半導体
である．また、第一の導電型半導体薄膜がｎ型半導体の
場合には、第二の導電型半導体薄膜はｐ型半導体を用い
る．以下、添付図面を参照しつつ、本発明の光電変換素
子を説明する．第１図は本発明または実施例の光電変換素子の層構成を
示す模式図であり、第２図は従来技術または比較例によ
る非晶質光！変換素子の層構或例を示す模式図である．なお、図中、１・・−・・−・・・・−ガラス基板、２
・−・・・一・−・−・酸化スズ、３　　　ｐ型ＧａＰ
，４・−・−・・・・・一・−・実質的に真性の非晶質
半導体ｉｓ、５・・−・−・・・−ｎ型微結晶シリコン
薄膜、６・・・−・・−・・−・アルξニウム金属電極
、７ｐ微結晶シリコン薄膜を示す．すなわち、ここでは
、Ｐ型の導電型半導体薄膜を■一Ｖ族化合物の半導体薄
膜たるＰ型ＧａＰとしている例である．本発明において、少なくとも一方の導電型半導体薄膜を
形威する導電型■−Ｖ族化合物半導体薄膜とは、広ワイ
ドギャップ半導体材料であり、好ましくは禁制帯幅が１
　．　８ｅＶ以上のものである．具体的には、Ｇ　ａ　
Ｎ　＋　Ａ　Ｉ　Ｎ　＋＾ＩＰ．＾ＩＡｓ，ＧａＰ　　
等であり、またこれらの化合物のＩＩＩｔｊ．元素の混
合化合物であるＧａＡＩＡｓ．ＧａＰＡｓ等の化合物半
導体も有効に用いられる．これらの化合物の導電型の制御は所望により、■族、■
族、■族元素の不純物ドーピングによって行われ、Ｐ型
、ｎ型とすることができる．具体的には、Ｂｅ．Ｍｇ＋
Ｚｎ．Ｃｄ，Ｃ＋ＳｉｔＧｅ．Ｓｎ等であり、導電型に
より、選択する．用いる導電型半導体Ｆｉｉ膜の厚みは、３０人〜ｌ００
０人であり、特に光入射側に用いる導電型半導体薄膜は
、３０人〜５００人の厚みが通している．本導電型■−
Ｖ族半導体ｆｉｎ！の形或方法としては、本発明を実施
するに、とくに限定されるものではないが、液相戒長法
、ハライド化学蒸着法、有機金属化学蒸着法、スパッタ
リング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、プラ
ズマ化学蒸着法等がある．実質的に真性の（以下、ｉ型と略称する）半導体薄膜は
水素化シリコン薄膜、水素化シリコンゲルマン薄膜、水
素化シリコンカーボン薄膜等であり、非晶質太陽電池の
光活性領域を形成するものである．これら実質的に真性
の半導体薄膜は、分子内にシリコンを有する化合物、ゲ
ルマン、シリルゲルマン等の分子内にゲルマニウムを有
する化合物、炭化水素ガス等から、目的の半導体薄膜に
応じて適宜選択される原料ガスに、プラズマＣｖＤ（化
学気相堆積）法や光ＣＶＤ（化学気相堆積）法を適用す
ることにより容易に形威される．原料ガスを水素やヘリ
ウム等で希釈して用いることや原料ガスにごく微量のジ
ボランを添加すること等、ｉ型半導体薄膜形成における
従来技術を併用することについては、なんら、本発明の
効果を妨げるものではない．形或条件は、形威温度は１
５０〜４００℃、好ましくは１７５〜３５０℃であり、
形成圧力は０．０１〜５　Ｔｏｒｒ、好ましくは０．０
３〜１．５　Ｔｏｒｒで行われる．ｉ型半導体薄膜の膜
厚は太陽電池の用途に応じて適宜決定されるものであり
、本発明の限定条件ではない．本発明の効果を達戒する
ためには、１０００λ〜ｉｏｏｏｏ人で十分である．次
に、本発明の光起電力素子においては、少なくとも一方
の導ｔ型半導体ｆｊｉＩＩ！に、ｍ−ｖ族化合物半導体
薄膜を適用する．具体的には、その薄膜の導電型がｐ型
である場合には、他方の導電型半導体薄膜は、ｎ型の性
質を示すものであり、ｎ型の微結晶薄膜やｎ型のアモル
ファス薄膜等が有効に用いられる．具体的に例示すると
、ｎ型の微結晶シリコン薄膜、炭素含有微結晶シリコン
薄膜、微結晶シリコンカーバイド薄膜、７モルファスシ
リコン′ｇｌ膜、アモルファスシリコンカーボン薄膜、
アモルファスシリコンゲルマン薄膜等を有効に用いるこ
とができる．これらｎ型半導体薄膜は、分子内にシリコ
ンを有する化合物、ゲルマン、シリルゲルマン等の分子
内にゲルマニウムを有する化合物、炭化水素ガス等から
、目的とする半導体薄膜に応じて適宜選択される原料に
、ホスフィンやアルシン等の周期律表の第Ｖ族の化合物
、ならびに水素を混合して、プラズマＣＶＤ　（化学気
相堆積）法や光ＣＶＤ（化学気相堆積）法を適用するこ
とにより容易に形成される．さらに、当該原料ガスをヘ
リウムやアルゴン等の不活性ガスで希釈することは、な
んら、本発明の効果を妨げるもので・はない．形或条件
は、形成温度は１５０〜４００℃、好ましくは１７５〜
３５０℃であり、形成圧力は０．０１〜５　Ｔｏｒｒ，
好ましくは０．０３〜１．５　Ｔｏｒｒで行われる．ｎ
型半導体薄膜の膜厚は、２００人〜５００大で十分であ
る．本発明の非晶質光電変換素子を形成するに、用いるに好
ましい原料ガスについてさらに具体的な示例をあげて説
明する．分子内にシリコンを有する化合物については、
モノシラン、ジシラン、トリシラン等の水素化シリコン
：モノメチルシラン、ジメチルシラン、トリメチルシラ
ン、テトラメチルシラン、エチルシラン、ジエチルシラ
ン等のアルキル基置換の水素化シリコン；ビニルシラン
、ジビニルシラン、トリビニルシラン、ビニルジシラン
、ジビニルジシラン、プロペニルシラン、エテニルシラ
ン等のラジカル重合可能の不飽和炭化水素基を分子内に
有する水素化シリコン：これら水素化シリコンの水素が
一部またはすべてフッ素で置換されたフン化シリコンを
有効に用いることができる．炭化水素ガスの具体的示例として、メタン、エタン、プ
ロパン、エチレン、プロピレン、アセチレン等の炭化水
素ガスが有用である．これら炭化水素ガスは、炭素含有
微結晶シリコン薄膜、微結晶シリコンカーバイド薄膜等
の形成において、光学的バンドギャップを変更するとき
に用いると便利である．また、この目的においては、ア
ルキル基置換の水素化シリコン、ラジカル重合可能の不
飽和炭化水素基を分子内に有する水素化シリコン、これ
ら水素化シリコンの水素が一部またはすべてフッ素で置
換されたフッ化シリコン等の材料も有用である．基板、第一電極、第二電極等については、とくに、限定
される条件はない．基板としては青板ガラス、ホウケイ
酸ガラス、石英ガラス等従来用いられているガラス基板
材料が有用であるが、さらに、金属やプラスチックスも
基板材料として用いることができる．プラスチックス材
料においては、１００℃以上の温度に耐える材料をさら
に有効に用いることができる．第一および第二電極とし
てはぐ太陽光入射のために、一方あるいは両方が透光性
を有することが必要であるが、それ以外はなんら制約を
受けない．具体的には、酸化スズ、酸化インジウム、酸
化亜鉛等の金属酸化物や透光性の金属等を有効に用いる
ことができる．また、金属電極として、アルミニウム、
クロム、ニッケルークロム、銀、金、白金等のや酸化ス
ズ、酸化インジウム、酸化亜鉛等の金属酸化物の中から
適宜、選択して用いることができる．以下、実施例により、本発明の実施の態様を説明する．〔実施例１〕光電変換素子の形成装置としては、プラズマＣＶＤ法、
スパッタリング法並びに光ＣＶＤ法を適用できる戒膜装
置を用いた．素子構成は第１図に示したとおりである．
酸化スズ膜２が厚み１μ被覆されたガラス基板Ｉを戒膜
装置内に設置した．第一の導電型半導体薄膜として、ｐ
型のＧａＰ膜３を先ず形成した．すなわち、ガス流量計
を通して、トリメチルガリウム２　Ｘ　１０−　’モル
／分、ホスフィン（水素希釈ガス、濃度１０χ）　５　
ｓｃｃｍ、ジメチル亜鉛Ｉ　Ｘ　１０−　’モル／分を
形威装置内に導入し、反応圧力５０ｓｔｏｒｒ　、高周
波電力ＳＯＷ，基板温度３００℃を用いて形威した．戒
膜時間３００秒にて、１５０人を形威した後に、実質的
に真性の半導体薄膜形成室に当該基板を移送し、モノシ
ランを導入して、圧力０．　０５Ｔｏｒｒ，形威温度２
５０℃の条件でブラズマＣＶＤ法によりアモルファスシ
リコン薄膜４を５５００人の膜厚に形威した．プラズマ
ＣＶＤ法は１３．５６　ＭＨｚの高周波放電を利用した
．このときの、ＲＦ電力は２０−であった．実質的に真
性の半導体薄膜形成後、ｎ型半導体薄膜形成室に当該基
板を移送した．モノシラン／ホスフィン／水素からなる
原料ガスをそれぞれの流量が１０／０．２／２００の割
合になるように導入した．圧力０．１　Ｔｏｒｒ，形威
温度２４０℃の条件でプラズマＣＶＤ法によりｎ型半導
体ｙＩ膜５を５００人の膜厚に形威した．プラズマＣＶ
Ｄ法は１３．５６　ＭＨｚのＲＦ放電を利用した．この
ときの、ＲＦ電力は１５０賀であった．ついで、薄膜形
成装置から取り出し、第二の電極であるアルミニウム金
属電極を形威し、光電変換素子を作製した．〔比較例１〕実施例ｌにおいて、第一の導電型半導体薄膜として、■
−Ｖ族化合物半導体薄膜３の代わりに、ｐ型微結晶シリ
コン薄膜７を形威した，なお、本層以外は実施例１と全
く同じ工程で非晶質光電変換素子を形威した．すなわち
、ｐ型微結晶薄膜の形成は、１／０．０３／２００の割
合のモノシラン／ジボラン／水素の混合ガスを成膜室に
導入し、ＲＦ電力５０Ｗ、圧力０．１ｔｏｒｒ　、基板
温度２５０℃で放電時間２００秒により行い、１５０人
形威した．以上により作製した非晶質光電変換素子の性
能を評価した．評価として、ＡＭ　１．５、１００　ｍ
Ｗ／′ｃ＋Ｊの光をソーラーシミエレー夕により、照射
して当該非晶質光１ｔ変換素子の光電特性を測定した．
本発明により実施した光起電力素子と比較例で示した光
起電力素子の性能を比較した結果、開放端電圧において
１５％、短絡光電流においても１５％の向上が認めらた
．結果として、光電変換効率は２０％の改善が得られた
．〔発明の効果〕以上の実施例ならびに比較例から明らかなように、導電
型半導体薄膜に■−Ｖ族化合物半導体を用いることによ
り、従来技術で実用化されている非晶質光電変換素子の
性能とくに、開放端電圧、短絡光電流を著しく向上させ
るものである．すなわち、本発明は実用レベルにおいて
、非晶質光電変換素子の光電変換効率の改善に大きく貢
献するものである．このように、本発明は電力用太陽電
池に要求される高変換効率を可能にする技術を提供でき
るものであり、エネルギー産業にとって、きわめて有用
な発明であると云わざるを得ない．

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明または実施例の光電変換素子の層構戒を
示す模式図である．ここでは、Ｐ型の導電型半導体薄膜
を■一Ｖ族化合物の半導体薄膜としている．第２図は従
来技術または比較例による非晶質光電変換素子の層構戒
例を示す模式図である．図中１　　　ガラス基板、２・・・−・・−・・−・酸
化スズ、３・・−・・・・・・・・ｐ型ＧａＰ、４　　
　実質的に真性の非晶質半導体薄膜、５　　　ｎ型微結
晶シリコン薄膜、６　　　アルξニウム金属電極、７　
　　ｐ微結晶シリコン薄膜．

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基板、第一電極、第一の導電型半導体薄膜、実質
的に真性の非晶質半導体薄膜、第二の導電型半導体薄膜
、第二電極の順に積層して形成された非晶質光電変換素
子において、該第一の導電型半導体薄膜および第二の導
電型半導体薄膜のうち、少なくとも一方が、III−Ｖ族
化合物半導体薄膜であることを特徴とする非晶質光電変
換素子。