JPH04133360A - 光起電力装置 - 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】 （イ）　産業上の利用分野 本発明は、太陽電池や光センサ等の光起電力装置に関す
る。

（ロ）　従来の技術 近年、電卓用電源や、小型独立用電源などとして、非結
晶シリコンからなる光起電力装置が広く利用されている
。この非結晶シリコンの中でも、特に非晶質シリコンと
呼ばれる材料は、その製造方法が従来の単結晶シリコン
と比較して大面積の形成に適していること、更にはその
大きな光吸収係数という物性面での特徴を活かすことに
より材料の使用量が少なくて済むこと等から、広く実用
化されるに至っている。

しかしながら、近年のエネルギー事情や、地球環境問題
等に鑑み、現在よりもさらに変換効率の大きい光起電力
装置の出現が待たれている。

一般に、この変換効率を高くするには：入射した光を余
すことなく光起電力装置内の光電変換層で吸収し、且つ
斯る吸収によって前記層内で発生した光生成キャリアを
効率的に該装置の外部に取り出すことが必要となる。

特に前記入射光を有効に利用するには、該入射光に含ま
れる各波長光を、漏れなく吸収する必要がある。斯る目
的を達成するため、従来、透明導電膜、発電層としての
半導体層及び背面電極からなる光起電力装置では、前記
半導体層側に位置する前記透明導電膜の表面に表面処理
を施すことにより、微細な凹凸形状を形成している。こ
れにより、前記入射光は、前記光起電力装置内で多数回
反射され、その結果、該入射光に含まれている長波長光
の吸収を実効的に増加せしめることが可能となるのであ
る。

前記表面処理の方法としては、前記透明導電膜の成膜条
件を適当に制御することによって、前記透明導電膜の表
面自体に凹凸形状を付けるものや、当初は比較的平坦な
形状で前記透明導電膜を成膜し、その後例えば化学溶剤
等によるエツチングによりその表面に凹凸形状を形成す
るものとがある。

以上のように、その表面に凹凸形状を有する透明導電膜
は従来、テクスチャ透明導電膜と称されており、以下に
おいても斯る用語を使用することとする。

（ハ）　発明が解決しようとする課組 前記テクスチャ透明導電膜を具備する光起電力装置では
、前述のように入射光に含まれる長波長光の吸収が特に
向上する。この特性向上については、光起電力装置の短
絡光電流の増加として確認できる。

ところが、前記光起電力装置では、斯様な特性向上が果
たせ得る反面、前記テクスチャ透明導電膜を使用するこ
とによる開放電圧の低下現象が同時に発生していた。斯
る問題は、従来より前記テクスチャ透明導電膜を使用し
た場合に発生していたものであるが、前記短絡光電流の
増加が前記開放電圧の低下に対して、十分大きいもので
あったことから看過されていたものである。

然し乍ら、前記開放電圧は、その光起電力装置によって
駆動するシステムの設計に深く関係することから、前記
低下現象の解決は重要である。

前記テクスチャ透明導電膜に基づく開放電圧の前記低下
現象に関しては、従来より知られていたものであるが、
その原因についてはこれまで明らかにはされていなかっ
た。

斯る内容に関しては、Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａ
ｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｖｏｌ、
２８　Ｎｏ、３．Ｍａｒｃｈ、１９８９．第３１１頁乃
至第３１５頁に詳しく記載されている。

本発明者等は、この原因を一連の研究から明らかにした
。

第５図は、基板上に透明導電膜を形成した後、ｐ層、ｉ
層及びｎ層の積層体から成る非晶質シリコンを発電層と
した光起電力装置の特性図で、前記ｐ層の成膜時間と該
光起電力装置の開放電圧との関係を示している。前記非
晶質シリコンの成膜方法としては、従来周知のプラズマ
ＣＶＤ法を採用した。

同図の横軸は、門記ｐ層の成膜時間で、一般に、その時
間が長くなるにつれ、該ｐ層の膜厚はほぼ直線的に厚く
なると考えられる。縦軸は、光起電力装置の開放電圧を
示している。

光起電力装置としては、２種類のものを用い検討した。

その違いは、使用されている透明導電膜の表面状態のみ
で、他の要素は全く同じである。

一方は、その表面状態がほぼ平坦なものであり、他方は
従来周知の形成方法に因りその表面を凹凸形状としたも
のである。以下では、前者の透明導電膜を使用した光起
電力装置を第１の装置、後者のそれを第２の装置と称し
、詳説する。

前記第２の装置では、同一の成膜時間で比較した場合、
前記第１の装置よりもその開放電圧が小さく、且つその
差は前記成膜時間が短い程大きくなる。

本発明者等は、この結果を踏まえ前記２種類の光起電力
装置について、夫々のｐ層の膜厚を測定した。その際、
膜厚としては、２方向について測定した。第６図は、斯
る方向を説明するための模式断面図である。（７）は支
持基板であり、（８）は、テクスチャ透明導電膜であり
、（９）はテクスチャ透明導電膜（８）上に形成された
非晶質シリコンの前記ｐ層である。前記２方向の１つは
、同図のＡで示す如く、従来から一般に使用されている
膜厚に相当するもので、膜が成膜されている前記基板（
７）の主面に対して垂直方向における膜の厚みを言うも
のであり、他方のＢは、前記透明導電膜の表面の垂直方
向に対する膜の厚みを言うものである。ここでは、説明
を容易にするために、前者を膜厚Ａ、後者を膜厚Ｂと称
する。

従って、前記第１の装置におけるｐ層では、平坦な透明
導電膜上に形成されているため、該透明導電膜の表面の
垂直方向と、前記基板の主面の垂直方向とは概ね同一方
向となり、そのｐ層の膜厚Ａと膜厚Ｂとは一致すること
になる。

これに対して、前記テクスチャ透明導電膜の場合、前記
透明導電膜の表面が凹凸形状であるため、前記透明導電
膜の表面の垂直方向と、前記基板の主面の垂直方向とは
異なることとなる。従って、膜厚Ａと膜厚Ｂとは異なる
方向の膜の厚みについて測定することになる。

そこで、前記非晶質シリコンのｐ層の前記成膜時間を５
分間とした場合の、前記第１及び第２の装置におけるｐ
層の膜厚を測定した。第１の装置では膜厚Ａ及び膜厚Ｂ
のいずれもが約１３０人であったのに対して、テクスチ
ャ透明導電膜を有する光起電力装置、即ち第２の装置で
は、膜厚Ａについては、約１３０人であったものの膜厚
Ｂについては、約１００人と薄いことが判った。

以上の測定結果から、本発明者等は、開放電圧の前記低
下現象の原因が、テクスチャ透明導電膜上に於るｐ層の
膜厚Ｂの薄さによるものであることを突き止めた。

この理由とするところは、膜厚Ｂが薄くなることによっ
て、前記非晶質シリコンによって構成されるｐｎ接合と
しての内部電界が弱くなり、結果として、開放電圧の低
下を引き起こしているものと考えられるためである。

このことは、テクスチャ透明導電膜を使用する光起電力
装置に於て大きな課題となる。なぜなら、単に前記開放
電圧を向上せしめようと前記膜厚Ｂを厚くする、即ち、
前記成膜時間を長くすると、前記膜厚Ａも同時に厚くす
ることとなり、結果として、前記光起電力装置の短絡光
電流の低下を引き起こす。つまり、前記ｐ層の膜厚増加
は、入射光の内の短波長光に対する感度を低下させるこ
ととなるためである。

このような理由から本発明の目的とするところは、前記
テクスチャ透明導電膜を採用した光起電力装置に於て、
前記開放電圧の低下を抑制するとともに、短絡電流の向
上をも同時に実現する光起電力装置を提供することにあ
る。

（ニ）　　課題を解決するための手段 本発明光起電力装置の特徴とするところは、基板の主面
上に透光性導電膜及び光感度を有する半導体膜が被着形
成されて成る光起電力装置に於て、前記透光性導電膜の
前記半導体膜側の表面には、角錐台又は角錐の形状の凸
部を有する凹凸形状が設けられているとともに、前記角
錐台又は角錐の稜線と前記主面の垂線との成す交差角が
３０度以上６０度以下とし、且つ前記主面に対し垂直方
向の、前記角錐台又は角錐の高さが１０００Å以上３０
００Å以下としたことにある。

（ホ）　作用 前記基板上に、多数の微細な凹凸形状が設けられ、且つ
その凹凸形状の内、その凸部が角錐台又は角錐の形状を
有するとともに、該角錐台又は角錐の稜線と前記基板の
主面の垂線とが成す交差角が３０度以上６０度以下とな
るように形成することにより、前述したテクスチャ透明
導電膜上におけるｐ層の膜厚Ａと膜厚Ｂとの差を減少せ
しめることが可能となり、開放電圧の低下を抑制できる
。

さらに、前記角錐台又は角錐の形状を採用することは、
前記透光性導電膜の凹凸の程度を軽減することとなるた
め、かがる状態のままでは、光起電力装置としての短絡
光電流の低下が生じる。そこで、前記主面に対し垂直方
向の、前記角＃台又は角錐の高さを１０００Å以上３０
００Å以下となるように形成することにより、当該光起
電力装置に入射した光の散乱が向上し、前述の開放電圧
の低下抑制と同時に、前記短絡光電流の向上を達成でき
ることになる。

（へ）　実施例 第１図は、本発明光起電力装置の一実施例を説明するた
めの素子構造図である。

図中の（１）はガラスなどから成る基板、（２）は本発
明の特徴である凹凸形状を有した透光性導電膜、（３）
は光感度を有する半導体膜、（４）は金属膜などからな
る背面電極であり、特に半導体膜（３）は光電変換層と
するために、（３ａ）のｐ型半導体層、（３ｂ）のバッ
ファ層、（３ｃ）のｉ型半導体層、（３ｄ）のｎ型半導
体層からなる。

これらのうちで透光性導電膜（２）以外は、光起電力装
置に於て従来周知のものである。以下では実施例に沿っ
て、透光性導電膜（２）を詳述する。

前記光起電力装置の製作においては、まず、基板（１）
を熱ＣＶＤ装置に配置し、基板温度として３５０〜５５
０℃の範囲に設定する。次に、窒素ガスによってバブリ
ングされたＳ　ｎ　ＣＩ　４と、酸素ガス、及びＣＦ、
Ｂｒガスを第１表に示す流量で混合し、それを基板（１
）の表面に流すことにより該表面に凹凸形状を有するＳ
ｎＯ，膜が形成される。

斯る凹凸形状とは、ＳｎＯ，膜の結晶粒に起因するもの
であるために、その凸部は底辺を多角形とする角錐台又
は角錐の形状となる。当該ＳｎＯ２膜においては、前述
した形成条件を制御することによりこれら形状、特にこ
れらの断面形状である台形または三角形の、斜辺の角度
及び高さを任意に変化させることが可能となる。

第１表 次に、従来周知のプラズマＣＶＤ法によって、半導体膜
（３）を形成する。

そして、最後にアルミニュウムなどの金属膜を背面電極
（４）として形成し完成する。

次に、実施例光起電力装置に於る前記透光性導電膜（２
）の前記角錐台又は角錐の稜線が作る基板（１）の主面
の垂線との交差角と、該光起電力装置の特性との相関を
説明する。

第２図は前記交差角を説明するための模式図であり、第
３図は前記交差角と、前記光起電力装置の変換効率及び
開放電圧との関係を示す特性図である。光の照射条件は
、ＡＭｌ、５．１００＋ｎＷ／ｃｍ’である。第２図で
示される（５）は透光性導電膜（２）の凸部の稜線、（
６）は基板（１）の表面に対する垂線である。

ここで言う前記交差角とは、αで示される、稜線（５）
と垂線（６）とによって作られる角度である。

第３図で示されるように、前記交差角を３０度以上とす
ることによって、前記開放電圧が著しく向上し、それに
伴って前記変換効率も大きく向上している。一方、前記
交差角をさらに大きくしても前記開放電圧はほぼ一定で
あるのにも係わらず前記変換効率は緩やかに減少する。

これは、前記交差角の増大により短絡光電流が減少する
ためで、全体として変換効率が低下している。

従って、本発明光起電力装置に於ては、実用上前記交差
角を３０度以上６０度以下とすることが好ましい。斯る
範囲のＳｎＯ，膜の形成条件としては、例えば、前記交
差角を３５度とする場合、基板温度を５００℃とし、Ｓ
　ｎ　ＣＩ　ｓを０．７　（ｇ／ｍ１ｎ）０．ガスを０
．４（１／ｍ１ｎ）、　　ＣＦ　、Ｂ　ｒガスを０．５
−３（１／ｍ１ｎ）することによって製作することがで
きる。

次に、前記角錐台又は角錐が作る高さと、光起電力装置
の特性との相関について詳述する。

ここで言う前記高さとは、前記基板の垂直方向に対する
、前記角錐台又は角錐の最高部と、最低部との距離であ
る。

第４図は、前記高さと、変換効率及び開放電圧との関係
を示す特性図である。当該光起電力装置の前記交差角は
３５度であり、光の照射条件は、ＡＭｌ、ｓｌ　１００
ｍＷ／ｃｍ”である。

同図によれば、開放電圧の面では、前記高さが５００〜
３５００人の範囲内において、いずれも大きな値を示し
ている。一方、変換効率については、前記高さを１００
０人よりも小さくすると場合、その値が急激に低下する
。また、３０００Å以上とすると、その値は漸次減少す
る。斯る原因は、前記高さが小さい領域では、前記凹凸
形状が弱く入射光の乱反射が不十分となり短絡光電流の
値が小さくなってしまう、一方、前記高さの大きい領域
では、前記非晶質シリコンなどが、薄膜であることから
十分に透光性導電膜上に形成できず、結局全体的な特第
３図 性力化が生じるためである。

従って、前記高さを１０００Å以上３０００Å以下の範
囲とすることが好適である。

（１・）　　発明の効果 本発明光起電力装置によれば、微細な凹凸形状を有する
透光性導電膜を採用しても、該光起電力装置の開放電圧
値を低下させることなく短絡光電流を向上せしめること
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明光起電力装置の素子構造断面図、第２図
は交差角を説明するための模式断面図、第３図は前記光
起電力装置の変換効率及び開放電圧と、前記交差角との
関係を示す特性図、第４図は前記光起電力装置の変換効
率及び開放電圧と、前記高さとの関係を示す特性図、第
５図はｐ層の成膜時間と光起電力装置の開放電圧との関
係を示す特性図、第６図は、膜厚方向を説明するための
模式断面図である

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板の主面上に透光性導電膜及び光感度を有する
   半導体膜が被着形成されて成る光起電力装置に於て、前
   記透光性導電膜の前記半導体膜側の表面には、角錐台又
   は角錐の形状の凸部を有する凹凸形状が設けられている
   とともに、前記角錐台又は角錐の稜線と前記主面の垂線
   との成す交差角が３０度以上６０度以下とし、且つ前記
   主面に対し垂直方向の、前記角錐台又は角錐の高さが１
   ０００Å以上３０００Å以下としたことを特徴とする光
   起電力装置。