JPH0575154A - 光起電力装置 - Google Patents

光起電力装置

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JPH0575154A
JPH0575154A JP3234899A JP23489991A JPH0575154A JP H0575154 A JPH0575154 A JP H0575154A JP 3234899 A JP3234899 A JP 3234899A JP 23489991 A JP23489991 A JP 23489991A JP H0575154 A JPH0575154 A JP H0575154A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 従来有効に利用できなかった光をより有効に
使用することによって、光起電力装置の特性を向上せし
めることを目的とする。 【構成】 光電変換層(3)に被着形成される裏面側透明
電極(4)(6)内に光散乱物質(5)を含有させることによっ
て、一旦光電変換層(3)内を通過した入射光(8)が有効に
散乱され再びその光電変換層(3)内に入射する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光エネルギーを電気エ
ネルギーに変換する光起電力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】光起電力装置の特性を評価するものの一
つに、光エネルギーから電気エネルギーへの変換の割合
を示す変換効率がある。
【０００３】従来、この変換効率を向上させるための方
法としては、光電変換の中心的役割を担う半導体層の膜
厚を厚くすることにより入射光をできるだけ吸収しよう
とするものや、元来光を利用する装置であることから少
なくとも一方の電極を必然的に透明電極とする必要があ
るため、その透明電極の材質として高品質なものとする
ことで電気的抵抗を小さくし、光キャリア取り出しのた
めの損失を低減させるものなどがある。
【０００４】しかしながら、これら諸方法は、いずれも
多くの要素の兼ね合いによって設計すべき事項であるこ
とから根本的な解決には至らない。
【０００５】これに対し変換効率の向上に特に有効とさ
れ、且つ実施されているものに、光起電力装置で使用さ
れる支持基板上に凹凸を設ける方法がある。
【０００６】図３は、従来の、支持基板上に凹凸を設け
た光起電力装置の素子構造図である。図中の(31)はガラ
スなどからなる透光性基板、(32)はこの光起電力装置の
一方の電極で表面に凹凸が設けられた酸化インジュウム
錫などからなる表面側透明電極、(33)は光エネルギーを
電気エネルギーに変換する光電変換層、(34)は金属など
からなる裏面電極である。
【０００７】従来例の光電変換層(33)は周知の非晶質シ
リコン膜を使用し、その層構造は、ｐ型非晶質シリコン
(33p)、ｉ型非晶質シリコン(33i)そしてｎ型非晶質シリ
コン(33n)の三層構造からなる。
【０００８】斯る光起電力装置の動作機構は、以下の如
くである。
【０００９】この光起電力装置に光(35)が透光性基板(3
1)の側から入射すると、光(35)は表面側透明電極(32)を
通過し光電変換層(33)に進入する。この際、光(35)は表
面側透明電極(32)の表面(32a)の凹凸によって散乱さ
れ、たとえそれまで透光性基板(31)の表面に対して垂直
に入射した光であっても、この散乱によって進行方向が
曲げられることとなる。
【００１０】その結果、光(35)は、光電変換層(33)を斜
めに通過することとなり実質的な走行路長が長くなる。
このことは、光(35)が光電変換層(33)において吸収され
る量を多くするように作用し、変換効率の向上が実現で
きる。特に、斯る効果は長波長光の吸収効率を高めるの
に有効である。
【００１１】斯る技術内容に関しては、例えばTechnica
l Digest of the International PVSEC-5,Kyoto,Japan,
1990,pp261〜264に詳細に記載されている。
【００１２】しかし、表面側透明電極(32)の表面(32a)
を凹凸とする方法は変換効率を確実に向上させるもので
あるが、未だ十分な光吸収をもたらすものではない。こ
れは、この透光性基板(31)から光電変換層(33)への一度
の光通過によっては、長波長光の吸収を十分に行うこと
ができないからである。
【００１３】斯る問題を解決するには、裏面電極(34)に
まで至った光(35)をこの裏面電極(34)によって反射し再
び光電変換層(33)を通過させ、引いては入射した光が表
面側透明電極(32)と裏面電極(34)間で多数回反射させる
ことによって実効的な光行路長を長くする必要がある。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】この様な多数回の反射
を効率的に行うには、裏面電極(34)の表面にも光を散乱
させるための凹凸形状を備えることが考えられる。
【００１５】しかしながら、図３のように表面側透明電
極(32)の表面に凹凸を設けても、以後に形成される光電
変換層(33)などによってこの凹凸の程度は次第に緩やか
となり、裏面電極(34)までに至っては十分な凹凸形状で
なくなってしまう。
【００１６】これに対しこの凹凸が光電変換層(33)等が
形成された以後でも十分な凹凸の程度を保持できるよう
に、極めて大きな凹凸形状を表面側透明電極(32)の表面
に設けることも考えられるが、光電変換層(33)で使用す
るｐ型非晶質シリコン(33p)やｎ型非晶質シリコン(33n)
はいずれも膜厚が高々数１００Å程度のものであること
から、その下地となる表面側透明電極(32)の凹凸の程度
が大きすぎると、これら膜は膜状態とならず島状態とな
ってしまい光電変換層(33)としての機能が急激に低下し
てしまう。
【００１７】
【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、透光性基板上に、表面側透明電極、
光電変換層、裏面側透明電極さらには光反射層を順次積
層形成されて成る光起電力装置において、前記裏面側透
明電極内に光散乱物質を含有することにある。
【００１８】
【作用】光電変換層上に形成される裏面側透明電極内に
光散乱物質を含有せしめることによって、光電変換層で
吸収されることなく通過して来た光をこの光散乱物質に
よって積極的に散乱させ、効率的に再び光電変換層内に
光を走行させることができる。
【００１９】特に、この散乱は不特定方向に光を散乱さ
せることとなることから、前述したように光電変換層に
斜めにその散乱光を走行させることができることとなり
長波長光の吸収が有効に行える。
【００２０】また、この光散乱物質を含有した裏面側透
明電極に光反射層を膜形成面側に被着形成しているた
め、光散乱物質によって散乱されなかった光は、この光
反射層によって反射され再び光電変換層の方へ走行する
こととなる。
【００２１】特に、光電変換層内を通過し裏面側透明電
極まで到達した光は、主にその光電変換層ではそもそも
吸収されにくい長波長光が主であることから、従来使用
されている表面側透明電極の凹凸による光散乱では不十
分で、本発明の裏面側透明電極内の光散乱物質による散
乱によって十分長い走行路長を光電変換層内に確保する
ことができることとなる。
【００２２】
【実施例】図１は、本発明光起電力装置の実施例の素子
構造図である。
【００２３】図中の(1)はガラス、石英などの透光性基
板、(2)は透光性基板(1)上に被着形成された酸化錫、酸
化インジュウム錫などからなる表面側透明電極（膜厚５
０００Å〜２μｍ）でその表面には凹凸形状が設けられ
ている。(3)は非晶質シリコンからなる光電変換層で、
ｐ型非晶質シリコンカーバイド（膜厚５０Å〜２００
Å）(3p)、ｉ型非晶質シリコン（膜厚２０００Å〜１μ
ｍ）(3i)、そしてｎ型非晶質シリコン（膜厚５０Å〜５
００Å）(3n)の三層構造からなる。(4)は第１の裏面側
透明電極（膜厚約５０００Å）で酸化錫、酸化インジュ
ウム錫あるいは酸化亜鉛などからなる。(5)は本発明の
特徴である光散乱物質で、本実施例では銀を使用した。
この光散乱物質(5)の含有状態を示す拡大図が図２で、
本例の銀は半球状で膜面内に点在している。この半球の
直径は約４００ｎｍ、その島間の距離は半球の中心間で
約１５００ｎｍである。(6)は第１の裏面側透明電極と
同質の材料からなる第２の裏面側透明電極（膜厚約１μ
ｍ）、(7)は銀などからなる光反射層である。
【００２４】従って、本例での光散乱物質は、２つの裏
面側透明電極(4)(6)に挟まれた状態となっている。
【００２５】なお、本例では第１・第２の裏面側透明電
極(4)(6)の他に光反射層(7)もその素材が導電性材料で
あることから光反射層(7)も裏面電極として機能するこ
ととなるが、本発明はこれに限られず光反射を行えるも
のであれば光反射層(7)として使用し得る。斯る場合に
あっては、第１・第２の裏面側透明電極のみが裏面電極
としての機能を担うこととなる。
【００２６】光散乱物質(5)以外は従来周知の材料であ
る。以下では、第１の裏面側透明電極(4)から第２の裏
面側透明電極(6)までの形成方法について詳細に説明す
る。
【００２７】第１の裏面側透明電極(4)は、スパッタ
法、蒸着法、ＣＶＤ法などのいずれの形成法によって行
ってもよく、特に下地材料となる光電変換層(3)に損傷
を与えないものであればよい。実施例では、スパッタ法
によって形成した膜厚１０〜１００００Å、好ましくは
１０００Å以下の酸化インジュウム錫を使用した。
【００２８】斯る膜厚の範囲は、本来透光性の材料であ
ることからある程度の膜厚でも構わないが必要以上に厚
くなると、やはり光損失の問題が発生する。従って、膜
厚の再現性や光損失の観点から上記範囲とするのが好ま
しくなる。光散乱物質(5)として使用した銀は、材料特
性として高い反射率を有する材料で実施例ではスパッタ
法によって形成した。表１はその形成条件を示してい
る。
【００２９】
【表１】
【００３０】この形成条件の特徴は、スパッタ時の基板
温度を高温としていることで、これにより、銀の薄膜を
堆積させるとともに基板からの熱エネルギーによって銀
薄膜を凝集させ半球状にするとともに第１の裏面側透明
電極(4)の表面に点在させる。
【００３１】次に、第２の裏面側透明電極(6)を約１μ
ｍ、さらに光反射層(7)として銀を膜状態となるように
約１５０℃以下の低温で形成する。
【００３２】尚、本例の構造では、第１の裏面側透明電
極(4)と第２の裏面側透明電極(6)との間に銀を含ませる
ために、これら２つの裏面側透明電極を使用したが、電
極としての機能は、これら二つの電極があわさって一つ
の裏面側透明電極となっている。従って、本発明光起電
力装置は、光散乱物質を含有するものであれば構造上一
つの裏面側透明電極であってもよいことは言うまでもな
い。
【００３３】光反射層(7)は、そもそも光散乱物質によ
って散乱されることなくこの光反射層(7)にまで到達し
た光をやはり反射によって再び光電変換層(3)に反射さ
せることを目的とするものであることから、高反射率を
有する銀を薄膜状態で使用した。
【００３４】従って、本発明光起電力装置では、入射し
た光(8)は、表面側透明電極(2)の表面で曲げられ光電変
換層(3)を通過した後、一部は反射層にまで至るものの
他の一部は光散乱物質(5)で効率的に散乱される。
【００３５】本発明光起電力装置を実施する際に重要な
パラメータとなるのは光散乱物質の大きさである。つま
り、従来十分活かすことができないでいた光を有効に利
用しようとするためには、光散乱物質の大きさが利用し
ようとする光の波長と適合した関係にある必要がある。
【００３６】例えば、本例で使用している酸化インジュ
ウム錫からなる第１及び第２の裏面側透明電極(4)(6)は
屈折率が通常約２であるため、その中を通過する光の波
長は実効的に約半分の長さの光であるかのごとく振る舞
う。そのため、本発明光起電力装置で有効に利用しよう
とする光の波長を６００〜８００ｎｍしたならばその半
分の大きさを有する光散乱物質を使用するのが好まし
い。
【００３７】従って、斯る大きさとしては、実施例で示
したような約４００ｎｍとすることが好適である。
【００３８】よって本発明光起電力装置では、有効に利
用しようとする光の波長に適合させて光散乱物質の大き
さを設計することがよい。但し、通常の光起電力装置で
は、各種波長が含まれた光を可能な限り発電に利用した
いことから、種々の光散乱物質の大きさを含めることに
よって本発明を実施してもよい。
【００３９】この場合では、好ましくは２００〜１００
０ｎｍ、最適な大きさとしては３００〜５００ｎｍとす
るのがよい。
【００４０】本発明光起電力装置の代表的な特性を従来
例と比較して表２に示す。従来例の光起電力装置は実施
例の構造のうち光散乱物質のみを省いた構造で他は同様
である。
【００４１】
【表２】
【００４２】同表には光起電力装置の代表的な特性項目
である開放電圧、短絡電流、曲率因子(F.F.)そして変換
効率が示されている。
【００４３】同表の数値から明らかなように実施例では
従来例と比較して、開放電圧や曲率因子ではその差は小
さいものの、短絡電流が１７．４から１８．３ｍＡ／ｃ
ｍ2へと約５％もの増加が実現できており、その結果変
換効率も１１．２から１１．８％へと約５％の向上が成
し得ている。
【００４４】このことから、従来有効に利用できていな
かった光が、本発明光起電力装置を採用することによっ
て十分発電に寄与していることが分る。
【００４５】また本発明光起電力装置は、従来よりも光
吸収が向上し得ることから、光電変換層の膜厚を通常よ
りも薄くすることによっても十分な機能を得ることがで
きることになる。
【００４６】このことは、光電変換層形成のための工程
が短縮できることとなり、光起電力装置としての生産性
が向上する。
【００４７】尚、本例では光散乱物質として銀を使用し
たが、本発明はこれに限るものではなく、裏面側透明電
極の素材、実施例では酸化インジュウム錫、と異なる屈
折率を有する材料であればどのようなものであってもよ
い。
【００４８】即ち、裏面側透明電極内で光の散乱が生じ
るものであれば原理的に本発明の作用効果を呈するもの
だからである。具体的には、裏面側透明電極と光散乱物
質の組合せとして、酸化錫と銅の組合せや、酸化亜鉛と
酸化シリコンなどか考えられる。
【００４９】また、光散乱物質の形成法として実施例で
は銀形成時に基板加熱による凝集作用を利用したが本発
明光起電力装置の製造にあってはこれに限られるもので
はなく、その他の方法に例えば従来周知のフォトリソ・
グラフィー技術によるエッチングにより光散乱物質を島
状に形成してもよい。
【００５０】更にまた、光散乱物質の形成と裏面側透明
電極の形成とを、実施例の如く別個の工程で形成するだ
けではなく、例えば裏面側透明電極である酸化インジュ
ウム錫を形成しつつ銀を蒸着させてもよい。斯る場合に
あっても銀の凝集作用を利用するのであればこれら蒸着
の際の基板温度を高温状態に保持すればよい。
【００５１】斯様な方法を使用したならば裏面側透明電
極内に広く光散乱物質を分布せしめることができること
となり、光散乱効果がより強化される。
【００５２】加えて、本発明光起電力装置は、非晶質シ
リコンを母材とする半導体に限られず、非晶質シリコン
ゲルマニュームや、非晶質セレン系、更には多結晶半導
体からなる半導体においても同様の効果を得ることがで
きるものであることは言うまでもない。
【００５３】
【発明の効果】本発明光起電力装置は、光電変換層上に
形成された裏面側透明電極内に光散乱物質を含有せしめ
ることによって、従来十分に利用できなかった光を散乱
させることでその光電変換層に多数回の光吸収の機会を
与えるものである。
【００５４】従って、本発明によれば、光起電力装置と
しての特性、特に短絡電流の増加、引いては変換効率の
増加をもたらす。
【００５５】また、利用したい光の波長に適合させて光
散乱物質の大きさを設計することによって、よりその効
果を大とすることが可能である。
【００５６】更に、この光散乱物質を使用による効果の
ために、従来よりも光電変換層の膜厚を薄くしても十分
な出力が得られるため、装置の生産性の向上が成し得
る。引いては非晶質シリコンを母材とする光電変換層を
使用した場合に問題となる光劣化を低減するという効果
も有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明光起電力装置を説明するための素子構造
断面図である。
【図２】前記光起電力装置の一部の拡大した構造断面図
である。
【図３】従来の光起電力装置を説明するための素子構造
断面図である。
【符号の説明】
(1)…透光性基板 (2)…表面側
透明電極 (3)…光電変換層 (4)…第一の
裏面側透明電極 (5)…光散乱物質 (6)…第二の
裏面側透明電極 (7)…光反射層 (8)…光

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 透光性基板上に、表面側透明電極、光電
    変換層、裏面側透明電極さらには光反射層を順次積層形
    成されて成る光起電力装置において、前記裏面側透明電
    極内に光散乱物質を含有せしめたことを特徴とする光起
    電力装置。
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