JPH0671090B2 - 光起電力デバイス - Google Patents
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- JPH0671090B2 JPH0671090B2 JP60137633A JP13763385A JPH0671090B2 JP H0671090 B2 JPH0671090 B2 JP H0671090B2 JP 60137633 A JP60137633 A JP 60137633A JP 13763385 A JP13763385 A JP 13763385A JP H0671090 B2 JPH0671090 B2 JP H0671090B2
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Classifications
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
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- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/52—PV systems with concentrators
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Description
【発明の詳細な説明】 薄膜のアモルファス（非晶質）半導体材料には結晶性材
料に比べて極立った利点がある。アモルファス半導体か
らは最近開発された大量生産工程によって容易にしかも
経済的に面積の大きい光応答デバイスを製造することが
できる。しかし、従来光応答性のアモルファスシリコン
をベースとする半導体は長時間光に曝しておくと経時的
にその性能が落ちてしまった。この過程は「光誘起劣
化」または「ステブラーロンスキ劣化」というが充分に
は理解されていない。光誘起劣化は、半導体と半導体の
結合が破壊されて材料のバンドギャップ中に欠陥状態が
生成するためであると思われる。この光誘起された欠陥
は約150℃の温度で数時間アニールすることで除去でき
る。
料に比べて極立った利点がある。アモルファス半導体か
らは最近開発された大量生産工程によって容易にしかも
経済的に面積の大きい光応答デバイスを製造することが
できる。しかし、従来光応答性のアモルファスシリコン
をベースとする半導体は長時間光に曝しておくと経時的
にその性能が落ちてしまった。この過程は「光誘起劣
化」または「ステブラーロンスキ劣化」というが充分に
は理解されていない。光誘起劣化は、半導体と半導体の
結合が破壊されて材料のバンドギャップ中に欠陥状態が
生成するためであると思われる。この光誘起された欠陥
は約150℃の温度で数時間アニールすることで除去でき
る。
アモルファス光起電力セル（光電池）半導体材料の品質
がよくなればなるほど光による劣化の度合は大きくな
る。このことは充分予想されることである。というの
は、アモルファス光電池半導体材料の品質があまりよく
ないものでは欠陥状態の数が最初からかなり多く、光を
照射した際の付加的な欠陥状態の形成は最初の欠陥状態
がこれより少ない良品質の材料の場合ほどには、大きな
変化を与えないからである。
がよくなればなるほど光による劣化の度合は大きくな
る。このことは充分予想されることである。というの
は、アモルファス光電池半導体材料の品質があまりよく
ないものでは欠陥状態の数が最初からかなり多く、光を
照射した際の付加的な欠陥状態の形成は最初の欠陥状態
がこれより少ない良品質の材料の場合ほどには、大きな
変化を与えないからである。
真性アモルファス半導体材料の層を含み、この層の片面
にｐ型半導体材料の層があり、反対側の片面にｎ型半導
体材料の層がある光起電力セルをpinセルという。本発
明者は、このようなセルでは光誘起劣化によって赤色応
答の減少に比べて青色応答が大きく減少するということ
を見い出した。すなわち、青色光照射下で測定した効率
は赤色光照射下で測定した効率より大幅に減少するので
ある。「青色光照射」とは約350〜550nmの波長を有する
光で照射することであり、「赤色光照射」とは約550〜7
50nmの波長を有する光で照射することである。青色光が
アモルファスシリコン合金材料によって赤色光よりずっ
と吸収されやすいことは知られている。実際、青色光は
pinセルの光活性領域すなわち真性領域の最初の100nmで
ほとんど全部が吸収されるが、赤色光は真性領域のもっ
と広い範囲で吸収される。したがって青色光照射では真
性領域の表面部分に荷電キャリアが高密度で発生する。
劣化した光電池において欠陥状態が高濃度で発生すると
効率が落ちるのと同様に、高密度のキャリアは再結合を
促進し光電池（光起電力セル）の効率が落ちる。
にｐ型半導体材料の層があり、反対側の片面にｎ型半導
体材料の層がある光起電力セルをpinセルという。本発
明者は、このようなセルでは光誘起劣化によって赤色応
答の減少に比べて青色応答が大きく減少するということ
を見い出した。すなわち、青色光照射下で測定した効率
は赤色光照射下で測定した効率より大幅に減少するので
ある。「青色光照射」とは約350〜550nmの波長を有する
光で照射することであり、「赤色光照射」とは約550〜7
50nmの波長を有する光で照射することである。青色光が
アモルファスシリコン合金材料によって赤色光よりずっ
と吸収されやすいことは知られている。実際、青色光は
pinセルの光活性領域すなわち真性領域の最初の100nmで
ほとんど全部が吸収されるが、赤色光は真性領域のもっ
と広い範囲で吸収される。したがって青色光照射では真
性領域の表面部分に荷電キャリアが高密度で発生する。
劣化した光電池において欠陥状態が高濃度で発生すると
効率が落ちるのと同様に、高密度のキャリアは再結合を
促進し光電池（光起電力セル）の効率が落ちる。
本発明においては、真性領域内の青色光照射で荷電キャ
リアが発生する深さを変えることによってアモルファス
半導体光電池の光誘起劣化の問題を解決しようとする。
本発明によると、青色光は赤色光と同様に真性領域全体
で吸収され、光によって生成された高密度の荷電キャリ
アかまたは長期間の照射によって生ずる欠陥に基づく再
結合が抑えられるものである。
リアが発生する深さを変えることによってアモルファス
半導体光電池の光誘起劣化の問題を解決しようとする。
本発明によると、青色光は赤色光と同様に真性領域全体
で吸収され、光によって生成された高密度の荷電キャリ
アかまたは長期間の照射によって生ずる欠陥に基づく再
結合が抑えられるものである。
均質な固体中を通る光の強度は指数関数的に減少する。
本発明においては、固体すなわち光起電力セルは該セル
の真性領域内での光の強度減少が指数関係より緩やかに
なるように構成されている。光起電力セルの真性層のバ
ンドギヤップにグレージングを付けることによって所望
の結果が得られる。すなわち、この層のバンドギヤップ
エネルギは光の透過乃至進行方向に沿って空間的に変化
している。真性領域の光入射面に近接する部分にはバン
ドギャップエネルギが比較的大きい（たとえば1.9eV）
領域を設け、真性領域内のこれより深い部分にはバンド
ギャップエネルギがこれより小さい（たとえば1.7eV）
領域を設ける。バンドギャップエネルギのグレージン乃
至空間的変化としては、滑らかな変化、急激で階段状の
変化、および滑らかな変化と急激な変化の任意の組み合
せなどがある。pin型光電池デバイスの真性層のバンド
ギャップエネルギにグレージングを付けると、青色光が
真性層のほぼ全体に亘って吸収されることになり、光に
よって生成された荷電キャリアの有効寿命が延びること
になる。この改良された光電池では欠陥状態すなわち光
誘起劣化に対する耐性が増大している。真性材料層全体
にグレージングを付ける必要はない。
本発明においては、固体すなわち光起電力セルは該セル
の真性領域内での光の強度減少が指数関係より緩やかに
なるように構成されている。光起電力セルの真性層のバ
ンドギヤップにグレージングを付けることによって所望
の結果が得られる。すなわち、この層のバンドギヤップ
エネルギは光の透過乃至進行方向に沿って空間的に変化
している。真性領域の光入射面に近接する部分にはバン
ドギャップエネルギが比較的大きい（たとえば1.9eV）
領域を設け、真性領域内のこれより深い部分にはバンド
ギャップエネルギがこれより小さい（たとえば1.7eV）
領域を設ける。バンドギャップエネルギのグレージン乃
至空間的変化としては、滑らかな変化、急激で階段状の
変化、および滑らかな変化と急激な変化の任意の組み合
せなどがある。pin型光電池デバイスの真性層のバンド
ギャップエネルギにグレージングを付けると、青色光が
真性層のほぼ全体に亘って吸収されることになり、光に
よって生成された荷電キャリアの有効寿命が延びること
になる。この改良された光電池では欠陥状態すなわち光
誘起劣化に対する耐性が増大している。真性材料層全体
にグレージングを付ける必要はない。
次に、本発明による具体例の光起電力デバイスを図面に
基づいて説明する。
基づいて説明する。
第１図は、各々がpin型セルである12a,12b,12cからなる
pin型光電池デバイス10（たとえば太陽電池のようなも
の）を示している。セル12aに隣接する基盤11はセル10
の１つの電極を形成している。基体（基盤）11はステン
レス鋼もしくはアルミニウムのような金属材料、ニッケ
ルのような電気鋳造した薄層部材、または電気伝導性の
電極層を有するガラスもしくは合成高分子のような絶縁
材料でよい。ある種の用途では、半導体材料を析着（堆
積）する前に酸化物の薄層および／または一連の基部接
点および／または反射層を基体11上に設ける必要があろ
う。本明細書中で使用する「基体」乃至「基盤」という
用語は予備的な加工によって付加されたあらゆる要素を
含むものとする。
pin型光電池デバイス10（たとえば太陽電池のようなも
の）を示している。セル12aに隣接する基盤11はセル10
の１つの電極を形成している。基体（基盤）11はステン
レス鋼もしくはアルミニウムのような金属材料、ニッケ
ルのような電気鋳造した薄層部材、または電気伝導性の
電極層を有するガラスもしくは合成高分子のような絶縁
材料でよい。ある種の用途では、半導体材料を析着（堆
積）する前に酸化物の薄層および／または一連の基部接
点および／または反射層を基体11上に設ける必要があろ
う。本明細書中で使用する「基体」乃至「基盤」という
用語は予備的な加工によって付加されたあらゆる要素を
含むものとする。
各セル12a,12b,12cは少なくとも１種のシリコンまたは
ゲルマニウム合金を含有するアモルファス半導体本体
（ボディ）で作られる。各半導体ボディはｎ型伝導性半
導体層20a,20b,20c、グレージングの付いたバンドギャ
ップを有する真性半導体層18a,18b,18cおよびｐ型伝導
半導体層16a,16b,16cを有している。第１図に示されて
いるようにセル12bは中間セルであり、本発明の思想ま
たは範囲を逸脱することなく図示したセルにさらに中間
セルを積層してもよい。
ゲルマニウム合金を含有するアモルファス半導体本体
（ボディ）で作られる。各半導体ボディはｎ型伝導性半
導体層20a,20b,20c、グレージングの付いたバンドギャ
ップを有する真性半導体層18a,18b,18cおよびｐ型伝導
半導体層16a,16b,16cを有している。第１図に示されて
いるようにセル12bは中間セルであり、本発明の思想ま
たは範囲を逸脱することなく図示したセルにさらに中間
セルを積層してもよい。
透明な導電性酸化物（TCO）層22（好ましい態様ではイ
ンジウム−スズ酸化物からなる）がセル12c上に配置さ
れて第２の電極を形成している。金属製電極グリッド24
を層22に設けると集電効率の点で好ましい。
ンジウム−スズ酸化物からなる）がセル12c上に配置さ
れて第２の電極を形成している。金属製電極グリッド24
を層22に設けると集電効率の点で好ましい。
荷電キャリアの再結合は、光電池デバイスの変換効率の
損失を決定する主要な因子である。pin型光電池の場合
真性半導体の光入射面に近い領域では荷電キャリアのう
ち正孔が少ないのでこの領域での荷電キャリアの再結合
は正孔寿命によって制御されることが見い出された。pi
n光電池デバイスに対する実験室での観測およびコンピ
ューターシミュレーションによって、正孔の有効寿命は
正孔を発生させる入射光（放射線）の波長に依存するこ
とが決定された。赤色光で発生する正孔の有効寿命は青
色光で発生する正孔の有効寿命より長い。アモルファス
シリコン光電池内の半導体材料は通常極めて薄いので固
有キャリア寿命のようなバルク特性は明らかではない。
したがってこのような光電池の荷電キャリアについて論
ずるときには「有効キャリア寿命」を考えるのが正確で
ある。
損失を決定する主要な因子である。pin型光電池の場合
真性半導体の光入射面に近い領域では荷電キャリアのう
ち正孔が少ないのでこの領域での荷電キャリアの再結合
は正孔寿命によって制御されることが見い出された。pi
n光電池デバイスに対する実験室での観測およびコンピ
ューターシミュレーションによって、正孔の有効寿命は
正孔を発生させる入射光（放射線）の波長に依存するこ
とが決定された。赤色光で発生する正孔の有効寿命は青
色光で発生する正孔の有効寿命より長い。アモルファス
シリコン光電池内の半導体材料は通常極めて薄いので固
有キャリア寿命のようなバルク特性は明らかではない。
したがってこのような光電池の荷電キャリアについて論
ずるときには「有効キャリア寿命」を考えるのが正確で
ある。
第２図はpin光電池デバイスの真性半導体層内の種々の
位置における正孔（または電子）の寿命をグラフで表わ
したものである。曲線Ａは赤色光照射で発生する正孔を
示し、曲線Ｂは青色光照射で発生する正孔を示してい
る。第２図はpin光電池デバイスにｎ型層を通して1016
光子/cm2の量で照射した場合のコンピューターシミュレ
ーションで得られた結果である。横軸には光電池の真性
半導体層内部の位置をμ単位でプロットしてある。縦軸
は秒単位で測定される正孔寿命の対数である。アモルフ
ァスシリコン合金材料の真性層は赤色光に対しては２×
103cm-1の吸収係数を有すると決定された。同様に曲線
Ｂは青色光（放射線）を吸収してアモルファスシリコン
合金材料の真性層内に発生した正孔の寿命を表わしてい
る。青色光の吸収係数は２×105cm-1と決定された。
位置における正孔（または電子）の寿命をグラフで表わ
したものである。曲線Ａは赤色光照射で発生する正孔を
示し、曲線Ｂは青色光照射で発生する正孔を示してい
る。第２図はpin光電池デバイスにｎ型層を通して1016
光子/cm2の量で照射した場合のコンピューターシミュレ
ーションで得られた結果である。横軸には光電池の真性
半導体層内部の位置をμ単位でプロットしてある。縦軸
は秒単位で測定される正孔寿命の対数である。アモルフ
ァスシリコン合金材料の真性層は赤色光に対しては２×
103cm-1の吸収係数を有すると決定された。同様に曲線
Ｂは青色光（放射線）を吸収してアモルファスシリコン
合金材料の真性層内に発生した正孔の寿命を表わしてい
る。青色光の吸収係数は２×105cm-1と決定された。
アモルファスシリコン合金材料の青色光吸収係数は赤色
光の場合より二桁大きい。このため、青色光の吸収はほ
とんどが真性領域の光入射面の付近（すなわち100nm以
内）で起こる。赤色光の吸収は真性層全体に亘って青色
光より均一に起こる。この真性材料内での差動光吸収の
結果として光子の吸収によって発生する正孔の差動分布
が生じる。
光の場合より二桁大きい。このため、青色光の吸収はほ
とんどが真性領域の光入射面の付近（すなわち100nm以
内）で起こる。赤色光の吸収は真性層全体に亘って青色
光より均一に起こる。この真性材料内での差動光吸収の
結果として光子の吸収によって発生する正孔の差動分布
が生じる。
真性層の青色光に対する吸収特性を赤色光の吸収特性に
更に近付けることができれば赤色光と青色光で発生する
正孔の有効寿命はほぼ同じになるであろう。これらの有
効寿命がほとんど同じになると光誘起劣化による効率の
損失は更に小さくなる。
更に近付けることができれば赤色光と青色光で発生する
正孔の有効寿命はほぼ同じになるであろう。これらの有
効寿命がほとんど同じになると光誘起劣化による効率の
損失は更に小さくなる。
第３図はpin型光電池デバイス内の種々の位置における
正孔（または電子）の再結合速度を劣化および未劣化半
導体材料両者の場合の赤色光と青色光と両者について示
すグラフである。光誘起劣化は、最小の状態密度と再結
合中心の荷電キャリア捕捉断面積との両方を一桁だけ増
大することによってコンピュータでシミュレーションし
た。曲線ＤとＥとはそれぞれ赤色光と青色光との照射下
での未劣化光電池デバイスの正孔再結合速度を表わして
いる。曲線ＦとＧはそれぞれ赤色光と青色光の照射下で
の劣化したデバイスの正孔再結合速度を表わしている。
赤色光照射下で未劣化デバイスが示す最低の正孔再結合
速度は、真性層とドープ層の間の境界面付近の中間部分
で生じる界面欠陥に起因する変化を無視すると真性層の
厚み全体に亘って比較的一定である。赤色光照射下の正
孔再結合速度は光誘起劣化後でも比較的一定で比較的低
く保たれている。未劣化デバイスを毎秒約1016光子/cm2
の赤色光で照射すると約0.9mAの短絡電流が発生したの
に対し、劣化した光電池デバイスでは0.68mAの短絡電流
が生じた。
正孔（または電子）の再結合速度を劣化および未劣化半
導体材料両者の場合の赤色光と青色光と両者について示
すグラフである。光誘起劣化は、最小の状態密度と再結
合中心の荷電キャリア捕捉断面積との両方を一桁だけ増
大することによってコンピュータでシミュレーションし
た。曲線ＤとＥとはそれぞれ赤色光と青色光との照射下
での未劣化光電池デバイスの正孔再結合速度を表わして
いる。曲線ＦとＧはそれぞれ赤色光と青色光の照射下で
の劣化したデバイスの正孔再結合速度を表わしている。
赤色光照射下で未劣化デバイスが示す最低の正孔再結合
速度は、真性層とドープ層の間の境界面付近の中間部分
で生じる界面欠陥に起因する変化を無視すると真性層の
厚み全体に亘って比較的一定である。赤色光照射下の正
孔再結合速度は光誘起劣化後でも比較的一定で比較的低
く保たれている。未劣化デバイスを毎秒約1016光子/cm2
の赤色光で照射すると約0.9mAの短絡電流が発生したの
に対し、劣化した光電池デバイスでは0.68mAの短絡電流
が生じた。
正孔再結合速度は未劣化のデバイス（曲線Ｅ）でかなり
高いが劣化後（曲線Ｇ）の正孔再結合速度はずっと高
い。したがって、青色光で発生した荷電キャリアの再結
合速度は真性層内で大きく変化し、真性層の最初の1/3
で正孔再結合速度が最高である。この高い正孔再結合速
度は光によって誘起される効率の損失に反映される。曲
線Ｅで表わされる未劣化デバイスを毎秒1016コ/cm2の光
子で照射すると1.14mAの短絡電流が生じるが光誘起劣化
したデバイスでは同じ条件下で短絡電流はたった0.11mA
だけしか生じない。この差は効率の90％損失に相当す
る。
高いが劣化後（曲線Ｇ）の正孔再結合速度はずっと高
い。したがって、青色光で発生した荷電キャリアの再結
合速度は真性層内で大きく変化し、真性層の最初の1/3
で正孔再結合速度が最高である。この高い正孔再結合速
度は光によって誘起される効率の損失に反映される。曲
線Ｅで表わされる未劣化デバイスを毎秒1016コ/cm2の光
子で照射すると1.14mAの短絡電流が生じるが光誘起劣化
したデバイスでは同じ条件下で短絡電流はたった0.11mA
だけしか生じない。この差は効率の90％損失に相当す
る。
曲線Ｄ〜Ｇで光誘起劣化によるデバイスの効率損失は主
として青色光応答の損失に起因する。このような損失は
真性材料層の光入射側の最初のほぼ100nm以内で最もは
げしく、赤色光吸収に比べて青色光の吸収が大きいこと
に相関を有する。
として青色光応答の損失に起因する。このような損失は
真性材料層の光入射側の最初のほぼ100nm以内で最もは
げしく、赤色光吸収に比べて青色光の吸収が大きいこと
に相関を有する。
本発明においては、真性層を形成する半導体材料のバン
ドギャップエネルギにグレージングを付けることによっ
て青色光と赤色光両方の一様な吸収を促進する。入射光
はデバイスの真性領域の厚み全体に対し以前よりも深く
入り込んで吸収され、光入射面付近での高密度の荷電キ
ャリアの生成が回避される。換言すると、真性領域の厚
み全体に亘って荷電キャリアを分配することによって光
電池デバイスの安定性が増大する。
ドギャップエネルギにグレージングを付けることによっ
て青色光と赤色光両方の一様な吸収を促進する。入射光
はデバイスの真性領域の厚み全体に対し以前よりも深く
入り込んで吸収され、光入射面付近での高密度の荷電キ
ャリアの生成が回避される。換言すると、真性領域の厚
み全体に亘って荷電キャリアを分配することによって光
電池デバイスの安定性が増大する。
第４図はpin型光電池デバイスの真性領域のバンドギャ
ップエネルギを本発明に従って変化させた例を示すグラ
フである。従来技術の光電池デバイスでは図に破線Ｈで
示したように真性領域全体に亘ってバンドギャップエネ
ルギは一定である。本発明においては真性層のバンドギ
ャップエネルギには一定の変化割合でまたは階段状にグ
レージングが付けてある。曲線Ｊはバンドギャップに滑
らかに変化するグレージングが付けてある真性半導体材
料を示す。曲線Ｊで示されている真性半導体材料層のバ
ンドギャップエネルギはｎ型層−真性層境界面での最大
初期値からこの真性層の全厚みのほぼ1/3の点での破線
Ｈで示された最低値まで直線的に変化している。別の態
様（図には示していない）においてはバンドギャップエ
ネルギは曲線Ｊで示したのと同様に滑らかに変化するが
直線的ではなく、たとえば真性半導体材料の厚みと共に
変わるバンドギャップエネルギは指数関数的であろう。
ップエネルギを本発明に従って変化させた例を示すグラ
フである。従来技術の光電池デバイスでは図に破線Ｈで
示したように真性領域全体に亘ってバンドギャップエネ
ルギは一定である。本発明においては真性層のバンドギ
ャップエネルギには一定の変化割合でまたは階段状にグ
レージングが付けてある。曲線Ｊはバンドギャップに滑
らかに変化するグレージングが付けてある真性半導体材
料を示す。曲線Ｊで示されている真性半導体材料層のバ
ンドギャップエネルギはｎ型層−真性層境界面での最大
初期値からこの真性層の全厚みのほぼ1/3の点での破線
Ｈで示された最低値まで直線的に変化している。別の態
様（図には示していない）においてはバンドギャップエ
ネルギは曲線Ｊで示したのと同様に滑らかに変化するが
直線的ではなく、たとえば真性半導体材料の厚みと共に
変わるバンドギャップエネルギは指数関数的であろう。
本発明の別の態様では真性層のバンドギャップに曲線Ｋ
で示されているように急激にすなわち階段状にグレージ
ングが付けられている。曲線Ｋは２つのレベルのバンド
ギャップエネルギ（すなわち１段）を示しているが、バ
ンドギャップエネルギを便利と思われるだけの大きさの
数の段数を用いて変化させてもよい。曲線ＪとＫは真性
半導体層の全厚みの１部のみでグレージングを付けられ
たバンドギャップエネルギを示している。青色光の吸収
を拡大するために真性層の全厚みに亘ってバンドギャッ
プにグレージングを付ける必要はない。真性層の最初の
100〜200nmのバンドギャップにグレージングを付けると
所望の吸収が促進されて安定性の改良が確保される。
で示されているように急激にすなわち階段状にグレージ
ングが付けられている。曲線Ｋは２つのレベルのバンド
ギャップエネルギ（すなわち１段）を示しているが、バ
ンドギャップエネルギを便利と思われるだけの大きさの
数の段数を用いて変化させてもよい。曲線ＪとＫは真性
半導体層の全厚みの１部のみでグレージングを付けられ
たバンドギャップエネルギを示している。青色光の吸収
を拡大するために真性層の全厚みに亘ってバンドギャッ
プにグレージングを付ける必要はない。真性層の最初の
100〜200nmのバンドギャップにグレージングを付けると
所望の吸収が促進されて安定性の改良が確保される。
本発明の光電池デバイスは、スパッタリング、蒸発、化
学蒸着またはグロー放電堆積を含めていくつかの公知の
薄膜析着法のいずれによっても製造し得る。
学蒸着またはグロー放電堆積を含めていくつかの公知の
薄膜析着法のいずれによっても製造し得る。
窒素、酸素、フッ素および炭素を含めてある種の元素は
単独でまたは組み合せて使用するとアモルファスシリコ
ンおよびゲルマニウム合金材料のバンドギャップを広げ
ることができる。したがって、本発明の改良され安定性
の向上した光電池デバイスを製造するには、真性層が析
着されている際にpin光電池デバイスの真性層のアモル
ファス半導体合金材料中に１種以上のバンドギャップを
拡大する元素を増量しながら導入するとよい。これとは
別に、バンドギャップを狭める元素、たとえばゲルマニ
ウム、スズ、鉛およびこれらの混合物を使用してアモル
ファス半導体材料たとえばシリコンおよびゲルマニウム
合金のバンドギャップを狭めてもよい。この後者の方法
でバンドギャップのグレージングを行なうには、半導体
材料の真性層を析着しているときにこれにバンドギャッ
プを狭める元素を減量しながら添加する。
単独でまたは組み合せて使用するとアモルファスシリコ
ンおよびゲルマニウム合金材料のバンドギャップを広げ
ることができる。したがって、本発明の改良され安定性
の向上した光電池デバイスを製造するには、真性層が析
着されている際にpin光電池デバイスの真性層のアモル
ファス半導体合金材料中に１種以上のバンドギャップを
拡大する元素を増量しながら導入するとよい。これとは
別に、バンドギャップを狭める元素、たとえばゲルマニ
ウム、スズ、鉛およびこれらの混合物を使用してアモル
ファス半導体材料たとえばシリコンおよびゲルマニウム
合金のバンドギャップを狭めてもよい。この後者の方法
でバンドギャップのグレージングを行なうには、半導体
材料の真性層を析着しているときにこれにバンドギャッ
プを狭める元素を減量しながら添加する。
本発明の１具体例であるpin型光電池デバイスをグロー
放電析着技術によって製造した。厚みが20nm未満のｐ形
にドープされた半導体層をステンレス鋼基体上に析着さ
せた。これには、シラン、水素およびジボランガスから
なる気体混合物に約66.7Paのガス圧で約13.56MHzのラジ
オ周波数エネルギを適用するグロー放電分解を用いた。
ｐドープ層の堆積（析着）完了後析着チャンバをパージ
し、真性アモルファスシリコン合金材料層の析着用のプ
ロセスガス混合物を入れた。真性層の前駆体プロセスガ
ス混合物はシランと水素からなり、析着チャンバ内圧力
は約66.7Paに保った。プロセスガス混合物の分解と真性
半導体合金層の析着を開始させるにはラジオ周波数エネ
ルギをかけた。その後真性アモルファスシリコン合金材
料が約400nm析着するまでエネルギーを適用した。この
時点で存在するシラン量の30％（△）に等しいアンモニ
アを析着チャンバ内に入れ、真性アモルファスシリコ
ン：窒素合金材料が約100nmまで析着されて付加される
まで析着工程を続行した。このようにして、真性アモル
ファスシリコン合金材料が約400nmでアモルファスシリ
コン：窒素合金材料が約100nmのグレージングの付いた
バンドギャップ構造が析着された。グレージングの付い
た真性半導体層の析着後、この真性半導体層上にｎドー
プアモルファスシリコン合金材料層を約20nm未満の厚さ
で析着させた。これはシラン、水素およびホスフィンか
らなるプロセスガス混合物のグロー放電分解によった。
続いて反応性蒸発プロセスによってインジウム−スズ酸
化物の透明電極をｎドープ半導体合金材料層上に析着さ
せた。
放電析着技術によって製造した。厚みが20nm未満のｐ形
にドープされた半導体層をステンレス鋼基体上に析着さ
せた。これには、シラン、水素およびジボランガスから
なる気体混合物に約66.7Paのガス圧で約13.56MHzのラジ
オ周波数エネルギを適用するグロー放電分解を用いた。
ｐドープ層の堆積（析着）完了後析着チャンバをパージ
し、真性アモルファスシリコン合金材料層の析着用のプ
ロセスガス混合物を入れた。真性層の前駆体プロセスガ
ス混合物はシランと水素からなり、析着チャンバ内圧力
は約66.7Paに保った。プロセスガス混合物の分解と真性
半導体合金層の析着を開始させるにはラジオ周波数エネ
ルギをかけた。その後真性アモルファスシリコン合金材
料が約400nm析着するまでエネルギーを適用した。この
時点で存在するシラン量の30％（△）に等しいアンモニ
アを析着チャンバ内に入れ、真性アモルファスシリコ
ン：窒素合金材料が約100nmまで析着されて付加される
まで析着工程を続行した。このようにして、真性アモル
ファスシリコン合金材料が約400nmでアモルファスシリ
コン：窒素合金材料が約100nmのグレージングの付いた
バンドギャップ構造が析着された。グレージングの付い
た真性半導体層の析着後、この真性半導体層上にｎドー
プアモルファスシリコン合金材料層を約20nm未満の厚さ
で析着させた。これはシラン、水素およびホスフィンか
らなるプロセスガス混合物のグロー放電分解によった。
続いて反応性蒸発プロセスによってインジウム−スズ酸
化物の透明電極をｎドープ半導体合金材料層上に析着さ
せた。
バンドギャップにグレージングを付けた真性層を特に有
する１対のpin型光電池デバイスをグロー放電析着によ
って製造した。このデバイスはステンレス鋼基体上に形
成された層集合体を有していた。各々の層集合体は、シ
ランとジボランの混合物のグロー放電分解で製造した厚
さが約10nmのｐ型半導体材料層と、シランとホスフィン
のグロー放電分解によって製造した厚さが約10nmのｎ型
半導体材料層とを含んでいた。ｐ型層とｎ型層の間には
本発明のグレージングの付いたバンドギャップを有する
真性半導体材料層が配置されている。グレージングのバ
ンドギャップを有する層は、ｐ層に直接接して配置され
た最初の約400nmの厚さ部分が約1.7eVのバンドギャップ
を有するアモルファスシリコン：水素合金で形成されて
おり、この1.7eV部分に続いて配置された次の約100nmの
厚さ部分が約1.9eVのバンドギャップを有するアモルフ
ァスシリコン：水素：窒素合金で形成されている。バン
ドギャップにグレージングの付いた真性層の２つの部分
の析着は両者ともグロー放電法によって行なった。真性
層の1.7eV部分はシランの分解によって析着し、1.9eV部
分はアンモニア30％とシラン70％の混合物の分解によっ
て析着した。比較コントロールのために、厚みが500nm
でバンドギャップが1.7eVで一定なグレージングのない
真性半導体材料層を有する類似のpin光電池デバイス
を、同じグロー放電析着法で製造した。
する１対のpin型光電池デバイスをグロー放電析着によ
って製造した。このデバイスはステンレス鋼基体上に形
成された層集合体を有していた。各々の層集合体は、シ
ランとジボランの混合物のグロー放電分解で製造した厚
さが約10nmのｐ型半導体材料層と、シランとホスフィン
のグロー放電分解によって製造した厚さが約10nmのｎ型
半導体材料層とを含んでいた。ｐ型層とｎ型層の間には
本発明のグレージングの付いたバンドギャップを有する
真性半導体材料層が配置されている。グレージングのバ
ンドギャップを有する層は、ｐ層に直接接して配置され
た最初の約400nmの厚さ部分が約1.7eVのバンドギャップ
を有するアモルファスシリコン：水素合金で形成されて
おり、この1.7eV部分に続いて配置された次の約100nmの
厚さ部分が約1.9eVのバンドギャップを有するアモルフ
ァスシリコン：水素：窒素合金で形成されている。バン
ドギャップにグレージングの付いた真性層の２つの部分
の析着は両者ともグロー放電法によって行なった。真性
層の1.7eV部分はシランの分解によって析着し、1.9eV部
分はアンモニア30％とシラン70％の混合物の分解によっ
て析着した。比較コントロールのために、厚みが500nm
でバンドギャップが1.7eVで一定なグレージングのない
真性半導体材料層を有する類似のpin光電池デバイス
を、同じグロー放電析着法で製造した。
この比較的厚い単一のpin光電池セルを有する特定構造
のデバイスは光誘起劣化の程度が大きいことが知られて
いる。初期動作パラメータを測定し、次にこのデバイス
をAM−１（すなわち大気損失によって減少した直上の太
陽光）照射に長時間曝した。AM−１照射６時間後と72時
間後に青色光照射下での短絡電流を測定した。６時間照
射後のテストデバイスの青色光短絡電流は初期値の96.0
％と97.1％であったがコントロールデバイスでは元の値
の72％であった。72時間後、テストデバイスは最初の青
色光短絡電流の91.3％と90.3％を示したがコントロール
デバイスではその初期値の54％に落ちた。
のデバイスは光誘起劣化の程度が大きいことが知られて
いる。初期動作パラメータを測定し、次にこのデバイス
をAM−１（すなわち大気損失によって減少した直上の太
陽光）照射に長時間曝した。AM−１照射６時間後と72時
間後に青色光照射下での短絡電流を測定した。６時間照
射後のテストデバイスの青色光短絡電流は初期値の96.0
％と97.1％であったがコントロールデバイスでは元の値
の72％であった。72時間後、テストデバイスは最初の青
色光短絡電流の91.3％と90.3％を示したがコントロール
デバイスではその初期値の54％に落ちた。
上記説明は主としてpin型光電池デバイスに関するもの
であるが、本発明はｐドープ半導体層側から照射したni
pデバイスにも同様に応用できる。そのようなデバイス
では電子が少数の荷電キャリアであってセル効率を決定
する。したがって上述の正孔に関する議論はnipデバイ
ス中の電子に適用できる。本発明の原理は他の光応答デ
バイス、たとえばpnデバイスまたはショットキ障壁デバ
イスにも同様に適用し得る。このようなデバイスでは光
応答領域が半導体材料中金属層との境界面に形成されて
いる。
であるが、本発明はｐドープ半導体層側から照射したni
pデバイスにも同様に応用できる。そのようなデバイス
では電子が少数の荷電キャリアであってセル効率を決定
する。したがって上述の正孔に関する議論はnipデバイ
ス中の電子に適用できる。本発明の原理は他の光応答デ
バイス、たとえばpnデバイスまたはショットキ障壁デバ
イスにも同様に適用し得る。このようなデバイスでは光
応答領域が半導体材料中金属層との境界面に形成されて
いる。
第１図は多数のセルからなるpin光電池デバイスの一部
の断面図、第２図は青色および赤色照射光を吸収してpi
n光電池デバイスの真性半導体層内に発生した正孔の寿
命をデバイス内での位置の関数としてプロットしたグラ
フ、第３図は劣化および未劣化のpin光電池デバイスの
真性半導体層内で青色および赤色照射光を吸収して発生
した正孔（または電子）の再結合速度をデバイス内の位
置の関数としてプロットしたグラフ、第４図はpin型光
電池デバイスの真性半導体材料のバンドギャップエネル
ギを本発明の各種態様に応じて該材料層の厚みの関数と
して表わしたグラフである。 10……pin型光電池デバイス、 12……１個のpin型セル、16……ｐ型半導体層、 18……真性半導体層、20……ｎ型半導体層、 22……透明酸化物層、Ａ……赤色照射下の正孔、 Ｂ……青色光照射下の正孔、 Ｄ……赤色光照射下の未劣化デバイスの正孔再結合速
度、 Ｅ……青色光照射下の未劣化デバイスの正孔再結合速
度、 Ｆ……赤色光照射下の劣化デバイスの正孔再結合速度、 Ｆ……青色光照射下の劣化デバイスの正孔再結合速度、 J,K……グレージングの例。
の断面図、第２図は青色および赤色照射光を吸収してpi
n光電池デバイスの真性半導体層内に発生した正孔の寿
命をデバイス内での位置の関数としてプロットしたグラ
フ、第３図は劣化および未劣化のpin光電池デバイスの
真性半導体層内で青色および赤色照射光を吸収して発生
した正孔（または電子）の再結合速度をデバイス内の位
置の関数としてプロットしたグラフ、第４図はpin型光
電池デバイスの真性半導体材料のバンドギャップエネル
ギを本発明の各種態様に応じて該材料層の厚みの関数と
して表わしたグラフである。 10……pin型光電池デバイス、 12……１個のpin型セル、16……ｐ型半導体層、 18……真性半導体層、20……ｎ型半導体層、 22……透明酸化物層、Ａ……赤色照射下の正孔、 Ｂ……青色光照射下の正孔、 Ｄ……赤色光照射下の未劣化デバイスの正孔再結合速
度、 Ｅ……青色光照射下の未劣化デバイスの正孔再結合速
度、 Ｆ……赤色光照射下の劣化デバイスの正孔再結合速度、 Ｆ……青色光照射下の劣化デバイスの正孔再結合速度、 J,K……グレージングの例。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 サブヘンデユ・グーハ アメリカ合衆国、ミシガン・48017、カウ ンテイ・オブ・オウクランド、クロース ン、ウエスト・メイプル・ロード・629、 メイプル・アパートメンツ・ナンバー・17 (56)参考文献 特開 昭57−79672（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−220478（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−97514（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−50973（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】ｐ型半導体層とｎ型半導体層とそれらの間
に設けられた真性半導体層とを有する光起電力デバイス
において、 前記真性半導体層の厚みの1/3以下の光入射面側の領域
のみがバンドギャップが該光入射面側に広く反対側に狭
くなるように連続的に変化した領域であることを特徴と
する光起電力デバイス。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US06/623,860 US4547621A (en) | 1984-06-25 | 1984-06-25 | Stable photovoltaic devices and method of producing same |
| US623860 | 1990-12-07 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6113673A JPS6113673A (ja) | 1986-01-21 |
| JPH0671090B2 true JPH0671090B2 (ja) | 1994-09-07 |
Family
ID=24499680
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60137633A Expired - Lifetime JPH0671090B2 (ja) | 1984-06-25 | 1985-06-24 | 光起電力デバイス |
Country Status (9)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4547621A (ja) |
| EP (1) | EP0167323A3 (ja) |
| JP (1) | JPH0671090B2 (ja) |
| AU (1) | AU4399585A (ja) |
| BR (1) | BR8503017A (ja) |
| CA (1) | CA1262766A (ja) |
| ES (1) | ES8609820A1 (ja) |
| MX (1) | MX157839A (ja) |
| ZA (1) | ZA854621B (ja) |
Families Citing this family (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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