JPH0685445B2 - 光電変換素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、光照射により起電力を発生する光電変換素子
において、少なくとも光入射面がホコリ，異物などとの
摺動により損傷することを防止し耐久性を向上させるこ
とに関する。

従来の技術 太陽電池に代表される光電変換素子は、電卓から無人灯
台，人口衛生にいたるまで広い分野で使用され、今後さ
らに普及していくと思われる。

従来の光電変換素子は例えば第２図に示すように、基板
12,引き出し電極11,光起電力を発生しうる半導体層10,
反射防止膜９から構成され、光が入射する最表面は反射
防止膜９か引き出し電極11である場合が多いが、使用目
的，使用場所によっては、ガラス等の耐久性膜を最表面
に被着している場合もある。

基板12は一般にガラス，ステンレスなどが使用される
が、半導体層10自身に剛性がある場合（たとえば単結晶
シリコンを半導体層に使用する場合など）には設定され
ないものもある。半導体層10は接合部の構成によりPN
型,PIN型，ヘテロ型などが考えられており、シリコンが
最も一般的に使用されている。半導体層10の光入射面
は、変換効率の関係上Ｐ型もしくはヘテロ障壁層になっ
ており、アルミニューム，ボロンなどのIII族の金属が
ドープされている。

引き出し電極11は、蒸着法，スパッタ法,CVD法などの手
法によりチタン，ニッケル，クロム，アルミニュームな
どの金属で形成され、動作中に発生する電流を効率よく
引き出すためにクシ状又は網目状に構成される場合もあ
る。また、光電変換素子の構成によっては電極が透明で
なければならず、酸化インジウム，酸化スズ等の透明電
極が使用される。

反射防止膜９は、照射された光を効率よく入射させるも
ので、酸化ジルコニウム，酸化チタン，酸化インジウム
などが使用される。反射防止膜９の厚さは近似的に λ/4n λ：入射する光の波長 n:非反射層の屈折率 で決定され、たとえばシリコンＰ型半導体上の酸化ジル
コニウム反射防止膜の厚さは約0.06μｍで非常に薄いも
のである。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら上記のような構成の従来例では、実用上次
のような問題点がある。

光電変換素子を種々の機器に設置して使用する場合、太
陽光１の入射面の耐久性が、光電変換素子の寿命に大き
く影響する。即ちこの従来例では反射防止膜３の耐久性
が問題になる。たとえば表面にゴミ，ホコリなどが付着
し摺動したりあるいは引っかいたりすることで反射防止
膜３表面に傷が入ったり、ひどいときには第１電極１が
損傷して光電変換素子の性能が大きく劣化する。この問
題は、ここに述べた構成の従来例だけでなくすべての光
電変換素子に生じるもので、これを解決しない限り、あ
らゆる条件下で長期間安定した出力を生じる光電変換素
子を得ることができない。

問題点を解決するための手段 以上述べてきた従来の問題点を解決する手段としてダイ
ヤモンドを保護膜として設置することが考えられる。ダ
イヤモンドは紫外域から赤外域の広い範囲にわたり良好
な透光性を示し、その屈折率は2.4で屈折率3.7のシリコ
ン半導体層に対する反射防止膜にもなり得る。この場
合、最適厚みは前記式λ/4nより算出すると約0.05μｍ
である。また、ダイヤモンドは物質中で最高の硬度を示
し、化学的にも極めて安定であり、耐久性，耐環境性に
優れた理想的な保護膜材料でもある。

ダイヤモンドの薄膜を形成する技術に関しては、多くの
報告がなされている。

（参考文献） （１） 難波義捷：ダイヤモンド薄膜の低圧合成の研
究，応用機械工学,1984年７月号 （２） 松本精一郎：ダイヤモンドの低圧合成，現代化
学,1984年９月号 （３） 瀬高信雄：ダイヤモンドの低圧合成，日本産業
技術振興協会，技術資料No.138,59/6/20 しかしながら、いずれも未だ研究段階であり実用には至
っていない。

我々は、ダイヤモンドに近い特性を示すダイヤモンド炭
素膜（以下DLC膜と略す）を形成する方法を開発した
（黒川他；プラズマ・インジェクションCVD法による高
硬度炭素膜の形成及び評価，昭和60年度精機学会春季大
会学術講演論文集,No.422）。

我々の開発した方法は、メタンガスなどの炭化水素ガス
を材料ガスとして10〜20Paの低圧力でこれをプラズマ化
し、プラズマもしくはプラズマ中のイオンを加速電界に
よって基板に噴射し、基板を加熱することなく最高3000
Å／分程度の高速でDLC膜を形成することが可能なもの
であり、我々はプラズマ・インジェクションCVD法と称
している（以後、PI-CVD法と略す）。

PI-CVD法により形成したDLC膜は、ダイヤモンド結合（S
P³電子配置）およびグラファイト結合（SP²電子配置）
が混在した非晶質膜であり、ビッカース硬さは2000〜30
00Kg/mm²で耐摩耗性，耐久性に優れる。また屈折率は2.
2〜2.8で膜厚を選定することでシリコン半導体層上の反
射防止膜にもなりえる。

しかし、PI-CVD法では成膜可能な基板材質に２つの制限
条件がある。第１は、基板材質は比抵抗が10¹³Ω・cm程
度でなければならない。10¹³Ω・cm程度を超える材料は
一般に良好な電気絶縁材であり、PI-CVD法においてはイ
オンを基板に噴射するため、絶縁材においては帯電を生
じイオンの加速を弱めるために強固な膜を形成すること
ができない。第２の条件として、基板材質は炭素との化
学的親和力が強く、形成される炭化物の原子間の結合力
が強くなければならない。

ボロン，アルミニュームをドープしたシリコンＰ型半導
体層およびチタン，ニッケル，クロムなどの金属からな
る電極は上記条件を満足しており、この上にPI-CVD法で
強固なDLC膜を形成することが可能となる。

作用 以上に述べたように、ボロン，アルミニュームなどをド
ープしたシリコン半導体層およびチタン，ニッケル，ク
ロムなどの金属からなる引き出し電極の上には、PI-CVD
法によるDLC膜の形成が可能であり、特にシリコン，ボ
ロン，クロム，チタンなどとは強固な化学結合を形成す
るために、非常に薄くても付着力の強い膜が形成され
る。またDLC膜はダイヤモンドに準じ特性を有し、膜厚
0.06μｍ以下の薄いものでも耐摩耗性，耐久性に優れる
とともに、紫外域から赤外域の広波長域にわたって透光
性があり屈折率が2.2〜2.8でシリコン半導体の反射防止
膜をも兼ねることができる。

なお、反射防止膜は最表面層がDLC膜であれば２種類以
上の材料から構成された多層構造であってもかまわな
い。

以上、光入射部の最表面であるシリコン半導体層および
引き出し電極上にPI-CVD法でDLC膜を形成し、反射防止
膜を兼ねた保護膜として非常に有効であることを説明し
たが、それ以外の最外周面にもDLC膜を形成することで
同様な保護効果を得ることができる。

実施例 第１図は本発明の一実施例を示す。これはPN型接合の光
電変換素子に本発明を適応したもので、２は第１電極、
３はDLC膜、４はシリコン半導体層、５は第２電極、６
は基板である。

基板６の上に金属例えばチタン，アルミニューム，ニッ
ケル，クロムをCVD法，スパッタ法などにより0.1〜２μ
ｍの厚さに形成し第２電極５とする。第２電極５は、選
択的にフォトエッチングを施したクシ状又は網目状であ
ってもかまわない。この第２電極５の上にたとえばシリ
コンからなる異種導電型の領域を有するシリコン半導体
層４を設定する。半導体層４は、例えばシランその他の
適当なシリコンと水素とを含む雰囲気中のグロー放電を
利用したCVD法などで形成され、Ｐ型半導体4aの形成に
はボロン，アルミニュームなどのIII族の金属が、また
Ｎ型半導体4bの形成にはリン，ヒ素などのＶ族の金属が
ドープされる。半導体層４の上にはスパッタ法,CVD法な
どによりチタン，アルミニューム，ニッケルなどの金属
からなる第１電極２が形成される。一般に第１電極２は
クシ状又は網目状であるが、半導体層４上の全面に透明
電極を設置してもかまわない。

第１電極２およびＰ型半導体層4a上にはPI-CVD法により
DLC膜が形成される。先に述べたように、第１電極２お
よびＰ型半導体層4aを構成するシリコン，ボロン，アル
ミニューム，チタン，ニッケルとDLC膜とは相性が良
く、PI-CVD法により非常に強固な膜が形成され、光の入
射面を保護する。また、PI-CVD法で形成したDLC膜は2.2
〜2.8の屈折率を示し、先に述べたλ/4nの式から0.06μ
ｍ程度の膜厚であれば反射防止膜にもなりえる。

先にも述べたように、PI-CVD法はメタンガスを分解して
膜を形成するため水素が発生する。この水素は結晶粒
界，格子欠陥がある場合、拡散してダングリングボンド
に結合する。このため結晶粒界の多いポリシリコンや格
子欠陥の多いアモルファスシリコンを半導体層とする場
合、DLC膜の形成と同時に結晶粒界面や格子欠陥部に水
素が補充され、変換効率も高くなる。（アモルファスシ
リコンの場合、水素化アモルファスシリコンに変えたの
と同じ効果が生じる）。

以上PN接合型の光電変換素子について説明したが、PIN
型，ヘテロ型の光電変換素子についても光入射部の最表
面にDLC膜を形成することで同様な効果を得ることがで
きる。また、先に述べた光電変換素子と構成が異なる場
合でも、少なくとも光入射部の最表面にDLC膜を形成す
ることで、耐久性に優れた光電変換素子を得ることがで
きる。

発明の効果 以上述べたように、少なくとも光入射部の最表面に入射
光の反射防止を兼ねたDLC膜を形成することで効率が高
く耐久性に優れた光電変換素子を得ることができる。ま
た、DLC膜はPI-CVD法を用いることにより低温高成膜速
度で形成することが可能で生産性が良く、半導体層に結
晶粒界，格子欠陥がある場合でも効率の良い光電変換素
子を得ることができ、その効果は非常に大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における光電変換素子の断面
図、第２図は従来例における光電変換素子の断面図であ
る。 ２……第１電極、３……DLC膜、４……半導体層。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光照射により光起電力を発生しうる半導体
   層を備え、少なくとも光入射部の最表面がダイヤモンド
   結合とグラファイト結合が混在するダイヤモンド状炭素
   膜、もしくは一部ダイヤモンド結晶を含んだダイヤモン
   ド状炭素膜で保護された光電変換素子。
2. 【請求項２】ダイヤモンド状炭素膜が反射防止膜を兼ね
   た特許請求の範囲第１項記載の光電変換素子。
3. 【請求項３】ダイヤモンド状炭素膜が、炭化水素ガスを
   含むプラズマもしくはイオンにより低温低圧合成された
   特許請求の範囲第１項記載の光電変換素子。