JPH0793448B2 - 光電変換素子 - Google Patents
光電変換素子Info
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- JPH0793448B2 JPH0793448B2 JP61079900A JP7990086A JPH0793448B2 JP H0793448 B2 JPH0793448 B2 JP H0793448B2 JP 61079900 A JP61079900 A JP 61079900A JP 7990086 A JP7990086 A JP 7990086A JP H0793448 B2 JPH0793448 B2 JP H0793448B2
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- Japan
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- photoelectric conversion
- hydrogen atoms
- photodegradation
- hydrogen atom
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
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- Photovoltaic Devices (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は水素化非晶質シリコンを成分とする光電変換素
子、特に水素化非晶質シリコンを、ｐ層とｎ層との間に
介在させたｉ層として用いる太陽電池の光劣化を改善す
る技術に関するものである。
子、特に水素化非晶質シリコンを、ｐ層とｎ層との間に
介在させたｉ層として用いる太陽電池の光劣化を改善す
る技術に関するものである。
（従来の技術） 従来、水素化非晶質シリコン（以下、ａ−Si:Hと略記す
る）をｉ層とした太陽電池は既知であり、種々の研究が
行なわれている。例えば1983年発行の「Solar Cells,
9」の第133〜148頁、1985年８月発行の「Japanese Jour
nal of Applied Physics,Vol.24,No.8」の第L569〜L571
頁、1985年10月発行の「Japanese Journal of Applied
Physics,Vol.24,No.10」の第L838〜L840頁などにａ−S
i:H膜の特性について述べられている。特に最後に挙げ
た「Japanese Journal of Applied Physics,Vo.24,No.1
0」には、ａ−Si:Hに含有される水素の、光電特性に及
ぼす影響について述べられている。ａ−Si:Hを成分とす
る光電変換素子においては、光照射により変換効率が低
下することは従来より知られている。例えばａ−Si:Hを
成分とする太陽電池に100mW/cm2のように強い光を10時
間のような長い時間に亘って照射し続けると変換効率は
初期値の70〜90％に低下していまう。このような現象は
SWE（Staebler−Wronski Effecf）として既知であり、
ａ−Si:H中のスピン濃度（spindensity）、すなわちダ
ングリングホンド濃度（dangling bond density）が光
照射によって増大するために生ずるものである。このよ
うなSWEの本質的メカニズムは完全には解明されていな
いが、ａ−Si:H中の水素濃度が関連していると考えられ
ている。
る）をｉ層とした太陽電池は既知であり、種々の研究が
行なわれている。例えば1983年発行の「Solar Cells,
9」の第133〜148頁、1985年８月発行の「Japanese Jour
nal of Applied Physics,Vol.24,No.8」の第L569〜L571
頁、1985年10月発行の「Japanese Journal of Applied
Physics,Vol.24,No.10」の第L838〜L840頁などにａ−S
i:H膜の特性について述べられている。特に最後に挙げ
た「Japanese Journal of Applied Physics,Vo.24,No.1
0」には、ａ−Si:Hに含有される水素の、光電特性に及
ぼす影響について述べられている。ａ−Si:Hを成分とす
る光電変換素子においては、光照射により変換効率が低
下することは従来より知られている。例えばａ−Si:Hを
成分とする太陽電池に100mW/cm2のように強い光を10時
間のような長い時間に亘って照射し続けると変換効率は
初期値の70〜90％に低下していまう。このような現象は
SWE（Staebler−Wronski Effecf）として既知であり、
ａ−Si:H中のスピン濃度（spindensity）、すなわちダ
ングリングホンド濃度（dangling bond density）が光
照射によって増大するために生ずるものである。このよ
うなSWEの本質的メカニズムは完全には解明されていな
いが、ａ−Si:H中の水素濃度が関連していると考えられ
ている。
（発明が解決しようとする問題点） しかし、従来、ａ−Si:Hを成分とする光電変換素子にお
いて、光照射によるスピン濃度、したがってダングリン
グボンド濃度の増大と水素濃度との関係は十分に解明さ
れていない。したがって、ａ−Si:H中の水素濃度をどの
ような範囲に選定すると光劣化を軽減することができる
のか不明であった。また、ａ−Si:H中において、水素原
子は なる形態で結合しているものと、Si−Ｈなる形態で結
合しているものがあるが、どちらの形態でシリコンと結
合している水素原子が光劣化により関連するのかという
ことも解明されていない。
いて、光照射によるスピン濃度、したがってダングリン
グボンド濃度の増大と水素濃度との関係は十分に解明さ
れていない。したがって、ａ−Si:H中の水素濃度をどの
ような範囲に選定すると光劣化を軽減することができる
のか不明であった。また、ａ−Si:H中において、水素原
子は なる形態で結合しているものと、Si−Ｈなる形態で結
合しているものがあるが、どちらの形態でシリコンと結
合している水素原子が光劣化により関連するのかという
ことも解明されていない。
本発明の目的は、上述した点に鑑み、ａ−Si:H中の水素
原子濃度を特定の値とすることにより光劣化を改善する
ことができる光電変換素子を提供しようとするものであ
る。
原子濃度を特定の値とすることにより光劣化を改善する
ことができる光電変換素子を提供しようとするものであ
る。
（問題点を解決するための手段） 本発明は水素化非晶質シリコンを成分とする光電変換素
子において、水素化非晶質シリコン中の の形態で結合している水素原子濃度を５×1017個/cm3と
し、Si−Ｈの形態で結合している水素原子濃度を５×
1020個/cm3以上で、４×1021個/cm3以下として光劣化を
改善したことを特徴とするものである。
子において、水素化非晶質シリコン中の の形態で結合している水素原子濃度を５×1017個/cm3と
し、Si−Ｈの形態で結合している水素原子濃度を５×
1020個/cm3以上で、４×1021個/cm3以下として光劣化を
改善したことを特徴とするものである。
（作 用） 本発明は光劣化における水素原子の果たす役割をさらに
研究し、ａ−Si:Hの中の （ｎ＝1,2…，以下同じ）が光劣化に大きな影響を及ぼ
していることを解明した。
研究し、ａ−Si:Hの中の （ｎ＝1,2…，以下同じ）が光劣化に大きな影響を及ぼ
していることを解明した。
この の形態でシリコンに結合した水素原子は移動し易く、ダ
ングリングボンドを生成し易く、このダングリングボン
ドは光照射を受けると電気的に中性となり、ダングリン
グボンドの電荷が零となり、これによって光劣化が生ず
るものであることを確めた。したがって本発明では の形態で結合した水素原子濃度を５×1017個/cm3以下と
する。この形態の水素原子濃度が５×1017個/cm3よりも
多くなると、光照射により多くのダングリングボンドが
生成され、光電変換効率が大きく低下してしまう。ま
た、Si−Ｈの形態で結合した水素原子濃度は５×1020個
/cm3以上、４×1021個/cm3以下とする必要があり、約３
×1021〜６×1021個/cm3,特に約４×1021個/cm3とする
のが好適であることを確めた。
ングリングボンドを生成し易く、このダングリングボン
ドは光照射を受けると電気的に中性となり、ダングリン
グボンドの電荷が零となり、これによって光劣化が生ず
るものであることを確めた。したがって本発明では の形態で結合した水素原子濃度を５×1017個/cm3以下と
する。この形態の水素原子濃度が５×1017個/cm3よりも
多くなると、光照射により多くのダングリングボンドが
生成され、光電変換効率が大きく低下してしまう。ま
た、Si−Ｈの形態で結合した水素原子濃度は５×1020個
/cm3以上、４×1021個/cm3以下とする必要があり、約３
×1021〜６×1021個/cm3,特に約４×1021個/cm3とする
のが好適であることを確めた。
これは の結合水素原子濃度を上述したように５×1017個/cm3以
下とする条件下で全水素濃度と光劣化との関係を調べた
ところ、Si−Ｈの形態で結合している水素原子濃度に
は臨界的条件があり、５×1020個/cm3より少なくしても
４×1021個/cm3より多くしても光劣化は許容し得ない程
劣化してしまうことを確認した。水素原子濃度を上述し
た範囲に制御する方法は種々あるが、例えばａ−Si:Hの
形成過程において、SiH4カズをH2ガスによって希釈する
ことによって 結合の水素原子濃度を減少させることができ、また基板
の温度を上げることによって全水素原子量を減少させる
ことができる。
下とする条件下で全水素濃度と光劣化との関係を調べた
ところ、Si−Ｈの形態で結合している水素原子濃度に
は臨界的条件があり、５×1020個/cm3より少なくしても
４×1021個/cm3より多くしても光劣化は許容し得ない程
劣化してしまうことを確認した。水素原子濃度を上述し
た範囲に制御する方法は種々あるが、例えばａ−Si:Hの
形成過程において、SiH4カズをH2ガスによって希釈する
ことによって 結合の水素原子濃度を減少させることができ、また基板
の温度を上げることによって全水素原子量を減少させる
ことができる。
第１図は基板温度Ts（℃）と全水素原子濃度（×５×10
20個/cm3）との関係を示すものであり、基板温度を約17
0℃〜260℃の範囲で変化させることによって全水素原子
濃度は約14×５×1020個/cm3から約10.5×５×1020個/c
m2までほぼ直線的に減少する。本発明では全水素原子濃
度を少なくしてダングリングボンド濃度を抑えるもので
あるから、ａ−Si:Hの生長中の基板温度は高くするのが
望ましい。
20個/cm3）との関係を示すものであり、基板温度を約17
0℃〜260℃の範囲で変化させることによって全水素原子
濃度は約14×５×1020個/cm3から約10.5×５×1020個/c
m2までほぼ直線的に減少する。本発明では全水素原子濃
度を少なくしてダングリングボンド濃度を抑えるもので
あるから、ａ−Si:Hの生長中の基板温度は高くするのが
望ましい。
第２図はSiH4ガスと希釈用H2ガスとの流量比（H2/Si
H4）と、 の形態で結合している水素原子濃度、Si−Ｈの形態で
結合している水素原子濃度および全水素原子濃度との関
係を示すものであり、流量比を大きくすることにより の形態で結合している水素原子濃度を減少させることが
できるが、Si−Ｈの形態で結合している水素原子濃度
および全水素原子濃度は流量比の増大とともに増大す
る。したがって、本発明ではこの流量比を約1.2〜5.0の
範囲とする。
H4）と、 の形態で結合している水素原子濃度、Si−Ｈの形態で
結合している水素原子濃度および全水素原子濃度との関
係を示すものであり、流量比を大きくすることにより の形態で結合している水素原子濃度を減少させることが
できるが、Si−Ｈの形態で結合している水素原子濃度
および全水素原子濃度は流量比の増大とともに増大す
る。したがって、本発明ではこの流量比を約1.2〜5.0の
範囲とする。
第３図は全水素原子濃度を４×1021個/cm3で一定として の形態で結合している水素原子濃度（×５×1020個/c
m3）とスピン濃度△Ns（個/cm3）との関係を示すもので
ある。このスピン濃度はESR（Eletron Spin Resonanc
e）信号として検出することができ、上述したようにこ
のスピン濃度はダングリングボンド濃度とほぼ一対一の
関係にある。
m3）とスピン濃度△Ns（個/cm3）との関係を示すもので
ある。このスピン濃度はESR（Eletron Spin Resonanc
e）信号として検出することができ、上述したようにこ
のスピン濃度はダングリングボンド濃度とほぼ一対一の
関係にある。
の形態で結合している水素原子濃度を減らすことにより
スピン濃度△Nsは減少し、光照射後のダングリングボン
ドによるESR信号の増加は少なくなり、光劣化は少なく
なる。
スピン濃度△Nsは減少し、光照射後のダングリングボン
ドによるESR信号の増加は少なくなり、光劣化は少なく
なる。
第４図は 形態で結合している水素濃度を５×1017個/cm3以下とし
たときの全水素原子濃度（×５×1020個/cm3）とスピン
濃度△Nsとの関係を示すものであり、スピン濃度△Nsは
全水素原子濃度が８×５×1020個/cm3の近傍において特
異的に減少している。
たときの全水素原子濃度（×５×1020個/cm3）とスピン
濃度△Nsとの関係を示すものであり、スピン濃度△Nsは
全水素原子濃度が８×５×1020個/cm3の近傍において特
異的に減少している。
第５図はスピン濃度△Nsと光劣化率（％）との関係を示
すものであり、スピン濃度△Nsが約５×1015個/cm3以下
になると太陽電池の光劣化はなくなる。これは太陽電池
内の内部電界（Ｅ＞１×104V/cm）によってダングリン
グボンドの増加が抑えられるためである。
すものであり、スピン濃度△Nsが約５×1015個/cm3以下
になると太陽電池の光劣化はなくなる。これは太陽電池
内の内部電界（Ｅ＞１×104V/cm）によってダングリン
グボンドの増加が抑えられるためである。
上述した第１〜５図に示す特性を綜合的に検討した結
果、本発明においてはａ−Si:H中の の形態で結合している水素原子濃度を５×1017個/cm3以
下とし、Si−Ｈの形態で結合している水素原子濃度と
５×1020個/cm3以下、４×1021個/cm3以下とすることに
よって光電変換効率の光劣化を有効に抑上することに成
功したものである。
果、本発明においてはａ−Si:H中の の形態で結合している水素原子濃度を５×1017個/cm3以
下とし、Si−Ｈの形態で結合している水素原子濃度と
５×1020個/cm3以下、４×1021個/cm3以下とすることに
よって光電変換効率の光劣化を有効に抑上することに成
功したものである。
（実施例） 第６図は本発明による太陽電池の一実施例の構成を示す
線図的断面図であり、ガラス基板１の表面に耐熱性、耐
プラズマ性を有するＦ添加SnO2より成る透明導電膜２を
堆積する。この透明導電膜２の上に、基板温度210℃
で、SiH4、DMS（ジメチルシラン;Si（（CH3）2H2）,B2H
6を用い、圧力0.1Torr、RFパワー密度約17mW/cm2で高周
波グロー放電を用いたプラズマCVD装置により膜厚100Å
のｐ型ａ−Si:H層３を堆積する。
線図的断面図であり、ガラス基板１の表面に耐熱性、耐
プラズマ性を有するＦ添加SnO2より成る透明導電膜２を
堆積する。この透明導電膜２の上に、基板温度210℃
で、SiH4、DMS（ジメチルシラン;Si（（CH3）2H2）,B2H
6を用い、圧力0.1Torr、RFパワー密度約17mW/cm2で高周
波グロー放電を用いたプラズマCVD装置により膜厚100Å
のｐ型ａ−Si:H層３を堆積する。
続いて、基板温度を260℃とし、SiH4,H2を用い、圧力0.
3Torr,RFパワー密度約8mW/cm2でH2とSiH4との流量比H2/
SiH4を３〜５として膜厚5000Åのｉ型ａ−Si:H層４を堆
積形成する。
3Torr,RFパワー密度約8mW/cm2でH2とSiH4との流量比H2/
SiH4を３〜５として膜厚5000Åのｉ型ａ−Si:H層４を堆
積形成する。
さらに、基板温度230℃で、SiH4,PH3を用い、圧力0.3To
rrp,RFパワー密度約17mW/cm2で500Åの厚さのｎ型ａ−S
i:H層５を堆積し、pin構造を構成する。
rrp,RFパワー密度約17mW/cm2で500Åの厚さのｎ型ａ−S
i:H層５を堆積し、pin構造を構成する。
最後にｎ型ａ−Si:H層５の表面にアルミニウムの電極膜
６を蒸着して太陽電池を完成する。このように構成した
太陽電池のｉ型ａ−Si:H層４における の形態で結合している水素原子濃度は約５×1017個/cm3
で、Si−Ｈの形態で結合している水素原子濃度は約４
×1021個/cm3である。
６を蒸着して太陽電池を完成する。このように構成した
太陽電池のｉ型ａ−Si:H層４における の形態で結合している水素原子濃度は約５×1017個/cm3
で、Si−Ｈの形態で結合している水素原子濃度は約４
×1021個/cm3である。
第７図は上述した本発明の太陽電池にAM（Air Mass）1.
5の条件下で100mW/cm2の光を照射したときの、照射時間
と光劣化率（％）との関係を示すものであり、曲線Ａで
示す本発明の太陽電池は350時間照射後も光劣化は殆ん
どなかった。これに対し、曲線Ｂで示す従来の太陽電池
は の形態で結合している水素原子濃度濃度は約１×1021個
/cm3,Si−Ｈの形態で結合している水素原子濃度は約
５×1021個/cm3であり、20時間の照射後光劣化率は10％
程度もあり、200時間照射後は光劣化率は15％にも達し
ている。
5の条件下で100mW/cm2の光を照射したときの、照射時間
と光劣化率（％）との関係を示すものであり、曲線Ａで
示す本発明の太陽電池は350時間照射後も光劣化は殆ん
どなかった。これに対し、曲線Ｂで示す従来の太陽電池
は の形態で結合している水素原子濃度濃度は約１×1021個
/cm3,Si−Ｈの形態で結合している水素原子濃度は約
５×1021個/cm3であり、20時間の照射後光劣化率は10％
程度もあり、200時間照射後は光劣化率は15％にも達し
ている。
（発明の効果） 上述したように本発明によれば、ｉ型ａ−Si:H層をプラ
ズマCVD法により堆積形成する際に基板温度を高くして
全水素原子濃度を少なくするとともにSiH4ガスをH2ガス
で希釈することによって の形態で結合している水素原子濃度を少なくすることに
よって、 の水素原子濃度を５×1017個/cm3以下とし、Si−Ｈの
水素原子濃度を５×1020〜４×1021個/cm3とし、特に の水素原子濃度を零とし、Si−Ｈの水素原子濃度を４
×1021個/cm3とすることにより、光劣化の原因となるダ
ングリングボンド濃度の増加を抑えることができ、強い
光に長時間哂されても光電変換効率の低下を有効に防止
することができる。
ズマCVD法により堆積形成する際に基板温度を高くして
全水素原子濃度を少なくするとともにSiH4ガスをH2ガス
で希釈することによって の形態で結合している水素原子濃度を少なくすることに
よって、 の水素原子濃度を５×1017個/cm3以下とし、Si−Ｈの
水素原子濃度を５×1020〜４×1021個/cm3とし、特に の水素原子濃度を零とし、Si−Ｈの水素原子濃度を４
×1021個/cm3とすることにより、光劣化の原因となるダ
ングリングボンド濃度の増加を抑えることができ、強い
光に長時間哂されても光電変換効率の低下を有効に防止
することができる。
第１図は基板温度と全水素原子濃度との関係を示すグラ
フ、 第２図はH2とSiH4との流量比と水素原子濃度との関係を
示すグラフ、 第３図は の結合水素濃度とスピン濃度との関係を示すグラフ、 第４図は全水素原子濃度とスピン濃度との関係を示すグ
ラフ、 第５図はスピン濃度と光劣化率との関係を示すグラフ、 第６図は本発明による光電変換素子の一実施例である太
陽電池の構成を示す線図的断面図、 第７図は本発明の光電変換素子と従来の光電変換素子と
の劣化率を対比して示すグラフである。 １……ガラス基板、２……透明導電膜 ３……ｐ型ａ−Si:H層、４……ｉ型ａ−Si:H層 ５……ｎ型ａ−Si:H層、６……電極膜
フ、 第２図はH2とSiH4との流量比と水素原子濃度との関係を
示すグラフ、 第３図は の結合水素濃度とスピン濃度との関係を示すグラフ、 第４図は全水素原子濃度とスピン濃度との関係を示すグ
ラフ、 第５図はスピン濃度と光劣化率との関係を示すグラフ、 第６図は本発明による光電変換素子の一実施例である太
陽電池の構成を示す線図的断面図、 第７図は本発明の光電変換素子と従来の光電変換素子と
の劣化率を対比して示すグラフである。 １……ガラス基板、２……透明導電膜 ３……ｐ型ａ−Si:H層、４……ｉ型ａ−Si:H層 ５……ｎ型ａ−Si:H層、６……電極膜
Claims (1)
- 【請求項１】水素化非晶質シリコンを成分とする光電変
換素子において、水素化非晶質シリコン中の、 の形態で結合している水素原子濃度を５×1017個/cm3以
下とし、Si−Ｈの形態で結合している水素原子濃度を
５×1020個/cm3以上で、４×1021個/cm3以下として光劣
化を改善したことを特徴とする光電変換素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61079900A JPH0793448B2 (ja) | 1986-04-08 | 1986-04-08 | 光電変換素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61079900A JPH0793448B2 (ja) | 1986-04-08 | 1986-04-08 | 光電変換素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62237767A JPS62237767A (ja) | 1987-10-17 |
| JPH0793448B2 true JPH0793448B2 (ja) | 1995-10-09 |
Family
ID=13703154
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61079900A Expired - Fee Related JPH0793448B2 (ja) | 1986-04-08 | 1986-04-08 | 光電変換素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0793448B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2846651B2 (ja) * | 1989-03-31 | 1999-01-13 | 三洋電機株式会社 | 光起電力装置 |
| JP3792903B2 (ja) * | 1998-07-22 | 2006-07-05 | 株式会社カネカ | 半導体薄膜および薄膜デバイス |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5927522A (ja) * | 1982-08-07 | 1984-02-14 | Nippon Denso Co Ltd | アモルフアス半導体薄膜の製造方法 |
| JPS5886721A (ja) * | 1982-08-24 | 1983-05-24 | Konishiroku Photo Ind Co Ltd | アモルフアス半導体膜の形成方法 |
-
1986
- 1986-04-08 JP JP61079900A patent/JPH0793448B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62237767A (ja) | 1987-10-17 |
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